KR20120094875A - 제강용 레이들의 예열방법과 예열장치 - Google Patents

제강용 레이들의 예열방법과 예열장치 Download PDF

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에이코 야마다
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Abstract

내화물을 내장하는 제강용 레이들을 수강 전에 예열할 때, 보다 저설비비로 가열효율을 약 20%에서 약 80%로 향상시켜서 에너지절약을 도모한다. 레이들을 단열 커버로 밀폐해서 내부에 저항 발열체를 형성하고, 용량에 대응한 대출력으로 내화물을 방사 가열한다. 출력을 특정하고, 그 출력에 대응한 발열체 표면적을 특정하고, 발열체를 1600℃이상으로 하고, 내화물 표면을 1250℃ 이상으로 예열한다. 열배기 가스 없이 단열성과 대출력에 의하여 열손 비율이 작아지게 되어 고가열 효율이 수득된다. 고능률의 가열에 의해 전기용해로 사이클과 동일 시간 내에 예열되므로 저렴한 야간전력만으로 운전 가능하게 된다. 전원설비에는 기설치된 레이들 정련용 아크식 재가열장치의 전원을 전환 또는 병용 사용한다.

Description

제강용 레이들의 예열방법과 예열장치{PREHEATING METHOD AND PREHEATING APPARATUS OF STEEL MAKING LADLE}
본 발명은 제강용의 레이들을 수강 전에 예열하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.
제강용 레이들은 바닥면을 구비한 원통상의 철피 용기에 단열재를 라이닝하고, 추가로 그 내측에 내화물이 라이닝되어 구성되어 있다. 내화물 시공 후는 수강 시에 수분에 의한 폭발이나 비 등을 피하기 위해서 버너에 의해 건조된다. 또 내벽면이 약 1000℃가 되도록 예열된다. 예열온도가 낮으면 수강 후의 용강의 냉각이 과대해져서 품질 관리상 바람직하지 못한데다가, 벽면ㆍ저면에 용강이 고착되어 여러 종류의 사고를 유발시킨다. 한번 수강한 레이들에는 잔열이 있어서 예열은 단축 또는 생략된다.
특허문헌 1에는 레이들을 고온 예열하는 효과가 개시되어 있다. 그것에 의하면 내화물 표면온도를 종래 수행되고 있지 않은 1200℃ 이상으로 예열, 바람직하게는 용강과 동일 온도까지 예열하는 것에 의해 용강의 냉각이 현저하게 저감된다. 그 결과 출강온도를 내릴 수 있어, 1) 에너지 절약이 가능하고, 2) 정련 온도를 저위로 유도해서 탈산 수준이 향상한다.
최근 설철(scrap iron)을 원료로 하는 전기로 업계에서는 전기로의 용해 능력(㎾)을 강화해서 필요 조업시간을 단축하고, 단가가 싼 야간전력만을 사용하는 소위 야간 전업방식의 조업이 이루어지고 있다. 이 경우, 야간의 시업시에 있어서, 주간에 냉각된 레이들의 예열이 필요하게 된다. 회분식으로 출강되는 용강을 연속해서 연속 주조하기 위해서는 통상 2, 3대의 레이들이 순환 사용된다. 매일 2, 3대를 예열해야만 하다. 이것은 야간 전업방식의 불리한 일면이다.
레이들 예열에 있어서의 문제는 연료소비의 낭비가 큰 것이다. 가열효율(=소정 축열량/소비열량)을 실측하면 약 15%로 매우 낮다. 그 원인은 이하와 같다.
1) 버너는 대량인 열배기 가스를 발생시키므로 원래 가열효율이 낮다.
2) 내화물은 전열성이 낮고, 예열에 장시간을 필요로 하고, 배열이 증가한다.
3) 레이들의 구조는 단순한 버킷형상으로 화염의 흐름이 나쁘고, 또 연소공간 용적이 상대적으로 크지 않으므로 화염의 취출이 많다.
배열 회수하는 축열식 버너를 사용하여도, 버너 자체의 효율은 개선되지만 예열효율은 25%를 넘을 수 없다.
특허문헌 2에는 레이들을 단열 커버에 의해 밀폐하고, 내부공간에서 아크를 발생시켜서 레이들을 예열하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의하면 가열효율의 향상이 기대되지만 아직 응용되고 있지 않다.
아크 가열이든지, 저항 가열이든지 간에 열 배기가스가 없는 전기가열이 예열에 전혀 사용되지 않고 있는 이유를 검토하면,
1) 전기가열로의 가열효율은 그다지 좋지 않다는 것이 경험적으로 알려져 있는 점,
2) 전기요금이 연료와 비교해서 값이 비싼 점,
3) 야간 전력을 사용하려고 하여도 야간 조업 전에 예열이 필요해서 잘되지 않는 점,
4) 필요출력을 개산하면 수천 ㎾가 되어, 설비 비용에 문제가 있다,
5) 무엇보다도, 고온 예열에 적절한 설비가 개발되어 있지 않은 점 등을 들 수 있다.
예열효과를 확대하고, 또한 에너지절약을 도모하기 위해서는 상기한 5가지 점의 문제해결이 필요하다.
제1의 문제인 가열효율에 대해서 검토한다. 여러 종류의 전기가열로의 가열효율을 조사하면 회분식, 연속식 관계없이, 기껏해야 약 40%이다. 그 원인은 피가열물로의 전열은 벽면으로부터의 방사만으로 크지 않다는(화염보다도 떨어진다) 점, 그 때문에 필연적으로 노체가 커지게 되어 방열이 증가한다는 점, 개구부가 있다는 점, 노체 승온에 큰 열량을 필요로 한다는 점, 그 결과 피가열물에 필요한 열량에 대해서 로의 승온과 유지에 필요한 열량비가 증가하기 때문이다.
가열효율에 관한 레이들과 전기가열로의 상기의 비교는 정확하지 않다. 후자의 노체 승온분에 대해서 가열효율을 비교해야 한다. 당해 부분의 가열효율을 보면 더욱 저위로 되어 있다. 그 원인은, 생산능률(t/h)을 기준으로 설정되는 가열능력(㎾)에 대해서 노체열 용량이 전술한 이유에 의해 과대하게 되어 있고, 준비된 승온에 장시간(통상, 수 시간)을 필요로 하여, 그 사이의 낭비열이 증가하기 때문이다.
이 사실로부터 노체의 가열효율(레이들의 예열의 효율에 상당)을 향상시키기 위해서는, 가열능력(㎾)을 『대출력』으로 하고, 단시간에 승온시킬 수 있다면 좋다는 힌트를 얻을 수 있다.
제2의 문제인 에너지 단가에 대해서 검토한다. 대량 수요가에 대해서 M㎈당의 에너지 단가를 비교하면, LNG는 약 7엔, 등유는 약 9엔인데 대해서, 전력은 주야로 연속인 경우 약 14엔이지만 야간전업에서는 약 7엔이 된다. 전력을 사용하는 예열장치도 야간전업에 조합시킬 수 있다면, 경쟁 가능하게 된다.
이 경우의 문제(제3의 문제)는 야간시간대 개시와 동시에 아크 용해로가 가동 개시한다. 약 1시간 후에 출강이 된다. 그때까지 레이들 예열을 완료시키지 않으면 안된다. 예열시간은 종래와 수 시간이 아니라, 용해시간 이내가 필요조건이 된다. 즉 종래의 몇 배의 실효가열 능력이 필요하게 된다. 이것은 제1의 문제의 해결책 『대출력 』과 모순되지 않는다.
제4의 문제인 전원설비 비용을 검토한다. 수천 ㎾ㆍ수만 A의 대전력을 처리하는 경우, 회로의 개폐시의 아크 방지대책이 불가결하며, 충격적인 입출력을 완화시킬 제어기가 필요하고, 변전소로부터의 배전공사가 필요하다는 등 간단하게는 되지 않는다.
제5의 문제 즉 실용가능한 전기에 의한 고온 예열장치의 개발과 그 경제성을 검토한다.
제1안으로서 전술한 아크 가열방식에서는 충분한 출력과 열원의 고온화에 대해서는 뛰어나지만, 아크의 점화와 제어, 승강기구, 기밀성, 핫스팟의 분산, 전극봉으로부터의 방열, 설비비 등 설비ㆍ작업상의 문제가 너무나 많다. 실시되지 않는 이유를 알 수 있다.
제2안으로서 저항 가열방식에서는 참고사례로서 초고온 히터(Mo 화합물을 사용한 발열체로서, 통칭 칸탈히터)가 후보가 된다. 내용 상한은 1700℃, 로내부 온도도 1600℃이하, 단위출력은 최대 20㎾가 시판되고 있다. 필요개수ㆍ필요설치 스페이스 ㆍ히터 단가 및 내구성ㆍ내파손성 등을 고려하면 실용은 매우 곤란한 것으로 밝혀졌다.
여러 가지의 저항 발열체를 검토한 결과, 아크로용의 흑연 전극봉이 의외로 저렴ㆍ강고하고, 또한 2000℃ 이상에서도 견디어 유망하지만, 산화소모와 저저항에 의한 대전류의 필요가 문제라고 밝혀졌다. 당해 문제를 해결하면 실용가능하다는 전망을 얻었다.
일본 공개특허공보 제2004-115823호 일본 공개특허공보 S52-143923호
용해로에서 용강을 레이들로 이송할 때, 그 레이들의 내화물은 사전에 충분하게 예열할 필요가 있고, 예열온도가 높을수록 에너지절약과 품질에 유리하다. 예열수단에는 버너가 사용되고 있지만 가열효율은 15?25%로 매우 낮다. 본 발명은 당해 예열의 고온화와 에너지절약을 목적으로 한다. 그 목적 달성을 위해서 실용성이 높은 방법과 설비에 의해서 가열효율을 80%이상, 가열온도 1200℃이상으로 하는 것을 해결해야 할 목표로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 1) 열배기 가스가 없는 전기가열방식을 채용한다, 2) 무효열 비율을 낮추고, 또한 능률향상을 위해서 가열장치의 실효출력을 강화한다[결과적으로 에너지 비용에 유리한 야간전업(용해로 작업시간 내에 예열)이 가능하게 된다], 3) 실효출력 강화를 위해서 고온발열체를 고안하고, 추가로 전원설비에는 타용도의 기설치된 전원을 『교묘하게』 전용하는 등의 방책을 강구하였다.
제1 발명은, 직립하는 바닥 면을 구비한 원통상의 제강용 레이들을 수강 전에 상방 개구부를 내화 단열성의 커버로 덮어서 예열하는 방법에 있어서, 가열장치로서 커버에 형성한 저항 발열체를 내부공간에 배치해서 레이들 내화물 표면을 방사 가열할 때, 그 가열장치의 출력(P(㎾))을 용해 사이클(t(h))과 레이들의 용량 (W(t))에 대해서 하기 식(1)에 의거하여 설정하고, 그 발열체의 표면적(A(㎡))을 그 발열체의 온도(T(℃))에 대해서 하기 식(2)에 의거하여 설정하는 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열방법이다.
P ≥ (130 ± 50) / t × W2 /3 (1)
A ≥ P / (1.7T - 2400) (2)
단, 상기 온도 T는 1600℃이상으로 한다.
제2 발명은, 상기 제1 발명에서, 저항 발열체의 재질을 흑연으로 하고, 커버에 의한 덮개를 밀폐상으로 하고, 내부를 비산화성 또는 환원성 분위기로 하는 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열방법이다.
제3의 발명은, 상기 제1 발명 또는 제2 발명에서, 레이들 내화물 표층온도를 용강온도 이하로 또한 용강온도의 하방 300℃이내로 가열하는 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열방법이다.
제4의 발명은, 직립하는 바닥면을 구비한 원통상의 제강용 레이들을 수강 전에 상방 개구부를 내화 단열성의 커버로 덮어서 예열하는 장치에 있어서, 예열장치가, 그 커버에 형성한 저항 발열체를 그 레이들의 내부공간에 배치해서 레이들 내화물 표면을 방사 가열하는 가열장치와, 레이들 정련시의 재가열용으로 기설치되어 있는 아크 가열장치의 전원을 병용한 그 가열장치의 전원으로 이루어지고, 또한 제1발명에 기재한 방법을 적용한 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열장치이다.
술어의 정의는 이하와 같다.
1) 내화 단열성 커버란 발열체 기부를 단열하는 도 1 중의 (9)의 보온상자를 포함한다.
2) 가열장치의 출력(P)이란 전원으로부터 발열체에 도입되는 전력이다.
3) 레이들 용량(W)이란 수용량의 공칭 설계값이다.
4) 발열체의 표면적(A)이란 발열부의 표면적으로, 발열체의 기부의 그것을 제외한다.
5) 밀폐상이란 공기가 내외로 대류하지 않고, 분위기가 유지되는 정도로 한다.
6) 내화물 표층온도란 겉보기 아니라, 통전 정지 1분 후의 표면온도로 한다.
7) 용해 사이클(t(h))이란 출강으로부터 다음번 출강까지의 시간이다.
하기 이유에 의해 레이들 예열의 가열효율(=내화물로의 축열량/소비열량)은 종래의 수배가 되는 80%이상이 수득되어 예열의 에너지절약에 기여한다.
1) 밀폐전기 저항 가열에 의해 열배기 가스가 없어 입열의 대부분이 내화물로 이행한다.
2) 흑연 발열체에 의한 고온ㆍ고출력의 열원에 의해 능률이 향상하고, 누출 열비율이 저하된다.
고온ㆍ고출력의 열원은 예열능률 이외에 품질향상과 원가 저감에 기여한다.
1) 예열온도는 용이하게 1200℃이상이 수득된다. 예열강화는 용강냉각을 억제하고, 용강온도의 저위안정에 의한 탈산의 진행을 보조하며, 또한 내화물의 내구에 유리하게 된다.
2) 용강냉각의 억제는 출강온도의 저위설정 또는 재가열량의 저감을 통해서 제강의 에너지절약으로 작용한다.
3) 예열능률 향상에 의해 야간 예열이 가능하게 되어, 전력 단가가 약 절반으로 준다.
설비는 수천 ㎾의 전원과 발열체 1세트와 단열 커버와 승강기구로 구성되어 비교적 간소하다. 비싼 전원설비에 대해서는, 레이들 정련시에 사용되는 기설치된 아크식 재가열장치(통칭 LF)의 전원을 전환 사용하는 것도 용이해진다. 설비비용은 크게 삭감된다.
도 1은 본원발명의 레이들 예열장치의 전체 개략도이다.
도 2는 본원발명의 레이들 예열장치의 본체부분인 가열장치의 개략도이다.
도 3은 방사 전열량에 미치는 발열체온도와 벽면온도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 레이들 예열수준에 대응한 용강의 냉각의 상태를 나타내는 예이다.
도 5는 본 발명의 예열방법에 의한 내화물 승온의 해석예를 나타낸다.
도 6은 발열체의 다른 구조예를 나타내고, A는 후판상, B는 관상의 발열체이다.
도 1, 도 2에 따라서 예열장치의 전체와 요소를 설명한다. 제강용 레이들(1)은 바닥면을 구비한 원통상의 철피(2)의 내측에 내화 단열재(3)를, 추가로 내측에 내화물(4)을 적층해서 구성되어 있다.
예열장치의 본체인 가열장치(0)는 레이들의 상방 개구부를 밀폐하는 내화 단열성의 커버(6)와 그 커버(6)로부터 수직으로 레이들 내부공간에 배치되는 봉 형상의 저항 발열체(5)와, 그 발열체(5)에 통전하는 3상 전원 접속부(8)와, 그 발열체(5)의 기부(7)로부터의 누열을 방지하는 보온상자(9)와, 그 커버를 레이들로부터 착탈하기 위한 승강 선회수단(11)과, 기측 제어반(12)과, 전원(10)으로 구성된다. 발열체(5)는 복수의 흑연봉으로 구성되고, 각 상간을 하단측에서는 흑연, 상단에서는 도체로 각각이 직렬결선이 이루어지도록 접속된다.
전원설비(10)는 배전 버스바(13)와, 회로전철기(14)와, 회로차단기(15)와, LF전원변압기(16)로 구성된다. LF(Ladle Furnace)란 아크에 의해 재가열되는 레이들 정련 장치의 통칭으로, 많은 제강공장에 부착되어 있다. 회로전철기(14)는 전원변압기(16)로부터의 전류를 예열장치(0)로, 또는 기존의 레이들 정련용의 아크 재가열장치(18)로 전환되는 기능을 갖는다. 회로차단기(15)는 대전력을 순시에 개폐하는 기능을 갖는다. 그 차단기(15)의 부위는 변압기(16)의 상류측일 수도, 하류측일 수도 있다. 전원변압기(16)의 용량은 처리하는 용강량에 비례해서 통상 5000?20000㎸A로, 레이들 예열에 필요하게 되는 용량의 수배이다. 유용ㆍ병용에는 여력이 있다. 필요 최소능력의 전원을 신설할 수도 있다.
다음에, 상기 예열장치의 구성조건에 대해서 설명한다. 야간조업의 시업시, 레이들의 내화물은 주간에 약 200℃이하로 냉각되어 있다. 수강 전에 그 커버(6)를 그 레이들(1) 위에 두고 통전하여, 내화물 표면온도를 약 1000℃이상, 바람직하게는 1300℃?1600℃로, 약 1시간 이내로 급속예열한다. 가열장치의 출력(P(㎾))은 필요 충분한 크기이어야만 한다. 출력(P(=전압×전류, ㎾))은 용해 사이클(t(h))과 레이들 용량(W(t))에 관계된 하기 식(1)에 의거하여 결정된다.
P ≥ (130±50)/t×W2 /3 (1)
상기 식의 하한출력이라면, 예를 들면 용해 사이클 1시간의 30톤의 레이들인 경우, 출력 800㎾, 가열효율 80%로, 내화물을 평균 200℃에서 표면 약 1000℃(평균 약 700℃)로 1시간에 승온시킬 수 있어, 작업상 지장이 없는 종래 수준에 달한다.
저항 발열체로부터 내화물로의 전열은 방사이기 때문에 전열량은 발열체의 표면적에 비례한다. 필요출력과 상기 전열량은 균형이 이루어져야만 한다. 상기 출력을 지지하는 표면적(A(㎡))은 출력(P(㎾))과 발열체의 온도(T(℃))에 관계되어, 하기 식(2)에 의거하여 결정된다.
A ≥ P/(1.7T-2400) (2)
상기 식의 하한의 표면적이라면, 예를 들면 30톤의 레이들인 경우, 출력 800㎾, 발열체의 설정온도 1700℃(또는 2000℃)에 대해서 필요 표면적(A)은 1.6㎡(또는 0.8㎡)가 된다.
상기 식으로부터 온도(T)가 높을수록 표면적(A)의 삭감(나아가서는 발열체의 질량삭감)에 유리하다. 적성범위로서 1600℃이상으로 한다. 1600℃ 미만에서는 필요 표면적이 과대해져서 소모비용이 불리해진다. 또 버너의 수준에 근접해서 고온열원의 특징을 얻기 어렵다.
이러한 고온에 견디는 발열체로서는 Mo 화합물(상품명 칸탈히터)과 흑연밖에 눈에 띄지 않는다. 전자에서는 U형 유닛이 시판되고 있지만 단위출력은 수 ㎾밖에 없고, 비싸며, 또한 취약하기 때문에 본 발명의 목적으로는 도저히 응용할 수 없다.
본 발명에서는 흑연으로 특정한다. 이유로서 고온대응, 가격, 강도, 충격, 열응력이 뛰어나기 때문이다. 발열체의 재질을 흑연으로 하는 경우의 문제는, 공기 중 500℃이상으로 사용하면 산화 소모되는 것이다. 따라서 분위기를 비산화성 또는 환원성으로 할 필요가 있으며, 당연 본 발명에 구비된다. 당업자에 있어서는 특별히 곤란하지는 않다. 내용 상한으로서 2300℃의 사례가 있지만 본 목적에 대한 문제는 명확하지 않다.
기본조건으로서 출력(P)이 결정되고, 그것에 대응해서 발열체 표면적(A)이 결정되고, 다음은 발열체의 치수ㆍ내구 및 전원의 사양에 무리가 없을 것이 요구된다. 예를 들면 저항(R)값이 과소하면, 전류(I)값이 과대하게 되고, 저전압ㆍ대전류의 전원을 필요로 하게 되어, LF 전원으로도 대응할 수 없게 된다. 반대로 저항값을 올리기 위해서 발열체를 가늘고 길게 하면 전원문제는 해결되지만, 내용ㆍ내구의 문제가 커진다. 상기 문제를 해결하기 위해서, 회로와 발열체의 구조ㆍ치수는 이하의 5관계식(3상 교류의 경우, 상기 식은 일부 변한다)으로 맺어져, 발열체와 회로결선방법, 전원의 사양이 결정되어, 바람직한 조건을 선택할 수 있다.
I = √(P/R) (3)
E = I×R (4)
R = μ×n×L/S (5)
S = π/4×d2 (6)
A = n×π×d×L (7)
여기에서 기호의 의미와 그 단위는 이하와 같다.
I: 전류(A), P: 출력(㎾), R: 저항(Ω), E: 전압(V), μ: 흑연 저항율(Ωm), n:발열체 개수, L: 발열부 길이(m), S: 발열체 단면적(㎡), d: 발열체 직경(m), A: 발열체 표면적(㎡)
도 2의 회로도는 발열체의 결선방법을 예시하고, 3상 교류를 그대로 사용하는 경우, 발열체 6개(n=2)를 성형(별형) 결선하면 발열체와 전원변압기의 회로특성이 매칭되어 대단히 형편이 좋다. 단상으로 사용하는 경우에는 4개를 직렬결선하면 역시 잘 매칭된다.
이상은 주로 장치의 내용이지만 다음에 조업방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 예열장치는 야간조업 개시 시에 아크식 용해로와 동시에 가동시킨다. 통전에 앞서서 조재재인 석회의 일부와 탄재를 레이들 저부에 장입한다. 통전에 의해 발열체가 급속하게 승온한다. 소정의 온도 예를 들면 2000℃로 유지되도록 전압을 제어한다. 레이들 내화물은 전일 조업의 잔열 약 200℃로부터 가열되고 동시에 석회도 가열된다. 석회로부터 C02 가스가 발생하고, 탄재와 반응해서 CO 가스로 개질되어, 환원성 분위기가 형성되어 흑연의 산화소모가 억제된다.
예열과 함께 내화물 표면온도는 상승하여 내부는 경사상의 분포가 된다. 발열체가 고온이기 때문에 내화물 표면온도는 약 10분에서 겉보기에 약 1500℃에 도달하지만 내부의 추종은 늦다. 이후는 출력을 가감하고, 그 온도를 유지한다. 경험적으로 표층온도가 1000℃ 이상이 되면 작업상의 부적당은 없어진다. 내화물 평균온도는 약 700℃가 된다. 표층온도가 약 1300℃부근이 되면 부착 슬래그의 일부가 용해해서 저부로 흘러내린다. 장입한 석회는 그 슬래그를 고착시켜 노즐이나 통기 플러그를 손상시키지 않는 기능도 갖는다. 수강 직전까지 통전하고, 정지 후 즉시 수강한다. 통전시간은 용해로와 거의 동일하며, 약 1 시간이다.
당해 예열시간에 있어서 종래이상으로 예열을 강화하면 수강 후의 용강의 냉각이 감소한다. 그 결과 출강온도를 내리는, 또는 수강 후의 재가열량을 적게 하는 것이 가능하게 된다.
예열 종료후 즉시 다음 레이들의 예열로 들어간다. 예열 도중에 첫회 레이들의 LF에 의한 재가열이 시작된다. 전원의 사용이 겹치지만, 적시 전환하거나, 병렬회로로 한 병행 가동을 실시한다.
내화물을 전면 갱신하였을 경우의 예열 작업방법은 이하가 된다. 야간대의 적시에 실시한다. 시공에 따른 수분을 건조시키고, 또한 급열에 의한 크랙을 방지하기 위해서 수 시간(예: 3시간) 서열한다. 그 사이 예열장치의 출력을 억제 또는 간헐 통전한다. 그 후 통상의 예열을 실시한다.
이어서, 이상에서 설명한 장치와 작업방법의 요점의 근거를 설명한다.
필요출력(P)을 산출하는 식(1)의 근거는 이하와 같다. 내화물 두께는 용량에 관계하지 않고 거의 동일 정도이기 때문에 예열해야 할 내화물량은 레이들 내 면적에 비례, 즉 용량의 2/3 제곱에 비례한다. 한편 처리시간(t)은 출력(P)에 반비례한다. 처리시간은 용해 사이클(t) 이내이다. 따라서 필요 출력은 식(1)의 구조가 된다. 비례계수의 하한값은 용량 30톤의 레이들에 있어서 버너로 수득되는 최대능률 이상을 기초로 결정하였다. 출력이 클수록 겉보기 표면온도는 1500℃에 빨리 도달해서 능률적으로 유리하지만, 전열의 율속이 내화물의 온도전도율(=열전도율/비열ㆍ밀도 ㎡/h)에 있어서, 출력이 그대로 능률 향상에는 결부되지 않는다. 상한값으로서 하한의 2배를 넘는 정도가 무난한 수준이다.
저항 발열체의 필요 표면적(A)을 산출하는 식(2)의 근거는 이하와 같다. 발열체의 출력(P)은 방사 전열량(P'(㎉/h))과 균형하고, 하기 스테판ㆍ볼츠만식에 의존한다.
P' = 4.9εA(θh4-θw4)×10-8
ε: 방사률, A: 표면적(㎡), θh: 발열체온도(K), θw: 벽면온도(K)
여기에서, θw=1200℃로 하고,
θh=200OK(T=1730℃)인 경우에는, P(㎾)≒50O×A
θh=230OK인 경우에는 P(㎾)≒1000×A가 된다.
이 사이는 직선적으로서 발열체온도와 출력과 표면적의 관계를 식(2)로 근사시켰다.
도 3에는 방사 전열량에 미치는 발열체온도와 벽면온도의 영향을 나타낸다.
제1발명에 있어서 발열체의 온도를 1600℃이상으로 특정한 이유는 화염으로는 얻기 어려운 온도이고, 또한 소정의 출력을 무리 없이 발현시키기 위해서이다.
가열효율 80% 이상의 근거에 대해서 설명한다. 소비열량은 유효분으로서 내화물로의 축열과 무효분으로서의 열손으로 나누어진다. 열손은 밀폐상이기 때문에 커버를 포함시켜 내화 단열벽을 관통하는 열류속(Q')과, 밀폐라고는 할 수 없는 통기분(Q'')과, 발열체 승온분(Qh)과, 커버 축열분(Qc)으로 이루어진다. Qh, Qc는 거의 정수이지만 Q', Q''는 예열시간에 비례해서 증가한다. 따라서 정성적으로는 출력이 작아 예열시간이 길어질수록(전면 갱신의 경우), 가열효율이 저하되는 것을 알 수 있다.
정량화에 대해서 시산한다. 관통 열류속(Q')은 철피 온도의 실측으로부터 산출되고, 30톤의 레이들에서는 3시간에서 약 70M㎈, Q''는 그 수분의 1, 발열체분( Qh)은 약 60M㎈, 커버 축열분(Qc)은 약 110M㎈이다. 열손 합계는 약 240M㎈이 된다. 대해서, 내화물의 필요 축열량은 약 140OM㎈이기 때문에 가열효율은 약 85%가 된다. 가열효율 80%는 충분 가능한 것임을 알 수 있다. 커버 내면의 표면적은 레이들 전체의 약 20%가 되기 때문에 단열성의 강화와 경량화는 중요하다.
예열 강화가 경제상 유리한 근거는 이하와 같다. 아크식 용해로의 승온 가열효율은 약 60%, 레이들 내 용강의 아크식 재가열에서는 약 40%, 본 발명의 레이들 예열은 약 80%이다. 용강의 직접 승온보다도 용기의 예열강화에 의한 냉각 저감 쪽이 유리하다.
다음에, 고온 예열의 야금효과의 정량적 뒷받침을 선행사례의 특허문헌 1에 따라 설명한다. 도 4는 레이들의 여러 종류의 예열온도에 대해서 수강 후의 용강의 냉각 거동을 나타낸다. 종래의 약 1000℃ 가열(비교예)에 대해서, 본 발명의 1250℃ 가열에 의해, 조재재를 『있음』의 경우(도면 중, 본 발명 3), 『없음』의 경우(도면 중, 본 발명 2), 양자 모두 그 후의 용강의 냉각은 저하된다. 도면 중, 본 발명 1의 1550℃로 예열할 수 있으면 계산상 용강의 냉각은 무시할 수 있다.
제3 발명에 있어서 표층온도를 용강 온도의 하방 300℃이상(약 1250℃이상)으로 특정한 이유는, 버너로는 소망 시간 내에 도달 곤란한 수준이며, 또한 고온예열의 효과가 발현하는 온도이기 때문이다.
이상으로부터 예열의 출력강화와 고온화는 내화물을 보다 고온으로 예열하고, 수강 후의 용강의 냉각을 낮추고, 전체에서 전력소비를 삭감한다. 예열강화에 의해 출강온도를 낮추고, 정련온도를 낮추는 것은, 레이들 정련의 주목적인 탈산에 대해서, 평형 산소량이 저하하고, 탈산이 진행되기 쉬어진다. 그 외에 내화물 용손에도 유리하다.
발열체에 대해서 검토한다. 흑연을 사용하는 경우, 문제는 저항율(Ωm)이 다른 화합물계 발열체에 비교해서 현격하게 작은 것이다. 그 때문에 소정의 출력을 얻기 위해서는 전류값을 극단적으로 크게 하거나, 발열체 단면적을 작게 해서 필요 저항값을 확보해야만 한다. 전류값이 10만 암페어 정도가 되면 설비 비용상 무리가 된다.
한편, 발열체 단면적을 작게 또한 길게 하는 방법은 전술한 필요 표면적에 반할뿐만 아니라, 강도ㆍ내구성이나 소모에 의한 교환빈도로부터도 바람직하지 못하다. 발열체를 박판상으로 하는 등은 내구면에서 부적절하다. 왜냐하면 수㎜의 산화소모에 의해 사용 불능이 된다.
발명자는 실용에 견디도록 발열체를 대구경 봉 형상으로 구성하고, 발열체 단면적(S)과 필요 표면적(A)이 매칭하는 조건을 여러 가지로 시산한 결과, 발열체를 도 2에 나타내는 구조로 하는 것에 의해서, 해결하였다. 즉 발열체(5)를 짝수 개 현수시켜서 필요 표면적을 확보하고, 각각을 3상 직렬 Y결선으로 하는 것에 의해 회로저항을 증가시키고, 전류값을 적성범위로 제어할 수 있었다.
발열체의 다른 구조예를 든다. 도 5의 A는 후판상의 발열체를 나타낸다. 흑연후판(22)에 경로가 반전하도록 간극(23)을 형성해서 전류 경로를 연장하고, 또한 단면적을 작게 해서 저항값을 증대시킨다. 발열체의 지지부(21)는 커버(7)에 현가 한다.
도 5의 B는 관상의 발열체를 나타낸다. 흑연관(22')에 나선형 간극(23')을 형성하고, 동일하게 실효길이를 크게 하고, 또한 단면적을 작게 한다. 관내에 동심 모양으로 배치한 전극봉이 귀로가 된다.
전원으로서 기설치된 레이들 정련용 아크 재가열장치를 전용할 때, 1대째의 레이들 예열작업은 정련 재가열 작업과 겹치지 않지만, 2대째는 첫회 출강분의 정련 시기와 겹친다. 그 대책은 이하와 같다. 능력 여유가 있어서 통전을 빈번하게 전환해서 대응한다. 또는 변환회로가 아니라 병렬부하로 한다. 한편, 예열 강화의 효과로서 재가열 자체의 부하ㆍ시간이 경감된다. 신설하는 경우에는 필요 최소 출력으로 설계한다.
( 실시예 )
용량 90톤의 레이들의 예열에 대해서 어떻게 적용한 것인지에 대해서 설명한다. 출력은 최소 1600㎾가 되지만 어느 정도 고온으로 예열하기 위해서 2200㎾로 한다. 발열체는 상용 1900℃로 하고, 필요 발열체 표면적은 3.3㎡가 된다. 발열체는 관상 1개로 하고, 실효길이는 내벽 높이의 약 60%인 2.4m로 하고, 직경(d)은 약 0.5m가 된다. 결선은 단상으로 한다. 저항값(μ=6×10-6으로 한다)은 약 0.04Ω, 필요전압은 약 300V, 필요전류는 약 7000A로 산출된다. 전압이 100?500V, 전류값(I)이 5?40㎄는 기설치된 재가열 장치(20㎹A)의 조정가능 범위에 있고, 상기 값은 매우 바람직한 정합성을 나타낸다. 실제로는 관상 발열체는 리액턴스가 발생하므로 약 3000㎸A로 하면 충분하다. 기설치된 3상에서 단상화는 당업자에게는 용이하다.
상기 설비를 사용해서 내화물을 전면 갱신하였을 경우의 1 예열방법의 예열의 진행을 도 6에 나타낸다. 약 15분에서 표면은 겉보기 1500℃에 도달한다. 이후는 그 온도를 유지하고, 약 3시간으로 예열이 되어 능률이 개선된다.
본원발명은 기존의 전로 또는 전로의 제강공장의 레이들 예열로 대체시킬 수 있다.
0: 가열장치 1: 제강용 레이들
2: 철피 3: 내화단열재
4: 내화물 5: 저항 발열체
6: 내화단열 커버 7: 발열체 기부
8: 전원접속부 9: 보온상자
10: 전원설비 11: 승강 선회기구
12: 기측 제어반 13: 배전 버스바
14: 회로전철기 15: 회로차단기
16: LF 전원변압기 17: 배전 케이블
18: LF 재가열장치 21: 지지부
22: 흑연후판 22': 흑연관
23: 간극 23': 나선형 간극

Claims (4)

  1. 직립하는 바닥면을 구비한 원통상의 제강용 레이들을 수강 전에 상방 개구부를 내화 단열성의 커버로 덮어서 예열하는 방법에 있어서,
    가열장치로서 커버에 형성한 저항 발열체를 내부공간에 배치해서 레이들 내화물 표면을 방사 가열할 때, 상기 가열장치의 출력(P(㎾))을 용해 사이클(t(h))과 레이들의 용량(W(t))에 대해서 하기 식(1)에 의거하여 설정하고, 상기 발열체의 표면적(A(㎡))을 상기 발열체의 온도(T(℃))에 대해서 하기 식(2)에 의거하여 설정하는 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열방법.
    P ≥ (130±50)/t×W2 /3 (1)
    A ≥ P/(1.7T-2400) (2)
    단, 상기 온도(T)는 1600℃이상으로 한다.
  2. 제 1 항에 있어서, 저항 발열체의 재질을 흑연으로 하고, 커버에 의한 덮개를 밀폐상으로 하고, 내부를 비산화성 또는 환원성 분위기로 하는 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 레이들 내화물 표면온도를 용강온도 이하로, 또한 용강온도의 하방 300℃이내로 가열하는 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열방법.
  4. 직립하는 바닥면을 구비한 원통상의 제강용 레이들을 수강 전에 상방 개구부를 내화 단열성의 커버로 덮어서 예열하는 장치에 있어서,
    예열장치가,
    상기 커버에 형성한 저항 발열체를 상기 레이들의 내부공간에 배치해서 레이들 내화물 표면을 방사 가열하는 가열장치와, 레이들 정련시의 재가열용으로 기설치되어 있는 아크 가열장치의 전원을 병용한 상기 가열장치의 전원으로 이루어지고, 추가로 제 1 항에 기재된 방법을 적용한 것을 특징으로 하는 제강용 레이들의 예열장치.
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