KR101031324B1 - 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철 및 제강 공정에서 공기 또는 산소를 공급하는 노즐에 적용되는 압입용 내화 조성물에 관한 것으로써, 중량%로 MgO:40~90%, SiC:9~50%, AlN:1~10%를 포함하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물을 제공하며, 고온의 용융물에 대한 열충격 및 침식 저항성이 높아 고온 용융물에 의한 노즐의 침식을 억제하여 제철공정의 작업생산성이 향상되는 효과를 제공한다.

풍구, 노즐, 내화조성물, 탄화규소, 마그네시아, 질화알루미늄, 수지

Description

제철 공업로의 노즐용 내화 조성물{REFRACTORY COMPOSITION FOR NOZZLE OF IROM-MAKING INDUSTRIAL FURNACE}

본 발명은 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 제철 및 제강 공정에서 공기 또는 산소를 공급하는 노즐에 사용되는 압입용 내화 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 현재 상업화되어 있는 제철 공업로에는 고로, 코렉스(COREX) 용융로, 파이넥스(FINEX) 용융로로 대별된다. 이러한 제철 공업로의 공정은 장입구를 통해서 연료인 코크스 또는 석탄과 원료인 철광석을 장입하고, 공업로 하부에 있는 풍구를 통하여 고온의 열풍 또는 상온의 산소를 송풍하여 장입된 코크스나 석탄을 연소시키면서 철광석을 환원시키고 용융시켜 고온의 용융물인 용선을 형성하는 공정이다.

도 1은 이 중 일반적인 고로를 도시한 단면도인데, 도 1에 도시된 바와 같이, 고로(1)의 내부로 열풍을 불어넣는 풍구(2,tuyere)역할을 하는 노즐(Nozzle)은 99.9% 이상의 순동으로 제조되고, 순동은 용융점이 1,083℃로 비교적 낮다.

도 2는 일반적인 고로의 노즐을 도시한 종단면도이고, 도 3(a)는 종래의 노 즐 구조체의 노벽 두께 방향에 평행한 단면도인데, 도 2 및 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 노내부로 고압의 열풍을 유입시키기 위해서 노 본체에 설치되고, 구리재질로 이루어진 종래의 노즐장치는 고압의 열풍을 공급하는 열풍공급관(미도시)과 연결되는 노즐본체(12)와, 그 선단부에 일체로 용접장착되어 송풍라인(14)을 통해 유입되는 고압열풍을 분사시키는 노즐구(13)로 구성되는 바, 상기 노즐본체(12)의 내부에는 냉각수 공급관(미도시)을 통해 공급되는 냉각수가 유입되는 냉각수라인(15)을 갖추고, 이렇게 유입된 냉각수는 냉각수라인(15)를 거쳐 노즐구(13) 및 노즐본체(12)의 내부로 유입되어 고온열풍 및 노내부의 고온 용융물에 의해 가열된 노즐구(13) 및 노즐본체(12)를 냉각시킨 후 다시 배출되는 수냉방식이 채택되어 있는 것이다.

이러한 노즐은 도 3(a)에 도시된 바와 같이 설치 구조상 약 4kg/㎠ 정도의 내부압력으로부터 기밀상태를 유지할 수 있도록 대풍구와 접합된 후 노(爐)의 내부로 돌출되어 있는데, 노의 내부에서 환원 용융되어 연화융착대를 거쳐 노의 하부로 강하하는 용융물은 약 1,400 ~ 1,500℃의 노 내부의 온도 분포선을 따라 노저부(4)로 낙하하게 되고, 이 때, 노황이 불량하게 되면 용융물의 낙하 경로가 노 측면부로 형성된다. 그 결과, 노 내부로 노출되어 있는 노즐의 선단부가 낙하하는 용융물 과 충돌하고, 고온의 용융물과 직접 접촉한 구리노즐은 침식되거나 손상된다. 상기와 같이 강하되는 용융물에 의해 노즐이 침식 또는 손상되면서 냉각수 공급관이 손상되고 노즐을 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수가 노내부로 유출되는 경우에는 노저부에 용융된 상태로 고여있는 용선(3)의 온도를 강하시킬 뿐만 아니라 유출된 냉 각수의 양이 다량일 경우 제철공업로가 폭발할 수도 있다.

또한, 노즐 손상시 냉각수의 양을 감소시키기 위하여 노즐에 공급되는 냉각수의 공급압력이 낮거나 냉각수의 순환량이 적은 경우에는 강하하는 용융물에 의해 노즐이 크게 파손될 수 있으며, 그 결과 파손부위를 통해서 적열된 코크스와 용융물이 노 외부로 분출되는 대형사고를 유발시킬수도 있다.

대한민국 특허공개 제2000-18815호에는 고온 용융물에 대한 침식저항성이 우수한 알루미나질 세라믹스를 구리 노즐의 선단부위에 장착시킨 노즐이 제시되어 있으나, 노즐 수명이 현저히 증가되지 못하여, 보다 향상된 침식 저항성을 가지며 열충격저항성이 우수한 내화물의 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 제철 공업로 내부의 고온 용융물에 대한 열충격 및 침식 저항성이 우수한 보호층을 압입장치에 의해 노즐 주변에 형성하여 노즐의 사용수명을 현저히 증가시키는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 중량%로 MgO:40~90%, SiC:9~50%, AlN:1~10%를 포함하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물을 제공한다.

또한, 상기 SiC의 평균입자직경은 1mm 이하인 것에도 그 특징이 있다.

게다가, 상기 SiC중 입경이 1mm 이상인 조립분의 일부는 마모처리에 의해 표면 모서리부가 매끄럽게 처리된 것에도 그 특징이 있다.

이 때, 상기 모서리부가 매끈한 SiC는 상기 조립분 전체 중량의 40 ~ 80%인 것에도 그 특징이 있다.

그리고, 제1항에 있어서, 상기 MgO는 수지로 피복된 것에도 그 특징이 있다.

이 때, 상기 MgO는 30 ~ 50 중량%가 수지로 피복된 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 수지는 노볼락(novolac) 또는 레졸(resol)인 것에도 그 특징이 있다.

상기 구성에 의하여 본 발명은, 고온의 용융물에 대한 열충격 및 침식 저항 성이 높아, 고온 용융물에 의한 노즐의 침식을 억제하여 작업생산성이 향상되는 효과를 제공한다.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3(b)는 본 발명에 따른 내화 조성물이 사용되어 보호층이 형성된 노즐 구조체의 노벽 두께 방향에 평행한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 내화 조성물이 사용되어 보호층이 형성된 노즐의 종단면도이다.

본 발명인 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물은 중량%로 MgO:40~90%, SiC:9~50%, AlN:1~10%를 주성분으로 한다. MgO(마그네시아)는 녹는점이 2,800℃로서 결합력이 매우 강하여 내화재로서 우수한 효과를 나타내며, 그 함량이 40 중량% 미만이면 내화도가 저하되고, 90 중량%를 초과하면 내식성이 저하되고 열충격 저항성이 떨어지기 때문에, 본 발명의 MgO 함량은 40 ~ 90 중량%로 제한한다.

또한, 상기 MgO는 전체 MgO의 30 ~ 50 중량%가 수지로 피복된 것이 바람직하다. 이러한 수지 피복은 내화 조성물의 강도를 향상시키고 수지 피복 MgO 입자간에 공고한 조직을 형성할 수 있을 뿐만아니라 온도에 의한 강도나 탄성률의 변화가 작기 때문에 내열스폴링성(spalling-resistance)도 뛰어나다. 다만, 수지 피복 MgO의 함량이 30중량% 미만이면 충분한 강도가 발현되지 않고, 50중량%를 초과하면 오히려 고탄성률로 인해 내열스폴링성이 저하되기 때문에, 본 발명은 수지 피복된 MgO는 전체 MgO의 30 ~ 50 중량%로 제한한다.

이 때, 상기 피복 수지는 노볼락(novolac) 또는 레졸(resol)인 것이 바람직 하다. 노볼락은 페놀을 산성촉매하에서 포름알데히드와 반응시켜 열가소성이 있고 용제에 녹는 황색의 투명한 수지로서 레졸은 페놀을 알칼리촉매하에서 반응시켜 얻은 수지이다. 이러한 페놀형 수지들은 기계적 강도 및 내열성이 우수하여 내화 조성물의 강도향상과 우수한 내열스폴링성을 제공할 수 있다.

SiC(탄화규소)는 천연물질로서는 존재하지 않기 때문에, 통상 아치슨(Dean Gooderham Acheson)법에 의해 합성되는데, 구체적으로는 규석분과 탄소분의 혼합물에 전극을 이용한 통전 가열에 의한 합성이다. SiC는 내용융성, 내산화성 외에 고온에서 열전도도가 우수한 성질로 인해 본 발명의 내화 조성물 제조에 중요한 성분이고, 노내의 CO가스 분위기하에 체적 팽창을 만들어 내어 내화 조성물의 조직을 치밀화함과 동시에 노내에 노출된 내화 조성물의 표층부에 유리질층을 형성하는 것에 고온 용융물에 의한 침식을 방지한다. SiC는 그 함량이 9 중량% 미만이면 고온 용융물의 침투로 인해 내화 조성물이 침식될 가능성이 높을 뿐만아니라 열전도도가 저하되는 문제가 있고, 50 중량%를 초과하면 소결이 어려워지기 때문에, 본 발명의 SiC 함량은 9 ~ 50중량%로 제한한다.

이 때, 상기 SiC의 평균입자직경은 1mm 이하인 것이 바람직하다. 여기에서 평균입자직경은 레이저 회절법에 의하여 측정되는데, SiC의 평균입자직경이 1 mm 이하인 경우에는 표층부 유리질층의 더욱 용이한 형성에 의해 고온 용융물의 내화 조성물 침식이 한층 감소하게 된다.

또한, 상기 SiC는 입경이 1 mm 이상인 조립분과 1 mm 미만인 미립분으로 구분되는데, 입경이 1mm 이상인 조립분의 일부는 마모처리에 의해 표면의 모서리부가 매끈매끈하게 처리되는 것이 바람직하다. 본래 SiC는 합성후의 냉각시의 수축에 따라서 다공질이고, SiC의 입경 조정을 위해 파쇄한 뒤에는 파쇄 면이 깎아지른 듯이 솟아 있는 모서리부를 갖고 있다. 이러한 파쇄품 그대로의 SiC를 내화재로 사용하는 경우에는 압입시공시 유동성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서 상기 조립분의 상당 부분을 마모처리에 의해 파쇄면의 깎아지른 듯이 솟아 있는 모서리부를 매끈매끈하게 하여 압입시공시 유동성이 향상되고, 치밀한 조직을 얻을 수 있다. 다만, 미립의 SiC는 모서리부를 매끄럽게 마모처리 하더라도 내알칼리성에 관한 현저한 효과가 보여지지 않으므로 SiC 미립분을 마모처리하는 것은 경제적으로 바람직하지 않다.

이 때, 상기 모서리부가 매끈한 SiC 조립분은 상기 SiC 조립분 전체 중량의 40 ~ 80%인 것이 바람직하다. 그 함량이 40중량% 미만이면 유동성 감소효과가 불충분하게 되고, 80중량%를 초과하게 되면 전체의 입자 구성의 균형이 깨지고 내화 조성물 조직 치밀화가 손상되는 문제가 있기 때문이다.

AlN(질화알루미늄)은 열전도도가 150 ~ 200 W/mK로 알루미나의 약 5배에 이르고, 열팽창계수도 4.0~4.5×10^-6/K로 알루미나의 절반 정도에 지나지 않아, 알루미나에 비해 높은 열전도도와 낮은 열팽창계수는 열충격(heat shock)에 의한 초기 균열형성은 물론 균열성장을 억제하는데 우수한 역할을 하는데, 그 함량이 1 중량% 미만이면 열전도성이 저하되고, 10 중량%를 초과하면 소결이 어려워지기 때문에, 본 발명의 AlN 함량은 1 ~ 10 중량%로 제한한다.

그 밖에 필요에 따라 상기 주성분을 갖는 원료들에 분산제, 바인더, 윤활제 등을 첨가하여 제철공업로용 노즐에 사용되는 압입재용 내화물을 제조할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하고자 하며, 다만 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예1]

하기의 표 1에 명시된 화학조성을 갖는 각종 내화물의 시편을 직경 2cm × 높이 3cm의 크기로 성형하고, 하기의 표 2에 명시된 조성을 가지는 슬래그(slag)와 함께 백금도가니에 넣어 1600℃까지 가열한 후 2시간 동안 유지하였다. 가열이 완료된 후 시료를 채취하여 슬래그와 반응하여 용출되지 않고 잔존하는 시편들의 중량을 측정하였다. 측정후 그 결과를 하기의 표 3에 나타내었다.

상기 표 3에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예의 경우에는 본 발명의 조건을 벗어난 비교예에 비하여 내화도, 열전도도 등이 우수하고, 내화물 잔존율도 높아 노즐의 수명을 현저히 연장시킬 수 있음을 알 수 있었다.

도 1은 일반적인 고로를 도시한 단면도.

도 2는 일반적인 고로의 노즐을 도시한 종단면도.

도 3(a)는 종래의 노즐 구조체의 노벽 두께 방향에 평행한 단면도.

도 3(b)는 본 발명에 따른 내화 조성물이 사용되어 보호층이 형성된 노즐 구조체의 노벽 두께 방향에 평행한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 내화 조성물이 사용되어 보호층이 형성된 노즐의 일실시예의 종단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1. 고로 2. 풍구(tuyere)

3. 용선 4. 노저부

5. 출선구 6. 노벽

11. 노즐(nozzle) 12. 노즐본체

13. 노즐구 14. 송풍라인

15. 냉각수라인

20. 노즐 중앙부 21. 노즐 선단부

22. 노즐 측면부 23. 압입공

24. 압입통로 25. 보호층

26. 분출공 27. 고압공기 또는 산소

28. 송풍라인의 표면

Claims (7)

1. 중량%로 MgO:40~90%, SiC:9~50%, AlN:1~10%를 포함하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 SiC의 평균입자직경은 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물.
3. 제1항에 있어서,

   상기 SiC중 입경이 1mm 이상인 조립분의 일부는 마모처리에 의해 표면 모서리부가 매끄럽게 처리된 것을 특징으로 하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물.
4. 제3항에 있어서,

   상기 모서리부가 매끈한 SiC는 상기 조립분 전체 중량의 40 ~ 80%인 것을 특징으로 하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물.
5. 제1항에 있어서,

   상기 MgO는 수지로 피복된 것을 특징으로 하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물.
6. 제5항에 있어서,

   상기 MgO는 30 ~ 50 중량%가 수지로 피복된 것을 특징으로 하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 수지는 노볼락(novolac) 또는 레졸(resol)인 것을 특징으로 하는 제철 공업로의 노즐용 내화 조성물.

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