KR102304132B1 - 내마모성의 단일 관통부 스테이브 쿨러 - Google Patents

Abstract

모든 주철 또는 주동 스테이브 쿨러의 무게는 후면 상의 단일 기밀 강철 칼라에 의해 노 격납 셸 내부에서 지지된다. 각 쿨러에서의 모든 쿨런트 배관은 모든 외부 연결부로 하여금 하나의 강철 칼라를 통해 함께 수집되어 라우팅되게 한다. 마모 방지 배리어는 고온면 상에 배치된다. 이는 금속 인서트 또는 내화 벽돌을 유지하는 리브(rib)들 및 채널들의 수평 로우들(rows) 중 적어도 하나, 또는 주조 가능 시멘트 및/또는 용융물로부터 그 자리에서 동결된 부착물(accretion)들을 유지하는 데 도움을 주는 포켓들, 또는 비드, 크로스해치(crosshatch) 또는 직조(weave) 패턴으로 용접되는 일 영역의 경면(hardfacing)의 적용을 포함하도록 제한된다.

Description

내마모성의 단일 관통부 스테이브 쿨러

본 발명은 강철 격납 쉘들을 갖는 원형로(circular furnace)들용 스테이브(stave) 쿨러들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 제련로(smelting furnace)들 내부의 스테이브 쿨러의 무게를 완전히 지지하고 액체 냉각을 위해 모든 배관 입구들 및 출구들을 한 그룹으로 통과시키는 강철 칼라(steel collar)를 수용하기 위해, 강철 격납 쉘에 요구되는 단일 관통부를 갖는 주철(cast-iron) 및 주동(cast-copper) 스테이브 쿨러들에 관한 것이다. 이러한 방식으로 강철 칼라들을 구성하는 목적은, 유사한 합금들을 사용하여 응력들을 최소화하고 격납 쉘들에 대한 용접부들과의 결합(bonding) 및 취화(embrittlement) 문제들을 피함으로써 하나의 관통부에서의 팽창 계수들의 일치를 제공하는 것이다.

강철 및 비철 금속들은 강철 격납 쉘들을 갖는 원형로에서 전 세계 도처에서 제련되고 있다. 이들 중 일부는 내벽들을 완전히 라이닝(line)하여 그들의 고온면(hot face)들에 장착된 내화 벽돌들을 냉각하는 패널형 스테이브 쿨러들을 채용한다. 이들의 개별 냉각 작용들은, 외부 열교환기를 액세스하기 위해 강철 냉각 쉘들의 관통부들을 통과하는 배관을 이용하여 각 스테이브 쿨러 내부를 순환하는 액체 쿨런트(coolant)들에 의해 전달된다. 강철 격납 쉘의 각 관통부는 위험한 공정 가스들을 노 내부에 유지하고 그 운영 인력으로부터 멀리 유지하기 위해 안정적인 용접부와 밀봉부를 요구한다.

현대식 용광로(blast furnace)들을 이용하여, 이제, 하루 작업량인 입방미터당 3톤의 뜨거운 금속을 초과하는 생산율에 도달하고 있다. 이것은 개선된 장입물(burden material)들, 더 나은 장입(burden) 분배 기법들, 보다 엄격한 공정 제어들, 매우 높은 열풍(hot-blast) 온도들, 산소 농축 기술, 미분탄(pulverized-coal) 분사 및 천연 가스 연료 농축을 사용함으로써 가능해졌다. 이 모두에 의해, 최신 용광로들의 강철 격납 쉘들 내부에 장착된 스테이브 쿨러들 상에 도달하는 평균 열 부하 및 변동(fluctuation)이 훨씬 더 높아진다.

통합형 강철 작업들은 용광로를 사용하여 강철을 만드는 데 사용하는 선철(pig iron)을 그 자체에 공급한다. 로-생산성에서 큰 이익을 얻음으로써 냉각 시스템 용량에 대한 요청들이 또한 엄청나게 커졌다. 1960년대 후반에 처음 개발된 용광로들에서의 액체 냉각식 스테이브 쿨러들은 부적절해졌다. 1970년대 후반 이래로 높은 전도성 구리 스테이브 쿨러들이 필요했는데, 이는 이것들이 최신의 고응력(high stress) 노에서 발생되는 극심한 공정 열을 보다 잘 다룰 수 있기 때문이다. 구리 스테이브 쿨러들은 이제 15년을 초과하는 노 캠페인 수명들(furnace campaign lives)을 제공할 수 있음을 또한 그 자체로 증명했다.

스테이브 쿨러의 평균 열 부하 레벨들은 용광로 내에서 위치결정될 장소와 노 동작 방법에 따라 다르게 된다. 도 1을 참조한다. 주철 스테이브들은 용광로들의 덜 까다로운 중간 및 상부 스택 영역들에서 여전히 성공적으로 사용될 수 있지만, 낮은 스택, 벨리(Belly), 보쉬(Bosh), 풍구 레벨(Tuyere Level) 및 허스(Hearth)에서의 아래의 훨씬 더 높은 평균 열 부하들은 모두 더 높은 성능의 사용을 요구하지만 더 고가의 구리 스테이브들을 요구한다.

주철 금속은 열전도율이 비교적 매우 낮기 때문에 주철 스테이브들은 주동 스테이브들보다 냉각 효율이 떨어진다. 이들의 고유의 열 저항으로 인해, 너무 많은 부하가 발생되면, 열이 너무 많이 쌓일 수 있다. 내부 결합이 불량하면 불필요하게 전체 열 저항을 추가할 수 있다. 그렇지 않으면, 주철에 균열들이 생겨 균열이 강관 자체로 전파될 수 있다. 주철 스테이브들은, 그 내부 수냉 튜브들에서 순환하는 쿨런트들과 주철 스테이브 본체의 고온면들 사이에 열적 배리어를 추가한 탈-결합(de-bonding) 층을 갖는다. 이러한 효과들 양방 모두는 주철 스테이브들의 전체 열 전달 능력들을 감소시키는 데 도움이 된다.

고온면 온도가 700℃ 이상 올라갈 때에는 주철 스테이브 열 전달 성능에 있어서의 이러한 비효율성으로 인해 주철 스테이브들에 과도한 응력을 줄 수 있다. 열 변형은 피하기 어렵다. 주철 스테이브 본체들은 매우 높은 온도들에서 동작될 때 위상-볼륨(phase-volume) 변환을 겪을 수 있다. 피로 균열, 스테이브 본체 재료 스폴링(spalling) 및 노 열에 직접 노출되는 냉각관들은 공통 고장(common failure)들이다. 스테이브 쿨러들은 직접 환원철(DRI: direct reduced iron)의 생산을 위한 환원 용기들에도 또한 사용될 수 있다.

스테이브 쿨러는 2015년 12월 31일에 공개된 미국 공개특허출원 US-2015-0377554-A1에서의 Todd Smith에 의해 설명된다. 요약서에 다음과 같이 기재되어 있다:

스테이브는 외부 하우징, 외부 하우징 내에 하우징된 개별 파이프들을 포함하는 내부 파이프 순환로(circuit)를 포함하되, 개별 파이프들 각각은 입구 단부 및 출구 단부를 가지며, 각각의 파이프는, 다른 파이프에, 그리고 하우징에 일체형이거나 하우징 상에 또는 하우징 내에 배치된 매니폴드에 기계적으로 연결되거나 연결되지 않을 수 있으며; 각각의 개별 파이프의 입구 및/또는 출구 단부들은 매니폴드 내에 배치되거나 매니폴드에 의해 하우징된다. 매니폴드는 탄소강으로 이루어질 수 있음과 동시에 하우징은 구리로 이루어질 수 있다.

Todd Smith는 또한 “각각의 개별 파이프의 각각의 입구 및 출구 단부들은 매니폴드의 하우징 내에서 주동에 의해 부분적으로 둘러싸일 수 있다” 라고 덧붙였다.

액체 냉각식 스테이브 쿨러들이 제련로들의 강철 격납 쉘들 내부에 배치될 때, 외부로의 호스(hose) 연결들을 완성하려면 기존의 각 쿨런트 연결부는 쉘에 대응 관통부 또는 액세스 윈도우를 가져야 한다. 그리고, 통상적으로, 각각의 스테이브 쿨러는 강철 격납 쉘에 볼트로 고정되거나 그렇지 않으면 기계적으로 부착되어, 그 자체에 대한 수직 지지를, 그리고 그것이 그 고온면 상에서 지지하고 냉각하는 내화 벽돌 라이닝(lining)을 제공한다.

용광로 내부의 뜨거운 제련은, 내화 벽돌들 사이에서의 유출(escape) 경로, 그리고 스테이브 쿨러들 사이에서의 유출 경로 그리고 격납 쉘에서의 임의의 개구부들을 통해 밖으로 통하는 유출 경로를 찾게 될, 매우 뜨겁고 독성이 있으며 종종 가연성인 공정 가스들을 생성한다. 따라서, 이들 관통부 지점들은 양호한 가스 밀봉부들을 가져야 한다. 하나의 관통부는 여러 개일 때보다 밀봉하기에 그리고 밀봉 상태를 유지하기에 더 용이하다. 반면, 둘 이상의 고정 지점들은 열에 의해 유도된 기계적 응력들을 유발할 것이다.

그러나, 스테이브 쿨러들, 격납 쉘들 및 내화 벽돌은 모두 열 팽창력들에 영향을 받기 때문에, 가스 밀봉부들이 지속적으로 앞뒤로 작동됨으로써 캠페인 연도 동안 손상될 수 있다. Todd Smith에 의해 기술된 바와 같은 스테이브 쿨러들은 내부에 쿨런트 배관의 많은 독립 순환로들을 가지고 있으며, 각각은, 격납 쉘을 통과하여 다시 밖으로 전달되어야 하는 쿨런트 연결 단부들의 쌍들(pairs)을 생성한다.

Todd Smith는 구리로 이루어질 수도 있는 하우징의 뒷면에 탄소강으로 이루어질 수 있는 "매니폴드"를 설명한다. 그는 그의 스테이브(100)가 노 쉘(51)을 통해 100으로 그리고 100로부터 통하는 입구/출구 배관(108)에 필요한 노 쉘(51)에서 요구되는 액세스 홀들 또는 개구들의 수를 감소시키므로 설치의 용이함을 제공한다. 그리고, 그는, 단락 [0094]에서, 스테이브(100)는 노 쉘(51) 상에 스테이브(100)의 설치에 필요한 많은 지지를 제공하기 위해 매우 강한 구조로 되어 있다고 말한다. 노 쉘로의 개별 파이프 연결부들이 제거되었으므로 노 내에서의 온도 변화들로 인한 스테이브 팽창/수축의 영향들이 최소화된다. 그리고, 스테이브(100)는 그러한 연결들이 제거되었으므로 노 쉘(51)과의 파이프 연결들에서의 용접부 파손들을 감소시킨다. Todd Smith는 그의 스테이브(100)가 노 쉘(51) 상에 스테이브(100)를 지지하는 데 도움을 주기 위해 필요로 되는 임의의 지지 볼트들의 중요성/중요도를 감소시킨다고 덧붙였는데, 그 이유는, 노 쉘(51) 상에 스테이브(100)를 지지하는 데 요구되는 많은 하중을 매니폴드(106)가 지탱하므로 스테이브(100)를 독립적으로 지지하기 위해 이러한 볼트들에 더 이상 의존하지 않기 때문이라고 한다.

공정 가스 밀봉 및 격납을 제어하기 위해서는 업계에서 항상 적절한 강철로 칼라처리된(collared) 단 1개의 관통 격벽 넥(through-bulkhead neck)을 갖는 스테이브 쿨러가 필요하다. 단일 직사각형 구리 본체 내의 모든 쿨런트 순환로들로부터의 모든 쿨런트 배관은 단일의 단단한 그룹으로 통과해야만 하며 그런 다음 외부에서 강철 격납 쉘 외부로 연결되어야 한다. 이것은 열 팽창 및 수축의 부작용을 관리 가능한 레벨로 최소화한다. 노 쉘을 통해 개별 파이프 연결부들을 단단히 그룹화하면 작업시 열화되는 힘들이 제한된다.

이러한 목적을 위해, 스테이브 쿨러들은 격리 쉘의 단일 대응 관통부에서의 단일 걸이형(single hanging) 관통 격벽에 의한 수직의 기계적 지지에 전적으로 의존해야 한다. 오직 "많은 하중"만을 지탱하려고 하면, 스테이브 쿨러 당 강철 격납 쉘이 두 개 이상의 관통부로 개구되게 된다. 스테이브 쿨러의 무게를 지지하고 모든 쿨런트 배관을 연결하는 두 가지 작업들은 항상 단일의 관통 격벽 넥에서 공유되어야 한다.

간략하게, 본 발명의 주철 및 주동 스테이브 쿨러 실시예들은 모든 스테이브 쿨러의 중량으로 하여금 후면 상의 단일 기밀 강철 칼라에 의해 노 격납 쉘 내부에서 지지되게 한다. 각 쿨러에서의 모든 쿨런트 배관은 모든 외부 연결부로 하여금 하나의 강철 칼라를 통해 함께 수집되어 라우팅되게 한다. 마모 방지 배리어는 고온면 상에 배치된다. 이는 금속 인서트들 또는 내화 벽돌들을 유지하는 리브(rib)들 및 채널들의 수평 로우(rows)들 중 적어도 하나, 또는 주조 가능 시멘트 및/또는 용융물로부터 그 자리에서 동결된 부착물(accretion)들을 유지하는 데 도움을 주는 포켓들, 또는 비드, 크로스해치(crosshatch) 또는 직조(weave) 패턴들로 용접되는 일 영역의 경면(hardfacing)의 적용을 포함하도록 제한된다.

도 1은 액체 쿨런트 순환을 위해 스테이브 쿨러 당 하나의 관통부만을 갖는 강철 격납 쉘을 갖는 본 발명의 수직 배향 금속 제련로 또는 전환로(smelting furnace) 실시예의 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 바와 같은 노의 중간 부분의 단면도이고, 본 발명의 스테이브 쿨러 실시예들이 돌축 넥들 상의 강철 칼라들 주위에서 강철 대 강철(steel-to-steel) 용접으로 공정 가스들의 유출을 밀봉해 내고, 주조 가능한 내화 시멘트로 하여금 그 뒤에 패킹되게 하는 방식을 나타낸다. 벽돌들은 테이퍼형 그루브(groove)들에 삽입된다. 포켓들이 대신 제공되는 경우, 포켓들은 내화성 케스터블(castable) 또는 램(ram)으로 채워진다. 강철 격납 쉘은 스테이브 쿨러 당 한 번만 관통되며 액체 쿨런트 순환을 위한 모든 배관은 단일 그룹으로 함께 취합되어 그 각각의 강철 칼라들 내부의 돌출 넥들을 통과한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 스테이브 쿨러 실시예의 저온면(cold face), 측면 및 저부 에지도이다.
도 4는 도 1, 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c의 스테이브 쿨러들을 제조하는 데 유용한 구리 주조 몰드의 단면도이다.
도 5는 도 1, 도 2, 도 3a 내지 도 3c와 같은 본 발명의 스테이브 쿨러 실시예의 사시도이다.
도 6은 강철 격납 쉘 내부에 장착 및 용접되는 도 1, 도 2, 도 3a 내지 도 3c에 나타낸 바와 같은 본 발명의 스테이브 쿨러 실시예의 사시도 및 컷어웨이(cutaway) 도면이다.
도 7은 액체, 수계(water-based) 쿨런트 중 임의의 것이 유출되거나 건식 제련로(pyrometallurgical furnace)로 누출될 경우 비등 액체 팽창 증기 폭발(BLEVE: boiling liquid expanding vapor explosion)로부터 본질적으로 안전한 본 발명의 냉각 시스템 실시예의 개략적 형태의 기능 블록도이다.
도 8은 강철 격납 쉘 내에 걸려 있는 본 발명의 스테이브 쿨러 실시예의 단면도이다. 이 도면은 본 발명의 강철 칼라 실시예의 탄소강과 스테인리스 강 (또는 니켈 합금) 부분들을 접합하는 "특수 용접부"의 위치를 상세히 설명한다.
도 9a는 포켓들 및 경면 용접 오버레이들로 고정된 스테이브 쿨러의 고온면의 평면도이다.
도 9b는 도 9a의 선 9B-9B를 따라 취해진 하나의 포켓의 단면도이다.

철 제련로는 고 환원 환경에서 동작하며 위험한 레벨의 독성 및 높은 가연성 일산화탄소(CO) 가스를 생성한다. 일산화탄소는 공기보다 밀도가 약간 낮은 무색, 무취 및 무미의 가스이다. 그것이 약 35-ppm 이상의 농도에서 만나면 혈색소 동물에 유독하다. 일산화탄소는 탄소 함유 화합물의 부분 산화로부터 생성된다. 그것은 철을 제련할 때와 같이 이산화탄소(CO₂)를 생성하기에 충분한 산소가 없을 때 형성된다. 대기 중 산소 농도가 존재하는 경우 일산화탄소는 비가시성 블루 플레임(blue flame)으로 연소되어 이산화탄소를 생성한다.

그러므로, 스테이브 쿨러, 주조 가능한 내화 시멘트에 있어서의 균열, 그리고 쿨런트 연결부들 및 스테이브 지지 패스너들에서의 강철 격납 쉘들 내에 용접된 밀봉부들 사이의 틈을 통과하는 잘못된 일산화탄소 공정 가스들을 제어하고 막는 것이 매우 중요하다.

구리의 열전도도가 주철보다 훨씬 우수하기 때문에 스테이브 쿨러의 경우 주철보다 구리가 훨씬 선호된다. 그러나 구리는 주철에 비해 비교적 부드럽고 쉽게 마모된다. 노 내부의 "코크스"의 휘젓기(churning) 및 롤링(roiling)은 벽, 특히 상층부에서의 벽에 대한 마모가 심하다. 그러므로, 구리 스테이브 쿨러들이 10년 이상 연장된 캠페인에서 존속하려면 그 고온면들에 어떤 종류의 내마모성 외장(facing)이 통합되어야 한다.

도 1은 본 발명의 다양한 스테이브 쿨러 실시예들이 강철 격납 쉘 내부에 설치된 전형적인 용광로(100)를 나타낸다. 도 6은 이들이 장착되고 조립되는 신규한 방식을 상세히 나타낸다.

환원 제련에서, 광석은 플럭스가 있는 상태에서 탄소에 의해 환원되어 용탕 및 슬래그를 생성한다. DRI를 생성하는 환원 용기들에서는 코크스 대신 석탄이 사용된다. 전형적인 용광로(100)는 스택(104), 벨리(106), 보쉬(108), 풍구 레벨(110) 및 허스(112)와 같은, 내부에 여러 필수 동작 구역들을 갖는 강철 격납 쉘(102)을 포함한다. l평균 동작 온도들은 더 낮은 상승된 스택(104) 및 그 아래에서 훨씬 더 가혹하므로, 그 스테이브 쿨러들 상에는 열 부하가 더 요청된다. 중간 스택(104) 및 그 위에서의 것들과 비교된다.

그러므로, 본 발명의 액체 냉각식 주철형 스테이브 쿨러 실시예는 중간 스택(104) 및 그 위에서 사용된다. 이러한 주철 스테이브 쿨러들은 여기에서 일반적인 참조 번호 114로 지칭된다. 주철 재료는 우수한 내마모성을 제공하지만 구리만큼의 열 전도성은 아니다. 그 고유의 열 저항이 문제되고 철 스테이브가 균열되기 쉽다.

그러므로, 본 발명의 주동형 스테이브 쿨러 실시예는 하부 스택(104) 및 그 아래에서 사용된다. 이러한 주동 스테이브 쿨러들은 여기에서 일반적인 참조 번호 116으로 지칭된다. 고품질의 구리 재료는 우수한 열 전도성을 제공하지만 노 내부의 재료들의 교반 및 휘젓기에 의해 쉽게 마모되므로, 각 주동 스테이브 쿨러의 고온면들의 전체 외부 표면 영역에 통합된 내마모성 표면을 포함해야 한다.

도 2는 주철 스테이브 쿨러들(114)(도 1) 또는 주동 스테이브 쿨러들(116) 중 어느 일방을 사용하는 본 발명의 일 실시예에서 철 제련로(200)의 단면을 나타낸다. 이 예에서, 외부 강철 격납 쉘(202)의 내부들은 구리 스테이브 쿨러들(204)로 라이닝되어 있다. 이들은 각각 단일 돌출부(206)를 가지며, 이러한 각 돌출부(206)는 강철 대 강철 용접 칼라(208)로 자켓팅(jacket)된다.

완성된 환형의 강철 대 강철 용접부(210)는 각각의 구리 스테이브 쿨러들(204)의 장착을 보장하고 제어되지 않은 공정 가스들(212)의 유출을 방지한다. 주조 가능한 내화 시멘트(214)는 공정 가스들(212)의 임의의 제어되지 않은 유출을 더 방지하기 위해 강철 격납 쉘(202)의 내벽들 전방에서 각각의 구리 스테이브 쿨러(204) 뒤에 패킹된다.

주동 스테이브 쿨러들은 그 캠페인 수명이 10년을 초과하려면 그 고온면들에 내마모성 외장 또는 층이 통합되는 것을 요구한다. 주철 스테이브 쿨러들은 주철 자체가 내마모성이 우수하지 않기 때문이다.

그러므로, 구리 스테이브 쿨러들(204)의 고온면들은 전형적인 제련로 코크스(218) 내부에서 롤링 마모에 의해 야기된 침식을 제한하는 재료들을 수용하기 위해 다수의 상이한 방식으로 마무리 될 수 있다.

종래의 기법은 내화 벽돌, 주조 가능한 내화 시멘트, 또는 심지어는 주철 금속 인서트의 로우들을 유지하기 위해 고온면들을 수평으로 그루브 가공하는 것이었다. 대안적인 실시예에서, 고온면들은 내마모성 금속 또는 세라믹의 용접 오버레이 또는 스프레이 코팅을 포함한다. 예를 들어, 용접 오버레이 및 금속 스프레이 코팅들을 위한 니켈 및 크롬이 그것이다. 이산화규소는 세라믹 스프레이 코팅들에 유용하다.

내마모성을 높일 추가 옵션은 설치 중에 일치하는 금속 인서트를 나중에 삽입하기 위해 수직 또는 수평 그루브들을 고온면으로 기계가공하는 것을 수반한다.

도 2는 고온면 상의 수평 그루브들 내에 삽입된 내화 벽돌들(216)의 로우들을 나타낸 것에 의해, 가능한 내마모성 외장 유형들의 범위를 단순화시켰다. 이러한 벽돌들은 보통 그루브들의 구리 립(lip)들을 덮기 위해 계속 이어질 것이다. 대안적으로, 스테이브 쿨러의 전체 고온면들은, 그루브 가공 또는 슬로팅 대신에, 주조 가능한 내화 시멘트를 보다 잘 유지하기 위해 깊이 딤플링(pocket) 또는 포켓팅(pocket)될 수 있다.

제련로 코크스(218)는 구리 스테이브 쿨러들(204)의 고온면들 상에서 냉각됨에 따라 부착물의 층(220)을 형성하는 데 도움이 될 것이다. 이러한 부착물은 응축 가스, 슬래그 및 금속을 포함한다. 구리 스테이브 쿨러들(204) 내부의 액체 쿨런트 배관(222)의 내부 배열은 모두 강철 격납 쉘(202) 외부의 호스들(224)과의 외부 연결을 위해 단일 그룹으로 라우팅된다. 이들은 모두 각각의 스테이브 쿨러(204)의 하나의 단일 돌출부(206)를 통과해야 한다.

종래의 천공된 빌릿(billet) 블록형의 스테이브 쿨러 제작은, 모든 내부 쿨런트 통로들로 하여금 단일 돌출부(206) 내에서 (강철 대 강철 용접 칼라(208)의 내부에서) 단일 그룹으로 시작하고 종료되도록 하기 위해 너무 많은 드릴링(drilling) 및 플러깅(plugging)이 필요하기 때문에 본 발명의 실용적인 대안 실시예는 아니다.

그 강철 격납 쉘들 내부에서 액체 냉각식 구리 스테이브 쿨러들을 사용하는 철 제련로들은 액체 쿨런트 연결들을 위해 제공된 격납 쉘에서의 많은 관통부들 중 임의의 것을 통해 일산화탄소(CO) 가스를 누출시킬 수 있다. 이들 관통부는 모두 밀봉될 필요가있으며, 노의 캠페인 수명 동안 밀봉부들이 단단히 고정되어 있어야 한다. 일산화탄소 가스는 매우 유독하고 무취이며 무색이고, 비가시성 플레임으로 일반 공기에서 매우 뜨겁게 연소될 수 있다. 이것이 매우 위험한 이유이다. 천공된 빌릿에 강철 칼라를 용접할 필요가 있는 실시예들은 고유한 높은 용접 파손 가능성으로 인해 바람직하지 않다.

강철 격납 쉘들을 갖는 제련로들을 위한 본 발명의 하나의 액체 냉각식 스테이브 쿨러 실시예에서, 고체 구리 스테이브 본체는 평평하고 직사각형 형태로 주조된다. 이들은 직립형, 원통형 및 원형의 노에 더 잘 맞도록 약간 구부러질 수도 있다. 이들 스테이브 쿨러는 통상적으로 높이가 약 2.5미터, 폭이 1.0미터, 두께가 120mm이다. 따라서, 일반적으로, 액체 냉각식 스테이브 쿨러들(114, 116 및 204)과 같은 실시예들은 실질적으로 폭보다 키가 더 크고, 실질적으로 두께보다 폭이 더 넓다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 전형적인 실시예에서 주동 쿨러 스테이브(300)를 나타낸다. 모든 코너부들(corners)과 에지부들(edges)이 부드럽고 둥글게 마무리된다. (샤프 에지부들(Sharp edges)은 주조 가능한 내화 시멘트에서 기계적 응력들에 악영향을 미친다.) 구리 본체(302)는 쿨런트 배관(304 및 306)의 미리 형성되고 미리 성형된 독립 순환로들을 통해 주조된다. 단일 돌출 넥(308)은 강철 칼라(310)에 의해 완전히 칼라처리된다.

강철 칼라(310), 구리 넥 돌출부(308) 및 구리 본체(302)는 강철 대 구리 용접으로 서로 잘 함께 결합되지 않을 것이다. 훨씬 더 안전하고 기밀성이 높은 부착물이 필요하다. 따라서, 강철 칼라(310)는 바람직하게는 주조 동안 넥(308) 및 본체 (302)의 구리 내에 매립된다. 도 4를 참조한다. 주조 목적을 위해, 강철 칼라(310)는 두 부분으로 제작될 수도 있다. 예컨대, 스테인리스 강의 제 1 부분이 구리 스테이브로 주조된 다음, 이러한 주조가 완료된 후 제 2 부분, 예컨대, 탄소강이 특수 용접부에 의해 제 1 부분에 부착된다.

이러한 구리 스테이브 쿨러들의 전체 무게는 강철 칼라들(310)에 전적으로 달려 있으므로 이 부담으로 이 두 가지는 분리되어서는 아니된다. 강철 칼라(310)의 매립 단부는 그 에지들이 플레어(flare)로 되어서 구리 주조물에 기계적으로 "잠금"되도록 유리하게 제작될 수 있다. 앵커들(813)(도 8)은 또한 강철 칼라들에 추가되어 구리와의 기계적 잠금을 증가시킬 수 있다.

이제, 넥들(308)을 강철 격납 쉘들 내의 그 대응 관통부들에 밀봉하는 문제로 돌아가서, 예컨대 주철 대 강철, 또는 주동 대 강철과 같이 그 각각의 금속 이종성 때문에, 주철 스테이브 쿨러도 또는 주동 스테이브 쿨러도 직접 매우 잘 용접되지는 않을 것이다. 그러나, 격납 쉘 외부의 우수한 기밀 용접부들은 잘못된 공정 가스들의 유출을 막고 스테이브 쿨러를 격납 쉘에 기계적으로 지지하고 고정하기 위해 필수적이다.

따라서 강철 격납 쉘들(102, 202)을 통과하는 스테이브 쿨러들의 어떤 부분도 그 부분이 격납 쉘의 강철에 용접될 수 있도록 "적응"되어야 한다.

넥(308)에서의 구리는 본체(302)의 구리 주조물의 연속 부분이다. 넥(308)에서의 이러한 구리 주조물 강철 칼라(310)의 말단부 내부의 공간들을 완전히 채우지 않을 수 있다. 따라서, 남은 공간들은 패킹 재료로 채워져서, 넥(308) 내부에서까지도 얻는 임의의 다루기 힘든 공정 가스들을 지연시킬 수 있다.

도 3a 내지도 3c는 스테이브 쿨러 내의 쿨런트 배관의 모든 독립 순환로들이 함께 그룹화되고 넥(308) 내에서만 종단되어야 한다는 것을 예시하도록 의도된다. 그런 다음, 이러한 독립 순환로들은, 예컨대 강철 격납 쉘(202) 외부의 가요성 쿨런트 호스들(224)(도 2)을 이용하여 외부적으로 연결 가능하다.

본체(302)의 저온면 상에서의 넥 (308)의 배치 및 배향이 중요하다. 이러한 한 지점은 격납 쉘(102, 202)의 내부 상에서의 스테이브 쿨러(300)의 전체 중량에 대한 모든 수직 지지를 제공한다. 스테이브 쿨러(300)는 도 3a에서와 같이 벽 상에서의 단일 후크(hook) 상에 사진 액자가 걸려 있는 것처럼 그 자체 상에 똑바로 걸려 있어야 한다. 하지만, 도 3b와 관련하여, 노의 내부 프로파일 및 윤곽을 따르기 위해 하부가 상부에 대해 격납 쉘(102, 202)의 내부를 향해 안으로 또는 밖으로 기울어질 필요가 있을 수도 있다.

강철 격납 쉘에 부착되거나 강철 격납 쉘로부터 격리시키기 위해 다수의 볼트들 또는 스트럿(strut)들이 저온면 상에 배치될 수도 있다. 이것들은 도 3b에서와 같이 똑바로 그리고 수직으로 걸려 있는 그것의 반대 편으로부터 밀어젖히는 데 필요한, 액체 냉각식 스테이브 쿨러의 임의의 상단부 또는 하단부 전방 기울기를 설정하는 데 도움을 준다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 스테이브 쿨러(300)는 넥(308)이 상부 에지에 가깝게 배치되고 가상의 횡방향 중간 라인에 걸치면 가장 똑바로 걸릴 것이다. 스테이브 쿨러(300)의 구성이 이 가상의 횡방향 중간 라인에 대해 대칭이면, 그것의 무게 중심(COG: center of gravity)이 이등분될 것이다.

넥(308) 및 강철 칼라(310)는, 둥근 코너부들을 갖는 거의 정사각형으로서 도 3a 내지 도 3b에 도시되어 있다. 그러나 그것들은 또한 원통형 "캔” 형상으로 구성될 수도 있다. 강철 격납 쉘들(102, 202)에 제공된 대응 관통부들은 물론 둥글거나 타원형이어야 한다. 구리 주조 스테이브 쿨러들(300)을 구성하기 위해 특수 주조 및 제작 방법들이 필요할 수도 있다.

도 4는 예를 들어 구리 주조 스테이브 쿨러들(300)을 주조 및 제작하기 위한 방법(400)을 나타낸다. 구리 주조 방법들은 아주 오래되었으며 잘 알려져 있다. 그러므로, 구리 주조에 대한 종래의 많은 세부 사항이 여기에서 설명될 필요는 없다.

몰드(402)는 미리 성형되고 미리 형성된 파이프들 및 피팅(fitting)들의 네트워크(404)를 수용하기 위해 분할 개방된다. 강철 대 강철 용접 칼라(406)는 몰드(402)의 상부의 내부에 미리 배치되고 파이프 네트워크(404)의 커플링 단부들을 둘러싸고 있다.

몰드(402)는 강철 대 강철 용접 칼라(406)가 위를 향하고 몰드를 프라우드(proud) 하여 평평하고 편평하게 위치결정된다. 구리의 용융된 액체 흐름(408)은 중심 아래로부터 부드럽고 고르게 올라가고 상승하는 것이 바람직하다. 에지부들로부터의 공급은 한쪽으로 치우친 수축을 촉진한다. 타설(pour)은 강철 대 강철 용접 칼라(406)를 내장하고 파이프 네트워크(404)와 완전히 침지 및 결합하기 위해 내부 및 주변으로 상승한다. 타설은 특정 레벨(410)까지 계속되고, 그런 다음 전체가 천천히 냉각되고 응고되는 것이 허용된다.

주조 동안 구리의 순수한 결정질 형성은 바람직하지 않은데, 그 이유는 이러한 구리 주조물들이 쿨런트 배관과 잘 결합되지 않을 것이기 때문이다. 소립 구리가 가장 좋지만, IACS(International Annealed Copper Standard)의 최소 80% 아래로 떨어지는 전기 전도도 품질 제어 수단을 희생하지는 않는다. (열전도도는 전기 전도도를 추적하며 제조시 전기 전도도는 간단하고 측정하기 용이하다.)

제련로들에서 스테이브 쿨러 사용시 높은 평균 열 부하 하에서 최고의 성능을 발휘하려면 용탕 열, 타설 후 냉각 속도, 강도를 개선하고 입자 크기를 제어하기 위해 추가된 합금, 탈산소제, 주조물과의 파이프 결합 최적화, 그리고 80% IACS의 전기 전도도 아래로 떨어지지 않는 것과 같은 요인들의 균형을 요구하므로 열 전도도는 주철을 성가시게 하는 열 저항 및 열 경사도가 비교적 없을 것이다.

개방 공간(412)은 강철 대 강철 용접 칼라(406) 내부에 의도적으로 남겨질 수도 있다.

여기에서 강철 대 강철 용접 칼라들은 돌출 넥들로 단단히 밀봉되어야 한다. (공정 가스들이 잘못 유출되는 것을 방지하기 위해) 이러한 강철 대 강철 용접 칼라들을 구성하는 실용적인 방법은 코너부들이 둥글고 이음새 또는 용접부들이 없는 한 가닥의 구조적 강철 튜빙(tubing)을 사용하는 것이다. 대구경의 원형 파이프도 또한 가능하다. 바람직하게는, 구조적 강철 튜빙에 사용되는 강철은 강철 격납 쉘이 포함된 강철의 열 팽창 계수와 일치하는 열 팽창 계수를 갖는 강철의 유형을 포함한다.

탄소강의 강철 대 강철 용접 칼라들 내부에서 구리를 주조하면 둘 사이의 조인트가 깨끗하지 않을 수도 있다. 그것이 문제인 경우 여기에 스테인리스 강 또는 니켈 합금을 사용하는 것이 좋을 수도 있다. 주조하는 동안 아래에서 강철 대 강철 용접 칼라 내로 범람되는 액체 용융 구리의 레벨은 하부 절반만 채우는 것으로 제한될 수 있다. 상부 절반의 내부는 잘못된 유출 공정 가스들을 방지하기 위해 몇몇 적합한 패킹으로 나중에 채워질 수 있다.

각각의 액체 냉각식 스테이브 쿨러 실시예는 단일 공통 층에서 평평한 루프들로서 배치된 적어도 2개의 독립적인 쿨런트 배관의 순환로들을 포함한다. 하나의 루프는 종종 다른 루프 내에 놓일 수 있다. 쿨런트 배관의 모든 그러한 독립적인 순환로들은 고체 구리 스테이브 본체들 내부에, 균일하도록, 평행하도록, 그리고 고온면들의 내부에 근접하도록 배열된다.

쿨런트 배관의 각 독립적인 순환로의 각 단부는 모두 강철 대 강철 용접 칼라의 내부와 돌출 넥 양방 모두의 내부에서 그리고 양방 모두를 통해 단일 그룹으로 함께 구성된다. 강철 칼라들에 추가된 앵커들(813)(도 8)은 주동을 이용하여 임의의 기계적 잠금을 높이는 데 도움을 준다. 이 요건은 실용적으로 너무 많은 플러그들이 필요하기 때문에 빌릿 방법들에서의 드릴링을 방해할 것이다.

일반적으로, 강철 격납 쉘들을 갖는 제련로들을 위한 액체 냉각식 스테이브 쿨러는, 상단 에지부, 하단 에지부, 좌측 및 우측 에지부들, 고온면 및 저온면을 가지며 형상에 있어서 직사각형인 스테이브 본체의 단일 구리 주조물을 포함한다. 이러한 각각의 스테이브 본체는 실질적으로 폭보다 키가 더 크고, 실질적으로 두께보다 폭이 더 넓다. 각 스테이브는 평면에서 직선형 또는 곡선형이거나 측면에서 볼 때 직선형, 굽힘형 또는 곡선형일 수도 있다. 스테이브들은, 예컨대 공정 가스들의 유출을 밀봉하기 위해 제련로의 강철 격납 쉘의 내부에 대해 시멘트처리되도록 구성된다.

쿨런트 배관의 독립적인 순환로들은 두 개 이상 있는데, 모두 단일 층에서 평평한 루프들로서 스테이브 본체 내에 주조되고 고온면의 내부에 균일하도록, 평행하도록, 그리고 고온면들의 내부에 근접하도록 배열된다.

내마모성 외장은 종종 구리 스테이브 쿨러들의 고온면의 전체 외부 표면 영역에 통합된다. 노 내부에서 재료를 휘젓고 롤링하는 것에 대해 구리보다 높은 내마모성을 가진 차폐 재료가 필요하다. 그것은 스테이브 본체의 구리 주조물을 환경적으로 보호하도록 배치된다. 구리 스테이브 쿨러들이 내마모성 외장으로 보호되지 않으면 구리 스테이브 쿨러는 항상 냉각되고 고온면 상에 동결된 부착물의 보호층을 스스로 유지할 수 있도록 충분히 액체 냉각되어야 한다.

그러므로, 본 발명의 구리 스테이브 쿨러 실시예들은 항상 단일 구리 주조물의 단일 돌출 세장형(elongated) 넥이 스테이브 본체의 상부 에지부의 중앙 및 저온면 상에 근접하여 배치될 것이다. 그것은 강철 격납 쉘 내에서 액체 냉각식 스테이브 쿨러의 전체 중량을 단일 관통부로부터 수직으로 지지하도록 구성된다. 강철 대 강철 용접 칼라는 돌출 세장형 넥의 단부를 완전히 자켓팅한다. 이러한 것은 바람직하게는 둥근 코너부들을 가지며 이음매 또는 용접부를 갖지 않는 구조적 강철 튜빙과 유사한 조립식 재료를 포함한다.

그러므로, 본 발명의 모든 스테이브 쿨러 실시예는 강철 격납 쉘이 포함된 그것의 강철 유형의 열 팽창 계수와 실질적으로 일치하는 열 팽창 계수를 갖는 강철 유형으로 이루어진 강철 대 강철 용접 칼라를 항상 가질 것이다. 쿨런트 배관의 각 독립적인 순환로의 각 단부는 모두 강철 대 강철 용접 칼라에 의해 자켓팅된 돌출 세장형 넥의 내부에서 그리고 넥을 통해 단일 그룹으로 함께 구성된다.

본 발명의 몇몇 스테이브 쿨러 실시예들은, 고온면의 전체 표면 영역 내에 통합된 내마모성 외관이 내화 벽돌, 주조 가능한 내화 시멘트 및 금속 인서트들 중 하나를 유지하기 위해 고체 구리 스테이브 본체 내에 주조된 다수의 수평 및 평행 그루브들을 포함할 수 있음을 포함할 것이다.

이러한 내마모성 외관들은 대안적으로 주조 가능한 내화 시멘트를 유지하기 위해 고체 구리 스테이브 본체 내에 주조된 깊은 직사각형 표면 포켓들 또는 딤플(dimple)들의 그리드 패턴을 포함할 수도 있다.

고온면의 전체 표면 영역에 통합된 임의의 내마모성 외관은 대안적으로 구리 재료 상에 증착된 용접 금속층을 더 포함할 수도 있다.

시공 중 습식 주조 가능 내화 시멘트 내로의 격납 밀봉부들 내부의 무거운 스테이브 쿨러들의 올바른 기울기 및 각도 설정은, 강철 격납 쉘에 스페이서들로서 다수의 스트럿들 또는 볼트들을 그 후면 상에 배치함으로써 도움을 받을 수 있다. 주조 가능 내화 재료는 스테이브 쿨러들이 설치된 후에 배치되며, 이러한 디바이스들은, 그렇지 않으면 가정되지 않을, 액체 냉각식 스테이브 쿨러의 스탠드오프(standoff) 및 기울기를 유지할 수 있다.

모든 실시예에서, 강철 대 강철 용접 칼라의 외부와 강철 격납 쉘의 대응 관통부의 내부 사이에는 일치 유형의 강철의 환형 강철 대 강철 용접이 요구된다. 시공 중 가스 밀봉을 양호하게 유지하고 나서 캠페인 수명 동안 차후에 유지하는 것의 중요한 장점은, 공정 가스들이 강철 격납 쉘의 내부로부터 유출되는 것 그리고 작업자를 다치게 하거나 장비를 손상시키는 것을 방지한다는 점이다. 하나의 관통부로 제한하면, 재료 불일치로 인한 금속 응력 집중을 피할 수 있다. 이러한 이유들은 특히 오랜 사용 기간에 걸쳐 종래의 밀봉부들의 고장들을 야기해 왔다.

항상, 구리 스테이브 쿨러 실시예들에 사용된 쿨런트 배관의 독립 순환로들은 하부로부터 범람된 몰드 내부의 액체 용융 구리로 주조된 가요성 튜빙의 파이프들을 포함한다. 액체 용융 구리는 강철 대 강철 용접 칼라 내부에서 천천히 상승하고 천천히 냉각되는 것이 허용된다.

통상적인 바와 같이, 다수의 로우들의 평행한 수평 그루브들은 대안적으로 고온면 전체 상에 배치될 수도 있다. 이들은 내화 벽돌들 또는 주조 가능 내화 시멘트의 부착을 조력한다.

일반적으로, 본 발명의 스테이브 쿨러 실시예들의 모든 외부 코너부들 및 에지부들은 용이하고 둥글게 마무리된다. 그러한 점은 그러한 지점들과 접촉하는 임의의 주조 가능 내화 시멘트에 더 적은 열 응력들이 가해지도록 보장한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에서의 스테이브 쿨러(500)를 나타낸다. 이는 평면 패널로서 도시되어 있지만, 일부 볼록 또는 오목 곡률에서 작동하는 것이 유리할 수도 있다. 여기서, 스테이브 쿨러(500)는 주철 또는 주동 중 어느 일방의 평면 패널 본체(502)를 포함한다. 주동인 경우, 고온면(504)는 종래의 내화 벽돌(도시되지 않음)을 잠그고 유지하기 위해 수평 그루빙(grooving)(506)을 포함할 수 있다. 주동은 주철보다 마모 및 마멸이 더 쉬우므로 주동 스테이브 쿨러들은 기존 내화 벽돌들 및 기타 내마모성 재료들에 의해 가능한 보호를 필요로 한다.

스테이브 쿨러(500)의 주동 실시예들은, 용탕 열, 타설 후 냉각 속도, 강도를 개선하고 입자 크기를 제어하기 위해 추가된 합금, 탈산소제, 주조물과의 파이프 결합 최적화, 그리고 80% IACS의 전기 전도도 아래로 떨어지지 않는 것과 같은 요인들의 균형을 가져서 그 열 전도도는 열 저항 및 열 경사도가 비교적 없을 소립 구리를 포함한다.

스테이브 쿨러(500)는 고온면(504) 바로 내부에 평면 패널 본체(502)에 내장된 다수의 액체 쿨런트 파이프 루프들 또는 튜빙을 더 포함한다. 이들 순환 액체 쿨런트는 단일 강철 칼라(512)를 통해 함께 모두 수집되는 단일 외부 배관 연결 그룹(510)을 통해 펌핑-인(pumped in) 및 인출(pulled out)되는 순환 액체 쿨런트이다. 단일 강철 칼라(512)는 철 또는 구리 주조 동안 평면 패널 본체(502)에 내장되며, 이종 금속들 사이의 간단한 결합이 이들 가혹한 응용예들에서 부적절할 수 있으므로 피스(piece)들을 기계적으로 잠금고정하는 환형 플레어(514), 앵커들 또는 다른 디바이스를 포함한다.

본 발명의 스테이브 쿨러 실시예들의 동작 안전성은 수계이지만 그럼에도 불구하고 비등 액체 팽창 증기 폭발(BLEVE)로부터 본질적으로 안전한 그것들 내에 액체 쿨런트들을 순환시킴으로써 개선될 수 있다. 본질적으로, 50% 미만의 물이 메탄올 에틸렌 글리콜(MEG)과 같은 단상(single phase) 글리콜 알코올과 혼합된다. MEG는 건조제로서 동작하고 물을 물리적 흡수에 결속시킨다. 본 발명자인 Allan MacRae는, 2018년 5월 1일자로 출원되고 발명의 명칭이 “WATER-BASED HEAT TRANSFER FLUID COOLING SYSTEMS INTRINSICALLY SAFE FROM BOILING LIQUID EXPANDING VAPOR EXPLOSION (BLEVE) IN VARIOUS PYRO- METALLURGICAL FURNACE APPLICATIONS”인 미국 특허출원 제15/968,272호에서, 이것의 세부 사항을 개시했다.

스테이브 쿨러(500)의 모든 코너부 및 에지부는 스테이브 쿨러들의 주위 및 뒤에서 통상적으로 패킹되는 주조 가능 시멘트의 균열 및 분리를 감소시키기 위해 부드럽고 뭉툭해지며, 이를 통해 위험한 공정 가스들의 유출들을 방지한다.

도 6은 스테이브 쿨러(500)가 강철 격납 쉘(602)을 갖는 원형로(600) 내부에 장착되는 유리하고 신규한 방식을 나타낸다. 각각의 스테이브 쿨러(500)를 위한 강철 격납 쉘(602)에는 오직 하나의 관통 홀(604)만이 제공된다. 강철 칼라(512)가 통과하고 연속적이며, 강철 대 강철 용접(606)으로 모든 곳에서 기밀 용접된다. 이러한 용접부(606)는 일산화탄소(CO)와 같은 내부 유해 공정 가스들이 유출되지 않도록 긴 수명의 신뢰성 높은 가스 밀봉부를 제공해야 한다. 스테이브 쿨러(500)의 전체 중량은 하나의 관통 홀(604) 내부에 강철 칼라(512)의 간단한 매달림에 의해 지지된다. 스테이브 쿨러(500)의 모든 주위의 용접부(606) 및 주조 가능 시멘트는 그것을 내부에서 미끄러지지 않게 한다.

물은 쿨런트로서 탁월한 선택인데, 그 이유는, 물의 낮은 점도가 펌핑을 용이하게 하고, 물의 높은 비열이 쿨런트 펌핑 양들과 속도를 가능한 한 낮게 유지할 수 있음을 의미하기 때문이다. 이러한 고려 사항의 균형잡힌 조합은 수계의 냉각 시스템들에서의 펌프들이 절약될 수 있음을 의미한다. 그러나 수계 쿨런트들을 고열 철 및 비철 건식 제련로들 내에 도입하면 비등 액체 팽창 증기 폭발(BLEVE)의 위험이 있다.

도 7은 BLEVE로부터 본질적으로 안전한 본 발명의 일 실시예에서의 수계 냉각 시스템(700)을 나타낸다. 열 전달 유체 혼합물(702)은 액체 펌프(704)에 의해 폐쇄 루프 내에서 순환되는 균질한 용액 내에 물, 글리콜 알코올 및 부식 억제제들을 포함한다. 열 전달 유체 혼합물(702)에 사용된 물의 백분율은 상한 및 하한 양방 모두를 갖는다. 일반적으로, 이 사용에서 물 캔은 10% 내지 50%의 범위일 수 있다.

사용될 수 있는 물의 최소 백분율은 액체 펌프(704)의 획득 및 동작 비용에 영향을 미치는 점도 증가 및 비열 감소의 악영향에 의해 제한된다. 점도가 증가함에 따라, 최소 쿨런트 속도(706)를 유지하기 위해서는 더 큰 펌핑 노력과 더 강한 액체 펌프(704)가 요구된다. 그리고 물을 희석함으로써 열 전달 유체 혼합물(702)의 비열이 감소함에 따라, 비효율을 보상할 더 높은 최소 레벨 쿨런트 속도(706)를 유지하기 위해 더 큰 용량의 액체 펌프(704)에 필요한 펌핑 노력이 더 커질 것이다.

실제로, 열 전달 유체 혼합물은 실온 점도가 20mPa.s 미만이어야 한다. 그리고 열 전달 유체 혼합물(702)은 2.3 kJ/kg.K보다 큰 비열을 가져야 한다. 그렇지 않으면, 적합한 펌프(704)에 대한 요건들이 불합리하고/하거나 관리 불가능하게 된다.

안전하게 사용될 수 있는 물의 최대 백분율은 BLEVE의 위험들에 의해 제한된다. 그 임계치보다 짧은 경우, 혼합 쿨런트 블렌드(702)는 강철 칼라(709)를 갖는 쿨러(708)로부터 고열 철 또는 비철 건식 제련로(710) 내로 유출되면 BLEVE하지 않고 연소될 것이다. 각각의 스테이브 쿨러(708)에 대한 모든 쿨런트 순환은 그 각각의 강철 칼라(709) 내에서 단일 그룹으로 통과한다. 스테이브 쿨러(708)는 도 1, 도 2, 도 3a 내지 도 3b 및 도 5의 스테이브 쿨러들(114, 116, 206, 300 및 500)과 본질적으로 동일하다.

분자간 결합 유형들은 두 가지 화학 물질이 혼화 가능한지 여부, 즉, 함께 혼합되어 균질한 용액을 형성할 수 있는지 여부를 결정한다. 여기서, 열 전달 유체 혼합물(702) 내의 물과 글리콜은 균질한 용액에서 함께 쉽게 합쳐진다. 물과 글리콜과 같은 두 가지 화학 물질이 혼합되는 경우, 각 화학 물질의 분자를 유지하는 결합들이 끊어지고 두 가지 상이한 종류의 분자들 사이에 새로운 결합들이 형성되어야 한다. 이를 위해서는 두 가지는 호환 가능한 분자간 결합 유형들을 가져야 한다. 물과 MEG 글리콜이 그러하다. 두 분자간 결합 유형들의 강도가 거의 같을수록, 두 화학 물질의 혼화 가능성이 더 커진다. 일반적으로 한 화학 물질을 다른 화학 물질과 혼합할 수있는 양에는 제한이 있지만, CH₃OH(MEG) 및 H₂O(물)와 같은 일부 경우들에서는 제한이 없으며, 하나의 임의의 양은 다른 것의 임의의 양에서 혼화 가능하다.

결과적으로, 열 전달 유체 혼합물(702) 내의 물의 백분율은 10% 내지 50%의 실제 범위를 가질 것이다. 열 전달 유체 혼합물(702)에서 물+부식 억제제들의 최적 백분율은 일반적으로 약 25%이다. 과도하지 않은 물이 흡수되지 않고 남아서 BLEVE를 지지한다.

열 전달 유체 혼합물(702)은 폐쇄 시스템에서 순환되고 가압 시스템(712)에 의해 가압된다. 전형적인 압력은 2-7bar이다. 폐쇄 시스템 내부의 압력을 높이면 열 전달 유체 혼합물(702)의 비점이 증가한다. 압력 하에서의 열 전달 유체 혼합물(702)의 최소 비점은 175℃ 이상이어야 한다.

미립자 필터(714)는, 순환하는 열 전달 유체 혼합물(702)로부터 녹(rust) 입자들, 박리된 미네랄 스케일 및 다른 고체 오염물을 제거하는 데 사용된다.

칠러 또는 열 교환기(720)는 순환에 있어서의 열 전달 유체 혼합물(702), 예컨대 노(710) 내부의 쿨러(708)에 의해 얻어진 열을 제거 및 처리하는 데 사용된다. 이러한 칠러들 및 열 교환기들은 통상적이다.

도 7은 스테이브 쿨러(708)만을 나타내지만, 마찬가지로, BLEVE로부터 본질적으로 안전한 동작의 이점들을 받기 위해 패널 쿨러, 또는 TLC(top submerged lance), 토치 또는 풍구를 위한 냉각 자켓일 수도 있다. 기존의 응용예들에서는 위험하게도 수계 액체 쿨런트들이 건식 제련로들과 매우 근접해 있다.

도 8은 다양한 금속들이 그 자체로 다른 금속들과 합금 또는 합금하지 않는 특성에 관한 것이다. 이와 관련하여 금속들이 다른 금속들과 물리적으로 얼마나 잘 결합되는지가 결정된다.

본 발명의 실시예에서의 스테이브 쿨러 설비(800)는 주철 또는 주동 스테이브 쿨러(802)를 탄소강 격납 쉘(804) 내부에 장착한다. 일 단부에 스테이브 쿨러(802)에 내장된 단일 강철 칼라(806)는 격납 쉘(804) 내의 단일 관통부(808)로부터 매달림으로써 무게의 전체 지지를 제공한다. 탄소강 대 탄소강 용접부(810)는 내부의 공정 가스가 관통부(808)를 통과하는 것을 막는다.

탄소강은 구리와 잘 결합되지 않으며, 이 둘은, 제작 동안 가스발생 및 기공(812)을 야기하는 그들 사이의 “더티(dirty)” 계면(interface)을 종종 생성한다. 강철 칼라(806)에 앵커들(813)이 추가되어 스테이브 본체 주조물을 이용하여 그 기계적 잠금을 개선할 수 있다.

본 발명의 실시예는 탄소강 칼라 부분(814)을, 함께 강철 칼라(806)로서 기능하는 "특수 용접부"(818)를 이용하여, 스테인리스 강 또는 니켈 합금 칼라 부분(816)에 함께 접합한다.

칼라 부분(816)은 전형적으로 300-시리즈 오스테나이트계 스테인리스 강 또는 니켈 합금 중 어느 일방을 포함한다. Type-304 및 Type-316은 양방 모두 수용가능하며, Type-309 및 Type-310도 마찬가지이다. 이들을 "300-시리즈 오스테나이트계 스테인리스” 라고 지칭하는 것이 가장 명확하다. 400-시리즈 마텐자이트계 스테인리스 강은 강철 쉘 플레이트에 사용된 저탄소강에 가까운 열 팽창 계수를 갖지만, 주조 공정 중에 쉽게 취화될 수 있다. 300-등급과 400-등급의 스테인리스 강 사이의 중간 정도인 듀플렉스(Duplex) 등급도 칼라 부분(816)에 효과적으로 또한 사용될 수 있다.

구리가 스테인리스 강 또는 니켈 합금에만 접촉하기 때문에 칼라 부분(816)를 사용하면 더티 계면 및 기공(812)을 피할 수 있다. 하지만, 스테인리스 강 또는 니켈 합금을 구리와 결합하는 것은 탄소강보다 낫다.

탄소 및 저 합금강(칼라 부분(814))에 오스테나이트계 스테인리스 강(칼라 부분(816))을 용접하는 것은 공정 및 건설 산업에서 통상적이다. 영국 스테인리스 협회(Sheffield, UK)는 스테인리스 강을 수반하는 이종 금속 용접부들은 텅스텐 불활성 가스(TIG) 및 금속 불활성 가스(MIG)를 포함한 대부분의 완전 융합 용접 방법들을 사용하여 수행될 수 있다고 밝혔다. 소모품 충전제들을 사용하는 용접부들은 조인트 내식성 및 기계적 특성들을 보다 잘 제어하는 것을 허용한다.

어느 용접 필러를 사용할 것인지를 결정할 때, (용접부(818)에서의) 조인트는 탄소강이 아닌 스테인리스 강인 것으로 간주된다. 예컨대, 증가된 니켈 함량을 갖는 과-합금(Over-alloyed) 충전제들은, 모(parent) 스테인리스 강의 융합 구역에서 합금 엘리먼트들의 희석을 피할 수 있다.

스테인리스 강을 수반하는 이종 강철들의 공통적인 조합들은 일반 탄소 또는 저 합금 구조 등급과 1.4301(304) 또는 1.4401(316)과 같은 오스테나이트계 스테인리스 강 등급을 포함한다. 0.20%C 미만의 탄소강 및 합금강은 오스테나이트계 스테인리스 강에 용접될 때 통상적으로 예열이 필요하지 않다. 탄소 레벨들이 0.20%를 초과하는 탄소강 및 합금강은 예열이 필요할 수도 있다. 재료 두께가 30mm 초과인 높은 구속 조인트들도 또한 예열되어야 한다. 통상적으로 150ºC의 온도가 적절하다.

탄소강은 오스테나이트계 스테인리스 강보다 수소 연관 결함이 발생하기 쉬우므로 용접 소모품은 건조되어야 한다. 스테인리스 강을 탄소강에 접합하기 위해 표준 308형의 충전제가 사용될 수 있으며, 309형(23 12L 내지 BS EN 12072)과 같은 보다 높게 합금화된 충전제들이 바람직하다. 페라이트가 너무 적고 냉각시 마르텐사이트가 형성될 수 있기 때문에, 308형(19 9L 내지 BS EN 12072)의 필러가 사용되는 경우 용접 희석 구역에서의 균열이 문제될 수 있다.

고온 서비스에서, 강철과 필러의 열 팽창률에 있어서의 차이는 열 피로 균열을 초래할 수 있다. 향상된 페라이트 레벨들로 용접부들에 대한 이들 온도에서의 노출 시간이 길어지면, 시그마 상 형성으로 인해 취성이 발생할 수 있다. 인코넬(Inconel)과 같은 니켈 기반의 충전제들은 스테인리스 강 충전제들보다 열 팽창률이 낮은 용접부들을 더 잘 생성할 수 있다.

따라서, "특수 용접부"(818)는 작업장 외부에서 효과적으로 수행될 수 없다. 그러나 용접부(810)는 항상 현장에서 수행될 수 있다.

스테이브 쿨러(802)의 본체 내부의 균열(820)은 내부 배관(822)의 균열 및 그의 순환 액체 쿨런트(824)의 손실을 초래할 수 있다. 물로 구성된 쿨런트들(824)은 BLEVE 및 심각한 폭발 및 인명 손실의 원인이 될 수 있다. 따라서, 스테이브 쿨러(802)의 본체에 사용된 주철의 경우, 균열 전파를 방지하기 위해 주조하는 동안 탈-결합 페인트(826)가 내부 배관(822)에 도포된다.

내부 배관(822)으로의 균열 전파는 스테이브 쿨러(802)의 본체에 대해 구리 주조물이 사용될 때 문제가 되지 않으므로, 탈-결합 페인트(826)가 필요하지 않다.

스테이브 쿨러(802)의 고온면 상에 내마모성 재료의 경면(hard facing)(830)이 얇은 층으로서 도포되어 스테이브 쿨러의 마모를 방지하고 그 캠페인 수명을 증가시킬 수 있다. 경면(830)에 사용된 정확한 재료들에 따라, 결합 및 내구성을 개선하기 위해 중간층(832)이 필요할 수도 있다.

더 많은 외부 코팅의 재료와 구리계 또는 주철계 재료 사이의 중간에 필요한 재료들은 일반적으로 당업자에 의해 이해된다. 하지만, 이러한 단단한 면들을 구리 또는 주철의 스테이브 쿨러 기반의 기판들에 도포하기 위해 어떤 재료들 및 어떤 증착 공정들이 필요한지는 경험적 경험을 통해 가장 긴 캠페인 수명을 생성하는 것들로 제한된다.

여기서 경면(830)은 니켈 및 크롬 및/또는 몰리브덴 및/또는 니오븀의 합금을 포함한다.

Sandmeyer Steel Company(Philadelphia, PA)는 그의 Alloy 625가 극저온으로부터 1800°F(982℃)까지 광범위한 온도들에서 뛰어난 내식성과 고강도를 갖는 오스테나이트계 결정 구조의 니켈-크롬-몰리브덴-니오븀 합금이라고 일컫는다.

합금 625의 강도는 몰리브덴 및 니오븀의 존재 하에서 니켈-크롬 매트릭스의 고용 경화(solid-solution hardening)로부터 유도된다. 석출 경화 처리들은 요구되지 않는다.

합금 625는 고온 서비스에서 핏팅(pitting), 틈새 부식, 충돌 부식, 입자간 공격, 산화 및 침탄에 대한 내성에 있어서 다양한 가혹한 동작 환경들에서 탁월하며 염화물 응력 부식에 의해 야기된 균열에 실제적으로 영향을 받지 않는다.

합금 625는 구리에 대해 용이하게 용접될 수 있으며 표준 작업장 제작 관행에 의해 처리될 수 있다.

주로 순수 구리로부터 주조되고 내부의 물을 순환시키는 쿨러들은 고성능에서 최고의 성능을 제공하며 현대식 구리 노 및 철 노의 가혹한 환경에서 작동할 수 있다. 하지만, 상대적으로 연성 구리는 마모로부터의 보호를 필요로 하며 쿨런트에서의 물은 BLEVE로부터 보호될 필요가 있다.

이 노에 있어서의 마모는 마멸, 충격, 금속성, 부식, 열 및 기타 효과들의 조합이다.

구리 스테이브 쿨러들의 고온면들 상에 발라진 주조 가능 시멘트는 사용 중 구리의 마모를 방지할 수 있다. 비교적 저온면들은 용융물로부터 발생하는 부착물의 자켓들을 침전 및 동결시키고, 이들은 주요 마모 배리어를 형성한다.

내마모성에 적합한 다른 니켈-크롬 합금들은 합금-122, 합금-622, 합금-82 및 합금-686을 포함한다. 내식성에 특히 적합한 몇몇 니켈-크롬 합금들은 합금-122, 합금-622, 합금-686 및 NC 80/20을 포함한다. 각각의 경우, 최소 니켈 함량은 55% 이어야 하고, 최소 크롬 함량은 18%, 최대 철 함량은 6% 이어야 한다.

그러나 때때로 동결된 부착물들은 균열되고, 스케일링되고, 분리되고 슬러프(sluff)가 벗겨져 구리 표면을 노출시킬 것이다. 새로운 패치들이 즉시 제자리에 동결되지만 공정과 짧은 노출들은 캠페인 수명 동안 상당한 마모를 야기할 수 있다. 고온면에 윤곽 형상으로 포함된 그루브들, 텍스쳐링 및 포켓들은 주조 가능 시멘트 및 동결된 부착물들 양방 모두를 유지하는 데 도움이 된다.

금속 및 내화 벽돌 인서트들은 또한 구리 스테이브 쿨러들이 마모되지 않도록 보호하는 통상적인 방식들이다. 그러나, 금속 및 내화 벽돌 인서트들을 유지하는 데 필요한 그루브들, 리브들 및 채널들을 마무리해 내는 데 필요한 기계가공 비용은 비싸다. 또한 인서트들을 스테이브 쿨러에 단단히 고정시키는 것은 매우 어려운 일이다. 고정이 느슨하면 인서트들이 너무 뜨거워져 마모를 가속화시키게 될 것이다. 이 특별한 종류의 운명을 겪을 수 있는 스테이브 쿨러는 2015년 12월 31일에 공개된 미국 특허출원 공개 US 2015/0377554 에서 Todd Smith 에 의해 기술된 유형들일 것이다.

내화 벽돌 Todd Smith의 도 3에 도시된 내화 벽돌들은 (Todd Smith 의 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이) 스테이브 쿨러 고온면들에 내장된 리브들과 채널들의 단단한 유지를 계속하지 않는다. 이들 내화 벽돌은 스테이브 쿨러들의 측면들로부터 미끄러져 들어가지 않고 직접 삽입 가능한 이점이 있는 것으로 보인다. 특히 수직으로 배향된 원통형 노들에서는 미끄러져 들어가는 것이 항상 가능한 것은 아닐 수도 있다.

도 9a 및 도 9b는 구리 스테이브 쿨러들(900) 및 그 고온면들(902)이 특히 내화 벽돌 또는 금속 인서트들로 실용적 또는 경제적 이유로 보호될 수 없는 응용예들을 나타낸다. 다수의 포켓들(904)이 고온면(902) 상에 분배된다. 경면 용접 오버레이(906)는 각각의 포켓(904)을 둘러싸는 고온면(902)의 더 노출된 융기된 주변부들 상에 비드, 크로스해치 또는 직조 패턴들로 적용된다.

도 8은 버퍼 또는 중간층(832) 위에 적용되는 경면(830)을 나타낸다. 경면(830)에 사용된 재료들에 따라, 임의의 버퍼 또는 중간층(832)을 포함할 필요가 없을 수도 있다.

유사하고 이종의 재료들을 스테이브 쿨러들(802 및 900)의 구리 금속 표면에 융합시키는 데 다양한 용접 기법들이 사용될 수 있다. 경면(830)은 다른 것보다 마모되기 쉬운 고온면 표면의 이들 부분에서 그룹들로 비드들(906)을 용접함으로써 적용될 수 있다. 어떤 경우들에서, 그것은 전체 표면이 용접 오버레이를 요구할 것임(예컨대, 포켓 없음)을 의미할 것이다.

본 발명의 개선된 구리 스테이브 쿨러 실시예는 포함된 고온면 표면 상의 마모, 충격, 금속 대 금속 접촉, 열 및 부식 중 적어도 하나에 대한 내마모성을 증가시켰다. 적어도 하나의 니켈 및 크롬 합금을 포함하는 경면이 용접에 의해 융합된다. 때때로 전체 표면보다 적고, 임의의 다른 부분들보다 사용하는 동안 마모에 더 노출되도록 미리 결정된 고온면 표면의 이들 부분 상에 대해서만 그러하다. 경면은 통상적으로 불활성 쉴드 가스에서 용탕의 용접 오버레이로서 적용된다.

도 9a 및 9b에서, 이러한 구리 스테이브 쿨러들(900)은 고온면(902)의 표면을 가로 질러 배치된 복수의 주조 가능 시멘트 유지 포켓들(904)을 포함함으로써 추가로 개선될 수 있다. 각각의 이러한 포켓(904)은 사용시 주조 가능 시멘트 충전을 보다 잘 유지하도록 동작하는 내향 경사, 얕은 벽들 및 바닥부들(footings)(908)을 포함한다. 융기되고 보다 노출된 구리계 재료의 일 주변부는 복수의 포켓들 각각을 둘러싼다. 따라서, 이러한 경면의 적용은 주변부의 융기되고 보다 노출된 구리계 재료에 대해서만 비드 패턴들(906)로 배치함으로써 절약된다.

바람직하게는, 용접 오버레이들을 수용하는 구리계 재료는 단조된 경우 UNS C12000 또는 주조된 경우 UNS C81100과 동등하며, 이는 우수한 용접을 촉진하는 탈산소제 및 낮은 잔류 인(phosphorous), 감소된 구리 입자 크기, 적어도 80%의 IACS의 전기 전도성, 그리고 용접 중 개선된 내취성을 포함한다.

본 발명의 특정 실시예들이 설명되고 도시되었지만, 이는 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 수정예들 및 변경예들은 당업자에게 명백해질 것이며, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (10)

1. 건식 제련로에서 사용하는 동안 마모, 충격, 부식, 열 및 기타 영향들의 조합을 받는 내마모성 스테이브 쿨러로서,
   미리 성형되고 미리 형성된 액체 쿨런트 배관들과 피팅들이 내부에 고정되며, 사용 중에 마모되는 고온면(hot face)을 추가적으로 포함하는, 몰드에 넣어 만들어진(cast-in-a-mold) 구리 본체;
   상기 구리 본체의 후면에 매립되거나 고정되는 단일의 강철 칼라(collar)로서, 이를 통해 상기 액체 쿨런트 배관들로부터의 모든 외부 배관 연결부들이 단일 그룹으로서 함께 수집되며, 상기 단일 강철 칼라를 통해 라우팅되며, 상기 단일 강철 칼라에 의해 가스 밀봉되고; 및
   상기 고온면 상에 배치되며, 금속 인서트들 또는 내화 벽돌들을 유지하는 리브(rib)들 및 채널들의 적어도 하나의 수평 로우들(rows), 또는 주조 가능 시멘트 및/또는 용융물로부터 제자리에서 동결된 부착물(deposit)들을 유지하는 데 도움을 주는 포켓들, 또는 용접에 의해 융합된 니켈 및 크롬 합금을 포함하는 경면(hardfacing)의 적용, 또는 용접 오버레이를 포함하도록 제한되는 마모 방지 배리어;
   를 포함하는 내마모성 스테이브 쿨러.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체 쿨런트 배관은, 글리콜 알코올 보다 많은 물을 포함하지 않아 비등 액체 팽창 증기 폭발에 대해 본질적으로 안전하도록 혼합된 액체 냉매 혼합물, 및 폐쇄된 가압 루프 내에서 순환되는 용액 내의 부식 억제제들을 수용하는 내마모성 스테이브 쿨러.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 구리 본체는 상부 에지부, 하부 에지부, 좌측 및 우측 에지부들, 고온면 및 저온면(cold face)을 갖는 직사각형 플레이트 바디의 단일 금속 주조물이며, 상기 플레이트 바디는 폭보다 키가 더 크고, 두께보다 폭이 더 넓으며, 건식 제련로(pyrometallurgical furnace)의 강철 격납 쉘의 단일 관통부 내 용접에 의해 부착 및 가스 밀봉되도록 구성되는 내마모성 스테이브 쿨러.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 강철 칼라는 스테인리스 강 부분에 용접된 탄소강 부분을 포함하고, 상기 스테인리스 강 부분만이 상기 구리 본체의 후면에 매립되거나 고정되는 내마모성 스테이브 쿨러.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 강철 칼라는 강철 격납 쉘이 구성되는 강(steel) 유형의 열 팽창 계수와 일치하는 열 팽창 계수를 갖는 강 유형을 포함하는 내마모성 스테이브 쿨러.
6. 제 1 항에 있어서,
   단일의 강철 칼라 내의 냉매 파이핑 순환로들의 모든 입력 및 출력 단부들을 그룹화함으로써, 가스 밀봉에 필요한 용접을 하나로 제한하고, 이는 관련 금속의 팽창 및 수축에서의 차이를 최소화하는 내마모성 스테이브 쿨러.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 강철 칼라는,
   강철 격납 쉘의 단일 관통부 내부에 용접되는 탄소강을 포함하는 제 1 칼라 부분;
   오스테나이트계 스테인리스 강, 또는 마텐자이트계 스테인리스 강, 또는 니켈 합금을 포함하고, 상기 구리 본체에 내장되거나 고정되는 제 2 칼라 부분; 및
   상기 제 1 칼라 부분 및 상기 제 2 칼라 부분을 함께 결합하는 용접부를 포함하되,
   상기 구리 본체를 주조함에 있어서, 더티 탄소강 계면이 있을 때 구리에서 발생할 수 있는 기공(porosity)이 회피되는 내마모성 스테이브 쿨러.
8. 제 1 항에 있어서,
   전체 표면보다 적게 그리고 더 노출되는 고온면 표면의 미리 결정된 부분들에만 용접함으로써 융합된 적어도 하나의 니켈 및 크롬 합금을 포함하는 마모 방지 코팅을 더 포함하고, 상기 마모 방지 코팅은 불활성 쉴드 가스에서 용융된 금속의 용접 층으로 적용되고;
   상기 니켈 및 크롬 합금은 최소 55%의 니켈, 최소 18%의 크롬 및 최대 6%의 철을 갖는 내마모성 스테이브 쿨러.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 고온면에 배치되는 복수의 주조 가능 시멘트 보유 포켓들로서, 각 포켓은 포켓 바닥부들(footings)을 포함하고, 주조 가능 시멘트 충전물을 키인(key-in)하고 유지하기 위해 벽이 경사지게 형성되고; 및
   복수의 포켓들 각각을 둘러싸는 고온면의 더 노출된 구리계 재료;
   를 더 포함하고,
   상기 마모 방지 코팅은 상기 고온면의 더 노출된 상기 구리계 재료에 패턴으로 적용되는 내마모성 스테이브 쿨러.
10. 제 8 항에 있어서,
    UNS C81100과 동등하며, 탈산소제 및 낮은 잔류 인(phosphorous)을 포함하는 주물의 구리 본체를 더 포함하는 내마모성 스테이브 쿨러.
    
    

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