KR20190061309A - 가스취입플러그 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가스취입플러그는, 용융금속이 수용되는 수용부재에 연결된 플러그본체; 및 상기 플러그본체에 길이방향을 따라 관통배치되며, 상기 용융금속에 가스를 취입시키도록 가스가 공급되어 유동되는 복수 개의 관통파이프;를 포함하며, 복수 개의 상기 관통파이프는, 상기 플러그본체의 길이방향과 수직인 수직면 상에서 복수 개 가상의 동심정육각형 상에 배열되며, 복수 개 상기 가상의 동심정육각형은 중심점에서 동일간격으로 이격배치되고, 서로 다른 상기 가상의 동심정육각형의 인접한 꼭지점들은 중심점으로부터 이어진 가상의 직선 상에 배치된다.

Description

가스취입플러그{PLUG FOR INDUCTING GAS}

본 발명은 가스취입플러그로서, 용강의 환류를 위해 사용되는 가스취입플러그에 관한 것이다.

제철소에서 선철을 강으로 변환시키는 전로는 기본적으로 위로부터 내려오는 랜스로부터 산소를 선철 및 고철 속으로 불어 넣어 온도를 높이고, 선철 속에 포함된 탄소, 실리콘 등의 불순물을 태워버리는 설비이다.

여기에서, 강 교반에 의해 로내 반응효율을 높이거나 열효율을 높이기 위해 로 바닥으로부터 산소, LPG, 질소, 아르곤, 공기, 이산화탄소 등을 불어 넣기도 하는데, 이렇게 상취(top blowing)와 저취(bottom blowing)를 함께 하는 전로를 상저취 전로 또는 복합취련 전로라고 한다.

이때, 복합취련 전로는 보통 바닥의 6~12개 부위에서 가스를 저취 하며 상부에서는 하나의 상취 랜스에 의해 산소를 불어 넣는데, 이와 같이 용융금속을 균일하게 환류시키기 위해 가스를 취입하는 가스취입플러그가 제공된다.

이러한 가스취입플러그는 전로 등의 바닥이나 측면 등에 설치되어 가스를 취입하게 되며, 이 과정에서 공급되는 가스에 의해 용융 금속이 환류되어 원하는 성분으로 혼합되거나, 용융 금속 내에 포함된 불순물 등이 개재물로 부상되어 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 가스취입플러그는, 가스가 취입되는 상부가 고온의 용융 금속과 접촉되며, 이에 따라 열적 충격이 전달되어 사용 수명이 저하되는 요인이 되고 있다.

한편, 종래의 가스취입플러그는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 내화재질로 형성된 플러그본체(1)를 포함하고, 플러그본체(1)에는 금속 세관으로서 관통파이프(2)가 삽입되어 제공된다. 이때, 상기 관통파이프(2)는 플러그본체(1)에 하나가 설치되는데, 내경 6mm~25mm의 스테인레스 파이프 1개를 내화물인 플러그본체(1)의 중심에 위치하도록 설치한 것이다.

그런데, 이러한 가스취입플러그에서 전로 바닥 송풍구 주변 내화물은 냉각가스 흐름에 의한 온도구배가 발생하여 열응력으로 균열이 발생하며, 분출가스의 흐름에 따라 용강교반 등에 의해 침식이 가속화되고 장입된 용탕의 정압에 의한 막힘현상 등 가혹한 조건하에 놓이게 됨에 따라, 다른 바닥부위 보다 빨리 손상되는 문제점이 있다.

일본 등록실용신안공보 제20-0466345호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 용탕의 정압에 의한 막힘현상, 플러그 변형 또는 융융에 의한 분출 가스량의 저하나 미개공 현상을 방지하는 가스취입플러그를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스취입플러그는, 용융금속이 수용되는 수용부재에 연결된 플러그본체; 및 상기 플러그본체에 길이방향을 따라 관통배치되며, 상기 용융금속에 가스를 취입시키도록 가스가 공급되어 유동되는 복수 개의 관통파이프;를 포함하며, 복수 개의 상기 관통파이프는, 상기 플러그본체의 길이방향과 수직인 수직면 상에서 복수 개 가상의 동심정육각형 상에 배열되며, 복수 개 상기 가상의 동심정육각형은 중심점에서 동일간격으로 이격배치되고, 서로 다른 상기 가상의 동심정육각형의 인접한 꼭지점들은 중심점으로부터 이어진 가상의 직선 상에 배치된다.

여기에서, 상기 관통파이프는 상기 가상의 동심정육각형의 꼭지점에 배치되고, 상기 가상의 동심정육각형의 변에 선택적으로 배치될 수 있다.

구체적으로, 상기 가상의 동심정육각형 상에서 복수 개의 상기 관통파이프는 동일간격으로 이격되어 배치되고, 상기 가상의 동심정육각형에서의 상기 관통파이프는, 다른 상기 가상의 동심정육각형의 인접한 상기 관통파이프와 동일간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

이때, 상기 관통파이프와 인접한 다른 상기 관통파이프와의 파이프 중심간의 이격거리가 상기 관통파이프의 직경의 2배 이상 4배 이하일 수 있다.

한편, 상기 플러그본체는 마그네시아 카본질 내화물로 이루어질 수 있다.

아울러, 상기 플러그본체는 상기 가상의 동심정육각형의 중심점을 중심축으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 가스취입플러그는, 복수 개의 관통파이프가 가상의 동심정육각형 상에 배열됨으로써, 용탕의 정압에 의한 막힘현상이 일어나는 것을 방지하며, 플러그 변형 또는 융융에 의한 분출 가스량의 저하나 미개공 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 플러그본체가 강력한 공유결합 형태를 취함에 따라, 플러그본체의 내구성이 증대되어 수명이 연장될 수 있으며, 내화물의 특성인 인장응력에 대한 저항성도 증가되어 내화물의 탈락을 방지할 수 있어, 플러그본체의 수명이 더욱더 연장될 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 종래기술에 따른 가스취입플러그를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 가스취입플러그를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가스취입플러그를 나타낸 종단면도이다.
도 4는 도 3의 가스취입플러그를 나타낸 평면도이다.
도 5는 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 실험데이터를 나타낸 표이다.
도 6은 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 설비 적용전의 유량테스트결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 설비 적용시의 사용 횟수별 유량 및 압력을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 도면부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 가스취입플러그를 나타낸 종단면도이고, 도 4는 도 3의 가스취입플러그를 나타낸 평면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 가스취입플러그는 플러그본체(10), 관통파이프(20)를 포함한다.

여기에서, 상기 플러그본체(10)는 용융금속이 수용되는 수용부재에 연결된다.

또한, 상기 관통파이프(20)는 플러그본체(10)에 길이방향을 따라 관통형성되고 복수 개가 마련되며, 용융금속에 가스를 취입시키도록 가스가 공급되어 유동되는 유동통로로서 역할을 수행한다.

이때, 상기 플러그본체(10)의 하부에는 외부의 가스공급원(미도시)으로부터 이어지는 가스공급관(80)이 연결장착되며, 이러한 가스공급관(80)과 복수 개의 관통파이프(20) 사이에는 가스공급관(80)으로부터 공급된 가스가 분할하여 복수 개의 관통파이프(20)로 공급될 수 있도록 가스챔버(90)가 마련된다.

이와 같은 가스취입플러그는 플러그본체(10)가 수용부재에 수용된 용융금속에 침지된 상태, 일례로서 제강설비 전로의 바닥이나 측면에서 용융금속에 침지된 상태로 설치될 수 있으며, 플러그본체(10)에 형성된 관통파이프(20)를 통해 용융금속으로 불활성가스, 산소, 공기 등과 같은 가스를 공급하여 용융금속을 균일하게 환류시키고, 용융금속에 포함된 불순물 등을 개재물로 부상시킨다.

아울러, 상기 플러그본체(10)는 관통파이프(20)를 통과하는 가스에 의해 일정 정도 냉각된다. 참고로, 이러한 플러그본체(10)를 이루는 일반적인 내화물은 약 1000℃ 이상의 고온에서 강도가 높은 성질을 가진다.

구체적으로, 상기 플러그본체(10)는 마그네시아 카본질 내화물로 이루어질 수 있다.

여기에서, 마그네시아 카본질 내화물은 마그네시아 내화재 75중량%~95중량% 및 흑연으로 5중량%~25중량%로 이루어지는 주원료와, 첨가제, 결합제 및 산화방지제를 포함하고, 상기 첨가제는 주원료 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하로 포함될 수 있다. 아울러, 상기 첨가제는 B4C, B2O3, CaB6, MgB, SiC, AlN, BN 중 1종 이상일 수 있다.

이와 같이 구성되는 플러그본체(10)는 강력한 공유결합 형태를 취함에 따라, 내구성이 증대되어 수명이 연장될 수 있으며, 내화물의 특성인 인장응력에 대한 저항성도 증가되어 내화물의 탈락을 방지할 수 있어, 플러그본체(10)의 수명이 더욱더 연장될 수 있다.

한편, 복수 개의 상기 관통파이프(20)는 플러그본체(10)의 길이방향과 수직인 수직면 상에서 복수 개 가상의 동심정육각형(H) 상에 배열될 수 있다.

아울러, 복수 개 상기 가상의 동심정육각형(H)은 중심점에서 동일간격으로 이격배치되고, 서로 다른 상기 가상의 동심정육각형(H)의 인접한 꼭지점들은 중심점으로부터 이어진 가상의 직선(L) 상에 배치될 수 있다.

이와 같이, 중심점에서 동일간격 이격되고, 서로 다른 가상의 동심정육각형(H)의 인접한 꼭지점들이 중심점으로부터 이어진 가상의 직선(L) 상에 배치된 구조를 가진 복수 개 가상의 동심정육각형(H) 상에 관통파이프(20)가 배열됨으로써, 관통파이프(20)를 통과하는 가스에 의해 플러그본체(10)가 균일하게 냉각됨에 따라, 열적편차를 최소화하여 열에 의한 응력 구배 및 변형율을 감소시켜서 종국적으로 플러그본체(10)의 수명이 연장될 수 있다.

구체적으로, 상기 관통파이프(20)는 가상의 동심정육각형(H)의 꼭지점에 배치되고, 가상의 동심정육각형(H)의 변에 선택적으로 배치될 수 있다.

아울러, 상기 가상의 동심정육각형(H) 상에서 복수 개의 관통파이프(20)는 동일간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

이에 더하여, 상기 가상의 동심정육각형(H)에서의 관통파이프(20)는, 다른 가상의 동심정육각형(H)의 인접한 관통파이프(20)와 동일간격으로 이격되어 배치될 수 있다.

이와 같은 복수 개의 관통파이프(20)의 배치구조에 따라, 관통파이프(20)를 통과하는 가스에 의해 플러그본체(10)가 더욱더 균일하게 냉각됨에 따라, 열적편차를 최소화하여 열에 의한 응력 구배 및 변형율을 감소시켜서 종국적으로 플러그본체(10)의 수명이 최대한 연장될 수 있다.

더욱 구체적으로, 상기 관통파이프(20)와 인접한 다른 관통파이프(20)와의 파이프 중심간의 이격거리(P)가 관통파이프(20)의 직경의 2배 이상 4배 이하인 것이 바람직하다.

만약 상술된 파이프 중심간의 이격거리(P)가 2배 미만인 경우에는 복수 개의 관통공파이프를 통해 토출되는 가스끼리의 간섭으로 인하여 유량이 저하되고, 4배 초과인 경우에는 복수 개의 관통파이프(20) 간의 열적편차로 인하여 플러그본체(10)의 수명이 저하되는 단점이 있다.

참고로, 상기 플러그본체(10)는 가상의 동심정육각형(H)의 중심점을 중심축으로 하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 플러그본체(10)는 가상의 동심육각형의 중심점(P)을 중심축으로 하는 사다리꼴 형상을 취할 수 있는데, 이로 인하여 최외곽 가상의 동심육각형에서의 복수 개의 관통구(20)들은 플러그본체(10)의 테두리와 최대한 비슷한 이격거리를 가짐으로써, 플러그본체(10)에서 최외곽 가상의 동심육각형의 둘레를 따라 이어지는 부분들이 열적평형을 이루게 됨에 따라 열충격을 최대한 낮춤으로써, 플러그본체(10)의 수명이 연장될 수 있다.

본 발명에서 복수 개의 관통파이프(20)는 상술된 바와 같은 배치구조로 가상의 동심정육각형(H) 상에 배열됨으로써, 종래기술의 가스취입플러그에서 발생하는 용탕의 정압에 의한 막힘현상이 일어나는 것을 방지하며, 플러그 변형 또는 융융에 의한 분출 가스량의 저하나 미개공 현상을 방지할 수 있다.

이러한 본 발명의 효과에 대해 도 5 내지 도 8을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 5는 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 실험데이터를 나타낸 표이고, 도 6은 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 설비 적용전의 유량테스트결과를 나타낸 그래프이며, 도 7 및 도 8은 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 설비 적용시의 사용 횟수별 유량 및 압력을 나타낸 그래프이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 종래기술의 관통파이프는 플러그본체의 중심에 위치하고 내경이 7.8mm, 내부단면적(내경 내부의 단면적)이 약 47.78mm²이며, 본 발명의 관통파이프는 18개 가상의 정육각형 상에서 12mm 간격으로 배치되고 내경이 2mm, 내부단면적이 약 56.61mm²이다.

여기에서, 종래기술의 관통파이프는 본 발명의 관통파이프와 내부단면적을 비교할 때, 종래기술 관통파이프의 내부단면적을 지수 100이라고 할 때 본 발명 관통파이프의 내부단면적은 지수가 118로서 18%가량 내부단면적이 크다.

그리고, 설비 적용전의 유량테스트에서는 상온의 동일한 환경조건에서 유량의 압력을 총 5단계로 늘려가면서, 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 유량을 비교했을 때 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

먼저, 압력이 At1.0kg/cm²일 때 종래기술은 유량이 55Nm³/hr이고 본 발명은 유량이 62Nm³/hr로서 본 발명이 13% 더 많이 나왔다.

또한, 압력이 At2.0kg/cm²일 때 종래기술은 유량이 72Nm³/hr이고 본 발명은 유량이 85Nm³/hr로서 본 발명이 18% 더 많이 나왔고, 압력이 At3.0kg/cm²일 때 종래기술은 유량이 84Nm³/hr이고 본 발명은 유량이 94Nm³/hr로서 본 발명이 12% 더 많이 나왔다.

아울러, 압력이 At4.0kg/cm²일 때 종래기술은 유량이 95Nm³/hr이고 본 발명은 유량이 105Nm³/hr로서 본 발명이 11% 더 많이 나왔고, 압력이 At5.0kg/cm²일 때 종래기술은 유량이 103Nm³/hr이고 본 발명은 유량이 115Nm³/hr로서 본 발명이 12% 더 많이 나왔다.

이와 같이 사전유량 테스트 결과, 종래기술과 비교하여 본 발명의 가스취입플러그는 동일한 압력에서 유량이 11%~18% 더 많이 나왔다.

한편, 도 7 및 도 8을 참조하여 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그에 대한 설비 적용시의 사용 횟수별 유량 및 압력을 살펴보면 다음과 같다.

참고로, 설비는 약 1600도의 쇳물이 15분 정도 담겨져 있으며, 종래기술과 본 발명의 가스취입플러그는 쇳물이 담긴 설비의 하부에 설치되어, 관통파이프를 통해 산소기체를 쇳물에 공급되었다.

여기에서, 쇳물은 300ton이 담겨져 있으며, 쇳물의 특성 조절을 위해 하부에서 산소기체가 공급되도록 하며, 기체의 공급은 20분동안 실시되었으며, 쇳물의 균일한 품질을 위해 유량은 항상 동일하게 유지되었고, 이때 유량은 압력으로 조정되었다. 유량이 균일하게 나오는 경우에는 압력도 일정하게 유지되지만, 유량이 잘 나오지 않는 경우에는 압력을 높여 유량이 일정 수준으로 조정되었다. 즉, 압력의 변화량으로 유량의 공급량을 알 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 사용횟수는 시작부터 350회까지는 0.9m³/Min의 유량으로, 700회까지는 1.0m³/Min의 유량으로, 1000회까지는 1.1m³/Min의 유량으로 유지되었을 때 압력의 변화를 비교하면 도 8과 같은 결과가 나타났다.

즉, 도 8의 결과를 보면 알 수 있듯이 본 발명의 가스취입플러그가 종래기술보다 적은 압력으로도, 도 7에서와 같이 동일한 유량을 공급함을 알 수 있다.

구체적으로, 사용횟수가 1000회까지 증가하는 과정에서 본 발명은 종래기술과 비교하여 적은 압력으로도 동일한 유량을 공급하였다.

이때, 1000회까지 종래기술 가스취입플러그의 평균 압력은 10.3Bar이고, 본 발명 취입플러그의 평균 압력은 9.5 Bar로서, 9% 정도 적은 압력으로도 동일한 유량을 공급함을 알 수 있다.

또한, 종래기술의 가스취입플러그는 사용회수 90회, 377회, 620회, 789회, 971회 시점에서 갑자기 압력이 높아지는 구간이 발생되었다. 종래기술의 관통파이프로 쇳물이 역류하여 흘러들어감에 따라 순간 부분 막힘현상(압력14bar 이상으로 급등하는 구간)이 발생되어, 일정 유량을 맞추기 위해 높은 압력이 공급되었다. 1000회 사용 중 5번의 막힘 현상이 발생되었다.

본 발명의 가스취입플러그는 1000회 사용시까지 종래기술 대비 안정된 압력으로 기체를 공급하였으며, 막힘현상이 발생되지 않았다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 가스취입플러그는 설비 적용전의 유량테스트 결과 동일한 압력조건에서 종래기술에 비하여 11%~18% 유량이 더 많이 나왔으며, 설비 적용시의 유량 및 압력 테스트에서는 1000회 사용시까지 막힘현상이 발생하지 않고 일정 수준으로 유량이 지속적으로 공급되었다.

이에 비하여, 종래기술의 가스취입플러그는 1000회 사용시까지 5번의 막힘현상 발생으로 압력이 높아졌으며, 평균압력 또한 본 발명에 비해 9% 높게 유지되었다.

즉, 본 발명의 가스취입플러그는 실제 설비에서 막힘현상(압력14bar 이상으로 급등하는 구간) 없이 종래기술 대비 저압력으로 유량을 공급하였다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

10 : 플러그본체 20 : 관통파이프
H : 가상의 동심정육각형 L : 가상의 직선
P : 파이프 중심간의 이격거리 80 : 가스공급관
90 : 가스챔버

Claims (6)

1. 용융금속이 수용되는 수용부재에 연결된 플러그본체; 및
   상기 플러그본체에 길이방향을 따라 관통배치되며, 상기 용융금속에 가스를 취입시키도록 가스가 공급되어 유동되는 복수 개의 관통파이프;를 포함하며,
   복수 개의 상기 관통파이프는, 상기 플러그본체의 길이방향과 수직인 수직면 상에서 복수 개 가상의 동심정육각형 상에 배열되며,
   복수 개 상기 가상의 동심정육각형은 중심점에서 동일간격으로 이격배치되고, 서로 다른 상기 가상의 동심정육각형의 인접한 꼭지점들은 중심점으로부터 이어진 가상의 직선 상에 배치된 가스취입플러그.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 관통파이프는 상기 가상의 동심정육각형의 꼭지점에 배치되고, 상기 가상의 동심정육각형의 변에 선택적으로 배치된 것을 특징으로 하는 가스취입플러그.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 가상의 동심정육각형 상에서 복수 개의 상기 관통파이프는 동일간격으로 이격되어 배치되고,
   상기 가상의 동심정육각형에서의 상기 관통파이프는, 다른 상기 가상의 동심정육각형의 인접한 상기 관통파이프와 동일간격으로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 가스취입플러그.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 관통파이프와 인접한 다른 상기 관통파이프와의 파이프 중심간의 이격거리가 상기 관통파이프의 직경의 2배 이상 4배 이하인 것을 특징으로 하는 가스취입플러그.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플러그본체는 마그네시아 카본질 내화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스취입플러그.
   
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플러그본체는 상기 가상의 동심정육각형의 중심점을 중심축으로 하는 것을 특징으로 하는 가스취입플러그.
   

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