KR20070105262A

KR20070105262A - Ｄｆｉ 버너

Info

Publication number: KR20070105262A
Application number: KR1020070039804A
Authority: KR
Inventors: 레나르트 랑마르크; 토마스 에크만
Original assignee: 아게아 악티에볼라크
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2007-10-30
Also published as: US8057222B2; SE0600901L; CN101432574A; WO2007123475A1; PL1850066T3; ES2346784T3; SE530353C2; DE602006014655D1; EP1850066A1; US20070248923A1; KR101252868B1; EP1850066B1; ATE470108T1

Abstract

본 발명에 따른 DFI(Direct Flame Impingement) 버너(1)는 금속 블록(2) 및 이 금속 블록(2)으로부터 돌출된 2개 이상의 노즐(3, 4)을 포함한다.

본 발명은, 각각의 노즐(3, 4)이 하나 이상의 연료 노즐 개구 및 하나 이상의 산화제 노즐 개구를 포함하는 1세트의 노즐 개구들을 포함하고, 각각의 노즐(3, 4)에 있는 상기 1세트의 노즐 개구들은 동일하며 상응하는 연료 노즐 개구 및 산화제 노즐 개구를 포함하고, 상기 금속 블록(2)은 오직 하나의 주 연료 유입구(5) 및 오직 하나의 주 산화제 유입구(6)를 포함하며, 상기 주 산화제 유입구(6)는 하나 이상의 메인 산화제 챔버(8a, 8b)와 연결되고 동일한 길이 및 단면의 개구를 통해 각각의 노즐(3, 4)에 있는 1세트의 개구들 중 하나 이상의 산화제 노즐 개구와 연결되며, 주 연료 유입구(5)는 하나 이상의 메인 연료 챔버(7)와 연결되고 동일한 길이 및 단면의 개구를 통해 각각의 노즐(3, 4)에 있는 1세트의 개구 중 하나 이상의 연료 노즐 개구와 연결되며, 연료 또는 산화제의 가스 압력은 각각의 노즐(3, 4)에 있는 1세트의 노즐 개구의 상응하는 모든 연료 노즐 개구 및 산화제 노즐 개구에 걸쳐 동일한 것인 DFI 버너를 제공한다.

DFI 버너, 금속 블록, 메인 연료 챔버, 메인 산화제 챔버

Description

ＤＦＩ 버너{DFI BURNER}

도 1은 본 발명에 따른 버너의 실시예의 개념을 나타내는 도 4의 평면(A-A)을 따라 취한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 버너의 실시예의 개념을 나타내는 도면으로서, 도 1의 위쪽에서 바라본 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 버너의 실시예의 개괄적인 도면.

도 4는 도 3에 도시된 버너의 단면도.

도 5는 도 4에 도시된 버너에서 평면(A-A)을 따라 취한 3차원적 단면도.

도 6은 도 4에 도시된 버너에서 평면(B-B)을 따라 취한 3차원적 단면도.

도 7은 도 4에 도시된 버너에서 평면(C-C)을 따라 취한 3차원적 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 버너

2 : 금속 블록

3, 4 : 노즐

5 : 연료 유입구

6 : 산화제 유입구

7 : 메인 연료 챔버

8a, 8b : 메인 산화제 챔버

11 : 연료 노즐 개구

12a, 12b : 산화제 노즐 개구

본 발명은 금속 블랭크, 슬래브 등과 같은 금속 재료를 가열하기 위한 DFI(Direct Flame Impingement) 버너에 관한 것이다.

DFI 버너는 다양한 금속 재료를 가열하는 데 사용된다. 예를 들어, 노 내부의 일정 체적의 분위기를 가열하여 재료를 간접적으로 가열하는 대신, 화염을 재료의 표면에 직접 충돌시켜 재료를 직접 가열한다. 이는 버너로부터 상기 재료까지 보다 효율적인 열전달이 이루어지도록 한다.

상기 DFI 버너는, 예컨대 산업용 노에서 금속 재료를 연속적으로 또는 단계적으로 가열하는 공정에서 일반적으로 사용된다. 또한, 상기 DFI 버너는, 예컨대 재료를 예비가열하거나 용융시킬 때 개별적으로 사용될 수 있다.

일반적인 DFI 버너는 각각 연료와 산화제를 수송하는 하나 이상의 연료 개구와 하나 이상의 산화제 개구를 교대로 구비하는 노즐을 포함한다.

이러한 일반적인 DFI 버너에는, 예컨대 천연 가스인 기상 연료와 예컨대 산소인 기상 산화제가 공급된다. 연료와 산화제의 배출 개구 각각은 연소 온도, 연 소 생성물의 NOx 함유량 등과 같은 매개변수들에 대한 제어가 가능하도록 서로 일정 거리를 두고 배치될 수도 있다.

그러나, 다양한 용례에서 버너의 거동과 효율을 최적화하기 위해, 버너 헤드에 있는 각각의 연료 노즐 개구 및 산화제 노즐 개구는 다양한 방식으로 배치될 수 있다. 여러 가지 중에서 한 가지 배치를 선택하는 것은 연료와 산화제의 화학 반응면에 영향을 끼친다.

물론, 각각의 노즐 개구에는 연료 또는 산화제 중 어느 하나가 공급될 필요가 있다. 따라서, 연료와 산화제 양자에 대한 수 개의 개별적인 개구를 구비하는 장치에서는 다수의 공급 배관이 필요하다. 이는, 특히 연소 특성의 제어를 위해 각각의 개별적인 개구의 가스 압력을 제어하는 것이 바람직한 경우에 일반적으로 적용된다. 이들 공급 파이프, 밸브 등을 설치하기 위해서는 버너를 상당히 크게 제작해야만 하며, 이는 생산 라인 또는 산업용 노에 설치한다는 관점에서 문제를 발생시킨다. 또한, 버너의 개별적인 부품들이 많기 때문에, 버너의 유지 보수 비용 뿐만 아니라 제작 비용도 증가한다.

금속 재료를 가열하는 경우, 때때로 재료의 표면적 중 더 넓은 면적에 걸쳐 재료를 균일하게 가열하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 연속적으로 금속 박판을 처리하는 경우, 때때로 온도 구배 등을 방지하기 위해서, 처리되는 금속 박판의 전체 폭에 걸쳐 균일한 가열 프로파일을 구현하는 것이 바람직하다. 따라서, DFI 버너를 사용하는 경우, 나란히 배열된 수 개의 DFI 버너를 연결시켜 사용할 필요가 있다.

수 개의 DFI 버너를 사용하는 경우, 모든 개별적인 DFI 버너에 걸쳐서 균일한 가열 프로파일을 얻어야 하는 문제가 있다. 즉, 전술한 균일한 가열 프로파일을 얻기 위해, 모든 개별적인 DFI 버너가 재료에 동일한 화력을 가해야 할 필요가 있다. DFI 버너의 화력은 각각의 모든 개구에서의 연료 또는 산화제의 가스 압력에 따라 결정되기 때문에, 개별적인 DFI 버너 전체에 걸쳐 상응하는 노즐 개구에서 상기 가스 압력이 동일해야 할 필요가 있다.

각각의 개별적인 연료 또는 산화제 노즐 개구에의 공급을 위해 튜브 또는 파이프 배관을 사용하는 경우, 부피가 커진다는 문제 이외에도, 개별적인 튜브, 파이프, 밸브, 연결부 등과 같은 튜브 또는 파이프 배관의 다양한 부품에서 발생하는 압력 강하 때문에 전술한 동일한 가스 압력을 얻기가 어렵다. 이들 압력 강하는 때때로 사전에 계산하기가 어려우므로, 노즐 개구들의 가스 압력을 동일하게 하기 위해서는 실제 실험이 필요하며, 이것은 시간 소모 면에서 비용이 많이 든다. 또한, 파이프의 변형, 부품의 대체 등은 최종적인 노즐 개구의 가스 압력에 영향을 미칠 가능성이 있으므로, 재보정이 필요하게 되고, 이는 비용이 많이 든다.

본 발명은 전술한 문제들을 해결한다.

따라서, 본 발명은, 금속 블록 및 이 금속 블록으로부터 돌출된 2개 이상의 노즐을 포함하는 DFI 버너를 제공하며, 각각의 노즐은 하나 이상의 연료 노즐 개구와 하나 이상의 산화제 노즐 개구를 포함하는 1세트의 노즐 개구들을 포함하고, 각각의 노즐에 있는 상기 1세트의 노즐 개구들은 동일하며 상응하는 연료 노즐 개구 및 산화제 노즐 개구를 포함하고, 상기 금속 블록은 오직 하나의 주 연료 유입구 및 오직 하나의 주 산화제 유입구를 포함하며, 상기 주 산화제 유입구는 하나 이상의 메인 산화제 챔버와 연결되고 동일한 길이 및 단면의 개구를 통해 각각의 노즐에 있는 1세트의 개구 중 하나 이상의 산화제 노즐 개구와 연결되며, 주 연료 유입구는 하나 이상의 메인 연료 챔버에 연결되고 동일한 길이 및 단면의 개구를 통해 각각의 노즐에 있는 1세트의 개구 중 하나 이상의 연료 노즐 개구와 연결되며, 연료 또는 산화제의 가스 압력은 각각의 노즐에 있는 1세트의 개구의 상응하는 모든 연료 노즐 개구 및 산화제 노즐 개구에 걸쳐 동일하다.

본 명세서의 "각각의 노즐에 있는 상응하는 연료 개구 및 산화제 개구"라는 표현은, 각각의 노즐에 있는 모든 개별적인 세트의 개구들에 배치된 모든 상응하는 연료 개구 및 산화제 개구를 각각 가리킨다. 따라서, 이러한 상응하는 하나의 연료 또는 산화제 개구는 모든 노즐에서 정확하게 하나씩 존재한다.

이제, 본 발명은 본 발명의 예시적인 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 도 3 내지 도 7에 상세하게 도시된다. 그러나, 본 발명에 따른 버너의 개념도는 도 1 또는 도 2에 도시된다. 모든 도면에서 동일한 부품에는 동일한 도면 부호가 사용된다.

도 1에서 버너(1)는 개념적으로 도시되며, 명확하게 하기 위해 일부분이 제거되어 있다. 또한, 가상선은 보이지 않는 부분을 의미한다. 버너(1)는 하나의 연료 공급 유입구(5) 및 하나의 산화제 공급 유입구(6)와 연결된 금속 블록(2)을 포함한다. 연료는 천연 가스와 같은 임의의 적절한 기상 연료일 수 있다. 산화제는 임의의 적절한 기상 산화제일 수 있으며, 바람직하게는 85 중량% 이상의 산소 함량을 갖는 산화제일 수 있다.

또한, 버너(1)는 금속 블록(2)의 표면으로부터 돌출된 2개의 개별적인 노즐(3, 4)을 포함한다. 그러나, 균일하게 그리고 동시에 가열될 수 있는 금속 재료의 표면적을 증가시키기 위해, 본 발명에 따른 버너에서는 2개 이상의 개별적인 노즐을 사용하는 것이 가능할 뿐만 아니라 많은 용례에서 바람직하다는 점을 주의할 필요가 있다.

각각의 노즐(3, 4)은 각각 연료 및 산화제의 수송을 위한 연료 노즐 개구(11) 및 산화제 노즐 개구(12a, 12b)를 더 포함한다.

연료 공급 유입구(5)는 금속 블록(2)을 관통하는 채널 형태로 뻗어 있고 메인 연료 챔버(7)에 연결된다. 연료 개구(9)는 금속 블록(2)을 관통하는 채널의 형태로 메인 연료 챔버(7)로부터 각각의 노즐(3, 4)까지 뻗어 있고, 각각의 개별적인 노즐(3, 4)에 있는 연료 노즐 개구(11)에서 끝난다.

메인 연료 챔버(7)의 치수 및 기하학적 형태는 메인 연료 챔버(7) 내부의 연료의 가스 압력이 메인 연료 챔버(7) 전체에 걸쳐 동일하게 되도록 결정된다. 특히, 메인 연료 챔버(7) 내부의 연료의 가스 압력은 각각의 연료 개구(9)가 메인 연료 챔버(7) 내로 개방된 지점에서 동일하다. 서로 다른 노즐(3, 4)에 연료를 공급하는 연료 개구(9)의 경우, 각각의 연료 개구(9)의 단면 및 길이는 동일하다. 따라서, 서로 다른 개별적인 노즐(3, 4)을 비교할 때, 각각의 연료 노즐 개구(11)에 서의 연료의 가스 압력 및 이에 따른 연료 속도와 연료의 공급량은 동일하다.

실질적으로 동일한 방식으로, 산화제 공급 유입구(6)는 금속 블록(2)을 관통하는 채널의 형태로 뻗어 있다. 그러나, 연료 공급 유입구(5)와는 달리, 산화제 공급 유입구(6)는 2개의 메인 산화제 챔버(8a, 8b)와 연결된다. 산화제 개구(10a)는 금속 블록(2)을 관통하는 채널의 형태로, 메인 산화제 챔버(8a)로부터 각각의 노즐(3, 4)까지 뻗어 있고, 각각의 개별적인 노즐(3, 4)에 있는 산화제 노즐 개구(12a)에서 끝난다. 동시에, 산화제 개구(10b)도 또한 금속 블록(2)을 관통하는 채널의 형태로, 메인 산화제 챔버(8b)로부터 각각의 노즐(3, 4)까지 뻗어 있고, 산화제 노즐 개구(12b)에서 끝난다.

메인 연료 챔버(7) 및 연료 운반용 개구(9)의 경우에서와 같이, 메인 산화제 챔버(8a, 8b)의 치수 및 기하학적 형상은 산화제를 운반하는 산화제 개구(10a, 10b)가 각각의 메인 산화제 챔버(8a, 8b) 내로 개방된 지점에서 가스 압력이 동일하게 되도록 결정되며, 산화제 가스 압력, 유속 및 공급량이 각각의 개별적인 노즐(3, 4)에 대해 각각의 산화제 노즐 개구(12a)와 각각의 산화제 노즐 개구(12b)에서 동일하도록 산화제를 운반하는 산화제 개구(10a, 10b)의 길이와 단면은 서로 다른 노즐(3, 4)에서 동일하다.

따라서, 각각의 노즐(3, 4)은 1세트의 연료 개구 및 산화제 개구들을 포함한다. 각각의 개별적인 노즐(3, 4)의 1세트의 개구들의 구성은 서로 다른 노즐(3, 4)에서 동일하다.

도 2는 도 1의 위쪽에서 바라본 버너(1)의 개념도이다.

연료 운반용 개구(9) 및 산화제 운반용 개구(10a, 10b)는 동축으로 교대로 배치되므로, 모든 개구(9, 10a, 10b)는 하나의 개구가 그 내부에 다른 개구를 구비하도록 배치되며, 동축으로 배치된 개구(9, 10a, 10b)를 가장 안쪽으로부터 바깥쪽으로 가로지르는 경우, 하나 걸러 하나씩 산소 운반용 개구가 존재하며, 하나 걸러 하나씩 연료 운반용 개구가 존재한다. 이에 따라, 노즐 개구(11, 12a, 12b)도 또한 동축으로 교대로 배치되어 노즐 개구(11, 12a, 12b)로부터 배출되는 연료 및 산화제는 각각 동축으로 배치되는 연료의 실린더 및 산화제의 실린더를 형성한다. 이 때문에 연료와 산화제가 각각의 개별적인 노즐(3, 4)로부터 배출될 때 연료와 산화제 사이의 화학 반응면이 최대가 되어 바람직하다.

그러나, 본 발명은 동축으로 교대로 배치된 하나의 연료 노즐 개구(11)와 2개의 산화제 노즐 개구(12a, 12b)를 사용하는 것으로 한정되지 않는다. 따라서, 연료 개구와 산화제 개구의 개수와 배치는, 연료 개구와 산화제 개구를 동축으로 교대로 배치하되 하나 이상의 연료 개구를 하나 이상의 산화제 개구와 함께 사용하거나, 또는 연료 개구와 산화제 개구를 서로 동축 상에 있지 않게 소정 거리만큼 떨어지게 배치하는 것과 같이, 실시예의 실용적인 목적에 적절한 임의의 방식으로 변경될 수 있다.

연료와 산화제가 단지 2개의 유입구(5, 6)를 통해 금속 블록(2)으로, 그리고 이후에 챔버 및 금속 블록(2)을 통해 뻗어 있는 개구들을 통해 각각 유동하기 때문에, 필요한 배관의 양은 최소가 된다. 실제로, 사용되는 개별적인 노즐(3, 4)의 개수에 상관없이, 항상 오직 하나의 연료 유입구(5)와 하나의 산화제 유입구(6)가 있다. 이러한 방식으로 버너(1)의 생산 및 유지 보수 비용은 최소화된다. 또한, 외부 파이프 배관 대신 하나의 금속 블록(2)을 사용할 경우, 버너(1)의 구성은 매우 간결해질 수 있으며, 이는 버너(1)를 공정 라인이나 산업용 노의 내부에 배치함에 있어서 유연성을 향상시킨다.

서로 다른 개별 노즐(3, 4)에서 각각의 상응하는 노즐 개구(11, 12a, 12b)를 비교하는 경우, 개구(9, 10a, 10b)와 협력하는 메인 챔버(7, 8a, 8b)는 상응하는 노즐 개구(11, 12a, 12b)에서의 연료와 산화제의 가스 압력, 유동 속도 및 공급량이 동일하게 되도록 보장한다. 이에 따라, 오직 하나의 공통된 연료 유입구(5)와 오직 하나의 공통된 산화제 유입구(6)를 사용함에도 불구하고 각각의 개별 노즐(3, 4)의 화력이 동일하게 되고, 동일한 버너(1)에서 수 개의 개별 노즐(3, 4)에 걸쳐 균일한 가열 프로파일을 확실히 얻을 수 있다.

또한, 개구(9, 10a, 10b)의 치수 뿐만 아니라 메인 연료 챔버(7) 및 메인 산화제 챔버(8a, 8b)의 치수와 기하학적 형상을 바꾸는 것도 가능하다. 예컨대, 각각의 노즐(3, 4)에 대해 가장 안쪽의 산화제 개구(10a)보다 가장 바깥쪽의 산화제 개구(10b)를 좁게 함으로써, 각각의 노즐(3, 4)에서 가장 바깥쪽의 산화제 개구(12b)를 통해 더 적은 양의 산화제가 공급된다. 이러한 방식으로, 생성되는 화염의 특성이 변하게 된다. 그러나, 모든 노즐(3, 4)에 대한 화염 특성이 동일한 방식으로 변하기 때문에, 이러한 변경 이후에도 균일성을 위한 조건은 유지된다.

본 발명에 따른 메인 연료 챔버(7) 및 메인 산화제 챔버(8a, 8b)는 각각의 노즐(3, 4)에 있는 개구 세트 중 오직 하나의 상응하는 연료 노즐 개구(11) 또는 산화제 노즐 개구(12a, 12b)를 제공하는 것으로 한정되지 않는다. 예컨대, 하나의 메인 산화제 챔버가 각각의 노즐(3, 4)에 있는 개구 세트 중 하나 이상의 산화제 개구에 산화제를 제공하도록 할 수 있다.

본 발명의 버너(1)를 제작하는 저렴하고 편리한 방법은 금속 블록(2)에 다수의 원통형 구멍을 천공하여 금속 블록(2)의 내부에 챔버와 개구의 기본적인 기하학적 형상을 형성하는 것이다. 그 후, 연료 유입구(5)와 산화제 유입구(6) 및 노즐 개구(11, 12a, 12b)를 제외하고 천공된 구멍의 개구를 덮는 금속 클로저를 배치할 수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 버너(1)의 챔버와 개구를 완성한다. 챔버와 개구가 본 발명에 따른 정확한 치수를 갖도록 하기 위해서 구멍을 천공할 때와 막을 때 주의를 기울여야만 한다.

앞서, 바람직한 실시예를 설명하였다. 그러나, 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서도 전술한 실시예에 많은 변형이 가능하다는 것을 당업자라면 충분히 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 오히려 청구범위의 범주 내에서 변형될 수 있다.

본 발명에 따른 DFI 버너는 복잡한 튜브 또는 파이프 배관을 배제하고 금속 블록에 형성된 연료 유입구, 산화제 유입구, 연료 챔버, 산화제 챔버, 노즐을 이용함으로써 균일한 가열 프로파일의 구현을 위한 조건 및 매개변수의 제어가 용이하며, 그 구조가 간단하여 제작 비용 및 유지 보수 비용이 저렴하다.

Claims

금속 블록(2) 및 이 금속 블록(2)으로부터 돌출된 2개 이상의 노즐(3, 4)을 포함하는 DFI(Direct Flame Impingement) 버너(1)로서,

각각의 노즐(3, 4)이 하나 이상의 연료 노즐 개구(11)와 하나 이상의 산화제 노즐 개구(12a, 12b)를 포함하는 1세트의 노즐 개구들(11, 12a, 12b)을 포함하고, 각각의 노즐(3, 4)에 있는 상기 1세트의 노즐 개구들(11, 12a, 12b)은 동일하며 상응하는 연료 노즐 개구(11) 및 산화제 노즐 개구(12a, 12b)를 포함하고, 상기 금속 블록(2)은 오직 하나의 주 연료 유입구(5) 및 오직 하나의 주 산화제 유입구(6)를 포함하며, 상기 주 산화제 유입구(6)는 하나 이상의 메인 산화제 챔버(8a, 8b)와 연결되고 동일한 길이 및 단면의 산화제 개구(10a, 10b)를 통해 각각의 노즐(3, 4)에 있는 1세트의 노즐 개구들 중 하나 이상의 산화제 노즐 개구(12a, 12b)와 연결되며, 주 연료 유입구(5)는 하나 이상의 메인 연료 챔버(7)에 연결되고 동일한 길이 및 단면의 연료 개구(9)를 통해 각각의 노즐(3, 4)에 있는 1세트의 노즐 개구들 중 하나 이상의 연료 노즐 개구(11)와 연결되며, 연료 또는 산화제의 가스 압력은 각각의 노즐(3, 4)에 있는 1세트의 노즐 개구의 상응하는 모든 연료 노즐 개구(11) 및 산화제 노즐 개구(12a, 12b)에 걸쳐 동일한 것인 DFI 버너.
제1항에 있어서, 각각의 노즐(3, 4)에 있는 각 세트의 노즐 개구(11, 12a, 12b)는 동심으로 배치되며, 하나 걸러 하나의 노즐 개구(11)는 연료 노즐 개구이 고, 하나 걸러 하나의 노즐 개구(12a, 12b)는 산화제 노즐 개구인 것을 특징으로 하는 DFI 버너.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각 노즐(3, 4)마다 2개 이상의 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 DFI 버너.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 메인 연료 챔버(7)는 각각의 노즐(3, 4)에 있는 노즐 개구의 세트 중 오직 하나의 상응하는 연료 노즐 개구(11)와 연결되고, 각각의 메인 산화제 챔버(8a, 8b)는 각각의 노즐(3, 4)에 있는 노즐 개구의 세트 중 오직 하나의 상응하는 산화제 노즐 개구(12a, 12b)와 연결된다는 점을 특징으로 하는 DFI 버너.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 유입구(5), 상기 산화제 유입구(6), 상기 메인 연료 챔버(7), 상기 메인 산화제 챔버(8a, 8b) 및 개구(9, 10a, 10b)는 상기 금속 블록(2)에 천공되어 있고 금속 클로저에 의해 부분적으로 막혀있는 구멍으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 DFI 버너.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 DFI 버너(1)는 85 중량% 이상의 산소를 포함하는 산화제가 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DFI 버너.