고로 냉각 시스템 최적화: 효율성 및 수명 향상을 위한 핵심 기술

고로 냉각 시스템의 중요성

고로(BF) 재건에 막대한 자본 투자가 소요되는 점을 고려할 때, 과거에는 고로의 캠페인 수명을 연장하기 위한 엄청난 노력이 기울여졌습니다. 고로 제철 공정의 발전과 재료 과학의 진보는 생산성, 연료 소비, 제품 품질, 그리고 고로의 캠페인 수명을 크게 개선했습니다. 1990년대까지 고로 캠페인의 지속 기간은 주로 하부 샤프트, 즉 열 부하가 가장 높은 영역의 수명에 의해 영향을 받았습니다. 열전달, 열응력, 노 캠페인 수명 등의 매개변수가 분석되지 않으면 고로 고장으로 이어질 수 있습니다.

효율적인 냉각의 필요성

효율적인 냉각은 내화물 내면의 열 부하와 관련 마모의 균형을 맞추고, 쉘과 냉각 요소를 보호하는 데 필수적입니다. 고로의 냉각 시스템은 고로의 캠페인 수명과 운영 비용에 핵심적인 역할을 합니다. 냉각수가 순환하는 냉각 요소는 고로 상부의 쉘과 내화물 라이닝 사이에 설치되어 이들 구성 요소를 열복사로부터 보호합니다.

당시 유명한 고로 전문가였던 프리츠 W 루르만(Fritz W Lurman)은 1892년에 "소위 내화물의 사용 여부에 관계없이 고로 벽을 유지하는 최선의 방법은 냉각수이다"라고 언급했습니다. 고로 냉각 시스템의 기능은 노 쉘을 냉각하여 과열과 그에 따른 번스루(burn-through)를 방지하는 것입니다. 냉각 시스템은 고로에서 발생하는 과도한 열을 제거하여 쉘에 가해지는 열 부하를 줄이고, 쉘과 라이닝의 온도 상승을 억제합니다. 고로 쉘 냉각에는 여러 방법이 존재합니다.

고로 냉각 시스템의 발전 역사

고로 냉각 시스템은 1884년부터 개발되어 왔습니다. 초기(1920년대까지)에는 냉각이 허스(hearth)와 보시(bosh) 영역에만 적용되었습니다. 1930년대와 1940년대에는 샤프트 영역에도 냉각이 적용되었습니다. 동시에 샤워 냉각과 재킷 냉각 같은 외부 냉각 방식도 시도되었습니다. 이 방식은 노 쉘을 통해 냉각 매체로 열을 추출하는 방식으로, 열전달 과정에서 높은 열응력을 발생시켜 쉘의 무결성을 위협했습니다.

과거에는 자체 쿨러를 갖는 것 외에도, 허스와 노 바닥 인접 쉘 부분이 일부 고로에서 외부 물 분사로 냉각되기도 했습니다. 또한 초기에는 다양한 크기, 수량, 설계의 냉각 박스가 외부 냉각(분무 냉각, 이중 쉘)과 함께 사용되어 노의 열을 냉각 매체로 전달했습니다.

주철 냉각 스테이브의 등장과 발전

주철 냉각 스테이브를 장착한 고로는 1900년대 중반부터 운영되었습니다. 스테이브는 하나 이상의 내부 수로를 가진 냉각 장치로, 고로 내면에 다수 설치되어 강철 쉘을 고온 가스와 용융 부담재로부터 보호하고 노 내 프로파일을 유지합니다. 스테이브에 요구되는 세 가지 핵심 특성은 (1) 긴 수명과 신뢰성, (2) 적절한 냉각 능력, (3) 단열 능력입니다.

1. 긴 수명과 신뢰성

구조상 고로 외부에서 스테이브를 수리할 수 없으므로, 스테이브 손상 시 광범위한 교체 작업이 필요합니다. 손상된 스테이브는 고로 조업에 심각한 악영향을 미쳐 장기 풍입 정지, 누수로 인한 노내 온도 강하, 프로파일 변화로 인한 조업 실패를 초래합니다. 따라서 스테이브에는 안정적인 긴 수명이 요구됩니다.

2. 적절한 냉각 능력

약 1,200°C의 고온 가스와 액체 재료로부터 쉘을 보호하기 위해 스테이브에는 적절한 냉각 능력이 필요합니다. 보시와 하부 샤프트 사이 같이 고온에 노출되는 부위에는 높은 냉각 능력이 요구되므로, 이 부분에는 동 스테이브가 사용되는 경우가 많습니다.

3. 단열 능력

산화철이 고온에서 환원·용해되는 고로에서는 열에너지 낭비를 막기 위해 단열 구조가 바람직합니다. 그러나 앞서 설명한 대로 스테이브는 노 내 프로파일 유지와 쉘 보호를 위해 냉각되며, 이로 인해 고온 가스와 재료로부터 열에너지를 빼앗게 됩니다. 스테이브에 의한 열 제거는 동등한 연료(코크스) 소비를 수반하여 환원제 비율(RAR)을 직접 증가시킵니다. RAR 증가는 이산화탄소 배출 증가와 용선 단가 상승으로 이어집니다. 따라서 스테이브에는 적절한 냉각 능력뿐만 아니라 노 내부에서 빼앗는 열에너지를 최소화하는 단열 능력(열 제거 제한)도 필요합니다. 관례적으로 주철 스테이브 전면에 저열전도도 벽돌을 매입하여 냉각 능력과 단열 능력을 동시에 확보해 왔습니다. 한편 동 스테이브는 높은 냉각 능력으로 스테이브 전면의 반용융 재료를 냉각시켜 부착시킴으로써 단열층을 형성합니다.

스테이브 쿨러의 세대별 발전

스테이브 쿨러는 1900년대 중반경 개발되기 시작했습니다. 주철 스테이브 냉각 기술은 구 소련에서 처음 개발되어 인도와 일본으로 전파되었습니다. 1970년대에는 주철 냉각 스테이브가 전 세계적으로 수용되었습니다. 주철 스테이브 쿨러 도입 이후 고로 냉각 개발이 가속화되어 오늘날에는 평판 쿨러, 시가 쿨러 등 현대 대형 고성능 고로의 극한 응력 조건에 맞는 다양한 쿨러가 이용 가능합니다. 평판 냉각 대비 스테이브 냉각의 장점은 포인트 투 포인트 냉각이 아닌 블랭킷 냉각 효과로, 더 균일한 냉각 성능을 보장합니다.

오늘날 대다수 대용량 고로에서 설계 엔지니어들은 스테이브를 냉각 시스템으로 채택하고 있습니다. 고전적으로 스테이브는 구상 주철로 제작되며 냉각수 파이프를 주물로 감싸 만듭니다. 이들은 바닥 플레이트부터 스로트까지 노 쉘 전체에 설치됩니다. 그러나 특히 보시와 벨리 영역에서 높은 열 부하로 인한 중대한 응력을 받아 캠페인 수명을 제한할 수 있습니다. 이로 인해 스테이브 본체가 완전히 손실되고 냉각수 파이프만 남는 경우도 있습니다. 주철 재료의 열전도도와 파이프-주물체 간 열전달이 문제로 여겨집니다. 최상의 냉각 시스템에서도 하부 쉘 영역은 고로의 약점으로 남아 있었습니다.

동 스테이브의 도입과 장점

주철로 제작되던 스테이브를 우수한 열전도도를 가진 구리로 제조하는 것이 1990년대 중반 독일에서 검증되어, 이후 여러 고로에 동 스테이브가 적용되었습니다. 1993년 독일 티센크루프 슈벨게른 2호 고로와 잘츠기터 B 고로에서 동 스테이브가 처음 도입되었습니다. 파이프 대신 구멍을 뚫거나 주조 시 채널을 형성하는 방식으로 동 슬라브로 스테이브를 제작하는 것은 현대 고로 설계의 중요한 진전이었습니다.

"동의 높은 열전도도가 공정 열 방출을 증가시킨다"는 이론은 사실이 아닌 것으로 밝혀졌습니다. 동의 높은 전도도는 표면 온도를 낮추고 얇은 보호층을 신속히 형성하여 노로부터의 열 제거를 감소시킵니다. 냉각 효과가 매우 강해 무방비 스테이브 앞에서도 수분 내에 보호층이 형성됩니다. 최근 연구에 따르면 노로부터 제거되는 열량은 주철 스테이브보다 오히려 낮습니다.

이러한 층의 단열 효과로 열손실이 최소화됩니다. 이 때문에 브레멘 제철소 2호 고로 재건 시 튜레르 상부 스테이브 전면에 영구 내화물을 설치하지 않고 얇은 분사 보호층만 건(gunning)했습니다. 이 스테이브가 매우 성공적이어서 오늘날 고열 부하 영역에서 동 스테이브 사용은 최첨단 고로 기술이 되었습니다. 하부 스택은 더 이상 고로 캠페인 수명의 제한 요인이 아니며, 대신 허스 상태가 캠페인 수명을 좌우합니다. 오늘날 동 스테이브 쿨러는 고응력 고로에서 공정 열로부터 외피를 단열합니다. 다만 고로 내 위치에 따라 상이한 열 부하를 받습니다.

스컬(Skull) 형성과 안정성

고열 부하 고로에서 냉각 시스템의 성공적 운영 열쇠는 냉각 요소 열면에 형성되는 스컬입니다. 이 스컬은 응축 증기, 고체화된 슬래그와 금속이 튀거나 떨어지고 얼어붙어 냉각 요소 표면에 부착된 것입니다. 두께는 최대 20mm까지 다양합니다. 스컬 안정성은 주로 냉각 능력과 냉각 요소의 기계적 부착 능력에 의존합니다. 벽면의 가스 흐름 심각성도 스컬 유지에 영향을 미칩니다. 금속 함량이 낮으면 스컬은 천연 단열재 역할을 합니다. 극한 열 부하 기간(고온 가스 제트, 공정 업셋)에는 스컬이 벗겨졌다가 이후 다시 형성됩니다. 스컬의 탈락과 재형성은 노 벽 열 부하에 큰 변동을 일으키며, 피크 부하는 300,000~500,000 W/m² 범위입니다.

따라서 라이닝과 냉각 설계는 이러한 열 부하를 감당할 수 있어야 조기 고장을 방지할 수 있습니다. 세부 조사 결과, 냉각 요소의 냉각 효율이 높을수록 스컬이 더 안정적으로 오래 부착되어 단열 및 보호 특성을 유지합니다. 즉, 고효율 냉각 시스템은 노 전체 열손실을 낮춥니다.

맨틀 냉각과 다양한 냉각 배치

대다수 고로는 쉘 지지대 없는 프리 스탠딩 타입이지만, 일부 설계는 맨틀(mantle)을 채택하여 지상에서 강철 또는 콘크리트 기둥으로 노를 지지합니다. 맨틀 사용은 벨리 영역을 없애며, 맨틀은 이러한 고로 설계의 필수적 부분으로 프리 스탠딩 고로의 벨리 영역과 같은 조건에서 과열로부터 보호되어야 합니다. 맨틀 영역 라이닝 냉각에 동 평판 쿨러를 사용하는 것은 접근성 제한과 긴 플레이트 쿨러 필요로 어렵습니다. 이 영역에 스테이브를 사용하면 맨틀 전체에 완전한 냉각 커버리지를 제공하는 장점이 있습니다. 그림 1은 맨틀의 스테이브 냉각 배치와 고로의 다양한 냉각 배치를 보여줍니다.

그림 1 고로의 다양한 냉각 배치 유형

현대 고로의 고열 부하와 냉각 요소 선정

현대 고로는 작업 부피 1m³당 일일 3톤 이상의 조강 생산률을 달성합니다. 이러한 높은 생산성은 개선된 부담재, 부담 분배 기술, 공정 제어, 고온 풍, 산소 농축, 보조 연료 주입으로 달성됩니다. 그러나 이러한 고생산성 관행은 고로 벽에 높은 열 부하와 변동을 초래합니다. 특정 구역과 피크 열 부하의 크기는 고로마다 크게 다르지만, 일반적으로 벨리와 하부 스택 영역이 가장 높은 열 변동을 겪습니다(그림 2).

그림 2 고로 각 영역의 열 부하 변동

최고 열 부하를 겪는 영역은 응집대 위치·형상과 고로의 특정 장입 패턴과 밀접한 관련이 있습니다. 높은 열 변동의 주원인은 부담재 내 코크스 슬릿을 통해 노 벽으로 분출하는 불규칙한 고속 가스 제트입니다. 높고 변동하는 온도는 고로 냉각 요소가 감당해야 할 주요 부하입니다. 부담재 조성과 품질이 열 부하와 변동에 상당한 영향을 미치는 것으로 관찰되었습니다. 70% 이상 소결광 부담은 100,000~200,000 W/m² 피크 부하를, 펠렛이나 덩어리광 비중이 높으면 400,000 W/m² 이상의 피크 열 부하를 생성합니다. 예상 열 부하에 따라 다른 냉각 요소를 적용해야 합니다. 표 1은 다양한 냉각 및 내화물 설계와 최대 피크 열 부하 능력을 보여줍니다.

표 1 다양한 냉각 및 내화물 설계의 최대 피크 열 부하 능력
설계	피크 열 부하 (W/m²)
알루미나 내화물을 갖춘 평판 쿨러	50,000
주철 스테이브, 1세대	100,000
다중 냉각수 회로를 갖춘 두꺼운 주철 스테이브	200,000
근접 간격(300mm) 평판 쿨러 및 특수 내화물	400,000
고성능 동 스테이브	500,000

이 피크 열 부하가 노 라이닝 또는 냉각 요소의 장기 생존을 결정하는 주요 인자임을 강조합니다.

다양한 냉각 요소 상세

고로 냉각 시스템용으로 개발된 다양한 냉각 요소는 (1) 세대별 주철 스테이브, (2) 조밀 간격 동 평판 쿨러, (3) 시가 쿨러, (4) 동 냉각 스테이브입니다. 이들은 아래에서 설명합니다.

주철 스테이브 쿨러

초기에는 합금 펄라이트 판상 회주철이 사용되었으나, 현재는 760°C 이상에서 균열에 덜 취약한 연성 철(덕타일 아이언) 또는 구상 주철로 대체되었습니다. 최근에는 주철 스테이브 대신 주강 스테이브도 성공적으로 시험되었습니다. 주철 스테이브의 냉각 효과는 내부의 냉각수 관 크기와 형상에 의해 결정됩니다. 일반적인 주철 스테이브 치수는 길이 1.8~2.4m, 폭 0.8~1.1m, 두께 0.25~0.6m입니다. 다양한 유형의 주철 냉각 스테이브는 그림 3에 나와 있습니다. C형 쿨러는 훨씬 얇아 노 내부 공간을 절약하여 작업 부피를 늘리도록 설계되었습니다.

그림 3 다양한 유형의 주철 스테이브

1969년 구 소련으로부터 주철 스테이브 기술을 도입한 일본은 스테이브 내구성 향상을 위해 다양한 개선을 수행했습니다. 이에는 관 간격 축소, 코너 냉각관 설치, 후면 서펜타인 관 설치가 포함됩니다. 4세대 스테이브는 두 개의 냉각면, 열면 측면에 4개 수직관, 냉면 측면에 1개 서펜타인관을 특징으로 합니다. 스테이브에는 냉각 노즈와 내화물 지지용 브래킷이 장착되며, 코너 부분이 집중 냉각됩니다. 내화물은 스테이브의 특수 지지 구멍에 타설됩니다. 1세대부터 4세대까지 주철 스테이브 쿨러의 개선 사항은 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4 주철 스테이브 쿨러의 세대별 개선

고로 보시와 스택 영역의 주철 스테이브 평균 수명은 약 8~10년입니다. 주철 스테이브는 주로 주철 재료 손실과 내부 파이프 코일 노출로 고장납니다. 주철은 노출된 높은 열 부하로 인해 사용 중 균열이 발생합니다. 냉각관과 주철 사이의 무작위 간극은 열 제거량을 감소시킵니다. 또한 관 재료와 쿨러 본체 재료의 열팽창 계수 차이로 주철이 관에서 분리되어 쿨러를 파괴할 수 있습니다. 관이 주철에 더 가깝게 배치된 주철 쿨러 사용은 쉘 설계를 복잡하게 만들면서 냉각 시스템 수명을 반드시 늘리는 것은 아닙니다.

높은 변동 열 부하 하에서 주철 스테이브 고장 메커니즘은 주철의 낮은 열전도도(약 45 W/m·K) 때문입니다. 주철 스테이브는 주철의 상대적으로 낮은 전도도와 단열층 존재로 동 스테이브보다 냉각 효율이 낮습니다. 이 층은 냉각수관과 주철 스테이브 본체 사이에 열 장벽을 형성하여 열전달을 저해합니다. 비효율적 열전달은 주철 스테이브 열면 온도를 상당히 높게(700°C 초과) 만들고 주철 스테이브 열변형을 초래합니다. 주철 본체는 고온에서 상 부피 변환을 겪어 피로 균열, 스테이브 본체 재료 손실, 강철 냉각관의 노 열 직접 노출을 유발합니다.

동 평판 쿨러

동 평판 쿨러는 이름 그대로 수평으로 노 쉘에 배치되는 평판입니다. 이 쿨러는 거의 모든 유럽 고로에서 사용되어 왔습니다. 이 쿨러는 전해동으로 용접 또는 주조 제작됩니다. 후자의 경우 용접부 문제가 없고 냉각 요소 전체에 걸쳐 물질 특성이 더 균일합니다. 이 쿨러는 일반적으로 보시부터 하부 스택까지 영역에 사용됩니다. 쿨러 전체에 높은 수속을 유지하도록 설계되어 균일하고 높은 열전달 계수를 제공합니다. 일반적인 동 평판 쿨러는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 동 평판 쿨러

일반적인 동 평판 쿨러 크기는 길이 0.5~1.0m, 폭 0.4~0.8m, 높이 약 75mm입니다. 쿨러 수직 간격은 0.3~0.6m입니다. 고열 부하 구역, 특히 보시와 하부 스택에서는 간격이 0.25m로 좁혀지기도 합니다. 동 평판 쿨러는 냉각 요소 전체에 걸쳐 물질 특성이 더 균일합니다. 기계적 손상이 우려되는 고로 영역에서는 냉각 요소 전면을 특수 재료로 보강합니다. 이 쿨러는 주로 가스 밀폐를 위해 고로 쉘에 용접됩니다. 동 평판 쿨러는 일반적으로 1~2개 독립 챔버를 가진 다중 채널을 가지며, 배관과 요소 자체에서 최소 수압 손실을 보장합니다.

동 평판 쿨러 설계 중 하나는 단일 챔버 6패스 방식입니다. 이 쿨러는 전체에 높은 수속을 유지하도록 설계되어 균일하고 높은 열전달 계수를 가집니다.

동 평판 쿨러 고장은 네 가지 메커니즘에 기인합니다: (1) 변형, (2) 파이프 용접 고장, (3) 플러그 용접 고장, (4) 표면 마모. 동 평판 쿨러와 주철 스테이브 쿨러 비교는 표 2에 나와 있습니다.

표 2 냉각 시스템 비교
항목	단위	동 평판 쿨러		주철 스테이브 쿨러
		평균	최대	평균	최대
쉘 제곱미터당 냉각 요소 비표면적	m²/m²	1-2	2.5	0.8-1	1-2
쉘 제곱미터당 냉각수 유량	m³/hr	5-10		3-5
일반적인 냉각수 유속	m/sec	0.5-1	2-2.5	1-1.2	2.5-3

시가 쿨러

시가 쿨러는 더 집중적인 냉각이 필요하거나 기존 평판 쿨러 간격이 불충분할 때 사용됩니다. 동 재킷이라고도 합니다. 시가 쿨러는 더 집중적인 냉각이 필요하거나 평판 쿨러 간격이 부족할 때 평판 쿨러 사이의 빈 공간에 사용됩니다. 또한 조업 중 기존 냉각 시스템 개선에도 사용됩니다. 시가 쿨러는 일반적으로 원통형 코어를 형성하기 위해 솔리드 동봉을 가공하고, 단일 채널을 드릴링과 플러깅으로 추가합니다.

시가 쿨러는 일반적으로 인접 평판 쿨러 중심선 사이에 수평·수직 평면으로 삽입됩니다. 시가 쿨러 설치를 위해 보통 코어 드릴로 노 쉘과 기존 내화물 라이닝을 관통하는 원통형 구멍을 뚫습니다. 보시, 벨리, 하부 스택 영역에 시가 쿨러를 사용하면 냉각 시스템 면적이 증가합니다. 이 영역은 고로에서 가장 높은 온도와 온도 변동을 겪으므로, 시가 쿨러 사용은 내화물 라이닝의 화학적·기계적 공격 메커니즘에 대한 저항성을 높일 수 있습니다. 그러나 시가 쿨러 사용은 노 개구부 증가를 초래하므로 사용 전 쉘 강도를 확인해야 합니다. 일반적인 시가 쿨러와 평판 쿨러 사이 배치(노 쉘 외부에서 본 모습)는 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6 시가 쿨러와 평판 쿨러 사이 배치

동 스테이브

고로 재건에 막대한 자본 투자가 소요되는 점을 고려해 캠페인 수명 연장을 위한 노력이 지속되었으며, 동 스테이브 기술은 그 산물입니다.

주철 스테이브는 재료 특성상 고열 부하에 노출되는 고로 하부에서 재료 열화를 일으켜 20년 안정적 노 수명 달성을 어렵게 만들었습니다. 고열 부하를 고려한 주철 스테이브 대안으로 압연 동 스테이브가 개발되었습니다. 이 스테이브는 구멍을 뚫은 압연 동판에 급수관과 배수관을 용접하여 수로를 형성합니다. 압연 동 스테이브 사용은 1990년대 중반 독일에서 시작되어 여러 국가 고로로 확산되었습니다.

현재까지 개발된 다른 동 스테이브로는 주조 시 코어를 이용해 수로를 형성한 주조 동 스테이브, 채널 형상으로 구부린 모넬 파이프를 주조해 수로를 형성한 주조 모넬 파이프 동 스테이브가 있습니다.

동 스테이브는 1970년대 후반 고열 부하 벽 냉각 요소로 처음 고로에 적용되었습니다. 고로 생산성이 강화되고 목표 캠페인 수명이 20년으로 늘어나면서 동 스테이브가 이러한 요구를 충족하거나 초과할 최적의 잠재력을 가진 것으로 인식되었습니다. 동 스테이브 사용이 1990년대 중반 보편화되었으나, 대부분 설치는 2000년 이후입니다. 동 스테이브 개발은 일본과 독일에서 보시, 벨리, 하부 스택 영역의 고열 부하와 큰 온도 변동 대응을 위해 수행되었습니다. 일본은 주조 동 스테이브를, 독일은 밀착 외경 공차의 압연 동판에 냉각 통로를 드릴링하는 방식을 채택했습니다. 드릴링·플러그 방식 동 스테이브는 일반적으로 상단에 직선 4개, 하단에 직선 4개 수관을 갖도록 설계됩니다. 내부 파이프 코일 재료로는 모넬, 동, 강철이 사용됩니다. 주철 스테이브와 달리 동 스테이브는 냉각관과 결합되도록 설계됩니다.

동 스테이브 수로는 주로 압연 동판에 구멍을 뚫고 양단에 수관을 용접하여 형성되었으며, 때로는 일회용 사형 코어를 이용한 주조로 형성되기도 했으나, 어느 경우든 동 용접 작업이 필수적이었습니다. 기존 동 스테이브는 냉각 능력이 우수했으나 제조 공정이 여러 단계로 비쌌습니다.

현재 가장 대중적인 동 스테이브는 압연 동판에 구멍을 뚫어 만드는 압연 동 스테이브로, 수로 양단이 플러그 용접됩니다. 개발된 주조 강관 동 스테이브는 구부린 강관을 동에 주조하는, 기존 압연 동 스테이브와 완전히 다른 제조 공정을 가집니다. 이 독창적 제조법은 압연 동 스테이브로는 달성 불가능한 고에너지 효율과 고로 장수명을 가능케 했습니다.

압연 동 스테이브는 때때로 (1) 변형, (2) 열피로에 의한 용접 균열, (3) 마모 세 가지 문제를 가집니다. 첫째 변형입니다. 압연 동 스테이브는 고온 가스에 노출되는 내면과 냉각되는 외면의 열팽창 차이로 뒤틀립니다. 스테이브가 너무 길거나 고정 볼트 위치가 부적절할 때 심각하게 변형됩니다. 이러한 변형은 돌출부 마모와 고온 가스가 스테이브 이음부와 후면으로 유입되어 용접 파손을 일으킬 수 있습니다. 둘째 용접 균열입니다. 열피로로 인해 압연 동 스테이브 용접부가 반복적 열응력을 받아 균열과 파손이 발생합니다. 셋째 마모입니다. 철광석, 소결광, 코크스는 동보다 경도가 높습니다. 이 재료들이 스테이브 표면과 접촉하며 하강할 때 동 스테이브를 마모시킵니다. 일반적으로 동 스테이브 마모율은 접촉력, 하강 속도, 동과 재료의 경도, 재료 형상에 의존합니다.

주조 동 스테이브 개발은 다음 측면을 고려했습니다. 첫째, 변형 방지를 위해 적절한 스테이브 길이와 볼트 구속점 설계가 중요합니다. 주조 강관 동 스테이브의 독자적 설계가 변형 위험을 효과적으로 줄이는 데 유리합니다. 그림 7은 압연 동 스테이브와 주조 강관 동 스테이브의 구속점을 보여줍니다. 압연 동 스테이브는 마운팅 볼트와 핀으로 쉘에 구속됩니다. 라이징 파이프 베이스 용접이 응력으로 손상되지 않게 라이징 파이프를 신축 조인트로 쉘에 연결합니다. 이 구조로 스테이브 상하단이 자유 변위되어 변형되기 쉽습니다. 고로 조업 변동 등으로 반복되는 큰 열하중이 동 스테이브에 가해지면 소성 변형이 점차 누적되어 큰 변형을 초래합니다. 과도하게 긴 스테이브, 부적절한 볼트 위치, 설계 조건 초과 고열 부하 조건에서 상단 변형이 50mm 이상에 달하고 용접이 파손된 사례도 있습니다.

그림 7 압연 및 주조 강관 동 스테이브의 구속점

주조 강관 동 스테이브는 강관을 동 주물에 매입하는 주조 기술을 생산에 적용함으로써 높은 신뢰성과 낮은 제조 비용을 실현했습니다. 이 주조 기술은 주철 스테이브 제조 경험을 기반으로 개발되었습니다. 매입 강관을 가진 신형 동 스테이브의 장점은 (1) 고순도 동 주조로 기존 동 스테이브만큼 높은 냉각 능력 확보, (2) 수로 형성 시 동 용접이 필요 없어 누수 가능성 제거로 높은 신뢰성, (3) 주조와 강관 매입으로 스테이브 형상과 수로 배치에서 기존 동 스테이브보다 훨씬 큰 설계 유연성, (4) 저비용입니다.

주조 강관 동 스테이브는 다음과 같은 변형 저항 특징을 가집니다. 그림 7과 같이 볼트 외에 스테이브 양단 보호관용 가스 실 박스가 있어 스테이브 상하단에 변위 구속을 가합니다. 또한 보호관이 동 스테이브 본체에 주조되어 파손 위험이 있는 용접을 사용하지 않습니다. 또한 주조 강관 동 스테이브는 동보다 강성이 큰 강관을 사용하여 프레임 역할을 하게 함으로써 기존 동 스테이브보다 변형 저항 구조를 가집니다. 주조 강관 동 스테이브 내면은 울퉁불퉁하게 만듭니다. 압연 동 스테이브가 직사각형 단면이라 수로에서 먼 내면 위치에서 온도 상승이 발생하는 반면, 주조 강관 동 스테이브는 울퉁불퉁한 표면으로 내면과 각 수로 간 거리를 수로 주변에서 거의 일정하게 만들어 내면을 균일하게 냉각합니다. 이러한 균일 냉각은 내외면 온도차를 줄여 열응력과 변형을 억제합니다.

또한 큰 열하중 하에서 압연 동 스테이브 내면은 내외면 온도차로 압축 소성 변형이 발생해 변형을 유발할 수 있습니다. 반면 주조 강관 동 스테이브 내면은 각 돌기에서 격리되어 압축 응력이 작용하기 어렵고 소성 변형을 억제합니다. 따라서 울퉁불퉁한 표면이 스테이브에 작용하는 응력과 변형을 줄여 변형을 억제합니다. 또한 강관으로 수로를 형성하므로 압연 동 스테이브 제작에 필수적인 플러그 용접이나 파이프 연결 용접이 불필요합니다. 구조적 약점인 용접을 회피함으로써 용접 파손 위험을 제거합니다.

동 스테이브는 높은 냉각 능력으로 스컬(착상물)을 형성해 마모를 방지함으로써 전면 하강 재료와의 직접 접촉을 피합니다. 그러나 조업 변동으로 스컬이 자주 탈락합니다. 스컬 없이 동 스테이브 마모는 전면 재료의 접촉력과 하강 속도, 동과 재료의 경도, 재료 형상에 의존합니다. 이에 따른 스테이브 마모 대책으로는 스컬이 없을 때 접촉력과 하강 속도 감소, 스컬 안정적 유지, 동 경도 저하 방지가 있습니다. 압연 동 스테이브 홈은 가공으로 형성되지만, 주조 강관 동 스테이브는 리브를 일체 주조로 형성하여 원하는 리브 형상을 구현할 수 있습니다. 이 특징을 바탕으로 주조 동 스테이브는 일반적으로 마모 저항성을 가진 상향 리브 구조를 가집니다. 동의 경도는 냉각 능력에 의존합니다.

압연 동 스테이브 내부에 스컬이 없으면 재료가 리브 사이에 들어가면 리브가 작아 거의 움직이지 않습니다. 따라서 전면 재료는 리브 영향 없이 하강합니다. 반면 주조 강관 동 스테이브 리브는 위를 향하고 커서 리브 사이에 들어간 재료가 노 내부로 다시 배출되어 흐름(하중 전달)을 만듭니다. 이때 재료가 상향 배출되어 전면 재료를 노 쪽으로 밀어내 리브 끝에서 접촉력과 하강 속도를 감소시킵니다.

수명 연장과 에너지 절약이라는 기술적 장점 외에 주조 강관 동 스테이브는 높은 설계 유연성도 가집니다. 고로가 사용하는 주철 스테이브나 냉각판이 파손되어 수명 연장을 위해 기존 쉘 개구부로 동 스테이브 교체가 필요할 수 있습니다. 압연 동 스테이브는 수로가 드릴링으로 형성되어 수로 배치가 제한되어 기존 쉘 개구부에 맞춰 자유롭게 수로를 형성하기 어렵습니다. 반면 주조 강관 동 스테이브 수로는 구부린 강관으로 형성되어 기존 쉘 개구부에 맞춰 강관을 채택하는 유연한 배치가 가능합니다. 그림 8은 주조 강관 동 스테이브의 냉각 채널 배치 유연성을 보여줍니다.

그림 8 주조 강관 동 스테이브의 높은 냉각 채널 배치 유연성

냉각 시스템 레이아웃

수냉 시스템은 통상 기존 개방 시스템이 아닌 폐쇄 루프로 설계되어 운영됩니다. 이로써 배관 화학 세정이 가능하고, 캠페인 기간 내내 수질 관리를 통해 깨끗한 표면을 유지하여 최대 열전달을 보장합니다. 냉각관-쉘 밀봉 개발은 점점 더 얇고 '부드러운' 금속 신축 조인트 사용 방향으로 진행되고 있습니다. 평판 쿨러와 스테이브 양 시스템 모두 고무 벤드와 호스 사용이 증가하고 있습니다.

독립 직렬 회로가 평판 쿨러 수분배에 전형적입니다. 스테이브 쿨러의 경우 관 수에 따라 다수의 독립 유입·귀환 헤더를 설치하는 것이 일반적입니다. 이는 한 급수 시스템 고장 시 나머지 스테이브 관이 충분한 냉각을 받도록 보장합니다. 노즈와 코너 관은 추가 수회로에 연결됩니다.

고로 생산성 향상은 효율적 냉각 시스템에 대한 더 큰 수요를 동반했습니다. 고성능 냉각 시스템은 이러한 스트레스 하에서도 조업 공정이 원활히 진행되도록 보장합니다. 고로 고부하 영역에는 신뢰성 있고 효과적인 냉각 시스템 솔루션이 필요합니다. 고로 냉각 시스템에 일반적으로 사용되는 세 가지 냉각 회로 유형은 (1) 폐쇄 루프 냉각 회로, (2) 복합 폐쇄 루프 냉각 회로, (3) 반폐쇄 또는 개방 루프 냉각 회로(증발 냉각 회로)입니다.

폐쇄 루프 냉각 회로

이 냉각 시스템 회로는 일반적으로 2~3개의 질소 가압 폐쇄 루프 수회로와 강제 순환으로 설계됩니다. 개방 루프 냉각 회로 대비 장점은 (1) 처리된 연수로 회로 운영 가능, (2) 파이프와 냉각 요소의 부식, 파울링, 막힘 없음, (3) 화학 첨가제 비용 저렴, (4) 물 소비량 적음, (5) 외부 공기 산소와 접촉 없음, (6) 매우 민감한 누수 감지 가능, (7) 질소 압력 하 운영으로 냉각수 증발 온도 상승(예: 압력 8 bar, 증발 온도 170°C), (8) 펌프가 압력 강하만 커버하면 되고 수두 차이는 고려 불필요하여 전기 동력 소비 적음, (9) 다양한 냉각 요소에 대한 유량 조절 및 제어 용이, (10) 유지보수 비용 저렴, (11) 회로 장비와 냉각 요소 수명 연장으로 고가용성과 고생산성 달성.

복합 폐쇄 루프 냉각 회로

이 회로는 경제적이면서 여전히 효율적이고 신뢰성 있으며 안전한 솔루션입니다. 냉각수가 개별 냉각 요소의 운영 요건을 준수하면서 직렬로 다른 냉각 요소 블록을 냉각하는 데 사용됩니다. 총 유량은 크게 감소하면서 냉각수 온도 차이는 여전히 허용 범위 내에 있고 냉각탑이 효율적으로 작동합니다.

반폐쇄 또는 개방 루프 냉각 회로 / 증발 냉각 회로

현장 조건에 따라 옵션으로 사용될 수 있습니다. 이 솔루션은 주로 기존 고로의 최소 비용 업그레이드에 적합합니다.