KR100415643B1

KR100415643B1 - 코렉스 용융로 노즐용 내화조성물

Info

Publication number: KR100415643B1
Application number: KR10-1998-0054690A
Authority: KR
Inventors: 전웅; 김행구
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1998-12-12
Filing date: 1998-12-12
Publication date: 2004-03-19
Also published as: KR20000039371A

Abstract

본 발명은 코렉스 용융로 노즐용 내화조성물에 관한 것이며, 그 목적하는 바는, 코렉스 용융로에 산소를 공급하는 노즐에 있어 노즐구의 내부면에 세라믹부재를 결합하는 방안을 적용할 때, 사용되는 세라믹부재를 MgO, Cr₂O₃, Al₂O₃로 이루어진 내화조성물로 적용함으로서, 보다 우수한 열충격저항성 및 코렉스 용융 슬래그에 대한 침식저항성을 나타내어 기존노즐 대비 긴 수명을 갖는 코렉스 용융로 노즐을 얻고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 코렉스 용융로에 산소를 공급하는 노즐에 있어 노즐구의 선단중앙부에 산소라인과 동축을 유지하면서 일정크기로 함몰 형성된 요홈부의 내주면에 결합되는 중공형 세라믹부재에 사용되는 내화조성물에 있어서, 중량%로, MgO:40-60%, Cr₂O₃:15-45%, Al₂O₃:5-40%, 나머지 첨가제를 포함하여 구성되는 코렉스 용융로 노즐용 내화조성물에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

코렉스 용융로 노즐용 내화조성물{REFRACTORY COMPOSITIONS FOR CERAMIC LINED COPPER NOZZLE FOR COREX}

본 발명은 코렉스(COREX) 용융로에 산소를 공급하는 노즐에 적용되는 내화조성물에 관한 것이다.

일반적으로 코렉스 설비는 철광석을 환원시키는 환원로와 환원로로부터 공급된 환원철을 용융시키는 용융로로 대별된다. 환원철을 용융시키는 용융로에는 환원철의 용융을 위해 열원으로 석탄이 사용되고 석탄을 연소시키기 위해 고압의 산소가 용융로 내부로 유입된다. 용융로 내부로 고압의 산소를 유입시키기 위해 용융로 본체에 설치되는 산소노즐은 재질이 구리로 이루어져 있고 냉각수가 노즐내부로 유입되어 노즐을 냉각한 후 다시 배출되는 수냉방식이 채택되어 있다.(도 1 참조)

고로(Blast Furnace)의 경우 오랜 역사와 함께 트위어(Tuyere)의 수명을 향상시키기 위하여 여러 가지 연구가 진행되어 왔고 이에따라 트위어의 수명도 향상되었다. 이러한 여러 가지 노력중 트위어의 주조시 표면이 거친 세라믹 기층(Ceramic Substrate), 다공성 세라믹, 또는 세라믹 칩(Ceramic Chip)을 설치하고 그 위에 주물을 부어 트위어 선단부위에 세라믹-금속(Ceramic-Metal)복합재료를 형성시켜 침식 및 마모에 대한 저항성을 향상시킨 경우도 있으나 이 방안은 제조시 세라믹 재질의 크랙현상(Craking) 발생 및 실효성에 문제가 있어 사용되고 있지 않다.(JP 6172834 A, DE 3724995 A)

또한, 주로 내부면이 침식당하는 코렉스 산소 트위어(COREX Oxygen Tuyere)와는 달리 고로 에어 트위어(Air Tuyere)는 트위어의 외부표면이 손상된다. 이러한 침식현상을 억제하기 위하여 고로 트위어의 상부 외부 표면에 세라믹 재질을 열전달성이 우수한 접착제를 이용하여 부착시키고 선단부위는 접착제를 이용하여 세라믹 플러그(Ceramic Plug)를 끼워 넣는 방안을 강구하였다. 그러나 이 방안은 조업조건에 이상이 발생하여 트위어가 고온으로 가열될 때 접착제의 용융현상에 의해 세라믹 플러그가 탈착되어 유실될 가능성이 높고 열충격에 의해 볼트에 의해 체결된 부위의 크랙현상으로 트위어의 외부에 장착된 세라믹스가 탈착될 가능성이 높다.(GB2236169 A, JP 62151505 A)

한편, 고로 트위어에 의해 주로 공기가 공급된다는 사실에(Blowing Air내의 산소농도가 낮음)착안하여 SiC가 주성분(SiC함량 최소 90%, 기공율 3-17%)인 세라믹 튜브(ceramic Tube)를 고로 트위어 내부에 장착한 경우에는 고로의 조업조건에서는 높은 수명을 가질수 있으나 순수한 산소(99.9%이상)를 주로 공급하는 코렉스 산소 트위어에 적용할 경우에는 산소와 SiC의 반응에 의해 (CO₂가스 발생) 세라믹 튜브 자체가 파괴 될 가능성이 높다.(JP 2240207 A)

또한, 선단부위에 세라믹 보호관이 장착된 세라믹 파이프(Ceramic Pipe)를 나사산에 의해 금속 랜스파이프(Metallic Lance Pipe)에 접합시키고 이 금속랜스파이프를 트위어 내부로 삽입하여 고정하는 방법이 고안되었는데 이는 세라믹 보호관 및 금속 랜스파이프가 요구되는 등 비교적 다량의 부품과 결합공정이 요구되고 여러개의 결합공정은 부품파손의 확률을 높이는 단점이 있다.(JP 2118010 A)

한편, 고로 트위어 내부 선단에 알루미나(Alumina)와 산화크롬(ChromiumTrioxide(Cr₂O₃))이 주성분인 링(Ring)형태의 세라믹을 장착하여 단열효과를 극대화한 발명품은 순산소 조업을 하는 코렉스의 경우에는 적합하지 못하다.(JP1240608 A)

또한, 고로 트위어의 수명을 향상시키기 위하여 알루미나, 질화보론(Boron nitride), 탄화크롬(Chromium Carbide), 서맷(Cermet)등을 고로 트위어 외부에 일정 두께로 코팅(Coating)을 하는 경우에는 고가의 코팅장비가 요구될 뿐 아니라 두께가 얇아 침식저항성 증대효과가 의심된다. 또한, 다층의 코팅이 요구될 경우가 많아 제조공정 또한 복잡해지는 단점이 있다.

한편, 고로 트위어의 내부에 Si₃N₄, SiC, Al₂O₃등의 세라믹라인(Ceramic Line)를 삽입하고 트위어의 내벽과 세라믹라이너(Ceramic Liner)의 사이의 갭(Gap)을 내화재료(Castable Material)로 충진하는 경우 세라믹라이너와 트위어의 내벽과의 접착력이 기계적 결합대비 낮을 뿐 아니라 급열, 급냉이 지속적으로 반복되는 코렉스 공정의 경우(고로의 경우 급열, 급냉등의 온도변화가 거의 없고 트위어를 한번 장착하면 일정온도에서 지속적으로 사용함) 세라믹라이너의 연속되는 열팽창, 수축에 의해 탈락이 우려된다. 또한, 내화재료의 건조 및 가열공정도 추가되므로 제작공정이 길어 지는 단점이 있다.(JP 58189312 A)

또한, 이러한 노즐 침식현상은 구리노즐(Copper Nozzle) 내부에 설치되어 있는 냉각수 라인까지 진행되어 냉각수의 유출을 야기시키고 최종적으로 용융로 내부로의 냉각수 유입을 유발하여 돌발적인 조업중단을 야기시킨다.

따라서, 용융온도가 높고 고온의 용융물에 대한 침식저항성이 구리 대비 우수한 알루미나질 세라믹스를 구리 노즐의 선단부위에 장착시킨 트위어가 개발되었다.(대한민국 특허출원번호 1998년 제 36587호)

그러나, 코렉스에서 발생하는 슬래그(Slag)의 경우 다량의 FeO를 함유하고 있어 알루미나 대비 코렉스 용융슬래그에 대한 침식저항성이 우수한 세라믹을 선단부위에 장착할 시 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 알루미나질 세라믹스 대비 열충격저항성 및 고온 슬래그에 대한 침식저항성이 향상된 세라믹재질을 구리 노즐의 선단부위에 장착할 시 구리 노즐의 수명이 향상되어 돌발적인 조업중단사태를 억제할 수 있을 뿐 아니라 코렉스설비의 유지, 보수기간을 연장시켜 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 세라믹스와 구리 노즐의 선단부위에 장착하는 방안은 대한민국 특허출원번호 1998년 제36587호에 명시되어 있다.

하지만, 상기 대한민국 특허출원번호 1998년 제36587호에 명시된 기술을 적용하면 용융물에 대한 침식저항성이 우수하고 고압 산소가스에 대한 내마모성이 향상된 노즐을 얻을 수 있었으나, 보다 향상된 효과를 얻기 위해서는 상기 기술에 명시된 세라믹 부재의 열충격저항성 및 코렉스 용융슬래그에 대한 침식저항성을 향상시킨 내화 재료의 적용이 요구된다.

이에, 본 발명자들은 상기 요구에 부응하기 위해 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 대한민국 특허 출원번호 1998년 제36587호에 명시되어 있는 방안을 적용할 때 사용되는 세라믹부재를 MgO, Cr₂O₃, Al₂O₃로 이루어진 내화조성물로 적용함으로서, 보다 우수한 열충격저항성 및 코렉스 용융 슬래그에 대한 침식저항성을 나타내어 기존노즐 대비 긴 수명을 갖는 코렉스 용융로 노즐을 얻고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 코렉스 용융로용 노즐을 도시한 종단면도

도 2은 세라믹부재가 단부에 설치된 노즐을 도시한 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1...노즐2...노즐본체

3...노즐구4...산소라인

5...냉각수라인P...세라믹 부재

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 코렉스 용융로에 산소를 공급하는 노즐에 있어 노즐구의 선단중앙부에 산소라인과 동축을 유지하면서 일정크기로 함몰 형성된 요홈부의 내주면에 결합되는 중공형 세라믹부재에 사용되는 내화조성물에 있어서, 중량%로, MgO:40-60%, Cr₂O₃:15-45%, Al₂O₃:5-40%, 나머지 첨가제를 포함하여 구성되는 코렉스 용융로 노즐용 내화조성물에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 코렉스(COREX) 용융로에 산소를 공급하는 노즐에 적용되는 내화조성물의조성에 관한 것으로, 상기 노즐에 있어 노즐구의 선단중앙부에 결합되어 노즐의 침식억제에 기여하는 세라믹부재의 재질에 관한 것이다.

본 발명에서는 상기 재질로서, 중량%로, MgO:40-60%, Cr₂O₃:15-45%, Al₂O₃:5-40%, 나머지 첨가제를 주성분으로 포함하는 내화물을 이용한다.

상기 MgO는 전체 조성중에서 40-60%가 되도록 하는 것이 바람직한데, 그 함량이 40%미만이면 열충격저항성이 저하되는 경향을 보이고, 60%를 초과하면 내식성이 저하되고 소결이 어려워지는 경향이 있기 때문이다.

상기 Cr₂O₃는 전체 조성중에서 15-45%가 되도록 하는 것이 바람직한데, 그 함량이 15%미만이면 열충격저항성이 저하되는 경향을 보이고, 45%를 초과하면 내식성이 저하되는 경향이 있기 때문이다.

상기 Al₂O₃는 전체 조성중에서 5-40%이하가 되도록 하는 것이 바람직한데, 그 함량이 5% 미만이면 내식성이 저하되고, 40%를 초과하면 열충격저항성이 저하될 뿐만 아니라 소결성이 저하되는 경향을 보이기 때문이다.

본 발명에서는 상기 MgO, Cr₂O₃, Al₂O₃를 주성분으로 하고 나머지 첨가제는 통상적으로 첨가되는 첨가제들을 사용하여 구성되어 진다. 상기 첨가제로는 CaO, SiO₂, Fe₂O₃등을 예로 들 수 있다.

또한, 본 발명의 세라믹 재질은 기존(대한민국 특허출원98-36587)에 적용가능한 모든 형태에 적용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예 1

하기표 1에 명시된 화학조성을 가지는 각종 세라믹 시편을 1cm x 1cm x 1cm크기로 제작하고, 하기표 2에 명시된 조성을 가지는 슬래그(Slag)와 함께 백금도가니에 넣어 1600℃까지 가열한 후 2시간 동안 유지하였다. 가열이 완료된 후 시료를 채취하여 슬래그와 반응하여 용출되지 않고 잔존하는 세라믹 시편들의 중량을 측정하였다. 측정후 그 결과를 하기표 3에 나타내었다.

구분	화학성분
구분	비교재1	비교재2	비교재3	발명재4	발명재5	발명재6	발명재7	종래재8
화학조성(중량%)	MgO	10	15	20	40	60	55	45	0.1
	CaO	2	1	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	0.1
	SiO₂	1	1	1	1.5	1.5	1.5	1.5	0.05
	Al₂O₃	80	75	70	40	10	5	5	99.7
	Fe₂O₃	5	4	1.5	2.0	2.0	2.0	2.0	0.05
	Cr₂O₃	2	4	6	15	25	35	45	-

구분	화학성분
함량(중량%)	MgO	CaO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃
함량(중량%)	14.3	37	34.2	9.5	5.0

구분	비교예	발명예	종래예
화학조성	비교재1	비교재2	비교재3	발명재4	발명재5	발명재6	발명재7	종래재8
잔존율(중량%)	67	65	68	75	80	83	87	62

상기표 3에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예의 경우는 기존의 재질인 종래예나 본 발명의 조건을 벗어난 비교예에 비하여 우수한 특성을 보였다.

실시예 2

코렉스용융로용 구리노즐(Nozzle 내경 26mm)의 선단에 도 2에서 보인 것과 같은 모양으로 소형 세라믹 부재(MgO 및 Cr₂O₃가 주성분)를 설치하였다. 이때, 상기 세라믹 부재는 상기 실시예 1에서 비교재 (3), 발명재 (4-7), 종래재(8)와 같은 재질을 사용하였다.

상기와 같이 노즐(Ceramics Lined Copper Nozzle)을 제작하고 상기 표1과 같은 조성을 가지는 슬래그를 1600℃로 가열하여 노즐 내부로 유입시킨 후 압축공기를 이용하여 반대편에서 슬래그 유입방향쪽으로 상온의 공기(Air)를 블로잉(Blowing)하는 실험을 10회 반복한후 침식길이 측정 및 세리믹 라이닝(Ceramics Lining)에서의열충격에 의한 파괴여부관찰을 행하였다.

침식시험 후의 노즐내부의 침식길이 및 열충격에 의한 세라믹 재질의 파괴여부는 하기표 4에 나타내었다.

구분	발명예
구분	비교재3	발명재4	발명재5	발명재6	발명재7
침식길이(mm)	4	3	2	2	2
열충격파괴여부	세라믹 재질내부에 열충격에 의한 크랙(Cracking)은 발생하지 않았음
구분	비교예
구분	종래예8(현행 Alumina Lined Copper 노즐)
침식길이(mm)	10
열충격파괴여부	알루미나재질에 열충격에 의한 다소의 크랙(Craking)발생

상기표 4에 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예의 세라믹 부재는 재질 내부에 열충격에 의한 크랙이 발생하지 않았으며, 침식길이도 3mm이하로 우수하였다.

이에 반하여, 비교재 3을 사용한 경우에는 크랙은 발생하지 않았지만, 침식길이가 발명예에 비하여 다소 떨어지는 경향을 보였고, 종래재 8을 사용한 경우에는 크랙이 발생하고 침식길이 역시 10mm로 열악하게 나타났다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 알루미나 재질 대비 열충격저항성 및 코렉스에서 생성된 고온 용융물에 대한 침식저항성이 높은 MgO-Cr₂O₃계 재질을 도 2에 도시된 것과 같이 구리(Copper)노즐에 접합하여 코렉스 용융로 산소노즐로 사용할시 알루미나재의 노즐(Alumina Lined Copper Nozzle) 대비 수명이 연장되어 코렉스 설비의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다

Claims

코렉스 용융로에 산소를 공급하는 노즐에 있어 노즐구의 선단중앙부에 산소라인과 동축을 유지하면서 일정크기로 함몰 형성된 요홈부의 내주면에 결합되는 중공형 세라믹부재에 사용되는 내화조성물에 있어서,

중량%로, MgO:40-60%, Cr₂O₃:15-45%, Al₂O₃:5-40%, 나머지 첨가제를 포함하여 구성되는 코렉스 용융로 노즐용 내화조성물.