미쯔비시 공정 중 용련로 내 전달현상과 랜스에 작용하는 응력 수치해석 연구

Abstract

본 연구는 미쯔비시(Mitsubishi) 공정 중 동정광을 용해하는 S로에 대한 수치모델 개발을 목적으로 한다. S로는 내부의 격렬한 반응과 용탕 또는 매트의 비산 등으로 인해 실험적인 접근이 매우 어렵고 따라서 수치 해석 모델을 개발하여 반응로 내부의 전달 현상과 반응, 미세 입자의 움직임에 대한 해석이 가능하다면 공정 조건의 최적화와 장치의 개선에 대한 기초 자료로 사용될 수 있을 것이다. 과거의 연구들은 노 내부의 유동을 하나의 시스템에서 해석하기보다 국부적인 영역에 초점을 맞추어 해석을 진행하여 각 요소들간의 상관관계들을 파악하는데 주력하였다. 이번 연구에서는 과거의 연구들보다 넓은 관점에서 노를 재현하고자 하며 상용코드를 활용하여 노 내부의 유동을 파악하고 위 데이터를 바탕으로 열응력 관점에서 랜스를 파악하는 것을 목적으로 하였다. 노 내부의 유동을 파악하는데 있어서 먼저 노 내부를 재현할 수 있는 글로벌 모델을 VOF 와 DPM을 사용하여 만들었다. 노 내의 매트의 유동과 입자의 흐름, 온도분포에 대해서 열유동해석을 진행하였고 계면으로부터의 높이가 서로 다른 세 가지 경우에 대해서 비교 분석하였다. 유동의 경우, 계면으로부터 랜스 끝단의 높이가 감소할수록 노 내부의 유동이 격렬해지는 경향을 보이게 되고 노 내부의 혼합에도 영향을 끼치게 된다. 노 내부의 유동이 격렬해질수록 교반이 잘 일어날 수 있는 환경이 조성되나 반대로 입자가 랜스사이로 많이 비산됨에 따라 용련반응이 일어나게 되는 계면에서의 입자의 양이 줄어들게 되는 현상을 보이게 된다. 위 유동 자료를 바탕으로 연동해석을 진행하였고 노 내의 랜스에 많은 열응력이 작용하고 있음을 확인할 수 있으며 축방향으로 서로 다른 방향의 열응력이 존재하게 됨을 확인할 수 있다. 랜스 벽을 따라 생기는 온도구배에서 그 원인을 찾을 수 있다. 열응력 계산 결과를 토대로 논문에 나온 문헌값과의 비교를 통해 파괴 요인에 대해서 생각해보면 Cleavage 와 Creep 이 원인이 될 수 있다는 것을 생각해 볼 수 있다. 공정상의 랜스의 온도 변화가 랜스의 미세구조 변화에 영향을 주어 열응력에 대한 저항성을 약화시킬 수 있다는 것도 함께 확인이 가능하다.