KR20210010084A

KR20210010084A - 스테이브 및 스테이브의 제조방법

Info

Publication number: KR20210010084A
Application number: KR1020190087508A
Authority: KR
Inventors: 이해양; 조한진
Original assignee: 주식회사 서울엔지니어링
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-27
Also published as: KR102260015B1; WO2021015409A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 고로의 내주에 설치되는 스테이브를 제조하는 방법은, 압연가공된 압연판재의 일측으로부터 상기 일측의 반대측을 향해 드릴가공하여, 상기 압연판재의 내부에 냉각유로를 형성하고, 상기 압연판재를 밴딩가공하여, 상기 고로의 내부공간과 대향되고 오목한 내측면과, 상기 내측면과 반대측에 외치하고 볼록한 외측면을 형성하며, 상기 내측면을 절삭하여, 돌기와 상기 돌기들 사이에 배치되는 복수의 홈들을 형성한다.

Description

스테이브 및 스테이브의 제조방법{STAVE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE STAVE}

본 발명은 스테이브 및 스테이브의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고로에 설치되는 스테이브 및 스테이브의 제조방법에 관한 것이다.

고로(blast furnace)는 철광석을 용융시켜 용선(溶銑)을 제조한다. 철광석과 코크스는 고로 내에 교대로 장입되며, 송풍구(tuyere)를 통해 열풍을 불어넣어 코크스를 연소시키면 코크스의 고열에 의해 철광석이 용융되어 용선이 생산된다.

스테이브는 고로의 내주에 설치되어, 용선 제조과정에서 발생되는 고열로부터 고로를 보호하고 고로를 냉각하며, 냉각수는 스테이브의 내부에 형성된 냉각유로를 통해 순환공급되어 스테이브를 냉각할 수 있다. 따라서, 스테이브는 높은 열전도 성능이 요구되며, 저온부는 철 재질이 사용되기도 하나 고온부는 동(銅) 재질이 사용된다.

한국공개특허공보 1999-0072479호(1999.09.27.)

본 발명의 목적은 높은 열전달 성능을 가지는 스테이브 및 스테이브의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 홈 내에 장입물을 퇴적시켜 스테이브 본체를 보호할 수 있는 스테이브 및 스테이브의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.

상기 홈은, 상기 압연판재의 길이방향을 따라 위치하는 저면; 상기 돌기들 중 어느 하나와 인접한 상측면; 그리고 상기 저면을 기준으로 상기 상측면과 반대편에 위치하고 상기 돌기들 중 다른 하나와 인접한 하측면을 가지되, 상기 상측면과 상기 저면이 이루는 각은 90도 이하이고, 상기 하측면과 상기 저면이 이루는 각은 예각일 수 있다.

상기 홈은, 상기 저면과 상기 상측면을 연결하는 상곡면; 그리고 상기 저면과 상기 하측면을 연결하는 하곡면을 가질 수 있다.

상기 상곡면의 곡률반경은 2 내지 4mm이고, 상기 하곡면의 곡률반경은 13 내지 17mm일 수 있다.

상기 돌기들과 상기 홈들은 상기 압연판재의 길이방향을 따라 교대로 배치되며, 상기 돌기와 상기 홈이 하나의 단위를 이루어, 상기 압연판재의 길이방향에 따른 상기 단위의 폭은 130 내지 170mm일 수 있다.

상기 돌기는 상기 압연판재의 길이방향에 따른 폭이 33 내지 39mm일 수 있다.

상기 돌기의 선단면은 Fe-Cr 합금 또는 Ni-Cr 합금으로 코팅될 수 있다.

고로의 내주에 설치되는 스테이브는, 상기 고로의 내부공간에 대향되는 기준면을 가지는 스테이브 본체; 그리고 준면으로부터 상기 고로의 내측을 향해 돌출되며, 상기 고로의 상하방향으로 이격되어 사이에 각각 홈이 형성되는 돌기들을 포함하되, 상기 홈은, 상기 고로의 상하방향을 따라 배치되는 저면; 상기 돌기들 중 어느 하나와 인접한 상측면; 그리고 상기 저면을 기준으로 상기 상측면과 반대편에 위치하고 상기 돌기들 중 다른 하나와 인접한 하측면을 가지되, 상기 상측면과 상기 저면이 이루는 각은 90도 이하이고, 상기 하측면과 상기 저면이 이루는 각은 예각이다.

상기 스테이브는, 상기 돌기의 선단면에 형성되어 Fe-Cr 합금 또는 Ni-Cr 합금인 코팅층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 압연가공된 압연판재를 사용하므로써 스테이브 본체의 열전달 성능을 크게 개선할 수 있다. 또한, 압연판재를 절삭가공하여 돌기와 홈을 형성함으로써, 홈의 형상을 다양하게 채택할 수 있다. 따라서, 장입물이 홈 내에 쉽게 퇴적되고 쉽게 탈락되지 않는 홈의 형상을 채택하고 구현할 수 있으며, 퇴적층을 통해 스테이브 본체가 마모되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이브가 설치된 고로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 스테이브를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시한 돌기와 홈을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시한 냉각유로와 급수구 및 배수구를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 2에 도시한 냉각유로와 급수관을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시한 냉각유로를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이브 제조방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 9를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이브가 설치된 고로를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 고로(10)는 통 형상이며, 고로(10)의 내경은 하부를 향해 확장되다가 축소된다.

고로(10)의 상단에 설치된 장입 장치(도시안함)는 고로(10)의 내부로 입상의 장입물을 장입하며, 장입물은 광석계 장입물과 코크스계의 장입물을 포함하여 교대로 장입된다. 그 결과, 고로(10) 내에는 철광석과 코크스가 교대로 적층된다.

송풍구(tuyere)는 고로(10)에 설치되어 열풍을 공급하며, 코크스가 열풍에 의해 승온되어 연소하면 코크스의 고열에 의해 철광석이 용융되고 용선(쇳물)이 생산된다. 용선은 고로(10)에 설치된 출선구를 통해 외부로 취출될 수 있다.

스테이브(20)는 고로의 내주에 설치되며, 고로(10)의 내주에 설치되어 용선 제조과정에서 발생되는 고열로부터 고로(10)를 보호하고 고로(10)를 냉각한다. 도 2는 도 1에 도시한 스테이브를 나타내는 도면이다.

스테이브(20)는 스테이브 본체(21)와 복수의 돌기들(26)을 구비한다. 스테이브 본체(21)는 고로(10)의 내부공간에 대향되는 기준면(R)을 가진다. 돌기들(26)은 기준면(R)으로부터 고로(10)의 내측을 향해 돌출되며, 돌기들(26)은 스테이브 본체(21)와 일체로 형성된다.

스테이브 본체(21)는 구리 또는 구리합금재질이며, 압연가공된 판재 형상이나, 구리 또는 구리합금재질이 아닐 수 있다. 다만, 구리 또는 구리합금재질이 스테이브(20)의 냉각효율을 높일 수 있으므로 바람직하다. 주조가공은 금속을 용해하여 이를 냉각, 응고시키는 과정이어서 거친 결정조직을 형성하고 다른 가공방식에 비해 기계적 성질을 저하시키는 반면, 압연가공은 압축하중을 가하여 균일한 조직을 형성하며, 이를 통해 스테이브 본체(21)의 열전달성능을 개선할 수 있다.

도 3 및 도 4는 도 2에 도시한 돌기와 홈을 나타내는 도면이다. 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 돌기들(26)은 스테이브 본체(21)의 표면에 수평하게 연속되어, 복수열로 형성된다.

홈(23)은 돌기들(26)의 사이에 형성되며, 상측면(23a) 및 하측면(23b), 그리고 저면(23c)을 가진다. 상측면(23a) 및 하측면(23b), 그리고 저면(23c)은 스테이브 본체(21)의 표면으로부터 절삭가공에 의해 형성되며, 돌기들(26)은 절삭가공을 통해 남겨진 부분에 해당한다. 저면(23c)은 스테이브(20)의 기준면(R)이고, 돌기들(26)은 스테이브(20)의 기준면(R)으로부터 돌출된다.

돌기들(26)은 스테이브(20)가 고로(20)에 설치된 경우, 고로(20)의 주위 방향을 따라 연속적으로 설치되며, 돌기들(26)은 고로(20) 내의 주위 방향을 따라 원환상을 형성할 수 있다. 다만, 본 실시예와 달리, 돌기들(26)은 고로(20) 내의 주위 방향을 따라 간헐적으로(단속적으로) 배치될 수 있으며, 다른 형상을 이룰 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상측면(23a) 및 하측면(23b)은 하부를 향해 내측경사진다. 상측면(23a)이 저면(23c)과 이루는 각(θ1)은 거의 직각(예를 들어, 85~95도)이며, 하측면(23b)이 저면(23c)과 이루는 각(θ2)은 예각(예를 들어, 50~80도, 바람직하게는 65도)이다. 다만, 도 4에 도시한 바와 같이, 상측면(23a)과 저면(23c)이 이루는 내각(180-θ1)이 하측면(23b)과 저면(23c)이 이루는 내각(θ2) 보다 크다.

홈(23)은 상곡면(23m) 및 하곡면(23n)을 가지며, 상곡면(23m)은 상측면(23a)과 저면(23c)을 연결하고 하곡면(23n)은 하측면(23b)과 저면(23c)을 연결한다. 상곡면(23m)의 곡률반경(R1)은 2 내지 4mm 이며, 하곡면(23n)의 곡률반경(R2)은 13 내지 17mm 이다.

위와 같은 홈(23)의 형상은 장입물의 정체층을 홈(23) 내에 발생시키며, 이를 통해 장입물에 의한 스테이브의 마모를 대폭 완화할 수 있다. 즉, 고로(10)의 내부에서 장입물은 일정한 속도로 하강한다. 이때, 장입물은 홈(23) 안쪽으로 유입되어 하곡면(23n)에 퇴적될 수 있다. 상곡면(23m) 및 하곡면(23n)은 장입물의 충격에 의한 홈(23)의 파손(크랙발생)을 방지하며, 하곡면(23n)은 유입된 장입물을 홈(23) 안에 안착시킨다.

위와 같은 과정으로, 장입물은 홈(23) 내에 퇴적되며, 이로 인해 홈(23) 내에 정체층이 형성된다. 정체층은 홈(23) 내에서 하곡면(23n) 및 하측면(23b), 저면(23c), 상곡면(23m) 및 상측면(23a)을 차례로 덮으며, 정체층은 스테이브의 마모 완화 효과를 발휘할 수 있다. 한편, 하곡면(23n)은 장입물이 홈(23) 내에 안착하고 성장하여 정체층을 형성하는 것을 도울 뿐만 아니라, 장입물에 대한 접촉면적을 늘려 스테이브 본체(21)에 부착된 정체층이 탈락하는 것을 방지하며, 하측면(23b)은 장입물이 홈(23) 밖으로 이탈하는 것을 방지한다.

결론적으로, 위와 같은 홈(23)의 형상은 장입물의 유입과 안착, 그리고 성장을 통한 정체층의 형성을 돕고, 이를 통해 스테이브(20)의 마모 완화 효과를 발휘할 수 있다.

도 5는 도 2에 도시한 냉각유로와 급수구 및 배수구를 나타내는 도면이며, 도 6 및 도 7은 도 2에 도시한 냉각유로와 급수관을 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이, 스테이브 본체(21)는 내부에 형성된 냉각유로(27)를 가지며, 냉각유로(27)는 스테이브(20)의 기준면(R)을 따라 대체로 나란하게 배치된다. 급수관(25) 및 배수관(24)이 냉각유로(27)에 연결되며, 급수관(25)을 통해 공급된 냉각수는 냉각유로(27)를 따라 흘러 배수관(24)을 통해 배출되고 스테이브(20)는 냉각된다.

냉각유로(27)는 스테이브 본체(21)를 드릴가공(또는 건드릴)하여 형성할 수 있다. 드릴가공은 스테이브 본체(21)의 상부면(도 5를 기준으로)으로부터 하부를 향해 실시되며, 스테이브 본체(21)의 하부면으로부터 이격된 위치까지 실시된다. 또한, 드릴가공은 스테이브 본체(21)의 반대면(도 1의 20b)으로부터 이미 형성된 냉각유로(27)를 향해 추가로 실시되며, 이와 같은 방법으로 냉각유로(27)에 연결된 급수구 및 배수구를 형성할 수 있다.

이후, 플러그(2)를 냉각유로(27)의 상부에 삽입하여 냉각유로(27)를 외부로부터 차단할 수 있으며, 급수관(25) 및 배수관(24)은 용접을 통해 냉각유로(27)의 급수구 및 배수구에 각각 연결된다. 플러그(2)는 하단에 형성되어 급수관(25) 및 냉각유로(27)와 인접한 안내면(22)을 가지며, 플러그(2)가 냉각유로(27)에 삽입된 상태에서, 안내면(22)은 급수관(25)의 내측면과 냉각유로(27)의 내측면을 연결하는 곡면을 이루어, 급수관(25)을 통해 유입된 냉각수를 냉각유로(27)를 향해 안내할 수 있으며, 이를 통해 냉각수의 압력손실 등 에너지손실을 최소화할 수 있다.

또한, 도 2 및 도 5에 도시한 바와 같이, 스테이브 본체(21)는 볼트홀(14b) 및 써모커플홀(12h)를 가진다. 볼트(14)가 고로(10)를 관통하여 볼트홀(14b)에 삽입됨으로써 스테이브(20)는 고로(10)에 고정되며, 써모커플(12)은 고로(10)를 관통하여 써모커플홀(12h)에 삽입되어 스테이브 본체(21)의 온도를 감지한다.

돌기들(26)의 선단면은 Fe-Cr 합금 또는 Ni-Cr 합금의 고경도 재료로 코팅될 수 있으나, 필요에 따라, TiN, TiC, WC, Ti-Al-N계 등의 고경도 재료로 대체될 수 있다. 코팅방식은 MIG 용접 또는 TIG 용접을 통해 이루어질 수 있으며(보호용 가스로는 He가스 또는 Ar가스가 사용됨), 용접 전에 충분한 예열을 통해 크랙이 발생되지 않도록 해야 한다. Fe-Cr 합금/Ni-Cr 합금의 조성 및 특징은 아래 표 1 및 2와 같다.

%	C	Si	Mn	Ni	Cr	Fe	Cb
Fe-Cr	≤0.2	-	-	≤0.6	23~27	Rem.	-
Ni-Cr	≤0.1	≤0.5	2.5~3.5	Rem.	18~22	≤3.0	2~3

	Fe-Cr	Ni-Cr
Melting point(℃)	1500(2732℉)	1300~1368(2372~2495℉)
Hardness(Hv)	224	195
Tensile stress(N/mm2)	576	688
Elongation(%)	25	40.3

돌기들(26)의 선단면은 앞서 설명한 정체층으로 덮이지 않고 노출되어, 장입물에 의해 지속적으로 마모될 수 있으며, 코팅을 통해 마모를 억제할 수 있다. 돌기(26)는 기준면(R)으로부터 돌출높이(E)가 30 내지 35mm이며, 돌기(26)의 폭(T)은 33 내지 39mm이다. 돌기들(26)과 홈들(23)은 교대로 배치되며, 돌기(26)와 홈(23)이 하나의 단위를 이루고 단위의 폭(D)은 130 내지 170mm이다.

도 8은 도 7에 도시한 냉각유로를 나타내는 단면도이다. 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 냉각유로(27)는 스테이브 본체(21)의 두께방향을 따른 직경(d)과 스테이브 본체(21)의 너비방향을 따른 너비(2r+L)를 가지며, 냉각유로(27)의 직경(d)은 2r에 해당한다.

냉각유로(27)는 반경(r)을 가진 2개의 원이 중첩된 형상의 단면을 가지며, 각 원의 중심은 L(단, r<L<2r)만큼 이격된다. r은 18~20mm이고, L은 22~26mm일 수 있다. 따라서, 냉각유로(27)가 스테이브 본체(21)의 내측면(도 8을 기준으로 하부면), 즉 냉각대상면에 대해 노출되는 면적을 극대화할 수 있으며, 이를 통해 스테이브 본체(21)의 두께를 증가시키지 않고도 냉각효율을 개선할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이브 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 앞서 설명한 스테이브(20)는 압연가공된 압연판재를 드릴가공하여 냉각유로(27)를 먼저 형성한다. 1회의 드릴가공을 통해 반경(r)을 가지는 하나의 냉각유로를 형성하고 이어서 1회의 드릴가공을 통해 앞서 형성된 냉각유로와 중첩되는 또 하나의 냉각유로를 형성하며, 이를 통해 도 8에 도시한 냉각유로(27)의 단면 형상, 2개의 원형단면인 냉각유로가 중첩된 단면 형상이 완성될 수 있다.

다만, 냉각유로(27)는 앞서 설명한 형상과 다르게 형성될 수 있으며, 냉각유로(27)가 형성된 이후에 플러그(2)를 냉각유로(27)의 일부에 삽입하여 냉각유로(27)를 외부로부터 차단한다.

이후, 압연판재를 밴딩하여 고로(10)의 내부공간에 대향되는 내측면(도 1의 20a)을 오목하게 하고, 반대측에 위치하는 반대면(도 1의 20b)을 볼록하게 형성한다. 앞서 설명한 바와 같이, 고로(10)는 통 형상이므로, 압연판재를 고로(10)의 형상에 맞추어 밴딩가공한다.

이후, 압연판재의 내측면을 절삭가공하여, 앞서 설명한 형상을 가진 돌기(26)와 홈(23)을 형성한다. 절삭가공은 압연판재보다 경도가 큰 공구(tool)를 사용하여 압연판재를 깎아내는 작업을 말하며, 바이트, 드릴, 커터 등과 같은 절삭날이 사용될 수 있다.

본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims

고로의 내주에 설치되는 스테이브를 제조하는 방법에 있어서,
압연가공된 압연판재의 일측으로부터 상기 일측의 반대측을 향해 드릴가공하여, 상기 압연판재의 내부에 냉각유로를 형성하고,
상기 압연판재를 밴딩가공하여, 상기 고로의 내부공간과 대향되고 오목한 내측면과, 상기 내측면과 반대측에 외치하고 볼록한 외측면을 형성하며,
상기 내측면을 절삭하여, 돌기와 상기 돌기들 사이에 배치되는 복수의 홈들을 형성하되,
상기 홈은,
상기 압연판재의 길이방향을 따라 위치하는 저면;
상기 돌기들 중 어느 하나와 인접한 상측면; 및
상기 저면을 기준으로 상기 상측면과 반대편에 위치하고 상기 돌기들 중 다른 하나와 인접한 하측면을 가지되,
상기 상측면과 상기 저면이 이루는 각은 90도 이하이고, 상기 하측면과 상기 저면이 이루는 각은 예각인, 스테이브 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 홈은,
상기 저면과 상기 상측면을 연결하는 상곡면; 및
상기 저면과 상기 하측면을 연결하는 하곡면을 가지되,
상기 상곡면의 곡률반경은 2 내지 4mm이고,
상기 하곡면의 곡률반경은 13 내지 17mm인, 스테이브 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 돌기들과 상기 홈들은 상기 압연판재의 길이방향을 따라 교대로 배치되며,
상기 돌기와 상기 홈이 하나의 단위를 이루어, 상기 압연판재의 길이방향에 따른 상기 단위의 폭은 130 내지 170mm인, 스테이브 제조방법.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 돌기는 상기 압연판재의 길이방향에 따른 폭이 33 내지 39mm인, 스테이브 제조방법.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 돌기의 선단면은 Fe-Cr 또는 Ni-Cr 합금으로 코팅되는, 스테이브 제조방법.
고로의 내주에 설치되는 스테이브에 있어서,
상기 고로의 내부공간에 대향되는 기준면을 가지는 스테이브 본체;
상기 기준면으로부터 상기 고로의 내측을 향해 돌출되며, 상기 고로의 상하방향으로 이격되어 사이에 각각 홈이 형성되는 돌기들을 포함하되,
상기 홈은,
상기 고로의 상하방향을 따라 배치되는 저면;
상기 돌기들 중 어느 하나와 인접한 상측면; 및
상기 저면을 기준으로 상기 상측면과 반대편에 위치하고 상기 돌기들 중 다른 하나와 인접한 하측면을 가지되,
상기 상측면과 상기 저면이 이루는 각은 90도 이하이고, 상기 하측면과 상기 저면이 이루는 각은 예각인, 스테이브.
제6항에 있어서,
상기 홈은,
상기 저면과 상기 상측면을 연결하는 상곡면; 및
상기 저면과 상기 하측면을 연결하는 하곡면을 가지되,
상기 상곡면의 곡률반경은 2 내지 4mm이고,
상기 하곡면의 곡률반경은 13 내지 17mm인, 스테이브.
제7항에 있어서,
상기 돌기들과 상기 홈들은 상기 고로의 상하방향을 따라 교대로 배치되며,
상기 돌기와 상기 홈이 하나의 단위를 이루어, 상기 고로의 상하방향에 따른 상기 단위의 폭은 130 내지 170mm인, 스테이브.
제6항 또는 제8항에 있어서,
상기 돌기는 상기 압연판재의 길이방향에 따른 폭이 33 내지 39mm인, 스테이브.
제6항 또는 제8항에 있어서,
상기 스테이브는, 상기 돌기의 선단면에 형성되어 Fe-Cr 합금 또는 Ni-Cr 합금인 코팅층을 더 포함하는, 스테이브.