KR102211257B1

KR102211257B1 - 전기로용 조연 버너

Info

Publication number: KR102211257B1
Application number: KR1020197004583A
Authority: KR
Inventors: 고이치 츠츠미; 요시히로 미와; 스미토 오자와; 이쿠히로 스미; 겐이치 도모자와; 다카유키 이토
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 쥬가이로 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2021-02-02
Also published as: JP6580709B2; CN109563990B; WO2018021248A1; JPWO2018021248A1; KR20190027917A; US20190264914A1; US10935234B2; CN109563990A

Abstract

고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킴으로써, 철계 스크랩의 가열 효과를 높고 또한 균일하게 하는 것이 가능한 전기로용 조연 버너를 제공한다. 본 개시의 전기로용 조연 버너 (100) 는, 중심측으로부터 순서대로, 고체 연료 분사관 (1), 기체 연료 분사관 (2), 및 지연성 가스 분사관 (3) 이 동축에 배치된 구조를 갖고, 지연성 가스 분사관 (3) 의 유로 (30) 에는, 지연성 가스를 선회시키기 위한 복수장의 선회 날개 (4) 가 형성됨과 함께, 기체 연료 분사관 (2) 의 유로 (20) 에는, 기체 연료를 선회시키기 위한 복수장의 선회 날개 (5) 가 형성되고, 선회 날개 (4) 의 각도 θ₁ 과 선회 날개 (5) 의 각도 θ₂ 가 θ₁ < θ₂ 의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 한다.

Description

전기로용 조연 버너

본 발명은 철계 스크랩을 용해 (melt) 시켜 용철을 제조하는 전기로에 부설되는 조연 버너에 관한 것이다.

전기로를 사용하여 철계 스크랩을 용해시키는 경우, 전극 주변의 철계 스크랩은 빨리 용해되지만, 전극으로부터 떨어진 장소, 즉 콜드 스폿에 있는 철계 스크랩은 용해가 느려, 노 내의 철계 스크랩 용해 속도에 불균일이 생긴다. 이 때문에, 노 내 전체의 조업 시간은 콜드 스폿의 철계 스크랩의 용해 속도에 율속되어 있었다.

그래서, 이와 같은 철계 스크랩의 용해 속도의 불균일성을 해소하고, 노 내 전체의 철계 스크랩을 양호한 밸런스로 용해시키기 위하여, 콜드 스폿의 위치에 조연 버너를 설치하고, 이 조연 버너로 콜드 스폿에 위치하는 철계 스크랩의 예열, 절단, 용해를 실시하는 방법이 취해지게 되었다.

이와 같은 조연 버너로서 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 중심부로부터 불연물의 비산용 및 철계 스크랩의 커팅용 산소 가스를 분출하고, 이 산소 가스의 외주부로부터 연료를, 또한 이 연료의 외주부로부터 연소용 산소 가스를 분출하기 위해 삼중관 구조로 한 버너로서, 중심부로부터 분출하는 산소 가스의 속도를 고속으로 하기 위해, 중심부의 산소 가스 분출관의 선단에 조임부를 형성함과 함께, 최외주로부터 분출하는 연소용 산소 가스에 선회력을 부여하기 위해, 연료 분출관과 연소용 산소 가스 분출관으로 형성되는 환상 (環狀) 공간에 선회 날개를 설치한 전기로용 고속 순산소 조연 버너가 제안되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 조연 버너의 노즐 선단을 편심시켜, 버너를 회동 (回動) 시킴으로써 버너 화염의 지향성을 광범위하게 확대시키는 전기로용 버너 설비가 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 평10-9524호 일본 공개특허공보 2003-4382호

특허문헌 1, 2 에 기재된 기술을 사용함으로써, 조연 버너를 사용하여 철계 스크랩을 효율적으로 예열, 용해시킬 수 있다. 그러나, 특허문헌 1, 2 에서는, 연료의 대상이 고가인 기체 연료에 제한된다는 문제가 있다. 저렴한 연료로는, 석탄 등의 고체 연료를 들 수 있지만, 고체 연료는 일반적으로, 기체 연료보다 빨리 연소시키는 것은 곤란하고, 조건에 따라서는 실화되는 경우도 있어, 고체 연료의 조연 버너에의 이용은 곤란하였다. 또, 고체 연료의 입자경이 크면 버너의 화염 중에서 완전히 연소되지 않아, 열적으로 효율이 매우 나쁘다는 문제도 있다.

그래서 본 발명은, 고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킴으로써, 철계 스크랩의 가열 효과를 높고 또한 균일하게 하는 것이 가능한 전기로용 조연 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 석탄 등의 고체 연료를 사용할 수 있는 전기로용 조연 버너에 대해 검토를 거듭한 결과, 연료로서 기체 연료와 고체 연료를 사용하는 다중관 구조의 조연 버너에 있어서, 최외주로부터 분사하는 지연성 가스와 그 내측으로부터 분사하는 기체 연료에 특정한 조건으로 선회를 부여함으로써, 고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킬 수 있고, 이로써 스크랩 가열 효과가 향상되고, 또한 버너의 화염 온도가 균일화되는 것을 알아내었다.

또, 동일하게 연료로서 기체 연료와 고체 연료를 사용하는 다중관 구조의 조연 버너에 있어서, 지연성 가스 (최외주로부터 분사) 와 고체 연료 (최내주로부터 분사) 사이에서 분사하는 기체 연료에만 특정한 조건으로 선회를 부여하는 것에 의해서도, 고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킬 수 있고, 이로써 스크랩 가열 효과가 향상되고, 또한 버너의 화염 온도가 균일화되는 것을 알아내었다.

본 발명은 이와 같은 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 이하를 요지로 하는 것이다.

[1] 철계 스크랩을 용해시켜 용철을 제조하는 전기로에 부설되고, 연료로서 기체 연료와 고체 연료를 사용하는 전기로용 조연 버너로서,

상기 고체 연료가 통과하는 제 1 유로를 구획하고, 그 제 1 유로의 선단으로부터 상기 고체 연료를 분사하는 고체 연료 분사관과,

상기 고체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 고체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 상기 기체 연료가 통과하는 제 2 유로를 구획하고, 그 제 2 유로의 선단으로부터 상기 기체 연료를 분사하는 기체 연료 분사관과,

상기 기체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 기체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 지연성 가스가 통과하는 제 3 유로를 구획하고, 그 제 3 유로의 선단으로부터 상기 지연성 가스를 분사하는 지연성 가스 분사관과,

상기 제 3 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 1 날개와,

상기 제 2 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 2 날개를 갖고,

상기 복수장의 제 1 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₁ 과, 상기 복수장의 제 2 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₂ 가, θ₁ < θ₂ 의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 전기로용 조연 버너.

[2] 상기 각도 θ₁ 이 10°이상 50°이하이고, 상기 각도 θ₂ 가 20°이상 75°이하인, 상기 [1] 에 기재된 전기로용 조연 버너.

[3] θ₂ - θ₁ 이 15°이상 45°이하인, 상기 [1] 또는 [2] 에 기재된 전기로용 조연 버너.

[4] 각각의 상기 제 1 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₁ 로 하고, 상기 복수장의 제 1 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₁ 로 했을 때, Q₁/P₁ 이 1.0 이상 1.2 이하이고,

각각의 상기 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₂ 로 하고, 상기 복수장의 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₂ 로 했을 때, Q₂/P₂ 가 1.0 이상 1.2 이하인, 상기 [2] 또는 [3] 에 기재된 전기로용 조연 버너.

[5] 상기 각도 θ₁ 이 0°이고, 상기 각도 θ₂ 가 10°이상 70°이하인, 상기 [1] 에 기재된 전기로용 조연 버너.

[6] 상기 각도 θ₂ 가 45°이상 60°이하인, 상기 [5] 에 기재된 전기로용 조연 버너.

[7] 각각의 상기 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₂ 로 하고, 상기 복수장의 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₂ 로 했을 때, Q₂/P₂ 가 1.0 이상 1.2 이하인, 상기 [5] 또는 [6] 에 기재된 전기로용 조연 버너.

본 발명의 조연 버너에 의하면, 고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킴으로써, 철계 스크랩의 가열 효과를 높고 또한 균일하게 하는 것이 가능하다.

도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 전기로용 조연 버너 (100) 의 버너축선에 따른 단면도이다.
도 2 는, 도 1 의 II-II 선에 따른 단면도이다.
도 3 은, 도 1 의 조연 버너 (100) 에 있어서의 복수장의 선회 날개 (4) 의 일부를, 지연성 가스 분사관 (3) 을 그 둘레 방향에 전개한 상태로 나타내는 설명도이다.
도 4 는, 도 1 의 조연 버너 (100) 에 있어서의 복수장의 선회 날개 (5) 의 일부를, 기체 연료 분사관 (2) 을 그 둘레 방향에 전개한 상태로 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 전기로용 조연 버너 (200) 의 버너축선에 따른 단면도이다.
도 6 은, 도 5 의 VI-VI 선에 따른 단면도이다.
도 7 은, 도 5 의 조연 버너 (200) 에 있어서의 복수장의 선회 날개 (5) 의 일부를, 기체 연료 분사관 (2) 을 그 둘레 방향에 전개한 상태로 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 본 발명의 일 실시형태에 의한 조연 버너 (100, 200) 의 사용 상황의 일례를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 9 는, 본 발명의 일 실시형태에 의한 조연 버너에 대해, 전체 연료에서 차지하는 고체 연료의 비율을 바꾸었을 경우의 화염 길이의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10 (A) 는, 실시예에서 실시한 조연 버너의 연소 시험의 방법을 나타내는 설명도이고, (B) 는, 당해 연소 시험에서 사용한 철판에 대한 열전쌍의 설치 위치를 나타내는 도면이다.

(제 1 실시형태에 의한 전기로용 조연 버너)

이하, 도 1 ∼ 4 를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 전기로용 조연 버너 (100) 를 설명한다. 본 실시형태의 조연 버너 (100) 는, 철계 스크랩을 용해시켜 용철을 제조하는 전기로에 부설되는 것으로서, 연료로서 기체 연료와 고체 연료를 사용한다.

조연 버너 (100) 에 있어서, 연료 및 지연성 가스 공급용의 본체 부분은, 중심측으로부터 순서대로 고체 연료 분사관 (1), 기체 연료 분사관 (2), 및 지연성 가스 분사관 (3) 이 동축에 배치된 3 중관 구조로 되어 있다. 고체 연료 분사관 (1) 은, 고체 연료가 통과하는 고체 연료 유로 (10) (제 1 유로) 를 구획하고, 이 고체 연료 유로 (10) 의 선단이 원형의 고체 연료 토출구 (11) 이고, 여기서부터 고체 연료를 분사한다. 기체 연료 분사관 (2) 은, 고체 연료 분사관 (1) 의 주위에 배치되고, 고체 연료 분사관 (1) 의 외벽과의 사이에서 기체 연료가 통과하는 기체 연료 유로 (20) (제 2 유로) 를 구획하고, 이 기체 연료 유로 (20) 의 선단이 링상의 기체 연료 토출구 (21) 이고, 여기서부터 기체 연료를 분사한다. 지연성 가스 분사관 (3) 은, 기체 연료 분사관 (2) 의 주위에 배치되고, 기체 연료 분사관 (2) 의 외벽과의 사이에서 지연성 가스가 통과하는 지연성 가스 유로 (30) (제 3 유로) 를 구획하고, 이 지연성 가스 유로 (30) 의 선단이 링상의 지연성 가스 토출구 (31) 이고, 여기서부터 지연성 연료를 분사한다.

조연 버너 (100) 의 선단부에서는, 고체 연료 분사관 (1) 과 기체 연료 분사관 (2) 은, 모두 선단이 버너축선에 따른 동일한 위치에 있고, 최외주의 지연성 가스 분사관 (3) 만 선단이 10 ∼ 200 ㎜ 정도 돌출되어 있다. 각 분사관 (1, 2, 3) 의 내경은 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로, 고체 연료 분사관 (1) 의 내경은 10 ∼ 40 ㎜ 정도, 기체 연료 분사관 (2) 의 내경은 20 ∼ 60 ㎜ 정도, 지연성 가스 분사관 (3) 의 내경은 40 ∼ 100 ㎜ 정도로 한다. 각 분사관의 두께도 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로 2 ∼ 20 ㎜ 정도로 한다.

또, 버너 후단측에 있어서, 지연성 가스 분사관 (3) 의 버너 후단측에는, 지연성 가스 공급구 (32) 가 형성되고, 이것을 통하여 지연성 가스 유로 (30) 에 지연성 가스가 공급된다. 동일하게, 기체 연료 분사관 (2) 의 버너 후단측에는, 기체 연료 공급구 (22) 가 형성되고, 이것을 통하여 기체 연료 유로 (20) 에 기체 연료가 공급된다. 동일하게, 고체 연료 분사관 (1) 의 버너 후단측에는, 고체 연료 공급구 (12) 가 형성되고, 이것을 통하여 고체 연료 유로 (30) 에 고체 연료가 반송 기체와 함께 공급된다.

지연성 가스 공급구 (32) 에는, 지연성 가스 공급 기구 (도시 생략) 가 접속되고, 이것이 지연성 가스를 지연성 가스 공급구 (32) 에 공급한다. 기체 연료 공급구 (22) 에는, 기체 연료 공급 기구 (도시 생략) 가 접속되고, 이것이 기체 연료를 기체 연료 공급구 (22) 에 공급한다. 고체 연료 공급구 (12) 에는, 고체 연료 공급 기구 및 반송 기체 공급 기구 (모두 도시 생략) 가 접속되고, 이들이 고체 연료 및 반송 기체를 고체 연료 공급구 (12) 에 공급한다.

또, 도시되지 않지만, 지연성 가스 분사관 (3) 의 외측에는, 추가로 내측 관체와 외측 관체가 동축에 배치되고, 그것들 외측 관체와 내측 관체 사이와, 내측 관체와 지연성 가스 분사관 (3) 사이에, 서로 연통한 냉각 유체용 유로 (냉각 유체의 왕로 및 복로) 를 형성하고 있다.

본 실시형태의 조연 버너에 사용할 수 있는 연료로는, 이하의 것을 예시할 수 있다. 기체 연료로는, 예를 들어, LPG (액화 석유 가스), LNG (액화 천연 가스), 수소, 제철소 부생 가스 (C 가스, B 가스 등), 이들의 2 종 이상의 혼합 가스 등을 들 수 있고, 이들의 1 종 이상을 사용할 수 있다. 또, 고체 연료로는, 분말상 고체 연료, 예를 들어, 석탄 (미분탄), 플라스틱 (입상 또는 분상 (粉狀) 의 것. 폐플라스틱을 포함한다) 등을 들 수 있고, 이들의 1 종 이상을 사용할 수 있지만, 석탄 (미분탄) 이 특히 바람직하다. 또, 지연성 가스로는, 순산소 (공업용 산소), 산소 부화 공기, 공기 중 어느 것을 사용해도 되지만, 순산소를 사용하는 것이 바람직하다. 반송 기체로는, 예를 들어 질소를 사용할 수 있다.

[지연성 가스 분사관을 최외주로 하는 이유]

지연성 가스의 유량은, 공급 가스량 중에서 가장 많으므로, 다른 공급 가스 (기체 연료 및 반송 기체) 와 유속을 맞추기 위해서는, 지연성 가스 토출구 (31) 의 토출 면적을 기체 연료 토출구 (21) 나 고체 연료 토출구 (11) 보다 크게 할 필요가 있다. 그 관점에서, 지연성 가스 분사관 (3) 은 최외주로 하는 것이 최적이다. 이하, 지연성 가스로서 산소를, 기체 연료로서 LNG 를, 고체 연료로서 미분탄을 각각 사용하는 경우를 예로 설명한다.

먼저, 연소에 필요한 산소의 양은 하기 (1) 식에 의해 산출된다.

연소에 필요한 산소량 = 산소비 (계수) × [LNG 유량 × LNG 의 이론 산소량 + 미분탄 공급량 × 미분탄의 이론 산소량] … (1)

연소에 필요한 산소량에 대해, 이하의 조건으로 구체적으로 산출한다. 즉, 계산 조건으로서, LNG 의 발열량을 9700 kcal/N㎥ 으로 하고, 고체 연료인 미분탄의 발열량을 7500 kcal/㎏ 으로 한다. 또, 조연 버너의 총에너지의 90 ％ 를 고체 연료, 10 ％ 를 기체 연료로부터 공급하는 것으로 한다. 예를 들어, LNG 를 6.2 N㎥/h 로 공급하는 경우에는, 그 발열량은 60 Mcal/h 가 된다. 이 경우, 버너의 목표 총발열량인 600 Mcal/h 와의 차분인 540 Mcal/h 를 미분탄으로부터 공급할 필요가 있고, 그 공급량은 약 72 ㎏ /h 가 된다. 또, 이론 산소량은 연료 중의 탄소분이나 수소분 등에서 산출되고, LNG 의 이론 산소량은 2.25 N㎥/N㎥ 정도, 미분탄의 이론 산소량은 1.70 N㎥/㎏ 정도이다.

산소비는 1.0 ∼ 1.1 의 산소 과잉 조건이 일반적이고, 산소비를 1.1 로 했을 경우의 연소에 필요한 산소량은, 상기 (1) 식으로부터 150 N㎥/h (= 1.1 × [6.2 × 2.25 + 72 × 1.7]) 로 산출된다. 따라서, 순산소를 사용한 경우에는, LNG 연료의 약 25 배의 유량이 필요하다. 또, 미분탄의 반송 질소와 비교해도, 고기비 (固氣比) (단위 시간당의 고체의 공급 속도/단위 시간당의 반송 기체의 공급 속도) 가 12 인 경우의 질소 유량은 5. 8 N㎥/h 정도이고, 약 26 배의 유량이 필요하다. 따라서, 산소의 토출 속도를 연료 가스나 미분탄의 토출 속도와 동일하게 하기 위해서는, 지연성 가스 토출구 (31) 는, 기체 연료 토출구 (21) 나 고체 연료 토출구 (11) 의 20 배 이상의 토출 면적 (직경 방향 단면적) 이 필요하다. 이 때문에, 버너의 레이아웃상, 지연성 가스 토출구 (31) 를 버너의 최외주부에 배치하는 것이 합리적이다. 또, 지연성 가스로서 순산소가 아니라, 공기를 사용하는 경우에는 추가로 5 배의 유량이 필요하다. 이 경우도 동일한 이유에서, 지연성 가스 토출구 (31) 를 버너의 최외주부에 배치하는 것이 합리적이다.

[선회 날개]

지연성 가스 유로 (30) 에는, 그 둘레 방향에 소정 간격으로, 지연성 가스를 선회 (버너 둘레 방향에서의 선회. 이하 동일) 시키기 위한 복수장의 선회 날개 (4) (제 1 날개) 가 형성된다. 또, 기체 연료 유로 (20) 에도, 그 둘레 방향에 소정 간격으로, 기체 연료를 선회시키기 위한 복수장의 선회 날개 (5) (제 2 날개) 가 형성된다. 이와 같이 특정한 조건으로 형성된 선회 날개 (4, 5) 에 의해 지연성 가스와 기체 연료에 선회를 부여함으로써, 고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킬 수 있고, 이로써 스크랩 가열 효과가 향상되고, 또한 버너의 화염 온도가 균일화된다. 그 결과, 전기로 내의 스크랩을 효율적으로 가열 또는 용해시킬 수 있다.

연소에 필요한 요소로서, 가연성 물질, 산소, 온도 (화원 (火源)) 의 3 요소를 들 수 있다. 또, 가연성 물질의 상태에 관해, 연소의 용이함은 기체, 액체, 고체의 차례이다. 이것은, 가연성 물질이 기체 상태이면, 가연성 물질과 산소의 혼합이 용이하여, 연소의 계속 (연쇄 반응) 이 실시되기 때문이다.

조연 버너를 사용하여 가연성 물질로서 기체 연료를 연소시켰을 경우, 산소 농도나 기체 연료의 유속이나 버너 칩 형상에 의존하지만, 일반적으로 기체 연료는 버너 선단으로부터 분사된 직후에 즉석에서 연소된다. 이에 대해, 가연성 물질로서 석탄으로 대표되는 고체 연료를 사용하는 경우, 기체 연료와 같이 빨리 연소시키는 것은 곤란하다. 이것은, 석탄의 착화 온도가 400 ∼ 600 ℃ 정도이고, 이 착화 온도를 유지하는 것과, 착화 온도까지의 승온 시간이 필요한 것에서 기인한다.

고체 연료가 착화 온도에 도달할 때까지의 승온 시간은, 고체 연료의 입경 (비표면적) 에 의존하여, 입자를 미세하게 하면, 착화 시간을 짧게 할 수 있다. 이것은, 연소 반응이, 착화 온도의 유지와, 가연성 물질과 산소의 반응에 의해 진행되기 때문이다. 연소 반응을 효율적으로 진행시키기 위해서는, 석탄의 효율적인 가열과, 석탄과 산소의 반응을 순차 발생시키는 것이 중요하다.

본 실시형태의 조연 버너는, 상기와 같은 석탄의 효율적인 가열과, 가연성 물질과 산소의 반응을, 가스의 선회를 이용하여 향상시키는 것이다.

이하, 조연 버너의 기체 연료로서 LNG (액화 천연 가스), 고체 연료로서 석탄 (미분탄), 지연성 가스로서 순산소를 사용하는 경우를 예로서 설명한다. 또한, 연료의 착화 온도는, 일반적으로는 고체 연료 > 액체 연료 > 기체 연료이다.

조연 버너의 연료로서 LNG 와 석탄을 사용한 경우, LNG 와 순산소의 연소에 의해 석탄의 착화 온도 이상의 연소장 (燃燒場) 이 만들어지고, 이 연소장에 석탄이 보내짐으로써 석탄이 착화 온도까지 온도 상승하여, 석탄의 연소 (기화 → 착화) 가 일어난다. 석탄의 온도 상승에 필요한 열량이 소비되기 때문에 화염 온도는 저하되지만, 석탄의 착화가 일어나는 영역에서는 온도가 상승한다.

연료인 LNG 나 석탄과 산소의 반응에 의해, 불연성 기체인 이산화탄소가 발생한다. 불연성 기체는 연소의 계속 (연쇄 반응) 을 저해하여, 연소성을 저하시키는 원인이 된다. 또, 석탄은 반송 기체와 함께 공급되지만, 반송 기체의 유량이 많으면 반송 기체의 비열분의 온도 저하가 되므로, 일반적으로, 고기비를 크게 하는 편이 연소성은 향상된다. 그러나, 고기비가 큰 상태란, 석탄이 조밀한 상태이고, 외부로부터의 열이나 산소와의 반응이 중심부에 잘 전해지지 않는 조건이다. 석탄을 효율적으로 연소시키기 위해서는, 석탄의 연소장에 있어서, 석탄의 주위에 열이나 산소가 충분히 존재하는 조건을 만들어내는 것이 중요하다.

그리고, 본 발명자들에 의한 검토의 결과, 산소 (지연성 가스) 와 LNG (기체 연료) 에 특정한 조건으로 선회를 부여함으로써, 석탄 및 LNG 와 산소를 효율적으로 혼합시키면서 균일하게 연소시킬 수 있어, 높은 연소성이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 즉, LNG 및 석탄과 산소의 반응이 신속하게 실시되고, 이 반응열에 의해 석탄이 효율적으로 가열되고, 또한 반응에 의해 발생하는 이산화탄소도 산소의 선회에 의해 확산된다. 이 때문에, 연소성이 향상되는 것을 알 수 있었다.

즉, 본 실시형태에서는, 지연성 가스 유로 (30) 에 형성되는 복수장의 선회 날개 (4) 의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₁ (도 3) 과, 기체 연료 유로 (20) 에 형성되는 복수장의 선회 날개 (5) 의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₂ (도 4) 가,θ₁ < θ₂ 의 관계를 만족시키는 것이 중요하다. 이 이유는 이하와 같다. 즉, 지연성 가스와 기체 연료에 선회를 부여함으로써, 고체 연료 및 기체 연료와 지연성 가스의 혼합을 촉진시키기 위해서는, 일반적으로는 선회 각도 (선회 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ) 를 크게 하는 것이 유효하다. 그러나, 본 실시형태의 조연 버너에서는, 지연성 가스는 최외주부로부터 분출하고 있고, 선회 각도가 지나치게 크면 반대로 지나치게 확산되어 버린다. 한편, 기체 연료는, 지연성 가스보다 내측으로부터 분출하고 있기 때문에, 지연성 가스보다 선회 각도를 크게 해도, 그 외주부에 지연성 가스류가 있기 때문에 주변에 확산되는 일이 없고, 오히려 선회 각도를 크게 함으로써 혼합이 촉진된다. 요컨대, 노즐 기하학적인 구성상에서, 지연성 가스의 내측으로부터 분출시키는 기체 연료의 선회 각도를 크게 하는 것이 중요하다.

각도 θ₁ 과 각도 θ₂ 는, 상기와 같이 θ₁ < θ₂ 의 관계를 만족시키면 되지만, 상기 서술한 작용을 보다 확실하게 얻는다는 관점에서는, θ₂ - θ₁ 이 15°이상 45°이하인 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 효과를 보다 확실하게 얻는다는 관점에서는, 지연성 가스 유로 (30) 에 형성되는 선회 날개 (4) 의 각도 θ₁ 은 10°이상 50°이하로 하는 것이 바람직하고, 기체 연료 유로 (20) 에 형성되는 선회 날개 (5) 의 각도 θ₂ 는 20°이상 75°이하로 하는 것이 바람직하다.

선회 날개 (4) 의 각도 θ₁ 이 10°미만에서는, 지연성 가스에 충분한 선회를 부여할 수 없을 우려가 있다. 한편, 선회 날개 (4) 의 각도 θ₁ 이 50°를 초과하면, 지연성 가스가 외측에 지나치게 확산되어, 연소장에 있어서 석탄의 주위에 열이나 산소가 충분히 존재하는 조건을 만들어낼 수 없게 될 우려가 있다. 이상과 같은 관점에서, 보다 바람직한 선회 날개 (4) 의 각도 θ₁ 은 20°이상 45°이하이다.

또, 선회 날개 (5) 의 각도 θ₂ 가 20°미만에서는, 기체 연료에 충분한 선회를 부여할 수 없을 우려가 있다. 한편, 선회 날개 (5) 의 각도 θ₂ 가 75°를 초과하면 지연성 가스와의 혼합이 불충분해지기 쉽고, 정체 영역이 생겨 연소가 불충분해질 우려가 있다. 이상과 같은 관점에서, 보다 바람직한 선회 날개 (5) 의 각도 θ₂ 는 45°이상 65°이하이다.

선회 날개 (4, 5) 의 장수나 선회 날개 (4, 5) 의 두께 등에 대해서는, 특별히 제한은 없지만, 가스 (지연성 가스, 기체 연료) 에 충분한 선회를 부여하는 한편, 가스의 흐름을 저해하지 않고, 또한 날개가 변형되지 않게 하기 위해, 선회 날개 (4, 5) 의 장수는 각각 8 장 이상 16 장 이하, 날개의 두께는 1 ∼ 10 ㎜ 정도가 적당하다.

또, 버너축 방향에서의 선회 날개 (4, 5) 의 설치 위치는, 가스 유로 (지연성 가스 유로 (30), 기체 연료 유로 (20)) 내이면 특별히 제한은 없지만, 가스 유로의 선단 (지연성 가스 토출구 (31), 기체 연료 토출구 (21)) 으로부터 지나치게 멀어지면, 선회 날개 (4, 5) 를 통과한 가스끼리가 혼합되기 전에 목표로 하는 선회 각도를 유지할 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 선회 날개 (4, 5) 의 설치 위치가 가스 유로의 선단 (지연성 가스 토출구 (31), 기체 연료 토출구 (21)) 에 지나치게 가까우면, 선회 각도를 유지하기 위한 조주 (助走) 시간이 짧기 때문에, 목적대로의 선회 각도를 유지한 선회류 (지연성 가스류, 기체 연료류) 가 잘 생기지 않게 된다. 이 때문에, 도 3 에 나타내는 선회 날개 (4) 의 지연성 가스 토출구 (31) 측의 선단과, 지연성 가스 토출구 (31) 의 버너축 방향에서의 거리 L_B1, 및 도 4 에 나타내는 선회 날개 (5) 의 기체 연료 토출구 (21) 측의 선단과, 기체 연료 토출구 (21) 의 버너축 방향에서의 거리 L_B2 는, 각각 10 ∼ 50 ㎜ 정도로 하는 것이 바람직하다.

또, 도 3 에 나타내는 버너축 방향에서의 선회 날개 (4) 의 길이 L_A1, 및 도 4 에 나타내는 버너축 방향에서의 선회 날개 (5) 의 길이 L_A2 는, 안정적인 선회류가 얻어지도록 하기 위해, 각각 20 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 또, 당해 길이 L_A1 및 L_A2 는, 날개의 제조 비용의 관점에서 각각 100 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.

또, 도 3 에 나타내는 각각의 선회 날개 (4) 의 지연성 가스 유로 (30) 의 둘레 방향에 있어서의 길이 (둘레 길이) 를 Q₁ 로 하고, 선회 날개 (4) 의 지연성 가스 유로 (30) 의 둘레 방향에서의 간격을 P₁ 로 했을 때, Q₁/P₁ (랩률) 을 1.0 이상 1.2 이하로 하는 것이 바람직하다. 동일하게, 도 4 에 나타내는 각각의 선회 날개 (5) 의 기체 연료 유로 (20) 의 둘레 방향에 있어서의 길이 (둘레 길이) 를 Q₂ 로 하고, 선회 날개 (5) 의 기체 연료 유로 (20) 의 둘레 방향에서의 간격을 P₂ 로 했을 때, Q₂/P₂ (랩률) 를 1.0 이상 1.2 이하로 하는 것이 바람직하다. Q₁/P₁ 또는 Q₂/P₂ 가 1.0 미만에서는, 가스 흐름에 선회를 잘 부여할 수 없게 되는 결과, 화염 온도의 균일화가 곤란해진다. 한편, Q₁/P₁ 또는 Q₂/P₂ 가 1.2 를 초과하면, 가스가 흐를 때의 저항이 커지기 때문에, 가스의 흐름에 대해 압력 손실이 커져, 잘 흐르지 않게 되는 결과, 역시 화염 온도의 균일화가 곤란해진다. 또한, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 모든 선회 날개 (4) 는, 거리 L_B1, 버너축 방향에서의 길이 L_A1, 및 둘레 길이 Q₁ 이 동일하고, 간격 P₁ 도 등간격인 것이 바람직하다. 또, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 모든 선회 날개 (5) 는, 거리 L_B2, 버너축 방향에서의 길이 L_A2, 및 둘레 길이 Q₂ 가 동일하고, 간격 P₂ 도 등간격인 것이 바람직하다.

또, 선회 날개 (4) 에 의한 선회 방향과 선회 날개 (5) 에 의한 선회 방향은, 동일한 방향으로 하는 편이 바람직하지만, 상이한 방향이어도 된다.

선회 날개 (4, 5) 는, 그 자체를 관체 (분사관) 에 장착하는 방식으로 해도 되고, 관체와 일체 구조가 되는 기계 가공을 실시한 것이어도 된다.

(제 2 실시형태에 의한 전기로용 조연 버너)

이하, 도 1 ∼ 7 을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 전기로용 조연 버너 (200) 를 설명한다. 본 실시형태의 조연 버너 (200) 는, 선회 날개의 구성을 제외하고 제 1 실시형태에 의한 조연 버너 (100) 와 동일한 구성을 갖는다. 이 때문에, 이하에서는 선회 날개의 구성을 중심으로 설명하고, 그 이외에 대해서는 제 1 실시형태의 기재를 원용한다.

[선회 날개]

본 실시형태에서는, 기체 연료 유로 (20) 에만, 그 둘레 방향에 소정 간격으로, 기체 연료를 선회시키기 위한 복수장의 선회 날개 (5) 가 형성된다. 한편, 지연성 가스 유로 (30) 에는 선회 날개를 형성하지 않는다. 단, 지연성 가스 유로 (30) 에는, 지연성 가스의 선회 목적이 아니라, 기체 연료 분사관 (2) 과 지연성 가스 분사관 (3) 을 동심상으로 유지할 목적으로, 제 1 실시형태에 있어서의 각도 θ₁ 이 0°가 되는 제 1 날개 (도 5 에서는 도시 생략) 가 형성되어 있다.

이와 같이 특정한 조건으로 형성된 선회 날개 (5) 에 의해 기체 연료에 선회를 부여함으로써, 기체 연료와 고체 연료와 지연성 가스의 혼합 촉진 작용이 얻어지고, 고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킬 수 있고, 이로써 스크랩 가열 효과가 향상되고, 또한 버너의 화염 온도가 균일화된다. 그 결과, 전기로 내의 스크랩을 효율적으로 가열 또는 용해시킬 수 있다.

본 실시형태에서는, 지연성 가스는 선회하지 않고 직진한다. 이 때문에, 기체 연료에 비교적 큰 선회 각도로 선회를 부여해도, 직진하는 지연성 가스의 흐름이 일종의 벽과 같은 역할을 한다. 이 때문에, 지연성 가스가 외측 방향을 향하여 확산되는 일이 없고, 연소성이 저하되지 않는다. 또한 지연성 가스를 선회시키지 않고 기체 연료만을 선회시킴으로써, 지연성 가스의 직진성을 확보하면서 혼합을 촉진시킬 수 있기 때문에, 버너 화염의 직진을 높일 수 있다. 즉, 후술하는 도 9 에서 설명하는 버너 화염 길이를 길게 할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태의 조연 버너 (200) 는, 버너 화염의 직진성을 늘릴 필요가 있는 경우에 특히 유용하다고 할 수 있다.

본 발명자들에 의한 검토의 결과, 본 실시형태에서는, 기체 연료에 특정한 조건으로 선회를 부여함으로써, 석탄 및 LNG 와 산소를 효율적으로 혼합시키면서 균일하게 연소시킬 수 있어, 높은 연소성이 얻어지는 것을 알 수 있었다. 즉, LNG 및 석탄과 산소의 반응이 신속하게 실시되고, 이 반응열에 의해 석탄이 효율적으로 가열되고, 또한 반응에 의해 발생하는 이산화탄소도 기체 연료의 선회에 의해 확산된다. 이 때문에, 연소성이 향상되는 것을 알 수 있었다.

즉, 본 실시형태에서는, 선회 날개 (5) 의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₂ (도 7) 를 10°이상 70°이하로 할 필요가 있다. 이 선회 날개 (5) 의 각도 θ₂ 가 10°미만에서는, 기체 연료에 충분한 선회를 부여할 수 없어, 앞서 서술한 바와 같은 본 발명이 목적으로 하는 작용 효과 (혼합 촉진 작용) 가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, 선회 날개 (5) 의 각도 θ₂ 가 70°를 초과해도 혼합 촉진 작용은 얻어지지만, 버너 화염의 직진성이 줄어들어, 버너 화염 길이가 짧아져 버린다. 이상과 같은 관점에서, 각도 θ₂ 는 10°이상 70°이하이지만, 보다 바람직하게는 45°이상 60°이하이다.

또한, 선회 날개 (5) 의 장수나 두께, 선회 날개 (5) 의 기체 연료 토출구 (21) 측의 선단과 기체 연료 토출구 (21) 의 버너축 방향에서의 거리 L_B2, 버너축 방향에서의 선회 날개 (5) 의 길이 L_A2, 도 7 에 나타내는 Q₂/P₂ (랩률) 등의 점에 대한 바람직한 조건, 지연성 가스 분사관 (2) 을 최외주로 하는 이유 등은, 앞서 서술한 제 1 실시형태와 동일하다.

이상 설명한 본 발명의 제 1 및 제 2 실시형태의 조연 버너 (100, 200) 에 의하면, 고체 연료를 기체 연료와 함께 적절하고 또한 효율적으로 연소시킴으로써, 스크랩 가열 효과가 향상되고, 또한 버너의 화염 온도가 균일화된다. 이 때문에, 석탄 등의 저렴한 고체 연료를 사용하여, 철계 스크랩을 효율적으로 가열 또는 용해시킬 수 있다. 또한 본 실시형태의 조연 버너 (100, 200) 에서는, 이하의 부가적인 효과를 발휘한다. 즉, 본 실시형태에서는, 전체 연료에서 차지하는 고체 연료의 비율 (발열량 환산, 이하 간단히 「고체 연료 비율」 이라고 한다) 을 바꿈으로써, 가열 또는 용해시키고자 하는 스크랩과의 거리에 따라 화염 길이를 임의로 조정할 수 있다. 또, 일반적으로, 조연 버너는 가스 유속이 비교적 작기 때문에, 비산해오는 용철이나 용융 슬래그의 스플래시에 의해 가스 토출구가 막혀 버리는 일이 있지만, 본 실시형태에서는, 고체 연료의 반송 가스에 의해 스플래시가 퍼지되기 때문에, 스플래시에 의한 가스 토출구의 막힘이 잘 발생하지 않는다.

도 8 은, 본 실시형태의 조연 버너 (100, 200) 의 사용 상황의 일례 (전기로의 반경 방향에서의 종단면) 를 모식적으로 나타내는 것이고, 7 은 노체, 8 은 전극, 100, 200 은 조연 버너, x 는 스크랩이다. 조연 버너 (100, 200) 는, 적당한 복각을 가지고 설치된다. 조연 버너 (100, 200) 는, 전기로 내의 이른바 콜드 스폿에 있는 스크랩을 가열 또는 용해시킬 수 있도록, 통상, 복수기 설치된다.

여기서, 조연 버너에 사용하는 연료의 착화 온도에 의해, 화염 길이에 차이가 생긴다. 고체 연료와 기체 연료는 착화 온도가 상이하므로, 고체 연료 비율을 바꿈으로써, 조연 버너의 화염 길이 (요컨대, 버너로부터 어느 거리만큼 떨어진 위치에서의 화염 온도) 를 임의로 조정할 수 있다.

앞서 서술한 바와 같이, 본 실시형태의 조연 버너에서는, 기체 연료와 지연성 가스의 연소에 의해 고체 연료의 착화 온도 이상의 연소장이 만들어지고, 이 연소장에 고체 연료가 보내짐으로써 고체 연료가 착화 온도까지 온도 상승하여, 고체 연료의 연소 (기화 → 착화) 가 일어난다. 고체 연료의 온도 상승에 필요한 열량이 소비되기 때문에 화염 온도는 저하되지만, 고체 연료의 착화가 일어나는 영역에서는 온도가 상승한다. 따라서, 본 실시형태의 조연 버너로 생기는 화염은, 고체 연료 비율이 낮을 때에는 버너 선단으로부터 가까운 위치가 고온이 되지만 (즉 짧은 화염이 된다), 고체 연료 비율을 높게 하면, 고체 연료의 흡열 후의 발열에 의해, 버너 선단으로부터 먼 위치에서도 고온이 된다 (즉 긴 화염이 된다). 따라서, 고체 연료 비율을 바꿈으로써, 화염 길이 (요컨대, 버너로부터 어느 거리만큼 떨어진 위치에서의 화염 온도) 를 제어할 수 있다.

도 9 는, 본 실시형태의 조연 버너에 대해, 고체 연료 비율을 바꾸었을 경우의 화염 길이의 변화를 모식적으로 나타낸 것이다. 동 도면에 있어서, 실선은 버너축 방향에 있어서 버너 선단으로부터 0.2 m 떨어진 위치에서의 화염 온도이고, 파선은 동일하게 버너 선단으로부터 0.4 m 떨어진 위치에서의 화염 온도이고, 가로축은 기체 연료 + 고체 연료 중에서의 고체 연료의 비율이다. 도 9 에 의하면, 고체 연료 비율이 낮은 조건에서는, 버너 근방인 0.2 m 위치에서의 화염 온도는 고온이지만, 0.4 m 위치에서는 급격한 온도 저하가 생기고 있다. 즉, 화염 길이가 짧다. 한편, 고체 연료 비율이 높은 조건에서는, 버너 근방인 0.2 m 위치에서의 화염 온도는, 기체 연료 100 ％ 의 경우와 비교하여 저온이지만, 0.4 m 위치에서도 거의 온도 저하가 생기지 않았다. 즉, 화염 길이가 길다. 이것은, 버너 근방에서는 기체 연료가 우선적으로 연소되고, 그 화염 내에서 고온화된 고체 연료가 0.4 m 위치에서 연소되어, 온도가 유지되기 때문이다.

전기로의 조업에서는, 스크랩의 장입 (裝入), 추장 (追裝) 이나 용해에 의해 조연 버너와 스크랩의 거리가 변화한다. 일반적으로, 조연 버너와 스크랩의 거리는, 조업 개시시나 추장 후의 초기 단계에서는 작고, 스크랩의 용해의 진행과 함께 커진다. 이것은, 최초로 조연 버너에 가까운 스크랩으로부터 순서대로 용해되기 때문에, 스크랩의 용해의 진행과 함께, 미용해의 스크랩과 조연 버너의 거리가 커져 가기 때문이다. 본 실시형태의 조연 버너는, 가열 또는 용해시키고자 하는 스크랩과의 거리에 따라 고체 연료 비율을 바꿈으로써 화염 길이를 조정 (변경) 하여, 스크랩과 조연 버너의 거리에 상관없이, 화염이 스크랩에 도달하도록 할 수 있다. 즉, 조연 버너와 스크랩의 거리가 작을 때에는, 고체 연료 비율을 낮게 하여 화염 길이를 짧게 하고, 조연 버너와 스크랩의 거리가 클 때에는, 고체 연료 비율을 높여 화염 길이를 길게 한다. 이로써, 스크랩을 효율적으로 가열 또는 용해시킬 수 있다.

구체적으로는, 전기로의 일반적인 조업 (1 차지의 조업) 에서는, 2 ∼ 3 회 정도의 스크랩의 장입이 실시된다. 전기로의 조업은, 첫회 스크랩을 장입한 후에, 통전 개시나 조연 버너 사용 개시에 의해 시작한다. 조업 개시시의 상태는, 전 조업의 용철을 일부 잔류시켜 하부에 용탕이 존재하는 경우와, 전 조업의 용철 전체량을 출탕 (出湯) 시켜 노 내가 빈 경우가 있지만, 조업 방법에 큰 차이는 없다. 스크랩 장입 후의 초기 단계는, 부피 밀도가 높고 전기로 내의 전체에 스크랩이 충전되어 있는 상황이다. 따라서, 조연 버너 선단부와 스크랩의 거리는 가까운 상태에 있다. 스크랩 장입 후의 초기 단계에 있어서의 조연 버너 선단부와 스크랩의 거리는 대략 0.5 m 정도이다. 이것은, 조연 버너 선단부와 스크랩의 거리가 지나치게 가까우면, 스크랩이 용해되었을 때에 발생하는 스플래시가 조연 버너에 용착되어 버리기 때문이다. 또, 조연 버너 선단부 높이의 위치는, 노의 특성에 따라 다르기도 하지만, 스크랩 녹아내림 후의 탕면 (湯面) 높이로부터 1 m 이상 상방인 것이 일반적이다.

조업이 진행되면, 용철과 접하고 있는 하부나, 전극 근방이나, 조연 버너 근방의 스크랩으로부터 용해가 진행되어 간다. 조연 버너 근방의 스크랩은, 스크랩 장입 후의 초기 단계에서는 용해와 함께 상부에 있는 스크랩이 낙하하기 때문에, 항상 0.5 m 정도의 거리가 있지만, 상부의 스크랩이 없어지면 스크랩과의 거리가 멀어진다. 스크랩과의 거리가 멀어지면, 조연 버너의 열을 스크랩에 대해 효율적으로 공급할 수 없으므로, 종래에는, 조연 버너를 정지시키는 조업을 실시하는 경우도 있었다. 이에 대해 본 실시형태의 조연 버너를 사용한 조업에서는, 스크랩이 가까울 때에는 고체 연료 비율을 낮게 하여 짧은 화염으로 스크랩을 용해시키고, 용해가 진행되어 스크랩의 거리가 멀어졌을 때에 고체 연료 비율을 높게 함으로써, 긴 화염으로 스크랩을 용해시킨다. 이로써, 보다 많은 스크랩을 효율적으로 용해시킬 수 있고, 조업 시간의 단축 및 전력원 단위의 삭감을 도모할 수 있다. 2 ∼ 3 회 정도의 스크랩의 장입에 의해 조연 버너와 스크랩의 거리가 변화하므로, 고체 연료 비율을 그때마다 적정하게 변화시킴으로써, 스크랩을 효율적으로 용해시킬 수 있다.

상기 조업의 경우, 조연 버너와 스크랩의 거리를 파악할 필요가 있지만, 예를 들어, 조연 버너에 레이저 거리계를 설치하고, 이 레이저 거리계에 의해 스크랩까지의 거리를 측정할 수 있다. 또, 배재구 (排滓口) 등의 창을 통해서 노 내의 상황을 감시 카메라로 관찰할 수 있고, 전기로의 구조에 따라서는, 이 감시 카메라에 의한 노 내의 관찰에 의해 스크랩까지의 거리를 파악할 수 있다. 또, 조업 데이터로부터 거리의 파악에 유용한 정보가 얻어지는 경우도 있다.

실시예

[실시예 1]

도 1 ∼ 도 4 에 나타내는 구조의 조연 버너를 사용하여 철판을 가열하여, 철판의 온도 측정을 실시하였다. 버너의 연소 조건을 표 1 에 나타낸다.

연료에는 LNG (기체 연료) 와 미분탄 (고체 연료) 을 사용하고, 지연성 가스에는 순산소를 사용하였다. 중심의 고체 연료 분사관으로부터 질소를 반송 기체로 하여 미분탄을 분사함과 함께, 그 외측의 기체 연료 분사관으로부터 LNG 를, 그 외측 (최외주) 의 지연성 가스 분사관으로부터 순산소를, 각각 분사하였다. 미분탄의 사양은 표 2 에 나타낸다.

각 수준에 있어서의 지연성 가스 분사관 내의 선회 날개의 각도 θ₁, 기체 연료 분사관 내의 선회 날개의 각도 θ₂, Q₁/P₁ 의 값, 및 Q₂/P₂ 의 값을 표 3 에 나타냈다. 또한, 각도 0°의 선회 날개란, 지연성 가스나 기체 연료의 선회 목적이 아니라, 기체 연료 분사관 (2) 과 지연성 가스 분사관 (3), 고체 연료 분사관 (1) 과 기체 연료 분사관 (2) 을, 각각 동심상으로 유지하는 부재로서 형성되는 것이다. 또한, 전체 수준에 있어서, 선회 날개의 장수는 8 장, L_B1 및 L_B2 는 40 ㎜, P₁ 및 P₂ 는 30 ㎜ 로 하였다.

도 10 에, 조연 버너를 사용한 연소 시험의 개략을 나타낸다. 도 10 의 (A) 는 연소 시험의 방법을, 도 10 의 (B) 는 당해 연소 시험에서 철판에 대한 열전쌍의 설치 위치를, 각각 나타내고 있다.

온도 측정에 사용한 철판의 치수는 세로 500 ㎜, 가로 500 ㎜, 두께 4 ㎜ 이고, SS400 을 사용하였다. 철판의 온도를 측정하기 위해, 버너 화염의 조사면의 반대측에 K 형 열전쌍을, 판 중앙에 1 지점, 중앙에서 좌우 100 ㎜ 의 위치에 각 1 지점, 중앙에서 좌우 200 ㎜ 의 위치에 각 1 지점의 합계 5 지점 설치하였다. 또한 K 형 열전쌍을 설치한 철판면측에, 두께 25 ㎜ 의 단열재 (내화보드) 를 설치하였다. 이 단열재 부착 철판을, 조연 버너와 대향하는 전면에 버너 화염 도입용의 개구를 형성한 노 (노 내 온도 : 실온) 내에 배치하였다. 버너 선단으로부터 철판까지의 거리는, 전기로 조업을 상정하여 1.0 m 로 하였다.

버너 점화를 실험 개시로 하고, 철판에 설치한 열전쌍의 출력을 데이터 로거에 도입하고, 300 ℃ 에서 1000 ℃ 까지의 철판의 승온 속도를 측정하고, 철판폭 방향에 있어서의 열전쌍 5 점의 승온 속도의 평균값, 최대값, 최소값을 구하였다. 또, 승온 속도의 [최대값] - [평균값], 및 [평균값] - [최소값] 을 구하였다. 그들의 결과를 표 3 에 나타낸다.

철판의 승온 속도에 기초하여, 이하의 판정 기준으로 종합 평가를 실시하고, 「○」 , 「△」 를 합격, 「×」 를 불합격으로 하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다. 또한, 철판의 승온 속도의 철판폭 방향에 있어서의 평균값이 200 ℃／분 미만인 것은, 기본적으로 버너로서의 성능을 만족시키지 않는다고 생각된다.

○ : 승온 속도의 평균값이 200 ℃／분 이상, 또한 승온 속도의 [최대값] - [최소값] 이 100 ℃／분 이하

△ : 승온 속도의 평균값이 200 ℃／분 이상, 또한 승온 속도의 [최대값] - [평균값] 과 [평균값] - [최소값] 이 모두 100 ℃／분 이하, 또한 승온 속도의 [최대값] - [최소값] 이 100 ℃／분 초과 200 ℃／분 이하

× : 다음의 (1) ∼ (4) 의 조건 중 하나 이상을 만족시키지 않는다. (1) 승온 속도의 평균값이 200 ℃／분 이상, (2) 승온 속도의 [최대값] - [평균값] 이 100 ℃／분 이하, (3) 승온 속도의 [평균값] - [최소값] 이 100 ℃／분 이하, (4) 승온 속도의 [최대값] - [최소값] 이 200 ℃／분 이하

표 3 으로부터 분명한 바와 같이, 각도 θ₁ 및 θ₂ 가 0°인 No.1 에서는, 승온 속도의 평균값이 187 ℃／분 (최대값 228 ℃／분, 최소값 152 ℃／분) 으로 낮아, 가열 능력에 문제가 있다.

No.5, 7, 8 은, θ₁ > θ₂ 이고, 본 발명 조건을 만족시키지 않기 때문에, 기체 연료와 고체 연료와 지연성 가스의 혼합 촉진 작용이 불충분하고, 이 때문에 승온 속도의 평균값이 200 ℃／분 미만으로 낮아, No.1 과 동일하게, 가열 능력에 문제가 있다.

이에 대해 본 발명예인 No.2 ∼ 4, 6, 9 ∼ 14 는, 높은 가열 능력을 가짐과 함께, 승온 속도의 편차가 작기 때문에, 넓은 면적을 안정적으로 가열할 수 있다. 이 때문에, 스크랩을 균일하게 가열할 수 있어, 조업에서 문제가 되는 스크랩의 불균일 용해에 대해 효과적이다.

또, 본 발명예 중에서도, 각도 θ₁ 이 20°이상 45°이하, 또한 각도 θ₂ 가 45°이상 65°이하인 발명예, 또, θ₂ - θ₁ 이 15°이상 45°이하인 발명예에 해당하는 No.3, 4, 9 는, 전체적으로, 보다 승온 속도의 평균값이 높고 또한 승온 속도의 편차가 작아지고 있다. 즉, 이들은 특히 바람직한 조연 버너라고 할 수 있다.

또, 선회 날개의 각도 θ₁ = 20°, θ₂ = 45°에 고정시키고, Q₁/P₁ 및 Q₂/P₂ 의 값을 여러 가지 변경한 No.3, 11 ∼ 14 를 비교하면, Q₁/P₁ 및 Q₂/P₂ 의 값을 1.0 이상 1.2 이하로 한 No.3, 12, 13 에 있어서, 보다 승온 속도의 평균값이 높고 또한 승온 속도의 편차가 작아지고 있다.

이 시험에서의 버너 출력 600 Mcal/h 는, 60 t/ch 의 전기로에 설치되어 있는 규모이고, 실기 (實機) 스케일에서의 시험을 실시하였다. 따라서, 실기의 전기로에 있어서도 동일한 효과를 기대할 수 있는 것은 분명하다.

[실시예 2]

도 5 ∼ 도 7 에 나타내는 구조의 조연 버너를 사용하여 철판을 가열하여, 철판의 온도 측정을 실시하였다. 버너의 연소 조건 (표 1), 사용한 기체 연료, 고체 연료 (표 2) 및 지연성 가스, 연소 시험의 방법 (도 10), 시험 결과의 평가 등은 [실시예 1] 과 동일하게 하였다.

각 수준에 있어서의 기체 연료 분사관 내의 선회 날개의 각도 θ₂ 및 Q₂/P₂ 의 값을 표 4 에 나타냈다. 또한, 각도 0°의 선회 날개란, 기체 연료의 선회 목적이 아니라, 고체 연료 분사관 (1) 과 기체 연료 분사관 (2) 을 동심상으로 유지하는 부재로서 형성되는 것이다. 또한, 전체 수준에 있어서, 선회 날개의 장수는 8 장, L_B2 는 40 ㎜, P₂ 는 30 ㎜ 로 하였다.

시험 결과를 표 4 에 나타낸다. 표 4 로부터 분명한 바와 같이, θ₂ 가 0°인 No.1 은, 표 3 의 No.1 과 실질적으로 동일한 조연 버너이고, 승온 속도의 평균값이 낮아, 가열 능력에 문제가 있다.

No.2 는, θ₂ 가 지나치게 작기 때문에, 기체 연료에 충분한 선회를 부여할 수 없어, 혼합 촉진 작용이 충분히 얻어지지 않는다. 이 때문에, 승온 속도의 평균값이 189 ℃／분 (최대값 241 ℃／분, 최소값 118 ℃／분) 으로 낮아, No.1 과 동일하게, 가열 능력에 문제가 있다.

No.7 은, θ₂ 가 지나치게 크기 때문에, 버너 화염의 직진성이 저감되어 버너 화염 길이가 짧아지고, 이 때문에, 승온 속도의 평균값이 170 ℃／분 (최대값 198 ℃／분, 최소값 115 ℃／분) 으로 매우 낮아, 가열 능력에 문제가 있다.

이에 대해 본 발명예인 No.3 ∼ 6, 8 ∼ 11 은, 높은 가열 능력을 가짐과 함께, 승온 속도의 편차가 작기 때문에, 넓은 면적을 안정적으로 가열할 수 있다. 이 때문에, 스크랩을 균일하게 가열할 수 있어, 조업에서 문제가 되는 스크랩의 불균일 용해에 대해 효과적이다.

또, 본 발명예 중에서도, 선회 날개의 각도 θ₂ 를 45°이상 60°이하로 한 No.4, 5 는, 특히 승온 속도의 평균값이 높고 또한 승온 속도의 편차가 작기 (승온 속도의 [최대값] - [최소값] 이 100 ℃／분 이하) 때문에, 특히 바람직한 조연 버너라고 할 수 있다.

또, 선회 날개의 각도 θ₂ = 60°로 고정시키고, Q₂/P₂ 의 값을 여러 가지 변경한 No.5, 8 ∼ 11 을 비교하면, Q₂/P₂ 의 값을 1.0 이상 1.2 이하로 한 No.5, 9, 10 에 있어서, 보다 승온 속도의 평균값이 높고 또한 승온 속도의 편차가 작아져 있다.

산업상 이용가능성

100, 200 전기로용 조연 버너
1 고체 연료 분사관
2 기체 연료 분사관
3 지연성 가스 분사관
4 선회 날개 (제 1 날개)
5 선회 날개 (제 2 날개)
7 노체
8 전극
x 철계 스크랩
10 고체 연료 유로 (제 1 유로)
11 고체 연료 토출구
12 고체 연료 공급구
20 기체 연료 유로 (제 2 유로)
21 기체 연료 토출구
22 기체 연료 공급구
30 지연성 가스 유로 (제 3 유로)
31 지연성 가스 토출구
32 지연성 가스 공급구
θ₁ 선회 날개 (4) 의 버너축선에 대해 이루는 각
Q₁ 선회 날개 (4) 의 제 3 유로 둘레 방향에 있어서의 길이
P₁ 선회 날개 (4) 의 제 3 유로 둘레 방향에 있어서의 설치 간격
θ₂ 선회 날개 (5) 의 버너축선에 대해 이루는 각
Q₂ 선회 날개 (5) 의 제 2 유로 둘레 방향에 있어서의 길이
P₂ 선회 날개 (5) 의 제 2 유로 둘레 방향에 있어서의 설치 간격

Claims

철계 스크랩을 용해시켜 용철을 제조하는 전기로에 부설되고, 연료로서 기체 연료와 고체 연료를 사용하는 전기로용 조연 버너로서,
상기 고체 연료가 통과하는 제 1 유로를 구획하고, 그 제 1 유로의 선단으로부터 상기 고체 연료를 분사하는 고체 연료 분사관과,
상기 고체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 고체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 상기 기체 연료가 통과하는 제 2 유로를 구획하고, 그 제 2 유로의 선단으로부터 상기 기체 연료를 분사하는 기체 연료 분사관과,
상기 기체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 기체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 지연성 가스가 통과하는 제 3 유로를 구획하고, 그 제 3 유로의 선단으로부터 상기 지연성 가스를 분사하는 지연성 가스 분사관과,
상기 제 3 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 1 날개와,
상기 제 2 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 2 날개를 갖고,
상기 복수장의 제 1 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₁ 과, 상기 복수장의 제 2 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₂ 가 θ₁ < θ₂ 의 관계를 만족시키고,
상기 각도 θ₁ 이 10°이상 50°이하이고, 상기 각도 θ₂ 가 20°이상 75°이하이고,
각각의 상기 제 1 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₁ 로 하고, 상기 복수장의 제 1 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₁ 로 했을 때, Q₁/P₁ 이 1.0 이상 1.2 이하이고,
각각의 상기 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₂ 로 하고, 상기 복수장의 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₂ 로 했을 때, Q₂/P₂ 가 1.0 이상 1.2 이하인 것을 특징으로 하는 전기로용 조연 버너.
철계 스크랩을 용해시켜 용철을 제조하는 전기로에 부설되고, 연료로서 기체 연료와 고체 연료를 사용하는 전기로용 조연 버너로서,
상기 고체 연료가 통과하는 제 1 유로를 구획하고, 그 제 1 유로의 선단으로부터 상기 고체 연료를 분사하는 고체 연료 분사관과,
상기 고체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 고체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 상기 기체 연료가 통과하는 제 2 유로를 구획하고, 그 제 2 유로의 선단으로부터 상기 기체 연료를 분사하는 기체 연료 분사관과,
상기 기체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 기체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 지연성 가스가 통과하는 제 3 유로를 구획하고, 그 제 3 유로의 선단으로부터 상기 지연성 가스를 분사하는 지연성 가스 분사관과,
상기 제 3 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 1 날개와,
상기 제 2 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 2 날개를 갖고,
상기 복수장의 제 1 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₁ 과, 상기 복수장의 제 2 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₂ 가 θ₁ < θ₂ 의 관계를 만족시키고,
θ₂ - θ₁ 이 15°이상 45°이하이고,
각각의 상기 제 1 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₁ 로 하고, 상기 복수장의 제 1 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₁ 로 했을 때, Q₁/P₁ 이 1.0 이상 1.2 이하이고,
각각의 상기 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₂ 로 하고, 상기 복수장의 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₂ 로 했을 때, Q₂/P₂ 가 1.0 이상 1.2 이하인, 전기로용 조연 버너.
철계 스크랩을 용해시켜 용철을 제조하는 전기로에 부설되고, 연료로서 기체 연료와 고체 연료를 사용하는 전기로용 조연 버너로서,
상기 고체 연료가 통과하는 제 1 유로를 구획하고, 그 제 1 유로의 선단으로부터 상기 고체 연료를 분사하는 고체 연료 분사관과,
상기 고체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 고체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 상기 기체 연료가 통과하는 제 2 유로를 구획하고, 그 제 2 유로의 선단으로부터 상기 기체 연료를 분사하는 기체 연료 분사관과,
상기 기체 연료 분사관의 주위에 배치되고, 상기 기체 연료 분사관의 외벽과의 사이에서 지연성 가스가 통과하는 제 3 유로를 구획하고, 그 제 3 유로의 선단으로부터 상기 지연성 가스를 분사하는 지연성 가스 분사관과,
상기 제 3 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 1 날개와,
상기 제 2 유로에, 그 둘레 방향에 소정 간격으로 배치된 복수장의 제 2 날개를 갖고,
상기 복수장의 제 1 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₁ 과, 상기 복수장의 제 2 날개의 버너축선에 대해 이루는 각도 θ₂ 가 θ₁ < θ₂ 의 관계를 만족시키고,
상기 각도 θ₁ 이 0°이고, 상기 각도 θ₂ 가 10°이상 70°이하이고,
각각의 상기 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 길이를 Q₂ 로 하고, 상기 복수장의 제 2 날개의 상기 둘레 방향에 있어서의 설치 간격을 P₂ 로 했을 때, Q₂/P₂ 가 1.0 이상 1.2 이하인, 전기로용 조연 버너.
제 3 항에 있어서,
상기 각도 θ₂ 가 45°이상 60°이하인, 전기로용 조연 버너.
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