KR102903677B1 - 고로 노심 활성화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고로(FR)의 내부로 화염을 분사하여, 고로의 노심을 활성화하기 위한 시스템(1000)에 있어서;
고로의 출선구(F9)에 란스배관(10)을 삽입하여 고로 노심 내부를 가열하기 위한 란싱버너어셈블리(100)와; 상기 란싱버너어셈블리(100)를 결합하여 이송 시킬 수 있는 이송수단과; 상기 란싱버너어셈블리(100)로 산소를 공급하는 산소공급배관(OL)과; 상기 란싱버너어셈블리로 LNG를 공급하는 LNG공급배관(LL)을 포함하고;
상기 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관(10)은, 제2배관(10B)의 중앙에 제1배관(10A)이 평행하게 삽입된 2중관으로 되어 있고;
상기 산소공급배관(OL)은, 란싱버너어셈블리의 제1니플(11)에 연통 연결되고;
상기 제1니플(11)은 상기 2중관의 중앙에 형성된 제1배관(10A)과 연통 연결되며;
상기 LNG공급배관(LL)은, 란싱버너어셈블리의 제2니플(12)에 연통 연결되고;
상기 제2니플(12)은 상기 제2배관(10B)과 연통 연결되며;
란싱버너어셈블리(100)로 각각 공급된 산소와 LNG는, 란스배관의 출구부(10-1)에서 혼합되어 연소되고;
상기 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에는, 상기 산소공급배관과 LNG공급배관의 내부에서 각각 유동하는 산소와 LNG의 이송을 제어하기 위한, 다수의 밸브 및 센서를 포함하는 제어수단이 구비된 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것이다.

Description

고로 노심 활성화 시스템{System for Activating the Core of a Blast Furnace}

본 발명은 제철소 고로 노심(Core) 내의 응고 및 비활성화를 방지하고, 작업자의 안전을 확보하며, 효율적인 에너지 관리를 가능케 하는 고로 노심 활성화 장치 및 시스템에 관한 것이다.

특히, 산소와 액화천연가스(LNG)를 고압 분사하는 란싱 버너 장치, 그 제어 부, 감지 센서, 그리고 본 발명의 시스템을 지원하는 안전 스탠드를 통합한 장비의 자동 제어 시스템에 관련된다.

고로는 고온 고압에서 철광석을 환원시키는 대표적인 제철 설비로서, 장시간 운전 시 노심 내의 슬래그나 잔류물 등이 응고되어 흐름이 저하되는 문제가 빈번히 발생한다. 이를 해결하기 위해 수작업 란싱 작업 또는 외부 히터 장치가 사용되어 왔으나, 이들은 제어가 복잡하거나 에너지 효율이 낮고, 작업자의 안전이 위협받는 문제점이 있다. 또한, 기존 란싱 장치는 고로 내부 온도에 대한 실시간 피드백 기능이 부재하며, 연료 공급 시스템이 별도로 구성되어 있어 시스템 통합 운용이 불가능하였다.

1. 공개특허번호 10-2001-0004067

본 발명은 제철소의 고로 내에서 형성되는 노심 영역의 비활성화 및 열 손실 문제를 해결하고, 용선의 순환성 저하, 코크스 반응 저감, 슬래그의 응고 및 정체 현상 등으로 인해 발생하는 고로의 생산성 저하와 장기 운전의 불안정성 문제를 효과적으로 극복하고자 하는 기술적 과제를 포함한다.

일반적으로 고로의 노심은 장시간 운전 또는 비정상 연료 분포, 산소 농도 불균형 등으로 인해 부분 응고되거나, 열 분포의 비대칭성이 발생할 수 있으며, 이로 인해 중심부 코크스층의 반응성이 저하되고 환원 효율이 급감하는 문제가 발생한다.

특히, 응고된 고상물질이 중심부에서 슬래그 또는 용선의 흐름을 차단할 경우, 고로 전반에 걸쳐 유동 불균형, 온도 저하, 가스 반응 효율 저하가 발생하며, 결과적으로 고로 휴지 또는 폭발 위험까지 야기할 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고로의 출선구를 통해 고로 내부 노심 영역에 직접 화염을 분사할 수 있도록 하는 란싱버너어셈블리와, 해당 어셈블리를 이송하는 이송수단, 산소 및 액화천연가스를 고압으로 공급하는 산소공급배관 및 액화천연가스공급배관, 그리고 란스배관의 선단부에 결합된 펄스파 화염 발생기를 포함하는 고로 노심 활성화 시스템을 제공한다.

특히, 본 발명은 란스배관의 출구부로부터 고로 중심부에 직접적인 열 자극을 가함으로써, 노심 응고층을 제거하고 반응 가스의 침투성 및 화염의 도달 범위를 극대화하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여, 펄스파 화염 발생기는 혼합 챔버와 펄스 점화부를 포함하며, 솔레노이드 밸브를 통해 주기적으로 공급되는 산소와 액화천연가스를 1에서 30헤르츠의 주기로 점화하여, 펄스성 고온 화염을 란스배관의 다공성 노즐을 통해 노심 영역에 집중 분사함으로써 국소적 고온반응층을 재형성하고자 한다.

또한, 란스배관 출구부 및 풍구에 설치된 온도센서, 열화상 카메라, 가스탐지기 등을 통해 고로 내부 상태를 실시간으로 모니터링하며, 이 데이터를 기반으로 제어부가 유량제어밸브 및 개폐밸브 등을 조절하여 자동으로 화염 분사 조건을 조정함으로써 반응의 최적화 및 안전성을 확보할 수 있다.

더불어, 출선구의 내주와 란스배관의 외주 사이에 배치되는 출선구 폐쇄기는 고온용 내화 점성 패킹 머드를 유압 피스톤에 의해 틈새에 충전함으로써 고온 가스 누출 방지 및 장비 내구성 확보를 동시에 실현한다.

또한, 고로 외주부에는 자성 유도부를 구성하는 복수의 자성체 패널이 삽입되어, 고로 내 용선의 자성 반응을 유도함으로써 중심부 흐름을 제어하고, 용선과 반응가스의 열적 재분배 및 코크스층 내 반응 활성도 향상을 유도함으로써, 고로의 중심 활성화뿐만 아니라 전반적인 열 효율 및 환원 효율 증대 효과를 기대할 수 있다.

따라서, 본 발명은 단순한 연소장치가 아닌, 정밀 자동제어 기반의 열 가스 자기 복합 노심 활성화 시스템으로서, 고로의 지속 운전 안정성, 에너지 효율, 코크스 반응성을 극대화하여 제철 공정의 생산성과 안전성을 획기적으로 향상시키는 고도기술적 시스템이다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템은,

고로(FR)의 내부로 화염을 분사하여, 고로의 노심을 활성화하기 위한 시스템(1000)에 있어서;

고로의 출선구(F9)에 란스배관(10)을 삽입하여 고로 노심 내부를 가열하기 위한 란싱버너어셈블리(100)와; 상기 란싱버너어셈블리(100)를 결합하여 이송 시킬 수 있는 이송수단과; 상기 란싱버너어셈블리(100)로 산소를 공급하는 산소공급배관(OL)과; 상기 란싱버너어셈블리로 LNG를 공급하는 LNG공급배관(LL)을 포함하고;

상기 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관(10)은, 제2배관(10B)의 중앙에 제1배관(10A)이 평행하게 삽입된 2중관으로 되어 있고;

상기 산소공급배관(OL)은, 란싱버너어셈블리의 제1니플(11)에 연통 연결되고;

상기 제1니플(11)은 상기 2중관의 중앙에 형성된 제1배관(10A)과 연통 연결되며;

상기 LNG공급배관(LL)은, 란싱버너어셈블리의 제2니플(12)에 연통 연결되고;

상기 제2니플(12)은 상기 제2배관(10B)과 연통 연결되며;

란싱버너어셈블리(100)로 각각 공급된 산소와 LNG는, 란스배관의 출구부(10-1)에서 혼합되어 연소되고;

상기 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에는, 상기 산소공급배관과 LNG공급배관의 내부에서 각각 유동하는 산소와 LNG의 이송을 제어하기 위한, 다수의 밸브 및 센서를 포함하는 제어수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 란스배관 출구부(10-1)에는, 노심 내의 반응 활성도를 실시간 측정할 수 있도록 하는 온도센서용의 다수개 입력포트(1ch~4ch)가 설치되고;

상기 다수개 입력포트(1ch~4ch)와 이격되어, 상기 다수개 입력포트를 통하여 입수된 정보에 의해, 다수개 입력포트(1ch~4ch)가 설치된 란스배관 출구부의 각 지점의 온도를 센싱하는 제1온도센서(TE4010)가 구비되며;

상기 제1온도센서(TE4010)는 고로 노심의 중심부 온도를 센싱하여 노심의 활성화 상태를 검지하고;

상기 고로의 풍구에도 온도센서용의 복수개 입력포트(5ch~6ch)가 설치되고;

상기 복수개 입력포트(5ch~6ch)와 이격되어, 상기 복수개 입력포트(5ch~6ch)를 통하여 입수된 정보에 의해, 복수개 입력포트(5ch~6ch)가 설치된 풍구의 각 지점의 온도를 센싱하는 제2온도센서(TE4020)가 구비되며;

상기 제2온도센서(TE4020)는 고로 하부 또는 외곽부의 온도를 센싱하여 고로 전체의 열 분포를 모니터링하고;

상기 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)에 의해 측정된 온도값을 각각 검출하고,

상기 검출된 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 설치된 다수의 제어수단을 제어하는 제어부(CCU)가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 시스템(1000)에는, 열화상 카메라(400)가 설치되어 고로(FR)의 가열 상태를 실시간 원격 감시가 가능하고, 유해가스 누출여부를 실시간 감지하는 가스탐지기(500)가 설치되어 있으며;

상기 제어부(CCU)는, 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)의 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 각각 설치된 유량 제어 밸브(FCV1010, FCV2010 )를 제어하고;

상기 산소공급배관(OL)에는, 제1개폐밸브(SV1)와 감압밸브(PRV1010)와 과압방지밸브(SRV1010)와 제2개폐밸브(SV2)가 직렬로 설치되어 있고;

상기 제1개폐밸브(SV1)의 입구측의 산소공급배관에는, 산소공급배관이 분기되는 제1분기점(PP1)이 형성되며;

상기 제2개폐밸브(SV2)의 출구측의 산소공급배관에는, 산소공급배관(OL)이 분기되는 제2분기점(PP2)가 형성되고;

상기 제1개폐밸브(SV1)와 감압밸브(PRV1010)와 과압방지밸브(SRV1010)와 제2개폐밸브(SV2)가 직렬로 설치된 산소공급배관에, 병렬로 리턴배관(RTPI)이 산소공급배관에 연통 형성하며;

상기 리턴배관(RTPI)의 일측 단부는 제1분기점(PP1)과 연통 연결되고;

상기 리턴배관(RTPI)의 타측 단부는 제2분기점(PP2)과 연통 연결되며;

제어부(CCU)의 제어에 따라, 산소공급배관의 제2개폐밸브(SV2)를 통과한 산소는, 리턴배관(RTPI)을 통하여 리턴 될 수 있는 것을 특징으로 한다.

산소공급배관(OL)의 내부로 이송되는 산소의 압력은 7 bar ~ 9 bar이고;

산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 유량은, 490 Nm³/h ~ 510 Nm³/h이며;

LNG공급배관(LL)의 내부로 이송되는 LNG의 압력은 7 bar ~ 9 bar이고;

LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 유량은, 240 Nm³/h ~ 260 Nm³/h이고;

산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 압력과, LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 압력은 동일하며;

산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 유량은, LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 유량의 1.9배 ~ 2.1배인 것을 특징으로 한다.

상기 산소공급배관과 LNG공급배관에는, 각각 유량센서(FT1010, FT2010)가 하나 이상 설치되고;

상기 산소공급배관과 LNG공급배관에는, 각각 압력전송기(PT1010, PT2010)가 하나 이상 설치되며;

상기 제어부(CCU)는, 산소공급배관과 LNG공급배관의 내부로 이송되는 산소와 LNG의 유량과 압력이 시스템에 기설정된 조건을 만족할 때에만, 란싱버너어셈블리(100)의 작동을 허용하는 것을 특징으로 한다.

상기 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관입구부에는 란스버너온도센서(700)가 설치되며;

상기 란스버너온도센서(700)는 두 개의 이종 금속을 접합하여 고온 환경에서 발생하는 열기전력을 측정하는 온도센서이고;

상기 란스버너온도센서(700)는, 란스배관입구부에 체류하는 배출가스의 온도 또는 반응열 온도를 측정하며;

란스버너온도센서(700)가 란스배관에 설치된 지점과, 란스버너어셈블리의 어댑터(14)의 사이에는, 관측카메라(C)가 설치되고;

상기 관측카메라(C)에는, 사이트 글래스(41)와 가스켓(42)이 구비되고;

사이트 글래스(41)를 통하여 고로 내부의 화염 상태 및 란스 버너의 작동 상태를 관측카메라를 통하여 확인할 수 있으며;

상기 사이트 글래스(41)의 재질은, 결정질 알루미나로 포함하는 사파이어 글래스이고;

상기 가스켓(42)은, 고온·고압 환경에서 관측카메라 하우징 내부와 외부 사이의 기밀성 유지하기 위해, 사이트 글래스와 밀착되어 설치되며;

상기 가스켓의 재질은 흑연이고;

상기 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)와 란스버너온도센서(700)에 의해 측정된 온도값을 각각 검출하고,

상기 검출된 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 설치된 다수의 제어수단을 제어하는 제어부(CCU)가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 란스배관 중간부(10-2)에는, 고로의 출선구(F9) 내주와, 출선구 폐쇄기(200)의 외주 사이의 틈새를 실링하기 위한 출선구 폐쇄기(200)가 장착되고;

상기 출선구 폐쇄기(200)의 내부 중앙에는, 출선구 폐쇄기의 길이 방향으로, 란스 배관(10)이 관통되어 설치되며;

상기 출선구 폐쇄기(200)는;

란스배관의 외주를 감싸며 란스배관과 평행하게 설치되는 유압실린더(21)와, 유압실린더의 내부에서 유압에 의해 실린더의 길이방향으로 왕복하며 작동되는 피스톤(22)과, 유압실린더의 내부에 충진되는 고체 상태의 점성 내화 패킹 머드(20-MD)를 포함하고;

출선구 폐쇄기(200)의 전방면에는, 5개 내지 7개의 배출통공(23-P)이 유압실린더의 내부와 외부를 관통하여 형성되어 있으며;

고체 상태의 점성 내화 패킹 머드(20-MD)가 열원에 의해 연화되어 압출 가능한 상태로 되고;

상기 유압 실린더(21)가 작동하여 점성 내화 패킹 머드(20-MD)가 다수개의 배출통공(23-P)을 통해 배출되며;

배출된 점성 내화 패킹 머드(20-MD)가 상기 틈새를 실링하는 것을 특징으로 한다.

상기 고로의 외주부(FR)에 설치되는 자성 유도부를 포함하며;

상기 자성 유도부는 고로의 외벽면에 배열 고정된 복수의 전자석 또는 영구자석으로 구성되고;

상기 자성 유도부는 고로 내부의 용선(MOLTEN IRON)의 자성 반응을 유도하여;

상기 용선이 고로 중심부(Core) 방향으로 순환되도록 흐름을 제어하며;

상기 흐름 제어는 고로 중심부의 열 전달 및 코크스 반응을 증진시켜 고로 노심을 활성화시키는 것을 특징으로 한다.

상기 자성 유도부는, 고로 외주를 둘러싸는 복수의 고온 내열 구조체 내에 삽입된 자성체 패널(MPL)로 구성되며;

상기 자성체 패널은 고로의 동심 원주를 따라 균등 간격으로 배치되어;

용선의 유로를 방사형 중심 수렴 구조로 유도하는 것을 특징으로 한다.

상기 자성 유도부는 전자석으로 구성되고;

상기 전자석은 고로 운전 조건에 따라 통전 강도를 조절할 수 있으며;

이를 제어하는 제어부(CCU)는 고로 내부에 설치된 온도센서, 유동 센서 또는 전도율 센서의 데이터를 실시간으로 수신하여;

전자석의 자장을 정밀하게 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기 전자석은 펄스 전류 또는 고주파 교류 전원에 의해 구동되어;

고로 내 용선의 자속 라인을 변조시켜 유도 와류 흐름을 형성하고;

이로 인해 중심부 코크스층으로의 용선 침투를 가속화하는 것을 특징으로 한다.

상기 자성체는;

Nd-Fe-B계 고내열 영구자석으로 구성되며, 자속 밀도는 0.5~1.2 T 범위로 설정되고, 고로의 고온 복사열 차폐를 위해 고온 세라믹 차폐재 내에 매립 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 란스 배관의 선단부에 결합되는 펄스파 화염 발생기를 포함하고;

펄스파 화염 발생기에는;

산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)이 연결되어 있고;

상기 산소공급배관과 LNG공급배관이 주기적으로 개폐되도록, 산소공급배관과 LNG공급배관에 솔레노이드 밸브가 각각 구비되며;

상기 솔레노이드 밸브를 통과한 산소와 LNG는 혼합 챔버로 유입되어 혼합되고;

상기 혼합 챔버에서 배출되는 혼합 가스를 주기적으로 점화시키는 펄스 점화부를 포함하고;

펄스 점화부는, 고주기 점화를 수행하여 1Hz 이상 30Hz 이하의 주기로 펄스성 폭발 화염을 생성하며;

펄스 화염은, 란스 배관 선단의 다공성 노즐을 통해 고로 노심 영역에 집중 분사되도록 형성된 것을 특징으로 한다.

펄스 점화부는, 고전압 플라즈마 점화기 또는 스파크 디스크 점화기로 구성되고;

혼합 챔버는 복수의 LNG 분사 노즐과 산소공급 유입구를 구비한 벤추리 구조를 포함하며,

LNG와 산소의 혼합 비율이 자동 보정되도록, 복수개의 유량센서와 제어 알고리즘이 연동되는 것을 특징으로 한다.

펄스파 화염 발생기는 제어부(CCU)에 의해, 시스템에 설치된 다수개의 온도센서의 신호에 따라 구동되며, 고로 노심 온도가 설정 임계값 이하일 때 자동으로 작동되고;

제어부(CCU)는 펄스 주파수, LNG 유량, 산소 유량을 실시간 제어하여, 열 충격, 화염 침투 깊이 및 반응 범위를 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.

란스 배관(10)의 선단부는;

내화 세라믹 재질의 열 차단 튜브를 포함하여 구성되며; 내부에는 난류 유도용 회전 와류판이 구비되어, 펄스 화염이 회전 분사형 화염 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.

펄스파 화염은;

진동압력파를 수반하여 고로 내부의 정체층을 물리적으로 교란시키고, 코어층에 반응가스 침투성을 향상시키며, 응고된 슬래그 또는 비활성 잔류물의 탈락 및 유동화를 유도하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 고로 내부 노심의 비활성화 및 응고 현상을 방지하고, 고로의 가동 안정성과 반응 효율성을 극대화하기 위한 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것으로서, 다양한 제어 기술 및 유동 제어 메커니즘을 통합하여 산업적 유용성과 기술적 진보성을 동시에 갖춘 시스템이다.

우선, 본 시스템은 고로의 출선구를 통해 삽입되는 란스배관을 중심으로 산소 및 LNG를 고온 고압 조건에서 분사 및 연소시키는 란싱버너 구조를 채택하고 있으며, 이때 산소와 연료는 2중관 구조의 란스를 통해 별도로 공급되며, 그 출구부에서 혼합되어 안정된 화염을 형성한다. 이러한 구조는 일반적인 단일관 방식보다 혼합 제어와 연소 안정성 면에서 우수하며, 화염의 중심 집중도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 노심의 열 상태를 정밀하게 측정하기 위해 고로 내부와 란스 출구부에 복수의 온도 센서를 배치하였고, 이를 통해 고로 내부 중심부와 외곽부의 온도 분포를 다점에서 실시간으로 모니터링할 수 있다. 센싱된 데이터는 제어부에 의해 처리되어 연료와 산소의 유량, 압력, 분사 비율을 즉각적으로 조정함으로써, 고로의 내부 반응 상태에 따라 유연하고 정밀한 열 제어를 실현할 수 있다. 이는 고로의 운전 효율을 높이는 동시에 에너지 낭비를 줄이는 데 큰 역할을 한다.

본 시스템은 또한 배관의 압력 및 유량 조건이 사전에 설정된 기준을 만족하지 않을 경우 연소가 시작되지 않도록 하는 안전 인터록 구조를 포함하고 있어, 고온 가스 공급에 따른 폭발이나 역화 등의 위험을 사전에 차단할 수 있다. 이에 더해, 유해가스 누출 감지 센서 및 열화상 카메라의 설치는 작업자의 원격 모니터링을 가능케 하며, 고온 환경에서의 작업 안정성과 효율성을 동시에 확보한다.

한편, 란스배관과 고로 출선구 사이의 틈새는 출선구 폐쇄기를 통해 고체 상태의 점성 내화 패킹 재료로 충진되어 실링되며, 이는 고로 내부의 고온 가스 또는 압력 누설을 방지함으로써 조업 중 열 손실을 최소화하고 작업 환경의 안전성을 높인다. 점성 내화 머드는 유압에 의해 정량 압출되며, 필요 시 재가열에 의해 반복적으로 사용이 가능하다는 장점이 있다.

더 나아가, 본 발명은 고로 외주부에 전자석 또는 영구자석으로 구성된 자성 유도부를 설치하여, 고로 내부의 용선에 자기장을 가함으로써 유동 방향을 중심부로 유도한다. 이 자기 유도 흐름은 고로 중심부로의 용선 침투를 가속화시키고, 노심 영역의 열 집중과 반응 가속을 유도하며, 이는 코크스 반응의 효율성 증대 및 열분포 균일화라는 기술적 효과로 이어진다. 특히 펄스 전류 또는 고주파 교류 자장을 통해 유도 와류를 형성하는 방식은 용선의 유동성을 더욱 강화하며, 기존 고로 기술에서 다루지 못했던 중심부 반응 정체 문제를 해결하는 데 효과적이다.

아울러, 란스 선단에는 펄스파 화염 발생기가 설치되어 있으며, 이 장치는 산소와 연료를 주기적으로 공급 및 점화하여 고로 노심에 간헐적 고온 열충격을 제공하는 역할을 한다. 펄스 점화는 단순 연소보다 높은 순간 에너지 밀도를 제공하며, 특히 고로 내부 정체층의 기계적 교란, 응고물의 탈락 및 슬래그의 유동화에 탁월한 효과를 발휘한다. 또한 회전 와류판과 다공성 노즐 구조를 결합함으로써 펄스 화염이 회전 분사되어 보다 넓은 범위에 열을 분산시키고, 국부적인 과열 없이 노심 전체에 걸쳐 균일한 반응 환경을 조성할 수 있다.

결론적으로 본 발명은 복합적인 센싱, 연소, 자장, 제어 기술이 통합된 고도화된 노심 활성화 시스템으로, 고로의 가동률 향상, 응고 방지, 에너지 효율 개선, 안전성 확보, 유지보수 용이성 등의 다양한 효과를 동시에 달성할 수 있는 구조이다. 이러한 시스템은 철강 산업의 고온 대형 반응 공정에 안정성과 정밀 제어 기능을 더하여, 현장 적용성뿐 아니라 기술적 파급력 또한 매우 높은 발명으로 평가될 수 있다.

도 1은 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 고로에 란싱버너어셈블리가 삽입된 상태를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 란싱버너어셈블리의 주요 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 란싱버너어셈블리에 포함된 란스배관의 세부 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 출선구 폐쇄기의 주요 구성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 관측 카메라의 주요 구성을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 고로에 자성체 패널이 설치된 구조를 도시한 것이다.
도 8은, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템을 보조 지원하는 안전장치스텐드이다.

도 1내지 도 3에 기재된 바와 같이 본원 발명은, 고로(FR)의 내부로 화염을 분사하여, 고로의 노심을 활성화하기 위한 시스템(1000)에 있어서;

고로의 출선구(F9)에 란스배관(10)을 삽입하여 고로 노심 내부를 가열하기 위한 란싱버너어셈블리(100)와; 상기 란싱버너어셈블리(100)를 결합하여 이송 시킬 수 있는 이송수단과; 상기 란싱버너어셈블리(100)로 산소를 공급하는 산소공급배관(OL)과; 상기 란싱버너어셈블리로 LNG를 공급하는 LNG공급배관(LL)을 포함하고;

상기 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관(10)은, 제2배관(10B)의 중앙에 제1배관(10A)이 평행하게 삽입된 2중관으로 되어 있고;

상기 산소공급배관(OL)은, 란싱버너어셈블리의 제1니플(11)에 연통 연결되고;

상기 제1니플(11)은 상기 2중관의 중앙에 형성된 제1배관(10A)과 연통 연결되며;

상기 LNG공급배관(LL)은, 란싱버너어셈블리의 제2니플(12)에 연통 연결되고;

상기 제2니플(12)은 상기 제2배관(10B)과 연통 연결되며;

란싱버너어셈블리(100)로 각각 공급된 산소와 LNG는, 란스배관의 출구부(10-1)에서 혼합되어 연소되고;

상기 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에는, 상기 산소공급배관과 LNG공급배관의 내부에서 각각 유동하는 산소와 LNG의 이송을 제어하기 위한, 다수의 밸브 및 센서를 포함하는 제어수단이 구비된 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것이다.

좀 더 구체적으로는, 고로(FR)의 내부 노심을 활성화하기 위한 본 발명의 시스템(1000)은, 고로의 출선구(F9)에 삽입되어 고로의 중심부를 직접 가열할 수 있는 란싱버너어셈블리(100)를 포함한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 란싱버너어셈블리(100)는 제1배관(10A)이 제2배관(10B)의 중앙에 평행하게 삽입된 2중관 구조로 형성된 란스배관(10)을 포함하고 있다(도 4 참조).

이와 같은 구조를 통해, 산소공급배관(OL)을 통해 공급되는 산소는 제1니플(11)을 통하여 제1배관(10A)으로 연통되고, LNG공급배관(LL)을 통해 공급되는 LNG는 제2니플(12)을 통하여 제2배관(10B)으로 연통되며, 각각 독립적으로 이송된다.

이와 같이 독립 이송된 산소와 LNG는 란스배관의 출구부(10-1)에서 혼합된 후 연소되며, 고로 노심(Core)으로 직접 고온 화염을 분사하게 된다. 이로 인해 고로 중심부의 국부 가열이 가능해지고, 응고된 영역의 재가열 또는 반응 비활성 부위의 회복을 유도하여 고로 노심의 활성화를 효과적으로 달성할 수 있다.

이러한 란싱버너어셈블리(100)는 이송수단과 결합되어 고로 출선구(F9)로의 정확한 위치 이동이 가능하며, 고온 환경에서의 수동 작업 없이도 안전하고 정밀한 가열작업을 수행할 수 있도록 구성된다.

또한, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에는 각각의 배관 내를 유동하는 산소 및 LNG의 이송을 정밀하게 제어하기 위한 다수의 밸브 및 센서가 포함된 제어수단이 설치되어 있다.

이러한 제어수단은 공급 유량, 압력, 밸브 개폐 상태 등을 실시간으로 감시하고, 제어부(CCU)와 연동하여 란싱버너어셈블리(100)의 화염 생성 조건을 최적의 상태로 유지시킨다.

결과적으로, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템은 2중관 구조에 기반한 독립적 산소·LNG 공급 및 혼합 연소 기술, 자동화된 이송 제어, 실시간 센서 기반 연소 제어 기능을 통해, 고로의 효율적인 중심부 가열 및 유지관리, 작업자의 안전성 향상, 에너지 사용 최적화 등의 복합적인 기술적 효과를 실현할 수 있다.

도 1 및 도 3에 기재된 바와 같이 본원 발명은, 란스배관 출구부(10-1)에는, 노심 내의 반응 활성도를 실시간 측정할 수 있도록 하는 온도센서용의 다수개 입력포트(1ch~4ch)가 설치되고;

상기 다수개 입력포트(1ch~4ch)와 이격되어, 상기 다수개 입력포트를 통하여 입수된 정보에 의해, 다수개 입력포트(1ch~4ch)가 설치된 란스배관 출구부의 각 지점의 온도를 센싱하는 제1온도센서(TE4010)가 구비되며;

상기 제1온도센서(TE4010)는 고로 노심의 중심부 온도를 센싱하여 노심의 활성화 상태를 검지하고;

상기 고로의 풍구에도 온도센서용의 복수개 입력포트(5ch~6ch)가 설치되고;

상기 복수개 입력포트(5ch~6ch)와 이격되어, 상기 복수개 입력포트(5ch~6ch)를 통하여 입수된 정보에 의해, 복수개 입력포트(5ch~6ch)가 설치된 풍구의 각 지점의 온도를 센싱하는 제2온도센서(TE4020)가 구비되며;

상기 제2온도센서(TE4020)는 고로 하부 또는 외곽부의 온도를 센싱하여 고로 전체의 열 분포를 모니터링하고;

상기 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)에 의해 측정된 온도값을 각각 검출하고,

상기 검출된 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 설치된 다수의 제어수단을 제어하는 제어부(CCU)가 구비된 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것이다.

상기 기재와 같이, 본원 발명의 고로 노심 활성화 시스템(1000)은, 고로(FR)의 내부 노심(Core) 온도 및 고로 외곽부의 열 상태를 실시간으로 계측하여, 연료와 산소의 공급을 자동 제어함으로써 고로의 가열 효율성과 반응성 회복을 극대화할 수 있는 고도화된 열 제어 구조를 구현한다.

특히, 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관 출구부(10-1)에는 고로 노심의 활성 반응도를 실시간으로 파악하기 위한 온도센서용 다수의 입력포트(1ch~4ch)가 설치된다(도 3 및 도 1 참조).

이 입력포트들은 고온 환경 하에서 온도 데이터를 외부로 전달하는 인터페이스 역할을 하며, 해당 위치에서의 열 상태 변화를 직접적으로 감지할 수 있는 통로를 제공한다.

입력포트(1ch~4ch)와 이격된 위치에는 제1온도센서(TE4010)가 설치되며, 이 센서는 각 포트로부터 취득한 정보를 종합하여 란스배관 출구부(10-1)의 다지점 온도를 연산·센싱함으로써, 고로 중심부의 활성화 상태를 실시간으로 판단한다.

제1온도센서(TE4010)는 란싱버너에 의해 유입되는 화염의 효과를 직접적으로 반영하는 중심부 온도를 정밀하게 검출하여, 반응이 충분한지, 혹은 응고된 비활성층이 존재하는지를 판단하는 핵심 장치로 작동한다.

한편, 고로의 외주부에 위치한 풍구에도 온도센서용 복수의 입력포트(5ch~6ch)가 별도로 설치되며, 이 포트들로부터의 데이터를 활용하여 고로 하부 및 외곽부의 열 상태를 감지하는 제2온도센서(TE4020)가 이격된 위치에 구비된다. 제2온도센서(TE4020)는 고로 내 열 분포가 특정 영역에 편중되거나 비정상적인 냉각이 발생하는지를 진단하는 데 사용되며, 전체적인 열 균형 모니터링 기능을 수행한다.

제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)는 각기 센싱한 온도값을 제어부(CCU)로 실시간 전송하고, CCU는 이 데이터를 기반으로 산소공급배관(OL) 및 LNG공급배관(LL)에 설치된 다수의 제어수단 (예컨대 유량제어밸브, 개폐밸브, 압력밸브 등)을 정밀하게 조작한다.

이와 같이 온도 피드백 기반의 유량·압력 자동 조절을 통해, 란싱버너어셈블리(100)로 공급되는 연료 및 산소의 혼합비가 고로의 현재 열 조건에 최적화되도록 지속적으로 보정된다.

이 구조의 기술적 고도성은 다음과 같은 측면에서 나타난다.

첫째, 단일 온도센서가 아닌 다지점 입력포트 기반의 분산 온도 센싱 구조를 채택함으로써, 국소 반응 온도와 전체 열 균형을 동시에 진단할 수 있는 멀티 센싱 제어 체계를 구현하였다. 이는 고로의 특정 반응 지점과 전체적인 열역학적 안정성을 동시에 확보하는 데 필수적인 요소로, 기존의 단일 온도 제어 방식보다 훨씬 높은 정밀도와 안정성을 보장한다.

둘째, 센서와 제어부 간의 연동 구조가 단순 계측을 넘어서 실시간 제어로까지 이어지며, 고로의 상태에 따라 연료와 산소의 혼합비 및 공급량을 동적으로 조정할 수 있다. 이는 에너지 낭비를 방지하면서도 과열 또는 냉각 구간 없이 연속적이고 안정적인 반응 유지가 가능하게 하며, 궁극적으로는 고로 수명을 연장시키고 유지보수 비용을 절감하는 효과를 발휘한다.

셋째, 입력포트(1ch~6ch)와 센서(TE4010, TE4020)가 이격 설치되는 구조는, 고온 환경에서의 직접적인 센서 손상을 방지하면서도 온도 전달 신호를 정밀하게 반영할 수 있는 기술적 배려를 포함한다. 이는 고로 내부에서 발생하는 열간 손상, 슬래그 부착, 노화 등에 대응하는 내구성 기반 설계로서 고온 산업 환경에서의 장기적 안정성을 확보하는 데 중요한 기술적 차별점이다.

따라서, 본 발명의 구성은 고로 중심부 및 외곽부의 열 상태를 다지점에서 정밀하게 센싱하고, 실시간 제어를 통하여 고로의 반응성 유지와 에너지 효율성 향상을 동시에 실현할 수 있는 고도로 진보된 열제어 기술로 평가될 수 있다.

그리고 본원 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템(1000)에는, 열화상 카메라(400)가 설치되어 고로(FR)의 가열 상태를 실시간 원격 감시가 가능하고, 유해가스 누출여부를 실시간 감지하는 가스탐지기(500)가 설치되어 있으며;

상기 제어부(CCU)는, 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)의 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 각각 설치된 유량 제어 밸브(FCV1010, FCV2010 )를 제어하고;

상기 산소공급배관(OL)에는, 제1개폐밸브(SV1)와 감압밸브(PRV1010)와 과압방지밸브(SRV1010)와 제2개폐밸브(SV2)가 직렬로 설치되어 있고;

상기 제1개폐밸브(SV1)의 입구측의 산소공급배관에는, 산소공급배관이 분기되는 제1분기점(PP1)이 형성되며;

상기 제2개폐밸브(SV2)의 출구측의 산소공급배관에는, 산소공급배관(OL)이 분기되는 제2분기점(PP2)가 형성되고;

상기 제1개폐밸브(SV1)와 감압밸브(PRV1010)와 과압방지밸브(SRV1010)와 제2개폐밸브(SV2)가 직렬로 설치된 산소공급배관에, 병렬로 리턴배관(RTPI)이 산소공급배관에 연통 형성하며;

상기 리턴배관(RTPI)의 일측 단부는 제1분기점(PP1)과 연통 연결되고;

상기 리턴배관(RTPI)의 타측 단부는 제2분기점(PP2)과 연통 연결되며;

제어부(CCU)의 제어에 따라, 산소공급배관의 제2개폐밸브(SV2)를 통과한 산소는, 리턴배관(RTPI)을 통하여 리턴 될 수 있는 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템이 개시되어 있다.

좀 구체적으로, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템(1000)은, 고로(FR)의 가열 상태 및 가스 누출 여부를 실시간으로 모니터링할 수 있는 시각적 감시 및 안전 감지 기능과, 산소공급 경로의 유량·압력·역류 제어 기능을 통합한 고도화된 자동 제어 시스템으로 구성된다.

우선, 시스템(1000)에는 열화상 카메라(400)가 설치되어, 고로(FR) 외벽이나 란싱버너어셈블리(100) 주변의 가열 분포 및 열 집중 상태를 비접촉 방식으로 원격 감시할 수 있도록 구성되어 있다. 열화상 카메라(400)는 영상 기반의 온도 패턴을 통해 고로의 과열 또는 냉각 편차를 실시간 시각화할 수 있으며, 이는 작업자에게 고로 상태에 대한 직관적인 정보 제공은 물론, 자동제어를 위한 기반 정보로 활용된다.

또한, 고로 주변에는 가스탐지기(500)가 구비되어 있으며, 이는 고온 고압의 연료공급 환경에서 발생할 수 있는 LNG 또는 산소의 미세 누출을 실시간 감지한다. 가스탐지기(500)는 누출 시 제어부(CCU)에 즉각 신호를 전송함으로써, 시스템 정지, 밸브 차단 등 비상 대응 제어로직을 자동 실행할 수 있는 안전 기능을 구현한다.

제어부(CCU)는 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)로부터 실시간으로 수신되는 고로 내부와 외부의 온도 데이터를 종합적으로 분석하고, 이에 따라 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 각각 설치된 유량 제어 밸브(FCV1010, FCV2010)를 제어한다. 이 유량 제어는 노심의 열 활성화 정도, 외곽 열분포, 연료 효율성 등을 고려한 실시간 정밀 유량 조절을 의미하며, 최적 연소 조건을 유지하도록 자동으로 피드백 제어된다.

산소공급배관(OL)에는 제1개폐밸브(SV1), 감압밸브(PRV1010), 과압방지밸브(SRV1010), 제2개폐밸브(SV2)가 직렬로 배치되어 있으며, 이는 산소의 유입, 압력 조절, 이상 시 차단, 과압 해소 등을 다단계로 안정 제어하기 위한 구성이다. 특히 감압밸브(PRV1010)는 공급원에서 유입되는 산소의 고압을 일정한 설정 압력으로 조절하며, 과압방지밸브(SRV1010)는 설정 이상 압력이 발생할 경우 자동으로 배출하여 배관 파손 및 폭발 사고를 방지한다.

또한, 제1개폐밸브(SV1)의 입구측에는 산소공급배관이 분기되는 제1분기점(PP1)이 형성되며, 제2개폐밸브(SV2)의 출구측에도 제2분기점(PP2)가 형성된다. 이 두 분기점(PP1, PP2)은 리턴배관(RTPI)과 각각 연통되어 있으며, 리턴배관(RTPI)은 산소가 메인 배관을 지나 일정 조건에서 다시 분기되어 되돌아갈 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 제어부(CCU)의 명령에 따라 제2개폐밸브(SV2)를 통과한 산소가 과잉 공급되거나 사용되지 않을 경우, 이 산소는 리턴배관(RTPI)을 통해 제1분기점(PP1)으로 되돌려짐으로써 압력 안정화 및 연료 낭비 최소화가 가능해진다.

이와 같은 구조는 시스템이 고압 가스 제어 환경에서도 과잉 공급과 급격한 압력 변동에 유연하게 대응할 수 있게 하며, 유량과 압력의 정밀 제어뿐 아니라, 역류에 따른 재활용 순환 구조를 통해 시스템 전체의 에너지 효율성을 대폭 향상시킨다.

기술적으로 본 구조는 기존 고로 노심 가열 시스템에서는 보기 어려운 역류 순환 라인(RTPI)을 통합한 안전 및 정밀 제어 구조라는 점에서, 가열 장치의 제어 안전성과 유연성을 동시에 확보한다. 더불어, 열화상 감시와 가스 감지를 통해 비정상 상태를 사전에 예측하고 즉시 대응할 수 있어, 고로의 장시간 안정 가동을 가능하게 하는 통합 안전 자동제어 시스템으로 고도화되었다고 평가할 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 따른 시스템은 고로 내부의 가열 상태 진단, 공급가스의 압력·유량 제어, 누출 감지 및 자동 환류 기능을 통합함으로써, 산업 현장에서의 실시간 운전 최적화, 안전성 확보, 에너지 절감이라는 세 가지 핵심 요구를 모두 충족시키는 고급 공정 제어 시스템이다.

그리고, 도 1에 개시된 바와 같이, 본 발명의 산소공급배관(OL)의 내부로 이송되는 산소의 압력은 7 bar ~ 9 bar이고; 산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 유량은, 490 Nm³/h ~ 510 Nm³/h이며;

LNG공급배관(LL)의 내부로 이송되는 LNG의 압력은 7 bar ~ 9 bar이고;

LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 유량은, 240 Nm³/h ~ 260 Nm³/h이고;

산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 압력과, LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 압력은 동일하며;

산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 유량은, LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 유량의 1.9배 ~ 2.1배인 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템이다.

구체적으로, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템(1000)은, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL) 각각을 통해 이송되는 산소 및 LNG의 압력 및 유량을 정량적으로 최적화함으로써, 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관(10)에서 발생하는 연소 반응의 안정성, 반응성, 열효율을 극대화하는 기술적 구성을 제공한다.

본 시스템에서 산소공급배관(OL)을 통해 공급되는 산소는 7 bar에서 9 bar의 압력 범위와, 490 Nm³/h에서 510 Nm³/h의 유량 범위 내에서 이송된다. LNG공급배관(LL)을 통해 공급되는 LNG 역시 산소와 동일한 7 bar에서 9 bar의 압력으로 유지되며, 240 Nm³/h에서 260 Nm³/h의 유량으로 이송된다. 따라서 산소와 LNG는 동일한 압력 조건 하에 이송되며, 이로 인해 란스배관(10)의 출구부(10-1)에서 두 연료가 혼합될 때 불균형 없이 안정적으로 분사 및 점화될 수 있다.

또한 산소의 유량은 LNG 유량의 1.9배에서 2.1배로 설정되어 있다. 이러한 혼합비는 완전연소에 근접한 조건을 실현하기 위한 설계 기준으로, 연소 과정에서 생성되는 화염의 온도, 압력 파동, 반응 반경 등을 제어하는 데 핵심적인 요소로 작용한다. 이 산소/LNG 연료비는 고로 내부의 탄소 반응, 슬래그 유동화, 응고물 재가열에 필수적인 고온 화염 생성에 최적화된 비율이며, 동시에 LNG 과잉 분사로 인한 불완전연소 및 탄화수소 잔류 문제를 방지한다.

이러한 유량·압력 조건은 제어부(CCU)에 의해 실시간으로 감시 및 유지된다. 앞서 본 발명에 기술된 유량 제어 밸브(FCV1010, FCV2010), 감압밸브(PRV1010), 과압방지밸브(SRV1010) 등의 제어수단은, 시스템 내부의 압력 또는 유량이 설정값을 벗어날 경우 즉시 개폐 동작을 수행하거나 리턴배관(RTPI)을 통해 우회시키는 자동제어 시나리오를 구동한다.

작동 메카니즘 측면에서 보면, 산소와 LNG는 각각 제1배관(10A)과 제2배관(10B)을 따라 란스배관(10)으로 이송되어, 출구부(10-1)에서 혼합되어 연소된다. 이때 연소 온도와 반응성이 공급 유량 비율 및 압력 균형에 정밀하게 의존하므로, 본 발명에서 설정한 압력 및 유량 범위는 연소 반응을 매우 정밀하고 안정적으로 유지하는 기반을 형성한다.

기술적 고도성은 다음과 같은 점에서 명확히 드러난다.

첫째, 본 발명은 실제 고로 내 가동 조건에서 수십~수백 시간 연속 사용될 수 있는 열환경 하에서 산소 및 LNG의 유량과 압력을 구간 범위로 최적화함으로써, 노심 반응의 신뢰성을 확보하였다. 이는 단일값이 아닌 범위로 설정된 조건을 통해 유동적 현장 조건에서도 제어유연성과 안전성을 확보하는 기술적 특징이다.

둘째, 산소와 LNG의 압력을 동일하게 유지하면서도, 유량을 차등 제어하는 구조는, 연소 반응에서 산소 농도 제어를 통해 화염의 온도 및 반응 깊이를 조절할 수 있는 기반을 제공한다. 이는 후에 기술되는 펄스파 화염 발생기, 다공성 노즐 분사 등의 정밀 열제어 기술로의 확장성 측면에서도 매우 중요하다.

셋째, Nm³/h 단위의 유량 제어 기준은, 온도와 압력이 일정한 기준 조건 하에서 환산된 기체량을 의미하는 것으로, 산업용 연료공급 장치의 국제표준에 부합하는 설계이며, 계측의 정량화와 자동제어 알고리즘의 정밀도 향상에 기여한다.

결론적으로, 본 발명은 연료 혼합비를 최적의 열화학 반응 조건으로 유지하면서도, 실제 고로 조업 조건에서 적용 가능한 범위로 유량·압력을 설정하고, 이를 실시간 제어함으로써 산업적 실용성과 공정 신뢰성, 에너지 효율성을 동시에 실현하는 고도화된 가스 연소 기반 노심 활성화 기술이라고 할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은, 산소공급배관과 LNG공급배관에는, 각각 유량센서(FT1010, FT2010)가 하나 이상 설치되고;

상기 산소공급배관과 LNG공급배관에는, 각각 압력전송기(PT1010, PT2010)가 하나 이상 설치되며;

상기 제어부(CCU)는, 산소공급배관과 LNG공급배관의 내부로 이송되는 산소와 LNG의 유량과 압력이 시스템에 기설정된 조건을 만족할 때에만, 란싱버너어셈블리(100)의 작동을 허용하는 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것이다.

즉, 상기 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템(1000)은, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 각각 유량센서(FT1010, FT2010)와 압력전송기(PT1010, PT2010)를 설치하여, 연료와 산소의 이송 상태를 정밀하게 감시하고, 이를 기반으로 란싱버너어셈블리(100)의 작동을 자동 제어하는 구조를 갖는다.

산소공급배관(OL)에는 유량센서(FT1010)와 압력전송기(PT1010)가 설치되어, 해당 배관 내부를 유동하는 산소의 유량과 압력을 실시간으로 측정하고, LNG공급배관(LL)에도 유량센서(FT2010)와 압력전송기(PT2010)가 설치되어 LNG의 유량과 압력을 동시에 측정할 수 있도록 구성된다.

이들 센서 장치는 제어부(CCU)와 전기적 또는 데이터 통신 방식으로 연결되어 있으며, 제어부(CCU)는 센서들로부터 수집한 데이터를 기반으로 시스템이 정상 작동 조건에 있는지를 판단한다.

이때 정상 작동 조건은 시스템에 사전에 설정된 기준값, 즉 산소공급의 경우 압력은 7 bar에서 9 bar 사이, 유량은 490 Nm³/h에서 510 Nm³/h 사이이며, LNG공급의 경우 압력은 산소와 동일하게 7 bar에서 9 bar 사이이고, 유량은 240 Nm³/h에서 260 Nm³/h 사이인 조건이다. 제어부(CCU)는 위의 네 가지 계측값이 모두 이 기준을 만족하는 경우에만 란싱버너어셈블리(100)의 작동을 허용한다.

이러한 작동 메커니즘은, 점화 전 단계에서 유량과 압력 조건이 안전하게 확보되었는지를 사전에 검증하여 시스템 작동을 승인하거나 차단하는 방식으로 운용된다. 이를 통해, 유량 또는 압력이 과도하거나 부족한 상태에서 란싱버너가 작동하는 것을 방지하여, 연소 불안정, 역화, 과압 폭발 등의 위험을 원천적으로 차단할 수 있다.

아울러, 본 구조는 제어부가 단순히 화염 발생 후의 온도 반응을 피드백 제어하는 방식이 아니라, 연소 시스템이 시작되기 전부터 가스의 물리적 상태를 계측하고 판단하여 작동 여부를 제어하는 선제적 안전 시스템이라는 점에서 기술적 진보성을 가진다. 유량센서와 압력전송기의 값은 디지털 신호로 변환되어 제어 시스템에 입력되며, 이로 인해 사람이 실시간으로 판단하고 조작할 필요 없이, 자동화된 조건 판단과 작동 결정이 이루어진다.

또한, 센서를 중복 또는 다중 설치함으로써 고장 시 빠른 진단이 가능하고, 정비 및 유지보수 계획 수립에도 유리하다. 이와 같은 구조는 산업 현장에서 고온 고압의 연료가스 혼합 시스템을 운용하는 데 있어 요구되는 기본 안전요소를 체계화함과 동시에, 에너지 효율성과 운전 자동화를 동시에 실현하는 기반 기술로 작용한다.

따라서, 상기 구성에 따른 본 발명은, 단순한 계측 기능을 넘어, 정량적 기준 기반의 작동 허용 판단 로직과 연계된 스마트 자동화 제어 구조를 제공함으로써, 고로 노심 가열 시스템의 안정성, 효율성, 그리고 실용성을 고도화시킨 기술적 구성을 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명은, 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관입구부에는 란스버너온도센서(700)가 설치되며;

상기 란스버너온도센서(700)는 두 개의 이종 금속을 접합하여 고온 환경에서 발생하는 열기전력을 측정하는 온도센서이고;

상기 란스버너온도센서(700)는, 란스배관입구부에 체류하는 배출가스의 온도 또는 반응열 온도를 측정하며;

란스버너온도센서(700)가 란스배관에 설치된 지점과, 란스버너어셈블리의 어댑터(14)의 사이에는, 관측카메라(C)가 설치되고;

상기 관측카메라(C)에는, 사이트 글래스(41)와 가스켓(42)이 구비되고;

사이트 글래스(41)를 통하여 고로 내부의 화염 상태 및 란스 버너의 작동 상태를 관측카메라를 통하여 확인할 수 있으며;

상기 사이트 글래스(41)의 재질은, 결정질 알루미나로 포함하는 사파이어 글래스이고;

상기 가스켓(42)은, 고온·고압 환경에서 관측카메라 하우징 내부와 외부 사이의 기밀성 유지하기 위해, 사이트 글래스와 밀착되어 설치되며;

상기 가스켓의 재질은 흑연이고;

상기 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)와 란스버너온도센서(700)에 의해 측정된 온도값을 각각 검출하고,

상기 검출된 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 설치된 다수의 제어수단을 제어하는 제어부(CCU)가 구비된 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것이다.

즉, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템(1000)은, 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관입구부에 설치된 란스버너온도센서(700), 관측카메라(C), 사이트 글래스(41), 가스켓(42) 등을 포함함으로써, 배출가스의 온도 변화 감지, 화염 상태의 시각적 관측, 그리고 고온 환경 하의 기밀 유지를 동시에 실현하는 고도화된 감시 및 제어 기능을 구비한다.

란스배관입구부에는 란스버너온도센서(700)가 설치되며, 이 센서는 서로 다른 두 금속을 접합하여 고온에서 생성되는 열기전력(Seebeck 전압)을 측정하는 방식의 열전대 센서이다. 이 온도센서는, 란스배관 내부를 통해 유입되어 연소되고 난 이후 배출되는 배출가스 또는 반응열이 란스배관 입구에 머무르는 구간의 열환경 상태를 실시간으로 계측한다. 란스 내부의 연소 이상, 역류, 불완전 연소로 인한 온도 변화 등을 이 위치에서 감지함으로써, 버너 전체 작동 상태의 이상 유무를 조기 경고 또는 보정 입력값으로 활용할 수 있다.

란스버너온도센서(700)가 란스배관에 설치된 지점과, 란스버너어셈블리의 어댑터(14)의 사이에는, 관측카메라(C)가 설치된다.

관측카메라(C)는 고로 내부 또는 란스 내부의 화염 상태, 가스 분사 상태, 점화 유무 등을 실시간 영상으로 제공하여, 운전자가 화염 중심 상태를 육안 또는 영상 분석 알고리즘을 통해 비접촉식으로 확인 가능하게 한다.

관측카메라(C)의 전면에는 사이트 글래스(41)가 설치되어 있으며, 이 글래스는 고온 상태에서도 투명성을 유지할 수 있도록 결정질 알루미나를 포함하는 사파이어 글래스 재질로 구성된다. 사파이어 글래스는 약 2000°C 이상의 온도에서도 변형되지 않으며, 열팽창률이 낮고 기계적 강도가 우수하여 산업용 고온 투시창으로 매우 적합하다.

사이트 글래스(41)의 가장자리는 가스켓(42)과 밀착되어 고정되며, 이 가스켓은 흑연 재질로 구성되어 있다. 흑연은 높은 내열성과 내화학성을 가지며, 압축 시 기밀성이 유지되므로, 카메라 하우징의 내부와 외부 사이를 완전 밀폐함으로써 고온·고압 환경 하에서도 외기 유입이나 내부 가스 누출을 방지한다.

이러한 구조를 통해 측정된 란스버너온도센서(700)의 온도값은, 고로 중심부의 온도를 측정하는 제1온도센서(TE4010), 고로 외곽부의 온도를 감지하는 제2온도센서(TE4020)의 측정값과 함께 제어부(CCU)에 전달된다. 제어부(CCU)는 이 세 위치에서의 온도 데이터를 상호 비교 분석하여, 고로 내 열분포 균형, 반응 상태, 이상 작동 여부 등을 판단하고, 이에 따라 산소공급배관(OL) 및 LNG공급배관(LL)에 설치된 다수의 제어수단, 예컨대 유량 제어 밸브, 감압밸브, 개폐밸브 등을 정밀하게 조정한다.

이 구조는 다음과 같은 작용 효과를 제공한다.

첫째, 란스 배관 내부의 배출가스 온도나 연소 잔열을 측정하는 온도센서(700)를 통해, 내부에서의 열역학적 반응 결과를 직접 확인할 수 있으므로, 연소 상태에 대한 실시간 진단 및 이상 탐지가 가능하다.

둘째, 관측카메라(C)와 사이트 글래스(41)를 통한 화염 상태의 육안 확인 또는 영상 분석 기반 판단이 가능하여, 기존의 단순 점화 성공 여부를 확인하는 방식보다 훨씬 정확하고 상세한 운전 판단 근거를 제공한다.

셋째, 고온·고압 환경에서 내부 압력 및 가스 누출을 차단하는 흑연 가스켓(42)의 적용은, 고온 산업 환경에서 자주 발생할 수 있는 카메라 손상, 누출, 유리 파손 등을 방지하고, 시스템의 유지보수성을 높인다.

넷째, 세 개의 온도센서(TE4010, TE4020, 700)의 온도값을 제어부(CCU)가 통합 분석하여 제어에 반영함으로써, 센서 설치 지점 간의 온도 차이, 열 불균형, 비정상 반응 여부를 종합 판단하고, 이를 기반으로 유량이나 압력 조절을 수행하여 실시간 최적 연소 상태 유지를 실현한다.

본 발명은 고온 연소 시스템 내에서의 복합 센서 기반 실시간 진단 체계, 시각적 모니터링 시스템, 기밀성 유지 구조를 통합적으로 구성함으로써, 기존의 단일 감지 기반 제어 시스템과 차별화된 다계층 감시 및 제어 기반 고도화된 연소 안전 관리 기술을 구현한 것으로 평가된다. 이는 고로의 노심을 안정적이고 효과적으로 활성화시키기 위한 통합적인 진단-제어 인프라를 제공한다.

도 3 및 도 5에 개시된 바와 같이 본원 발명은, 란스배관 중간부(10-2)에는, 고로의 출선구(F9) 내주와, 출선구 폐쇄기(200)의 외주 사이의 틈새를 실링하기 위한 출선구 폐쇄기(200)가 장착되고;

상기 출선구 폐쇄기(200)의 내부 중앙에는, 출선구 폐쇄기의 길이 방향으로, 란스 배관(10)이 관통되어 설치되며;

상기 출선구 폐쇄기(200)는;

란스배관의 외주를 감싸며 란스배관과 평행하게 설치되는 유압실린더(21)와, 유압실린더의 내부에서 유압에 의해 실린더의 길이방향으로 왕복하며 작동되는 피스톤(22)과, 유압실린더의 내부에 충진되는 고체 상태의 점성 내화 패킹 머드(20-MD)를 포함하고;

출선구 폐쇄기(200)의 전방면에는, 5개 내지 7개의 배출통공(23-P)이 유압실린더의 내부와 외부를 관통하여 형성되어 있으며;

고체 상태의 점성 내화 패킹 머드(20-MD)가 열원에 의해 연화되어 압출 가능한 상태로 되고;

상기 유압 실린더(21)가 작동하여 점성 내화 패킹 머드(20-MD)가 다수개의 배출통공(23-P)을 통해 배출되며;

배출된 점성 내화 패킹 머드(20-MD)가 상기 틈새를 실링하는 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것이다.

즉, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템(1000)은, 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관(10)이 고로의 출선구(F9)를 통과하여 삽입되는 과정에서 형성되는 출선구(F9)의 내주와 출선구 폐쇄기(200)의 외주 사이의 틈새를 실링하기 위한 출선구 폐쇄기(200)를 포함하는 구조를 가진다.

이 출선구 폐쇄기(200)는 란스배관의 중간부(10-2)에 장착되며, 그 내부 중앙에는 란스배관(10)이 길이 방향을 따라 관통하여 설치된다. 출선구 폐쇄기(200)는 란스배관(10)의 외주를 감싸도록 형성된 유압실린더(21)와, 이 유압실린더(21)의 내부에서 유압에 의해 전후 방향으로 왕복 작동되는 피스톤(22), 그리고 유압실린더(21)의 내부에 충진된 고체 상태의 점성 내화 패킹 머드(20-MD)를 포함한다. 출선구 폐쇄기(200)의 전방면에는 유압실린더(21)의 내부와 외부를 관통하여 형성된 5개 내지 7개의 배출통공(23-P)이 구비되어 있다.

조업 중 고로 내부의 열원이 출선구 폐쇄기(200)에 도달하면, 유압실린더(21)의 내부에 충진되어 있던 고체 상태의 점성 내화 패킹 머드(20-MD)는 열에 의해 연화되고, 유압 피스톤(22)의 작동에 따라 배출통공(23-P)을 통해 외부로 압출된다. 이때 배출된 점성 내화 패킹 머드(20-MD)는 출선구(F9)의 내주와 출선구 폐쇄기(200)의 외주 사이에 존재하는 틈새를 충진하여 실링층을 형성한다.

이와 같은 실링 구조는, 란스배관(10)의 삽입 시 발생하는 유격 또는 비정형 틈새를 효과적으로 메우고, 고로 내부의 고온 가스나 화염의 누출을 차단하며, 외부 공기나 이물질의 역류를 방지한다. 특히, 점성 내화 패킹 머드(20-MD)는 평상시에는 고체 상태로 유지되다가 열에 반응하여 점성 유동체로 변화하므로, 별도의 가열장치 없이 고로 운전 조건 자체에 의해 작동될 수 있다.

또는, 점성 내화 패킹 머드(20-MD)를 능동적이고 신속하게 연화시키기 위한 가열 수단으로, 유압실린더(21)의 외주에 전기 히터선을 설치하는 구성은 매우 유효한 기술적 수단이 될 수 있다.

전기 히터선은 유압실린더(21)의 외주를 따라 나선 형태 또는 패턴 배치로 설치된다. 이 히터선은 제어부(CCU) 또는 별도의 온도 제어기와 연동되어, 필요 시 전력을 공급받아 발열하게 되며, 히터선의 발열이 실린더의 외벽을 통과하여 실린더 내부에 충진된 점성 내화 패킹 머드(20-MD)에 전달된다

히터선을 통한 유압실린더 외주 가열 구조는, 고체에서 점성 상태로 이행되는 내화 충진재의 물성 변화를 자연적 열원 의존 방식이 아닌 인공 제어 가능 열원으로 대체함으로써, 실링 타이밍 및 품질을 보다 정밀하게 관리할 수 있는 고도화된 기술이다.

또한 유압실린더(21) 및 피스톤(22)에 의한 정밀한 제어가 가능하므로, 필요한 시점에만 머드를 배출하거나, 반복적으로 재충진하여 실링 효과를 유지할 수 있다. 다수의 배출통공(23-P)은 머드의 분사 분포를 균일하게 하여, 출선구와 폐쇄기 사이의 틈새가 일정하지 않더라도 전체 면적에 걸쳐 균등한 실링이 가능하도록 돕는다.

틈새에 충진된 점성 내화 패킹 머드(20-MD)는 고온 환경이 유지되는 동안에는 점성 상태로 틈새를 밀폐하고, 이후 자연 냉각되거나 열원이 차단됨에 따라 다시 점도가 증가하고 고체 상태로 경화된다. 이 과정은 물리적 냉각에 의한 점도 상승 또는 특정 내화성 성분의 열 반응성 경화 작용에 따라 이루어지며, 일단 경화되면 외부 충격이나 고온가스에 견딜 수 있는 내열 실링층이 형성된다.

이러한 점성 내화 패킹 머드는 고로 내 고온가스의 누출을 방지하고, 출선구 주변 장비의 열 손상을 차단하며, 고체 상태로 변환된 이후에도 외력을 받아 형태가 유지될 수 있도록 구조적 지지층 역할을 수행한다. 또한 필요 시 재가열을 통해 남은 머드를 추가로 압출하여 반복 실링이 가능하며, 이로 인해 실링 유지보수의 효율성과 장비 수명의 연장이 가능해진다.

결과적으로, 점성 내화 패킹 머드(20-MD)는 열에 의한 물성 변화, 유압에 의한 정량 배출, 냉각 또는 반응에 따른 경화 메커니즘을 기반으로 고온 산업 환경에서 안정적이고 반복 가능한 실링 기능을 수행할 수 있도록 설계된 재료이며, 고로 조업 시 란스 장착부의 밀봉 신뢰성과 운전 안전성을 확보하는 데 핵심적인 기술적 요소로 작용한다.

결과적으로, 본 발명에 따른 출선구 폐쇄기(200)는 란싱버너어셈블리(100)의 반복적인 설치와 제거가 이루어지는 고로 조업 환경에서, 고온·고압 상태에서의 기밀성과 장비 보호를 동시에 실현할 수 있는 고도화된 실링 기술로 기능한다. 이는 고로 노심 가열을 위한 연소 장치가 안전하고 안정적으로 운용될 수 있도록 하는 기반 장치로서, 고온 내화성, 실링 정밀성, 구조적 일체성 측면에서 매우 우수한 기술적 효과를 제공한다.

도 7 및 도 2에 개시된 바와 같이, 본 발명은, 고로의 외주부(FR)에 설치되는 자성 유도부를 포함하며;

상기 자성 유도부는 고로의 외벽면에 배열 고정된 복수의 전자석 또는 영구자석으로 구성되고;

상기 자성 유도부는 고로 내부의 용선(MOLTEN IRON)의 자성 반응을 유도하여;

상기 용선이 고로 중심부(Core) 방향으로 순환되도록 흐름을 제어하며;

상기 흐름 제어는 고로 중심부의 열 전달 및 코크스 반응을 증진시켜 고로 노심을 활성화시키는 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템에 관한 것이다.

그리고, 상기 자성 유도부는, 고로 외주를 둘러싸는 복수의 고온 내열 구조체 내에 삽입된 자성체 패널(MPL)로 구성되며;

상기 자성체 패널은 고로의 동심 원주를 따라 균등 간격으로 배치되어;

용선의 유로를 방사형 중심 수렴 구조로 유도하는 것이다.

상기 자성 유도부는 전자석으로 구성되고;

상기 전자석은 고로 운전 조건에 따라 통전 강도를 조절할 수 있으며;

이를 제어하는 제어부(CCU)는 고로 내부에 설치된 온도센서, 유동 센서 또는 전도율 센서의 데이터를 실시간으로 수신하여; 전자석의 자장을 정밀하게 조절할 수 있다.

상기 전자석은 펄스 전류 또는 고주파 교류 전원에 의해 구동되어;

고로 내 용선의 자속 라인을 변조시켜 유도 와류 흐름을 형성하고;

이로 인해 중심부 코크스층으로의 용선 침투를 가속화하는 것이다.

상기 자성체는; Nd-Fe-B계 고내열 영구자석으로 구성되며, 자속 밀도는 0.5~1.2 T 범위로 설정되고, 고로의 고온 복사열 차폐를 위해 고온 세라믹 차폐재 내에 매립 설치된 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템은, 고로의 외주부(FR)에 설치되는 자성 유도부를 포함하여, 고로 내부의 용선(MOLTEN IRON)의 흐름을 제어함으로써 고로 중심부(Core)로의 열 집중 및 반응 활성화를 유도하는 구조를 가진다.

자성 유도부는 고로 외벽(FR)에 배열 고정된 복수의 전자석 또는 영구자석으로 구성된다. 이 자석들은 고로 외주면을 따라 동심 원주 구조로 균등하게 배치되며, 자속을 통해 고로 내부의 용선에 자성 반응을 유도한다. 이를 통해 용선이 고로 중심부 방향으로 순환되도록 흐름을 제어할 수 있으며, 이 흐름은 중심부의 열 전달과 코크스 반응을 촉진하여 고로 노심의 활성화를 유도하게 된다.

자성 유도부는 특히 고로 외주를 둘러싸는 복수의 고온 내열 구조체 내에 삽입된 자성체 패널(MPL)로 구성될 수 있다. 자성체 패널은 고로의 외주를 따라 방사형 중심 수렴 방향으로 배열되어 있으며(도 7 참조), 이를 통해 고로 내부 용선의 유동 방향을 중심부로 자연스럽게 유도할 수 있는 구조를 형성한다. 이와 같은 배치는 열 집중과 반응 가속화 효과를 동시에 실현할 수 있다.

자성 유도부가 전자석으로 구성된 경우, 그 전류 공급 상태는 제어부(CCU)에 의해 조절된다. 제어부는 고로 내부에 설치된 온도센서, 유동 센서 또는 전도율 센서로부터 수신된 데이터를 바탕으로 전자석에 공급되는 전류량과 통전 시간, 통전 강도를 실시간으로 제어한다. 이에 따라 전자석에서 발생하는 자장의 세기와 방향을 가변적으로 조정할 수 있으며, 이는 고로 내부 용선의 흐름을 상황에 따라 정밀하게 조절할 수 있도록 한다.

또한 전자석은 직류 방식이 아닌 펄스 전류 또는 고주파 교류 전원에 의해 구동될 수 있으며, 이 경우 고로 내 자속 라인이 시간적으로 변조된다. 이러한 자장 변조는 용선 내에 유도 전류를 발생시키고, 그로 인해 유도 와류 흐름이 형성된다. 유도 와류는 용선을 중심부로 끌어들이는 교반 작용을 하여 코크스층 주변의 반응을 더욱 활발하게 만들고, 반응가스의 침투와 용선의 열전달을 증가시키는 효과를 제공한다.

전자석 대신 영구자석을 사용하는 경우, Nd-Fe-B계 고내열 자석이 사용된다. 이 자석은 0.5 테슬라에서 1.2 테슬라의 자속 밀도를 유지할 수 있으며, 고로의 고온 환경에서도 안정적인 자기력을 유지하도록 설계된다. 자석은 고온 세라믹 차폐재 내부에 매립 설치되며, 고로 복사열에 대한 차단 효과를 제공함으로써 영구자석의 탈자나 열 손상을 방지할 수 있다.

이와 같은 자성 유도 기술은 고로 내부의 용선 흐름을 수동적 반응에만 의존하지 않고, 능동적으로 제어함으로써 중심부 반응을 촉진시키고, 열 불균형을 해소하며, 슬래그 유동성과 용선 반응성을 동시에 향상시킬 수 있는 고도화된 반응 유도 기술로 평가된다.

자성 유도부의 도입으로 인해 고로의 반응이 단순한 수직 방향 흐름에서 방사형 중심 수렴 흐름으로 전환되며, 이는 고로 내부 전체의 열 분포를 균일하게 만들고, 고로 노심의 응고를 방지하거나 응고된 영역의 재가열을 촉진하여, 고로의 운전 효율과 반응 안정성을 근본적으로 향상시키는 결과를 가져온다.

따라서 본 발명의 자성 유도 기반 고로 노심 활성화 시스템은, 고온 대형 반응 장치인 고로의 내부 유동을 전자기적 원리에 따라 제어함으로써, 연료 사용 효율, 반응률, 에너지 집중도, 작업 안전성 등 다방면에서 매우 우수한 기술적 성과를 제공할 수 있는 구조이다.

도 3에 개시된 란스 배관(10)에는, 상기 란스 배관의 선단부에 결합되는 펄스파 화염 발생기를 포함하고;

펄스파 화염 발생기에는;

산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)이 연결되어 있고;

상기 산소공급배관과 LNG공급배관이 주기적으로 개폐되도록, 산소공급배관과 LNG공급배관에 솔레노이드 밸브가 각각 구비되며;

상기 솔레노이드 밸브를 통과한 산소와 LNG는 혼합 챔버로 유입되어 혼합되고;

상기 혼합 챔버에서 배출되는 혼합 가스를 주기적으로 점화시키는 펄스 점화부를 포함하고;

펄스 점화부는, 고주기 점화를 수행하여 1Hz 이상 30Hz 이하의 주기로 펄스성 폭발 화염을 생성하며;

펄스 화염은, 란스 배관 선단의 다공성 노즐을 통해 고로 노심 영역에 집중 분사되도록 형성된다.

펄스 점화부는, 고전압 플라즈마 점화기 또는 스파크 디스크 점화기로 구성되고;

혼합 챔버는 복수의 LNG 분사 노즐과 산소공급 유입구를 구비한 벤추리 구조를 포함하며,

LNG와 산소의 혼합 비율이 자동 보정되도록, 복수개의 유량센서와 제어 알고리즘이 연동되는 것을 특징으로 한다.

펄스파 화염 발생기는 제어부(CCU)에 의해, 시스템에 설치된 다수개의 온도센서의 신호에 따라 구동되며, 고로 노심 온도가 설정 임계값 이하일 때 자동으로 작동되고;

제어부(CCU)는 펄스 주파수, LNG 유량, 산소 유량을 실시간 제어하여, 열 충격, 화염 침투 깊이 및 반응 범위를 가변 제어한다.

상기 란스 배관(10)의 선단부는;

내화 세라믹 재질의 열 차단 튜브를 포함하여 구성되며; 내부에는 난류 유도용 회전 와류판이 구비되어, 펄스 화염이 회전 분사형 화염 구조를 형성한다.

상기 펄스파 화염은;

진동압력파를 수반하여 고로 내부의 정체층을 물리적으로 교란시키고, 코어층에 반응가스 침투성을 향상시키며, 응고된 슬래그 또는 비활성 잔류물의 탈락 및 유동화를 유도한다.

즉, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템(1000)은, 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관(10) 선단부에 결합되는 펄스파 화염 발생기를 통해, 고로 노심(Core) 영역에 고주기, 고에너지의 집중화염을 주기적으로 분사함으로써, 노심의 반응활성도와 열투과 깊이를 극대화하고, 슬래그 유동성 및 반응가스 침투성을 증진시키는 고도화된 열 활성화 기술이다.

펄스파 화염 발생기는 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL) 양측과 연결되어 있으며, 각각의 공급배관에는 솔레노이드 밸브가 구비되어 있다. 이 솔레노이드 밸브는 제어부(CCU)의 신호에 따라 주기적으로 개폐되며, 산소와 LNG는 일정한 주기로 정해진 시간 동안만 밸브를 통과하게 된다.

이와 같이 간헐적으로 공급되는 산소와 LNG는 혼합 챔버에 유입되어 서로 혼합되며, 혼합된 가스는 이후 펄스 점화부에서 점화된다.

펄스 점화부는 1초당 1회에서 30회 범위의 고주기 점화를 수행하는 장치로 구성되며, 고전압 플라즈마 점화기 또는 스파크 디스크 점화기로 구성될 수 있다. 고주기 점화에 의해 생성된 펄스성 폭발 화염은, 란스배관(10)의 선단부에 형성된 다공성 노즐을 통해 분사되며, 이 화염은 고로 노심(Core) 영역에 직접 도달하도록 구성된다.

혼합 챔버는 복수의 LNG 분사 노즐과 산소공급 유입구를 포함하는 벤추리 구조로 형성되어 있으며, 이 구조는 유속 증가 및 혼합 효율 향상을 유도한다. 또한, 챔버 내부에는 유량센서가 각각 설치되어 있으며, 이 센서의 신호는 제어부(CCU)에 전달되어 LNG와 산소의 혼합 비율이 자동 보정되도록 제어 알고리즘과 연동된다.

펄스파 화염 발생기는 제어부(CCU)의 판단에 따라 자동으로 작동되며, 그 판단 기준은 시스템 내 온도센서(TE4010, TE4020, 700)의 센싱값이다. 고로 노심(Core)의 온도가 미리 설정된 임계값 이하로 측정되면, 제어부(CCU)는 자동으로 펄스파 화염 발생기의 작동을 시작하며, 동시에 펄스 주파수(f), 산소 유량, LNG 유량을 조절하여 화염의 강도, 침투 깊이, 열 충격 크기 등을 실시간으로 제어한다.

란스배관(10)의 선단부는 내화 세라믹 재질로 형성된 열 차단 튜브를 포함하며, 내부에는 회전 유동을 유도하는 와류판이 설치되어 있다. 이 구조는 펄스성 폭발 화염이 회전 유동을 동반하여 분사되도록 형성되며, 고로 중심부에 화염이 소용돌이치며 침투하게 만들어 열전달 면적을 증가시키고 정체된 반응층을 효과적으로 교란시킨다.

펄스파 화염은 단순한 열 공급 수단이 아니라, 화염과 함께 발생하는 진동 압력파를 동반한다. 이 압력파는 고로 내부의 정체층을 물리적으로 교란하고, 코어층에 반응가스가 더 깊이 침투할 수 있도록 한다. 나아가, 노심 내부에 부착되거나 응고된 슬래그 또는 비활성 잔류물의 박리 및 유동화를 유도하여, 반응 표면을 재노출시키고, 고로의 열적 회복력을 향상시키는 데 기여한다.

이러한 구조는 다음과 같은 기술적 효과와 고도성을 제공한다.

첫째, 펄스 방식의 간헐 점화는 에너지를 집중시켜 순간적인 고온 영역을 형성하므로, 노심 응고물의 재가열, 슬래그 융해, 반응 유도에 탁월한 효과를 발휘한다.

둘째, 제어부(CCU)를 통해 펄스 주파수, 유량, 점화 타이밍 등을 실시간으로 조절할 수 있으므로, 반응 조건에 따라 화염 특성을 맞춤 설정할 수 있다.

셋째, 벤추리 혼합 구조와 회전 와류판을 이용한 화염 형성 방식은 고로 내부에 회전성 분사 유동을 유도하여 정체 영역을 제거하고, 가열 범위를 확대할 수 있다.

넷째, 진동 압력파를 수반한 펄스 화염은 단순 열 전달이 아닌 물리적 교란까지 유도하므로, 노심 반응성과 열 균일도를 동시에 개선할 수 있다.

결과적으로, 본 발명에 따른 펄스파 화염 기반의 고로 노심 활성화 시스템은, 정밀 제어된 연소 반응과 동적 유동 제어를 융합하여, 기존 고로 가열 방식으로는 구현하기 어려운 고효율, 고반응성, 고안정성의 열 활성화 기술을 실현하며, 산업 현장에서 고로의 재활성화, 응고물 제거, 반응 심화에 매우 유용하게 적용될 수 있는 진보된 기술 구조이다.

도 8은, 본 발명의 고로 노심 활성화 시스템을 보조 지원하는 안전장치스텐드로서, 상기 안전장치스텐드에는 이동 가동한 대차위에 LNG가스의 역화방지기(70), 감압변(80), 출선구 폐쇄기(200), 배관을 감을 수 있는 릴(60) 등이 탑재되어 있어서, 시스템의 설치 준비시에 사용될 수 있다.

10 : 란스 배관
100 : 란싱버너어셈블리
200 : 출선구 폐쇄기
CCU : 제어부
OL : 산소공급배관
LL : LNG공급배관
C : 관측카메라
400 : 열화상 카메라
1000 : 고로 노심 활성화 시스템

Claims (6)

1. 고로(FR)의 내부로 화염을 분사하여, 고로의 노심을 활성화하기 위한 시스템(1000)에 있어서;
   고로의 출선구(F9)에 란스배관(10)을 삽입하여 고로 노심 내부를 가열하기 위한 란싱버너어셈블리(100)와; 상기 란싱버너어셈블리(100)를 결합하여 이송 시킬 수 있는 이송수단과; 상기 란싱버너어셈블리(100)로 산소를 공급하는 산소공급배관(OL)과; 상기 란싱버너어셈블리로 LNG를 공급하는 LNG공급배관(LL)을 포함하고;
   상기 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관(10)은, 제2배관(10B)의 중앙에 제1배관(10A)이 평행하게 삽입된 2중관으로 되어 있고;
   상기 산소공급배관(OL)은, 란싱버너어셈블리의 제1니플(11)에 연통 연결되고;
   상기 제1니플(11)은 상기 2중관의 중앙에 형성된 제1배관(10A)과 연통 연결되며;
   상기 LNG공급배관(LL)은, 란싱버너어셈블리의 제2니플(12)에 연통 연결되고;
   상기 제2니플(12)은 상기 제2배관(10B)과 연통 연결되며;
   란싱버너어셈블리(100)로 각각 공급된 산소와 LNG는, 란스배관의 출구부(10-1)에서 혼합되어 연소되고;
   상기 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에는, 상기 산소공급배관과 LNG공급배관의 내부에서 각각 유동하는 산소와 LNG의 이송을 제어하기 위한, 다수의 밸브 및 센서를 포함하는 제어수단이 구비되며;
   
   
   상기 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관입구부에는 란스버너온도센서(700)가 설치되며;
   상기 란스버너온도센서(700)는 두 개의 이종 금속을 접합하여 고온 환경에서 발생하는 열기전력을 측정하는 온도센서이고;
   
   상기 란스버너온도센서(700)는, 란스배관입구부에 체류하는 배출가스의 온도 또는 반응열 온도를 측정하며;
   란스버너온도센서(700)가 란스배관에 설치된 지점과, 란스버너어셈블리의 어댑터(14)의 사이에는, 관측카메라(C)가 설치되고;
   상기 관측카메라(C)에는, 사이트 글래스(41)와 가스켓(42)이 구비되고;
   사이트 글래스(41)를 통하여 고로 내부의 화염 상태 및 란스 버너의 작동 상태를 관측카메라를 통하여 확인할 수 있으며;
   상기 사이트 글래스(41)의 재질은, 결정질 알루미나로 포함하는 사파이어 글래스이고;
   상기 가스켓(42)은, 고온·고압 환경에서 관측카메라 하우징 내부와 외부 사이의 기밀성 유지하기 위해, 사이트 글래스와 밀착되어 설치되며;
   상기 가스켓의 재질은 흑연이고;
   
   
   상기 란싱버너어셈블리(100)의 란스배관 중간부(10-2)에는, 고로의 출선구(F9) 내주와, 출선구 폐쇄기(200)의 외주 사이의 틈새를 실링하기 위한 출선구 폐쇄기(200)가 장착된 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템.
   
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 란스배관 출구부(10-1)에는, 노심 내의 반응 활성도를 실시간 측정할 수 있도록 하는 온도센서용의 다수개 입력포트(1ch~4ch)가 설치되고;
   상기 다수개 입력포트(1ch~4ch)와 이격되어, 상기 다수개 입력포트를 통하여 입수된 정보에 의해, 다수개 입력포트(1ch~4ch)가 설치된 란스배관 출구부의 각 지점의 온도를 센싱하는 제1온도센서(TE4010)가 구비되며;
   상기 제1온도센서(TE4010)는 고로 노심의 중심부 온도를 센싱하여 노심의 활성화 상태를 검지하고;
   
   상기 고로의 풍구에도 온도센서용의 복수개 입력포트(5ch~6ch)가 설치되고;
   상기 복수개 입력포트(5ch~6ch)와 이격되어, 상기 복수개 입력포트(5ch~6ch)를 통하여 입수된 정보에 의해, 복수개 입력포트(5ch~6ch)가 설치된 풍구의 각 지점의 온도를 센싱하는 제2온도센서(TE4020)가 구비되며;
   상기 제2온도센서(TE4020)는 고로 하부 또는 외곽부의 온도를 센싱하여 고로 전체의 열 분포를 모니터링하고;
   
   상기 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)에 의해 측정된 온도값을 각각 검출하고,
   상기 검출된 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 설치된 다수의 제어수단을 제어하는 제어부(CCU)가 구비된 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 시스템(1000)에는, 열화상 카메라(400)가 설치되어 고로(FR)의 가열 상태를 실시간 원격 감시가 가능하고, 유해가스 누출여부를 실시간 감지하는 가스탐지기(500)가 설치되어 있으며;
   
   상기 제어부(CCU)는, 제1온도센서(TE4010)와 제2온도센서(TE4020)의 온도값에 대응하여, 산소공급배관(OL)과 LNG공급배관(LL)에 각각 설치된 유량 제어 밸브(FCV1010, FCV2010 )를 제어하고;
   
   상기 산소공급배관(OL)에는, 제1개폐밸브(SV1)와 감압밸브(PRV1010)와 과압방지밸브(SRV1010)와 제2개폐밸브(SV2)가 직렬로 설치되어 있고;
   상기 제1개폐밸브(SV1)의 입구측의 산소공급배관에는, 산소공급배관이 분기되는 제1분기점(PP1)이 형성되며;
   
   상기 제2개폐밸브(SV2)의 출구측의 산소공급배관에는, 산소공급배관(OL)이 분기되는 제2분기점(PP2)가 형성되고;
   
   상기 제1개폐밸브(SV1)와 감압밸브(PRV1010)와 과압방지밸브(SRV1010)와 제2개폐밸브(SV2)가 직렬로 설치된 산소공급배관에, 병렬로 리턴배관(RTPI)이 산소공급배관에 연통 형성하며;
   상기 리턴배관(RTPI)의 일측 단부는 제1분기점(PP1)과 연통 연결되고;
   상기 리턴배관(RTPI)의 타측 단부는 제2분기점(PP2)과 연통 연결되며;
   제어부(CCU)의 제어에 따라, 산소공급배관의 제2개폐밸브(SV2)를 통과한 산소는, 리턴배관(RTPI)을 통하여 리턴 될 수 있는 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   산소공급배관(OL)의 내부로 이송되는 산소의 압력은 7 bar ~ 9 bar이고;
   산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 유량은, 490 Nm³/h ~ 510 Nm³/h이며;
   
   LNG공급배관(LL)의 내부로 이송되는 LNG의 압력은 7 bar ~ 9 bar이고;
   LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 유량은, 240 Nm³/h ~ 260 Nm³/h이고;
   산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 압력과, LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 압력은 동일하며;
   
   산소공급배관의 내부로 이송되는 산소의 유량은, LNG공급배관의 내부로 이송되는 LNG의 유량의 1.9배 ~ 2.1배인 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 산소공급배관과 LNG공급배관에는, 각각 유량센서(FT1010, FT2010)가 하나 이상 설치되고;
   상기 산소공급배관과 LNG공급배관에는, 각각 압력전송기(PT1010, PT2010)가 하나 이상 설치되며;
   상기 제어부(CCU)는, 산소공급배관과 LNG공급배관의 내부로 이송되는 산소와 LNG의 유량과 압력이 시스템에 기설정된 조건을 만족할 때에만, 란싱버너어셈블리(100)의 작동을 허용하는 것을 특징으로 하는 고로 노심 활성화 시스템.
   
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