KR101230331B1

KR101230331B1 - 제강 정련용 연속측온 장치

Info

Publication number: KR101230331B1
Application number: KR1020100095451A
Authority: KR
Inventors: 박정원; 김영인; 홍상기; 박주홍; 박병건
Original assignee: 우진 일렉트로나이트(주)
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2013-02-06
Also published as: WO2012043947A1; KR20120033754A

Abstract

본 발명은 제강 정련용 연속측온 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 연속측온 장치의 열전대의 내화물을 구성하는 성분을 종래와 달리하여 내구성을 현저히 강화시키고, 특히 제강 래들에 별도로 장착해서 제강 정련 공정에 사용할 수 있는 연속측온 장치의 내화물 보호관에 관한 것이다.
본 발명인 제강 정련용 연속측온 장치는, 본 장치를 지지하는 거치대와, 열전대와 계측기를 연결하는 열전대 연장선, 상기 연장선 일단의 헤드와, 상기 헤드에 부착되며 용융금속에 거의 수직으로 침지될 수 있도록 설계된 열전대부와, 상기 열전대부를 보호하는 내화물 보호관으로 구성된 연속측온 장치에 있어서, 상기 내화물 보호관은 중량 100% 기준으로, 알루미나 45~55%, 카본 25~35%, 탄화규소 5% 이하, 마그네시아 10~20%로 조성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 2차 정련과 같이 용융금속에 침지와 공기노출이 반복적으로 일어나는 연속측온 환경에서 응답속도가 빠르고, 보다 효과적으로 장기간 사용할 수 있는 내화물 보호관 및 연속측온 장치를 제공할 수 있다. 또한 이를 통하여, 빠른 온도확인을 통한 조업시간 단축, 쿨런트, 승온용 산소취입 등의 부자재 사용량 절감, 래들 등의 내화재 용손 저감 및 용강의 품질 향상에 기여할 수 있다.

Description

제강 정련용 연속측온 장치{A CONTINUOUS TEMPERATURE DETECTING DEVICE}

본 발명은 제강 정련용 연속측온 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 연속측온 장치의 열전대의 내화물을 구성하는 성분을 종래와 달리하여 내구성을 현저히 강화시키고, 특히 제강 래들에 별도로 장착해서 제강 정련 공정에 사용할 수 있는 연속측온 장치의 내화물 보호관에 관한 것이다.

일반적으로 일관제철소의 연속주조 공정은 도 1에 나타난 바와 같이 고온의 용강이 래들(3)과 턴디쉬(4)를 통해 주조몰드(5)에 주입되고 연속주조기를 통과하면서 냉각 응고되는 과정으로 이루어 진다. 이런 과정에서 용강 온도가 너무 높으면 연속주조기에서 브레이크 아웃이 발생하여 조업이 중단되고, 설비가 열화 되거나 주편의 품질이 저하되며, 용강의 온도가 너무 낮으면 연속주조 작업을 계속할 수 없는 조건이 이루어지므로 연속주조 공정에서 용강의 온도를 연속적으로 정확하게 측정하는 것은 매우 중요하다.

따라서 연속주조 공정에 있어서 용강의 온도를 정확하게 연속적으로 측정하기 위해 일반적으로 턴디쉬 상부에서 측정용 열전대를 용강 내로 침적시켜 용강의 온도를 측정하는 방법이 사용된다.

일반적인 열전대 장치는 도 2a와 같이 거치대(12)와 열전대(14), 헤드(13), 열전대 연장선(11), 열전대를 보호하기 위한 내화물 보호관(15)을 포함하는 구성을 이루고 있다. 거치대(12)는 열전대(14)가 용강에 수직으로 침지될 수 있도록 지지하고, 열전대 연장선(11)은 열전대(14)와 계측기(= 온도 지시기; 미도시)를 연결해 주며, 열전대(14)가 용강에 수직으로 침지될 수 있도록 지지하는 역할을 한다.

헤드(13)에는 열전대와 보상도선의 접점부가 형성되며 헤드(13)의 분해를 통해 열전대의 교체가 가능하게 된다. 열전대부는 B-type (혹은 R-type) 열전대와 세라믹 보호관으로 구성되며, 세라믹 보호관 (내화물 보호관)은 알루미나 계열의 내화재를 사용하는 것이 일반적이다.

상기 내화물 보호관(15)은 용강에 침지하여 장시간 사용하므로 용강 및 슬라그에 대한 물리적, 화학적 침식에 대한 침식저항성이 우수하여야 하며, 급격한 열 흐름에 대한 열 충격 저항성이 높아야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위해 내화물 보호관은 일반적으로 알루미나(Al203)-카본(C)-실리카(SiO3)계 내화물이 많이 사용된다.

상기한 종래기술의 내화물 보호관 조성에서, 열전도율 특성이 좋은 카본(C)의 함량이 증가하면 내화물 보호관의 열적 응답 특성은 향상될 수 있으나 카본이 용강에 쉽게 용해됨과 함께 용존 산소에 의한 탈탄으로 인해 내화물의 조직이 침해되는 등 단점을 포함하고 있기 때문에 사용량에 제한을 받는다.

따라서 카본계 내화물에서는 카본의 산화 방지를 위하여 일정량의 카본 산화방지제 (SiC, 금속Si, B₄C 등)를 첨가하여 카본을 보호한다. 그러나 카본 산화방지제를 너무 많이 사용하면 물성의 변화를 일으켜 오히려 특성 저하를 유발하며, 보통 카본 함량에 따라 5중량% 이하가 사용된다.

또한 실리카(SiO3)의 경우 열 팽창율이 작아 열 충격 저항성에 우수한 특성을 나타내지만 장시간 사용될 경우 카본과 반응하여 기화됨으로써 노즐 내 공동(vacancy)을 형성하여 조직이 열화되는 단점을 가지고 있다. 또한 Mn, Fe 등의 산화물과 쉽게 반응하여 저융점 화합물을 형성함으로써 내식성이 떨어지는 단점이 있다.

최근에는 질화알미늄(AlN)을 함유하는 내화물 보호관이 등장하고 있으나, 이는 고가인 관계상 원료비 상승을 가져오고, 또한 열 충격과 열 전도율이 낮아 제강 정련 공정에 적용하기에는 부적절한 문제점이 있다.

따라서 상기와 같은 종래기술에 의한 내화물 보호관은 연속주조 공정에서는 그런대로 잘 활용되고 있지만, 용탕 주변 환경의 물리적 화학적 특성이 다른 제강 정련 공정에서는 그 내구성의 한계 및 반응속도가 느림으로 인하여 사용에 많은 어려운 문제점이 있어왔다.

통상 제철공정에서의 정련은 전로에서 산소를 취입하여 이루어지고, 정련이 끝난 용강은 래들(Ladle)에 탭핑하게 되며, 이후 2차 정련이 버블링 공정(BS, BAP, etc), 래들 트리트먼트(LT), 래들 퍼니스(LF), 카스(CAS), 탈가스 공정(RH, VOD, VD, etc) 등 다양한 곳에서 이루어지게 된다.

짧게는 10분 미만부터 길게는 한 시간 정도 지속되는 각 공정에서 용강을 측정함에 있어서, 온도는 열전대, 성분은 전기화학 센서를 이용하거나, 샘플을 통한 발광 등의 성분 분석으로 이루어지며, 각 측정은 주로 1회를 사용하는 프로브에 의해서 이루어지는 것이 일반적이다.

하지만, 특별히 온도의 경우에는 연속적인 측정이 꾸준히 요구되고 있으며, 이를 위하여 광학적 온도측정이 시도되고는 있으나, 이는 아직 그 정밀도가 우수하지 못하여 일부의 공정에서만 적용되고 있는 실정이다. 특히, 2차 정련의 경우는 최종 제품의 품질 중 성분의 조정을 가장 정밀하게 이루어야 하는 공정이므로, 정밀한 온도의 측정은 매우 중요하다.

따라서 온도를 측정함에 있어서는 열전대를 이용하는 것이 현재로서는 표준적인 측정방법이기 때문에 가장 선호되어 사용되고 있고, 상기 2차 정련의 후 공정이라 할 수 있는 연속주조 공정에서는 상기와 같은 종래기술의 열전대 및 보호관을 사용하는 것이 공지의 기술이다.

그러나, 제강 정련 공정에서의 래들 내 용강의 측정 은 연속주조 공정에서의 온도측정과는 여러 면에서 커다란 차이점이 있다.

첫째, 연속주조 공정은 그 온도의 범위가 응고온도 주변의 낮은 온도인데 반해, 정련공정은 화학반응이 활발히 이루어지기 때문에 온도가 상대적으로 높고, 그로 인해 내화물 소손이 심하다.

둘째, 정련공정이기 때문에 반응이 이루어지고 있고, 화학적 활성화 상태인 성분들에 의해 슬래그 등에 의한 침윤성이 더욱 강하다.

셋째, 연속주조 공정의 턴디쉬에 설치되는 종래의 연속측온 장치는 일회 침지될 경우 한 시퀀스(연속으로 제품을 생산하는 단위)에 4 ~ 10회 이상의 래들 용강을 처리하기 때문에, 수 시간의 용강 속에서 연속적으로 온도를 측정하게 되는데 반해, 2차 정련은 수십 분의 침지시간이 반복적으로 행해지므로, 취화 등의 열화가 급속하게 이루어져 특히 열전대 및 그 보호관의 수명이 짧아진다.

넷째, 처리시간이 한정적이기 때문에 침지된 연속측온 장치가 응답속도(피 측정체와 측정장치의 온도가 평형을 이루어 일정한 온도에 이르게 되기까지의 시간)가 매우 중요한 요소가 되어, 빠른 응답속도가 필요하게 된다.

따라서 상기와 같이, 연속주조 공정과는 환경 특성이 다른 제강 정련 공정의 특수한 조업 조건 속에서도, 연속 측온이 가능하고, 보다 강력한 내구성을 지니며 반응속도가 빠른 내화물 보호관의 개발 필요성이 계속 제기되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명은 2차 정련과 같이 용융금속에 침지와 공기노출이 반복적으로 일어나는 제강 정련 공정의 연속측온 환경에서도 응답속도가 빠르고, 보다 효과적으로 장기간 사용할 수 있는 열전대를 보호하는 내화물 보호관 및 연속측온 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 제강 정련용 연속측온 장치는, 이를 지지하는 거치대와, 열전대와 계측기를 연결하는 열전대 연장선, 열전대 연장선 일단의 헤드와, 상기 헤드에 부착되며 용융금속에 거의 수직으로 침지될 수 있도록 설계된 열전대부와, 상기 열전대부를 보호하는 내화물 보호관으로 구성된 연속측온 장치에 있어서, 상기 내화물 보호관은 중량 100% 기준으로, 알루미나 45~55%, 카본 25~35%, 탄화규소 5% 이하, 마그네시아 10~20%로 조성됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 상기 마그네시아와 알루미나 원료는 스피넬을 포함하는 것을 특징으로 하고, 또한 상기 내화물 보호관은 하단부 방향으로 더 얇은 외경을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 2차 정련과 같이 용융금속에 침지와 공기노출이 반복적으로 일어나는 연속측온 환경에서 응답속도가 빠르고, 보다 효과적으로 장기간 사용할 수 있는 내화물 보호관 및 연속측온 장치를 제공할 수 있다.

이로 인해, 빠른 온도확인을 통한 조업시간 단축, 쿨런트, 승온용 산소취입 등의 부자재 사용량 절감, 래들 등의 내화재 용손 저감 및 용강의 품질 향상에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연속측온 장치가 사용되는 환경의 일 예를 보인 공정 흐름도이다.
도 2a는 일반적인 연속측온 장치의 일 예를 보인 단면 개념도이다.
도 2b는 본 발명에 의한 연속측온 장치의 일 예를 보인 단면 개념도이다.
도 3은 본 발명에 의한 연속측온 장치의 제1 실시 예에 따른 측정 화면이다.
도 4는 본 발명에 의한 연속측온 장치의 제2 실시 예에 따른 측정 화면이다.
도 5는 종래기술에 의한 연속측온 장치에 장착되는 내화물 보호관의 사용 후 사진이다.
도 6은 본 발명에 의한 연속측온 장치에 장착되는 내화물 보호관의 사용 후 사진이다.

이하 본 발명의 구성 및 작용을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명에서 도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같은 제강용 연속측온 장치는, 이를 지지하는 거치대(22)와, 상기 거치대 일단의 헤드(23)와, 상기 헤드에 부착되며 용융금속에 거의 수직으로 침지될 수 있도록 설계된 열전대(24)와, 상기 열전대와 계측기(= 온도 지시기; 미도시)를 연결해주는 열전대 연장선(21)과, 상기 열전대를 보호하는 내화물 보호관(25)으로 이루어지며, 본 발명은 이렇게 구성된 연속측온 장치에 있어서, 특히 열전대를 보호하는 내화물로 만들어지는 내화물 보호관(25)의 구조 및 성분의 혁신을 이룬 것이다.

본 발명의 내화물 보호관은 용강에 침지하여 사용하므로 용강 및 슬라그에 대한 물리적, 화학적 침식에 대한 침식 저항성이 우수하고, 용강의 유동에 대한 열충격 저항성이 높아야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위해 알루미나(Al2O3)-마그네시아(MgO)-카본(C)-탄화규소(SiC)질 내화물이 사용된다. 본 발명의 내화물의 특징은 장시간 가열 냉각 반복 시에도 취화가 적으며, 열 팽창율이 작아서 발생 열 응력이 작고, 열 팽창률이 작아서 목지 손상이 적다.

본 발명의 연속측온 장치에 있어서, 내화물 보호관은 중량 100% 기준으로, 알루미나 45~55%, 카본 25~35%, 탄화규소 5% 이하, 마그네시아 10~20%로 조성된다. (본 발명에서 %는 모두 중량%를 의미한다.)

상기한 본 발명에서 알루미나의 함유는 내화물 보호관의 내식성을 강력하게 구현할 수 있도록 한다. 특히 고 알루미나 질의 내화물은 팽창 곡선이 직선적이고, 기계적 강도가 크며, 열전도율이 비교적 크고, 각종 슬라그에 대한 저항성이 큰 장점이 있다. 본 발명에서 알루미나는 45~55% 함유토록 하는 것이 바람직하다. 알루미나 함유량이 45% 미만이 되면 내식성이 약해질 수 있으며, 알루미나가 55%를 초과하는 경우에는 추가적인 내식성 강화 효과가 나타나지 않는다.

본 발명에서 내화물 보호관을 구성하는 카본은 보호관의 내 스폴링성과 내 슬라그 침윤성을 우수하게 해주는 특징이 있다. 또한 열전도율이 좋은 카본은 내화물의 열전도율을 높임과 함께 열팽창율을 낮추는 작용을 하므로 열충격 저항성을 향상시킬 수 있으며 내화물 보호관의 열적 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

하지만 용강에 쉽게 용해됨과 함께 용존 산소에 의한 탈탄으로 인해 내화물의 조직이 침해되는 등 단점이 있다. 카본 중량이 25% 미만이면 성형체 제조상의 문제가 있으며, 카본 결합력이 약화되어 강도가 저하된다. 카본 함량이 35%를 초과 하거나 금속산화물 대비 너무 증가하면 용존산소와 반응하여 가스성분(Co, Co2)으로 산화 소실될 뿐 아니라 용강에 용해되어 내식성에 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서 본 발명은 카본의 함량을 25~35% 범위로 한정하였다.

또한 내화물 보호관을 구성하는 탄화규소는 상기 카본의 산화방지와 내 슬라그 침윤성의 특징이 있다. 따라서 본 발명은 카본의 산화 방지를 위하여 일정량의 카본 산화방지제 SiC를 첨가하여 카본을 보호하였다. 반면, 탄화규소는 용강중의 산소와 반응하여 실리콘과 일산화 탄소를 생성하여 상기의 슬래그와 반응해 저융점을 형성할 수 있으며, 따라서 카본 산화방지제를 너무 많이 사용하면 물성의 변화를 일으켜 오히려 특성 저하를 유발하므로, 산화방지제인 탄화규소는 5%이하로 사용한다.

특히, 본 발명의 내화물 보호관은 전통적으로 많이 사용되어온 산성 내화물인 실리카를 제거하고, 염기성 내화물인 마그네시아를 10~20% 함유한다. 실리카는 열 팽창률이 작아 열 충격 저항성에 우수한 특성을 나타내지만 장시간 사용될 경우는 카본과 반응하여 기화됨으로써 노즐 내 공동(vacancy)을 형성하여 조직이 열화되는 단점을 가지고 있다. 또한 Mn, Fe 등의 산화물과 쉽게 반응하여 저융점 화합물을 형성하여 내식성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 종래품과 달리 실리카의 사용을 배제하였다.

반면, 마그네시아 질 내화물은 내화도가 높고, 고 염기도의 슬래그에 내식성이 우수하기 때문에, 본 발명은 마그네시아를 첨가하여 내식성을 더 높여 내화물로 된 내화물 보호관의 수명을 늘릴 수 있도록 하였다. 그러나 마그네시아 함유량이 10% 미만이 되면 내식성이 약해질 수 있으며, 마그네시아가 20%를 초과하는 경우에는 내식성은 우수하나 열팽창이 크게 되어 균열 손상이 유발될 수 있기 때문에 마그네시아 함량을 상기와 같이 한정하였다.

또한, 본 발명의 마그네시아와 알루미나는 스피넬을 포함한다. 마그네시아와 알루미나는 1200℃ 이상에서 스피넬을 형성하여 부피팽창에 의해 조직이 치밀해지고 내식성, 내침윤성이 향상될 수 있다. 이와 같은 스피넬은 원료로도 사용이 가능하다. 더욱이 실리카가 제거된 본 발명의 내화물 보호관은 저 산소강 혹은 고 산소강에서 많이 존재하는 산화철, 산화망간에 대해 내침윤, 내침식성이 강하기 때문에 강종에 관계없이 사용이 가능하다.

상기와 같은 본 발명의 내화물 보호관 5종류의 물성을 종래품과 비교하는 실험을 수행하였다. 아래의 <표 1>은 본 발명과 종래품의 물성을 비교, 분석한 결과이다.

구 분		종래품	본발명1	본발명2	본발명3	본발명4	본발명5
성분(%)	Al2O3	58	42	42	47	48	52
성분(%)	C	30	30	35	30	25	25
성분(%)	SiC	5	5	5	5	5	5
성분(%)	SiO2	5	-	-	-	-	-
성분(%)	MgO	-	20	15	15	20	15
성분(%)	Binder	2	2	2	2	2	2
물성	밀도(g/cm3)	2.7	2.7	2.7	2.4	2.5	2.3
물성	기공률(%)	16	16	12	8	10	7
물성	침식정도¹⁾	10	3.8	4.5	2.2	3.6	3.1
물성	열전도율(w/℃)²⁾	18.1	16.4	16	16.2	17.1	16.8

㈜

1) 침식정도 : 상기표와 같이 조성한 배합 원료로 시험편을 제작하여 고주파유도로 내의 용탕온도를 강의 용융온도로 구현하고, SiO2, CaO등을 투입한 후 일정시간 시험편을 투입한 후 종래품 대비 침식정도를 나타내었다. 침식의 정도는 무게로 비교한 것이다. (종래품 침식 : 10)

2) KS L3306:2007 “열선법에 따른 내화 벽돌의 열전도도 측정방법” 에 따라서 500℃ 로내에서 측정하였다. 열전도율 계산은 다음과 같다.

(W/mㆍk)

I : 열선에 흐르는 전류의 값(A)

R :열선의 전기저항(Ω/m)

t1, t2 : 열선에 통전한 후의 시간(min)

θ1, θ2 : t1, t2에 있어서 열선온도(℃)

상기 실험을 통하여, <표 1>에 나타난 바와 같이 본 발명의 내화물 보호관은 종래품에 비하여 특히 침식 정도(내식성)에 있어서 현저히 우수한 특성을 보이고 있다는 것을 확인할 수 있었으며, 본 발명은 상기와 같은 종합적인 원소 배합으로 긴 수명과 빠른 응답성을 갖는 열전대 보호용 내화물 보호관을 발명할 수 있었다.

또한 본 발명인 내화물 보호관의 구조적 특징은, 하단부 방향으로 갈수록 더 얇은 외경을 갖도록 구성된다. 도 2a는 현재 일반적으로 사용되고 있는 내화물 보호관의 구조이고, 도 2b는 내화물 보호관의 하단부 방향으로 갈수록 더 얇은 외경을 갖도록 구성된 본 발명 특유의 내화물 보호관이다.

상기 2가지 내화물 보호관을 비교하는 실험을 수행하였다. 도 2a에 따른 실험 결과는 도 3에 나타난 바와 같이 래들에 침지하여 약 400초 후에 온도 안정구간을 찾았고, RH 처리 중 승온 시 그 결과가 약 45초 후에 나타나는 정도의 응답속도를 보였다. 반면, 도 2b에 따른 실험 결과는 도4에 나타난 바와 같이 래들에 침지하여 약 220초 후에 온도 안정구간을 찾았고, RH 처리 중 승온 시 그 결과가 약 15초 후에 나타나는 빠른 응답속도를 보였다. 즉, 열전대를 보호하는 내화물 보호관은 하단부 방향으로 더 얇은 외경을 갖도록 설계함으로써, 응답성을 크게 향상시킬 수 있었다.

도 5는 연속측온 장치에 장착되는 종래 구조의 알루미나-카본-실리카 계열의 내화물 보호관의 사용 후 사진이며, 도 6은 본 발명에 의한 내화물 보호관의 사용 후 사진으로, 각각 3차지(Charge; 래들 1회 분의 용강처리를 의미함)를 사용한 시점이다. 종래품은 용손이 심각하여 더 이상 사용이 불가능하였으며, 본 발명품의 경우 외관을 그대로 유지하고 있어 지속 사용이 가능하였다. 따라서 본 발명에 따라 만들어진 내화물 보호관의 내구성이 종전품에 비하여 현저히 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다.

1.... 전로 2.... RH 정련장치
3.... 래들 4.... 턴디쉬
5.... 주조몰드
10, 20.... 연속측온 장치 11, 21.... 열전대 연장선
12, 22.... 거치대 13, 23.... 헤드
14, 24.... 열전대 15, 25....내화물 보호관

Claims

제강 연속측온 장치를 지지하는 거치대와, 열전대와 계측기를 연결하는 열전대 연장선, 연장선 일단의 헤드와, 상기 헤드에 부착되며 용융금속에 수직으로 침지될 수 있도록 설계된 열전대부와, 상기 열전대부를 보호하는 내화물 보호관으로 구성된 연속측온 장치에 있어서;
상기 내화물 보호관은 중량 100% 기준으로, 알루미나 45~55%, 카본 25~35%, 탄화규소 1~5%, 마그네시아 15~20%로 조성됨을 특징으로 하는 제강 정련용 연속측온 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 마그네시아와 알루미나 원료는 스피넬을 포함하는 것을 특징으로 하는 제강 정련용 연속측온 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 내화물 보호관은 하단부 방향으로 더 얇은 외경을 갖는 것을 특징으로 하는 제강 정련용 연속측온 장치.