WO2023234498A1 - 전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로 - Google Patents

전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로 Download PDF

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WO2023234498A1
WO2023234498A1 PCT/KR2022/018983 KR2022018983W WO2023234498A1 WO 2023234498 A1 WO2023234498 A1 WO 2023234498A1 KR 2022018983 W KR2022018983 W KR 2022018983W WO 2023234498 A1 WO2023234498 A1 WO 2023234498A1
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WO
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nozzle
injection
electric furnace
fuel
supersonic
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/018983
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English (en)
French (fr)
Inventor
송우석
김균태
박영주
신대훈
신명철
엄준용
이재랑
이재민
조종오
Original Assignee
현대제철 주식회사
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
    • C21C5/5211—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace
    • C21C5/5217—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace equipped with burners or devices for injecting gas, i.e. oxygen, or pulverulent materials into the furnace
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/12—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes in electric furnaces
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    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/02—Making special pig-iron, e.g. by applying additives, e.g. oxides of other metals
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    • C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
    • C21B5/02—Making special pig-iron, e.g. by applying additives, e.g. oxides of other metals
    • C21B5/023—Injection of the additives into the melting part
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    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces

Definitions

  • the present invention relates to an electric furnace injection system and an electric furnace including the same, and more specifically, to an electric furnace capable of injecting at least one of fuel, supersonic oxygen, and powdered carbon into the internal space of the operating electric furnace main body with a single nozzle.
  • an injection system and an electric furnace including the same relate to an injection system and an electric furnace including the same.
  • An electric furnace refers to a furnace that heats and melts metals or alloys using electrical energy. It is a device that melts scrap by charging scrap into the furnace and then generating arc-shaped current between the electrode and the scrap to heat it.
  • the injection system is a facility to melt scrap and secure additional heat sources needed for the process.
  • a combustion burner is used to inject chemical energy (fuel) to melt the scrap, and then an oxygen lance is used. This continuously cuts and melts the scrap.
  • slag is generated at the top of the molten steel, and at this time, powdered carbon can be blown in from the wall of the electric furnace for slag forming.
  • the present invention is intended to solve various problems including the problems described above, and is formed in a structure in which the oxygen lance, combustion burner, and powder injection are injected from the same central axis from a single nozzle, and the powder injection structure can prevent erosion.
  • the purpose of the present invention is to provide an injection system for an electric furnace having a structure capable of preventing powder carbon from colliding with the wall by injecting a high-speed jet from multi-holes on the wall, and an electric furnace including the same.
  • these tasks are illustrative and do not limit the scope of the present invention.
  • an injection system for an electric furnace is provided.
  • the injection system of the electric furnace is inserted into one side of the electric furnace main body where an internal space for producing molten steel is formed by melting the iron source, and injects at least one of fuel, supersonic oxygen, and powdery carbon into the internal space of the electric furnace main body during operation.
  • the transfer fluid containing the powdered carbon is formed in the shape of a pipe with open ends, and the transport fluid containing the powdered carbon is injected into the electric furnace main body through a first injection passage inside.
  • a powder carbon injection nozzle for spraying into the internal space;
  • the film cooling fluid flowing through a second injection passage is formed in the shape of a pipe with a closed end at an end side through which the transfer fluid is sprayed to surround the powder carbon injection nozzle, and is formed to have a circular cross-section on the inside.
  • a film cooling fluid nozzle that sprays toward the first injection passage;
  • a fuel nozzle that is formed in the shape of a pipe open at both ends to surround the supersonic oxygen nozzle and injects the fuel into the internal space of the electric furnace main body through a fourth injection passage formed to have an annular cross section on the inside. May include ;.
  • the fuel nozzle is formed in a ring shape with a spiral groove so as to generate a swirl flow in the fuel passing through the fourth injection passage, and has an annular cross section.
  • the branch may include a swirler inserted into the fourth injection passage.
  • the powder carbon injection nozzle, the film cooling fluid nozzle, the supersonic oxygen nozzle, and the fuel nozzle may be coaxially formed to form a single nozzle assembly.
  • the single nozzle assembly injects at least one of the fuel, the supersonic oxygen, and the powder carbon through the powder carbon injection nozzle, the supersonic oxygen nozzle, and the fuel nozzle.
  • the powdered carbon injection nozzle and the injection port-side end of the supersonic oxygen nozzle are formed so that a mixing space in which at least one of the fuel, supersonic oxygen, and powdered carbon can be mixed is formed in the injection port portion. It may be formed inside the single nozzle assembly rather than the end of the fuel nozzle on the injection port side.
  • the fuel nozzle is installed at at least a portion of an end on the injection port side so that the fuel injected through the fourth injection passage can be injected in a form that is collected toward the center of the mixing space.
  • the annular cross-section of the fourth injection passage may be formed to have a gradually smaller diameter toward the injection hole.
  • the annular outer wall of the fuel nozzle which is formed as the outermost wall of the single nozzle assembly, has a cooling passage through which a cooling medium flows so as to cool the single nozzle assembly. It can be.
  • the powder carbon injection nozzle has an outer wall surface of the powder carbon injection nozzle so as to connect the first injection passage inside and the second injection passage of the film cooling fluid nozzle.
  • a plurality of protective hole portions may be formed to penetrate between inner wall surfaces.
  • the plurality of protection holes are configured to prevent the powder carbon passing through the first injection passage of the powder carbon injection nozzle by the transport fluid from colliding with the inner wall surface of the powder carbon injection nozzle.
  • a plurality of powder carbon injection nozzles are formed at equal intervals along the circumferential direction and the longitudinal direction of the inner wall surface of the powder carbon injection nozzle, and are directed from the inner wall surface toward the central axis of the first injection passage.
  • the membrane cooling fluid may be sprayed.
  • the plurality of protection hole portions are configured such that the transfer fluid flowing through the first injection passage of the powder carbon injection nozzle increases from the outer wall surface of the powder carbon injection nozzle to the inner wall surface. It may be formed to be inclined toward the flow direction.
  • the supersonic oxygen nozzle may be formed as a Laval nozzle to increase the flow rate of the supersonic oxygen passing through the third injection passage to more than the speed of sound.
  • the supersonic oxygen nozzle is formed so that its cross-sectional area gradually decreases along the flow direction of the supersonic oxygen from the inlet into which the supersonic oxygen flows, so that the supersonic oxygen flowing inside is
  • a compression unit that compresses; a neck portion formed with a minimum cross-sectional area to maximize compression of the supersonic oxygen compressed in the process of flowing the compression portion; and an expansion part that is formed to have a cross-sectional area that gradually increases along the flow direction of the supersonic oxygen from the neck to the injection part where the supersonic oxygen is sprayed, and expands the supersonic oxygen flowing therein.
  • the compression section and the expansion section are formed along the central axis of the third injection passage so that the cross-sectional area of the annular cross-section changes to gradually become smaller or larger in a non-linear manner, thereby forming an overall streamlined shape. It may be formed by a combination of at least two or more curves, including a convex curve formed in a convex curve shape based on a reference and a concave curve formed in a concave curve shape based on the central axis of the third injection passage.
  • an electric furnace includes an electric furnace main body in which an internal space is formed into which an iron source can be charged and dissolved; an electrode that is at least partially inserted into the interior space through the small ceiling of the loop portion on the upper side of the electric furnace main body to melt the iron source by arc heat so as to produce molten steel; and an injection system that is inserted into one side of the electric furnace main body and injects at least one of fuel, supersonic oxygen, and powdered carbon into the internal space of the electric furnace main body during operation, wherein the injection system is installed at both ends.
  • a powder carbon injection nozzle that is formed in the shape of an open pipe and sprays the transfer fluid containing the powder carbon into the internal space of the electric furnace main body through an internal first injection passage;
  • the film cooling fluid flowing through a second injection passage is formed in the shape of a pipe with a closed end at an end side through which the transfer fluid is sprayed to surround the powder carbon injection nozzle, and is formed to have a circular cross-section on the inside.
  • a film cooling fluid nozzle that sprays toward the first injection passage;
  • a fuel nozzle that is formed in the shape of a pipe open at both ends to surround the supersonic oxygen nozzle and injects the fuel into the internal space of the electric furnace main body through a fourth injection passage formed to have an annular cross section on the inside. May include ;.
  • the electric furnace main body includes a lower cell forming a lower side of the internal space; and an upper cell that is combined with the lower cell to form an upper side of the interior space and whose upper side is closed by the loop portion.
  • the injection system is formed of a single nozzle assembly in which the powder carbon injection nozzle, the film cooling fluid nozzle, the supersonic oxygen nozzle, and the fuel nozzle are coaxially formed, It may be formed to penetrate the wall of the upper cell or the lower cell.
  • the injection system may be formed to be inclined downward at a predetermined angle toward the lower side of the electric furnace main body.
  • a structure is formed so that the oxygen lance, combustion burner, and powder injection are injected from the same central axis from a single nozzle, thereby achieving the effect of increasing mixing ability, combustion efficiency, and injection efficiency. You can have it. In addition, it can prevent destruction of the inner wall of the powder transfer pipe due to the film cooling fluid, thereby increasing the replacement cycle and lifespan of the nozzle.
  • oxygen lance, combustion burner, and powder injection modes can be selectively utilized at each stage from a single nozzle in the early, middle, late, and refining stages of scrap melting, and in addition to supplying fluid for powder transfer, membrane cooling multi Additional fluid is supplied from the hole to increase the speed of the powder at the nozzle, which can have the advantage of inducing slag forming, and the shape of the supersonic nozzle for a shroud effect in the annular gap around the powder transfer pipe is applied to the supersonic characteristic curve to create a stable supersonic fluid.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electric furnace according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 2 and 3 are perspective and cross-sectional views schematically showing the injection system installed in the electric furnace of Figure 1.
  • Figure 4 is an enlarged view showing part “A” of Figure 3.
  • Figure 5 is an enlarged view showing part “B” of Figure 4.
  • Figures 6 to 9 are cross-sectional views showing various injection modes of the injection system installed in the electric furnace of Figure 1, respectively.
  • Figure 1 is a cross-sectional view schematically showing an electric furnace 1000 according to an embodiment of the present invention
  • Figures 2 and 3 are a perspective view schematically showing the injection system 100 installed in the electric furnace 1000 of Figure 1 and It is a cross-sectional view
  • FIG. 4 is an enlarged view showing part “A” of FIG. 3
  • FIG. 5 is an enlarged view showing part “B” of FIG. 4.
  • 6 to 9 are cross-sectional views each showing various injection modes of the injection system 100 installed in the electric furnace 1000 of FIG. 1.
  • the electric furnace 1000 may largely include an injection system 100, an electric furnace main body 200, and an electrode 300. there is.
  • the electric furnace main body 200 may be a type of furnace in which an internal space is formed in which an iron source such as scrap or directly reduced iron can be charged and dissolved.
  • the electric furnace main body 200 is coupled to the lower cell 210 and the upper side of the lower cell 210 forming the lower side of the inner space, forming the upper side of the inner space, and the upper side is closed by the loop portion 230. It may be composed of an upper cell 220.
  • a fire-resistant wall constructed with fire-resistant glazing is formed on the inner wall of the lower cell 210 to protect the outer wall, and cooling water is circulated inside the inner wall of the upper cell 220 to protect the outer wall.
  • Panel members may be mounted.
  • a raw material supply port for continuously supplying the iron source is formed on one side of the electric furnace main body 200, and a molten steel tapping port for continuously tapping the produced molten steel 1 is formed on the other side. You can.
  • the upper cell 220 may have a slag discharge door 221 formed at the lower end adjacent to the lower cell 210 to selectively allow the slag 2 formed on the upper side of the molten steel 1 to flow.
  • the loop portion 230 is seated on the top of the upper cell 220 and covers the open upper part of the upper cell 220, and a small ceiling is formed in the center to form an electrode 300 to be described later that generates arc heat. Can be installed penetratingly. Additionally, although not shown, the loop portion 230 may be connected to an exhaust pipe that discharges a large amount of waste gas and dust generated during the dissolution process of the iron source.
  • the electrode 300 is formed of a plurality of electrode bundles, and at least a portion is inserted into the internal space through the small ceiling of the loop portion 230 on the upper side of the electric furnace main body 200. , the iron source can be melted by arc heat to produce molten steel (1).
  • the injection system 100 is inserted into one side of the electric furnace main body 200 and injects fuel (F4 in FIG. 3) and supersonic oxygen into the internal space of the electric furnace main body 200 during operation. At least one of (F3 in FIG. 3) and powder carbon (C in FIG. 4) may be injected.
  • the injection system 100 is formed to penetrate the wall of the upper cell 220 and is inclined downward at a predetermined angle toward the lower side of the electric furnace main body 200, so as to inject the electric furnace main body 200 during operation.
  • CO gas is generated by blowing fuel (F4) or supersonic oxygen (F3) into the inner space, or by blowing powdered carbon (C) and supersonic oxygen (F3) into the molten steel (1) and slag (2) in the inner space.
  • F4 fuel
  • F3 supersonic oxygen
  • C powdered carbon
  • F3 supersonic oxygen
  • the injection system 100 is formed by penetrating the wall of the upper cell 220 of the electric furnace main body 200, but is not necessarily limited to FIG. 1 and is formed to penetrate the wall of the lower cell 210. may be formed. Additionally, a plurality of injection systems 100 may be installed as needed during the process.
  • the injection system 100 injects fuel F4 and supersonic speed into the internal space of the electric furnace main body 200.
  • a single nozzle assembly 10 capable of injecting at least one of a transport fluid F1 containing oxygen (F3) and powdery carbon (C), including a powdery carbon injection nozzle 110 and a film cooling
  • the fluid nozzle 120, the supersonic oxygen nozzle 130, and the fuel nozzle 140 may be formed coaxially.
  • the powder carbon injection nozzle 110 is formed in the shape of a pipe with both ends open, and transfers the transfer fluid (F1) containing powder carbon (C) through the first injection passage therein. ) can be sprayed into the internal space of the electric furnace main body 200.
  • the film cooling fluid nozzle 120 is formed in the shape of a pipe with an end side closed at which the transport fluid F1 is sprayed so as to surround the powder carbon injection nozzle 110, and has a circular cross-section on the inside.
  • the film cooling fluid F2 flowing through the formed second injection passage may be injected toward the first injection passage of the powder carbon injection nozzle 110.
  • the powder carbon injection nozzle 110 has an outer wall surface and an inner surface of the powder carbon injection nozzle 110 so as to connect the first injection passage inside and the second injection passage of the film cooling fluid nozzle 120.
  • a plurality of protective hole portions 111 may be formed to penetrate between wall surfaces.
  • the plurality of protection hole portions 111 are formed at equal intervals along the circumferential direction and the longitudinal direction of the inner wall surface of the powder carbon injection nozzle 111, and are formed at equal intervals from the inner wall surface.
  • the film cooling fluid (F2) may be injected toward the central axis of the first injection passage.
  • the film cooling fluid F2 flowing through the second injection passage of the film cooling fluid nozzle 120 flows into the powder carbon through the plurality of protection hole portions 111. It is injected as a high-speed jet onto the inner wall of the injection nozzle 110, forming a cooling protective film along the inner wall of the powdery carbon injection nozzle 110, thereby forming the first injection passage of the powdery carbon injection nozzle 110. It is possible to prevent the powdery carbon (C) passing by the transport fluid (F1) from colliding with the inner wall surface of the powdery carbon injection nozzle (110). At this time, the cooling protective film may also serve to cool the powder injection system 100 including the powder carbon injection nozzle 110 to prevent it from overheating.
  • the plurality of protection hole portions 111 provide transport fluid F1 flowing through the first injection passage of the powder carbon injection nozzle 110 as it moves from the outer wall surface of the powder carbon injection nozzle 110 to the inner wall surface. It may be formed inclined toward the direction of flow.
  • the film cooling fluid is injected from the inner wall surface of the powder carbon injection nozzle 110 into a plurality of protection hole portions 111 formed inclined toward the flow direction of the transfer fluid F1.
  • the speed of the carbon powder (C) is further accelerated by the momentum of the film cooling fluid (F2). You can do it.
  • the supersonic oxygen nozzle 130 is formed in the shape of a pipe with both ends open to surround the membrane cooling fluid nozzle 120, and is formed to have a circular cross-section on the inside.
  • Supersonic oxygen (F3) can be injected into the internal space of the electric furnace main body 200 at a Mach number of 1.0 or more through the third injection passage.
  • This supersonic fluid nozzle 130 is formed as a Laval nozzle to increase the flow speed of supersonic oxygen (F3) passing through the third injection passage to more than the speed of sound, thereby generating supersonic oxygen (F3) by the shroud effect. ) can further accelerate the flow speed beyond the speed of sound.
  • the supersonic oxygen nozzle 130 is formed so that its cross-sectional area gradually decreases along the flow direction of the supersonic oxygen (F3) from the inlet into which the supersonic oxygen (F3) flows, so that it can be formed as the Laval nozzle, A compression section 131 that compresses the supersonic oxygen (F3) flowing inside, and a minimum cross-sectional area formed to maximize the compression of the supersonic oxygen (F3) compressed in the process of flowing through the compression section 131.
  • the cross-sectional area is formed to gradually increase along the flow direction of the supersonic oxygen (F3) from the neck portion 132 to the injection portion where the supersonic oxygen (F3) is sprayed, and the supersonic oxygen (F3) flowing inside ) may be configured to include an expansion portion 133 that expands.
  • the compression section 131 and the expansion section 133 of the supersonic oxygen nozzle 130 change the cross-sectional area of the annular cross-section to gradually become smaller or larger in a non-linear manner, so that the third injection can be formed into an overall streamlined shape. It may be desirable to form a combination of at least two or more curves, including a convex curve formed in a convex curve shape based on the central axis of the flow path and a concave curve formed in a concave curve shape based on the central axis of the third injection flow path. there is.
  • the inner wall angle at which the inclination changes rapidly inside the nozzle This is formed, and a shock wave is generated during the compression/expansion flow of supersonic oxygen (F3).
  • the shock wave causes the flow of supersonic oxygen (F3) to become unstable, adversely affecting the flow, and ultimately supersonic oxygen nozzle ( 130), the supersonic oxygen (F3) is not sufficiently accelerated, and straightness and momentum may deteriorate.
  • the supersonic oxygen nozzle 130 when the supersonic oxygen nozzle 130 is formed in a streamlined shape with a combination of convex curves and concave curves, the generation of the shock wave due to the inner wall angle is suppressed, and the supersonic speed is controlled according to the principle of supersonic gas flow.
  • the oxygen (F3) By inducing the oxygen (F3) to accelerate stably, the straightness and momentum of the supersonic oxygen (F3) sprayed at a supersonic speed of Mach 1.0 or higher through the supersonic oxygen nozzle 130 can be improved.
  • the fuel nozzle 140 is formed in the shape of a pipe with both ends open to surround the supersonic oxygen nozzle 130, and is formed to have a circular cross-section on the inside. 4 Fuel F4 can be injected into the internal space of the electric furnace main body 200 through the injection passage.
  • the fuel nozzle 140 is formed in a ring shape with a spiral groove 141a so as to generate a swirl flow in the fuel F4 passing through the fourth injection passage, and has an annular cross section.
  • the branch may include a swirler 141 inserted into the fourth injection passage.
  • the body carbon injection nozzle 110, the film cooling fluid nozzle 120, the supersonic oxygen nozzle 130, and the fuel nozzle 140 described above are coaxially formed. It can be formed as a single nozzle assembly (10).
  • the single nozzle assembly 10 through the powder carbon injection nozzle 110, the supersonic oxygen nozzle 130, and the fuel nozzle 140, fuel (F4), supersonic oxygen (F3), and powder carbon (C).
  • At least one of the transport fluids (F1) containing fuel (F4), supersonic oxygen (F3), and powdery carbon (C) is applied to the portion of the injection port (11) that injects at least one or more of the transport fluids (F1) contained therein.
  • the end of the injection port 11 of the powder carbon injection nozzle 110 and the supersonic oxygen nozzle 130 is connected to the injection port 11 of the fuel nozzle 140 so that a mixing space A in which one or more can be mixed is formed. It may be formed inside the single nozzle assembly 10 rather than the side end.
  • a predetermined mixing space (A) may be formed inside the injection hole 11 of (10).
  • the fuel nozzle 140 of the single nozzle assembly 10 has an injection port ( 11) At least a portion of the side end, the annular cross-section of the fourth injection passage may be formed to have a gradually smaller diameter toward the injection hole 11.
  • the fuel nozzle 140 is formed in a shape that is gathered toward the central axis as it moves toward the injection hole 11, so that the fuel F4 injected through the fuel nozzle 140 is gathered toward the mixing space A.
  • mixing efficiency is improved when mixing fuel F4 and oxygen, thereby effectively improving combustion efficiency in the injection unit 11.
  • the fuel nozzle 140 formed on the outermost wall of the single nozzle assembly 10 is The annular outer wall is formed with a cooling passage 142 through which the cooling medium F5 flows, so that the single nozzle assembly 10 can be effectively cooled.
  • the powder carbon injection nozzle 110 is coaxial in the single nozzle assembly 10, and the film cooling
  • the fluid nozzle 120, the supersonic oxygen nozzle 130, and the fuel nozzle 140 are formed to form a structure such that the oxygen lance, combustion burner, and powder injection are injected from the same central axis, as shown in FIGS. 6 to 9.
  • At least one of a transport fluid (F1) containing fuel (F4), supersonic oxygen (F3), and powder carbon (C), such as oxygen lance mode 1, oxygen lance mode 2, combustion mode, and powder injection mode. can be selectively sprayed depending on the mode.
  • oxygen lance, combustion burner, and powder injection modes can be selectively utilized in each stage from a single nozzle in the early, middle, late, and refining stages of scrap melting, and in addition to fluid supply for powder transfer, film cooling multi-hole Additional fluid is supplied from the nozzle to increase the speed of the powder at the injection nozzle, which has the advantage of inducing slag forming, and the shape of the supersonic nozzle for a shroud effect in the annular gap around the powder transfer pipe is applied to the supersonic characteristic curve to achieve stable supersonic fluid injection.
  • the powder carbon passing through the powder transfer pipe is guided close to the upper surface of the slag without being disturbed by the surrounding environment, which has the effect of making the forming of the slag (2) more smooth. You can.

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Abstract

본 발명은 전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로에 관한 것으로서, 분체 카본이 함유된 이송 유체를 전기로 본체로 분사하는 분체 카본 분사 노즐과, 상기 분체 카본 분사 노즐을 둘러싸도록 형성되어 막냉각 유체를 분체 카본 분사 노즐측으로 분사하는 막냉각 유체 노즐과, 상기 막냉각 유체 노즐을 둘러싸도록 형성되어 초음속 산소를 상기 전기로 본체로 분사하는 초음속 산소 노즐 및 상기 초음속 산소 노즐을 둘러싸도록 형성되어 연료를 상기 전기로 본체로 분사하는 연료 노즐을 포함할 수 있다.

Description

전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로
본 발명은 전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 조업 중인 전기로 본체의 내부 공간에 연료, 초음속 산소 및 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상을 단일 노즐로 분사할 수 있는 전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로에 관한 것이다.
전기로는 전기에너지를 이용하여 금속이나 합금을 가열, 용해하는 노를 말하는 것으로, 노 내부로 스크랩을 장입한 후 전극과 스크랩 사이로 아크 형태의 전류를 발생시켜 가열함으로써, 스크랩을 용해시키는 장치이다.
이러한, 전기로에서 인젝션 시스템은, 스크랩 용해 및 공정에 필요한 추가 열원을 확보하기 위한 설비로, 스크랩 용해 초기에는 연소 버너를 활용 화학에너지(연료)를 투입하여 스크랩을 용해시키고, 이후, 산소 랜스를 활용하여 스크랩을 지속적으로 절단 및 용해시킨다. 용해 작업 중에는 용강의 상부에 슬래그가 생성되며, 이때 슬래그 포밍을 위해 전기로 벽면에서 분체 카본을 취입할 수 있다.
종래에는 단일 노즐에서 산소 랜스, 연소 버너, 분체 인젝션을 구현하기 위해, 산소 랜스와 분체 인젝션 출구를 독립적으로 위치시킨 다음 주변 환형 홀에서 연료를 인젝션하는 구조로 형성되었다. 또한, 분체 인젝션은 내부 직경이 일정한 단일 파이프로 이루어진 구조로 형성되었다.
그러나, 종래의 인젝션 시스템과 같은 구조는, 연소 모드에서 산소와 연료의 분사 위치가 불균일(분사 출구가 편향되게 형성)하여 혼합 성능이 낮아 연소 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 분체 인젝션 모드에서 분체 카본의 이송 시 분체 카본이 내벽면에 충돌하여 내부 벽면에 침식이 일어나 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 단일 노즐에서 산소 랜스, 연소 버너, 분체 인젝션이 동일한 중심축에서 분사되는 구조로 형성되고, 분체 인젝션 구조는 침식을 방지할 수 있도록 벽면의 멀티홀에서 고속의 제트를 분사시켜 분체 카본이 벽면에 충돌하는 것을 방지할 수 있는 구조를 가지는 전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기로의 인젝션 시스템이 제공된다. 상기 전기로의 인젝션 시스템은, 철원을 용해하여 용강을 생산할 수 있는 내부 공간이 형성되는 전기로 본체의 일측에 삽입되어, 조업 중인 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간에 연료, 초음속 산소 및 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상을 분사(Injection)할 수 있는 전기로의 인젝션 시스템에 있어서, 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부의 제 1 분사 유로를 통해 상기 분체 카본이 함유된 이송 유체를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 분체 카본 분사 노즐; 상기 분체 카본 분사 노즐을 둘러싸도록 상기 이송 유체가 분사되는 단부측이 폐쇄된 형태의 파이프 형상으로 형성되고, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 2 분사 유로를 통해 유동되는 막냉각 유체를 상기 제 1 분사 유로측으로 분사하는 막냉각 유체 노즐; 상기 막냉각 유체 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 3 분사 유로를 통해 상기 초음속 산소를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 초음속 산소 노즐; 및 상기 초음속 산소 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 4 분사 유로를 통해 상기 연료를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 연료 노즐;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연료 노즐은, 상기 제 4 분사 유로를 통과하는 상기 연료에 소용돌이(Swirl) 흐름을 발생시킬 수 있도록, 나선형 홈부를 가지는 링 형상으로 형성되어, 환형의 횡단면을 가지는 상기 제 4 분사 유로에 삽입되는 스월러;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분체 카본 분사 노즐과, 상기 막냉각 유체 노즐과, 상기 초음속 산소 노즐 및 상기 연료 노즐은, 동축으로 형성되어 하나의 단일 노즐 조립체로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단일 노즐 조립체는, 상기 분체 카본 분사 노즐과, 상기 초음속 산소 노즐 및 상기 연료 노즐을 통해, 상기 연료, 상기 초음속 산소 및 상기 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상을 분사하는 분사구 부분에, 상기 연료, 상기 초음속 산소 및 상기 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상이 혼합될 수 있는 혼합 공간이 형성될 수 있도록, 상기 분체 카본 분사 노즐 및 상기 초음속 산소 노즐의 상기 분사구 측 단부가 상기 연료 노즐의 상기 분사구 측 단부 보다 상기 단일 노즐 조립체의 내측으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 연료 노즐은, 상기 제 4 분사 유로를 통해 분사되는 상기 연료가 상기 혼합 공간의 중심을 향해 모아지는 형태로 분사될 수 있도록, 상기 분사구 측 단부의 적어도 일부분에서, 상기 제 4 분사 유로의 환형의 횡단면이 상기 분사구 측으로 갈수록 점점 작은 지름으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 단일 노즐 조립체의 최외측벽으로 형성되는 상기 연료 노즐의 환형의 외측벽은, 상기 단일 노즐 조립체를 냉각시킬 수 있도록, 그 내부에 냉각 매체가 유동하는 냉각 유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분체 카본 분사 노즐은, 내부의 상기 제 1 분사 유로와 상기 막냉각 유체 노즐의 상기 제 2 분사 유로 사이를 연결할 수 있도록, 상기 분체 카본 분사 노즐의 외벽면과 내벽면 사이를 관통하도록 형성되는 복수의 보호홀부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 보호홀부는, 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 제 1 분사 유로를 상기 이송 유체에 의해 통과하는 상기 분체 카본이 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 내벽면에 충돌하는 것을 방지할 수 있도록, 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 내벽면의 둘레 방향 및 상기 내벽면의 길이 방향을 따라 복수개가 균등한 간격으로 형성되어, 상기 내벽면으로부터 상기 제 1 분사 유로의 중심축을 향해서 상기 막냉각 유체를 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 복수의 보호홀부는, 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 외벽면에서 상기 내벽면으로 갈수록, 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 제 1 분사 유로를 유동하는 상기 이송 유체의 유동 방향을 향해서 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 초음속 산소 노즐은, 상기 제 3 분사 유로를 통과하는 상기 초음속 산소의 유속을 음속 이상으로 증가시킬 수 있도록 라발(Laval) 노즐로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 초음속 산소 노즐은, 상기 초음속 산소가 유입되는 유입부로부터 상기 초음속 산소의 유동 방향을 따라 그 단면적이 점차적으로 작아지도록 형성되어, 내부를 유동하는 상기 초음속 산소를 압축시키는 압축부; 상기 압축부를 유동하는 과정에서 압축이 이루어진 상기 초음속 산소의 압축이 최대로 이루어질 수 있도록, 최소 단면적으로 형성되는 목부; 및 상기 목부로부터 상기 초음속 산소가 분사되는 분사부까지 상기 초음속 산소의 유동 방향을 따라 그 단면적이 점차적으로 커지도록 형성되어, 내부를 유동하는 상기 초음속 산소를 팽창시키는 팽창부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 압축부와 및 상기 팽창부는, 환형의 횡단면의 단면적이 비선형으로 점점 작아지거나 점점 커지도록 변화하여 전체적으로 유선형으로 형성될 수 있도록, 상기 제 3 분사 유로의 중심축을 기준으로 볼록한 곡선 형상으로 형성되는 볼록 곡선 및 상기 제 3 분사 유로의 중심축을 기준으로 오목한 곡선 형상으로 형성되는 오목 곡선을 포함하는 적어도 2개 이상의 곡선의 조합으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기로가 제공된다. 상기 전기로는, 철원이 장입되어 용해될 수 있는 내부 공간이 형성되는 전기로 본체; 상기 전기로 본체 상측의 루프부의 소천정을 통해 적어도 일부분이 상기 내부 공간으로 삽입되어, 용강을 생산할 수 있도록 아크열에 의해 상기 철원을 용해시키는 전극봉; 및 상기 전기로 본체의 일측에 삽입되어, 조업 중인 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간에 연료, 초음속 산소 및 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상을 분사하는 인젝션 시스템;을 포함하고, 상기 인젝션 시스템은, 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부의 제 1 분사 유로를 통해 상기 분체 카본이 함유된 이송 유체를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 분체 카본 분사 노즐; 상기 분체 카본 분사 노즐을 둘러싸도록 상기 이송 유체가 분사되는 단부측이 폐쇄된 형태의 파이프 형상으로 형성되고, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 2 분사 유로를 통해 유동되는 막냉각 유체를 상기 제 1 분사 유로측으로 분사하는 막냉각 유체 노즐; 상기 막냉각 유체 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 3 분사 유로를 통해 상기 초음속 산소를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 초음속 산소 노즐; 및 상기 초음속 산소 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 4 분사 유로를 통해 상기 연료를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 연료 노즐;을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전기로 본체는, 상기 내부 공간의 하측을 이루는 하부 셀; 및 상기 하부 셀과 결합되어 상기 내부 공간의 상측을 이루고, 상기 루프부에 의해 상방이 폐쇄되는 상부 셀;을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 인젝션 시스템은, 상기 분체 카본 분사 노즐과, 상기 막냉각 유체 노즐과, 상기 초음속 산소 노즐 및 상기 연료 노즐이 동축으로 형성된 하나의 단일 노즐 조립체로 형성되어, 상기 상부 셀 또는 상기 하부 셀의 벽면을 관통하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 인젝션 시스템은, 상기 전기로 본체의 하측을 향해서 소정의 각도로 하향 경사지게 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일 노즐에서 산소 랜스, 연소 버너, 분체 인젝션을 동일 중심축에서 분사되도록 구조를 형성하여, 혼합능, 연소 효율 및 인젝션 효율을 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 막냉각 유체로 인한 분체 이송관 내부 벽면 파괴를 방지하여 노즐의 교체 주기 및 수명 증대의 효과를 가질 수 있다.
또한, 분체 인젝션 모드 사용 시 종래 기술에서는 산소 노즐과 분체 인젝션의 중심축이 상이하여 슈라우드 효과를 갖기 어려웠으나, 단일 노즐에서 산소 랜스, 및 분체 인젝션을 동일 중심축에서 분사되도록 구조를 형성함으로써, 분체 인젝션 모드 사용 시에도 산소 랜스를 통해 초음속 산소를 공급하여 슈라우드 효과를 통한 효과적인 분체 인젝션이 가능할 수 있다.
이와 같이, 전기로 공정 프로세스를 반영하여 스크랩 용해 초기, 중기, 말기 및 정련기에 단일 노즐에서 단계별로 산소 랜스, 연소 버너, 분체 인젝션 모드를 선택적으로 활용할 수 있으며, 분체 이송용 유체 공급 이외에 막냉각 멀티홀에서 추가적으로 유체가 공급되어 분사구에서의 분체 속도를 증가시켜 슬래그 포밍 유도에 유리한 장점을 가질 수 있으며, 분체 이송관 주변 환형갭에서 슈라우드 효과를 위한 초음속 노즐 형상을 초음속 특성 곡선을 적용하여 안정적인 초음속 유체 분사와 높은 마하수의 유체가 공급되도록 하여, 분체 이송관을 통과한 분체 카본이 주변 환경에 의해 방해 받지 않고 슬래그 상면에 근접하게 유도할 수 있는 전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 전기로에 설치된 인젝션 시스템을 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 4는 도 3의 “A”부분을 나타내는 확대도이다.
도 5는 도 4의 “B”부분을 나타내는 확대도이다.
도 6 내지 도 9는 도 1의 전기로에 설치된 인젝션 시스템의 다양한 분사 모드를 각각 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로(1000)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 전기로(1000)에 설치된 인젝션 시스템(100)을 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이고, 도 4는 도 3의 “A”부분을 나타내는 확대도이며, 도 5는 도 4의 “B”부분을 나타내는 확대도이다. 그리고, 도 6 내지 도 9는 도 1의 전기로(1000)에 설치된 인젝션 시스템(100)의 다양한 분사 모드를 각각 나타내는 단면도들이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른, 전기로(1000)는, 크게, 인젝션 시스템(100)과, 전기로 본체(200) 및 전극봉(300)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기로 본체(200)는, 스크랩이나, 직접 환원철 등과 같은 철원이 장입되어 용해될 수 있는 내부 공간이 형성되는, 일종의 로(Furnace)일 수 있다.
예컨대, 전기로 본체(200)는, 상기 내부 공간의 하측을 이루는 하부 셀(210) 및 하부 셀(210)의 상측에 결합되어 상기 내부 공간의 상측을 이루고 루프부(230)에 의해 상방이 폐쇄되는 상부 셀(220)로 구성될 수 있다. 이때, 도시되진 않았지만, 하부 셀(210)의 내측벽에는 외측벽을 보호하도록 내화 연와로 축조된 내화 벽체가 형성되고, 상부 셀(220)의 내측벽에는 내부로 냉각수가 순환되어 외측벽을 보호하는 냉각 패널 부재가 장착될 수 있다. 또한, 도시되진 않았지만, 전기로 본체(200)의 일측에는 상기 철원을 연속적으로 공급하기 위한 원료 공급구가 형성되고, 타측에는 생산된 용강(1)을 연속적으로 출강하기 위한 용강 출탕구가 형성될 수 있다.
또한, 상부 셀(220)은, 용강(1)의 상측에 형성된 슬래그(2)를 선택적으로 유재할 수 있도록, 하부 셀(210)과 인접한 하단부에 슬래그 배출 도어(221)가 형성될 수 있다.
루프부(230)는, 상부 셀(220)의 상단에 안착되어, 상부 셀(220)의 개방된 상부를 커버하며, 중심부에 소천정이 형성되어, 아크열을 발생시키는 후술될 전극봉(300)이 관통되게 설치될 수 있다. 또한, 도시되진 않았지만, 루프부(230)는, 상기 철원의 용해 과정에서 발생되는 다량의 폐가스와 먼지 등을 배출하는 배기관이 연결될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전극봉(300)은, 복수의 전극 다발로 형성되어, 전기로 본체(200) 상측의 루프부(230)의 상기 소천정을 통해 적어도 일부분이 상기 내부 공간으로 삽입되어, 용강(1)을 생산할 수 있도록 아크열에 의해 상기 철원을 용해시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 인젝션 시스템(100)은, 전기로 본체(200)의 일측에 삽입되어, 조업 중인 전기로 본체(200)의 상기 내부 공간에 연료(도 3의 F4), 초음속 산소(도 3의 F3) 및 분체 카본(도 4의 C) 중 적어도 어느 하나 이상을 분사할 수 있다.
예컨대, 인젝션 시스템(100)은, 상부 셀(220)의 벽면을 관통하도록 형성되고, 전기로 본체(200)의 하측을 향해서 소정의 각도로 하향 경사지게 형성되어, 조업 중 전기로 본체(200)의 상기 내부 공간에 연료(F4)나 초음속 산소(F3)를 취입하거나, 상기 내부 공간의 용강(1)과 슬래그(2)에 분체 카본(C)과 초음속 산소(F3)를 취입하여 CO 기체를 발생시켜, 슬래그(2)를 포밍시킬 수 있다.
여기서, 인젝션 시스템(100)은, 전기로 본체(200)의 상부 셀(220)의 벽면을 관통하여 형성되는 것을 예로 들었지만, 반드시 도 1에 국한되지 않고, 하부 셀(210)의 벽면을 관통하도록 형성될 수도 있다. 또한, 인젝션 시스템(100)은, 공정 상 필요에 따라 복수개가 설치될 수도 있다.
이러한, 인젝션 시스템(100)에 대해 더욱 구체적으로 설명하면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 인젝션 시스템(100)은, 전기로 본체(200)의 상기 내부 공간에 연료(F4), 초음속 산소(F3) 및 분체 카본(C)이 함유된 이송 유체(F1) 중 적어도 어느 하나 이상을 분사(Injection)할 수 있는 단일 노즐 조립체(10)로서, 분체 카본 분사 노즐(110)과, 막냉각 유체 노즐(120)과, 초음속 산소 노즐(130) 및 연료 노즐(140)이 동축으로 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 분체 카본 분사 노즐(110)은, 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부의 제 1 분사 유로를 통해 분체 카본(C)이 함유된 이송 유체(F1)를 전기로 본체(200)의 상기 내부 공간으로 분사할 수 있다.
또한, 막냉각 유체 노즐(120)은, 분체 카본 분사 노즐(110)을 둘러싸도록 이송 유체(F1)가 분사되는 단부측이 폐쇄된 형태의 파이프 형상으로 형성되고, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 2 분사 유로를 통해 유동되는 막냉각 유체(F2)를 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 제 1 분사 유로측으로 분사할 수 있다.
예컨대, 분체 카본 분사 노즐(110)은, 내부의 상기 제 1 분사 유로와 막냉각 유체 노즐(120)의 상기 제 2 분사 유로 사이를 연결할 수 있도록, 분체 카본 분사 노즐(110)의 외벽면과 내벽면 사이를 관통하도록 형성되는 복수의 보호홀부(111)가 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 복수의 보호홀부(111)는, 분체 카본 분사 노즐(111)의 상기 내벽면의 둘레 방향 및 상기 내벽면의 길이 방향을 따라 복수개가 균등한 간격으로 형성되어, 상기 내벽면으로부터 상기 제 1 분사 유로의 중심축을 향해서 막냉각 유체(F2)를 분사할 수 있다.
이에 따라, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 막냉각 유체 노즐(120)의 상기 제 2 분사 유로를 통해 유동한 막냉각 유체(F2)가, 복수의 보호홀부(111)를 통해 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 내벽면상으로 고속의 제트로 분사되어, 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 내벽면을 따라 냉각 보호막을 형성함으로써, 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 제 1 분사 유로를 이송 유체(F1)에 의해 통과하는 분체 카본(C)이 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 내벽면에 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기 냉각 보호막은, 분체 카본 분사 노즐(110)을 포함하는 분체 분사 시스템(100)이 과열되지 않도록 냉각시키는 역할도 병행할 수 있다.
또한, 복수의 보호홀부(111)는, 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 외벽면에서 상기 내벽면으로 갈수록, 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 제 1 분사 유로를 유동하는 이송 유체(F1)의 유동 방향을 향해서 경사지게 형성될 수 있다.
이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 분체 카본 분사 노즐(110)의 상기 내벽면에서, 이송 유체(F1)의 유동 방향을 향해서 경사지게 형성되는 복수의 보호홀부(111)로 분사되는 막냉각 유체(F2)가, 분체 카본(C)을 분체 카본 분사 노즐(110)의 중심부로 경사진 방향으로 밀어내는 과정에서, 막냉각 유체(F2)의 모멘텀에 의해 카본 분체(C)의 속도를 더욱 가속시킬 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 초음속 산소 노즐(130)은, 막냉각 유체 노즐(120)을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 3 분사 유로를 통해 초음속 산소(F3)를 전기로 본체(200)의 상기 내부 공간으로 마하수 1.0 이상으로 분사할 수 있다.
이러한, 초음속 유체 노즐(130)은, 상기 제 3 분사 유로를 통과하는 초음속 산소(F3)의 유속을 음속 이상으로 증가시킬 수 있도록 라발(Laval) 노즐로 형성됨으로써, 슈라우드 효과에 의해 초음속 산소(F3)의 유속을 음속 이상으로 더욱 가속시킬 수 있다.
예컨대, 초음속 산소 노즐(130)은, 상기 라발 노즐로 형성될 수 있도록, 초음속 산소(F3)가 유입되는 유입부로부터 초음속 산소(F3)의 유동 방향을 따라 그 단면적이 점차적으로 작아지도록 형성되어, 내부를 유동하는 초음속 산소(F3)를 압축시키는 압축부(131)와, 압축부(131)를 유동하는 과정에서 압축이 이루어진 초음속 산소(F3)의 압축이 최대로 이루어질 수 있도록, 최소 단면적으로 형성되는 목부(132) 및 목부(132)로부터 초음속 산소(F3)가 분사되는 분사부까지 초음속 산소(F3)의 유동 방향을 따라 그 단면적이 점차적으로 커지도록 형성되어, 내부를 유동하는 초음속 산소(F3)를 팽창시키는 팽창부(133)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이때, 초음속 산소 노즐(130)의 압축부(131)와 팽창부(133)는, 환형의 횡단면의 단면적이 비선형으로 점점 작아지거나 점점 커지도록 변화하여 전체적으로 유선형으로 형성될 수 있도록, 상기 제 3 분사 유로의 중심축을 기준으로 볼록한 곡선 형상으로 형성되는 볼록 곡선 및 상기 제 3 분사 유로의 중심축을 기준으로 오목한 곡선 형상으로 형성되는 오목 곡선을 포함하는 적어도 2개 이상의 곡선의 조합으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
예컨대, 초음속 산소 노즐(130)의 압축부(131)와 목부(132) 및 팽창부(133) 각각의 지점이 선형으로 연결되어 직선형으로 형성될 경우, 노즐 내부에 기울기가 급격하게 변동되는 내벽 각이 형성되어, 초음속 산소(F3)의 압축/팽창 유동 시 충격파(Shock Wave)가 발생됨으로써, 상기 충격파에 의해 초음속 산소(F3)의 유동이 불안정해져 유동에 악영향을 미쳐, 최종적으로 초음속 산소 노즐(130)을 통해 분사되는 초음속 산소(F3)가 충분히 가속되지 못하고, 직진도 및 모멘텀이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이, 초음속 산소 노즐(130)이 볼록 곡선 및 오목 곡선의 조합으로 유선형으로 형성될 경우, 상기 내벽 각에 의한 상기 충격파의 발생을 억제하여, 초음속 기체의 유동의 원리에 따라 초음속 산소(F3)가 안정적으로 가속되도록 유도함으로써, 초음속 산소 노즐(130)을 통해 마하 1.0 이상의 초음속으로 분사되는 초음속 산소(F3)의 직진도 및 모멘텀을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 노즐(140)은, 초음속 산소 노즐(130)을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 4 분사 유로를 통해 연료(F4)를 전기로 본체(200)의 상기 내부 공간으로 분사할 수 있다.
이러한, 연료 노즐(140)은, 상기 제 4 분사 유로를 통과하는 연료(F4)에 소용돌이(Swirl) 흐름을 발생시킬 수 있도록, 나선형 홈부(141a)를 가지는 링 형상으로 형성되어, 환형의 횡단면을 가지는 상기 제 4 분사 유로에 삽입되는 스월러(141)를 포함할 수 있다.
따라서, 연료 노즐(140)에 스월러(141)를 적용하여 연료(F4)에 소용돌이 흐름을 발생시킴으로써, 연료(F4)와 산소의 혼합 시 효율을 향상시켜, 스월 효과를 통해 후술될 분사부(11)에서의 연소 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상술한, 본체 카본 분사 노즐(110)과, 막냉각 유체 노즐(120)과 초음속 산소 노즐(130) 및 연료 노즐(140)은, 동축으로 형성되어 하나의 단일 노즐 조립체(10)로 형성될 수 있다.
이때, 단일 노즐 조립체(10)는, 분체 카본 분사 노즐(110)과, 초음속 산소 노즐(130) 및 연료 노즐(140)을 통해, 연료(F4), 초음속 산소(F3) 및 분체 카본(C)이 함유된 이송 유체(F1) 중 적어도 어느 하나 이상을 분사하는 분사구(11) 부분에, 연료(F4), 초음속 산소(F3) 및 분체 카본(C)이 함유된 이송 유체(F1) 중 적어도 어느 하나 이상이 혼합될 수 있는 혼합 공간(A)이 형성될 수 있도록, 분체 카본 분사 노즐(110) 및 초음속 산소 노즐(130)의 분사구(11) 측 단부가 연료 노즐(140)의 분사구(11) 측 단부 보다 단일 노즐 조립체(10)의 내측으로 형성될 수 있다.
즉, 타 노즐과 동축으로 형성되어 단일 노즐 조립체(10)의 최외곽을 이루는 연료 노즐(140)에 비해, 분체 카본 분사 노즐(110) 및 초음속 산소 노즐(130)이 짧게 형성됨으로써, 단일 노즐 조립체(10)의 분사구(11) 내측에 소정의 혼합 공간(A)이 형성될 수 있다.
이때, 단일 노즐 조립체(10)의 연료 노즐(140)은, 상기 제 4 분사 유로를 통해 분사되는 연료(F4)가 혼합 공간(A)의 중심을 향해 모아지는 형태로 분사될 수 있도록, 분사구(11) 측 단부의 적어도 일부분에서, 상기 제 4 분사 유로의 환형의 횡단면이 분사구(11) 측으로 갈수록 점점 작은 지름으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 연료 노즐(140)이 분사구(11) 측으로 갈수록 중심축을 향해 모아지는 형상으로 형성됨으로써, 연료 노즐(140)을 통해 분사되는 연료(F4)가 혼합 공간(A)을 향해 모아지는 형태로 분사되어, 연료(F4)와 산소의 혼합 시 혼합 효율을 향상시켜, 분사부(11)에서의 연소 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 전기로 본체(200)의 상기 내부 공간의 열기에 의해 단일 노즐 조립체(10)가 지나치게 과열되는 것을 방지할 수 있도록, 단일 노즐 조립체(10)의 최외측벽으로 형성되는 연료 노즐(140)의 환형의 외측벽은, 그 내부에 냉각 매체(F5)가 유동하는 냉각 유로(142)가 형성되어, 단일 노즐 조립체(10)를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기로의 인젝션 시스템(100) 및 이를 포함하는 전기로(1000)에 따르면, 단일 노즐 조립체(10)에서 동축을 이루도록 분체 카본 분사 노즐(110)과, 막냉각 유체 노즐(120)과, 초음속 산소 노즐(130) 및 연료 노즐(140)을 형성하여, 산소 랜스, 연소 버너, 분체 인젝션을 동일 중심축에서 분사되도록 구조를 형성함으로써, 도 6 내지 도 9에 도시된, 산소 랜스 모드 1, 산소 랜스 모드 2, 연소 모드 및 분체 인젝션 모드와 같이, 연료(F4), 초음속 산소(F3) 및 분체 카본(C)이 함유된 이송 유체(F1) 중 적어도 어느 하나 이상을 모드에 따라 선택적으로 분사할 수 있다.
이와 같이, 단일 노즐 조립체(10)에서 산소 랜스, 연소 버너, 분체 인젝션을 동일 중심축에서 분사되도록 구조를 형성하여, 혼합능, 연소 효율 및 인젝션 효율을 증가시키는 효과를 가질 수 있으며, 막냉각 유체로 인한 분체 카본 분사 노즐(110)의 내부 벽면 파괴를 방지하여 노즐의 교체 주기 및 수명 증대의 효과를 가질 수 있다.
또한, 분체 인젝션 모드 사용 시 종래 기술에서는 산소 노즐과 분체 인젝션의 중심축이 상이하여 슈라우드 효과를 갖기 어려웠으나, 단일 노즐 조립체(10)에서 산소 랜스, 및 분체 인젝션을 동일 중심축에서 분사되도록 구조를 형성함으로써, 분체 인젝션 모드 사용 시에도 산소 랜스를 통해 초음속 산소를 공급하여 슈라우드 효과를 통한 효과적인 분체 인젝션이 가능할 수 있다.
그러므로, 전기로 공정 프로세스를 반영하여 스크랩 용해 초기, 중기, 말기 및 정련기에 단일 노즐에서 단계별로 산소 랜스, 연소 버너, 분체 인젝션 모드를 선택적으로 활용할 수 있으며, 분체 이송용 유체 공급 이외에 막냉각 멀티홀에서 추가적으로 유체가 공급되어 분사구에서의 분체 속도를 증가시켜 슬래그 포밍 유도에 유리한 장점을 가질 수 있으며, 분체 이송관 주변 환형갭에서 슈라우드 효과를 위한 초음속 노즐 형상을 초음속 특성 곡선을 적용하여 안정적인 초음속 유체 분사와 높은 마하수의 유체가 공급되도록 하여, 분체 이송관을 통과한 분체 카본이 주변 환경에 의해 방해 받지 않고 슬래그 상면에 근접하게 유도하여, 슬래그(2)의 포밍을 더욱 원활하게 할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 철원을 용해하여 용강을 생산할 수 있는 내부 공간이 형성되는 전기로 본체의 일측에 삽입되어, 조업 중인 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간에 연료, 초음속 산소 및 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상을 분사(Injection)할 수 있는 전기로의 인젝션 시스템에 있어서,
    양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부의 제 1 분사 유로를 통해 상기 분체 카본이 함유된 이송 유체를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 분체 카본 분사 노즐;
    상기 분체 카본 분사 노즐을 둘러싸도록 상기 이송 유체가 분사되는 단부측이 폐쇄된 형태의 파이프 형상으로 형성되고, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 2 분사 유로를 통해 유동되는 막냉각 유체를 상기 제 1 분사 유로측으로 분사하는 막냉각 유체 노즐;
    상기 막냉각 유체 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 3 분사 유로를 통해 상기 초음속 산소를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 초음속 산소 노즐; 및
    상기 초음속 산소 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 4 분사 유로를 통해 상기 연료를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 연료 노즐;
    을 포함하는, 전기로의 인젝션 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 노즐은,
    상기 제 4 분사 유로를 통과하는 상기 연료에 소용돌이(Swirl) 흐름을 발생시킬 수 있도록, 나선형 홈부를 가지는 링 형상으로 형성되어, 환형의 횡단면을 가지는 상기 제 4 분사 유로에 삽입되는 스월러;
    를 포함하는, 전기로 인젝션 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분체 카본 분사 노즐과, 상기 막냉각 유체 노즐과, 상기 초음속 산소 노즐 및 상기 연료 노즐은,
    동축으로 형성되어 하나의 단일 노즐 조립체로 형성되는, 전기로 인젝션 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단일 노즐 조립체는,
    상기 분체 카본 분사 노즐과, 상기 초음속 산소 노즐 및 상기 연료 노즐을 통해, 상기 연료, 상기 초음속 산소 및 상기 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상을 분사하는 분사구 부분에, 상기 연료, 상기 초음속 산소 및 상기 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상이 혼합될 수 있는 혼합 공간이 형성될 수 있도록, 상기 분체 카본 분사 노즐 및 상기 초음속 산소 노즐의 상기 분사구 측 단부가 상기 연료 노즐의 상기 분사구 측 단부 보다 상기 단일 노즐 조립체의 내측으로 형성되는, 전기로 인젝션 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 노즐은,
    상기 제 4 분사 유로를 통해 분사되는 상기 연료가 상기 혼합 공간의 중심을 향해 모아지는 형태로 분사될 수 있도록, 상기 분사구 측 단부의 적어도 일부분에서, 상기 제 4 분사 유로의 환형의 횡단면이 상기 분사구 측으로 갈수록 점점 작은 지름으로 형성되는, 전기로 인젝션 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 단일 노즐 조립체의 최외측벽으로 형성되는 상기 연료 노즐의 환형의 외측벽은,
    상기 단일 노즐 조립체를 냉각시킬 수 있도록, 그 내부에 냉각 매체가 유동하는 냉각 유로가 형성되는, 전기로 인젝션 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분체 카본 분사 노즐은,
    내부의 상기 제 1 분사 유로와 상기 막냉각 유체 노즐의 상기 제 2 분사 유로 사이를 연결할 수 있도록, 상기 분체 카본 분사 노즐의 외벽면과 내벽면 사이를 관통하도록 형성되는 복수의 보호홀부가 형성되는, 전기로의 인젝션 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 보호홀부는,
    상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 제 1 분사 유로를 상기 이송 유체에 의해 통과하는 상기 분체 카본이 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 내벽면에 충돌하는 것을 방지할 수 있도록, 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 내벽면의 둘레 방향 및 상기 내벽면의 길이 방향을 따라 복수개가 균등한 간격으로 형성되어, 상기 내벽면으로부터 상기 제 1 분사 유로의 중심축을 향해서 상기 막냉각 유체를 분사하는, 전기로의 인젝션 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 보호홀부는,
    상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 외벽면에서 상기 내벽면으로 갈수록, 상기 분체 카본 분사 노즐의 상기 제 1 분사 유로를 유동하는 상기 이송 유체의 유동 방향을 향해서 경사지게 형성되는, 전기로의 인젝션 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음속 산소 노즐은,
    상기 제 3 분사 유로를 통과하는 상기 초음속 산소의 유속을 음속 이상으로 증가시킬 수 있도록 라발(Laval) 노즐로 형성되는, 전기로의 인젝션 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 초음속 산소 노즐은,
    상기 초음속 산소가 유입되는 유입부로부터 상기 초음속 산소의 유동 방향을 따라 그 단면적이 점차적으로 작아지도록 형성되어, 내부를 유동하는 상기 초음속 산소를 압축시키는 압축부;
    상기 압축부를 유동하는 과정에서 압축이 이루어진 상기 초음속 산소의 압축이 최대로 이루어질 수 있도록, 최소 단면적으로 형성되는 목부; 및
    상기 목부로부터 상기 초음속 산소가 분사되는 분사부까지 상기 초음속 산소의 유동 방향을 따라 그 단면적이 점차적으로 커지도록 형성되어, 내부를 유동하는 상기 초음속 산소를 팽창시키는 팽창부;
    를 포함하는, 전기로의 인젝션 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축부와 및 상기 팽창부는,
    환형의 횡단면의 단면적이 비선형으로 점점 작아지거나 점점 커지도록 변화하여 전체적으로 유선형으로 형성될 수 있도록, 상기 제 3 분사 유로의 중심축을 기준으로 볼록한 곡선 형상으로 형성되는 볼록 곡선 및 상기 제 3 분사 유로의 중심축을 기준으로 오목한 곡선 형상으로 형성되는 오목 곡선을 포함하는 적어도 2개 이상의 곡선의 조합으로 형성되는, 전기로의 인젝션 시스템.
  13. 철원이 장입되어 용해될 수 있는 내부 공간이 형성되는 전기로 본체;
    상기 전기로 본체 상측의 루프부의 소천정을 통해 적어도 일부분이 상기 내부 공간으로 삽입되어, 용강을 생산할 수 있도록 아크열에 의해 상기 철원을 용해시키는 전극봉; 및
    상기 전기로 본체의 일측에 삽입되어, 조업 중인 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간에 연료, 초음속 산소 및 분체 카본 중 적어도 어느 하나 이상을 분사하는 인젝션 시스템;을 포함하고,
    상기 인젝션 시스템은,
    양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부의 제 1 분사 유로를 통해 상기 분체 카본이 함유된 이송 유체를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 분체 카본 분사 노즐;
    상기 분체 카본 분사 노즐을 둘러싸도록 상기 이송 유체가 분사되는 단부측이 폐쇄된 형태의 파이프 형상으로 형성되고, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 2 분사 유로를 통해 유동되는 막냉각 유체를 상기 제 1 분사 유로측으로 분사하는 막냉각 유체 노즐;
    상기 막냉각 유체 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 3 분사 유로를 통해 상기 초음속 산소를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 초음속 산소 노즐; 및
    상기 초음속 산소 노즐을 둘러싸도록 양단이 개방된 파이프 형상으로 형성되어, 내부에 환형의 횡단면을 가지도록 형성되는 제 4 분사 유로를 통해 상기 연료를 상기 전기로 본체의 상기 내부 공간으로 분사하는 연료 노즐;
    을 포함하는, 전기로.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전기로 본체는,
    상기 내부 공간의 하측을 이루는 하부 셀; 및
    상기 하부 셀과 결합되어 상기 내부 공간의 상측을 이루고, 상기 루프부에 의해 상방이 폐쇄되는 상부 셀;
    을 포함하는, 전기로.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 인젝션 시스템은,
    상기 분체 카본 분사 노즐과, 상기 막냉각 유체 노즐과, 상기 초음속 산소 노즐 및 상기 연료 노즐이 동축으로 형성된 하나의 단일 노즐 조립체로 형성되어, 상기 상부 셀 또는 상기 하부 셀의 벽면을 관통하도록 형성되는, 전기로.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 인젝션 시스템은,
    상기 전기로 본체의 하측을 향해서 소정의 각도로 하향 경사지게 형성되는, 전기로.
PCT/KR2022/018983 2022-05-31 2022-11-28 전기로의 인젝션 시스템 및 이를 포함하는 전기로 WO2023234498A1 (ko)

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