KR100591711B1

KR100591711B1 - 용융 금속 온도 측정용 열전대 보호관

Info

Publication number: KR100591711B1
Application number: KR1020040030045A
Authority: KR
Inventors: 성경필
Original assignee: 조선내화 주식회사
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2006-06-22
Also published as: KR20050104683A

Abstract

본 발명은 용강 및 슬라그(slag)에 대한 침식 저항성이 우수하고, 열충격 저항성이 우수한 용융금속 온도 측정용 열전대를 보호하는 열전대 보호관에 관한 것으로, 이에 따른 구성은 100중량%로써, 질화알루미늄(AlN) 5∼30중량%, 카본(C) 10∼35중량%이고. 나머지가 금속산화물로 조성되며, 또한 상기 조성에 카본 산화방지제를 5중량% 이하 조성함을 특징으로 하는 용융금속 온도 측정용 열전대 보호관에 관한 것이다.

열전대. 열전대 보호관

Description

용융 금속 온도 측정용 열전대 보호관{thermocouple protecting tube for temperature measurememts of melted metals}

도1은 열전대와 열전대 보호관의 결합 단면도

도2는 열선법에 의한 열전도율 시험을 나타낸 상태도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 열전대 보호관 2: 헤드부 3: 열전대

4: 보상 도선

본 발명은 용융 금속 온도 측정용 열전대 보호관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강 및 슬라그(slag)에 대한 침식 저항성 및 열충격 저항성이 우수하는데 적합한 턴디쉬, 래들 등의 용기속에 수용된 용융금속의 온도를 연속적으로 측정하는 측정장치의 열전대 보호관에 관한 것이다.

일반적으로 일관제철소의 연속주조 공정은 고온의 용강이 래들과 턴디쉬를 통해 주형(mold)에 주입되고 연속주조기를 통과하면서 냉각 응고되는 과정으로 이루어진다. 이런 과정에서 용강 온도가 너무 높으면 연속주조기에서 브레이크 아웃 이 발생하여 조업이 중단되고, 설비가 열화되거나 주편의 품질이 저하하며, 용강의 온도가 너무 낮으면 연속주조 작업을 계속할 수 없는 조건이 이루어지므로 연속주조 공정에서 용강의 온도를 연속적으로 정확하게 측정하는 것은 메우 중요하다.

또한 턴디쉬내의 연속 온도 측정은 용강 온도 변화를 데이터(data)화 함으로써 용강 온도 변화에 대한 신속한 대응이 가능함에 따라 강 품질 향상 및 조업 사고를 미리 예방할 수 있을 뿐만아니라 기타 조업 데이터(data)로의 활용이 가능하다.

따라서 연속주조 공정에 있어서 용강의 온도를 정확하게 연속적으로 측정하는 것이 무엇보다 중요하며 이를 위해 일반적으로 턴디쉬 상부에서 측정용 열전대를 용강내로 침적시켜 용강의 온도를 즉정하는 방법이 사용된다.

도1은 용강 온도를 측정하는 열전대 및 그 보호관의 결합상태를 나타낸 개략도로서, 일반적으로 연속 온도 측정장치는 용강의 온도를 측정할 수 있는 센서부와 장치를 구동할 수 있는 메뉴플레이터(도면에서는 생략함)로 크게 구별되며, 센서부는 온도를 측정할 수 있는 측온센서 즉, 열전대(3)와 열전대를 보호하는 헤드부(2)를 구비한 열전대 보호관(1) 및 보상 도선(4) 등 기타 부대설비로 구성되어 있다.

상기 열전대 보호관(1)은 용강에 침지하여 장시간 사용하므로 용강 및 슬라그에 대한 물리적, 화학적 침식에 대한 침식 저항성이 우수하여야 하며, 급격한 열흐름에 대한 열충격 저항성이 높아야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위해 일반적으로 알루미나(Al₂0₃)-카본(C)-실리카(SiO₃)계 내화물이 사용된다.

상기 조성에서 열전도율 특성이 좋은 카본의 함량이 증가하면 열전대 보호관이 열적 응답 특성은 향상될 수 있으나 카본이 용강에 쉽게 용해됨과 함께 용존 산소에 의한 탈탄으로 인해 내화물의 조직이 침해되는 등 단점을 포함하고 있기 때문에 사용량에 제한을 받는다. 따라서 카본계 내화물에서는 카본의 산화 방지를 위하여 일정량의 카본 산화방지제(SiC,금속Si, B₄C 등)를 첨가하여 카본을 보호한다.그러나 카본 산화방지제를 너무 많이 사용하면 물성의 변화를 일으켜 오히려 특성 저하를 유발하며, 보통 카본 함량에 따라 5중량% 이하 사용한다.

또한 실리카의 경우 열팽창율이 작아 열충격 저항성에 우수한 특성을 나타내지만 장시간 사용될 경우 카본과 반응하여 기화됨으로써 노즐 내 공동(vacancy)을 형성하여 조직이 열화되는 단점을 가지고 있다. 또한 Mn,Fe 등의 산화물과 쉽게 방응하여 저융점 화합물을 형성하므로써 내식성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 용강 및 슬라그에 대한 내식성 및 열전도율이 우수한 질화알루미늄-카본-금속산화물계 내화물로 조성시키므로서 열전대 보호관의 사용수명을 향상시키고, 열적 응답 특성을 향상시키는데 적합한 열전대 보호관용 내화물을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 용융금속 온도 측정용 열전대를 보호하는 열전대 보호관에 있어서, 100중량%로서, 질화알루미늄(AlN) 5∼30중량%, 카 본(C) 10∼35중량%이고, 나머지는 금속산화물로 조성됨을 특징으로 내화물로 이루어진다. 또한 본 발명은 상기한 조성의 카본 함량에 따라 카본 산화방지제를 5중량% 이하 첨가하여 사용할 수도 있다.

상기 조성에서 질화알루미늄은 열팽창께수가 4 ×10^-6/℃이고, 열전도율이 높은 특성을 갖는 것으로, 내식성 향상 및 내열충격성 저하 현상을 방지하고, 또한 열적 응답 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 조성에서 그 첨가량이 30중량% 이상이면원료비 상승 효과 대비 물성 증진 효과가 미비하여 그 함량을 30중량% 이하 범위로 하며, 그 함량이 5중량% 이하이면 질화알루미늄량이 적어 상기 특성을 기대할 수 없다. 따라서 5∼30중량% 범위로 한정한다.

카본은 내화물의 열전도율을 높임과 함께 열팽창율을 낮추는 작용을 하므로 열충격 저항성을 향상시킬 수 있으며,열전대 보호관의 열적 응답 특성을 향상시킬수 있다. 그 함량이 10중량% 이하일 경우 성형체 제조상의 문제가 있으며, 또한 내화물 특성상 갖는 카본 결합력 약화를 초래하여 강도 특성을 저하시킨다. 그 함량을 35중량% 이상 증가시키면 카본 함량이 금속산화물 대비 너무 증가하여 용강내에 함유되어 있는 용존산소와 반응하여 가스성분(CO, CO₂)으로 산화 소실될 뿐만 아니라 용강에 용해되어 내식성에 좋지 않은 영향을 미친다.

따라서 본 발명은 10∼35중량% 범위로 한정하며, 바람직하게는 20∼35중량%, 더욱 바람직하게는 25∼35중량% 이다. 또한 본 발명은 카본의 함량에 따라 모재의 카본 산화 방지를 위해 SiC, 금속Si, B₄C 중 1종 이상의 카본 산화방지제를 5중량% 이하로 사용할 수 있다

본 발명은 100중량% 중 상기 원료를 제외한 나머지 중량%를 갖는 금속 산화물은 슬라그 및 용강에 대한 내식성을 향상시킬 목적으로 사용되며, 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 마그네시아(MgO) 중 1종 이상 사용할 수 있다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

(표 1)과 같이 조성한 배합 원료를 성형 및 소성한 후 시험편을 제작하였다. 이 시편을 고주파유도로 내의 용탕(1550∼1600℃)에 침식제(강+슬라그)를 투입한 후 시험편을 침지 회전하여 침식 시험을 한 후 기존 재질의 침식율을 100으로 가정하여 각 시험편의 침식율을 나타내었다.이때 침식제에 의한 침식 면적을 계산한여 상대적 침식 지수를 구하였다.

또한 열충격 시험은 고주파 유도로에 의해 형성된 용탕(1550∼1600℃)에 시험편을 침지한 상태에서 1분 유지 후 시험편을 꺼내 수냉하는 방법으로 열충격에 대한 내구성을 평가하였다.

열전도율 측정은 여러가지 방법이 있으나, 본 실험에서는 한국산업규격 KS L 3306-80 "열선법에 따른 내화벽돌의 열전도도 측정방법"에 의거 자체 제작한 도2와 같은 측정장치를 이용하여 열선법(Hot wire method)으로 질소분위기 350℃에서 측정하여 상대 비교하였다. 열선도율 계산은 다음(1)식에 의해 계산하였다.

λ=(I²R/4π)·[In(t₂/t₁)/(θ₂-θ₁)]-------------(1)

λ: 열전도율(w/m ·℃)

I : 열선에 흐르는 전류값(A)

R : 열선의 전기 저항(Ω/m)

t₂, t₁ : 열선에 통전한 후의 시간(min)

θ₂, θ₁, : t₂, t₁ 에 대한 열선의 온도(℃)

		비교예	실 시 예
		비교예	1	2	3	4	5	6
화학 성분 (중량 %)	C	30	30	30	25	20	15	10
	Al₂O₃	40	55	50	55	-	-	50
	ZrO또는MgO	-	5	5	-	MgO:52	ZrO:53	-
	SiO₂	25	-	-	-	-	-	-
	AlN	-	5	10	20	25	30	40
	산화방지제	5	5	5	3	3	2	2
물 성	부피비중(g/cc)	2.24	2.29	2.27	2.37	2.42	3.07	2.62
	기공율(%)	16.0	17.5	18.5	20.6	21.1	20.5	19.5
	압축강도(kg/cm²)	240	270	250	455	420	470	325
	곡강도(kg/cm²)	80	101	97	159	155	148	125
	상대침식지수	100	65	62	51	33	27	42
	열충격성시험	○	○	○	○	○	○	○
	열전도율(w/℃)at 350℃)	14.5	15.8	16.6	16.9	16.4	15.3	16.7

(실시예 1∼6)

상기한 (표 1)에 나타낸 본 발명의 실시예(1∼6)는 실리카(SiO₂)함량을 배제함과 함께 열전도 특성이 뛰어난 질화알루미늄(AlN)으로 치환하여 물성시험을 특정한 것으로, 종래의 비교예에 비해 내식성 및 열전도율이 향상되었으며, 열충격시험 후에도 균열이 발생하지 않았다.

한편 실시예 6과 같이 잘화알루미늄 함량이 40중량% 이상으로 증량시킨데도 불구하고 물성 증진 효과가 미비한 것으로, 오히려 원료비 상승을 일으켜 그 첨가량을 30중량% 이하로 하였다.

(비교예)

종래의 경우를 나타낸 비교예와 같이 알루미나-실리카-카본계 내화물은 열충격 저항성이 뛰어난 특징을 가지고 있으나, 고온에서 장시간 사용시 실리카의 경우 카본과 반응하여 기화됨으로써 노즐 내 공동(vacancy)을 형성하여 기공율을 증가시킨다. 따라서 열전도 특성이 뛰어난 카본의 함령을 줄이는 효과를 나타내어 열전도율의 감소를 초래하며, 용강 께면에서의 침쿠 성분(MnO, FeO 등의 외래성분)이 용이하게 침입할 수 있는 공간을 마련하여 내식성의 저하를 일으킨다.

이상에서와 같이 본 발명은 연속주조시 용강의 온도를 측정하는 열전대 보호관에 대해 질화알루미늄-카본-금속산화물계 내화물로 조성함으로써, 내식성 향상으로 사용 수명을 증가시킬 뿐만 아니라 열전도율 향상으로 내화물의 열적 응답 특성이 좋은 열전대 보호관을 제공하므로써, 조업 생산성 증가 및 작업중의 안정성 기여 등 강품질 개선에 기여할 수 있는 효과를 갖게된다.

Claims

100중량%로써, 질화알루미늄(AlN) 5∼30중량%, 카본(C) 10∼35중량%이고.

나머지가 금속산화물로 조성됨을 특징으로 하는 용융금속 온도 측정용 열전대 보호관.

제 1항에 있어서.

상기 조성에 카본 산화방지제를 5중량% 이하 첨가하여 조성됨을 특징으로 하는 용융금속 온도 측정용 열전대 보호관.

제 2항에 있어서,

산화방지제가 탄화규소(SiC), 금속규소(Si), 탄화붕소(B₄C)중 1종 이상임을 특징으로 하는 용융금속 온도 측정용 열전대 보호관.

제 1항 내지 제 3항 중 어느한 항에 있어서,

금속산화물이 알루미나(Al₂O₃), 마그네시아(MgO), 지르코니아(ZrO₂)중 1종 이 상 임을 특징으로 하는 용융금속 온도 측정용 열전대 보호관.

제 1항에 있어서,

상기 조성이 열전대의 센싱(sensing)부인 열전대 보호관 헤드 부위에 형성되어 이루어짐을 특징으로 하는 용융금속 온도 측정용 열전대 보호관.