A 뜨거운 폭파로 제철 용광로는 실온("냉풍") 공기를 공급하는 대신 풍구라고 불리는 노즐을 통해 용광로에 불어넣기 전에 일반적으로 900~1,300°C로 예열된 공기를 공급합니다. 예열 자체는 열풍 스토브(카우퍼 스토브라고도 함)라는 별도의 장비에서 발생하며, 결과적으로 가열된 공기를 "열풍"이라고 합니다. 오늘날 운영되는 거의 모든 용광로는 이 시스템을 사용합니다. 왜냐하면 예열된 공기는 1830년대 이전에 사용된 냉용 용광로에 비해 연료 소비를 극적으로 줄이고 생산량을 높이기 때문입니다.
열풍은 단순한 사소한 조정이 아니라, 애초에 대규모의 코크스 연료 제철을 경제적으로 실행 가능하게 만든 소수의 혁신 중 하나이기 때문에 구별이 중요합니다. 900~1,250°C로 예열된 공기를 공급하는 용광로는 약 1,650°C의 제련 온도를 생성할 수 있어 생산되는 철 1톤당 코크스 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 열풍 시스템의 작동 방식과 공기 온도가 그토록 중요한 이유를 이해하는 것이 현대 용광로 효율성을 이해하는 열쇠입니다.
열풍로 시스템은 함께 작동하는 두 개의 연결된 장비, 즉 제련 반응이 일어나는 용광로 자체와 공기가 용광로에 도달하기 전에 가열되는 열풍로를 중심으로 구축됩니다.
스토브는 기본적으로 내화벽돌이 늘어선 수직 원통형 강철 쉘로, 내부는 두 개의 챔버로 분리되어 있습니다. 하나는 용광로에서 나오는 가스와 기타 연료원을 연소하는 연소실이고, 다른 하나는 연소된 가스에 의해 가열된 내화 벽돌로 채워진 재생 챔버입니다. 이러한 내화성 "체커 벽돌"은 열 저장 매체입니다. 연소 중에 열을 흡수하고 나중에 신선한 공기가 통과하면서 열을 방출합니다.
열풍 스토브는 한 가지 모드에서 지속적으로 작동하지 않고 두 단계를 번갈아 가며 작동합니다. 온가스(발화) 기간 동안 연료 가스는 체커 브릭 열 저장 장치를 가열하기 위해 연소됩니다. 폭발 기간 동안 공기는 열 저장 장치를 통해 흐르면서 가열됩니다. 폭발 중 배출 기간 동안 팬에 의해 가열된 벽돌에 높은 압력으로 신선한 공기가 공급되고, 1,200°C까지 가열된 후 이 공기(현재 열풍이라고 함)는 철광석 제련을 위해 용광로 바닥으로 공급됩니다.
하나의 스토브는 가스를 가열하는 동시에 공기를 가열할 수 없기 때문에 대부분의 용광로에는 3개의 스토브가 제공됩니다. 두 개가 가열되는 동안 공기 폭발은 용광로로 들어가는 도중에 세 번째 스토브의 재생실을 통과합니다. 이러한 회전을 통해 용광로는 24시간 내내 연속적이고 중단 없이 뜨거운 공기를 공급받을 수 있습니다.
가열된 공기는 버슬 파이프를 통해 스토브에서 용광로로 이동하고, 이 파이프는 이를 용광로 바닥 주위에 장착된 열풍 노즐 또는 송풍구로 분배합니다. 좋은 화로 효율을 위해서는 열풍 온도를 일정하게 유지해야 하고, 스토브가 식으면서 자연스럽게 온도가 떨어지기 때문에, 개별 스토브에 저장된 열이 소모되는 동안에도 열풍과 냉풍의 비율이 조절된 혼합실에서 열풍이 혼합되어 전달 온도를 일정하게 유지합니다.
열풍은 현대의 발명품이 아닙니다. 그 역사는 19세기 초반으로 거슬러 올라가며 산업 제철 역사에서 중추적인 돌파구 중 하나를 나타냅니다. 1820년대까지 차가운 공기는 실제로 뜨거운 공기보다 더 좋은 품질의 철을 생산하는 것으로 생각되었습니다. 그 이유는 차가운 겨울 공기의 수분 감소가 유익한 것으로 여겨졌기 때문입니다.
열풍은 1828년 스코틀랜드의 Wilsontown Ironworks에서 James Beaumont Neilson에 의해 철로용으로 발명되고 특허를 받았습니다. Neilson은 폭발 온도를 149°C(300°F)로 높임으로써 연료 소비량을 석탄 8.06톤에서 생산된 철 1톤당 5.16톤으로 줄일 수 있으며 더 높은 온도에서 추가 감소가 가능하다는 사실을 발견했습니다. 그 결과는 극적이었고 대규모로 신속하게 검증할 수 있었습니다. 1829년부터 1833년 사이에 Clyde Iron Works에서 기록된 수치에 따르면 냉간 분사 코크스 제련에서는 철 1톤당 8.2톤의 석탄이 사용되었고 주당 용광로당 37.5톤의 선철이 생산되었으며, 코크스 절단 석탄을 사용하는 열간 분사에서는 주당 생산량이 5.3톤으로 증가했으며 생산량은 54.9톤으로 늘어났습니다.
Neilson의 원래 장비에는 실질적인 한계가 있었습니다. 벽돌 오븐 내부에 지지된 주철 파이프는 팽창 특성이 다르기 때문에 여러 개의 파이프에 균열이 발생했으며 운반 장비는 고온을 견딜 수 없는 견고한 송풍구와 유연한 가죽 조인트를 사용했습니다. 1860년이 되어서야 영국인 에드워드 알프레드 카우퍼(Edward Alfred Cowper)가 최초의 성공적인 열풍 난로를 발명했습니다. 이 난로는 세련된 형태로 오늘날에도 여전히 업계 표준인 재생 체크무늬 벽돌 디자인입니다. 그에 따른 급속한 채택은 놀라웠습니다. 열풍은 Neilson이 처음 발견한 지 불과 7년 후인 1835년까지 영국 전역에서 일반적으로 사용되었습니다.
| 로 유형 | 철 1톤당 사용되는 석탄 | 주당 선철 생산량 |
|---|---|---|
| 콜라를 이용한 냉풍 | 8.2톤 | 37.5톤 |
| 콜라로 뜨거운 폭발 | 5.3톤 | 54.9톤 |
| 석탄을 이용한 뜨거운 폭발 | 3.0톤 | 62.2톤 |
열풍이 작동하는 핵심 이유는 간단한 열역학입니다. 용광로에 들어가는 차가운 공기는 유용한 작업을 수행하기 전에 용광로 내부의 연료를 연소하여 가열해야 하며, 이는 단순히 들어오는 공기의 온도를 높이는 것만으로도 코크스를 낭비합니다. 공기 분사가 용광로에 들어가기 전에 예열함으로써 코크스 비율을 직접적으로 감소시키는 현열의 형태로 열 입력이 증가합니다.
현대 연구는 관계가 매우 예측 가능한 속도로 유지된다는 것을 확인합니다. 열풍 출구 공기 온도가 100°C 증가할 때마다 고로의 코크스 비율은 4~7% 감소하고 생산량은 3~5% 증가하며 석탄 주입 용량은 그에 따라 증가합니다. 별도의 업계 추산에 따르면 이를 절대값으로 표현합니다. 버슬 파이프의 열풍 온도가 10°C 증가할 때마다 용광로 코크스 비율이 용선 1톤당 약 4~6kg 감소합니다.
이는 용광로 기술이 발전함에 따라 열풍이 선택이 아닌 필수가 된 이유이기도 합니다. 이제 미분탄을 풍구를 통해 주입할 때 약 1,200°C의 폭발 예열이 필수적인 것으로 간주됩니다. 열풍 폭발이 더 빠른 가열, 석탄의 열분해 및 생성된 가스 생성물의 연소를 보장하기 때문입니다.
모든 열풍 스토브가 동일한 방식으로 제작되는 것은 아닙니다. 연소실과 재생기의 다양한 레이아웃과 구조에 따라 열풍 스토브는 일반적으로 내부 연소, 외부 연소 및 상부 연소의 세 가지 기본 구조 형태로 구분됩니다. 둘 중 하나를 선택하는 것은 주로 사용 가능한 바닥 공간이 얼마나 되는지, 작업이 목표로 하는 최대 열풍 온도가 어느 정도인지에 대한 문제입니다.
내연 설계에서 스토브는 단일 쉘을 연소실과 체커 벽돌을 포함하는 체커 챔버로 나누는 내부 수직 칸막이벽이 있는 원통형 내화벽으로 구성됩니다. 이는 보다 컴팩트하고 전통적인 레이아웃이지만 구조적 한계가 있습니다. 분할벽이 있는 내부 연소실 설계에는 연소실 모서리에 알려진 약점이 있습니다.
외부 연소 스토브는 별도의 체커실과 연소실로 구성되며 공유된 내부 벽이 아닌 교차로 연결됩니다. 두 개의 챔버를 별개의 쉘로 분리하면 내부 설계의 코너 응력 약점이 제거되고 일반적으로 더 높은 피크 온도를 지원합니다.
새로운 카테고리의 스토브에는 전통적인 의미의 연소실이 전혀 없습니다. 이러한 스토브는 돔 연소 스토브, 샤프트 없는 스토브 또는 Kalugin 스토브로 알려져 있습니다. 전반적으로, 열풍 난로 기술, 특히 내화물의 설계와 품질은 최근 몇 년 동안 크게 개선되어 잘 만들어진 난로의 수명을 30년 이상 보장하는 성숙도에 도달했습니다.
스토브의 다양한 구역은 온도가 매우 다르기 때문에 전체에 단일 내화 벽돌을 사용할 수 없습니다. 재료 선택은 체커 챔버의 각 섹션이 실제로 얼마나 뜨거워지는지에 따라 계층화됩니다.
내화 등급을 각 구역이 경험하는 실제 열과 일치시키는 이러한 계층적 접근 방식을 통해 단일 스토브가 위에서 아래까지 수백 도에 이르는 온도 구배를 안전하게 처리할 수 있습니다.
열풍 스토브는 엄청난 양의 코크스를 절약하지만 그 자체로 중요한 에너지 소비자입니다. 이는 전체 용광로 효율을 평가할 때 흔히 간과되는 사실입니다. 스토브에 필요한 고로 가스의 양은 총 고로 가스 생산량의 약 40%를 차지하며, 스토브 에너지 소비량은 공장 전체 에너지 소비량의 25%에 달합니다.
톤당 기준으로 숫자는 다음과 같이 동일하게 나타납니다. 전세계 6개 효율적인 열풍로 시스템의 데이터를 기준으로 볼 때, 평균 총 1차 에너지 요구량은 열풍로의 경우 용선 1톤당 1.8GJ이며, 용광로 자체의 경우 톤당 11.6GJ입니다. 이는 스토브 시스템이 용광로보다 절대적인 에너지 측면에서 작지만 여전히 전체 플랜트 에너지 사용에서 의미 있고 제어 가능한 부분을 나타내며 효율성 향상이 코크스 절감으로 직접 전환된다는 것을 의미합니다.
운영 플랜트의 실질적인 개선은 이론이 아닌 실제 수치로 입증되었습니다. 미국 통합 철강 생산업체의 스토브 배터리 최적화에서 문서화된 결과에는 용선 1톤당 8~15kg의 용광로 연료 감소와 15°C~30°C의 열풍 온도 증가가 포함되며, 이는 용선 1톤당 약 6~12kg의 코크스 비율 감소로 해석됩니다.
열간 용광로 시스템을 운영하거나 평가하는 사람이라면 몇 가지 매개변수를 통해 스토브의 성능과 효율성을 얻거나 잃는 부분이 지속적으로 결정됩니다.
