KR20160129881A - 고로, 특히 용광로 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 기체가 노(1) 내로 도입되는 고로, 특히 용광로 작동 방법에 관한 것이다. 노(1) 내의 반응 과정의 가속을 달성하기 위해, 충격파가 노(1) 내로 도입되는 것이 제안된다.

Description

고로, 특히 용광로 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A SHAFT FURNACE, IN PARTICULAR A BLAST FURNACE}

본 발명은 하나 이상의 기체가 노 내로 도입되는 고로, 특히 용광로 작동 방법에 관한 것이다.

고로는 그 기하학적 기본 형상이 "샤프트 형태"인 노이다. 통상, 고로의 높이는 그 폭 및 깊이의 몇 배를 넘는다. 고로의 기본 형태는 통상 중공 실린더, 중공 원추형 또는 이들 형태의 조합에 상응한다. 고로 내에서 통상 연소 공정, 환원 공정 및 용융 공정이 이루어지며, 생성된 가스는 노 내에서 상부로 상승한다. 고로는 가열을 위해 사용되거나, 금속의 추가의 처리를 위해 또는 다른 재료의 생산을 위해, 광석으로부터 순수 금속을 얻거나 따른 재료를 제조하기 위한 야금 설비로서 이용된다.

고로의 특수 형태는 용광로이며, 이를 이용하여, 연속 환원 공정 및 용융 공정에서 광석으로부터 액체 금속, 통상 쇳물이 획득될 수 있다. 용광로는 통상의 고로에 비해, 광석의 제련에 대한 특수 요구로 인해, 특히 노의 구조, 그리고 그의 내측 라이닝 및 냉각에 대한 특별 요구가 형성된다.

용광로는 통상 완전 통합된 제련소의 부분으로서 이용된다. 본래의 노 이외에 용광로 설비는, 예를 들어 투입 물질(예를 들어 철광석 및 첨가물) 및 환원제 또는 에너지 운반체(예를 들어 코크)로 용광로를 충전(장입)하기 위한 이송 장치 및 용광로 내에서 생성된 물질(예를 들어 쇳물, 슬래그, 배기가스)을 추출 또는 방출하기 위한 장치를 포함한다.

많은 고로 및 특히 용광로에서, 노 내에서 발생하는 반응을 가능케 하기 위해 또는 이러한 반응에 영향을 미치기 위해, 기체가 외부로부터 노 내로 도입된다. 기체는 예를 들어 공기 또는 순수 산소일 수 있다. 통상 노 원주를 둘러싸는 환형 라인 주위에서 기체를 주입하기 위한 장치는 노 내부로 안내되는 복수의 주입구 또는 노즐 및 추가로, 노 내부로 안내되는 랜스(lance)를 포함한다.

DE 101 17 962 B4에는 예를 들어 원재료의 열처리를 위한 방법 및 이러한 방법의 실행을 위한 장치가 공지되어 있다. 설명된 장치는 용선로(cupola ofen)이다. 용선로는 마찬가지로, 내부에서 금속이 용융될 수 있는 고로이다. 용광로와의 차이점은, 용선로가 대부분 쇳물 및 고철로부터 주철의 제조를 위해 이용된다는 것이며, 따라서 용선로는 운전 방식에서 그리고 구조에서 용광로와는 차이가 있다.

DE 101 17 962 B4에는, 공기 주입 이외에, 상이한 산소 함량을 갖는 기체가 교대로 노 내로 도입하는 것이 제안된다. 이러한 기체는 공기 및 순수 산소일 수 있다. 이를 위해, 두 개의 별도의 환형 라인이 노를 중심으로 안내된다. 제1 환형 라인은 항상 공기로 충전되는 반면, 제2 환형 라인은 상이한 기체(예를 들어 산소)로 교대로 충전된다. 상이한 산소 함량을 갖는 기체의 의도적인 도입을 통해, 노 내의 반응 및 특히 온도가 제어되어야 한다.

DE 101 17 962 B4에 설명된 해결책은 복수의 별도의 환형 라인을 갖는 복잡한 구조의 단점을 갖는다. 또한, DE 101 17 962 B4에 설명된 해결책은 용선로로 한정된다.

EP 1 948 833 B1에는 고로 작동 방법이 공지되어 있다. 상기 고로는 용선로 또는 용광로일 수 있다. EP 1 948 833 B1에 설명된 해결책에서도, 처리 기체, 예를 들어 산소가 노 내로 주입되는 것이 제안된다. 주입된 기체는 펄스 방식으로 모듈화되어야 한다. 이는, 주입되는 기체의 압력이, 낮은 기본 압력으로부터 출발하여 시간 간격으로, 단시간적으로 상승되는 것을 의미한다. 이러한 방식에 의해, 노 내의 개선된 기체 확산이 달성되어야 한다.

EP 1 948 833 B1에 설명된 해결책은 "레이스웨이" 외부에서 달성되는 반응 개선이 전혀 없거나 단지 미미하다는 단점을 갖는다.

본 발명의 과제는, 노 내의 반응 과정의 가속이 특히 "노심(dead man)" 영역내 까지 달성되도록, 노 내로의 기체의 주입을 구성하는 것이다.

상기 과제는 청구항 제1항의 전제부에 따른 방법에서, 충격파가 노 내로 도입됨으로써 해결된다.

충격파는 압축 충격이 압축파의 파면을 형성하는 기체 역학적 현상이다. 파면(wave front)에서 상태 변수, 즉, 압력 및 온도의 구배는 상당한 분자 이동 과정이 발생할 정도로 크다. 분자 이동 과정은 비가역적인데, 즉, 파에 의해 포함된 기체의 엔트로피가 증가된다. 여기서 불연속적인 상태 변경이 발생하는데, 그 이유는 분자 이동 과정이 약간의 자유 경로 길이로 한정되기 때문이다. 충격파는 충격파 전방의 정적 매체의 음향 속도보다 큰 전파 속도로 확산된다. 높은 충격 마하 수(Mach number)를 갖는 강한 충격파에서, 해리, 전자 여기 및 이온화와 같은 효과가 증가된다.

충격파는 열역학적인 또는 열적인 조건을 달성하기 위한 상당한 기여도를 제공할 수 있는데, 이는 화학적 또는 물리-화학적 반응의 과정을 위해 필요하다. 이러한 방식으로, 비활성 탄소 상, 예를 들어 높은 흑연화 수준을 갖는 상과의 노 내의 반응을 위한, 또는 연소 가능한 혼합물의 자연 발화를 위한 활성 에너지가 달성될 수 있다.

압축 충격 또는 충격파는 와류의 국부적인 현상에 영향을 미치며 이를 상당히 강화시킨다. 이에 의해, 고로 내에서의 반응성 혼합물의 형성 및 각각의 화학적 반응을 위해 필요한 물질 이동이 바람직하게 영향을 받는다. 이는, 특히 형성된 불균질 기체-고체 반응을 위해 또는 고체와 기체 상 간의 물질 이동을 위해 특히 중요하다.

입자의 표면 구조 및 다공성으로 인해, 입자 내에는 충격파의 회절 거동 및 반사 거동을 통해 높은 압력 및 온도, 더욱이, 압력 구배 및 온도 구배가 생성될 수 있다. 입자 크기 또는 구조 및 강도에 따라, 발생한 응력에 의해 표면에 인접한 층 또는 전체 입자가 파괴될 수 있다. 이러한 과정에 의해, 화학적 반응을 위해 더 큰 유효 반응 표면이 제공된다.

외부 층이 이전에 실행된 반응으로 인해 높은 회분 함량을 포함하거나 또는 슬래그에 의해 덮여지는 코크 입자, 주입된 분탄 및 그의 열분해된 잔류물(예를 들어 숯)이 그 예이다. 또한, 충격파의 생성을 위한 기체(추진 기체)로서, 화학적 반응을 위해 통상 필요한 기체(처리 기체)가 사용되는 경우(예를 들어 산소 또는 다른 반응 기체), 반응 동역학이 개선된다.

작은 입자와 충격파의 상호 작용 시에, 기체 상 내의 그 분산은 명확히 개선되며, 따라서 그 화학적 전환도 가속된다. 특히, 이는 통상 미세 입자 크기를 갖는 투입 재료의 주입을 위해 적용된다. 이는, 그 공압식 이송이 농축 흐름 원리에 따라 수행될 경우 특히 중요하다. 예를 들어 고로 또는 용광로 내로의 분탄의 주입이 언급될 수 있다.

요약하여, 고로 내로 충격파의 도입을 통해 반응이 가속되거나 또는 심화될 수 있다.

충격파는 예를 들어 폭발, 섬광 스트라이크 또는 비행 발사체에 의해 유발될 수 있다. 과학적인 목적 및 다른 실험을 위해 충격파를 생성하기 위해, 충격 채널 또는 충격 파이프가 이용된다. 이 경우에, 충격파의 생성은, 고압 부분 및 추진 기체 챔버를 저압 부분으로부터 분리시키는 박막의 파열 압력의 초과를 통해 이루어진다. 박막의 파열은 충격파의 생성을 위해 필요한 돌발성 압력 상승을 보장한다.

본 발명의 일 구성에 따르면, 충격파는 다시 폐쇄 가능한 밸브의 개방을 통해 트리거된다. 충격파의 이러한 생성 방식은 구성 부품이 교체 또는 대체될 필요없이, 파열식 박막에 비해 임의로 많은 충격파가 빠르게 연속으로 생성될 수 있는 장점을 갖는다. 그러나 충격파는 매우 단시간에 전체 파이프 단면을 개방하는 극도로 빠르게 개방되는 밸브에서만 형성될 수 있다. 충격파를 위한 추진 기체로서, 고로의 작동을 위해, 즉, 반응 과정을 위해 어차피 필요한 기체(예를 들어 산소)를 사용하는 것은 특히 바람직하다.

따라서, 본 발명의 이러한 구성을 위해, 6ms 이내, 특히 4ms 이내에 개방되는, 바람직하게는 완전히 개방되는 밸브가 더 제안된다. 단지 수 밀리 초 동안 지속되는 밸브의 개방을 통해, 충격파의 생성을 위해 필요한 돌발성 압력 상승이 보장된다. 슬라이딩 게이트 밸브가 그의 빠른 개방 시간으로 인해 특히 바람직한 것으로서 증명되었다. 이에 반해, 밸브의 너무 느린 개방은 생성된 압력 보상에 의해 충격파가 생성될 수 없는 결과를 초래할 수도 있다.

본 발명의 개선예에서, 밸브는 공압식으로 제어된다. 매우 빠른 개방 시간을 갖는 본 발명을 위해 필요한 밸브는 높은 속도로 작동하는 구동부 및 제어부를 필요로 하며, 이들은 이러한 요구에 부응한다. 공압식 구동부가 특히 바람직한 것으로 증명되었다. 이러한 요구들을 충족시킬 수 있는 대안적인 구동 방식도 마찬가지로 사용될 수 있다(예를 들어 전기 모터, 특히 서보 모터).

본 발명의 다른 구성에서, 충격파의 생성을 위해, 적어도 10 바아, 특히 적어도 20 바아의 기체압을 갖는 압력 저장기, 특히 압력 용기가 사용되는 것이 제안된다. 고로의 노 압력 또는 송풍 압력은 대기압보다 약간 높다(약 0.2 바아 내지 1 바아). 고로 유형 또는 그 작동 방식에 따라, 통상 1 바아 내지 5 바아의 높은 송풍 압력이 필요하다. 충격파의 생성을 위해 매우 큰 압력차가 요구되기 때문에, 바람직하게는 상기 크기의 내압을 갖는 압력 용기가 제공된다.

본 발명의 다른 교시에서, 충격파의 생성을 위한 기체로서, 반응 과정을 위해 노 내에서 필요한 처리 기체가 이용된다. 다시 말하자면, 충격파의 생성을 위해 필요한 추진 기체가 동시에 처리 기체 또는 반응 과정을 위해 고로 내에서 필요한 기체인 것이 제안된다. 그 결과, 밸브는 단지 충격파의 생성만을 위해 필요한 것보다는 더 오래 개방되어 유지될 수 있다.

따라서, 본 발명의 다른 구성에서, 0.05s 내지 0.7s 사이의 시간 범위 동안 밸브가 개방되어 유지되는 것이 제안된다. 밸브 작동의 회수 및 밸브가 개방되는 시간의 길이에 의해, 고로 내로 공급되는 처리 기체의 양이 형성된다. 처리 기체, 고로의 유형 및 고로의 작동 방식에 따라 상응하는 매칭이 수행된다.

충격파의 생성 또는 노 내로 기체의 간헐적인 도입은, 노 내로 동일한 기체 또는 다른 기체의 연속적인 도입이 동시에 이루어지는 것을 배제하는 것은 아니다. 다시 말하자면, 생성된 충격파 또는 간헐적으로 높은 기체 부피 유동을 갖는 연속적인 "기본 유동"(예를 들어 산소 기본 유동)이 노에 공급될 수 있다. 또한, 이러한 기본 유동에 의해, 예를 들어 노에 공급된 처리 기체의 양이 설정될 수 있다. 또한, 랜스 또는 도입 위치를 위해 필요한 냉각 작용이 영구적으로 보장될 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 다른 구성에서, 산화 작용을 갖는 기체, 특히 산소가 기체로서 이용된다. 이용된 기체는 이산화탄소, 공기 또는 다른 기체, 특히 산소일 수 있다. 고로 공정에서 또는 특정 반응 구역에서, 환원 조건 또는 환원 기체가 필요하다. 여기서, 처리 기체로서, 예를 들어 일산화탄소 또는 수소가 가능하다. 또한, 환원 작용을 갖는 혼합 기체 그리고 추가의 중간 반응 후에 환원 작용을 달성하는 혼합물 및 기체가 사용될 수 있다.

본 발명이 이하 단지 하나의 실시예를 도시하는 도면을 참조로 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 설비의 개략적인 구조를 도시한다.

도 1에는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 설비의 개략적인 구조가 도시된다. 용광로서 구성된 노(1)는 그 원주 둘레에 복수의 랜스(2)를 포함하며, 이 랜스에 의해 외부로부터 노(1) 내로 충격파의 도입 또는 처리 기체의 도입이 구현된다. 바람직하게, 랜스(2)는 노(1)의 주입구 또는 송풍구 내로 삽입된다. 고로 또는 용광로의 다른 반응 영역에 영향을 미치기 위해 또는 반응 영역을 최적화하기 위해, 상기 위치에는 적절한 도입 개구가 제공될 수 있다.

각각의 랜스(2) 또는 도입 위치에는 충격파의 생성을 위한 또는 처리 기체의 도입을 위한 고유 설비(3)가 연결될 수 있다. 필요한 처리 기체의 양, 충격파 강도 및 노의 크기 또는 원주에 따라, 설비(3)가 복수의 랜스(2) 또는 복수의 도입 위치를 구비할 수 있다. 따라서, 노(1)의 원주 둘레의 하나의 환형 라인에 의해 모든 랜스(2) 또는 도입 위치가 동일한 설비(3)에 의해 공급되는 것도 가능하다. 노(1) 내로의 도입 및 충격파의 생성이 서로로부터 멀리 이격되어 이루어지지 않는 것을 주목해야 하는데, 그 이유는 충격파의 강도가 지나온 경로에 의해 감소되기 때문이다.

설비(3)는, 필요한 기체의 양 및 필요한 기체압을 설비(3)에 공급하는 것을 보장하는 공급 라인(8)에 연결된다. 여기서는 부속된 파이프 라인을 갖는 압력 용기(6)로서 구성된 압력 저장기의 기체압은 예를 들어 10 바아, 특히 적어도 20 바아 또는 더 높을 수 있다.

충격파의 생성 또는 기체의 간헐적 도입은 빠르게 개방되는 밸브(9)에 의해 가능하다. 특히 필요한 추진 기체량을 구현하기 위해, 밸브(9) 전방에는, 바람직하게, 제어부에 의해 가급적 규정된 압력으로 충전되는 압력 용기(6)가 연결된다. 이를 위해, 압력 조절기(7)가 유입 라인(10) 내에서 압력 용기(6) 전방에 직접 제공되거나, 공급 라인(8) 내에 제공되거나, 또는 이러한 유형의 복수의 설비(3)의 공급 라인 내에 제공될 수 있다.

또한, 설비(3)는 처리 기체의 추가의 연속적인 도입을 위한 바이패스 라인(11) 내에 위치하는 폐루프 제어부(5)를 장착할 수 있다. 필요한 기체 부피 유동은 제어 부품에 의해 설정된다. 대안적으로, -도 1에 도시된 것과는 다른- 연속적인 기체 유동을 위해 다른 기체가 충격파의 생성을 위해 이용될 수 있다. 이러한 경우, 추가의 유입 라인이 필요하다.

설비(3)는, 생성된 충격파 또는 간헐적인 기체 유동뿐만 아니라, 연속적인 기체 유동을 노(1) 내로 도입될 수 있도록, 적절한 라인(4) 및 랜스(2) 또는 도입 위치와 연결된다.

또한, 설비(3)는 전자 제어부(12)를 구비한다. 복수의 설비(3)의 사용 시에, 예를 들어 각각의 랜스(2) 또는 도입 위치는 고유 설비(3)를 갖춘 경우, 이상적으로는 추가의 상위 제어부가 사용된다.

1: 노
2: 랜스
3: 설비
4: 라인
5: 폐루프 제어 경로
6: 압력 용기
7: 압력 조절기
8: 공급 라인
9: 밸브
10: 유입 라인
11: 바이패스 라인
12: 제어부

Claims (8)

1. 고로, 특히 용광로 작동 방법이며, 하나 이상의 기체가 노(1) 내로 도입되는작동 방법에 있어서,
   충격파가 노(1) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 충격파는 다시 폐쇄 가능한 밸브(9)의 개방에 의해 트리거되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
3. 제2항에 있어서, 밸브(9)는 6ms 미만 내에, 바람직하게는 4ms 미만 내에 개방되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 밸브(9)는 공압식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 충격파의 생성을 위해, 적어도 10 바아, 특히 적어도 20 바아의 기체압을 갖는 압력 저장기, 특히 압력 용기(6)가 사용되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 충격파의 생성을 위한 기체로서, 노(1) 내에서 반응 과정을 위해 필요한 처리 기체가 이용되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 밸브(9)는 0.05s 내지 0.7s 사이의 범위의 기간동안 개방되어 유지되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 기체로서는 산화 작용을 갖는 기체, 특히 산소가 이용되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.