직접 환원 샤프트 용광로를 수소로 작동하는 것은 기존의 탄소 기반 공정과 근본적으로 다른 응력 환경을 조성합니다. 주요 과제는 수소가 표준 내화물 재료에서 산소를 화학적으로 환원하거나 "제거"하는 고유한 능력과 다공성 구조를 통과하고 열을 빠르게 전달하는 경향에서 비롯됩니다.
핵심 통찰력: 수소는 용광로 내에서 산소의 미세 용매처럼 작용합니다. 분자 크기가 작아 라이닝 깊숙이 침투할 수 있으며, 산소에 대한 화학적 친화력은 내화물 재료에 강도를 부여하는 산화물을 분해하여 표준 재료를 사용할 경우 필연적인 구조적 파손을 초래합니다.
수소 공격 메커니즘
산화물의 화학적 불안정성
가장 중요한 과제는 수소의 강력한 환원 특성입니다. 기존 내화물 라이닝은 산화물(산소와 금속의 화합물)로 구성됩니다.
고온 수소 대기에서 수소가 이러한 화합물에서 산소를 "훔치는" 화학 반응이 발생합니다. 이 과정은 재료의 화학적 무결성을 손상시켜 내부에서부터 분해됩니다.
구조적 붕괴
내화물 재료 내의 산화물이 환원되면 재료는 응집력을 잃습니다. 고체 구조를 유지하는 화학 결합이 끊어집니다.
이는 종종 라이닝의 부서짐, 먼지 발생 또는 기계적 강도 완전 상실로 나타나는 상당한 구조적 손상으로 이어집니다.
물리적 및 열적 장벽
투과성 문제
수소는 분자 크기가 매우 작기 때문에 투과성이 높습니다. 더 큰 분자 가스와 달리 수소는 표준 내화물 벽돌의 미세 기공을 쉽게 통과할 수 있습니다.
이는 밀봉 능력을 중요한 과제로 만듭니다. 라이닝이 가스를 효과적으로 차단하지 못하면 용광로 쉘이 위험한 열과 반응성 가스에 노출됩니다.
열 절연의 어려움
수소는 열전도율이 높습니다. 기존의 고로 또는 가스 기반 환원 샤프트에서 발견되는 가스보다 훨씬 효율적으로 열을 전달합니다.
이는 라이닝의 열 절연 특성에 더 높은 요구 사항을 부과합니다. 내화물 재료는 열 손실을 방지하고 외부 강철 쉘이 과열되는 것을 방지하기 위해 더 열심히 작동해야 합니다.
절충안 이해
재료 불활성 대 가용성
수소 환원에 대처하기 위해 엔지니어는 범용 내화물에서 벗어나야 합니다. 초점은 순수 또는 혼합 수소 대기에서 반응하지 않는 재료로 전환되어야 합니다.
알루미나 솔루션
산업 데이터에 따르면 이러한 환경에는 일반적으로 고알루미나 또는 알루미나-실리케이트가 선택됩니다. 이 재료는 다른 산화물 기반 내화물에 비해 수소 공격에 대한 저항성이 우수합니다.
설계의 복잡성
그러나 올바른 재료를 선택하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 설계 실행도 똑같이 중요합니다. 수소는 매우 확산성이 높기 때문에 라이닝은 높은 밀봉을 보장하기 위해 특수 제작 기술이 필요합니다.
표준 벽돌 쌓기의 단순성을 극도의 가스 밀봉과 균형을 이루어야 하는 복잡하고 고성능 시스템으로 바꾸는 것입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
수소 기반 직접 환원을 위한 내화물 라이닝을 선택할 때는 무엇보다 화학적 안정성과 밀봉을 우선시해야 합니다.
- 주요 목표가 내구성인 경우: 수소의 환원 효과에 대한 저항성이 가장 높으므로 고알루미나 또는 알루미나-실리케이트 구성을 우선적으로 고려하십시오.
- 주요 목표가 열 효율인 경우: 라이닝 설계가 수소의 높은 열전도율을 고려하여 절연 두께 또는 밀도를 증가시켜 쉘 과열을 방지하도록 하십시오.
- 주요 목표가 안전인 경우: 수소의 높은 투과성을 완화하고 라이닝을 통한 가스 누출을 방지하기 위해 높은 밀봉 능력에 집중하십시오.
수소 샤프트 용광로의 성공은 열을 유지하는 것뿐만 아니라 가스가 용기를 화학적으로 분해하는 것을 방지하는 데 달려 있습니다.
요약 표:
| 과제 범주 | 수소의 주요 영향 | 내화물에 대한 결과 |
|---|---|---|
| 화학적 안정성 | 수소가 금속 산화물에서 산소를 제거함 | 구조적 붕괴, 부서짐 및 응집력 상실 |
| 투과성 | 작은 분자 크기로 깊숙이 침투 가능 | 가스 밀봉 불량 및 용광로 쉘 위험 |
| 열전도율 | 가스를 통한 빠른 열 전달 | 열 손실 증가 및 외부 쉘 과열 위험 |
| 재료 선택 | 표준 산화물은 반응성이 높음 | 특수 고알루미나 또는 알루미나-실리케이트 필요성 |
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