KR101458375B1 - 산화크롬이 용사된 그레이트바 및 이의 제조 방법 - Google Patents

산화크롬이 용사된 그레이트바 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101458375B1
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조희근
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안동대학교 산학협력단
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Abstract

내열성, 내부식성, 내마모성, 및 내충격성이 개선되어 내구성이 향상되는, 산화크롬(Cr2O3)이 용사된 그레이트바와, 이의 제조 방법이 개시된다. 개시된 그레이트바는, 주조(鑄造)에 의해 형성된 베이스(base), 및 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에, 용사(溶射)된 산화크롬(Cr2O3)이 적층되어 형성된 산화크롬층을 구비한다.

Description

산화크롬이 용사된 그레이트바 및 이의 제조 방법{Grate bar with thermally sprayed chromium oxide and fabricating method thereof}
본 발명은 제철소의 소결 공정에서 사용되는 소결로에 장착되는 그레이트바(grate bar)와 이의 제조 방법에 관한 것이다.
제철소에서 철강을 생산하기 위해 사용되는 원재료인 철광석은, 30 내지 70%의 철분(Fe)을 함유한 광석으로서 철분(Fe)이 풍부하고 황(S), 인(P), 구리(Cu)와 같은 유해성분이 적고 크기가 일정한 것이 이상적이나, 이러한 철광석은 흔하지 않으며, 원산지에 따라 품질, 성분, 형상이 각기 다르기 때문에 철광석 원석 그대로 고로에 투입하기는 어렵다. 따라서 고로에 투입하기 전에 철광석의 품질을 고르게 하기 위해 일정 크기의 가루로 만드는 공정을 거치며, 이를 소결 공정이라고 한다.
도 1은 소결로를 이용한 소결광 제조 공정을 나타내는 도면이고, 도 2 및 도 3은 소결로의 구조를 도시한 측단면도 및 사시도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 다수가 직렬 연결되어서 이동하는 소결로(9)의 그레이트바(20)의 상측에 상부 호퍼(4)와 서지 호퍼(3)를 통하여 철광석 원석(1)이 장입된다. 철광석 원석(1)이 장입된 소결로(9)는 레일(13)을 따라서 이동한다. 이 때 점화로(7)가 작동되어 소결로(9)에 적재된 철광석 원석이 점화로(7)를 통과하면서 착화된다. 착화된 철광석 원석은 배풍기(5)에 의하여 발생되는 하방 흡입력에 의하여 상부로부터 하부로 점차 소결이 이루어진다. 하방 흡입에 의한 공기는 윈드 박스(wind box)(6)를 통하여 배출된다. 소결이 완료된 소결광은 냉각기(8)로 이송된다. 소결광이 투하되어 빈 상태로 된 소결로(9)는 무한궤도를 회전하여 호퍼(3, 4) 측으로 복귀하며, 다시 철광석 원료가 장입되고, 소결이 진행된다.
소결로(9)의 보디(10) 표면에는 다수의 그레이트바(20)가 가로방향으로 배열되며, 그레이트바(20)의 상측면에는 철광석 원석(1)이 적재된다. 그레이트바(20)는 통상 3열로 배열된다. 소결로(9)의 양 측 단부에는 록킹 핀(locking pin)(14)에 의해 고정된 측벽(11)이 구비된다. 소결 공정 중에 소결로(9)는 레일(13)의 표면과 접촉되는 휠(wheel)(12)에 의하여 이동된다.
상술한 소결 공정에서 소결로(9) 내부는 1000℃ 이상으로 온도가 상승되고, 그레이트바(20)는 이러한 고온 환경에 지속적으로 노출된다. 또한, 무거운 철광석 원료를 지지하여야 하며, 배풍기(5)의 흡입력에 의해 형성된, 많은 미세 입자가 포함된 고온 고압의 바람에 노출된다. 이로 인해 그레이트바(20)의 표면에 크랙(crack)이 발생하고 표면이 산화되는 등 내구성이 떨어진다. 내구성이 떨어지는 그레이트바(20)는 짧은 교체 주기가 요구되므로, 소결 공정, 나아가 제철 공정의 비용 상승을 야기한다.
대한민국 등록특허공보 제10-0833007호 대한민국 등록특허공보 제10-1131100호
본 발명은, 내열성, 내부식성, 내마모성, 및 내충격성이 개선되어 내구성이 향상되는, 산화크롬(Cr2O3)이 용사된 그레이트바와, 이의 제조 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅으로 표면 처리하여 가혹한 환경에서 더 오래 견딜 수 있도록 표면 성질이 개선된 그레이트바와, 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 소결로 내에 배치되어 소결용 원료를 지지하는 것으로, 주조(鑄造)에 의해 형성된 베이스(base), 및 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에, 용사(溶射)된 산화크롬(Cr2O3)이 적층되어 형성된 산화크롬층을 구비하는 그레이트바(grate bar)를 제공한다.
상기 산화크롬층의 두께는 0.1 내지 0.6mm 일 수 있다.
본 발명의 그레이트바는, 상기 베이스와 상기 산화크롬층 사이에 용사된 Ni5Al 이 적층되어 형성된 버퍼층(buffer layer)을 더 구비할 수 있다.
상기 버퍼층의 두께는 30 내지 50㎛ 일 수 있다.
또한 본 발명은, 주물용 강(鑄物用 鋼)을 주조(鑄造)하여 베이스(base)를 형성하는 베이스 형성 단계, 및 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 산화크롬(Cr2O3)을 용사(溶射)하여 산화크롬층을 형성하는 산화크롬층 형성 단계를 구비하는 그레이트바 제조 방법을 제공한다.
상기 산화크롬층 형성 단계는, 산화크롬(Cr2O3) 분말을 플라즈마(plasma)에 실어 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 분사하는 산화크롬 플라즈마 용사 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 그레이트바 제조 방법은, 상기 베이스 형성 단계와 상기 산화크롬층 형성 단계 사이에, 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 Ni5Al 을 용사(溶射)하여 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 버퍼층 형성 단계를 더 구비할 수 있다.
상기 버퍼층 형성 단계는, Ni5Al 분말을 플라즈마(plasma)에 실어 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 분사하는 Ni5Al 플라즈마 용사 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 그레이트바는, 주물(鑄物)인 베이스의 표면에 산화크롬(Cr2O3)이 용사되어 형성된 산화크롬층을 구비하여, 주물로만 형성된 그레이트바에 비하여 내열성, 내부식성, 내마모성, 및 내충격성이 크게 개선되고, 내구성이 향상된다. 또한, 이로 인해 그레이트바의 교체 주기가 길어져 소결 작업의 비용이 절감된다.
도 1은 소결로를 이용한 소결광 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 소결로의 구조를 도시한 측단면도 및 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그레이트바의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그레이트바 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그레이트바의 표면을 확대 도시한 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 그레이트바 시편을 이용한 내마모성 시험 결과를 나타내는 사진으로, 도 7a는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅하지 않은 시편의 시험 결과를, 도 7b는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅한 시편의 시험 결과를 나타내는 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 그레이트바 시편을 이용한 염수 분무 시험 결과를 나타내는 사진으로, 도 8a는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅하지 않은 시편의 시험 결과를, 도 8b는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅한 시편의 시험 결과를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 산화크롬이 용사된 그레이트바 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그레이트바의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 그레이트바 제조 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그레이트바의 표면을 확대 도시한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 그레이트바(100)는 그리스문자 π형태의 부재로서, 철광석 원료를 지지하는 수평 연장된 빔(beam)(101)과, 소결로(9)(도 1 참조) 내부에 끼워 고정하기 위한 양 측 단부의 고정턱(103)과, 인접한 그레이트바(100) 사이가 밀착되지 않도록 돌출된 스페이서(spacer)(107)를 구비한다. 상기 스페이서(107)에 의해 형성된, 인접한 그레이트바(100) 사이의 유로를 통해 고온의 열풍이 유동한다.
도 4 및 도 6을 함께 참조하면, 그레이트바(100)는 베이스(110)와, 버퍼층(buffer layer)(112)과, 산화크롬층(114)을 구비한다. 한편, 상기 그레이트바(100)의 제조 방법은 상기 베이스(110)의 형성 단계, 상기 버퍼층(112)의 형성 단계, 및 상기 산화크롬층(114)의 형성 단계를 구비한다. 상기 베이스(110) 형성 단계는, 주물용 강(鑄物用 鋼)을 주조(鑄造)하여 베이스(110)를 형성하는 단계이다. 상기 주물용 강은, 크롬(Cr)이 적어도 28 wt% 포함된 고크롬 내열강일 수 있다.
상기 버퍼층(112) 형성 단계는, 상기 베이스(110)의 표면에 Ni5Al을 용사(溶射)하여 버퍼층(112)을 형성하는 단계이다. 버퍼층(112)은 베이스(110)의 전(全) 부분의 표면에 형성될 수도 있고, 예를 들어, 빔(101)과 같이 일부분의 표면에만 형성될 수도 있다. 버퍼층(112)은 베이스(110)와 산화크롬층(114) 사이의 열팽창율 차이로 인한 산화크롬층(114)의 벗겨짐이나 뒤틀림을 방지하고, 산화크롬층(114)의 밀착력을 향상시켜준다.
버퍼층(112)의 두께(L2)가 너무 얇으면 산화크롬층(114)의 밀착력을 높이는 효과를 거둘 수 없고, 너무 두꺼우면 버퍼층(112) 형성 비용이 증대되고, 버퍼층(112) 형성 시간이 길어져 생산성도 저하된다. 따라서, 버퍼층(112)의 두께(L2)는 30 내지 50㎛ 일 수 있다.
상기 산화크롬층(114) 형성 단계는, 상기 버퍼층(112)이 형성된 베이스(110)의 표면에 산화크롬(Cr2O3)을 용사(溶射)하여 산화크롬층(114)을 형성하는 단계이다. 산화크롬층(114)은 버퍼층(112)이 형성된 영역과 동일한 영역에 형성되며, 베이스(110)의 전(全) 부분의 표면에 형성될 수도 있고, 예를 들어, 빔(101)과 같이 일부분의 표면에만 형성될 수도 있다. 산화크롬층(114)의 두께(L1)가 너무 얇으면 내마모성, 내부식성, 내열성 등의 향상 효과가 미미하다. 한편, 너무 두꺼우면 용사에 의한 산화크롬층(114) 형성이 어려울 뿐 아니라 형성 비용이 증대되고, 생산성도 저하된다. 따라서, 산화알루미늄층(114)의 두께는 0.1 내지 0.6mm 일 수 있다.
상기 산화크롬층(114) 형성 단계는 산화크롬(Cr2O3) 플라즈마 용사 단계를 포함하고, 상기 버퍼층(112) 형성 단계는 Ni5Al 플라즈마 용사 단계를 포함할 수 있다. 산화크롬(Cr2O3) 플라즈마 용사, 및 Ni5Al 플라즈마 용사는, 예컨대 도 5에 도시된 플라즈마 토치(torch)(50)를 이용하여 수행될 수 있다.
플라즈마 토치(50)는 중앙부에 핀(pin) 형태로 돌출된 음극 전극(cathode)(51)과, 음극 전극(51) 주변을 감싸며 음극 전극(51)의 전방에 노즐(nozzle)(56)이 형성된 양극 전극(anode)(54)을 구비한다. 아르곤, 수소, 질소, 헬륨과 같은 불활성 가스가 음극 전극(51) 주변의 가스 공급부(61)를 통해 공급되어 음극 전극(51)과 양극 전극(54) 사이에서 플라즈마화되고, 노즐(56)을 통해 플라즈마 제트(plasma jet)(65)로 전방으로 분사된다. 한편, 노즐(54)을 비롯한 토치(50)의 과열을 방지하기 위해 양극 전극(54)의 주변부로는 냉각수 공급부(62)를 통해 냉각수가 공급된다.
토치(50) 전면의 분말 투입부(58)를 통해 Ni5Al 분말이 투입되면 상기 플라즈마 제트(65)에 실려 베이스(110) 표면에 용사되어 Ni5Al 피막이 형성되고, 상기 분말 투입부(58)를 통해 산화크롬(Cr2O3) 분말이 투입되면 상기 플라즈마 제트(65)에 실려 베이스(110) 표면에 용사되어 산화크롬(Cr2O3) 피막이 형성된다.
이와 같은 플라즈마 용사는 노즐(56)에서 플라즈마 제트(65)의 온도가 16,500℃ 의 초고온까지 상승 가능하여, 모든 종류의 금속성 분말을 이용하여 용사 코팅(coating)이 가능하고, 용사에 의해 형성된 피막의 접착력이 우수하고, 코팅 조직이 매우 치밀한 특성을 구비한다. 다만, 본 발명 그레이트바(100)의 산화크롬층(114)과 버퍼층(112)은 플라즈마 용사에 의해 형성되는 것에 한정되지는 않으며, 예를 들어 화염 분말 용사, 고속 용사 등 금속성 분말을 이용한 다른 용사 방법에 의해서도 형성될 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 그레이트바(100)의 성능을 항목별로 비교 설명한다. 이하의 성능 시험은, 고크롬 내열강 소재의 주물로 이루어지고 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅하지 않은 통상의 그레이트바 시편과, 도 6을 참조하여 설명한 것과 같은 베이스(110), 버퍼층(112), 및 산화크롬층(114)을 구비한 본 발명의 그레이트바 시편을 이용하여 실행되었다.
<경도(硬度)>
사각뿔 형상의 다이아몬드 압입자를 이용하여, 20kgf 하중으로 15초간 통상의 그레이트바 시편과 본 발명의 그레이트바 시편에 대고 눌러 생긴 압입 자국의 표면적을 이용하여 비커스 경도(Vicker? hardness)를 측정하는 실험을 시행한 결과, 통상의 그레이트바 시편의 비커스 경도(HV)는 380, 본 발명의 그레이트바 시편의 비커스 경도(HV)는 1081로 측정되어, 경도의 확연한 향상이 확인된다.
<내마모 시험>
도 7a 및 도 7b는 그레이트바 시편을 이용한 내마모성 시험 결과를 나타내는 사진으로, 도 7a는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅하지 않은 시편의 시험 결과를, 도 7b는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅한 시편의 시험 결과를 나타내는 사진이다. 디스크 형태의 통상의 그레이트바 시편과 본 발명의 그레이트바 시편을 각각 150℃로 가열하고, 크로마이징(chromizing) 처리한 핀(pin)을 이용하여 선속도 236mm/sec, 하중 90N, 마찰시간 12600sec 조건으로 그레이트바 시편을 마찰하여 마모 시험을 진행하였다. 통상의 그레이트바 시편에 대한 내마모 시험에서는 도 7a에 도시된 바와 같은 마모 패턴(pattern)이 형성되었으며, 마모량 2.55g, 마모 두께 0.83mm 의 결과가 측정되었다. 반면, 본 발명의 그레이트바 시편에 대한 내마모 시험에서는 도 7b에 도시된 바와 같은 마모 패턴이 형성되었으며, 마모량 0.25g, 마로 두께 0.08mm 의 결과가 측정되어, 내마모 특성의 확연한 향상이 확인된다.
<샌드블라스트(sandblast) 시험>
그레이트바가 사용되는 실제 환경은 많은 양의 금속 파편이 발생하고 강한 압력으로 그레이트바에 충돌하는 극한 환경이다. 샌드블라스트 시험은 미세한 모래입자를 고압으로 그레이트바의 표면에 분사하여 그레이트바가 가진 내성을 확인하는 시험으로, 120초 동안 고압 모래에 노출하여 시험하였다. 시험 결과, 통상의 그레이트바 시편의 표면 손실률은 100% 로 측정되고 본 발명의 그레이트바 시편의 표면 손실률은 80% 로 측정되어, 고압의 금속 파편에 대한 내성 향상이 확인된다.
<염수 분무 시험>
도 8a 및 도 8b는 그레이트바 시편을 이용한 염수 분무 시험 결과를 나타내는 사진으로, 도 8a는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅하지 않은 시편의 시험 결과를, 도 8b는 산화크롬(Cr2O3) 용사 코팅한 시편의 시험 결과를 나타내는 사진이다. 그레이트바가 사용되는 실제 환경은 고온 산화로 인한 부식 위험이 높은 극한 환경이다. 염수 분무 시험은 그레이트바에 염수를 분무하여 부식 정도를 시각적으로 확인하는 시험이다. 염수 분무 시간은 288시간이었으며, 12일 동안 연속적으로 진행하였다. 통상의 그레이트바 시편에 대한 염수 분무 시험에서는 도 8a에 도시된 바와 같이 그레이트바 시편의 전(全) 표면에 걸쳐 녹, 즉 부식이 발생하였다. 반면, 본 발명의 그레이트바 시편에 대한 염수 분무 시험에서는 도 8b에 도시된 바와 같이 그레이트바 시편의 표면에서 녹, 즉 부식이 거의 발생하지 않아, 매우 높은 내식성을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
50: 플라즈마 용사 토치 100: 그레이트바
101: 빔(beam) 103: 고정턱
107: 스페이서 110: 베이스
112: 버퍼층 114: 산화크롬층

Claims (8)

  1. 소결로 내에 배치되어 소결용 원료를 지지하는 것으로,
    주조(鑄造)에 의해 형성된 베이스(base);
    상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에, 용사(溶射)된 산화크롬(Cr2O3)이 적층되어 형성된 산화크롬층; 및
    상기 베이스와 상기 산화크롬층 사이에 용사된 Ni5Al 이 적층되어 형성된 버퍼층(buffer layer);을 구비하는 것을 특징으로 하는 그레이트바.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 산화크롬층의 두께는 0.1 내지 0.6mm 인 것을 특징으로 하는 그레이트바.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 두께는 30 내지 50㎛ 인 것을 특징으로 하는 그레이트바.
  5. 주물용 강(鑄物用 鋼)을 주조(鑄造)하여 베이스(base)를 형성하는 베이스 형성 단계;
    상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 산화크롬(Cr2O3)을 용사(溶射)하여 산화크롬층을 형성하는 산화크롬층 형성 단계; 및
    상기 베이스 형성 단계와 상기 산화크롬층 형성 단계 사이에, 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 Ni5Al 을 용사(溶射)하여 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 버퍼층 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그레이트바 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 산화크롬층 형성 단계는, 산화크롬(Cr2O3) 분말을 플라즈마(plasma)에 실어 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 분사하는 산화크롬 플라즈마 용사 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그레이트바 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 버퍼층 형성 단계는, Ni5Al 분말을 플라즈마(plasma)에 실어 상기 베이스의 적어도 일부분의 표면에 분사하는 Ni5Al 플라즈마 용사 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그레이트바 제조 방법.
KR1020130110372A 2013-09-13 2013-09-13 산화크롬이 용사된 그레이트바 및 이의 제조 방법 KR101458375B1 (ko)

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