KR101867714B1

KR101867714B1 - 환원용 가열로

Info

Publication number: KR101867714B1
Application number: KR1020160168669A
Authority: KR
Inventors: 김용찬
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-14

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 환원용 가열로는, 다수의 벨트 컨베이어가 적층 배치되는 원료 이송장치, 상기 원료 이송장치를 수용하며 상기 원료 이송장치를 통해 이송되는 원료를 가열하는 머플, 및 상기 다수의 벨트 컨베이어 사이에 배치되어 상기 머플 내부에서 유체의 흐름을 유도하는 안내부를 포함할 수 있다.

Description

환원용 가열로{furnace for the reduction}

본 발명은 환원용 가열로에 대한 것이다.

금속산화물을 환원하기 위하여 밸트타입(belt type) 가열로, 박스형 가열로, 푸셔타입 가열로, 유동로, 로터리 킬른로(Rotary Kiln Furnace) 등 여러 가지 반응로가 사용되고 있으나 이중 금속산화물 분말을 이용한 금속분말 제조를 위해서는 벨트타입 가열로가 주로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 벨트타입 가열로를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 벨트타입 가열로(10)는 금속산화물 분말(P)을 일정한 두께로 벨트(2) 위에 쌓아 머플(3)에 투입하고 환원제로 수소 또는 일산화탄소 등의 기체를 머플(3) 내에 공급한다.

환원제는 금속산화물 분말(P)의 이동 방향(A)과 반대 방향(B)으로 흐르며 금속산화물 분말(P)과 환원 반응하게 된다.

이때 일어나는 환원반응의 예는 산화철의 경우 수소에 의해 금속철로 환원되며 반응물로 수증기가 반응물로 생성된다.

한편, 환원용 가열로는 환원 과정에서 투입되는 자원(시간, 전기, 환원제 등)의 양에 따라 환원 효율이 크게 좌우된다. 예컨대 동일한 조건에서 환원시간을 1/2으로 단축시킬 수 있다면 원가절감은 물론 생산성도 크게 향상될 수 있다.

그러나, 대부분의 환원용 가열로, 특히 수소 환원용 가열로는 가스의 위험성과 반응성을 고려하여 실제 반응에서 필요로 하는 양의 2~4배 이상을 투입하고 있으며, 배출되는 잉여 가스는 태워서 처리하는 경우가 일반적이다.

또한 생산성을 높이기 위해서는 금속산화물 분말(예컨대, 산화철)의 양을 최대한 많이 투입해야 한다. 그러나 투입된 금속산화물 분말층의 두께가 두꺼워질수록 환원에 소요되는 시간이 증가하는 문제가 있으며, 조건에 따라서는 분말층 하부는 제대로 환원이 이루어지지 않는 경우도 발생하고 있다.

현재 상용화된 환원용 가열로는 대부분 수평식으로 용량에 따라 80m 이상의 넓은 공간을 필요로 한다. 따라서, 가열로의 크기를 줄이면서 생산량은 유지할 수 있는 가열로가 요구되고 있는 실정이다.

일본공개특허 제2012-052741호

본 발명의 목적은 환원반응 속도를 높일 수 있는 환원용 가열로를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 크기를 줄이면서 생산량을 유지할 수 있는 환원용 가열로를 제공하는 데에 있다.

본 실시예에 있어서 상기 다수의 벨트 컨베이어들 중 적어도 하나는, 수평면에 대해 경사지도록 배치될 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 다수의 벨트 컨베이어들은, 망사 형상으로 형성되는 벨트를 구비할 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 안내부는, 판 형태로 형성되며 내부에 다수의 관통 구멍을 구비할 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 안내부는, 수평면에 대해 경사지도록 배치될 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 다수의 벨트 컨베이어들 중 적어도 하나는, 일단이 상기 머플의 외부에 배치되고 타단은 상기 머플의 내부에 배치되며, 상기 일단에는 상기 벨트 컨베이어를 구동하는 동력 롤이 설치되고 상기 타단에는 단순 회전 롤이 설치될 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 환원용 가열로는, 다수의 벨트 컨베이어가 수직 방향으로 적층 배치되는 원료 이송장치 및 상기 원료 이송장치를 수용하며 상기 원료 이송장치를 통해 이송되는 원료를 가열하는 머플을 포함하고, 환원제는 상기 머플의 하단에서 유입되어 상기 머플의 상단으로 배출되며, 상기 벨트 컨베이어의 벨트는 상기 환원제가 통과할 수 있도록 망사 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 환원용 가열로는, 다수의 벨트 컨베이어들이 수직 배치되므로, 가열로의 전체 길이를 줄일 수 있어 공간을 효율적으로 활용할 수 있다. 또한 안내부를 통해 환원제의 이동 경로를 다각화하고 벨트를 망사 형태로 구성하여 원료와 환원제의 접촉율을 높일 수 있으므로 환원율을 높일 수 있다.

도 1은 종래의 벨트타입 가열로를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가열로를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 환원용 가열로의 안내부를 개략적으로 도시한 사시도.
도 4는 도 2에 도시된 환원용 가열로의 원료 이송장치의 벨트를 개략적으로 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열로를 개략적으로 도시한 도면.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가열로를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 가열로(100)는 금속산화물의 환원에 이용되는 벨트타입 가열로로, 원료 장입 장치(50), 머플(40), 안내부(70), 및 원료 이송장치(90)를 포함한다.

원료 장입 장치(50)는 원료(예컨대, 금속산화물 분말)을 원료 이송장치(90)의 벨트(T) 상에 투입한다. 이때, 원료(P)는 일정한 두께로 연속적으로 투입된다. 원료 장입 장치(50)는 호퍼(hopper)의 형태로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

머플(Muffle, 40)은 환원 반응이 실질적으로 일어나는 공간이다. 원료 이송장치(90)의 벨트(T)는 머플(40)의 내부를 통과하며 이동하도록 배치되며, 이에 벨트(T) 상에 투입된 원료(P)는 벨트(T)와 함께 머플(40)의 내부를 통과하며 환원된다.

따라서 머플(40)의 전체적인 형상은 원료 이송장치(90)의 배치 형태에 따라 규정된다. 본 실시예에서는 원료 이송장치(90)를 구성하는 다수의 컨베이어(20, 30)가 수직 배치된다. 따라서 머플(40)은 수직 배치된 컨베이어들(20, 30)을 수용할 수 있는 크기와 형상으로 형성된다.

머플(40)에는 원료(P)가 투입되는 투입구(45)와, 원료(P)가 환원된 결과물(예컨대 환원철)이 배출되는 배출구(46)가 구비된다.

또한 머플(40)에는 적어도 하나의 가스 투입구(44)와 적어도 하나의 가스 배출구(42)가 구비된다.

가스 투입구(44)는 환원제를 머플(40)의 내부로 공급하기 위한 곳이다. 따라서 예를 수소를 환원제로 이용하는 경우, 수소 가스는 가스 투입구(44)를 통해 머플(40)의 내부로 공급된다.

가스 배출구(42)는 환원 반응을 통해 발생된 수증기와, 잉여 환원제 등을 머플(40)의 외부로 배출하기 위한 곳이다.

본 실시예에 있어서, 가스 투입구(44)는 머플(40)의 하단에 배치된다. 그리고 가스 배출구(42)는 머플(40)의 상단에 배치된다. 따라서 환원제는 머플(40)의 하단에서 머플(40)의 내부에 유입된 후, 머플(40)의 상단부로 이동한 후, 가스 배출구(42)를 통해 외부로 배출된다.

머플(40)의 내부에는 머플(40) 내부의 유체(환원제와 생성가스)의 흐름을 유도하기 위한 적어도 하나의 안내부(70)를 구비한다.

도 3은 도 2에 도시된 환원용 가열로의 안내부를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 3을 함께 참조하면, 안내부(70)는 편평한 판의 형태로 형성될 수 있으며. 수직으로 적층 배치되는 다수의 컨베이어들(20, 30) 사이에 각각 배치된다.

안내부(70)가 없는 경우, 가스 투입구(44)로 유입된 환원제는 대부분 연직 방향으로 상승하게 되므로 머플(40) 내부에 전체적으로 확산되기 어렵다. 따라서 본 실시예에 따른 환원용 가열로(100)는 안내부(70)를 통해 환원제를 최대한 확산시켜 환원율을 높인다.

안내부(70)는 수평면에 대해 일정 각도로 경사지도록 배치된다. 안내부(70)의 경사각은 원료(P)의 이송 방향(점선 화살표)과 반대 반향(실선 화살표)으로 유체의 흐름이 이루어지도록 배치된다. 따라서 유체는 원료(P)의 이송 경로 전체에 걸쳐 원료(P)와 접촉하며 환원 반응을 진행할 수 있다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 안내부(70)의 내부에는 다수의 관통 구멍(72)이 구비된다. 관통 구멍(72)은 유체가 상부로 상승 이동하는 통로로 이용된다.

이에 따라 유체의 일부는 원료(P)의 이송 방향과 반대 반향으로 흐르는 제1 경로를 통해 이동하고, 나머지는 관통 구멍(72)을 통해 직접 연직 방향으로 상승하는 제2 경로를 통해 이동하게 된다.

따라서 다양한 경로를 통해 환원제와 원료(P)가 반복적으로 접촉할 수 있으므로 환원율을 높일 수 있다.

한편 도시되어 있지 않지만, 본 실시예에 따른 환원용 가열로(100)는 머플(40)의 외부에 머플(40)에 열을 공급하는 가열부가 배치될 수 있다. 또한 필요에 따라 환원된 분말을 냉각시키는 냉각부도 구비할 수 있다.

원료 이송장치(90)는 원료(P, 예컨대 금속산화물 분말)를 운반한다. 본 실시예에서 원료 이송장치(90)는 2개의 컨베이어(20, 40)를 포함한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 후술되는 실시예와 같이 더 많은 수의 컨베이어를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 원료 이송장치(90)는 상부에 배치되는 제1 컨베이어(20)와 하부에 배치되는 제2 컨베이어(30)를 포함한다.

제1, 제2 컨베이어(20, 30)는 모두 벨트 컨베이어가 이용될 수 있다. 또한 제1, 제2 컨베이어(20, 30)는 수직 방향으로 적층 배치되어 서로 반대 방향으로 원료(P)를 이송한다.

이에 따라, 원료(P)는 제1 컨베이어(20)의 일단 측에서 공급되어 제1 컨베이어(20)의 타단 측으로 배출된 후, 제2 컨베이어(30)의 일단 측에 낙하하게 된다. 그리고 제2 컨베이어(30)의 타단 측으로 이송된 후, 머플(40)의 외부로 인출되어 저장 탱크(60)로 유입된다.

이때, 제1 컨베이어(20)에서 낙하된 원료(P)는 상하가 뒤집히며 제2 컨베이어(30)에 안착된다. 이에 제1 컨베이어(20)에서 바닥 부분에 위치했던 원료(P)가 외부로 노출되므로, 원료(P)와 환원제의 반응성을 높일 수 있다.

이를 위해 제1, 제2 컨베이어(20, 30) 중 적어도 하나는 수평면에 대해 경사지도록 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 컨베이어(20)가 수평면에 대해 일정 각도 경사지도록 배치된다. 제1 컨베이어(20)의 경사각은 원료(P)와 벨트(T) 표면과의 마찰력에 대응하여 규정될 수 있다.

제1 컨베이어(20)는 일단 측이 머플(40)의 외부에 배치되고 타단 측은 머플(40) 내부에 배치된다. 그리고 머플(40)의 외부에 배치된 부분에 원료 장입 장치(50)가 설치되어 제1 컨베이어(20)로 원료(P)가 공급된다.

한편, 제1 컨베이어(20)를 구동시키는 동력 롤(22)은 머플(40)의 외부에 설치된다. 동력 롤(22)이 머플(40)의 내부에 배치되는 경우 머플(40) 내부의 열에 의해 동력 롤(22)이 파손될 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 원료 이송장치(90)는 머플(40)의 외부에 동력 롤(22)을 배치하고 머플(40)의 내부에는 동력이 인가되지 않는 단순 회전 롤(24, idle roll)을 배치한다.

제2 컨베이어(30)는 수평면과 평행하게 배치된다. 그러나 이에 한정되지 않으며 제2 컨베이어(30)도 수평면에 대해 일정 각도 경사지도록 배치될 수 있다.

본 실시예에서 제2 컨베이어(30)는 양 단이 머플(40)의 외부에 배치된다. 따라서 동력 롤(32)은 양 단에 각각 배치될 수 있다. 그러나 제1 컨베이어(20)처럼 일단에만 배치하는 것도 가능하다.

도 4는 도 2에 도시된 원료 이송장치의 벨트를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 4를 함께 참조하면, 원료 이송장치(90)는 망사(mesh)나 그물망 형태의 벨트(T)를 포함한다. 여기서 벨트(T)에 형성되는 그물코는 원료(P)가 쉽게 빠져나갈 수 없으나, 환원제와 같은 기체는 용이하게 통과할 수 있는 크기로 형성된다.

따라서 환원제가 연직 상승하는 경우, 환원제는 벨트(T)를 통과하여 벨트(T) 상에 안착된 원료(P)와 용이하게 환원 반응을 진행할 수 있다. 이에 환원율을 높일 수 있다.

또한, 원료(P)로 이용되는 금속 분말이 벨트(T)에서 용이하게 낙하할 수 있도록 벨트(T)의 표면에는 코팅층이 형성될 수 있다. 코팅층은 C, BN 등의 재질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

저장 탱크(60)는 원료 이송장치(90)의 끝단에 배치되어 환원철로 환원된 분말을 저장한다. 환원철은 원료 이송장치(90)를 통해 저장 탱크(60)까지 이송되며, 원료 이송장치(90)의 벨트(T)에서 낙하하여 저장 탱크(60)로 유입될 수 있다.

한편, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열로를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 가열로(200)는 전술한 실시예의 가열로와 유사하게 구성되며, 3개의 컨베이어(20, 25, 30)를 포함하는 구성에 있어서만 차이를 갖는다. 따라서 전술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하며 차이를 갖는 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.

본 실시예에 따른 원료 이송장치(90)는 가장 상부에 배치되는 제1 컨베이어(20), 가장 하부에 배치되는 제2 컨베이어(30), 그리고 제1 컨베이어(20)와 제2 컨베이어(30) 사이에 배치되는 제3 컨베이어(25)를 포함한다.

제1 컨베이어(20)와 제2 컨베이어(30)는 전술한 실시예와 유사하게 구성되므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

제3 컨베이어(25)는 제1 컨베이어(20)와 마찬가지로, 일단 측이 머플(40)의 외부에 배치되고 타단 측은 머플(40) 내부에 배치된다. 그리고 머플(40)의 외부에 위치한 일단에 동력 롤(26)이 배치되고 머플(40)의 내부에 위치한 타단에 동력이 인가되지 않는 단순 회전 롤(27)이 배치된다.

또한 제1 컨베이어(20)와 유사하게 수평면에 대해 일정 각도 경사지도록 배치되며, 제1 컨베이어(20)와 반대 방향으로 원료(P)를 이송하도록 구성된다. 이에 따라 제1 컨베이어(20)와 제2 컨베이어(30)는 동일한 방향으로 원료(P)를 이송하며, 제3 컨베이어는 제1, 제2 컨베이어(20, 30)와 반대 방향으로 원료(P)를 이송한다.

또한 3개의 컨베이어(20, 25, 30)를 구비함에 따라, 원료(P)는 머플(40) 내부에서 2회 뒤집히며 이송된다.

이처럼 벨트 컨베이어의 수를 증가시키는 경우, 머플(40)의 높이가 증가하게 되나, 머플(40)의 길이는 축소될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 환원용 가열로는 가열로가 설치되는 공간의 상황에 대응하여 다양한 변형이 가능하다.

이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 환원용 가열로는, 다수의 벨트 컨베이어들이 수직 배치되므로, 머플의 전체 길이를 최소화할 수 있다. 벨트 컨베이어의 수가 증가될수록 머플의 전체 길이는 축소될 수 있다. 따라서 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.

또한 본 실시예에 따른 환원용 가열로는 원료가 적층 배치된 벨트 컨베이어 간을 이동하는 과정에서 뒤집어진다. 따라서 최대한 많은 면적이 노출되어 환원제와 반응할 수 있으므로 환원율을 높일 수 있다.

또한 안내부를 통해 환원제의 이동 경로를 다각화하고 벨트를 망사 형태로 구성하여 원료와 환원제의 접촉율을 높일 수 있으므로 환원율을 높일 수 있다.

더하여, 종래와 같이 하나의 벨트 컨베이어를 이용하는 가열로는, 예를 들어 수소를 환원제로 사용할 경우, 원료와 환원제가 반응하게 되면 생성가승인 수증기가 발생하게 되는데, 이러한 수증기와 아직 반응하지 못한 환원제는 서로 혼합되지 않고 분리되어 층류(laminar flow)를 형성하게 된다. 이때 밀도가 높은 수증기는 머플의 하부에 위치하게 되고 밀도가 낮은 수소는 머플의 상부에 위치하게 된다.

이로 인해, 환원제인 수소가 머플의 하부에 위치하는 원료와 접촉이 어려워져 환원 반응이 원활하게 이루어지지 않게 된다.

그러나 본 발명에 따른 환원용 가열로는 환원제가 머플의 하부에서 상부로 이동하므로, 상기한 층류의 발생을 억제하는 효과도 제공한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

예를 들어 전술한 실시예들에서는 환원용 가열부에 안내부와 망사형 벨트가 모두 구비되는 경우를 예로 들었으나 필요에 따라 어느 하나를 생략하는 것도 가능하다. 예를 들어 머플의 길이가 짧은 경우, 안내부는 생략될 수 있다.

또한 안내부를 수평면과 평행하게 배치하여 환원제의 확산에만 이용하는 것도 가능하다.

100, 200: 환원용 가열로
20: 제1 컨베이어
25: 제3 컨베이어
30: 제2 컨베이어
40: 원료 이송장치
50: 원료 장입 장치
60: 저장 탱크
70: 안내부

Claims

다수의 벨트 컨베이어가 적층 배치되는 원료 이송장치;
상기 원료 이송장치를 수용하며 상기 원료 이송장치를 통해 이송되는 원료를 가열하는 머플; 및
상기 다수의 벨트 컨베이어 사이에 배치되어 상기 머플 내부에서 유체의 흐름을 유도하는 안내부;
를 포함하고,
상기 다수의 벨트 컨베이어들 중 적어도 하나는,
일단이 상기 머플의 외부에 배치되고 타단은 상기 머플의 내부에 배치되며, 상기 일단에는 상기 벨트 컨베이어를 구동하는 동력 롤이 설치되고 상기 타단에는 단순 회전 롤이 설치되는 환원용 가열로.
제1항에 있어서, 상기 다수의 벨트 컨베이어들 중 적어도 하나는,
수평면에 대해 경사지도록 배치되는 환원용 가열로.
제1항에 있어서, 상기 다수의 벨트 컨베이어들은,
망사 형상으로 형성되는 벨트를 구비하는 환원용 가열로.
제1항에 있어서, 상기 안내부는,
판 형태로 형성되며 내부에 다수의 관통 구멍을 구비하는 환원용 가열로.
제1항에 있어서, 상기 안내부는,
수평면에 대해 경사지도록 배치되는 환원용 가열로.
삭제
다수의 벨트 컨베이어가 수직 방향으로 적층 배치되는 원료 이송장치; 및
상기 원료 이송장치를 수용하며 상기 원료 이송장치를 통해 이송되는 원료를 가열하는 머플;
을 포함하고,
환원제는 상기 머플의 하단에서 유입되어 상기 머플의 상단으로 배출되며,
상기 벨트 컨베이어의 벨트는 상기 환원제가 통과할 수 있도록 망사 형상으로 형성되고,
상기 다수의 벨트 컨베이어들 중 적어도 하나는,
일단이 상기 머플의 외부에 배치되고 타단은 상기 머플의 내부에 배치되며, 상기 일단에는 상기 벨트 컨베이어를 구동하는 동력 롤이 설치되고 상기 타단에는 단순 회전 롤이 설치되는 환원용 가열로.