KR101879091B1 - 환원용 가열로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 환원용 가열로는, 원료를 이송하는 원료 이송장치, 상기 원료 이송장치 상에 배치되어 이송되는 상기 원료를 가열하는 머플, 및 상기 머플 내에서 배치되어 상기 머플 내부를 흐르는 유체에 난류를 발생시키는 난류 발생부를 포함할 수 있다. 또한 상기 원료를 가압하여 원료의 형상을 성형하는 분말층 형상기를 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(F1)과 반대 방향(F2)으로 흐르며 금속산화물 분말(P)과 환원 반응하게 된다.
이때 일어나는 환원반응의 예는 산화철의 경우 수소에 의해 금속철로 환원되며 반응물로 수증기가 반응물로 생성된다.
한편, 종래의 벨트타입 가열로는 금속산화물을 일정한 두께로 쌓아 가열로 내부로 투입하고 있다. 이때 생산성을 향상시키기 위해서는 금속산화물 분말의 두께를 높게 하는 것이 유리하나 기체 환원제가 금속산화물 분말 깊숙이 확산하여 침투하여 환원반응이 완전히 일어나는데 장시간이 소요되는 문제가 있다.
또한 수소를 환원제로 사용할 경우, 환원제와 환원 반응 중 발생하는 수증기는 혼합되지 않고 분리되는 현상이 발생한다. 이때 밀도가 높은 수증기는 가열로의 하부에 위치하게 되고 밀도가 낮은 수소는 가열로의 상부에 위치하게 되므로, 가열로의 하부에 위치하는 금속산화물의 환원이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 발생한다.
일본공개특허 제2012-052741호
본 발명의 목적은 환원반응 속도를 높일 수 있는 환원용 가열로를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 환원용 가열로는, 원료를 이송하는 원료 이송장치, 상기 원료 이송장치 상에 배치되어 이송되는 상기 원료를 가열하는 머플, 및 상기 머플 내에서 배치되어 상기 머플 내부를 흐르는 유체에 난류를 발생시키는 난류 발생부를 포함하고, 상기 난류 발생부는 상기 원료 이송장치의 상부에 배치되며, 상기 원료 이송장치를 향해 돌출된 다수의 격벽을 포함하며, 상기 격벽의 측면은 상기 유체의 흐름이 차단되지 않도록 경사면으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 격벽과 상기 원료 사이의 이격 거리는, 상기 유체를 상기 머플의 외부로 배출하는 가스 배출구 측으로 갈수록 증가하도록 배치될 수 있다.
삭제
본 실시예에 있어서 상기 격벽은, 단면이 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 원료를 가압하여 원료의 형상을 성형하는 분말층 형상기를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 분말층 형상기는, 외주면에 뾰족한 돌기들이 연속적으로 배치되는 롤러로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서 상기 원료는, 상기 분말층 형상기에 의해 산과 골이 반복된 형상으로 형성되어 상기 머플 내부로 투입될 수 있다.
삭제
본 발명에 따른 환원용 가열로는, 기체의 흐름을 제어하고 분말을 특정 형상으로 형성하여 기체와의 접촉면적을 증가시킬 수 있으므로, 환원반응 속도를 향상시킬 수 있으며, 이에 생산성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 벨트타입 가열로를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가열로를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열로를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 도 4의 B 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 6은 도 4의 분말층 형상기를 확대하여 도시한 사시도.
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 도면이고, 도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 가열로(100)는 금속산화물의 환원에 이용되는 벨트타입 가열로(100)로, 원료 장입 장치(30), 머플(40), 원료 이송장치(20), 가열부(50), 냉각부(60), 저장 탱크(70), 및 난류 발생부(90)를 포함한다.
원료 장입 장치(30)는 원료(P, 예컨대 금속산화물 분말)를 원료 이송장치(20)의 벨트(22) 상에 투입한다. 이때, 원료(P)는 일정한 두께로 연속적으로 투입된다. 원료 장입 장치(30)는 호퍼(hopper)의 형태로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
머플(40, Muffle)은 환원 반응이 실질적으로 일어나는 공간이다. 원료 이송장치(20)의 벨트(22)는 머플(40)의 내부를 통과하며 이동하도록 배치되며, 이에 벨트(22) 상에 투입된 원료(P)는 벨트(22)와 함께 머플(40)의 내부를 통과하며 환원된다.
따라서 머플(40)은 긴 관의 형태로 형성되며, 일단에는 원료(P)가 투입되는 투입구가 배치되고, 타단에는 원료(P)가 환원된 결과물(예컨대 환원철)이 배출되는 배출구가 배치된다.
또한 머플(40)에는 적어도 하나의 가스 투입구(42)와 적어도 하나의 가스 배출구(44)가 구비된다.
가스 투입구(42)는 환원제를 머플(40)의 내부로 공급하기 위한 곳이다. 따라서 예를 수소를 환원제로 이용하는 경우, 수소 가스는 가스 투입구(42)를 통해 머플(40)의 내부로 공급된다.
가스 배출구(44)는 환원 반응을 통해 발생된 수증기와, 잉여 환원제 등을 머플(40)의 외부로 배출하기 위한 곳이다.
본 실시예에 있어서, 환원제는 원료(P)의 이송 방향(F1)과 반대 방향(F2)으로 공급된다. 즉, 가스 투입구(42)는 원료(P)가 배출되는 위치에 배치되고, 가스 배출구(44)는 원료(P)가 투입되는 위치에 배치되며, 이에 환원제는 가스 투입구(42) 측에서 가수 배출구(44) 측으로 이동하며 원료(P)와 반응하게 된다.
원료 이송장치(20)는 금속산화물 분말을 운반한다. 본 실시예에서 원료 이송장치(20)는 벨트 컨베이어를 포함한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 금속 산화물 분말을 머플(40) 내부로 운반한 후, 환원 반응이 완료되면 다시 머플(40) 외부로 반출할 수 있다면 다양한 형태의 이송장치(20)가 이용될 수 있다.
가열부(50)는 머플(40)에 열을 공급한다. 이를 위해, 가열부(50)는 전기히터 또는 가스 버너를 포함할 수 있으며, 머플(40)의 외부에 배치되어 머플(40)의 길이 방향을 따라 머플(40)과 나란하게 배치될 수 있다.
냉각부(60)는 환원된 분말을 냉각하는 영역으로, 머플(40)의 외부에 배치되며 냉각 장치를 포함할 수 있다.
저장 탱크(70)는 원료 이송장치(20)의 끝단에 배치되어 환원철로 환원된 분말을 저장한다. 환원철은 원료 이송장치(20)를 통해 저장 탱크(70)까지 이송되며, 원료 이송장치(20)의 벨트(22)에서 낙하하여 저장 탱크(70)로 유입될 수 있다.
이에 더하여, 본 실시예에 따른 가열로(100)는 머플(40)의 내부에 난류 발생부(90)가 구비된다.
난류 발생부(90)는 머플(40) 내부로 공급된 환원제의 흐름에 난류를 발생시키기 위해 구비된다.
예를 들어 수소를 환원제로 사용할 경우, 원료(P)와 환원제가 반응하게 되면 수증기가 발생하게 되는데, 이러한 수증기와 아직 반응하지 못한 환원제는 서로 혼합되지 않고 분리되어 층류(laminar flow)를 형성하게 된다. 이때 밀도가 높은 수증기는 머플(40)의 하부에 위치하게 되고 밀도가 낮은 수소는 머플(40)의 상부에 위치하게 된다.
이로 인해, 환원제인 수소가 머플(40)의 하부에 위치하는 원료(P, 예컨대 금속산화물)와 접촉이 어려워져 환원 반응이 원활하게 이루어지지 않게 된다.
이를 해소하기 위해, 본 실시예에서는 난류 발생부(90)를 통해 머플(40) 내부에 난류를 발생시킨다.
본 실시예에 따른 난류 발생부(90)는 환원제가 흐르는 공간의 단면적에 변화를 주어 난류를 발생시킨다.
이를 위해, 난류 발생부(90)는 벨트(22)의 상부에서 벨트(22)를 향해 돌출되는 적어도 하나의 격벽(95)을 포함한다. 본 실시예에서는 격벽(95)이 원료(P)의 이동 방향을 따라 다수 개가 등간격으로 이격 배치된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 격벽(95)의 개수나 이격 간격은 필요에 따라 변경될 수 있다.
난류 발생부(90)는 머플(40)의 내부에 배치되되 원료 이송장치(20)의 상부에 배치된다. 그리고 격벽(95)은 원료 이송장치(20)를 향해 돌출되는 형태로 배치된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되지 않으며 머플(40)에서 직접 격벽(95)이 돌출되도록 구성하는 것도 가능하다.
난류 발생부(90)가 머플(40) 내부에 구비됨에 따라, 격벽(95)이 배치된 부분은 격벽(95)이 없는 곳에 비해 벨트(22)와의 간격이 매우 좁게 형성된다.
이로 인해 머플(40) 내부를 흐르는 유체(화살표, 예컨대 환원제와 생성가스)는 상기한 좁은 간격을 지나면서 속도가 증가하게 되며 동시에 원료(P)의 이동방향(F1)에 대해 수직성분의 유체흐름이 발생하여 환원 가스가 원료 내부로의 확산이동이 더 용이해진다.
이에 따라 유체의 난류가 발생하게 되어 환원제(예컨대 수소)와 생성가스(예컨대 수증기)의 혼합이 촉진되며, 이에 밀도 차에 의해 층류가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 난류 발생부(90)의 격벽(95)은 머플(40) 측에 배치되는 폭(D1)보다 벨트(22)와 인접하게 배치되는 끝단의 폭(D3)이 좁게 형성될 수 있다.
더하여 도시되어 있지 않지만, 격벽(94)과 원료(P) 사이의 이격 거리(H2)는 가스 배출구(44) 측으로 갈수록 조금씩 증가하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 환원제의 흐름이 용이해질 수 있다.
또한 격벽(95)의 측면은 경사면으로 형성되며 전체적으로 사다리꼴 형태의 단면을 갖는다. 이에 따라 머플(40) 내의 유체는 격벽(95)에 의해 흐름이 차단되지 않고, 격벽(95)의 경사면을 따라 원활하게 격벽(95)을 넘어갈 수 있다.
인접하게 배치되는 두 개의 격벽(95) 사이의 간격(D2)은 유체의 흐름이나 원료(P)의 이송 속도 등에 대응하여 다양하게 규정될 수 있다.
또한 격벽(95)의 돌출 길이(H1)나, 격벽(95)과 원료(P) 사이의 이격 거리(H2)는 머플(40)의 크기나 원료(P) 층의 두께에 대응하여 다양하게 규정될 수 있다.
본 실시예에서 격벽(95)은 사다리꼴 형상의 단면으로 형성된다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 난류를 발생시킬 수 있으면서 유체의 전체적인 흐름을 유지할 수만 있다면 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어 삼각 형상의 단면이나 반원 형상의 단면으로 난류 발생부(90)를 형성하는 것도 가능하다.
이상과 같이 구성되는 본 실시예에 따른 금속산화물 환원용 가열로(100)는, 난류 발생부(90)를 통해 머플(40) 내부에 난류를 발생시켜 환원제와 생성가스를 혼합한다. 따라서 밀도 차에 의해 층류가 발생하는 것을 최소화할 수 있으며, 이에 금속산화물의 환원율을 높일 수 있어 생산성을 높일 수 있다.
본 출원인은 본 실시예에 따른 금속산화물 환원용 가열로(100)와 종래의 가열로의 효과적 차이를 비교하기 위해, 철산화물(Fe2O3) 분말과 환원제인 수소를 이용하여 철분말을 제조하였다.
산화철(Fe2O3) 분말은 시간당 10kg을 투입하였으며, 가열로 온도 즉 환원온도는 850℃, 환원 반응 시간은 1시간으로 고정하였다. 또한 환원제인 수소는 분당 175L를 투입하였다. 수소 투입량은 투입 산화철 몰수의 9배에 해당하는 것으로 필요한 수소 이론 몰수의 약 3배에 해당한다.
산화철 분말의 두께를 20mm로 하여 난류 발생부가 없는 종래의 가열로에 투입한 경우, 70%의 환원율이 측정되었다. 반면에서 난류 발생부(90)를 구비하는 본 실시예에 따른 가열로(100)에 투입한 경우, 88%의 환원율이 측정되었다.
따라서, 종래에 비해 생산성이 높음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열로를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 B 부분을 확대하여 도시한 도면이며, 도 6은 도 4의 분말층 형상기를 확대하여 도시한 사시도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 가열로는 전술한 실시예의 가열로와 유사하게 구성되며, 분말층 형상기(80)를 더 포함한다. 따라서 전술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략하며 차이를 갖는 분말층 형상기(80)에 대해 보다 상세히 설명한다.
분말층 형상기(80)는 벨트(22) 상에 공급된 원료(P)를 특정 형상으로 형성한다.
분말층 형상기(80)에 의해 원료(P)는 편평한 형태가 아닌, 뾰족한 형상으로 반복되는 형태로 성형되어 공급된다. 보다 구체적으로, 원료(P)는 벨트(22)에서 멀어질수록 단면적이 작아지는 산 형태가 반복적으로 배치되며, 산과 산 사이에는 골이 형성된다.
이를 위해, 분말층 형상기(80)는 외주면에 톱니와 같은 뾰족한 돌기들(82)이 연속적으로 배치되는 롤러의 형태로 형성되며, 회전 구동을 통해 벨트(22)에 투입된 원료(P)를 가압하여 원료(P)에 상기한 바와 같은 산과 골을 형성한다.
한편, 본 발명에 따른 분말층 형상기(80)의 형상은 상기한 구성으로 한정되지 않으며 원료(P)를 가압하여 원료(P)의 표면적을 확장할 수만 있다면 다양한 변형이 가능하다.
분말층 형상기(80)에 의해 원료(P)가 특정 형상으로 성형됨에 따라, 머플(40)에 공급되는 원료(P)는 외부로 노출되는 표면적이 전술한 실시예에 비해 증가한다. 따라서 환원반응속도를 향상시킬 수 있다.
또한 원료(P)의 형상과 난류 발생부(90)에 의해 유체가 흐르는 공간이 더욱 복잡한 형상으로 형성되므로, 보다 효과적으로 난류를 발생시킬 수 있다.
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.
100: 가열로
20: 원료 이송 장치
30: 원료 장입 장치
40: 머플
50: 가열부
60: 냉각부
70: 저장 탱크
80: 분말층 형상기
90: 난류 발생부

Claims (8)

  1. 원료를 이송하는 원료 이송장치;
    상기 원료 이송장치 상에 배치되어 이송되는 상기 원료를 가열하는 머플; 및
    상기 머플 내에서 배치되어 상기 머플 내부를 흐르는 유체에 난류를 발생시키는 난류 발생부;
    를 포함하고,
    상기 난류 발생부는,
    상기 원료 이송장치의 상부에 배치되며, 상기 원료 이송장치를 향해 돌출된 다수의 격벽을 포함하며,
    상기 격벽의 측면은 상기 유체의 흐름이 차단되지 않도록 경사면으로 형성되는 환원용 가열로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 격벽과 상기 원료 사이의 이격 거리는,
    상기 유체를 상기 머플의 외부로 배출하는 가스 배출구 측으로 갈수록 증가하도록 배치되는 환원용 가열로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 격벽은,
    단면이 사다리꼴 형상으로 형성되는 환원용 가열로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원료를 가압하여 원료의 형상을 성형하는 분말층 형상기를 더 포함하는 환원용 가열로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 분말층 형상기는,
    외주면에 뾰족한 돌기들이 연속적으로 배치되는 롤러로 형성되는 환원용 가열로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 원료는 상기 분말층 형상기에 의해 산과 골이 반복된 형상으로 형성되어 상기 머플 내부로 투입되는 환원용 가열로.
  8. 삭제
KR1020160177114A 2016-12-22 2016-12-22 환원용 가열로 KR101879091B1 (ko)

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