KR100428626B1 - 지금부착 방지용 무기도료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정련 레이들(ladle)이나 전로 등의 설비에서 사용되는 취련용 랜스(lance)의 표면에 도포하여 부착되는 지금이나 슬래그를 효과적으로 제거하기 위한 무기도료에 관한 것으로서, 그 목적은, 랜스 금물에 손상을 가하지 않으면서 랜스 표면에 부착된 지금이나 슬래그류를 효과적으로 제거하는 무기도료를 제공하는 데 있다. 이를 위해 본 발명에서는, 크롬광 함량을 SiC 함량으로 나눈 값이 1 ~ 4 인 무기분말이 40 ~ 60 중량%이고, 잔부가 물로 구성되며, SiO₂함량을 Na₂O 함량과 K₂O 함량의 합으로 나눈 값이 1.5 ~ 3 인, 나트륨실리케이트와 칼륨실리케이트로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종이, 외삽으로 상기 무기분말의 함량에 대하여 10~20 중량% 첨가되고, 주성분이 SiO₂와 Al₂O₃인 점토계 무기화합물이 외삽으로 상기 무기분말의 함량에 대하여 0.5 ~ 3 중량% 첨가된 무기도료를 랜스의 표면에 도포하여 지금층의 탈락을 유도한다.

Description

지금부착 방지용 무기도료 {Inorganic coating for preventing the adhesion of molten steel}

본 발명은 무기계 도료에 관한 것으로, 정련 레이들(ladle)이나 전로 등의 설비에서 사용되는 취련용 랜스(lance)의 표면에 도포하여 조업 중 부착되는 지금이나 슬래그류를 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 무기도료에 관한 것이다.

고로에서 생산된 용선(molten iron)은 정련 레이들이나 혼선차를 이용한 용선 예비처리 공정 또는 전로 공정에서 불순물을 정제하기 위한 일련의 정련 작업을 거치게 된다. 정련 작업 진행 시에는 상부로부터 랜스를 장입하여 정련용융제(flux), 첨가제, 및 산소, 질소 등의 고압가스를 용선 중에 투입하는데, 이 때 용선이나 용강, 슬래그 등이 튀어서 랜스의 표면에 부착된다.

도 1에는 랜스(1)의 표면에 지금이나 슬래그 등(2)이 부착된 것이 도시되어 있다. 이와 같이 랜스에 지금이나 슬래그 등의 부착이 심하면 취련, 대기, 랜스의 수리 및 교체 작업 등에서 랜스의 상하 이동시 주변과 간섭되어 작업이 원활하게 진행되기 어려울 뿐더러, 고착된 부착층의 제거를 위해서는 상당한 작업부하 및 랜스 금물의 손상으로 인한 원가 상승이 수반된다.

한국공개특허 96-023118에서는 0.044 ㎜ 이하의 생석회 분말 44-60 중량%, 0.044 ㎜ 이하의 규석 분말 16-26 중량%, 실리카 플라워 9-15 중량%, 알루미나 시멘트 5-25 중량% 및 잔부 물로 조성되고, 상기 조성물의 CaO/SiO₂의 몰 비가 1.57-1.61로 이루어진 무기도료를 랜스 표면에 도포함으로써 지금 부착을 억제할 수 있다고 보고하였다.

또한, 한국공개특허 95-014009에서는 중량비로 지르콘 65-70%, 탄소분말 5-10% 및 용제와 결합제 혼합물 25-30%로 조성되는 도포제를 제조한 후, 그 도포제를 랜스 표면에 0.2-0.4 mm 두께로 도포시킨 다음, 자연건조 혹은 점화건조시킴으로써 지금 부착을 억제하는 도포층을 형성할 수 있다고 보고하였다.

한편, 한국공개특허 95-14322에서는 취련 종료 후 온도가 상승하는 랜스 본체에 냉각수를 분사함으로써 급속냉각에 의해 균열이 발생된 지금이 자중에 의해 탈락 제거되도록 하는 방법을 제시하였다.

그러나 상기한 방법들은, 첫째, 부착되는 지금 및 슬래그와 도포제의 주원료인 생석회, 규석, 지르콘 간의 반응으로 저융점 화합물의 생성이 용이하여, 도포층이 랜스와 지금층 간의 결합을 억제하는 역할을 하기 어려운 문제점이 있고, 둘째, 냉각수 분사 시 열충격으로 랜스 금물 자체에 손상이 가해질 수 있다는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은, 랜스 금물에 손상을 가하지 않으면서 랜스 표면에 부착된 지금이나 슬래그류를 효과적으로 제거하는 무기도료를 제공하는 데 있다.

도 1은 지금이나 슬래그 등이 표면에 부착된 랜스를 도시한 것이다.

도 2는 SiO₂의 온도에 따른 상전이를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 무기도료가 표면에 도포된 랜스에서, 도료층 상에 지금층이 형성된 것을 도시한 것이다.

도 4는 유도 용해로 침적시험에 이용된 시험장치의 단면도이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 크롬광 함량을 SiC 함량으로 나눈 값이 1 ~ 4 인 무기분말이 40 ~ 60 중량%이고, 잔부가 물로 구성되며, SiO₂함량을 Na₂O 함량과 K₂O 함량의 합으로 나눈 값이 1.5 ~ 3 인, 나트륨실리케이트와 칼륨실리케이트로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종이, 외삽으로 상기 무기분말의 함량에 대하여 10~20 중량% 첨가되고, 주성분이 SiO₂와 Al₂O₃인 점토계 무기화합물이 외삽으로 상기 무기분말의 함량에 대하여 0.5 ~ 3 중량% 첨가된 무기도료를, 랜스의 표면에 도포하여 지금층의 탈락을 유도한다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

일반적으로 무기도료는 충전제(filler)인 무기분말(filler), 물 등의 용매,충전제의 침강을 억제하는 증점제, 결합제, 기타 첨가제 등으로 구성된다.

본 발명에 따른 무기도료는 무기분말이 40 ~ 60 중량%이고 잔부가 물로 구성되며, 여기에 결합제로서 알칼리실리케이트인 나트륨실리케이트와 칼륨실리케이트 중에서 하나 또는 둘이 외삽으로 첨가되고, 그리고 증점제로서 점토계 무기화합물이 외삽으로 첨가된 조성이다.

이 때, 무기분말은 크롬광의 함량을 SiC의 함량으로 나눈 값인 [크롬광함량/SiC함량]이 1 ~ 4 이며, 외삽으로 첨가된 나트륨실리케이트와 칼륨실리케이트 중의 하나 또는 둘은, SiO₂함량을 Na₂O 함량과 K₂O 함량의 합으로 나눈 값인 [SiO₂함량/(Na₂O함량+K₂O함량)]이 1.5 ~ 3 인 것을 외삽으로 무기분말의 함량에 대하여 10~20 중량% 첨가되고, 점토계 무기화합물은 주성분이 SiO₂와 Al₂O₃인 것을 외삽으로 무기분말의 함량에 대하여 0.5 ~ 3 중량% 첨가된다.

크롬광은 MgO-Cr₂O₃계 폐내화물의 분쇄물, 천연광석으로 부터 얻어진 것, 제강 레이들의 웰블록(well block) 충전제 제조시 부산물로 얻을 수 있는 크로마이트(chromite) 미분말 등을 사용할 수 있으며, SiC는 한정하는 것은 아니지만 순도 90% 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

크롬광은 용선, 용강, CaO-SiO₂계 정련 슬래그에 대해 우수한 내식성을 가지는 물질이다. SiC도 그 자체로는 내식성이 우수하지만, 고온의 산화분위기에서는 주위의 산소 공급원인 대기나 산화물 등과 반응함으로써 SiO₂로 변화하고, 생성된SiO₂는 가열과 냉각과정을 거치면서 도 1에 나타낸 바와 같이 상전이를 하는데, 이 때 부피변화를 수반한다.

도 2는 SiO₂의 온도에 따른 상전이를 나타낸 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, SiO₂의 광물상은 고온에서 -쿼츠(quartz),₂-(트리디마이트)tridymite, -(크리스토발라이트)cristobalite 로 구성되지만 유지시간이 오래 될수록 -쿼츠는 줄고 다른 두 상의 함량이 증가한다. 이를 상온까지 냉각하면 모두 형으로 전이된다. 형과 형 사이의 전이시 수반되는 부피변화를 고려할 때 트리디마이트의 함량이 높을수록 저온에서 부피변화가 적으며, 크리스토발라이트는 180-270℃ 영역에서 형과 형으로 상전이하면서 3.7%의 급격한 부피변화를 수반한다.

한편, 정련 슬래그의 주성분인 CaO, FeO 등은 실리카와 반응하여 CaO-SiO₂-Fe₂O₃계 유리상을 생성하거나 크리스토발라이트 등으로의 상전이를 촉진시키는 광소(mineralizer)로서 작용한다.

크롬광과 SiC로 구성된 무기도료를 랜스에 도포하여 취련 작업을 수행하면 도료와 부착 지금 간의 반응성이 낮기 때문에 랜스 외피, 도료층, 지금층으로 구분된 구조가 형성된다. 도 3에는 랜스(10)의 표면에 도포된 도료층(20) 상에 지금층(30)이 형성된 것이 도시되어 있다.

취련 작업이 진행됨에 따라 도료 내부의 SiC가 산화되면서 SiO₂가 생성되는데, SiO₂는, 지금층으로부터 유래되는 CaO, FeO 등이 고용됨으로 인해, 또한 장시간고온에 노출됨으로 인해 크리스토발라이트 등으로 상전이 한다. 따라서 냉각과정에서 도료층의 급격한 부피변화가 일어나게 되고, 이는 랜스 금물에 대한 도료층의 결합력 약화를 초래하여 도료층의 탈락을 용이하게 한다. 이러한 상태에서는 랜스에 기계적인 충격을 가함으로써 지금 부착층을 포함한 도료층의 제거가 매우 용이하다.

한편, 증점제는 충전제인 무기분말의 침전을 억제하기 위해 사용하는 것으로, 초미분의 점토계 입자로서 물 속에서 분산되면 3차원의 그물망 구조를 형성하는데, 이러한 구조 내에 무기 분말들을 구속함으로써 충전제의 침강을 억제한다. 충전제가 침강하면 도료의 저장상태가 불량하므로 장시간 사용이 불가능하기 때문에, 충전제의 침강은 억제되어야 한다.

그런데, 무기도료의 콜로이드 분산 상태 중에 Na⁺, k⁺등의 자유 알칼리 이온(free alkali ion)들이 다량 첨가되면, 초미분 입자들의 표면전위가 낮아지면서 3차원 그물망 구조가 파괴되고 이로써 무기분말의 침강이 진행되므로 이들 알칼리 이온의 함량을 적정 수준으로 유지해야 한다.

그러면, 무기도료에 사용되는 각 원료, 또는 각 원료를 이루는 구성성분의 함량이 한정되는 이유는 다음과 같다.

먼저, 무기분말에서 [크롬광함량/SiC함량]이 1 보다 작으면 SiC로부터 생성되는 SiO₂의 함량이 적어서 도료층의 탈락이 어려워지며, [크롬광함량/SiC함량]이 4 보다 크면 지금 부착이 진행되기 전인 사용초기에 탈락이 이루어지므로 도료 사용의 이점이 없다.

또한, 도료 중 무기분말의 함량이 40 중량% 보다 작으면 점도가 지나치게 낮고, 60 중량% 보다 크면 점도가 지나치게 높아서 도료의 작업성이 좋지 않다.

한편, 무기도료의 초기 결합력을 부여하는 결합제인 알칼리 실리케이트에서, [SiO₂함량/(Na₂O함량+K₂O함량)]이 1.5 보다 작거나 또는 3 보다 크면, 자유 알칼리 이온의 농도 수준이 점토계 초미분 입자의 콜로이드 안정성을 낮추어 도료 중의 무기분말의 침강이 빠르게 진행되므로 바람직하지 않다.

결합제인 알칼리 실리케이트의 함량이 외삽으로 무기분말의 함량에 대해 10 중량% 보다 작으면 초기 결합력이 낮아 사용초기에 탈락하고 20 중량% 보다 많으면 결합력이 강하여 도료층의 탈락이 어려워진다.

주성분이 SiO₂와 Al₂O₃인 점토계 무기화합물이 외삽으로 무기분말의 함량에 대하여 0.5 중량% 보다 적게 첨가되면 무기 분말의 침강 억제 효과가 없고, 3 중량%보다 많이 첨가되면 도료의 점도가 너무 높아 바람직하지 않다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다, 그러나, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 및 2

실시예 1 및 2에서는 Cr₂O₃함량이 35 ~ 50 중량%이고 평균입경이 25 ㎛인 크롬광과, 순도 95% 이고 평균입경이 25 ㎛인 SiC를 사용하여, [크롬광함량/SiC함량]을 표 1에 나타낸 바와 같이 각각 2 및 1.5로 혼합한 무기분말 50 중량%와 55 중량%에, 잔부로 물을 혼합하고, 여기에 [SiO₂함량/(Na₂O함량+K₂O함량)]가 각각 2 및 2.5인 나트륨실리케이트 및 칼륨실리케이트 중의 1종 또는 2종을 무기분말의 함량에 대해 외삽으로 10~20 중량% 첨가하여, 주성분이 SiO₂와 Al₂O₃인 점토계 무기화합물을 외삽으로 무기분말의 함량에 대하여 0.5~3 중량% 첨가하여 무기도료를 제조하였다.

제조한 무기도료의 점도를 브룩필드(Brookfield)사제 점도계를 사용하여 전단속도 55sec^-1에서 측정하였으며, 투명한 메스실린더에 각각의 도료를 붓고 일주일간 방치하면서 무기분말의 침강여부를 확인하였다. 이 때 무기분말의 침강이 발생한 도료의 경우에는 점도를 측정하지 않았다.

제조한 무기도료를 스프레이건(spray gun)을 이용하여 랜스 금물과 재질이 동일한 50mm5의 파이프에 도포하여 시험용 시편을 준비하여 도포된 상태를 비교하였으며, 시편 준비 과정에서 작업성을 평가하였다.

한편, 유도 용해로 침적시험을 반복하면서 도료 및 지금층의 탈락 여부를 관찰하였는데, 이러한 침적시험에 이용된 시험장치의 단면도가 도 4에 도시되어 있다. 즉, 유도 용해로(40) 도가니(50) 내의 용강(60) 온도를 1600℃로 유지한 다음 용강(60) 중에 도료층(20)이 피복된 랜스 금물(10) 시편을 장입한 후 바로 빼내어 냉각하는 과정을 10회 반복하면서 도료 및 지금층의 탈락 여부를 확인하였다. 이 때, 무기분말의 침강이 발생하거나 작업성이 불량한 도료의 경우 도포층의 탈락성평가를 수행하지 않았으며, 침강 발생이 없고 작업성이 양호한 경우에 대해 도포층 탈락성 평가를 수행하였다.

상기한 바와 같은 방법으로 측정한 무기도료의 점도, 무기분말의 침강여부,작업성, 탈락성 결과를 표 1에 나타내었다.

또한, 비교예 1 내지 10에서는 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어난 조건으로 무기도료를 제조하였으며, 실시예와 동일한 방법으로 점도, 무기분말의 침강여부, 작업성 및 탈락성을 측정하고 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.

	제조 조건	점도(cps)	침강	작업성	탈락성
	크롬광함량/SiC함량					무기분말함량(중량%)	알칼리실리케이트	점토계 무기화합물 함량(중량%)
							[SiO2]/[알칼리]		함량(중량%)
실시예	1	2	50	2	15	1.5	175	건전	양호	양호
	2	1.5	55	2.5	15	2	182	건전	양호	양호
비교예	1	0	50	2	15	1.5	180	건전	양호	미탈락
	2	8	50	2	15	1.5	190	건전	양호	1회탈락
	3	1.5	30	2.5	15	1.5	75	건전	불량	-
	4	1.5	70	2	15	2	320	건전	불량	-
	5	1.5	50	0.5	17	1	-	침강	-	-
	6	1.5	50	4	15	1.5	-	침강	-	-
	7	1.5	50	2	5	1.5	170	건전	양호	1회탈락
	8	1.5	50	2	35	2	185	건전	양호	미탈락
	9	2	50	2.5	15	0.1	-	침강	-	-
	10	1.5	55	2.3	15	5	410	건전	불량	-

무기도료의 점도는 통상적으로 스프레이건으로 작업할 수 있는 정도인 150~200 cps 정도이면 적당하며, 점도가 너무 낮거나 높으면 스프레이건을 사용하는 것이 불가능하기 때문에 작업성이 나빠진다.

그러므로, 본 발명의 실시예 1 및 2에서는 표 1에 나타난 바와 같이 점도가 바람직한 범위 내의 값을 나타내어 작업성 또한 양호하나, 반면에 비교예 3, 4, 10 에서는 점도가 너무 높거나 낮은 값을 나타내어 작업성이 불량하였다.

또한, 본 발명의 실시예 1 및 2에서는 무기분말의 침강이 발생하지 않았으나, 비교예 5, 6, 9 에서는 무기분말의 침강이 발생하였다.

한편, 도료 및 지금층의 탈락성은 용해로 내의 침적시험 10회 중에서 4~5회에 탈락되는 것이 양호하며, 본 발명의 실시예 1 및 2에서 이와 같은 양호한 탈락성을 나타내었다. 반면에, 비교예 1, 8에서는 10회의 침적시험 후에도 탈락되지 않았으므로 지금의 탈락이 어려운 것으로 나타났으며, 비교예 2, 7에서는 1회의 침적시험 후에 탈락되었으므로 사용초기에 탈락되어 버리는 문제점을 나타내었다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 지금부착 방지용 무기도료를 취련용 랜스의 표면에 도포하면, 조업 중 부착되는 지금이나 슬래그를 효과적으로 제거할 수 있기 때문에 취련, 대기, 수리 및 교체 작업 등이 원활하게 진행되어 작업부하 및 원가를 절감하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 무기도료를 이용하면 상전이에 따른 부피변화를 이용하여 지금이나 슬래그의 탈락을 유도하기 때문에 랜스 금물에 손상을 가하지 않으면서 지금이나 슬래그를 제거하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 크롬광 함량을 SiC 함량으로 나눈 값이 1 ~ 4 인 무기분말이 40 ~ 60 중량%이고, 잔부가 물로 구성되며,

   SiO₂함량을 Na₂O 함량과 K₂O 함량의 합으로 나눈 값이 1.5 ~ 3 인, 나트륨실리케이트와 칼륨실리케이트로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종이, 외삽으로 상기 무기분말의 함량에 대하여 10~20 중량% 첨가되고,

   주성분이 SiO₂와 Al₂O₃인 점토계 무기화합물이 외삽으로 상기 무기분말의 함량에 대하여 0.5 ~ 3 중량% 첨가된 지금부착 방지용 무기도료.