KR101751367B1 - 순산소 연소기 및 이를 이용한 열간 압연 공정용 가열로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여분의 산소를 남기지 않으면서 원하는 화염 길이를 얻을 수 있는 순산소 연소기 및 이를 이용한 열간 압연 공정용 가열로에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예의 순산소 연소기는, 산소가 공급되는 산소노즐; 및 상기 산소노즐의 주변부에 배치되며, 연료가 공급되는 적어도 하나의 연료노즐; 을 포함한다. 상기 연료노즐은 산소의 분사의 중심축을 향해 상기 연료가 분사되도록 비스듬히 형성된다.
본 발명의 순산소 연소기에 따르면, 연소에 사용되지 않은 과잉 산소를 줄여 피가열체에서의 산화 반응을 최소화시킬 수 있고, 긴 화염 길이를 얻어 활용성이 높다.

Description

순산소 연소기 및 이를 이용한 열간 압연 공정용 가열로{PURE OXYGEN COMBUSTOR AND HEATING FURNACE FOR HOT ROLLING APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 순산소 연소기 및 이를 이용한 열간 압연 공정용 가열로에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 여분의 산소를 남기지 않으면서 원하는 화염 길이를 얻을 수 있는 순산소 연소기 및 이를 이용한 열간 압연 공정용 가열로에 관한 것이다.

순산소 연소는 연소를 위해 산화제로 산소와 연료 만을 사용하는 연소 방식을 말한다.

일반적으로는 산업 전반에 사용되는 연소기는 공기 연소 (Air-Fuel) 방식이다. 공기 연소 방식은 대기 중의 공기를 송풍기를 이용해 연소기 내로 강제 공급하고 이 공기를 산화제로써 이용하여 연료를 연소시키는 방식이다.

하지만, 연료의 산화제로써 이용되는 공기는 질소 성분을 가지고 있다. 이 질소 성분은 연료의 연소 시 공기 중 산소와 산화 반응을 일으켜 질소 산화물 (NOx) 을 형성하며, 연료의 완전 연소 반응을 방해한다. 또한, 연료 속 탄소가 산화 반응을 하여 발열 반응을 하는 반면, 질소 산화물 형성의 산화 반응은 흡열 반응이므로, 연료의 열 에너지 효율성을 감소시킨다.

순산소 연소기에서, 연료의 연소 시 인위적으로 산소를 유입시켜 연소의 산화 발열 반응에 필요한 산소 요구량을 충족시키고, 이에 따라 연소에 필요한 과잉 공기 유입을 줄여 질소 산화물 형성을 감소시킨다.

이러한 순산소 연소기의 장점에도 불구하고, 실제로 순산소 연소기가 제철, 제강 등의 산업 현장에 적용되는 경우 여러 가지 문제점을 지닌다.

첫 번째로, 산소에 의한 연소 반응은 그 반응 속도가 높아 짧은 화염을 형성하게 되고, 이는 국부적 구간만의 가열 만이 가능하여 제철, 제강 등의 산업 현장 생산 설비인 각종 가열로 내에 요구되는 고른 가열 형태를 얻을 수 없다는 문제점을 가진다.

두 번째로, 고르지 못한 가열 형태를 개선하기 위해 가열 시간을 늘리거나 더 많은 연료 및 산소를 사용하게 되는데, 이로 인하여 순산소 연소기의 장점인 연료 효율성을 해치게 된다.

세 번째로, 순산소 연소기는 가운데 노즐에서 연료를 분사하고 그 외각에서 산소를 분사하는 구조를 택하는 것이 일반적인데 (특허문헌 1 참조), 이러한 구조는 산소가 피가열체 (예를 들어, 빌릿 (billet), 블룸 (bloom), 빔블랭크 (beam blank), 슬래브 (slab) 등) 인 생산품에 산화 스케일 (Oxide Scale) 등의 산화 반응으로 생산 손실을 일으킬 수 있다.

(특허문헌 1)

한국공개특허번호 제10-2016-0129765호 (발명의 명칭 : 순산소 연소 버너)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 여분의 산소를 남기지 않으면서 원하는 화염 길이를 얻을 수 있는 순산소 연소기를 제공함에 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예의 순산소 연소기는, 산소가 공급되는 산소노즐; 및 상기 산소노즐의 주변부에 배치되며, 연료가 공급되는 적어도 하나의 연료노즐; 을 포함한다. 상기 연료노즐은 산소의 분사의 중심축을 향해 상기 연료가 분사되도록 비스듬히 형성된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 산소노즐을 통과한 산소의 유속은 상기 연료노즐을 통과한 연료의 유속보다 빠르도록 제어된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 산소노즐을 통과한 산소의 유속은 60 m/s 내지 140 m/s이고, 상기 연료노즐을 통과한 연료의 유속은 상기 산소의 유속의 60% 이도록 제어된다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예의 열간 압연 공정용 가열로는, 열간 압연 공정에서 공정의 대상인 피가열체를 가열하는, 열간 압연 공정용 가열로로서, 상술한 순산소 연소기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 순산소 연소기에 따르면, 연소에 사용되지 않은 과잉 산소를 줄여 피가열체에서의 산화 반응을 최소화시킬 수 있고, 긴 화염 길이를 얻어 활용성이 높다. 또한, 본 발명의 열간 압연 장치용 가열로에 따르면, 연소 효율이 높으면서 산화스케일을 형성하지 않음으로써 상품성이 좋은 제품을 얻으면서 생산 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소기의 측단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 순산소 연소기의 개략적인 정면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 도면부호를 사용함에 있어, 도면이 상이한 경우라도 동일한 구성을 도시하고 있는 경우에는 가급적 동일한 도면부호를 사용한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 순산소 연소기의 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소기의 측단면을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 순산소 연소기의 개략적인 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 순산소 연소기 (100) 는, 산소노즐 (110) 과 연료노즐 (120) 을 포함하여 구성된다.

산소노즐 (110) 은 연소에 필요한 산소를 공급하는 노즐로서, 순산소 연소기 (100) 의 중앙부에 배치된다. 산소노즐 (110) 은 단면적이 감소되는 단면적 감소부 (111) 를 가짐으로써, 산소의 유입 시의 단면적보다 유출 시의 단면적이 작게 형성된다. 이로 인하여 산소가 압축되면서 빠른 유속을 얻을 수 있고, 점선과 같은 흐름이 얻어지게 된다.

연료노즐 (120) 은 연소에 필요한 연료를 공급하는 노즐로서, 산소노즐 (110) 의 주변부에 적어도 1개가 배치된다. 연료노즐 (120) 은 산소의 분사 방향의 중심축을 향해 연료가 분사되도록 비스듬히 형성된다. 연료노즐 (120) 을 통과한 연료는 산소의 흐름에 섞이게 되어, 연소가 행하여지게 된다.

연료노즐 (120) 은 예를 들어, 산소노즐 (110) 의 중심축 전방을 향해 2° 내지 7° 로 기울도록 형성될 수 있으며, 이러한 기울기는 산소 및 연료의 분사속도, 원하는 화염 길이 등에 따라 적절히 선택될 수 있다.

발명자는 연료노즐이 중심에 배치되고 산소노즐이 주변부에 배치되는 기존의 순산소 연소기 (예를 들어, 특허문헌 1의 순산소 버너) 에 비해, 본 실시예와 같이 산소노즐 (110) 이 중심에 배치되고 연료노즐 (120) 이 주변부에 배치되는 구조를 택할 때, 연소에 사용되지 않은 과잉 산소가 급격히 감소되는 것을 발견하였다. 기존의 순산소 연소기는 외곽으로부터 산소가 공급되므로, 외곽 방향으로의 산소 흐름이 형성되어 연료와 섞여 연소되지 않는 산소가 다량 발생하는 것으로 생각된다. 하지만, 도 1과 같이 산소로 중앙에 빠른 흐름을 만들고, 그 바깥쪽으로 연료의 흐름을 형성하면 산소가 바깥쪽으로 빠지지 않고 대부분 연소에 사용되는 것으로 생각된다.

또한, 도 1의 점선과 같이 산소의 흐름을 빠르게 형성하면, 연료의 분포가 산소의 분사 방향으로 길게 전달됨으로써 기존의 순산소 연소기보다 긴 화염을 형성할 수 있게 된다. 기존의 순산소 연소기의 경우 중앙의 연료 분사 노즐 근처에 연료와 산소가 집중되어 짧은 화염을 형성하여 국부적인 가열만이 가능하였지만, 본 실시예의 순산소 연소기 (100) 의 구조를 채용한다면, 이러한 문제점을 해결할 수 있다.

한편, 연소 효율을 증가시키고, 화염의 길이를 증가시키기 위해서는, 산소노즐 (110) 을 통과한 산소의 유속이 연료노즐 (120) 을 통과한 연료의 유속보다 빠르게 제어되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 산소가 빠른 분사 속도를 가진다면 자칫 겉돌 수 있는 연료를 산소 흐름의 중심부 쪽으로 모을 수 있게 되기 때문이다.

예를 들어, 산소노즐 (110) 을 통과한 산소의 유속은 60 m/s 내지 140 m/s인 것이 바람직하다. 산소의 유속이 60 m/s 보다 낮으면 원하는 화염 길이를 얻을 수 없으며, 140 m/s 보다 높으면 불필요한 산소의 소모가 많아져서 오히려 연소 효율이 저하된다.

위와 같은 산소의 유속 조건 하에, 산소의 필요 유량은 0 ℃ 1 대기압 하에서 100 Nm³/Hr 내지 400 Nm³/Hr 인 것이 바람직하다. 이때의 산소의 필요 압력은 3 Bar 내지 5 Bar 인 것이 바람직하다.

이때의 산소 노즐비 (d/D) 는 0.7인 것이 바람직하다. 예를 들어, d 는 20 내지 34 mm 이고, D는 34 내지 58 mm로 형성될 수 있다.

산소의 유속보다 작다는 전제 하에, 연료노즐 (120) 을 통과한 연료의 유속은 36 m/s 내지 82 m/s 인 것이 바람직하다. 즉, 연료의 유속은 산소의 유속의 60%로 제어하는 것이 바람직하다.

또한 위와 같은 연료의 유속 조건 하에, 연료의 필요 유량은 0 ℃ 1 대기압 하에서 80 Nm³/Hr 내지 200 Nm³/Hr 인 것이 바람직하다. 이때의 연료의 필요 압력은 0.3 Bar 내지 0.5 Bar 인 것이 바람직하다. 여기서, 연료의 필요 유량은 연료노즐 (120) 1개당 유량을 의미하는 것은 아니고, 모든 연료노즐 (120) 을 통해 공급되는 연료의 유량을 의미한다.

한편, 연료의 유량은 순산소 연소시 (100) 의 발열량에 따라 조절하면 된다. 예를 들어, 고발열량이 필요할 경우, 연료 유량을 증가시켜야 하며, 이는 연료노즐 (120) 의 개수를 늘림으로써 달성될 수 있다. 반대로 저발열량만으로도 충분할 경우에는 연료노즐 (120) 의 개수를 줄이면 된다.

이때의 연료 노즐비 (유출부 면적/유입부 면적) 는 0.7인 것이 바람직하다. 예를 들어, 유출부 면적은 610 내지 1000 mm³ 이고, 유입부 면적은 775 내지 1270 mm³ 로 형성될 수 있다. 다만, 도 1의 도면 상에는 유입부 면적과 유출부 면적이 같게 도시되나, 이는 편의를 위한 것일 뿐 연료노즐 (120) 도 산소노즐 (110) 과 동일한 형태의 단면을 가질 수 있다.

한편, 산소노즐 (110) 에서 산소의 속도를 증가시키기 위해 산소 노즐비를 조절하여도 되지만, 도 1의 L 과 α 를 조절함으로써 유량 계수 (Flow Coefficient) 를 변화시켜, 산소의 속도를 증감시킬 수 있다.

위와 같은 산소노즐 (110) 및 연료노즐 (120) 의 조건 하에서, 화염길이는 600 mm 내지 3000 mm로 얻어진다. 이는 기존의 순산소 연소기의 화염길이에 비해 상당히 증가된 것이다.

도 2를 참조하면, 순산소 연소기 (100) 의 중심부에 산소노즐 (110) 이 위치되고, 그 주변에 등간격으로 연료노즐 (120) 이 배치된다. 연료노즐 (120) 은 다양한 개수로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 6개, 8개, 10개 등으로 이루어질 수 있다.

한편, 연료노즐 (120) 의 바깥쪽으로 냉각용 압축 공기가 흐를 수 있는 챔버 (미도시) 가 제공될 수도 있다. 이러한 냉각용 챔버는 공지의 구성을 따를 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

또한, 점화 플러그는 공지의 구성을 그대로 사용할 수 있으며, 본 명세서에서는 설명을 생략하였음에 유의해야 한다.

위에서 설명한 순산소 연소기 (100) 는 다양한 피가열체를 가열하는데 사용될 수 있다. 그 중에서도, 순산소 연소기가 산화 반응을 일으켜 피가열체에 산화스케일을 형성함으로써 상품 가치를 훼손하여 일반적으로 사용하지 않는다고 여겨지는 열간 압연 공정에 본 실시예의 순산소 연소기 (100) 가 사용되는 것이 바람직하다. 열간 압연 공정에 사용되더라도 본 발명의 순산소 연소기 (100) 는 불필요한 산화스케일을 형성하지 않는다. 다시 말해, 열간 압연 공정의 가열로에 본 실시예의 순산소 연소기 (100) 가 포함될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

110…산소노즐
111…단면적 감소부
120…연료노즐
100…본 발명의 순산소 연소기

Claims (4)

1. 산소가 공급되는 산소노즐; 및
   상기 산소노즐의 주변부에 배치되며, 연료가 공급되는 적어도 하나의 연료노즐; 을 포함하며,
   상기 연료노즐은 산소의 분사의 중심축을 향해 2° 내지 7° 로 기울도록 형성되며,
   상기 연료노즐의 유출 단부가 상기 산소노즐의 유출 단부보다 산소 및 연료의 분사 방향을 따라 돌출되도록 형성되고,
   상기 산소노즐의 유출 단부가 상기 연료노즐의 유출 단부보다 크게 형성되고,
   상기 산소노즐은 산소가 유출되는 유출 단부의 지름이 산소가 유입되는 유입 단부의 지름 대비 0.7 이하가 되도록 형성되고,
   상기 산소노즐을 통과한 산소의 유속은 60 m/s 내지 140 m/s이고, 상기 연료노즐을 통과한 연료의 유속은 상기 산소의 유속의 60% 이도록 제어되고,
   상기 산소의 유속 조건 하에, 산소의 필요 유량은 0 ℃ 1 대기압 하에서 100 Nm3/Hr 내지 400 Nm3/Hr 이고, 상기 산소의 필요 압력은 3 Bar 내지 5 Bar 이며,
   상기 연료의 유속 조건 하에, 연료의 필요 유량은 0 ℃ 1 대기압 하에서 80 Nm3/Hr 내지 200 Nm3/Hr 이고, 상기 연료의 필요 압력은 0.3 Bar 내지 0.5 Bar 이도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 순산소 연소기.
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4. 열간 압연 공정에서 공정의 대상인 피가열체를 가열하는, 열간 압연 공정용 가열로에 있어서,
   제1 항에 따른 순산소 연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 공정용 가열로.

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