고로 모니터링을 위한 첨단 프로브 및 계측기

고로(BF)는 투에르 레이스웨이(tuyere raceway)에서 스톡 라인(stock line)까지 역류 가스-고체 열교환 원리와 용융대(fusion zone)에서 스톡 라인까지 역류 산소(O₂) 교환 원리로 작동합니다. 철원료(철광석, 소결광, 펠릿), 코크스, 플럭스 재료로 구성된 고체 부담재가 노상부 투입, 통상 O₂ 농축 공기, 때때로 보조 연료 투에르 근처 노하부 투입. 철원료 노 내 체류 시간 최대 8시간, 가스 체류 시간 몇 초. 그러나 코크스 노바닥(hearth) 체류 시간 훨씬 길어 보통 1~4주. 액체 쇳물(Hot Metal, HM)과 액체 슬래그 정기적 간격 다수 탭홀(taphole) 통해 노바닥 탭핑. 슬래그 쇳물 분리 HM 래들 처리. 고로는 높은 생산성, 저연료비, 유연·안정·고효율 운전, 긴 캠페인 수명 필요.

고로는 '블랙박스(black box)'라 불리기도 하는데, 노 상태(furnace condition), 노 열 레벨(furnace heat level) 같은 용어 현재 지배적 사용되고 고로 공정 많은 미지 영역 때문. 이유는 측정 어려움 때문으로 보입니다. 고로 내 기체, 고체, 액체 3상 공존, 반응 반경 방향 비균일 진행, 공정 시간 의존적 변화 동반, 측정 파라미터 항상 고온·고압·분진 분위기 이동 중이기 때문.

고로 일반적으로 사용되는 프로브들: (i) 부담재 레벨·강하 속도 측정 '레이더 프로브', (ii) 고로 상부 가스 점화 랜스, (iii) 고정 '부담재 위' 프로브 온도·압력 측정·가스 시료 채취, (iv) 이동식 '부담재 위' 프로파일 미터 부담재 프로파일·강하 속도·온도·압력 측정·가스 시료 채취, (v) 이동식 '부담재 위' 프로브 온도·압력·부담재 충전 곡선 측정·가스 시료 채취, (vi) 수평 '부담재 내' 프로브 온도·압력·부담재 층 측정·가스 시료 채취. 기타 일반 프로브: 스톡 라인 검출기, 열화상 카메라, 프로파일 미터, 음향 이용 상부 가스 온도 측정 프로브, 충격 프로브, 하강 수직 프로브, 스캐닝 프로브, 적외선 열화상 카메라, 투에르 프로브 등.

고로 운전 진화와 프로브 기술 발전

고로 운전 순수 경험 기반 활동에서 과학적·야금적 원리 지원 활동으로 점진적 변화. 고로 더 이상 '블랙박스' 고려 안 함. 이 진화 중요한 부분: BF 운영자 공정 상태 유용 정보 전송 정교한 프로브·측정 장치 도입·사용. 고로 신뢰성 운전 위해 다양한 운전 파라미터 이들 다른 센싱 장치 사용 수집 필수 → BF 공정 운영자 투명화. 현대 고로 다수 프로브·계기·측정 장치 장착 → 다수 신호 모니터링 의미 있는 방식 BF 운영자 제시 필요. 초기 고로 사용 전형적 프로브·계기·측정 장치 그림 1.

그림 1 초기 고로 사용 전형적 프로브, 계기, 측정 장치

지난 40~50년 고로 공정 제어 위해 여러 프로브·측정 장치 개발. 부담재 분포 알기 위해 수직 프로브, 수평 프로브, 노상부 열화상 카메라 개발. 가스 흐름 분포 측정 시스템과 부담재 분포 제어 시스템 결합 → 고로 유연 제어 가능. 이 개발들 후 부담재 분포 측정·제어 정확도 다양한 프로파일 미터·자석 미터(magnet meter) 활용으로 향상. 가스 분석기 개발: 기존 가스 크로마토그래피 → 측정 간격 짧고 정밀도 높은 기기 → 질량 분석기 방향. 투에르 주변 측정: 투에르 바디 온도계, 투에르 텔레비전, 레이스웨이 주변 온도·가스 분포 정보 제공 투에르 프로브 개발 진행. 이 여러 수학적 모델(로 열량 추정·용융대 추정 기반)과 함께 전체 BF 운전 제어 시스템 개선 도움.

현대 고로 신호들 정교한 프로브·계기·측정 장치 시스템 통해 전체 공정 적절 데이터 수집·분석·정밀 제어 실현 매우 많음. 이들 프로브·계기·측정 장치 총 I/O(입출력) 신호 수 24,000 정도. 이중 바이너리 I/O 신호 18,500~19,000 범위, 온도 신호 1,200~1,500 범위, 기타 아날로그 신호 4,000, 계량 신호 70 정도.

고로 프로브·측정 장치 최근 전자공학·광학·컴퓨터 기술 개발 기반 큰 발전. 컴퓨터 사용으로 고로 다양한 파라미터 더 잘 모니터링 가능해짐. 컴퓨터 변수 표시뿐 아니라 확립된 모델 사용, 다른 변수 비교, 변수들 및 공정 중 진화 데이터베이스 구축 저장 가능.

그림 2 현대 고로 프로브·측정 장치 전형적 적용

고로 내 일어나는 반응들 매우 복잡: 기체·고체·액체 3상 공존, 반응 반경 방향 비균일 진행, 시간 의존적 변화 동반, 측정 파라미터 항상 고온·고압·분진 분위기 이동 → 측정 어려움. 측정 어려움으로 고로 일반적으로 여러 구역 분할. 고로 다른 구역들·구역 바람직 측정 아래 기술.

덩어리 구역(Lumpy Zone)

이 구역 노 내 간접 환원 일어남. BF 운영자 알기 바람직 구역 파라미터: 온도 분포, 가스 투과도, 환원도, 부담재 강하 속도, 부담재 물리적 특성 변화. 이들 파라미터 위해 필요 측정: 고체 부담재 양·입도 분포·혼합층 분포, 상승 가스 양·조성·온도·압력. 전형적 측정: 부담재 표면 프로파일·층 두께 분포, 부담재 표면 온도, 가스 조성·온도·압력 분포.

덩어리 구역 직접 측정 상대적 용이 → 많은 정보 제공 센서 개발 가능. 이 구역 가장 중요한 측정 영역: 부담재 분포, 가스 흐름 분포, 시간 따른 변화 → 모두 환원, 열교환, 가스 투과도, 부담재 강하 거동 영향. 부담재 분포 추정 돕는 세 요소: (i) 층 두께, (ii) 부담재 크기, (iii) 공극 분포. 셋 중 층 두께 분포만 다양한 프로파일 미터 측정 가능. 그러나 프로파일 미터 능력 낮음 → 표면 프로파일만 측정, 부담재 충전 따른 표면 프로파일 변화 측정 안 됨. 추가 혼합층 측정 무효. 최근 자석 미터 사용 센서 개발 → 부담재 표면 프로파일 변화, 층 두께 분포(혼합층 포함), 강하 속도 분포 측정 가능.

가스 흐름 분포 부담재 분포 결과. 고로 운전 영향 매우 중요한 측정. 가스 흐름 분포 네 요소 결정: (i) 유량, (ii) 온도, (iii) 조성, (iv) 압력. 보통 측정 파라미터: 온도·조성·압력 분포(측정 용이). 수평·수직 프로브, 노벽 가스 압력 게이지 사용 → 온도·조성·압력 분포 꽤 만족스러운 측정값 제공. 부담재 내 가스 유량 분포 직접 측정 바람직하나 현재 매우 정확한 측정 방법 개발 안 됨. 따라서 가스 온도·조성·압력 가용 데이터 이용 수학적 모델 도움 가스 유량 분포 추정.

결합 구역(Cohesive Zone)

세 반응 유형 모두 고로 내부 일어남: (i) 간접 환원 반응, (ii) 직접 환원 반응, (iii) 용해 손실 반응(solution loss reactions). 세 반응 모두 결합 구역 영향. 따라서 덩어리 구역 필요 모든 측정 + 부담재 레벨·프로파일 측정 결합 구역 중요 측정.

결합 구역 고로 내 가스 흐름 최대 저항 나타냄 → 노내 가스 분포·부담재 강하 통해 운전 안정성 지수 형성. 따라서 결합 구역 위치·프로파일 측정 매우 중요 측정 고려. 현재 결합 구역 위치·프로파일 직접 측정 불가 → 다양한 프로브 직접 측정 파라미터들 수학적 모델 사용 결합 구역 추정.

점적·레이스웨이·데드맨 구역(Dripping, Raceway and Deadman Zones)

점적, 레이스웨이, 데드맨 구역 고로 내 활동: (i) 슬래그 형성, (ii) 코크스/보조 연료 연소, (iii) 아연·황·알칼리 같은 금속류 순환, (iv) 잔여 직접 환원·용해 손실 반응. 이 구역 바람직 측정: 액체 투과도, 금속·슬래그 흐름 분포, 금속류 반응, 코크스 강하, 코크스 연소, 데드맨 형성, 레이스웨이 확산. 이 구역 전형적 측정: (i) 각 투에르 블라스트 풍량, (ii) 레이스웨이 길이, (iii) 레이스웨이 밝기, (iv) 코크스 이동, (v) 코크스 크기, (vi) 투에르 바디 온도.

이 구역 현상들: 코크스 강하, 데드맨 형성, 쇳물·슬래그 흐름, 투에르 레이스웨이 코크스 연소, 금속류 반응, 탈황 발생. 현상 더 나은 이해 위해 가스·액체 투과도·온도 레벨 중요 생각. 이 구역 쇳물·슬래그 최종 조건 결정되므로 중요 정보 측정·이해 필요. 그러나 현재 이 구역 가능 실제 측정: (i) 냉각 스테이브 온도 분포, (ii) 투에르 바디 온도, (iii) 투에르 레이스웨이 상태. 이 구역 측정 장치 개발 매우 느린 속도 진행 → 측정 방법 어렵고 현상 측정·배치 철학 혼란 때문. 이 구역 보통 다양한 수학적 모델 사용 추정 모델 → 쇳물·슬래그 최종 상태 최대한 빨리 추정·조건 제어.

노바닥 구역(Hearth Zone)

이 구역 쇳물·액체 슬래그 수집·분리·저장. 이 구역 유일한 활동: 쇳물 탈황·카버라이징(carburization). 액체 투과도 이 구역 중요. 바람직 측정: (i) 쇳물·슬래그 레벨·거동, (ii) 코크스 공급·연소 제거, (iii) 쇳물 탈황·카버라이징·금속류 반응. 이 구역 필요 전형적 측정: 쇳물·액체 슬래그 거동 모니터링, 노바닥 코크스 교체 모니터링, 현재 다양한 수학적 모델 사용 추정 모델 적용.

BF 공정 제어용 측정 방법들

현재 BF 공정 제어 사용 측정 방법들:

부담재 분포

현재 사용 측정 방법: (i) 접촉식 프로파일 미터, (ii) 비접촉식 프로파일 미터, (iii) 자석 미터. 접촉식 프로파일 미터 부담재 표면 프로파일만 측정. 표면 프로파일 충전 따른 변화 측정 안 함, 혼합층 측정 안 함. 추가 교란 부담재 분포 시 큰 측정 오차. 비접촉식 프로파일 미터 더 나음 → 부담재 분포 교란 안 함. 자석 미터 경우 부담재 내부 측정 → 표면 프로파일 충전 따른 변화, 혼합층 측정 가능.

가스 흐름 분포

현재 가스 유속 분포 측정 방법: (i) 유체 유량계, (ii) 열선식 가스 유량계, (iii) 가열 열전대법, (iv) 가스 트레이서법. 보통 처음 세 방법 가스 압력·온도·조성서 가스 유량 얻음. 가스 트레이서법 순간 측정 → 부담재 분포 교란 안 함.

결합 구역 레벨·프로파일

결합 구역 레벨·프로파일 직접·간접법 측정. 간접법: 몇 가정·측정 파라미터(기본 가스 흐름 압력·온도·조성 분포) 기반 계산. 수평 프로브 보통 가스 온도·조성 분포용. 다시 순간 측정법. 가스 흐름 압력 분포 노벽 가스 압력 측정 → 연속 측정, 부담재 교란 안 함. 직접 측정: 삽입형 수직 프로브법, RI법, 삼영역 반사계측법(TDR). 셋 중 TDR 연속 측정, 다른 둘 순간 측정. 수직 프로브 온도·압력·조성 데이터 추가 제공 장점.

BF 쉘 유지보수

고효율·안정 고로 쉘·내화물 라이닝 운용 위해 계측기들 고로 내화물 내프로파일·로 쉘 유지보수 기반. 고로 장기 수명 비용 절감 크게 기여 → 로 내화물 마모, 스캐폴드(scaffold) 축적, 냉각 설비·부착 설비 손상 보호 위해 쉘 유지보수 측정 중요.

관례적 로 쉘·내화물 측정 주로 온도, 측정점 확대 요구 증가. 최근 측정 방법 발전: 전기 펄스법 또는 열전대 응답법 → 내화물 두께 직접 측정. BF 쉘 유지보수 컴퓨터 로 쉘 제어 시스템 통합 경향 → 증가 측정점 대응, 내화물 마모선 추정 수학적 모델 사용. BF 쉘·내화물 유지보수 흔히 사용 계측기들:

내화물 마모·스캐폴드 축적

여러 방법: 열전대법 확립 방법이나 측정점 제한·로 온도 의존. 적외선 열화상 카메라법 패턴 그래프 생성·로 온도 의존. 열유속계법 측정점 제한·로 온도 의존. 기타: (i) 열전대 응답법, (ii) 전위 펄스법, (iii) 매립 RI법, (iv) 보어링법. 이들 방법 벽 두께 측정이나 두께 증가 감지 안 함. 매립 RI법 RI당 1점만 측정, 보어링법 정상 조업 중 어려움.

로 냉각 설비 보호

로 냉각 설비 보호·초기 손상 탐지 목적 여러 측정: (i) 냉각수 용존 CO량 측정, (ii) 냉각수 차압 유량 측정, (iii) 냉각수 급수·배수 온도 측정, (iv) 고로 상부 가스 수소 측정. 두 번째 방법 수질 민감. 세 번째 방법 냉각 설비 열부하 알려줌. 네 번째 방법 손상 부분 탐지 안 함.

고로 부착 설비 보호

고로 부착 설비 실패 대비 보호 필요. 가스 정제 설비 경우 상부 가스 온도·압력 측정·제어 보호. 투에르·블로우 파이프 경우 각 투에르 블라스트 풍량·보조 연료량 측정 보호.