KR102472840B1 - Method for designing buck stay of refractory for coke oven - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법에 관한 것으로서, 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계와, 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계와, 설계 변수의 범위를 입력하는 단계와, 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계와, 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계와, 설계변수의 최적값을 선택하는 단계와, 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단하여 최적 설계값을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.The present invention relates to a method for designing a refractory support structure of a coke oven, comprising the steps of specifying operating boundary conditions, physical properties and design variables of a refractory, inputting a target expansion amount and allowable stress of the refractory support structure, and design variables. Entering the range of, setting a case by combining the input values, deriving an output value of the design variable through calculation of the thermal expansion of the case, selecting an optimal value of the design variable, and target expansion amount It is characterized in that it comprises the step of deriving the optimal design value by determining whether the stress value is satisfied. Therefore, by designing a buckstay for supporting a refractory in a coke oven using parameter optimization, the amount of overdesigned springs can be reduced compared to existing design methods, and thus the configuration of a refractory support structure including a buckstay can be reduced. It provides the effect of reducing the investment cost of the coke oven by optimizing the specifications of the buckstay.

Description

코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법{METHOD FOR DESIGNING BUCK STAY OF REFRACTORY FOR COKE OVEN}Design method of refractory support structure of coke oven {METHOD FOR DESIGNING BUCK STAY OF REFRACTORY FOR COKE OVEN}

본 발명은 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코크스를 생산하는 오븐 내화물의 고온 열팽창으로부터 내화물을 보호하는 내화물 지지구조물로서 벅스테이(Buckstay)를 설계하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of designing a refractory support structure of a coke oven, and more particularly, to a refractory material of a coke oven for designing a buckstay as a refractory support structure that protects the refractory material from high-temperature thermal expansion of the oven refractory material producing coke. It relates to the design method of support structures.

일반적으로 코크스 오븐의 내화물 지지 구조물로서 벅스테이(Buskstay)에는 전체 오븐 구조를 지지하는 빔(Beam) 구조물이 존재하고, 양측의 벅스테이(Buskstay)를 고정하는 타이로드(Tie-rod)가 상하부에 구성되며 오븐 내화물의 열팽창을 허용하는 다수의 스프링(Spring)이 구성되어 있다. In general, as a refractory support structure of a coke oven, a buskstay has a beam structure that supports the entire oven structure, and tie-rods that fix the buskstays on both sides are at the top and bottom It consists of a number of springs that allow the thermal expansion of the oven refractory.

도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 같이 석탄(Coal)을 코크스(Coke)로 건류시키는 간접 열교환 공간은 탄화실이며, 탄화실 양측에 연소실이 존재하며 전체 오븐 규모에서는 총 60개의 탄화실이 구성되며, 이때 양측으로 지지되는 벅스테이(Buckstay)는 총 122개이고, 스프링(Spring)은 벅스테이(Buckstay)당 14개, 타이로드(Tie-rod)는 4개씩 구성되어 있다.As shown in FIGS. 3 to 6, the indirect heat exchange space for carbonizing coal into coke is a carbonization chamber, and there are combustion chambers on both sides of the carbonization chamber, and a total of 60 carbonization chambers are configured in the oven scale, , At this time, there are a total of 122 buckstays supported on both sides, 14 springs per buckstay, and 4 tie-rods.

코크스를 제조하는 과정을 간단히 정의하면 코크스 오븐에서 석탄을 건류하여 고정탄소 덩어리(80∼94%)로 변화시키는 공정이다.To simply define the process of producing coke, it is a process of carbonizing coal in a coke oven and changing it into a fixed carbon mass (80-94%).

이때 사용되는 코크스 오븐은 도 3과 같은 설비로 구성된다. ⑦원료가스배관2(mixed gas main)과 ⑧원료가스배관1(COG main)의 배관으로 연소가스가 투입되고 ④축열실에서 예열된 후에 ⑥연소실에서 연소된다. The coke oven used at this time is composed of the equipment shown in FIG. Combustion gas is injected through the pipes of ⑦ raw gas pipe 2 (mixed gas main) and ⑧ raw gas pipe 1 (COG main), and after being preheated in ④ heat storage chamber, it is burned in ⑥ combustion chamber.

이 과정에서 발생하는 연소열이 탄화실에 열원을 간접 가열 방식으로 공급하게 되고, ①석탄 장입구를 통해 ⑤탄화실로 들어간 석탄(Coal)은 코크스(Coke)로 건류되어 ③오븐 도어(Oven door)를 통해 배출되고 연소된 가스는 ⑨배가스 배출구(waste gas flue)를 통해 배출된다. The combustion heat generated in this process supplies the heat source to the carbonization chamber in an indirect heating method, and the coal entering the carbonization chamber through ① the coal inlet is carbonized as coke and ③ opens the oven door. The exhausted and burned gas is discharged through the ⑨ waste gas flue.

석탄(Coal)을 코크스(Coke)로 건류시키는 탄화실은 1,000℃∼1,300℃ 이상의 고온을 견디는 내화벽돌로 구성되어 있기 때문에 이러한 오븐 내화물의 팽창력을 분산, 제어하기 위해 ②내화물 지지구조물(bracing system)을 구비하게 되며, 이러한 내화물 지지구조물(Bracing system) 내에는 내화물의 팽창을 허용하면서 외벽구조를 유지시키는 벅스테이(Buckstay)가 구성되고 여기에는 벅스테이(Buckstay)의 역할에 필요한 빔(Beam) 구조물, 타이로드(Tie-rod) 그리고 다수의 스프링(Spring)이 구성된다. Since the carbonization chamber in which coal is carbonized into coke is composed of refractory bricks that can withstand high temperatures of 1,000℃ to 1,300℃ or more, a ② refractory bracing system is used to disperse and control the expansion force of the oven refractory. In this refractory support structure (bracing system), a buckstay is configured to maintain the outer wall structure while allowing expansion of the refractory, and a beam structure necessary for the role of the buckstay, It consists of a tie-rod and a number of springs.

이러한 내화물 지지구조물은 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 연소실 내화물과 접하는 WPP(Wall Protection Plate)와 내화물의 팽창을 일부 허용(다수의 스프링으로 구성)하면서 구조 안전성을 확보해 주는 벅스테이(Buckstay)로 구성되어 있다. As shown in FIGS. 4 to 6, the refractory support structure includes a WPP (Wall Protection Plate) in contact with the combustion chamber refractory and a buckstay that secures structural safety while allowing some expansion of the refractory (consisting of a plurality of springs) It consists of

연소 가스에 의한 내화물의 팽창, WPP(Wall Protection Plate)의 열적거동 및 변형량, 그리고 벅스테이(Buckstay)에 설치한 다수의 스프링으로 열적 팽창력을 스프링 강성으로 상쇄하면서 구조적 안정성도 확보해야 하는 설계가 필요하다.Expansion of the refractory by combustion gas, thermal behavior and deformation of WPP (Wall Protection Plate), and a number of springs installed on the buckstay offset the thermal expansion force with spring stiffness while ensuring structural stability. do.

종래의 설계에서는 벅스테이(Buckstay)에 구성되는 타이로드(Tie-rod)와 상하로 배치되는 다수의 스프링(Spring)의 강성을 기존 설계를 반복적으로 준용하는 방법을 사용해 왔으며, 이는 오븐의 열량 변화에 따른 연소실 열구성 변화에 대응할 수 있는 설계가 아니었다. In the conventional design, a method of repeatedly applying the existing design to the rigidity of a tie-rod composed of a buckstay and a plurality of springs arranged up and down has been used, which is It was not a design that could respond to the change in thermal composition of the combustion chamber according to

이러한 설계에서 발생할 수 있는 문제점은 내화물 종류 변화에 따른 내화물의 열팽창량의 변화가 대표적이며 열팽창량이 변화하는데 벅스테이(Buckstay)의 설계가 유지되면 내화물의 팽창을 허용하지 못해 내부 연소실 내화물의 파손과 붕괴로 이어질 수 있다는 문제점이 있었다. The problem that can occur in such a design is that the thermal expansion amount of the refractory changes according to the refractory type change, and the thermal expansion amount changes. There was a problem that could lead to

또한, 이러한 종래의 코크스 오븐의 내화물 지지 구조물의 벅스테이의 설계는, 코크스 오븐 설비 운전과 수명에 영향을 미치며, 요구되는 코크스(Coke)의 생산량에도 영향을 미쳐 이후에 연결되는 공정에도 문제가 되는 문제점이 있었다. In addition, the design of the buckstay of the refractory support structure of the conventional coke oven affects the operation and lifespan of the coke oven equipment, and also affects the required production volume of coke, which is a problem in the subsequent process. There was a problem.

대한민국 등록특허 제10-0897754호 [0010] (2009년05월15일)Republic of Korea Patent Registration No. 10-0897754 [0010] (May 15, 2009) 대한민국 등록특허 제10-1505161호 (2015년03월23일)Republic of Korea Patent No. 10-1505161 (March 23, 2015) 대한민국 등록특허 제10-1762822호 (2017년07월28일)Republic of Korea Patent No. 10-1762822 (July 28, 2017)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. The present invention has been devised to solve the above conventional problems, and by designing a buckstay for supporting a coke oven refractory using variable optimization, the amount of overdesigned springs is reduced compared to conventional design methods, and the resulting buckstay It is an object of the present invention to provide a design method of a refractory support structure of a coke oven capable of reducing the configuration of a refractory support structure including, and reducing the investment cost of a coke oven by optimizing the specifications of a buckstay.

또한, 본 발명은 변수 최적화 기법을 이용하여 벅스테이에 구성되는 타이로드와 스프링의 강성 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 벅스테이의 팽창량과 응력값에 부합하는 타이로드의 강성과 종방향의 다수의 스프링의 강성의 최적값을 도출함으로써, 기존의 벅스테이에 대한 설계 방법에 비해 스프링의 물량과 원가를 최소화할 수 있는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다. In addition, the present invention analyzes the correlation between the stiffness parameters of the tie rod and the spring composed of the buckstay using a variable optimization technique, and determines the stiffness and longitudinal direction of the tie rod corresponding to the expansion amount and stress value of the buckstay, which are target values. Another purpose is to provide a design method for a refractory support structure of a coke oven that can minimize the amount and cost of springs compared to the existing design method for buckstays by deriving the optimal value of the stiffness of a number of springs. do.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 코크스 오븐의 내화물의 전후방향으로 설치되는 벅스테이(Buckstay)와 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring) 및 타이로드(Tie-rod)의 다변수의 조합 설계를 컴퓨터 시스템에 의해 수행하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법으로서, 코크스 오븐의 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계; 목적함수인 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계; 내화물 지지구조물의 각 설계 변수의 범위를 입력하는 단계; 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계; 상기 설정된 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계; 상기 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계; 및 내화물 지지구조물의 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단하여 최적 설계값을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a buckstay installed in the front and rear directions of the refractory of the coke oven as a refractory support structure of the coke oven, a plurality of springs and tie rods installed in the vertical direction ( A design method of a refractory support structure of a coke oven in which a multivariate combination design of a tie-rod is performed by a computer system, comprising: specifying operating boundary conditions of the coke oven and physical properties and design variables of the refractory; inputting a target expansion amount and allowable stress of the refractory support structure, which are objective functions; inputting the range of each design variable of the refractory support structure; Setting a case by combining input values between the operational boundary conditions and design variables; Deriving an output value of a design variable through thermal expansion calculation of the set case; selecting optimal values of design variables based on the derived output values; and deriving an optimal design value by determining whether the target expansion amount and stress value of the refractory support structure are satisfied.

본 발명의 상기 조업 경계조건을 지정하는 단계는, 오븐 내화물 연소실의 연소 온도와, 탄화실의 코크스 온도와, 외부 대기의 분위기 온도를 입력하는 것을 특징으로 한다.The step of designating the operational boundary conditions of the present invention is characterized in that the combustion temperature of the oven refractory combustion chamber, the coke temperature of the carbonization chamber, and the atmospheric temperature of the external atmosphere are input.

본 발명의 상기 설계 변수를 지정하는 단계는, 벅스테이(Buckstay)의 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 설계 변수를 지정하는 것을 특징으로 한다.The step of designating the design variables of the present invention is characterized in that design variables of a plurality of springs and tie-rods installed in the vertical direction of the buckstay are designated.

본 발명의 상기 설계 변수의 범위를 입력하는 단계는, 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 것을 특징으로 한다.The step of inputting the range of the design variable of the present invention is characterized by inputting the stiffness range of a plurality of springs and tie-rods.

본 발명의 상기 케이스를 설정하는 단계는, 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하는 것을 특징으로 한다.The step of setting the case of the present invention is characterized in that the case is set by combining the input values between the operating boundary condition and the design variable by a central composite planning method.

본 발명의 상기 최적값을 선택하는 단계는, 상기 출력값을 도출하는 단계에서 도출된 벅스테이(Buckstay)의 팽창량과 응력값에 의거해서 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 최적 설계값을 각각 선택하는 것을 특징으로 한다.In the step of selecting the optimum value of the present invention, based on the expansion amount and stress value of the buckstay derived in the step of deriving the output value, a plurality of springs and tie-rods are selected. It is characterized in that each optimal design value is selected.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.As described above, the present invention designs a buckstay for supporting a refractory in a coke oven using variable optimization, thereby reducing the amount of springs that are overdesigned compared to existing design methods, and thus constructing a refractory support structure including a buckstay. can be reduced, and by optimizing the specifications of the buckstay, it provides the effect of reducing the investment cost of the coke oven.

또한, 변수 최적화 기법을 이용하여 벅스테이에 구성되는 타이로드와 스프링의 강성 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 벅스테이의 팽창량과 응력값에 부합하는 타이로드의 강성과 종방향의 다수의 스프링의 강성의 최적값을 도출함으로써, 기존의 벅스테이에 대한 설계 방법에 비해 스프링의 물량과 원가를 최소화할 수 있는 할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, by using the variable optimization technique, the correlation between the stiffness variables of the tie rod and the spring composed of the buckstay is analyzed, and the stiffness of the tie rod that meets the target value, the expansion amount and stress value of the buckstay, and the number of longitudinal By deriving the optimal value of spring stiffness, it provides an effect that can minimize the quantity and cost of spring compared to the existing design method for buckstay.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 개략적으로 나타내는 개략흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 나타내는 상세흐름도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물를 나타내는 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 케이스 설정단계를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 출력값 도출단계를 나타내는 그래프.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 팽장상태와 내화물 지지구조물의 상태를 나타내는 상태도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 열팽창에 따른 브레이싱 시스템(Bracing system)의 거동 순서를 나타내는 상태도.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 최초 설계의 최적 설계의 응력상태를 나타내는 상태도.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 일예를 나타내는 상태도.
1 is a schematic flow chart schematically showing a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention.
2 is a detailed flowchart showing a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention.
3 to 6 are configuration diagrams showing a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing a case setting step of a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing an output value derivation step of a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention.
9 and 10 are state diagrams showing the expansion state of the refractory and the state of the refractory support structure of the coke oven according to an embodiment of the present invention.
11 is a state diagram showing a behavior sequence of a bracing system according to thermal expansion of a refractory material of a coke oven according to an embodiment of the present invention.
12 and 13 are state diagrams showing the stress state of the optimal design of the initial design of the design method of the refractory support structure of the coke oven according to an embodiment of the present invention.
14 to 16 are state diagrams illustrating an example of a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 개략적으로 나타내는 개략흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 나타내는 상세흐름도이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물를 나타내는 구성도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 케이스 설정단계를 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 출력값 도출단계를 나타내는 그래프이고, 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 팽장상태와 내화물 지지구조물의 상태를 나타내는 상태도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 열팽창에 따른 브레이싱 시스템(Bracing system)의 거동 순서를 나타내는 상태도이고, 도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 최초 설계의 최적 설계의 응력상태를 나타내는 상태도이고, 도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 일예를 나타내는 상태도이다.1 is a schematic flowchart schematically showing a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic flowchart showing a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention. 3 to 6 are configuration diagrams showing a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a design method of a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention. 8 is a graph showing a case setting step, and FIG. 8 is a graph showing an output value derivation step of a design method for a refractory support structure of a coke oven according to an embodiment of the present invention, and FIGS. Figure 11 is a state diagram showing the expansion state of the refractory of the coke oven and the state of the refractory support structure, Figure 11 is a state diagram showing the behavior sequence of the bracing system according to the thermal expansion of the refractory of the coke oven according to an embodiment of the present invention 12 and 13 are state diagrams showing the stress state of the optimal design of the initial design of the design method of the refractory support structure of the coke oven according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 14 to 16 are one embodiment of the present invention. It is a state diagram showing an example of the design method of the refractory support structure of the coke oven according to the example.

본 발명의 코크스 오븐의 내화물의 지지 구조물은 오븐(Oven) 연소실 내화물의 팽창을 분산시키고 코크스 오븐 설비의 안정적인 운전에 도움을 주는 내화물의 지지 구조물(Bracing system)중 벅스테이(Buskstay)에 관한 것이다. The support structure of the refractory of the coke oven of the present invention relates to a buskstay among bracing systems for the refractory that disperses the expansion of the refractory in the combustion chamber of the oven and helps the stable operation of the coke oven equipment.

도 1, 도 2 및 도 14 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법은, 변수 지정 단계(S10), 팽창량 및 허용응력 입력단계(S20), 설계범위 입력단계(S30), 케이스 설정단계(S40), 출력값 도출단계(S50), 최적값 선택단계(S60), 상관관계 분석단계(S70) 및 최적 설계값 도출단계(S80)를 포함하여 이루어져, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 코크스 오븐의 내화물의 전후방향으로 설치되는 벅스테이(Buckstay)와 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring) 및 타이로드(Tie-rod)의 다변수의 조합 설계를 컴퓨터 시스템에 의해 수행하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법으로서, 코크스(Coke)를 생산하는 코크스 오븐의 내화물의 고온 열팽창으로부터 내화물을 보호하는 벅스테이(Buckstay)를 설계하는 방법이다.As shown in FIGS. 1, 2, and 14 to 16, the design method of the refractory support structure of the coke oven according to the present embodiment includes a variable designation step (S10), an expansion amount and allowable stress input step (S20), It includes a design range input step (S30), a case setting step (S40), an output value derivation step (S50), an optimal value selection step (S60), a correlation analysis step (S70), and an optimal design value derivation step (S80). , As a refractory support structure of a coke oven, a multi-variable combination design of a Buckstay installed in the front and rear directions of the refractory of the coke oven and a plurality of springs and tie-rods installed in the vertical direction As a method of designing a refractory support structure of a coke oven performed by a computer system, it is a method of designing a buckstay that protects a refractory material from high temperature thermal expansion of a refractory material of a coke oven that produces coke.

변수 지정 단계(S10)는, 코크스 오븐의 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계로서, 오븐 연소실 내측의 고온 조건을 입력하는 단계(S11)와 연소실의 내화물의 열팽창계수를 입력하는 단계(S12)로 이루어져 있다. The variable designation step (S10) is a step of designating the operating boundary conditions of the coke oven and the physical properties and design variables of the refractory, which is inputting the high-temperature condition inside the combustion chamber of the oven (S11) and inputting the thermal expansion coefficient of the refractory in the combustion chamber. It consists of step S12.

오븐 연소실 내측의 고온 조건을 입력하는 단계(S11)는, 오븐 내화물 연소실의 연소 온도와, 탄화실의 코크스 온도와, 외부 대기의 분위기 온도를 입력하여 코크스 오븐의 조업 경계조건을 지정하게 된다. In the step of inputting the high-temperature condition inside the oven combustion chamber (S11), the operation boundary condition of the coke oven is designated by inputting the combustion temperature of the oven refractory combustion chamber, the coke temperature of the carbonization chamber, and the atmospheric temperature of the external atmosphere.

연소실의 내화물의 열팽창계수를 입력하는 단계(S12)는, 도 9에 나타낸 바와 같이 코크스 오븐의 연소실의 제1 내지 제3 내화물부의 열팽창계수를 입력하게 된다. In step S12 of inputting the thermal expansion coefficient of the refractory in the combustion chamber, as shown in FIG. 9 , the thermal expansion coefficient of the first to third refractories in the combustion chamber of the coke oven is input.

또한, 설계 변수를 지정하는 단계에서는, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 벅스테이(Buckstay)의 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 설계 변수를 지정하게 된다.In addition, in the step of designating design variables, design variables of a plurality of springs and tie-rods installed in the vertical direction of the buckstay as a refractory support structure of the coke oven are designated.

팽창량 및 허용응력 입력단계(S20)는, 목적함수인 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계로서, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하게 된다.The expansion amount and allowable stress input step (S20) is a step of inputting the target expansion amount and allowable stress of the refractory support structure, which is an objective function, as a refractory support structure of a coke oven. Buckstay and tie-rod ), enter the target expansion amount and allowable stress.

설계범위 입력단계(S30)는, 내화물 지지구조물의 각 설계 변수의 범위를 입력하는 단계로서, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하게 된다.The design range input step (S30) is a step of inputting the range of each design variable of the refractory support structure, and inputs the stiffness range of a plurality of springs and tie-rods as the refractory support structure of the coke oven. will do

이러한 설계범위 입력단계(S30)는, 상부 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 단계(S31)와, 하부 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 단계(S32)와, 종방향 스프링(Spring)의 강성 범위를 입력하는 단계(S33)로 이루어져 있다.The design range input step (S30) includes inputting the stiffness range of the upper tie-rod (S31) and inputting the stiffness range of the lower tie-rod (S32); It consists of a step (S33) of inputting the stiffness range of the longitudinal spring (Spring).

케이스 설정단계(S40)는, 변수 지정 단계(S10)에서 지정된 조업 경계조건과, 설계범위 입력단계(S30)에서 입력된 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계로서, 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하게 된다.The case setting step (S40) is a step of setting a case by combining the input values between the operating boundary conditions specified in the variable designation step (S10) and the design variables input in the design range input step (S30), and the operating boundary conditions and A case is set by combining the input values between the design variables by the central composite programming method.

이러한 케이스 설정단계(S40)는, 반응표면분석법 RSD(Response Surface Design)의 대표적인 설계 방법인 CCD(Central Composite Design)을 이용한 설계 변수간 적용 케이스(Case)를 설정하게 된다.In this case setting step (S40), an application case between design variables using CCD (Central Composite Design), which is a representative design method of response surface design (RSD), is set.

출력값 도출단계(S50)는, 케이스 설정단계(S40)에서 설정된 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계로서, 또한, 도 7에서 구성된 케이스(Case)를 케이스 설정단계(S40)에서 열팽창 해석을 수행하여 설계변수 조합에 따른 반응표면을 도 8과 같이 도출하게 된다.The output value derivation step (S50) is a step of deriving the output value of the design variable through the thermal expansion calculation of the case set in the case setting step (S40), and also, the case configured in FIG. By performing thermal expansion analysis, the response surface according to the design variable combination is derived as shown in FIG. 8.

최적값 선택단계(S60)는, 출력값 도출단계(S50)에서 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계로서, 벅스테이(Buckstay)의 목표 팽창량을 확인하는 단계(S61)와 벅스테이(Buckstay)의 목표 응력값을 확인하는 단계(S62)와 타이로드(Tie-rod)의 목표 응력값을 확인하는 단계(S63)로 이루어져 있다.The optimal value selection step (S60) is a step of selecting the optimal value of the design variable based on the output value derived in the output value derivation step (S50), and the step of confirming the target expansion amount of the Buckstay (S61) and It consists of checking the target stress value of the buckstay (S62) and checking the target stress value of the tie-rod (S63).

케이스 설정단계(S40)와 출력값 도출단계(S50)와 최적값 선택단계(S60)에서 사용하는 반응표면분석법 RSD는, 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, 본 발명의 케이스 설정단계(S40)에서는 RSD중에서 도 7에 나타낸 수준의 실험을 하는 중심합성계획법 CCD(Central Composite Design)을 사용하는 것이 바람직하다. The response surface analysis method RSD used in the case setting step (S40), the output value derivation step (S50), and the optimal value selection step (S60) is an input variable X (design variable in the present invention), an output variable Y (objective function in the present invention As one of the DOE (Design Of Experiments), a design of experiment (DOE) used when the relationship between ) has a quadratic curve relationship, in the case setting step (S40) of the present invention, the central synthetic programming method CCD that performs an experiment at the level shown in FIG. (Central Composite Design) is preferred.

중심합성계획법은 중심점(Center point), 꼭짓점(Cube point), 그리고 축점(Axial point)으로 구성된 실험으로써, 반응표면(출력변수 Y의 값을 표면화)에 곡률(Curvature) 효과를 파악할 수 있는 실험방법이다. The central composite programming method is an experiment consisting of a center point, a cube point, and an axial point, and is an experimental method that can identify the curvature effect on the response surface (surfacing the value of the output variable Y). to be.

예를 들면, 설계범위 입력단계(S30)에서 입력한 설계 변수들의 범위 중에서 하나인 S1 스프링(Spring)의 강성을 300N/mm에서 400N/mm로 설정하고 타이로드(Tie-rod)의 강성을 1,000N/mm에서 2,000N/mm로 지정하였다고 가정하면 반응표면(출력변수 Y, 본 발명은 Busckstay 팽창량)을 구성하기 위한 설계변수의 케이스(case)의 조합은 중심합성계획법에 의해 아래의 도 7와 같이 구성된다. For example, the stiffness of the S1 spring, which is one of the ranges of design variables input in the design range input step (S30), is set from 300 N/mm to 400 N/mm, and the stiffness of the tie-rod is set to 1,000 N/mm. Assuming that N/mm is specified as 2,000 N/mm, the combination of the case of design variables to construct the response surface (output variable Y, Busckstay expansion amount in the present invention) is shown in Figure 7 below by the central composite programming method. is composed as

또한, 출력값 도출단계(S50)에서는 도 7에서 구성된 케이스 설정단계(S40)의 케이스(Case)를 열팽창 해석을 수행하여 설계변수 조합에 따른 반응표면을 도 8과 같이 도출하게 된다.In addition, in the output value derivation step (S50), the response surface according to the design variable combination is derived as shown in FIG. 8 by performing thermal expansion analysis on the case of the case setting step (S40) configured in FIG. 7.

상기 예시에서는 두가지 설계 변수에 대해 다루었으며 본 발명에서는 상하부 타이로드(Tie-rod)의 강성, 종방향의 위치별 스프링(Spring)의 강성을 선정하여 약 20가지 설계변수를 중심합성계획법으로 케이스(Case)를 조합하고 반응표면분석법을 이용하여 목적함수(Buckstay 팽창량 및 발생응력)에 부합하는 설계변수의 최적값을 도출하게 된다. In the above example, two design variables were dealt with, and in the present invention, the stiffness of the upper and lower tie-rods and the stiffness of the spring for each position in the longitudinal direction were selected, and about 20 design variables were selected using the central composite planning method. Case) and use the response surface analysis method to derive the optimal value of the design variable that meets the objective function (buckstay expansion amount and generated stress).

상관관계 분석단계(S70)는, 최적값 선택단계(S60)에서 선택된 설계변수간 상관관계를 분석하는 단계로서, 목적함수인 벅스테이(ckstay)의 목표 팽창량을 만족하는 판단하는 단계(S71)와 목적함수인 벅스테이(ckstay)의 목표 응력값을 만족하는 판단하는 단계(S72)로 이루어져, 벅스테이(ckstay)의 팽창량 및 응력값이 목표값을 만족하지 않으면 최적값 선택단계(S60)로 다시 피드백(Feed Back)하게 된다.The correlation analysis step (S70) is a step of analyzing the correlation between the design variables selected in the optimal value selection step (S60), and determining whether the target expansion amount of the objective function buckstay (ckstay) is satisfied (S71) and a step of determining whether the target stress value of buckstay, which is an objective function, is satisfied (S72), and if the expansion amount and stress value of buckstay do not satisfy the target value, an optimal value selection step (S60) will give feedback again.

최적 설계값 도출단계(S80)는, 상관관계 분석단계(S70)에서 내화물 지지구조물의 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단한 결과에 의거해서 최적 설계값을 도출하는 단계로서, 출력값 도출단계(S50)에서 도출된 벅스테이(Buckstay)의 팽창량과 응력값을 상관관계 분석단계(S70)에서 판단한 결과에 의거해서 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 최적 설계값을 각각 선택하게 된다.The optimal design value derivation step (S80) is a step of deriving an optimal design value based on the result of determining whether the target expansion amount and stress value of the refractory support structure are satisfied in the correlation analysis step (S70), and the output value derivation step (S50 ) Based on the results determined in the correlation analysis step (S70) of the buckstay expansion and stress values, the optimal design values of the plurality of springs and tie-rods are selected, respectively. will do

도 11은 코크스 오븐의 최초 설치와 열팽창에 따른 내화물 팽창 그리고 브레이싱 시스템(bracing system)의 거동 순서를 나타낸 것으로서, 거동 순서를 나열하면 다음과 같다. 11 shows the behavior sequence of the initial installation of the coke oven, the refractory expansion according to thermal expansion, and the bracing system, and the behavior sequence is as follows.

첫번째의 내화물 팽창은 연소실 연소열에 의해 내화물이 WPP(Wall Protection Plate)의 방향으로 팽창하는 것이고, 두번째는 WPP가 벅스테이(Busckstay)의 방향으로 이동하는 것이며, 이때 WPP의 역할은 국부적인 내화물의 팽창을 균일하게 잡아주는 것이다. The first expansion of the refractory material is that the refractory material expands in the direction of the WPP (Wall Protection Plate) by the combustion heat of the combustion chamber, and the second is that the WPP moves in the direction of the busckstay. is to hold the evenly.

세번째는 내화물의 팽창압을 S12 스프링(Spring)의 압축력으로 일정부분 고정하는 것이며, 이때 스프링(Spring)은 압축 여유만큼 압축되고 압축력 이상의 팽창압은 벅스테이(Busckstay)로 전달된다. The third is to partially fix the expansion pressure of the refractory with the compression force of the S12 spring. At this time, the spring is compressed as much as the compression margin, and the expansion pressure greater than the compression force is transmitted to the Busckstay.

네번째는 S12 스프링(Spring)으로 전달받은 팽창압에 의해 벅스테이(Buckstay)가 이동하는 것이고, 다섯번째는 S1,2 스프링(Spring)의 압축력으로 내화물 팽창압을 일정부분 분담하고 벅스테이(Buckstay)의 이동량 만큼 압축되는 순서이다. The fourth is to move the buckstay by the expansion pressure transmitted by the S12 spring, and the fifth is to share a certain portion of the expansion pressure of the refractory material with the compression force of the S1 and 2 springs, and the buckstay This is the order of being compressed by the movement amount of .

마지막으로 여섯번째는 S1,2의 압축 여유보다 많이 이동시 타이로드(Tie-rod)의 고정부를 조절하여 벅스테이(Buckstay)의 응력 집중을 회피하는 단계이며 이 단계에서는 조업자의 개입이 필요하게 된다. Finally, the sixth step is to avoid the stress concentration of the buckstay by adjusting the fixed part of the tie-rod when it moves more than the compression margin of S1 and 2, and the operator's intervention is required at this step. .

Figure 112020142888502-pat00001
Figure 112020142888502-pat00001

Figure 112020142888502-pat00002
Figure 112020142888502-pat00002

상기 발명의 실시예로 표 1과 도 12에 나타낸 바와 같이 최초 설계의 벅스테이(Buckstay)의 응력이 120MPa이고 최초 설계된 벅스테이 스프링(Buckstay sping)을 기준으로, 표 2와 도 13의 최적 설계의 벅스테이(Buckstay)의 응력이 136MPa이고 최적화 설계된 벅스테이 스프링(Buckstay sping)의 사양을 결정하였다. As an embodiment of the invention, as shown in Table 1 and FIG. 12, the stress of the buckstay of the original design is 120 MPa and based on the first designed buckstay spring, the optimal design of Table 2 and FIG. 13 The buckstay stress was 136 MPa and the specifications of the optimally designed buckstay spring were determined.

최초 설계시에는 S12 스프링(spring) 군의 스프링 강성이 607N/mm로 동일하게 적용되어 S12 스프링(spring) 군의 내화물 팽창력을 분담하는 압축력이 총 111.3 tonf 였으나, 최적화 설계를 통하여 S12.1, S12.8 스프링(spring)의 강성을 600N/mm, S12.2∼S12.7 스프링(spring)의 강성을 560N/mm로 최적화 하였다. At the time of the initial design, the spring stiffness of the S12 spring group was equally applied at 607 N/mm, so the total compressive force sharing the refractory expansion force of the S12 spring group was 111.3 tonf. .8 The rigidity of the spring is optimized to 600N/mm and the rigidity of the S12.2 to S12.7 spring to 560N/mm.

이때 설정된 변수는 S12.1∼S12.8 스프링(spring)의 강성이고, 목적함수는 S12 스프링(spiring) 군의 압축력(혹은 Buckstay 목표 팽창량과 동일시 함)을 100tonf 이상으로 설정하고, 벅스테이(Buckstay)의 허용응력을 150MPa 이하로 설정 하였다. At this time, the set variable is the stiffness of the S12.1 to S12.8 springs, and the objective function sets the compression force (or equivalent to the Buckstay target expansion amount) of the S12 spring group to 100 tonf or more, and the buckstay ( Buckstay) was set to 150 MPa or less.

최적화된 벅스테이 스프링(Buckstay spring)의 설계는 목적함수인 S12 스프링(spring) 군의 총 압축력 100tonf 이상을 만족하고 벅스테이(Buckstay)의 최대 발생응력이 허용응력 150MPa 이하를 만족하는 변수 조합으로 결정되었다. The design of the optimized buckstay spring is determined by a combination of variables that satisfies the objective function, the total compressive force of the S12 spring group of 100 tonf or more, and the maximum generated stress of the buckstay satisfies the allowable stress of 150 MPa or less. It became.

이에 따라, 최초 설계된 스프링(spring)의 사양이 최적화되어 약 7.7%의 절감효과를 발생시키며, 코크스 오븐 설비의 운전 사양에 만족하는 설계로 도출하게 된 것을 파악할 수 있게 되었다.Accordingly, it was found that the specification of the initially designed spring was optimized, resulting in a saving effect of about 7.7%, and a design that satisfies the operating specifications of the coke oven facility was derived.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.As described above, according to the present invention, by designing a buckstay for supporting a refractory material of a coke oven using variable optimization, the amount of overdesigned springs is reduced compared to existing design methods, and the construction of a refractory support structure including a buckstay resulting therefrom can be reduced, and by optimizing the specifications of the buckstay, it provides the effect of reducing the investment cost of the coke oven.

또한, 변수 최적화 기법을 이용하여 벅스테이에 구성되는 타이로드와 스프링의 강성 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 벅스테이의 팽창량과 응력값에 부합하는 타이로드의 강성과 종방향의 다수의 스프링의 강성의 최적값을 도출함으로써, 기존의 벅스테이에 대한 설계 방법에 비해 스프링의 물량과 원가를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, by using the variable optimization technique, the correlation between the stiffness variables of the tie rod and the spring composed of the buckstay is analyzed, and the stiffness of the tie rod corresponding to the expansion and stress value of the buckstay, which is the target value, and the number of longitudinal By deriving the optimal value of spring stiffness, it provides the effect of minimizing the quantity and cost of springs compared to the existing design method for buckstays.

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. The present invention described above can be implemented in various other forms without departing from its technical spirit or main characteristics. Therefore, the above embodiments are mere examples in all respects and should not be construed in a limited manner.

Claims (6)

코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 코크스 오븐의 내화물의 전후방향으로 설치되는 벅스테이(Buckstay)와 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring) 및 타이로드(Tie-rod)의 다변수의 조합 설계를 컴퓨터 시스템에 의해 수행하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법으로서,
코크스 오븐의 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계;
목적함수인 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계;
내화물 지지구조물의 각 설계 변수의 범위를 입력하는 단계;
상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계;
상기 설정된 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계;
상기 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계; 및
내화물 지지구조물의 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단하여 최적 설계값을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
As a refractory support structure of a coke oven, a buckstay installed in the front and rear directions of the refractory of the coke oven and a plurality of springs and tie-rods installed in the vertical direction are designed by computer As a design method of a refractory support structure of a coke oven performed by the system,
Specifying the operational boundary conditions of the coke oven and the physical properties and design parameters of the refractory;
inputting a target expansion amount and allowable stress of the refractory support structure, which are objective functions;
inputting the range of each design variable of the refractory support structure;
Setting a case by combining input values between the operational boundary conditions and design variables;
Deriving an output value of a design variable through thermal expansion calculation of the set case;
selecting optimal values of design variables based on the derived output values; and
A method for designing a refractory support structure of a coke oven, comprising the steps of determining whether the target expansion amount and stress value of the refractory support structure are satisfied and deriving an optimal design value.
제 1 항에 있어서,
상기 조업 경계조건을 지정하는 단계는, 오븐 내화물 연소실의 연소 온도와, 탄화실의 코크스 온도와, 외부 대기의 분위기 온도를 입력하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
According to claim 1,
Designating a refractory support structure for a coke oven, characterized in that the step of specifying the operating boundary condition inputs the combustion temperature of the oven refractory combustion chamber, the coke temperature of the carbonization chamber, and the ambient temperature of the external atmosphere.
제 1 항에 있어서,
상기 설계 변수를 지정하는 단계는, 벅스테이(Buckstay)의 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 설계 변수를 지정하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
According to claim 1,
In the step of specifying the design variables, design variables of a plurality of springs and tie-rods installed in the vertical direction of the buckstay are specified. Refractory support structure of a coke oven design method.
제 1 항에 있어서,
상기 설계 변수의 범위를 입력하는 단계는, 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
According to claim 1,
The step of inputting the range of design variables is a method of designing a refractory support structure of a coke oven, characterized in that by inputting a stiffness range of a plurality of springs and tie-rods.
제 1 항에 있어서,
상기 케이스를 설정하는 단계는, 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
According to claim 1,
The step of setting the case is a method of designing a refractory support structure of a coke oven, characterized in that for setting the case by combining the input values between the operating boundary condition and the design variable by a central composite planning method.
제 1 항에 있어서,
상기 최적값을 선택하는 단계는, 상기 출력값을 도출하는 단계에서 도출된 벅스테이(Buckstay)의 팽창량과 응력값에 의거해서 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 최적 설계값을 각각 선택하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
According to claim 1,
In the step of selecting the optimal value, the optimal design value of a plurality of springs and tie-rods based on the expansion amount and stress value of the buckstay derived in the step of deriving the output value Design method of a refractory support structure of a coke oven, characterized in that for selecting each.
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