KR102146751B1 - 저취 내화물 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적 실시예에 따른 저취 내화물 구조는, 복수의 세관을 포함하고, 상기 복수의 세관으로 구성되는 가스 토출부를 구비하는 내화물 본체; 상기 내화물 본체 하부에 제공되며, 상기 복수의 세관에 가스를 분산시켜주는 분배 챔버; 및 상기 분배 챔버에 가스를 공급하는 인입관;을 포함하고, 상기 내화물 본체는 무차원 수인 유량 집중 지수가 0.08~1.21을 만족하는 것으로, 상기 유량 집중 지수는 하기 조건식1을 통해 계산될 수 있다.
조건식1: 유량 집중 지수 = A×10/(B×C×D)
여기서, 'A'는 가스 토출부 면적, 'B'는 분배 챔버 부피, 'C'는 분배 챔버 높이, 'D'는 인입관 단면적임.

Description

저취 내화물 구조{BOTTOM GAS BUBBLING REFRACTORY STRUCTURE}

본 발명은 저취 내화물 구조에 관한 것이다.

전로 공정에서는 투입된 용선의 잔류 카본과 상취 산소의 반응에 의해 잔류 카본을 저감시키기 위한 순산소 취련법을 사용중이다.

용강 중 카본과의 반응성 증대와 투입되는 부원료의 교반을 목적으로 전로 하부에 불활성 가스를 투입하는 저취 교반 기술이 도입되어 취련 시간 단축 및 과도한 산소 사용 억제를 통한 용강 실수율 향상 등이 보고되고 있다.

저취의 가스 투입용 내화물은 내경이 20~50mm의 파이프로 구성되는 단공을 주로 사용하였으나, 저유량 조업에서 용강 역류에 의한 조업사고와 균일한 유량 컨트롤의 어려움, 고유량 조업에서 가스 토출부의 과도한 손상으로 인하여 작은 세관의 다발을 가진 다중관 노즐로 전환되는 추세이다.

상기 다중관 노즐은 내경 1~3mm의 STS 세관을 25~160개 다발로 묶어 가스를 취입함에 따라 앞서 기술한 단공의 문제점들을 해결하고 있다. 그러나, 전로 조업의 가혹화 및 긴 수명의 필요성에 따라 저취 내화물의 수명 향상을 위하여 다중관 노즐에 대한 다양한 연구가 진행중이다.

한편, 특허문헌에서, 최근의 연구자들은 극심한 온도 구배에 의해 열응력이 집중되어 균열이 발생되는 저취 내화물의 사용 성능 개선을 위하여 열충격을 견딜 수 있는 배합 기술과 파이프의 재배치를 통한 설계 기술을 개발하고 있으나, 이를 통해 열응력을 저감시키는 것에 한계가 있으며 열응력의 발생 원인에 대한 근본적인 해결책이 되지 못하여 지속적인 손상에 대한 대책이 부족한 실정이다.

등록특허 제10-1680234호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 온도 구배를 완화시켜 열응력을 감소시킬 수 있도록 하는 저취 내화물 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

다만 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.

본 발명의 예시적 실시예에 따른 저취 내화물 구조는, 복수의 세관을 포함하고, 상기 복수의 세관으로 구성되는 가스 토출부를 구비하는 내화물 본체; 상기 내화물 본체 하부에 제공되며, 상기 복수의 세관에 가스를 분산시켜주는 분배 챔버; 및 상기 분배 챔버에 가스를 공급하는 인입관;을 포함하고, 상기 내화물 본체는 무차원 수인 유량 집중 지수가 0.08~1.21를 만족하는 것으로, 상기 유량 집중 지수는 하기 조건식1과 같다.

조건식1: 유량 집중 지수 = A×10/(B×C×D)

여기서, 'A'는 가스 토출부 면적, 'B'는 분배 챔버 부피, 'C'는 분배 챔버 높이, 'D'는 인입관 단면적임.

상기 내화물 본체는 A/C가 무차원 수로 38~90으로 설계될 수 있다.

상기 가스 토출부는 상기 분배 챔버의 중앙에 배치될 수 있다.

상기 복수의 세관은 상기 가스 토출부에서 가상의 동심원 상에 배열되고, 상기 동심원을 구성하는 최외측열의 세관의 수가 인접한 내측열의 세관의 수 보다 많을 수 있다.

본 발명에 따르면, 온도 구배를 완화시켜 열응력을 감소시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

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

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 저취 내화물 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 저취 내화물 구조의 상부면을 나타내는 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 또한, 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 예시적 실시예에 따른 저취 내화물 구조를 설명한다. 도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 저취 내화물 구조를 나타내는 개략도이고, 도 2는 저취 내화물 구조의 상부면을 나타내는 개략도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 저취 내화물 구조(1)는 내화물 본체(10)와 분배 챔버(20) 및 인입관(30)을 포함할 수 있다.

내화물 본체(10)는 상방으로 갈수록 지름이 축소되는 구조를 가지며, 내화물 본체(10) 내에는 복수의 세관(11)이 길이방향을 따라 관통형성되고, 내화물 본체(10)의 상면에는 복수의 세관(11)으로 구성되는 가스 토출부(10A)가 구비될 수 있다. 이때, 내화물 본체(10)의 형상은 적용되는 사용처에 따라서 다양한 형상을 가지게 형성될 수 있다.

복수의 세관(11)은 가스 토출부(10A)에서 중심점(P)을 기준으로 가상의 동심원(Q) 상에 배열되고, 동심원을 구성하는 최외측열의 세관(11)의 수가 인접한 내측열의 세관(11)의 수 보다 많은 구조로 배열될 수 있다.

세관(11)의 배치는 가상의 동심원(Q)이 아닌 다각형 상에 배치될 수도 있으며, 이 경우에도 최외측열의 세관(11)의 수가 인접한 내측열의 세관의 수보다 많은 구조로 배열될 수 있다.

세관(11)이 형성된 가스 토출부(10A)는 상기 내화물 본체(10)와 일체로 성형될 수도 있으며, 별도로 생성된 후 내화물 본체(10)에 끼워지는 것도 가능하다.

분배 챔버(20)는 내화물 본체(10)의 하부에 제공되며, 복수의 세관(11)과 연결되어 복수의 세관(11)에 가스(G)를 분산시켜주도록 구성될 수 있다. 이 경우, 가스 토출부(10A)는 분배 챔버(20)의 중앙에 배치될 수 있다. 분배 챔버(20)는 원형 또는 다각형의 형상을 가질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.

인입관(30)은 분배 챔버(20)와 연결되어 내화물 본체(10) 외부로부터 분배 챔버(20)에 가스(G)를 공급할 수 있다.

통상 전로 외부로부터 취입되는 가스(G)는 인입관(30)을 통해 분배 챔버(20)로 공급되어 복수의 세관(11)을 통해 분산 토출되도록 구성된다. 이때, 용강류의 백어택 손상을 억제하기 위해 전체 유량을 분산하여 각 세관(11)에서 저유량이 균등하게 분산되어 토출되도록 설계된다.

따라서, 하부에 위치하는 분배 챔버(20)의 역할이 중요하며, 분배 챔버(20) 내용적을 최대한 확보하여 안정적인 유량 조건을 확보하고, 유량 균일도를 향상시키는 것이 균일한 용강 교반과 더불어 저취 내화물 구조의 중요 설계 요소로 자리잡았다.

그러나, 전로 철피에 고정되며 내장 벽돌의 하부에 위치하는 분배 챔버(20)의 특성상 내용적 확대의 한계가 있으며, 각 전로 운용 방식을 고려하여 최대한 대형화한 분배 챔버(20) 형태를 선정하여 사용하고 있다.

종래 기술처럼 가스 취입에 의한 백어택 손상을 억제하기 위하여 가스 토출부(10A) 전체의 균일한 유량을 부여할 경우, 가스 토출부(10A) 최외곽 영역의 원활한 통기로 발생되는 냉각에 의해 낮은 온도를 형성하게 되고, 따라서 주변 바닥부 내화물과의 온도 차이가 크게 발생하게 된다.

그러나, 가스 토출부(10A) 최외곽을 기준으로 가상의 선으로 구분되는 가스 토출부(10A) 면적을 늘이고 분배 챔버(20)의 내부 부피를 줄이고, 인입관(30)의 단면적을 줄여 가스 토출부(10A) 중앙에 유량을 집중하게 유도할 경우 가스 토출부(10a)의 외곽측의 통기량이 줄어들어 냉각에 의한 온도는 종래 기술 대비 상승하게 된다. 따라서, 가스 토출부(10A)와 외곽 벽돌과의 온도 구배는 완화되어 열응력 감소로 발생되는 열충격 탈락 손상이 억제되게 된다.

한편, 상술한 가스 토출부 외곽부의 유량을 감소시키기 위한 3가지 인자인 가스 토출부(10A) 면적, 분배 챔버(20) 내부 부피, 인입관(30)의 단면적 중에 있어서 가스 토출부(10A)의 면적은 용강 교반력과 연계되는 주요 인자로 전로 취련 조업 조건을 고려하여 설계됨에 따라 그 면적을 줄이는 것에는 기술적 한계가 있다.

또한, 인입관(30)의 단면적을 변경할 경우 용강 교반을 위하여 투입되는 가스 유량을 충분히 확보하지 못함에 따라 전로 취련 공정의 악영향을 초래하게 된다.

따라서, 상기 두가지 인자는 전로 취련 조업에 따라 다르게 결정되어 있으며 변경에 제약이 있다.

본 발명에서는 전로 취련 조업에 영향을 받지 않고 가스 토출부의 유량의 최적 구배를 부여하기 위해 컴퓨터 유동해석을 실시하였으며, 이를 바탕으로 계산된 유량 균일 지수를 통하여 열응력 저감 설계 기술을 구현하도록 하였다.

본 발명에 따른 설계를 적용할 경우, 세관 다발의 중앙부에 집중되는 고유량에 의해 가스 토출부의 손상이 가속화될 가능성이 있으나, 사용 후 벽돌 및 실제 사용상의 레이저 잔존 측정기 분석 결과로 볼 때 오히려 손상이 덜 발생하게 되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 세관 다발에 열충격으로 인한 균열이나 백어택에 의한 손상이 발생되더라도 세관 다발의 앵커 역할로 인하여 실제 내화물의 탈락이 억제됨에 따라 작은 세관의 크기를 가지는 다중관 노즐에 있어서 고유량 집중에 의한 손상 영향은 크지 않다.

이러한 효과를 달성하기 위해 유동해석을 통한 실시예를 들어서 다음과 같이 설명한다.

저취 내화물의 구성 요소에서 가스 토출부의 내부와 외부의 유량을 제어하여 열응력을 감소시키기 위한 인자로 가스 토출부, 분배 챔버의 내부 형상, 인입관의 형태 등으로 구분하여 각각을 변경하여 해석을 진행하였다.

유동해석에 사용된 작동 유체는 아르곤(Ar) 가스이며, 인입관의 입구 유량을 5.5Nm³/min으로 설정하였으며, 출구 압력은 용강의 철정압을 계산하여 반영하였다.

중앙부와 외곽부의 유량 균일 지수로 환산하여 계산하였으며, 유량 균일 지수는 값이 작을수록 세관에서의 유량이 균일함을 알 수 있으며, 클수록 세관에서의유량이 불균일함을 나타낼 수 있다.

계산된 유량 균일 지수는 [표2]의 비교예1을 기준으로 지수화하여 서로 비교 평가하였으며, 변환된 지수가 높을수록 가스 토출부의 중앙에 유량이 집중되는 형태이다.

한편, 상기 유량 균일 지수와 유량 집중 지수의 상관관계를 확인하였으며, 복잡하고 장시간의 해석이 소모되는 유량 균일 지수가 아닌 유량 집중 지수를 이용하여 설계의 기준을 확립하였다. 따라서, 유량 집중 지수가 클수록 유량 균일 지수가 커지며, 중앙부의 유량이 집중되는 형태로 발명의 목적을 대변할 수 있다. 이때, 유량 집중 지수는 무차원 값이다.

유량 집중 지수는 하기 조건식1을 통해 계산될 수 있다.

조건식1: 유량 집중 지수 = A×10/(B×C×D)

여기서, 'A'는 가스 토출부 면적, 'B'는 분배 챔버 부피, 'C'는 분배 챔버 높이, 'D'는 인입관 단면적이다.

유량 집중 지수가 크면 가스 토출부의 중앙부 세관의 유량이 외곽부 세관 유량보다 더 커짐에 따라 불균일 유량을 유도하게 되며, 외곽부의 유량이 줄어 냉각 능력이 감소되어 외곽부에 위치한 주변 바닥부 내화물과의 온도 차이가 감소하게 된다. 따라서, 줄어든 열구배로 인하여 열응력을 감소시켜 열응력으로 발생되는 균열 손상을 획기적으로 억제할 수 있다.

본 발명에 따르면 유량 집중 지수는 0.08~1.21로 설계되는 것이 적합하다. 유량 집중 지수가 0.08 미만에서는 중앙부와 외곽부의 유량 차이가 충분히 발생되지 않아서 유량 집중이 이루어지지 않아 열응력 저감을 기대할 수 없다.

또한, 유량 집중 지수가 1.21을 초과할 경우 중앙부의 극심한 유량 집중 현상으로 인하여 제강 공정에서 용강이 비산되어 재산화 문제가 발생하였으며, 최소 유량 조업에서 저취 내화물의 외곽부의 세관이 충분한 유량을 확보하지 못하게 됨에 따라 용강이 역류되어 세관을 폐쇄시키며, 외곽부의 냉각이 충분하지 못하여 고열에 의한 파이프의 손상을 발생시켜 본 발명에서 목적으로 하는 중앙부와 외곽부의 온도 구배를 해소할 수 없다.

한편, 저취 내화물이 적용되는 전로의 1/5 축소 수모델 장치를 제작하여 발명으로 설계된 구조의 내화물의 교반 특성을 분석하여 설계에 반영하였다.

가스 토출부 중앙부의 유량 집중으로 인하여 용강의 강한 교반이 발생되어 용강이 대기중으로 비산되는 재산화 현상을 확인하기 위하여 상기 제작된 수모델 장치를 활용하여 용량류 비산 가능성을 검증하여 발명에 활용하였다.

[표1]의 실시예1~6에서는, 유량 균일 지수가 1.11 이상으로 [표2]의 비교예1에 비하여 유량의 불균일성이 발생되었으며, 이때의 유량 집중 지수는 0.08~1.21의 범위에 드는 것을 확인할 수 있다.

분배 챔버의 내용적을 극단적으로 축소함에 따라 가스 토출부의 유량 불균일성을 유도하여 발명의 목적을 달성할 수 있었으며, 수모델 테스트에서 교반 능력의 저하나 용강류 비산에 의한 재산화 문제도 발생되지 않았다.

또한, 가스 토출부 면적(A)/분배 챔버 높이(C)의 무차원 값은 38~90으로 설계되는 것이 바람직한데, 38 미만에서는 충분한 유량 구배가 발생되지 않으며, 90 초과에서는 과도한 유량 집중으로 인하여 발명의 효과를 달성할 수 없음에 따라 상기 범위를 규정하는 것이 필요하다.

본 발명의 일실시예에서, 가스 토출부의 세관 배열이 원형인 것으로 도시하였으나 발명의 목적을 달성함에 있어서 배열의 형태에 영향을 받지 않으며, 6각형 등 기타 다양한 형태에서도 효과적으로 유량 집중에 의한 열응력 저감을 기대할 수 있다.

가스 토출부의 각 세관의 이격 거리는 모두 균등한 분포일 필요는 없으나 대략적인 밀도를 유지하는 것이 바람직하며, 보다 상세히는 가상의 동심원 혹은 가상의 동심 다각형으로 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 세관은 가스 토출부에서 가상의 동심원 상에 배열되고, 동심원을 구성하는 최외측열의 세관의 수가 인접한 내측열의 세관의 수 보다 더 많은 형태가 바람직하다. 최외측열의 세관의 수가 인접한 내측열의 세관의 수 보다 작을 경우 외측열의 냉각능 저하에 의한 세관의 열적 손상으로 발명의 효과를 달성할 수 없다.

[표2]에서 비교예1~5는 모두 유량 집중 지수가 발명의 범위에 포함되지 않으며, 유량 균일 지수가 모두 안정적인 수준으로 가스 토출부 중앙과 외곽부의 유량 차이가 발생하지 않아 발명의 효과를 달성할 수 없다.

또한, 비교예6은 유량 집중 지수가 2.72로 극심한 중앙 집중 현상이 발생되며, 저취 수모델 테스트에서도 용강류 비산에 의한 재산화 문제가 발생됨에 따라 취련의 악영향을 초래할 뿐만 아니라 외곽부의 유량 부족에 의한 용강 역류 및 냉각능 저하에 의한 세관의 고온 손상 등을 야기하게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 저취 내화물 구조
10: 내화물 본체
10A: 가스 토출부
11: 세관
20: 분배 챔버
30: 인입관

Claims (4)

1. 복수의 세관을 포함하고, 상기 복수의 세관으로 구성되는 가스 토출부를 구비하는 내화물 본체;
   상기 내화물 본체 하부에 제공되며, 상기 복수의 세관에 가스를 분산시켜주는 분배 챔버; 및
   상기 분배 챔버에 가스를 공급하는 인입관;
   을 포함하고,
   상기 내화물 본체는 무차원 수인 유량 집중 지수가 0.08~1.21를 만족하는 것으로, 상기 유량 집중 지수는 하기 조건식1을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 저취 내화물 구조.
   조건식1: 유량 집중 지수 = A×10/(B×C×D)
   여기서, 'A'는 가스 토출부 면적(㎠), 'B'는 분배 챔버 부피(㎤), 'C'는 분배 챔버 높이(㎝), 'D'는 인입관 단면적(㎠)임.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 내화물 본체는 상기 가스 토출부 면적(A)을 상기 분배 챔버 높이(C)로 나눈 무차원 값이 38~90를 만족하는 것을 특징으로 하는 저취 내화물 구조.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가스 토출부는 상기 분배 챔버의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 저취 내화물 구조.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 세관은 상기 가스 토출부에서 가상의 동심원 혹은 동심 다각형 상에 배열되고, 상기 동심원 또는 동심 다각형을 구성하는 최외측열의 세관의 수가 인접한 내측열의 세관의 수 보다 많은 것을 특징으로 하는 저취 내화물 구조.
   

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