KR20000003099A

KR20000003099A - 고로 노저온도 제어방법

Info

Publication number: KR20000003099A
Application number: KR1019980024204A
Authority: KR
Inventors: 서영근
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2000-01-15

Abstract

본 발명의 목적은 노저온도의 변화를 효율적으로 제어하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제어방법은 송풍유량에 따른 연소대에서의 반응열의 변화를 구하는 단계와, 노저온도해석에 의하여 반응열에 따른 노저온도의 변화를 구하는 단계와, 송풍유량과 노저온도와의 상관관계를 구하는 단계와, 상관관계에 의해서 노저온도 상승시 상승량에 해당하는 송풍유량을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

고로 노저온도 제어방법

본 발명은 고로의 노저온도를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.

고로공정은 노상부에서 장입된 철광석이 열원인 코크스에 의하여 용해되어 떨어지면서 노하부에 일시저장된 용선을 출선구를 통하여 배출함으로써 선철을 생산하게 된다.

이러한 고로의 하부는 연와로 구성되게 되는데 고로의 사용연수가 늘어남에 따라 이 연와의 침식이 진행되므로 그 침식정도를 파악하는 것으로 고로의 수명 및 보수 시점을 판단할 수 있다.

그래서 고로의 가동중에는 노저부 연와의 침식정도를 항상 관리하는 것이 필요하며 연와의 침식정도의 판단은 노저부에 설치한 열전대의 온도감지 정도를 이용하여 연와의 두께를 추정해 왔다.

따라서 고로의 수명연장을 위한 노저 연와의 침식을 억제하기 위한 기술수단의 개발이 요구되어 왔다.

전통적으로 고로의 노저연와 침식을 억제하는 기술수단을 보면, 장입물에 Ti광을 장입하여 용선중에 Ti성분을 높임으로써 용선의 점도증가에 의한 용선 유동성의 감소효과를 기대하는 방법과, 노체의 철피에 살수하는 냉각수의 유량이나 수온을 조절하여 냉각능을 증가시킴으로써 침식을 억제하는 방법과, 고로의 정비 및 보수중에 풍구를 옥토로 막아 송풍을 차단하는 방법 등이 있다.

최근에는 풍구에 송풍유량을 조절할수 있는 열풍제어변에 의해서 송풍유량을 조절함으로써 노저온도를 저하시켜 노저연와의 침식을 저지하는 방법이 개발되었는데, 상기 방법에 관련된 송풍유량을 제어하기 위한 제어변 및 시스템이 일본특허공개 평7-18312와 일본특허공개 평6-88114에 제안된 바 있다.

도 1은 고로풍구에 송풍유량을 제어하기 위한 열풍제어변의 개략적인 설치구조를 나타내고 있다.

여기에서 참고되는 바와 같이, 고로의 측면 둘레를 따라 다수개의 송풍관(2)을 설치하고, 상기 송풍관을 통해서는 열풍이 노내(7)측으로 투입되어 여기에서 연소대가 형성됨으로써 이것에 의해 철광성이 용융되게 설치하고, 상기 송풍관에는 원형판 모양의 제어변(1)을 설치하여 이 제어변(1)의 회전정도에 따라 고로측으로 송풍되는 유량이 조절되도록 하고 있다.

상기 제어변(1)을 열고 닫는 정도 즉, 개도에 따라서 송풍유량이 변화되는 특성을 보면, 제어변을 완전히 열었을 때(개도율이 100%일 때)의 송풍유량이 100%(최대)라고 한다면 상기 제어변을 완전히 닫았을 때(개도율이 0%일 때)에는 최대 송풍유량의 21%만 송풍되게 되어있어, 이를 이용한 제어변의 개도 조절을 통하여 노저온도가 상승하는 경우에는 제어변의 개도를 닫거나 줄여줌으로써 노저온도의 상승억제 내지는 노저온도 저하를 유도하여 노저연와의 침식을 방지하게 된다(도2 참조).

그런데 지금까지는 노저온도 상승시에 노저온도에 상응하는 제어변의 개도에 대한 정확한 기준값이 마련되어 있지 않아 조업자의 경험칙에 따라 일정한 단계로 정해진 개도값만을 이용하여 고로의 노저온도를 조절하고 있는 실정이기 때문에, 노저온도의 상승률에 따른 효과적인 고로 노저온도제어가 이루어지지 않고 있다.

따라서 상기와 같이 제어변의 일정한 개도값 조건만으로 고로의 노저온도를 제어하는 경우 실제 고로에서의 노저온도의 상승량이 매우 크거나 또는 매우작을 경우에는 노저온도를 상승전의 원래 노저온도로 복귀시키지 못하거나 복귀시키는데 장시간이 소요되므로, 제어변에 의한 노저온도의 효율적인 제어가 이루어지지 않게 된다.

본 발명의 목적은 송풍유량과 노저온도와의 상관관계를 정립하여 노저온도의 상승량에 해당하는 송풍유량을 결정하는 방법으로 제어하여 보다정확한 고로 노저온도를 제어하는 방법을 제공하고자 하는데 있다.

도 1은 고로의 노저 온도제어를 위한 열풍제어변의 설치구조를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 제어변의 개도에 따른 송풍유량의 변화특성을 나타낸 그래프이다.

도 3은 송풍유량에 다른 연소대의 반응열의 변화특성을 나타낸 그래프이다.

도 4는 노저온도계산을 위한 유한요소분할도이다.

도 5는 유한요소분할에 따른 노저온도분포 계산결과도 이다.

도 6은 본 발명에 따른 노저온도 제어결과를 종래의 제어결과와 비교한 특성그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 제어변 2 : 송풍관

3 : 연소대 4 : 열전대

5 : 노저연와 6 : 용융물

7 : 노내

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 구성은 고로노저온도제어시 송풍유량에 따른 연소대에서 반응열의 변화를 구하는 단계와, 노저온도 해석에 의하여 반응열에 따른 노저온도의 변화를 구하는 단계와, 송풍유량과 노저온도와의 상관 관계를 구하는 단계와, 상관 관계에 의하여 노저온도 상승시 상승량에 해당하는 송풍유량을 결정하는 단계를 포함한다.

이하 본 발명의 방법을 설명한다.

노저온도의 상승량에 따른 송풍유량을 구하기 위해서는 첫 번째로 송풍유량에 따라서 연소대에서 반응열의 변화를 구한다. 제어변의 개도에 따른 송풍유량에 따라서 연소대에서의 반응열을 계산한다. 반응열의 계산은 연소대에서 송풍되는 가스와 코크와의 극렬한 연소반응을 고려하여 계산한다. 반응열 계산시 고려되는 사항은 다음과 같다.

Coke연소열=123816kJ/kg of C ------------------------------------- (식1)

Coke분해 및 연소열 = HCIkcal/kg*4.2kJ/kcal+110551kJ/kgmol*Xcoal/12

-393608kJ/kgmol*Xcoal/12+285908kJ/kgmol*Xh/12 ------------ (식2)

송풍현열 = △Ho2*(Vo2/22.4+0.21*(1-Vo2)/22.4)+△Hn2*Xn2/1000+△Hh2o

*Xh2o/18000 ---------------------------------------------- (식3)

△Ho2 = 34.63TB+0.54/1000*TB**2+785900/TB-13005

△Hn2 = 27.22TB-2.09/1000*TB**2-8297

△Hh2o = 34.43 TB+3.14/10000*TB**2+1.87/1000000*TB**3-10334

연소대에 들어가는 coke 현열 = (0.1512 Tf-4.63)*Xcokec ----------- (식4)

수분의 분해열 = -13444.4*(NBPH20/1000+COALR*Xh2oc/NBP) ---------- (식5)

여기서,HCl = 탄종별 발열량(kcal/kg of coal)

Xcoal = coal중 탄소분율 (-)

Xh = coal중 수소분율 (-)

Vo2 = 송풍가스중 산소분율 (-)

Xn2 = 송풍가스중 질소분율 (-)

Xh2o = 송풍가스중 물분율(-)

TB = 송풍가스온도 (K)

Tf = 화염온도 (K)

Xcokec = coke 중 탄소분율(-)

NBPH20 = 습분량(g/Nm³)

COALR = coal 취입량(kg/T-pig)

Xh2oc = coal의 수분분율(-)을 나타낸다.

연소대에서 발생하는 반응열은 다음과 같이 계산된다.

반응열=코크연소열+콜분해 및 연소열+송풍현열+연소대에 들어가는 코크현열+ 수분의 분해열

두 번째 단계로서 반응열에 따라서 노저연와의 온도분포를 구하고 이로부터 노저연와에 삽입된 열전대 위치에서의 온도를 구한다.

노저연와의 온도는 수치해석방법인 유한요소법에 의해서 구하며 노저부에 대해서 유한요소 매쉬(mash)를 설정하고 열전도방식을 유한요소해석하여 노저부의 온도분포를 구한다. 노저부의 열전도방식은 다음과 같다.

여기서, x,y는 좌표이고, T는 온도이고, q는 연소대에서의 반응열을 나타낸다. 노저부에 대해서 유한요소 매쉬를 설정하고 경계조건을 설정한 다음 유한요소해석법에 의해서 노저부의 온도분포를 구한다. 이렇게 구해진 노저연와의 온도분포로부터 열전대 위치에서의 온도를 구한다.

세 번째 단계에서는 두 번째 단계에서 구한 열전대가 삽입된 위치에서의 온도를 구하여 송풍유량과 열전대 위치에서의 온도와의 상관관계를 도출한다.

네 번째 단계에서는 노저온도상승시 그 상승량을 상관식에 대입하여 송풍유량을 결정한다.

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명 실시예에 적용되는 고로의 조건은 그 내용적이 3,800m³이고, 노상부의 직경이 13.2m이고 32개의 고로풍구에 공급되는 송풍조건은 6200Nm³/min이고 풍온은 1100℃이다.

첫 번째 단계로서 송풍유량에 따른 연소대에서의 반응열을 계산하였다. 도 2는 상기 제어변의 개도에 따라서 송풍유량이 변화되는 특성을 그래프로 나타낸 것이다.

반응열은 송풍유량에 따라서 연소대에서 코크스의 연소열, 콜(coal)의 분해 및 연소열, 송풍현열, 연소대에 들어가는 코크스의 현열, 수분의 분해열을 고려하여 계산한다. 각 단계의 계산에서 필요로하는 데이터는 다음과 같다.

HCI=7347, Xcoal=0.8258, Xh=0.0574

TB=1373K, Vo2=0.0158, Xn2=34.7, Xh2o=25

Xcoke=0.88, Tf=2523K

COALR=100, NBP=1088.78, Xh2oc=0.075

상기 식들을 식(1)-식(5)에 대입하여 송풍유량에 따른 반응열을 산정한다. 송풍유량에 따른 연소대에서 생성하는 반응열 변화특성을 도 3에 나타내었다.

두 번째 단계로서 노저부의 열전도 해석을 행하여 노저연와의 온도분포를 구하여 노저벽부에 삽입되어 있는 열전대의 온도를 구한다.

노저부의 해석범위는 도 4에서 나타내고 있는 것처럼, 대드맨(deadman), 연소대, 노저연와, 용융물이다. 여기에서 연소대에서는 송풍유량에 따른 반응열을 열원으로 입력하여준다. 해석범위에서의 열전도방정식은 다음과 같다.

여기서, x,y는 좌표, T는 온도, q는 연소대에서의 반응열을 나타낸다. 이 방정식으로부터 유한요소방정식을 유도하여 나타내고 해석 범위에 대한 유한요소분할을 행한 것을 도 5에 나타내었으며, 그 경계조건은 다음과 같이 주어졌다.

노저외측벽면 : 냉각조건으로서 대류경계를 준다.

열전달계수 = 20kcal/m2hr℃

냉각수 온도 = 30℃

노저 바닥면 : 냉각조건으로서 대류경계를 준다.

열전달계수 = 30kcal/m2hr℃

냉각수 온도 = 25℃

상기와 같은 경계조건과 유한요소해석을 행하여 구해진 온도제어 특성을 도 6에서 종래의 방법에 따른 온도제어특성에 대비시켜 나타내고 있다. 이러한 온도분포로부터 노저벽부에 삽입되어 있는 열전대의 온도를 구할 수 있다.

표 1은 송풍유량에 따른 열전대 위치에서의 온도 산출값을 나타낸다.

개도율(%)	송풍유량(Nm³/MIN)	열전대온도(℃)	온도강하량(℃)
100	182	169.4	0
80	170	167.2	2.2
60	144	162.9	6.5
40	104	156.0	13.4
20	64	149.1	20.3
0	38	144.7	24.7

세 번째 단계로서 송풍유량(Q)에 따른 열전대 온도의 강하량(△T)을 구한 결과를 이용하여 그 상관관계를 다음과 같이 구한다.

△T = 31.3 Q/Qin

여기서 Q는 송풍유량을 나타내고 Qin은 개도가 100%일때의 송풍유량을 나타낸다.

네 번째 단계에서는 앞에서 구해진 상관 관계를 이용하여 노저온도의 상승량에 대한 송풍유량을 결정하여 노저온도를 제어한다.

도 6은 본 발명에 따라 송풍유량을 결정하고 이에 따라 노저온도를 제어한 결과치와 종래의 방식에 따른 노저온도 결과치를 비교한 특성도로써, 종래에는 노저온도의 상승량이 작은 경우에는 하강온도가 크게 나타나고 상승온도가 큰 경우에는 하강온도가 낮게 나타나 노저온도의 제어를 효율적으로 가져갈수 없음에 반하여 본 발명의 방법에 따를 경우 노저의 상승온도가 하강온도와 비슷해져 노저온도의 제어를 효율적으로 가져갈수 있게 됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 노저온도와 송풍유량과의 상관관계를 정한후 노저온도의 상승량에 따라 송풍유량을 제어함으로써 노저온도가 상승되는 경우 상승전의 원래의 온도대로 효율적으로 복귀시킬 수 있는 특유의 효과를 가져온다.

Claims

고로의 노저온도를 제어하는 방법에 있어서, 송풍유량에 따른 연소대에서의 반응열의 변화를 구하는 단계와, 반응열에 따른 노저연와의 온도분포를 구하고 이로부터 노저연와에 삽입된 열전대 위치의 온도를 구하는 단계와, 상기 단계에서 구해진 열전대 삽입 위치의 온도와 송풍유량과의 상관관계를 도출하는 단계와, 상기 단계에서 결정된 상관관계에 기초하여 노저온도상승시 상승량에 해당하는 송풍유량을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고로 노저온도 제어방법.