KR102222791B1 - 벽체 - Google Patents

Abstract

용광로에 설치된 내화재 및 단열재를 안정적으로 지지하고 외부로의 열손실을 감소시키는 벽체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벽체는, 외측판과, 상기 외측판의 일측면에 결합되는 보강판과, 상기 보강판의 일측면에 상기 보강판과 직교하는 제 1 방향으로 결합되는 수평 지지부를 포함하는 적어도 하나의 제 1 판넬 및 상기 외측판의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 판넬과 이격되어 형성되는 제 2 판넬을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

벽체{WALL}

본 발명은 벽체에 관한 것으로, 상세하게는 용광로에 설치된 내화재 및 단열재를 안정적으로 지지하고 외부로의 열손실을 감소시키는 벽체에 관한 것이다.

용광로는 철광석을 환원시켜 선철을 생산하는 설비로서, 용광로 내부에 철광석과 코크스, 그리고 부원료를 적층하고 용광로 하부 원주 방향으로 설치된 송풍구를 통해 고온 열풍을 공급하여 코크스를 산화시키고, 여기서 생성된 CO 가스로 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 내화재는 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 냉각 장치가 설치된다.

냉각반은 위와 같은 내화재 마모와 철피 적열 현상을 방지하기 위한 냉각 장치중의 하나로서, 외부 철피에서부터 내화재 사이에 삽입되어 냉각반 내부 냉각유로에 냉각수를 흘려 노 내의 고온의 열을 외부로 방산시켜주는 역할을 하게 된다.

냉각반은 이와 같은 용광로의 철피의 적열 및 연와 마모를 방지하기 위한 장치로서, 펌프에 의해 공급된 냉각수가 높이방향으로 복수 개의 냉각반을 순차적으로 통과한 후 수조로 배출되도록 구성되어 있다. 특히, 연와 사이에 냉각반이 삽입되어 냉각수에 의해 노 내의 고온의 열을 외부로 방산시켜 줌으로써 노벽 연와의 마모를 방지하는 역할을 하게 된다.

이 때, 냉각반 둘레의 내화재는 고온의 가스로 가득 차 있는 노 내부의 특성과 장입물과의 마찰 등으로 인하여 시간이 경과할수록 고로의 벽체는 취약해질 수 있으며, 심한 경우에는 철피 적혈 현상이 일어나 고로의 철피가 갈라지는 위험성이 초래될 수 있어 고로 조업에 지장을 초래하는 경우가 발생하게 된다.

등록특허공보 제 10-2053112호

본 발명은, 용광로에 설치된 내화재 및 단열재를 안정적으로 지지하고 외부로의 열손실을 감소시키는 벽체를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 벽체는, 외측판과, 상기 외측판의 일측면에 결합되는 보강판과, 상기 보강판의 일측면에 상기 보강판과 직교하는 제 1 방향으로 결합되는 수평 지지부를 포함하는 적어도 하나의 제 1 판넬 및 상기 외측판의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 판넬과 이격되어 형성되는 제 2 판넬을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제 1 판넬은 상기 수평 지지부 상에 형성되고, 상기 제 1 방향과 직교하는 상기 제 2 방향을 따라 상기 보강판에 인접하게 홀 형태로 형성되는 적어도 하나의 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제 1 판넬은 상기 수평 지지부 상에 배치되고, 상기 제 1 방향과 직교하는 상기 제 2 방향을 따라 상기 보강판에 연결되며 홀 형태로 형성되는 적어도 하나의 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제 1 판넬은 일단이 상기 보강판에 결합되고, 하부는 상기 수평 지지부 상에 결합되며, 상기 수평 지지부 상에서 상기 슬롯과 대응되는 부분에 위치되는 적어도 하나의 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 외측판의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 판넬 및 상기 제 2 판넬의 일부가 내부에 수용되는 제 1 단열부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제 1 단열부재의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 판넬의 일부가 내부에 수용되는 제 1 내화부재와, 상기 제 1 단열부재의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 내화부재의 하부에 배치되며, 상기 제 2 판넬의 일부가 내부에 수용되는 제 2 내화부재 및 상기 제 1 단열부재의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 내화부재 및 상기 제 2 내화부재의 내부에 수용되는 적어도 하나의 제 3 내화부재를 더 포함하고, 상기 제 3 내화부재는, 상기 제 1 판넬 또는 상기 제 2 판넬이 위치된 부분과 이격된 부분에 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 수평 지지부의 상측면과 하측면에 결합되는 제 2 단열부재 및 상기 수평 지지부의 전측에 형성되고, 상기 제 1 내화부재 및 상기 제 2 내화부재의 사이에 배치되는 제 3 단열부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 제 1 판넬에 슬롯 및 리브를 구비함으로써 벽체의 구조 변경 전에 비해 벽체 외부로의 열 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 제 1 판넬에 슬롯 및 리브를 구비함으로써 벽체의 구조 변경 전에 비해 제 1 판넬 상부에 위치되는 단열부재 및 내화부재의 중량을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체를 구비한 용광로를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체를 나타낸 도면이다.
도 3은 벽체에 구비된 제 1 판넬을 상측에서 본 도면이다.
도 4는 제 1 판넬의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체를 측면에서 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 A부분 확대도이다.
도 7 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체의 열전달 해석 과정 및 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 제 1 판넬 및 제 2 판넬에 작용하는 하중을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 17은 제 1 판넬의 등가응력분포 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 18은 제 2 판넬의 등가응력분포 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 19는 제 1 판넬의 수직변위분포 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 20은 제 2 판넬의 수직변위분포 해석 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체(100)를 구비한 용광로(1)를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 벽체(100)는 용광로(1)를 둘러싸도록 구비될 수 있다. 바람직하게는, 벽체(100)는 용광로(1)의 하부를 둘러싸도록 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체(100)를 나타낸 도면이고, 도 3은 벽체(100)에 구비된 제 1 판넬(30)을 상측에서 본 도면이다. 이 때, 상기 도 2에서 후술되는 제 1 단열부재(50), 제 1 내화부재(60a), 제 2 내화부재(60b), 제 3 내화부재(60c), 제 2 단열부재(70) 및 제 3 단열부재(80)의 도시는 생략하도록 한다.

또한, 후술되는 제 1 방향은 전후 방향(X축 방향)을 나타내고, 제 2 방향은 제 1 방향과 직교하는 좌우 방향(Y축 방향)을 나타내며, 제 1 방향 및 제 2 방향에 모두 직교하는 방향은 연직 방향(Z축 방향)을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체(100)는, 벽체(100)의 외벽을 구성하는 외측판(10)과, 외측판(10)의 일측면에 결합되는 보강판(20)과, 보강판(20)의 일측면에 결합되는 제 1 판넬(30) 및 외측판(10)의 일측면에 결합되고 제 1 판넬(30)과 이격되어 형성되는 제 2 판넬(40)을 포함한다. 이 때, 벽체(100)에서 제 1 판넬(30)은 제 2 판넬(40)보다 상부에 위치될 수 있다.

바람직하게는, 외측판(10) 및 보강판(20)은 탄소강(carbon steel)으로서, 각각 A283-C 및 A36이 소재로서 이용될 수 있다. 이 때, 보강판(20)은 외측판(10) 보다 두께가 두껍게 형성될 수 있다.

또한, 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)은 스테인리스 스틸(stainless steel)인 A240-310이 소재로서 이용될 수 있다. 이 때, 제 1 판넬(30)은 보강판(20) 보다 두께가 두껍게 형성될 수 있으며, 제 2 판넬(40)은 보강판(20)과 두께가 동일하거나 작게 형성될 수 있다.

제 1 판넬(30)은 보강판(20)의 일측면에 보강판(20)과 직교하는 제 1 방향으로 결합되는 수평 지지부(32)를 포함한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 제 1 판넬(30)은 수평 지지부(32) 상에 배치되고 제 2 방향을 따라 보강판(20)에서 가까운 거리에 이격되어 홀 형태로 형성되는 적어도 하나의 슬롯(322, slot)을 더 포함한다.

또한, 제 1 판넬(30)은, 일단이 보강판(20)에 결합되고, 하부는 수평 지지부(32) 상에 결합되며, 수평 지지부(32) 상에서 슬롯(322)과 대응되는 부분에 위치되는 적어도 하나의 리브(324)를 더 포함한다. 이 때, 리브(324)도 전술한 제 1 판넬(30)과 동일한 소재로 형성될 수 있으며, 보강판(20) 보다 두께가 두껍게 형성될 수 있다.

도 4는 제 1 판넬(30)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 제 1 판넬(30)에 형성되는 슬롯(322)은 도 3에 도시된 실시예와 달리 보강판(20)에 연결되는 홀 형태로 형성될 수도 있다. 이 때, 도 4에 도시된 실시예에서도 슬롯(322)은 수평 지지부(32) 상에서 제 2 방향을 따라 형성될 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)의 다른 실시예에서도 리브(324)가 수평 지지부(32) 상에서 슬롯(322)과 대응되는 부분에 위치되는 점은 동일하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체(100)를 측면에서 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 A부분 확대도이다.

도 5를 참조하면, 벽체(100)는 외측판(10)의 일측면에 결합되고, 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)의 일부가 내부에 수용되는 제 1 단열부재(50)를 더 포함한다.

제 1 단열부재(50)는 외측판(10)의 일측면에 결합되어, 외측판(10) 외부로 열이 손실되는 것을 방지할 수 있다.

바람직하게는, 제 1 단열부재(50)로는 유-브리드(U-brid)가 소재로서 이용될 수 있다.

또한 벽체(100)는, 제 1 내화부재(60a), 제 2 내화부재(60b) 및 적어도 하나의 제 3 내화부재(60c)를 포함한다.

바람직하게는, 제 1 내화부재(60a), 제 2 내화부재(60b) 및 제 3 내화부재(60c)는 이소라이트(isolite)가 이용될 수 있으며, 제 1 내화부재(60a)는 LBK-28, 제 2 내화부재(60b)는 LBK-30, 제 3 내화부재(60c)는 LBK-23이 소재로서 이용될 수 있다.

제 1 내화부재(60a)는 제 1 단열부재(50)의 일측면에 결합될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 내화부재(60a)는 제 1 단열부재(50)의 일측면 상부에 결합될 수 있다.

또한, 제 1 내화부재(60a)의 내부에는 제 1 판넬(30)의 일부가 수용될 수 있다.

제 2 내화부재(60b)는 제 1 단열부재(50)의 일측면에 결합되고, 제 1 내화부재(60a)의 하부에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 제 2 내화부재(60b)는 제 1 단열부재(50)의 일측면 하부에 결합될 수 있다.

또한, 제 2 내화부재(60b)의 내부에는 제 2 판넬(40)의 일부가 수용될 수 있다.

제 3 내화부재(60c)는 제 1 단열부재(50)의 일측면에 결합되며, 제 1 내화부재(60a) 및 제 2 내화부재(60b)의 내부에 수용될 수 있다. 바람직하게는, 제 3 내화부재(60c)는 제 1 판넬(30) 또는 제 2 판넬(40)이 위치된 부분과 이격된 부분에 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 제 1 판넬(30)은, 제 1 판넬(30)의 상부에 위치된 제 1 단열부재(50), 제 1 내화부재(60a), 제 3 내화부재(60c)의 하중을 지지할 수 있다.

또한, 제 2 판넬(40)은 제 2 판넬(40)의 상부에 위치된 제 1 단열부재(50), 제 1 내화부재(60a), 제 2 내화부재(60b) 및 제 3 내화부재(60c)의 하중을 지지할 수 있다.

이 때, 벽체(100)에서 제 2 판넬(40)이 제 1 판넬(30)보다 하부에 위치되므로 제 2 판넬(40)에 가해지는 단열부재 및 내화부재의 하중이 제 1 판넬(30)보다 클 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면 벽체(100)는, 제 2 단열부재(70) 및 제 3 단열부재(80)를 더 포함한다.

제 2 단열부재(70)는, 수평 지지부(32)의 상측면과 하측면에 결합될 수 있다.

바람직하게는, 제 2 단열부재(70)로는 세라믹 페이퍼(ceramic paper)가 소재로서 이용될 수 있다.

특히, 제 2 단열부재(70)는 제 1 판넬(30), 상세하게는 수평 지지부(32)의 상측면과 하측면을 단열할 수 있다.

또한, 제 3 단열부재(80)는 수평 지지부(32)의 전측에 형성되며, 제 1 내화부재(60a) 및 제 2 내화부재(60b)의 사이에 배치될 수 있다.

바람직하게는, 제 3 단열부재(80)는 세라믹 파이버(ceramic fiber)가 소재로서 이용될 수 있다.

특히, 제 3 단열부재(80)는 제 1 내화부재(60a) 및 제 2 내화부재(60b)가 맞닿는 부분에 배치되어 제 1 내화부재(60a) 및 제 2 내화부재(60b) 사이를 단열할 수 있다.

도 7 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체(100)의 열전달 해석 결과를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 7 중 도 7(a)의 경우 본 발명의 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)가 구비되지 않은 상태의 벽체(100)를 나타낸 도면이며, 도 7(b)의 경우 슬롯(322) 및 리브(324)를 적용한 본 발명의 제 1 판넬(30)을 나타낸 도면이다.

하기 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽체(100)의 열전달 해석에 필요한 물성을 나타낸 표이다. 바람직하게는, 열전달 해석 과정에서 온도에 따른 전도 계수는 하기 표 1의 값에 근거한 선형 보간(linear interpolation)에 따라 계산될 수 있다.

재질	온도 대비 전도 계수 [×10-3W/㎜·℃]
	100℃ 400℃ 800℃
A283-C	52.000		31.000
A36	52.000		31.000
A240-310	16.500		27.000
U-Brid		0.043
LBK-23		0.180	0.260
LBK-28		0.260	0.330
LBK-30		0.300	0.390
Ceramic Paper		0.080	0.150
Ceramic Fiber		0.130

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에서 벽체(100) 내부의 가열은 벽체(100)의 하부 700㎜ 높이까지를 제외한 상부공간에서 이루어진다고 가정하며, 이에 의해 유발되는 벽체(100)의 내부온도는 1160℃라고 가정한다.

또한, 벽체(100)의 외표면의 경우 유속이 없으며, 온도 100℃ 및 63.4℃의 대기에 의해 냉각이 이루어진다고 가정한다.

도 2 내지 도 6을 다시 참조하면, 벽체(100)의 대부분에는 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)이 없으며, 벽체(100)는 대부분의 영역이 외측판(10)과 제 1 단열부재(50), 제 1 내화부재(60a), 제 2 내화부재(60b), 제 3 내화부재(60c), 제 2 단열부재(70) 및 제 3 단열부재(80)의 일반영역(제 1 판넬(30)과 제 2 판넬(40)이 결합되지 않은 부분)으로 이루어지므로, 벽체(100)의 외부로 전달되는 대류(convection) 작용 및 복사(radiation) 작용의 대부분은 상기 일반영역을 통해 이루어질 수 있다.

이 때, 복사로 방출되는 열량은 0 ~ 1의 범위를 가지는 방사율(emissivity)에 비례하며 이는 표면의 재질, 거칠기, 색상 및 코팅이나 페인팅 등에 의존할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는, 벽체(100)의 외표면을 방사율 1인 완전한 흑체(black body)로 가정하고, 이에 따라 상기 일반영역에서의 대류 및 복사 작용에 대한 막계수(film coefficient)를 하기 표 2와 같이 나타낼 수 있다.

적층 재질	두께[㎜]	각 부분의 온도[℃]			막계수 [㎼/㎟℃]
		내측	외측	외부
LBK-28	115.0	1160.0	1038.3
LBK-23	115.0	1038.3	880.2
U-BRID	75.0	880.2	125.8
A283-C	4.5	125.8	125.8	100.0	16.8
LBK-30	115.0	1160.0	1051.6
LBK-23	115.0	1051.6	893.4
U-BRID	75.0	893.4	126.2
A283-C	4.5	126.2	126.2	100.0	16.8
LBK-28	115.0	1160.0	1034.7
LBK-23	115.0	1034.7	870.8
U-BRID	75.0	870.8	95.0
A283-C	4.5	95.0	95.0	63.4	14.1
LBK-30	115.0	1160.0	1048.4
LBK-23	115.0	1048.4	884.5
U-BRID	75.0	884.5	95.5
A283-C	4.5	95.5	95.5	63.4	14.1

상기 표 2에 의하면 외부온도 100℃ 및 63.4℃에 대한 막계수는 각각 16.8㎼/㎟℃ 및 14.1㎼/㎟℃이며, 이를 벽체(100)의 외표면 전체에 적용할 수 있다.

도 8 및 도 9는 각각 외부온도가 100℃ 및 63.4℃인 경우의 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 8 중 도 8(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전(제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)가 구비되지 않은 상태)의 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내고, 도 8(b)는 도 3에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내며, 도 8(c)는 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타낸다.

또한, 도 9 중 도 9(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내고, 도 9(b)는 도 3에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내며, 도 9(c)는 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타낸다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 벽체(100) 내부의 온도전달 전체구간에서 최대 온도가 나타나고, 벽체(100) 내부의 하면에서 최저온도가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 각각 외부온도가 100℃ 및 63.4℃인 경우 도 8(a), 도 9(a)의 경우에 비해 도 8(b), 도 8(c), 도 9(b) 및 도 9(c)에 도시된 경우의 벽체(100)의 내표면의 최고온도가 0.3℃ 높으며, 외표면의 최저온도는 동일한 것을 확인할 수 있다.

따라서, 도 8 및 도 9에 도시된 벽체(100)의 열전달 해석 결과를 참조할 때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비한 경우 외부로의 열 손실이 감소함을 확인할 수 있다.

도 10은 외부온도 100℃인 경우의 벽체(100)의 외표면의 온도분포를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 10 중 도 10(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내고, 도 10(b)는 도 3에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내며, 도 10(c)는 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타낸다.

도 10(a)를 참조하면, 제 1 판넬(30)이 부착되는 영역에서 높은 온도가 나타나게 되므로 벽체(100)에 보강 판넬을 부착하는 경우 열 손실이 크다는 것을 확인할 수 있다.

한편 도 10(b) 및 도 10(c)를 참조하면, 외부온도 100℃인 경우 도 10(a)의 경우에 비해 도 10(b)의 경우 벽체(100)의 외표면의 최대온도가 2.5℃ 감소하고 도 10(c)의 경우 외표면의 최대온도가 유지되며, 도 10(b) 및 도 10(c) 모두 최대온도가 나타나는 적색영역이 크게 축소되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 10(b) 및 도 10(c)에 도시된 바와 같이, 최저온도와 최대온도 사이의 중간온도를 나타내는 녹색영역이 거의 나타나지 않으므로 고온구간과 저온구간의 구분이 뚜렷한 것을 확인할 수 있다.

따라서, 도 10에 도시된 벽체(100)의 열전달 해석 결과를 참조할 때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비한 경우 외부로의 열 손실이 감소함을 확인할 수 있다.

한편, 도 10에서 벽체(100)의 외표면의 최고 온도 발생 위치는 리브(324)가 배치된 위치일 수 있다.

도 11 내지 도 13은 외부온도 100℃인 경우의 벽체(100)의 외표면의 온도분포를 범위별로 표시하여 나타낸 도면이다. 이 때, 도 11은 벽체(100)에서 외표면의 온도가 160℃ 이상인 영역의 온도분포를 나타낸 도면이고, 도 12는 벽체(100)에서 외표면의 온도가 140℃ 이상인 영역의 온도분포를 나타낸 도면이며, 도 13은 벽체(100)에서 외표면의 온도가 120℃ 이상인 영역의 온도분포를 나타낸 도면이다.

상세하게는, 도 11 내지 도 13에서 도 11(a), 도 12(a) 및 도 13(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내고, 도 11(b), 도 12(b) 및 도 13(b)는 도 3에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타내며, 도 11(c), 도 12(c) 및 도 13(c)는 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)의 단면에서의 온도 분포를 나타낸다.

도 11 내지 도 13을 참조하면, 외부온도 100℃인 경우 도 11(a), 도 12(a), 도 13(a)의 경우에 비해 도 11(b), 도 12(b), 도 13(b), 도 11(c), 도 12(c) 및 도 13(c)에 도시된 경우의 벽체(100)의 외표면에서 일정 온도 이상인 영역(예 : 160℃, 140℃, 120℃ 이상인 영역)이 크게 축소되는 것을 확인할 수 있다.

특히 도 13(b) 및 도 13(c)에서는 벽체(100)의 외표면의 낮은 온도 영역, 즉 청색영역이 나타나는 부분이 도 13(a)의 경우에 비해 크게 확대되는 것을 확인할 수 있으므로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비한 경우 외부로의 열 손실이 감소함을 확인할 수 있다.

도 14는 외부온도 100℃인 경우의 제 1 판넬(30)이 나타내는 온도분포를 나타낸다. 이 때, 도 14 중 도 14(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 제 1 판넬(30)에서의 온도 분포를 나타내고, 도 14(b)는 도 3 및 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)에서의 온도 분포를 나타낸다.

도 14를 참조하면, 제 1 판넬(30)이 보강판(20)에 고정되는 부분에서 최대온도는 400℃를 초과하지 않는다.

도 15는 벽체(100)에서 제 1 판넬(30)의 제 2 방향 중심선을 기준으로 연직방향 100㎜에 해당하는 구간의 온도 분포를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 15 중 도 15(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 벽체(100)에서의 온도 분포를 나타내고, 도 15(b)는 도 3 및 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)에서의 온도 분포를 나타낸다.

상기 도 15에서 L자로 시작되는 구간은 제 1 판넬(30)의 주변 영역을 나타내고, G로 시작되는 구간은 전술한 일반 영역을 의미한다.

하기 표 3을 참조하면, 도 15에 나타난 구간에 따른 벽체(100)에서의 온도 분포를 확인할 수 있다.

구간	높이 [㎜]	온도[℃]
		구조변경 전			도 3에 도시된 실시예			도 4에 도시된 실시예
		최대	최소	대표	최대	최소	대표	최대	최소	대표
G1		134.0	125.4	127.6	133.2	124.9	126.0	133.3	124.9	126.0
LTU	100	149.8	134.0	140.6	148.2	131.9	139.0	148.5	132.0	139.1
LTC	200	177.2	149.8	166.4	176.8	142.1	161.1	179.1	142.5	161.0
LTL	100	153.5	136.0	143.3	150.5	132.8	140.4	150.7	132.9	140.2
LTU+LTC+LTL	400	177.2	134.0	154.2	176.8	131.9	150.4	179.1	132.0	150.3
G2		136.0	130.0	131.7	134.2	126.2	128.3	134.2	126.2	128.3
LMU	100	150.0	134.7	141.1
LMC	200	177.3	150.0	166.5
LML	100	153.5	136.1	143.4
LMU+LMC+LML	400	177.3	134.7	154.4
G3		136.1	130.4	132.1
LBU	100	152.3	135.6	142.6	149.3	132.5	139.8	149.6	132.6	139.9
LBC	200	181.5	152.2	170.0	179.0	143.0	162.8	181.5	143.4	162.7
LBL	100	156.1	137.0	145.1	152.0	133.7	141.5	152.1	133.9	141.4
LBU+LBC+LBL	400	181.5	135.6	156.9	179.0	132.5	151.7	181.5	132.6	151.7
G4		137.0	125.1	128.0	135.2	125.1	127.5	135.1	125.1	127.5
G5	750	176.8	105.2	132.7	176.8	105.2	132.7	176.8	105.2	132.7

한편, 도시되지는 않았으나 외부온도가 63.4℃인 경우에도 벽체(100)의 구조 변경 전후의 벽체(100)의 외표면의 온도분포는 외부온도가 100℃인 경우와 유사하게 나타날 수 있다.

도 16은 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)에 작용하는 하중을 예시적으로 나타낸 도면이다. 이 때, 도 16 중 도 16(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 벽체(100)에 작용하는 하중 분포를 나타내고, 도 16(b)는 도 3 및 도 4에 도시된 제 1 판넬(30)을 구비한 벽체(100)에 작용하는 하중 분포를 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 벽체(100)에 구비된 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)은 각각의 상부에 위치되는 단열부재 및 내화부재의 중량을 지지하며 외팔보의 구조를 가질 수 있다.

이 때, 도 14에 나타난 바와 같이 제 1 판넬(30)이 보강판(20)에 고정되는 부분에서 최대온도는 400℃를 초과하지 않으므로, 본 발명의 실시예에서,제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)의 기준온도를 400℃로 정의한다.

기준온도 400℃에서의 외측판(10), 보강판(20), 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)의 물성 및 강도 기준은 하기 표 4와 같이 나타날 수 있다.

	탄성계수	포와송비	강도기준
외측판	171.2㎬	0.30	157.6㎫
보강판	171.2㎬	0.30	151.5㎫
제 1 판넬, 제 2 판넬	168.5㎬	0.28	183.0㎫

이 때, 제 1 내화부재(60a, LBK-28), 제 2 내화부재(60b, LBK-30) 및 제 3 내화부재(60c, LBK-23)의 비중은 각각 0. 52, 0. 70 및 0. 75이며, 벽체(100) 구조 변경 전, 후의 각각 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)이 지지하는 제 1 내화부재(60a, LBK-28), 제 2 내화부재(60b, LBK-30) 및 제 3 내화부재(60c, LBK-23)의 중량이 다를 수 있다.

따라서, 도 16에서 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)에 하중을 가하는 내화부재는 비중이 0.75로 가장 높은 LBK-30인 것으로 가정하여 내화부재의 최대 높이만을 고려할 수 있다.

또한, 내화부재인 LBK-30의 하중은 도 16에 도시된 바와 같이 제 1 판넬(30)의 자유단에 집중적으로 작용하고, 제 2 판넬(40)의 하판 돌출부에 집중적으로 작용하는 것으로 가정한다.

또한, 외측판(10)의 경우 다수의 보강재로 지지되어 있으므로, 외측판(10)의 변형은 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)의 변형에 비해 무시할 수 있는 것으로 가정한다.

이러한 가정을 바탕으로 도 16을 참조하여 벽체(100)의 구조 변경 전(도 16(a))과 후(도 16(b))의 제 1 판넬(30) 및 제 2 판넬(40)에 작용하는 하중을 예시적으로 확인할 수 있다.

도 16(b)를 참조하면, 내화부재(LBK-30)의 경우 제 1 판넬(30)에 178㎏의 하중을 가하며, 제 1 단열부재(50, U-BRID)의 경우 제 1 판넬(30)에 16㎏의 하중을 가할 수 있다.

또한, 내화부재(LBK-30)의 경우 제 2 판넬(40)에 101㎏의 하중을 가하며, 제 1 단열부재(50, U-BRID)의 경우 제 2 판넬(40)에 6㎏의 하중을 가할 수 있다.

이 때, 도 16(b)와 같이 벽체(100)의 구조를 변경한 경우 제 1 판넬(30)에 가해지는 하중이 감소되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 도 16에 도시된 해석 결과를 참조할 때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비한 경우 제 1 판넬(30)에 가해지는 하중이 감소되므로 제 1 판넬(30)의 상부에 위치되는 단열부재 및 내화부재의 중량을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 17은 제 1 판넬(30)의 등가응력분포 해석 결과를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 17 중 도 17(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 제 1 판넬(30)에서의 등가응력분포를 나타내고, 도 17(b)는 도 3에 도시된 제 1 판넬(30)에서의 등가응력분포를 나타내며, 도 17(c)는 도 4에 도시된 제 2 판넬(40)에서의 등가응력분포를 나타낸다.

도 17을 참조하면, 벽체(100)의 구조 변경 전후의 단열부재 및 내화부재의 중량에 따라 제 1 판넬(30)에서 발생되는 등가응력분포를 확인할 수 있다.

도 17(a)의 경우 벽체(100)의 구조 변경 전에는 제 1 판넬(30)의 전술한 일반영역에서 발생되는 응력은 11.0㎫ 이하로 전술한 강도기준 183.0㎫을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 슬릿이 시작하는 불연속영역에서 최대 13.9㎫의 응력이 발생하며, 전술한 강도기준을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 17(b) 및 도 17(c)와 같이 벽체(100)의 구조를 변경한 경우 제 1 판넬(30)의 전술한 일반영역에서 발생하는 응력은 7.0㎫ 이하로 전술한 강도기준 183.0㎫을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 리브(324)가 연결되는 불연속영역에서 최대 23.1㎫의 응력이 발생하며, 전술한 강도기준을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 도 17에 도시된 해석 결과를 참조할 때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비한 경우 제 1 판넬(30)에서 발생되는 등가응력분포가 감소하므로, 제 1 판넬(30)의 상부에 위치되는 단열부재 및 내화부재의 중량을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 18는 제 2 판넬(40)의 등가응력분포 해석 결과를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 18 중 도 18(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 제 2 판넬(40)에서의 등가응력분포를 나타내고, 도 18(b)는 벽체(100)의 구조 변경 후의 제 2 판넬(40)에서의 등가응력분포를 나타낸다.

도 18을 참조하면, 벽체(100)의 구조 변경 전후의 단열부재 및 내화부재의 중량에 따라 제 2 판넬(40)에서 발생되는 등가응력분포를 확인할 수 있다.

이 때, 제 2 판넬(40)은 벽체(100)의 구조 변경 전후의 형상 및 지지하는 단열부재 및 내화부재의 중량 차이가 없으므로, 등가응력분포 및 변형에도 차이가 없다.

또한, 제 2 판넬(40)의 전술한 일반영역에서 발생하는 응력은 72.0㎫ 이하로 전술한 강도기준 183.0㎫을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 리브(324)가 연결되는 불연속영역에서 최대 129.6㎫의 응력이 발생하며, 전술한 강도기준을 만족화는 것을 확인할 수 있다.

도 19는 제 1 판넬(30)의 수직변위분포 해석 결과를 나타낸 도면이다. 이 때, 도 19 중 도 19(a)는 벽체(100)의 구조 변경 전의 제 1 판넬(30)에서의 수직변위분포를 나타내고, 도 19(b)는 도 3에 도시된 제 1 판넬(30)에서의 수직변위분포를 나타내며, 도 19(c)는 도 4에 도시된 제 2 판넬(40)에서의 수직변위분포를 나타낸다.

도 19를 참조하면, 벽체(100)의 구조 변경 전후의 단열부재 및 내화부재의 중량에 따라 제 1 판넬(30)에서 발생되는 수직변위분포를 확인할 수 있다.

도 19(a)의 경우 벽체(100)의 구조 변경 전에는 제 1 판넬(30)의 수직변위분포는 0.015㎜인 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 19(b) 및 도 19(c)와 같이 벽체(100)의 구조를 변경한 경우 제 1 판넬(30)의 수직변위분포는 0.044㎜인 것을 확인할 수 있다.

따라서, 도 19에 도시된 해석 결과를 참조할 때, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비한 경우 제 1 판넬(30)에서 발생되는 수직변위분포가 증가하므로, 제 1 판넬(30)의 상부에 위치되는 단열부재 및 내화부재의 중량을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 20은 제 2 판넬(40)의 수직변위분포 해석 결과를 나타낸 도면이다.

도 20을 참조하면, 벽체(100)의 구조 변경 전후의 단열부재 및 내화부재의 중량에 따라 제 2 판넬(40)에서 발생되는 수직변위분포를 확인할 수 있다.

이 때, 제 2 판넬(40)은 벽체(100)의 구조 변경 전후의 형상 및 지지하는 단열부재 및 내화부재의 중량 차이가 없으므로, 수직변위분포 및 변형에도 차이가 없다.

또한, 벽체(100)의 구조 변경 전후의 제 2 판넬(40)의 수직변위분포는 0.387㎜로 동일하게 나타날 수 있다.

본 발명에 따르면, 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비함으로써 벽체(100)의 구조 변경 전에 비해 벽체(100) 외부로의 열 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 제 1 판넬(30)에 슬롯(322) 및 리브(324)를 구비함으로써 벽체(100)의 구조 변경 전에 비해 제 1 판넬(30) 상부에 위치되는 단열부재 및 내화부재의 중량을 안정적으로 지지할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 벽체
10 : 외측판
20 : 보강판
30 : 제 1 판넬
32 : 수평 지지부
322 : 슬롯
324 : 리브
40 : 제 2 판넬
50 : 제 1 단열부재
60a : 제 1 내화부재
60b : 제 2 내화부재
60c : 제 3 내화부재
70 : 제 2 단열부재
80 : 제 3 단열부재

Claims (7)

1. 외측판;
   상기 외측판의 일측면에 결합되는 보강판;
   상기 보강판의 일측면에 상기 보강판과 직교하는 제 1 방향으로 결합되는 수평 지지부를 포함하는 적어도 하나의 제 1 판넬; 및
   상기 외측판의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 판넬과 이격되어 형성되는 제 2 판넬;을 포함하며,
   상기 외측판의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 판넬 및 상기 제 2 판넬의 일부가 내부에 수용되는 제 1 단열부재를 더 포함하며,
   상기 제 1 단열부재의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 판넬의 일부가 내부에 수용되는 제 1 내화부재와,
   상기 제 1 단열부재의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 내화부재의 하부에 배치되며, 상기 제 2 판넬의 일부가 내부에 수용되는 제 2 내화부재 및
   상기 제 1 단열부재의 일측면에 결합되고, 상기 제 1 내화부재 및 상기 제 2 내화부재의 내부에 수용되는 적어도 하나의 제 3 내화부재를 더 포함하고,
   상기 제 3 내화부재는, 상기 제 1 판넬 또는 상기 제 2 판넬이 위치된 부분과 이격된 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 벽체.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 판넬은,
   상기 수평 지지부 상에 형성되고, 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향을 따라 상기 보강판에 이격되어 홀 형태로 형성되는 적어도 하나의 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벽체.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제 1 판넬은,
   상기 수평 지지부 상에 배치되고, 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향을 따라 상기 보강판에 연결되며 홀 형태로 형성되는 적어도 하나의 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벽체.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
   상기 제 1 판넬은,
   일단이 상기 보강판에 결합되고, 하부는 상기 수평 지지부 상에 결합되며, 상기 수평 지지부 상에서 상기 슬롯과 대응되는 부분에 위치되는 적어도 하나의 리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벽체.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 수평 지지부의 상측면과 하측면에 결합되는 제 2 단열부재 및
   상기 수평 지지부의 전측에 형성되고, 상기 제 1 내화부재 및 상기 제 2 내화부재의 사이에 배치되는 제 3 단열부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벽체.

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