KR20020001893A - 야금 반응기의 용융영역을 위한 복합 냉각 부재를제조하기 위한 방법 및 상기 방법으로 제조된 복합 냉각부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 야금 반응기의 용융영역을 위한 복합 냉각 부재를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 구리의 주조로 세라믹 라이닝부를 서로 부착하고, 동시에 그 라이닝 뒤에서 냉각수 채널을 구비한 동판을 형성하여 상기 부재를 제조하는 것에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 복합 냉각 부재에 관한 것이다.

Description

야금 반응기의 용융영역을 위한 복합 냉각 부재를 제조하기 위한 방법 및 상기 방법으로 제조된 복합 냉각 부재 {METHOD FOR THE MANUFACTURE OF A COMPOSITE COOLING ELEMENT FOR THE MELT ZONE OF A METALLURGICAL REACTOR AND A COMPOSITE COOLING ELEMENT MANUFACTURED BY SAID METHOD}

고온야금법에서 반응기의 내화물은 수냉 냉각 부재에 의해 보호되어, 냉각으로 인해, 내화물 표면의 열은 냉각 부재를 통하여 물로 전달되고, 냉각되지 않은 반응기와 비교하여 라이닝의 마모는 상당히 감소하게 된다. 냉각 효과로 인해 마모가 감소되고, 소위 자생 라이닝을 형성하며, 이 자생 라이닝은 내열 라이닝의 표면에 부착되고, 슬랙 (slag) 과 융용 상태로부터 침전되는 물질로부터 형성된다.

통상적으로, 냉각 부재는 3 가지 방법으로 제조된다. 주로, 부재는 사형주조로 제조될 수 있으며, 구리와 같은 고열전도성 재료로 만든 냉각관을 사형 몰드에 배치하여, 주조시 관 주위를 공기 또는 물로 냉각하는 것이다. 또한, 관 주위에서 주조되는 부재는 고열전도성 재료, 바람직하게는 구리이다. 상기 종류의 제조 방법은 독일 특허 제 1386645 호에 개시되어 있다. 상기 방법의 한 단점은, 냉각 채널로 작용하는 관과 이 관을 둘러싸는 주조된 재료와의 부착이 불균일하다는 것이다. 관의 일부는 이 관 주위에서 주조된 부재와 완전히 별개일 수 있고, 관의 다른 일부는 완전히 용융되어 부재와 융합될 수 있다. 냉각관과 이 관 주위에 주조된 부재의 잔여부 간에 금속결합이 형성되지 않는다면, 열전달이 효율적으로 이루어질 수 없다. 다시 관이 완전히 용융된다면, 냉각수 유동을 막아야 한다. 상기 방법의 장점은 비교적 낮은 생산비와 치수 독립성이다.

전술한 종류의 냉각 부재의 다른 제조 방법은 구리와 다른 재료로 만든 냉각관을 갖춘, 사형 주조된 부재를 제조하는 것이다. 구리는 사상 (sand bed) 상의 관 주위에서 주조되고, 그 후 주조된 구리를 과열시킴으로써 구리와 관간의 양호한 접촉이 달성된다. 하지만, 통상적으로, 상기 관의 열전도도는 단지 순수 구리의 5-10% 차수이다. 이로 인해, 특히 동적인 경우에 부재의 냉각력은 감소된다.

미국 특허 제 4,382,585 호에서는 냉각 부재를 제조하기 위해 많이 사용되는 방법을 개시하였고, 이 문헌에 따르면, 필요한 채널을 동판으로 기계가공함으로써, 예컨대 롤 (rolled) 되거나 단조된 (forged) 동판으로부터 부재를 제조하는것이다. 상기 방법으로 제조된 부재의 장점은 촘촘하고 강한 구조를 가지고, 부재로부터 물과 같은 냉각제로의 열전달이 양호하다는 것이다. 이 방법의 단점은 치수 제한 (크기) 과 고비용이다.

전술한 방법으로 제조된 냉각 부재의 가장 큰 결점은, 피팅 단계에서 보호막을 의미하는 세라믹 로(勞) 라이닝 (내화 라이닝) 과 부재간의 양호한 접촉을 달성하는 것이 어렵다는 것이다. 이것이 의미하는 바는, 피팅의 성공여부에 따라서 세라믹 라이닝상의 냉각 부재의 보호 효과가 나타나고, 매우 종종 부재의 냉각 특성을 모두 활용할 수 없다는 것이다.

본 발명은 야금 반응기의 용융영역을 위한 복합 냉각 부재를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 구리의 주조로 세라믹 라이닝부 (lining sections) 를 서로 부착하고, 동시에 그 라이닝 뒤에서 냉각수 채널을 구비한 동판을 형성하여 상기 부재를 제조하는 것에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 복합 냉각 부재에 관한 것이다.

도 1 은 열전달 부재의 정면도,

도 2 는 열전달 부재의 측단면도,

도 3 은 본 발명에 따른 다른 열전달 부재의 측단면도, 및

도 4 는 세라믹 표면내의 구리양에 따른 열손실을 도시한 그래프.

현재, 야금 반응기의 세라믹 라이닝과, 이 라이닝 뒤에서 복합 냉각 부재를 함께 형성하는 냉각수관이 공급되는 동판간의 고정된 금속접촉이 제공되는 방법이 달성되었다. 내화 구운 벽돌 (burnt brick) 과 같은 세라믹 라이닝부가 벽돌들간의 용융 구리를 주조함으로써, 동시에 세라믹 유닛에 의해 형성된 표면 뒤에서 동판을 주조함으로써 서로 연결될 때 가장 바람직하게 달성된다. 동판의 후방부에는 냉각수 채널, 바람직하게는 이중관이 제공된다. 또한, 본 발명은 세라믹 벽돌을 형성하는 표면부를 갖춘 복합 냉각 부재 그 자체에 관한 것으로, 이 표면부 사이에서 고열전도성 구리가 주조되고, 동시에 냉각수 채널이 제공되는 동판은 표면부 뒤에서 주조된다. 주요한 특징은 첨부된 청구항에서 설명될 것이다.

실제로, 냉각 부재는, 구리를 구운 세라믹 벽돌들 주위에서 주조하여, 세라믹 벽돌쌓기 (brickwork) 가 주조 중에 크게 형성되어, 주조된 구리와 양호한 접촉을 형성하도록 하여 형성된다. 구리의 고열전도성으로 인해, 벽돌쌓기에서 구리 이음재의 보호효과는 효율적이다. 불필요하게 열이 전달되지 않기 때문에, 벽돌들간의 구리 이음재는 가능한 얇고, 바람직하게는 기술적인 이유로 0.5-2 cm 두께로 만들어진다. 이음재가 더 얇아지면, 노로부터 냉각재로 다량의 열이 전도되어 불필요하게 열손실과 작동비용이 증가하게 된다. 냉각부재 (반응기 내부의 일부분) 의 표면부에서 세라믹 라이닝에 대한 바람직한 구리양은 표면적의 최대 30% 이고, 즉 총열손실은 증가하지 않지만 벽돌쌓기를 보호하는 것이 목적이기 때문에 이음재의 양은 매우 많지 않다.

주조에 적절한 구운 벽돌은 세라믹 라이닝 재료, 즉 벽돌 재료로 사용되고, 통상적으로 이 벽돌들은 야금 용융을 고려하여 양호한 특성을 가지고 있다. 이 벽돌들은 구리의 전기전도성 및 열전도성에 직접 영향을 받기 때문에, 구리는 고전기전도성, 바람직하게는 85% IACS 보다 높은 등급을 가진다.

벽돌들이 서로 연결되면, 냉각수 채널이 작동되는 동판은 세라믹 라이닝 뒤에서 주조된다. 이 채널은 동판, 예컨대 드릴링에 의해 형성된 부재의 후방부에서 이중관 채널로서 제조되어서, 우선 외부관은 열전달 표면을 증가시키는 형상의 벽과 함께 드릴된다. 더 작은 직경을 가진 내부관은 외부관내에 위치하고, 이 내부관을 통하여 부재에 물이 공급되어, 형상을 갖춘 외부관을 통하여 물이 배출된다. 그루브, 훌루트 (flutes), 나사, 또는 관의 내부면과 유사한 형상을 사용하여, 벽의 열전달 표면은 평평한 표면에 비하여 두배만큼 증가할 수 있다.

채널간의 거리는 채널 직경의 최대 0.5-1.5 배가 되고 따라서 부재의 고정부가 존재하도록 열전달 부재내에 채널들이 형성된다. 채널들이 근접하게 형성되면, 채널 뒷면의 열전달 표면이 불필요하게 사용되고 또한 구조가 약해지기 때문에 유리하지 않다. 한편, 채널이 더 떨어져 형성되면, 열전달 표면을 최대로 사용할 수 없고, 그 후 냉각력은 감소할 것이다.

전술한 바와 같이, 내부관은 열전달 부재의 각 통관 (drilled pipe) 내에 위치하고, 이 관을 통하여 냉각수가 부재로 운반된다. 물은 내부관으로부터 외부관과 내부관에 의해 형성된 링형 채널로 유동하고 회전으로 배출된다. 이중관 구조로 인해 유동 단면적이 감소되어, 일정한 수량(水量)으로 하나의 관을 사용하는 것보다 더 높은 유량을 얻을 수 있다. 더 높은 유량은 부재와 물간의 열전달에 상당히 긍정적인 효과를 준다. 열전달 표면이 종래의 평평한 관을 사용하여 최적화된다면, 수량이 과도하게 많기 때문에 열전달 표면적 증가를 달성할 수 없다.

열전달 부재는 부재의 측면에 텅 (tongues) 과 그루브를 형성하여 또는 부재를 겹침으로써 서로 긴밀하게 연결되어서, 인접한 부재들의 틈은 래비린스 (labyrinth) 를 형성한다.

본 발명에 따른 열전달 부재는 첨부한 도면과 함께 설명될 것이다.

도 1 및 도 2 에서는 열전달 부재 (1) 의 표면부, 즉 반응기내의 벽이 세라믹 라이닝 (2) 으로 형성된 것을 도시하였다. 세라믹 라이닝은 예컨대 구운 벽돌 (3) 들로 번갈아 형성되고, 이 벽돌들 사이의 이음재 (4) 로서 구리를 주조하여 이 구운 벽돌들을 서로 연결하여, 세라믹 표면적에 대한 이음재의 비가 최대 30/70 이 되도록 한다. 벽돌들은 균일한 세라믹 라이닝을 형성하기 위해 서로 연결되고, 동판 (5) 은 라이닝 뒤에서 주조되며, 요구되는 냉각 채널 (6) 은 이 동판에 삽입된다. 냉각 부재들을 서로 부착하기 위해, 부재의 한단부 가장자리는 더 얇게 만들어질 수 있고, 이 부재들은 인접한 부재들을 겹치도록 위치한다. 다른 방법으로, 긴밀하게 접촉하도록 부재에 러그 (lugs) 및 그루브 (텅-그루브 연결) 를 공급하여, 이 부재들이 서로 끼워질 때 긴밀하게 연결된다.

도 2 에서는 냉각수관의 바람직한 이중관 구성을 도시하였고, 예컨대 외부관으로서 작용하는 구멍 (7) 을 드릴링함으로써 부재 그 자체가 사용되고, 이 관은 소망하는 형상으로 큰 유동 단면을 형성한다. 더 작은 직경을 가진 내부관 (8) 은 외부관 내부에 위치하고, 이 내부관을 통하여 부재에 냉각수를 공급한다. 내부관은 외부관의 바닥부에는 미치지 못하고, 길이가 더 짧으며, 냉각수는 내부관 주위에 형성된 링형 공간 주위로 흐르고, 동일한 단부로 되돌아와서 배출구(9) 를 통하여 이 단부에서 출구로 공급된다. 링형 공간의 단면적은 내부관의 단면적과 동일하거나 바람직하게는 더 작아서, 외부관내의 유량은 증가한다. 열전달 영역에서 압력 손실이 증가할 때, 국부적인 물의 끓음을 방지하는 효과가 나타난다.

어떠한 경우에 있어서, 냉각 부재의 냉각을 전술한 이중관을 사용하는 것보다 다른 방법으로 구성하는 것, 예컨대 이중관대신 일반적으로 보링 (boring) 가공과 플러깅 (plugging) 가공으로 관을 제조하는 것이 유리할 수 있다. 이 경우에 있어서, 30/70 의 동일한 구리-세라믹비를 유지하는 것이 바람직하다.

도 3 에서는 복합 부재의 다른 제조법을 도시하였다. 야금 반응기내에서 조동 (blister copper) 이 생성될 때, 이 구리와 냉각 부재의 녹는점은 주로 동일하기 때문에, 이 생성된 구리를 직접 접촉시켜 냉각 부재의 연결에 사용하는 것은 바람직하지 않다. 냉각시키더라도, 부재내의 구리가 약간 녹거나, 부풀음으로 인해 세라믹 라이닝의 상부에서 고체막이 형성될 수 있으며, 제어하기 어려운 경우가 발생하게 된다. 이 경우에 있어서, 프레임을 예컨대 내화강으로 제조하고 프레임내에서 벽돌들이 조립되도록 주조하는 것이 유리하다. 프레임의 높이는 대략 1-3 cm 이고, 이 프레임은 상부에서 주조되어 세라믹 (벽돌) 및 구리와 접촉하게 된다. 따라서, 도 3 에 도시된 바와 같이, 프레임 (10) 은 완성된 부재내에서 벽돌들간의 연결 표면부를 형성한다.

구리와 접촉하는 프레임, 즉 완성된 부재내에서 벽돌들간의 연결 표면부는 상부에서 주조된 용융 구리가 공동으로 흐르게 하고, 예컨대 핀과 같이 형성되는것이 유리하다. 이로 인해, 강철과 구리간의 열전달 표면이 증가하고, 구리와 강철을 밀접하게 함께 묶는다.

도 4 에서는 열전달 부재에서 부재내의 구리비율이 변할 때, 반응기 벽을 통하여 열손실 (마모된 라이닝의 열유동 퍼센트에 따른 열유동) 이 어떻게 변하는지를 도시하였다. 세라믹 라이닝의 비율이 증가하고 총열손실이 감소할 때, 초기 라이닝에 있어서 열손실은 거의 선형적으로 감소하고, 구리의 비율이 10% 이하로 떨어지면, 기울기가 급격하게 변한다.

통상적으로 온도 및 용융재 침투의 복합적인 영향으로 반응기 벽의 라이닝은 마모되어, 단열이 약해지고 열손실이 증가하게 된다. 후면 (구리 0%) 으로부터 냉각된 라이닝의 온도가 고온으로 상승하여, 용융재의 침투가 증가하고, 부식이 진행되어, 결국 평평한 구리 부재표면에 벽돌의 얇은막이 안정적으로 유지된다. 부재내에 어떠한 구리가 존재할 때, 내화물의 온도는 주로 낮아지고, 용융재의 침투도 감소한다. 상기 경우에 있어서, 라이닝내의 구리 비율이 어떠한 한계 (20-30% Cu) 까지 감소함에 따라 열손실도 떨어지고, 그 이후에 열손실은 급격하게 감소하지만, 구리 비율이 임계 레벨 (약 5%) 이하로 떨어지면 다시 증가한다. 도 4 에 따라서, 라이닝내의 구리는 최대 30% 이고, 최적 범위는 5-15% 사이여야 한다.

Claims (24)

1. 야금 반응기의 용융영역을 위한 복합 냉각 부재를 제조하기 위한 방법에 있어서,

   상기 부재는, 부재의 세라믹 라이닝부를 구리의 주조에 의해 서로 부착하고, 동시에 그 라이닝 뒤에 냉각수 채널을 구비한 동판을 형성함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 세라믹 라이닝부는 내화 벽돌인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 냉각수 채널은 보링가공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 냉각수 채널의 내부표면은 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 냉각수 채널에 내부관이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 부재의 냉각수 채널들간의 거리는 각각 채널 직경의 0.5-1.5 배인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 냉각 부재의 표면부에서 구리의 양은 최대 30% 인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 냉각 부재의 표면부에서 세라믹 벽돌들간의 구리 이음재의 두께는 0.5-2 센티미터인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 부재에 사용되는 구리는 85% IACS 이상의 전기전도성을 가진 구리인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 냉각 부재의 세라믹 라이닝부를 강철로 제조된 구조물 내에 위치시키고, 그 후 구조물과 세라믹 라이닝부를 구리 주조를 사용하여 서로 연결시키며, 이에 의해 구조물은 부재 표면의 이음재를 형성하고, 구리는 내부 이음재와 라이닝 뒤의 동판을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 내화강으로 제조된 구조물의 두께는 1-3cm 인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 10 항에 있어서, 구조물은 주조 구리와 평행한 핀으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 야금 반응기의 용융영역을 위한 복합 냉각 부재에 있어서,

    부재의 세라믹 라이닝부는 구리 주조에 의해 서로 부착되고, 또한 그 라이닝 뒤에서 냉각수관이 제공된 동판에 부착되는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
14. 제 13 항에 있어서, 세라믹 라이닝부는 내화 벽돌로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
15. 제 13 항에 있어서, 부재의 냉각수 채널들간의 거리는 각각 채널 직경의 0.5-1.5 배인 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
16. 제 13 항에 있어서, 냉각수 채널은 보링가공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
17. 제 13 항에 있어서, 냉각수 채널의 내부 표면은 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
18. 제 13 항에 있어서, 냉각수 채널에 내부관이 제공되는 것을 특징으로 하는냉각 부재.
19. 제 13 항에 있어서, 냉각 부재의 표면부에서의 구리양은 최대 30% 인 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
20. 제 13 항에 있어서, 냉각 부재의 표면부에서 세라믹 벽돌들간의 구리 이음재의 두께는 0.5-2 센티미터인 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
21. 제 13 항에 있어서, 부재에 사용되는 구리는 85% IACS 이상의 전기전도성을 가진 구리인 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
22. 제 13 항에 있어서, 냉각 부재 세라믹 라이닝부들을 결합하는 이음재는 부재의 표면부에서 강철로 구성되고, 이 부재 뒤에서 이음재는 주조된 구리로 구성되며, 또한 이 구리는 주조시 라이닝 뒤에서 동판을 형성하는 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
23. 제 22 항에 있어서, 내화강으로 제조된 이음재의 표면부 두께는 1-3 cm 인 것을 특징으로 하는 냉각 부재.
24. 제 22 항에 있어서, 구리와 접촉하는 내화강 표면은 핀으로 작용하는 것을특징으로 하는 냉각 부재.