재가열로 강재 가열: 열간 압연 효율성 향상

재가열로에서의 강재 가열 개요

재가열로는 열간 압연 공정에서 중요한 설비입니다. 모든 열간 압연기의 심장부라 할 수 있습니다. 강재 가열은 연속 공정입니다. 압연할 강재는 재가열로 입구에서 장입됩니다. 강재는 푸셔 머신의 램이 강재와 직접 접촉하여 노 바닥(허스)에서 앞으로 밀어냅니다. 강재는 재가열로의 예열대, 가열대, 침적대를 통과하면서 예열, 가열, 침적됩니다. 침적대 끝에서 강재는 이젝터에 의해 노에서 배출되어 압연기에서 압연됩니다. 강재 배출 시 온도는 여러 요인에 따라 달라지며 1100~1250℃ 범위에서 변동할 수 있습니다.

재가열로 크기는 보통 압연기에 충분히 뜨거운 강재를 공급하는 능력으로 톤/시간 단위로 표현합니다. 서로 다른 소재 조성, 치수, 장입 온도를 가진 강재가 노 내에서 동시에 존재할 수 있습니다.

강재 가열용 재가열로는 일반적으로 에너지 소비가 높은 설비로 간주됩니다. 열 발생 공정이 연소 과정이므로 상당한 양의 오염물질도 대기 중으로 배출합니다. 재가열 공정은 압연기 작업의 경제성에 상당한 영향을 미칩니다.

연속 재가열로 유형

압연기에서 일반적으로 사용되는 연속 재가열로는 세 가지 유형입니다: (i) 푸셔 타입 노, (ii) 워킹 하스 노, (iii) 워킹 빔 노.

푸셔 타입 노의 단점

• 내화물 허스 빈번한 손상
• 가열 강재에 스키드 마크 발생
• 스키드 수냉으로 인한 에너지 손실
• 상하부 연소 노에서 강재 지지 구조가 에너지 사용에 악영향
• 강재 배출 시 장입이 동반되어야 함
• 강재 크기/중량과 노 길이가 마찰에 의해 제한되며 노 내 강재 적체 가능성
• 강재를 네 면에서 가열할 수 없음

재가열로의 가열 원리

재가열로는 장입된 강재를 압연 온도까지 가열합니다. 압연 온도는 강재가 압연 공정에서 소성 변형에 적합하도록 만드는 온도입니다. 이를 위해 강재 미세조직이 오스테나이트 범위에 있어야 합니다.

압연할 강재는 보통 빌릿, 블룸, 슬래브 형태입니다. 형상은 정사각형, 직사각형, 평판, 원형일 수 있으며 노의 장입층을 형성합니다. 노는 상부 연소 또는 상하부 연소식일 수 있습니다. 버너는 노 끝단, 측면, 지붕에 위치할 수 있습니다. 재가열로는 액체 연료, 기체 연료, 고체 연료를 사용할 수 있습니다. 버너는 균일한 열 분포를 달성하도록 배치됩니다.

재가열로에서 강재를 압연 온도까지 가열하는 일반적 또는 관행적 가열 방법은 사용 연료의 화학량론비(스토이키오메트릭 비율) 또는 그 약간 위에서 운전하는 버너로 노를 가열하여 강재를 가열하는 것입니다. 100% 화학량론비는 연료의 완전 연소를 산출하는 공기/연료 비율로, 노 내 가스 분위기가 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂), 수증기(H₂O)만으로 구성되도록 합니다. 100% 화학량론비 약간 이상의 공기/연료 비율에서 연소하면 노 가스 분위기에 소량의 산소(O₂)도 존재하게 됩니다. 또한 노 내 고온으로 인해 일부 N₂가 질소 산화물로 전환됩니다.

강재가 노를 통과하는 동안 에너지는 뜨거운 버너 가스가 강재와 직접 접촉하여 대류로, 가열된 노 벽과 지붕에서 복사로 강재에 전달됩니다. 강재 내부에서의 에너지 전달은 전도에 의해 이루어집니다. 복사에 의한 열에너지 전달이 가장 효율적인 열에너지 전달 방식입니다. 복사 열전달은 강재 층이 형성하는 유효 열전달 면적을 통해 이루어집니다.

재가열로 주요 구성요소

재가열로의 주요 구성요소는 다음과 같습니다: (i) 고온 운전 온도에서 열을 유지하기 위한 내화물과 단열재로 구성된 챔버, (ii) 강재를 지지하고 이송하는 노 허스, (iii) 고체, 액체, 기체 연료를 사용하여 챔버 내 온도를 상승시키고 유지하는 버너 세트, (iv) 챔버에서 연소 배기 가스를 제거하는 시스템, (v) 강재를 노 챔버로 투입하고 배출하는 시스템.

앞서 언급한 바와 같이 노는 기본적으로 세 구역으로 나뉩니다: (i) 예열대, (ii) 가열대, (iii) 침적대. 예열대에서는 장입된 강재가 예열됩니다. 예열대 역할은 강재 온도를 점진적으로 높이는 것입니다. 강재 표면의 초기 완만한 가열은 강재 내 열응력 제어에 필요합니다. 가열대에서는 강재 표면 온도가 급격히 상승합니다. 강재에 의한 열흡수 대부분이 이 구역에서 이루어집니다. 침적대에서는 강재 내부 온도를 제어하여 강재 단면 전체에 걸쳐 가능한 한 균일한 온도를 갖도록 합니다. 이 구역 온도는 강재의 목표 배출 온도를 갖도록 점진적으로 상승시킵니다.

재가열로에서 주요 가열량은 가열대에서 발생합니다. 강재 심부와 표면 간 목표 한도까지 온도 균일성은 침적대에서 달성됩니다. 배기 가스는 강재와 반대 방향으로 이동하므로 예열대에서 대류에 의한 현열 회수가 상당히 이루어집니다. 예열대는 회수대라고도 불립니다. 배기 가스의 노 내 유속과 체류 시간은 그 현열을 강재에 효과적으로 전달하기 위해 중요합니다.

재가열로 요구사항

재가열로는 높은 연료 효율이 요구됩니다. 필요한 사항: (i) 적절한 지붕 프로파일, (ii) 효과적인 구역별 열 분포, (iii) 회수 열전달을 위한 최적 예열대 길이, (iv) 적절한 버너 위치, (v) 배기 가스 출구 포트 적절한 위치, (vi) 노 챔버 내 충분한 열 방출로 강재 가열 및 모든 열손실 극복, (vii) 노 가스에서 강재 표면으로 가용 열 부분의 효과적 전달, (viii) 최소 노 피부 온도를 위한 적절한 단열, (ix) 대기 공기 유입 방지를 위한 노 챔버 압력 효과적 제어, (x) 중요 노 파라미터 제어를 위한 필요 계측기, (xi) 폐열 회수 설비, (xii) 배출가스 제어 설비.

재가열로 기본 운전 요구사항: (i) 강재 압연에 필요한 원하는 최소 온도를 일관되게 달성, (ii) 강재 표면, 심부, 전장 간 온도 차를 15~25℃ 수준으로 최소화, (iii) 강재 장입부의 콜드 스팟(스키드 마크) 최소화, (iv) 강재 과열 및 소손 방지, (v) 스케일 생성 최소화, (vi) 강재 표면 탈탄 최소화, (vii) 장입 소재 열응력 및 크랙 방지, (viii) 강재 바닥면 스크래치 방지, (ix) 저에너지 소비 및 노 열손실 최소화, (x) 배기 가스 현열 최대 회수, (xi) 연소 생성 배출가스 저감, (xii) 단순하고 쉬운 제어 기능 시스템.

재가열로 열효율

재가열로 열효율은 강재 장입 초기 온도에서 압연 온도까지 가열 시 강재 장입 열량 증가분을 연료가 제공하는 에너지(잠열 + 현열)로 나눈 값으로 정의됩니다.

연속 푸셔 타입 재가열로를 가진 압연기에서 재가열로는 전체 에너지 소비의 약 70~80%를 차지합니다. 푸셔 타입 노는 낮은 효율이라는 고질적 문제를 안고 있습니다. 이 유형 노의 열효율은 보통 20~30% 범위입니다. 많은 열이 손실되기 때문입니다. 노 내 열손실 원인: (i) 노 구조물에 저장된 열, (ii) 노 외부 벽과 구조물에서의 열손실, (iii) 기구, 공구, 설비에 의해 반출되는 열, (iv) 노 내 찬 공기 유입 가열에 필요한 열, (v) 노 내 연소용 과잉 공기가 반출하는 열, (vi) 배기 가스에 의한 열손실, (vii) 누설에 의한 열손실, (viii) 스키드 냉각용 냉각수에 의한 열손실. 최대 열손실원은 노를 빠져나가는 배기 가스입니다. 노 온도가 높을수록 배기 가스를 통한 손실이 커집니다. 푸셔 타입 재가열로의 대표적 열수지 도표는 그림 1과 같습니다.

그림 1: 푸셔 타입 노의 대표적 열수지 도표

강재 가열과 운전 관행

재가열로 내 강재 가열은 운전 관행에 영향을 받습니다. 좋은 운전 관행은 스케일 생성, 연료 소비, 가열 품질을 더 잘 제어하며 노 생산성에도 영향을 미칩니다. 운전 관행에 영향을 주는 요인: (i) 허스 커버리지, (ii) 강재 배출 온도, (iii) 강재 전장과 단면 방향 온도 균일성, (iv) 연료 연소 제어, (v) 배기 가스 중 O₂ 제어로 노 내 과잉 공기 유입 제어, (vi) 노 압력 제어, (vii) 폐열 회수.

연소 제어는 강재가 흡수하는 현열을 최적화합니다. 연료 효율적 사용은 노 분위기 내 배기 가스 흐름을 제어합니다. 노 내 연료 단위 소비량에 영향을 주는 요인: (i) 연료 발열량(CV), (ii) 노 분위기 과잉 공기, (iii) 연소 공기 예열 온도, (iv) 연소 구역 온도, (v) 노 입구 강재 온도, (vi) 강재에 의한 허스 커버리지, (vii) 강재 배출 온도, (viii) 노 열손실, (ix) 압연기 지연.

석탄 연소 재가열로 특이사항

석탄 연소 재가열로의 경우 연료 발열량 외에 다음 요인이 중요합니다: (i) 석탄의 회분, 수분, 휘발분 함량, (ii) 분쇄 시 입도 분포 일관성, (iii) 분쇄 석탄과 이송 매체(연소 공기)의 균일 혼합, (iv) 버너로의 분쇄 석탄 안정적 공급 속도. 분쇄 석탄은 공기 중에 현탁되어 이송됩니다. 린 페이즈 이송 방식을 사용하며, 이는 보통 이송 공기를 버너의 1차 공기로 사용합니다. 이 경우 이송 요구사항이 보통 1차 공기 유량을 결정합니다. 즉, 버너 노즐에서의 1차 공기 토출 속도가 모멘텀을 최적화하고 연소를 최적화하는 유일한 변수가 됩니다.

공기 속도는 석탄을 현탁 유지하기에 충분해야 하지만 너무 높으면 급속한 마모와 과도한 압력 손실을 초래합니다. 최소 권장 이송 속도는 22m/s, 최적 25m/s, 절대 최소 19~20m/s입니다. 더 낮은 속도에서는 석탄이 데드 스페이스에 낙하 퇴적하여 자연 발화 위험으로 심각한 화재/폭발 위험을 초래합니다.

분쇄 석탄은 파이프 내 이송 공기 속에서 균일하게 분포되지 않는 경우가 많습니다. 종종 심각한 불균등 분포가 발생하는데 이를 '로핑(roping)'이라 합니다. 이는 예측 불가능하지만 시스템 벤드가 많고 파이프 런이 길수록 더 심해지는 경향이 있습니다. 로핑은 감지와 정량화가 어렵지만 버너 성능에 불꽃 패턴과 방열 프로파일 측면에서 악영향을 미칩니다.

폐열 회수

재가열로에서 배출되는 배기 가스 온도는 노 내 강재 온도보다 높습니다. 노를 떠나는 배기 가스의 현열은 노 열공급량의 약 35~55%를 운반할 수 있습니다. 과잉 공기량과 배기 가스 온도가 높을수록 노에서의 열 유출이 커집니다. 따라서 폐열 회수는 재가열로 연료 효율을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 배기 가스 현열을 노로 재순환시키는 중요한 방법 중 하나는 폐열 회수기에서 연소 공기를 예열하는 것입니다.

폐열 회수는 직접적, 간접적 이점이 있습니다. 직접적 이점: (i) 가열 시스템 효율 개선으로 연료 단위 소비량 감소, (ii) 스택 배출 배기 가스 온도 저하, (iii) 예열 연소 공기로 화염 온도 상승, (iv) 노 내 강재 가열 속도 향상, (v) 노 생산성 증대. 간접적 이점: (i) 대기 오염 감소, (ii) 설비 크기 축소로 해당 설비 운전 에너지 감소.

강재 표면 온도 분포(가열 곡선)

한 조각의 강재 장입이 재가열로로 투입되면 입구, 예열대, 가열대, 침적대, 출구 순으로 순차적으로 진행합니다. 이동 과정에서 강재 표면 온도는 가열 곡선에 의해 시간과 노 내 강재 체류 시간에 따라 제어되며 이는 온도 균일성을 결정합니다. 또한 가열 곡선과 체류 시간은 에너지 고갈 또는 연료 소비에 영향을 줍니다. 표면 온도 분포는 주로 복사에 의해, 부분적으로 대류와 전도 열전달에 의해 지배됩니다. 강재 표면에서 열평형을 가정하면 대표적 가열 곡선(강재 표면 온도)은 아크탄젠트 함수로 표현할 수 있습니다. 강재 위치(z)에 따른 표면 온도 분포(Ts)는 그림 2에 도시되어 있으며, 곡선은 장입 온도(Tc), 배출 온도(Td), 노 길이(L) 측면에서 무차원화 및 정규화되었습니다.

그림 2: 재가열로에서 강재 가열에 사용되는 대표적 아크탄젠트 곡선

가열 효율에 영향을 주는 요인

재가열로 저열효율에 기여하는 요인: (i) 노 용량이 압연기 용량과 부적합, (ii) 연소용 부적절한 설비 사용, (iii) 회수기 미설치 또는 용량 부족/비효율 회수기, (iv) 공기/연료 비 제어 시스템 미설치 또는 바이패스, (v) 자동 온도 제어 및 노 압력 제어 시스템 미설치, (vi) 노 및 연소 시스템 부적절한 유지보수 및 운전, (vii) 노 구조물 열축적, (viii) 노 외부 벽/구조물 손실, (ix) 로드 컨베이어, 고정구, 트레이 등에 의한 열 반출, (x) 개구부, 고온 노출부 등에서의 복사 손실, (xi) 찬 공기 유입이 반출하는 열, (xii) 버너에 사용되는 과잉 공기가 반출하는 열.