KR100499360B1

KR100499360B1 - 로벽 보수용 포스테라이트계 스프레이재

Info

Publication number: KR100499360B1
Application number: KR20020069289A
Authority: KR
Inventors: 손달호
Original assignee: 주식회사 원진
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2005-07-04
Also published as: KR20040040931A

Abstract

본 발명은 로벽의 표면에 도포되어 로벽을 보호하거나 손상된 부위를 보수하기 위한 제강로의 로벽 보수용 스프레이재에 관한 것이다.

본 발명의 로벽 보수용 스프레이재는, 소결 특성이 우수하고 불순물 흡착 능력이 있는 포스테라이트 30∼80wt%와 마그네시아 20∼70wt%로 조성된 포스테라이트-마그네시아 혼합물 100중량부에, 규산계 또는 인산계 바인더 중의 적어도 하나를 2∼10중량부 첨가하여 조성되나, 상기 포스테라이트를 50wt% 이상, 마그네시아를 포스테라이트보다 많지 않도록 혼합하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 스프레이재는 포스테라이트에 의해 로벽에 대한 부착성과 부각강도가 우수하여 폭열 및 박리를 일으키지 않음으로써 로벽의 수명이 연장되며, 종래의 스프레이재에 비하여 양생 시간이 짧아 보수 시간이 절약되기 때문에 생산성의 향상이 가능한 장점이 있다.

Description

로벽 보수용 포스테라이트계 스프레이재{The forsterite spray mixture for repairing the inner wall surface of steel making furnace}

본 발명은 제강에 사용되는 제강로의 로벽 보수용 스프레이재에 관한 것으로, 더 자세하게는 마그네시아 또는 돌로마이트 등에 비하여 저온 소결력이 우수한 포스테라이트(forsterite, 2MgO·SiO₂)와 MgO를 규산계 또는 인산계 바인더와 혼합한 스프레이재를 열간상태에서 제강로의 로벽 손상부위에 도포한 후 로열에 의해 상기 스프레이재가 소결 과정을 통하여 로벽에 결합되도록 함으로써, 로벽의 보수 부위에 대한 스프레이재의 부착강도를 향상시켜 보수 부위의 보호하므로써 로벽의 수명을 연장시킬 수 있는 로벽 보수용 스프레이재에 관한 것이다.

철강의 제조에 사용되고 있는 전로, 전기로 등의 각종 로들은 용기 형상의 금속제 케이싱 내지는 프레임 내부에 내화물들이 축조되어 금속 용강이 채워지는 내부 공간을 형성하게 되며, 일단 가동이 시작되면 새로이 축조될 때까지 불이 꺼지지 않는 고로를 제외한 일반적인 제강로들은 일정량의 용강을 처리한 후에는 상기 내화물들을 보호하거나 손상된 부위를 보수하기 위하여 로벽에 대한 주기적인 보수를 하게 된다.

즉, 로내에는 1,500℃ 이상의 용강이 채워지게 되며, 탈탄반응, 탈산반응 등 각종 화학반응들이 일어나기 때문에 상기 용강과 접촉하고 있는 로벽은 용강에 의한 침식작용으로 손상되며, 이를 적절히 보수하지 않으면 로 전체가 파손되는 등의 대형 사고가 발생될 수 있다.

상기와 같이 용강에 접촉하게 되는 로벽은 일반적으로 내화벽돌을 축조하여 만들어지며, 이러한 내화벽돌은 적어도 1,500℃ 이상 고온에서 연화(軟化)하지 않고 그 강도를 충분히 유지하여야 할 뿐 아니라, 화학적 작용 등에도 견딜 수 있어야 한다.

즉, 내화벽돌은 내화도가 높고 강도나 열충격저항이 크며, 화학적 침식에 강해야 하는 등의 구비 조건이 필요하며, 이와 같은 조건을 만족하는 내화벽돌로 이루어진 로벽의 보수는, 침식 및 손상 정도에 따라 재축조와 부분 보수로 구분될 수 있는 바, 재축조는 일부 부위의 손상 정도가 극심하여 표면 보수만으로는 손상 부위를 정상화할 수 없을 때 그 손상 부위를 완전히 제거한 후 새 내화벽돌로 재축조하거나 내화벽돌의 임계수명이 다하여 전면적인 보수가 필요로 되는 경우에, 부분 보수는 로벽의 표면 부위만이 손상되어 표면 부위의 보수만으로 로벽의 정상화가 가능한 경우에 실시된다.

특히, 상기 부분 보수의 경우에는 로가 가열된 열간의 상태에서 실시되는 바, 이와 같이 열간 보수 작업이 행하여지는 것은, 작업하던 로를 완전히 냉각시키게 되면 보수 후 이를 가열하기 위하여 상당한 에너지와 시간이 필요로 되기 때문이다.

상기와 같이 로벽 보수의 두 경우 중, 부분 또는 전면적인 재축조는 새 내화벽돌을 사용하여 로벽을 다시 축조하기 때문에 재축조 후에 문제점이 없으나, 부분 보수의 경우에는 내화재를 열간 상태에서 스프레이 하여 로벽에 살포하게 되기 때문에, 손상된 원래의 로벽과 덧씌워진 보수층과의 결합력이 완전하지 못할 경우에는 용강에 의해 상기 보수층이 손쉽게 떨어져 나가게 되므로써 부분 보수전에 손상되었던 부위가 급격히 추가 손상되어 로벽의 파손으로까지 연결될 수 있는 문제가 있다.

그리고, 상기 스프레이 방식으로 행하여지는 로벽 보수는 손상된 로벽을 육성하는 역할 뿐 아니라, 상기와 같이 손상된 로벽의 보수 외에도 고온의 용강으로 인한 정상적인 노벽의 손상이나 침식 등을 방지하기 위하여 주기적으로 실시되므로써 로벽의 표면에 로벽 보호용 코팅층을 시켜 로벽의 수명을 연장시키는 역할도 하게 된다.

상기와 같이 정상적이거나 손상된 각종 노벽의 수명 연장을 위하여 열간에서 실시되는 스프레이 방식의 부분 보수에 사용되는 스프레이재는 스프레이 건을 사용하여 고압의 물과 함께 혼련되면서 로벽에 스프레이 됨으로써 로벽 표면에 부착되는 내화재로서, 로벽을 이루는 내화벽돌과의 접착성과 내식성이 우수하여야 할 뿐 아니라, 스프레이 후 폭열 및 박리가 일어나지 않아야 하며, 양생 시간이 짧아야만 한다.

상기 스프레이재로서 이전에 널리 사용되어온 실리카계 무기결합제는 철강 품질의 향상을 위하여 로의 조업 조건이 점차 가혹화됨에 따라 그 효과가 떨어져 근래에는 마그네시아 또는 돌로마이트에 고융해성 결합제를 첨가한 스프레이재가 개발되었으나, 이 역시 내식성과 부착성이 낮은 단점이 있다.

즉, 상기 마그네시아 또는 돌로마이트 류로 이루어진 스프레이재는 소결성이 부족하여 열간 스프레이에 의해 노벽에 부착되는 순간 급격히 수분이 증발하면서 로벽과의 부착력이 떨어지게 된다.

그리고, 상기 스프레이재는 로벽의 온도에 의해 그 부착성이 크게 좌우되는 바, 스프레이가 800℃이상의 온도에서 실시되기 때문에 스프레이재와 함께 분사되는 물이 급격히 증발되면서 형성시키게 되는 높은 증기압의 반발로 인하여 스프레이재가 로벽에 부착되지 않고 로벽 표면에서 튀게 되는 비율이 높다.

또한, 상기 증기압에 의한 반발력에 의해 로벽에 부착된 스프레이재의 상태가 불안정하여 시공 후 고철 등의 투입 충격이나 용강 와류에 의해 쉽게 탈락되기 쉽다.

즉, 열간 스프레이 되어 부착 강도가 약한 스프레이재는 로벽의 열에 의해 소결되면서 로벽 표면과 강력한 세라믹 결합을 이루기전까지는 손상되기 쉬운 상태이기 때문에 소결이 신속히 이루어져야 하나, 종래 널리 사용되고 있는 마그네시아 또는 돌로마이트를 주원료로 한 스프레이재는 소결 시간이 길어 시공 후 초기 탈락율이 높아 로벽 보호 효율이 떨어지는 단점이 있다.

그리고, 상기 마그네시아 또는 돌로마이트를 주원료로 한 스프레이재의 단점을 해결하기 위하여, 스프레이 후 로열에 의해 결합제가 탄화하므로써 내식성 및 접착강도가 우수한 카본 본드를 생성하게 되는 카본계 스프레이재들이 개발되었으나, 이들은 카본 본드를 생성하기 위해 사용되는 수지나 피치 등이 시공시 수분과 혼합되기 어렵고, 탄화하여 로벽에 부착되는 시간, 즉 양생시간이 길 뿐 아니라 물과 공기 등에 의해 산화되는 문제점이 있다.

본 발명은 로벽 보수 및 보호를 위한 종래 스프레이재가 갖는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 스프레이재가 소결되어 로벽에 단단히 결합되는 시간을 줄이므로써 가능한 한 단시간에 양생되어 강고한 접착이 이루어지도록 하여 로의 수명 연장과 생산성 향상을 꼬하는 동시에 원가절감이 가능한 제강용 로벽 보수용 스프레이재를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 포스테라이트(forsterite)에 의해 달성된다.

본 발명의 로벽 보수용 스프레이재는 용강 중에 함유된 불순물을 선택적으로 흡착하는 동시에 소결력이 우수한 포스테라이트의 특성을 이용함에 기술적 특징이 있으며, 상기 포스테라이트 30∼80wt%와 마그네시아 20∼70wt%의 혼합물 100중량부에, 규산계 또는 인산계 바인더 중의 하나를 2∼10중량부로 혼합한 조성으로서, 각 조성 성분의 역할을 살펴보면 다음과 같다.

고토감람석이라고도 불리우는 상기 포스테라이트는 Mg₂SiO₄(또는, 2MgO·SiO₂)의 화학조성을 갖는 사방정계 광물로서, 그 융점이 1890℃로서 용강이 처리되는 제강 온도에서 안정하게 사용될 수 있으며, 마그네시아나 돌로마이트에 비하여 소결 특성이 우수할 뿐 아니라, 용강 중의 불순물을 흡착하는 특성을 갖고 있기 때문에 고청정강 생산에 유용하고, 마그네시아나 돌로마이트에 비하여 소결 특성이 우수하여 고철 등의 투입시 발생하는 충격이나 용강의 와류에 의해 초래되는 로벽 손상에 대한 저항성이 우수한 성분으로, 마그네시아와의 혼합 함량비가 30wt%에 미치지 못하면 로벽과의 부착강도가 급격히 떨어지게 되고, 80wt%를 초과하게 되면 고온에서의 내식성이 저하되어 용강에 대한 내침식성이 떨어지게 된다.그러나, 로벽과의 부착강도를 안정적으로 확보하기 위하여서는 50wt% 이상으로 관리하는 것이 바람직하다.

마그네시아는 고토(苦土)라고도 불리우며, 화학식 MgO로 표시되는, 융점 2800℃인 백색의 비결정성 분말로서, 고온 내식성이 부족한 상기 포스테라이트의 단점을 보완하기 위하여 포스테라이트와의 혼합량 100중량부 중 포스테라이트 함량을 제외한 잔량만큼 혼합되며, 그 함량이 20wt%에 미치지 못하면 본 발명 스프레이재의 고온 내식성이 떨어지게 되고, 70wt%를 초과하게 되면 고온 내식성은 충분하나 포스테라이트의 함량 부족으로 인하여 소결성이 떨어져 로벽과의 부착강도가 저하하게 된다.상기 마그네시아는 포스테라이트에 비하여 강도가 떨어지는 바, 특히, 제강로를 보수하기 위해서는 강도가 우수한 포스테라이트보다 많지 않도록 혼합하는 것이 더욱 바람직하다.

규산계 또는 인산계 바인더는 고압의 물과 함께 혼련되어 스프레이되는 포스테라이트와 마그네시아 혼합물의 시공성과 부착성 및 소결성을 향상시키기 위하여 첨가되는 것으로, 규산계 바인더는 스프레이재의 부착성을 향상시킴과 더불어 조기 소결제로 작용하여 소결을 촉진하는 것으로 필요 이상 첨가시에는 저융점물질을 형성시키는 동시에 단단한 소결체의 형성을 방해하고, 첨가량이 너무 적으면 스프레이 시공시 스프레이재의 부착성이 현저히 떨어지게 된다.

그리고, 상기 인산계 바인더는 다른 성분들과 열간에서 반응하여 고강도 소결체를 형성시키는 것으로, 필요 이상으로 첨가시에는 부착성이 저하되고 용강 중에 인이 혼입되어 강의 특성을 열화시키는 요인으로 작용될 수 있는 바, 본 발명 스프레이재에 함유된 바인더는, 용강의 종류에 따라 상기 규산계 바인더 또는 인산계 바인더 중의 적어도 하나 이상을 상기 포스테라이트와 마그네시아의 혼합물 100중량부에 대하여 2∼10중량부로 첨가되며, 그 첨가량이 2중량부에 미치지 못하면 시공성과 로벽에 대한 열간 부착성이 떨어져 부착 효율이 떨어지고 시공 시간이 길어지게 되며, 10중량부를 초과하게 되면 저융점 물질이 생성되어 고온 내식성이 저하하게 되거나 용강내 인의 혼입에 따른 용강의 오염 등을 초래할 수 있게 된다.

상기와 같이 조성되는 본 발명 스프레이재의 성능을 조사하기 위하여 선택된 본 발명 일실시예 스프레이재와, 마그네시아가 혼합되지 않은 본 발명 비교예와, 마그네시아를 단독으로 사용한 종래예 1 및 마그네시아와 돌로마이트가 혼합된 종래예 2의 각 조성비와 그 화학적 성분은 다음의 표 1과 같다.

구분		종래예		실시예		비교예
구분		1	2	3	4	비교예
마그네시아		100	70	50	40	-
돌로마이트		-	30	-	-	-
포스테라이트		-	-	50	60	100
규산계 바인더		3	2	3	2	3
인산계 바인더		-	3	0	3	0
화학성분 (wt%)	SiO	3.59	3.13	22.19	25.52	40.78
	FeO	1.08	1.37	4.33	5.03	7.57
	CaO	1.60	11.36	0.91	0.98	0.22
	MgO	91.62	82.22	70.27	68.47	49.82

상기 표 1의 각 예의 성분들로 이루어진 혼합물에 대하여 슬래그와의 화학적 부식성을 조사하기 위하여 다음과 같은 시험을 실시하였다.

상기 각 혼합물을 반죽하여 150mm×100mm×50mm의 시편(11)을 제조한 후 도 1에 도시된 바와 같이 단면이 50mm×50mm인 바형 중공(V)이 형성되도록 상기 시편(11)들을 결합시키고, 그 전체 외면에 습식배토(12)를 개재시킨 상태에서 강판(13)으로 둘러싸 시험로(1)를 제작한다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 시험로(1)의 중공(V)보다 작은 관통공(v)이 형성된 내화물(21)을 상기 중공(V)과 관통공(v)의 중심이 일치되도록 상기 시험로(1)의 중공(V) 양 단부에 밀착시킨 후, 상기 시험로(1) 중공의 일측단부로부터 타측단부측으로 중공(V)의 내부를 가열(F)시키면서 시험로(1) 전체를 분당 4회전의 속도로 회전시킬 수 있는 장치에 장착한다.

상기 시험로(1)를 상온에서 800℃까지 20분 동안 서서히 예열하고 20분간 유지시킨 후 1000℃로 가열하고, 상기 시험로가 1000℃에 도달하면 시험로 중공(V)에 Fe₂O₃ 10wt%, CaCO₃ 5wt%로 조성된 시험 슬래그(S)를 50g 투입하여 시험로의 중공(V) 내주면이 상기 시험 슬래그(S)에 의해 균일하게 코팅되도록 한다.

상기 시험로의 중공(V) 내주면이 균일하게 코팅되며, 시험로의 중공(V) 내부를 1650℃로 가열, 유지시키면서 상기 시험 슬래그를 중공(V) 내에 80g씩 채우고 30분간 유지한 후 배출하는 작업을 30회 반복한다.

상기의 시험을 통하여 시험로(1)의 중공(V) 내면을 이루는 각 시편(11)의 내면(S)은 시험 슬래그와의 화학반응으로 부식되는 바, 상기 시험로 중공(V) 내면(S)의 폭방향 중심선(CL)을 따라 각 시편(11)을 길이 방향으로 절단하여 그 절단면을 관찰하면 도 3의 모식도와 같은 형태의 부식을 관찰할 수 있게 되며, 이때 길이 방향을 따라 가장 부식이 많이 일어난 최고 부식점(A1)과, 이를 중심으로 하여 그 좌·우로 10mm씩 떨어진 4곳(A3)(A2)(A4)(A5)의 부식 깊이를 측정하여 그 평균치를 구하고, 다음 식 1에 의해 침식율을 계산한다.

상기 식에서, A는 시편의 실두께(mm), B는 평균 부식 깊이(mm)

상기 침식율은 그 수치가 작을 수록 부식이 잘 진행된다는 의미이며, 침식율의 역수를 내식성 지수로 나타낼 경우에는 그 반대가 되고, 상기 표 1의 각 조성물에 대한 압축강도와 잔존선변화율 및 내식성 지수를 다음의 표 2에 나타내었다.

구 분		종 래 예		실 시 예		비교예
구 분		1	2	3	4	비교예
압축강도 (kgf/cm²)	110℃	77	65	63	64	60
	1350℃	95	135	202	210	250
	1500℃	430	520	472	486	562
잔존 선팽창 변화율(%)	110℃	-0.42	-0.44	-0.44	-0.44	-0.42
	1350℃	-0.94	-1.34	-1.78	-1.69	-2.25
	1500℃	-1.95	-2.20	-2.20	-2.18	-2.95
내 식 성 지 수		100	95	104	100	125
부착강도(at 1350℃)		×	○	◎	◎	◎

상기 표 2에서 압축강도와 잔존 선팽창 변화율은 각각 KSL 3503 및 KSL 3117에 의해 시험, 계산되었으며, 부착강도는 제강로 로벽용 내화벽돌의 표면에 상기 각 조성물을 5mm의 두께로 도포하여 1350℃에서 소성, 부착시킨 후 그 표면에 1Kg되는 강(鋼)볼을 50cm 높이에서 10회 반복하여 떨어뜨려 소성된 조성물층에 발생되는 크랙을 관찰하였고, 이때 완전한 크랙이 발생된 경우를 '×', 크랙이 진행되는 상태를 '○', 이상이 없거나 강볼이 떨어진 지점에서만 미세 크랙이 발생된 경우를 '◎'로 표시하였다.

상기 표 2로부터, 용강의 주 온도 범위내인 1350℃에서의 압축강도와 로벽에 대한 부착강도는 본 발명의 두 실시예 및 비교예가, 내식성과 잔존 선팽창 변화율에 있어서는 마그네시아와 돌로마이트가 혼합된 비교예 2가 우수한 것으로 나타남을 알 수 있다.

그러나, 상기 종래예 2의 경우는 로벽 보수시 스프레이재가 가져할 가장 중요한 특성인 로벽과의 부착성이 떨어지는 단점을 가졌으며, 이는 비교예 2가 본 발명의 두 실시예에 비하여 상기 1350℃에서 작은 잔존 선팽창 변화율을 보임에도 불구하고 내구성이 떨어지게 되는 원인을 제공하게 된다.

그리고, 마그네시아를 사용치 않고 포스테라이트에 바인더만을 첨가한 비교예의 경우는 본 발명의 두실시예와 비교하여 유사한 특성을 보여주고 있으나, 마그네시아의 부재로 인하여 내식성이 급격히 떨어지는 단점을 갖게 된다.

내식성이 현저히 떨어지는 비교예를 제외한 각 조성물의 스프레이재를 실로에 적용한 결과를 다음의 표 3에 나타내었다.

스프레이 회수

종 래 예

실 시 예

1

2

1

2

부착성

1CH 후부착상태

수명(CH)

부착성

1CH 후부착상태

수명(CH)

부착성

1CH 후부착상태

수명(CH)

부착성

1CH 후부착상태

수명(CH)

1

○

6

○

8

○

7

○

◎

8

2

○

5

○

7

◎

8

○

◎

9

3

○

6

○

△

5

○

◎

9

○

7

4

○

△

4

○

7

○

8

○

8

5

○

△

3

○

△

6

○

◎

9

◎

9

상기 표에서, 부착성은 스프레이재를 도포시 분사량에 대한 부착량을 육안으로 관찰하여 85% 이상 부착시 '◎', 85% 미만 75% 이상 부착시 '○', 75% 미만 65% 이상 부착시 '△', 65% 미만 부착시 '×'로 표시하였으나 75% 미만으로 부착되는 경우는 없었다.

그리고, 용강 1차지(charge) 작업 후 로벽에 도포되어 소결부착된 스프레이재의 잔류량을 육안으로 관찰하여 최초 부착된 면적에 대한 잔류 면적이 95% 이상인 경우에는 '◎', 95% 미만 85% 이상일 때는 '○', 85% 미만인 경우에는 '△'로 표시하였다.

상기 표 3으로부터 종래예나 본 발명 실시예 모두 최초 부착성에 있어서는 큰 차이가 없음을 알수 있으나, 1회 작업 후 로벽에 잔류하는 스프레이재의 양에는 차이가 발생되고 있으며, 그에 따라 본 발명 실시예의 스프레이재가 종래예의 스프레이재에 비하여 그 수명이 연장되고 있음을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제강로 보수용 스프레이재는 포스테라이트에 의해 로벽에 대한 부착성과 부각강도가 우수하여 폭열 및 박리를 일으키지 않음으로써 로벽의 수명이 연장되며, 종래의 스프레이재에 비하여 양생 시간이 짧아 보수 시간이 절약되기 때문에 생산성의 향상이 가능한 장점이 있다.

도 1은 슬래그에 의한 내화물의 침식율을 테스트하기 위한 시험로의 사시도.

도 2는 시험로를 테스트하는 방법을 보인 모식도.

도 3은 슬래그에 의한 시편의 침식 상태를 보인 모식도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

1. 시험로 11. 벽돌

12. 습식배토 13. 강판

V. 중공 v. 관통공

Claims

마그네시아, 포스테라이트 및 바인더 등이 혼합된 제강용 로의 로벽 보수용 조성물에 있어서, 포스테라이트 50∼80wt%와 마그네시아 20∼50wt%로 조성된 포스테라이트-마그네시아 혼합물 100중량부에, 규산계 또는 인산계 바인더 중의 적어도 어느 하나를 2∼10중량부 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 로벽 보수용 포스테라이트계 스프레이재.