KR20030028756A - 노벽(爐壁) 냉각 블록 - Google Patents

노벽(爐壁) 냉각 블록 Download PDF

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Abstract

UNS-타입 C81100과 유사한 고전도-동을 생성시키기 위하여 주조 공정 중에 환원시키거나 불활성 분위기에서 용융시킨 전해동 UNS-타입 C11000의 주탕 내부에 주조된 UNS-타입 C71500 Schedule-40 냉각수 파이프(102)를 포함하는 노벽 블록(100). 동 파이프(102)가 주물 (104)에 융합된 결과, 그 두 동 합금의 팽창 계수의 차이가 열적 사이클을 작동시키는 동안에 주조 동의 항복 강도(yield strength)를 초과하지 않으며, 또한 파이프 (102)에 사용된 동합금은, 주물 작업 동안 모래 팩킹을 하면 벽 두께가 상대적으로 얇은 파이프(102)라도 사용될 수 있을 정도의 융점을 갖는다.

Description

노벽(爐壁) 냉각 블록 {FURNACE-WALL COOLING BLOCK}
금속로에 사용되는 높은 온도는 심지어 내화벽돌로 시공된 도가니조차도 마멸시키기에 충분하다. 도가니의 내면을 라이닝 하기 위해 내화물들이 전통적으로 사용되고 있는데, 종래 기술은 그러한 라이닝 배면에 냉각 블록을 사용하는 방법을 채용해 왔다. 냉각 블록을 가동하면 벽면에 용융 슬래그(slag), 매트(matte) 및/또는 금속 응고물의 얇은 층이 형성되어 궁극적으로는 벽면의 마멸이나 용손(溶損)을 완화(stabilize)시키는데 도움을 준다. 이러한 냉각 블록은 또한, 노의 버너 블록, 론더(launders), 송풍구(tuyeres), 스테이브(staves), 캐스팅 몰드(casting molds), 전극 클램프(electrode clamps), 탭공 블록(tap-hole blocks), 및 화로의 양극(hearth anode) 등에도 사용된다.
가장 최신의 가열형 야금로(pyro-metallurgical furnace)에는 노벽, 덮개(roof) 및 노상(爐床: hearth) 내화재료의 불가피한 마멸을 완화하기 위하여 냉각 시스템이 사용된다. 냉각 블록은 전통적으로 몇 가지 다른 방식으로 배치된다. 냉각 블록이 설치된 노벽, 덮개 및 노상은 원통형 로(cylindrical furnace),타원형 로(oval furnace), 고로(blast furnace), 미쓰비시형 로(Mitsubish-style flash smelting and converting furnace), 아이사스멜트 로(IsaSmelt furnace), 아크로(electric arc furnace), 교류 및 직류형, 염기성 산소 로(basic oxygen furnace), 전기 슬래그 세정 로(electric slag cleaning furnace), 사각 로(rectangular furnace), 아우토쿰푸 로(Outokumpu flash smelting and converting furnace), 잉코 자용로(Inco flash smelting furnace), 전기로(electric furnace), 슬래그 세정 로(slag cleaning furnace), 및 반사로(reverberatory furnace) 등에서 사용된다.
냉각 블록은 또한 내화물의 다른 경로를 따라 층 내부에 배열될 수도 있다. 내화벽돌 및/또는 주조용 내화물은 때때로 블록의 가열면(hot face)에 사용되며 매끈하거나 주조 또는 기계적으로 형성된 포켓 및/또는 홈을 갖기도 한다.
냉각 파이프와 금속 주물이 정확히 동일한 재질이 아닐 경우 문제가 생긴다. 서로 다른 재질은 열팽창 계수가 다를 것이므로 그 파이프와 주물의 결합력도 달라질 것이다. 끊임없는 열적 사이클링은 그 파이프가 주물로부터 느슨하게 될 수 있는데, 이런 현상이 발생하면 열효율이 현저히 떨어진다.
그러나, 주물을 장입하는 동안 파이프가 연화(軟化)되거나 구멍이 뚫리는 것을 방지할 수 있으려면 용융 주조용 금속보다 융점이 높은 재료로 만들어진 파이프가 바람직하다. 이러한 문제점을 회피하기 위한 선행기술 중 하나는 파이프에 모래를 꽉 채움으로써 파이프가 손괴되지 않도록 보강하고, 그 모래는 주형이 냉각된 후에 씻어내어 버리는 방법이다.
최소한 다소 만족스러운 운전수명(service life)을 제공할 수 있는 냉각 파이프와 금속 주물 재료의 몇 가지 조합은 선행기술에 알려져 있다. 예컨대, Falcon Foundry(Lowellville, Ohio)는 1960대부터 동 냉각 블록으로 Monel-400 파이프 주물을 생산해 오고 있다 (Monel-400은 약 63% 니켈과 31%동 합금에 대한 상표 브랜드이다.) 다른 회사들, ElectroMelt(현존하지 않음) 및 American Bridge(U.S. steel의 전신) 등은 Schedule-40 혹은 Schedule-60 파이프 코일 어셈블리를 사용하여 냉각실(cooling chamber)이 잘 구획된 냉각 블록을 설계해 왔다. 일반적으로 냉각시킬 필요가 있는 순동(pure-copper) 파이프로 된 주물의 경우와는 달리, 이러한 파이프들은 냉각시킬 필요가 없다.
고장분석(Failure analysis)에 따르면, 불행히도 동 냉각 블록은 Monel-400 파이프와 완전히 밀착되어 있지 않다는 것이 밝혀졌다. 그 블록의 파괴시험을 통하여 Monel과 동의 결합 평가를 해보면 많은 결함이 존재한다는 것을 발견할 수 있다. 그러한 결합력의 부족은 열전도율을 저하시키고 전체적인 노 냉각 패턴을 알 수 없게 만든다.
선행기술에 있어서, 주조 동 및 저합금동(low-alloy-copper) 냉각 블록 및 설계 공학(design engineering)도 Hatch(Mississauga, 캐나다), Outokumpu OY(핀란드), Kvaerner(Stockton, 영국), Demag(독일), Hundt & Weber(Siegen, 독일), Tucson Foundry(Tucson, 아리조나), Niagara Bronze(Niagara Falls, 캐나다), Hoogovens(네덜란드) 등에 의하여 상업적으로 설계 및/또는 공급되어 왔다.
Outokumpu 등은, 드릴링한 종축방향의 냉각수 통로(water passage)용홀(hole)을 갖는 동 빌릿(billet)을 사용하여 동 냉각 블록을 설계 및 제조한다. 냉각수 통로로서 압출시켜 만든 홀도 역시 사용되어 왔지만, 이들 중 일부는 고장의 원인이 되었다. 또한 내부 냉각수 순환로(circuit)를 형성하기 위해서 내부 플러그를 갖는 횡축 드릴 홀도 사용되어 왔다.
드릴 또는 압출 구조는 모두, 빌릿 블록의 모서리 주위에 있는 전체 드릴 홀 끝단에 장착시킬 플러그가 필요하다. 납땜, 용접 및 배관용 플러그들이 모두 시도되었지만 그럼에도 불구하고 그러한 블록의 많은 것들이 누수가 발생하는데 야금로 내에서 그러한 누수는 매우 위험하다.
이러한 종류의 블록의 크기와 형태는 동 빌릿을 주조 또는 단조할 수 있는 성능에 따라 제한된다. 내부 냉각수 통로의 레이아웃(layout)은 서로 연결된 드릴 공(drill bore)을 조합하여 통로를 짜 맞추어야 하기 때문에 종종 상당한 제약을 받는다.
반대로, 주조 블록은 아주 다양한 블록 형태와 크기로 제작될 수 있으며, 거의 어떤 레이아웃도 내부 배관으로 가능하다. 주조 블록은 드릴링 후 플러그를 끼운 블록(drilled and plugged block)에 비하여 훨씬 큰 열 하중(heat load)에도 사용될 수 있다.
그러나 드릴링형의 블록과 주조 블록의 제작은 각각 그 고유의 난점이 있다. 주조의 경우에, 냉각수 파이프는 제작 전과 제작 후에 흐름과 압력 시험 모두를 받을 수 있다. 동 냉각 블록은 제작 공극(fabrication void)을 갖더라도, 파이프 벽이 물을 수용할 것이므로 누수의 위험은 매우 낮다.
전통적인 주조 냉각 블록은 전형적으로, 냉각수 파이프를 원하는 레이아웃에 맞추어 형성시키고, 그 전과 후에, 최소한 15분 동안 설계 작동 수압의 150%로 압력시험을 행함으로서 제작된다.
파이프 코일과 주조-동의 계면에 다공성 주물부가 생기게 할 수 있는 기포 형성이 최소화되도록 주물을 장입하기 전에 파이프의 외면을 세정하여야 한다. 때때로 파이프가 연화되는 것을 막기 위하여 파이프 내부에 모래를 채우기도 하지만, 이는 동의 주조 온도보다 훨씬 높은 융점을 갖는 파이프 코일 재료를 사용하지 않는 경우에만 해당된다. 예컨대, Monel-400 파이프는 일반적으로 주조하기 전에 모래를 채울 필요가 없다.
주조 금형은 다공성 부위의 절삭, 취입구(gate), 수직 도관(riser) 및 수축 등을 감안하여 여분의 여유를 두고 만들어져야 한다. 그러한 금형은 전형적으로 접착제와 혼합한 모래로 만들어진다. 모래에 압축 성형시키는 원형은 나무와 기타 쉽게 성형되는 재료로부터 만들어진다.
파이프 코일을 그 모래 금형 내부의 올바른 위치에 단단히 자리 잡도록 한 다음, 용융로로부터 동을 레이들(ladle)속으로 붓는다. 비불활성(non-inert) 환경에서 동을 용융시키는 경우에는 환원제(de-oxidant)가 필요할 수도 있다. 산화 슬래그는 남김없이 모두 걷어낸다. 용융된 동을 다루거나 쏟아 붓는 동안에 너무 빨리 굳어 버리는 것을 방지하기 위해서는 동을 그 융점이상으로 충분히 과열(superheat)하여야 한다. 레이들로부터 액화된 동은 금형을 가득 채워 파이프 코일을 완전히 덮도록 하기 위해서는 충분한 유동성을 가져야 하며, 수직 도관의꼭대기까지 흐르도록 하여야 한다.
일단 환원된 동을 금형 내부로 쏟아 부은 후, 그 주물을 완전히 굳어질 때까지 냉각시킨다. 그 수직 도관 및 취입구 시스템은 기계적으로 제거한다. 여분의 재료는 모두 기계적으로 절삭하거나 잘라내고, 가열면 홈(hot-face groove) 및/또는 포켓을 형성시키거나 마감한다. 외부 표면에는, 블록을 설치, 적재하거나 들어올릴 수 있게 홀을 드릴로 뚫고 탭을 씌운다. 블록간의 대향면은 보통 기계적으로 절삭한다. 요구되는 기계적 절삭의 정도는 그 블록의 최종 용도에 따라 다르다.
표면에 있는 일부 결함은 최종 사용자의 요구에 따라 수리할 수도 있고 그냥 둘 수도 있다. 이러한 결함은 갈아내기, 용접으로 메우기, 및 기계 절삭으로 매끈하게 된다. 완성된 블록은 수누 검사를 위해 하나 또는 둘 이상의 검사 X-레이, 육안 검사, 열적외선 검사(infrared-thermal inspection), 및 공기압력 검사 등을 통하여 검사한다. 열적 및/또는 전기적 검사는 블록이 최소 열 및 전기 전도도를 만족하는지를 확인하기 위하여 사용된다. 치수공차(dimensional tolerance)도 체크한다. 시편(sample)은 파괴시험 프로그램에 사용될 수 있는데, 제작될 동일 또는 유사한 블록의 총수에 대하여 미리 정한 일정 비율을 절개하여 검사한다.
주조 동 내부에 강(steel) 및/또는 철(iron) 파이프 및 튜브를 갖는 냉각 블록은 몇 가지 잇점이 있다. 그 파이프 코일은 저렴하고 제작, 굽힘, 용접, 및 이음새를 사용한 접합 등이 매우 용이하다. 강철 및 철 파이프 코일은 용융 동을 금형에 부을 때도 녹지 않는다. 이렇게 제작된 블록은 잘 구획된 냉각수 통로를 갖게 된다.
그러나, 기포, 다공성, 갭, 및 파이프와 주물 간의 융합력 부족 등의 단점들을 내포하는데, 그러한 결함들은 X-레이 및 파괴시험을 통하여 탐지할 수 있다. 주조 동은 강 또는 철 파이프 외면과 우수한 야금학적 결합을 형성하지 못한다. 파괴시험은 이들 파이프가 주조 동과 쉽게 분리되는 것을 보여준다. 시편은 관의 단면이 드러나도록 대개 0.25 내지 1.00 인치 두께로 잘라 낸다. 파이프가 그 절편에 기계적으로 고정되지 않도록 그 절편을 가로질러 절단해보면 대개 강과 동 결합이 충분치 못한 것을 확인할 수 있을 것이다. 그 파이프는 종종 공압식 정(pneumatic chisel)을 적용하기도 전에 떨어져 나온다.
파이프-동 계면의 결합력 부족과 잦은 결함으로 인하여 동으로부터 파이프로 전달되는 열 전달이 감소하기 때문에, 그 냉각 블록은 동 파이프를 사용하는 냉각 블록보다 더 가열되는 경향이 있으며, 파이프내 강 및 철의 현저히 낮은 열 전도율은 이러한 비효율을 더욱 악화시키기만 한다. 강의 열전도율은 약 33 BTU/hr/℉로서, 전기분해로 얻은 동의 열전도율이 226 BTU/hr/℉인 것과 비교하면, 약 7 배 차이가 난다.
파이프 내의 강과 주조 동 사이의 열팽창 계수도 큰 차이가 있다. 파이프-동 계면의 응력(stress)은 동의 항복응력(yield-stress)을 쉽게 초과하기 때문에 블록 내의 동이 열적 사이클에 의한 균열이 발생할 수 있다. 열팽창 계수는 강의 경우 약 6.9 x 10-6in/in/℉이고, UNS C81100 주조 동의 경우는 약 9.8 x 10-6in/in/℉이다.
동 주물로 둘러싸여 있는 스테인레스 강 파이프 또는 튜브는 더 많은 장점이 있다. 스테인레스 강 파이프 코일은 강 또는 카본 파이프 보다 약간 더 비쌀 뿐이며, 제작, 굽힘, 용접, 및 접합 작업도 거의 같은 정도로 용이하다. 스테인레스 강 파이프 코일은 용융 동을 금형내로 부을 때 녹지 않으며, 완성된 블록은 잘 구획된 냉각수 통로를 갖는다. 결점들이 비교적 적고 빈번하지는 않지만, 파이프와 동간의 계면에 기포, 다공성, 갭, 및 융합력 부족 현상 등이 보통 정도로는 존재한다.
또한 여기서, 주조 동은 스테인레스 강 파이프 외면과 우수한 야금학적 결합을 형성하지 못한다. 파괴시험을 통하여 스테인레스 강 파이프가 주조 동으로부터 쉽게 분리되는 것이 입증된다. 스테인레스 강의 열전도율은 약 9.4 BTU/hr/℉에 불과해서 강보다 훨씬 나쁘다. 스테인레스 강의 열팽창 계수는 약 9.6 x 10-6in/in/℉로서, UNS C81100 주조 동의 경우 약 9.8 x 10-6in/in/℉인 것과 비교된다.
동 냉각 블록 내에 주조된 Monel-400 파이프 또는 튜브는 용융 동을 금형내로 부을 때 녹지 않는다는 장점이 있다. 그러므로 완성된 블록은 잘 구획된 냉각수 통로를 갖는다. 용융상태의 동은 Monel-400을 매우 잘 적시므로 파이프 코일과 동 주물은 아주 치밀한 계면을 형성한다. 그러나, Monel-400 파이프 코일은 주조 동과 함께 사용되는 파이프 코일 중 가장 비싼 파이프 코일이며, 제작하기도 훨씬 어렵다.
그럼에도 불구하고, 주조 동은 보통 Monel-400 파이프의 외면과 우수한 야금학적 결합을 형성하지는 않기 때문에 파괴시험에서 그 둘은 대개 공압식 정으로 분리시킬 수 있다. 일단 분리시켜 보면, Monel-400 파이프 상의 동 입자는 전체 표면적의 10% 미만으로 덮고 있고 있을 뿐이고, 전형적인 Monel-400 파이프 섹션 표면적의 적어도 90% 이상은 기계적으로 또는 이음새적으로 결합을 이루지 않고 있다.
Monel-400 파이프로 만든 냉각 블록은 그 주물 비용의 약 30%를 나타낸다. Monel-400에서의 표준 굴곡관 및 이음새(standard returns and fittings)는 스테인레스 강, 카본 강, 또는 철 파이프에서의 표준 굴곡관 및 이음새보다 더 구하기 어렵다. 주조시에 Monel-400 파이프 코일의 전형적인 왜곡이 다소 발생하지만 심각한 것은 아니다. 모래를 이용한 Monel-400 파이프 코일의 보강은 대개 불필요하다. 파이프 코일의 표면을 청결하게 유지하도록 적절한 공정만 거친다면, 그 파이프와 동이 이루는 계면에 기포, 다공성, 갭 및 기타 융합력 결여의 징후는 흔하지 않다.
파이프-동 계면의 금속 융합력 결여로 인하여 동으로부터 파이프로 전달되는 열전달이 제한을 받는다. Monel-400 파이프 코일과 주조 동 사이에는 여전히 열팽창 계수의 차이가 너무 크다. Monel-400 파이프-동 계면의 응력(stress) 상태는 온화한 열 하중에서조차 동의 항복응력을 초과하기 때문에 열적 사이클이 이루어지는 동안 점진적인 고장이 발생할 수 있다. Monel-400의 열팽창 계수는 약 7.7 x10-6in/in/℉로서, UNS C81100 주조 동의 열팽창 계수 약 9.8 x 10-6in/in/℉와 비교된다. 주조 동 냉각 블록내의 Monel-400 파이프는 정상 상태(steady-state)에 가까운 작동상태 하에서는 우수한 성능을 발휘할 수 있다.
순동(pure-copper) 파이프 코일은 Monel-400 보다는 저렴하지만, 카본강 또는 철 파이프보다는 비싸고 제작, 굽힘, 용점 등이 비교적 용이하다. 완성된 냉각 블록은 잘 구획된 냉각수 통로를 가지며 주조 동과 동 파이프 간에 상당한 결합력이 생성될 수 있다.
완성된 동 냉각 블록은, 그 주조 동이 순동 파이프 코일의 외면과 결합되어 있는 한, 다른 어떤 것들보다도 가장 냉각이 잘 되는 경향이 있다. 파이프 코일이 주조 동과 이루는 계면은 아주 우수하며, 통상 그러한 야금학적 결합 상태(metallugical bonding)를 얻은 선행기술은 없다.
그러나, 순동 파이프 코일은 대형 주물에 사용될 경우 연화 또는 용융될 수 있으므로, 대형 사이즈의 블록의 제작 시에는 주물을 주입하는 동안에 파이프 코일은 냉각시켜야만 한다. 순동 파이프, 특히 파이프 모서리 부위의 녹아내림 현상(melt-through)의 발생 가능성이 매우 높다. 주조시의 불균질한 냉각 및 상대적으로 파이프 벤드의 외부의 얇은 벽은 용손을 쉽게 만들므로, 순동 파이프 코일은 여타 다른 타입의 파이프 코일에 비하여 훨씬 두꺼운 벽을 가져야 한다. 다른 타입의 파이프 코일의 경우 Schedule-40 또는 그 이하의 것을 사용하는데 비하여, 순동 파이프 코일의 경우는 Schedule-120 또는 Schedule-160에 상당하는 것이 보통사용된다.
보다 두꺼운 벽의 부정적인 영향은 냉각수 통로의 중심 대 중심 여유 공간을 훨씬 크게 잡아야 한다는 것이며, 그 만큼 블록 내 냉각수 표면적은 줄어들 것이다. 따라서 Monel-400 및 강철 합금 파이프 재료에 비하여 평형 열 제거 용량(equilibrium heat removal capacity)은 최소화된다. 주조 작업 동안 요구되는 냉각 정도는 상당한 주조 경험이 있어야 결정할 수 있다.
기포, 다공성, 갭 및 금속 융합력 결여의 기타 징후는 파이프와 동 사이의 계면에 여전히 발생할 수 있지만, 여타의 강 또는 철 파이프에 비하여 훨씬 그 정도가 작다. 주물을 주입하는 동안 너무 많이 냉각하게 되면 파이프 외면에 대한 우수한 야금학적 결합이 생성되지 않게 되고, 반대로 주물을 주입하는 동안 너무 조금만 냉각하면 동 파이프 벽에 녹아내림 현상이 발생하게 된다. 그러한 녹아내림 현상은 냉각수의 흐름을 방해할 수 있어서 냉각 블록을 무용하게 만들 것이다. 주물을 주입하는 동안 용융 동이 그 파이프를 녹아내리게 하여 냉각 매체와 접촉하게 되면 위험한 폭발이 발생할 수 있다.
주조-동 냉각 블록내의 순동 파이프는 온화하고 순환식 열 하중에 대하여 우수한 성능을 발휘하지만, 그것은 그 블록이 잘 만들어졌다는 것이 전제하에서만 가능하다.
동 주물 내에 냉각수 통로를 구획하기 위하여 파이프 대신에, 가령, 자동차 엔진 블록을 만드는 방법에서와 같이, 모래 코어(sand cores)을 사용할 수도 있다. 모래는 유기 접착제와 혼합시키는데, 그 기술은 내부에 예비 성형된(preformed) 금속 파이프 코일을 사용하는 방법에 비하여 훨씬 저렴하다. 이렇게 완성된 블록은 잘 구획된 냉각수 통로를 보유할 수 있으며, 사용된 모래는 주물이 굳어지고 나서 쉽게 제거된다. 냉각수는 주조 동 냉각 블록과 고루 접촉하게 되므로 열전도가 극대화된다. 그러나, 주조 작업 동안에 모래의 일부분이 떨어져 나와서 냉각수 봉쇄를 불가능하게 할 수도 있다.
이 방법에 따른 냉각수 통로의 설계는, 모래 코어가 기계적으로 지지되어져야 하기 때문에 예비 성형된 파이프 코일로 냉각수 통로를 설계하는 것보다 훨씬 자유롭지 못하다. 이러한 주조법은 고도의 주조 경험이 요구된다. 기포, 다공성, 갭 및 융합 결함이 발생할 수 있다. 냉각수 통로의 내면은 파이프로 만들어진 것보다 매끈하지 못하며, 이 때문에 수력학적 변화율(hydraulic gradient)이 훨씬 높아지게 되어, 종종 보다 큰 냉각수 공급 펌프 및 배관이 필요하게 된다. 모래 코어을 사용한 주조 블록은 높은 융점의 재료로 된 파이프를 사용한 블록보다 불량률(reject rate)은 높다.
내부 파이프 코일이 없으면 잠재적인 누수의 위험이 높아진다. 모래 코어용 강철 통기구/지지용 파이프는 플러그 및/또는 용접법을 사용하여 밀봉되어야 한다. 통기구가 없으면 주물이 기포로 가득 찰 수 있으며, 지지용 파이프가 없으면 모래 코어가 가라앉을 수 있기 때문에 지지용 파이프가 필요한데, 이들 강 파이프들은 다공성 또는 관통 두께 결함(through- thickness defect)의 원인이 될 수 있다.
모래-코어 주조 동 냉각 블록은 다른 어떤 타입의 냉각블록들보다도 가장 냉각이 잘 되는 경향이 있다. 이 냉각 블록은 온화하고 순환식 열 하중에 대하여 우수한 성능을 발휘하지만, 그것은 그 냉각 블록이 잘 만들어졌다는 것이 전제하에서만 가능하다.
전형적인 냉각 블록은 모래를 채운 강철 또는 동 냉각수 파이프와 강 또는 동 블록 내부의 주물로 구성된다. 예컨대, 1999년 5월18일자 등록된 Ulrich Stein의 미국특허 5,904,893호는 산업용 철 및 강철 야금로, 고로, 직접환원 반응기(direct reduction reactor), 및 내화 라이닝을 갖는 가스공급 설비(gassing unit) 등에 사용되는 냉각판(plate cooler)에 대하여 기술하고 있다. 후벽(thick-walled) 동 파이프 양식을 금형 내부에 배열시키고, 용융 동을 그 금형 내로 붓는다. 약간 다른 동합금의 사용에 관해서도 논의되어 있다. 냉각 블록의 열효율을 유지하기 위해서는 주물 동 블록과 냉각 파이프 간에 밀접한 결합이 이루어져야 한다. 용융 동을 그 파이프라인 주위에 붓는 동안에 후벽 파이프가 약간 녹는다는 언급이 있고, 그 결과 파이프가 주물내에 결합된다.
1974년 8월 13일자 등록된 Nanjyo 등의 미국특허 제3,829,595호는 노벽에 냉각 블록이 있는 직접 아크식 전기로(electric direct-arc furnace)의 단면을 설명하고 있다. 이 특허 및 여기에 인용되어 있는 다른 특허들을 참고자료로 살펴본다. 이들 특허에 기재된 냉각 블록들은 특별히 주조 강 및 강 수냉각 튜브를 개시하고 있다. 내화 벽돌이 블록을 기계적으로 안정화하고 열전도를 향상시키기 위하여 냉각 블록의 가열면(hot-face)에 패인 수평 홈에 고착되어 있다.
1997년 10월 14일자 등록된 Axel Kubbutat 등의 미국특허 제5,676,908호에는 샤프트로의 냉각판(cooling plate)이 개시되어 있다. 이 냉각판은 내화 라이닝 뒷면에 사용되며 주조 철로 만든 선행기술의 장치를 개선한 것이라고 기술하고 있다. 여기에는 또한 주조 동 냉각판이 과밀 단조(denser forged) 또는 압연 소톡(rolled stock) 동에 비하여 열전도 성능이 떨어진다는 점을 지적하고 있다. 그래서 로-냉각판은 냉각 시스템 내로 합쳐지는 보강된 상단(head end)을 보유하는 것을 알 수 있다.
Ulrich Stein에 의한 1999년 5월 18일자 등록된 미국특허 제5,904,893호에서 기술하고 있는 냉각판에서 사용되는 주조 동은 저합금 동으로 사용되며, 지느러미형/홈형(webbed/grooved) 및 매끈한 표면의 냉각판이 두 가지 모두 언급되어 있다. 순동 파이프가 사용된다는 사실은 Ulrich Stein로 하여금 상업적으로 입수 가능한 것보다 두꺼운 벽을 가진 파이프를 사용하도록 주의하게 한다. 칼럼 3의 65줄 내지 칼럼 4의 3줄의 기재에 따르면, 파이프 벽의 약 1~5 ㎜정도가 주물 주입시 용해되었다.
전형적인 주물 주입은 금형에 넘치도록 함으로써 불순물이 흘러나가게 한다. 형성되는 다공성의 최상층은 요구되는 최종 형상을 갖추도록 깍아낼 수 있다. 주물 내부 파이프는 전후에 압력시험을 거친다. 전형적인 냉각 블록은 로에 적용되는 목적에 따라 2 파운드 정도의 경량에서 수 톤의 중량까지 다양한 무게를 가질 수 있다.
중요한 것은 쉽게 입수가능하고 상대적으로 저렴한 상품화된 재료로부터 만들 수 있으면서도, 파이프와 주물간에 강한 융합력을 갖는 냉각 블록이다. 팽창 계수의 차이는, 작동 수명(operational lifetime) 동안 균열이나 기타 재료 결함없이 높은 열 하중과 계속적인 열적 사이클을 견딜 수 있는 정도여야 한다.
본 발명은 로(爐)의 도가니에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 도가니 벽의 내화층 배면(背面)에 사용되는 구리(銅)냉각 블록에 관한 것이다.
도 1(도 1A-1C)은 본 발명에 따른 로-냉각 시스템 구현체(embodiment)의 밑면(end), 위면(top), 및 측면(side) 투상도(projection)이다;
도 2는 도 1A-1C의 로-냉각 시스템에 사용되는 루프형 파이프의 평면도(plan view diagram)이다;
도 3은 동-니켈의 상변태도(phase diagram)으로서, UNS-타입 C71500 합급은 약 1125℃(2150℉)에서 용융되기 시작할 것이라는 것을 나타낸다; 그리고,
도 4(도 4A-4D)는 본 발명에 따른 로-냉각 블록 구현체의 위면(top), 종단면(longitudinal cross-section), 밑면(bottom), 및 횡단면도(lateral cross-section diagram)이다.
본 발명의 목적은 작동 수명 내내 높은 열하중과 계속되는 열적 사이클을 견딜 수 있는 냉각 블록을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 쉽게 입수가능하고 상대적으로 저렴한 상품화된 재료로부터 만들 수 있는 냉각 블록을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 내부 파이핑이 주물 작업 동안 고장을 일으킬 수 있는 가역 캡(reversing cap), 내부 플러그, 엘보우, 또는 날카로운 모서리를 가진 여타의 이음새들이 없는 팽팽하고 매끈한 벤드 스타일이라고 할 수 있는 냉각 블록을 제공하는 것이다.
간단히 말하면, 본 발명에 따른 로-냉각 블록체는, UNS-타입 C81200과 유사한 고전도성 동(high-copper)을 생성시키기 위하여 주조 공정 동안 환원된 전해 동(electrolytic copper) UNS-타입 C11000의 주탕 내부로 주조된 UNS-타입 C71500 Schedule-40 냉각수 파이프로 구성되어 있다. 이 결과 얻어진 주물과 파이프의 융합으로 인하여 여기에 쓰인 그 두 동합금의 팽창 계수의 차이가 작동 열적 사이클 동안에 주조 동의 항복강도를 초과하지 않게 된다. 이 파이프에 사용되는 동합금의 융점은, 용융 상태 동안 상 비교적 박벽(thin-wall) 파이프도 모래를 채워 사용하면 될 정도의 온도이다.
본 발명의 장점은, 가열 면과 관내에서 작동 중에 순환되는 냉각수와의 사이에 열저항이 낮은 로-냉각 블록을 제공한다는 것이다.
본 발명에 따른 또 하나의 장점은 높은 열하중 및 열적 사이클이 적용되는 곳에 사용될 수 있는 로-냉각 블록을 제공한다는 것이다.
더 나아가 본 발명은 저렴하게 제작할 수 있는 로-냉각 블록이 제공된다는 장점도 있다.
상기와 더불어 본 발명의 또 다른 목적, 태양, 및 장점들은 이하에 상세히 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 잘 이해될 것이며, 특히 첨부된 도면을 함께 고려하면 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1(도 1A-1C)은 본 발명에 따른 로-냉각 시스템 구현체를 나타내며, 총괄 참조 번호 100으로 표시하기로 한다. 로-냉각 시스템 100은 루프형으로 굽어진 파이프 102 및 냉각 블록 104 내면의 주물로 구성된다. 한쌍의 플렌지 106과 108은 로-냉각 시스템 100을 주조용 노 도가니에 적재할 수 있게 한다. 원뿔형 구멍 110은 그 도가니의 내벽을 라이닝하는 내화 주물 또는 벽돌을 쌓을 수 있게 안전한 유도로를 제공한다. 한쌍의 파이프 이음새 112 및 114는 냉각수 순환 시스템의 접속부이다.
파이프 102는 바람직하게는 UNS-타입 C71500 동-니켈 합금으로 구성되고 블록 104의 주조 작업 동안 파이프의 붕괘를 방지할 모래로 채워져 있다 (UNS-타입 C71500 동-니켈 합금을 동 개발 협회(Copper Development Association)에서는 넘버-715라고 부르기도 한다). 냉각 블록은 주조 공정 중에 환원시킨 UNS-타입 C11000 전해동(electrolytic copper)을 사용하여 주조되는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 최상의 상태에서는 UNS-타입 C81200과 대등한 고전도-구리 합금으로 된 주물을 얻을 수 있으며, 차선의 실시예에서도 UNS-타입 C81100과 대등한 고전도-구리 합금으로 된 주물이 얻어진다.
도 2는 냉각 블록 내로 주조되어지기 전의 UNS-타입 C71500 동-니켈 합금의 파이프 루프 200을 예시한다. 그것을 우수한 융합 및 결합력을 확고히 하기 위하여 주물 조작 전에 완전히 탈지(degreased)시키고 환원(deoxidized)시킨다. 순동은 약 1980℉에서 녹으며 통상적으로 용접할 때는 예열이 요구되는데, 이는 블록 내로 주조되기 직전에 예열하는 것이 유리하기 때문이다. 예열은 또한 금형과 파이프 코일 모두로부터 수분을 증발시키는데 도움이 된다.
도 2는 원하는 형태로 굽혀진 한 토막의 평활벽(smooth-wall) 파이프로 만들어진 파이프 루프 200을 나타낸다. 그런 방법으로 원하는 패턴을 제작하기 불가능할 경우에는 파이프 이음새가 필요하게 될 것이다. 그러한 이음새는 갈아내어야 하는 날카로운 모서리가 있는 채로 용접되어져야 하는데, 그렇게 하지 않으면 그 접합부는 패쇄현상을 야기하거나 공동현상을 일으킬 수 있다.
로-냉각 시스템 100의 견본으로 행해지는 파괴시험에서 블록 104는 파이프 코일 102 원주의 약 25% 정도가 노출되도록 절단하고 5/8 인치 길이 조각으로 얇게 썰었다. 동으로부터 파이프의 이탈을 시도하기 위하여 공압식 정(pneumatic chisel)이 사용되었다. 이탈되지 않고 남아 있는 파이프는 주조 동에 융합되어 있었다.
파이프 코일로서 다른 니켈-동 합금이나 Monel-400을 사용한 선행기술에 따른 장치를 가지고 행한 위와 같은 시도에서는, 정을 사용하지 않고도 주조 동으로부터 파이프 코일 절편을 이탈시키는 것이 종종 가능했었다.
Cominco Research(Canada, British Columbia주 Trail시 소재) 연구시설에서 사용되는 스케닝 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope)에 의하면, 주조 동의 조직은 파이프 동과 야금학적 결합을 이루고 있음을 알 수 있었으며, 이러한 용접으로 인하여 UNS-타입 C71500 동-니켈 합금 파이프가 주조 동으로부터 이탈되는 것을 방지하였다. 이토록 우수한 야금학적 결합은 선행기술에 의한 코일 재료, 즉, 동 파이프, Monel-400 파이프, 등에서는 통상적으로 관찰되지 않는다.
UNS-타입 C71500의 대략적인 조성은 하기 표 1에 주어져 있다.
재료 Ni Pb Fe Zn Mn Cu
중량% 29.0-33.0 0.05 0.4-0.7 1.0 1.0 나머지
UNS-타입 C71500 동 합금이 Monel-400보다 취급 및 보관에 의한 오염이 훨씬 적긴 하지만, 본 발명에 따른 구현체를 만들 때에도 Monel-400에 대하여 행하는 동일한 사전 예방조치 및 세정 처리방법을 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 파이프는 맨손으로 취급하지 말하야 하며, 판지(cardboard)위에 올려놓아야 한다. Monel-400은 철을 아주 쉽게 회수하는 경향이 있다. 주물 작업 동안 파이프 상에 남아있는 오염물질들은 가스화될 수 있으며 그것은 경화 후 동 주물 내에 다공성을 부여하는 결과를 초래한다.
도 3은 동-니켈 상변태도로서, UNS-타입 C71500 합금이 약 1125℃(2150℉)에서 녹기 시작할 것이라는 것을 보여준다. Monel-400의 융점은 이것보다 약간밖에 높지 않으므로 융점에 있어서 큰 손실 없이도 우수한 계면 융합이 얻어진다.
본 발명에 따른 구현 예에 있어서, 삼차원 유한 요소 열-기계적 응력 분석(three-dimensional finite element thermal-machanical stress analysis)을 기초해서 볼 때, 파이프와 주조 동 간의 계면에 형성되는 통상의 응력은 주조 동의 항복 응력을 초과하지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 순환적 열하중을 받는 적용분야에서 사용이 가능하다. UNS-타입 C71500 동-니켈 합금의 열팽창 계수는 9.0 x 10-6in/in/℉이고, UNS C81100 주조 동의 경우는 약 9.8 x 10-6in/in/℉이므로 그 차이는 0.8 x 10-6in/in/℉에 불과하다. 주조 동의 항복 강도는 약 9.0 ksi이고, Monel-400의 항복 강도는 30-40 ksi이다.
따라서, UNS-타입 C71500 동-니켈 합금 파이프 코일용으로는 보다 얇은 파이프인 ASTM Schedule-40 파이프를 사용할 수 있으며, 냉각수 통로의 여유 공간을 보다 적게 남기는 것이 가능할 뿐 아니라, 상업적 비용도 Monel-400보다 적게 든다. 이렇게 완성된 동 주물은 Monel-400에 비하여 새로운 합금의 더 높은 열전도율로 인하여 더 좋은 냉각 성능을 발휘하게 된다.
Monel-400에 비하여 UNS-타입 C71500 동-니켈 합금의 용융 온도가 상대적으로 낮다는 것은, 주조 공정 동안 파이프를 보강하기 위하여 예비 성형된 파이프 코일을 모래와 유기 접찹제의 혼합물로 채워야 한다는 것을 의미하지만, 냉각이 반드시 필요한 것은 아니다. 만약 파이프 코일이 모래로 보강되지 않으면, 파이프 코일이 처지거나 파이프 코일의 임의의 구획이 휘어 블록의 가열면 쪽으로 너무 가까이 이동할 수 있다. 이들 중 어떤 현상이 발생하더라도 냉각 블록을 무용하게 만들 수 있다. 모래 믹스는 주물이 경화된 후에 제거된다.
일반적으로, 본 발명에 따른 구현체는 주물 재료와 파이프의 융점 차이와 열팽창 계수 차이 사이에 적절한 균형을 이루도록 한다. 주조 공정 동안 녹거나 연화되지 않도록 하여 형을 쉽게 잡을 수 있는 박벽(thin-wall) 파이프를 사용할 수 있으려면 높은 융점차가 큰 것이 필요하지만, 반대로 열적 사이클을 작동하는 동안 재료의 항복 강도를 초과하지 않으려면 팽창계수의 차이는 작아야 한다. 동합금은 재료비에 비하여 뛰어난 열전도성을 갖기 때문에 일반적으로 파이프와 주물 재료로 선호되고 있다.
따라서, 상대적으로 파이프와 주물에 상용되는 동-합금은 충분히 달라서 융점차를 최대로 할 수 있어야 함과 동시에 충분히 유사하여 팽창 계수의 차를 최소화할 수 있어야 한다. 이러한 일반적 제약이 주어져 있음에도 불구하고, 경험적 해결책에 따라 UNS-타입 C71500 동-니켈 합금과, UNS-타입 C81100 주조 동으로 된 주물을 사용하여 본 발명에 따른 구현예를 만들게 되었다. 동의 열전도성이 탁월하고, 융합계면에서의 항복 강도가 열적 사이클을 작동에 의한 과다 응력을 받지 않는다. 다른 UNS-타입 합금의 조합들도 분명히 이런 특성을 만족할 수 있을 것이지만, 이들 모두가 전술한 일반적인 제약을 필연적으로 충족시킨다고는 볼 수 없다.
파이프와 주물의 항복 강도는 양쪽 다 각 합금의 동함량이 높아짐에 따라 줄어든다. 예컨대, 파이프 계면의 최대 동 주물 응력은 30중량%동인 경우의 8000 psi에서부터 100 중량% 동인 경우의 2000 psi까지 거의 정비례하고, 최대 파이프 응력은 30 중량% 동인 경우의 14,000 psi에서부터 100 중량% 동인 경우의 2000psi까지 거의 정비례한다.
Cu 중량% A B C D E F
100 135 114 325 2228 2228 2 홈
70 158 115 349 5662 8195 2 홈
30 161 115 352 8303 14203 2 홈
70 158 115 229 5642 8166 포켓
50,000 BTU/Ft2/hr의 열유량을 적용하였을 때:
A = 파이프 온도 ℉, 외부;
B = 파이프 온도 ℉, 내부;
C = 동 온도 ℉, 팁(tip);
D = 파이프 계면에서의 동 응력 (psi);
E = 파이프 응력 (psi);
F = 표면 타입
도 4(도 4A-4D)는 본 발명에 따른 냉각 블록 구현체를 나타내며, 총괄 참조 번호 400으로 표시하기로 한다. 냉각 블록 400은 수직면(plumbing face) 404의 반대편에 가열면 402을 포함한다. 한쌍의 UNS C71500 동-니켈 합금 파이프 406 및 407은 각각의 파이프 연결부 408-411에 맞추어져 있다. 파이프 406 및 407은 고체 동 블록 412의 내부에 주조되어 있다. 도 4A-4D는 전형적인 패턴을 보여준다. 수직 홈 414, 수평홈 416, 및 교차점에 있는 포켓 418으로 된 시스템은 가열면 402에 포함된다. 이들은 내화물 및/또는 냉동 욕 재료(frozen bath material)를 보유할 장소을 제공한다. 수직 홈 414, 수평 홈 416, 및 포켓 418 중 어떤 것을 사용하느냐 하는 것은, 이들의 형상 및 위치선정이 공학적 선택의 문제인 것처럼, 각각 특정의 응용분야에 따라 이루어진다. 냉각 블록 400의 제작은 로-냉각 도 1에 따른 시스템 100의 경우와 유사하다.
이상, 본 발명에 따른 특정의 구현 예들에 관하여 설명하고 기술하였지만, 이것이 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 구현 예들의 개량이나 변경은 용이할 것은 자명하며, 따라서, 본 발명은 첨부되어 있는 특허청구의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims (5)

  1. 적어도 60 중량% 동을 함유하는 동-니켈 합금을 포함하고, 냉각수 통로를 제공하기 위한 파이프 코일; 및 적어도 50 중량% 동을 함유하는 동 합금을 포함하는 로-냉각 블록을 포함하고, 상기 파이프 코일 회로가 로-냉각 블록 내부로 주조될 때 냉각하지 않음을 특징으로 하는 로-냉각 시스템(furnace-cooling system).
  2. 제 1 항에 있어서, 로-냉각 블록의 주조시에 파이프 코일을 채울 모래 유사 재료의 팩킹을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 로-냉각 시스템.
  3. UNS-타입 C71500 동-니켈 합금을 포함하고, 냉각수 통로를 제공하기 위한 파이프 코일; 및 금형 내부로 주조된 UNS C11000과 등가의 고순도 동으로 출발하고, UNS C81100과 유사하게 끝나는 재질로 만들어진 로-냉각 블록을 포함하며, 상기 파이프 코일 회로가 로-냉각 블록 내부로 주조될 때 냉각하지 않음을 특징으로 하는 로-냉각 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 파이프 코일의 최대 벽 두께가 ASTM Schedule-40과 대등한 것임을 특징으로 하는 로-냉각 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 설계 열하중하에서, 삼차원 유한요소 열-기계적 응력 분석(three-dimensional finite element thermal-machanical stress analysis)을 기초로 할 때, 파이프 코일과 주조 동으로 된 로-냉각 블록 계면의 어떠한 응력도, 주조 동의 항복 응력을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 로-냉각 시스템.
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