KR20130002775A - 고로용 미분탄 취입 랜스와 이를 이용한 고로 조업 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고로용 미분탄 취입 랜스와 이를 이용한 고로 조업 방법에 관한 것으로, 외측관(10)과, 상기 외측관(10)에 삽입된 내측관(23) 및, 상기 외측관(10)과 내측관(23) 사이에 설치된 스월러(30)를 포함한다.
또한, 상기 구성의 랜스를 이용한 미분탄 취입 조업시 미분탄 취입량과 산소부화율의 적정범위를 확인하였다.
따라서, 미분탄의 분산성 향상을 통해 미분탄의 코크스 대체량을 증가시킬 수 있게 됨으로써 용선 생산 비용을 절감할 수 있으며, 고로 조업의 효율성을 재고할 수 있다.

Description

고로용 미분탄 취입 랜스와 이를 이용한 고로 조업 방법{pulverized coal injection lance for blast furnace and method for operating blast furnace using it}

본 발명은 고로용 미분탄 취입 랜스와 이를 이용한 고로 조업 방법에 관한 것으로, 특히 미분탄 연소성을 향상시킬 수 있도록 된 고로용 미분탄 취입 랜스와, 상기 랜스를 이용한 효율적인 고로 조업 방법에 관한 것이다.

고로는 철광석을 용융시켜 용선을 제조하는 설비로서 코크스를 연료로 사용한다. 그러나, 코크스가 고가이므로 최근에는 가격이 저렴한 미분탄을 일부 사용함으로써 용선 생산 비용을 절감하고 있다.

한편, 코크스와 철광석의 산화반응 및 환원반응의 지속을 위해 고로 하부의 풍구를 통해서 열풍을 공급하고 있다.

상기 미분탄은 상기 열풍이 공급되는 풍구를 통해 고로 내부로 취입된다.

본 발명은 미분탄 연소성을 향상시켜 미분탄의 취입량을 증대시킬 수 있게 됨으로써 용선 생산 비용을 절감할 수 있고, 미연소 미분탄으로 인해 노황이 악화되는 것을 방지할 수 있도록 된 고로용 미분탄 취입 랜스를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 랜스를 이용하여 미분탄 취입 조업을 실시할 때 적정 미분탄 취입량과 산소부화율을 알 수 있게 됨으로써 보다 효율적인 미분탄 취입 조업을 실시할 수 있도록 된 고로 조업 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고로용 미분탄 취입 랜스는,

냉각가스가 송풍되는 외측관과,

상기 외측관의 내부로 삽입되고 이송가스와 함께 미분탄이 이송 및 토출되는 내측관 및,

상기 내측관과 외측관의 사이에 구비된 스월러

을 포함한다.

또한, 상기 내측관의 두께는 3mm 이상 ~ 4mm 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스월러는 상기 내측관의 외주면에 형성된 다수의 고정된 날개인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 날개는 상기 내측관의 길이방향에 대해 경사지게 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 날개의 각도는 45°이상 ~ 60°이하인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 상기 미분탄 취입 랜스를 이용한 고로 조업 방법은,

냉각가스로서 산소가스가 송풍되는 외측관과, 상기 외측관의 내부로 삽입되고 이송가스와 함께 미분탄이 이송 및 토출되는 내측관 및, 상기 내측관과 외측관의 사이에 구비된 스월러를 포함하는 랜스를 이용하고,

상기 미분탄은 0 kg/tHM 초과 ~ 191 kg/tHM 미만의 범위에서 취입되고,

상기 산소가스 공급에 의한 산소부화율은 0% 초과 ~ 5% 미만의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 랜스의 내측관의 두께 증가로 냉각가스의 유속이 증가하고, 내측관과 외측관의 사이에 형성된 스월러에 의해 냉각가스에 선회력이 부여된다.

따라서, 냉각가스가 랜스에서 토출된 후 활발한 난류를 형성하게 됨으로써 그 내측에서 토출되는 미분탄을 보다 신속하고 멀리 분산시키며, 냉각가스(산소가스)와의 혼합이 원활히 이루어지게 된다.

따라서, 미분탄의 연소성이 향상되며, 이에 보다 많은 양의 미분탄을 고로 내부로 취입할 수 있게 됨으로써 코크스 사용량을 절감하여 용선 생산 비용을 절감할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 적정 수준의 미분탄 취입량과 산소부화율이 제시됨으로써 과도한 미분탄의 투입과 산소 공급을 방지하여 고로 조업의 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 미분탄 취입 랜스를 도시한 것으로, (a)는 랜스의 정면도, (b)는 랜스의 단면도, (c)는 외측관을 절개한 상태로 도시한 도면, (d)는 내측관의 스월러 형성 상태를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 랜스(lance5)와 다양한 비교예들을 도시한 도면,
도 3은 질소냉각시 랜스 형상에 따른 연소율을 나타낸 그래프,
도 4는 산소냉각시 랜스 형상에 따른 연소율을 나타낸 그래프,
도 5는 내측관 두께에 따른 연소율을 나타낸 그래프,
도 6은 스월러의 각도에 따른 연소율을 나타낸 그래프,
도 7은 스월러 각도에 따른 미분탄 농도 분포를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 랜스 이용시, 미분탄의 취입량과 연소율의 관계를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 랜스 이용시, 산소부화율과 연소율의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 미분탄 취입 랜스는 외측관(10)과, 상기 외측관(10)의 내부로 삽입된 내측관(23) 및, 상기 내측관(23)과 외측관(10)의 사이에 구비된 스월러(30)를 포함한다.

상기 외측관(10)과 내측관(23)은 모두 원형관이고, 두 관의 축 중심이 일치하도록 제작된다.

상기 내측관(23)으로는 미분탄이 이송가스에 의해 이송 토출되고, 상기 내측관(23)과 외측관(10) 사이의 공간으로는 외측관(10)의 외부를 흐르는 열풍으로부터 상기 내측관(23)을 보호하기 위한 냉각가스가 흐른다.

상기 내측관(23)은 3mm 이상 ~ 4mm이하의 두께를 가지는 것이 난류 형성 및 미분탄 분산에 있어 바람직하다.

즉, 상기 내측관(23)의 두께가 적절히 두꺼워지면 내측관(23)과 외측관(10) 사이의 유로 단면적이 감소하므로 냉각가스의 유속이 빨라지고, 이러한 냉각가스의 속도 증가는 후술하는 스월러(30)에 의한 유동 선회 효과 및 직진성을 배가시키며, 따라서 랜스 팁에서 내측관(23)으로부터 토출되는 미분탄을 보다 신속하게 먼거리로 확산시킬 수 있다.

상기 스월러(30)는 상기 냉각가스의 유동에 선회력을 부여하는 다수의 고정된 날개들로서, 상기 내측관(23)의 외주면에 원주방향을 따라 동일한 간격으로 형성된다.

또한, 상기 스월러(30)의 각 날개들은 랜스의 길이 방향 즉, 냉각가스의 흐름 방향에 대해 모두 동일한 각도로 비틀려진 상태로 형성되어 각 날개의 사이를 통과하는 냉각가스에 선회력을 부여할 수 있도록 되어 있다.

상기 스월러(30)의 날개들은 랜스의 길이 방향에 대해 45°이상 ~ 60°이하의 각도로 비틀려지는 것이 연소율 향상을 위한 선회력 부여에 바람직하다.

또한, 상기 스월러(30)는 랜스의 선단(tip; 도면에서 랜스의 오른쪽 단부)으로부터 내측으로 150 ~ 200mm 들어간 지점에 형성된다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 랜스와, 다른 구조를 가진 랜스들(비교예)들에 대해 동일 조건의 실험을 실시하여 본 발명에 따른 랜스의 연소율 향상 효과를 알아보았다.

도 2에 비교예로서 사용된 랜스들과 본 발명에 따른 랜스가 도시되어 있다.

랜스1,2,3,4,6은 비교예들이고, 랜스5는 본 발명에 따른 랜스이다. 비교예들과 본 발명에 따른 랜스에서 외측관과 내측관은 모두 단순 원형관이다.

랜스1은 외측관(10)의 내부에 내측관(21)이 삽입된 구조이고, 랜스2는 랜스1에 스월러(30)가 부가된 구조이며, 랜스3은 외측관(10)의 내부에 삽입된 내측관(22)이 후방(미분탄 토출측)으로 갈수록 관경이 확장되는 구조이고, 랜스4는 랜스1과 동일하되 타 랜스의 내측관에 비해 두께가 두꺼운 내측관(23)이 적용된 구조이며, 랜스6은 랜스2에 내측관의 내부에도 스월러(40)가 적용된 구조이다.

본 발명에 따른 랜스5는 타 랜스들과 동일한 외측관(10)의 내부에 랜스4와 같이 두께가 두꺼운 내측관(23)이 삽입되고, 그 내측관(23)의 외주에 스월러(30)가 형성된 구조로서, 랜스2에 대해 내측관의 두께가 더 두꺼운 차이가 있다.

상기와 같이 다양한 구조(형상)로 이루어진 랜스들에 대해 상기 외측관으로 질소(N₂)가스(도 3) 또는 산소(O₂)가스(도 4)를 공급하면서 내측관을 통해 취입되는 미분탄의 연소율을 산출하였다.

연소율의 산출은 다음 식에 의한다.

연소율(%) = (연소배가스의 (CO + CO₂)의 함량) / (취입 미분탄의 C 함량)

실험 결과, 냉각가스로서 질소가스를 공급하는 경우에는 도 3과 같이, 미분탄 연소율이 모든 랜스에 대해 50% 미만으로 나타난바 질소가스를 사용하는 것이 미분탄의 연소율 향상에 바람직하지 않음을 알 수 있다.

반면, 냉각가스로서 산소가스를 공급하는 경우에는 도 4와 같이, 모든 랜스에서 연소율이 크게 향상된 것을 알 수 있으며, 특히 본 발명에 따른 랜스5가 가장 높은 연소율(80%에 근접)을 나타낸 것을 알 수 있다.

상기 실험을 통해서 냉각가스로 산소가스를 이용하는 것이 미분탄이 취입과 동시에 산소와 혼합되면서 원활하게 연소됨으로써 연소율 향상에 유리하다는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 본 발명에 따른 랜스를 사용하는 경우에도 동일함을 확인하였다.

즉, 본 발명에 따른 랜스를 산소냉각 미분탄 취입 조업에 사용할 수 있음을 확인하였다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 랜스(랜스5)에서 내측관(23)의 두께를 변화시키면서 미분탄 연소 실험을 실시하고, 내측관 두께 변화에 따른 연소율 변화를 표시한 것이다.

도시된 바와 같이, 내측관(23)의 두께가 2mm 일때 연소율이 74% 이고, 3mm 일때는 78%로 현저히 증가하다가 4mm일때는 80%로서 가장 높지만, 연소율의 증가는 3mm를 기준으로 현저히 둔화됨을 알 수 있다.

상기 내측관 두께가 2mm 미만이면 미분탄 취입 랜스로서의 강도를 만족하기 곤란하고, 4mm 를 초과하면 내측관과 외측관 사이의 간격이 과도하게 감소하여 그 공간으로 송풍되는 산소가스의 속도가 음속을 돌파하므로 극심한 소음이 발생하고 노황에도 악영향을 미치므로 바람직하지 않다.

따라서, 두께 2mm 이상 4mm 이하인 내측관을 대상으로 실험하였으며, 상기 결과로부터 타 경우에 비해 연소율이 급격히 감소되는 3mm 미만을 제외하고 3mm 이상 ~ 4mm 이하의 두께를 가지는 것이 상대적으로 높은 연소율을 나타내므로 미분탄 취입 조업에 바람직함을 알 수 있다.

한편, 상기 스월러(30)의 날개 각도를 변경하면서 미분탄 연소 실험을 실시하고, 상기 날개 각도에 따른 연소율을 산출하여 도 6에 표시하였다.

도시된 바와 같이, 날개 각도 45°~ 60°구간이 상대적으로 높은 연소율을 유지하며, 45°를 기준으로 그 미만의 범위에서는 연소율이 감소함을 알 수 있다.

즉, 냉각가스 진행 방향에 대한 날개의 각도가 증가할 수록 냉각가스에 부여되는 선회력이 증가됨으로써 난류 형성에 도움이 됨을 알 수 있다.

또한, 날개 각도가 30°,45°,60°인 경우의 미분탄 토출 지점 부근에서의 농도 분포를 나타낸 도 7에서와 같이, 45°와 60°의 경우에는 미분탄의 분산이 활발하나 그 이하의 범위에서는 30°의 경우를 나타낸 그림에서 알 수 있듯이 미분탄의 분산이 원활하지 못함을 알 수 있다.

즉, 날개 각도 45°인 경우 미만부터는 스월러(30)에 의해 부여되는 선회력이 급감하여 냉각가스의 난류 형성이 활발하지 못하므로 미분탄의 혼합 및 분산성이 저하되어 미분탄의 연소율 즉, 연소성이 감소되는 것이다.

한편, 상기 날개 각도가 60°를 넘게 되면 날개의 길이가 과도하게 길어져서 내측관의 외주면상에 설치하기 곤란한 제작상의 문제가 발생한다.

따라서, 상기 스월러(30)의 날개 각도는 전술한 바와 같이 45°이상 ~ 60°이하의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 구성에 따른 랜스를 이용하면, 고속의 와류 발생으로 미분탄의 분산성이 향상되고, 이에 산소와의 반응성이 향상됨으로써 미분탄의 연소성이 향상된다.

상기와 같이 미분탄의 연소성이 향상되므로 고로의 미분탄 취입량을 증가시킬 수 있으며, 이에 용선 생산 비용을 절감할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 상기 랜스를 이용하여 미분탄 취입 조업을 하는 경우, 산소부화율이 고정된 상태에서 미분탄의 취입량과 연소율의 관계를 실험한 결과가 도 8에 나타나 있다.

표시된 바와 같이, 산소부화율이 5%로 고정된 상태에서, 미분탄 취입량(PCR)을 점차 증가시키면서 각각의 연소율을 산출한 결과, 미분탄이 191kg/tHM 이상 투입되면서 연소율이 급격하게 감소함을 확인할 수 있다.

미분탄을 191kg/tHM 이상 투입하는 경우, 미연소 미분탄의 존재로 인해 노내의 통기성과 통액성이 저하됨으로써 노황이 악화됨을 예측할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 랜스를 이용하여 미분탄 취입 조업을 하는 경우, 미분탄의 취입량은 0 kg/tHM 초과 ~ 191 kg/tHM 미만의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 미분탄 취입량이 고정된 상태에서 산소부화율과 연소율의 관계를 실험한 결과가 도 9에 나타나 있다.

표시된 바와 같이, 미분탄 취입량이 180kg/tHM로 고정된 상태에서 산소부화율은 5% 이상에서는 연소율의 증가량이 매우 미미한 것을 확인할 수 있다.

즉, 냉각가스로 사용되는 산소가스의 공급량을 증가시켜 산소부화율을 5% 이상으로 증가시키더라도 연소율 향상의 효과는 거의 없으므로 산소를 불필요하게 공급하는 것이 된다.

따라서, 본 발명에 따른 랜스를 이용하여 미분탄 취입 조업을 하는 경우, 산소부화율은 0% 초과 ~ 5% 미만의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 랜스를 이용하고, 상기와 같은 조건에서 미분탄 취입 조업을 실시하면 미분탄 과다 투입으로 인한 노황 악화(미연소 미분탄으로 인해 노내 통기성 및 통액성이 저하되어 노황이 악화된다.)를 방지할 수 있고, 산소의 과다 공급을 방지할 수 있게 되므로 고로 조업의 효율성을 재고할 수 있게 된다.

10 : 외측관 23 : 내측관
30 : 스월러

Claims (6)

1. 냉각가스가 송풍되는 외측관과,
   상기 외측관의 내부로 삽입되고 이송가스와 함께 미분탄이 이송 및 토출되는 내측관 및,
   상기 내측관과 외측관의 사이에 구비된 스월러
   를 포함하는 고로용 미분탄 취입 랜스.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 내측관의 두께는 3mm 이상 ~ 4mm이하인 것을 특징으로 하는 고로용 미분탄 취입 랜스.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스월러는 상기 내측관의 외주면에 형성된 다수의 고정된 날개인 것을 특징으로 하는 고로용 미분탄 취입 랜스.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 날개는 상기 내측관의 길이방향에 대해 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 고로용 미분탄 취입 랜스.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 날개의 각도는 45°이상 ~ 60°이하인 것을 특징으로 하는 고로용 미분탄 취입 랜스.
6. 냉각가스로서 산소가스가 송풍되는 외측관과, 상기 외측관의 내부로 삽입되고 이송가스와 함께 미분탄이 이송 및 토출되는 내측관 및, 상기 내측관과 외측관의 사이에 구비된 스월러를 포함하는 랜스를 이용하고,
   상기 미분탄은 0 kg/tHM 초과 ~ 191 kg/tHM 미만의 범위에서 취입되고,
   상기 산소가스 공급에 의한 산소부화율은 0% 초과 ~ 5% 미만의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 고로용 미분탄 취입 랜스를 이용한 고로 조업 방법.
   
   

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