KR20050005552A - 유체 주입 장치 및 주입 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내화재 라이닝이 있는 야금 용기 안으로 유체를 신뢰성 있게 도입하기 위한 주입 장치에 관한 것으로, 이 주입 장치는 상기 라이닝 내에 착탈식으로 삽입할 수 있고, 끼워 맞춤식으로 조립되는 내화재로 된 제1 본체(2) 및 내화재의 제2 본체(3)를 포함하며, 상기 제1 본체는 제2 본체(3)의 재료에 비해 상기 유체에 대한 투과성이 낮은 내화재로 제조되며, 상기 제1 본체와 제2 본체는, 용융 금속과 접촉하도록 되어 있는 표면(4, 5)을 각각 구비하고, 또 유체 공급 수단(8)에서부터 용융 금속과 접촉하는 표면(4, 5)까지 연장하는 유체 통로(6, 7)를 각각 구비하며, 상기 제2 본체(3)의 유체 통로(7)에서의 상대 유동 저항은 상기 제1 본체(2)의 유체 통로(6)에서의 상대 유동 저항보다 높으며, 상기 제1 본체(2)의 유체 통로(6)는 슬롯 또는 보어로 이루어진다. 본 발명에 따르면, 상기 제1 본체(2)의 유체 통로(6)는 상기 제2 본체(3)의 유체 통로(7)로부터 독립되어 있다. 이러한 주입 장치는 이 주입 장치가 이미 사용된 경우라도 야금 용기 안으로 유체를 신뢰성 있게 도입할 수 있도록 해준다.

Description

유체 주입 장치 및 주입 방법{INJECTION DEVICE AND PROCESS FOR THE INJECTION OF A FLUID}

유체, 특히 가스가 레들, 도가니 및 턴디쉬와 같은 용기 내의 용융 금속 내에 여러 가지 용도로 종종 주입된다. 예를 들면, 가스는 비교적 차가운 바닥 영역의 응고 제품을 소거, 예를 들면 바닥에 출탕구를 갖고 있는 용기에서 그 출탕구의 부근에서 그러한 응고 제품을 제거하기 위해 용기의 바닥 부분으로 도입될 수 있다. 강의 제조시에, 예를 들면 턴디쉬 내에서 가스 기포의 미세한 커튼을 천천히 주입하게 되면, 개재물의 제거에 도움이 되는 데, 그러한 개재물은 미세한 가스 커튼에 끌려 용융물을 통과해 표면까지 위로 상승하고, 여기서 그러한 개재물은 통상 턴디쉬를 덮고 있는 분말 또는 플럭스에 의해 포집된다. 유체는 또한 린싱(rinsing)을 위해, 용융물을 열적 또는 조성적으로 균질화하기 위해, 또는 용융물에 걸쳐 합금 첨가물을 분산시키는 데에 도움이 되도록 도입될 수 있다.

통상, 불활성 가스가 사용되지만, 용융물의 조성 또는 성분을 개질하는 데에필요한 경우 반응성 유체, 예를 들면 환원 가스 또는 산화 가스가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 질소, 염소, 프레온, 육불화황, 아르곤 등과 같은 가스를 용융 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 용융 금속 안으로 주입하여, 수소 가스, 비금속 개재물 및 알칼리 금속과 같은 바람직하지 못한 성분을 제거하는 것이 통상적이다. 용융 금속에 추가되는 반응성 가스는 바람직하지 못한 성분과 화학적으로 반응하여, 그러한 성분들을 나머지 용융물로부터 쉽게 제거할 수 있는 침전물, 드로스(dross) 또는 불용성 가스 화합물과 같은 형태로 전환시킨다. 상기한 유체(또는 기타 다른 것들)는, 예를 들면 강, 구리, 철, 마그네슘 또는 이들의 합금에 대해 사용할 수도 있다.

다양한 작업 요건 때문에, 아래와 같은 두 가지 상이한 형태의 주입 장치가 사용되고 있다.

- 유체 스트림을 불규칙하게 분배하고, 다양하는 크기의 기공을 갖고 있는, 다공성 퍼징 플러그(purging plug),

- 유체가 흘러 통과하게 되는 유체의 흐름 방향 및 개구의 크기가 조절된 플러그. 상기 개구는, 분리된 상태로 있거나 서로 연결되어 있는 둥근 관 또는 보어, 세그먼트가 조립될 때 직선 형태로 정렬될 수 있는 슬롯, 혹은 2개의 원추대(cone stump)를 함께 끼움 맞춤으로써 형성되는 원형일 수 있다.

최적의 정제를 달성하기 위해, 유체가 용융 금속 안으로, 바람직하게는 용기의 바닥에서부터 매우 많은 수의 극도로 작은 기포 형태로 도입되어, 비금속 불순물 또는 가스를 슬래그로 신속하게 운반하는 것이 바람직하다. 가스 기포의 크기가 감소함에 따라, 단위 체적당 기포의 개수는 증가한다. 기포 개수 및 기포의 단위 체적당 표면적의 증가하게 되면, 주입된 가스가 예상되는 정제 또는 린싱 작업을 수행하는 데에 효율적으로 사용될 가능성이 증대한다. 따라서, 정제 및 린싱 작업을 달성하기 위한 최적의 주입 장치는 다공성 플러그이다.

균질화가 필요하거나(즉, 첨가제를 살포하여 용해시키거나), 온도 밸런스가 달성되어야 하는 경우, 퍼징 플러그는 다량의 가스를 용탕 안으로 불어넣음으로써 혼합하는 데에 도움이 되도록 사용될 수 있다. 이러한 용례를 위해, 방향성 기공(directed porosity)을 갖는 퍼지 플러그가 가장 효과적이라는 것이 입증되었다.

따라서, 일반적으로 주입 장치의 형태의 선택은 특정 용례에 대한 주요 요구 조건에 의존한다.

본 발명에 대한 출발점으로서, 본 발명자들은 "방향성 기공을 갖는 퍼지 플러그" 형태의 주입 장치의 신뢰성을 향상시키는 것을 생각하였다. 실제, 방향성 기공을 통한 유체의 일정한 흐름은 용융 금속의 유입에 의해 봉쇄되는 것을 방지하기 위해 필수적인 것으로 일반적으로 고려되고 있다. 매 주입 작업의 종료시에 유체 공급 차단의 필요성으로 인해 봉쇄를 초래하고, 특히 사용 유체 압력이 유체 통로를 다시 개방하는 데에 충분치 않은 경우, 불가능하지는 않더라도 주입 장치의 재사용을 어렵게 만들 것이다. 일반적으로, 10 bar 이하에서는 "방향성 기공을 갖는 퍼지 플러그" 형태의 주입 장치가 개방될 수 없을 위험이 있는 것으로 여겨지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 예를 들면 일본 특허 출원 공개 소60-46312호에는 혼합을 보조하도록 단지 다량의 기공을 사용하는 것을 개시하고 있다.

유럽 특허 제424502호에서는 이미 그러한 문제점을 다루었고, 가스 불투과성 내화재로 이루어진 로드에 모세관 형태의 구멍 또는 슬롯으로 형성된 가스 통로가 있는 가스 주입기를 제시하고 있다. 모세관 형태의 구멍 또는 슬롯은 작은 치수로서, 사용시에 용융 금속이 실질적으로 통로 안으로 침입할 수 없도록 되어 있다.

이러한 주입 장치는 이미 야금 용기 안으로의 유체 주입에 대한 신뢰성에 있어서의 상당한 진보를 이루었지만, 대안적인 주입 장치를 찾아내는 것이 요구될 수 있다. 실제로, 그러한 주입 장치는 유럽 특허 제424502호에 개시된 가스 주입기의 신뢰성과 적어도 동등해야 하며, 통상의 기법 및 통상의 재료를 통해 경제적이면서도 간단하게 제조할 수 있어야 한다. 또한, 그러한 주입 장치는 최대 사용 유체 압력이 비교적 낮은(예를 들면, 10 bar 보다 낮은) 경우더라도 개방될 수 있어야 한다.

독일 특허 출원 제DE-A1-1,101,825호에는 내화재 라이닝이 있는 야금 용기 안으로 유체를 도입하는 주입 장치를 개시하고 있으며, 이 장치는,

- 라이닝 내에 착탈식으로 삽입할 수 있고,

- 끼워 맞춤식으로 조립되고, 용융 금속과 접촉하게 되는 표면을 각각 구비하고 있는, 내화재로 된 제1 본체 및 제2 본체를 포함하며,

- 유체 공급 수단에서부터 용융 금속과 접촉하는 표면까지 연장하고 제1 본체 내의 유체 통로와 제2 본체 내의 유체 통로를 포함하는 유체 통로를 구비하며, 제2 본체의 유체 통로에서의 상대 유동 저항은 제1 본체의 유체 통로에서의 상대 유동 저항보다 크다.

본 발명은 야금 용기(metallurgical vessel) 안으로 소정 유체를 도입하는 주입 장치 및 유체를 주입하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 야금 용기의 라이닝 내에 착탈식으로 삽입할 수 있는 그러한 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 주입 장치를 개략적으로 도시한 도면이고,

도 2는 도 1에 도시한 주입 장치의 평면도이고 도 3은 주입 장치의 변형례의 평면도이다.

본 발명에 있어서, 제1 본체의 유체 통로는 제2 본체의 유체 통로로부터 독립되어 있다. 독일 특허 출원 제DE-A1-1,101,825호에 개시된 바와 같이 제1 본체의 방향성 기공이 제2 본체의 유체 통로와 서로 연결, 예를 들면 제1 본체의 슬롯이 제2 본체에 바로 인접하는 경우, 상기 본체들의 분리를 초래하는 것이 관찰되었다. 특히, 본체 중 하나가 다른 본체에 삽입되어 있는 경우, 둘러싸는 본체를 불어내게 된다.

본 발명에 따르면, 요컨대 전반적으로 보다 넓은 개구를 갖는 제1 본체의 유체 통로가 유체 공급을 차단한 후에 봉쇄되기 더 쉽다. 유체 압력을 주입 장치에 가할 때, 그 주입 장치가 이미 사용되었었고 그 표면에 일부의 금속이 제1 본체의 유체 통로를 봉쇄한 채로 남아있게 되면, 유체는 우선 제2 본체를 통해 용융 금속 안으로 도입될 것이다. 압력을 점진적으로 증가시킴에 따라, 제2 본체를 통한 유속은, 유체 플룸(fluid plume)이 용융 금속의 교반을 야기하는 역공격형 유체 유동(back attack fluid flow) 현상을 통해 제1 본체에서의 용융 금속과의 접촉 표면에 충돌하기 시작할 때까지 증가한다.

결과적으로, 제1 본체에서의 용융 금속과의 접촉 표면에 대한 공격은 제1 본체의 유체 통로에 틈새를 형성하여 그 유체 통로를 개방하게 된다. 제2 본체의 유체 통로에서의 상대 유동 저항이 제1 본체의 유체 통로에서의 상대 유동 저항보다 크게 되면, 유체는 저항이 적은 경로를 따라가는 경향이 있고, 이로 인해 유체는 제1 본체의 유체 통로를 통해 유동하는 한편, 제2 본체는 유체를 통과시키는 것을실질적으로 중지하게 될 것이다. 이는 방향성 기공을 갖는 퍼지 플러그에 있어서의 전술한 이점을 모두 갖고, 보다 높은 유속으로 용융 금속 내로 보낼 수 있게 해준다.

바람직하게는, 제1 및 제2 본체의 유체 통로를 위한 유체 공급 수단은 공용이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 및 제2 본체의 유체 통로는 이들 유체 통로의 상대 유동 저항을 적절히 제어할 수 있도록 상이하게 형성된다. 유리하게는, 제2 본체는 유체 투과성 내화재, 즉 사용 조건에서 상기 유체에 대해 통기성을 갖는 재료로 이루어진다. 유리하게는, 제2 본체는 원하는 기공율이 얻어지도록 입도를 규정한 압축 내화재로 이루어진다.

실제로, 본 발명자들은 주입되는 유체에 대해 투과성을 갖는 내화재로 이루어진 제2 본체는 제1 본체의 유체 통로보다 용융 금속의 침투에 대해 훨씬 덜 민감하며, 그 결과, 유체를 불어넣는 초기에는 제2 본체의 기공 배열로 이루어진 유체 통로가 제1 본체의 유체 통로보다 쉽게 소제되어 개방되는 것을 관찰하였다. 다시 말해, 제2 본체의 유체 통로를 소제하여 개방하는 데에는 낮은 압력이 필요하다.

이러한 바람직한 실시예에서의 예상치 않게 관찰된 다른 이점은 다음과 같다. 제1 본체의 유체 통로 내의 금속의 침투가 너무 심각하여, 이들 유체 통로를 유체 투과성 제2 본체로부터 흘러나오는 역공격형 유체 유동의 효과에 의해 직접 개방시키지 못하게 되면, 소정 시간 동안 모든 유체는 제2 본체를 통해 주입된다. 이는 제2 본체의 표면을 어느 정도 마모시키게 된다. 제2 본체가 마모되면, 제1본체의 표면 수준 아래로 후퇴한다. 이는 이어서 제2 본체의 잔류 표면 위의 제1 본체의 표면층을 약하게 하여 쉽게 부서질 수 있게 한다. 결과적으로, 제1 본체의 봉쇄된 표면이 부서지기 때문에, 제1 본체의 유체 통로는 소제되고 이제는 쉽게 개방될 수 있다. 이는 유체 투과성 내화재가 마모되기 더 쉽다는 점 때문인 것으로 여겨진다.

주입 장치의 제1 본체 및 제2 본체에 대한 여러 가지 구성을 고려할 수 있다. 예를 들면, 제2 본체는, 유체 불투과성 재료로 형성되어 슬롯을 구비하고 있는 제1 본체를 둘러싸는 환형의 다공성 링으로서 형성될 수 있다. 그러나, 전술한 이점은, 주입 장치에서의 용융 금속과의 접촉 표면의 마모 패턴이 이 표면에 걸쳐 보다 균일하도록 제2 본체가 제1 본체 내에, 바람직하게는 제1 본체의 가운데에 끼워 맞춤식으로 삽입되는 경우 특히 현저하다. 본 발명의 유리한 실시예에 있어서, 제1 본체의 유체 통로는 제2 본체의 중앙점으로부터 반경 방향으로 정렬되어, 제1 본체의 모든 유체 통로가 제2 본체로부터 흘러나오는 유체에 의해 초래되는 표면 마모에 대해 동일하게 영향을 받을 것이다. 그럼에도, 구조적 및 경제적인 이유로, 제2 본체의 치수를 최대화하는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 제1 본체의 유체 통로가 제1 본체와 제2 본체 사이의 계면에 대해 실질적으로 평행하게 배치되어, 제2 본체가 더 많은 공간을 차지할 수 있는 주입 장치에 관한 것이다. 제2 본체는 둥근형 또는 다각형 단면을 가질 수 있다.

본 발명의 바람직한 변형례에서, 제1 본체는 제2 본체의 재료보다 유체에 대한 투과성이 적은 내화재, 예를 들면 주조 가능한 재료로 제조되며, 제1 본체를 통과하는 유체 통로는 바람직하게는 방향 및 개방 크기가 조절된 슬롯 또는 보어로 이루어진다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 본 발명은 야금 용기 안으로의 유체의 신뢰성 있는 주입을 위한 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 이하의 단계를 포함한다.

a) 야금 용기 안으로 도입될 유체를 주입 장치 내에 공급하는 단계.

b) 상기 유체를 상기 주입 장치에서의 잔여 섹션보다 유체 유동 저항이 큰 초기 섹션을 통해 주입하는 단계(상기 초기 섹션은 주입 장치에서의 잔여 섹션보다 더 쉽게 개방될 수 있음).

c) 상기 초기 섹션으로부터 흘러나온 유체 흐름을 사용하여, 상기 주입 장치에 있어서의 상기 초기 섹션보다 유체 유동 저항이 낮은 주입 섹션의 유체 통로를 소제하여 개방시키는 단계.

d) 유체를 상기 주입 섹션을 통해 야금 용기 안으로 주입하는 한편, 상기 초기 섹션에서는 유체의 통과를 실질적으로 중지하는 단계.

이하, 단지 본 발명의 예시를 위해서만 마련되었고 본 발명의 범위를 제한하지는 않는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

이들 도면에서, 주입 장치(1)는 이 주입 장치에서의 용융 금속과의 접촉 표면(4, 5)이 야금 용기(도시 생략)의 라이닝의 표면과 적어도 높이가 맞춰지도록 상기 라이닝 내에 삽입된다. 주입 장치는 끼워 맞춤식으로 조립되는 적어도 제1 본체(2)와 제2 본체(3)로 이루어진다. 주입 장치는 대게 금속 캔(9) 내에 싸여진다. 제1 본체(2)는 슬롯으로 이루어져 유체 공급 수단(8)에서부터 용융 금속과의 접촉 표면(4)까지 연장하는 유체 통로(6)를 포함한다. 제2 본체(3)는 그 재료의 기공에 의해 이루어져 용융 금속과의 접촉 표면(5)에서부터 유체 공급 수단(8)까지 연장하는 유체 통로(7)를 포함한다. 도 2의 실시예에서, 유체 통로(6)는 제2 본체의 중앙점에서부터 반경 방향으로 연장한다. 도 3의 실시예에서, 유체 통로(6)는 제1 본체(2)와 제2 본체(3) 사이의 계면에 대해 실질적으로 평행하게 연장하도록 배치된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 유체 공급 수단(8)은 유체 공급 파이프(도시 생략)에 연결된 플레넘 챔버(plenum chamber)로 이루어진다.

6 내지 9 bar의 유체 압력으로도 본 발명에 따른 주입 장치의 유체 통로를 개방하는 데에 충분한 것으로 관찰되었다.

Claims (10)

1. 내화재 라이닝이 있는 야금 용기 안으로 유체를 도입하기 위한 주입 장치(1)로서, 이 주입 장치는,

   - 상기 라이닝 내에 착탈식으로 삽입할 수 있고,

   - 끼워 맞춤식으로 조립되는 내화재로 된 제1 본체(2) 및 내화재로 된 제2 본체(3)를 포함하며, 상기 제1 본체(2)는 상기 제2 본체(3)의 재료에 비해 상기 유체에 대한 투과성이 낮은 내화재로 제조되며,

   상기 제1 본체와 제2 본체는,

   - 용융 금속과 접촉하도록 되어 있는 표면(4, 5)을 각각 구비하고,

   - 유체 공급 수단(8)에서부터 용융 금속과 접촉하는 표면(4, 5)까지 연장하는 유체 통로(6, 7)를 각각 구비하며,

   상기 제2 본체(3)의 유체 통로(7)에서의 상대 유동 저항은 상기 제1 본체(2)의 유체 통로(6)에서의 상대 유동 저항보다 높으며, 상기 제1 본체(2)의 유체 통로(6)는 슬롯 또는 보어로 이루어지는 것인 주입 장치에 있어서,

   상기 제1 본체(2)의 유체 통로(6)는 상기 제2 본체(3)의 유체 통로(7)로부터 독립된 것을 특징으로 하는 주입 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 본체(3)는 상기 제1 본체(2)에 끼워 맞춤식으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2 본체(3)는 상기 제1 본체(2)의 가운데에 삽입되는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 본체의 유체 통로(6)는 상기 제1 본체(2)와 상기 제2 본체(3) 사이의 계면에 대해 실질적으로 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1 본체의 유체 통로(6)는 상기 제2 본체(3)의 중앙점에서부터 반경 방향으로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2 본체는 상기 유체에 대한 투과성을 갖는 내화재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 제2 본체는 압축 내화재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 슬롯 또는 보어는 그 방향 및 개방 크기가 조절되어 있는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 본체는 주조 가능한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주입 장치.
10. 야금 용기 안으로 유체를 주입하는 방법으로서,

    a) 상기 야금 용기 안으로 도입될 유체를 주입 장치(1) 내에 공급하는 단계와,

    b) 상기 유체를 상기 주입 장치(1)에서의 잔여 섹션보다 유체 유동 저항이 큰 초기 섹션(3)을 통해 주입하는 단계와,

    c) 상기 초기 섹션(3)으로부터 흘러나온 유체 흐름을 사용하여, 상기 주입 장치에 있어서의 상기 초기 섹션보다 유체 유동 저항이 낮은 주입 섹션(2)의 유체 통로(6)를 소제하여 개방시키는 단계와,

    d) 상기 유체를 상기 주입 섹션(2)을 통해 야금 용기 안으로 주입하는 한편, 상기 초기 섹션이 유체의 통과를 실질적으로 중지하는 단계

    를 포함하는 방법.