KR101460234B1 - 용강 배출용 충진재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

감람석을 포함하는 코어; 및 상기 코어의 표면에 위치하고, 탄소계 물질 및 마그네시아를 포함하는 코팅층을 포함하는 용강 배출용 충진재, 그리고 이의 제조 방법이 제공된다.

Description

용강 배출용 충진재 및 이의 제조 방법{FILLING MATERIAL FOR MOLTEN STEEL EXHAUST AND METHOD OF PREPARING THE SAME}

본 기재는 용강 배출용 충진재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일관제철소가 아닌 전기로 제강업계에서는 전기로에 고철을 장입하고 흑연 전극봉에 전기를 통전하여 이때 발생되는 아크열에 의하여 고철을 녹여 용강을 만든다. 용강이 형성되는 과정 중 또는 형성된 후에 합금철 등을 장입하고 성분 조정을 거친 후 출강을 한다.

출강을 하는 출강구에 감람석을 필러로서 장입해두고 출강과 동시에 하부에 있는 출강용 노즐을 개방하면 상기 충진재는 빠져나가고 용강이 출강구를 통하여 배출되도록 되어있다.

이때 만일 상기 필러가 고온의 용강으로 인하여 입자간 소결, 융착 및 용강 침투현상이 발생되면 출강 자체가 곤란해지는 대형 사고가 발생된다.

그러나 소결과 융착을 방지하고 용강의 침투를 방지하기 위하여 탄소를 사용하는 기술이 알려져 있다. 이는 탄소로 인하여 쉽게 소결되지 않고 용강의 젖음성(wettability)이 낮은 특성을 이용하는 것이다.

필러의 경우는 입자가 모래 형태를 취하고 있어 탄소 내화물과 같은 형태를 할 수 없기 때문에, 탄소를 필러에 혼합하거나 코팅하여 소결과 융착 방지 및 용강 침투를 방지할 수 있다. 이러한 탄소를 필러에 첨가하거나 코팅하는 방법에 관한 많은 제안이 있었다.

감람석의 화학 조성은 SiO₂ 40 내지 44 중량%, Fe₂O₃ 7 내지 10 중량%, Al₂O₃ 1 중량% 이하, MgO 44 내지 47 중량%, CaO 1 중량% 이하로 구성된다. 또한 일본 특개평 4-130066을 보면 상기 감람석을 구성하는 광물은 포스테라이트(forsterite)(2MgOㆍSiO₂, 융점 1900℃), 엔스타타이트(enstatite)(MgOㆍSiO₂, 융점 1557℃), 페이알라이트(fayalite)(2FeOㆍSiO₂, 융점 1210℃), 서펜틴(serpentine)(3MgOㆍ2SiO₂ㆍ2H₂O, 500 내지 700℃에서 분해)으로 이루어진다.

상기 포스테라이트(forsterite)는 융점이 1900℃인 반면, 나머지 광물들은 융점이 낮다. 그런데도 현재 필러로 사용하는데 큰 문제를 일으키지 않는 것은 포스테라이트(forsterite)가 감람석을 이루는 주 광물이므로 전체적으로는 약 1700℃ 전후의 융용점을 가지고 있기 때문이다.

그러나 산지에 따라서는 저융점 광물이 일반 감람석보다 많아지는 경우가 있는데, 이 경우 융착 등의 문제를 야기할 수 있다.

본 발명의 일 구현예는 감람석을 이루는 저융점 광물이 쉽게 용융되지 않아 입자들의 융착을 방지하여 개공률이 높은 용강 배출용 충진재를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 구현예는 상기 용강 배출용 충진재의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 구현예는 감람석을 포함하는 코어; 및 상기 코어의 표면에 위치하고, 탄소계 물질 및 마그네시아를 포함하는 코팅층을 포함하는 용강 배출용 충진재를 제공한다.

상기 코어는 1 내지 10 mm의 입경을 가질 수 있다.

상기 탄소계 물질은 카본블랙, 흑연, 케첸블랙, 아세틸렌블랙 탄소나노튜브, 풀러렌, 활성탄소 및 벌칸으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 마그네시아는 사소(dead-burned) 마그네시아를 포함할 수 있다.

상기 코팅층은 상기 충진재의 총량에 대하여 0.3 내지 6 중량%로 포함될 수 있다.

상기 코팅층은 상기 탄소계 물질 30 내지 50 중량% 및 상기 마그네시아 50 내지 70 중량%를 포함할 수 있다.

상기 충진재는 상기 코어와 상기 코팅층 사이에 위치하는 접착층을 더 포함할 수 있다.

상기 접착층은 유기계 접착체 및 무기계 접착체로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 유기계 접착체는 페놀, 폴리비닐알코올 및 카르복시메틸셀룰로오스로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 무기계 접착체는 실리카졸과 수산화칼륨이 혼합된 실리카졸계 접착제, 규산소다 및 규산가리로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 접착층은 상기 코어 100 중량부에 대하여 0.1 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있다.

상기 충진재는 1700 내지 2000℃의 융점을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예는 탄소계 물질 및 마그네시아를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물을 감람석의 표면에 코팅하는 단계를 포함하는 용강 배출용 충진재의 제조 방법을 제공한다.

상기 코팅하는 단계는 접착제를 이용하여 상기 혼합물을 상기 감람석의 표면에 코팅할 수 있다.

기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

상기 용강 배출용 충진재는 감람석을 이루는 저융점 광물이 쉽게 용융되지 않음에 따라 입자들의 융착을 방지하고 높은 개공률을 가지며, 이에 따라 전기로 등의 제강 공정에서 용강을 배출하는 배출구에 유용하게 적용될 수 있다.

도 1은 일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재가 설치된 전기로의 단면도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재가 설치된 턴디쉬의 단면도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재가 설치된 래들의 단면도이다.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 　다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

전기로에 고철을 장입하고 전기 아크로서 고철을 용융하여 용강을 제조한 후, 용강을 배출하는 배출구에 일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재를 사용할 수 있다.

일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재는 코어 및 상기 코어의 표면에 위치하는 코팅층을 포함한다. 상기 코어와 상기 코팅층 사이에 접착층을 포함할 수도 있다.

상기 용강은 용융된 철강 및 용융된 선철을 포함할 수 있다.

상기 코어는 감람석을 포함하며, 상기 코팅층은 탄소계 물질 및 마그네시아를 포함한다.

이와 같이 상기 감람석의 표면에 상기 탄소계 물질과 상기 마그네시아를 함께 코팅시킴으로써, 상기 감람석을 구성하는 저융점 광물이 쉽게 용융되지 않음에 따라 입자들의 소결 또는 융착을 방지할 수 있으며 용강의 침투로 인한 용강 배출의 문제를 해결할 수 있고, 이에 따라 높은 개공률을 가질 수 있다.

구체적으로, 상기 감람석을 구성하는 광물은 포스테라이트(forsterite)(2MgOㆍSiO₂, 융점 1900℃), 엔스타타이트(enstatite)(MgOㆍSiO₂, 융점 1557℃), 페이알라이트(fayalite)(2FeOㆍSiO₂, 융점 1210℃), 서펜틴(serpentine)(3MgOㆍ2SiO₂ㆍ2H₂O, 500 내지 700℃에서 분해) 등을 들 수 있다.

이 중에서 가장 융점이 낮은 페이알라이트(fayalite)는 2FeOㆍSiO₂로 이루어지며, 코팅층에 함유된 마그네시아, 즉, MgO와 FeO가 반응하면 Magnesio-Wustite가 생성되어 고용체가 되므로 융점이 상승하게 된다. 다시 말하면, 통상의 산화물은 서로 다른 산화물이 반응하면 용융점을 가진 상태의 저융점 물질을 생성하는 반면, MgO 및 FeO는 고용체를 형성하므로 오히려 FeO는 융점이 상승하는 결과를 가져온다. 따라서 감람석의 융점 상승 효과가 나타나, 입자 간의 융착 발생이 감소하게 된다. 또한 엔스타타이트(enstatite)는 MgOㆍSiO₂로 이루어지며, MgO와 반응하면 포스테라이트(forsterite)가 형성되므로 융점이 상승하게 된다.

상기 마그네시아는 사소(dead-burned) 마그네시아를 사용할 수 있다.

상기 사소 마그네시아는 감람석을 구성하는 광물에 함유된 FeO 및 MgO 성분과 반응할 가능성도 있지만, 감람석의 표면에 코팅된 상태에서는 감람석 입자 자체에 열 전달을 느리게 할 가능성도 있다. 따라서 감람석 입자 자체의 온도 상승이 느려져 각 광물의 융점 이상의 온도 구간에 머물 시간이 짧아짐에 따라 융착 현상이 감소하게 된다. 다시 말하면, 마그네시아로 코팅할 경우 융점 상승 효과 및 열전달 지연 효과가 동시에 작용하여, 결과적으로 충진재의 개공률이 상승하게 된다.

또한 상기 사소 마그네시아는 반응성이 낮음에 따라, MgO 및 탄소가 반응하여 Mg 증기와 CO 가스가 발생하여 없어지는 것을 방지할 수 있다.

상기 탄소계 물질은 상기 감람석의 산화 및 소결을 억제하는 역할을 할 수 있다.

상기 탄소계 물질은 탄소 성분을 포함하거나 탄소계 화합물로부터 제조된 물질일 수 있고, 구체적으로, 카본블랙, 흑연, 케첸블랙, 아세틸렌블랙 탄소나노튜브, 풀러렌, 활성탄소 및 벌칸으로부터 선택되는 적어도 하나를 사용할 수 있다.

상기 코어는 1 내지 10 mm의 입경을 가질 수 있고, 구체적으로는 2 내지 8 mm의 입경을 가질 수 있다. 코어가 상기 범위 내의 입경을 가질 경우 충진재의 유동성이 우수하여 용강 배출구에 투입이 용이하다.

상기 코팅층은 상기 탄소계 물질 30 내지 50 중량% 및 상기 마그네시아 50 내지 70 중량%를 포함할 수 있고, 구체적으로는 35 내지 50 중량% 및 상기 마그네시아 50 내지 65 중량%를 포함할 수 있다. 코팅층이 상기 조성비로 이루어지는 경우 상기 감람석을 구성하는 저융점 광물이 쉽게 용융되지 않음에 따라 입자들의 소결 또는 융착을 방지할 수 있고, 이에 따라 높은 개공률을 가질 수 있다.

상기 코팅층은 상기 코어 및 상기 코팅층으로 이루어진 상기 충진재의 총량에 대하여 0.3 내지 6 중량%로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.3 내지 4 중량%로 포함될 수 있다. 코팅층이 상기 범위 내로 포함될 경우 상기 감람석을 구성하는 저융점 광물이 쉽게 용융되지 않음에 따라 입자들의 소결 또는 융착을 방지할 수 있고, 이에 따라 높은 개공률을 가질 수 있다.

상기 충진재는 상기 코어와 상기 코팅층 사이에 위치하는 접착층을 더 포함할 수 있다.

상기 접착층은 상기 코어에 상기 코팅층이 잘 코팅되도록 접착의 역할을 한다.

상기 접착층은 페놀, 폴리비닐알코올, 카르복시메틸셀룰로오스 등의 유기계 접착체; 및 실리카졸과 수산화칼륨 0.1 내지 0.5 중량%가 혼합된 실리카졸계 접착제, 규산소다, 규산가리 등의 무기계 접착체로부터 선택되는 적어도 하나의 접착제를 사용할 수 있다.

상기 규산소다 또는 상기 규산가리를 접착제로 사용하는 경우 물 등의 용매에 상기 규산소다 또는 상기 규산가리를 첨가하여 20 내지 40 중량%, 구체적으로는 약 30 중량%의 농도로 제조한 묽은 용액상으로 사용할 수 있다.

상기 접착층은 상기 코어 100 중량부에 대하여 0.1 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있고, 구체적으로는 0.3 내지 0.5 중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위 내로 포함되는 경우 적절한 점도가 유지될 수 있다.

위와 같이 구성된 일 구현예에 따른 충진재는 1700 내지 2000 ℃의 융점을 가질 수 있고, 구체적으로는 1750 내지 1950 ℃의 융점을 가질 수 있다. 충진재가 상기 범위 내의 융점을 가질 경우 감람석 입자들의 소결 또는 융착을 방지할 수 있고, 이에 따라 높은 개공률을 가질 수 있다.

상기 충진재는 상기 탄소계 물질 및 상기 마그네시아를 혼합하여 혼합물을 제조한 후, 상기 혼합물을 상기 감람석의 표면에 코팅하여 제조될 수 있다. 또한 상기 혼합물을 상기 감람석의 표면에 상기 접착제를 이용하여 코팅할 수도 있다.

상기 코팅은 통상의 코팅법을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 함침, 도포, 분사 등의 방법으로 수행될 수 있다.

상기 감람석의 표면에 상기 혼합물을 코팅한 후, 100 내지 400 ℃의 온도, 구체적으로는 200 내지 250 ℃의 온도에서 건조시킬 수 있다. 상기 온도 내에서 건조시킬 경우 상기 혼합물의 산화를 막을 수 있다.

상기 방법으로 제조된 충진재는 전기로, 래들, 턴디쉬 등에서의 용강 배출용 노즐 내부에 형성된 용강 배출구를 충진하기 위한 충진재로 사용될 수 있다.

도 1은 일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재가 설치된 전기로의 단면도이고, 도 2는 일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재가 설치된 턴디쉬의 단면도이고, 도 3은 일 구현예에 따른 용강 배출용 충진재가 설치된 래들의 단면도이다.

도 1 내지 3을 참고하면, 일 구현예에 따른 충진재는 철강 제조공정 중 전기로, 턴디쉬, 래들 등에서의 정련 및 주조 공정에서 용강 배출구(1a, 1b, 1c) 내에 충진될 수 있으며, 용강 배출시 슬라이딩 게이트(3a, 3b, 3c)가 열리면서 용융 상태의 강(2a, 2b, 2c)을 배출할 수 있다.

일 구현예에 따른 충진재는 그 자체로 높은 유동성과 함께 산화물의 소결을 억제하는 내소결성을 가진다. 그 결과, 출강시 용강 배출용 노즐 하부에 설치된 금속 하우징의 슬라이딩 게이트를 열면 노즐 내부를 막고 있는 충진재가 소결되지 않았기 때문에, 즉시 쏟아져 내려 용강의 배출을 용이하게 한다. 이와 같이, 일 구현예에 따른 충진재는 높은 개공율을 나타내어 강 품질 및 생산성을 증가시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다.　 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

입도가 32㎛의 미세한 흑연 분말 1 중량%, 폴리비닐알코올 및 카르복시메틸셀룰로오스 소듐 염을 각각 0.5 중량부(감람석 100 중량부 기준)씩 물에 넣고 교반하여 흑연 분산액을 제조하였다.

한편 레졸 수지 0.5 중량부(감람석 100 중량부 기준)와 사소 마그네시아 분말 2 중량%를 폴리비닐알코올과 혼합하여 마그네시아/페놀 수지 용액을 제조하였다.

위에서 제조된 상기 흑연 분산액과 상기 마그네시아/페놀 수지 용액을 교반기에 넣고 고속 교반을 하여 흑연/마그네시아/페놀 수지 혼합 분산액을 제조하였다.

제조된 상기 분산액을 핫 코팅(hot coating)법으로 감람석 97 중량%에 코팅하여 충진재를 제조하였다. 상기 핫 코팅은 수직연속형 코팅 장치(한국공개특허 2011-0138482 참조)를 사용하였다.

실시예 2

감람석 97 중량%에, 입도가 32㎛의 미세한 흑연 분말 1 중량%, 페놀 수지 분말 0.5 중량부(감람석 100 중량부 기준) 및 사소 마그네시아 분말 2 중량%를 투입하여 건식 교반하여 충진재를 제조하였다. 이때 건식 교반기에 미세 분말의 비산을 막기 위하여 폴리비닐알코올 및 헥사메타인산소다를 각각 0.1 중량부(감람석 100 중량부 기준)씩 용해한 용액을 교반기 상부에서 분사하였다.

비교예 1

입도가 32㎛의 미세한 흑연 분말 1 중량%, 폴리비닐알코올 및 카르복시메틸셀룰로오스 소듐 염을 각각 0.5 중량부(감람석 100 중량부 기준)씩 물에 넣고 교반하여 흑연 분산액을 제조하였다.

상기 흑연 분산액을 핫 코팅(hot coating)법으로 감람석 99 중량%에 코팅하여 충진재를 제조하였다. 상기 핫 코팅은 수직연속형 코팅 장치(한국공개특허 2011-0138482 참조)를 사용하였다.

평가 1: 개공률 평가

실시예 1 및 2와 비교예 1에서 제조된 충진재를 각각 1회 80 kg씩 용강 배출구에 투입하여 충진한 후, 노즐의 게이트를 열었을 때, 즉, 개공시 용강의 배출 여부를 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표 1에서 개공율은 개공 회수 대비 용강 배출 회수의 백분율로 얻어진다.

	실시예 1	실시예 2	비교예 1
개공률(%)	99.5%	99.4%	98.8%

상기 표 1을 통하여, 일 구현예에 따라 감람석의 표면에 탄소계 물질 및 마그네시아가 코팅된 실시예 1 및 2의 충진재의 경우, 상기 마그네시아가 코팅되지 않은 비교예 1과 비교하여 개공률이 높음을 알 수 있다. 이에 따라 일 구현예에 따른 충진재는 용강 배출구에 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1a, 1b, 1c: 충진재가 충진된 용강 배출구
2a, 2b, 2c: 용융 상태의 강
3a, 3b, 3c: 용강 배출을 위한 슬라이딩 게이트

Claims (15)

1. 감람석을 포함하는 코어; 및
   상기 코어의 표면에 위치하고, 탄소계 물질 30 내지 50 중량% 및 마그네시아 50 내지 70 중량%를 포함하는 코팅층
   을 포함하는 용강 배출용 충진재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 코어는 1 내지 10 mm의 입경을 가지는 용강배출용 충진재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄소계 물질은 카본블랙, 흑연, 케첸블랙, 아세틸렌블랙 탄소나노튜브, 풀러렌, 활성탄소 및 벌칸으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용강 배출용 충진재.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 마그네시아는 사소(dead-burned) 마그네시아를 포함하는 용강 배출용 충진재.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 코팅층은 상기 충진재의 총량에 대하여 0.3 내지 6 중량%로 포함되는 용강 배출용 충진재.
   
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 충진재는 상기 코어와 상기 코팅층 사이에 위치하는 접착층을 더 포함하는 용강 배출용 충진재.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 접착층은 유기계 접착체 및 무기계 접착체로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하고,
   상기 유기계 접착체는 페놀, 폴리비닐알코올 및 카르복시메틸셀룰로오스로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하고,
   상기 무기계 접착체는 실리카졸과 수산화칼륨이 혼합된 실리카졸계 접착제, 규산소다 및 규산가리로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용강 배출용 충진재.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 접착층은 상기 코어 100 중량부에 대하여 0.1 내지 0.5 중량부로 포함되는 용강 배출용 충진재.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 충진재는 1700 내지 2000 ℃의 융점을 가지는 용강 배출용 충진재.
    
11. 탄소계 물질 30 내지 50 중량% 및 마그네시아 50 내지 70 중량%를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합물을 감람석의 표면에 코팅하는 단계
    를 포함하는 용강 배출용 충진재의 제조 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 탄소계 물질은 카본블랙, 흑연, 케첸블랙, 아세틸렌블랙 탄소나노튜브, 풀러렌, 활성탄소 및 벌칸으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 용강 배출용 충진재의 제조 방법.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 마그네시아는 사소(dead-burned) 마그네시아를 포함하는 용강 배출용 충진재의 제조 방법.
    
14. 제11항에 있어서,
    상기 코팅하는 단계는 접착제를 이용하여 상기 혼합물을 상기 감람석의 표면에 코팅하는 용강 배출용 충진재의 제조 방법.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 접착제는 유기계 접착체 및 무기계 접착체로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하고,
    상기 유기계 접착체는 페놀, 폴리비닐알코올 및 카르복시메틸셀룰로오스로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하고,
    상기 무기계 접착체는 실리카졸과 수산화칼륨이 혼합된 실리카졸계 접착제, 규산소다 및 규산가리로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는
    용강 배출용 충진재의 제조 방법.
    

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