KR101023444B1 - 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재 - Google Patents
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Abstract
입자크기 6.0~4.75 mm가 14.0~15.0 중량%, 입자크기 4.75~4.0 mm가 21.1~23.0 중량%, 입자크기 4.0~2.84 mm가 39.0~40.0 중량%, 입자크기 2.84~2.0 mm가 18.0~21.0 중량%, 입자크기 2.0~1.8 mm가 0~3.2 중량%, 및 PAN(규격 외의 미분)이 0~1.0 중량%의 입자분포를 가지는 사문암인 것을 특징으로 하는 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재가 개시된다. 본 발명에 따른 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재는 밀도있는 충진이 이루어지면서 자연개공율 94% 이상을 달성할 수 있고 높은 내화도를 가지고 있어 전기로 출강구에 충진되어 충분한 성능을 발휘할 수 있다.
Description
본 발명은 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기로(Electric Arc Furnace)의 편심로저 출강식(Eccentric Bottom Tapping) 탭홀(Tap-Hole)에 충진되어 높은 내화도와 자연개공율의 성능을 발휘하는 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재에 관한 것이다.
제철, 제강분야에서는 높은 전기저항열을 이용하여 고철 등을 용융, 정제하는 전기로가 이용되고 있다. 전기로를 사용하는 제강공정은 전기로에서 고철 등을 용융, 정제한 후에 전기로 내의 용강을 외부로 출강하고, 그런 후 출강된 용강을 압연하거나 단조하는 것이다. 통상, 전기로의 출강방식으로는 근래에는 EBT(Eccentric Bottom Tapping) 방식이 널리 사용되고 있다. EBT 방식은 도 1에 도시된 바와 같이, 전기로의 노저에 편심되게 설치된 EBT 내화구조물을 통해 노 내부의 용강을 노 외부로 출강하는 방식이다. EBT 탭홀에는 충진재가 충진되어 사용되는데, 이러한 충진재로는 지금까지 감람석(올리빈)이 사용되어 왔다.
감람석은 마그네슘-철질의 규산염 광물로 화학식은 (Mg,Fe)2SiO4이다. 감람석에서 마그네슘과 철의 비는 고용체 집단의 두 단종(endmember)인 포스터라이트(forsterite; 마그네슘 단종(Mg-endmember))와 파얄라이트(fayalite; 철 단종(Fe-endmember)) 사이에서 변화한다. 포스터라이트는 대기압에서 거의 1900℃에 이르는 이례적으로 높은 녹는점을 가지고 있으나, 파얄라이트의 녹는점은 약 1200℃로서 매우 낮다. 따라서, 전기로의 EBT 탭홀에 충진재로 사용되는 감람석은 높은 MgO 함량비를 가져야 하는 것으로 인식되어 왔다.
현재 전기로의 EBT 탭홀의 충진재로 공급되는 감람석(올리빈)은 43% 이상의 MgO 함량, 40% 이상의 SiO2 함량, 그리고 9% 이하의 Fe2O3 함량을 가진다. 이러한 감람석은 광산에서 채굴한 원석을 분쇄한 상태로 사용되기도 하지만, MgO의 함량을 더욱 높임으로써 내화도를 더욱 높이기 위하여 소결로에서 감람석 원석을 소결하여 사용하기도 한다. 이러한 감람석은 개공율이 90~99%이고, 내화도가 1700~1750℃에 이르기 때문에 통상적으로 1600~1610℃ 정도의 출강온도를 가지는 전기로의 EBT에서 충진재로 사용하기에 적합하다. 그러나, 감람석은 국내에 매장되어 있지 않기 때문에 전량 수입에 의존하고 있다. 그렇기 때문에 가격이 비싸고, 또한 배로 운송하는 중에 수분이 침투되는 경우에는 EBT 충진재로서는 치명적 결함으로 작용하여 제품의 균일성을 보장하기 힘들고 또한 제품 공급의 안정성이 떨어진다는 문제점이 있었다.
한편, 사문석(serpentine)은 단사정계에 속하는 함수 마그네슘 층상 규산염 광물의 총칭이다. 황록색, 녹색, 암녹색, 갈적색, 갈황색을 띠고 조흔색은 흰색이다. 화학식은 Mg3Si2O5(OH)4이다. 한 종류의 광물이 아니라 여러 가지 변종이 있으며, 그 변종의 집합체이기도 하다. 일반적으로는 안티고라이트, 리자다이트, 6층오쏘사문석 등의 광물 또는 이들의 집합체이다.
사문암(serpentinite)은 사문석족 광물로 된 암석으로 암녹색, 청록색, 황록색 등을 띤다. 감람암 또는 두나이트 등 마그네슘이 풍부한 초염기성암이 열수(熱水)에 의해 교체작용을 받거나 변성작용 등을 받아 생성된다. 일반적으로 띠 모양의 관입암체를 이루며 조산대에 존재한다. 사문암은 주로 사문석으로 이루어져 있으나, 열수변질 작용에 의해 생성된 염기성 물질의 휘석, 각섬석, 백운석, 활석, 녹니석 등의 규산염 광물들 그리고 자철석, 갈철석 등이 함께 수반되어 나타난다. 세계적으로 캐나다, 러시아, 남아프리카 등지에 대규모 사문암 광상이 발달해 있다고 알려져 있으나 집계된 부존량 자료는 발견하기 어렵다. 그리고 국내에서는 경북 안동에 매장되어 있는 것으로 알려져 있으며, 대부분 제철, 제강공정에서 사용되는 고로에 장입되는 소결광을 제조하는 부원료로 사용된다. 또한 지방감이 풍부한 짙은 녹색의 암석으로서 외관이 대단히 아름다워 장식용 석재로 또는 건축용이나 미술 공예품으로 이용되며, 사문석은 대리석과 함께 석재업계에서는 마블(marble)로 불려지고 있다. 또한 사문석 암편(1/2~3/4 인치 크기)을 시멘트 등으로 굳혀 박판상으로 한 다음 그 표면을 연마한 이른바 테라조(Terrazzo; 인조대리석)로 건축용으로도 쓰인다.
이와 같이 국내에 상당히 매장되어 있는 사문암은 오랫동안 소결광 제조용 부원료 및 건축용 자재로 사용되어 왔으나, 아직까지 전기로의 EBT 탭홀에 충진되는 충진재로 사용되지는 않았다. 그것은 사문암은 감람석보다 낮은 MgO 함량 및 높은 Fe2O3 함량을 가지고 있어 EBT 탭홀의 충진재로 적합하지 않다는 인식 때문인 것으로 보인다.
이에, 본 발명자는 국내에 상당량으로 매장되어 있는 사문암을 전기로의 EBT 탭홀에 충진하는 충진재로 사용할 수 있는지에 대한 연구를 수행하였는 바, 사문암을 적당한 입도분포로 구성하고 또한 미분 및 불순물을 적절하게 제거한다면 충분히 EBT 탭홀의 충진재로 사용할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기로(Electric Arc Furnace)의 편심로저 출강식(Eccentric Bottom Tapping) 탭홀(Tap-Hole)에 충진되어 높은 내화도와 자연개공율의 성능을 발휘하는 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재를 제공하는 것이다. 이러한 충진재는 전기로의 조업시에 EBT 수냉함 상부로 불길이 올라오는 것을 막을 수 있게 해준다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기로 출강구 충진재는 입자크기 6.0~4.75 mm가 14.0~15.0 중량%, 입자크기 4.75~4.0 mm가 21.1~23.0 중량%, 입자크기 4.0~2.84 mm가 39.0~40.0 중량%, 입자크기 2.84~2.0 mm가 18.0~21.0 중량%, 입자크기 2.0~1.8 mm가 0~3.2 중량%, 및 PAN(규격 외의 미분)이 0~1.0 중량%의 입자분포를 가지는 사문암으로 되어 있다.
상기 사문암은 MgO 34~36 중량%, SiO2 35~37 중량%, FeO3 10~12 중량%, Al2O3 1~2 중량%, CaO 2~3 중량%, 및 나머지 증발분의 화학조성으로 이루어진 것이 바람직하다. 이러한 상기 충진재는 94% 이상의 자연개공율을 가진다.
또한, 상기 사문암은 그 표면에 탄소코팅이 형성되어 있는 것이 바람직하며, 상기 탄소코팅의 두께는 3 ㎛ ~ 10 ㎛인 것이 바람직하다. 이러한 상기 탄소코팅은 토상흑연, 인상흑연 및 카본블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료에 의하여 형성되는 것이고, 상기 충진재는 99%~100%의 자연개공율을 가진다.
또한 본 발명은 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 방법은 사문암 광산으로부터 채취된 사문암을 분쇄하는 단계, 마그네틱 드럼을 사용하여 분쇄된 사문암으로부터 비자성 불순물을 제거하는 단계, 순수한 사문암의 색도를 광학선별기에 입력한 후 상기 광학선별기를 이용하여 상기 사문암으로부터 순수한 사문암 입자를 선별하는 단계, 및 상기 사문암을 입자크기 6.0~4.75 mm가 14.0~15.0 중량%, 입자크기 4.75~4.0 mm가 21.1~23.0 중량%, 입자크기 4.0~2.84 mm가 39.0~40.0 중량%, 입자크기 2.84~2.0 mm가 18.0~21.0 중량%, 입자크기 2.0~1.8 mm가 0~3.2 중량%, 및 PAN(규격 외의 미분)이 0~1.0 중량%의 입자분포를 가지도록 분류하고 배합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 방법은 상기 사문암의 표면에 탄소코팅을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직한데, 상기 탄소코팅은 유동층 공정기(Fluidized Bed Processor)에 의하여 토상흑연, 인상흑연 및 카본블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재는 밀도있는 충진이 이루어지면서 자연개공율 94% 이상을 달성할 수 있고 높은 내화도를 가지고 있어 전기로 출강구에 충진되어 충분한 성능을 발휘할 수 있으므로, 수입에 의하여 국내에 도입되는 감람석을 대체할 수 있게 해준다. 뿐만 아니라 본 발명의 충진재는 전기로의 조업시에 EBT 수냉함 상부로 불길이 올라오는 것을 막을 수 있게 해준다. 본 발명의 충진재는 탄소코팅을 함으로써 1750~1800℃의 온도에서도 소결응집되지 않을 정도로 더욱 높은 내화도를 가진다.
도 1은 통상적인 편심로저 출강식 전기로의 개략도이다.
전기로의 편심로저 출강식 탭홀에 충진되는 충진재로는 지금까지 감람석이 사용되어 왔다. 그런데, 이러한 감람석은 국내에 매장되어 있지 않아 전량 수입에 의존하여야 했다. 전기로의 통상적인 출강온도는 1600~1610℃ 정도로 높기 때문에 그 충진재는 높은 내화도를 가져야 한다. 이러한 이유로 감람석을 대체할 수 있는 재료를 찾고자 하는 노력이 부족하였고 또한 시도하였다고 하더라도 적합한 재료를 찾지 못한 것으로 보인다.
사문암은 국내에 상당한 양으로 매장되어 있는 광물로서, 국내에서 오랫동안 소결광 제조용 부원료 및 건축용 자재 등으로 사용되어 왔다. 그러나 사문암은 감람석보다 낮은 MgO 함량 및 높은 Fe2O3 함량을 가지고 있어 EBT 탭홀의 충진재로 적합하지 않을 것이란 인식 내지 선입견으로 인하여 아직까지 전기로의 EBT 탭홀에 충진되는 충진재로 사용되지는 않았다.
이에, 본 발명자는 사문암을 적당한 입도분포로 구성하고 또한 미분 및 불순물을 적절하게 제거한다면 충분히 EBT 탭홀의 충진재로 사용할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다. 따라서, 본 발명은 사문암을 전기로의 EBT 탭홀에 충진되는 충진재로 사용하기 위하여, 먼저 사문암 광산으로부터 채취된 사문암을 분쇄한다. 채취된 사문암에는 사문석 이외에도 자철석 및 갈척석과 같은 자성을 띠는 성분도 포함되어 있고, Ca, Al 원자를 포함하면서 자성을 띠지 않는 성분도 있다. 순수한 사문석의 관점에서 보면 이러한 것들 모두가 불순물에 해당하지만, 순수한 사문석을 분리하는 것은 불가능하다. 본 발명에서는 자성을 이용하여 사문암으로부터 자성을 가지지 않는 성분들, 주로 Ca, Al 등의 원자를 함유하는 비자성 성분들을 불순물로서 제거한다. 이를 위하여, 마그네틱 드럼을 사용한다. 즉, 마그네틱 드럼에 부착되는 자성을 띠는 광물을 취하고, 그렇지 않은 것은 불순물로 분리한다.
그런 다음에, 순수한 사문암 입자를 분리하기 위하여 광학선별기를 사용한다. 먼저 순수한 사문암의 색도를 광학선별기에 입력하고, 이어서 광학선별기에 의하여 순수한 사문암 입자를 선별한다. 이때, 광학선별기는 아래로 떨어지는 사문암 입자에 빛을 비추고 반사되는 빛을 수집하여 순수한 사문암인지를 판별한다. 만약 순수한 사문암이 아닌 것으로 판단되면, 순간적으로 강한 바람을 불어서 그러한 불순물 입자를 날려버림으로써 순수한 사문암이 수집되는 장소에 그러한 불순물이 수집되지 않게 한다.
이와 같이 마그네틱 드럼 및 광학선별기에 의한 사문암의 분리, 선별에 의하여, 사문암의 화학조성을 원소분석하였을 때, MgO 34~36 중량%, SiO2 35~37 중량%, FeO3 10~12 중량%, Al2O3 1~2 중량%, CaO 2~3 중량%, 및 나머지 증발분의 화학조성을 가지는 사문암을 얻을 수 있고, 본 발명은 이러한 사문암을 전기로의 EBT 탭홀 충진재로 사용하는 것이다. 상기에서 증발분은 대부분 수분이다. 이 때, 수분은 사문암의 결정격자 내부에 포함되는 것으로서, H2O의 형태로 포함될 수도 있고, OH-의 이온형태로 포함될 수도 있는 것이다. 따라서 원소분석에 의한 사문암의 화학조성에 표시되는 증발분으로서 수분은 예를 들어 운송 중에 사문암의 표면 또는 결정입계의 경계면 등에 포함되어 사문암의 성능을 열화시키는 수분과는 구별되는 것이다.
이렇게 얻어진 사문암은 상기 충진재로 사용하기 위하여 특별한 입도분포를 가지도록 분류되고 배합된다. 즉, 전기로의 EBT 탭홀의 충진재로 사용되는 본 발명에 따른 사문암은 아래 표 1과 같은 입도분포 규격을 가진다.
| 규격 | 비고 | |||||||
| 입자크기(mm) | 6.0~4.75 | 4.75~4.0 | 4.0~2.84 | 2.84~2.0 | 2.0~1.8 | PAN | 합계 | 200g/5분 |
| 스크린 번호 | No. 4 | No. 4~5 | No. 5~7 | No. 7~10 | No.10~12 | Ro-Tap Sieve Shaker | ||
| 조성비 (중량%) |
14.0~15.0 | 21.1~23.0 | 39.0~40.0 | 18.0~21.0 | 0~3.2 | 0~1.0 | 100 | |
* 상기 표에서 PAN은 위 규격(6.0 mm ~ 1.8 mm) 외의 미분, 즉 입자크기 1.8 mm보다 작은 미분을 의미하고, 샘플 200g을 5분 동안 체질하여 분류하였을 때의 데이터이다.
통상적으로 전기로의 EBT 탭홀에 사용되는 충진재에서 2 mm 미만의 분진이 많으면 개공율이 떨어지기 때문에 가급적 그러한 미분이 없도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 1.8 mm 미만의 미분은 1.0 중량% 이하로, 그리고 2.0~1.8 mm 범위의 미분은 3.2 중량% 이하로 제한한다면 그 충진재로서의 성능을 발휘하는데 결함으로 나타나지는 않는다는 것을 확인하였다. 또한 상기 표 1과 같은 입도분포의 규격으로 사문암의 입자들을 구성하면 EBT 탭홀에서 밀도있는 충진이 가능하게 되고 자연개공율이 94% 이상 달성될 수 있음을 확인하였다.
본 발명은 상기 충진재로 사용되는 사문암의 내화도 및 자연개공율을 더욱 높이기 위하여, 사문암의 표면에 탄소코팅을 형성할 수 있다. 이러한 탄소코팅은 유동층 공정기(Fluidized Bed Processor)에 의하여 토상흑연, 인상흑연, 카본블랙 등의 탄소 재료로 형성될 수 있다. 유동층 공정기는 제약공정에서 약의 표면에 코팅을 형성할 때 주로 사용하는 것인데, 코팅을 형성할 입자 또는 그래뉼를 부상시킨 상태에서 코팅물질을 분사하여 입자 또는 그래뉼의 표면에 코팅을 형성하는 장치이다. 사문암은 수십~수백 m2/g의 비표면적을 가지고 있어 반응성과 흡착성이 뛰어나기 때문에 탄소코팅을 하면 1750~1800℃의 온도에서도 소결응집되지 않을 정도로 내화도가 높아지고 자연개공율이 99~100% 수준까지 높아질 수 있다. 본 발명에서 사문암의 표면에 형성되는 탄소코팅의 두께는 대략 3 ㎛ ~ 10 ㎛인 것이 바람직하다. 탄소코팅의 두께가 너무 적은 경우에는 탄소코팅의 효과가 없지만, 대략 0.1 ㎛ 이상이면 탄소코팅의 효과가 발생할 수 있으나, 너무 얇은 코팅을 형성하는 것은 정밀한 분사 제어가 필요하기 때문에 오히려 어렵고 비용이 많이 들기 때문에 바람직하지는 않다. 반면에 탄소코팅이 너무 두꺼운 경우는 경제적으로 바람직하지 않다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 제시한다. 하기의 실시예는 예시에 불과하므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다.
경북 안동에 소재하는 사문암 광산에서 채취한 사문암을 적당히 분쇄한 다음에 마그네틱 드럼을 이용하여 분쇄한 사문암으로부터 마그네틱 드럼에 부착되지 않는 비자성 불순물을 제거하였다. 그런 후, 순수한 사문암의 색도를 광학선별기에 입력하고, 이어서 광학선별기에 의하여 순수한 사문암 입자를 선별하였다. 이렇게 선별된 사문암의 화학조성을 아래 표 2에 나타내었다.
| 성분 | SiO2 | CaO | MgO | FeO3 | Al2O3 | 잔량(수분) |
| 함량(중량%) | 37 | 2.5 | 35.0 | 11.0 | 1.5 |
상기 조성의 사문암을 표 1에 나타낸 바와 같이, 연속적으로 체로 걸러서 표 1의 입자분포를 가지도록 구성하였다.
상기 조성 및 입도분포를 가지는 사문암이 전기로 EBT 탭홀의 충진재로 사용가능한지를 확인하기 위하여, 전기로에서 52회 사용하였다. 회수 당 평균 106 kg이 사용되었다. 그 결과 개공율은 94.2%였다. 이것은 기존에 사용하던 중국산 감람석 충진재와 동등한 수준이다. 미분 함량은 기존 중국산 감람석 충진재보다 적었으며, 샌드 호퍼로의 이송시간이 짧았고, 개공시 EBT 수냉함 상부로 불길이 올라오지 않는 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 사문암 충진재는 기존의 중국산 감람석 충진재에 비하여 동등 이상의 성능을 발휘하는 것을 확인하였고, 결과적으로 그것을 대체할 수 있음을 확인하였다.
Claims (11)
- 입자크기 6.0~4.75 mm가 14.0~15.0 중량%, 입자크기 4.75~4.0 mm가 21.1~23.0 중량%, 입자크기 4.0~2.84 mm가 39.0~40.0 중량%, 입자크기 2.84~2.0 mm가 18.0~21.0 중량%, 입자크기 2.0~1.8 mm가 0~3.2 중량%, 및 PAN(규격 외의 미분)이 0~1.0 중량%의 입자분포를 가지는 사문암인 것을 특징으로 하는 사문암으로 된 전기로 출강구 충진재.
- 제1항에 있어서,
상기 사문암은 MgO 34~36 중량%, SiO2 35~37 중량%, FeO3 10~12 중량%, Al2O3 1~2 중량%, CaO 2~3 중량%, 및 나머지 증발분의 화학조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재. - 제2항에 있어서,
상기 충진재는 94% 이상의 자연개공율을 가지는 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재. - 제1항에서 제3항까지의 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 사문암은 그 표면에 탄소코팅이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재. - 제4항에 있어서,
상기 탄소코팅의 두께는 3 ㎛ ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재. - 제5항에 있어서,
상기 충진재는 99%~100%의 자연개공율을 가지는 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재. - 제4항에 있어서,
상기 탄소코팅은 토상흑연, 인상흑연 및 카본블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료에 의하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재. - 사문암 광산으로부터 채취된 사문암을 분쇄하는 단계,
마그네틱 드럼을 사용하여 분쇄된 사문암으로부터 비자성 불순물을 제거하는 단계,
순수한 사문암의 색도를 광학선별기에 입력한 후 상기 광학선별기를 이용하여 상기 사문암으로부터 순수한 사문암 입자를 선별하는 단계, 및
상기 사문암을 입자크기 6.0~4.75 mm가 14.0~15.0 중량%, 입자크기 4.75~4.0 mm가 21.1~23.0 중량%, 입자크기 4.0~2.84 mm가 39.0~40.0 중량%, 입자크기 2.84~2.0 mm가 18.0~21.0 중량%, 입자크기 2.0~1.8 mm가 0~3.2 중량%, 및 PAN(규격 외의 미분)이 0~1.0 중량%의 입자분포를 가지도록 분류하고 배합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 사문암은 MgO 34~36 중량%, SiO2 35~37 중량%, FeO3 10~12 중량%, Al2O3 1~2 중량%, CaO 2~3 중량%, 및 나머지 증발분의 화학조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재의 제조방법. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 사문암의 표면에 탄소코팅을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 탄소코팅은 유동층 공정기(Fluidized Bed Processor)에 의하여 토상흑연, 인상흑연 및 카본블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는 것임을 특징으로 하는 전기로 출강구 충진재의 제조방법.
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2010
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