KR101072523B1 - 용선예비처리 설비용 내화벽돌 - Google Patents

용선예비처리 설비용 내화벽돌 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용선예비처리 설비용 내화벽돌에 관한 것이다. 특히, 혼선차나 장입 래들에서 열방산을 억제하여 용선의 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 용선예비처리 설비용 내화벽돌에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 용선예비처리 설비용 내화벽돌은 알루미나 크링커 84∼90중량%, 탄화규소 2∼5중량%, 인상흑연 3∼7중량%, 카이아나이트 2∼4중량%를 주성분으로 함유하고, 상기 주성분 100중량%에 대하여 붕규산 프리트 1∼2중량%, 금속규소분말 1∼2중량%가 첨가된다.
용선예비처리, 내화벽돌, 불소성, 알시카, 저열전도성

Description

용선예비처리 설비용 내화벽돌{Refractory brick for equipment of pre-treating molten iron}
본 발명은 용선예비처리 설비용 내화벽돌에 관한 것이다. 특히, 혼선차나 장입 래들에서 열방산을 억제하여 용선의 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 용선예비처리 설비용 내화벽돌에 관한 것이다.
일반적으로, 제강공정 설비인 전로에 용선(溶銑)을 장입하기 위한 용선예비처리 설비로서 혼선차(Torpedo car) 또는 장입 래들(Charging ladle) 등이 구비된다. 이들 혼선차나 장입 래들은 고온의 용선을 저장 및 운반하기 때문에 내측 벽에는 내화벽돌(refractory brick) 등과 같은 내화 조성물이 사용된다.
이러한 용선예비처리 설비에 적용되는 내화벽돌로서 종래에는 점토질 내화벽돌이나 알루미나질 내화벽돌이 사용되었으며, 최근에는 내식성(耐蝕性)이 우수하고 불소성 재질인 알시카(Al2O3-SiC-C)질 내화벽돌로 전환되어 사용되어 있다.
그런데, 종래의 알시카질 내화벽돌(Alsica brick)은 내식성, 내열충격성 및 내산화성을 확보하기 위해 내화 재료인 알루미나에 흑연과 탄화규소를 다량 첨가하 여 제조되기 때문에 열전도성이 높은 단점이 있었다. 즉, 종래의 알시카질 내화벽돌은 사용 중에 내화벽돌을 통하여 용선의 보유열이 혼선차나 장입 래들의 외부로 방산되어 혼선차나 장입 래들에 담기는 용선의 온도가 급격하게 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 위와 같은 알시카질 내화벽돌의 제조시 열방산을 억제할 목적으로 단순히 흑연에 포함되는 탄소의 첨가량을 줄이는 경우에는 내화벽돌의 잔존 팽창성이 부족해지는 단점이 있었다. 즉, 인접한 내화벽돌과 맞대어지는 목지부(또는 줄눈부)가 열려 용선예비처리 설비의 구조적 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 저열전도성을 갖는 용선예비처리 설비용 내화벽돌을 제공한다.
본 발명은 혼선차나 장입 래들에서 열방산을 억제하여 용선의 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 용선예비처리 설비용 내화벽돌을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 용선예비처리 설비용 내화벽돌은 알루미나 크링커 84∼90중량%, 탄화규소 2∼5중량%, 인상흑연 3∼7중량%, 카이아나이트 2∼4중량%를 주성분으로 함유하고, 상기 주성분 100중량%에 대하여 붕규산 프리트 1∼2중량%, 금속규소분말 1∼2중량%가 첨가된다.
본 발명의 일실시예에 따른 용선예비처리 설비용 내화벽돌은 내식성, 내열충격성, 내산화성은 물론 탄소의 함유량을 줄여 저열전도성을 갖도록 형성된다. 즉, 용선예비처리 설비의 혼선차나 장입 래들의 내측 벽에 사용되어 고온의 용선을 저장 또는 운반하는 과정에서 혼선차나 장입 래들의 외부로 열이 방산되는 것을 억제하여 용선의 온도가 급격하게 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 용선예비처리 설비용 내화벽돌의 탄소 함유량을 감소시킨 경우에도 카이아나이트 등의 팽창성 물질을 첨가하여 잔존 팽창성을 유지시킴으로써 용선예비처리 설비의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
이후, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 일실시예에 따른 용선예비처리 설비용 내화벽돌은 알루미나 크링커(alumina clinker) 84∼90중량%, 탄화규소(silicon carbide) 2∼5중량%, 인상흑연(scaly graphite) 3∼7중량%, 카이아나이트(kyanite; Al2O3·SiO2) 2∼4중량%로 조성되고, 외삽으로 붕규산 프리트 1∼2중량%, 금속규소분말 1∼2중량%가 포함된다.
즉, 알루미나 크링커 84∼90중량%, 탄화규소 2∼5중량%, 인상흑연 3∼7중량%, 카이아나이트 2∼4중량%를 주성분으로 함유하고, 상기 주성분 100중량%에 대하여(기준으로) 붕규산 프리트 1∼2중량%, 금속규소분말 1∼2중량%가 추가된다.
본 발명의 일실시예에 따른 용선예비처리 설비용 내화벽돌은 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄소(C)를 주성분으로 하는 알시카(Al2O3-SiC-C)질 내화벽돌로 형성된다.
통상, 알루미나질 내화벽돌은 열충격에 약하고, 슬래그(slag)가 쉽게 침윤되어 표면균열이나 개재물 등이 있는 곳에 하중에 가해져 표면이 서서히 박리되는 현상, 즉 구조적 스폴링(spalling)이 일어나기 쉬었다. 이러한 단점을 보강하기 위해 서 열전도성이 높으며, 슬래그에 대한 젖음성(wettability)이 낮은 흑연을 알루미나와 복합화하여 알루미나-탄소질 내화벽돌을 형성하였다.
그러나, 알루미나-탄소질 내화벽돌은 탄소가 쉽게 산화되는 단점이 있어서, 이를 보강하기 위해 고온에서 산화방지제 역할을 하는 탄화규소와, 저온에서 산화방지제 역할을 하는 금속규소분말 및 저융점 물질의 프리트(frit) 분말을 혼합하여 각종 특성이 우수한 알시카질 내화벽돌로서 제조되었다.
본 발명의 일실시예에 따른 내화벽돌에 포함되는 각 성분을 살펴보면 다음과 같다.
· 알루미나 크링커: 84∼90중량%
알루미나 크링커는 슬래그나 용선에 대한 내식성을 높이는 내화 재료로서, 그 사용량이 84중량% 미만이면 내식성이 저하되고, 94중량%를 초과하면 내열충격성이 저하되어 바람직하지 않다. 본 발명의 일실시예에서는 알루미나 크링커 중에서도 내식성을 향상시키기 위하여 전기용융 방식으로 1300∼1400℃의 온도 범위에서 열처리된 알루미나 크링커를 사용하였다. 즉, 열처리를 통해 알루미나의 순도를 높이고, 알루미나 크링커의 결정 크기를 크게 하여 내식성을 향상시킬 수 있다.
· 탄화규소: 2∼5중량%
탄화규소는 내산화성을 증진시키기 위한 재료로서, 탄소의 첨가량에 상응하도록 첨가되며, 2∼5중량%의 조성비로 포함되는 것이 바람직하다. 이때, 본 발명의 일실시예에서와 같이 입도 크기가 74㎛ 이하인 탄화규소 미세분말을 사용하는 경우 내산화성을 향상시킬 수 있다.
· 인상흑연: 3∼7중량%
인상흑연은 알시카질 내화벽돌의 내열충격성과 슬래그에 대한 내침윤성을 향상시키는 재료로서, 3중량% 미만에서는 내열충격성이 저하되어 바람직하지 않으며, 7중량%를 초과하도록 첨가하면 열전도성이 높아 방산열이 많아지고, 이로 인해 용선 온도가 크게 저하되어 바람직하지 않다.
· 카이아나이트: 2∼4중량%
카이아나이트는 팽창성 재료이고, 실리마나이트(sillimanite)족 광물 중의 하나로서 화학 성분이 Al2O3·SiO2로 구성된다. 1390∼1420℃에서 현저한 흡열 반응을 나타내며, 이러한 변화(카이아나이트→실리마나이트→뮬라이트+산화규소)에 의해 매우 큰 영구 팽창을 일으킨다.
이러한, 카이아나이트가 2중량% 미만으로 첨가되면 알시카질 내화벽돌의 잔존 팽창성이 부족하여 내화벽돌의 반복 사용시 구조적 안정성이 저하된다. 이와 반대로, 4중량%를 초과하여 첨가되면 잔존 팽창성이 너무 커져 인접한 내화벽돌 사이의 이음부가 손상될 수 있다.
· 붕규산 프리트: 1∼2중량%
붕규산 프리트는 아래의 [표 1]에서와 같은 조성으로 이루어진 재료로서, 저온에서 용융되어 주위에 있는 탄소 입자의 표면을 피복하여 외부의 분위기로부터 탄소의 산화를 방지한다. 1중량% 미만이 첨가되는 경우에는 산화방지 효과가 미흡하고, 3중량%를 초과하여 첨가되는 경우에는 내산화성은 증진되나 내식성이 저하되어 바람직하지 않다.
[표 1]
화학조성 SiO2 Al2O3 B2O3 CaO MgO PbO Na2O
함유량(중량%) 60 10 15 5 1 4 5
위의 [표 1]에 나타난 바와 같이, 붕규산 프리트는 산화규소(SiO2) 60중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 10중량%, 산화붕소(B2O3) 15중량%, 산화칼슘(CaO) 5중량%, 산화마그네슘(MgO) 1중량 %, 일산화납(PbO) 4중량%, 산화나트륨(Na2O) 5중량%로 조성된다.
· 금속규소분말: 1∼2중량%
금속규소분말은 탄소보다 먼저 산화되거나 또는 탄소와 반응하여 탄화규소가 된 후에 다시 산화되면서 탄소를 석출시켜 내산화성을 부여하는 것으로서, 1중량% 미만에서는 산화 방지 효과가 미흡하며, 2중량%를 초과하면 내식성이 저하되어 바람직하지 않다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 용선예비처리 설비용 내화벽돌을 실험에 따른 다양한 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
알루미나 크링커, 탄화규소, 인상흑연 및 카이아나이트의 합계가 100중량%인 알시카 주성분에 대해 산화방지제로서 외삽으로 붕규산 프리트를 1∼2중량%로, 금속규소분말을 1∼2중량%로 첨가한 후 결합제인 페놀수지(액상 페놀레진)를 외삽으로 4중량% 첨가하여 가압혼련 후 1200㎏/㎠의 압력으로 25×25×150㎜ 크기의 시편을 제조하였다. (여기서, '외삽으로'는 '100중량%인 주성분을 기준으로'를 의미한다.) 제조된 시편을 250℃ 정도의 온도에서 건조시킨 후, 각 온도에서 잔존선 변화율과 내침식성을 비교 평가하여 아래의 [표 2]와 같이 나타내었다.
[표 2]

 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4 5
알루미나 크링커 86 89 90 87 92 90 85 85
탄화규소 5 3 3 6 1 4 5 5
인상흑연 7 5 3 7 3 2 9 5
카이아나이트 2 3 4 0 4 4 1 5
금속규소 +1 +1 +2 +1 +1 +1 +1 +1
붕규산 프리트 +2 +1 +2 +2 +2 +2 +2 +2
액상 페놀레진 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4
잔존선 변화율(%)
(1400℃×3시간)		 +0.6 +0.5 +0.4 -0.1 -0.15 -0.1 +0.1 +0.9
열전도도(W/mK) 10 8 7 8 7 6 15 8
침식지수 80 90 100 96 120 130 90 94
내산화성 ◎ ◎ ○ ◎ × ◎ ◎ ◎
내스폴링성 ◎ ◎ ○ ◎ × × ◎ ○
위의 [표 2]에서 잔존선 변화율의 측정시험은 전기로를 이용하여 분당 5℃로 1400℃까지 승온하여 3시간 동안 유지한 후 냉각하여 시편의 길이를 측정하였으며, 잔존선 변화율의 계산은 건조했을 때의 길이와 1400℃에서 열처리하였을 때의 길이 변화를 측정하고, 변화된 길이 편차를 건조하였을 때의 시편 길이로 나누어 백분율로 계산하였다.
또한, 침식지수의 측정시험은 유도 용해로를 이용하여 1500℃의 온도에서 120분간 실시하였으며, 30분마다 슬래그를 교체하였다. 이때, 침식제로는 용선과 혼선차 슬래그를 사용하였다.
또한, 내산화성 시험은 시편을 전기로 내에 넣고 1400℃에서 3시간 동안 열처리한 후 산화층의 두께를 비교 판단하였으며, 열전도도 측정시험은 레이저 프래쉬법에 의해 측정된 결과이다.
한편, 내스폴링성 측정시험은 1300℃로 유지되는 전기로에 시편을 넣고 급열하여 30분 유지하였다가 외부로 꺼내어 공냉시키는 것을 8회 반복 실시하고, 이후 시편의 외관을 관찰한 결과이다.
비교예1은 팽창성 물질인 카이아나이트의 첨가량이 0중량%로서, 잔존 팽창성이 부족하여 내화벽돌로 용선예비처리 설비에 설치할 경우에 쉽게 탈락될 수 있다. 즉, 구조적 안정성에 문제가 있다. 반면, 비교예5는 팽창성 물질인 카이아나이트의 첨가량이 5중량%로서 과도하게 첨가되어 잔존 팽창성이 너무 커서 인접한 내화벽돌 사이의 이음부가 손상될 수 있다.
비교예2는 탄화규소의 함량이 1중량%로서, 내산화성이 부족하다.
한편, 탄소의 함유량을 크게 좌우하는 인상흑연의 함유량과 관련해서, 비교예3은 인상흑연이 2중량%로 적게 함유되어 내식성이 부족하거나, 내스폴링성이 좋지 않다. 또한, 비교예4는 인상흑연이 9중량%로 과도하게 함유되어 열전도성이 높아 용선을 담는 혼선차나 장입 래들에 적용할 경우, 방산열을 억제할 수 없어 용선 의 온도가 급격히 낮아질 수 있다.
실시예1, 실시예2 및 실시예3은 알시카 내화벽돌의 주성분인 알루미나 크링커, 탄화규소, 인상흑연 및 카이아나이트 뿐만 아니라 외삽으로 금속규소분말, 붕규산 프리트 모두 본 발명의 일실시예에 따른 첨가량 범위에 있는 것으로서, 내침식성의 큰 저하없이 잔존 팽창성과 열전도도가 적정 범위에 있는 것을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 용선예비처리 설비용 내화벽돌은 각 구성 성분의 조성비를 적정 범위로 제어하여 내식성, 내열충격성, 내산화성은 물론 저열전도성을 갖도록 형성된다. 즉, 알루미나 크링커의 조성비를 높이는 대신 열전도성과 관련 있는 탄화규소 및 인상흑연의 조성비를 낮추었다. 따라서, 용선예비처리 설비의 혼선차나 장입 래들의 내측 벽에 사용되어 고온의 용선을 저장 또는 운반하는 과정에서 혼선차나 장입 래들의 외부로 열이 방산되는 것을 억제하여 용선의 온도가 급격하게 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 용선예비처리 설비용 내화벽돌의 탄소 함유량을 감소시킨 경우에도 카이아나이트 등의 팽창성 물질을 첨가하여 잔존 팽창성을 유지시킴으로써 용선예비처리 설비의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나 지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 알루미나 크링커 84∼90중량%, 탄화규소 2∼5중량%, 인상흑연 3∼7중량%, 카이아나이트 2∼4중량%를 주성분으로 함유하고, 상기 주성분 100중량%에 대하여 붕규산 프리트 1∼2중량%, 금속규소분말 1∼2중량%가 첨가되는 용선예비처리 설비용 내화벽돌.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미나 크링커는,
    전기용융 방식으로 1300∼1400℃의 온도 범위에서 열처리된 것인 용선예비처리 설비용 내화벽돌.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄화규소는,
    입도 크기가 74㎛ 이하인 용선예비처리 설비용 내화벽돌.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 붕규산 프리트는,
    산화규소(SiO2) 60중량%, 산화알루미늄(Al2O3) 10중량%, 산화붕소(B2O3) 15중 량%, 산화칼슘(CaO) 5중량%, 산화마그네슘(MgO) 1중량 %, 일산화납(PbO) 4중량%, 산화나트륨(Na2O) 5중량%로 조성되는 용선예비처리 설비용 내화벽돌.
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