KR101805993B1 - 내마모성이 우수한 고온 고압용 원료분사 노즐 - Google Patents

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Abstract

카본 블랙 제조 장치와 같은 고온 고압 환경에서 적합하게 적용될 수 있는 원료분사 노즐에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐은 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체; 외주면이 상기 노즐 본체의 상기 원료 분사 영역의 후단부에 접착되는 세라믹 팁; 및 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 배치되는 세라믹 접착층;을 포함하고, 상기 노즐 본체와 상기 세라믹 팁이 결합되어 내경을 형성하게 하되 상기 내경의 길이 중 절반 이상을 상기 세라믹 팁으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐은 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체; 전방으로 갈수록 외주면의 직경이 작아지며, 내주면이 상기 원료 분사 영역 내부의 내경을 구성하는 세라믹 팁; 및 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 배치되는 세라믹 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내마모성이 우수한 고온 고압용 원료분사 노즐 {RAW MATERIALS INJECTION NOZZLE FOR HIGH TEMPERATURE AND HIGH PRESSURE WITH EXCELLENT WEAR RESISTANCE}
본 발명은 카본 블랙 제조 장치와 같은 고온 고압용 장치에 구비되는 원료분사 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내마모성이 우수한 고온 고압용 원료분사 노즐에 관한 것이다.
카본 블랙(carbon black)은 소프트 피치로부터 제조되고 있으며, 원료인 소프트 피치는 원료분사 노즐을 통하여 반응 챔버 내로 주입된다.
반응 챔버의 전단에 배치되는 원료분사 노즐은 대략 6~10개 정도의 노즐들이 일체 구조로 형성되어 있다.
원료분사 노즐은 일반적으로 금속 재질로 이루어져 있다.
한편, 카본 블랙을 제조하기 위한 반응챔버 내부의 온도는 2000℃ 이상과 같이 고온이고, 원료 분사 압력은 20 bar 이상과 같이 고압이다. 또한 제조 원료로 쓰이는 물질에 마모를 일으킬 수 있는 미세 입자들이 포함되어 있다. 이러한 고온 및 고압 환경에서, 금속 재질의 원료분사 노즐은 열에 의한 변형, 화학물질에 의한 부식, 경도의 한계 등에 제약이 있다. 이러한 영향으로 노즐 내경 내부의 변형이나 마모가 일어나기 쉽다.
마모가 일어난 노즐은 내경이 확대되어 분사량이 많아지고 일정하게 유지되어야 할 분사 압력이 떨어짐에 의해 원하는 조건으로 공정을 수행하기 어렵고 이에 따라 생산 수율이 저하되는 등 여러 가지 손실이 발생할 수 있다. 또한, 이러한 경우에는 노즐을 교체하여야 하는데, 노즐 교체를 위하여 공정이 중간에 중단될 경우, 노즐 교체를 위한 시간적, 인력적 손실이 발생하며, 제품의 생산성도 그만큼 저해된다.
이에, 원료분사 노즐의 소재를 내부식성, 내마모성을 갖춘 세라믹으로 대체하려는 시도가 있었다. 그러나, 원료분사 노즐 전체를 세라믹으로 할 경우 원가 상승이 크다. 또한, 세라믹의 경우, 금속에 비하여 형상가공이 어려워 복잡한 형상의 노즐에 적용이 쉽지 않다.
아울러, 노즐의 분사 팁 부분에만 내마모 세라믹을 적용한 예도 있었다. 이 경우 세라믹 팁을 별도의 완충제 없이 노즐 본체에 고정하거나 금속을 이용하여 고정하였다. 그러나, 노즐의 분사 팁 부분에만 내마모 세라믹을 적용하였을 때도, 노즐 본체와 분사 팁의 재질 차이 및 이로 인한 열팽창계수의 차이로 인하여, 열이 가해졌을 경우 유격이나 깨짐이 발생할 수 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0033096호(2002.05.04. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 카본블랙의 제조장치, 그의 제조방법, 노내 연소장치 및 노내 연소방법이 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 고온 및 고압용 원료분사 노즐에 있어서, 노즐의 마모가 잘 일어나는 특정 부위를 고경도 물질인 세라믹으로로 대체하여, 내화학성과 내마성을 높이면서, 세라믹 팁의 이탈 및 파손을 방지할 수 있는 원료분사 노즐을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 원료분사 노즐을 구비하는 카본블랙 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐은 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체; 외주면이 상기 노즐 본체의 상기 원료 분사 영역의 후단부에 접착되는 세라믹 팁; 및 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 배치되는 세라믹 접착층;을 포함하고, 상기 노즐 본체와 상기 세라믹 팁이 결합되어 내경을 형성하게 하되 상기 내경의 길이 중 절반 이상을 상기 세라믹 팁으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 원료공급 노즐의 경우, 세라믹 팁에 의해 내경의 일부가 정의됨으로써 고온 고압의 환경에서도 마모를 억제할 수 있다.
특히, 본 발명의 경우, 내경의 길이 중 절반 이상이 세라믹 팁으로 구성된다. 본 발명은 마모가 잘 일어나는 부분인 내경에 세라믹 팁을 삽입하여 변형을 막기 위한 것이므로, 이에 대해서 충분한 효과를 얻으려면 세라믹 팁이 내경의 길이 방향에 대해 절반 이상을 차지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 원료공급 노즐의 경우, 세라믹 팁이 세라믹 접착제에 의해 노즐 본체에 접착됨으로써, 노즐 본체와 세라믹 팁의 열팽창계수 차이에 의해서도 유격이나 깨짐 등의 현상을 방지할 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 세라믹 접착층은 열팽창계수가 상기 노즐 본체의 열팽창계수와 상기 세라믹 팁의 열팽창계수 사이에 있다.
이때, 상기 노즐 본체는 금속 재질인 것이 바람직하다.
원료분사 노즐 전체가 세라믹인 경우 비용 증가 뿐만 아니라, 노즐의 인성이 부족하여 충격에 취약한 문제점이 있으나, 본 발명의 경우, 전체적으로 금속 노즐 본체에 세라믹 팁만을 적용함으로써 내마모성과 함께 노즐 전체적인 인성이 우수하여 열충격 등에 충분히 견딜 수 있다.
또한, 상기 원료 분사 영역의 전단부에는 상기 노즐 본체가 연장된 스토퍼부가 존재할 수 있다.
원료 분사 영역의 전단부에 노즐 본체가 연장된 스토퍼부가 존재함으로 인하여, 세라믹 팁이 전방으로 이탈하는 것을 방지할 수 있고, 세라믹 팁과 노즐 본체의 접촉 면적을 더 넓힐 수 있어, 부착성을 높일 수 있다.
또한, 상기 세라믹 팁은 후방 부분에, 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 테이퍼부를 구비할 수 있다.
이를 통하여, 세라믹 팁 후방부에서의 원료의 흐름을 원할하게 할 수 있고, 공급되는 원료가 세라믹 팁 후방부와 비스듬하게 접촉하게 됨으로써 세라믹 팁 후방부의 마모를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 노즐 본체는, 상기 노즐 분사 영역을 형성하는 부분이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태를 가지고 있고, 상기 세라믹 팁은, 외주면이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태를 가지고 있을 수 있다. 이러한 구조에 의해 접착 면적을 더 넓힐 수 있어, 세라믹 팁의 접착력 향상에 기여할 수 있다.
또한, 상기 세라믹 접착층은 열팽창계수가 상기 노즐 본체의 열팽창계수와 상기 세라믹 팁의 열팽창계수 사이에 있는 것이 바람직하다. 이를 통하여, 노즐 본체와 세라믹 팁의 열팽창계수 차이에 의한 유격 방지를 억제할 수 있다.
또한, 상기 원료 공급 영역에 베인(vane)이 배치될 수 있다. 이러한 베인은 상대적으로 넓은 공간인 원료 공급 영역에 배치되며, 베인의 배치를 통하여, 원료의 흐름을 유연하고 일정하게 할 수 있다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐은 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체; 전방으로 갈수록 외주면의 직경이 작아지며, 내주면이 상기 원료 분사 영역 내부의 내경을 구성하는 세라믹 팁; 및 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 배치되는 세라믹 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구조에 의해, 별도의 스토퍼 구조 없이도 세라믹 팁이 전방으로 이탈하는 것을 방지할 수 있으며, 접착 면적을 넓힐 수 있어, 세라믹 팁의 접착력을 높일 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치는 탄화수소계 원료가 20 bar 이상의 분사 압력으로 분사되는 원료분사 노즐; 및 2000℃ 이상의 온도에서, 분사된 탄화수소계 원료를 열분해하여 카본 블랙을 제조하는 반응기;를 포함하고, 상기 원료분사 노즐은, 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체; 외주면이 상기 노즐 본체의 원료 분사 영역을 형성하는 부분에 접착되며, 내주면이 상기 원료 분사 영역 내부의 내경을 정의하는 세라믹 팁; 및 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 배치되는 세라믹 접착층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
카본 블랙 제조 장치의 경우, 2000℃ 이상의 반응 온도와 20 bar 이상의 원료 분사 압력이 요구되는 바, 본 발명에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐이 적용되기에 적합하다.
본 발명에 따른 내마모성이 우수한 고온 및 고압용 원료분사 노즐에 의하면, 마모가 많이 발생하는 노즐의 내경 부분에만 세라믹 팁을 접착제를 이용하여 부착함으로써 노즐의 내경 부분의 내화학성과 내마모성을 높일 수 있다.
아울러, 세라믹 팁을 세라믹 접착제를 이용해 노즐 내경에 부착함으로써, 열팽창계수 차이에 의한 유격과 파손 등과 같은 손실을 줄여 내구성을 높일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 세라믹 팁을 구비하는 원료분사 노즐은 카본 블랙 제조 장치와 같이, 2000℃ 이상의 고온과, 20 bar 이상의 고압이 적용되는 환경에 사용되기 적합하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 고온 고압용 원료분사 노즐에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐은 전방(도 1의 상부 방향)으로 원료를 분사하기 위한 원료분사 노즐이다. 도 1에서는 하나의 노즐을 나타내고 있으나, 노즐들이 서로 연결된 형태, 복수의 노즐을 구비하는 일체형 형태 등도 가능하다.
도 1을 참조하면, 도시된 원료분사 노즐은 노즐 본체(110), 세라믹 팁(120) 및 세라믹 접착층(130)을 포함한다.
노즐 본체(110)는 후방의 원료 공급 영역(112)과 이로부터 전방으로 연결된 원료 분사 영역(114)을 형성한다. 이때, 원료 분사 영역(112)은 원료 공급 영역(114)보다 직경이 작은, 즉 상대적으로 작은 공간에 해당한다.
노즐 본체(110)에서 원료 공급 영역(112)과 원료 분사 영역(114)을 형성하는 부분들은 일체의 구조로 되어 있을 수 있다. 또한, 노즐 본체(110)에서 원료 공급 영역(112)을 형성하는 부분과 원료 분사 영역(114)을 형성하는 부분이 서로 체결된 구조일 수도 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 원료 공급 영역(112)에는 베인(vane)이 배치될 수 있다. 이러한 베인은 상대적으로 넓은 공간인 원료 공급 영역에 배치되며, 베인의 배치를 통하여, 원료의 흐름을 유연하고 일정하게 할 수 있다. 또한 베인의 형태에 따라 분사 형태를 조절할 수 있다. 이러한 베인 이외에도 원료 공급 영역(112)에는 다양한 부재들이 배치될 수 있다.
세라믹 팁(120)은 외주면이 노즐 본체(110)의 원료 분사 영역을 형성하는 부분에 접착되며, 내주면이 원료 분사 영역 내부의 내경을 구성한다.
이러한 세라믹 팁(120)은 알루미나(Al2O3), 질화규소(SiN), 탄화규소(SiC), 질화티타늄(TiN), 질화크롬(CrN), 지르코니아(ZrO2), 질화알루미늄(AlN) 등 고온에서 내마모성이 우수한 세라믹으로 형성될 수 있다.
이러한 세라믹 팁이 내경에 적용됨으로써, 고온 고압의 환경에서도 내마모성 및 내화학성을 발휘할 수 있다.
한편, 본 발명의 경우, 원료공급 노즐 전체가 세라믹 재질인 것이 아니라, 내경 부분에만 세라믹 팁이 배치된다. 이에 의해, 원료분사 노즐이 전체적으로 세라믹 재질로 형성된 경우에 비해, 내마모 특성을 가지면서도 인성 저하를 방지할 수 있어, 내충격성 등을 확보할 수 있다.
세라믹 접착층(130)은 세라믹 팁(120)과 노즐 본체(110) 사이에 배치되며, 세라믹 접착제로부터 형성된다.
아울러, 노즐 본체(110)와 세라믹 팁(120)의 열팽창계수 차이에 의한 유격 방지를 억제하기 위하여, 세라믹 접착층(130)은 열팽창계수가 노즐 본체(110)의 열팽창계수와 세라믹 팁(120)의 열팽창계수 사이에 있는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이용가능한 세라믹 접착제로는 ZrO2, TiAlN, CrAlN, Al2O3 등과 같은 세라믹 성분과 바인더를 함유하는 것들을 제시할 수 있다.
본 발명에 따른 원료공급 노즐의 경우, 세라믹 팁(120)이 세라믹 접착제에 의해 노즐 본체(110)에 접착됨으로써, 노즐 본체(110)와 세라믹 팁(120)이 기계적, 물리적으로 결합된 경우에 비하여, 유격이나 깨짐 등의 현상을 저감 또는 방지할 수 있다.
한편, 노즐 본체(110)는 금속 재질인 것이 바람직하다.
노즐 본체의 재질로는 SUS420J2와 같은 스테인리스 스틸, 크롬계 내열 합금, 니켈계 내열 합금 등이 이용될 수 있다.
세라믹 팁(120)을 제외한 노즐 본체(110)를 금속 재질로 함으로써, 노즐 전체적으로 우수한 인성을 확보할 수 있어, 열충격 등에 견딜 수 있다.
세라믹 팁(120)의 내주면은 도 1에 도시된 예와 같이 전방부와 후방부의 직경이 일정한 형태일 수 있다.
본 발명의 경우, 노즐 본체(110)와 세라믹 팁(120)이 결합되어 내경을 형성하되, 내경의 길이 중 절반 이상이 세라믹 팁(120)으로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명은 마모가 잘 일어나는 부분인 내경에 세라믹 팁(120)을 삽입하여 변형을 막기 위한 것이므로, 이에 대해서 충분한 효과를 얻으려면 세라믹 팁(120)이 내경의 길이 방향에 대해 절반 이상을 차지하는 것이 바람직하다.
한편, 도 1에 도시된 예와 같이, 원료 분사 영역(114)의 전단부, 즉 세라믹 팁(120) 전방에 노즐 본체(110)가 연장된 스토퍼부(140)가 형성되어 있을 수 있다.
세라믹 팁(120) 전방에 스토퍼부(140)가 형성되어 있음으로 해서, 세라믹 팁(120)이 전방으로 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
아울러, 스토퍼부(140)의 존재로 인하여, 세라믹 팁과 노즐 본체의 접촉 면적을 더 넓힐 수 있어, 부착성을 높일 수 있다.
이러한 스토퍼부(140)는 도 1에 도시된 예와 같이, 단일 턱의 형태가 될 수 있다. 이외에도 스토퍼부(140)는 계단식의 다중 턱의 형태가 될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 2에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐의 경우, 노즐 본체(110), 세라믹 팁(120) 및 세라믹 접착층(130)을 포함하고, 노즐 본체(110)와 세라믹 팁(120)이 결합되어 내경을 형성하되 내경의 길이 중 절반 이상이 세라믹 팁(120)으로 구성되는 점, 원료 분사 영역의 전단부에 스토퍼부(140)가 형성될 수 있는 점에서, 도 1에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐과 유사한 구조를 가진다.
다만, 도 2에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐은 세라믹 팁의 형상이 도 1에 도시된 것과 상이하다.
도 2에 도시된 예에서, 세라믹 팁(120)은 후방 부분에, 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 테이퍼부(125)를 구비할 수 있다.
이러한 세라믹 팁 후방 부분(120)의 테이퍼부를 통하여, 세라믹 팁 후방부에서의 원료의 흐름을 원할하게 할 수 있고, 공급되는 원료가 세라믹 팁 후방부와 비스듬하게 접촉하게 됨으로써 세라믹 팁 후방부의 마모를 감소시킬 수 있다.
다만, 세라믹 팁(120)은 도 2에 도시된 예와 같이, 후방에 있는 테이퍼부(125)를 제외한 나머지 부분은 직경이 일정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐의 경우, 노즐 본체(110), 세라믹 팁(120) 및 세라믹 접착층(130)을 포함하고, 노즐 본체(110)와 세라믹 팁(120)이 결합되어 내경을 형성하되 내경의 길이 중 절반 이상이 세라믹 팁(120)으로 구성되는 점, 그리고 원료 분사 영역의 전단부에 스토퍼부(140)가 형성될 수 있는 점에서, 도 1에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐과 유사한 구조를 가진다.
다만, 도 3에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐의 경우, 노즐 분사 영역(114)을 형성하는 노즐 본체(110)의 부분이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있고, 세라믹 팁(120) 역시 이러한 노즐 본체(110) 형상에 대응하도록 외주면이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있다.
이러한 구조에 의해 세라믹 팁의 이탈 방지 효과를 보다 높일 수 있으며, 아울러, 노즐 본체(110)와 세라믹 팁(120)의 접착 면적을 넓힐 수 있어 세라믹 팁(120)의 접착력을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐의 경우, 노즐 본체(110), 세라믹 팁(120) 및 세라믹 접착층(130)을 포함하고, 노즐 본체(110)와 세라믹 팁(120)이 결합되어 내경을 형성하되 내경의 길이 중 절반 이상이 세라믹 팁(120)으로 구성되는 점, 그리고, 원료 분사 영역의 전단부에 스토퍼부(140)가 형성될 수 있는 점에서, 도 1에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐과 유사한 구조를 가진다.
다만, 도 4에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐은, 노즐 분사 영역(114)을 형성하는 노즐 본체(110)의 부분이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있고, 세라믹 팁(120) 역시 이러한 노즐 본체(110) 형상에 대응하도록 외주면이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있다. 또한, 도 4에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐의 경우, 세라믹 팁(120) 후방 부분에 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 테이퍼부(125)가 형성되어 있다.
이러한 도 4에 도시된 구조를 통하여, 원료 흐름 제어가 용이하고, 또한 세라믹 팁의 이탈 방지성 및 부착성이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐의 경우, 노즐 분사 영역(114)을 형성하는 노즐 본체(110)의 부분이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있고, 세라믹 팁(120) 역시 이러한 노즐 본체(110) 형상에 대응하도록 외주면이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있다.
이러한 구조에 의해 별도의 스토퍼 구조 없이도 세라믹 팁이 전방으로 이탈하는 것을 방지할 수 있으며, 접착 면적 역시 도 1에 도시된 구조에 비하여 더 큰 바 더 높은 접착력을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 6에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐은 도 2에 도시된 예와 같이, 세라믹 팁(120) 후방 부분에 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 테이퍼부(125)가 형성되어 있다.
또한, 도 6에 도시된 고온 고압용 원료분사 노즐은, 도 5에 도시된 예와 같이, 노즐 분사 영역(114)을 형성하는 노즐 본체(110)의 부분이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있고, 세라믹 팁(120) 역시 이러한 노즐 본체(110) 형상에 대응하도록 외주면이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태로 되어 있다.
이러한 도 6에 도시된 구조를 통하여, 원료 흐름 제어가 용이하고, 또한 별도의 스토퍼 없이도, 세라믹 팁의 이탈 방지성 및 부착성이 향상될 수 있다.
도 1 내지 도 6에 도시된 예와 같이, 다양한 형상의 세라믹 팁(120)이 적용될 수 있다. 또한, 노즐 본체의 노즐 분사 영역(114)을 형성하는 부분 역시 다양한 형태로 형성할 수 있으며, 이에 대응하여 세라믹 팁(120)의 외주면의 형상도 조절할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐은 원료 분사 영역에 대응하는 노즐 본체 내벽 혹은 세라믹 팁의 일면에 세라믹 접착제를 도포한 후, 1일 정도의 자연 경화 혹은 수 시간 정도의 가열 경화를 통하여 제조될 수 있다.
이상과 같이, 세라믹 팁이 적용된 본 발명에 따른 고온 고압용 원료공급 노즐은 내경 마모에 따른 분사 압력 저하 및 분사량 증가 등의 문제가 발생하지 않기 때문에 1회 공정 시간을 늘릴 수 있으며, 또한, 생산 공정에 사용할 경우 제품의 품질을 일정하게 유지할 수 있으며 생산량도 늘릴 수 있다. 아울러, 노즐 교체를 위한 공정 중단이 없어져 생산성이 증대되고 교체에 필요한 시간적, 인력적 손실이 줄어들 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 고온 고압용 원료공급 노즐은 카본 블랙 제조 장치에 유용하게 적용될 수 있다.
카본 블랙 제조 장치는 널리 알려진 바와 같이, 원료분사 노즐 및 반응기를 포함한다.
원료분사 노즐에서는 소프트 피치와 같은 탄화수소계 원료가 20 bar 이상의 분사 압력으로 분사된다.
그리고, 반응기에서는 2000℃ 이상의 온도에서, 분사된 탄화수소계 원료를 열분해하여 카본 블랙을 제조한다.
이때, 원료공급 노즐은 전술한 바와 같이, 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체와, 외주면이 상기 노즐 본체의 원료 분사 영역을 형성하는 부분에 접착되며, 내주면이 상기 원료 분사 영역 내부의 내경을 구성하는 세라믹 팁과, 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 배치되는 세라믹 접착층을 포함하는 구조로 될 수 있다.
카본 블랙 제조 장치의 경우, 2000℃ 이상의 반응 온도와 20 bar 이상의 원료 분사 압력이 요구되는 바, 본 발명에 따른 고온 고압용 원료분사 노즐이 적용되기에 적합하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110 : 노즐 본체
112 : 원료 공급 영역
114 : 원료 분사 영역
120 : 세라믹 팁
125 : 테이퍼부
130 : 세라믹 접착층
140 : 스토퍼부

Claims (8)

  1. 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체; 및
    외주면이 상기 노즐 본체의 상기 원료 분사 영역의 후단부에 접착되는 세라믹 팁;
    을 포함하는 고온 고압용 원료분사 노즐로서,
    상기 원료분사 노즐은 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 세라믹 접착제의 경화에 의해 형성된 세라믹 접착층;을 포함하고,
    상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체는 상기 세라믹 접착층에 의해 접착되어 상기 원료분사 노즐의 내경을 형성하되, 상기 원료분사 노즐의 내경 중 절반 이상은 상기 세라믹 팁이 차지하는,
    고온 고압용 원료분사 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 본체는 금속 재질인 것을 특징으로 하는 고온 고압용 원료분사 노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원료 분사 영역의 전단부에는 상기 노즐 본체가 연장된 스토퍼부가 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압용 원료분사 노즐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 팁은 후방 부분에, 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 테이퍼부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고온 고압용 원료분사 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 본체는, 상기 원료 분사 영역을 형성하는 부분이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태를 가지고 있고,
    상기 세라믹 팁은, 외주면이 전방으로 향할수록 직경이 작아지는 형태를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압용 원료분사 노즐.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 접착층은 열팽창계수가 상기 노즐 본체의 열팽창계수와 상기 세라믹 팁의 열팽창계수 사이에 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압용 원료분사 노즐.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 원료 공급 영역에 베인(vane)이 배치되는 것을 특징으로 하는 고온 고압용 원료분사 노즐.
  8. 원료 공급 영역과, 상기 원료 공급 영역에서 전방으로 연장되되 상기 원료 공급 영역보다 직경이 작은 원료 분사 영역을 형성하는 노즐 본체; 및
    상기 원료 분사 영역의 내경을 구성하는 세라믹 팁;
    을 포함하는 고온 고압용 원료분사 노즐로서,
    상기 원료분사 노즐은 상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체 사이에 세라믹 접착제의 경화에 의해 형성된 세라믹 접착층;을 포함하고,
    상기 세라믹 팁과 상기 노즐 본체는 상기 세라믹 접착층에 의해 접착되며,
    상기 세라믹 팁은 전방으로 갈수록 외주면의 직경이 작아지는,
    고온 고압용 원료분사 노즐.
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