KR20110089140A - 퍼니스 및 퍼니스 냉각 방법 - Google Patents

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엑스트라타 테크놀로지 피티와이 엘티디
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Abstract

고온 프로세스가 퍼니스 내의 산화 분위기하에서 실시되는 퍼니스로서, 금속으로 제조된 외측 외장부, 상기 외측 외장부 상에 형성된 또는 결합된 하나 또는 둘 이상의 냉각 채널, 그리고 퍼니스 라이닝을 포함한다. 상기 퍼니스 라이닝은 외측 외장부의 내측 벽에 근접하여 위치되는 비교적 높은 열전도도 층을 포함하는 후방 라이닝 그리고 비교적 높은 열전도도의 층으로 이루어지고 내측에 위치하는 작용 라이닝을 포함한다. 후방 라이닝은 그라파이트 라이닝 또는 그라파이트-함유 라이닝을 포함할 수 있다. 후방 라이닝을 통한 열 전달 속도가 충분히 높아서 작용 라이닝이 마모된 경우에 후방 라이닝 상에 보호성 저온부가 형성될 수 있다.

Description

퍼니스 및 퍼니스 냉각 방법{A FURNACE AND A METHOD FOR COOLING A FURNACE}
본원 발명은 퍼니스(furnace; 爐) 및 퍼니스 냉각 방법에 관한 것이다. 보다 특히, 본원 발명의 퍼니스는 고온 프로세스가 산화 분위기하에서 실시되는 퍼니스이다.
상부 침지형(沈漬形) 랜스(lance) 타입 퍼니스가 공지되어 있다. 상부 침지형 랜스 타입 퍼니스의 한 예로서 Xstrata Technology Pty Limited 가 상표명 ISASMELT™ 으로 공급하는 퍼니스가 있다. 도 1은 그러한 퍼니스의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시된 퍼니스(10)는 배럴 섹션(barrel section; 12) 및 오프가스(offgas) 섹션(14)을 포함한다. 용융 물질의 용탕(bath)(15)이 퍼니스의 내부에서 유지되고 그리고 랜스(16)가 물질의 용탕(15) 내로 하강되며, 그에 따라 랜스(16)의 선단부가 용탕(15) 내로 담궈진다. 공기 또는 산소 및 연료, 예를 들어 연료 오일 또는 석탄(coal) 또는 코크스가 랜스를 통해서 주입된다. 연료가 연소되어 퍼니스를 가열한다. 이러한 퍼니스들은 구리 전환(converting), 납 용융과 같은 프로세스에서 사용된다. 그러한 프로세스들은 랜스를 통해서 퍼니스 내로 주입되는 공기 또는 산소로 인해서 산화 분위기하에서 그리고 높은 온도에서 작동된다.
상부 침지형 랜스 타입이 통상적으로 구성되며, 그에 따라 그러한 퍼니스들은 내화 물질로 이루어진 내부 라이닝을 구비하는 외측 스틸 외장부(shell)를 가진다. 내화 물질은 외측 스틸 외장부를 퍼니스 내부의 매우 높은 온도로부터 보호한다. 내화 물질로 이루어진 내부 라이닝은 종종 내부 층과 외부 층으로 나누어진다. 내부 층은 종종 작용(working) 라이닝으로 지칭되고 그리고 외부 층은 종종 후방(backing) 라이닝으로 지칭된다. 후방 라이닝은 작용 라이닝에 비해서 상당히 많은 절연 내화 조성물을 포함한다. 본원 명세서를 통해서, "작용 라이닝"이라는 용어는 퍼니스의 고온 내용물에 인접하는 라이닝의 부분을 지칭하기 위해서 사용될 것이고, 그리고 "후방 라이닝"이라는 용어는 퍼니스의 외측 외장부에 인접한 라이닝의 부분을 지칭하기 위해서 사용될 것이다.
많은 퍼니스에서, 외측 스틸 외장부를 냉각하기 위한 많은 노력이 있어 왔다(그에 따라 퍼니스로부터 열을 제거하는 속도를 높이려는 많은 노력이 있어 왔다). 외측 외장부 냉각을 위해서 사용된 시스템들은 스프레이 냉각 또는 필름 냉각 시스템을 포함한다. 이들 시스템에서는, 물이 외측 스틸 외장부의 외부 면에 대해서 스프레이되거나 또는 흐르게 된다. 그 물이 외측 스틸 외장부로부터 열을 빼앗고, 그에 따라 외측 스틸 외장부를 냉각하게 된다. 그러나, 시스템이 대기중에 노출되기 때문에, 비교적 높은 외장부 및 물의 온도와 조합되어, 외측 스틸 외장부의 광범위한 부식이 발생될 수 있다. 외측 스틸 외장부에 형성될 수 있는 절연 부식 층이 외장부로부터 냉각수로 열을 전달하는 것을 방해하는 것을 방지하기 위해서, 외측 스틸 외장부 표면의 정기적인 세정 및 유지보수가 요구된다. 심지어는 청정한 외측 외장부 표면에서도, 낮은 물의 속도 및 압력으로 인해서 외장부와 냉각수 사이의 열전달 계수가 상대적으로 낮다.
외부 외장부-장착형 강제식(forced) 냉각수 시스템이 다양한 타입의 퍼니스에서 이용되고 있다. 통상적으로, 외부 외장부-장착형 강제식 냉각수 시스템은 외측 스틸 외장부(또는 퍼니스 스틸 외장부)의 외측 표면에 형성된 또는 용접된 스틸 채널들을 포함하고, 그에 따라 물이 비교적 높은 압력 및 속도에서 퍼니스 스틸 외장부에 대해서 유동할 수 있게 되고, 물과 외장부 사이의 높은 열전달 계수가 가능하게 된다. 그 결과로, 물, 냉각된 표면, 및 대기 사이의 접촉을 방지하면서, 퍼니스 외장부로부터 열을 효과적으로 제거할 수 있게 된다. 또한, 냉각 채널을 통과한 물의 품질을 제어하여 퍼니스 스틸 외장부의 부식을 방지하거나 최소화할 수 있을 것이다. 안전성과 관련한 추가적인 이점으로서, 냉각수 채널들이 외측 스틸 외장부의 외부에 장착되거나 형성됨에 따라, 냉각수 채널에서 발생할 수 있는 누설의 결과로서 물이 외측 외장부의 외측 면을 따라 아래로 흐르게 될 것이다. 이와 관련하여, 퍼니스 내부로 물이 누설되면 누설수로부터 급격하게 증기가 발생되어 퍼니스의 폭발을 유발할 가능성도 있기 때문에, 누설수가 퍼니스의 내부로 누설되지 않도록 하는 것이 중요하다는 것을 이해할 것이다.
명세서를 통해서, "포함한다"는 용어 및 그와 문법적으로 균등한 용어는, 별다른 언급이 없는 한, 포괄적인 의미를 가지는 것으로 해석될 것이다.
본원 발명의 목적은 퍼니스 내에서 산화 분위기가 형성되는 퍼니스들에서 사용하기에 적합한 퍼니스 냉각 방법 및 퍼니스를 제공하는 것이다.
제 1의 측면에서, 본원 발명은 고온 프로세스가 퍼니스 내의 산화 분위기하에서 실시되는 퍼니스를 제공하고, 그러한 퍼니스는 금속으로 제조된 외측 외장부, 외측 외장부에 형성된 또는 결합된 하나 또는 둘 이상의 냉각 채널, 그리고 퍼니스 라이닝을 포함하고, 상기 퍼니스 라이닝은 외측 외장부의 내측 벽에 근접하여 위치되는 비교적 높은 열전도도 층을 포함하는 후방 라이닝 그리고 비교적 높은 열전도도의 층으로 이루어지고 내측에 위치하는 작용 라이닝을 포함한다.
명세서를 통해서, 퍼니스 분위기 내의 산소의 부분 압력이 10-9 atm 보다 높다면, 퍼니스가 산화 분위기하에서 작업이 이루어지는 것으로 간주된다.
작용 라이닝은 후방 라이닝에 대항하여(against) 위치될 것이다.
본원 발명의 실시예에서, 후방 라이닝은 작용 라이닝의 열전도도 보다 상당히 높은 열전도도를 가진다. 일부 실시예에서, 후방 라이닝은 외측 외장부의 열전도도와 유사한 또는 그보다 높은 열전도도를 가진다.
일부 실시예에서, 후방 라이닝은 그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 후방 라이닝은 그라파이트 층을 포함한다.
일 실시예에서, 퍼니스의 외측 외장부는 스틸 외장부를 포함한다.
본원 발명의 일부 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 냉각 채널이 외측 외장부의 외부 표면에 용접될 수 있을 것이다.
하나 또는 둘 이상의 냉각 채널이 냉각수를 수용하기 위한 냉각수 채널을 포함할 수 있다. 냉각수 채널들은 냉각수 채널들을 통해서 이동하는 고압 및 고속의 냉각수를 수용할 것이다.
하나 또는 둘 이상의 채널이 구불구불한(serpentine) 패턴으로 정렬될 수 있을 것이다. 하나 또는 둘 이상의 채널이 서로 분리된 복수의 채널들을 포함할 수 있을 것이다.
퍼니스가 상부 침지형 랜스 퍼니스를 포함할 수 있을 것이다.
그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트의 물질로 이루어진 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층과 같은 비교적 높은 열전도도의 후방 라이닝이 퍼니스의 모든 라이닝을 통해서 배치될 수 있을 것이다. 그 대신에, 그러한 층들이 퍼니스의 일부에만 또는 부분들에만 위치될 수 있을 것이다.
그라파이트 층 및 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트 물질로 이루어진 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층은 퍼니스의 외측 외장부의 내부 표면에 아교접착(glued) 또는 시멘트접착 또는 기타의 방법으로 부착되는 복수의 그라파이트 타일 또는 그라파이트 벽돌(bricks) 또는 그라파이트를 포함하는 물질이나 그라파이트 물질로 제조된 벽돌 또는 타일, 또는 탄소계 물질로 이루어진 층을 포함한다. 이러한 목적으로 시멘트나 아교가 사용되는 경우에, 시멘트 또는 아교는 높은 열전도도의 탄소계 또는 그라파이트일 수 있다.
그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트의 물질로 이루어진 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층의 두께가 30 내지 250 mm, 보다 적합하게 50 내지 100 mm이다. 약 70 mm의 두께가 적절할 수 있을 것이다.
작용 라이닝은 소위 당업자에게 공지된 적절한 내화 물질을 포함할 수 있을 것이다. 작용 라이닝은 후방 라이닝의 두께 보다 두꺼운 두께를 가질 수 있을 것이다.
제 2의 측면에서, 본원 발명은 고온 프로세스가 산화 분위기하에서 실시되는 퍼니스를 냉각하기 위한 방법이 제공되며, 그러한 방법은 금속으로 제조된 외측 외장부, 상기 외측 외장부에 결합된 또는 형성된 하나 또는 둘 이상의 냉각 채널 그리고 퍼니스 라이닝을 포함하는 퍼니스를 제공하는 단계로서, 상기 퍼니스 라이닝은 외측 외장부의 내측 벽에 근접하여 위치된 비교적 높은 열전도도의 후방 라이닝 및 상기 후방 라이닝의 내측에 위치된 작용 라이닝을 포함하는, 퍼니스 제공단계, 상기 퍼니스 내에서 프로세스를 운전하는 단계, 그리고 상기 퍼니스를 냉각시키기 위해서 냉각 채널을 통해서 냉각수를 통과시키는 단계를 포함한다.
작용 라이닝은 후방 라이닝에 대항하여 배치될 수 있을 것이다. 작용 라이닝은 내화계 라이닝일 것이다.
본원 발명의 실시예에서, 후방 라이닝은 내화계 작용 라이닝의 열전도도 보다 상당히 높은 열전도도를 가진다. 일부 실시예에서, 후방 라이닝은 외측 외장부의 열전도도와 유사한 또는 그보다 높은 열전도도를 가진다.
일부 실시예에서, 후방 라이닝은 그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트 재료로 이루어지거나 그라파이트를 포함하는 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 후방 라이닝은 그라파이트 층을 포함한다.
일 실시예에서, 그라파이트 층 내에서 도달되는 최대 온도가 500 ℃를 초과하지 않도록, 바람직하게는 400 ℃를 초과하지 않도록, 보다 바람직하게는 250 ℃를 초과하지 않도록, 본원 발명의 방법이 운전된다.
다른 실시예에서, 정상 운전 조건 및 새로운 작용 라이닝하에서 5 kW/m2 의 속도로 퍼니스로부터 열이 제거되도록, 마모된(worn) 작용 라이닝의 경우에는 25 kW/m2 이하의 속도로, 그리고 작용 라이닝의 국부적인 기능손실(failure) 및 극한의 운전 조건하에서 120 kW/m2 의 국부적인 열 플럭스(heat flux)를 초과하지 않도록, 본원 발명의 방법이 운전된다.
본원 발명의 일부 실시예에서, 냉각수는 m2 의 퍼니스 외장부 면적 당 1 내지 2 m3/h 의 평균 속도로, 그리고 1 m/s의 냉각 채널내의 최소 속도로, 바람직하게는 2 m/s 이상의 속도로 냉각 채널을 통해서 유동한다.
본원 발명의 일부 실시예에서 그라파이트 층이 후방 라이닝으로서 적합하게 이용되고, 간결하고 용이한 설명을 위해서, 이하에서는 그라파이트 층을 기준으로 하여 본원 발명을 설명한다. 그러나, 본원 발명이 또한 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트 물질로 이루어진 층과 같은 다른 물질로 제조된 층들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본원 발명의 방법 및 퍼니스에서, 그라파이트 라이닝의 열전도도는 외측 스틸 외장부의 열전도도 보다 3배 내지 4배 더 높다. 결과적으로, 그라파이트 라이닝 층은 열이 외장부로부터 강제식 냉각수 시스템으로 빠져나가기 전에 외장부를 따라서 열을 전도하고 확장시킬 것이다. 그에 따라, 그라파이트 층은 작용 라이닝으로부터 열을 제거하는 것을 적절하게 도울 것이며, 그에 따라, 특히 마모된 작용 라이닝의 경우에, 낮은 운전 온도로 인해서 작용 라이닝의 마모 속도를 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 디자인은 외측 외장부 장착형의 강제식 냉각 채널들 사이에서 외장부 상에 국부적인 열점들이 형성되는 것을 최소화하거나 방지한다.
이는, 산화 프로세스가 일어나는 퍼니스, 예를 들어 상부 침지형 랜스 퍼니스에서 사용되는 종래의 라이닝과 대비된다. 그러한 퍼니스들에서, 작용 라이닝은 보다 절연적인 후방 라이닝에 대해서 위치되고, 이는 다시 외측 스틸 외장부의 내측 벽에 대해서 위치된다. 절연 후방 라이닝의 열전도도는 스틸 외장부의 열전도도 보다 약 150 배 낮다. 절연 후방 라이닝을 외측 외장부 냉각 시스템과 조합시키는 것은 측벽 라이닝 캠페인 수명(campaign life)에 바람직하지 못할 것인데, 이는 절연 후방 라이닝이 작용 라이닝을 외장부 냉각 시스템으로부터 절연할 것이기 때문이고, 결과적으로 이는, 마모된 작용 라이닝의 경우에, 높은 운전 온도로 인해서 작용 라이닝의 높은 마모 속도를 초래하기 때문이다. 또한, 측벽에서의 국부적인 높은 열 부하(heat load)가 외측 외장부 장착형 강제식 냉각 채널들 사이에서 외장부 상에 열점을 초래할 수 있을 것이다. 운전 경험을 통해서, 그러한 퍼니스에서 외측 스틸 외장부의 온도가 200 ℃에 접근하거나 200 ℃를 초과할 수 있다는 것을 확인하였다. 퍼니스의 외측 벽 상의 이러한 높은 온도는 퍼니스 작업자의 작업 분위기에서 작업자의 건강이나 안전에 문제를 일으킬 수 있을 것이다.
대조적으로, 본원 발명에 따른 퍼니스를 이용하는 결과로서, 외측 스틸 외장부의 외측 표면의 온도가 40 내지 80 ℃가 될 수 있을 것이다. 이러한 것이 퍼니스의 작업자에게 보다 안전하고 쾌적한 작업 분위기를 제공한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본원 발명의 모든 측면에서, 퍼니스는 산화 분위기하에서 연속적으로 운전될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 퍼니스는 소정 시간 동안 산화 분위기 하에서 운전될 수 있고 이어서 환원 조건 하에서 운전될 수 있을 것이다. 산화 분위기하에서의 운전과 환원 조건하에서의 운전이 연속적(sequence)이 되도록 퍼니스의 운전이 이루어질 수 있을 것이다.
이하에서는, 본원 발명의 바람직한 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 본원 발명의 다른 이점들에 대해서 설명한다.
도 1은 상부 침지형 랜스 퍼니스를 도시한 개략도이다.
도 2는 본원 발명의 실시예에 따른 상부 침지형 랜스 타입 퍼니스에서 사용되는 측벽 라이닝/냉각 시스템 구성체(arrangement)의 단면도이다.
도 3은 작용 라이닝이 완전히 마모된 경우에 도 2에 도시된 퍼니스의 측벽을 통한 온도 프로파일을 도시한 그래프이다.
첨부 도면들은 본원 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기 위해서 제공된 것임을 이해할 수 있을 것이다. 그에 따라, 본원 발명이 단지 도면들에 도시된 바와 같은 특징들로 제한된다고 이해하지 않아야 할 것이다.
도 1은 종래의 상부 침지형 랜스 퍼니스를 도시한 개략도이다. 이러한 도면은 본원 명세서의 배경기술 부분으로 도시된 것이고 추가적인 설명을 필요로 하지 않을 것이다.
도 2는 본원 발명에 따른 퍼니스의 실시예에서 사용하기 위한 측벽 라이닝/냉각 시스템 구성을 도시한 도면이다. 퍼니스는 상부 침지형 랜스 타입 퍼니스일 수 있다. 이러한 측벽 라이닝/냉각 시스템은 외측 스틸 외장부(30)를 포함한다. 냉각수 채널(32, 34)이 외측 스틸 외장부(30)의 외부에 용접된다. 냉각수 채널은 소위 당업자에게 공지된 방식으로 고압 냉각수의 공급원과 유체 소통하도록 배치된다.
퍼니스 라이닝은 그라파이트 층(36) 형태의 후방 라이닝을 포함한다. 그라파이트 층은 두께가 약 70 mm이고 스틸 외장부(30)의 내측 표면에 아교접착 또는 시멘트접착되는 다수의 그라파이트 타일로부터 형성될 수 있을 것이다. 그 대신에, 그라파이트 층은 두께가 250 mm에 달하는 또는 그보다 두꺼운 그라파이트 벽돌로부터 제조될 수 있을 것이다. 그 대신에, 후방 라이닝은 그라파이트를 포함하는 물질 또는 그라파이트로 이루어진 물질 또는 탄소계 물질의 층으로 제조될 수 있을 것이다. 이러한 목적을 위해서 사용된 시멘트는 적합하게 그라파이트 또는 탄소계이고 그리고 매우 높은 열 전도도를 가진다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 그라파이트 층(36)은 열 전도도가 높은 층을 제공한다. 사실상, 그라파이트 층(36)의 열 전도도는 외측 스틸 외장부(30)의 열 전도도 보다 3배 내지 4배 더 높을 것이다.
퍼니스 라이닝은 또한 작용 라이닝을 포함하고, 이러한 경우에 그러한 작용 라이닝은 내화 라이닝(38)의 형태가 될 것이다. 층(38)은 퍼니스의 작용 라이닝을 구성한다. 퍼니스의 고온 분위기를 도면부호 '40'으로 표시하였다. 도 2로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 작용 라이닝(38)은 고온 분위기(40)와 그라파이트 층(36) 사이에 위치된다.
전술한 바와 같이, 그라파이트 층(36)의 열 전도도는 퍼니스 스틸 외장부(30)의 열 전도도보다 3배 내지 4배 더 크다. 결과적으로, 그라파이트 후방 라이닝 층(36)은 열이 외장부로부터 강제식 냉각수 채널(32, 34)로 빠져나가기 전에 퍼니스 스틸 외장부(30)를 따라서 측방향으로 열을 전도하고 분산시킬 것이다. 그에 따라, 그라파이트 후방 라이닝 층(36)은 작용 라이닝(38)으로부터 열을 적절하게 제거하는 것을 돕고 그에 따라 작용 라이닝 내의 낮은 작업 온도로 인해서 작용 라이닝의 마모속도를 감소시킨다. 이는 마모된 작용 라이닝의 경우에 특히 그러하다. 또한, 그라파이트 후방 층(36)은 외부 외장부 장착형 강제식 냉각수 채널(32, 34)들 사이에서 외측 스틸 외장부(30) 상에 열점이 형성되는 것을 방지하거나 최소화한다.
퍼니스의 작업 온도가 900 ℃ 내지 극한 조건에서의 1600 ℃ 사이에서 변화될 수 있다. 퍼니스 측벽으로의 열전달은 액체 퍼니스 용탕에 인접한 대류를 통해서, 그리고 액체 퍼니스 용탕 위쪽에서는 대류와 복사의 조합을 통해서 이루어진다. 퍼니스 측벽을 통한 결과적인 열 플럭스는 작용 라이닝 조건 및 작업 조건에 따라서 5 내지 25 kW/m2 사이에서 변화될 수 있다. 극한 작업 조건하에서 그리고 작용 라이닝이 손상된 또는 완전히 마모된 영역에서, 120 kW/m2 에 달하는 국부적인 열 플럭스가 발생할 수 있다. 그라파이트 층의 작업 온도는 작용 라이닝 및 작업 조건에 따라서 55 내지 110 ℃ 사이에서 변화될 수 있을 것이다. 극한 작업 조건하에서 그리고 작용 라이닝이 완전히 마모된 상태에서, 그라파이트 온도는 최대 400 ℃까지 상승할 수 있을 것이다. 스틸 외장부의 외부 표면과 냉각수 채널의 평균 온도가 작용 라이닝 및 작업 조건에 따라서 40 내지 80 ℃ 사이에서 변화될 수 있을 것이다. 냉각수 회로를 통한 냉각수 온도의 증가는 5 내지 15 ℃가 될 것이다. 냉각수 배출구 온도는 유입구 물 온도 및 열 부하에 따라서 최대 65 ℃가 될 수 있을 것이다.
본원 발명의 발명자들은 외측 외장부 장착형 강제식 냉각수 시스템이 높은 열 전도도의 그라파이트 후방 라이닝과 조합된 유사한 퍼니스 라이닝/냉각 시스템이 고온 프로세스들이 환원 분위기에서 실시되는 다른 타입의 퍼니스(예를 들어 전기 퍼니스)에서도 이용될 수 있다는 것을 주지하였다. 그러나, 그러한 냉각 시스템/퍼니스 라이닝은 산화 프로세스가 이루어지는 퍼니스에서 사용된 것과 다르다. 고온 프로세스가 산화 분위기에서 이루어지는 퍼니스 내에서 그러한 퍼니스 라이닝이 적합한 것으로 당업자들이 간주하지 않은 이유는 만약 퍼니스의 고온 분위기에 노출되기 시작한다면 그 자체가 용이하게 산화될 수 있기 때문이다. 그에 따라, 퍼니스의 일부에서 작용 라이닝이 본질적으로 마모되어 그라파이트 층이 퍼니스의 고온 분위기에 노출될 정도로 퍼니스의 작용 라이닝이 마모되었다면, 종래에는, 노출되는 산화 분위기에 의해서 그라파이트 층이 매우 신속하게 산화될 것으로 생각하였다. 만약 그라파이트 층이 고온에 즉, 퍼니스 내부의 산화 분위기에 노출된다면, 그라파이트 층은 본질적으로 매우 신속하게 연소될 것으로 생각되었다. 물론, 이러한 난관(dilemma)은 환원 조건하에서 작업이 이루어지는 퍼니스와는 무관한 것이다.
놀랍게도, 본원 발명의 발명자들은, 작용 라이닝(38)이 퍼니스의 일부에서 완전히 마모되는 경우에도, 그라파이트 층(36)을 통한 냉각 속도가 충분히 높아서 그라파이트 층(36)이 신속하게 산화되는 대신에 보호적이고 안정한 저온 층이 그라파이트 라이닝(36)의 고온 면에 형성될 것이고, 그에 따라 측벽을 통한 열 손실을 제한하고 그리고 부식 및 산화와 같은 다른 마모 기구로부터 그라파이트 라이닝(36)을 보호한다는 것을 발견하였다. 그라파이트 라이닝의 높은 면 온도가 500 ℃ 보다 상당히 낮은 온도에서 유지되고, 그에 따라 그라파이트의 상당한 산화가 중기적 내지 장기적으로(medium to long term) 방지된다. 전술한 바와 같이, 이러한 발견은 종래의 생각과는 대비되는 것이다.
도 3은 작용 라이닝(38)이 마모되기 시작함에 따라 그라파이트 층이 노출되기 시작하는 경우에 그라파이트 층의 고온 면 상의 안정한 보호성 저온(freeze) 층이 형성되는 것을 도시한 도면이다. 도 3에서, 스틸 외장부(30) 및 그라파이트 층(36)이 도시된다. 그라파이트 층(36)에 형성되는 안정한 저온 층(42)이 도시되어 있다. 안정한 저온 층(42)은, 예를 들어, 약 15 mm의 두께를 가진다. 도 3으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 퍼니스는 약 1100 ℃의 온도에서 작동된다. 그러나, 그라파이트 층을 통한 매우 높은 열전달 속도로 인해서, 저온 층(42)이 노출된 그라파이트 층(36)에 걸쳐 형성된다. 통상적으로, 저온 층은 노출되기 시작한 그라파이트 층에서 약 30 분 내에 형성된다. 이는 노출된 그라파이트 층의 산화 정도(amount)를 최소화한다. 또한, 그라파이트 층 내의 최대 온도는 500 ℃ 보다 상당히 낮고, 통상적으로는 250 ℃ 이하로 유지되며, 그에 따라 그라파이트 층의 추가적인 산화를 방지한다. 도 3은 또한 보호성 저온 층(42)을 통한 급격한 온도 구배를 보여준다.
본원 발명에 따른 퍼니스 냉각을 위한 방법 및 퍼니스는 많은 추가적인 이점을 가진다:
ㆍ 작용 라이닝이 새것일 때, 본원 발명의 퍼니스 및 퍼니스 냉각 방법은 (상부 침지형 랜스 퍼니스에서 사용되는 종래의 라이닝과 비교할 때) 라이닝 온도에 대해서 큰 차이를 초래하지 않는다. 그러나, 퍼니스의 스틸 외장부의 외측 온도에 대해서는 큰 차이를 나타낸다. 일반적으로, 물 채널 냉각이 없는 상부 침지형 랜스 퍼니스의 외측 스틸 외장부의 온도는 약 200 내지 300 ℃ 였다. 그러나, 본원 발명에 따라서 작동되는 퍼니스에서 외측 스틸 외장부의 온도는 약 40 내지 80 ℃ 였다.
ㆍ 작용 라이닝이 마모됨에 따라서, 작용 라이닝 내에서 보다 낮은 온도가 형성되고, 이는 작용 라이닝의 마모 속도를 감소시킨다.
ㆍ 작용 라이닝이 완전히 마모되기 시작한다면, 그라파이트 층은 퍼니스 측벽 내에서 진행되고 있는 열점으로부터 열을 추출하고 그리고 퍼니스 스틸 외장부 상에 열점이 형성되는 것을 방지한다. 또한, 저온 슬래그 층이 그라파이트 표면 상에 형성되고, 이는 그라파이트 층을 보호하고 그리고 그라파이트 층을 통한 열 손실을 감소시킨다.
ㆍ 퍼니스의 외측 외장부의 외부 표면의 큰 부분이 노출되도록 외부 장착형 냉각 채널이 서로 이격될 수 있다. 이는 외측 외장부의 육안 검사를 가능하게 한다. 또한, 외측 외장부의 온도를 모니터링하기 위해서 외측 외장부의 외측 표면에 열전쌍을 장착할 수 있을 것이다. 만약 패널 냉각(물이 퍼니스의 외측 외장부 전체를 덮는다)이 이용된다면, 이러한 것은 가능하지 않을 것이다.
당업자는, 본원 발명을 본원 명세서에 기재되지 않은 다른 변형 및 변경 실시예들로 변화시킬 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본원 발명은 본원 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 그러한 모든 변형 실시예 및 변경 실시예를 포함할 것이다.

Claims (24)

  1. 고온 프로세스가 퍼니스 내의 산화 분위기하에서 실시되는 퍼니스로서:
    금속으로 제조된 외측 외장부, 상기 외측 외장부 상에 형성된 또는 결합된 하나 또는 둘 이상의 냉각 채널, 그리고 퍼니스 라이닝을 포함하고,
    상기 퍼니스 라이닝은 외측 외장부의 내측 벽에 근접하여 위치되는 비교적 높은 열전도도 층을 포함하는 후방 라이닝 그리고 비교적 높은 열전도도의 층으로 이루어지고 내측에 위치하는 작용 라이닝을 포함하는
    퍼니스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작용 라이닝이 후방 라이닝에 대항하여(against) 위치되는
    퍼니스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 후방 라이닝이 작용 라이닝의 열전도도 보다 상당히 큰 열전도도를 가지거나 또는 상기 후방 라이닝이 외측 외장부의 열전도도와 유사한 또는 그보다 큰 열전도도를 가지는
    퍼니스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 후방 라이닝은 그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층을 포함하는
    퍼니스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 후방 라이닝이 그라파이트 층을 포함하는
    퍼니스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 또는 둘 이상의 냉각 채널이 외측 외장부의 외부 표면에 용접되는
    퍼니스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    퍼니스가 상부 침지형 랜스 퍼니스를 포함하는
    퍼니스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비교적 높은 열전도도의 후방 라이닝이 퍼니스의 모든 라이닝을 통해서 배치되는
    퍼니스.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비교적 높은 열전도도의 후방 라이닝이 퍼니스의 단지 일부분 또는 일부분들에 배치되는
    퍼니스.
  10. 제 4 항에 있어서,
    그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트 물질로 이루어진 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층은 퍼니스의 외측 외장부의 내부 표면에 아교접착 또는 시멘트접착 또는 기타의 방법으로 부착된 복수의 그라파이트 타일 또는 그라파이트 벽돌 또는 그라파이트를 포함하는 물질이나 그라파이트 물질로 제조된 벽돌 또는 타일 또는 탄소계 물질로 이루어진 층을 포함하는
    퍼니스.
  11. 제 4 항 또는 제 10 항에 있어서,
    그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트의 물질로 이루어진 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층의 두께가 30 내지 250 mm, 보다 적합하게 50 내지 100 mm, 보다 더 적합하게 약 70 mm인
    퍼니스.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작용 라이닝이 후방 라이닝 보다 더 두꺼운 두께를 가지는
    퍼니스.
  13. 고온 프로세스가 산화 분위기하에서 실시되는 퍼니스를 냉각하기 위한 방법으로서:
    금속으로 제조된 외측 외장부, 상기 외측 외장부 상에 결합된 또는 형성된 하나 또는 둘 이상의 냉각 채널 그리고 퍼니스 라이닝을 포함하는 퍼니스를 제공하는 단계로서, 상기 퍼니스 라이닝은 외측 외장부의 내측 벽에 근접하여 위치된 비교적 높은 열전도도의 후방 라이닝 및 상기 후방 라이닝의 내측에 위치된 작용 라이닝을 포함하는, 퍼니스 제공단계,
    상기 퍼니스 내에서 프로세스를 운전하는 단계, 그리고
    상기 퍼니스를 냉각시키기 위해서 냉각 채널을 통해서 냉각수를 통과시키는 단계를 포함하는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    퍼니스 분위기 내의 산소의 부분 압력이 10-9 atm 보다 높은 상태에서 프로세스가 운전되는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 후방 라이닝은 내화계 작용 라이닝의 열전도도 보다 상당히 높은 열전도도를 가지는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 후방 라이닝은 외측 외장부의 열전도도와 유사한 또는 그보다 높은 열전도도를 가지는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 후방 라이닝은 그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트 재료로 이루어지거나 그라파이트를 포함하는 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층을 포함하는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    그라파이트 층 또는 그라파이트 재료로 이루어지거나 그라파이트를 포함하는 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층 내에서 도달되는 최대 온도가 500 ℃를 초과하지 않는, 바람직하게는 400 ℃를 초과하지 않는, 보다 바람직하게는 250 ℃를 초과하지 않는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  19. 제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    정상 운전 조건 및 새로운 작용 라이닝하에서 5 kW/m2 의 속도로, 마모된 작용 라이닝의 경우에는 25 kW/m2 이하의 속도로, 그리고 작용 라이닝의 국부적인 기능손실 및 극한의 운전 조건하에서는 120 kW/m2 의 국부적인 열 플럭스를 초과하지 않도록, 퍼니스로부터 열이 제거되는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  20. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각수가 m2 의 퍼니스 외장부 면적 당 1 내지 2 m3/h 의 평균 속도로, 그리고 1 m/s의 냉각 채널내의 최소 속도로, 바람직하게는 2 m/s 이상으로 냉각 채널을 통해서 유동하는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    퍼니스의 외측 스틸 외장부의 외측 표면의 온도가 40 내지 80 ℃가 되는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  22. 제 13 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 후방 라이닝이 그라파이트 층 또는 그라파이트를 포함하는 물질로 제조된 층 또는 그라파이트 물질로 이루어지거나 그라파이트를 포함하는 물질로 이루어진 층 또는 탄소계 물질로 이루어진 층을 포함하고, 그리고 후방 층의 냉각 속도가 충분히 높아서 퍼니스의 일부에서 작용 라이닝이 완전히 마모된 경우에 보호성의 그리고 안정한 저온 층이 후방 층에 형성되어 후방 층이 산화되는 것을 방지하는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  23. 제 13 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퍼니스가 산화 분위기하에서 소정 시간 동안 운전되고 그리고 환원 조건하에서 짧은 시간 동안 운전되는
    퍼니스를 냉각하기 위한 방법.
  24. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퍼니스가 산화 분위기하에서 소정 시간 동안 운전되고 그리고 환원 조건하에서 소정 시간 동안 운전되는
    퍼니스.
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