KR101206211B1 - 전로 출강구 내화물 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전로에서 용강을 배출하는 출강구에 설치되는 슬리브 내화물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 완전연소 방식의 금속파이버 버너를 이용하여 용강과 접촉하는 가동면을 800 내지 1,200℃로 열처리함으로써, 초기 사용 중 용강흐름에 의한 급격한 마모손상을 억제하여 장수명화가 가능한 전로 출강구 내화물 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

전로 출강구 내화물 및 이의 제조방법{Refractory body for converter tap hole and process for preparing the same}
본 발명은 전로에서 용강을 배출하는 출강구에 설치되는 슬리브(sleeve) 내화물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속파이버 버너를 이용하여 용강과 접촉하는 가동면을 열처리함으로써, 초기 사용 중 용강흐름에 의한 급격한 마모손상을 억제할 수 있는 것을 특정으로 하는 전로 출강구 내화물에 관한 것이다.
철강 생산공정은 크게 제선 공정, 제강 공정, 연주 공정, 압연 공정으로 나뉜다. 이 중에서 제강 공정은 쇳물에서 불순물을 제거하여 강철로 만드는 공정이다. 제선 공정의 고로에서 생산된 용선은 탄소 함유량이 많고 인(P), 유황(S)과 같은 불순물이 포함되어 있는데, 이 용선을 고철과 함께 전로에 넣은 후 고압의 순수한 산소를 불어 넣으면, 불순물이 제거되고 용강이 된다.
전로 출강구 내화물의 재질로서는 마그네시아(magnesia)-흑연을 사용하고 있다. 출강구는 고온의 용강이 내공을 통해 통과하면서 발생하는 열충격, 용강흐름에 의한 마모, 용강 및 슬래그에 의한 화학적 침식에 노출된다.
일본 특허 공개 제2005-200704호에서는 전로 경동을 이용하여 부정형 내화물을 출강구 손상부위에 보수하는 방법으로 수명 향상을 제시하였다.
일본 특허 공개 제2002-145673호에서는 스피넬(spinel: 첨정석) 원료를 사용하여 FeO, MnO에 대한 저항성을 높임으로써 내구성 향상이 가능하다고 보고하였다.
일본 특허 공개 제2000-309818호에서는 수지 피복된 마그네시아 분말을 사용함으로써 마그네시아와 흑연간의 결합력을 높여 고온강도를 향상시킬 수 있다고 개시하였다.
일본 특허 공개 제1996-259312에서는 흑연 함량이 1 내지 8 중량%인 저흑연 소재를 사용함으로써 산화에 의한 손상을 저감할 수 있다고 보고하였다.
하지만, 최근에 사용하고 있는 출강구 내화물 재질은 상기 내용들이 반영되었으나, 전로 조업이 계속 가혹화되면서 사용수명의 한계점이 확인되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 장시간 사용이 가능한 전로 출강구 내화물 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 내화물 원료를 전로 출강구 형태로 성형하는 단계; 및 성형된 전로 출강구 내화물을 열처리하는 단계를 포함하는 전로 출강구 내화물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법 중 열처리 단계에서는 금속파이버 버너를 이용하여 전로 출강구 내화물 중 용강과 접촉하는 내공의 가동면을 열처리하는 것이 바람직하다. 금속파이버 버너는 완전연소가 가능하고, 버너 형태를 다양하게 제작할 수 있으며, 승온 속도가 빨라 생산성이 높다.
본 발명의 제조방법 중 열처리 단계에서 열처리 온도는 800 내지 1,200℃인 것이 바람직하다. 가동면의 열처리 온도가 800℃ 미만일 경우는 수지 바인더가 분해되면서 결합력이 낮은 상태가 되고, 1,200℃보다 높을 경우는 미열처리된 부위와 물성차이가 커서 구조적 스폴링(spalling: 재료가 고열 상태에서 급랭했을 때 생기는 표면이 거칠어지는 현상)에 따른 손상이 증가하는 경향이 있으므로 바람직하지 않다.
본 발명의 제조방법 중 열처리 단계에서 열처리 시간은 비용 등을 고려할 때 30분 내지 3시간인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 내화물 원료는 마그네시아-흑연(MgO-C)을 주원료로 하며, 선택적으로 결합제 및 산화방지제 등을 사용할 수 있다. 결합제로는 페놀수지 등을 사용할 수 있고, 산화방지제로는 알루미늄과 같은 금속분말을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 방법에 따라 열처리되어 스피넬 구조를 갖는 표면층을 포함하는 전로 출강구 내화물을 제공한다.
본 발명에서 표면층의 스피넬 구조는 금속분말의 탄화물과 MgO가 반응하여 형성된다. 구체적으로 설명하면, MgO-C 내화물 구성원료 중 산화방지제로 소량 사용되는 Al 등의 금속분말은 열처리 과정에서 주변의 C와 반응하여 Al4C3 등과 같은 탄화물로 변화하고, 이후 주변의 MgO와 반응하여 스피넬 구조를 형성하며, 이들 물질에 의해 결합력이 강화되어 기계적 강도가 향상되고 내구성이 향상된다.
본 발명에 따른 전로 출강구 내화물은 내구성을 향상시킨 표면층을 갖는데, 열처리된 표면층의 마모량은 150℃로 열처리한 표면층의 마모량을 기준으로 할 때, 기준 마모량의 90% 이하, 바람직하게는 70% 이하, 더욱 바람직하게는 50% 이하이다.
본 발명에 따라 완전연소 방식의 금속파이버 버너를 이용하여 용강과 접촉하는 전로 출강구 내화물의 가동면을 열처리함으로써, 초기 사용 중 용강흐름에 의한 급격한 마모손상을 억제할 수 있으며, 이에 따라 전로 출강구 내화물의 사용 수명을 향상시킴으로써 전로 생산성 향상 및 자재 비용 절감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전로 출강구 내화물의 열처리 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전로 출강구 내화물의 열처리 공정을 개략적으로 도시한 것으로, 내화물 원료를 출강구 슬리브 내화물(2) 형태로 성형한 후, 금속파이버 버너 봉(1)을 출강구 슬리브 내화물(2)에 넣고, 가동면 부위(3)를 열처리함으로써, 내구성이 향상된 표면층을 얻는다.
이와 같이, 완전연소 방식의 금속파이버 버너를 이용하여 용강과 접촉하는 가동면을 800 내지 1,200℃로 열처리함으로써, 초기 사용 중 용강흐름에 의한 급격한 마모손상을 억제하여 장수명화가 가능한 전로 출강구 내화물을 얻을 수 있다.
본 발명의 전로 출강구 내화물은 열처리되어 스피넬 구조를 갖는 표면층을 포함하는 것을 특징으로 하는데, 표면층의 스피넬 구조는 금속분말의 탄화물과 MgO가 반응하여 형성된다. 산화방지제로 소량 사용되는 Al 등의 금속분말은 열처리 과정에서 주원료인 MgO-C의 C와 반응하여 Al4C3 등과 같은 탄화물로 1차적으로 변화하고, 이후 금속분말의 탄화물이 주변의 MgO와 반응하여 스피넬 구조를 형성하며, 이 구조로 인해 결합력이 강화되어 내구성이 향상된다.
본 발명에 따라 열처리된 전로 출강구 내화물의 표면층은 그 마모량이 150℃로 열처리한 표면층의 마모량을 기준으로 할 때, 기준 마모량의 90% 이하, 바람직하게는 70% 이하, 더욱 바람직하게는 50% 이하로서, 우수한 내구성을 갖는다.
전로 출강구 슬리브에 사용되는 내화물 원료는 마그네시아-흑연을 주원료로 하며, 선택적으로 결합제 및 산화방지제 등을 사용할 수 있다. 결합제로는 페놀수지 등을 사용할 수 있고, 산화방지제로는 알루미늄과 같은 금속분말을 사용할 수 있다.
전로 출강구 슬리브 내화물의 성형은 냉간등방압성형기(CIP, Cold Isostatic Press), 온간등방압성형기(WIP, Warm Isostatic Press), 열간등방압성형기(HIP, Hot Isostatic Press) 및 고온 고압 프레스(HTHP, High Temperature High Pressure Press) 등을 이용하여 수행할 수 있다.
전로 출강구 내화물인 마그네시아-흑연질 내화물은 고온의 이산화탄소, 산소 등과 반응할 경우 산화 소실되는 흑연이 10 내지 15 중량% 함유되어 있다. 또한 결합제로서 페놀 수지를 사용하므로, 수지의 열분해가 진행되는 온도 구간에서는 기계적 강도가 낮아서 열적, 기계적 충격에 취약한 상태가 된다.
일반적인 마그네시아-흑연질 내화물은 800℃ 이상의 환원소성을 할 경우, 결합력이 발생되면서 강건한 상태가 된다. 흑연을 함유한 내화물을 고온 소성하기 위해서는, 코크스 분말 중에 내화물을 묻고 열처리하면 되지만, 이 경우 배치 형태로 소성처리를 하게 되므로, 생산성이 낮고 다량의 CO2 가스가 배출되는 등 환경 유해요소가 있다.
최근에 개발된 금속파이버 버너 방식은 액화석유가스(LPG)와 공기를 원료로 사용하여 완전연소가 가능하므로, 분위기 중에 이산화탄소와 산소의 농도가 매우 낮게 유지된다. 또한, 금속 파이버 버너의 형태를 판상, 봉상 등 다양하게 제작 가능하며, 승온 속도 또한 빨라 생산성이 높다.
본 발명은 이러한 금속파이버 버너의 특성을 살려서 마그네시아-흑연질 내화물의 열처리에 활용한 것이다.
출강구 내화물은 사용 중 고온의 용강이 내공을 통해 통과하면서 열이 전달되어 고온의 조건에 노출되므로, 시간이 경과함에 따라 구조물의 강도가 향상되어 손상속도가 느려진다. 따라서 사용 초기에 급격한 손상을 막을 경우 사용수명을 향상시킬 수 있다. 즉, 출강구 내경의 가동면 일부를 열처리하여 소정의 강도를 유지시킨다면, 용강 흐름에 의한 마모와 슬래그 등에 의한 침식을 사용 초기에 억제할 수 있다.
예비실험결과, 용강 흐름에 의한 마모 저항성은 내화물의 고온 강도와 비례관계에 있으며, 적절한 소성온도 영역이 있음을 확인하였다. 즉, 가동면의 열처리 온도가 800℃ 미만일 경우는 수지 바인더가 분해되면서 결합력이 낮은 상태가 되고, 1,200℃보다 높을 경우는 미열처리된 부위와 물성차이가 커서 구조적 스폴링에 따른 손상이 증가하는 경향이 있으므로 바람직하지 않다.
열처리 시간은 특별히 제한되지 않으나, 비용 등을 고려할 때 바람직하게는 30분에서 3시간 내외가 적당하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다, 그러나, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
통상적으로 내화물 제조에 사용하는 순도 99% 이상의 마그네시아-흑연 원료와 결합제로서 레졸형 페놀수지를 혼합하여 출강구 내화물을 제조하였다. 이때, 흑연의 산화 방지제로서는 금속 알루미늄을 사용하였다. 성형은 CIP를 이용하였다. 도 1와 같이, 제조된 출강구 슬리브 내화물(2) 중 용강과 접촉하는 내공에 금속파이버 버너 봉(1)을 넣고 가동면 부위(3)를 900℃에서 1시간 동안 열처리하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하되, 열처리 온도를 1,100℃로 하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일하되, 열처리 온도를 150℃로 하였다.
[비교예 2]
실시예 1과 동일하되, 열처리 온도를 400℃로 하였다.
[비교예 3]
실시예 1과 동일하되, 열처리 온도를 600℃로 하였다.
[비교예 4]
실시예 1과 동일하되, 열처리 온도를 1,400℃로 하였다.
[시험예 1]
실시예 및 비교예에서 열처리한 전로 출강구 슬리브 내화물을 용강이 담긴 고주파 가열로에 넣고, 용강에 대해 100 rpm으로 고속 교반하면서 용강에 의한 마모량을 측정하였다. 마모량은 비교예 1의 마모량을 100으로 하여 백분율 지수로 표기하였다. 표 1에 시편 제조조건과 시험결과를 정리하였다.
제조 조건 시험 결과
열처리 온도(℃) 손상 지수
비교예 1 150 100
비교예 2 400 99
비교예 3 600 105
실시예 1 900 50
실시예 2 1,100 45
비교예 4 1,400 95
표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예의 경우 용강에 의한 마모가 크게 발생하였으나, 실시예의 경우 마모 손상이 비교예 대비 50% 이하로 크게 감소하였음을 알 수 있다.
[시험예 2]
실시예 및 비교예의 내화물에 대하여, 3점 굽힘 강도를 측정하여 기계적 내구성 향상을 확인하였고, 마모시험 후 시편 두께의 감소 정도를 측정하였다. 그 결과는 표 2와 같다.
강도(kgf/㎠) 침식 두께(mm)
비교예 1 100 3.20
비교예 2 90 3.17
비교예 3 70 3.35
실시예 1 140 1.61
실시예 2 150 1.43
비교예 4 210 3.05
표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예의 내화물은 비교예에 비하여 강도가 우수하고 침식량도 적었다.
1: 금속파이버 버너 봉
2: 출강구 슬리브 내화물
3: 열처리된 가동면 부위

Claims (6)

  1. 내화물 원료를 전로 출강구 형태로 성형하는 단계; 및
    성형된 전로 출강구 내화물을 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 열처리 단계에서 금속파이버 버너를 이용하여 상기 전로 출강구 내화물 중 용강과 접촉하는 내공의 가동면을 열처리하는 것을 특징으로 하는 전로 출강구 내화물의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서 열처리 온도는 800 내지 1,200℃인 것을 특징으로 하는 전로 출강구 내화물의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서 열처리 시간은 30분 내지 3시간인 것을 특징으로 하는 전로 출강구 내화물의 제조방법.
  5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되고,
    스피넬 구조를 갖는 표면층을 포함하는 전로 출강구 내화물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스피넬 구조는 금속분말의 탄화물과 MgO가 반응하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전로 출강구 내화물.
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