KR101532671B1 - 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트 - Google Patents

내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트에 관한 것으로서, 복수의 성분을 포함하고 기본 조성을 이루는 주성분을 포함하고, 주성분은 중량%로, 전융 마그네시아 : 43wt% 이상 내지 77wt% 이하, CaO 안정화 지르코니아 : 10wt% 이상 내지 40wt% 이하, 카본 : 5wt% 이상 내지 10wt% 이하를 포함하여, 소성에 의해 성형되는 내화물을 갖는 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트를 제작함으로써, 내식성 및 내스폴링성이 증가 된 내화 조성물을 획득할 수 있어, Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강의 주조용으로써 화학적 용선에 대한 저항성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 슬라이드 게이트 플레이트 내화물의 유지보수에 따른 비용 및 시간을 절감할 수 있다. 또한, 불필요한 보수에 따른 주조 조업 지연을 억제하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트 {Refractory composition and slide gate plate for steel casting by using it}
본 발명은 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강의 주조시 고내용손성을 제공할 수 있는 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트에 관한 것이다.
일반적으로 연속주조공정(Continuous casting process)은 일정한 형상의 주형(mold)에 용강을 연속적으로 주입하고, 주형 내에서 반응고된 주편을 연속적으로 주형의 하측으로 인발하여 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌릿(billet) 등과 같은 다양한 형상의 반제품을 제조하는 공정이다. 이때, 래들에 수용된 용강이나 턴디쉬에 유입된 용강은 각각의 하부에 구비되는 슬라이드 게이트를 이용하여 그 이동경로가 개방되거나 차단된다.
슬라이드 게이트는 래들 및/또는 턴디쉬의 하부에 위치하는 복수의 플레이트를 포함하고, 복수의 플레이트에 형성된 통공의 연통에 의해서 용강을 이동시킬 수 있다. 이러한 슬라이드 게이트는 일반적으로 알루미나(Al2O3)-카본(C)질 또는 스피넬(MgAl2O4)-카본(C)질을 사용되고 있다.
그러나, 슬라이드 게이트는 용강류 및 비금속산화물에 의한 용손과, 산화 및 황폐화 및 지금 부착에 의해 그 사용 수명이 제한된다. 이때, 균열은 주조 초기 열충격, 카세트 변형, 면압 유지 불량, 플레이트의 지지방식 및 형상 등에 의해 발생한다. 이에, 상기의 문제점을 해결하기 위해 내화 재질의 열팽창 계수를 낮추고, 열전도율을 증가시키는 방안과 미세조직 제어, 카세트 관리강화, 플레이트의 금속밴드 체결 상태 등의 개선이 요구된다.
이때, 용강류에 의한 마모나 비금속 산화물에 의한 내용성 개선을 위해서는 용강류 마모에 대한 저항성이 높은 탄소(Carbon)의 첨가와 미세조직의 제어로 해결할 수 있으나, 내용성 향상을 위해 첨가한 탄소가 슬라이드 게이트 사용 중 산화에 의해 탈탄한다. 따라서, 이들 성분에 의한 조직 결합력이 약화되고, 이에 따른 공극현상과 비금속 산화물에 의한 부착이 용이하게 이루어져 슬라이딩되는 플레이트의 부위의 내화재 구성 부분의 일부가 손상된다.
또한, Mn, Cr, Nb첨가의 고산소강의 경우 MnO와 NbO가 내화물의 카본 및 산화물과 반응하여 저융점물질을 형성하여 용손을 유발하는 문제점을 야기한다.
이러한 알루미나-카본질 또는 스피넬-카본질의 빠른 침식으로 인해 슬라이드 게이트 내화물은 몇 회 사용 후 유지보수를 통해 교체되며, 폐기된 슬라이드 게이트 내화물은 대부분 매립장에 매립하여 처리된다. 이에, 잦은 유지보수로 인한 폐내화물의 매립으로 환경오염 문제가 수반되며, 소모되는 비용도 증가하는 문제점이 있다.
KR 2004-0108111 A1
본 발명은 Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강의 주조시, 용손에 대한 내식성 및 내스폴링성을 향상시킬 수 있는 마그네시아-지르코니아-카본질계로 구성된 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트를 제공한다.
본 발명은 슬라이드 게이트의 수명을 향상시켜, 유지보수 횟수를 절감시킬 수 있는 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트를 제공한다.
본 발명은 연속 주조 조업의 지연을 억제하거나 방지하여, 조업의 생산성 및 효율성을 증가시킬 수 있는 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 내화 조성물은 복수의 성분을 포함하고 기본 조성을 이루는 주성분을 포함하고, 상기 주성분은 중량%로, 전융 마그네시아 : 43wt% 이상 내지 77wt% 이하, CaO 안정화 지르코니아 : 10wt% 이상 내지 40wt% 이하, 카본 : 5wt% 이상 내지 10wt% 이하를 포함한다.
상기 카본은 상기 내화 조성물 전체 중량에 대하여, 인상흑연 : 4wt% 이상 내지 8wt% 이하 및 카본 블랙 : 1wt% 이상 내지 2wt% 이하로 구성될 수 있다.
첨가제로 강도보강제 및 산화방지제 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 강도보강제 및 산화방지제는 마그네슘-알루미늄 파우더(Mg-Al powder), 마그네슘-알루미늄 파이버(fiber) 및 보론 카바이드(B4C) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 마그네슘-알루미늄 파우더 또는 마그네슘-알루미늄 파이버는 상기 내화 조성물 전체 중량에 대하여 4.5wt% 이상 내지 7.5wt% 이하가 포함되고, 상기 보론 카바이드는 상기 내화 조성물 전체 중량에 대하여 0.5wt% 이상 내지 2.5wt% 이하가 포함될 수 있다.
상기 내화 조성물의 열간 꺾임 강도가 280 내지 320 ㎏/㎠, 침식깊이가 0.1㎜ 이하일 수 있다.
상기 내화 조성물은 연속 주조 설비의 슬라이드 게이트 플레이트용 소성재로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 강 주조용 주조 설비의 슬라이드 게이트 플레이트는 소성에 의해 성형되는 내화물;을 포함하고, 상기 내화물은 마그네시아-지르코니아-탄소질계로 조성되며, 중량%로 전융 마그네시아 : 43wt% 이상 내지 77wt% 이하, CaO 안정화 지르코니아 : 10wt% 이상 내지 40wt% 이하, 카본 : 5wt% 이상 내지 10wt% 이하를 포함한다.
상기 카본은 상기 내화물 전체 중량에 대하여, 인상흑연 : 4wt% 이상 내지 8wt% 이하 및 카본 블랙 : 1wt% 이상 내지 2wt% 이하로 구성될 수 있다.
상기 내화물 전체 중량에 대하여 4.5 내지 7.5 이하 중량%의 마그네슘-알루미늄 파우더 또는 마그네슘-알루미늄 파이버를 더 포함할 수 있다.
상기 내화물 전체 중량에 대하여 0.5 내지 2.5 이하 중량%의 보론 카바이드를 더 포함할 수 있다.
상기 내화물의 열간 꺾임 강도가 280 내지 320 ㎏/㎠, 침식깊이가 0.1㎜ 이하일 수 있다.
상기 강은 Nb, Mn, Cr첨가의 고 산소강을 포함하는 특수강일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트에 의하면, 연속 주조 설비에 구비되는 슬라이드 게이트 플레이트에 사용되는 내화 조성물의 주성분을 마그네시아-지르코니아-카본질로 구성하고, 강도보강제 및 산화방지제 중 적어도 어느 하나를 첨가하여 구성한다. 이에, 내식성 및 내스폴링성이 증가 된 내화 조성물을 획득할 수 있어, Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강의 주조용으로써 화학적 용선에 대한 저항성을 증가시킬 수 있다.
따라서, 슬라이드 게이트 플레이트 내화물의 수명을 연장시켜 유지보수 횟수를 감소시킬 수 있고, 보수에 소요되는 시간과 비용을 절감하여, 불필요한 보수에 따른 주조 조업 지연을 억제하여 조업 생산성을 향상시킬 수 있다.
그리고 슬라이드 게이트 내화물 교체 시 발생하는 폐기 내화물의 총량을 감소시킬 수 있어, 매립처분에 의해 발생할 수 있는 환경 오염을 감소시킬 수 있고, 새 내화물을 구성하기 위해 소요되는 비용도 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 연속 주조 설비 및 연속 주조 설비에 구비되는 노즐부를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 내화 조성물을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 내화 조성물의 설명 이전에, 연속 주조 설비에 대해 간략하게 설명하고, 상기 내화 조성물이 사용되는 노즐부(100, 300)에 대해서 간략하게 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 연속 주조 설비 및 연속 주조 설비에 구비되는 노즐부(100, 300)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 연속 주조 설비는 전로(미도시)로부터 이송된 용강(molten steel; M)이 저장되는 래들(10)과, 래들(10)로부터 용강(M)을 공급받는 턴디쉬(200), 턴디쉬(200) 하부에 배치되는 주형(400) 및 래들(10) 내의 용강을 턴디쉬(200)에 공급하고, 턴디쉬(200) 내의 용강을 주형(400)에 공급하는 노즐부(100, 300)를 포함한다.
이와 같은 연속 주조 설비는, 용강의 연속 주조가 행해지는 설비로서, 래들(10)에 수용된 용강(M)이 턴디쉬(200)로 공급된 후, 턴디쉬(200) 내에서 용강(M) 내 개재물의 분리부상이 이루어진다. 이후, 주형(400)으로 용강(M)을 주입하여 용강(M)을 냉각하며 일정한 형상의 주편으로 생산하는 설비이다.
이때, 래들(10) 및 턴디쉬(200)는 내부에 용강을 수용할 수 있는 중공의 용기 형상으로 제작되고, 래들(100)의 하부와 턴디쉬(200) 하부에는 래들 노즐부(100)와 턴디쉬 노즐부(300)가 각각 구비되어 상기 래들(10) 및 턴디쉬(200)로 부터의 용강(M)의 흐름을 제어할 수 있다.
래들 노즐부(100)는 래들(10)에서 턴디쉬(200)로 유입되는 용강의 이동 경로를 차단하거나 개방하기 위한 슬라이드 게이트(150, 350) 및 슬라이드 게이트(150, 350)의 하부에 연결되는 쉬라우드 노즐(170)을 포함한다.
또한, 턴디쉬 노즐부(300)는 턴디쉬(200)에서 주형(400)으로 주입되는 용강의 이동 경로를 차단하거나 개방하기 위해 구비되며, 턴디쉬(200)의 배출구에 배치되는 상부노즐(미도시), 상부노즐의 하부에 배치되는 슬라이드 게이트(350) 및 슬라이드 게이트(350)의 하부에 배치되는 침지노즐(370)을 포함한다.
이때, 용강의 흐름을 제어하기 위한 직접적인 장치인 슬라이드 게이트(150, 350)는 래들(10)과 턴디쉬(200) 사이 및/또는 턴디쉬(200)와 주형(400) 사이를 개방 및 폐쇄하여, 래들(10)과 턴디쉬(200) 및/또는 턴디쉬(200)와 주형(400) 사이의 연통을 제어하고, 래들(10)에서 턴디쉬(200)로의 및/또는 턴디쉬(200)에서 주형(400)으로의 용강의 주입 여부 및 주입유량을 조절하는 수단이다. 이때, 슬라이드 게이트(150, 350)는 상부 플레이트(151, 351), 중간 플레이트(153, 353) 및 하부 플레이트(155, 355)로 구성되며, 각각의 플레이트(151, 351, 153, 353, 155, 355)에 형성된 통공(151a, 351a, 153a, 353a, 155a, 355a)의 연통에 의해 래들(10)과 턴디쉬(200) 사이 및/또는 턴디쉬(200)와 주형(400) 사이의 연통을 제어할 수 있다. 즉, 슬라이드 게이트(150, 350)는 상부 플레이트(151, 351)와 하부 플레이트(155, 355)의 사이에서 중간 플레이트(153, 353)의 슬라이딩 동작에 의해서 상부 통공(151a, 351a) 및 하부 통공(155a, 355a)을 연통시키거나 차단시킴으로써 용강(M)을 턴디쉬(200) 또는 주형(400)으로 주입시킬 수 있다.
이처럼, 슬라이드 게이트(150, 350)는 고온에 의한 손상을 억제할 수 있고, 강도를 충분히 유지하며, 화학적 작용 등에도 견딜 수 있는 재료인 내화물로 제작될 수 있다.
이에, 본 발명의 실시 형태에 따른 내화 조성물은 각각 노즐부의 슬라이드 게이트용 플레이트를 제작하기 위해 사용되는 것으로서, 고온의 용강에 의해 내식성 및 내스폴링성을 향상시킬 수 있도록 구성된다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 형태에 따른 내화 조성물에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 내화 조성물의 구성성분을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 내화 조성물은 Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강의 연속 주조 시, 용강의 흐름을 제어하는 슬라이드 게이트를 구성하는 플레이트를 제작함에 있어, 플레이트를 구성하는 내화물로 사용될 수 있다. 즉, 내화 조성물은 내화 성분으로 구성되며, 복수의 성분을 포함하고 기본 조성을 이루는 주성분을 포함하고, 주성분은 중량%로 전융(電融) 마그네시아 43wt% 이상 내지 77wt% 이하, CaO 안정화 지르코니아(CaO stabilized zirconia) 10wt% 이상 내지 40wt%이하, 카본(Carbon) 5wt% 이상 내지 10wt% 이하를 포함한다. 이때, 카본은 내화 조성물 전체 중량에 대하여, 인상흑연(flaky graphite) 4wt% 이상 내지 8wt% 이하 및 카본블랙(carbon black) 1wt% 이상 내지 2wt% 이하로 구성될 수 있다.
여기서, 상기에 기재된 성분을 포함하는 것은, 하나의 구성(내화조성물)을 위해 구성을 이루는 요소(주성분, 첨가제)를 포함하는 것으로서, 내화 조성물에 포함되는 복수의 성분들로 이루어지는 것과 동일한 의미로 사용될 수 있다.
통상, 종래의 알루미나-카본질계 및 스피넬-카본질계 내화 조성물은 Nb, Cr, Mn, Ca 을 포함하는 고 산소강(특히, Mn 또는 Nb) 함유 고 산소 강종의 경우 내화물의 구성이 하기 화학식과 같은 화학적 반응에 의해 저융물을 형성한다.
[화학식 1]
Figure 112013117522253-pat00001
[화학식 2]
Figure 112013117522253-pat00002
이와 같이 형성되는 저융점화합물은 열충격에 약하고, 표면 균열이나 개재물 등이 있는 곳에 하중이 가해져 표면이 서서히 박리되는 현상, 즉 구조적 스폴링(spalling)을 야기한다. 이러한 단점을 보강하기 위해 본 발명에서는 종래의 용강의 성분 중 Mn에 의해 반응이 용이한 SiO2 성분을 가능한 배재하고, MnO와 NbO 산화물과의 반응에 의해 저융물이 형성되는 Al2O3 성분 또한 가능한 배재되어 구성되어, 내식성 및 내스폴링성을 향상시킬 수 있는 내화 조성물 및 이로 제작된 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 내화 조성물에 포함되는 각 성분을 살펴보면 다음의 표 1과 같다.
구분 성분 중량%


주성분
 마그네시아 전융 마그네시아 43 ~ 77
지르코니아 CaO 안정화 지르코니아 10 ~ 40
카본 인상흑연 5 ~ 10 4 ~ 8
카본블랙 1 ~ 2
첨가제
 강도보강제 및 산화방지제 Mg-Al 파우더
또는 Mg-Al 파이버		 4.5 ~ 7.5
보론 카바이드 0.5 ~ 2.5
주성분은 내화 조성물의 복수의 성분을 포함하고 기본 조성을 이루며, 주성분은 마그네시아, 지르코니아 및 카본을 포함한다. 즉, 주성분은 내화 조성물의 100중량%을 기준으로 80%중량% 이상을 구성하는 성분이다.
[마그네시아] : 43 ~ 77 중량%
마그네시아(Magnesia, magnesium oxide)는 내식성을 증가시키기 위한 내화 재료로서, 일반적으로 대표적인 알칼리 토금속 산화물로, 이온 결정성 세라믹의 대표적 재료이다. 강염기성 물질이고, 그 고융점이 2780℃로 내화물로 널리 이용되고 있다. 마그네시아의 결정은 강고한 이온 결합으로 이루어졌기 때문에 우수한 절연재이고, 비교적 높은 열전도율을 나타낸다. 이때, 마그네시아는 전융마그네시아나 소결마그네시아 중 어느 하나를 사용할 수 있으나, 결정이 상대적으로 큰 전융 마그네시아를 사용할 수 있다. 즉, 일반적으로 마그네시아의 결정 사이즈가 작으면 결정립계(grain boundary)가 증가하며, 결정립계가 증가하면 결정립계에 존재하는 불순물인 CaO와 SiO2의 양이 증가하게 된다. 이는, 고산소강에서의 FeO와 MnO가 결정립계에 존재하는 불순물과의 반응이 용이하게 진행되기 때문에 결정이 상대적으로 큰 전융마그네시아를 사용하여 상기 반응을 억제하는 것이 요구된다. 따라서, 마그네시아는 결정이 큰 전융 마그네시아가 사용될 수 있다
여기서, 전융 마그네시아는 내화 조성물에 포함되는 함량이 43wt% 이상 내지 77wt% 이하일 수 있다. 전융 마그네시아의 함량은 용강 내에 존재하는 FeO 및 MnO에 대해 고융점의 고용물을 형성하는 것으로 내용손성을 증가시키기 위해 내화 조성물의 구성 범위 내에서 높을수록 유리하나, 그 함량이 43wt%미만이면 내식성이 저하될 수 있고, 전융 마그네시아의 함량이 77wt%를 초과하면 내열충격성이 저하될 수 있다. 따라서, 전융 마그네시아는 상기 범위의 함량으로 포함될 수 있다.
[지르코니아] : 10 ~ 40 중량%
지르코니아(zirconia, zirconium oxide)는 내식성을 증가시키기 위한 내화 재료로서, 일반적으로 높은 융점(2677℃)과 낮은 열전도율을 가져, 내열 재료로 사용되고 있다. 이때, 지르코니아는 부분 안정화 지르코니아(PSZ; partially stabilized zirconia)를 사용할 수 있다. 즉, CaO를 3중량% 포함한 CaO 안정화 지르코니아와 MgO 안정화 지르코니아 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 고온에서도 안정한 입방정 구조를 갖는 CaO 부분안정화 전융 지르코니아를 사용할 수 있다. 이와 같은 안정화 지르코니아는 CaO, MgO 및 Y2O3 등을 고용시켜 고온상인 형성형 입방정을 실온에 이르기까지 안정화시킨 것으로서, 내열성, 화학적 안정성을 증가시킬 수 있다. 이에, 내화물과 내열부품에 사용될 수 있다.
여기서, CaO 안정화 지르코니아는 내화 조성물에 포함되는 함량이 10wt% 이상 내지 40wt% 이하일 수 있다. CaO 안정화 지르코니아의 함량이 용강에 대한 내용손성을 증가시키기 위해 내화 조성물의 구성 범위 내에서 높을수록 유리하나, 그 함량이 49wt%를 초과하면 내열충격성이 저하될 수 있다. 또한, CaO 안정화 지르코니아의 함량이 10wt% 미만이면 내식성이 저하될 수 있다. 따라서, CaO 안정화 지르코니아는 상기 범위의 함량으로 포함될 수 있다.
여기서, 마그네시아와 지르코니아를 포함하여 내화 조성물을 조성하는 것은 지르코니아가 마그네시아보다 상대적으로 원가가 높아, 원료 자체의 수급이 용이하지 않은 문제로 인해 마그네시아가 지르코니아의 일부를 대체함으로써 지르코니아의 사용량을 저감시키기 위함의 이유가 존재한다.
[카본] : 5 ~ 10 중량%
카본(carbon)은 플레이트를 구성하는 내화물이 용강에 대한 내침윤성(내침투성)을 향상시키고, 열충격손상을 감소시키기 위한 것으로, 내화 조성물에 포함되는 함량이 5wt% 이상 내지 10wt% 이하일 수 있다. 이때, 카본은 마그네시아-지르코니아-탄소질(MgO-ZrO2-C)계 내화물의 내열충격성을 증가시키기 위한 인상흑연(flaky graphite) 및 강도보강을 위한 카본블랙(carbon black)으로 구성될 수 있다.
인상흑연은 용강의 침투를 억제하여 내스폴링성을 향상시키기 위한 것으로서, 내화 조성물 전체 중량에 대하여, 4wt% 이상 내지 8wt% 이하로 구성될 수 있다. 이때, 인상흑연의 함량이 4wt% 미만이면 내산화성 및 용강에 의한 손상이 증가하며, 8wt% 초과하면 강도 증가 효과가 미비하여 용강에 의한 마모 및 반응 손상이 증가하게 된다.
카본블랙은 내화 조성물의 강도를 증가시키기 위한 것으로서, 내화물을 소성하기 위한 유기 바인더의 탄화에 의해 형성되는 3차원적인 카본 매트릭스에 받아들여지기 쉬워져, 3차원적인 카본 매트릭스의 형성이 보다 촉진될 수 있다. 이에, 저팽창화, 저탄성화, 고강도화 및 고인성화 등에 유리하게 된다. 이때, 카본블랙의 함량이 1wt% 미만이면 강도 보강 효과가 미비하고, 2wt%를 초과하면 탄성율이 높아져 내열충격성이 감소될 수 있다.
따라서, 인상흑연 및 카본블랙은 상기 범위의 함량으로 포함됨으로써, 즉, 인상흑연과 카본블랙을 적정 함량으로 조합하여 카본질로 사용함으로써, 인상흑연을 사용함으로써 얻는 내산화성 및 손상억제의 효과를 얻을 수 있고, 카본블랙을 사용함으로써 저팽창화, 저탄성화, 고강도화 및 고인성화를 얻을 수 있다.
한편, 상기 표 1에 제시된 주성분 외에 내화 조성물의 산화를 방지하고, 강도를 증가시키기 위해 첨가제로 강도보강제 및 산화방지제 중 적어도 어느 하나가 첨가될 수 있다. 즉, 첨가제는 내화 조성물의 카본이 내화재의 사용 중 산화에 의한 문제가 발생하는 것을 억제하기 위해 강도를 증가시키고, 산화를 억제 및 방지하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 첨가제로는 하기의 금속 분말인 Mg-Al 파우더와, 파이버 및 보론 카바이드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
[첨가제, 금속 분말 또는 금속 파이버] : 4.5 ~ 7.5 중량%
금속 분말(metal powder)은 Mg-Al 파우더를 포함하며, Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 강 주조용으로는 Al의 함량을 최대한 배재 하기 위해서, Al 파우더가 아닌 Mg-Al 파우더를 사용할 수 있다. 즉, Al 파우더를 사용할 경우 Al은 용강과 반응하여 Al4O3를 형성한 뒤, Al2O3로 전이되어 내식성을 저하하는 문제점을 야기할 수 있어, Mg-Al 파우더를 사용하여 내화 조성물 내 포함되는 Al의 총량을 감소시키는 것이 바람직하다.
또한, 금속 분말 형태를 대체하여 금속 파이버 형태로 첨가제가 첨가될 수도 있다. 즉, 금속 파이버(Fiber)는 대체적으로 원형의 입자형태를 갖는 금속 분말과 달리 금속의 구성 형태가 가늘고 긴 형태를 갖는 것으로 칭할 수 있다. 따라서, Mg-Al 파이버는 Mg-Al이 가늘고 긴 형태를 갖는 것일 수 있다. 따라서, 강도 보강 및 산화방지 역할을 수행하는 것으로서 Mg-Al 파우더나 Mg-Al 파이버 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이때, Mg-Al 파우더 또는 Mg-Al 파이버는 내화 조성물의 전체 중량에 대하여 4.5wt% 이상 내지 7.5wt% 이하가 포함될 수 있다. 이때, Mg-Al 파우더 또는 Mg-Al 파이버의 함량이 4.5wt% 미만이면 강도보강 및 산화방지 역할이 미비하고, 7.5wt% 초과하면 탄성율이 증가하여 내열충격성이 저하될 수 있다. 따라서, Mg-Al 파우더 또는 Mg-Al 파이버는 상기 범위의 함량이 포함될 수 있다.
[첨가제, 보론 카바이드] : 0.5 ~ 2.5 중량%
보론 카바이드(B4C; boron carbide)는 일반적으로 붕소와 탄소의 화합물을 2800℃로 가열하여 만들어지며, 경도가 높으며, 열팽창율이 적고 화학적으로 안정하다. 이에, 보론 카바이드는 내화 조성물에 포함됨으로써 용강에 의한 내화물의 산화를 억제하거나 방지하기 위한 것으로서, 내화 조성물의 전체 중량에 대하여 0.5wt% 이상 내지 2.5wt% 이하가 포함될 수 있다. 이때, 보론 카바이드의 함량이 0.5wt% 미만이면 카본의 산화 방지 효과가 미비하며, 2.5wt%를 초과하면 용강과 반응하여 저융점 물질이 생성되어 침식저항성이 저하될 수 있다. 따라서, 보론 카바이드는 상기 범위의 함량이 포함될 수 있다.
상기의 성분으로 이루어지는 내화 조성물에 유기 바인더를 첨가하여 혼련한다. 혼련시에 첨가하는 유기 바인더로서는, 피치, 타르, 실리콘 수지, 푸란 수지 및 페놀 수지가 사용될 수 있고, 열처리에 의해 잔류 탄소를 나타내는 것을 사용할 수 있다. 또한, 이들의 어느 하나 혹은 이들의 임의로 조합한 혼합물 등을 사용할 수 있다. 탄소의 결합 형성을 많게 하기 위해서, 유기 바인더는 가능한 한 잔류 탄소의 비율이 높은 것을 사용할 수 있다.
이와 같이 내화 조성물에 유기 바인더를 첨가하여 얻어진 혼련물을 저온(1000℃ 이하)에서 소성하거나, 고온(1400℃ 이상)에서 산화 또는 환원분위기에서 소성한 뒤, 압연 공정을 거쳐 내화물 플레이트로 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 내화 조성물이 고온의 공정 환경 및 고산소함유강의 연속주조 시 슬라이드 게이트의 플레이트로서의 적합 여부를 확인하기 위한 실험 결과를 실시예와 비교예를 통해 상세히 살펴본다.
하기의 표 2와 같은 내화 조성물을 마련한다. 이후, 각각의 내화 조성물의 전체 중량의 5.0%의 페놀수지를 첨가하여 혼련한 뒤, 소성 후 압연을 통해 25×25×125㎜ 크기의 판 상의 시편을 제작하였다.
통상, 내화 조성물의 특성 평가를 함게 있어서 중요한 물성은 내화 조성물을 슬라이드 게이트의 플레이트에 사용 시, 고온의 용강 및 산소의 함량이 많은 특수강에 견딜 수 있는 내마모성 및 내침식성을 평가할 수 있는 곡강도, 열충격 저항성, 내침식성 및 내산화성이다. 이에, 제조된 시편을 이용하여 내화물의 열간 꺾임강도와, 열충격 저항성 및 침식/산화 깊이 시험을 실시하였다.
여기서, 시편을 이용하여 열간 꺾임 강도를 측정하였으며, 열간 꺾임 강도는 1400℃의 온도에서 3점 꺾임 강도 시험법을 이용하여 실시되었다.
또한, 열충격 저항성 시험을 실시하였다. 열충격 저항성은 내스폴링성을 나타내는 것으로, 열충격에 대한 저항성을 전기로 내 온도를 1400℃로 유지하고, 시편을 전기로 내에 넣고 30분 유지한 뒤, 상온으로 꺼내 냉각하는 과정을 반복하여 균열이 발생되는 지점의 횟수를 나타내었다.
그리고, 내화 조성물의 내식성 정도를 확인하기 위해 침식시험 및 침윤실험을 진행하였다. 침식시험은 전기로의 도가니 내에 내화물 시편을 판상으로 설치한 다음 Nb-Mn-Fe계 고산소 용강을 투입한다. 그리고 1580℃에서 3시간 반응시킨 후, 고산소 용강을 배출하고, 침식된 시편의 중앙을 절단하여 침식된 길이를 측정하였다.
그리고 최종적으로 평가를 (○/X)를 통해 적합/부적합을 나타내었다. 이때, 실시예 및 비교예 각각에 대한 평가 내용은 이하에서 자세하게 기재하기로 한다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3
내
화
조
성
물
(중
량
%)		 전융 마그네시아 45 75 75 75 79 38 75
CaO 안정화 지르코니아 38 12 16.5 14.9 8 45 14.9
알루미나 - - - - - - -
인상흑연 8 4 4 4 4 8 4
카본블랙 2 1 1 1 1 2 1
Al 파우더 - - - - 7.5 - -
Mg-Al 파우더 4.5 7.5 3 5 - 4.5 5
보론 카바이드 2.5 0.5 0.5 0.1 0.5 2.5 0.1
유기 바인더 (페놀레진) +5 +5 +5 +5 +5 +5 +5
열간 꺾임 강도
(㎏/㎠)		 1400℃×3hr 280 320 120 200 312 150 250
열충격저항성
(number)		 최초 균열 발생 5 4 4 3 2 3 2
침식깊이 (㎜) 0.1 0.1 2 0.3 0.5 0.5 2
산화깊이 (㎜) 0 0 0 1 2 2 2
평가 (○/X) ○ ○ X X X X X
여기서, 표2의 실시예 1 내지 실시예 4는 본 발명이 제시하는 내화 조성물을 구성하는 재료가 포함되어 있다. 즉, 전융 마그네시아, CaO 안정화 지르코니아, 카본으로 구성된 주성분과, 주성분에 포함되는 Mg-Al 파우더 및 보론 카바이드로 구성된다. 또한, 주성분의 함량이 본 발명에서 제시하는 함량으로 포함된다. 반면, 비교예 1 내지 비교예 3은 본 발명에서 제시하는 내화 조성물의 주성분은 사용되나 주성분의 함량 범위를 벗어나며 포함된 내화 조성물의 예시이다. 또한, 본 발명에서 제시하는 첨가제를 사용하지 않은 경우를 나타낸다.
[실시예1]
실시예 1은 표2에 제시된 바와 같이, 내화 조성물이 본 발명에서 제시하는 범위 내의 함량으로 이루어졌다. 즉, 본 발명에서 제시하는 주성분 및 첨가제에 해당하는 구성 성분이 포함되며, 표 1에 제시된 주성분 및 첨가제의 함량 범위 내의 중량%를 포함한다. 이와 같은 함량을 포함하여 제작된 시편은 열간 꺾임 강도가 280㎏/㎠, 최초 균열이 발생되는 열충격 횟수 시점이 5, 침식깊이가 0.1㎜ 및 산화깊이가 0㎜를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강 주조용 슬라이드 게이트의 플레이트로 적합한 평가를 얻을 수 있다.
[실시예2]
실시예 2는 실시예 1과 마찬가지로 주성분 및 첨가제를 구성하는 구성 성분이 표 1에 제시된 함량 범위 내의 중량%로 포함한다. 이때, 실시예 2의 조성에 의해 제작된 시편은 열간 꺾임 강도가 320㎏/㎠, 최초 균열이 발생되는 열충격 횟수 시점이 4, 침식깊이가 0.1㎜ 및 산화깊이가 0㎜를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 특수강 주조용 슬라이드 게이트의 플레이트로 적합한 평가를 얻을 수 있다. 한편, 실시예 2는 상대적으로 실시예1에 비해 다량의 Mg-Al 파우더가 포함되어 열간 꺾임 강도가 증가한 값을 갖으나, 전융마그네시아의 함량이 실시예1에 대해 증가된 함량으로 구성됨으로써 실시예 1보다 내열충격성이 저하되어 열충격 횟수 시점이 단축된 것을 알 수 있다.
[실시예3 및 실시예4]
실시예 3 및 실시예 4는 첨가제인 강도보강제 및 산화방지제 중 어느 하나가 본 발명에서 제안하는 함량 범위를 벗어나며 함유되었다. 즉, 실시예 3은 첨가제 중 강도보강제와 산화방지 역할을 하는 Mg-Al파우더의 함량이 본 발명에서 제안한 함량범위를 못 미치도록 함유되며, 실시예 4는 첨가제 중 산화방지 역할을 하는 보론 카바이드의 함량이 본 발명에서 제안한 함량범위를 못 미치도록 함유된다. 따라서, 실시예 3의 조성에 의해 제작된 시편은 열간 꺾임 강도가 120㎏/㎠, 최초 균열이 발생되는 열충격 횟수 시점이 4, 침식깊이가 2㎜ 및 산화깊이가 2㎜를 나타내며, 실시예 4의 조성에 의해 제작된 시편은 열간 꺾임 강도가 200㎏/㎠, 최초 균열이 발생되는 열충격 횟수 시점이 3, 침식깊이가 0.3㎜ 및 산화깊이가 2㎜를 나타낸다. 이에, 강도보강 및 산화방지의 역할을 하는 Mg-Al 파우더의 함량이 실시예 1 및 실시예 2에 대해 소량 함유된 실시예 3의 시편은 내산화성 및 강도의 부족에 의해 열간 꺾임강도가 낮고 침식 및 산화 깊이가 증가하였다. 또한, 산화방지의 역할을 하는 보론 카바이드의 함량이 실시예 1 및 실시예 2에 대해 소량 함유된 실시예 4의 시편은 내산화성이 부족하여 산화깊이가 깊어 열충격저항성이 낮은 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따라 제작된 실시예 1 및 실시예 2는 내화 조성물 내의 SiO2 및 Al2O3를 가능한 배재함으로써, 고산소강 및 Nb, Mn,Cr 등이 첨가되는 특수강의 주조시 용강과의 반응에 의해 생성되는 저융점 물질의 형성을 억제하거나 방지함으로써 내화 조성물의 특성(내침식성, 내침윤성 및 내열충격성)이 우수한 것을 확인할 수 있다.
[비교예1]
비교예1은 표2에 제시된 바와 같이, 본 발명의 주성분의 구성 중 전융마그네시아와 CaO 안정화 지르코니아의 함량이 본 발명에서 제안하는 주성분의 함량을 벗어나도록 구성되어 있다. 또한, 비교예 1은 강도보강제 및 산화방지제의 역할을 하는 금속 분말이 본 발명에서 제안하는 Mg-Al 파우더가 아닌 Al 파우더가 사용되었다. 이에, 비교예1의 조성에 의해 제작된 시편은 열간 꺾임 강도가 312㎏/㎠, 최초 균열이 발생되는 열충격 횟수 시점이 2, 침식깊이가 0.5㎜ 및 산화깊이가 0㎜를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 주성분의 함량이 발명의 제안 범위를 초과하고, 강도보강제 및 상화방지제로 금속 분말이 사용되긴 하였으나, Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강에 대해서 용강 중의 산화물과 반응에 의해 저융점 물질을 형성하는 Al 파우더를 사용됨으로써 전술한 실시예 1 및 실시예 2에 비해 열충격에 약하고 강도가 부족함을 나타내어, 고산소강을 포함하는 특수강 주조용 슬라이드 게이트의 플레이트로는 적합하지 않은것을 확인할 수 있다.
[비교예2 및 비교예3]
비교예 2 및 비교예 3은 전융마그네시아, CaO 안정화 지르코니아 및 카본의 함량이 본 발명에서 제안하는 함량을 초과하거나 못 미치도록 함유되어 내화 조성물을 구성하였다.
즉, 비교예2는 전융마그네시아의 함량과 CaO 안정화 지르코니아의 함량이 본 발명 제안 내화 조성물 범위를 만족하지 않고, 비교예3은 CaO 안정화 지르코니아의 함량은 만족하나, 전융마그네시아 및 카본의 함량이 본 발명 제안 내화 조성물의 범위를 만족하지 않는것을 알 수 있다. 따라서, 비교예2의 조성에 의해 제작된 시편은 열간 꺾임 강도가 150㎏/㎠, 최초 균열이 발생되는 열충격 횟수 시점이 3, 침식깊이가 0.5㎜ 및 산화깊이가 1㎜를 나타내고, 비교예 3의 조성에 의해 제작된 시편은 열간 꺾임 강도가 250㎏/㎠, 최초 균열이 발생되는 열충격 횟수 시점이 2, 침식깊이가 2㎜ 및 산화깊이가 2㎜를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로 비교예2는 주성분 중 마그네시아 및 지르코니아의 함량이 범위를 벗어남으로써 열충격에 약하거나 강도가 저하되며 내마모성 및 내식성이 저하되며, 비교예3은 강도를 증진시키는 카본의 함량이 범위를 벗어남으로써 내열충격성 및 내식성이 저하되어 고산소강을 포함하는 특수강 주조용 슬라이드 게이트의 플레이트로는 적합하지 않은것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제안 구성 성분 및 제안 함량 범위를 충족한 실시예 1 및 실시예 2는 Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강의 내화 조성물로 사용되는 것이 적합하며, 이의 범위를 벗어나거나 Nb, Mn, Cr를 함유하는 고산소 강중의 산화물과의 반응에 의해 저융점 물질을 형성하는 Al2O3 및 MgAl2O4 함유 내화 조성물은 표 2에 제시된 내화물의 특성 중 적어도 어느 하나가 실시예 1 및 실시예 2에 대해 낮은 특성을 가짐으로써 Nb, Mn, Cr첨가의 고산소강과 같은 특수강의 주조용 슬라이드 게이트의 플레이트로 적합하지 않은 것을 알 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
M : 용강 10 : 래들
200 : 턴디쉬 100, 300 : 노즐부
150, 350 : 슬라이드 게이트 151, 351 : 상부 플레이트
151a, 351a : 상부 통공 153, 353 : 중간 플레이트
153a, 353a : 중간 통공 155, 355 : 하부 플레이트
155a, 355a : 하부 통공 170 : 쉬라우드 노즐
370 : 침지노즐 400 : 주형

Claims (13)

  1. Nb, Mn, Cr 첨가의 고산소강을 포함하는 특수강의 연속 주조 설비의 슬라이드 게이트 플레이트용 소성재로 사용되는 내화조성물로서,
    복수의 성분을 포함하고 기본 조성을 이루는 주성분 및 첨가제로 강도보강제 및 산화방지제 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 주성분은 중량%로, 전융 마그네시아 : 43wt% 이상 내지 77wt% 이하, CaO 안정화 지르코니아 : 10wt% 이상 내지 40wt% 이하, 인상흑연 : 4wt% 이상 내지 8wt% 이하 및 카본 블랙 : 1wt% 이상 내지 2wt% 이하를 포함하며,
    상기 강도보강제 및 상기 산화방지제로 마그네슘-알루미늄 파우더 또는 마그네슘-알루미늄 파이버는 상기 내화 조성물 전체 중량에 대하여 4.5wt% 이상 내지 7.5wt% 이하가 포함되고, 보론 카바이드는 상기 내화 조성물 전체 중량에 대하여 0.5wt% 이상 내지 2.5wt% 이하를 포함하고,
    상기 내화 조성물의 열간 꺾임 강도가 280 내지 320 ㎏/㎠, 침식깊이가 0.1㎜ 이하인 내화 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. Nb, Mn, Cr 첨가의 고산소강을 포함하는 특수강 주조용 주조 설비의 슬라이드 게이트 플레이트로서,
    소성에 의해 성형되는 내화물;을 포함하고,
    상기 내화물은 마그네시아-지르코니아-탄소질계로 조성되며, 중량%로 전융 마그네시아 : 43wt% 이상 내지 77wt% 이하, CaO 안정화 지르코니아 : 10wt% 이상 내지 40wt% 이하, 인상흑연 : 4wt% 이상 내지 8wt% 이하 및 카본 블랙 : 1wt% 이상 내지 2wt% 이하, 마그네슘-알루미늄 파우더 또는 마그네슘-알루미늄 파이버 : 4.5wt% 내지 7.5wt% 이하, 보론 카바이드 : 0.5wt% 이상 내지 2.5wt% 이하를 포함하여, 열간 꺾임 강도가 280 내지 320 ㎏/㎠, 침식깊이가 0.1㎜ 이하인 강 주조용 슬라이드 게이트 플레이트.
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