KR20220094891A - 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법 - Google Patents

코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법에 관한 것으로서, 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계와, 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계와, 설계 변수의 범위를 입력하는 단계와, 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계와, 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계와, 설계변수의 최적값을 선택하는 단계와, 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단하여 최적 설계값을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법{METHOD FOR DESIGNING BUCK STAY OF REFRACTORY FOR COKE OVEN}
본 발명은 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코크스를 생산하는 오븐 내화물의 고온 열팽창으로부터 내화물을 보호하는 내화물 지지구조물로서 벅스테이(Buckstay)를 설계하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법에 관한 것이다.
일반적으로 코크스 오븐의 내화물 지지 구조물로서 벅스테이(Buskstay)에는 전체 오븐 구조를 지지하는 빔(Beam) 구조물이 존재하고, 양측의 벅스테이(Buskstay)를 고정하는 타이로드(Tie-rod)가 상하부에 구성되며 오븐 내화물의 열팽창을 허용하는 다수의 스프링(Spring)이 구성되어 있다.
도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 같이 석탄(Coal)을 코크스(Coke)로 건류시키는 간접 열교환 공간은 탄화실이며, 탄화실 양측에 연소실이 존재하며 전체 오븐 규모에서는 총 60개의 탄화실이 구성되며, 이때 양측으로 지지되는 벅스테이(Buckstay)는 총 122개이고, 스프링(Spring)은 벅스테이(Buckstay)당 14개, 타이로드(Tie-rod)는 4개씩 구성되어 있다.
코크스를 제조하는 과정을 간단히 정의하면 코크스 오븐에서 석탄을 건류하여 고정탄소 덩어리(80∼94%)로 변화시키는 공정이다.
이때 사용되는 코크스 오븐은 도 3과 같은 설비로 구성된다. ⑦원료가스배관2(mixed gas main)과 ⑧원료가스배관1(COG main)의 배관으로 연소가스가 투입되고 ④축열실에서 예열된 후에 ⑥연소실에서 연소된다.
이 과정에서 발생하는 연소열이 탄화실에 열원을 간접 가열 방식으로 공급하게 되고, ①석탄 장입구를 통해 ⑤탄화실로 들어간 석탄(Coal)은 코크스(Coke)로 건류되어 ③오븐 도어(Oven door)를 통해 배출되고 연소된 가스는 ⑨배가스 배출구(waste gas flue)를 통해 배출된다.
석탄(Coal)을 코크스(Coke)로 건류시키는 탄화실은 1,000℃∼1,300℃ 이상의 고온을 견디는 내화벽돌로 구성되어 있기 때문에 이러한 오븐 내화물의 팽창력을 분산, 제어하기 위해 ②내화물 지지구조물(bracing system)을 구비하게 되며, 이러한 내화물 지지구조물(Bracing system) 내에는 내화물의 팽창을 허용하면서 외벽구조를 유지시키는 벅스테이(Buckstay)가 구성되고 여기에는 벅스테이(Buckstay)의 역할에 필요한 빔(Beam) 구조물, 타이로드(Tie-rod) 그리고 다수의 스프링(Spring)이 구성된다.
이러한 내화물 지지구조물은 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 연소실 내화물과 접하는 WPP(Wall Protection Plate)와 내화물의 팽창을 일부 허용(다수의 스프링으로 구성)하면서 구조 안전성을 확보해 주는 벅스테이(Buckstay)로 구성되어 있다.
연소 가스에 의한 내화물의 팽창, WPP(Wall Protection Plate)의 열적거동 및 변형량, 그리고 벅스테이(Buckstay)에 설치한 다수의 스프링으로 열적 팽창력을 스프링 강성으로 상쇄하면서 구조적 안정성도 확보해야 하는 설계가 필요하다.
종래의 설계에서는 벅스테이(Buckstay)에 구성되는 타이로드(Tie-rod)와 상하로 배치되는 다수의 스프링(Spring)의 강성을 기존 설계를 반복적으로 준용하는 방법을 사용해 왔으며, 이는 오븐의 열량 변화에 따른 연소실 열구성 변화에 대응할 수 있는 설계가 아니었다.
이러한 설계에서 발생할 수 있는 문제점은 내화물 종류 변화에 따른 내화물의 열팽창량의 변화가 대표적이며 열팽창량이 변화하는데 벅스테이(Buckstay)의 설계가 유지되면 내화물의 팽창을 허용하지 못해 내부 연소실 내화물의 파손과 붕괴로 이어질 수 있다는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 종래의 코크스 오븐의 내화물 지지 구조물의 벅스테이의 설계는, 코크스 오븐 설비 운전과 수명에 영향을 미치며, 요구되는 코크스(Coke)의 생산량에도 영향을 미쳐 이후에 연결되는 공정에도 문제가 되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0897754호 [0010] (2009년05월15일) 대한민국 등록특허 제10-1505161호 (2015년03월23일) 대한민국 등록특허 제10-1762822호 (2017년07월28일)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 변수 최적화 기법을 이용하여 벅스테이에 구성되는 타이로드와 스프링의 강성 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 벅스테이의 팽창량과 응력값에 부합하는 타이로드의 강성과 종방향의 다수의 스프링의 강성의 최적값을 도출함으로써, 기존의 벅스테이에 대한 설계 방법에 비해 스프링의 물량과 원가를 최소화할 수 있는 할 수 있는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 코크스 오븐의 내화물의 전후방향으로 설치되는 벅스테이(Buckstay)와 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring) 및 타이로드(Tie-rod)의 다변수의 조합 설계를 컴퓨터 시스템에 의해 수행하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법으로서, 코크스 오븐의 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계; 목적함수인 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계; 내화물 지지구조물의 각 설계 변수의 범위를 입력하는 단계; 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계; 상기 설정된 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계; 상기 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계; 및 내화물 지지구조물의 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단하여 최적 설계값을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 조업 경계조건을 지정하는 단계는, 오븐 내화물 연소실의 연소 온도와, 탄화실의 코크스 온도와, 외부 대기의 분위기 온도를 입력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 설계 변수를 지정하는 단계는, 벅스테이(Buckstay)의 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 설계 변수를 지정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 설계 변수의 범위를 입력하는 단계는, 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 케이스를 설정하는 단계는, 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 최적값을 선택하는 단계는, 상기 출력값을 도출하는 단계에서 도출된 벅스테이(Buckstay)의 팽창량과 응력값에 의거해서 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 최적 설계값을 각각 선택하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 변수 최적화 기법을 이용하여 벅스테이에 구성되는 타이로드와 스프링의 강성 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 벅스테이의 팽창량과 응력값에 부합하는 타이로드의 강성과 종방향의 다수의 스프링의 강성의 최적값을 도출함으로써, 기존의 벅스테이에 대한 설계 방법에 비해 스프링의 물량과 원가를 최소화할 수 있는 할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 개략적으로 나타내는 개략흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 나타내는 상세흐름도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물를 나타내는 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 케이스 설정단계를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 출력값 도출단계를 나타내는 그래프.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 팽장상태와 내화물 지지구조물의 상태를 나타내는 상태도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 열팽창에 따른 브레이싱 시스템(Bracing system)의 거동 순서를 나타내는 상태도.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 최초 설계의 최적 설계의 응력상태를 나타내는 상태도.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 일예를 나타내는 상태도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 개략적으로 나타내는 개략흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법을 나타내는 상세흐름도이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물를 나타내는 구성도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 케이스 설정단계를 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 출력값 도출단계를 나타내는 그래프이고, 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 팽장상태와 내화물 지지구조물의 상태를 나타내는 상태도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물의 열팽창에 따른 브레이싱 시스템(Bracing system)의 거동 순서를 나타내는 상태도이고, 도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 최초 설계의 최적 설계의 응력상태를 나타내는 상태도이고, 도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법의 일예를 나타내는 상태도이다.
본 발명의 코크스 오븐의 내화물의 지지 구조물은 오븐(Oven) 연소실 내화물의 팽창을 분산시키고 코크스 오븐 설비의 안정적인 운전에 도움을 주는 내화물의 지지 구조물(Bracing system)중 벅스테이(Buskstay)에 관한 것이다.
도 1, 도 2 및 도 14 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법은, 변수 지정 단계(S10), 팽창량 및 허용응력 입력단계(S20), 설계범위 입력단계(S30), 케이스 설정단계(S40), 출력값 도출단계(S50), 최적값 선택단계(S60), 상관관계 분석단계(S70) 및 최적 설계값 도출단계(S80)를 포함하여 이루어져, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 코크스 오븐의 내화물의 전후방향으로 설치되는 벅스테이(Buckstay)와 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring) 및 타이로드(Tie-rod)의 다변수의 조합 설계를 컴퓨터 시스템에 의해 수행하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법으로서, 코크스(Coke)를 생산하는 코크스 오븐의 내화물의 고온 열팽창으로부터 내화물을 보호하는 벅스테이(Buckstay)를 설계하는 방법이다.
변수 지정 단계(S10)는, 코크스 오븐의 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계로서, 오븐 연소실 내측의 고온 조건을 입력하는 단계(S11)와 연소실의 내화물의 열팽창계수를 입력하는 단계(S12)로 이루어져 있다.
오븐 연소실 내측의 고온 조건을 입력하는 단계(S11)는, 오븐 내화물 연소실의 연소 온도와, 탄화실의 코크스 온도와, 외부 대기의 분위기 온도를 입력하여 코크스 오븐의 조업 경계조건을 지정하게 된다.
연소실의 내화물의 열팽창계수를 입력하는 단계(S12)는, 도 9에 나타낸 바와 같이 코크스 오븐의 연소실의 제1 내지 제3 내화물부의 열팽창계수를 입력하게 된다.
또한, 설계 변수를 지정하는 단계에서는, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 벅스테이(Buckstay)의 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 설계 변수를 지정하게 된다.
팽창량 및 허용응력 입력단계(S20)는, 목적함수인 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계로서, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하게 된다.
설계범위 입력단계(S30)는, 내화물 지지구조물의 각 설계 변수의 범위를 입력하는 단계로서, 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하게 된다.
이러한 설계범위 입력단계(S30)는, 상부 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 단계(S31)와, 하부 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 단계(S32)와, 종방향 스프링(Spring)의 강성 범위를 입력하는 단계(S33)로 이루어져 있다.
케이스 설정단계(S40)는, 변수 지정 단계(S10)에서 지정된 조업 경계조건과, 설계범위 입력단계(S30)에서 입력된 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계로서, 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하게 된다.
이러한 케이스 설정단계(S40)는, 반응표면분석법 RSD(Response Surface Design)의 대표적인 설계 방법인 CCD(Central Composite Design)을 이용한 설계 변수간 적용 케이스(Case)를 설정하게 된다.
출력값 도출단계(S50)는, 케이스 설정단계(S40)에서 설정된 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계로서, 또한, 도 7에서 구성된 케이스(Case)를 케이스 설정단계(S40)에서 열팽창 해석을 수행하여 설계변수 조합에 따른 반응표면을 도 8과 같이 도출하게 된다.
최적값 선택단계(S60)는, 출력값 도출단계(S50)에서 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계로서, 벅스테이(Buckstay)의 목표 팽창량을 확인하는 단계(S61)와 벅스테이(Buckstay)의 목표 응력값을 확인하는 단계(S62)와 타이로드(Tie-rod)의 목표 응력값을 확인하는 단계(S63)로 이루어져 있다.
케이스 설정단계(S40)와 출력값 도출단계(S50)와 최적값 선택단계(S60)에서 사용하는 반응표면분석법 RSD는, 입력변수 X(본 발명에서 설계변수), 출력변수 Y(본 발명에서 목적함수)간의 관계가 2차 곡선 관계를 가질 때 사용하는 실험계획법 DOE(Design Of Experiment)중의 하나로서, 본 발명의 케이스 설정단계(S40)에서는 RSD중에서 도 7에 나타낸 수준의 실험을 하는 중심합성계획법 CCD(Central Composite Design)을 사용하는 것이 바람직하다.
중심합성계획법은 중심점(Center point), 꼭짓점(Cube point), 그리고 축점(Axial point)으로 구성된 실험으로써, 반응표면(출력변수 Y의 값을 표면화)에 곡률(Curvature) 효과를 파악할 수 있는 실험방법이다.
예를 들면, 설계범위 입력단계(S30)에서 입력한 설계 변수들의 범위 중에서 하나인 S1 스프링(Spring)의 강성을 300N/mm에서 400N/mm로 설정하고 타이로드(Tie-rod)의 강성을 1,000N/mm에서 2,000N/mm로 지정하였다고 가정하면 반응표면(출력변수 Y, 본 발명은 Busckstay 팽창량)을 구성하기 위한 설계변수의 케이스(case)의 조합은 중심합성계획법에 의해 아래의 도 7와 같이 구성된다.
또한, 출력값 도출단계(S50)에서는 도 7에서 구성된 케이스 설정단계(S40)의 케이스(Case)를 열팽창 해석을 수행하여 설계변수 조합에 따른 반응표면을 도 8과 같이 도출하게 된다.
상기 예시에서는 두가지 설계 변수에 대해 다루었으며 본 발명에서는 상하부 타이로드(Tie-rod)의 강성, 종방향의 위치별 스프링(Spring)의 강성을 선정하여 약 20가지 설계변수를 중심합성계획법으로 케이스(Case)를 조합하고 반응표면분석법을 이용하여 목적함수(Buckstay 팽창량 및 발생응력)에 부합하는 설계변수의 최적값을 도출하게 된다.
상관관계 분석단계(S70)는, 최적값 선택단계(S60)에서 선택된 설계변수간 상관관계를 분석하는 단계로서, 목적함수인 벅스테이(ckstay)의 목표 팽창량을 만족하는 판단하는 단계(S71)와 목적함수인 벅스테이(ckstay)의 목표 응력값을 만족하는 판단하는 단계(S72)로 이루어져, 벅스테이(ckstay)의 팽창량 및 응력값이 목표값을 만족하지 않으면 최적값 선택단계(S60)로 다시 피드백(Feed Back)하게 된다.
최적 설계값 도출단계(S80)는, 상관관계 분석단계(S70)에서 내화물 지지구조물의 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단한 결과에 의거해서 최적 설계값을 도출하는 단계로서, 출력값 도출단계(S50)에서 도출된 벅스테이(Buckstay)의 팽창량과 응력값을 상관관계 분석단계(S70)에서 판단한 결과에 의거해서 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 최적 설계값을 각각 선택하게 된다.
도 11은 코크스 오븐의 최초 설치와 열팽창에 따른 내화물 팽창 그리고 브레이싱 시스템(bracing system)의 거동 순서를 나타낸 것으로서, 거동 순서를 나열하면 다음과 같다.
첫번째의 내화물 팽창은 연소실 연소열에 의해 내화물이 WPP(Wall Protection Plate)의 방향으로 팽창하는 것이고, 두번째는 WPP가 벅스테이(Busckstay)의 방향으로 이동하는 것이며, 이때 WPP의 역할은 국부적인 내화물의 팽창을 균일하게 잡아주는 것이다.
세번째는 내화물의 팽창압을 S12 스프링(Spring)의 압축력으로 일정부분 고정하는 것이며, 이때 스프링(Spring)은 압축 여유만큼 압축되고 압축력 이상의 팽창압은 벅스테이(Busckstay)로 전달된다.
네번째는 S12 스프링(Spring)으로 전달받은 팽창압에 의해 벅스테이(Buckstay)가 이동하는 것이고, 다섯번째는 S1,2 스프링(Spring)의 압축력으로 내화물 팽창압을 일정부분 분담하고 벅스테이(Buckstay)의 이동량 만큼 압축되는 순서이다.
마지막으로 여섯번째는 S1,2의 압축 여유보다 많이 이동시 타이로드(Tie-rod)의 고정부를 조절하여 벅스테이(Buckstay)의 응력 집중을 회피하는 단계이며 이 단계에서는 조업자의 개입이 필요하게 된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 발명의 실시예로 표 1과 도 12에 나타낸 바와 같이 최초 설계의 벅스테이(Buckstay)의 응력이 120MPa이고 최초 설계된 벅스테이 스프링(Buckstay sping)을 기준으로, 표 2와 도 13의 최적 설계의 벅스테이(Buckstay)의 응력이 136MPa이고 최적화 설계된 벅스테이 스프링(Buckstay sping)의 사양을 결정하였다.
최초 설계시에는 S12 스프링(spring) 군의 스프링 강성이 607N/mm로 동일하게 적용되어 S12 스프링(spring) 군의 내화물 팽창력을 분담하는 압축력이 총 111.3 tonf 였으나, 최적화 설계를 통하여 S12.1, S12.8 스프링(spring)의 강성을 600N/mm, S12.2∼S12.7 스프링(spring)의 강성을 560N/mm로 최적화 하였다.
이때 설정된 변수는 S12.1∼S12.8 스프링(spring)의 강성이고, 목적함수는 S12 스프링(spiring) 군의 압축력(혹은 Buckstay 목표 팽창량과 동일시 함)을 100tonf 이상으로 설정하고, 벅스테이(Buckstay)의 허용응력을 150MPa 이하로 설정 하였다.
최적화된 벅스테이 스프링(Buckstay spring)의 설계는 목적함수인 S12 스프링(spring) 군의 총 압축력 100tonf 이상을 만족하고 벅스테이(Buckstay)의 최대 발생응력이 허용응력 150MPa 이하를 만족하는 변수 조합으로 결정되었다.
이에 따라, 최초 설계된 스프링(spring)의 사양이 최적화되어 약 7.7%의 절감효과를 발생시키며, 코크스 오븐 설비의 운전 사양에 만족하는 설계로 도출하게 된 것을 파악할 수 있게 되었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 변수 최적화를 이용한 코크스 오븐 내화물 지지용 벅스테이를 설계함으로써, 기존의 설계 방법에 비해 과설계 되는 스프링의 물량을 줄이고 이로 인한 벅스테이를 포함하는 내화물 지지구조물의 구성을 감소시킬 수 있고, 벅스테이의 사양을 최적화하여 코크스 오븐의 투자비를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 변수 최적화 기법을 이용하여 벅스테이에 구성되는 타이로드와 스프링의 강성 변수간의 상관관계를 분석하고 목표값인 벅스테이의 팽창량과 응력값에 부합하는 타이로드의 강성과 종방향의 다수의 스프링의 강성의 최적값을 도출함으로써, 기존의 벅스테이에 대한 설계 방법에 비해 스프링의 물량과 원가를 최소화할 수 있는 할 수 있는 효과를 제공한다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (6)

  1. 코크스 오븐의 내화물 지지구조물로서 코크스 오븐의 내화물의 전후방향으로 설치되는 벅스테이(Buckstay)와 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring) 및 타이로드(Tie-rod)의 다변수의 조합 설계를 컴퓨터 시스템에 의해 수행하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법으로서,
    코크스 오븐의 조업 경계조건과 내화물의 물성 및 설계 변수를 지정하는 단계;
    목적함수인 내화물 지지구조물의 목표 팽창량 및 허용응력을 입력하는 단계;
    내화물 지지구조물의 각 설계 변수의 범위를 입력하는 단계;
    상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 조합하여 케이스를 설정하는 단계;
    상기 설정된 케이스의 열팽창 계산을 통해 설계변수의 출력값을 도출하는 단계;
    상기 도출된 출력값에 의거해서 설계변수의 최적값을 선택하는 단계; 및
    내화물 지지구조물의 목표 팽창량과 응력값에 만족하는지 판단하여 최적 설계값을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조업 경계조건을 지정하는 단계는, 오븐 내화물 연소실의 연소 온도와, 탄화실의 코크스 온도와, 외부 대기의 분위기 온도를 입력하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 설계 변수를 지정하는 단계는, 벅스테이(Buckstay)의 상하방향으로 설치되는 복수의 스프링(Spring)과 타이로드(Tie-rod)의 설계 변수를 지정하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 설계 변수의 범위를 입력하는 단계는, 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 강성 범위를 입력하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스를 설정하는 단계는, 상기 조업 경계조건과 설계변수 간의 입력값을 중심합성계획법에 의해 조합하여 케이스를 설정하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 최적값을 선택하는 단계는, 상기 출력값을 도출하는 단계에서 도출된 벅스테이(Buckstay)의 팽창량과 응력값에 의거해서 벅스테이(Buckstay)와 타이로드(Tie-rod)의 최적 설계값을 각각 선택하는 것을 특징으로 하는 코크스 오븐의 내화물 지지구조물의 설계방법.
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