KR100558653B1 - 분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물 - Google Patents

분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물에 관한 것으로, 환원가스 분위기에서 화학적으로 안정한 부식 저항성 및 열충격 저항성, 기계적 강도의 특성을 갖는 캐스타블 내화물을 제공하고자 한 것이다.
이를 위해 본 발명은 100중량%로서, 실리카(SiO2) 1.5∼2.5중량%, 산화철 (Fe2O3)0.05중량% 이하, 칼시아(CaO) 8∼11중량%이고, 나머지가 알루미나(Al2O3)로 조성됨을 특징으로 한다.
철광석, 유동층 환원로, 천정부, 내화 조성물, 캐스타블

Description

분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물{refractory composition using dome part molding of fluid layer reduction furnace for reduction iron ore}
도 1은 일반적인 고로법에 따른 제선 공법을 설명하기 위한 개략도
도 2는 본 발명이 적용되는 파이넥스 공정에 따른 제선 공법을 설명하기 위한 개략도
도 3은 도 2의 구성요소인 유동층 환원로를 나타낸 확대도
1: 유동층 환원로 2: 분산판
3: 용해로 4: 천정부
본 발명은 분철광석(粉鐵鑛石)을 유동화 반응에 의해 환원하기 위한 유동층 환원로(fluid layer reduction furnace)의 천정부(天井部) 성형에 이용되는 내화재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캐스타블 내화물(castable refractories)로써, 고강도, 내마모성, 환원성가스에 의한 내부식성, 내열충격 및 우수한 시공성을 갖게 하는데 적합한 파이넥스(FINEX)공정에 따른 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물에 관한 것이다.
근대의 제철법은 간접법이라 하여 일단 용선(鎔銑)을 만들어 이것을 탈탄하여 강을 만든다. 용선을 만드는 제선법으로서는 코크스를 연료로 하는 용광로법(고로법)이다.
도 1은 일반적인 용광로법에 따른 제선 공법을 설명하기 위한 개략도로써, 철광석을 분쇄, 선광, 분광의 단광, 소결(燒結)하여 일정크기의 덩어리로서 용광로에 장입할 수 있는 견고한 펠렛을 만드는 전처리 과정을 거치게 되고, 유연탄을 이용하여 코크스를 만든 다음 이를 연료로 사용하고 있다. 상기 제조된 펠렛 및 코크스를 고로에 장입하여 불을 붙여 용선을 만들게 된다.
상기와 같은 고로법은 대량생산이라는 점에서 볼때 가장 우수한 방법으로 활용되고 있는 실정이나, 공정의 복잡성과 함께 소결광 및 코크스 제조를 위한 대규모 설비가 별도로 필요함에 따라 고 비용의 제조원가 등의 경제적 부담을 갖게되며, 또한 소결광제조 및 코크스제조 과정을 거침에 따라 환경오염 물질인 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX), 이산화탄소(CO2)등이 배출되는 문제점이 발생하게 된다.
상기한 고로법에 따른 문제점을 갖는 생산방식을 변경하여 철광석의 전처리 과정 및 코크스 과정을 없애고 직접 천연상태의 분철광석을 유동화 반응에 의해 환원시킬 수 있는 설비가 최근 국내 철강 제조 업체인 포스코(포항종합제철소)에서 처음 개발되어 특허출원(출원번호 : 10-1995-41931)된 후 특허(특허번호 : 10-236160)된 것으로, 이를 파이넥스(FINEX) 공정이라 자체 명명하고, 최근에 그 설비가 건설되어 시험 가동되고 있다.
첨부된 도 2는 본 발명의 적용되는 파이넥스 공정에 따른 제선 공법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 3은 도 2의 구성요소인 유동층 환원로를 나타낸 확대도로써, 상기 파이넥스 공정은 분철광석을 여러단계의 유동층 환원로(1)에서 단계적으로 환원시켜 용해로(3)에 8∼50㎜의 성형탄과 함께 장입하여 용선을 만드는 것으로, 약 8mm의 분철광석이 여러단계로 나누어진 유동층 환원로(1)를 지나 환원된 철광석으로 변화되고, 이것을 성형하여 펠렛 형태(HCI;Hot Compact Iron)로 용해로(3)에 장입하여 원하는 쇳물을 경제적으로 생산하려는 새로운 제선 공법이다.
상기 유동층 환원로(1)는 상부인 천정부(4)가 폐쇄된 형태로써, 그 내부에는 지주대(도시는 생략됨)에 의해 분산판(2)이 지지되어 있는데, 상기 분산판은 고압, 고온의 환원성가스가 인입될 경우 이를 균일하게 분산시켜 분철광석이 유동화에 의해 환원되도록 하는 부재이며, 가스가 통과될 수 있게끔 복수개의 통공을 갖추고 있다.
상기 유동층 환원로(1)에서 천정부(4)의 성형은, 천정부 프레임(천정부를 이룰 기본 뼈대)에 내화재를 부착시킴에 따라 가능한데, 상기 내화재를 천정부 프레임에 부착할 때는 상기 내화재를 유동층 환원로(1) 내부로 직접 인입할 수 없음에 따라 상기 내화재를 거닝기(gunning machine)에 의해 스프레이 방식으로 시공을 하여야 하고, 상기 거닝기에 의해 시공된 내화재는 고압, 고온의 환원성가스 분위기 하에서도 안정되고, 급속한 승온 및 강온 조건하에서도 견딜 수 있어야 한다.
따라서 상기 유동층 환원로(1)의 천정부(4)를 스프레이 방식에 의해 내화상태로 시공하는데 이용되는 내화재는 화학적 내구성, 특히 CO가스 부식저항성 및 열충격저항성은 물론 기계적 강도의 특성을 가진 재질이어야 한다.
상기 천정부(4)의 시공에 이용되는 종래의 재질이라 함은, 기 설명된 바와 같이 파이넥스 공정 설비가 세계 최초로서 상업화 규모로 적용된 재질은 아직 없었으며, 다만 시험용 설비에 고 알루미나질 캐스타블(castable)이 사용된 바는 있으나, 사용 과정에서 CO가스 저항성과 내열충격성이 불량하여 사용 중에 수축 및 크랙이 발생되면서 탈락하는 문제점이 있었다.
따라서 소규모 시험용이 아닌 대규모 상업 생산이 가능한 년산 100만톤 이상 규모의 반응로 설비로서, 주 사용온도인 600∼1000℃ 근방에서 환원성가스 및 철광석에 함유된 여러 성분과의 사용 중 화학적 반응이 없어야하고, 분철광석의 고온 및 고유속 유동화 조건에서 우수한 내마모 특성을 갖어야 하며, 연속조업(漣續操業)이 아닌 단속조업(斷續操業)시 균열이 주로 발생할 수 있으므로, 조업재개에 따른 급속한 승온, 강온에서도 견질수 있는 우수한 내열충격성이 요구된다.
또한 유동층 환원로(1)의 천정부(4)는 설계되는 구조적 특성상 외부에서 내화상태로 미리 완벽하게 성형한 다음 이를 설치할 수는 없는 것이므로, 상기 천정부(4)의 뼈대인 천정부 프레임에 내화재를 부착시켜 완벽하게 성형할 수 밖에 없고, 이에 따라 천정부 프레임에 부착될 내화재는 거닝기에 의한 스프레이 방식의 시공이 가능한 부정형 재질로서 시공성이 확보되어야 하며, 대형 시공체이므로 시공 후 양생 및 건조과정에서도 시공체의 변형이나 건조 중 폭발하는 문제점을 가지고 있으면 안된다.
따라서 시험용이 아닌 상업용 설비에서는 보다 더 가혹한 사용조건, 특히 급속 승온과 강온조업에 따른 열충격 조건이 예상되므로 천정부용 재질의 구비 특성으로써, 시공체 비중 2.55이하, 사용온도 조건에서의 건조 압축강도 750kg/cm2 이상, 기공율 30% 이상, ASTM C288 기준 A-B등급 이상의 CO가스 저항 특성을 갖는 제품 설계기준에 적합하여야 한다.
본 발명은 상기한 시험용 내화물과 다르게 조성하므로서 이를 이용하여 유동층 환원로의 천정부를 성형하고, 이후 유동층 환원로에 의해 입도 분포가 넓은 분철광석을 여러관계로 환원시킬때 환원가스의 분위기에서 화학적으로 안정한 부식 저항성 및 열충격 저항성, 기계적 강도의 특성을 갖는 천정부 성형용 캐스타블 내화물을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적의 본 발명은, 100중량%로서, 실리카(SiO2) 1.5∼2.5중량%, 산화철(Fe2O3)0.05중량% 이하, 칼시아(CaO) 8∼11중량%이고, 나머지가 알루미나(Al2O3)로 조성됨을 특징으로 하는 분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물을 제공함에 의해 달성될 수 있다.
상기한 조성에서 실리카(SiO2)와 산화철(Fe2O3)의 조성범위를 한정한 것은, 시공특성과 CO가스 저항특성을 확보하기 위한 것으로, 실리카(SiO2)의 함량이 1.5중량% 이하에서는 스프레이건을 이용한 분사 시공성이 불량해지고, 2.5중량% 이상으로 되면 유리된 실리카의 성분으로 인해 고온, 고압에서의 CO가스 저항성이 저하되거나 고온에서의 소결 수축이 발생되어 내열충격성이 저하된다. 그리고 산화철(Fe2O3)은 CO가스 저항 특성을 위한 것으로, 0.05중량% 이하가 바람직하다.
칼시아(CaO)는 재질 중에 포함된 CaO함량으로서, 예를 들면 알루미나시멘트의 사용을 들 수 있다. CaO의 함량이 8중량% 이하면(즉, 어떤 종류의 시멘트를 사용하건 또는 어떤 CaO를 포함한 원료를 사용하건) 시공성이 확보되지 않으며, 거닝 시공시 부착율이 저하되어 리바운드로스가 증가하게 되며, 요구되는 강도를 확보할 수 없다.
또한 CaO함량이 11중량% 이상이 되면 시공성 및 강도확보는 가능하나, 상대적으로 주 성분인 알루미나(Al2O3)의 량이 감소되며 고온에서의 강도저하가 발생되므로 내열충격성이 저하된다.
상기 주 성분인 알루미나(Al2O3)을 얻기 위해서는 소결알루미나 또는 용융알루미나를 사용할 수 있으며, 본 발명에 적용되는 유동층 환원로(1)는 사용조건이 강한 환원성 분위기이므로 주 성분인 알루미나는 95% 이상의 고 알루미나일 수록 바람직하다.
본 발명은 전체 조성을 100중량%로 하여, 주 성분으로서 알루미나 성분이 너무 적으면 나머지 부 성분(주 성분을 제외한 나머지 성분)의 함량이 많아 상기에서 언급한 특성을 얻기 어려우며, 또한 CaO의 량이 증가하여 강도가 저하되므로 바람직하지 않으며, 반대로 주 성분으로서 알루미나 성분이 너무 많으면 상대적으로 나머지인 부 성분의 량이 감소하여 물성을 만족시키기 어려우며 그 중 비중이 증가하여 기공율이 30% 이하로 떨어지게 된다.
상기와 같은 본 발명 조성은, 분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로(1)의 천정부(4)를 성형하기 위한 재질로써, 시공체의 비중 2.55이하, 1000℃온도에서 기공율 30% 이상, 건조 압축강도 750㎏/㎠ 이상. 천정부 시공 리바운드로스 10% 이하, CO가스 저항성 ASTM C288기준 A∼B 이상의 특성을 갖는 알루미나질 내화 조성물이다.
이하 파이넥스 공정에 따른 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물을 시험설비(비교예)와 상업설비(실시예)로 구분하여 비교하면 다음의 표와 같다.
(표 1)
비교예 실시예
적용예 시험설비 상업설비
시공방법 유입시공 거닝시공
화학성분 (%) Al2O3 93 87
SiO2 1 1.7
Fe2O3 0.01 0.01
CaO 9.5
부피비중 kg/㎥ 2,900 2,520
기공율(%)1000℃ 31
압축강도 (kg/㎠) 110℃ 450 800
1000℃ 300 400
CO가스 저항성 ASTM C288 A A
시공리바운드로스(%) 10
한편 본 발명 내화 조성물을 유동층 환원로(1)의 천정부(4) 시공에 이용할 때 스프레이를 위해 사용되는 거닝기는 공기 토출압력 2㎏/㎠이상, 수분 토출압력 2㎏/㎠이상의 거닝기를 사용하였다.
삭제
삭제
삭제
이상에서와 같이 본 발명은 기본 설계상 요구되는 시공성 확보, 시공체의 부피 비중 2.55이하, 1000℃온도에서 기공율 30% 이상, 건조 압축강도 750kg/cm2 이상. 천정부 시공 리바운드로스 10% 이하, CO가스 저항성 ASTM C288기준 A∼B 이상의 특성을 갖는 알루미나질 내화재를 얻게되므로, 이를 이용해 유동층 환원로(1)의 천정부(4)를 시공하였을 때 양생 및 건조과정에서 시공체의 변형이나 건조 중 폭발하는 문제가 발생되지 않게되는 효과가 있다.

Claims (1)

100중량%로서, 실리카(SiO2) 1.5∼2.5중량%, 산화철(Fe2O3)0.05중량% 이하, 칼시아(CaO) 8∼11중량%, 나머지가 알루미나(Al2O3)로 조성되는 내화 조성물을 함유하는 분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로의 천정부.
KR20030059132A 2003-08-26 2003-08-26 분철광석의 환원을 위한 유동층 환원로의 천정부 성형에 이용되는 내화 조성물 KR100558653B1 (ko)

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