KR20220086825A

KR20220086825A - 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20220086825A
Application number: KR1020200176960A
Authority: KR
Inventors: 이용우
Original assignee: 주식회사 포스코건설
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-24
Also published as: KR102454776B1

Abstract

고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치 및 방법이 제공된다. 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치는, 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하는 제1 모듈과, 수행된 열 해석에 따라 고로 내화물의 온도 분포를 구하는 제2 모듈과, 구한 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 고로 내화물 중 기 설정된 침식 온도 이상인 부분은 침식된 것으로 간주하여 제거하는 제3 모듈을 포함하며, 기 설정된 침식 온도는 내화물의 재질별로 상이한 값을 가질 수 있다.

Description

고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF MODELLING EROSION PREDICTION OF REFRACTORY IN BLAST FURNACE}

본 출원은, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치 및 방법에 관한 것이다.

용광로는 수직로(shaft furnace)의 일종이며 고로(高爐)라고 부르기도 하나 열풍을 공급하여 코크스를 연소시키기 때문에 영어로는 Blast Furnace (BF)로 통칭하는 것이 일반적이다.

이러한 고로에 축조되는 내화물은 고온에 견디고 고온에서 용해가 안되는 성질 이외에 고온에서 용적의 변화가 적고 기계적 강도가 있고 열의 급변에 견디며, 고온에서 내화물에 접촉하는 가스, 용융체, 고체 등과 침식, 마모 등에 대한 저항성 등의 여러가지 성질이 요구된다. 고로의 위치별 특성을 파악하여 그 특성에 맞는 적절한 내화물을 선정하는 것이 중요하다.

한편, 최근 고로 조업 기술의 발달로 고출선비, 고 PCI(Pulverized Coal Injection) 조업(미분탄 조업?)의 영향으로 장입물의 하중이 증가되고, 환원속도 증가 및 열부하 증가로 인한 장입물 강하속도 향상에 따른 노벽의 장치물의 마모속도가 증가됨으로써 고로 수명에 중요한 영향을 미치고 있다.

이러한 열부하 증가에 대응하면서 고로의 장수명화 설계를 하기 위해서는 내마모성이 높은 내화물을 적용하는 것이 중요하나 내마모성이 높은 내화물 사용은 초기 건설 비용이 높다.

한국등록특허 제10-1853830호(공개일:2018년04월25일)

본 출원은, 고로의 위치 별 특성에 따른 적절한 내화물의 선정이 가능하며, 이를 통해 고로의 초기 건설 비용을 줄일 수 있는 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하는 제1 모듈; 수행된 상기 열 해석에 따라 상기 고로 내화물의 온도 분포를 구하는 제2 모듈; 및 구한 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 상기 고로 내화물 중 기 설정된 침식 온도 이상인 부분은 침식된 것으로 간주하여 제거하는 제3 모듈;을 포함하며, 상기 기 설정된 침식 온도는, 상기 내화물의 재질별로 상이한 값을 가지는, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 침식 예측 모델링 장치는, 상기 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하였는지 판단하는 제4 모듈을 더 포함하며, 상기 판단 결과, 상기 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하지 않은 경우에는 제거된 부분을 제외한 내화물에 대해 상기 제1 모듈에 의한 동작, 상기 제2 모듈에 의한 동작 및 상기 제3 모듈에 의한 동작을 반복할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제2 모듈은, 구한 상기 온도 분포를 온도별로 상이한 색상으로 디스플레이할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 모듈은, 용융 과정에서 생성되는 부산물(deadman)의 부상(buoyancy) 정도를 고려한 데드맨 부상(deadman buoyancy)의 케이스 별로 상이한 값을 가진 대류열전달계수 및 온도를 입력받아 열해석을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 제1 모듈에서, 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하는 제1 단계; 제2 모듈에서, 수행된 상기 열 해석에 따라 상기 고로 내화물의 온도 분포를 구하는 제2 단계; 및 제3 모듈에서, 구한 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 상기 고로 내화물 중 기 설정된 침식 온도 이상인 부분은 침식된 것으로 간주하여 제거하는 제3 단계;를 포함하며, 상기 기 설정된 침식 온도는, 상기 내화물의 재질별로 상이한 값을 가지는, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하고, 열 해석에 따른 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 침식으로 간주된 부분을 제거함으로써, 고로의 위치 별 특성에 따른 적절한 내화물의 선정이 가능하며, 이를 통해 고로의 초기 건설 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 고로 내부의 개략적인 구조 및 용선의 생산 순서를 도시한 도면이다.
도 2는 고로 내부의 단면도로, 고로 내부에 축조되는 상이한 재질의 내화물을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 수행된 열 해석을 통해 구한 내화물의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 반복적인 열 해석에 따른 생애 주기별 침식 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 방법을 설명하는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 고로 내부의 개략적인 구조 및 용선의 생산 순서를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고로는 철광석을 환원시켜 선철(이하, 용선)을 생산하는 설비로서, 용광로 내부에 철광석과 코크스, 그리고 부원료를 적층하고 용광로 하부 원주방향으로 설치된 송풍구를 통해 고온 열풍을 공급하여 코크스를 산화시키고, 여기서 생성된 CO가스로 철광석을 환원시켜 용융상태의 용선을 생산하는 설비이다.

고로 제철법은 대량생산에 적합하며 제조 비용이 저렴 하기 때문에 제선-제강-압연 공정으로 이루어지는 현대의 일관제철소에서는 필수적인 공정이 되고 있으며 설비의 기능 에 있어서는 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

- 사용 가능한 원료조성의 범위가 넓고 철분 회수율이 높다.

- 연속식 조업이며 설비의 대형화가 가능하여 생산성이 높다.

- 고체(장입물)/기체(환원가스) 사이의 열교환 효율과 반응효율이 높다.

- 가동률이 99% 정도로 높고 노체 수명이 길다(15~20년)

고로의 대체적인 구조는 내화벽돌을 쌓아 올린 원통형 본체와 코크스 연소 용 열풍을 공급하는 환상관(열풍로의 열풍을 전달) 및 송풍지관이 구비되며, 원통형 본체에는 노내의 압력(약 4bar)을 견딜수 있도록 철피가 설계된다. 이때 철피를 보호하기 위해 내부에 연와(내화벽돌)를 축조하며 연와의 온도상승에 따른 열손실을 막기 위해 연와 내부에 냉각 시스템이 구비된다. 이러한 내화물은 노내의 위치에 따라 역할이 구분되며 그 종류 또한 조성에 따라 여러가지이다.

고로의 하부에는 최대 1,500℃의 용융된 용선이 존재하며 상부에는 최대 1,100℃의 고온 환원가스가 상승하고, 최상부에서는 철광석과 코크스가 지속적으로 투입되어 송풍구 상부까지 순차적으로 하강하게 된다. 이로 인해 용광로 하부의 내화물은 고온의 용융된 용선에 의해 화학적 마모에 노출되고 용선의 출선에 의한 용선 유동에 의해 기계적 마모 현상이 발생하게 된다. 이러한 노저부 내화물의 마모 방지와 철피의 적열 현상을 방지하기 위해 용광로 노저부 외벽부와 바닥부에 적절한 냉각 장치가 설치된다.

한편, 도 2는 고로 내부의 단면도로, 고로 내부에 축조되는 상이한 재질의 내화물을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고로 내부에는 노저부 내부의 내화물의 빠른 열 배출을 위해 열전도도가 높은 카본 내화물(제1 내화물부)이 구성되며, 고온의 용선이 카본 내화물에 직접적인 열충격이 가해지는 것을 방지하기 제 1 내화물부 내부에 세라믹 내화물(제2 내화물부)이 배치된다. 상술한 세라믹 내화물도 세라믹 내화물 1 내지 세라믹 내화물 4로 다양한 종류가 있을 수 있다.

상술한 고로를 장시간 사용하게 되면, 우선 세라믹 내화물(제2 내화물부)이 먼저 침식되게 되며, 이후 카본 내화물(제1 내화물부)에 침식이 진행되며, 카본 내화물이 일정 두께 이하로 잔존하게 되면 고로의 개수 공사를 진행하여야 한다(평균 15년 주기).

한편, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치의 블록도이다. 이하, 도 4을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치를 상세하게 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치(100)는 제1 모듈(110), 제2 모듈(120), 제3 모듈(130) 및 제4 모듈(140)을 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로, 제1 모듈(110)은 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행할 수 있다. 수행된 열 해석의 결과는 제2 모듈(120)로 전달될 수 있다.

고로 내화물에 대한 열 해석을 위해, 상이한 재질의 내화물 각각의 물성값들(예를 들면, 밀도, 중량 등), 경계 조건 등과, 내화물 표면의 온도 및 용선의 대류열전달계수가 제1 모듈(110)로 입력될 수 있다. 이러한 고로 내화물에 대한 열 해석의 구체적인 과정은 당업자의 필요에 따라 다양하게 실시될 수 있으며, 본 발명에서는 열 해석 과정을 구체적으로 설명하지는 않는다.

또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 열 해석을 위해 용융 과정에서 생성되는 부산물(deadman)의 부상(buoyancy) 정도를 고려한 데드맨 부상('deadman buoyancy' 또는 'deadman floating'이라 함)을 고려하여 케이스 별로 상이한 값을 가진 대류열전달계수 및 온도를 입력받아 열해석을 수행할 수도 있다.

데드맨 부상의 케이스는 용융상태의 용선을 생산하는 과정에서 부산물(deadman)이 플로팅(floating)되는 제1 케이스(부산물이 완전 뜨는 것을 의미함), 세미-플로팅(semi-floating)되는 제2 케이스(부산물이 중간 정도 잠기는 것을 의미함), 시팅(sitting) 되는 제3 케이스(부산물이 가라앉는 것을 의미함)로 구분될 수 있으며, 당업자의 필요에 따라 이들 중 어느 하나의 케이스가 되도록 고로를 제어할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 위와 같은 용융 과정에서 생성되는 부산물(deadman)의 부상(buoyancy) 정도를 고려한 데드맨 부상(deadman buoyancy)의 케이스 별로 상이한 값을 가진 대류열전달계수 및 온도를 입력받아 열해석을 수행할 수도 있다.

제2 모듈(120)은 수행된 열 해석에 따라 고로 내화물의 온도 분포를 구할 수 있다. 또한, 제2 모듈(120)은 구한 온도 분포를 온도별로 상이한 색상으로 디스플레이할 수 있다.

제3 모듈(130)은 구한 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 고로 내화물 중 기 설정된 침식 온도 이상인 부분은 침식된 것으로 간주하여 제거할 수 있다.

여기서, 기 설정된 침식 온도는, 내화물의 재질별로 상이한 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 세라믹 내화물 1의 경우 1350도일 수 있으며, 카본 내화물의 경우는 1150도 등일 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 수행된 열 해석을 통해 구한 내화물의 온도 분포를 도시한 도면이다. 도 4의 (a)는 고로에 축조되는 내화물을 재질에 따라 달리 표현한 것이며, 도 4의 (b)는 상술한 제1 모듈(110) 내지 제3 모듈(130)에 의한 동작 수행 결과 침식된 부분을 제거한 후 내화물의 재질별로 색상을 달리하여 도시한 것이며, 도 4의 (c)는 제1 모듈(110) 내지 제3 모듈(130)에 의한 동작 수행 결과 침식된 부분을 제거한 후 내화물의 온도 분포를 도시한 도면이다.

도 4의 (c)에 도시된 바에 의하면, 내화물의 침식 지점과 침식 지점의 온도를 디스플레이함으로써, 내화물의 어느 지점에서 침식이 일어났는지 그리고 침식 지점의 온도를 쉽게 파악할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 반복적인 열 해석에 따른 생애 주기별 침식 결과를 도시한 도면이다. 도 5의 (a)는 침식 초기, 도 5의 (b)는 침식 중기, 도 5의 (c)는 침식 말기이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상술한 상술한 제1 모듈(110) 내지 제3 모듈(130)에 의한 동작을 반복 수행함으로써, 시간이 경과함에 따른 결과를 확인할 수 있다. 특히, 도 5에 의하면, 내화물의 하부 모서리 부분의 침식이 가속화되는 것을 발견할 수 있으며, 이러한 침식 형태를 철강 분야에서는 'Elephant foot'라고 칭할 수 있다.

한편, 제4 모듈(140)은 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하였는지 판단할 수 있으며, 판단 결과 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하지 않은 경우에는 제거된 부분을 제외한 내화물에 대해 제1 모듈(110)에 의한 동작, 제2 모듈(120)에 의한 동작 및 제3 모듈(130)에 의한 동작이 반복될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하고, 열 해석에 따른 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 침식으로 간주된 부분을 제거함으로써, 고로의 위치 별 특성에 따른 적절한 내화물의 선정이 가능하며, 이를 통해 고로의 초기 건설 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 방법을 설명하는 흐름도이다. 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 5와 관련하여 중복된 부분에 대한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 방법은 제1 모듈(110)에서, 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하는 단계에 의해 개시될 수 있다(S601). 수행된 열 해석의 결과는 제2 모듈(120)로 전달될 수 있다.

고로 내화물에 대한 열 해석을 위해, 상이한 재질의 내화물 각각의 물성값들(예를 들면, 밀도, 중량 등), 경계 조건 등과, 내화물 표면의 온도 및 용선의 대류열전달계수가 제1 모듈(110)로 입력될 수 있음은 상술한 바와 같다.

다음, 제2 모듈(120)에서는, 수행된 열 해석에 따라 고로 내화물의 온도 분포를 구할 수 있다(S602). 제2 모듈(120)은 구한 온도 분포를 온도별로 상이한 색상으로 디스플레이할 수 있음은 상술한 바와 같다.

다음, 제3 모듈(130)은 구한 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 고로 내화물 중 기 설정된 침식 온도 이상인 부분은 침식된 것으로 간주하여 제거할 수 있다(S603). 여기서, 기 설정된 침식 온도는, 내화물의 재질별로 상이한 값을 가질 수 있음은 상술한 바와 같다.

한편, 단계 S604에서, 제4 모듈(140)은 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하였는지 판단할 수 있으며(S604), 판단 결과 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하지 않은 경우에는 제거된 부분을 제외한 내화물에 대해 단계 S601 내지 단계 S603이 반복될 수 있다.

상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고로 내화물의 침식 예측 모델링 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, '~ 모듈'은 다양한 방식, 예를 들면 프로세서, 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 명령들, 소프트웨어 모듈, 마이크로 코드, 컴퓨터 프로그램 생성물, 로직 회로, 애플리케이션 전용 집적 회로, 펌웨어 등에 의해 구현될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

100: 침식 예측 모델링 장치
110: 제1 모듈
120: 제2 모듈
130: 제3 모듈
140: 제4 모듈

Claims

위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하는 제1 모듈;
수행된 상기 열 해석에 따라 상기 고로 내화물의 온도 분포를 구하는 제2 모듈; 및
구한 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 상기 고로 내화물 중 기 설정된 침식 온도 이상인 부분은 침식된 것으로 간주하여 제거하는 제3 모듈;을 포함하며,
상기 기 설정된 침식 온도는, 상기 내화물의 재질별로 상이한 값을 가지는, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치.
제1항에 있어서,
상기 침식 예측 모델링 장치는,
상기 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하였는지 판단하는 제4 모듈을 더 포함하며,
상기 판단 결과, 상기 내화물의 두께가 기 설정된 두께에 도달하지 않은 경우에는 제거된 부분을 제외한 내화물에 대해 상기 제1 모듈에 의한 동작, 상기 제2 모듈에 의한 동작 및 상기 제3 모듈에 의한 동작을 반복하는, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 모듈은,
구한 상기 온도 분포를 온도별로 상이한 색상으로 디스플레이하는, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 모듈은,
용융 과정에서 생성되는 부산물(deadman)의 부상(buoyancy) 정도를 고려한 데드맨 부상(deadman buoyancy)의 케이스 별로 상이한 값을 가진 대류열전달계수 및 온도를 입력받아 열해석을 수행하는, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 장치.
제1 모듈에서, 위치 별로 상이한 재질의 내화물의 조합으로 구성된 고로 내화물에 대한 열 해석을 수행하는 제1 단계;
제2 모듈에서, 수행된 상기 열 해석에 따라 상기 고로 내화물의 온도 분포를 구하는 제2 단계; 및
제3 모듈에서, 구한 고로 내화물의 온도 분포에 기초하여 상기 고로 내화물 중 기 설정된 침식 온도 이상인 부분은 침식된 것으로 간주하여 제거하는 제3 단계;를 포함하며,
상기 기 설정된 침식 온도는, 상기 내화물의 재질별로 상이한 값을 가지는, 고로 내화물의 침식 예측 모델링 방법.