KR20010011972A - 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소둔공장과 도금공장에서 사용되는 로(Furnace)의 압력 유지와 환원성 개선을 위해 사용되는 질화수소(HN) 가스 공급장치 및 방법을 개선하여 COG 사용량을 줄이고, 폐열을 재활용하며, 폐가스의 방출을 최소화하여 대기오염을 줄일 수 있도록 한 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 질화수소 믹싱장치(9)와 수동밸브(10-1) 및 초기 가열 및 냉각부(17∼20)사이에는 제어변(6-5)이 설치되어 있고, 상기 질화수소 믹싱장치(9)와 스트립 가열부(14∼16) 및 상기 초기 가열 및 냉각부(17∼20) 사이에는 제어변(6-6,6-7)과 연결되는 열교환기(27)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면 질화수소 믹싱장치(9)를 통해 발생된 질화수소 가스를 열교환기(27)를 통해 승온한 후, 제어변(6-5,6-6,6-7)을 각각 선택적으로 개폐하여 로(14∼20)에 공급하는 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법이 제공된다.

Description

로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법{HN-GAS MANUFACTURING DEVICE ＆METHOD FOR KEEPING PRESSURE OF FURNACE}

본 발명은 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 소둔공장과 도금공장에서 사용되는 로(Furnace)의 압력 유지와 환원성 개선을 위해 사용되는 질화수소(HN) 가스 공급장치 및 방법을 개선하여 COG 사용량을 줄이고, 폐열을 재활용하며, 폐가스의 방출을 최소화하여 대기오염을 줄일 수 있도록 한 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래 로 압력 유지용 질화수소 공급장치 및 방법을 설명하기 위한 개략도로서, 질화수소(HN) 가스는 수소(H₂)와 질소(N₂)를 각각 분리하여 생산한 후, 혼합하게 된다.

상기 수소(N₂)는 모든 가스중에서 열전도율이 가장 우수하고, 로내부에서 스트립에 잔류하는 산화철과 반응하여 H₂O화 하여 증발시킨다.

상기 수소의 제조법으로는 물의 전기분해, NH₃열분해, 천연가스 분해, 수성가스법등 여러가지가 있으나, 도 1에 나타난 설비는 COG(Coke Oven Gas)를 이용하여 수소 가스를 생성하기 위해 압축기(1), 압력변동 흡착장치(2), 수소 건조기(3)와 비상시 사용할 수 있도록 수소 저장기(4)가 구비되며, 정제 설비를 거친 COG를 고압으로 압축 냉각한 후, PSA 장치에서 수소 가스를 제외한 모든 불순물을 흡착 제거함으로써 고순도(99.999%)의 수소 가스를 생산하며, 상기 수소 저장기(4)에 일정량(125 N㎥/10 ㎏/㎠)을 저장한다.

한편, 질소(N₂)는 불활성 가스로서 모든 불순물을 퍼지(Pudge)시키기 때문에 산화물의 축척을 방지함으로써 광휘에 꼭 필요한 원소이다.

상기 질소(N₂) 가스를 정제하기 위해 질소 건조기(7)와 비상시 사용할 수 있도록 질소 저장기(8)가 구비되며, 상기 질소 건조기(7)는 H₂O 증기를 흡수제에 의해 완전 흡수함으로써 순수한 양질의 질소 가스를 발생시키고 질소 저장기(8)에 일정량(600 N㎥/20 ㎏/㎠)을 저장한다.

이렇게 생성된 수소 및 질소 가스가 관로 및 차단변(5-1,5-2)과 제어변(6-1,6-2,6-3)을 통해 질화수소 믹싱장치(9)에 유입되며, 이때 수소와 질소의 혼합 비율은 6%:94%이다.

상기 질화수소 믹싱장치(9)를 통해 혼합된 질화수소(HN) 가스는 수동밸브(10-1,10-2;11-1,11-2)와 제어변(6-4), 그리고 플로우 미터(12)를 거쳐서 로의 예열대(PHS)(14), 가열대(HS)(15), 균열대(SS)(16), 서냉대(SCS)(17), 급랭대(RCS)(18), 과시효대(OAS)(19-1,19-2,19-3), 최종 냉각대(FCS)(20)에 각각 공급되어진다.

여기서, 상기 로는 스트립(Strip)을 가열하는 부분{예열대(14), 가열대(15), 균열대(16)}과, 초기 가열 및 냉각하는 부분{서냉대(17), 급랭대(18), 과시효대(19-1,19-2,19-3), 최종 냉각대(20)}으로 나누어지고, 각각의 위치에 따라 수십∼수백℃의 온도 범위로 온도를 유지하여 스트립에 잔류하는 불순물 및 산화물의 축적 방지와 함께 스트립 표면의 조직 재결정화 및 가공성을 향상시키고 있다.

상기 예열대(14), 가열대(15), 균열대(16)는 스트립을 두께, 폭, 강종별로 다르게 히팅(Heating)하는 존(Zone)으로서, W형 방열관 버너(Radiant tube burner) 내부로 COG(5000 N㎥/h)와, 에어를 혼합 연소시켜 이 열로서 온도(800±100℃)를 제어하는 간접 방식을 취한다.

또한, 상기 예열대(14), 가열대(15), 균열대(16)는 상온의 스트립을 급가열시킬 경우 스트립의 각 부분에서 발생하는 불균일한 변동에 의한 버클(Buckle)이나 미스트랙킹(Mistracking) 발생을 방지하며, 예열대(14)에서 사용하고 남은 폐열을 이용하여 질화가스의 온도(200±50℃)를 제어하게 된다.

상기 서냉대(17)는 균열대(16)를 통과한 스트립을 서서히 냉각하는 존으로서, 스트립 패스(Strip pass)사이에 위치한 슬롯티드 튜브(Slotted tube)로부터 질화수소 가스가 스트립상에 분사된다.

상기 급랭대(18)는 롤 냉각장치, 2종류의 가스 제트 냉각장치가 있어서, 스트립을 소정의 온도(450±100℃)까지 급랭하는 장치로서, 초기 온도(300±100℃) 제어는 히팅 시스템(Heating system)으로 실시하며, 로의 압력을 유지하기 위하여 25℃ 정도의 질화수소 가스를 지속적으로 공급한다.

상기 히팅 시스템은 라인의 스타트전에 미리 로의 온도를 200±100℃로 승온하기 위한 설비로서 라인 스타트 후에는 상기 서냉대(17) 존의 가열된 스트립이 뜨거운 열을 가지고 옴으로 인하여 로의 온도가 상승하게 된다.

이후로는 히터를 오프(Off)시키고 냉각 팬(22-1∼3)을 가동하여 로의 온도를 다운시키게 된다.

상기 과시효대(19-1∼3)는 급속가열 및 급속냉각에 의해 강 중에는 다수의 탄소가 있어 상온에 의해서도 시효 경화에 의해 재질에 영향을 미치므로, 일정 온도에서 고용된 탄소의 석출을 위해 일정 시간이 필요하다.

초기 온도 제어는 히팅 시스템으로 제어하나, 스트립에 의해 승온되어 팬을 기동하여 일정 온도로 유지하며, 로의 압력을 유지하기 위하여 25℃ 정도의 질화수소 가스를 지속적(600 N㎥/h)으로 공급한다.

상기 로에 공급되는 저온(약 25℃)의 질화수소 가스는 압력 유지와 환원작용을 한 후 소멸되기 때문에 지속적으로 많은 양(수백∼수천 N㎥/h)을 공급하여야 하며, 상기 수동밸브(10-1,10-2;11-1,11-2)와 플로우 미터(12)는 질화수소 가스를 로에 일정하게 공급하기 위하여 설치된 것이다.

이러한 로에서 초기 가열 및 냉각부인 서냉대(17), 급랭대(18), 과시효대(19-1,19-2,19-3), 최종 냉각대(20) 부위에는 초기 온도를 승온시키기 위한 히터(21-1∼6)가 설치되어 있고, 상기 예열대(14), 가열대(15), 균열대(16)를 거쳐 가열된 스트립을 냉각시키기 위한 냉각팬(22-1∼3)이 설치되어 상기 스트립을 적정 온도로 냉각할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 로의 예열대(14), 가열대(15), 균열대(16)중에서 가열대(15)와 균열대(16)는 에어(Air)와 COG의 혼합가스를 열원으로 하여 스트립 가열 온도를 제어하며, 이 연소 과정에서 발생한 고온의 폐열을 이용하여 예열대(14) 온도를 승온시키기 위해 예열대 열교환기(25)에 관로를 연결하고, 이 예열대 열교환기(25)와 예열대(14) 사이에 예열순환 팬(23)이 설치되어 폐열을 순환시킨 후, 폐가스 팬(24)과 공장밖에 설치된 폐가스 연돌(26)을 통하여 방출하고 있다.

이때, 종래와 같은 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법에서는 상기 로의 압력 유지와 환원성 작용을 위해서 25℃ 정도의 저온 질화수소 가스를 공급하므로 고온으로 가열되고 있는 상기 예열대(14), 가열대(15), 균열대(16)의 온도를 다운(Down)시키는 요인으로 작용한다.

즉, COG와 에어를 적당한 비율로 혼합하여 방열관(Radiant tube)을 통과하면서 로를 간접적으로 가열하여 700∼950℃로 온도 제어를 실시할 경우에 많은 양(수백 ∼수천 N㎥/h)의 저온(25℃) 질화수소 가스가 투입됨으로써 급속하게 로의 온도가 낮아지게 된다.

따라서 이를 보상하기 위해서는 열원인 COG를 다량으로 공급하여야 하므로 에너지 낭비와 함께 환경 오염이 수반되는 문제점이 있다.

또한, 초기 승온시에 히터(21-1∼6)를 이용하여 상기 로의 서냉대(17), 급랭대(18), 과시효대(19-1,19-2,19-3), 최종 냉각대(20) 부위의 초기 온도를 승온시키고 있는 바, 일정 온도 이상이 되면 히터의 사용이 불필요하게 되므로 이 히터의 설치 및 유지비용의 소모가 발생되며, 상기 수소의 혼합비율이 6% 이므로(5% 이상 혼합시 폭발의 우려가 높음) 이에 따른 폭발의 위험성이 잔존하는 문제점이 있었다.

도면 중 미설명 부호 13은 자동 밸브이다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 질화수소 가스의 배합 비율 변경으로 수소 가스에 의한 폭발을 방지하고, 질화수소 가스의 승온에 의해 히터의 사용을 불식하며, COG의 사용량을 줄이는 한편, 배기가스의 양을 최소화하여 대기 오염을 줄일 수 있는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 로 압력 유지용 질화수소 공급장치 및 방법을 설명하기 위한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 압축기 2 : 압력변동 흡착장치

3 : 수소 건조기 4 : 수소 저장기

7 : 질소 건조기 8 : 질소 저장기

9 : 질화수소 믹싱장치 12 : 플로메터

14 : 예열대 15 : 가열대

16 : 균열대 17 : 서냉대

18 : 급랭대 19-1,19-2,19-3 : 과시효대

20 : 최종 냉각대

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면 수소가스 생성부와, 질소가스 생성부 및 상기 수소가스 생성부와 질소가스 생성부에서 발생된 수소 및 질소 가스를 차단변과 제어변을 통해 공급받는 질화수소 믹싱장치와, 상기 질화수소 믹싱장치에 의해 발생된 질화수소(HN) 가스를 로에 공급하는 수동밸브 및 플로우 미터를 포함하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치에 있어서, 상기 질화수소 믹싱장치와 수동 밸브 및 초기 가열 및 냉각부 사이에는 제어변이 설치되어 있고, 상기 질화수소 믹싱장치와 스트립 가열부 및 상기 초기 가열 및 냉각부 사이에는 제어변과 연결되는 열교환기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법에 있어서, 질화수소 믹싱장치를 통해 발생된 질화수소 가스를 열교환기를 통해 승온한 후, 제어변을 각각 선택적으로 개폐하여 로에 공급하는 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법이 제공된다.

이와 같은 본 발명에서 상기 열교환기는 수소 가스와 질소 가스의 배합비율을 4%:96%로 혼합하여 상기 로에 공급하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 이와 같은 본 발명에서 상기 로에서 방출되는 폐열은 상기 열교환기를 거쳐 외부로 배출되도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치 및 방법을 설명하기 위한 개략도로서, 이에 따른 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 질화수소 믹싱장치(9)와 수동 밸브(10-1) 및 초기 가열 및 냉각부{서냉대(17), 급랭대(18), 과시효과대(19-1,19-2,19-3), 최종 냉각대(20)} 사이에서 분리된 관로를 통하여 제어변(6-5)이 설치되어 있고, 질화수소 가스를 승온시키고, 수소와 질소의 배합비를 4%:96%의 비율로 혼합시키기 위한 열교환기(27)가 상기 질화수소 믹싱장치(9)와 스트립 가열부{예열대(14), 가열대(15), 균열대(16)} 및 초기 가열 및 냉각부{서냉대(17), 급랭대(18), 과시효과대(19-1,19-2,19-3), 최종 냉각대(20)} 사이의 두개로 분리된 관로를 통해 제어변(6-6,6-7)과 연결되어 있다.

상기 열교환기(27)는 열 교환을 통해 25±50℃→200±100℃의 비교적 고온의 질화수소 가스를 로에 공급하게 된다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 폐가스 팬(24)을 통해 방출되는 폐열이 상기 열교환기(27)를 거쳐서 폐가스 연돌(26)을 통하여 방출되도록 되어 있다.

한편, 본 발명에 의한 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법은 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 장치에서 행해지며, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 로의 온도가 저온일 때, 즉 초기 온도를 승온하고자 할 때 제어변(6-5)을 차단함에 따라 상기 열교환기(27)를 통해서 승온(200±100℃)된 질화수소 가스가 제어변(6-6,6-7)을 통해 로(14∼20)에 공급된다.

이에 따라 로의 초기 분위기 온도가 상승하여 별도의 예열장치(히팅 시스템)가 불필요하게 됨으로써 종래 저온의 질화수소 가스 공급에 따른 로의 급속한 온도 다운이 방지되고, 이때 상기 열교환기(27)는 수소와 질소의 배합을 4%:96%의 비율로 혼합하여 로에 공급함으로써 수소 폭발의 위험성을 불식시키게 되나, 안전을 고려하여 반드시 방폭용 기자재를 사용하여 설치 운용하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 과시효대(19-1∼3)는 승온(200±100℃)된 질화수소 가스가 제어변(6-6)을 통해 공급되므로 히팅 시스템 제어에 의한 초기 온도 제어가 불필요하게 되어 결과적으로 히터(21-1∼6)의 설치를 불식시킬 수 있게 된다.

한편, 로의 온도가 정상적으로 승온되었을 경우에는 상기 제어변(6-6,6-7)을 각각 선택적으로 개폐하여 질화수소 가스가 열교환기(27)를 통해 스트립 가열부(14∼16) 및 초기 가열 및 냉각부(17∼20)에 선택적으로 공급됨으로써 냉각팬(22-1∼3)의 부하가 경감되고, 열 손실이 적게 되어 가열대(15)와 균열대(16)에서 열원인 COG의 사용량이 절감된다.

또한, 상기 폐가스 팬(24)을 통해 방출되는 폐열이 종래와 달리 상기 열교환기(27)를 거쳐서 폐가스 연돌(26)을 통하여 방출됨에 따라 CO₂, NOX등과 같은 배기가스의 양을 최소화하여 대기 오염을 줄여서 환경 오염 방지에 일익을 담당할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따르면 고온으로 열교환시킨 질화수소 가스를 로에 공급함에 따라 히팅 시스템의 설치가 필요없이 수소 가스 폭발의 위험성을 불식시키고, 열원인 COG의 사용을 줄여서 에너지 절약과 함께 환경 오염을 줄일 수 있으며, 폐열의 재순환에 의해 스트립의 열처리가 보다 안정적으로 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 수소가스 생성부(1∼4)와, 질소가스 생성부(7,8) 및 상기 수소가스 생성부(1∼4)와 질소가스 생성부(7,8)에서 발생된 수소 및 질소 가스를 차단변(5-1,5-2)과 제어변(6-1,6-2,6-3)을 통해 공급받는 질화수소 믹싱장치(9)와, 상기 질화수소 믹싱장치(9)에 의해 발생된 질화수소(HN) 가스를 로(14∼20)에 공급하는 수동밸브(10-1,10-2;11-1,11-2) 및 플로우 미터(12)를 포함하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치에 있어서,

   상기 질화수소 믹싱장치(9)와 수동 밸브(10-1) 및 초기 가열 및 냉각부(17∼20)사이에는 제어변(6-5)이 설치되어 있고,

   상기 질화수소 믹싱장치(9)와 스트립 가열부(14∼16) 및 상기 초기 가열 및 냉각부(17∼20) 사이에는 제어변(6-6,6-7)과 연결되는 열교환기(27)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급장치.
2. 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법에 있어서,

   질화수소 믹싱장치(9)를 통해 발생된 질화수소 가스를 열교환기(27)를 통해 승온한 후, 제어변(6-5,6-6,6-7)을 각각 선택적으로 개폐하여 로(14∼20)에 공급하는 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 열교환기(27)는 수소 가스와 질소 가스의 배합비율을 4%:96%로 혼합하여 상기 로(14∼20)에 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 로(14∼20)에서 방출되는 폐열은 상기 열교환기(27)를 거쳐 외부로 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 로 압력 유지용 질화수소 가스 공급방법.