공업로기술/ 노즐믹스식(DN) 버너 단조가열로
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노즐믹스식(DN) 버너 단조가열로
미국 SELAS사는, 컵상의 버너블록을 가진 방사버너 및 버너에 연료가스 및 연소공기를 공급하기 위한 연소장치 등 우수한 연소방식을 개발, 각종 가열설비에 이 방식을 응용하여 많은 실적을 올리고 있다.
방사 버너의 하나인 노즐믹스식(이하 DN버너)을 단조가열로에 채용함에 따라, 로의 효율이 향상하고 로의 내용수명도 늘어나지만 동시에 피가열재의 제품품질을 대폭 개선할 수 있다.
미국 SELAS사는 컵상의 버너블록을 가진 방사버너 및 버너에 연료가스 및 연소공기를 공급하기 위한 연소장치 등 우수한 연소방식을 개발, 각종 가열설비에 이 방식을 응용하여 많은 실적을 올리고 있다.
방사 버너의 하나인 노즐믹스식(이하 DN버너)을 단조가열로에 채용함에 따라, 로의 효율이 향상하고 로의 내용수명도 늘어나지만 동시에 피가열재의 제품품질을 대폭 개선할 수 있다. 이하 이 DN버너의 특징에 대하여 기술하기로 하겠다.
DN버너는 그림 1과 같이 연료가스 및 연소공기는 각각의 배관계통을 통해 버너에 공급된다.
연소공기는 버너선단에 있는 내열합금제의 노즐에서 선회류로서 버너블록의 표면을 따라 고속도로 분출한다.
블록은 고온내화물로 제작되어, 엄격한 사용조건에서도 충분히 견딜 수 있는 것을 사용하고 있다.
이 내화물을 따라 흐르는 공기중에 연료가스를 노즐에서 고속도로 분출, 연소시키고 있다.
고속가스류는 그 모멘텀에 의해 연소공기중에 돌입하여 가스와 공기의 혼합화를 행한다.
이 가스유에 대해 공기의 선회류는 직각방향에서 충돌하기 때문에 가스와 공기는 급속하게 혼합작용이 행하여져, 버너블록의 표면을 따라 흐르는 사이에 연소를 완료하고 있다.
이 연소방식은 SELAS사의 DN버너에 채용되어 있는 독특한 것으로 다른 방사버너와 완전히 다른 특성을 가지고 있다.
노즐에서 분출하는 공기의 선회류에 따른 버너블록중에서는 그림과 같이 캐비티현상에 의해 버너의 중심부분에 로내의 열가스가 흡인되고 이 표면에 강한 와류를 발생하여 연소의 완결 및 결함의 보지를 행하고 있다.
이 결과, 버너블록의 내면은 연소반응에 따라 열을 직접 받아 백열상태에서 가열되어 이면에서 로내를 향해 다량의 열을 방사한다.
이 방사열에 의해 로내에 있는 재료를 급속으로 가열하기 때문에 DN버너를 채용함에 따라 로의 가열능력을 약 15-20% 올릴 수 있다.
DN버너는 통상 루우프패널에 성형하여 천장에 설치, 로상면위에 놓인 재료를 가열한다. 사진 1에 이 루우프 패널의 1예를 나타내고 있다. 최근 대기오염, 지구온난화방지를 위한 탄산가스배출량의 경감 등에서 LNG, LPG의 사용이 많아졌는데 로효율을 향상시켜 연료소비량을 얼마나 적게 하는가, 또 가열효율을 증가시킴에 따른 생산성 향상은 필요불가결한 것이 되었다. SELAS사의 가스연소시스템은 이들 요망에 부응하는 하나의 해결책으로서 소개할 수가 있는 것이다. 아래에 그 이점을 자세히 설명한다.

1. 스케일 생성량이 감소한다.
로내에 있는 재료표면의 산화속도는 온도와 시간 및 분위기에 따라 변화한다. DN버너는 스케일의 생성에 가장 크게 작용하는 고온역에서 버너컵에서의 방사열에 의해 재료를 급속하게 단조온도까지 가열하므로, 가열시간이 짧고 따라서 스케일의 생성도 통상의 로에 비해 최소한으로 할 수 있다.
그림 2는 통상의 연소기에 따른 연소상태를 나타낸다. 연료는 중앙의 노즐에서 분출하여, 그 주위로 공기가 불어들어오고 있기 때문에 중앙부에 연료의 진한 부분이 있어 주위는 공기가 많아지고 있다.
단조로 등의 고온로에서는 로내를 연소실로 하여 직접 이 로내에서 연소하고 있기 때문에 외주의 공기층이 직접 재료에 닿고, 또 산소량이 많은 가스가 재료표면을 흘러, 로내 전체로서는 중성 또는 환원성 분위기의 로도 국부적으로는 강한 산화성으로 되어 재료의 산화를 촉진시킨다.
DN버너에서는 전술한 바와 같이, 버너 블록중에서 연소를 완결하여, 컵밖으로는 완전 연소한 가스를 분출하기 때문에 로내의 어떠한 부분에 있어서도 가스조성은 완전히 동일하며 또 그 버너구조에서 산화성, 환원성, 어떠한 분위기 조성에도 임의로 조절할 수가 있다.
스케일 생성량이 적다는 것은, 직접 재료의 절약을 의미할 뿐 아니라, 단조기의 형의 수명을 늘리고, 제품정도를 향상시키고, 또 로 상위의 축적하는 스케일에 의한 트러블, 로의 휴지의 경감 등 생산성에 미치는 영향은 헤아릴 수 없다.

2. 가열온도의 균일성이 좋다
그림 3은 시라스 DN버너와 통상의 측분 가열로를 비교한 것이다.
DN버너는 재료의 필요열량에 의한 입열을 버너에 공급하면, 입열량은 컵에서의 방사열량의 변화로서 나타나기 때문에 가열량에 의한 히트패턴 변화는 전혀 없다.
따라서 가열량의 다소에 따라 로내 온도분포의 변화를 일으키지 않는다. 통상의 연소기에 있어서는 입열량의 변화, 재료의 종류 등에 따라 화염형상이 대폭 변화한다.
열전대에 의해 로내온도를 검출하여 그 점은 일정하게 유지된다고 해도 화염현상의 변화에 따라 최고온도점은 전후로 이동하며, 로내의 균열성을 유지할 수는 없다.
이 때문에 로내에 있는 재료의 온도분포는 가열량에 의해 항상 변화하고 이 변화는 버너배치, 로형에 의해 결정되어 조정하는 것은 거의 불가능하다.



3. 적절한 히트패턴이 잡힌다
DN버너는 버너컵의 내면이 방열체로 되어 재료를 가열하기 때문에 열량을 필요로 하는 부분에 대해 적절하게 공급할 수가 있다.
1예로서 그림 4와 같이 단조로에서 개구부가 있는 문쪽은 항상 뒤쪽보다 온도가 내려가게 되므로 이 부분에 버너를 설치, 온도의 저하를 보상할 수가 있다.
또, 로타라하스, 푸셔식로 등의 연속사열로에서도 재료로의 입열량 분포에 응해, 혹은 가열속도의 예정곡선에 맞춰 버너배열을 결정하여, 최적의 히트패턴을 만들 수 있다.

4. 로의 승온속도가 빠르다
통상의 단조작업에서는 야간작업을 하지 않고, 로를 소화하기 위해 단조작업이 시작될 때까지 조조(이른아침)로에 점화하여 로를 승온해 둔다. 이 때문에 로의 승온시간은 작업성에 크게 영향을 미친다.
DN버너를 사용한 로는 연료가 컵내에서 완전연소하여 재료 및 로벽으로의 화염충격은 전혀 없기 때문에 로벽에는 단열성이 좋은 경량내화재를 사용하여 더욱 보오드류 등에 의해 충분단열을 할 수 있다.
이 결과 로외로의 열방산이 적어, 로외벽면의 온도를 낮게 유지할수 있기 때문에 로의 작업환경도 좋고, 또 열방산이 적은 것은 야간에 있어서 휴지시의 로온저하도 적어진다. 경량내화물은 그 밀도가 통상의 내화벽돌에 비해 1/10 이하이므로 그 축열량도 비례하여 적어진다.
이 결과 승온시간은 통상의 로의 40-60%에 그쳐 노무비를 경감시킬 뿐 아니라, 가열재 둔 당 실제 연료소비량을 감소할 수 있다.

5. 로의 내구도가 향상한다.
로벽으로의 화염에 따른 충격이 없기 때문에 로벽면에 핫스폿트가 생기지 않고, 스포링도 일어나지 않으므로 로벽 벽돌의 수명을 대폭 개선할 수가 있다.
통상의 연소기에서는 화염에 방향성이 있어 미연분을 일으킬 수 있으므로 문짝 등의 개구부에서 화염이 분출하여 로틀철물, 문짝 등을 소실할 수 있지만, DN버너에서는 버너컵에서의 연소가스는 균일하게 분포하여 분출하므로 이 같은 위험은 전혀 없다.

6. NOX의 발생량이 적다.
그림 5는 단조로에 있어서 배기가스중의 NOX 치의 실측치 예이다. DN버너는 SELAS사의 다른 라지엔트 버너와 동일원리의 연소방식을 사용하고 있으므로 NOX의 발생량은 다른 연소기에 비해 반이하로 되어있다.
이상 SELAS사의 DN버너를 사용한 단조로와 통상의 연소로와를 각 항목으로 나눠 비교하여 그 우수한 특성에 대해 기술했는데 이 DN버너는 루우프패널로서 표준화되어 있으므로 종래의 측분식 로의 천장을 개조하여 간단하게 설치할 수도 있고 기설의 로의 특성을 개선할 수가 있다.
이 일문이 단조로의 연소설비 선택에 있어 작은 도움이 된다면 좋겠다.
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