KR100218242B1 - 래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물 및 내장내화물의 보수방법 - Google Patents

래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물 및 내장내화물의 보수방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용강에 접촉되는 래들/턴디쉬 내장내화물의 손상 및 탈락부분에 대한 보수시 모재와의 견고한 결합 및 내식성증대로 사용수명을 향상시키는 보수재의 조성물 및 보수방법에 관한 것으로, 소결 또는 용융알루미나, 초미분알루미나, 마그네시아, 지르콘, 실리카, 보크사이트, 안다루사이트, 뮬라이트, 점토 중에서 1종 또는 2종 이상의 내화성원료 80∼97중량부, Na-Si계 결합제 2∼15중량부, 경화조정제 0.5∼5.0중량부로 조성된 보수재로 구성되고, 상기 보수재에 물을 가해 혼합한 후 이를 손상된 내장내화물 부위에 쇠손이나 기타도구를 사용하여 패칭(Patching)법으로 보수하는 방법에 관한 기술이다.

Description

래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물 및 내장내화물의 보수방법{Meterials for repair refractory lining of ladle or tundish and method for repair refractory lining}
본 발명은 용강을 담는 래들(ladle), 턴디쉬(tundish) 등의 내장내화물 보수를 위한 보수재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온용강에 접촉시 충분한 내식성을 갖음과 함께 모재와의 부착성이 견고하고, 용이한 작업성을 갖는 내장내화물 보수용 보수재의 조성물 및 내장내화물 보수방법에 관한 것이다.
최근 제철소 및 전기로 제강공장에서 강품질 향상 및 고급강 생산을 목적으로 ladle내 2차 정련처리와 LF조업을 실시하고 있는 추세에 따라 용강온도 상승과 각종 flux에 의한 래들 내장용 내화물의 손상정도가 심하게 발생하고 있다.
도 1은 기존의 래들 내장내화물의 일부구조에 대한 종단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 손상된 부분을 보수한 상태도 이다.
이에 나타낸 바와 같이 래들 내부에는 용강에 접하는 내화물벽체(1)와 슬라그(Slag)에 접하는 연와(2)가 축적되고, 그 외측에는 영구장연와(3) 및 철피(4)로 둘러 쌓여 있다.
일반적으로 전기로 업체의 래들 라이닝 재질은 벽체(1)가 Al2O3-MgO-C질이고, 슬라그라인 연와(2)는 MgO-C질이 주류를 이루고 있으나, 조업조건의 가혹화에 의해 벽체를 비롯한 연와부분이 침색되거나 탈락되는 등의 손상이 심화되고 있다.
따라서 래들용 내화물의 사용수명을 향상시키기 위해서는 사용재질의 품질향상이 필요하지만 대폭적인 수명향상을 위해서는 부분보수가 가능하여야 한다.
일반적인 보수 방법으로는 냉간 또는 열간에서 침식 또는 탈락부분에 보수재(5)를 스프레이(Spray), 패칭(Patching)에 의한 덧붙임 또는, 부분 해체하여 유입 시공하는 방법이 고려될 수 있지만 보수방법의 간편성, 설비투자, 기술적 문제 등을 고려할 때 패칭보수방법이 가장 간편한 방법이라 할 수 있다.
일반적으로 래들의 슬라그 라인 상부등 용강에 직접 잠기지 않는 부위에 철피(Shell) 보호를 목적으로 분말상의 재료에 수분을 첨가, 혼련후 쇠손이나 기타도구를 이용하여 시공하는 보수재가 사용되고 있으나, 이러한 재료는 주결합재로 알루미나 시멘트를 10∼20wt% 사용하기 때문에 상온에서 경화하는 성질을 갖지만 재료중의 CaO 함량이 높아 내식성이 저하되므로 용융금속에 직접 접촉되는 부위에는 적용할 수 없다.
종래의 용융금속 용기는 내장내화물의 벽체 보수재는 인산계와 실리케이트(Silicate)계로 구분할 수 있다.
인산계 보수재는 내화성 골재와 점토로 구성된 재료에 인산소다계 또는 인산알루미늄 용액을 결합재로 사용하는 조성물로 구성되어 있어 비교적 고온에서도 모재와의 결합력이 발현되는 특징을 가지고 있지만 이러한 재료는 대량시공시 자체 하중에 의한 처짐 현상이나 공기와 접촉되는 표면부에 피막이 형성되어 건조시 재료내부의 수분방출이 어려워 수증기압에 의해 터지거나 탈락되는 현상이 발생한다.
일본국 특개소 60-141680호 공보에는 샤모트, 알루미나등 내화성 골재와 점토로 구성된 조성물에 인산 알루미늄용액과 실리카 초미분을 혼합한 용액을 중량비 5∼30%를 첨가하는 것을 특징으로 하는 패칭 보수용 내화물의 제조방법에 대하여 보고되고 있다.
일반적인 패칭보수재의 처짐 현상이나 건조시 탈락되는 문제를 해결하였고 재료의 보관성을 개선한 내용이다.
그러나 패칭보수용 내화물은 습식으로 제조되기 때문에 장기 보관성에 한계가 있는 단점이 있고, 또한 내화도가 낮은 다량의 점토 또는 실리카(Slica)가 함유되어 있어 1600∼1700℃의 고온 용강에 대한 취약점을 지니고 있다.
실리케이트계 보수재는 상온 및 1000℃ 이하의 비교적 저온영역에서 결합력이 우수한 특징을 가지며, 주 조성은 내화성 골재 혼합물에 규산소다(Na-Si계 결합제) 수용액을 적정량 첨가하여 사용한다.
상기한 Na-Si계 결합제는 보수재의 자체결합력을 발현시킴과 함께 모재와의 부착성을 향상시키는 특징을 가지고 있다.
그러나 상기와 같이 Na-Si계 결합제만을 단독 사용함에 따라 대량 시공시 Na-Si계 수용액이 공기와 접촉된 부분에서 피막을 형성하여 내부수분 방출을 억제시킨다.
즉, 이와같은 실리케이트 보수재는 장시간 방치시 표면부에서 탄산화반응으로 Na2CO3또는 Na2CO3·xH2O를 생성시키기 때문에 피막이 형성되면 급가열 건조시 내부의 수증기압에 의한 조직의 부풀어오르는 현상 등으로 크랙이 발생되어 용융금 속의 침투가 우려되며, 또한 장시간 방치하여야 경화되는 성질을 나타낸다.
한편 Na-Si계 결합제를 경화하기 위해 Na-F계 경화제를 사용하는 경우도 있다.
그러나 이 경우는 모재의 성분중 실리콘카바이드나 카본의 산화를 촉진시켜 보수재와 모재의 결합력을 저하시킬 뿐만 아니라 모재의 내식성을 저하시키는 요인으로 작용하므로 사용범위가 제한되어 있다.
이와 같이 고온의 용융금속에 직접 접촉되는 부위인 래들 및 턴디쉬 내장내화물의 손상부위에 쇠손(Trowelling) 혹은 패칭(Patching)방법을 통한 보수재는 모재와의 열간 부착성이 저하되어 탈락이 용이하고, 내식성이 저하되는 단점 때문에 기피되고 있다.
또한 패칭 보수방법을 통한 보수재는 일반적으로 습식상태로 제조하여 현장에 공급하기 때문에 보관상태 및 온도, 습도에 의한 작업성 및 경시변화가 발생하여 제조 및 보관상의 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 내화성 골재에 실리케이트계 바인더와 경화조정제를 적절히 배합하여 고온용강에 대한 내식성 증대 및 모재와의 견고한 부착성 향상과 용이한 작업성을 갖는 내장내화물 보수용 보수재의 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 기존의 래들 내장내화물의 일부구조를 나타낸 종단면도
도 2는 도 1에서 내장내화물의 탈락부위를 나타낸 상태도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 벽체 2 : 슬라그연와
3 : 영구장연와 4 : 철피
5 : 보수재
상기 목적 달성을 위한 본 발명은 소결알루미나 또는 용융알루미나, 초미분 알루미나, 소결 마그네시아 또는 용융 마그네시아, 지르콘, 실리카, 보크사이트, 안다루사이트(andalusite), 뮬라이트(mullite), 내화점토중에서 선택한 1종 또는 2종 이상인 내화성물질 80∼97중량부, Na-Si계 결합제 2∼15중량부, 경화조정제 0.5∼5중량부로 조성된 래들/턴디쉬 내장내화물 보수용 보수재의 조성물로 구성된다.
래들 및 턴디쉬의 용강에 직접 접촉하는 부위에 사용되는 부분 보수재의 구비 특성으로써는, 혼련후 냉간 상태에서 모재연와와 부착성이 우수하고, 부착후 흐르거나 처짐 현상이 없어야 하며, 소형 믹서 이용시 혼련이 용이하며, 작업성이 용이하여야 한다.
그리고 적정경화 시간을 유지하며 자경성을 갖어야 하고, 슬라그 및 용융금속에 대한 내식성이 우수하여야 한다.
또한 고온에서 보수시 모재와의 열간부착성이 좋아야 하고, 모재와의 열간 선팽창차가 적어야 한다.
이와 같이 구비 특성을 만족시키기 위해서 본 발명은 결합력과 점도(Viscosity)를 부여하는 첨가제의 사용량을 최소화하며 또한 최소사용으로 고성능의 정점 효과를 얻을 수 있는 첨가제를 사용하는데 있다.
증점효과를 얻을 수 있는 첨가제는 유기계와 무기계로 구분할 수 있으며 유기계 첨가제는 상온에서의 증점효과는 우수하지만 열간에서 타버리기 때문에 조직이 다공화 되어 치밀하지 않는 단점이 있다.
반면 무기계 첨가제는 상온에서 혼련시 용해성이 낮은 특성 때문에 혼련시간이 길고 또한 시공후 처짐성이 있는 단점이 있으나 열간에서 부착성이 우수한 장점을 갖고 있다.
따라서 증점효과가 우수한 유기계 및 무기계 첨가제를 적정비율로 조합하여 첨가하면 상온 및 열간에서의 접착성을 향상시킬 수 있다.
또한 모재의 화학조성과 보수재의 화학조성을 일치시켜 냉열간 반복사용시 재질적으로 열팽창 수축율의 차이를 최소화함으로써 모재와 보수재의 결합면에서의 응력발생을 억제하고 장기간 부착성이 발현될 수 있다.
본 발명은 상기한 증점효과를 갖을 수 있도록 실리케이트계와 인산계 결합방식을 조화시키는데 있는 것으로, 저융점 화합물의 원인이 되는 점토류 및 인산알루미늄계 사용량을 최소화하고, 저온에서 고온 영역까지의 광범위하게 부착특성이 우수한 실리케이트 바인더를 사용하는데 있다.
또한 습식재료의 보관성의 문제를 해결하기 위하여 건식의 재료를 개발하는데 있다.
건식재료는 장기간 보관 시에도 품질변화가 거의 없고 사용현장에서 소형 모르타르 믹서(mortar mixer)를 이용하여 혼련후 사용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 내화성 물질의 입자들은 쇠손이나 손으로 시공할 때 밀림성이나 충진성이 양호하도록 적절히 입도분포가 조정되어 있으며 주요 광물구성은 알루미나, 마그네시아, 지르콘, 소성보크사이트, 안다루사이트, 초미분알루미나, 뮬라이트, 점토 또는 그 혼합물로 만드는 것이 바람직하다.
상기 내화성 물질중 알루미나는 대략 94∼99중량%의 Al2O3을 포함하는 용융 또는 소결시켜 만든 물질을 말한다.
마그네시아는 92∼98중량%의 MgO와 미량의 실리카(SiO2) 또는 칼시아(CaO) 등을 포함하는 물질을 말한다.
지르콘은 산화지르코늄(ZrO2)과 산화규소의 몰비가 1:1이며 67.2중량%의 산화지르코늄(ZrO3)과 32.8중량%의 산화규소(SiO2)로 구성되어 있다.
소성 보크사이트는 87∼91중량%의 Al2O3과 미량의 산화티타늄(TiO2)을 함유하고 있으며, 초미분 알루미나는 알루미나와 거의 동일한 화학조성을 가지나 44마이크로미터 이하의 입경을 가진 입자가 전체의 80중량%를 가지는 물질을 말한다.
뮬라이트(mullite)는 분자식이 3Al2O32SiO2이며, 10∼29중량%의 SiO2와 70∼87중량%의 Al2O3을 함유하는 물질을 말한다.
안다루사이트(andalusite)의 일반적 화학식은 Al2O3SiO2로 표현되며 35∼38중량%의 SiO2와 60∼63중량%의 Al2O3를 함유하는 물질을 말한다.
실리카(silica)는 95중량% 이상의 SiO2를 함유한 천연산 규석 또는 인공적으로 제조된 물질을 말한다.
점토는 25∼40중량%의 Al2O3과 42∼62중량%의 SiO2를 함유하며 보수재의 점성을 증진하여 모재와의 부착후 처짐성을 억제한다.
이러한 내화성 물질의 사용량은 총부분 보수재의 80∼97중량부 범위에 사용되어야 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
내화성 물질의 사용량이 80중량부 이하일 경우 Na2O-SiO2-Al2O3상평형계에서 저융점 화합물 생성에 따른 부분보수재의 내화도를 하락시키기 때문에 내침식성이 떨어진다.
또한 내화성 물질의 사용량이 전체의 97중량부 이상일 때 내침식을 나타낼 수 있다.
내화성 물질은 10중량부 이하의 내화점토를 포함한다.
내화성 골재의 2종 이상 혼합시 내화점토의 첨가량이 10중량부 이상일 경우는 첨가수분의 증가로 인한 기공율의 증가, 치밀도저하 및 저융물 형성이 용이하여 내침식성이 떨어진다.
단, 바닥과 같이 평평하고 시공후 보수재가 처질위험이 없는 부위 또는 시공두께가 얇을 경우 내화점토를 첨가하지 않아도 무방하다.
또한 사용조건의 온도가 1600℃ 이상의 고온분위기이거나 침식손상이 심한 가혹 조건하의 천정부위나 수직의 벽체의 부분보수시에도 내화점토의 사용량을 최소화 또는 사용치 않는다.
이때 점력을 부여하기 위한 유기계 증점제는 2중량부 이하의 범위에서 첨가하여 사용하면 내식성 저하없이 양호한 결과를 나타낸다.
유기 증점제는 고분자 셀룰로스계 물질로 되어 있다.
상기한 각각의 내화성 원료와 함께 Na-Si계 결합제와 경화조정제를 포함한다.
Na-Si계 결합제는 보수재의 자체 결합력을 발현시킴과 동시에 내식성, 모재와의 냉간, 열간부착성을 향상시키는 것으로 사용량은 2∼15중량부 범위로 한다.
상기 범위를 벗어나면 내침식성과 부착성 특성을 동시에 만족하는 결과를 기대할 수 없다.
Na-Si계 결합의 화학식은 Na2On·SiO2·H2O로 표현되며, SiO2/Na2O의 몰비가 2∼3.5범위것을 사용함이 바람직하다.
몰비가 3.5이상에서는 함수 Si이온의 평균길이가 크며 용해도가 낮기 때문에 부분보수재를 혼련시 시공작업성 발현이 늦게 나타나며 시공완료후 보수재가 처지는 현상이 나타난다.
또한 몰비가 2이하인 경우는 혼련후 점성이 낮아 흐르는 성질이 있으며 부착성이 저하된다.
경화조정제는 P2O5를 주성분으로 하고 PH범위(1%수용액)가 2.5∼4.5인 분말상을 갖는 것으로, Na-Si계 결합제의 경화를 촉진하여 강도를 증대시키며, 건조시 부풀음이나 크랙발생을 억제한다.
이러한 경화조정제는 30∼40중량%의 Al2O3와 50∼70중량%의 P2O5품위를 갖는 것이 바람직하며, 이와 같은 품위를 갖는 것을 0.5∼5.0중량부 사용한다.
상기 품위를 갖지 않는 경우는 Na-Si계 결합제의 경화특성을 조정할 수 없으며, 바람직한 첨가량은 Na-Si계 결합제 사용량의 약 20∼40중량% 범위에서 적정강도를 발현한다.
또한 경화조정제는 Na-Si계 결합제의 취약점인 고온에서의 부착성을 개선하는 역할을 한다.
다음은 실시예에 따라 설명한다.
표 1과 같이 원료를 혼합함으로써 부분보수재의 조성물을 제공한다.
그 결과로 나온 부분보수재의 조성물은 열간 또는 냉간에서 모재와의 탁월한 접착성을 갖으며 강도, 내침식성, 내크렉(Crack)성면에서 우수한 성질을 나타낸다.
또한 카본이나 실리콘 카바이드를 함유한 벽돌의 보수재로 이용할때에는 모재의 내산화성을 보강함으로써 벽돌의 수명향상 효과를 얻을 수 있다.
(단위 : 중량부)
발명예 비교예
내화성물질(1종또는 2종 이상으로 혼합된 조성) 90 94 98 75
증점제(유기계) 0.5 0.5 0.5 0.5
Na-Si계 결합제 7.5 4 1 20
경화조정제 2.0 1.5 0.4 4.5
부착성 냉간부착성우수 열간부착성우수 부착후 표면수축 강도취약 양호
내식성 양호 양호 양호 저하
보수재의 재질구분 Al2O3 Al2O3-MgO MgO Al2O3 ZIRCON
적용내화물 (모재) Hi-alumina 질연와 Al2O3-MgO-C연와Al2O3-MgO질Castable MgO-C연와 Hi-Alumina 질연와 및 Castable Zirconn질연와 및 Castable
적용부위 래들 래들 래들 턴디쉬 래들
표 1의 내화성 물질은 1종 혹은 2종 이상의 내화원료로써 혼합된 조성물로 구성되어 있고, 사용장소의 온도, 슬래그의 조성등 사용조건에 따라 내화성물질의 재질을 알루미나질, 알루미나-마그네시아질, 마그네시아질, 샤모트질, 지르콘질 등으로 재질을 설계한다.
또한 모재와의 열팽창성, 화학반응성을 고려하여 모재의 화학조성과 비슷하게 부분 보수재의 조성물을 설계하는 것이 원칙이다.
예를들어, 지르콘질 연와를 사용하는 모재에 알루미나질 부분보수재를 적용할때에 지르콘과 알루미나의 계면에 침식이 가속화 되는 현상이 발생한다.
이는 열간에서 알루미나가 지르콘의 해리를 촉진하기 때문이다.
표 2에서는 내화성 물질의 재질구성에 따른 부분보수재의 적용부위 및 모재의 재질을 요약하였다.
이상에서와 같이 본 발명은 각종 내화성원료에 Na-Si계 결합제와 인산알루미늄인 경화조정제를 적절히 배합하여서된 보수재를 래들/턴디쉬 내장내화물의 침식 또는 탈락부분의 보수용으로 사용하여 부착시 냉간 또는 열간을 불문하고 모재와의 부착성이 견고하고, 용강침식에 따른 내식성이 양호하는등 강도발현으로 내장내화물의 사용수명을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (6)

  1. 소결 또는 용융 알루미나, 초미분 알루미나, 소결 또는 용융마그네시아, 지르콘, 실리카, 보크사이트, 안다루사이트(andalusite), 뮬라이트(mullite), 내화점토 중에서 선택한 1종 또는 2종 이상의 내화성 원료 80∼97중량부, Na-Si계 결합제2∼15중량부, 30∼40 중량%의 Al2O3와 50∼70 중량%의 P2O5로 배합된 경화조정제 0.5∼5.0중량부로 조성됨을 특징으로 하는 래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성에 유기 증점제가 2.0중량부 이하 포함됨을 특징으로 하는 래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    유기증점제가 고분자 셀룰로스계 물질임을 특징으로 하는 래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    Na-Si계 결합제를 SiO2/Na2O의 몰비가 2∼3.5 범위임을 특징으로 하는 래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    내화성원료 80∼97 중량부중에 내화점토가 10중량부 이하 포함됨을 특징으로 하는 래들/턴디쉬 내장내화물의 보수재 조성물.
  6. 제 1 항의 보수재 조성물에 물을 가해 혼합한 후 이를 래들/턴디쉬의 손상된 내장내화물 부위에 쇠손이나 기타 도구를 사용하여 패칭(Patching)법으로 보수함을 특징으로 하는 래들/턴디쉬 내장내화물의 보수방법.
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