KR102098019B1

KR102098019B1 - 전기로의 버너 연소 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102098019B1
Application number: KR1020170180208A
Authority: KR
Inventors: 한무호
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2020-04-07
Also published as: KR20190078347A

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 내부 공간을 갖는 벽구조를 갖는 전기로와, 상기 전기로의 내부 공간을 가열하도록 상기 전기로 벽구조에 배치된 적어도 하나의 버너와, 상기 버너의 팁과 상기 내부 공간에 배치될 스크랩과의 거리를 실시간으로 측정하도록 상기 전기로의 벽구조에 배치된 레이저 거리계와, 상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리를 기반으로 하여 산소의 취입 여부를 판단하는 버너 제어부;를 포함하는 버너 장치를 포함한다.

Description

전기로의 버너 연소 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING COMBUSTION OF A BURNER IN ELECTRIC FURNACE}

본 발명은 스크랩 용해 상태에 따른 버너 연소제어 장치에 관한 것이다.

전기로 조업 과정에서 스크랩의 용해상태를 관측하기 위한 기술은 전기로 전력투입의 효율화 및 2차 스크랩 장입 시점 판단을 위해서 매우 중요하다. 그러나 전기로 내부의 고온, 분진, 슬래그 및 용탕의 비산 등으로 인해서 전기로 내부의 스크랩 용해 상태를 실제 관측하기는 어려운 상황이다. 따라서, 실제 전기로 조업 과정에서 스크랩의 용해상태를 근거하여 버너 연소를 제어하는데 어려움이 있다.

특허문헌 1: 대한민국 특허공개공보 제2013-0072702호 특허문헌 2: 일본 특허공개공보 제2012-172867호

본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 조업을 중단하지 않고 버너 주위의 스크랩의 용해상태의 간접적인 판단에 근거하여 버너의 연소를 제어하는 버너 연소 제어장치를 제공하는데 있다.

일 예에서, 상기 레이저 거리계는, 상기 전기로 내부 공간을 향하도록 상기 전기로 벽구조에 장착되며, 수신부와 송신부를 갖는 광헤드부와, 상기 광헤드부의 수신부 및 송신부에 연결된 광케이블과, 상기 버너에 이격되어 배치되어 상 기 광케이블을 통해 레이저 빔을 전송하는 레이저 광원과, 상기 버너에 이격되어 배치되며 상기 광케이블로부터 측정된 레이저 빔을 수신하는 레이저 검출부를 포함할 수 잇다.

이 경우에, 상기 광헤드부는 상기 버너와 일체화되도록 결합된 구조를 가질 수 있으며, 이와 달리, 상기 광헤드부는 상기 거리 측정이 가능한 범위에서 상기 전기로의 벽구조물 중 상기 버너가 설치된 면의 벽구조물에 설치될 수도 있다.

일 예에서, 상기 광헤드부는 고온에 견딜 수 있도록 수냉 또는 에어 퍼징 장치를 구비할 수 있다.

일 예에서, 상기 버너 제어부는, 상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리가 소정의 거리 미만이거나 상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리가 소정의 거리 이상이더라도 소정의 시간이 경과한 후를 상기 버너로의 산소 취입 시점으로 결정하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 버너 제어부는 상기 버너에 제공되는 연료 주입 시점 및 연료 주입량을 결정하도록 구성될 수 있다.

일 예에서, 상기 버너는 각각 상기 전기로의 벽구조물의 다른 영역에 배치된 복수의 버너를 포함하며, 상기 레이저 거리계는 상기 복수의 버너 각각에 대응되도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 전기로 내부에 스크랩을 장입하는 단계와, 아킹을 시작하여 버너를 이용하여 장입된 스크랩을 예열하는 단계와, 레이저 거리계를 이용하여 버너 팁과 스크랩의 거리를 측정하는 단계와, 상기 측정된 버너 팁과 스크랩의 거리를 소정의 거리 이상이면 버너를 통해 산소취입을 개시하는 단계와, 상기전기로를 이용하여 스크랩을 용해시키는 단계를 포함하는 버너 연소 제어 방법을 포함할 수 있다.

일 예에서, 상기 산소 취입을 개시하는 단계는, 상기 전기로를 이용하여 스크랩을 용해시키는 단계와 함께 수행될 수 있다.

일 예에서, 상기 측정된 버너 팁과 스크랩의 거리를 소정의 거리보다 작더라도, 상기 예열하는 단계의 지속 시간이 소정 시간을 초과하면, 버너를 통해서 산소 취입을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기로에 설치된 버너에서 내부 스크랩과의 거리를 실시간으로 관측하여 버너 제어를 실시함으로써 스크랩 용해 시간을 단축할 수 있으며, 동시에 산소 취입시 화염 역화로 인한 부작용을 효과적으로 방지할 수 있다..

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 버너 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도2는 도1의 버너장치에 채용될 수 있는 연소 제어 장치를 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 채용된 레이저 거리계로부터 측정된 결과를 예시하는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로 버너 장치를 나타내는 개략 단면도이며, 도2는 도1의 버너장치에 채용될 수 있는 연소 제어 장치를 나타내는 개략도이다.

도1 및 도2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기로 버너 장치는, 내부 공간을 갖는 벽구조(12)를 갖는 전기로(10)와, 상기 전기로(10)의 내부 공간을 가열하도록 상기 벽구조(12)에 배치된 복수의 버너(19)와, 상기 벽구조(12)에 배치된 레이저 거리계(20)를 포함한다.

상기 레이저 거리계(20)는, 레이저 빔(L)을 이용하여 상기 버너(19)의 팁과 상기 내부 공간에 배치된 스크랩(S)과의 거리(d)를 측정하도록 구성된다. 본 실시예에 채용된 레이저 거리계(20)에서는, 광케이블(25)을 이용하여 레이저 광원(28)이나 레이저 검출부(26)는 고온인 전기로와 이격되도록 배치될 수 있다.

구체적으로, 도2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 거리계(20)는 상기 전기로의 내부 공간을 향하도록 상기 벽구조(12)에 장착되며 수신부와 송신부를 갖는 광헤드부(21)와, 상기 광헤드부(21)의 수신부 및 송신부에 연결된 광케이블(25)과, 상기 버너(19)에 이격되어 배치되어 상기 광케이블(25)을 통해 레이저 빔(L)을 전송하는 레이저 광원(28)과, 상기 버너(19)에 이격되어 배치되며 상기 광케이블(25)로부터 측정된 레이저 빔(L)을 수신하는 레이저 검출부(26)를 포함할 수 있다. 광케이블(25)은, 상기 레이저 광원(28)으로부터 레이저 빔(L)을 송신부에 전송하는 제1 케이블(25a)과, 측정된 레이저 빔(L)을 수신부로부터 상기 레이저 검출부(26)로 전송하는 제2 케이블(25b)을 포함할 수 있다.

본 실시예에 채용된 레이저 거리계(20)는 버너(19)와 결합되어 일체화된 구조를 가질 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 광헤드부(21)가 버너(19)와 결합되어 일체화된 구조를 가질 수 있다. 이에 한정되지 않고 상기 광헤드부(21)는 상기 버너(19)의 팁과 스크랩(S)과의 거리(d)를 측정할 수 있는 위치면 어디든지 장착될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예와 달리, 광헤드부(21)는 상기 버너(19)가 설치된 면의 벽구조(12)의 다른 영역에 설치될 수 있다. 본 실시예에 따른 배열에서, 레이저 거리계의 광 헤드부(21)는 버너(19)와 일체화되어 있어 항상 화염이 향하는 방향으로 스크랩(S)과의 거리(d)를 측정할 수 있다.

본 실시예에 따른 버너 제어 장치는 상기 측정된 버너(19)의 팁과 상기 스크랩(S)의 거리(d)를 기반으로 하여 산소의 취입 여부를 판단하는 버너 제어부(30)를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 산소 취입 시점은 크게 2가지로 구분될 수 있다.

첫째는, 버너(19)를 이용한 스크랩(S)의 예열이 완료한 후, 전기로를 이용한 스크랩 용해 과정에서 탈탄(decarbonizing)을 수행하기 위해서 산소 취입이 수행될 수 있다. 둘째로, 버너(19)를 이용한 스크랩(S)의 예열 과정에서 비정상적으로 용융되지 않고 남은 스크랩(예, 큰 크기의 스크랩)이 버너(19)를 가로막는 경우에 이를 물리적(예, 용융절단)으로 제거하기 위해서 사용될 수 있다.

구체적으로, 본 실시예에 따른 버너 제어부(30)는, 상술된 산소 취입 시점을 레이저 거리계(20)로부터 실시간으로 측정된 거리를 기반하여 판단할 수 있다. 우선, 상기 측정된 버너(19)의 팁과 스크랩(S)의 거리(d)를 소정의 거리 이상이면, 장입된 스크랩이 용융되어 거리가 증가하므로, 소정의 거리까지 확보되면 충분히 스크랩(S)이 예열된 것으로 판단하고, 버너(19)를 통해 산소취입을 개시할 수 있다. 이때에 취입된 산소는 본격적인 용해 과정에서 탈탄에 기여할 수 있다. 여기서, 스크랩 예열의 완료로 판단되는 거리는 장입된 스크랩(S) 양에 따라 결정될 수 있다. 산소취입은 고철이 어느 정도 용해된 이후 미용해 스크랩이나 용탕의 탈탄 반응을 가속시키는데 적절한 시점을 판단하여 산소를 취입하는 것이 중요하다. 그러나, 종래에는 전기로 내부를 관측하여 버너 주위의 스크랩 상태를 알 수 있는 방법이 없다.

둘째로, 비정상 스크랩 제거 시점은, 측정된 버너 팁과 스크랩 사이의 거리(d)의 변화가 작거나, 소정의 거리 이하의 상태로 예열 과정이 지속되면, 비정상적인 스크랩이 버너의 앞부분을 막는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 거리(d)의 변화가 작거나, 소정의 거리 이하의 상태로 소정 시간을 초과하면, 버너를 통해서 산소 취입을 수행할 수 있다. 이때에 취입되는 산소는 비정상적인 스크랩을 제거할 수 있다.

본 실시예에 채용된 광헤드부(21)는 전기로 내부 공간의 고온 환경에 노출되므로, 고온의 환경에 견딜 수 있도록 수냉 또는 에어 퍼징 장치(미도시)를 구비할 수 있다. 이와 유사하게, 벽 구조(12)의 내부에는 냉각수가 유동될 수 있도록 냉각수 유로(14)가 형성될 수 있다.

상기 버너(19)는 벽 구조(12) 기준으로 대략 35∼45°로 하방 경사지도록 설치될 수 있다. 또한, 상기 버너(19)의 팁과 스크랩 또는 용강의 탕면까지의 거리를 화염의 길이를 고려하여 경사각과 함께 조절될 수 있다 .

본 실시예에 채용된 버너(19)는 산소 취입관(19a) 및 연료 취입관(19b)을 포함할 수 있다. 연료 취입관(19b)은 2 이상의 취입관을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 연료로는 중유나 LNG와 같은 다양한 연료가스가 사용될 수 있다. 이러한 연료 공급이나, 연료배율(2 이상의 연료를 사용할 경우)는 상기한 버너 제어부(30)에 의해 조절될 수 있다. 또한, 상기 전기로의 바닥(11)은 내화물 구조로 이루어질 수 있으며, 그 바닥(11)에는 하부 전극이 배치되고, 상기 전기로의 천장에는 전극봉(18)이 배치될 수 있다.

이와 같이, 전기로의 벽구조에는 버너가 설치되어 전기로 스크랩(또는 고철)에 에너지 공급 및 미용해 고철 용해에 활용할 경우에. 버너 설치 위치 또는 그와 인접한 영역에 레이저 거리계를 설치하여 버너의 팁과 스크랩 사이의 거리를 측정하여 버너 주위의 스크랩 용해상태를 간접적으로 측정하고, 이를 통해서 산소 취입 시점을 판단할 수 있다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도3을 참조하면, 본 실시예에 다른 버너 제어 방법은, 전기로 내부에 스크랩을 장입하고(S31) 아킹이 시작된다(S32). 이로써, 예열을 위한 버너 동작이 개시될 수 있다(S35). 버너는 전기를 이용한 용융에 앞서 에너지를 절약하게 위한 예열 과정에 활용될 수 있다. 예를 들어, 버너는 LNG와 같은 연료가스를 이용할 수 있다. 이러한 버너의 동작 과정에서 레이저 거리계를 이용하여 버너 팁과 스크랩과의 거리를 실시간으로 측정할 수 있다.

버너가 동작하는 예열시간이 지나면서 장입된 스크랩이 녹아 주저 앉게 되고, 이 과정에서 버너 팁과 스크랩과의 거리가 멀어질 수 있다. 따라서, 충분히 예열이 이루어졌는지 여부를 버너 팁과 스크랩과의 거리가 소정의 거리를 초과했는지 여부로 판단할 수 있다(S37). 만약, 버너 팁과 스크랩과의 거리가 미리 설정된 시간을 초과하면 예열 완료로 판단하여 산소 취입을 시작할 수 있다. 이 때에 취입되는 산소는 본격적인 스크랩 용융과정에서 용탕의 탄탈을 가속화시킬 수 있다(S39). 이때에 산소 취입 개시는, 상기 전기로를 이용하여 스크랩을 용해시키는 단계와 함께 수행될 수 있다.

또한, 상기 측정된 버너 팁과 스크랩의 거리를 소정의 거리를 초과하지 않는 범위에서 상기 예열하는 단계의 지속 시간을 판단하는 과정을 수행할 수 있다(S38). 이 과정에서 소정 시간을 초과하면, 버너 입구에 미용해 스크랩에 배치된 비정상 상태로 판단하여, 산소 취입을 수행할 수 있다. 이때에 취입된 산소는 미용해 스크랩을 절단하거나 제거하여 화염이 역화되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시예와 같이, 레이저 거리계를 이용하여 측정된 거리를 기반하여, 2가지의 산소 취입 시점을 모두 판단할 수 있으나, 실제로 1개만 택일적으로 구현할 수 있다. 구체적으로, 버너 제어부를 두 번째 산소취입과정만을 단독으로 측정된 거리의 변화 및 지속시간 여부만을 판단하여 미용해 스크랩에 의한 비정상 상태만을 판단하도록 구성될 수 있다.

이하, 스크랩과의 거리 측정에 따른 산소 취입 시점 판단에 대한 이해를 위해서 구체적인 예를 참조하여 설명한다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 채용된 레이저 거리계로부터 측정된 결과를 예시하는 그래프이다.

도4를 참조하면, 2가지의 경우, 즉 정상 스크랩의 예열 과정(정상 동작)과 비정상 스크랩의 예열과정(비정상동작)에 대한 실시간 거리 측정 결과가 나타내져 있다.

장상 동작 과정에서, 버너가 작동하고 시간이 경과 할수록 장입된 스크랩이 용해되므로, 버너의 팁, 즉 거리계 센서에서 스크랩까지의 거리는 점점 멀어질 있다. 시간이 지나면서 스크랩이 녹아 버너 팁과 스크랩과의 거리가 소정의 거리도 멀어지면 산소 취입을 시작할 수 있다.

하지만, 비정상 동작 과정을 살펴 보면, 일정 시간이 지났음에도 거리가 증가하지 않으면 정상 동작 과정과 비교하여 거리의 변화가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 이 경우에는, 미환원 스크랩이 버너 입구를 막고 있어 정상적인 예열과정이 진행되지 않는 것으로 판단할 수 있으며, 이 역시 산소를 취입하여 스크랩을 절단하거나 용해를 촉진시켜야 한다.

본 실시예와 같이, 버너 팁과 스크랩의 거리를 기반으로 제어하지 않고 기존의 일정 시간 후 조업자의 판단으로 산소를 취입하여 이러한 비정상 상태를 간과할 경우에, 버너 팁 부위 고철로 인한 화염 역화를 초래할 수 있으며. 화염의 역화는 버너가 크게 손상될 수 있다.

한편, 기존의 전기로 내부공간의 스크랩 용해 상태에 대해, 카메라를 전기로의 상부나 측면에 설치하여 전기로 내부 용해상태를 관측할 수 있으나, 냉각 기구 및 퍼징을 이용하여 카메라를 보호하지만 전기로 내부의 열악한 환경에 의해서 대부분 견디지를 못하고 오동작 내지는 소손되어 사용할 수 없는 결과를 초래할 수 있다. 반면에, 본 실시예에 따른 방식은 전기로에 설치된 버너에서 내부 스크랩과의 거리를 실시간으로 관측하여 버너의 연소과정을 실시간으로 제어함으로써 효율적인 버너제어로 인한 스크랩 용해 시간을 단축할 수 있으며 동시에 산소 취입 시 화염 역화에 의한 부작용 등을 방지할 수 있다.

본 개시에서 연결된다는 의미는 직접 연결된 것뿐만 아니라, 접착층 등을 통하여 간접적으로 연결된 것을 포함하는 개념이다. 또한, 전기적으로 연결된다는 의미는 물리적으로 연결된 경우와 연결되지 않은 경우를 모두 포함하는 개념이다.

본 개시에서 "일 실시예"로 지칭된 형태는 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 설명하기 위해서 제공된 것이다. 그러나, 상기 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.

본 개시에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 예를 들어, 단수로 표현되어도 문맥상 명백하게 단수로 한정되지 않는 한, 복수의 의미를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

12: 전기로 벽구조
14: 냉각 유로
19: 버너
20: 레이저 거리계
21: 광 헤드브
28: 레이저 광원
26: 레이저 검출부
30: 버너 제어부

Claims

내부 공간을 갖는 벽구조를 갖는 전기로;
상기 전기로의 내부 공간을 가열하도록 상기 벽구조에 배치된 적어도 하나의 버너;
상기 버너의 팁과 상기 내부 공간에 배치될 스크랩과의 거리를 실시간으로 측정하도록 상기 벽구조에 배치된 레이저 거리계; 및
상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리를 기반으로 하여 산소의 취입 여부를 판단하는 버너 제어부;를 포함하고,
상기 버너 제어부는,
상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리의 변화가 소정의 거리의 변화보다 작거나 상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리가 소정의 거리보다 작은 상태로 소정의 시간 동안 지속되면, 상기 버너의 팁에 인접한 영역에 비정상적인 스크랩이 발생된 것으로 판단하고, 상기 비정상적인 스크랩이 제거되도록 산소 취입을 실시하도록 구성되는 전기로 버너 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 거리계는,
상기 내부 공간을 향하도록 상기 벽구조에 장착되며, 수신부와 송신부를 갖는 광헤드부와,
상기 광헤드부의 수신부 및 송신부에 연결된 광케이블과,
상기 버너에 이격되어 배치되어 상기 광케이블을 통해 레이저 빔을 전송하는 레이저 광원과,
상기 버너에 이격되어 배치되며 상기 광케이블로부터 측정된 레이저 빔을 수신하는 레이저 검출부를 포함하는 전기로 버너 장치.
제2항에 있어서
상기 광헤드부는 상기 버너와 일체화되도록 결합된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기로 버너 장치.
제2항에 있어서
상기 광헤드부는 상기 버너가 설치된 면의 벽구조 중 다른 영역에 설치된 것을 특징으로 하는 전기로 버너 장치.
제2항에 있어서,
상기 광헤드부는 고온에 견딜 수 있도록 수냉 또는 에어 퍼징 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 전기로 버너 장치.
제1항에 있어서,
상기 버너 제어부는, 상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리가 소정의 거리 이상이면, 상기 스크랩이 용융된 용탕의 탄탈이 가속화되도록 상기 버너로의 산소 취입 시점으로 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기로 버너 장치.
제1항에 있어서,
상기 버너 제어부는 상기 버너에 제공되는 연료 주입 시점 및 연료 주입량을 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기로 버너 장치.
제1항에 있어서,
상기 버너는 각각 상기 전기로의 벽구조물의 다른 영역에 배치된 복수의 버너를 포함하며, 상기 레이저 거리계는 상기 복수의 버너 각각에 대응되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기로 버너 장치.
전기로 내부에 스크랩을 장입하는 단계;
아킹을 시작하여 버너를 이용하여 장입된 스크랩을 예열하는 단계;
레이저 거리계를 이용하여 버너 팁과 스크랩의 거리를 측정하는 단계;
상기 측정된 버너 팁과 스크랩 사이의 거리의 변화가 소정의 거리 변화보다 작거나 상기 측정된 버너의 팁과 상기 스크랩의 거리가 소정의 거리보다 작은 상태로 예열 과정이 소정의 시간 동안 지속되면, 상기 버너의 팁에 인접한 영역에 비정상적인 스크랩이 발생된 것으로 판단하고, 상기 비정상적인 스크랩이 제거되도록 제1 산소 취입을 실시하는 단계;
상기 측정된 버너 팁과 스크랩의 거리를 소정의 거리 이상이면 상기 스크랩이 용융된 용탕의 탄탈이 가속화되도록 버너를 통해 제2 산소취입을 개시하는 단계; 및
상기 전기로를 이용하여 스크랩을 용해시키는 단계를 포함하는 버너 연소 제어 방법.
제9항에 있어서,
상기 제2 산소 취입을 개시하는 단계는, 상기 전기로를 이용하여 스크랩을 용해시키는 단계와 함께 수행되는 것을 특징으로 하는 버너 연소 제어 방법.
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