고로 튜이어 및 튜이어 스톡: 설계, 기능, 성능 이해

고로 튜이어와 튜이어 스톡

고로(BF)는 철광석 덩어리, 소결광, 펠릿, 코크스, 주입 연료로부터 선철(용선)을 얻는 것이 목적입니다. 이는 뜨거운 농축 공기(열풍)를 고로 내부 기둥을 내려가는 원료·코크스 부담에 통과시킴으로써 달성됩니다. 열풍과 보조 연료는 고로 둘레에 위치한 튜이어를 통해 고로 내로 주입됩니다.

허스 벽 상부 튜이어 존에는 열풍을 로 내로 유입시키는 튜이어 개구부가 있습니다. 튜이어 존의 로 재킷에는 강철 보강 개구부가 있으며, 여기에 구리(Cu) 냉각 엘리먼트가 설치됩니다(그림 1 참조). 재킷의 강철 보강재를 튜이어 쿨러 홀더라 합니다. 쿨러 홀더 가공 내면에 설치되는 대형 구리 쿨러를 튜이어 쿨러라 하며, 실제 열풍을 로 내로 불어넣는 구리 쿨러를 튜이어라 합니다. 튜이어는 튜이어 쿨러의 가공된 내측 시트 표면 내에 설치됩니다. 블로파이프는 버슬 파이프에서 열풍을 공급받아 튜이어와 결합하여 열풍을 로 내로 유도하는 튜이어 스톡 공기 분배 배관의 일부입니다. 튜이어 브레스트 월은 보통 탄소 벽돌로 만들며 냉각은 일반적으로 쉘 외부의 재킷 냉각 채널로 외부 냉각합니다. 일부 로는 튜이어 브레스트 내부 튜이어 쿨러 사이에 내부 스테이브를 두어 튜이어 브레스트 냉각 설계로 삼기도 합니다. 그림 1은 강철 쉘 개구부에 들어가는 튜이어 쿨러 홀더, 홀더 내부에 들어가는 튜이어 쿨러, 쿨러 내부에 들어가는 튜이어 배치를 보여줍니다. 튜이어와 쿨러 접촉면은 기밀 유지를 위해 가공됩니다.

그림 1 고로 튜이어와 블로파이프 조립체

튜이어 존의 레이스웨이

튜이어 존에서 열풍은 튜이어를 통해 코크스 층으로 침투하여 물리적 연소 구역인 레이스웨이를 형성합니다. 튜이어 레이스웨이는 튜이어 노즈(블로파이프 끝단)와 고로 바닥의 데드맨 사이에 형성되는 위쪽 굽은 배 모양의 공동입니다. 열풍이 블로파이프를 통해 고로로 불어들어 가스 흐름이 공동을 형성하며, 공동 길이가 레이스웨이 깊이입니다. 레이스웨이 깊이는 고로 데드맨의 크기와 형상을 결정하므로 가스 흐름과 열교환에 영향을 미칩니다. 레이스웨이에서 코크스의 탄소(C)와 주입 연료가 산소(O₂)와 다단계 반응하여 보시 가스(CO, H₂, N₂ 및 미량 SiO, H₂S, COS, Ar 등)를 생성합니다. 열풍의 물리적 열과 탄소 산화열이 고로 공정의 주요 열원입니다.

열풍 공급 시스템

BF 공정용 열풍은 송풍기가 공급합니다. 송풍기는 대기 공기를 열풍로로 불어넣어 약 200℃까지 예열하고, 열풍로 통과 시 1,200~1,250℃로 가열합니다. 열풍 시스템은 3~4기 열풍로가 병렬 또는 조합 운전됩니다. 열풍로는 열풍을 버슬 파이프로 공급하며, 버슬 파이프는 맨틀 레벨 이상에서 고로를 감싸는 대구경 원형 파이프입니다. 버슬 파이프 내부는 고온 공기로부터 외피 강철을 보호하기 위해 내화물로 라이닝됩니다. 버슬 파이프는 열풍로에서 공급받은 열풍을 고로 바닥에 있는 여러 노즐(튜이어 BF)로 분배하는 역할을 합니다. 이 세트의 주요 설비는 직관, 블로파이프, 튜이어 쿨러, 튜이어 자체입니다. 튜이어와 튜이어 스톡은 고로 열풍 시스템의 필수 구성 요소입니다.

튜이어 스톡

튜이어 스톡은 버슬 파이프와 튜이어를 연결하며, 열풍을 고로로 공급하는 역할을 합니다. 튜이어 스톡은 일반적으로 보일러급/합금 강판으로 제작되며 내부는 내화물(주로 캐스터블)로 라이닝됩니다. 각 튜이어 스톡은 구즈넥, 신축 벨로우즈, 연결관, 엘보, 피프 홀, 블로파이프, 고정 장치, 텐셔닝 장치로 조립됩니다. 튜이어 스톡은 열풍 공급 시스템과 고로 간 상대적 이동을 흡수합니다. 모든 구성품은 플랜지 연결됩니다. 열풍 시스템과 튜이어를 연결하는 블로파이프는 일반적으로 튜이어 베이스 가공 구면 시트에 끼워집니다.

튜이어 스톡 주요 구성품은 연마된 테이퍼 면을 차례로 밀착 결합하여 단단히 연결됩니다. 이 밀착 테이퍼 면이 조인트 기밀성을 보장합니다. 운전 가열 사이클 교란이나 튜이어 스톡 어느 한 조인트의 누설도 구성품 소손과 고장을 초래합니다.

최신 로에서는 각 튜이어 스톡에 트윈 벨로우즈 배열을 채택하며, 각 벨로우즈 유닛은 약 ±3° 관절 운동합니다. 블로파이프 구면 노즈가 블로파이프와 튜이어 간 상대 이동을 허용합니다. 블로파이프는 일반적으로 다양한 튜이어 연료 주입 방식에 적합합니다.

튜이어 스톡은 장수명 설계됩니다. 열풍 공급 시스템과 로 간 상대 이동을 흡수하며, 장수명과 쉬운 취급을 위해 설계됩니다.

튜이어 스톡은 일반적으로 조인트와 벤드를 최소화하여 내화물 라이닝 수명 연장과 압력 손실 최소화를 도모합니다. 퀵 릴리스 테이퍼 웨지로 연결되는 수평 조인트 시스템을 채택하여 블로파이프와 엘보의 신속하고 용이한 탈착을 가능하게 합니다. 또한 (i) 냉각 링 덕트와 튜이어의 카르단 조인트 잠재적 이동에 대한 조정, (ii) 열풍 파라미터 변화에 따른 조정 기능도 갖춥니다.

튜이어 스톡 특수 기능: (i) 구면 내화물 조인트, (ii) 구면 베어링 장착 벨로우즈 유닛, (iii) 연료 주입 랜스 연결부, (iv) 피프 사이트 장착 엘보, (v) 구면 베어링 타이 바에 고정된 벨로우즈 유닛, (vi) 퀵 체인지용 웨지 장착 엘보 수평 플랜지, (vii) ±3° 운동 제한 물리적 스톱, (viii) 최대 이동을 위한 구면 내화물 조인트 장착 다운레그.

일부 고로에서는 블로파이프 노즈를 수냉하나 대부분은 그렇지 않습니다. 연료 주입 랜스는 블로파이프 벽을 관통하여 노즈에서 약 50mm 후방, 중심선에서 약간 벗어난 위치에서 연료를 분사합니다. 일부 고로는 블로파이프에 두 개 개구부를 둔 이중 주입 시스템을 갖추어 다종 튜이어 연료를 지원합니다. 미분탄을 튜이어 연료로 쓸 경우 랜스 배치가 튜이어 내벽 임핑먼트 방지와 석탄 연소 효율 향상에 더 중요합니다.

블로파이프는 브라이들 로드 장력으로 튜이어에 밀착 고정됩니다. 브라이들 로드 끝단 브라이들 스프링은 열풍 온도 변화에 따른 블로파이프 신축을 허용하는 제한적 운동을 제공합니다. 블로파이프는 관형으로 내화물 라이닝되어 표면 과열을 방지합니다.

블로파이프는 고로 열풍 시스템의 필수 구성품입니다. 버슬 파이프 다운레그와 튜이어 사이에 위치하며, 일반적으로 엘보와 콘 섹션의 2피스 구성품으로, 외피 강철에 2성분 내화물 시스템으로 라이닝된 구조입니다. 이상적으로 블로파이프는 1,150℃ 초과 온도와 3.5kg/cm² 초과 압력에서 O₂ 농축 블라스트 장기 통과를 견디도록 설계됩니다. 운전 환경과 위치 특성상 블로파이프 고장은 종종 재앙적입니다. 비통제적 돌발 고장 시 안전 위험 증대, 자산 손상, 생산 손실이 발생합니다.

튜이어 스톡 후면 블로파이프와 튜이어 중심선 상에 작은 개구부가 있어 로드를 삽입해 블로파이프 내 잔재물을 청소할 수 있습니다. 개구부는 평소 가스 밀폐되는 캡으로 닫으며, 필요 시 개방합니다. 이 캡(튜이어 캡 또는 위켓)에는 유리 덮개 피프 사이트가 있어 조작자가 튜이어 바로 앞 로 내부를 직접 관찰할 수 있습니다. 스톡 상부는 구즈넥 내화물 라이닝 노즐과 스위블 조인트로 연결되어 러그와 키로 행잉 바 시트에 고정됩니다. 각 구즈넥은 플랜지와 볼트로 버슬 파이프 내경에서 방사상으로 뻗은 넥에 연결됩니다. 버슬 파이프는 맨틀 레벨 이상에서 고로를 감싸는 대형 원형 내화물 라이닝 단열 파이프로, 열풍 메인에서 가열된 블라스트를 각 튜이어 연결부로 분배합니다. 버슬 파이프, 튜이어 스톡, 블로파이프 일반 배치는 그림 2와 같습니다.

그림 2 버슬 파이프, 튜이어 스톡, 블로파이프 일반 배치

튜이어와 튜이어 쿨러

튜이어는 버슬 파이프에서 열풍을 고로로 유입시키는 작은 파이프입니다. 열풍을 고로로 분사하는 특수 형상 노즐로, 고로 온도에 직접 노출되므로 구리로 제작되고 보통 수냉됩니다. 고로 둘레 전체에 설치됩니다. 고로용 튜이어는 네 가지 유형: (i) 단일 챔버, (ii) 이중 챔버, (iii) 다중 챔버, (iv) 나선 챔버 튜이어. 이중 챔버 튜이어가 가장 널리 사용됩니다.

튜이어, 튜이어 쿨러, 블로파이프는 가장 가혹한 온도 조건에서 작동합니다. 튜이어 쿨러는 로 브레스트 라이닝에 설치되며, 노즐은 이미 고로 본체 250~350mm 깊이에 위치한 튜이어와 결합됩니다.

최초 튜이어는 1740년 네뱐스키 플랜트 고로에서 사용되었습니다. 20세기 초 튜이어가 고로 실무에 널리 보급되었습니다. 이후 튜이어 설계는 약간 변경되었으나 제조 기술은 지속적으로 개선되었습니다.

튜이어는 구리로 만듭니다. 초기 기술 튜이어는 두께 8mm까지 프레스 구리판으로 제작되었습니다. 현재 고로 튜이어는 일반적으로 원심 주조 구리로 제작되어 최고 재료 균질성과 미세 기공 부재로 최대 작동 수명을 보장합니다. 이 방법은 진공 주조 방식보다 다소 비싸나, 진공 주조도 가끔 적용되며 전환 비용은 낮으나 미세한 재료 불균질 가능성은 있습니다. 어쨌든 주조 방식이 용접 구조보다 낮은 운전 용량에도 불구하고 낮은 생산 비용(중공 구리 튜이어 쿨러 주조도 연관) 때문에 용접 구조를 거의 대체했습니다. 튜이어 쿨러도 주조로 제작되며 구리(드물게 청동)로 만듭니다. 로 브레스트 라이닝에 장착되고 플랜지를 통해 허스 재킷에 추가 용접으로 고정됩니다.

튜이어 쿨러와 튜이어는 수냉됩니다. 열풍 온도 약 1,200℃인 최신 고로에서 튜이어 본체 냉수로는 유속 20m/sec 이상, 튜이어 노즈 냉수로는 28m/sec 이상으로 설계하여 열전달율을 높입니다. 그림 3은 튜이어와 튜이어 쿨러를 보여줍니다.

그림 3 튜이어와 튜이어 쿨러

고로 튜이어는 시간당 15~25m³ 유량으로 튜이어 내면에 직접 냉각수를 공급받습니다. 배출 냉각수 온도 상승은 15℃ 이하여야 합니다. 튜이어와 튜이어 쿨러 냉각수 공급 압력은 5~10kg/cm² 이하여야 합니다. 순도 99.5% 이상 구리 사용으로 극한 고온 조건에서 작동하는 튜이어 콘 본체 열을 효과적으로 제거합니다.

주로 주조 구리에 수냉 채널을 갖춘 튜이어는 고로 연소 레이스웨이로 가열 공기를 불어넣는 장치입니다. 연소 가스, 액체 산화물(슬래그), 액체 선철, 코크스, 미분탄, 차, 2,200℃ 초과 빈번한 온도 등 가혹하고 난류인 운전 환경에 노출됩니다. 핵심 부품으로 인식되나 파괴 불가능한 고로 튜이어는 아직 개발되지 않았습니다. 낮은 튜이어 신뢰성은 최근 현상이 아닙니다.

주조 제철 공정 지배적임에도 수세기 개발 후에도 고로는 여전히 튜이어 고장에 취약합니다. 튜이어 고장은 운영자가 피하려는 상황으로, 전형적으로 로 불안정, 비용 및 연료율 증가, 생산성 손실, 안전·환경 리스크 증대를 초래합니다.

고로 튜이어 내구성은 고로 공정 경제성에 영향을 미칩니다. 내구성 부족은 튜이어 자재 비용 증가와 빈번한 수리·정지로 인한 조업도 저하, 고로 산출량 감소로 이어집니다.

핵심 부품으로 인식되어 튜이어 신뢰성은 고로 운전 핵심 성과 지표(KPI)로 자주 관리됩니다. 튜이어 성능 검토는 높은 고장률을 보이며, 튜이어 교체용 비계획 정지가 일상화되었음을 보여줍니다.

튜이어 고장 시 튜이어를 냉각하는 고압수가 고로 내로 유입됩니다. 이 수분 유입은 연쇄 반응을 일으켜 로 조업을 교란시킵니다: 로 불안정, 연료·원료비 증가, 생산성 손실, 안전·환경 리스크 증대. 최악의 경우 고로 파괴와 심각한 안전 영향으로 이어질 수 있습니다.

수냉 발명 이전에는 튜이어 '아이러닝(ironing)' 관련 고장이 많았습니다. 1828년 열풍 발명으로 튜이어 설계는 결국 수냉을 포함하게 되었습니다. 19세기 말 수냉 튜이어 이점이 업계에서 인정받았고, 고장 영향도 인식되었습니다. 보고된 튜이어 고장 영향: (i) 저급 선철(고황, 저규소), (ii) 칠드 허스, (iii) 폭발, (iv) 열풍로용 '야생 가스'(고수소 가능성), (v) 안전 위험 증가(풍중 튜이어 교체), (vi) 비용 증가, (vii) 생산 손실. 1918년 J.E. 존슨 주니어는 고로 원리 서술에서 '물은 로 조업에 파멸적 효과…'라고 경고하며 누설 열손실을 연료 기준으로 정량화했습니다(0.12m³/h 누설 → 허스 열 2% 손실). 약 100년 후에도 튜이어 신뢰성은 여전히 관심사이자 현안입니다.

튜이어 신뢰성 향상 시도는 고로 조업자와 제조사에게 지속적 과제입니다. 고로가 미분탄 주입으로 저코크스율 고생산성 운전으로 발전함에 따라, 고장 원인 분석 초점은 부담, 운전 관행, 튜이어 설계, 제조 결함으로 이동했습니다.

튜이어 고장 원인은 종종 자명합니다. 침식, 마모, 용선 화상은 육안 검사로 쉽게 식별됩니다. 그러나 상세 분석을 위해 더 많은 정보가 필요합니다. 고장 튜이어 단면 절단으로 주조·제조 결함이 명확해집니다.

튜이어 고장 방지는 안정 조업과 고생산성 유지를 위한 제철소 최우선 과제입니다. 일본에서 장수명 튜이어가 개발되었습니다. 특징: (i) 튜이어 구조가 편심형이라 압력 강하 낮음(에너지 절약) 및 유량 높음(고냉각 능력), (ii) 튜이어 외면에 세라믹 코팅으로 화상·마모 방지, (iii) 용이 수리 설계로 유지비 절감.

고로 튜이어 손상 본질적 원인은 열적 과부하, 기계적 작용, 튜이어 구조·제조 결함입니다. 과거 튜이어 열부하와 기계적 공격에 대한 많은 연구가 수행되었으며 튜이어 파괴 경로에 대한 다양한 개념 개발: 예: 튜이어 아래 철 퇴적을 통한 용선 직접 접촉으로 튜이어 재료 파괴 가능성 제시.

튜이어 기계적 마모는 튜이어 앞 움직이는 고체에 기인합니다. 튜이어 노즈 상부 마모가 하부보다 큰 사실이 이를 뒷받침합니다.

운전 요인 외에 구조·재료·제조 결함도 튜이어 손상 원인으로 지적됩니다. 열전달 불량한 냉각수 회로는 구조 결함입니다. 주조 결함과 설계 이탈은 비파괴 검사로 식별 가능한 제조 결함입니다. 개선된 냉각수 회로(이미 선진 튜이어 구조에 구현)로 훨씬 향상된 튜이어 내구성 확보 가능합니다.

튜이어 마모 저감을 위해 다양한 보호층이 시도되었습니다. 지르코늄 산화물, 베릴륨 산화물, 알루미늄 산화물 등 금속 산화물이 자주 사용됩니다. 니켈이나 니켈 합금이 중간층으로 적합하다고 합니다. 확산 공정도 내성 보호층 형성에 기여합니다. 보호층 작용 메커니즘과 수명 연장 성공 여부에 대해서는 어느 정도 모순된 견해가 있습니다.

튜이어 기계적 마모는 튜이어 앞 움직이는 고체에 기인합니다. 노즈 상부 마모가 하부보다 큰 사실이 이를 확인시켜 줍니다. 최근 튜이어 앞 움직임 연구도 튜이어 마모성 마모 가능성을 뒷받침합니다.

운전 요인 외에 구조·재료·제조 결함도 튜이어 손상 원인입니다. 열전달 불량한 냉각수 회로는 구조 결함입니다. 주조 결함과 설계 이탈은 비파괴 검사로 식별 가능한 제조 결함입니다. 개선된 냉각수 회로(이미 선진 튜이어 구조에 구현)로 훨씬 향상된 튜이어 내구성 확보 가능합니다.

제조 결함 관점 튜이어 고장 분석을 위해 전기 전도도 시험을 종종 수행합니다. 공통 고장 지점인 용접선 양단 주조물 전도도 측정. 비데만-프란츠 법칙에 따라 전기 전도도는 열전도도에 비례합니다. 국제 소둔 구리 표준(IACS) 16%까지 낮은 전기 전도도 관측됩니다. 고장 최다 발생 외부 원주 용접부에서 용접부 열전도도는 순수 구리의 약 1/3에 불과합니다. 이는 주조물이 충분히 냉각되지 않아 단순히 녹아 최종 고장나는 약점이 됩니다. 튜이어 제조사에서 전기 전도도 사양 강화와 더 엄격한 시험이 필요합니다. 이 파라미터가 튜이어 성능에 중요한 역할을 하기 때문입니다.