KR920008683B1 - Cog(coke oven gas)사용 소둔 공정에서의 직화로 무산화 분위기 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

COG(COKE OVEN GAS)사용 소둔 공정에서의 직화로 무산화 분위기 제어 시스템

제1도는 스트립의 임계온도에 미치는 노온도와 소둔 공기비의 영향을 설명하는 그래프.

제2도는 직화로내의 주요 기체-고체 평형 반은 그래프

제3도는 1000℃에 있어서 공연비와 CO/CO2의 관계 그래프.

제4도는 스트립 두께와 임계 산화온도 관계 그래프.

제5도는 스트립 온도에 따른 잔류 탄소량의 변화 그래프.

제6도는 공기비와 스트립 도금 밀착성에 대한 관계 그래프.

제7도는 종래의 COG를 이용하는 직화로제어 시스템의 블록 다이어그램.

제8도는 본 발명 제어 시스템의 블록다이어 그램.

*도면의 주요부분에 대한 부화의 설명

16 : 프리믹서 17 : 압력검출

18 : 공연비 분석부 19 : 유량검출 센서

20 : 바이패스 밸스 21 : 비례적분제어부

22 : 연산 처리부 23 : 가산부

24 : 제산부 25 : 유량 조절부

본 발명은 COG(COKE OVEN GAS)를 연료로 사용하는 소둔공정에서 도금강판의 밀착성이 증대된 균질 제품을 확보할 수 있게 하기 위한 COG 사용 소둔공정에서의 직화로 무산화 제어 시스템에 관한 것이다.

기존의 직화로 COG 연료 투입 시스템은 제6도에서 도시화고 있는 바와 같이 유량조절밸브(14)를 거친 공기와 COG가 수동식 공연비 세터인 프리믹싱 밸브에서 혼합되어 버너로 투입되게 하고, 상기 유량조절밸브(14)의 전단에 설치되는 공기유량 검출센서(15)의 검출신호와 버너 온도 검출 신호를 기초로하여 온도를 조절하는 온도조절부(10)의 온도조절 신호가 유량 조절부(11)를 거쳐 연산처리부(12)에서 처리되어 공기유량 조절 밸브(14)가 제어되게하고,상기 연산처리부(12)에는 버너로 공급될 혼합연료의 압력을 검출하는 압력 검출센서(17)의 검출신호와 설정치 입력 신호를 처리하는 압력 조절부(13)의 압력제어 신호가 입력되게 하고 있다 .

따라서 ,버너로 공급된 혼합연료의 공연비가 수동조절식 프리믹서(16)로 조절되기 때문에 버너 프레임 오프개스증 CO+H2 농도를 안정되게 제어할 수 없다는 문제점을 갖고 있었다. 그러므로 직화로에 COG를 연료로 사용하는 경우 COG 조성변동으로 연소 분위기 가스증의 CO+H2 농도가 크게 변동하여 도금 강판의 밀착성 불량(도금박리) 및 균일한 품질을 확보하는데 어려움이 있었다.

본 발명은 CO+H2 분석계를 이용하여 버너 프레임 오프 개스 성분중의 CO+H2 농도를 안정하게 제어 할 수 있는 직화로 무산화 분위기 제어 시스템을 제안한다. 본 발명은 CO+H2 농도를 제어하기 위해서 COG 조성변동에 따라서 공연비를 제어할 때 바이패스라인을 통하여 COG 공급량을 제어함으로써 최적의 공연비를 유지하고 있다.

본 발명은 제8도와 같은 시스템 블록다이어 그램으로 설계된다. 여기에서 알 수 있는 바와 같이,프리믹서(16)로 공급되는 COG 가스 유량이 유량 검출 센서(19)에 의해 검출되어 연산처리부(22)와 유량 조절부(25)에 제어 신호로 제공되게 구성하고, 유량조절밸브(14)를 거쳐 상기 프리믹서(16)로 공급되느 공기량이 유량 검출센서(15)로 검출되어 연상처리부(22)와 유량 조절부(11)에 제어 신호로 제공되게 구성한다.

상기 프리믹서(16)에서 버너로 배출되는 혼합 연료는 공연비 분석부(18)와 압력 검출센서(17)에서 각각 공연비 및 공급압력이 검촐되게 구성하여, 이들 공연비 검출신호와 압력검출신호가 각각 연산처리부(22) 및 비례 적분 제어부(21)와 압력조절부(13)에 공급되게 구성한다.

로내의 온도 검출신호를 받아 온도를 저절하는 온도조절부(10)의 온도수정신호는 유량 온도검출센서 (15)의 검출신호와 함께 유량 조절부(11)를 거쳐 연산처리부(12)로 제공되게 구성하고 상기 연산처리부(12) 는 유량 조절부 (11)의 유량조절신호와 설정치 및 압력검출센서(17)에 의한 입력검출신호로부터 압력조절신호를 발생하는 압력조절부(13)의 신호를 연산처리하여 유량조절밸브(14)를 제어하도독 구성한다.

한편,공연비분석부(18)의 검출신호와 설정치입력 신호를 처리하는 비례 적분 제어부(21)의 출력제어신호는 상기 연산처리부(22)의 처리신호에 가산부(23)에서 가산된후 제산부(24)를 제공되게 연결구성하고, 제산부(24)는 가산부(24)로부터의 제어 입력신호와 공기유량 검출센서(15)의 검출신호를 제산하여 유량조절부(25)로 출력되게 구성한다.

유량 조절부(25)는 제산부(25)의 출력과 COG 유량 검출센서(19)의 검출신호에 기초하여 프리믹싱 밸브(16)에 병렬로 설치되며 COG를 버너축으로 직접 공급제어하게 되는 바이패스 밸브(20)를 구동하도록 구성한다.이러한 시스템으로 구축되는 본 발명 제어 시스템의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

직화로는 통산 1100-1300℃의 고온에서 스트립을 과산화시키지 않고 스트립의 온도를 600℃ 이상까지 승온시킴과 동시에 압연유등의 표면 오염물을 연소 비산시켜 강판 표면을 청정화하는데 있다. 이를 위해 공기비는 1보다 약간 낮게 설정하며 로내의 분위기 가스는 CO2, CO, H2O, H2, N2 등으로 이루어져 있다

공기비와 CO/CO2 및 H2/H2O의 관계를 제1도에 나타내었는데 분위기 가스 성분중 스트립 표면과의 반응에 참여하는 것은 CO2, CO, H2 및 H2O로서 이들 연소 생성가스분위기에서 고온단시간 반응에 의해 철의 산화를 억제하고 표면의 오염물을 제거하게 되며 로내의 중요 반응은 다음의 고체-기체 평행반응 관계식으로 표시된다.

상기 반응들의 평형곡선은 제2도와 같으며 상기 1) 및 2)식에 의해 스트립 표면의 산화 또는 환원영역이 나타나고 3) 및 4) 식에 의해 탄소의 석출 또는 소실의 영역이 나타남을 알 수 있다. 또한 4) 식의 가스 반응은 3가지 성분의 가스가 관여하므로 각 성분의 분압에 의해 곡선이 변함을 알 수 있다. 통산 직화로는 공기비 0.90-0.98 정도에서 연소되며 이때를 제2도에서 보면 1) 및 2식에 의한 산화영역이 된다. 그러나, CO2 및 H20 에 의한 산화는 02 에 의한 산화에 비해 산화력이 약하므로 직화로의 조업영역은 약산화성이 된다.

직화로 중의 연소 분위기가 실제로 어느 정도 강판표면을 산화시키는가를 조사한 결과를 제3도에 나타냈다. 여기서는 임계온도는 그 온도 이상에서 강판이 산화되기 시작하는 온도이다.

제3도에서 보면 로내 CO+H2 성분과 로온이 높아질수록 임계온도가 높아진다. 그러나 CO + H2 비율을 높이면 스트립의 산화를 방지할 수 있지만 열효율이 큰 문제가 된다. 따라서 공기비는 연소가스중에 CO + H2 농도가 4-6% 되도록 조정해야 한다.

제4도에서 보면 임계온도는 스트립 두께가 두꺼워 질수록 즉 직화로내에서 유지시간(DWELL TIME)이 길어질수록 낮아지는 것을 보여준다. 또한, 직화로 출측 판온이 높을수록 표면에 생성되는 산화물이 두꺼워지는 경향이 있다.

한편, 직화로에서 강판 표면에 탄소가 부착되는 경우는 다음 3가지이다.

① 공기비가 아주 낮은 상태에서 연소시킨 경우 연료의 불완전 연소로 인한 그을음 발생

② 연소 생성물인 CO, CO2가 앞의 3) 및 4) 식의 반응에 의해 카본을 생성하는 경우

③ 강판 표면에 부착되었던 압연유등의 오염물이 완전히 타지않은 경우

①과 같은 경우는 통상 직화로의 공기비가 0.90-0.98이므로 별문제가 없으나 조업등에 의해 공기비가 0.70 이하로 될때 문제가 된다.

②와 같은 경우는 탄소의 석출, 소실에 관련된 3) 및 4) 식의 반응에 의해 일어난다. 이때 4)식은 비교적 악조건이다. Pco=0.3 인 경우에도 저온쪽에 탄소의 소실영역이 넓지만 3)식의 경우는 탄소의 석출영역이 보통 직화로의 분위기 조성과 비슷하게 늘어져 있어 문제가 된다. 실제 로에서 CO/CO2는 0.3 이상이므로 600℃ 이하에서 탄소가 석출될 가능성이 있다. 판온이 낮은 압측부에서는 필연적으로 탄소 석출영역이 되지만 스트립이 진행되면서 600℃를 넘게 가열되어 탄소 소실영역으로 되므로 최정족으로는 강판의 표면에 석출 카본이 존재하는 경우는 없다고 생각된다. CO 농도가 현저하게 높은 경우는 Fe가 촉매가 되어 3)식의 반응을 촉진시켜 카본 석출이 현저하게 일어나지만 이와 같은 경우는 직화로의 정상 조업하에서는 일어날 가능성이 희박하다.

③의 경우는 오염물의 버언아웃(BURN OUT)에 관련될 때로서 제5도로 설명된다. 압연유는 400-500℃ 스트립 온도영역에서 대부분 증발, 및 분해된다. 아주 미량의 불휘발분이 강판 표면에서 탄화된다고 생각할 수 있지만 스트립의 온도가 증가하게 되어 3) 및 4) 식의 반응에 의해 기체화 된다.

공기비에 따른 도금 밀착성을 나타내면 제6도와 같다. 즉 공기비가 낮은 영역에서는 탄소석출로 도금 밀착성이 나빠지고 공기비가 높은 영역에서는 과산화로 도금 밀착성이 나빠진다.

제1도에서 보는 바와 같이 CO/CO2 및 H2/H2O 가 조업 조건에 적합하도록 공기비를 결정하여도 COG조성변동으로 CO+H2% 가 크게 변동하기 때문에 COG 조성변동에 따라 공기비 즉 공연비를 다이내믹하게 제어해야 하는데 설비 특성상 수동식 공연비 세터인 프리믹서를 직접 제어하지 않고 신설 바이패스 라인으로 COG 또는 공급량을 제어해야 할 필요가 있다. 그러나 COG 조성이 평균이론 공연비보다 클때 보다는 작을 때 문제가 심각하므로 COG만 공급제어하는 경우에만 고려한다.

불완전 연소시 공연비 분석부(18)에서 연료중 미연분에 의한 CO+H2 농도를 계산하기 위해서는 열수지식을 사용해야 하나 CH4 및 CmHn 은 완전 연소된다는 가정하에 물질 수지식으로부터 CO + H2 농도를 얻는다.

CH4 및 CmHn을 완전 연소시키는데 필요한 산소량 Och는

Och = 0.206λ-1/2(CO+H2) (λ:이온공연비,(CO+H2) : CO+H2의 체적%)

가 되므로 CO + H2를 연소시키는데 사용될 산소량 Oco, h2는

OCO. h2 = 0.206λμ-Och(μ:공기비)

가 된다.

CO + H2를 완전 연소시키는데 필요한 산소량은 1/2(CO+H2)이므로 연소후 CO + H2 의 미연분

Cco. h2=(CO+H2)-20co, h2=(CO+H2)-0.412λμ+0.412λ-(CO+H2)

=0.412(1-μ)λ

가 된다.

그러므로 COG 1Nm³에 대한 공기 λμ Nm³이 연소하는 경우 연소후 CO + H2 농도는

가 된다.

적정 CO + H2 농도를 유지하기 위한 λ'를 얻기 위해 공연비분석부(18)에 의한 K번째 샘플링시 CO + H2 분석게 지시치를 (Cco, h₂)(K)라 하고 그때의 이론 공연비 및 투입 공연비를 각각 λ(K) λ'(K)하면,

가 된다.

K+1 번째 샘플링시 CO +H2 분석계 지시치를 SP(설정치)로 하기 위해서는

가 되고 7)식에서 λ'(k+1)를 구하면

가 된다.

7')식으로부터 실제 투입 공연비를 계산하기 위해서는 이론 공연비를 알아야 하는데 이것은 COG의 이론 공연비가 급격하게 변하지 않는다고 가정하면, 공연비 분석부(18)의 K번셉의 분석 지시치를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

6) 식으로부터 K 번째 샘플링 이론 공연비를 구하면

가 되고 λ(K)≒λ(K+1)라 가정하면 투입 공연비는 다음과 같이 된다.

이후 비례 적분 제어부(21)를 사용하여 편차분을 보상하면 최종 투입공연비는

가 된다.

정리해 보면, 공연비 분석부(18)는 K 번째 샘플링시 프리믹서(16)로 흘러 들어가는 공기 유량과 프리믹서(16) 및 바이패스밸브(20)로 흘러 들어가는 COG 유량을 검출하여 투입 공연비인λ'(K)를 다음과 같이 연산한다.

프리믹서(16)후단에 설치된 CO+H2 분석계 (공연비 분석부(18)) 로부터 CO + H2 농도인 [Cco, h2](K)를 검출한 후 본 발명의 순방향 성분인

를 연산처리부(22)로 연산한다. 이 성분만으로 제어를 하는 경우, 여러 가지 원인에 의한 편차가 발생하여 시스템이 불안정해지기 때문에 비레적분제어부(21)을 이용하여 역방향 제어를 편차를 보상한다. 이것을 본문에서는,

로 표현했다. 여기서 Kp는 비례상부이고 Ki는 적분상수이다.

다음 연산처리부(22) 및 비례적분제어부(21)의 순방향 성분과 역방향 성분을 가산부(32)에서 더하면 (12)식 +13)식 λ'(K+1)이 되는데 이것이 K+1번째 샘플링시에 시스템에 투입해야 할 공연비가 된다. K+1번째 샘플링시의 공기 유량을 이 투입 공연비로 나누면 투입해야 할 COG 유량이 된다. 그러면 바이패스 밸브(20) 제어용 유량 조절부(25)는 프리믹서(16) 및 바이패스 밸브(20)로 흘러 들어가는 COG 유량이 앞에서 계산한 COG 유량이 되도록 바이패스 제어하게 된다.

이렇게 바이패스 라인으로 COG 공급량을 제어함으로써 공연비를 제어하여 베너프레임 오프가스 성분중 CO+H2 농도를 제오할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명은 직화로 연료인 COG 의 조성 변동으로 인한 연소 분위기 개스의 CO+H2 농도의 변동을 최대한 억제 시킬 수 있게 되므로 스트립에서의 도금박리현상에서 불균질의 제품 발생은 방지할 수 있는 특유의 효과를 가진다.

Claims (1)

1. COG를 연료로 사용하는 직화로 제어 시스템에에 있어서, 프리믹서(16) 후단에 설치되며 CO+H2 농도를 검출하면 공연비 분석부(18)와, 상기 공연비 분석부(18)의 CO+H2 검출신호를 순방향 및 역방향 처리하는 연산 처리부(22) 및 비례 적분 제어부(21)와, 상기 연산처리부(22) 및 비례 적분 제어부(21) 출력 성분을 가산하여 시스템 투입 공연비를 산출하는 가산부(23)와, 상기 가산부(23)의 투입 공연비율을 공기유량 검출센서(15)의 검출 신호에 나누어 COG 투입량을 산출하는 유량 조절부(25)와, 상기 유량 조절부(25)의 제어 출력으로 제어되며 버너 투입용 COG를 바이패스 하게 되는 바이패스 밸브(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 COG 사용 소둔 공정에서의 직화로 무산화 분기 제어시스템.