KR101012221B1 - 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로의 골재 압입 방법및 이에 사용된 골재 - Google Patents

용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로의 골재 압입 방법및 이에 사용된 골재 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극에 의해 저하된 화로벽 내부의 열전도성을 회복시킬 수 있는 골재 압입 방법에 관한 것이다. 본 방법은 용광로 바닥부에 형성된 폭이 약 1 mm 이하인 간극에 충전재를 압입하는 단계를 포함한다. 개시된 충전재는 바람직하게는 입경이 약 500 μm 이하, 보다 바람직하게는 약 75 μm 내지 약 300 μm인, 금속 골재와 내화 골재를 유동 매체 중에 분산시킴으로써 제조된 페이스트이다. 금속 골재로는 열전도성이 큰 구리 입자가 바람직하고, 내화 골재로는 멀라이트 비드가 대표예이고, 유동 매체로는 에틸렌 글리콜이 대표예이다. 상기 금속 골재의 진원도는 바람직하게는 약 30 % 이하이다.
용광로, 극소 간극, 금속 골재, 내화 골재, 페이스트, 압입 방법

Description

용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로의 골재 압입 방법 및 이에 사용된 골재 {METHOD OF INJECTING AN AGGREGATE INTO A SMALL GAP FORMED IN THE BOTTOM PORTION OF A BLAST FURNACE AND AGGREGATE USED THEREFOR}
본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함되는 일본 특허 출원 제2005-277548호 (일본에서 2005년 9월 26일에 출원됨)에 대하여 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로의 골재 압입 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 의해 폭이 약 1 mm 이하인 극소 간극을 보수할 수 있다.
도 1A에 도시한 바와 같이, 용광로의 바닥부는 최내측부터 순서대로 카본 벽돌 (1), (래밍(ramming)) 스탬프 (2), 스테이브 (3) 및 철피(shell) (4)로 구성되어 있다. 스탬프 (2)의 주성분은 흑연 및 수지이고, 스테이브는 금속 재료로 만들어져 있다. 철피 (4)의 외측을 냉각시킴으로써 용광로의 바닥부를 냉각시킨다. 이는 카본 벽돌 (1)의 온도를 낮추어 융합 손상을 방지한다. 도 1B는 용광로 바닥부의 단면도이며, 충전재 압입 전, 후의 온도 분포를 나타낸 것이다.
그러나, 용광로가 장기간 작동되는 경우, 카본 벽돌 (1)과 스탬프 (2) 사이 및/또는 스탬프 (2)와 스테이브 (3)의 경계면에 폭이 약 1 mm 이하인 극소 간극 (5)가 형성될 수 있다. 이러한 간극 (5)가 형성되면, 카본 벽돌 (1)로부터 철피 (4)로의 열전도가 저해된다. 이 경우, 간극이 발생한 카본 벽돌 (1)의 온도가 비정상적으로 상승하여, 벽돌의 수명이 단축된다.
금속 골재를 함유하는 고열전도성 캐스터블(castable) 내화물이 개발되었다. 이는 JP 2004-315348호에 개시되어 있으며, 그 전체 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다. 상기 캐스터블 내화물을 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로 압입시키는 것이 이전에 시도된 바 있다. 이는 용광로 벽 내부의 열전도성을 회복시키기 위하여 시도된 것이다. 그러나, 200 내지 250℃와 같은 고온에서 캐스터블 내화물의 유동성을 유지하면서 폭이 약 1 mm 이하인 극소 간극을 충전하는 것은 곤란했다. 따라서, 캐스터블 내화물은 용광로 바닥에 형성된 극소 간극의 보수용 재료로서는 만족스럽지 못했다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명의 하나의 목적은 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로의 골재 압입 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 용광로 벽 내부의 열전도성의 회복이 성공적으로 달성되도록 수행된다.
본 발명의 방법은 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로 골재를 압입하는 것에 관한 것으로, 골재는 입경이 약 500 μm 이하인 금속 골재; 입경이 약 500 μm 이하인 내화 골재; 및 유동 매체(bed material)를 포함하는 페이스트이고, 상기 금속 골재와 내화 골재가 유동 매체 중에 분산되어 페이스트를 형성한다.
본 발명의 다른 측면에서, (금속 골재의 최대 직경 - 금속 골재의 최소 직경)/(금속 골재의 최대 직경) × 100 %로 정의되는 금속 골재의 진원도(roundness)는 약 30 % 이하이다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 금속 골재와 내화 골재의 입경은 모두 약 75 μm 내지 약 300 μm의 범위이다.
본 발명의 다른 측면에서, 유동 매체는 푸란 수지 또는 에틸렌 글리콜을 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 금속 골재는 구리 입자를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 내화 골재는 구형 실리카, 구형 지르코니아 및 구형 멀라이트(mullite) 중 1종 이상이다.
본 발명에 따르면, 200 내지 250℃와 같은 고온에서 금속 골재와 내화 골재를 포함하는 충전재의 유동성을 확보하면서, 폭이 약 1 mm 이하인 극소 간극 (5) 내에 상기 충전재를 충전하는 것이 가능하다. 따라서, 용광로 바닥부의 열전도성 및 강도를 빠르게 회복시켜, 벽돌 수명의 단축을 방지할 수 있다.
도 1A는 압입기를 포함하는 용광로의 바닥부의 모식도이다.
도 1B는 용광로 바닥부의 단면도이며, 충전재 압입 전, 후의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 2는 골재 최대 입경과 압입 성공률(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 구리 입자의 진원도 퍼센트와 내부 마찰 계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 유동 매체와, 금속 골재와 내화 골재의 총량의 비율(가로축)과, 상기 유동 매체와 골재의 혼합물의 충전재의 점도(세로축)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 입경 분포가 좁은 경우의 압입을 나타내는 개념도로서, 이 경우 압입 유동이 부드럽다.
도 6은 입경 분포가 넓은 경우의 압입을 나타내는 개념도로서, 이 경우 급격한 폐색으로 충전재의 압입이 불가능하게 된다.
도 7은 입경에 대한 검토 결과를 요약한 그래프이며, 골재의 압입가능한 입경 범위가 나타나 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 사용되는 충전재 혼합 상태의 개념도이다.
발명의 상세한 설명
본 발명에서, 페이스트 충전재는 금속 골재와 내화 골재를 유동 매체 중에 분산시켜 형성한다. 그 다음, 상기 페이스트 재료를 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극에 압입시킨다. 본 발명의 금속 골재는 바람직하게는 압입 후 용광로 바닥부의 열전도성을 회복시키도록 작용한다. 금속 골재로는 임의의 금속 골재가 사용될 수 있다. 그러나, 내열성, 열전도성 및 비용의 면에서 구리 입자의 금속 골재가 바람직하다. 극소 간극 내로의 압입 중 유동성을 확보하기 위해, 본 발명의 금속 골재는 플레이크형 입자 또는 부정형 입자보다 구형 입자가 바람직하다. 가장 바람직한 구형 입자는 용융된 구리를 공중에 분무하고 분무된 구리를 표면 장력으로 구형으로 응고시킴으로써 형성되는 분무화 구리 분말(AtCu)이다.
내화 골재의 재료는 특별히 한정되지 않는다. 압입 후 용광로 바닥부의 열에 대해 충분한 내열성을 갖는 것인 한 어떤 재료라도 사용될 수 있다. 내화 골재의 형상과 관련해서는, 유동성을 확보하기 위해 금속 골재와 마찬가지로 구형 입자가 바람직하다. 비제한적인 예로써, 적절한 내화 골재로는 구형 실리카, 구형 지르코니아 및 구형 멀라이트가 포함된다.
본 발명의 유동 매체는 바람직하게는 금속 골재와 내화 골재를 유동시키기 위해 실질적으로 액상인 매체이다. 본 발명의 유동 매체는 또한 바람직하게는 200 내지 250℃와 같은 온도에서 유동성을 확보할 수 있으며, 금속 골재와 내화 골재를 이송하기에 적합한 점도를 갖는다. 비제한적인 바람직한 예로써, 적절한 유동 매체로는 푸란 수지와 같은 저점도 수지 또는 에틸렌 글리콜과 같은 저점도 액체가 포함된다. 본 발명의 유동 매체는 바람직하게는 압입 후 열 분해되며, 금속 골재와 내화 골재만이 잔존한다. 본 발명의 하나의 측면에 따르면, 미끄러짐성을 증가시키기 위해, 유동 매체 중에 계면활성제를 가하는 것 또한 가능하다.
본 발명자들은 실험을 반복하여, 상기한 충전재를 극소 간극 내에 압입시키는데 바람직한 조건을 연구하였다. 그 결과, 금속 골재와 내화 골재의 최대 입경, 금속 골재의 진원도, 골재와 유동 매체의 배합비 및/또는 금속 골재와 내화 골재의 입경차 등의 인자에 따라 충전(압입)이 크게 영향받는다는 것을 발견하였다.
이하, 각 인자에 대하여 설명한다.
도 2는 골재의 최대 직경과 압입 성공률(%)의 관계를 나타내는 그래프이다. 실제의 용광로 바닥부 상의 극소 간극 내로의 골재의 충전 상태를 육안으로 확인하는 것은 불가능하다. 대신에, 실험 장치를 제조하였다. 실험 장치는 약 1 mm 의 간격으로 분리되어 서로 마주보는 한 쌍의 투명 수지 패널을 포함한다. 최대 토출압이 3 MPa인 압송 펌프를 사용하여 다양한 페이스트 골재를 압입하면서 충전 상태를 육안으로 관찰하였다. 압입 성공률(%)은 M/N × lOO %로 정의되며, 여기서 N은 용광로 바닥부의 N 위치에서 시도된 압입 수이고, M은 부드럽게 압입한 경우의 수이다 (N-M은 압송 펌프 압력이 비정상적인 고압에 도달했기 때문에 실패한 압입의 수를 의미함). 그래프에 나타낸 바와 같이, 약 1 mm 이하의 간극으로의 골재의 압입 충전을 성공시키기 위해서는, 금속 골재와 내화 골재 모두 최대 직경이 약 500 μm 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 최대 직경이 500 μm를 초과하면, 압입 성공률(%)이 급속히 저하된다. 이러한 점에서, 각각의 금속 골재와 내화 골재의 입자는 바람직하게는 약 500 μm 이하의 크기를 갖는다. 보다 바람직하게는, 각각의 금속 골재와 내화 골재의 입자는 약 300 μm 이하의 크기를 갖는다.
금속 골재의 진원도 또한 정의되어야 하는 인자이다. 도 3은 구리 입자의 진원도와 페이스트의 내부 마찰 계수의 관계를 나타내는 그래프이다. 진원도는 (금속 골재의 최대 직경 - 금속 골재의 최소 직경)/(금속 골재의 최대 직경) × 100 %로 정의된다. 진원도가 30 %를 초과하면, 내부 마찰 계수는 증가한다. 이는 압송을 곤란하게 한다. 이러한 점에서, 금속 골재의 진원도는 바람직하게는 약 30 % 이하이다. 보다 바람직하게는, 금속 골재의 진원도는 약 20 %이하이다.
금속 골재와 내화 골재를 유동 매체와의 혼합물의 형태로 압입하는 경우, 유동에 적절한 혼합물의 점도를 유지하는 것이 바람직하다. 이는 금속 골재와 내화 골재의 총량에 대한 유동 매체의 비율을 조절함으로써 달성할 수 있다.
도 4는 유동 매체와, 금속 골재와 내화 골재의 총량의 비율(가로축)과, 유동 매체와 골재의 혼합물의 충전재의 점도(세로축)의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프의 좌측 하단부에서는, 매우 낮은 점도 때문에 비중이 큰 구리 입자가 침강되기 쉽다. 그래프의 우측 상단부에서는, 매우 높은 점도 때문에 압입이 매우 곤란해진다. 금속 골재와 내화 골재를 서로 분리시키지 않고 부드럽게 압입시키기 위해서, 충전재의 점도를 2000 내지 20000 mPaㆍ초의 범위로 유지하고, 유동 매체와 골재의 질량비를 약 8:2 내지 약 3:7로 유지하는 것이 바람직하다.
금속 골재와 내화 골재의 입경비는 극소 간극 내로의 충전재의 압입의 평활도를 결정하는 다른 인자이다. 도 5는 금속 골재와 내화 골재 모두의 입경 분포가 좁은 경우의 압입을 나타내는 개념도이다. 도 6은 입경 분포가 넓은 경우의 압입을 나타내는 개념도이다. 입경 분포가 넓은 경우, 도 6에 나타낸 바와 같이, 다양한 입경이 혼재하고 있으면 골재 입자간의 공간이 극도로 작아진다. 이는 급격한 폐색을 초래하여 추가로 충전재를 압입시키는 것을 불가능하게 할 수 있다. 이와 반대로 입경 분포가 좁은 경우, 도 5에 나타낸 바와 같이, 골재 입자간의 공간이 적절히 유지된다. 이는 급격한 폐색을 방지하고, 이에 따라 골재의 부드러운 압입을 유지할 수 있다.
도 7은 전술한 입경에 대한 검토 결과를 요약한 그래프이다. 금속 골재 및/또는 내화 골재의 입경이 300 μm를 초과하면, 약 1 mm 이하의 폭을 갖는 간극으로의 압입이 곤란하게 된다. 금속 골재 및/또는 내화 골재의 입경이 75 μm 이하이면, 입자간의 공간을 확보하기 어려워져 유동성이 저해될 수 있다. 또한, 금속 골재와 내화 골재간의 입경차가 커지는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 따라서, 금속 골재와 내화 골재의 입경은 모두 약 75 μm 내지 약 300 μm, 보다 바람직하게는 약 100 μm 내지 약 200 μm인 범위가 바람직하다.
하기 3가지 물질을 교반하여 충전재의 균일한 혼합물을 형성하였다: (1) 입경이 100 μm 내지 200 μm인 분무화 구리 분말(AtCu) 50 질량%, (2) 입경이 100 μm 내지 200 μm인 멀라이트 비드 30 질량%, 및 (3) 에틸렌 글리콜인 유동 매체 20 질량%. 분무화 구리 분말(AtCu)의 겉보기 비중 및 열전도성은 각각 4.86 및 391.7 W/mㆍK이고, 멀라이트 비드의 내열 온도(upper temperature)는 1500℃이다. 상기 3 성분이 혼합된 상태를 도 8에 나타내었다.
상기 충전재를 약 0.3 MPa 정도의 공급 압력하에 용광로 바닥부의 극소 간극 내로 용이하게 압입시킬 수 있었다. 이는 용광로 바닥부의 열전도성을 개선하고, 압입 전 상태와 비교하여 카본 벽돌의 온도를 약 130 ℃ 저하시킬 수 있었다. 따라서, 본 발명은 용광로 바닥부에 형성된 극소 간극으로 인해 저하된 화로벽 내부의 열전도성을 회복시킬 수 있다.
본 명세서에서 언급된 모든 인용 특허, 공개, 동시 계류 중인 출원 및 가출 원은 본 명세서에 참고로 포함된다.
이와 같이 기재된 본 발명에 있어서, 동일한 방법이 다양한 방법으로 변형될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 이러한 변형은 본 발명의 요지 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않으며, 당업자에 명백한 이러한 모든 변경은 하기 특허청구범위 내에 포함된다.

Claims (8)

  1. 최대 입경이 500 μm 이하인 금속 골재,
    최대 입경이 500 μm 이하인 내화 골재, 및
    실질적으로 푸란 수지 또는 에틸렌 글리콜을 포함하는 유동 매체
    를 포함하며, 상기 금속 골재 및 상기 내화 골재가 유동 매체 중에 분산됨으로써 형성된 페이스트를 용광로 바닥부에 형성된 폭이 1 mm 이하인 간극 내로 압입시키는 단계를 포함하는, 용광로 바닥부에 형성된 폭이 1 mm 이하인 간극 내로의 골재 압입 방법.
  2. 제1항에 있어서, (금속 골재의 최대 직경 - 금속 골재의 최소 직경)/(금속 골재의 최대 직경) × 100 %로 정의되는 금속 골재의 진원도가 30 % 이하인 방법.
  3. 제1항에 있어서, 금속 골재 및 내화 골재의 입경이 모두 75 μm 내지 300 μm인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 금속 골재가 구리 입자를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 내화 골재가 구형 실리카, 구형 지르코니아 및 구형 멀라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 방법.
  6. 최대 입경이 500 μm 이하인 금속 골재,
    최대 입경이 500 μm 이하인 내화 골재, 및
    실질적으로 푸란 수지 또는 에틸렌 글리콜을 포함하는 유동 매체
    를 포함하며,
    상기 금속 골재 및 상기 내화 골재가 유동 매체 중에 분산됨으로써 페이스트를 형성하는, 용광로 바닥부에 형성된 폭이 1 mm 이하인 간극을 충전하기 위한 조성물.
  7. 삭제
  8. 삭제
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