KR102141071B1 - 용광로 냉각구조의 설계방법 - Google Patents

용광로 냉각구조의 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용광로의 외벽에 상하좌우로 이격 설치된 복수의 냉각홀에 각각 삽입되는 냉각반과 그 주변의 외곽 둘레에 설치되는 내화물을 구비한 용광로 냉각구조의 설계방법에 관한 것으로서, 조업 경계조건을 입력하는 단계와, 목표 온도차를 입력하는 단계와, 설계변수의 범위를 입력하는 단계와, 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계와, 열전달해석을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계와, 설계변수의 최적값을 선택하는 단계와, 최적설계값을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 변수 최적화 기법을 이용하여 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 냉각수 입출구 온도차에 부합하여 설계변수를 최적화함으로써, 불필요한 냉각반의 사용 물량을 감소시키고 용광로에 냉각수를 공급하는 냉각시스템의 구성을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

용광로 냉각구조의 설계방법{METHOD FOR DESIGNING REFRACTORY AND COOLING PLATE OF BLAST FURNACE}
본 발명은 용광로 냉각구조의 설계방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용광로의 외벽에 상하좌우로 이격 설치된 복수의 냉각홀에 각각 삽입되는 냉각반과 그 주변의 외곽 둘레에 설치되는 내화물을 구비한 용광로 냉각구조를 설계하는 용광로 냉각구조의 설계방법에 관한 것이다.
용광로는 철광석을 환원시켜 선철을 생산하는 설비로서, 용광로 내부에 철광석과 코크스, 그리고 부원료를 적층하고 용광로 하부 원주방향으로 설치된 송풍구를 통해 고온 열풍을 공급하여 코크스를 산화시키고, 여기서 생성된 CO가스로 철광석을 환원시켜 용융상태의 선철을 생산하는 설비이다.
용광로의 송풍구 하부에는 최대 1,500℃의 용융된 선철이 존재하며 송풍구 상부에는 최대 1,100℃의 고온 환원가스가 상승하고, 최상부에서는 철광석과 코크스가 지속적으로 투입되어 송풍구 상부까지 순차적으로 하강하게 된다.
이로 인해 용광로 내부의 내화물은 고온가스에 의해 화학적 마모에 노출되고 장입물의 하강에 따른 기계적 마모 현상이 발생하게 된다. 이러한 노벽 연와의 마모 방지와 철피의 적열 현상을 방지하기 위해 용광로 외벽에 적절한 냉각구조가 설치된다.
냉각반은 위와 같은 내화물 마모와 철피 적열 현상을 방지하기 위한 냉각구조 중의 하나로서, 외부 철피에서부터 내화물 사이에 삽입되어 냉각반의 내부 냉각유로에 냉각수를 흘려 노 내의 고온의 열을 외부로 발산시켜주는 역할을 하게 된다.
상기와 같이 냉각구조로 냉각반을 채용하는 종래의 용광로는, 냉각반에서 용광로 내부 열을 잘 흡수할 수 있도록 도와주는 외곽 내화물과 내부 광석 하강에 의한 기계적 마모와 고온 가스에 의한 화학적 마모를 견디는 내곽 내화물로 구성이 된다.
특히, 외곽 내화물은 용광로 내부 열을 냉각반의 냉각수가 잘 흡수할 수 있도록 높은 열전도도를 가지는 그라파이트(Graphite) 계열의 내화물을 채용하게 된다.
이러한 그라파이트(Graphite) 내화물은 낮은 열전도도를 가지는 저알루미나 계열의 내화물보다 고가이며, 열전도도에 따라서 금액 차이가 발생한다. 또한, 냉각반도 열전도도가 높은 구리로 제작하게 되며 냉각반 간 상하 간격과 둘레 개수에 따라 물량 차이가 발생하게 된다.
종래의 용광로의 설계시에서는 물량과 금액에 영향을 미치는 냉각구조와 내화물의 선정을 이전 설계를 그대로 도입하거나, 용광로 조업에서 발생하는 고온 영역에 많은 냉각구조를 배치하는 방법으로 설계가 수행되어 불필요한 비용을 유발할 수 있다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0897754호 (2009년05월15일) 대한민국 등록특허 제10-1505161호 (2015년03월23일) 대한민국 등록특허 제10-1762822호 (2017년07월28일)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 불필요한 냉각반의 사용 물량을 감소시키고 용광로에 냉각수를 공급하는 냉각시스템의 구성을 최소화할 수 있는 용광로 냉각구조의 설계방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 냉각구조의 내화물과 냉각반의 설치물량을 절감시키는 동시에 내화물의 사양을 최적화하고 용광로의 투자비를 절감할 수 있고 냉각구조의 설치를 위한 철피 구멍의 가공시간을 줄일 수 있는 용광로 냉각구조의 설계방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기존의 설계 방법에 비해 용광로의 제조시 설치 물량과 제조 원가를 최소화할 수 있는 용광로 냉각구조의 설계방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용광로의 외벽에 상하좌우로 이격 설치된 복수의 냉각홀에 각각 삽입되는 냉각반과 그 주변의 외곽 둘레에 설치되는 내화물을 구비한 용광로 냉각구조의 설계방법으로서, 용광로의 조업 경계조건을 입력하는 단계; 냉각수의 입구와 출구 사이의 목표 온도차를 입력하는 단계; 내화물 및 냉각반의 설계변수의 범위를 입력하는 단계; 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계; 상기 설정된 케이스의 열전달해석을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계; 상기 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 최적값이 목표 온도차를 만족하는지 판단하여 최적설계값을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 조업 경계조건을 입력하는 단계는, 용광로의 내측 및 외측의 온도와, 냉각수의 입측의 온도를 입력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 설계변수의 범위를 입력하는 단계는, 냉각반의 상하간격 범위 및 좌우간격 범위와, 외곽 내화물의 삽입깊이 범위 및 열전도도의 범위를 입력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 케이스를 설정하는 단계는, 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 출력값을 도출하는 단계는, 반응표면분석법의 반응표면 도출식인 하기 수학식 1에 의해 출력값을 도출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 최적값을 선택하는 단계는, 상기 출력값을 도출하는 단계에서 도출된 온도차에 의거해서 냉각반의 상하간격 및 좌우간격과, 상기 외곽 내화물의 삽입깊이 및 열전도도에 대한 최적설계값을 각각 선택하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 변수 최적화 기법을 이용하여 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 냉각수 입출구 온도차에 부합하여 설계변수를 최적화함으로써, 불필요한 냉각반의 사용 물량을 감소시키고 용광로에 냉각수를 공급하는 냉각시스템의 구성을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 조업 경계조건으로 용광로 온도와 냉각수 온도를 입력하고 설계변수로 내화물 및 냉각반의 범위를 입력함으로써, 냉각구조의 내화물과 냉각반의 설치물량을 절감시키는 동시에 내화물의 사양을 최적화하고 용광로의 투자비를 절감할 수 있고 냉각구조의 설치를 위한 철피 구멍의 가공시간을 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 냉각수 입출구 온도차에 부합하는 냉각반의 상하좌우 간격의 최대값 및 외곽 내화물 열전도의 최저값을 도출함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 용광로의 제조시 설치 물량과 제조 원가를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법을 개략적으로 나타내는 개략흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법을 나타내는 상세흐름도.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로의 내화물 및 냉각반을 나타내는 구성도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법의 케이스 설정단계를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법의 출력값 도출단계를 나타내는 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법의 일예를 나타내는 상태도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법을 개략적으로 나타내는 개략흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법을 나타내는 상세흐름도이고, 도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로의 내화물 및 냉각반을 나타내는 구성도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법의 케이스 설정단계를 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법의 출력값 도출단계를 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법의 일예를 나타내는 상태도이다.
도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 용광로 냉각구조의 설계방법은, 조업 경계조건 입력단계(S10), 목표 온도차 입력단계(S20), 설계변수 범위 입력단계(S30), 케이스 설정단계(S40), 출력값 도출단계(S50), 최적값 선택단계(S60) 및 최적설계값 도출단계(S70)를 포함하여 이루어져, 용광로(100)의 외벽에 상하좌우로 이격 설치된 복수의 냉각홀에 각각 삽입되는 냉각반(110)과 그 주변의 외곽 둘레에 설치되는 외곽 내화물(120)을 구비한 용광로 냉각구조의 설계방법이다.
본 실시예의 용광로 냉각구조는, 도 3 내지 도 7에 나타낸 바와 같이 용광로의 외벽으로 형성된 철피(150)의 보호를 위해 냉각반(110)을 사용하여 용광로(100)를 냉각하는 방식이 적용되고 있고, 냉각반(110)을 둘러싸고 있는 내화물로는 외곽 내화물(120)과 제1 내곽 내화물(130) 및 제2 내곽 내화물(140)로 구성되어 있고, 이러한 내화물에는 열전달율이 낮아 냉각효과가 떨어지므로 접촉면에 열팽창흡수를 위해 래밍재(160)를 사용하고 있다.
조업 경계조건 입력단계(S10)는, 용광로의 조업 경계조건을 입력하는 단계로서, 용광로의 내측의 고온조건과 외측의 대기 온도와 냉각설비에서 공급되는 냉각수의 입측의 온도를 입력하게 된다.
이러한 조업 경계조건 입력단계(S10)에서는 용광로의 내측 온도를 입력하는 단계(S11)와 용광로의 외측 온도를 입력하는 단계(S12)와 냉각수의 입측의 온도를 입력하는 단계(S13)로 이루어져 있다.
목표 온도차 입력단계(S20)는, 냉각수의 입구와 출구 사이의 목표 온도차를 입력하는 단계로서, 용광로의 외벽에 냉각수가 투입되는 냉각관로의 입출구 온도차에 대한 목표온도를 입력하게 된다.
설계변수 범위 입력단계(S30)는, 내화물 및 냉각반의 설계변수의 범위를 입력하는 단계로서, 냉각반(110)의 상하간격(h)의 범위를 입력하는 단계(S31)와, 냉각반(110)의 좌우간격(w)의 범위를 입력하는 단계(S32)와, 외곽 내화물(120)의 삽입깊이(d)의 범위를 입력하는 단계(S33)와, 외곽 내화물(120)의 열전도도의 범위를 입력하는 단계(S34)로 이루어져 있다.
케이스 설정단계(S40)는, 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계로서, 조업 경계조건 입력단계(S10)에서 입력된 조업 경계조건과 설계변수 범위 입력단계(S30)에서 입력된 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하게 된다.
이러한 케이스 설정단계(S40)에서는 반응표면분석법(RSD; Response Surface Design)의 대표적인 설계 방법인 중심합성계획법(CCD; Central Composite Design)을 이용한 설계 변수간 적용 케이스(Case)를 설정하게 된다.
출력값 도출단계(S50)는, 케이스 설정단계(S40)에서 설정된 케이스의 열전달해석을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계로서, 이러한 출력값 도출단계(S50)에서는, 반응표면분석법의 반응표면 도출식인 하기 수학식 1에 의해 출력값을 도출하게 된다.
Figure 112018131133690-pat00001
여기서, Y=출력변수 (본 발명의 목적함수)
x1=입력변수1 (본 발명의 설계변수 1)
x2=입력변수2 (본 발명의 설계변수 2)
β0~5=변수 민감도에 따른 상수
반응표면분석법(RSD)은, 입력변수 X(본 발명에서 설계변수), 출력변수 Y(본 발명에서 목적함수)간의 관계가 2차 곡선 관계를 가질 때 사용하는 실험계획법 DOE(Design Of Experiment)중의 하나로서, 케이스 설정단계(S40)에서는 반응표면분석법(RSD)중에서 도 8에 나타낸 바와 같이 다양한 케이스에 적용하도록 실험하는 중심합성계획법(CCD)을 사용하는 것이 바람직하다.
중심합성계획법은 중심점(Center point), 꼭짓점(Cube point), 그리고 축점(Axial point)으로 구성된 실험으로서, 반응표면(출력변수 Y의 값을 표면화)에 곡률(Curvature) 효과를 파악할 수 있는 실험방법이다.
예를 들어, 설계변수 범위 입력단계(S30)에서 입력한 설계 변수들의 범위 중에서 외곽 내화물의 삽입깊이를 300mm에서 400mm로 설정하고, 외곽 내화물의 열전도도를 100W/mK에서 200W/mK로 지정하였다고 가정하면, 반응표면의 출력값(출력변수 Y, 본 발명은 냉각수 입출구 온도차)을 구성하기 위한 설계변수의 케이스(case)의 조합은 중심합성계획법에 의해 도 8과 같이 구성하게 된다.
또한, 도 8에서 구성된 케이스(Case)에 대해 출력값 도출단계(S50)에서 열전달 해석을 수행하여, 설계변수 조합에 따른 반응표면의 출력값을 도 9와 같이 도출하게 된다.
최적값 선택단계(S60)는, 출력값 도출단계(S50)에서 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계로서, 출력값 도출단계(S50)에서 도출된 온도차에 의거해서 설계변수간 상관관계를 분석하여 냉각반의 상하간격 및 좌우간격과, 외곽 내화물의 삽입깊이 및 열전도도에 대한 최적설계값을 각각 선택하게 된다.
최적설계값 도출단계(S70)는, 최적값 선택단계(S60)에서 선택된 최적값이 목표 온도차를 만족하는지 판단하여 최적설계값을 도출하는 단계로서, 최적값 선택단계(S60)에서 선택된 출력값이 온도차를 목표 온도차와 비교하여 확인하는 단계(S71)와, 그 결과에 의거해서 냉각반의 상하간격 및 좌우간격과, 외곽 내화물의 삽입깊이 및 열전도도에 대한 최적설계값을 각각 도출하는 단계(S72)로 이루어져 있다.
특히, 이러한 최적설계값 도출단계(S70)에서는 냉각수 입출구 온도차가 목표값을 만족하지 않으면 최적값 선택단계(S60)로 다시 피드백(Feed Back)하여 다시 선택하여 다시 선택된 온도차에 의거해서 냉각반의 상하간격 및 좌우간격과, 상기 외곽 내화물의 삽입깊이 및 열전도도에 대한 최적설계값을 각각 도출하게 되는 것도 가능함은 물론이다.
본 실시예에서는 도 8 내지 도 10에 나타낸 바와 같이, 외곽 내화물의 삽입깊이 및 열전도도의 2가지 설계 변수에 대해 다루었으나, 본 발명에서는 고로 내화물 및 냉각반의 최적설계를 위하여 냉각반의 상하간격, 냉각반의 좌우간격, 외곽 내화물의 삽입 깊이, 외곽 내화물의 열전도도를 선정하여 총 4가지 설계변수를 중심합성계획법으로 케이스(Case)를 조합하고 반응표면분석법을 이용하여 목적함수인 냉각수 입출구 온도차에 부합하는 설계변수의 최적값을 도출하는 것이 가능함은 물론이다.
따라서, 본 실시예의 용광로 냉각구조의 설계방법에 따르면, 본 발명에서 정의하는 설계변수로서 냉각반 상하좌우 간격, 외곽 내화물의 깊이, 외곽 내화물의 열전도도로 설정하고, 목표값으로서 냉각구조를 통과하는 냉각수의 입출구 온도차로 설정하게 되어, 용광로 조업에서 요구되는 냉각수 온도차를 기준으로 각 변수간의 상관관계를 파악하여 최적의 변수 값을 도출하는 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 냉각반의 상하좌우 변수의 최대값을 도출하여 냉각구조의 물량을 줄이고, 그라파이트(Graphite) 계열의 외곽 내화물의 최저 열전도도를 도출하여 내화물의 사양을 낮추는 것이 가능하게 되므로, 고가의 냉각반와 내화물을 최적으로 배치함으로써 물량 및 원가절감 효과를 기대할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 변수 최적화 기법을 이용하여 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 냉각수 입출구 온도차에 부합하여 설계변수를 최적화함으로써, 불필요한 냉각반의 사용 물량을 감소시키고 용광로에 냉각수를 공급하는 냉각시스템의 구성을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 조업 경계조건으로 용광로 온도와 냉각수 온도를 입력하고 설계변수로 내화물 및 냉각반의 범위를 입력함으로써, 냉각구조의 내화물과 냉각반의 설치물량을 절감시키는 동시에 내화물의 사양을 최적화하고 용광로의 투자비를 절감할 수 있고 냉각구조의 설치를 위한 철피 구멍의 가공시간을 줄일 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 냉각수 입출구 온도차에 부합하는 냉각반의 상하좌우 간격의 최대값 및 외곽 내화물 열전도의 최저값을 도출함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 용광로의 제조시 설치 물량과 제조 원가를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.
110: 냉각반 120: 외곽 내화물
130: 제1 내곽 내화물 140: 제2 내곽 내화물
150: 철피 160: 래밍재

Claims (6)

  1. 용광로의 외벽으로 형성된 철피(150)의 보호를 위해 냉각반(110)을 사용하고, 냉각반(110)을 둘러싸고 있는 내화물로 외곽 내화물(120)과 제1 내곽 내화물(130) 및 제2 내곽 내화물(140)로 구성되어 있고, 이러한 내화물에는 접촉면에 열팽창흡수를 위해 래밍재(160)를 사용하고 있는 용광로의 외벽에 상하좌우로 이격 설치된 복수의 냉각홀에 각각 삽입되는 냉각반과 그 주변의 외곽 둘레에 설치되는 내화물을 구비한 용광로 냉각구조의 설계를 컴퓨터 시스템에 의해 수행하는 용광로 냉각구조의 설계방법으로서,
    용광로의 조업 경계조건을 입력하는 단계;
    냉각수의 입구와 출구 사이의 목표 온도차를 입력하는 단계;
    내화물 및 냉각반의 설계변수의 범위를 입력하는 단계;
    상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계;
    상기 설정된 케이스의 열전달해석을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계;
    상기 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 최적값이 목표 온도차를 만족하는지 판단하여 최적설계값을 도출하는 단계;를 포함하고,
    상기 설계변수의 범위를 입력하는 단계는,
    상기 냉각반(110)의 상하간격(h)의 범위를 입력하는 단계;
    상기 냉각반(110)의 좌우간격(w)의 범위를 입력하는 단계;
    상기 외곽 내화물(120)의 삽입깊이(d)의 범위를 입력하는 단계; 및
    상기 외곽 내화물(120)의 열전도도의 범위를 입력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용광로 냉각구조의 설계방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조업 경계조건을 입력하는 단계는, 용광로의 내측 및 외측의 온도와, 냉각수의 입측의 온도를 입력하는 것을 특징으로 하는 용광로 냉각구조의 설계방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스를 설정하는 단계는, 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하는 것을 특징으로 하는 용광로 냉각구조의 설계방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력값을 도출하는 단계는, 반응표면분석법의 반응표면 도출식인 하기 수학식 1에 의해 출력값을 도출하는 것을 특징으로 하는 용광로 냉각구조의 설계방법.
    [수학식 1]
    Figure 112018131133690-pat00002

    여기서, Y=출력변수 (본 발명의 목적함수)
    x1=입력변수1 (본 발명의 설계변수 1)
    x2=입력변수2 (본 발명의 설계변수 2)
    β0~5=변수 민감도에 따른 상수
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 최적값을 선택하는 단계는, 상기 출력값을 도출하는 단계에서 도출된 온도차에 의거해서 냉각반의 상하간격 및 좌우간격과, 상기 외곽 내화물의 삽입깊이 및 열전도도에 대한 최적설계값을 각각 선택하는 것을 특징으로 하는 용광로 냉각구조의 설계방법.
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