KR20120137497A - 야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치 - Google Patents

야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 취입 장치는, 취입 헤드(5)로 가스, 특히 산소를 공급하기 위한 공급 라인(5b)을 구비한 취입 헤드(5)와, 가스를 안내하는 유입 섹션(2) 및 배출 섹션(3)을 구비하여 취입 헤드(5)에 배치되는 하나 이상의 라발 노즐(1)을 포함하고, 가스는 공급 라인(5b)을 통해 유입 섹션(2)으로 공급되어 초음파 속도로 배출 섹션(3)에서 배출되고, 라발 노즐(1)은 하나 이상의 제1 노즐부(2, 3)와 제2 노즐부(7)를 포함하며, 노즐부(2, 3, 7)들은 라발 노즐(1)의 기하구조가 변경되는 조건에서 서로 상대적으로 조정될 수 있다.

Description

야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치{DEVICE FOR INJECTING GAS INTO A METALLURGICAL VESSEL}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따라 야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치에 관한 것이다.
강재 제조를 위한 수많은 방법에서, 예컨대 순산소 전로 방법("BOF"), 또는 아르곤-산소 탈탄 방법("AOD")에서, 예컨대 산소와 같은 가스를 정의된 간격으로부터 금속 용융물 상에 취입하기 위해 랜스를 상부로부터 야금 용기 또는 전로 내로 이동시킨다. 랜스들은 대개 복수의 배출 노즐을 구비한 취입 헤드들을 포함하며, 배출 노즐들로부터는 진동하는 취입 함몰부(blowing depression)를 생성하기 위해 가스가 초음파 속도로 금속 용융물 상으로 배출된다. 상기 랜스들과 취입 헤드들은 제한되는 수명을 가지며, 노즐들의 마모는 특히 전로 내에서 고온의 반응성 환경과 노즐 가장자리들의 접촉 및/또는 압축 충격에 의해 이루어진다.
본 발명의 목적은, 야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치에 있어서, 자체의 유효 수명이 향상되는 상기 취입 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적은 최초에 언급한 장치에 대해 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징부 특징들로 달성된다. 라발 노즐(Laval nozzle)의 기하구조가 변경되는 조건에서 이루어지는 노즐부들의 조정성을 통해서는, 작동 중에 예컨대 노즐 유입 압력(inlet pressure), 가스 체적 유량 또는 노즐 배출구 이후의 배압(back pressure)과 같이 변하는 파라미터에 대한 적합한 조정이 달성될 수 있다. 그럼으로써 라발 노즐의 작동은 항상 최적의 작동점에서 이루어지며, 그럼으로써 배출구 영역에서, 또는 그 이후에 가스 흐름의 교란이 적어도 감소하게 된다.
본 발명의 의미에서 취입 헤드는 특히 랜스의 단부에서의 구조부를 의미한다. 이 경우 랜스는, 야금 용기 내에 위치하는 금속 용융물에 가스, 특히 산소를 유동 공급하기 위해, 야금 용기 내로 인입될 수 있다. 여기서 용기는 바람직하게는 예컨대 강재 제조를 위한 전로이다. 그러나 상기 용기는 기본적으로 예컨대 아크로("EAF", 전기 아크로)에서 스크랩을 용융하기 위한 것과 같은 또 다른 용기일 수도 있다. 취입 헤드는 각각의 적용 또는 요건에 따라 하나의 라발 노즐뿐 아니라 복수의 라발 노즐도 포함할 수 있다. 취입 헤드는 특히 다음과 같은 야금 장치의 용도로 이용될 수 있다: BOF 및 AOD 전로, 전기 아크로(EAF)를 위한 버너 및 인젝터 노즐, 환원로를 위한 버너 및 인젝터 노즐, 진공 처리 시스템(VOD, RH)을 위한 노즐.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 기하 구조의 변경은 유입 섹션(inlet section)과 배출 섹션(outlet section) 사이의 최소 통로 횡단면의 변경을 포함한다. 라발 노즐의 최소 통로 횡단면은 라발 노즐의 설계를 위한 실질적인 파라미터들 중 하나이며, 간단하게 영향을 받을 수 있다.
일반적으로 바람직하게는 제1 노즐부는 채널 축을 중심으로 회전 대칭인 채널로서 형성되고, 제2 노즐부는 채널 축을 따라 채널 내로 돌출되는 맨드릴 부재로서 형성된다. 그럼으로써 노즐 기하구조는 간단한 방식으로 맨드릴의 변위에 의해 영향을 받을 수 있다. 특히 바람직한 개선 실시예에 따라, 맨드릴 부재는 가늘어지는 첨단부(peak)를 구비하며, 이 경우 가늘어지는 첨단부는 채널의 최소 통로 횡단면의 영역 내로 연장된다. 이처럼, 라발 노즐의 최소 통로 횡단면은, 채널 축에 대해 평행하게 맨드릴 부재가 변위되는 것을 통해 특히 간단하면서도 정확하게 변경될 수 있다. 더욱이, 가늘어지는, 예컨대 원추형으로 형성되는 맨드릴 부재의 첨단부는 가스 흐름 내 난류의 생성이 감소되도록 형성될 수 있다.
바람직한 개선 실시예에 따라, 맨드릴 부재는 노즐 기하구조의 정의된 조정을 가능하게 하기 위해, 조정 구동장치를 통해 채널 축을 따라 변위될 수 있다. 이때 가능한 개선 실시예의 경우, 조정 구동장치는 유압식 또는 공압식 액추에이터를 포함한다. 대체되거나 보완되는 개선 실시예의 경우, 조정 구동장치는 전기식 구동부를 포함하며, 이 전기식 구동부는, 바람직하지만, 필요하지 않은 상세 설계(detailed design)에서 취입 헤드의 영역에 전기 에너지 어큐뮬레이터를 포함한다. 상기 에너지 어큐뮬레이터를 통해서는 종종 매우 긴 랜스를 통해 안내되는 조정 구동장치의 공급 라인들이 완전하게, 또는 부분적으로 제외될 수 있다.
일반적으로 바람직하게는 취입 헤드의 영역에는 전기식 압력 센서가 배치되며, 그럼으로써 가스의 압력이 예컨대 전기 신호로서 전자 제어 장치로 전송될 수 있다. 그런 다음 가스 압력의 변화에 따라 라발 노즐의 기하구조가 노즐부들의 조정을 통해 재구성될 수 있다.
본 발명의 대체되는 실시예에 따라, 조정 구동장치는 가스의 압력에 의해 작동되는 기계장치를 포함한다. 이 경우 바람직하지만, 필요하지는 않은 방식으로, 조정 구동장치의 공급 라인들이 제외될 수 있다.
일반적으로 바람직한 본 발명의 상세 설계에 따라, 조정 구동장치는 탈착 가능하게 취입 헤드에 고정될 수 있다. 그럼으로써 조정 구동장치는 수회 이용될 수 있으며, 이때 취입 헤드는 마모 부품으로서 고려된다. 특히 본 발명에 따른 조정 구동장치는, 경우에 따라 종래의 취입 헤드들의 대응하는 재가공 후에 상기 종래의 취입 헤드들에서 이용할 수 있도록 구성될 수 있다.
일반적으로 바람직한 본 발명의 실시예에 따라, 취입 헤드에는 복수의 라발 노즐이 배치되며, 이들 라발 노즐은 각각 조정 가능한 제2 노즐부들을 포함한다. 이 경우 특히 바람직한 개선 실시예에 따라, 라발 노즐들 중 다수 또는 모든 라발 노즐의 이동식 노즐부들, 예컨대 맨드릴 부재들은 동일한 조정 구동장치에 의해 동시에 조정될 수 있다.
본 발명의 추가의 장점들과 특징들은 하기에서 설명되는 실시예들뿐 아니라, 종속 청구항들로부터 제시된다.
하기에는 본 발명의 다수의 바람직한 실시예가 기재되며 첨부된 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명에 의하면, 야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치에 있어서, 자체의 유효 수명이 향상되는 상기 취입 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 라발 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제1 실시예의 라발 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제2 실시예의 취입 헤드를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 장치의 조정 구동장치를 앞쪽에서부터 도시한 입체도이다.
도 4a는 도 3의 장치의 조정 구동장치를 뒤쪽에서부터 도시한 입체도이다.
도 5는 제1 작동 상태에서 본 발명에 따른 장치의 제3 실시예의 취입 헤드를 도시한 단면도이다.
도 6은 제2 작동 상태에서 도 5의 취입 헤드를 도시한 단면도이다.
도 7은 적합하게 조정되는 라발 노즐 흐름에 대한 종횡비(Ae/A*) 또는 배출구 마하수(Mae)와 압력비(P0/pu) 사이의 원칙적인 연결성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 a) 설계 상태, b) 아임계 상태, c) 초임계 상태에서 각각 라발 노즐의 내부 및 그 외부에서 나타나는 정량적 흐름 구조를 도시한 개략도이다. 이 경우 라발 노즐은 Tu = 1650℃의 고온 환경으로 유입되는 산소로 작동된다.
야금 용기는 바람직하게는 강재 또는 특수강을 제조하기 위한 전로(BOF - 순산소 전로; AOD - 아르곤-산소 탈탄)이다. 그러나 상기 야금 용기는 기본적으로 예컨대 스크랩을 용융하기 위한 전기 아크로(EAF - 전기 아크로)와 같은 또 다른 야금 용기일 수도 있다.
강재 제조를 위한 수많은 방법, 예컨대 BOF 방법에서, 정의된 간격으로부터 가스, 대개는 산소를 금속 용융물 상으로 취입하기 위해, 취입 랜스(단축어: 랜스)를 상부로부터 야금 용기 내로, 예컨대 전로 내로 이동시킨다. 취입 헤드에는 소정의 각도로 배치되는 복수의 라발 노즐이 위치하며, 이들 라발 노즐은 산소를 초음파 속도로 가속화시킨다. 취입 헤드는 구리로 주조 또는 단조 성형되고, 약 20m 길이의 랜스에 용접 고정된다. 랜스와 취입 헤드는 고압 조건에서 순환하는 물에 의해 냉각되며, 이때 물공급은 랜스 내부에서 환형 채널을 통해 이루어지고, 물 회수는 랜스 외부에서 환형 채널을 통해 이루어진다.
산소는 약 2배의 음속 및 높은 펄스 조건에서 취입 헤드의 노즐들로부터 배출되고, 약 1.4m(이는 특히 노즐 입사 각도에 따라 용융조에서 위쪽으로 이격된 취입 랜스의 최소 작업 위치에 상응한다) 내지 3.5m(이는 취입 개시 시점에만 스크랩 상에 취입 랜스가 접촉하는 것을 방지할 목적으로 설정되는 위치로서, 용융조에서 위쪽으로 이격된 최대 랜스 위치이다) 이후에 용융물에 도달하고, 진동하는 취입 함몰부를 생성하여, 다음 식과 같은 목표하는 탈탄 반응이 이루어지게끔 한다:
Figure pct00001
확대 노즐부 내 팽창을 통해 산소는 노즐 배출구까지 약 -100℃로 냉각되며, 그럼으로써 노즐은 물의 측에서뿐만 아니라 가스의 측에서도 집중적으로 냉각된다.
라발 노즐은 가늘어지는, 이른바 축소형 유입 영역과, 확장되는, 이른바 확대형 배출 영역으로 구성된다. 이런 경우 대개는 초음파 노즐이나 라발 노즐 대신에 축소-확대 노즐(CD 노즐) 개념을 자주 사용한다. 가스는 축소부 내에서 가속화되고 축소 횡단면과 확대 횡단면 사이의 최협폭 횡단면(노즐목, throat) 내 대응하는 압력비를 위해 최초로 음속에 도달하고, 확대부에서는 초음파 속도로 팽창한다. 노즐의 유입구 내 흐름 기술 관련 변수들은 지수 "0"으로 표시되고, 최협폭 횡단면에서는 "*"로 표시되며, 배출구에서는 "e"로 표시된다. 흐름 방향에서 노즐의 후방에는 고온의 환경이 위치하며, 그 지수는 "u"이다.
각각의 라발 노즐은 하기와 같이 지정된 흐름 기술 관련 설계 변수들과 관련하여,
1. 산소 체적 유량(
Figure pct00002
),
2. 라발 노즐 내 산소의 유입 압력(p0),
3. 전로 또는 야금 용기 내 정적 배압(pu),
노즐이 최적으로 작동하는 단일의 작동점(설계점)을 위해서만 설계된다. 취입 헤드 내 모든 노즐이 정확하게 설계점에서 작동되고 산소 제트가 노즐 배출구까지 노즐 벽부에 접촉하고 냉각수 공급이 유지되며 취입 헤드의 스컬 형성(skull formation)이 존재하지 않으면, 결과적으로 노즐 마모는 최소가 된다. 이런 경우에 최대 800회의 용융에 이르는 취입 랜스의 유효 수명이 달성될 수 있다. 그렇지 않으면, 취입 헤드들의 수명은 제한되고, 이 경우 특히 전로 내 고온의 반응성 환경과 노즐 가장자리의 접촉 및/또는 압축 충격에 의해 노즐들의 마모가 이루어진다.
마모 메커니즘은 하기에서 논의된다.
일상적인 제강 작동 모드에서 흐름 기술 관련 설계 변수들(
Figure pct00003
, p0 및 pu)은 종종 예측하지 못한 공정 이벤트(전로 개구부로부터 강과 슬래브의 배출, 산소 공급망 내 압력 변동, 주요 취입 단계 동안 저온 광석의 첨가)와 실제의 공정 이벤트(취입 작동 동안 서브랜스를 이용한 샘플 채취)에 반응할 수 있도록 하기 위해 자주 가변되어야 한다. 그럼으로써 노즐 흐름은 다소 긴 시간 기간 동안 이상적인 설계 상태와 상이해진다. 노즐의 내부와 그 외부에는 복잡한 교란 패턴(다이아몬 드 패턴)이 노즐 테두리의 마모를 초래하는 압축 충격 및 팽창파의 형태로 형성된다.
도 8에는 산소 제트 내 흐름 구조에 대한 압력비(p0/pu)의 영향이 도시되어 있다.
일반적으로, 배출 압력(pe)이 주변 압력(pu)과 동일하면, 노즐이 적합하게 형성된 것으로서 지칭한다.
도 8a에서는 등엔트로피선의 흐름 필라멘트 이론에 상응하게 최협폭 횡단면과 유입구 사이의 압력비가 소정의 값을 취하며, 산소에 대해서는 p*/p0 = 0.528이 제시된다. 유사한 진술 사항은 온도비 및 밀도비에도 적용된다. 초음파 제트의 길이는 최대이고 산소 제트는 지정된 노즐 기하구조에 대해 최대의 펄스 조건으로 용강에 부딪힌다.
일반적으로 배출구 횡단면 내 압력(pe)이 주변 압력(pu)(이는 전로 내 정적 압력임)과 상이하다면, 노즐은 적합하게 형성되지 않은 것으로서 지칭한다. 노즐 팁 압력이 흐름에 조절 영향을 미치기 때문에, 노즐 팁에서의 압력이 일정한 경우 항상 발생하는 저음파 제트와 다르게, 초음파 제트는 일정 압력과 임의의 강력한 부압 쪽을 향해서뿐만 아니라 소정의 정도까지는 초과 압력 쪽으로도 방출될 수 있다.
pe > pu라면(도 8b의 과소 팽창 참조), 이는 배출구 횡단면 후방에서 재팽창을 요구한다. 노즐 배출구 테두리에서는 팽창파(expansion wave)가 발생하고 제트는 노즐의 외부에서 확대된다. 팽창 구획들의 교차 파동은 자유 제트 경계면에서 압축파로서 반사된다. 제트 코어 내에서 흐름 방향에서 팽창파 후방의 압력은 주변 압력보다 더욱 낮고(p < pu), 흐름 방향에서 압축파 후방의 압력은 주변 압력보다 높다(p < pu). 팽창과 압축의 주기적인 상호 작용은 초음파 속도에 도달할 때까지 계속된다.
pe < pu라면(도 8c의 과대 팽창 참조), 시스템은 노즐의 배출구 테두리부터 경사진 압축 충격(충격파; shock wave)을 기초로 한다. 압축 충격은 변수들, 즉 압력(p), 온도(T), 밀도(ρ), 엔트로피(s), 마하수(Ma) 및 흐름 속도(u)의 불연속적인 변화와 결부된다. 요컨대 p, T, ρ 및 s가 증가하는 동안, Ma와 u는 하강한다. 수직의 압축 충격 후방에는 항상 초음파 속도가 존재한다. 자유 제트는 수축되고 제트 중심 내 압력은 흐름 방향의 후방에서 배압(back pressure) 이상의 값으로 상승한다. 압축파는 가스 제트의 자유 제트 가장자리에서 팽창파로서 반사되고, 제트 내 정적 압력은 감소한다. 이와 같은 과정은, 제트 가장자리에서 성장하는 혼합 구역들이 흐름장(flow fied)을 통제하고 초음파 제트가 저음파 제트로 전환될 때까지 주기적으로 반복된다.
경사진 압축 충격의 결과로서 노즐 배출구에서는 흐름이 분리되는 불균일한 불연속 위치가 형성된다. 여기서 국소 재순환 영역이 생성된다. 이제는 실제 배출구 횡단면이 노즐 안쪽에 위치하고 기하구조의 배출구 횡단면의 배출 압력(pe)에 더 이상 적합하지 않게 된다. 배출 면적은 분리 테두리의 위치에 의해 결정된다. 그 결과로서 고온의 프로세스 가스가 전로로부터 재순환 영역을 통해 노즐 내로, 그리고 구리 벽부에 도달할 수 있다. 냉각 효과는 감소되고 국소 마모는 증가된다. 마모가 확산 배출구의 소정의 위치에서 맨 처음 개시됐다면, 상기 위치는 추가의 전로 작동에서 전로 가스에 의해 특히 집중적으로 가압된다. 구리는 지속적으로 확대되는 재순환 영역으로 인해 점점더 마모된다. 또한, 물 침투의 위험도 증가한다.
과소 팽창 노즐들(pe > pu)이 마모와 관련하여 아임계 상태인 반면에, 과대 팽창 노즐들(pe < pu)의 경우, 다시 말하면 낮은 노즐 유입 압력 쪽으로 함께 이동되는 그런 랜스들의 경우 수명은 팽창하는 산소에 의한 부족한 냉각 효과로 인해 매우 빠르게 감소된다. 이런 경우 국소 압력은 압축 충격을 통해서만 주변 압력으로 상승될 수 있다. 이런 경우 pu 또는 po가 가변하는지의 여부는 중요하지 않은데, 그 이유는 이런 경우 설계 상태의 서로 적합하게 조정된 값들(p*/p0 및 A*/Ae)이 변경되기 때문이다.
이런 배경에서, 본 발명의 목적은, 야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 장치에 있어서, 장치의 유효 수명이 분명하게 향상되는 상기 취입 장치를 제공하는 것에 있다. 상기 취입 장치는, 지배적인 흐름 조건들에 적합하게 조정되고 교란이 없으면서 그에 따라 마모가 최소화된 노즐 흐름을 생성하며, 그와 동시에 재현 가능하기 때문에 향상된 야금 작동 조건도 제공한다.
라발 노즐의 기하구조에 대한 본 발명에 따른 조정성을 통해 노즐 윤곽은 가스 체적 유량(
Figure pct00004
), 라발 노즐 내 가스 유입 압력(p0), 또는 전로 내 정적 배압(pu)과 같은 변하는 흐름 조건들에 적합하게 형성될 수 있다. 그럼으로써 라발 노즐의 작동은 항상 최적의 작동점에서 이루어지며, 그럼으로써 배출 영역 내, 또는 그 후방에서 가스 흐름의 교란은 방지되거나 적어도 감소된다.
라발 노즐의 설계는, 노즐 배출구에서 흐름 내 교란이 존재하지 않는, 다시 말하면 재압축 또는 재팽창이 존재하지 않는 설계 상태(공칭 작동 상태)를 위해 이루어진다. 이런 경우 노즐 제트 내 압력은 주변 압력과 동일하다.
도 1에는 축소 유입 영역(2)과 확대 배출 영역(3)을 포함하는 일반적인 종래의 라발 노즐(1)이 도시되어 있다. 라발 노즐(1)은 축(S)을 중심으로 회전 대칭인 채널로서 형성되며, 이런 채널은 축소부(2)와 확대부(3) 사이에 최소의 횡단면 면적(A*)을 갖는 최협폭 횡단면(4)의 영역을 포함한다. 확대부(3)의 단부에서 노즐은 Ae > A* 조건이 적용되는 횡단면 면적(Ae)을 갖는다.
정적 압력(p0) 및 정적 온도(T0)를 보유하는 축소부 내로 체적 유량(
Figure pct00005
)으로 유입되는 가스, 예컨대 산소는 라발 노즐 내에서 공지된 방식으로 관류하고, 초음파 속도(마하수 Ma > 1)로 배출 영역에서 배출구 측의 주변 압력(pu)의 영역 내로 배출된다. 적합하게 형성된 노즐의 경우 면적비(A*/Ae)는 압력비(pu/p0)의 함수이며, 상기 연결성은 준 1차원(quasi-one-dimensional)의 등엔트로피선 노즐 흐름이 가정된 조건에서 하기의 식과 같이 표현된다.
Figure pct00006
압력비를 마하수로 치환하면, 하기의 식이 구해진다.
Figure pct00007
위의 식에서, γ는 등엔트로피 압축 지수이며, 산소에 대해 약 1.4이다.
등온 상태 방정식을 고려하면, 노즐을 관류하는 질량 유량에 대해 하기의 식을 얻게 된다.
Figure pct00008
위의 식에서 ρN은 표준 밀도이고,
Figure pct00009
은 표준 가스 체적 유량이다. 방정식 (3)은 정적 압력(p0)에 대한 질량 유량(
Figure pct00010
)의 의존성을 설명하고 있다. 정적 온도(T0), 노즐목 횡단면(A*), 및 주변 압력(pu)에 대한 값들이 일정한 경우 정적 압력(p0)이 감소함에 따라 질량 유량(
Figure pct00011
)도 감소하며, 다시 말해 이런 경우 노즐은 더 이상 설계 상태에서 작동하지 않는다.
도 7에는 상기 연결성이 압력비(p0/pu)에 따라 도시되어 있다. 정적 압력(p0)이 감소하면, 주변 압력(pu)이 일정한 경우 압력비(p0/pu)도 감소한다. 또한, 노즐이 적합하게 형성된 모드에서 작동되어야 한다면, 면적비(Ae/A*)는 감소되어야만 한다. 정적 압력(p0)이 설계 값 이상으로 상승하는 경우 면적비(Ae/A*)도 그에 상응하게 상승한다. 이는 본 발명에서 최협폭 횡단면(A*) 내로 맨드릴을 인입하는 것을 통해 이루어진다.
도 2에 따라 가능한 본 발명의 제1 구현예의 경우, 라발 노즐(1)은 전체적으로 취입 헤드(5) 내에 배치되고, 가스는 공급 라인(6)을 통해 유입 영역(2)으로 공급된다. 취입 헤드는 랜스의 단부에 안착되며(미도시), 랜스는 야금 용기(미도시) 내로, 특히 강재 제조를 위한 전로(BOF/AOD) 내로 인입될 수 있다.
도 2에 도시된 노즐(1)은 유입 영역(2)과 배출 영역(3)으로 형성되는 채널을 구비하는 제1 노즐부를 포함한다.
제2 노즐부(7)는 원추형으로 가늘어지는 첨단부(7a)를 구비한 원통형으로서 형성되어 축(S) 상에 회전 대칭형으로 배치되는 맨드릴 부재로서 형성된다. 맨드릴 부재(7)는 축(S)을 따라 제1 노즐부(2, 3)들에 대해 상대적으로 이동될 수 있으며, 이때 맨드릴 부재(7)의 각각의 위치에 따라 첨단부(7a)는 최소 통로 횡단면(4)의 영역 안쪽으로 다소 멀리 돌출된다. 그에 상응하게 최소 통로 횡단면의 면적(A*)은 맨드릴 부재(7)의 위치를 통해 변경될 수 있으며, 그럼으로써 라발 노즐의 기하구조가 목표한 바대로 조정될 수 있게 된다. 그러므로 방정식 (1) 및 (2)에 따라 예컨대 유입구 측의 가스 압력(p0)과 같은 외부 파라미터의 변경에 대해 노즐 기하구조의 적합한 형성을 통해 대응할 수 있다.
도 3에는, 도 2에 개략적으로 도시된 본 발명에 따른 장치의 기본 원리가 몇몇 구조적인 상세 설계를 나타내는, 본 발명의 추가의 실시예가 도시되어 있다.
도시되어 있는 대상은 전로에서 산소 취입을 위해 랜스들(미도시)의 첨단부에서 이용되는 것과 같은 실질적으로 종래의 취입 헤드(5)이다. 특히 이는 강재 제조를 위한 통상적인 BOF 및 AOD 방법에 관한 것이다. 취입 헤드(5)는 공지된 방식으로 냉각수로 관류되는 측면 냉각제 채널(5a)들을 포함한다. 랜스를 통한 가스 공급은 가스 채널(5b) 내에서 이루어진다.
취입 헤드(5)의 괴상 단부 영역(5c)에는 본 발명의 의미에서 복수의 라발 노즐(1) 또는 노즐부가 통합되어 있다. 본 실시예에서는 상호 간에 동일한 각도 간격으로, 그리고 취입 헤드의 중심축에 대해 소정의 기울기로 바깥쪽으로 향해 있는 5개의 라발 노즐(1)이 제공된다.
취입 헤드의 중심 영역(5d)에는 조정 구동장치(8)가 예컨대 그러브 나사들(grub screw)(미도시)에 의해 탈착 가능하게 고정된다. 본 실시예에서 조정 구동장치(8)는 원통형 하우징(9)과, 취입 헤드의 중심축에 대해 평행하게 이동될 수 있는 스트럿(10)과, 전기식 구동부(11)를 포함한다.
스트럿(10)은 예컨대 전기식 구동부(11)에 의해 미세 피치 나사산(10a)을 통해 포지셔닝 될 수 있다. 스트럿에는 5개의 링키지(12)가 장착되며, 이들 링키지는 자체의 또 다른 단부에서 각각 5개의 맨드릴 부재(7) 중 하나의 맨드릴 부재에 관절식으로 연결된다. 맨드릴 부재(7)들 각각은 하우징(9)에 암(13a)을 통해 고정되는 선형 가이드(13) 내에서 활주 방식으로 안내되며, 자체의 첨단부(7a)로 5개의 라발 노즐(1) 중 하나의 라발 노즐 내로 통해 있다. 이 경우 가이드(13)들은 채널형 제1 노즐부(2, 3)들의 각각의 대칭축 상에서 맨드릴 부재(7)들을 각각 중심으로 안내한다.
스트럿(10)의 조정을 통해서는, 모든 맨드릴 부재 또는 제2 노즐부(7)가 동시에 제1 노즐부(2, 3)들 내로 약간 인입되며, 그럼으로써 모든 라발 노즐은 구동 유닛(11)에 의해서만 재구성된다.
또한, 조정 구동장치(8)의 영역에는 전자식 압력 센서(14)가 배치되며, 이 압력 센서를 통해서 배출구 측 가스 제트의 최적화를 위해 노즐 기하구조를 재구성하기 위해, 라발 노즐(1)들의 순간 유입구 측 압력이 측정될 수 있다.
조정 구동장치에 전기를 공급하고 그 조정 구동장치를 제어하는 것과 관련해서는 적합한 접근법이 다양하게 있다. 예컨대 전기식 구동부(11) 및/또는 압력 센서(14)와 연결하기 위한 공급 및/또는 신호 라인들이 랜스를 통해 취입 헤드(5)에까지 이어질 수 있다. 또한, 특히 바람직하게는 취입 헤드 내에는, 전동기(11b) 및/또는 전자 제어장치(11c) 및/또는 센서(14)에 에너지를 공급하는 전기 에너지 어큐뮬레이터(11a)가 제공될 수도 있다. 그럼으로써 완전하게, 또는 부분적으로 공급 라인들을 제외할 수 있다. 특히 하기의 변형예들이 가능하지만, 그 외에 또 다른 변형예들도 생각해볼 수 있다.
- 경우에 따라 에너지 어큐뮬레이터(11a)로부터 전기를 공급받는 전기식 압력 센서(14)는 직접 구동 유닛(11)을 폐루프 제어한다. 이를 위해 취입 헤드 내에는 대응하는 전자 제어장치(11c)가 제공될 수 있다.
- 경우에 따라 에너지 어큐뮬레이터로부터 전기를 공급받는 전기식 압력 센서(14)는 압력 신호를 외부로 전송한다. 그런 다음 구동 유닛의 폐루프 제어는 외부 제어 컴퓨터를 통해 무선으로 이루어진다.
- 압력은 랜스의 내부에 장착되는 얇은 강재 튜브를 통해 검출되어 랜스 캐리지에서 차압 트랜스듀서로 측정된다. 그에 따른 신호는 바람직하게는 무선으로 제어 컴퓨터로 전달되고, 이 제어 컴퓨터는 다시 구동 유닛을 개루프 제어한다.
조정 구동장치(8)는 본 실시예의 경우 맨드릴 부재(7)들 및 하우징(9)과 함께 취입 헤드(5) 내로 삽입될 수 있거나, 상기 취입 헤드로부터 탈거될 수 있다. 이는 특히 종래의 취입 헤드들과의 조합을 가능하게 한다. 이 경우 경우에 따라, 반드시 필요하지는 않지만, 종래의 취입 헤드들의 재가공, 예컨대 조정 구동장치를 위한 중앙 수용 영역의 보링이 요구될 수 있다.
취입 헤드의 교환 시에 바람직하게는 모든 라인은 (전기식, 또는 또 다른 실시예의 경우 공압식 또는 유압식으로) 커넥터 또는 커플링에 의해 결합 및 분리된다.
개별 맨드릴 부재들 또는 제2 노즐부(7)들은 마모 부품으로서 교환 가능하게 조정 구동장치(8)와 연결된다.
도 4 및 도 4a에는 재사용이 가능한 컵 모양의 인서트가 도시되어 있다.
도 5 및 도 6에는, 취입 헤드(5)가, 도 3에 따른 실례에서와 마찬가지로, 자체 내부에서 선형으로 조정 가능한 제2 노즐부들 또는 맨드릴 부재(7)들을 구비한 5개의 제1 노즐부(2, 3)를 포함하는, 추가의 실시예가 도시되어 있다.
전술한 실시예와 다르게 맨드릴 부재(7)들은 구동장치 측에서 각각, 자체 내부에 제공되는 홈붙이 링크(15a)(slotted link)를 구비한 공동의 가이드 암(15)과 연결된다. 취입 헤드(5)의 중심축을 따라 가이드 암(15)이 변위되면, 그에 상응하게 맨드릴 부재(7)들도 자체의 가이드(13)들 내에서 변위되며, 가이드 암(15)에서 맨드릴 부재들의 피벗 점은 홈붙이 링크(15a) 내에서 이동한다. 가이드 암(15)은 자체의 측에서 압력 셀(16)과 연결되며, 이 압력 셀은 취입 헤드 내에 인가되는 각각의 압력에 따라 팽창되거나 수축된다. 압력 셀은 예컨대 내부에 제공되는 압축 스프링(17)을 포함하는 금속 소재의 벨로우즈로서 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 작동 상태에서 압력 셀은 최대한 압축된다. 다시 말하면 취입 헤드 내에는 "최대 유입 압력(p0)"이 인가되며, 이 최대 유입 압력은 압력 셀(16) 내에 포함된 체적에 작용한다. 그에 따라 맨드릴 부재(7)들은 최대한 제1 노즐부(2, 3, 4)들 안쪽으로 인입된다.
도 6에 도시된 작동 상태에서 압력 셀은 최대한 팽창된다. 다시 말하면 취입 헤드 내에는 "최소 유입 압력"이 인가되며, 이 최소 유입 압력은 압력 셀(16) 내에 포함된 체적에 작용한다. 그에 따라 맨드릴 부재(7)들은 최대한 제1 노즐부(2, 3, 4)들로부터 인출되면서 최협폭 노즐 횡단면의 최대 확대를 실현한다.
상기 구현예를 통해 조정 구동장치(8)는 취입 헤드의 작동 압력(p0)에 의해, 다시 말하면 원칙적으로 공압식으로 구동되는 기계장치(15, 16)를 포함하며, 이 기계장치에 의해서는 노즐 기하구조의 조정이 독자적으로 이루어질 수 있다. 상기 해결방법의 경우 특히 취입 헤드(5)로 이어지는 개루프 제어 및 공급 라인들이 제외될 수 있다. 또한, 각각의 요건에 따라, 취입 헤드 내 전자장치의 장착도 제외할 수 있다.
자명한 사실로서, 다양한 실시예의 개별 특징들은 각각의 요건에 따라 적당하게 상호 간에 조합될 수 있다.

Claims (12)

  1. 취입 헤드(5)로 가스, 특히 산소를 공급하기 위한 공급 라인(5b)을 구비한 취입 헤드(5)와,
    가스를 안내하는 유입 섹션(2)과 배출 섹션(3)을 구비하여 상기 취입 헤드(5)에 배치되는 하나 이상의 라발 노즐(1)을 포함하여,
    야금 용기 내로 가스를 취입하기 위한 취입 장치로서,
    가스가 상기 공급 라인(5b)을 통해 상기 유입 섹션(2)으로 공급되고 초음파 속도로 상기 배출 섹션(3)에서 배출되는, 상기 취입 장치에 있어서,
    상기 라발 노즐(1)은 하나 이상의 제1 노즐부(2, 3)와 제2 노즐부(7)를 포함하고, 상기 노즐부(2, 3, 7)들은 상기 라발 노즐(1)의 기하구조가 변경되는 조건에서 서로 상대적으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  2. 제1항에 있어서, 기하구조의 변경은 상기 유입 섹션(2)과 상기 배출 섹션(3, Ae) 사이의 최소 통로 횡단면(4, A*)의 변경을 포함하는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 노즐부(2, 3)는 채널 축(S)을 중심으로 회전 대칭인 채널로서 형성되고, 상기 제2 노즐부(7)는 채널 축(S)을 따라 채널 내로 돌출된 맨드릴 부재(7)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 맨드릴 부재(7)는 가늘어지는 첨단부(7a)를 포함하고, 이 가늘어지는 첨단부(7a)는 채널의 최소 통로 횡단면(4, A*)의 영역 내로까지 연장되는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 맨드릴 부재(7)는 조정 구동장치(8)를 통해 상기 채널 축(S)을 따라 변위될 수 있는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조정 구동장치(8)는 유압식 또는 공압식 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 조정 구동장치(8)는 전기식 구동부(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  8. 제7항에 있어서, 전기 에너지 어큐뮬레이터가 취입 헤드(5)의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 취입 헤드(5)의 영역에 전기식 압력 센서(14)가 배치되는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 조정 구동장치(8)는 가스의 압력에 의해 작동되는 바람직하게는 스프링-압력 챔버 시스템(15, 16)내에 기계장치를 포함하고, 특히 상기 조정 구동장치(8)는 공급 라인을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조정 구동장치(8)는 탈착 가능하게 상기 취입 헤드(5)에 고정될 수 있는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 취입 헤드(5)에 복수의 라발 노즐(1)이 배치되고, 이들 라발 노즐은 각각 서로 상대적으로 조정 가능한 제1 및 제2 노즐부(2, 3, 7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 취입 장치.
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