KR100879285B1 - 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법 - Google Patents

레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법

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Abstract

본 발명은 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인조 규사, 크로마이트 및 바인더를 포함하고, 상기 인조 규사가 SiO2 72 내지 85 중량%, Al2O3 10 내지 18 중량%, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K2O 2 내지 6 중량%, 및 Na2O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상기 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 인조 규사로 SiO2와 Al2O3의 함량이 조절된 것을 사용함으로써 상단에 별도의 차단용 모래층을 형성하지 않더라도 쇳물이 필러샌드의 내부로 침투하는 것을 방지하여 조업 안정성을 높이고 강재의 품질을 향상시키는 효과가 있다.
필러샌드, 인조 규사, 조업 안정성

Description

레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법{FILLER SAND FOR BLOCKING HOLE OF MOLTEN METAL IN LADLE AND METHOD OF PREPARATION THEREOF}
도 1은 제철, 제강소에서 사용되는 일반적인 레이들의 구조를 나타내는 측단면도.
도 2는 레이들 쇳물 배출구의 폐쇄상태를 나타내는 일부 확대 측단면도.
도 3은 레이들 쇳물 배출구의 개방상태를 나타내는 일부 확대 측단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드의 제조방법을 보여주는 모식도.
도 5는 실시예 1에서 제조된 필러샌드의 입도 분포를 보여주는 그래프.
도 6은 실시예 1에서 제조된 필러샌드의 광학 현미경 사진.
도 7은 비교예 1에서 제조된 필러샌드의 광학 현미경 사진.
본 발명은 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법에 관한 것 으로, 더욱 상세하게는 SiO2와 Al2O3의 함량이 조절된 인조 규사를 사용함으로써 상단에 별도의 차단용 모래층을 형성하지 않더라도 쇳물이 필러샌드의 내부로 침투하는 것을 방지하여 조업 안정성을 높이고 강재의 품질을 향상시킬 수 있는 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 철강의 재료가 되는 철광석을 코크스와 함께 용광로의 내부에 장입하여 고온으로 가열시키게 되면, 철광석 중 산화철의 산소성분은 코크스의 탄소와 함께 탄소가스(CO2)로 환원되어 액상의 철인 용선이 용광로의 하부에 고이게 되고, 맥석과 같은 불순물과 코크스의 재 등은 슬래그의 형태로 용선의 상부에 뜨게 되는 데, 이와 같이 생산된 용선을 거푸집에서 응고시킨 것이 선철이며, 생산된 선철의 10∼15%는 제강로에서 용해시켜 주철로 사용하고 나머지는 대부분 강의 제조에 사용하게 된다.
상기와 같이 선철로서 강을 제조하기 위해서는 회전로나 전기로에 투입하여 용융온도 이상으로 가열시킴과 동시에 회전로나 전기로의 내부로 다량의 산소를 주입시켜 탄소를 포함한 각종 불순물을 산화시켜 제거하는 취련과정을 거친다. 이어서 이 쇳물을 레이들로 출강시켜 강재에 필요한 각종 첨가제를 혼합하는 2차 정련과정을 거쳐 요구하는 강도와 연성을 가지는 강재로 제조할 수 있게 된다.
도 1은 제철, 제강소에서 사용되는 일반적인 레이들의 구조를 나타내는 측단면도이고, 도 2는 레이들 쇳물 배출구의 폐쇄상태를 나타내는 일부 확대 측단면도이며, 도 3은 레이들 쇳물 배출구의 개방상태를 나타내는 일부 확대 측단면도이다.
상기와 같이 쇳물(용융 금속)의 2차 정련에 사용되는 레이들(Ladle)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 쇳물(5)이 저장되는 몸체의 하부에 쇳물(5)의 배출을 위한 쇳물 배출구(2)가 형성되고, 그 하부에는 레이들(1)의 하측면을 따라 수평으로 이동하는 슬라이드(4)가 설치되며, 상기 슬라이드(4)에는 레이들(1)의 쇳물배출용 배출구(2)와 연통되는 배출구(2)가 형성되어 있다.
상기와 같은 레이들(1)을 사용하여 쇳물(5)의 2차 정련을 거치기 위해서는 레이들(1)의 내부로 쇳물(5)을 출강시키기 이전에, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 레이들(1)과 슬라이드(4)에 형성된 쇳물 배출구(2)가 서로 엇갈리도록 한 상태에서 레이들(1)의 하측에 뚫려 있는 쇳물 배출구(2)를 필러샌드(3)로서 폐쇄시킨 다음, 쇳물(5)을 레이들(1)의 내부로 출강시켜 상기 정련과정을 거치게 된다.
도 3을 참조하면, 이와 같이 정련과정을 거친 다음 레이들(1) 하측의 슬라이드(4)를 이동시켜 레이들(1)과 슬라이드(4)의 쇳물 배출구(2)를 연통시켜 레이들(1) 내부의 쇳물(5)이 필러샌드(3)와 함께 배출될 수 있도록 하였다.
그러나 모래입자로만 이루어지는 일반적인 필러샌드(3)를 쇳물 배출구(2)에 충진시켜 상기의 정련과정을 거치게 되면, 유동성이 높은 고온의 쇳물(5)이 필러샌드(3)의 입자 사이로 침투하여 필러샌드(3)를 소결시켜, 소결된 필러샌드(3)에 의하여 쇳물배출용 배출구(2)가 막히는 현상이 발생하는 문제점이 있다. 이에 이를 방지하기 위하여 미세입자를 가지는 흑연이나 산화철 등의 충진 물질을 상기 필러샌드(3)와 혼합 사용하여 필러샌드(3)의 입자 사이에 충진된 상기 충진 물질에 의하여 쇳물(5)이 필러샌드(3)의 내부로 침투하는 것을 차단시킬 수 있도록 하였다.
그러나 상기와 같은 종래의 필러샌드(3)를 사용하여 쇳물배출용 배출구(2)를 폐쇄시키게 되면, 전로나 전기로에서부터 레이들(1)로 출강되는 쇳물(5)이 레이들(1)의 내벽을 따라 격렬한 유동을 하는 과정에서 필러샌드(3)에 혼합된 충진 물질이 쇳물(5)과 함께 쉽게 부유하게 되고, 이로 인하여 충진 물질이 채워져야 할 필러샌드(3) 입자 사이의 일부 공간이 비워지는 동시에 그 빈 공간을 통하여 쇳물(5)이 용이하게 침투하게 됨으로써, 침투된 쇳물(5)에 의하여 필러샌드(3)가 큰 덩어리로 소결되는 문제점이 있었으며, 이로 인하여 레이들(1)의 개방시 쇳물배출용 배출구(2)의 자연 개공율이 매우 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 필러샌드(3)의 외부 표면에 쇳물(5)의 침투와 필러샌드(3)의 소결을 억제하는 카본 분말을 코팅시켜 레이들(1)의 쇳물배출용 배출구(2)에 충진시킨 다음, 그 필러샌드(3)의 상부면에 다시 2차적으로 올리빈 샌드를 덮음으로써 유동성이 좋은 쇳물(5)이 카본 분말로 코팅된 필러샌드(3)의 사이로 유입되는 것을 방지하여 쇳물배출용 배출구(2)의 자연 개공율을 높일 수 있도록 한 것이 일본 특개평 5-8022호(1993. 1. 19 공개)에 기재되어 알려져 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 필러샌드(3) 역시 마찬가지로, 카본 분말이 필러샌드(3)의 외부 표면에 견고히 접착되는 것이 아니고 단지 필러샌드(3)상에 묻혀진 상태로 존재함으로써, 카본 분말이 코팅된 상기 필러샌드(3)만을 쇳물배출용 배출구(2)에 충진시킬 경우 필러샌드(3)의 외부 표면에 묻어 있던 카본 분말이 쇳물(5)의 높은 온도에 의하여 쉽게 산화되어 떨어져 나가게 되고, 이로 인하여 필러샌드(3)의 입자 사이로 쇳물(5)이 용이하게 침투하여 필러샌드(3)의 소결층이 두껍 게 형성되는 문제점이 있었다.
상기와 같이 카본 분말이 코팅된 필러샌드(3)만을 사용할 경우 소결된 필러샌드(3) 덩어리에 의하여 쇳물배출용 배출구(2)의 자연개공율을 높은 수준으로 향상시킬 수 없기 때문에, 상기 필러샌드(3)를 이용하여 쇳물 배출구(2)를 일차적으로 폐쇄시킨 다음 쇳물(5)과 필러샌드(3)의 직접적인 접촉을 방지하는 차단막으로서의 올리빈 샌드를 필러샌드(3)의 상부에 재차 적층하여야 하므로 쇳물배출용 배출구(2)를 폐쇄시키기 위한 작업이 번거로워지는 문제점이 있었다.
이에 종래의 각종 필러샌드가 가지는 문제점을 해결하기 위해 알코올, 열경화성 수지 및 탄소 분말을 혼합하여 만든 코팅제를 필러샌드와 혼합시킨 다음, 알코올의 연소와 열경화성 수지의 건조 및 고화를 통해 탄소 분말이 필러샌드의 표면 상에 견고하게 코팅되는 방법이 제안되었다(대한민국 특허등록 제0269036호).
이러한 방법에 의해 제조된 필러샌드는 그 표면에 탄소 분말이 매우 강하게 접착되어 용융 금속과 필러샌드가 직접 접촉하더라도 필러샌드의 표면에 부착된 탄소 분말이 떨어져 나가지 않게 되었다. 이로 인하여 필러샌드의 입자를 통한 용융 금속의 침투와 이에 따른 필러샌드의 소결 현상을 최소화하여 레이들의 개방시 쇳물배출용 배출구에 대한 우수한 자연 개공율을 제공할 수 있었다.
그러나 정련 등으로 인한 쇳물의 높은 온도로 인하여 필러샌드가 약 30m/m 이상의 두께로 소결층이 점점 확대됨에 따라 쇳물에 의한 필러샌드의 소결을 완벽하게 방지할 수 없었다.
상기한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 SiO2와 Al2O3의 함량이 조절된 인조 규사를 포함하여 조업 안정성을 높이고 강재의 품질을 향상시킬 수 있는 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은
인조 규사, 크로마이트, 및 바인더를 포함하고,
상기 인조 규사가 SiO2 72 내지 85 중량%, Al2O3 10 내지 18 중량%, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K2O 2 내지 6 중량%, 및 Na2O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드를 제공한다.
이때 상기 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 40 내지 60 중량%의 인조 규사와 40 내지 60 중량%의 크로마이트 100 중량부에 대하여 바인더를 3 내지 8 중량부로 포함한다.
상기 바인더는 알코올 60 내지 80 중량%, 열경화성 수지 4 내지 8 중량%, 흑연 5 내지 15 중량%, 및 탄소 분말 5 내지 15 중량%를 포함한다.
상기 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 SiO2 25 내지 50 중량%, Al2O3 10 내지 15 중량%, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 4.0 내지 10.0 중량%, K2O 1.0 내지 4.0 중량%, Na2O 0.01 내지 0.1 중량%, FeO 10 내지 18 중량%, Cr2O3 18 내지 35 중량%를 포함한다.
또한 본 발명은
인조 규사와 크로마이트를 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조하고,
상기 혼합물과 바인더를 혼합한 다음 열처리하여 경화하는 단계를 포함하는 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 SiO2와 Al2O3의 함량이 조절된 인조 규사를 포함하여 조업 안정성을 높이고 강재의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 인조 규사, 크로마이트(Chromite), 및 바인더를 포함하고, 바람직하기로 40 내지 60 중량%의 인조 규사와 40 내지 60 중량%의 크로마이트 100 중량부에 대하여 바인더를 3 내지 8 중량부로 포함한다.
천연 규사는 Si(46.7%)와 O(53.3%)가 결합된 SiO2를 포함하고 있으며, 이때 Si와 O의 결합 형태에 따라 석영(Quartz), 트리디마이트(Tridimite), 크리스토바라이트(Cristobalite) 등 3가지 유형으로 분류된다. 이때 석영의 경우 573 ℃에서 결정상이 전이하는 경우 체적 변화가 발생하여 깨짐 현상이나 크랙킹이 발생한다. 또한 천연 규사 내 석영 외에 크리스토바라이트라는 결정상이 존재하는 경우 200 내지 270 ℃에서 결정상의 전이가 발생하여 이러한 깨짐 현상은 더욱 심각해진다. 이와 같이 천연 규사 내 함유된 SiO2의 경우 특정 온도에서 결정상 전이를 일으켜 제품 제조시 급격한 체적 변화가 발생한다.
이에 본 발명에서는 규사 조성 내 Al2O3의 함량을 천연 규사보다 높은 함량으로 함유된 인조 규사를 사용한다. 상기 인조 규사 내 함유된 Al2O3는 급격한 온도 변화에 대해서도 내열성이 강하며 높은 열적 변화에서도 수축 또는 팽창과 같은 체적 변화를 하지 않는다.
전술한 바의 효과를 얻기 위해서 본 발명에서는 SiO2와 Al2O3의 함량이 조절된 인조 규사를 사용하며, 바람직하기로 SiO2 72 내지 85 중량%, Al2O3 10 내지 18 중량%, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K2O 2 내지 6 중량%, 및 Na2O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 것을 사용한다.
쇳물의 경우 사용되는 강종에 따라 차이가 있으나 1500 내지 1630 ℃에서 용융되는데, 이때 상기 SiO2의 함량이 72 중량% 미만인 경우 쇳물 온도보다 낮은 온도에서 인조 규사가 용융되기 때문에 SiO2의 함량을 상기 범위 이상으로 조절하는 것이 중요하다. 반대로 SiO2의 함량이 85 중량%를 넘게 되는 경우 인조 규사 전체 조성 내 Al2O3의 함량이 줄어들어 높은 열적 변화를 제어하기가 어렵다.
또한 상기 Al2O3의 함량이 상기 범위 미만이면 SiO2의 체적 변화 억제 효과가 낮고 반대로 Al2O3의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우 다른 성분조성들이 변하기 때문에 역효과를 일으킬 수 있다.
이와 같이 SiO2와 Al2O3의 함량이 특정 범위로 조절된 본 발명에 따른 인조 규사는 나머지 조성으로 Fe2O3, CaO, MgO, K2O, 및 Na2O를 포함한다. 이들은 원료 물질에 함유되어 있는 조성으로 불순물로 취급하며, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, 및 Na2O 0.1 내지 1.0 중량%로 함유되도록 한다. 다만 K2O는 1200 ℃에서부터 용융되기 때문에 그 함량을 6 중량% 이하로 제어하여야 하며, 바람직하기로 2 내지 6 중량%로 함유된다.
이러한 인조 규사는 납석질 도석을 분쇄하여 제조된다.
상기 납석질 도석은 Al2O3, SiO2, K2O 및 기타 불순물이 포함되어 있으며, 통상적으로 사용되는 10∼18 중량%의 Al2O3, 72∼85 중량%의 SiO2, 및 2∼6 중량%의 K2O 및 기타 불순물이 함유된 원석이 가능하다.
이때 분쇄는 100 내지 150 m/m로 1차 분쇄하고, 50 내지 70 m/m로 2차 분쇄하고, 0.1 내지 30 m/m로 3차 분쇄하고, 0.1 내지 3.0 m/m로 4차 분쇄하고, 0.1 내지 2.0 m/m로 5차 분쇄하는 공정을 거쳐 수행한다.
또한 추가로 상기 4차 분쇄 후 3.0 m/m 이상의 분말은 반송시켜 재분쇄한다.
상기 1차 및 2차 분쇄는 죠크랏샤 분쇄기로 수행하고, 3차 분쇄는 콘크랏샤 분쇄기로 수행하고, 4차 분쇄는 햄머크랏샤 분쇄기로 수행하고, 5차 분쇄도 햄머크랏샤 분쇄기를 이용하여 수행한다.
이러한 단계를 거쳐 제조된 인조 규사는 구형의 입자 형태를 가지며, 입자 크기가 6 내지 200 메쉬이고, 건조 수축율이 +0.40 내지 +0.80% 팽창이 되고 소성 수축율이 +1.2 내지 +3.5% 팽창이 된다.
한편 크로마이트는 크롬샌드(Chromite sand)라고 하며, 열 팽창 계수가 낮은 특징이 있다. 본 발명에서는 상기 크로마이트로 이 분야에서 통상적으로 사용되는 것이면 어느 것이든 사용가능하며 바람직하기로 Cr2O3가 43 내지 48 중량% 범위로 함유된 것을 사용한다.
이와 같은 인조 규사와 크로마이트는 각각 40 내지 60 중량%와 40 내지 60 중량%로 사용된다. 달리 말하면, 인조 규사:크로마이트를 4:6 내지 6:4의 중량비로 사용한다. 만약 인조 규사나 크로마이트의 함량이 이를 벗어나게 되면 필러샌드의 물성이 변하여 불량이 나타난다.
또한 본 발명에서는 필러샌드의 소결 작용을 효과적으로 억제하기 위해 바인더를 사용한다. 상기 바인더는 소결방지용 물질을 함유하여 필러샌드의 표면에 코팅됨으로써 상기 필러샌드의 소결 작용을 효과적으로 억제한다.
이때 바인더는 인조 규사와 크로마이트의 혼합한 양을 100 중량부로 기준하 였을 때 3 내지 8 중량부로 사용한다. 만약 바인더의 함량이 상기 범위 미만이면 충분한 소결 억제 효과를 얻기 어렵고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 다른 성분을 변화시켜 역효과가 발생할 수 있다.
상기 바인더는 소결방지용 물질을 필러샌드의 표면에 접착시키기 위한 접착제로서의 열경화성 수지와, 연소에 의하여 발생하는 열로써 상기 열경화성 수지를 용해시키기 위한 알코올과, 상기 알코올의 연소열에 의하여 열경화성 수지와 함께 필러샌드의 표면에 접착되어 용융금속의 침투를 억제하는 카본 분말 및 흑연을 서로 혼합하여 혼탁액의 형태로 제조된다.
구체적으로 본 발명에 따른 바인더는 알코올 60 내지 80 중량%, 열경화성 수지 4 내지 8 중량%, 탄소 분말 5 내지 15 중량%, 및 흑연 5 내지 15 중량%를 포함한다.
알코올은 C1 내지 C4의 저급 알코올이 사용되며, 구체적으로 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 및 이들의 혼합 알코올이 가능하며, 바람직하기로는 메탄올이 사용된다.
상기 알코올은 바인더 내 60 내지 80 중량%로 사용되며, 그 함량이 상기 범위 미만이면 알코올이 연소되는 시간 및 그 연소열량이 부족하여 열경화성 수지에 의한 카본 분말과 흑연의 접착이 원활하게 이루어지지 않는다. 반대로, 상기 범위를 초과하게 되면 과도한 알코올의 연소열로 인하여 열경화성수지에 의한 카본 분말과 흑연의 접착력이 저하되므로 상기 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
열경화성 수지는 알코올의 연소열에 의하여 카본 분말과 흑연을 필러샌드의 표면에 접착시키는 접착제의 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 사용되는 것이면 가능하다. 일예로 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지, 에폭시수지, 또는 불포화에스테르수지와 같이 알코올과의 혼합이 비교적 용이한 것을 사용한다.
상기 열경화성 수지는 바인더 내 4 내지 8 중량%로 사용하며, 그 함량이 상기 범위 미만이면 필러샌드에 대한 카본 분말과 지르콘 성분의 접착력이 저하된다. 반대로, 상기 범위를 초과하게 되면 필러샌드의 표면에 코팅되고 남은 열경화성 수지가 필러샌드 간의 결합을 유발시키게 됨으로 상기 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
카본 분말은 알코올과 열경화성 수지에 의하여 필러샌드의 표면에 접착되어 필러샌드 입자 사이의 공극을 치밀하게 유지시켜 필러샌드를 통한 쇳물의 유입을 차단시키는 역할을 한다. 이러한 카본 분말로는 활성탄 분말, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
상기 카본 분말은 바인더 내 5 내지 15 중량%로 사용되며, 그 함량이 상기 범위 미만이면 필러샌드의 표면에 충분한 카본코팅을 이루어내기가 어렵다. 반대로, 상기 범위를 초과하게 되면, 필러샌드의 표면에 코팅되고 남은 과잉의 카본 분말이 산화 및 비산되어 카본 분말의 불필요한 소모가 발생하게 됨으로 상기 범위 내에서 적절히 사용하는 것이 바람직하다.
흑연은 카본 분말과 같이 필러샌드의 표면에 부착되어 카본 분말과 필러샌드간의 접착력을 증가시키고, 필러샌드 표면의 소결을 방지하는 역할을 한다.
상기 흑연은 바인더 내 5 내지 15 중량%로 사용되며, 그 함량이 상기 범위 미만이면 필러샌드의 표면에 충분한 코팅을 이루어내기가 어렵다. 반대로, 상기 범위를 초과하게 되면, 필러샌드의 표면에 코팅되고 남은 과잉의 흑연이 산화 및 비산되어 불필요한 소모를 발생시키므로 상기 범위 내에서 적절히 사용하는 것이 바람직하다.
이때 추가로 필요에 따라 소결방지용 물질로 지르콘을 더욱 사용할 수 있으며, 이러한 지르콘은 카본 분말에 의한 쇳물의 침투 방지 측면과 나머지 혼합성분의 첨가 비율을 동시에 고려하여 바인더 내 10 중량% 미만, 바람직하기로 2 내지 10 중량% 범위로 사용한다.
전술한 바의 조성을 포함하는 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는
인조 규사와 크로마이트를 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조하고,
상기 혼합물과 바인더를 혼합한 다음 열처리하여 경화하는 단계를 거쳐 제조된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드의 제조방법을 보여주는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 인조 규사 호퍼(10)와 크로마이트 호퍼(20)로부터 40 내지 60 중량%의 인조 규사와 40 내지 60 중량%의 크로마이트를 혼합기(40)에 투입하고 1분 내지 30분 동안 균일하게 혼합하여 혼합물을 제조한다.
상기 혼합기(40)는 통상적으로 사용되는 혼합기가 가능하며, 대표적으로 원형 혼합기, 햄머밀(ham/mer mill), 아토마이저(atomizer), 블레이드 혼합기(blade mixer), 패들 혼합기(paddle mixer), 스파이스 혼합기(spice mixer), v-형 혼합 기(v-mixer) 등 통상적으로 사용되는 혼합기를 사용한다.
다음으로, 상기 혼합기(40)에 혼합물 100 중량부에 대하여 바인더 호퍼(30)로부터 바인더를 3 내지 8 중량부로 투입한 다음, 5분 내지 30분 동안 균일하게 혼합하여 상기 바인더가 인조 규사와 크로이트의 표면에 완벽하게 코팅될 수 있도록 한다.
이어서, 얻어진 혼합물을 혼합기(40)로부터 나와 200 내지 400 ℃, 바람직하기로 250 내지 300 ℃의 건조로(50)를 통과시켜 알코올이 점화됨과 동시에 열경화성 수지가 경화되어 인조 규사 및 크로마이트 혼합물의 표면에 소결방지용 물질인 탄소 분말과 흑연이 완전하게 코팅되도록 한다.
이때 건조로(50)를 통과한 필러샌드는 잔류 수분이 1.0% 이하, 바람직하기로 0.5% 이하, 더욱 바람직하기로 0%가 되도록 한다. 만약 잔류 수분이 1.0%를 초과하게 되면 인조 규사와 크로마이트 입자들이 서로 엉겨붙어 자연 개공율을 낮추는 문제가 발생한다.
전술한 바의 단계를 거쳐 제조된 필러샌드는 SiO2 25 내지 50 중량%, Al2O3 10 내지 15 중량%, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 4.0 내지 10.0 중량%, K2O 1.0 내지 4.0 중량%, Na2O 0.01 내지 0.1 중량%, FeO 10 내지 18 중량%, Cr2O3 18 내지 35 중량%를 포함한다.
본 발명에 따른 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 기존 시판되는 필러 샌드와 비교하여 Cr2O3 함량이 낮고, SiO2 및 Al2O3의 함량이 높아 고온에서도 용융되지 않고 열적 변화에도 구형의 입자 모양을 유지하여 자연 개공율을 증가시키는 효과가 있다. 또한 상기 필러샌드 중 FeO 및 Fe2O3는 1200 내지 1300 ℃에서 용융되는데 본 발명에 따른 필러샌드 내 상기 함량을 제어함으로써 고온에서도 원래 상태의 입자 모양을 유지한다.
이러한 필러샌드는 레이들의 쇳물배출용 배출구를 폐쇄시키는데 사용되며, 레이들 쇳물 배출구 개방시 자연 개공율이 98∼99.5%로 극대화시켜, 종래 천연 규사를 사용한 경우 85∼96%와 비교하여 높은 수치를 가진다. 그 결과 본 발명에 따른 필러샌드를 사용함으로써 레이들로부터 쇳물을 자연스럽게 출토시킬 수 있어 조업 안정성이 증가되고 제조되는 강재의 품질을 향상시킨다.
또한 상기 자연 개공율은 제강사의 연주 공정(쇳물 작업)의 작업 조건에 따라 변화하지만 필러샌드의 입도 분포에 따라 영향을 받는다. 바람직하기로, 상기 필러샌드가 하기 표 1의 입도 분포도를 갖는 경우 보다 우수한 자연 개공율을 갖는다.
입자크기 14∼18 메쉬 (1.5∼1.0m/m) 18∼30 메쉬 (1.0∼0.6m/m) 30∼50 메쉬 (0.6∼0.3m/m) 50∼100 메쉬 (0.3∼0.15m/m) 100 메쉬 (0.15 m/m)
분포도(%) 2.0∼2.7 13∼15 33∼35 43∼47 1.0 이하
이때 상기 필러샌드의 입자 크기가 100 메쉬를 초과하게 되면, 그 입자 크기가 매우 작기 때문에 다른 크기의 입자와 비교하여 높은 표면적을 가져 보다 빨리 용융 소결이 된다. 이러한 용융 소결은 어느 정도 발생하여 필러샌드의 표면에 소결층을 두껍게 형성하기 때문에 자연 개공율을 낮추므로, 100 메쉬 이하로 필러샌드를 제조하는 것이 바람직하다.
상기 제조된 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 시판을 위해 상온으로 냉각시킨 후 10kg 씩 비닐 포장을 출하시킨다. 이때 필러샌드를 충분히 냉각시키지 않고 상온 이상의 것을 밀폐하게 되면 내부에 증기가 발생하여 자연 개공율을 저하시키므로 충분히 냉각한 후 포장하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
(실시예 1)
A: 인조규사 제조
납석질 도석 원석을 죠크랏샤 분쇄기(용량 150-250 HP, 30∼50 톤/시간)에 투입하여 150 m/m 이하로 1차 분쇄하고, 죠크랏샤 분쇄기(용량 75 HP, 20∼30 톤/시간)에 투입하여 70 m/m 이하로 2차 분쇄한 다음, 콘크랏샤 분쇄기(용량 150 HP, 30 톤/시간)에 투입하여 30 m/m 이하로 3차 분쇄하였다. 이어서, 얻어진 분말을 햄머크랏샤 분쇄기(용량 75 HP, 8∼10 톤/시간)로 3.0 m/m로 4차 분쇄하고, 3.0 m/m 이상의 분말을 다시 햄머크랏샤 분쇄기(용량 75 HP, 8∼10 톤/시간)로 재분쇄한 다음, 햄머크랏샤 분쇄기(용량 100 HP, 4∼6 톤/시간)로 2.0 m/m 이하로 5차 분쇄하여 인조 규사를 제조하였다.
B: 필러샌드 제조
혼합기에 상기에서 얻어진 인조 규사와 크롬 샌드(Cr2O3 46.1 wt%, SiO2 0.8 wt%, FeO 26.1 wt%)를 1:1의 중량비로 혼합한 다음, 이들 혼합물 100 중량부에 대해 바인더 4 중량부를 첨가하여 15 분 동안 혼합하였다. 이때 상기 바인더는 메탄올 80 중량%, 열경화성 수지인 페놀 수지 4 중량%, 탄소 분말 10 중량%, 및 흑연 10 중량%를 30 분 동안 혼합하여 제조한 것을 사용하였다.
상기 얻어진 혼합물을 로터리 건조기에 투입하여 250 ℃에서 30 분 동안 건조하여 경화를 수행한 다음, 상온으로 냉각시켜 필러샌드를 제조하였다. 이때 건조는 페놀 수지의 냄새가 없을 때까지 건조하였으며, 수분 함량이 0%가 될 때까지 수행하였다.
(실시예 2)
인조 규사와 크롬샌드를 6:4의 중량부(60 중량%:40 중량%)로 혼합하여 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 필러샌드를 제조하였다.
(비교예 1)
인조 규사 대신 천연 규사(호주산:주문진산=1:2, 중량비)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 필러샌드를 제조하였다.
(실험예 1) 조성 분석
상기 실시예 1, 2와 비교예 1에서 제조된 필러샌드의 조성을 EDS 분석기(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy, 원소분석장치)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
중량% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O FeO Cr2O3 불순물
실시예 1 42.94 14.08 0.09 0.22 5.16 1.64 0.07 12.64 22.3 잔부
실시예 2 56.3 15.3 0.15 0.16 2.93 2.4 0.1 8.0 14.2 잔부
비교예 1 28.3 10.0 0.41 0.29 7.0 1.9 - 19 32 잔부
상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2의 필러샌드와 천연 규사를 사용한 비교예 1의 필러샌드의 조성이 다름을 알 수 있었다. 특히 SiO2와 Al2O3의 함량에 대해 큰 차이가 있고, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2에는 필러샌드를 용융시켜 소결층을 증가시키는 FeO 함량이 훨씬 낮은 것을 확인할 수 있었다.
(실험예 2) 입도 분석
상기 실시예 1에서 제조된 필러샌드의 입도를 입도 분석기를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3 및 도 5에 나타내었다.
입자 크기(Mesh) 20 30 40 50 70 100 140 200 270 325
함량(중량%) 2.0 15.0 33 36 13 1.0 0 0 0 0
도 5는 실시예 1에서 제조된 필러샌드의 입도 분포를 보여주는 그래프이다.
상기 표 3 및 도 5를 참조하면, 상기 필러샌드는 20 내지 100 메쉬의 크기를 가지며, 주로 30 내지 50 메쉬의 크기로 존재함을 알 수 있다.
(실험예 3) 입형 분석
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 필러샌드의 입자 형태를 알아보기 위해 광학 현미경으로 촬영하였으며, 얻어진 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 필러샌드의 광학 현미경 사진이고, 도 7은 비교예 1에서 제조된 필러샌드의 광학 현미경 사진이다.
도 6을 참조하면, 도 7의 천연 규사를 이용한 필러샌드와 마찬가지로 실시예 1의 필러샌드의 경우 둥근 형태의 입형을 가짐을 알 수 있었다.
(실험예 4) 열팽창율 분석
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1에서 제조된 필러샌드의 온도에 따른 열팽창율을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.
250 ℃ 450 ℃ 650 ℃ 800 ℃ 1000 ℃
실시예 1 0.123% 0.29% 0.511% 0.585% 0.631%
실시예 2 0.131% 0.30% 0.540% 0.598% 0.720%
비교예 1 0.233% 0.53% 0.86% 1.62% 2.3%
상기 표 4를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1 및 2의 필러샌드의 경우 동일 온도에서 비교예 1의 필러샌드보다 낮은 열팽창율을 나타내었다.
더욱이 250 ℃에서 1000 ℃에서의 온도에 따른 열팽창 정도를 살펴보면, 실시예 1의 필러샌드의 경우 약 5배 가량 증가하였으나, 비교예 1의 필러샌드의 경우 10 배 이상 증가함을 알 수 있다.
이러한 결과는 기존 천연 규사를 필러샌드에 적용하는 경우 온도에 따른 체적 변화가 심하여 깨짐 현상을 유발함을 의미한다.
(실험예 5) 소결 특성 분석
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1에서 제조된 필러센드의 소결 온도에 따른 소결층의 두께를 측정하였고, 얻어진 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
180분 유지시 소결층의 두께 (m/m) 1150 ℃ 1200 ℃ 1250 ℃ 1300 ℃ 1330 ℃ 1350 ℃
실시예 1 0 0 1.2 1.5 2.1 2.6
실시예 2 0 0 1.3 1.8 2.4 3.0
비교예 1 0 12.2 25.0 30.7 45.3 60.1
레이들 쇳물 배출구의 필러샌드와 쇳물이 접촉되는 온도는 약 1650 ℃로, 이때 필러샌드의 온도는 약 1250 ℃로 알려져 있다. 또한 레이들 쇳물이 정련 과정에서 소요되는 시간은 180분은 넘지 않도록 작업 기준서에 명시되어 있다.
상기 표 5를 참조하면, 본 발명에 따라 인조 규사를 사용한 실시예 1 및 2의 필러샌드는 1200 ℃까지 고온에서 180 분 동안 유지시켜도 소결층이 전혀 발생하지 않았으며, 1250 ℃에서부터 약간씩 형성되어 1350 ℃ 부근에서부터 표면 전체가 용융되어 소결층이 형성됨을 알 수 있다.
이와 비교하여 비교예 1의 천연 규사를 사용한 필러샌드는 조성 내 FeO와 Fe2O3의 존재로 1200 ℃에서부터 용융이 시작되어 소결층 형성되며, 1350 ℃에서는 매우 두꺼운 소결층이 형성됨을 알 수 있다.
레이들 쇳물의 온도와 중압을 견디면서 필러샌드 입자 사이로 쇳물이 침투되는 것을 방지하려면 필러샌드의 표면이 약간 용융되어 소결되는 경우 상기 필러샌드 내부로 쇳물이 침투하는 것을 방지한다. 그러나 비교예 1과 같이 소결층이 두껍게 형성되는 경우 자연 개공율을 낮추는 문제가 있다.
(실험예 6) 물성 분석
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1에서 제조된 필러샌드의 건조 수축율, 소성 수축율, 작열 감량을 측정하였고, 소결 후 입자 상태를 확인하였으며, 얻어진 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
이때 건조 수축율은 필러샌드를 시험용 건조로 110℃에서 3시간동안 건조시킨 후 길이의 변화를 측정하여 건조 전의 길이와 대비함으로써 건조 수축율을 산출하였다. 소성 수축율은 필러샌드를 전기로 1250 ℃에서 3시간 동안 소성시킨 후 길이의 변화를 측정하여 소성 전의 길이와 대비함으로써 소성 수축율을 산출하였다. 또한 작열 감량(Ig loss)은 상기 건조시킨 후의 무게와 상기 소성시킨 후의 무게의 차이를 측정하여 이를 건조시킨 후의 무게와 대비함으로써 작열 감량을 산출하였다.
건조 수축율(%) 소성 수축율(%) 작열 감량(%) 소결 상태
실시예 1 +0.36 +0.43 1.6 소결되지 않음
실시예 2 +0.47 +0.90 1.9 미세하게 소결됨
비교예 1 +0.5 +0.97 1.8 전체가 소결됨
상기 표 6을 참조하면, 실시예 1의 필러샌드의 소성 수축율은 비교예 1과 비교하여 낮은 수치를 나타내었다. 이는 필러샌드 내 함유된 SiO2가 높은 온도에서 결정상 전이를 일으키면서 체적 변화가 발생함에 기인하고, 실시예 1의 경우 인조 규사를 사용함으로써 낮은 소성 수축율을 가짐을 알 수 있다.
또한 실시예 1 및 2의 필러샌드는 작열 감량이 1.6∼1.9%로 나타났다. 상기 작열 감량이 높은 경우 주물의 표면에 기공 또는 핀홀이 생기거나, 너무 낮은 경우에도 표면 상태가 불량하며, 상기 실시예 1 및 2의 필러샌드의 경우 양호한 수치를 나타내었다.
그리고 소결 상태를 살펴보면 실시예 1 및 2의 경우 1250 ℃에서는 입자 소결이 발생하지 않거나 미량 발생하였으며, 비교예 1의 경우 필러샌드의 표면 전체에 소결층이 형성됨을 확인하였다.
(실험예 7) 자연 개공율 분석
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1에서 제조된 필러샌드를 이용하여 쇳물 배출구에 도입하여 자연 개공율을 10회 측정하였으며, 그 평균치를 하기 표 7에 나타내었다.
자연 개공율(%)
실시예 1 99.8
실시예 2 99.5
비교예 1 91.0
상기 표 7을 참조하면, 본 발명에 따라 인조 규사를 사용한 실시예 1 및 2의 필러샌드의 경우 자연 개공율이 99.5% 이상으로 매우 높게 나타났다. 이와 비교하여 비교예 1의 경우 91.0%로 낮았으며, 그 편차 또한 크게 나타났다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드는 납석질 도석으로 제조된 인조규사, 크로마이트 및 바인더를 포함하여 제조되어, 필러샌드의 상단에 별도의 차단용 모래층을 형성시키지 않더라도 쇳물이 필러샌드의 내 부로 침투하는 것을 효과적으로 차단한다. 이로 인해 쇳물 배출구에 대한 필러샌드의 충전작업을 한층 더 간편하고 효율적으로 수행할 수 있다.
또한 레이들 내부에 저장된 쇳물을 장시간 동안 정련시키는 과정에서도 필러샌드가 소결되는 것이 방지되고, 필러샌드 입자 사이로 쇳물이 침투하는 것을 예방한다. 이로 인하여 레이들 쇳물 배출구 개방시 자연 개공율을 99.5% 이상으로 극대화시켜 레이들로부터 쇳물을 자연스럽게 출토시킬 수 있어 조업 안정성이 증가되고 제조되는 강재의 품질을 향상시킨다.

Claims (8)

  1. 인조 규사, 크로마이트, 및 바인더를 포함하되,
    상기 인조 규사는 SiO2 72 내지 85 중량%, Al2O3 10 내지 18 중량%, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K2O 2 내지 6 중량%, 및 Na2O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인조 규사는 납석질 도석을 100 내지 150 m/m로 1차 분쇄하고, 50 내지 70 m/m로 2차 분쇄하고, 0.1 내지 30 m/m로 3차 분쇄하고, 0.1 내지 3.0 m/m로 4차 분쇄하고, 0.1 내지 2.0 m/m로 5차 분쇄하는 공정을 거쳐 제조된 것인 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러샌드는 40 내지 60 중량%의 인조 규사와 40 내지 60 중량%의 크로마이트 100 중량부와,
    바인더 3 내지 8 중량부를 포함하는 것인 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 알코올 60 내지 80 중량%, 열경화성 수지 4 내지 8 중량%, 흑연 5 내지 15 중량%, 및 탄소 분말 5 내지 10 중량%를 포함하는 것인 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러샌드는 SiO2 25 내지 50 중량%, Al2O3 10 내지 15 중량%, Fe2O3 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 4.0 내지 10.0 중량%, K2O 1.0 내지 4 중량%, Na2O 0.01 내지 0.1 중량%, FeO 10 내지 18 중량%, Cr2O3 18 내지 35 중량%를 포함하는 것인 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 필러샌드는 구형의 입자 형태를 가지며, 10 내지 100 메쉬의 입자 크기 를 갖는 것인 레이들 쇳물 배출구 폐쇄용 필러샌드.
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