KR101867379B1 - 고효율 강판용 연속 열처리 시스템 - Google Patents

고효율 강판용 연속 열처리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강판용 연속 열처리로에 관한 것으로서, 특히, 열처리로와, 상기 열처리로 내에 설치되는 발열부와, 상기 열처리로 내에 유입되어 상기 발열부에 의해 열처리되는 대상물을 포함하며, 상기 발열부는 다공체 연소기인 것을 특징으로 하는 열처리 시스템에 관한 것이다.

Description

고효율 강판용 연속 열처리 시스템 {The High Efficient Continuous Steel Strip Heat Treating Furnace}
본 발명은 초과 엔탈피 연소 개념을 구현한 다공체 내 연소를 통해 다공체로부터 방사되는 강한 복사열을 이용하여 피열물의 신속 균일 가열 성능과 에너지 이용 효율을 증대시킬 수 있는 강판용 연속 열처리 시스템에 관한 것이다.
강판용 연속 열처리로는 강판의 연화 및 피삭성의 향상, 소성 가공성의 개선, 내부응력의 제거 등의 목적으로 가열 후 서냉하는 철강 공정 열설비로, 강판을 예열하는 예열대와, 표면 불순물을 제거하고 급속 가열하는 가열대, 환원분위기에서 조직 재결정과 결정립을 성장시키는 균열대와, 서냉을 위한 냉각대로 구성된다.
강판용 열처리로는 에너지 소비 밀도가 높아 에너지 원단위 저감과 생산성 향상 및 다품종 열처리 유연성을 갖는 고효율 고기능화가 시장 경쟁력 확보의 핵심이며, 예열대(200℃~280℃), 무산화 가열대(~750℃), 환원 분위기 균열대(~850℃)에서 온도 및 분위기 제어 성능을 담보할 수 있는 기술 확보가 필수적이다.
일반적으로 강판용 연속 열처리로는 가열대 무산화 직화 가열 및 균열대 복사관(Radiant Tube) 이용 무산화 간접 가열방식을 적용하고 있다. 종래의 가열대 무산화 직화 가열은 다수의 노즐 분사식 연소기를 이용하여 로 내 분위기 고온화와 벽체로부터의 복사열을 이용하며, 가열공간이 크고 연소화염의 온도 불균일로 인한 분위기 고온화 시간 지연 및 균일 가열 성능의 한계로 에너지 소비 절감과 품질 유지에 어려움이 있다. 아울러 열처리 품종에 따른 조업 조건 즉, 가열 조건이 상이하여 생산성 향상에도 한계가 있다.
대한민국 공개 특허 제10-2006-0090944호 대한민국 등록 특허 제10-1472851호 대한민국 등록 특허 제10-0380732호 일본 공개 특허 제1997-263993호
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 에너지 효율 및 균일 가열 성능을 증대시켜 생산성을 향상시킬 수 있으며, 다품종 열처리 유연성을 확보할 수 있는 열처리로를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강판용 연속 열처리로는, 열처리로를 구성하는 가열대와, 상기 가열대 내에 설치되는 발열부와, 상기 가열대 내에 유입되어 상기 발열부에 의해 가열되는 대상물을 포함하며, 상기 발열부는 다공체 연소기인 것을 특징으로 한다.
상기 발열부는 상기 가열대 내측 상하부 또는 좌우측에 설치되고, 상기 대상물은 상기 가열대 내측 하부 또는 측부 일측에서 유입되어 타측으로 유출되는 것을 특징으로 한다.
상기 발열부에서는 과잉 연료 연소가 이뤄지는 것을 특징으로 한다.
상기 발열부는, 내측에 설치되어 화염을 보지하는 다공체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다공체는 제1다공체와, 상기 제1다공체와 접하여 설치된 제2다공체를 포함하며, 상기 화염은 상기 제1다공체와 상기 제2다공체 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1다공체의 기공 크기는 상기 제2다공체의 기공 크기보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 제1다공체의 기공 크기는 혼합기의 균일 분산을 도모하고 역화 발생을 방지하는 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 발열부의 상부에는 연료 및 공기가 유입되는 유입부가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 유입부와 상기 발열부 사이에는 혼합실이 더 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합실 내부에는 혼합 분배기가 더 설치된 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 강판용 연속 열처리로에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
열처리로에 설치된 가열대와, 상기 가열대 내에 설치되는 발열부와, 상기 가열대 내에 유입되어 상기 발열부에 의해 가열되는 대상물을 포함하며, 상기 발열부는 다공체 연소기인 것을 특징으로 하여, 균일한 복사 가열 효과를 대폭 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 에너지 효율과 생산성 및 품질 향상을 기대할 수 있다. 또한, 열처리 시 발생하는 질소산화물(NOx) 및 이산화탄소(CO2)의 배출을 저감하여 환경보호에 이바지할 수 있다. 또한, 대상물의 변동에도 용이하게 대응할 수 있으며, 작업자의 안전성을 확보할 수 있다.
상기 발열부는 상기 가열대 내측 상부에 설치되고, 상기 대상물은 상기 가열대 내측 하부 또는 측부 일측에서 유입되어 타측으로 유출되는 것을 특징으로 하여, 대상물에 열에너지를 균일하게 복사하여 가열할 수 있으므로, 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기 발열부에서는 과잉 연료 연소가 이뤄지는 것을 특징으로 하여, 대상물이 부식되는 것을 방지할 수 있어, 생산 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 발열부는 내측에 설치되어 화염을 보지하는 다공체를 포함하는 것을 특징으로 하여, 추가 부품을 사용하지 않고 고온의 화염을 형성할 수 있어 에너지 이용 효율을 증대시킬 수 있고, 시스템을 소형화할 수 있어 설비비 및 운영비를 절감할 수 있으며, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 다공체는 제1다공체와, 상기 제1다공체와 접하여 설치된 제2다공체를 포함하며, 상기 화염은 상기 제1다공체와 상기 제2다공체 사이에 형성되는 것을 특징으로 하여, 열전달율을 높일 수 있다.
상기 제1다공체의 기공 크기는 상기 제2다공체의 기공 크기보다 작은 것을 특징으로 하여, 초과 엔탈피 연소에 의해 열에너지의 온도를 높여 열처리로 내로 전달되는 복사에너지의 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 제1다공체의 기공 크기는 혼합기의 균일 분산을 도모하고 역화 발생을 방지하는 조건을 만족하는 것을 특징으로 하여, 제1다공체와 제2다공체에서 화염이 형성되어도 제1다공체로 역화되는 것을 방지할 수 있어, 운전 안정성과 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 발열부의 상부에는 연료 및 공기가 유입되는 유입부가 설치되는 것을 특징으로 하여, 연료 및 공기의 유입을 원활하게 할 수 있다.
상기 유입부와 상기 발열부 사이에는 혼합실이 더 설치되는 것을 특징으로 하여, 연료와 공기를 균일하게 혼합하여 다공체로 공급할 수 있어 반응률을 높일 수 있다.
상기 혼합실 내부에는 혼합 분배기가 더 설치된 것을 특징으로 하여, 혼합된 연료와 공기를 고루 퍼지게 하여 혼합실 내 와류 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 발열부의 사시도.
도 2는 도 1의 분해도.
도 3은 도 1의 측면도.
도 4는 도 3의 분해도.
도 5는 도 1의 평면도.
도 6은 도 1의 저면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수평형 가열대의 개략도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 가열대의 개략도.
도 9는 일반적인 열처리로의 개략도.
도 10은 도 1의 Interface 온도 그래프.
도 11은 도 1의 복사 열유속 그래프.
도 12는 도 1의 배출가스 특성 그래프.
도 13은 도 1의 신속 가열 성능 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
참고로, 이하에서 설명될 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 발열부의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해도이고, 도 3은 도 1의 측면도이고, 도 4는 도 3의 분해도이고, 도 5는 도 1의 평면도이고, 도 6은 도 1의 저면도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수평형 가열대의 개략도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 가열대의 개략도이고, 도 9는 일반적인 열처리로의 개략도이고, 도 10은 도 1의 Interface 온도 그래프이고, 도 11은 도 1의 복사 열유속 그래프이고, 도 12는 도 1의 배출가스 특성 그래프이고, 도 13은 도 1의 신속 가열 성능 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 강판용 연속 열처리로는, 가열대(11)와, 상기 가열대(11) 내에 설치되는 발열부(1)와, 상기 가열대(11) 내에 유입되어 상기 발열부(1)에 의해 열처리되는 대상물(90)을 포함하며, 상기 발열부(1)는 다공체 연소기인 것을 특징으로 한다.
열처리로는 열처리에 사용하는 설비로서, 본 발명에서는 강판을 열처리하는 열처리로를 의미하며, 주로 소둔로(Annealing Furnace)에 관한 것이다.
열처리(heat treatment)란, 가열 및 냉각 등을 적당한 속도로 조절하여 재료에 존재하는 열응력의 완화 또는 조직의 재결정에 이용되는 공정이다.
열처리로는 강판을 예열하는 예열대와, 표면 불순물을 제거하고 급속 가열하는 가열대(11)와, 환원 분위기에서 조직 재결정과 결정립을 성장시키는 균열대와, 서냉을 위한 냉각대를 포함한다.
상기 가열대(11) 내측에는 대상물(90)이 유입된다.
상기 대상물(90)은 상기 가열대(11) 일측에서 유입되어 상기 가열대(11) 내에서 열처리된 후 타측으로 유출된다.
이러한 대상물(90)은 강판인 것이 바람직하다.
상기 대상물(90)을 열처리하기 위해, 상기 가열대(11)에는 발열부(1)가 설치된다.
상기 발열부(1)는 상기 가열대(11) 내측 상부에 설치된다.
상기 발열부(1)에서는 과잉 연료 연소가 이뤄지도록 한다.
상기 과잉 연료 연소 조건은 1.0 내지 1.2 인 것이 바람직하다.
이러한 발열부(1)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 가열대(11) 내 상부에 설치될 시, 다공체 내에서 연소되어 후류 다공체에서 강한 복사열을 방사하는 것을 특징으로 하며, 당량비 1.0에서 2.0 사이의 연료 과잉 조건에서 운전되어 배기가스 내 산소 농도가 영(zero)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 발열부(1)는 가열대(11) 내측 상부에 설치되는 것으로 기재하였지만, 대상물(90)의 위치에 따라 발열부(1)는 내측 하부에 설치되거나, 내측 상부 및 내측 하부에 모두 설치될 수도 있다. 또한, 이러한 발열부(1)는 도 9에 도시된 바와 같이, 내측면에 설치될 수도 있다.
또한, 본 발명의 발명부(1)는 수평형 열처리로 또는 수직형 열처리로에 유입되는 강판 등의 스트립의 유입조건에 따라 다양하게 설치될 수 있음은 자명하다.
상기 발열부(1)는 유입된 연료에 열을 가하는 버너(10)와, 상기 버너(10)의 내측에 설치되어 화염을 형성하는 다공체(30,20)와, 상기 버너(10)의 하부에 설치되며 상기 다공체(30,20)에서 발생한 열에너지를 상기 열처리로(11) 내로 전달하는 전달부(120)를 포함한다.
상기 버너(10)는 유입된 연료에 열을 가하도록 한다.
상기 버너(10)의 측면에는 화염의 형성을 관찰하도록 창문(110)이 더 설치된다.
상기 버너(10)에서 열이 발생되는 열주입구(도면부호 미도시)는 후술할 제1다공체(30)와 후술할 제2다공체(20) 사이에 설치된다. 그리하여, 화염은 후술할 제1다공체(30)와 후술할 제2다공체(20) 사이에 형성되는 것이다.
상기 버너(10)의 내측에는 다공체(30,20)가 설치된다.
상기 다공체(30,20)는 상기 버너(10)의 내측에 설치되어 화염을 형성한다.
상기 다공체(30,20)는 제1다공체(30)와, 상기 제1다공체(30)의 하부에 설치되는 제2다공체(20)를 포함한다.
상기 제1다공체(30)는 그 단면이 사각형, 사다리꼴, 상관하협 형태 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 제1다공체(30)의 형태는 버너 내의 차압 발생 및 가스 누설을 방지할 수 있는 것이라면 그 형태에 제한을 두지 않는다. 더욱 바람직하게는 직사각형 형태일 수 있다.
상기 제1다공체(30)는 상기 버너(10)의 열주입구 상부에 위치한다.
이러한 제1다공체(30)의 단면적은 상부에서 하부로 갈수록 좁아지는 것이 바람직하며, 이러한 제1다공체(30)의 하단 단면적은 후술할 제2다공체(20)의 상단 단면적보다 크거나 동일한 것이 바람직하다. 즉, 다공체(30,20)의 단면적은 제1다공체(30)의 상단에서 후술할 제2다공체(20)의 하단으로 갈수록 좁아지는 것이다.
또한, 이러한 제1다공체(30)의 기공의 크기는 후술할 제2다공체(20)의 기공의 크기보다 작은 것이 바람직하다. 그리하여, 초과 엔탈피 연소에 의해 연소가스의 온도를 높여 열처리로(11) 내로 전달되는 복사에너지의 효율을 증대시킬 수 있다는 이점이 있다.
상기 제1다공체(30)의 하부에는 제2다공체(20)가 설치된다.
상기 제2다공체(20)는 그 단면이 사각형, 사다리꼴, 상관하협 형태 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 제2다공체(20)의 형태는 버너 내의 차압 발생 및 가스 누설을 방지할 수 있는 것이라면 그 형태에 제한을 두지 않는다. 더욱 바람직하게는 직사각형 형태일 수 있다.
상기 제2다공체(20)는 상기 버너(10)의 열주입구 하부에 위치한다.
이러한 제2다공체(20)의 단면적은 상부에서 하부로 갈수록 좁아지는 것이 바람직하며, 이러한 제2다공체(20)의 상단 단면적은 제1다공체(30)의 하단 단면적보다 작거나 동일한 것이 바람직하다. 즉, 다공체(30,20)의 단면적은 제1다공체(30)의 상단에서 제2다공체(20)의 하단으로 갈수록 좁아지는 것이다.
또한, 이러한 제2다공체(20)의 기공의 크기는 제1다공체(30)의 기공의 크기보다 큰 것이 바람직하다. 그리하여, 초과 엔탈피 연소에 의해 연소가스의 온도를 높여 열처리로(11) 내로 전달되는 복사에너지의 효율을 증대시킬 수 있다는 이점이 있다.
상기 제1다공체(30)와 상기 제2다공체(20)는 가스켓(40)과 지그(50)에 의해 상기 버너(10)의 내측에 고정된다.
상기 제2다공체(20)의 하부에는 전달부(120)가 설치된다.
상기 전달부(120)는 상기 다공체(30,20)의 하부에 설치된다.
상기 전달부(120)는 상기 다공체(30,20)에서 형성된 열에너지가 상기 열처리로(11) 내로 전달되도록 한다. 이때 전달되는 열에너지는 복사 열에너지인 것이 바람직하다.
상기 버너(10)의 상부에는 연료 및 공기가 유입되는 유입부(80)가 설치된다.
상기 유입부(80)는 상기 버너(10)의 상부에 설치되어, 연료 및 공기가 예혼합되어 발열부(1) 내로 유입되는 것이다.
상기 유입부(80)는 상부에서 하부로 갈수록 넓어지는 형태이다.
상기 유입부(80)의 중앙 상부에는 유입구(81)가 형성된다.
상기 유입구(81)에서는 연료 및 공기가 예혼합되어 유입된다.
상기 유입부(80)와 상기 버너(10) 사이에는 혼합실(70,60)이 더 설치된다.
상기 혼합실(70,60)은 상기 유입부(80)에서 예혼합된 연료 및 공기를 상기 다공체(30,20)로 균일하게 공급되도록 한다.
상기 혼합실(70,60)은 제1혼합실(70)과 제2혼합실(60)을 포함한다.
상기 제1혼합실(70)은 상기 유입부(80)의 하부에 설치되어, 유입된 연료 및 공기 혼합기의 유속을 1차적으로 완화시킨다.
이러한 제1혼합실(70)의 높이는 후술할 제2혼합실(60)의 높이보다 높은 것이 바람직하다. 그리하여 제1혼합실(70)로 유입된 연료 및 공기의 압력을 낮춰 발열부(1) 내의 압력을 일정하게 유지하도록 한다.
상기 제1혼합실(70)의 하부에는 제2혼합실(60)이 설치된다.
상기 제2혼합실(60)은 상기 제1혼합실(70)에서 1차적으로 완화된 연료 및 공기를 2차적으로 완화시킨다.
이러한 제2혼합실(60)의 높이는 제1혼합실(70)의 높이보다 낮은 것이 바람직하다. 그리하여 제2혼합실(60)로 유입된 연료 및 공기의 압력을 낮춰 발열부(1) 내의 압력을 일정하게 유지하도록 한다.
상기 제1혼합실(70) 또는 상기 제2혼합실(60)에는 혼합 분배기가 더 설치된다.
상기 혼합 분배기는 유입된 연료와 공기의 예혼합이 잘 이루어지게 함과 동시에 혼합실(70,60) 내에 고루 분배되도록 하여, 연료와 공기의 반응률을 높일 수 있고, 예혼합된 연료와 공기를 고루 퍼지게 하여 혼합실(70,60) 내 와류 현상을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
이러한 혼합 분배기는 제1혼합실(70)에 설치되거나, 제2혼합실(60)에 설치되거나, 제1혼합실(70)과 제2혼합실(60) 사이에 설치되거나, 제1혼합실(70) 및 제2혼합실(60) 둘 중 어느 한 곳에 설치될 수도 있으며, 연료와 공기의 혼합을 용이하게 하고, 와류 현상을 방지할 수 있는 위치라면 어느 곳이든 무방하다.
이하 전술한 구성을 갖는 본 실시 예의 작용을 설명한다.
가열대(11) 내에 대상물(90)이 유입된다.
발열부(1) 내로 연료와 공기가 유입된다.
유입된 연료와 공기가 혼합실(70,60)을 통과하여 버너(10)로 이동한다.
버너(10)에서 열이 가해져 다공체(30,20)에서 화염이 형성된다.
다공체(30,20)에서 발생한 열에너지가 전달부(120)를 통해 가열대(11) 내로 전달된다.
대상물(90)이 열처리된다.
열처리가 완료된 대상물(90)은 가열대(11) 외부로 배출된다.
위와 같은 공정을 반복한다.
도 13에서는 본 발명의 다공체 내 화염을 형성하는 버너의 신속가열 특성을 확인할 수 있는 것으로 기존의 세라믹 타일 버너 또는 촉매 버너에 비하여 단위 시간당 승온 속도가 월등한 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 강판용 연속 열처리로는, 특히, 강판을 열처리하기 위한 열처리로에 적합하다.
11: 가열대 1: 발열부
10: 버너
120: 전달부 30,20: 다공체
30: 제1다공체 20: 제2다공체
40: 가스켓 50: 지그
70,60: 혼합실 70: 제1혼합실
60: 제2혼합실 80: 유입부
81: 유입구 90: 대상물

Claims (10)

  1. 열처리로에 설치된 가열대;
    상기 가열대 내에 설치되는 발열부;
    상기 가열대 내에 유입되어 상기 발열부에 의해 열처리되는 대상물;을 포함하며,
    상기 발열부는 다공체 연소기이며,
    상기 발열부는 상기 가열대 내측 상기 대상물 상하부 및 좌우측에 설치되고,
    상기 대상물은 상기 가열대 내측 하부 또는 측부 일측에서 유입되어 타측으로 유출되고,
    상기 발열부에서는 과잉 연료 연소가 이뤄지며,
    상기 발열부는, 내측에 설치되어 화염을 보지하는 다공체를 포함하고,
    상기 다공체는 제1다공체와, 상기 제1다공체의 하부에 설치된 제2다공체를 포함하며,
    상기 화염은 초과 엔탈피 연소에 의해 상기 제1다공체와 상기 제2다공체 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 강판용 연속 열처리로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1다공체의 기공 크기는 상기 제2다공체의 기공 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 강판용 연속 열처리로.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1다공체의 기공 크기는 역화 발생을 방지하는 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 강판용 연속 열처리로.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열부의 상부에는 연료 및 공기가 유입되는 유입부가 설치되는 것을 특징으로 하는 강판용 연속 열처리로.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 유입부와 상기 발열부 사이에는 혼합실이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 강판용 연속 열처리로.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 혼합실 내부에는 혼합 분배기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 강판용 연속 열처리로.
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