오븐으로 산소를 취입하기 위한 랜스와 복합 버너의 동적 제어를 위한 장치와 방법 document_id A220623109005

예컨대 금속으로 이용되는 것과 같은 아크 전기 오븐(이하에서는 간단히 "아크 오븐"이라 함)이 일반적으로 오븐의 측벽에 배치되는 복수의 버너를 종종 포함하는 것은 공지이다. 또한, 이러한 아크 오븐의 충전물은 주로 주철, 강철 또는 철을 함유하는 금속 또는 철을 함유하지 않는 금속의 탈락된 조각 또는 파편을 포함할 수 있는 금속 찌꺼기(이하 본 명세서에서는 구분없이 "스크랩(들)"이라 함)로 구성된다. 아크 오븐에서는, 산소-연료 버너만이 사용되거나, 예열을 목적으로 하는 산소-연료 버너와 산소 취입을 위한 랜스의 집합체를 포함하는 복합 버너가 사용되거나, 산소 취입을 위한 랜스만이 사용되거나 또는 이들 상이한 장치의 복합이 사용된다. 보다 일반적으로는, 이들 장치는 "환원 제련(smelting reduction)" 유형의 금속 오븐 용기에 장착될 수도 있다. 이들 모든 금속 용기에는 또한 재료(예컨대, 탄소, 석회, 무기물, 먼지 등)를 취입하기 위한 랜스가 마련될 수 있다. 아크 전기 오븐의 프로세스에서, 부유하는 슬래그 층의 표면을 통하여 액화 금속으로 직접 산소를 취입하는 것이 공지되어 있다. 그 결과 액화 금속의 탈탄이 일어나고, 즉, 먼저 일산화탄소에서 이어서 이산화탄소에서 탄소가 산화되고, 발포 슬래그 층이 형성되어, 이것이 아크를 덮고 패널 및 천장을 향한 복사를 감소시켜, 결과적으로 에너지 소모를 감소시킨다. 그러나, 산소 랜스를 사용하는 것은 가스류가 의도하지 않게 스크랩에 의하여 오븐 벽의 방향으로 이송되어 오븐 벽이 실제로 손상될 수 있다는 단점이 있다. 실제의 양호한 실시는 이하의 두 상이한 작업 방식으로 이루어진다: - 상기 정의된 바와 같은 복합 버너가 존재하는 경우, 스크랩 내에 충분한 공동(cavity)을 생성시키기 위한 일정한 시간 동안 버너로 예열한 다음 버너의 작동과 동시에 또는 버너의 작동 없이 초음속 분사로 산소 랜스를 개시시키며; - 산소 랜스만이 존재하는 경우, 스크랩 내에 충분한 공동을 생성시키기 위하여 먼저 감소된 속도(유속)로 상기 랜스를 사용하고; 복합 버너를 사용하는 경우, 상기 개시된 상응하는 단계에서와 같이, 랜스를 바람직하게는 완전 속도로 사용한다. 상기 방식에 따라 조작시에도, 융해(fusion)에 의하여 자유 공동이 생성되거나 또는 상기 공동이 안정한 방식으로 형성되는 것은 불확실하다. 벨기에 특허 출원 BE-A-20050140(공개되지 않음)에서, 출원인은 아크 전기 오븐, 특히 강철로 된 아크 오븐에서 기상 또는 액상 연료 버너(상기 버너는 사용시 스크랩 충전물이 얹혀 있는 융해 금속 배스(bath)의 위에서 그 단부 중 하나에 배치된 개구부에 의하여 불꽃을 발함)의 연소를 동적으로 제어하기 위한 장치를 제안하였다. 이 장치는 아크 오븐의 외부에 배치되어 버너의 단부 및 상기 단부에 대향 배치된 고체 스크립으로 구성된 표적 사이의 거리를 측정하기 위한 무접촉 측정 수단을 포함한다. 이 측정 수단은, 상기 표적의 방향으로 상기 버너의 내부를 통과하는 신호를 방출하는 공급원, 및 역시 버너의 내부를 통과하며 상기 표적에 의하여 반사된 상기 신호가 포획되는 검출기, 및 바람직하게는 버너의 내부 또는 뒤에 배치되고 버너의 축에 배치된 개구부를 통하여 상기 스크랩을 표적으로 하는 입사 빔을 방출하는 예컨대 펄스 레이저와 상기 스크랩에 의하여 반사된 레이저 빔을 수용할 수 있는 광검출기를 구비하는 광학 거리 센서 유형의 검출 헤드를 포함한다. 이 장치는 분리된 버너의 경우 또는 상기 정의된 바와 같은 복합 버너의 경우 또는 산소 취입 랜스만의 경우에도 유리하게 이용될 수 있다. 실제 현행 기술에 따르면, 오븐 벽의 손상을 회피하기 위하여 주의를 기울이고자 하므로, 특히 처리 시간이 증가되고 처리 개시시에 산소 유속이 제한되는 등등이다. 이러한 필요한 주위는 생산성의 손실을 유발한다. 산소 랜스의 효율을 개선시키기 위하여, 이것을 동적으로 제어하는 것이 필요하다. 동적 제어란 미리 프로그래밍된 작동 포인트와는 대조적으로 주어진 순간에서의 조작 조건을 고려한 실시간 제어 또는 조절을 의미한다. 따라서, 산소-연료 버너용으로 개발된 동적 제어 장치는 금속 융해 용기에서 복합 버너 및 산소 랜스를 사용하는 경우에도 매우 바람직하게 적용될 수 있다. 이렇게 정확한 경우에 이러한 장치를 사용하는 난점은 산소 파이프의 직경이 작다(일반적으로 18∼30mm)는 점에 있다. 실제로, 상기 개시된 장치는 큰 폭의 빔과 구분된 집중 광 경로로 작동하므로 상기 언급한 파이프 직경 값과 양립할 수 없다. 독일 특허 출원 DE 27 45 251 A1호에는 오븐, 더 구체적으로는 컨버터에서 용융 금속 배스와 산소 랜스 단부 사이의 거리를 동적으로 제어하기 위한 장치가 개시되어 있다. 비상 시간 방법에 따른 거리 측정은 랜스의 또 다른 단부에서 오븐의 외부에 배치된 장치를 통하여 접촉 없이 실시된다. 이 장치는 펄스 레이저와 같은 발광원과 상기 배스에 의하여 반사된 빔이 포획되는 검출기가 장착되어 있다. 상기 언급한 출원은 파이프 내에서 입사 빔과 반사 빔을 분리시키는 문제는 다루지 않는다. 마찬가지로, 독일 특허 출원 DE 20 45 602 A1호에는 용융 배스의 표면과 산소 랜스의 단부 사이의 거리를 자동 제어하기 위한 레이더 시스템이 개시되어 있다. 오븐의 외부에 배치된 발전기는 랜스를 거친 펄스 전자기 신호를 배스의 표면으로 전송하며, 이후 반사된 신호는 랜스를 거쳐 리시버까지 회귀한다. 전송과 반사 사이에 경과된 시간으로 배스와 랜스 사이의 거리를 계산할 수 있다. 미국 특허 US-B-6 440 355호에는, 산소 컨버터 내 산소 랜스 취급 시스템에 연결된 보호 하우징 속에 은폐될 수 있는 광학 측정 장치가 개시되어 있다. 이러한 측정 장치는, 슬래그 표면과 같은 오븐 내 표적 구역에 입사 빔을 이송하고, 반사 빔을 수용 및 검출하며, 두 빔을 비교하여 표적 구역까지의 거리를 측정할 수 있는 레이저 광학 헤드를 포함한다. 이 장치는 산소 랜스의 헤드와 슬래그를 분리하는 거리를 정확히 조절할 수 있는 것이 유일한 목적이다.