KR100544622B1

KR100544622B1 - 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재

Info

Publication number: KR100544622B1
Application number: KR1020020036862A
Authority: KR
Inventors: 문호정; 박장흠; 이창현; 이현제
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2006-01-24
Also published as: KR20040001602A

Abstract

본 발명은 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재에 관한 것으로, 그 크기와 기공율 각각을 2.8~3.2㎜, 28∼30%로 조정하여 최적 밀도로 조절함으로써 MgO·Al₂O₃ 스피넬 등의 용강 혼입을 방지하고, 도포시 열적 대류에 의한 날림을 방지하여 보온재의 실수율을 높임으로써, 플럭스의 주기능인 용강의 보온능, 재산화 방지능 및 개재물 흡수능이 모두 우수한 MgO계 턴디쉬 보온재를 제공할 수 있다.

턴디쉬, 보온재, 산화마그네슘, 밀도

Description

산화마그네슘계 턴디쉬 보온재{Heat insulating material for tundish comprising MgO}

도 1은 제강, 연속주조 작업의 모식도,

도 2는 종래기술에 의한 보온재가 도포된 턴디쉬에 관한 모식도,

도 3은 스피넬 생성 반응 모식도,

도 4는 1,550℃에서의 CaO-SiO₂-Al₂O₃ 슬래그의 등밀도 곡선,

도 5는 슬래그 점도에 의한 부력 발생에 따른 MgO의 거동를 나타낸 도면,

도 6은 용강과 대기의 온도차에 의한 열적 대류현상을 나타낸 도면,

도 7은 MgO계 보온재 종류에 따른 평균제강성 결함수를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 예비처리 2 : 전로취련

3 : 2차정련 4 : 연속주조

10: 턴디쉬 11: 용강

12: 고염기성 저융점 플럭스 13: SiO₂계 왕겨류

본 발명은 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 철을 생산함에 있어 제강공정에서 만들어진 용강을 응고시켜 주편으로 만드는 연주공정에서 용강을 응고시키기 전에 용강을 래들로부터 받아 두는 턴디쉬에서 용강에 보온능을 부여하기 위해 용강 위에 도포하는 플럭스로서, 개재물의 혼입과 용강 재산화를 방지하여 우수한 품질의 주편을 제조할 수 있는 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재에 관한 것이다.

일반적으로 강을 생산하는 제강공정에 있어 제선공정으로부터 이송된 철은 도 1에 도시된 바와 같이 용선처리(1), 전로취련(2), 2차정련(3) 공정을 경유하고, 연주공정(4)에서 액상의 철은 고상의 상태로 응고된다.

일반적으로, 연주 턴디쉬에서 용강위에 도포하는 플럭스의 주기능은 용강의 보온작용, 재산화 방지 및 정련작용(이하 "개재물 흡수능"이라 함)의 세 가지로서, 이러한 기능을 확보하기 위하여 사용되는 플럭스는 성분 측면에서 염기성 플럭스와 SiO₂계 왕겨류로 구분될 수 있으며, 용융 측면에서 저융점, 중융점, 고융점으로 구분될 수 있다.

융점과 관련하여 구분된 플럭스 중 저융점 플럭스는 1,400℃이하의 융점을 가지며 신속하게 대기를 차단시킬 수 있으므로 재산화 방지 차원에서는 유리하나 보온능이 떨어지는 단점이 있으며, 고융점 플럭스는 주조온도 이상(1,570℃)의 융점을 가지며 도포능이 떨어지므로 대기차단능은 불량하나 단열 보온효과 측면에서 는 유리하다. 중융점 플럭스는 1,400℃이상의 융점을 가지며 완만한 대기차단능과 단열능을 가진다.

성분과 관련하여 구분된 플럭스 소재 중 염기성 턴디쉬 플럭스는 CaO계 성분비를 높이고 SiO₂ 성분비를 낮춤으로써, 개재물 흡수능을 향상시키고 SiO₂에 의한 Al₂O₃ 개재물 생성을 방지하기 위해 사용될 수 있으며, 이에 반하여 왕겨류는 일반적으로 SiO₂를 90%이상 함유하고 있으므로 보온능 확보를 위해 사용될 수 있으며, 원가 측면에서 저렴하므로 엄격한 품질을 요구하지 않는 일반 강종에 대해서는 단독 적용될 수 있으나, Al 환원에 의해 Al₂O₃ 개재물을 형성하고 재산화의 원인을 제공하는 문제점이 있으므로 적용상 한계가 있다.

고품질의 강을 제조하기 위한 방법으로서 상기한 방법외에 저융점의 염기성 턴디쉬 플럭스를 도포하고 그 위에 고융점의 왕겨류를 도포하는 이중 도포법이 이용되어 왔다. 이러한 방법에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 래들로부터 받은 용강(11)을 턴디쉬(10)에 받아 주조함에 있어, 저융점의 고염기성 턴디쉬 플럭스(12)를 먼저 투입하여 신속한 도포성을 통하여 대기와의 접촉 시간을 최대한 빨리 단축하여 용강의 재산화를 방지하고, 그 후에 연속하여 고융점의 SiO₂계 왕겨류(13)를 투입하여 단열, 보온능을 향상시켜 턴디쉬에서의 용강의 온도하락을 방지하였다. 그러나, 고품질의 고급강을 생산함에 있어 수㎜의 개재물도 허락하지 않을 만큼 엄격한 제품 생산을 요구하는 근래의 상황에 비춰볼 때, 소재로서 사용되는 고융점 플럭스인 왕겨류 중에는 SiO₂가 90%이상 함유되어 있으며, 이 SiO₂는 Al에 의한 환원이 쉬워 용강중 Al과 반응하여 Al₂O₃ 개재물을 생성하게 되고, 이러한 개재물은 결국 용강류에 의해서 주편에 혼입되고 제품의 품질에 악영향을 주게 되며, 재산화의 원인도 되므로 이러한 방법 또한 현상황에선 적합하지 못하다.

상기한 일반적인 방법 이외에도, 근래에는 MgO계 턴디쉬 보온재를 왕겨류 대신 적용 중에 있다. 이러한 MgO계 보온재의 경우 0.5㎜ 이하의 과립상 또는 기공을 포함하여 제조되고 있으나, 주조초기 턴디쉬 내 슬래그층이 1㎜ 이하로 매우 얇을 경우 용강중에 혼입되어 주편 품질과 직결되는 매우 중요한 악영향을 주는 인자인 MgO·Al₂O₃ 스피넬의 생성을 방지하지 못하고 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 턴디쉬 용강과 그 위에 존재하는 공기와의 온도차로 발생하는 열적 대류 현상에 의한 날림 현상 방지 또한 고려하지 못하고 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 더욱 효율적으로 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 그 목적은 MgO계 턴디쉬 보온재를 제조함에 있어 그 크기 및 기공율을 조정하여 밀도를 조절함으로써 MgO·Al₂O₃ 스피넬 등의 용강 혼입을 방지하고, 도포시 열적 대류에 의한 날림을 방지하여 보온재의 실수율을 높임으로써, 플럭스의 주기능인 용강의 보온능, 재산화 방지능 및 개재물 흡수능이 모두 우수한 MgO계 턴디쉬 보온재를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재는, 턴디쉬에서 용강에 보온능을 부여하기 위해 용강 위에 도포하는 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재에 있어서, 상기 보온재의 크기가 2.8~3.2㎜이며, 기공율이 28∼30%임을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에서 이용되는 원리 및 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, MgO의 밀도 및 크기가 턴디쉬 보온재의 효과에 미치는 영향을 설명한다.

MgO계 단열 보온재의 경우, 순수한 MgO의 이론적인 밀도는 0℃에서 3.58g/㎤로 알려져 있고, 턴디쉬에서의 온도가 1,600℃임을 고려한 경우 밀도는 3.39g/㎤로 약간 낮아지며, 치밀하지 못한 MgO를 고려하더라도 2.6∼2.9 g/㎤의 범위에 속한다. 이러한 값은 도 4에 도시된 바와 같이 현 조업의 턴디쉬에서의 슬래그 밀도범위인 2.5∼2.7g/㎤보다 큰 값이다. 기본적으로 어떤 고체가 다른 액체 위에 뜨려면 고체의 밀도가 액체의 밀도보다 작아야 하는 점을 고려하여 볼 때, 1,600℃에서의 MgO계 보온재는 결국 그 크기와 밀도를 제어하지 않을 경우 용강중에 슬래그로 가라앉게 되고, 결과적으로는 도 3에 도시된 MgO·Al₂O₃ 스피넬의 생성 메커니즘 및 하기 반응식 1에서와 같은 반응에 의해 MgO·Al₂O₃ 스피넬이 생성되게 되며, 이 스피넬이 용강류에 의해 혼입될 경우 주편의 품질을 열화시켜 커다란 손실을 가져오 게 된다.

MgO + 2Al + 3O = MgO·Al₂O₃ ; ΔG°= -507,110.61 J/mol

또한, MgO계 턴디쉬 보온재의 밀도뿐만 아니라 적정 크기를 고려하지 않으면, 도포시 공기의 물성에 의해 발생하는 힘인 저항력으로 인해 이 보온재는 날리게 되고 실수율이 떨어져, 왕겨류 대비 원가가 훨씬 높은 것을 고려하면 막대한 원가 부담을 갖게 되고 타사와의 경쟁력도 떨어지게 된다.

이러한 문제점을 방지하기 위하여, MgO계 보온재를 순수한 치밀한 재질로 보고(즉, ρ_MgO=3.39g/㎤), MgO 과립형이 슬래그로 유입되지 않을 최대임계크기를 계산해 보면, ρ_MgO=3.39g/㎤라면 MgO 과립이 슬래그로 유입되는 과정은 ρ_MgO > ρ _slag이므로 스토크의 법칙(stoke's law)이 지배하는 영역으로 가정한다. 도 4에서 보여지는 바와 같이 밀도가 큰 MgO가 밀도가 작은 슬래그로 유입될 때 밀도차에 의해 가라앉으려는 힘이 작용하지만 슬래그의 점도에 의한 부력도 작용하게 된다. 즉, 턴디쉬내 슬래그의 점도도 고려되어야 한다. Stoke's law가 적용되기 위해서는 Re(Reynolds number) < 0.1이 되어야한다. 따라서 최대임계크기를 구하는 과정이므로, 하기의 수학식 1을 만족해야 하며, 수학식 1에서 최대임계크기이므로 Re = 0.1로 놓고 식을 풀면 ν_∞를 R에 대한 표현으로 나타낼 수 있다.

이것을 하기 수학식 2에 대입하면 하기 수학식 3과 같은 결과 식을 얻게 된다.

위 결과식에 의해서 슬래그 조성에 따른 최대임계크기를 얻게 된다. 즉, 보온재가 상기 수학식 3에 의한 임계크기보다 클 경우에는 용강중으로 도 3과 같은 MgO·Al₂O₃ 스피넬의 용강 중 혼입을 발생시켜 주편 품질을 악화시키게 됨을 고려하여 밀도를 조절한다.

이하, 실제 턴디쉬 투입 조건에서의 MgO의 크기, 기공율 및 밀도의 상호 관계를 설명한다.

다음으로 MgO계 보온재를 턴디쉬에 투입 시 위로 날리지 않을 최소임계값을 구하기 위하여, 보온재 투입위치에 따른 낙하시간 및 투입속도는 뉴튼의 법칙(Newton's law)의 자유낙하가 적용된다는 가정하에 계산을 하면, 하기 표 1에 기재된 바와 같다.

투입위치 (m)	낙하시간 (sec)	투입속도 (m/sec)
1	0.45	4.43
2	0.64	6.26
3	0.78	7.67

한편, 공기 중의 온도를 고려하면, 그에 따른 공기 물성 중 ρ_air는 1.177㎏/㎥이고, η_air는 1.85×10^-5㎏·m/sec이다. 따라서, 비중차에 의해 보온재가 하강하려는 힘(F₁)이 공기에 의한 저항력(F₂)보다 커야 과립형 보온재가 날리는 것을 막을 수 있다. 즉, 하기 수학식 4 및 5에서 F ₁ > F ₂의 조건이 만족하여야 한다.

결국 하기 수학식 6과 같은 조건을 만족하는 임계크기 이상이 되어야 한다.

상기 식중, f는 마찰계수(friction factor)로서 저항의 크기를 결정하는 인자로 뉴튼의 법칙을 만족하는 영역에서는 0.44의 실험적인 값을 나타낸다. 따라서 초기 낙하위치에 따른 종점속도(v _t )를 구할 때 뉴튼의 법칙이 적용되는 자유낙하를 가정하였기 때문에 마찰계수는 0.44로 생각할 수 있다. 그러나, 도 6에 도시한 바와 같이, 용강과 대기의 온도차에 의한 열적 대류가 발생하며, 이러한 열적대류에 의해 공기의 대류가 야기되고 그에 따라서 마찰계수 값이 2까지 상승할 가능성을 지니고 있다. 따라서, MgO계 보온재를 투입하는 과정에서 공기중에 날리지 않기 위한 최소임계크기를 낙하위치와 f의 변화에 따라 구하면 하기 표 2에 기재된 바와 같이 투입위치와 마찰계수에 따른 MgO계 보온재의 최소임계크기를 얻을 수 있다.

	마찰계수
	0.44	1	2
투입위치 1m	0.23㎜	0.52㎜	1.04㎜
투입위치 2m	0.46㎜	1.04㎜	2.08㎜
투입위치 3m	0.69㎜	1.56㎜	3.13㎜

현 조업조건에서는 결국 마찰계수를 2로 가정해야 하며, 보온재를 던져서 도포하는 투입위치를 고려하면 투입위치 또한 2m 이상으로 되어야 한다. 따라서, 마찰계수가 2이고 투입 위치가 2m일 때 과립상의 MgO계 보온재의 경우 최소임계값이 2.08㎜ 이상이 되어야 실수율이 우수한 보온재가 될 수 있다. 하지만 앞에서 언급한 것과 같이 일반적인 슬래그의 밀도는 2.6~2.7g/㎤가 되고, 일반적인 턴디쉬에서의 슬래그 점도는 0.4~0.8Kg·m/sec을 고려하면 보온재의 최대임계크기는 2.4~3.8㎜로 작기 때문에 이러한 투입 방법에 의하면 MgO·Al₂O₃스피넬의 용강중 혼입을 야기시킨다.

그러나, 실제 MgO계 보온재는 100% 치밀하지 못하고 어느 정도 기공율을 내포하고 있으므로 이러한 기공율에 따른 MgO계 보온재의 밀도의 변화를 고려하여야 한다. 기공을 내포함으로써 투입 MgO계 보온재의 크기는 증가하지만 전체적인 밀도는 감소하는 효과를 지니게 되므로, 일반 과립형 보온재와 동일한 조건에 대하여 기공율에 따른 밀도와 단위부피의 변화를 하기 표 3에 나타내었다. 슬래그의 온도를 1,523℃라고 가정하면, 기공에 있는 공기의 물성 중 ρ_air는 0.196㎏/㎥이고, η_air는 5.87×10^-5㎏·m/sec이며, 전체 밀도는 하기 수학식 7에 의해 구해진다.

식중, X는 분율임

기공율 (%)	ρtotal (g/㎤)	크기변화 (D)
0	3.39	1배
10	3.05	1.04배
20	2.71	1.10배
30	2.37	1.14배
40	2.03	1.18배
50	1.70	1.25배

따라서, 기공율에 따른 중공형 단위크기 및 밀도 변화율은 상기 조건에 따라 슬래그에 혼입되지 않을 최대임계크기에 의거 해당 턴디쉬에서의 슬래그 조성을 통해 계산해 보면, 최적의 MgO 크기와 밀도를 구할 수 있게 된다.

현 조업 조건에 비추어 계산해 볼 때, 즉, 마찰계수를 2 그리고 도포 위치와 턴디쉬내 슬래그의 조성을 고려 할 때, MgO계 보온재의 기공율에 따른 최소, 최대 임계값은 하기 표 4에 기재된 바와 같다.

	MgO계 보온재 기공율(%)
	0	10	20	30	40	50
최소임계크기 (㎜)	2.08	2.31	2.60	2.98	3.47	4.17
최대임계크기 (㎜)	2.40	3.00	5.40	유입 무	유입 무	유입 무
밀도 (g/㎤)	3.39	3.05	2.71	2.37	2.03	1.70

즉, 각각의 기공률에 대해 상기 표 4의 최소임계크기 < MgO계 보온재 < 최대 임계크기의 조건을 만족해야 한다. 그러나, 위 조건을 만족한다 하더라도, 기공율 0%인 경우는 실조업에서 제조하기도 어렵지만 제조도 그 적정 범위가 적어 어렵고, 기공율이 25% 이하인 경우에는 연속주조 공정의 턴디쉬에서 슬래그층이 매우 얇은 주조 초기를 고려하면 MgO계 보온재가 직접적으로 용강과 접촉할 수 있는 기회가 많아졌을 때는 주편 표면 품질에 악영향을 줄 수도 있다. 또한, 기공율이 35% 이상일 경우에는 실수율 측면에서는 유리할 수 있으나 부피 증가로 인한 턴디쉬 내 탕면 관찰이 불리하고 같은 중량으로 턴디쉬 위에서 여러층을 형성해야 주목적인 보온능이 확보된다는 점을 감안할 때 턴디쉬 용강 온도 확보 차원에서는 불리하다.

따라서, 본 발명에서는 연속주조 공정의 턴디쉬에서의 슬래그 조성을 고려할 때 기공율 28~30%를 가지며, MgO계 보온재의 크기가 2.8~3.2㎜인 것이 바람직하다. 이러한 크기와 기공율을 적용할 경우 밀도는 2.4g/㎤ 이하의 범위를 갖게 된다. 가장 바람직하게는, 상기 범위에서 크기와 기공율을 조정함에 의해 밀도 2.3∼2.4g/㎤인 보온재를 제조한다.

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만 본 발명이 이들예로만 한정되는 것은 아니다.

[실시예 및 비교예]

턴디쉬에 CaO 45wt%, SiO₂ 22wt%, Al₂O₃ 35wt% 및 잔량으로서 기타 불순물을 함유하고 밀도가 2.64g/㎤이며 점도가 0.4인 슬래그를 투입하고, 보온재로서 하기 표 5에 기재된 바와 같이 서로 다른 기공율, 임계크기 및 밀도를 갖는 MgO계 보온재를 도포하였다. 보온재의 크기는 하기 표에 기재된 바와 같이 보온능을 최대한 확보하기 위하여 최대한 최소임계크기에 가까운 값으로 설정하였다.

	비교예 1	비교예 2	실시예 1	비교예 3
기공율 (%)	10	20	30	40
크기 (㎜)	2.3	2.6	3.0	3.5
밀도 (g/㎤)	3.0	2.7	2.3	2.0

상기한 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 MgO계 보온재 각각을 대상으로 하여 도포에 따른 주편의 품질을 분석하고, 그 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7중 각 보온재에 대하여 그려진 막대는 연속주조 순서에 따라 별도 측정된 값을 나타낸 것으로, 좌측의 [4-1]막대가 연속주조 순서가 빠른 것이다. 이때, 주편 품질은 절대 품질로써 평가할 수 있는 열간압연공정에 설치된 SDD 표면 흠 검사기의 검사값을 토대로 평가한 것이다. 도 7의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 기공율 28~30%를 가지며, 크기가 2.8~3.2㎜에 속하는 실시예 1의 조건, 즉 밀도가 2.3이 되는 조건(기공률 30%, 크기 3.0㎜)에서 각 주편당 평균 제강성 표면 결함수가 가장 작음을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, MgO계 보온재의 크기와 기공율을 조정하여 최적의 밀도를 갖도록 함으로써, 첫째는 턴디쉬 슬래그 위에 부유하여 MgO계 보온재가 용강중으로 혼입하여 발생할 수 있는 MgO·Al₂O₃ 스피넬의 형성을 막아 주편 품질을 향상시키고, 이와 더불어 턴디쉬 보온재 도포시 용강과 대기와의 온도차에 의한 열적 대류 발생으로 인한 날림 현상으로 작업성과 실수율 감소를 최소화할 수 있다.

또한, MgO계 턴디쉬 보온재가 슬래그 상에 존재할 경우, 시간이 경과함에 따 라 보온재는 슬래그가 MgO에 의해 포화될 때까지 용융해 들어가고, 이러한 슬래그 중 MgO의 증가는 이미 MgO계 내화물에 의해 진행되었기 때문에 품질에는 별 영향이 없으며, 오히려 슬래그가 MgO에 의해서 빨리 포화가 일어나 내화물의 용손을 줄이는 효과가 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

턴디쉬에서 용강에 보온능을 부여하기 위해 용강 위에 도포하는 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재에 있어서,

상기 보온재의 크기가 2.8~3.2㎜이며, 기공율이 28∼30%임을 특징으로 하는 산화마그네슘계 턴디쉬 보온재.