제조공정
산업 제조
현재 철강 산업은 공정의 경제적 실행 가능성을 개선하면서 환경 배출을 지속적으로 줄여야 하는 주요 과제에 직면해 있습니다. 재가열로는 높은 에너지 소비로 인해 철강 산업의 관심이 필요한 영역 중 하나입니다. 이들은 제철소의 생산성과 에너지 효율에 기여하는 중요한 설비입니다.
현대 재가열로는 워킹 빔 로로, 빔이 로 내부의 강철 충전 재료(빌릿, 블룸, 슬래브)를 들어 올려 다음 위치로 이동시킵니다. 가열은 강철 충전 재료의 위와 아래에서 연료를 직접 연소시켜 수행하며, 지붕 버너(지붕을 가열하여 강철 충전 재료에 열을 복사)와/또는 장염 버너(측벽 및/또는 전면벽)를 사용합니다. 재가열로에 사용되는 일반적인 연료는 저열량 혼합 가스(고로 가스에 코크스 오븐 가스와 변환로 가스 혼합), 코크스 오븐 가스, 중유, 저유황 중질유(LSHS), 천연가스입니다.
재가열로의 중요한 파라미터에는 연소 시스템이 포함되며, 이는 사용 연료, 공급 및 연소 공기의 기술적 조건, 적절한 열분포를 위한 버너와 그 위치, 연소 공기와 연료 가스 예열, 폐열 회수 시스템, 공기-연료 비율, 로 압력 제어, 로 배기 시스템, 로 파라미터 측정 및 제어 시스템으로 구성됩니다. 로 연소 시스템은 로의 요구 생산성 수준을 지원하는 것 외에도 열 입력의 효율적 이용, 낮은 열 손실, 폐열의 효율적 회수, 로 내화물에 대한 최소한의 손상, 특히 NOx 같은 온실가스 최소 생성을 보장합니다. 로 연소 시스템은 또한 강철 표면의 스케일 형성을 최소화하는 로 분위기를 보장합니다.
열회수 시스템은 재가열로의 배기 가스 열 손실을 줄이기 위해 제철소에서 널리 사용되어 왔습니다. 배기 가스 열 손실이 열 손실의 높은 비율을 차지하므로, 열회수 시스템 사용으로 로 효율이 개선되고 연료 소비가 감소합니다. 일반적으로 두 가지 유형의 열회수 시스템이 사용됩니다: 중앙 집중식 시스템과 분산식 시스템. 중앙 집중식 열회수 시스템은 금속 회수기를 사용하여 배기 가스의 열로 연소 공기를 예열하며 현재 널리 사용되고 있습니다. 그러나 이 방법으로 달성 가능한 최대 예열 공기 온도는 로 온도 약 1300°C에서 재료 온도 제한으로 인해 약 600°C입니다. 분산식 열회수 시스템은 세라믹(보통 알루미나) 볼을 재생 매체로 사용하는 전환형 재생 버너 시스템으로 구성됩니다. 이는 중앙 집중식 시스템보다 더 높은 온도의 예열 공기를 제공합니다.
재가열로에 사용되는 버너는 재가열로의 에너지 효율을 결정하는 중요한 측면 중 하나입니다. 다른 강철 사양은 재가열로에서 다른 온도 프로파일을 요구합니다. 따라서 로 내 적절한 열분포를 위해 버너가 유연성을 가져야 운영 인력이 다양한 공정 조건에 맞게 연소 파라미터를 조정할 수 있습니다. 버너는 적절한 턴다운 비율, 저 NOx 능력, 높은 효율을 가져야 합니다.
재가열로 내 버너 배열도 로의 가열 특성에 매우 중요합니다. 로 내 버너 위치에 따라 배열은 세 가지 가열 방식으로 분류됩니다: (i) 전면벽에 축류 버너 사용, (ii) 측벽에 측면 버너 사용, (iii) 지붕에 평면 화염 복사 버너 사용. 각 가열 방식은 고유한 특성을 가집니다. 특정 가열 방식 또는 가열 방식의 조합은 제철소의 현지 조건에 맞게 재가열로에 채택됩니다. 여러 연료를 사용할 수 있는 제철소에서는 버너가 다중 연료 활용 능력을 가져야 합니다.
재가열로는 주어진 시간 내에 강철 충전 재료가 최소 연료량으로 균일하게 원하는 온도로 가열되도록 설계되어야 합니다. 가열이 버너를 사용하여 수행되므로 적절한 열분포를 위해 다음이 보장되어야 합니다.
평면 화염 버너(FFB)는 보통 재가열로 지붕에 사용됩니다. 이 버너로 인해 간접 지향 복사 열전달이 일어납니다. 연료 연소 열은 화염에서 직접뿐만 아니라 로의 지붕 내화물 라이닝을 통해서도 강철 충전 재료로 전달됩니다. 화염은 일반적으로 비발광이며, 이산화탄소와 수증기의 선택적 복사에 해당하는 고온과 상대적으로 낮은 방사율이 특징입니다. 화염이 강철 충전 재료에 영향을 주지 않기 때문에 FFB 가열로를 간접 가열로라고 합니다.
버너는 화염을 얇은 층으로 지붕 표면에 퍼뜨리도록 설계되었습니다. 버너 축 방향으로 연소 가스 유량이 무시할 수 있을 정도이므로, 화염에서 지붕으로의 집중적인 열전달로 인해 내화 지붕 온도가 상승합니다. 이렇게 하여 내화 지붕이 주요 복사 표면 역할을 합니다.
평면 화염 버너 사용은 재가열로 내 강철 충전 재료가 로 지붕과 평행할 수 있는 넓은 평평한 표면을 가지고 있고 강철 충전 재료의 가열 온도가 900°C 이상일 때 적절하고 유리한 것으로 간주됩니다. 다음은 FFB 연소로의 주요 장단점입니다.
FFB 로 챔버와 강철 충전 재료의 온도 분포가 더 균일합니다. 개별 구역의 만족스러운 온도 제어로 필요한 로 출력을 달성할 수 있습니다.
다양한 특성과 용량을 가진 다양한 장염 버너가 시장에 나와 있습니다. 이 버너들은 오일, 가스 또는 다중 연료 사용에 적합한 다양한 용량으로 제공됩니다.
장염 버너가 있는 재가열로에서는 강철 충전 재료 가열의 대부분이 대류에 의해 이루어지므로, 연소 생성물의 재순환이 가열 속도와 온도 균일성에 실질적으로 기여합니다. 장염 버너는 고속 가스를 생성하여 연소 가스를 동반하고 재순환시켜 최소 과잉 공기로 로 내 온도 균일성을 달성합니다.
재가열로 전면벽의 버너는 보통 더 긴 화염을 가지며, 측벽의 버너는 더 짧은 가변 화염을 가집니다. 재가열로 전면벽의 버너는 일반적으로 축류 연소형이며 넓은 조정 범위가 필요합니다. 이들은 대용량 버너이며 로 길이 방향으로 구역당 길이 제한이 있습니다. 로 내 연소 가스 흐름은 로 길이를 따라 원활합니다. 버너의 노즈 부분이 로 구조를 복잡하게 만듭니다. 이 버너로는 로 폭 방향으로는 가열 균일성이 좋지만 로 길이 방향으로 노즈 부분에서 온도가 떨어지는 경향이 있습니다. 버너 하부 영역 주변에서 온도가 상대적으로 높은 것을 제외하면 작업성은 비교적 좋습니다.
측벽 버너는 좁은 조정 범위가 필요합니다. 이 버너들도 대용량이며 로 폭 방향으로 제한이 있습니다. 버너 방향이 로 길이 방향과 직각이므로 연소 가스 흐름이 표류하는 경향이 있습니다. 이 버너에는 노즈 부분이 없으므로 로 구조를 복잡하게 만들지 않습니다. 버너는 로 길이 방향으로는 좋은 균일성을 가지지만 로 폭 방향으로는 불량합니다. 이 버너로는 작업성이 비교적 좋습니다.
재생 버너는 로 배기 가스의 폐열을 회수하여 연료 연소에 필요한 연소 공기를 가열하는 열회수 시스템을 갖춘 버너입니다. 재가열로에 재생 버너를 사용하면 상당한 에너지 절감을 제공할 수 있습니다.
재생 버너는 배기 가스에서 유입 공기로 열을 전달하여 연소에 사용될 유입 공기로 열을 회수하도록 설계되었습니다. 재생 버너는 각각 재생기와 반전 밸브를 가진 두 세트의 버너를 가집니다. 재생기는 세라믹(보통 알루미나) 볼을 사용하여 열을 모읍니다. 첫 번째 재생 버너가 연소하는 동안 다른 버너는 로 가스를 배기합니다. 배기 가스는 재생 버너 본체를 통과하여 세라믹 볼에 열을 전달합니다. 따라서 배기 가스의 열이 가열된 세라믹 볼을 통과하는 유입 공기로 전달됩니다. 반전 밸브는 버너 헤드로 들어가는 공기 흐름 방향을 설정하여 유입 공기 온도가 운전 온도와 유사하게 만듭니다. 높은 예열 연소 공기 온도로 인해 재생 버너는 연료를 절약하고 높은 효율로 연소할 수 있습니다.
회수 버너의 경우, 버너 구조가 복사 열교환 튜브와 유사하여 배기 가스에서 유입 공기로 열을 회수하여 더 높은 온도(약 750°C)까지 유입 공기를 가열합니다. 따라서 버너에서 교환된 열은 연소 효율을 개선하고 연료 비용을 약 25%~30% 절약합니다.
재생 버너 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 첫 번째 버너는 연소 모드이고 두 번째 버너는 배기 모드입니다. 첫 번째 버너는 버너를 가로지르는 따뜻한 연소 공기로 연소합니다. 두 번째 버너는 로에서 나온 뜨거운 배기 가스를 세라믹 볼로 받아 열을 버너에 유지합니다. 열을 전달한 후에만 배기 가스가 배출됩니다. 30초에서 1분 후, 두 번째 버너가 연소 모드로 전환되고 첫 번째 버너가 뜨거운 배기 가스를 받기 시작합니다. 버너의 연소 및 수신 모드가 재가열로가 정지될 때까지 번갈아 가며 지속적으로 작동합니다. 높은 예열 공기 온도로 연소 공정이 매우 효율적이 됩니다.
회수 버너 원리도 그림 1에 나와 있습니다. 유입 공기 온도는 로에서 연소 전에 열교환 기술로 예열됩니다. 배기 가스는 버너 내부에 설치된 열교환기를 통해 흐릅니다. 배기 가스의 열이 버너에서 빠져나가기 전에 유입 공기로 교환됩니다. 배기 가스는 버너 외부 주변 영역을 통해 흐르고 열은 버너 내부에서 교환됩니다.
그림 1 재생 및 회수 버너 시스템의 원리
산소-연료는 연소용 산화제 공급원으로 공기를 산업용 등급 산소로 완전히 대체하는 관행을 말합니다. 산소-연료 연소는 연소 공기 내 질소를 감소시키거나 제거하고 배가스와 함께 배출되는 폐열을 실질적으로 감소시킵니다. 산소-연료 버너는 온도 균일성이 중요하고 극도로 낮은 NOx 배출이 요구되는 고온 재가열로에서 사용될 수 있습니다.
공기를 산업용 등급 산소로 대체하는 일반적인 장점은 공기에 존재하는 질소 함량이 연소 공정으로 들어오는 것이 거의 또는 완전히 제거된다는 것입니다. 연소에서 질소 감소는 연소 가스 부피 감소로 화염에서 빼앗겨 배기 가스로 손실되는 열량이 줄어들어 더 높은 화염 온도와 연소 효율을 허용합니다.
공기-연료 연소에 비해 산소-연료 사용의 이점은 (i) 에너지 소비 감소, (ii) 로 설정 온도 증가 없이 가열 속도 증가로 인한 생산성 향상, (iii) 로 배출 감소입니다.
산소-연료 화염은 공기-연료 화염보다 더 높은 온도에 더 적은 부피와 길이를 가집니다. 강철 재열 용도로 산소-연료 버너 시스템을 설계할 때 산소-연료의 화염 특성을 고려해야 합니다. 일반적으로 강철 가열은 제품의 국부적 과열 또는 과소열을 피하기 위해 균일한 온도 분포를 요구합니다. 산소-연료 버너의 유형과 배치는 로 유형과 화염이 강철 제품에 근접하는 정도에 따라 달라집니다.
산소-연료 화염은 공기-연료 화염보다 더 높은 온도에 더 적은 부피와 길이를 가집니다. 강철 재열 용도로 산소-연료 버너 시스템을 설계할 때 산소-연료의 화염 특성을 고려해야 합니다. 일반적으로 강철 가열은 제품의 국부적 과열 또는 과소열을 피하기 위해 균일한 온도 분포를 요구합니다. 산소-연료 버너의 유형과 배치는 로 유형과 화염이 강철 제품에 근접하는 정도에 따라 달라집니다.
제조공정
열처리(Heat Treatment)는 금속 또는 합금을 고체 상태에서 가열·보유·냉각해 미세조직을 제어함으로써 원하는 기계적·물리적·화학적 특성을 부여하는 공정입니다. 철강뿐만 아니라 알루미늄·구리·마그네슘·니켈·티타늄 합금에도 적용됩니다. 1. 열처리 3대 기본 단계 가열(Heating): 지정 온도까지 균일 가열. 열전도도·기존 열처리 이력·단면 형상 고려해 가열 속도 결정. 보유(Soaking/Holding): 목표 온도에서 조직 균질화·변태 완료까지 유지. 단면 최대 부위 기준 시간 산정, 예열 단계 거쳐 급속 가
이 글에서는 열처리 공정이 무엇인지, 그 방법, 유형, 그리고 열처리의 목적, 절차, 응용에 대해 배웁니다. 열처리는 기계 부품과 공구의 제조 공정에서 필수적인 작업입니다. 열처리란 무엇인가? 열처리는 금속 또는 합금을 고체 상태에서 가열 및 냉각하여 조성 변경 없이 바람직한 특성을 얻기 위한 작업으로 정의됩니다. 열처리 공정은 결정립 크기를 변경하고, 재료 구조를 수정하며, 열간 또는 냉간 가공 후 재료에 생긴 응력을 완화하기 위해 수행됩니다. 열처리는 가공성을 개선하기 위해 수행됩니다. 자기적 및 전기적 특성을 개선하기 위해