KR20040056316A - 턴디쉬 예열 및 보열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연주 공장에서 냉각 상태로 보관된 턴디쉬를 직접 가열하여 초기 가열이 가능하도록 함은 물론 주조 대기중인 턴디쉬의 내부에 고온의 질소 또는 불활성 가스를 순환시킴으로서 턴디쉬 내부를 무산화 분위기로 유지하여 턴디쉬의 냉각 속도를 지연시키고 질소를 재순환하여 초기 가열과 무산화 보열 기능이 가능한 턴디쉬 예열 및 보열 장치에 관한 것으로서, 그 특징적인 구성은 턴디쉬(2)의 내부에 위치되고 예열모드에서는 화염이 발생되고 보열모드에서는 질소가 분사되는 버너(10)와, 상기 버너(10)에 조인트(11)를 매개로 연결된 덕트(12)와, 상기 덕트(12)를 통과하는 연소가스와 열교환하는 축열수단(20)과, 상기 축열수단(20)으로 공급되는 연소가스가 발생되는 연소실(14)과, 상기 덕트(12)에 설치되어 덕트(12)의 내부로 질소를 공급하는 질소노즐(3)과, 상기 축열수단(20)에 축열된 잠열을 이용하여 질소의 온도를 상승시키기는 질소가스 이동관(24)을 포함하여서 된 것이다.

Description

턴디쉬 예열 및 보열 장치{Preheating and heat insulation apparatus for tundish}

본 발명은 턴디쉬 예열 및 보열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연주 공장에서 냉각 상태로 보관된 턴디쉬를 직접 가열하여 초기 가열이 가능하도록 함은 물론 주조 대기중인 턴디쉬의 내부에 고온의 질소 또는 불활성 가스를 순환시킴으로서 턴디쉬 내부를 무산화 분위기로 유지하여 턴디쉬의 냉각 속도를 지연시키고 질소를 재순환하여 초기 가열과 무산화 보열 기능이 가능한 턴디쉬 예열 및 보열 장치에 관한 것이다.

일반적으로 연주설비는 도 1에 나타낸 바와 같이 래들(1)에 담겨진 용강을 턴디쉬(2)로 공급하고 상기 턴디쉬(2)의 하부에 설치된 노즐(3)을 통하여 몰드(4)에 용강을 공급하면서 상기 연주설비의 하부에 소정의 두께와 폭을 갖는 슬라브(4)를 생산하는 것이다.

이와 같이 주조중인 턴디쉬(2)는 용강의 온도인 1540~1570C를 유지하며 주조가 완료되어 턴디쉬(2)에 용강이 존재하지 않으면 냉각이 시작된다.

상기 턴디쉬(2)의 냉각은 외피를 통한 복사 및 대류 열방산에 의한 것으로, 1100C 까지 냉각되는 데는 약 5~6시간이 소요되며, 850C 까지 냉각되는 데는 약 14시간이 소요된다.

한편, 상기 턴디쉬(2)의 온도가 850C 이하가 되면 턴디쉬(2)에 산소를 공급하여도 주조를 할 수 없게되는 문제점이 있다.

그리고, 무산화 분위기를 유지하기 위해서 상온의 질소를 턴디쉬(2)에 공급하게 되면 질소의 냉각 작용에 의하여 턴디쉬는 더욱 빨리 냉각된다.

따라서, 질소를 가열하여 턴디쉬(2)에 공급할 경우에는 질소의 공급량과 온도에 따라 턴디쉬(2)의 냉각 속도가 결정되는 것이다.

상기 턴디쉬(2)의 냉각이 이루어지지 않게 하기 위해서는 표면 방산열에 해당되는 열량이 턴디쉬(2)의 내화 단열재에 흡수되어야만 하며 열흡수 효율을 고려하게 되면 시간당 200만 kcal 이상의 열량을 연소화염을 통하여 공급해야하는 문제점이 있으며. 이러한 경우는 냉각 상태에 있는 턴디쉬를 주조 가능한 온도까지 예열하는 기존의 턴디쉬 예열(Preheater) 기능을 의미한다.

종래의 턴디쉬 예열장치는 도 2에 나타낸 바와 같이 턴디쉬(2)의 내부에 버너(10)가 설치되어 있고, 그 버너(10)에는 조인트(11)를 매개로 덕트(12)가 연결되어 있으며, 상기 덕트(12)에는 가스가 공급되는 가스배관(13)이 연결되어 있다.

따라서 턴디쉬(2)를 예열하기 위해서는 가스배관(13)을 통하여 공급되는 원료를 공급받아 상기 턴디쉬(2)의 내부 설치된 버너(10)를 이용하여 화염을 발생시키면서 턴디쉬(2)의 내부를 예열하고 있다.

그러나 이러한 종래의 예열 장치는 버너(10)에서 발생되는 화염에 의해서 예열하는 것으로서, 예열 완료된 턴디쉬(2)의 온도를 유지하기 위해서는 연료를 연속적으로 소비하여야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 그 목적은 턴디쉬의 온도가 1100℃ 이상일 때는 냉각효과를 얻고, 1100℃ 이하에서부터 냉각지연효과를 얻을 수 있도록 질소를 소정의 온도(약 1100℃)로 가열하여 턴디쉬에 주입하고 상기 턴디쉬의 내부가 무산화 분위기를 유지하도록 질소의 공급량을 조절하여 턴디쉬의 온도를 유지할 수 있는 턴디쉬 예열 및 보열 장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 연주설비를 나타낸 개략도.

도 2는 종래의 예열 장치를 나타낸 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 예열 및 보열 장치를 나타낸 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 예열 및 보열 장치의 축열수단을 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 예열 및 보열 장치의 작동상태를 나타낸 구성도.

도 6은 본 발명에 따른 턴디쉬의 냉각 특성도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

2 : 턴디쉬 3 : 질소노즐

10 : 버너 11 : 조인트

12 : 덕트 13 : 연소가스 이동관

14 : 연소실 20 : 축열수단

21 : 축열체 22 : 고온 분배헤드

23 : 저온 분배헤드 24 : 질소가스 이동관

25 : 공기 이동관

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명 턴디쉬의 예열 및 보열 장치는 턴디쉬(2)의 내부에 위치되고 예열모드에서는 화염이 발생되고 보열모드에서는 질소가 분사되는 버너(10)와, 상기 버너(10)에 조인트(11)를 매개로 연결된 덕트(12)와, 상기 덕트(12)를 통과하는 연소가스와 열교환하는 축열수단(20)과, 상기 축열수단(20)으로 공급되는 연소가스가 발생되는 연소실(14)과, 상기 덕트(12)에 설치되어 덕트(12)의 내부로 질소를 공급하는 질소노즐(3)과, 상기 축열수단(20)에 축열된 잠열을 이용하여 질소의 온도를 상승시키기는 질소가스 이동관(24)을 포함하여서 된 것이다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 예열 및 보열 장치를 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 예열 및 보열 장치의 축열수단을 나타낸 사시도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 본 발명은 턴디쉬(2)의 내부에는 버너모드에서는 화염이 발생되고 보열모드에서는 질소가 분사되는 버너(10)가 설치되어 있고, 상기 버너(10)에는 내부에 단열재가 구비된 덕트(12)가 조인트(11)를 매개로 연결되어 있으며, 상기 덕트(12)는 보열모드에서 고온의 질소가스가 통과된다.

한편, 상기 덕트(12)의 중간부분에는 질소노즐(30)이 삽입되어 있되, 상기 질소노즐(30)은 고압(3~5kg/cm2) 질소의 압력 에너지를 이용하여 질소를 순환시키며, 축방향으로 이동되면서 순환되는 질소의 양을 0 에서부터 노즐에서 분사되는 양의 6배까지 조절할 수 있다.

그리고 축열수단(20)은 도 4에 나타낸 바와 같이 중앙부에 축열체(21)가 위치되어 있되, 그 축열체(21)의 내부에는 하니컴 형태의 축열부재가 내장되어 있고, 그 외부에는 단열재와 철피가 설치되어 있으며, 구동수단(도면 미도시)에 의해서 회전 가능하도록 설치되어 있다.

상기 하니컴의 일실시예를 구체적으로 설명하면, 재질은 뮬라이트(50%)와 코오디얼라이트(50%)의 혼합체이고, 색상은 백색이며, 화학조성비는 SiO2 44%, Al2O3 50%, MgO 6%이고, 열팽창 계수(온도범위 : 20~1000℃)는 3.0 x 10-6/Deg이며, 열처리 온도는 1400℃이고, Cell의 수는 50 Cells/SQINCH 이며, Cell의 두께는 0.64mm이다.

이러한 축열체(21)의 양단부에는 고온 분배헤드(22)와 저온 분배헤드(23)가 각각 설치되어 있으며, 상기 고온 분배헤드(22)는 연소실(14)측에 위치되어 있다.

한편, 상기 축열수단(20)의 양단에는 연소가스가 이동되는 연소가스 이동관(13), 질소가스가 이동되는 질소가스 이동관(24) 및 공기가 이동되는 공기 이동관(25)이 각각 설치되어 있는 것으로서, 연소실(14)에서 발생된 고온(1300℃)의 연소가스는 고온 분배헤드(22)를 통하여 축열체(21)를 통과하면서 열전달이 이루어 진 다음 저온 분배헤드(23)를 통하여 배출된다. 이때 축열체(21)가 회전되면서 축열체(21)의 가열된 부위가 질소가스 이동관(24) 측으로 이동되어 상대적으로 온도가 낮은 질소는 가열 된 후 턴디쉬(2)로 공급된다.

그리고 공기 이동관(25)을 통하여 이동되는 공기는 축열체(21)가 연소가스에 의해서 재 가열되기 전에 잠열을 제거하기 위하여 공급되며 가열된 공기는 연소용 공기로 사용하게 된다.

한편, 축열체(21)에 잔존하는 열의 제거가 충분하게 이루어지지 않은 상태에서 배출되면 연소가스의 온도가 상승하게 되어 연료 사용 효율이 저하되고 배기가스의 온도가 증대되어 후속 배관 계통을 가열시키게 되는 것을 방지하기 위하여 본 발명에서는 저온 분배헤드(23)의 출측으로 배출되는 연소가스 온도를 감지하여 축열체(21)를 통과하는 연소공기의 양을 조절하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 예열 및 보열 장치의 작동상태를 나타낸 구성도이다.

먼저, 턴디쉬(2)를 주조 가능한 온도까지 예열한 후 덕트(12)의 중간에 공기 이동관(25)을 연결하여 각각의 버너로 공기를 공급함으로서, 연소장치로서의 기능을 수행할 수 있게되는 것이다. 상기 연소용 공기는 덕트(12)의 내부로만 공급되며 공기 이동관(25)에 연결된 다른 공기 계통은 모두 폐쇄된다.

그리고 축열체(21)의 질소 통로와 덕트의 하부에는 공기가 충전되지만 유동은 이루어지지 않는다.

한편, 버너(10)의 유량배분은 턴디쉬(2) 상부에 놓이게 되는 복수개의 버너(10)로 공급되는 공기량을 균등 배분하기 위해서 버너(10)의 전단에서 공급 압력을 동일하게 하여야 하며 이는 압력 배분용 밸브(PRV : Pressure RegulatingValve)(40)에 의해서 가능하게 되는 것이다.

각 버너(10)에 대한 공기의 공급압력이 압력 배분용 밸브(40)의 내부에 있는 다이아프램에 작용하도록 하여 차압에 의하여 다이아프램이 작동됨으로서 압력을 균등하게 유지하는 것이다.

상기 압력 배분용 밸브(40)의 내부에는 중력에 의한 압력차를 상쇄하기 위하여 스프링이 내장되어 있으며 스프링이 하부에 놓이도록 설치되어야 한다.

그리고 연소부하 및 공기비 조정은 버너의 연소 부하는 판넬에서 수동으로 조절하거나 시간에 따른 턴디쉬(2) 내부 온도(또는 부하)의 상승 패턴을 PLC에 입력하여 자동제어 할 수 있다. 즉, 공기비를 판넬에서 용이하게 조절할 수 있도록 하여 운전자가 가열조건이나 기타 운전상황을 감안하여 최적의 연소상태를 유지하는 것이다.

한편, 무산화 보열기능은 턴디쉬 내부를 불활성 가스로 충전하여 잔존 용강의 산화를 방지하는 역할과 함께, 공급되는 불활성 가스를 고온으로 유지함으로서 턴디쉬(2)의 냉각속도를 지연하는 것으로서, 두가지 목적이 있다.

첫째로는 턴디쉬(2) 내부의 무산화 분위기 형성하는 것으로서, 턴디쉬(2) 내부는 외기에 비하여 1300℃ 이상의 고온 상태가 유지되므로 외기와의 밀도 차이에 의하여 턴디쉬(2)의 개구부를 통하여 외부 공기가 내부로 유입된다. 이러한 외기의 유입을 방지하기 위해서는 턴디쉬(2) 내부의 압력을 외기보다 높게 유지하여야 하며 이를 위해서 일정한 량의 불활성 가스를 계속적으로 턴디쉬(2) 내부로 공급한다.

공급된 불활성 가스는 턴디쉬(2) 내부 압력을 외기 보다 높게 유지하면서 개구부를 통하여 계속적으로 방출되고 따라서 외부공기가 턴디쉬(2) 내부로의 침입되는 것을 방지하게 된다.

일예로 턴디쉬(2)의 조건을 고려하여 외부 공기의 유입을 차단하기 위한 내부 압력을 계산해 보면 안전을 고려할 경우 약 3mmH2O의 압력이 요구되며, 가열로의 경우에는 외기의 유입을 방지하기 위하여 노내압을 2mmH2O 수준으로 유지하여야 한다.

이와 같은 압력 상태에서 턴디쉬(2) 각 개소에 있는 틈새를 통하여 방출되는 불활성가스의 유량을 계산할 수 있게 되며 이에 근거하여 턴디쉬(2)를 무산화 분위기로 할 수 있는 최소한의 불활성 가스 공급량을 결정할 수 있는 것이다. 이론적인 계산에 의하면 불활성 가스가 질소인 경우 최소 공급량은 약 300~400Nm3/hr인 것으로 나타나고 있지만 실측을 통하여 정확한 양을 결정할 필요가 있다. 한편, 아르곤 등과 같이 질소보다 밀도가 큰 가스의 경우에는 내부 유지 압력이 낮기 때문에 공급량을 적게 할 수 있다.

둘째로는 턴디쉬를 냉각하는 특성으로서, 주조중인 턴디쉬(2)는 용강의 온도인 1540~1570℃를 유지하며 주조가 완료되어 턴디쉬(2) 내부의 용강이 소진되면 냉각이 시작된다. 상기 턴디쉬(2)의 냉각은 외피를 통한 복사 및 대류 열방산에 의한 것으로, 1100℃ 까지 냉각되는 데는 5~6시간이 소요되며 850℃ 까지 냉각되는 데는 약 14시간이 소요된다. 턴디쉬(2)의 온도가 850℃ 이하가 되면 턴디쉬에 산소를 공급하여도 주조 가능한 상태를 얻기는 곤란한 것으로 알려져 있다.

따라서 무산화 분위기를 유지하기 위해서 상온의 질소를 턴디쉬에 공급하게 되면 질소의 냉각 작용에 의하여 턴디쉬는 더욱 빨리 냉각되므로, 질소를 가열하여 턴디쉬에 공급할 경우에는 질소의 공급량과 온도에 따라 턴디쉬의 냉각 속도가 결정된다. 즉, 도 6에 나타낸 바와 같이 턴디쉬의 냉각이 이루어지지 않게 하기 위해서는 표면 방산열에 해당되는 열량이 턴디쉬의 내화 단열재에 흡수되어야 하며 열흡수 효율을 고려하게 되면 시간당 200만 kcal 이상의 열량을 연소화염을 통하여 공급하여야 한다. 이러한 경우는 통상의 턴디쉬 가열운전 말기에 해당한다.

일예로 질소를 약 1100℃ 정도로 가열하여 턴디쉬에 주입하게 되면 턴디쉬의 온도가 1100℃이상일 때는 냉각 작용이 이루어지며 1100℃ 이하에서부터 냉각지연 효과를 얻을 수 있다. 이때 냉각 지연효과는 공급되는 질소의 양이 많을수록 증대되어 진다.

따라서 이상적으로는 턴디쉬의 온도가 1100℃ 이상일 때는 질소의 유량을 무산화 분위기 유지에 필요한 최소량만을 공급하고 온도가 저하되었을 때 질소의 공급량을 증대하는 것이 바람직하다.

무산화 보열모드에서는 연소용 공기의 2/3는 배기용 이젝터(50) 측으로 공급되어 연소가스를 흡인하여 배출하는 역할을 수행하며1/3은 연소실(14)로 공급되어 고온의 연소가스를 형성한다. 상기 연소실(14)에서 형성된 연소가스는 회전하는 축열체(21)를 통과하면서 냉각된 후 배기용 이젝터(50)를 통하여 대기로 방출된다.

연소용 공기는 회전 축열체(21)를 통과하여 연소실(14)에 공급되거나 직접적으로 연소실(14)에 공급될 수 있는 데, 그 비율은 회전 축열체(21)를 통과하고 난연소 배가스의 온도에 따라 자동 조절된다. 이와 같이 함으로서 최종 연소배가스의 온도를 200℃ 이하로 유지하여 배열의 회수가 충분히 이루어지게 된다.

그리고 질소는 질소 노즐(3)로부터 분사되어 질소 순환용 이젝터와 가열된 회전 축열체(21)를 통과하면서 소정의 온도까지 승온된 후 버너(10)를 통하여 턴디쉬 내부로 주입된다. 버너(10)의 외부에는 별도의 실링용 질소가 분사되도록 하여 질소분사시 외기가 흡인되는 것을 방지한다.

무산화 보열 운전시에는 가열모드에서 압력 배분용으로 사용되는 압력 배분용 밸브(40)는 닫히게 된다.

질소 공급량을 조절할 때에는 공급되는 질소의 양은 질소 공급 노즐 전단의 질소 압력으로 제어되며 판넬에서 질소 공급 밸브의 개도 제어에 의하여 이루어진다. 무산화 보열시 요구되는 질소의 최소량은 턴디쉬 내부를 무산화 분위기로 유지하는 데 요구되는 양과 같으며 이보다 질소의 공급량이 적어지면 무산화 분위기의 유지가 불가능하다. 그리고 질소는 턴디쉬의 개구부와 순환 계통상의 개구부를 통하여 외기로 방출된다.

순환 질소량의 조절은 턴디쉬 내부를 순환하는 질소의 총량을 말하는 것으로서, 질소 노즐을 통하여 공급되는 질소의 압력 에너지를 이용하여 질소 순환용 이젝터에서 턴디쉬 내부의 질소를 흡인하여 회전축열체(21)에 주입되는 질소의 양을 외부에서 공급되는 질소의 양보다 최대 5~6배 많게 할 수 있다. 이와 같이 하게 되면 무산화 분위기 유지에 필요한 최소한의 질소를 이용하여 많은 양의 고온 질소를 턴디쉬(2) 덕트(12) 질소 노즐(3) 축열체(21) 턴디쉬(2)로 이루어지는 순환계통을통하여 냉각 지연 효과를 크게 할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 질소 노즐(3)의 위치를 축방향으로 이동시킬 수 있도록 하여 질소순환용 이젝터에서 흡인될 수 있는 질소의 양이 조절될 수 있도록 하였다. 질소 노즐의 선단부를 질소 순환용 이젝터의 스롯트 부분과 밀착 시키게 되면 유동 면적이 감소되어 흡인량을 감소시킬 수 있으며 반대 방향으로 이동시키게 되면 흡인 유량의 증대가 가능하여 전체적인 순환량을 조절할 수 있는 것이다.

질소 가열 온도의 조절은 질소 노즐을 통한 외부로부터의 질소 공급량과 순환량 조절을 위한 질소 노즐의 위치가 정해지면 연소실의 연소부하 증감에 의하여 질소의 가열 온도를 증감할 수 있고 그 온도는 판넬에서 운전자가 지정할 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명은 무산화 보열로 턴디쉬 내부를 불활성 가스로 충전하여 잔존 용강의 산화를 방지하는 역할과 함께, 공급되는 불활성 가스를 고온으로 함으로서 턴디쉬의 냉각속도를 지연하게되는 특유의 효과가 있다.

Claims (3)

1. 턴디쉬(2)의 내부에 위치되고 예열모드에서는 화염이 발생되고 보열모드에서는 질소가 분사되는 버너(10)와, 상기 버너(10)에 조인트(11)를 매개로 연결된 덕트(12)와, 상기 덕트(12)를 통과하는 연소가스와 열교환하는 축열수단(20)과, 상기 축열수단(20)으로 공급되는 연소가스가 발생되는 연소실(14)과, 상기 덕트(12)에 설치되어 덕트(12)의 내부로 질소를 공급하는 질소노즐(3)과, 상기 축열수단(20)에 축열된 잠열을 이용하여 질소의 온도를 상승시키기는 질소가스 이동관(24)을 포함함을 특징으로 하는 턴디쉬 예열 및 보열 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1 항에 있어서, 상기 축열수단(20)은 내부에 허니컴이 내장된 축열체(21)와, 상기 축열체(21)의 일측에 설치된 저온 분배헤드(23)와, 상기 축열체(21)의 타측에 설치된 고온 분배헤드(22)와, 축열체(21)의 내부에 관통되게 설치된 질소가스 이동관(24)과, 연소가스 이동관(13)과 공기 이동관(25)을 포함함을 특징으로 하는 턴디쉬 예열 및 보열 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 축열체(21)는 구동수단에 의해서 회전 가능하도록 설치됨을 특징으로 하는 턴디쉬 예열 및 보열 장치.