KR101614902B1 - 슬래그 러너 스파우트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬래그가 흘러가도록 “U"홈이 중앙부에 형성된 내화물과 상기 내화물을 감싸면서 형태를 지지하도록 된 금속재질의 외피로 구성된 슬래그 러너 스파우트에 있어서,
상기 내화물은 외측은 경량단열 내화물로 내측은 일반내화물로 형성되고, 상기 내화물의 “U"홈 표면에는 초내열강으로 된 내피가 설치되는 것을 그 특징으로 한다.
또한, 상기 초내열강으로 된 내피는 중량%로 Cr 55~65%, W 2~6%, Mo 0.5~10%, Ni 2~5%, Nb 0.5~5%, Ti 0.2~1%, B 0.2~0.5%, Al 0.2~5%, Mn 0.4~1%, Si 0.6~1.5%, 탄소를 0.3~0.8, 잔부 Fe로 조성되어 융점이 1,600도가 넘는 합금을 주조하여서 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 값이 저렴한 내화물과 주강제품을 사용함으로서, 기존의 슬래그 러너 스파우트가 스피넬계의 비싼 내화물로 축조되어 사용하고 있는 것에 비하여 재료비도 싸고, 시공비, 보수비, 교체비 등 총 재료비가 적게 드는 것이 가능하여 경제성이 매우 높고,
본 발명의 경량 단열 및 일반 내화물로 만든 베이스 스파우트는 한번 설치로 거의 영구적으로 사용할 수 있으며, 초 내열합금으로 된 내피 부분만 교체해주면 되므로 유지 보수비가 크게 절감되고,
본 발명의 내피는 슬래그와 잘 붙지 않으면서 설치 및 교체가 편리하여 고로(용광로) 조업중에 발생하는 슬래그 응고 사고에 대하여 손쉽게 처리할 수 있어 작업시간 단축에 의한 노동 생산성을 높일 수 있고,
기존의 내화물은 파손(Crack)이 발생하면 곧바로 슬래그가 유출되는 사고로 이어질 수 있지만 당 발명품은 내피를 금속으로 형성하였기 때문에 파손(Crack)이 내화물처럼 한꺼번에 일어나지 않고, 육안으로 확인이 가능함으로 사고로 이어지지 않으며, 따라서 안전성면에서도 큰 효과가 있다

Description

슬래그 러너 스파우트{Slag Runner Spout}

본 발명은 고로 및 금속 용해로에서 생성되는 슬래그를 출탕할 때 출탕된 슬래그를 슬래그 박스까지 이송하기 위한 슬래그 배출통로(Slag Runner Spout)에 관한 것으로, 특히, 슬래그 러너 스파우트의 구조 및 슬래그 러너 스파우트의 슬래그와 접하는 부위인 내피에 사용되는 초내열강의 성분조성에 관한 것이다.

철광석의 고로 제련법은 광석과 코크스를 용광로에 투입하고 고온의 열풍으로 코크스를 연소시켜 철광석을 환원하여 선철을 제조한다.

이때 광석속에 들어있던 잡석과 코크스의 활성도를 높혀주고 제련의 효율을 높혀주기 위하여 장입한 다량의 석회석이 녹아 슬래그로 변하여 고로 밖으로 출탕된다. 이 슬래그의 온도는 1,300도 이상이며 염기도가 높아 화학반응성이 매우 높다. 이 출탕된 슬래그는 길다란 내화물 통로를 지나 슬래그박스로 유입되며, 수냉 과정을 거쳐 페기물 저장소를 이송된다.

이 용융 슬래그는 1,300도이상의 고온이며 염기도가 높으므로 화학 반응성이 매우 높다. 또한 단속적으로 흘러나오는 것이 아니라 조업이 계속되는 한 연속적으로 흘러나오므로 마찰에 의한 마모도 매우 많다.

따라서 슬래그 러너 스파우트는 이러한 열악한 조건에서 견딜 수 있어야 하는데, 이러한 열악한 조건에서 견딜 수 있는 것은 내화물 밖에 없으며 내화물도 스피넬(Spinel)계가 아니면 고온 화학반응에 견딜 수 없어서 기존의 고로 슬래그 배출통로(Slag Runner Spout)는 내화물로 축조되어 사용되는데, 일반 내화물은 사용할 수 없고 스피넬계 내화물이 가장오래 사용되어 진다. 미국특허 US 5,932,506 는 스피넬계 내화물이 사용되는 것으로 기재하고 있다.

이 슬래그 러너 스파우트는 고로에서 흘러나오는 고온의 슬래그가 지나가는 통로이며, 그 형상은 도면(1)과 같이 홈통 형태로 되어 있는 내화물(2)로 형성하되 내화물의 외피(1)를 철판으로 감싸서 된 형태로 구성되어 있다.

이 슬래그 러너 스파우트는 부정형 내화 몰탈을 금형틀로 축조하여 만들며 건조 공정과 소성 공정을 거쳐 제작된다. 이 내화물로 제작된 스파우트는 한 개의 크기가 2~3m의 길이로 만들어져 중량이 무겁기 때문에 크레인이 없으면 설치 또는 교체가 어렵다. 이 내화물로 된 스파우트는 사용중에 간혹 고로에서 흘러나오는 슬래그가 온도가 떨어져 통로에서 굳어버릴 경우가 있는데 이 경우 슬래그와 내화물이 엉켜붙어 함마나 망치로 충격을 가해 슬래그를 깨트려 제거해야한다 이럴 경우 굳은 슬래그와 내화물이 함께 떨어져 나와 스파우트가 움푹 패일수도 있다. 이 내화물 조각이 떨어져 나온 자국은 다시 내화 몰탈로 붙여 보수를 하기도 하지만 얼마 못가서 붙인 부분이 다시 떨어져 나오고 만다. 하는 수 없이 전체를 교체하게 되는데 이러한 경우가 조업비를 높이는 원인이 되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 시도가 이루어져 왔지만 특히, 이러한 제반 여건에 부합하면서 사용수명도 길고 설치 및 교체 작업도 편리하고, 제작이 용이하고, 비용이 적게 드는 금속 재질의 슬래그 러너 스파우트의 개발이 시도되고 있으나, 아직은 금속재질로 제작된 슬래그 러너 스파우트는 없다. 그 이유는 일반적으로 내열강은 융점이 1,400℃에서 1,500℃ 정도이며 기껏해야 최고 사용온도는 1,000℃~1,100℃ 정도이어서 고로의 슬래그 통로로 사용할 경우는 기존의 어떤 내열강도 견딜 수가 없기 때문이다.

이러한 문제점 때문에 고크롬강(Cr30%강)을 사용해 보았지만 고크롬강의 융점이 1,480℃정도라 고온 슬래그에는 견딜 수 없었다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 제거하기 위하여 창출된 것으로서 1,350℃이상의 슬래그와 접촉시 열충격에 의한 용손이 일어나지 않기 위하여 최소한 융점이 1,500℃ 이상이고,

또한, 비중이 2~3정도인 고온의 슬래그와 지속적인 접촉에 따른 고온 마찰에서 견딜 수 있는 우수한 내마모성을 갖으며,

또한, 염기도가 1.5 이상이며 온도가 1,350℃ 이상의 고온 슬래그와의 화학반응에서 견디는 고온 내식성을 갖으며,

또한, 응고된 슬래그를 제거할 시 함마, 정 등을 사용하는데 이들이 가하는 충격에 쉽게 깨어지지 않고, 작업도중 슬래그가 응고할 경우 융착 되지 않고 쉽게 분리 제거 할 수 있어야 하고,

또한, 수명이 다하여 교체 수리를 할 경우 쉽게 분리 제거 되고 장착이 용이한 슬래그 러너 스파우트를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 단열을 유지할 수 있는 내화물을 기본으로 하되, 내화물은 경량단열 내화물 및 일반 내화물로 형성된 2층구조로 하고, 마모가 심한 슬래그가 흘러가는 내측 부분에는 내마모성과 내열성을 갖춘 금속으로 된 내피를 결합시키고, 내화물의 형태를 유지하기 위하여 내화물을 감싸고 있는 외측 부분은 일반 철판으로 구성된 슬래그 러너 스파우트를 제공한다.

또한 상기 내측부분에 사용이 가능한 초내열 합금강의 성분조성을 제공한다.

본 발명에 의하면 값이 저렴한 내화물과 주강제품을 사용함으로서, 기존의 슬래그 러너 스파우트가 스피넬계의 비싼 내화물로 축조되어 사용하고 있는 것에 비하여 재료비도 싸고, 시공비, 보수비, 교체비 등 총 재료비가 적게 드는 것이 가능하여 경제성이 매우 높고,

본 발명의 경량 단열 및 일반 내화물로 만든 베이스 스파우트는 한번 설치로 거의 영구적으로 사용할 수 있으며, 초 내열합금으로 된 내피 부분만 교체해주면 되므로 유지 보수비가 크게 절감되고,

고로(용광로) 조업중에 발생하는 슬래그 응고 사고에 대하여 손쉽게 처리할 수 있어 작업시간 단축에 의한 노동 생산성을 높일 수 있고,

기존의 내화물은 파손(Crack)이 발생하면 곧바로 슬래그가 유출되는 사고로 이어질 수 있지만 당 발명품은 내피를 금속으로 형성하였기 때문에 파손(Crack)이 내화물처럼 한꺼번에 일어나지 않고, 육안으로 확인이 가능함으로 사고로 이어지지 않으며, 따라서 안전성면에서도 큰 효과가 있다.

도1은 기존 슬래그 러너 스파우트의 단면도이고
도2는 본 발명 슬래그 러너 스파우트의 단면도이고,
도3은 Fe-Cr 상태도이다.

본 발명은 슬래그가 흘러가도록 “U"홈이 중앙부에 형성된 내화물과 상기 내화물을 감싸면서 형태를 지지하도록 된 금속재질의 외피로 구성된 슬래그 러너 스파우트에 있어서,

상기 내화물은 외측은 경량단열 내화물로 내측은 일반내화물로 형성되고, 상기 내화물의 “U"홈 표면에는 초내열강으로 된 내피가 설치되는 것을 그 특징으로 한다.

또한 상기 내피로 사용되는 초내열강은 탄소(Carbon) : 0.3~0.8%, 크롬(Cr) : 50~65%, 닉켈(Ni) : 2~5%, 텅그스텐(W) : 0.5~5%, 니오븀(Nb) : 0.2~6%, 몰리브덴(Mo) : 0.3~8%, 보론(B) : 0.1~0.5%, 티타늄(Ti) : 0.1~1%, 알미늄(Al) : 0.1~5%, 망간(Mn) : 0.5~1%, 실리콘(Si) : 0.5~1.5%, 유황(S) : 0.02이하, 인(P) : 0.02이하 철(Fe) : 잔량 으로 이루어진 것을 특징으로 하며,

상기 내피는 측면보다 하단부가 더 두껍게 형성되어 있으며,

상기 내피는 주조방식에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 도면을 참고하여 상세히 기술한다.

도2에 본 발명 슬래그 러너 스파우트의 단면도가 나타나 있다.

본 발명 슬래그 러너 스파우트는 기존의 내화물 부위 중 외피(11)는 종전과 같은 강판을 사용하고, 강판에 붙은 내측은 경량 단열 내화물 몰탈(12)로 충진 하고 그 다음 층은 값싼 일반 부정형 내화 몰탈(13)로 충진 한다. 이 일반 부정형 내화몰탈(13)위에 특수 내열합금강을 주조하여서 된 내피(14)를 장치한다.

이렇게 3중의 재료를 사용하는 것은 첫째는 값비싼 스피넬계의 내화물 사용을 줄여 원가를 낮추는데 기여하기 위함이고,

경량 단열 몰탈을 사용하는 것은 가벼우면서도 단열성이 우수하여 슬래그 러너 스파우트를 타고 흘러오는 고로 슬래그가 일정한 온도를 가진 것이 아니기 때문에 흘러오다가 갑자기 굳어버리는 경우가 발생하는데 이러한 사고를 방지하기 위하여 단열이 필요하기 때문이다. 경량단열 몰탈로는 시중에서 판매되는 제품이 사용가능하다.

또한 특수내열합금강으로 된 내피(14)와 경량 단열 내화물 몰탈(12) 사이에 사용하는 내화물은 가장 값싼 몰탈을 사용하면 되고 산성 내화물이던 염기성 내화물이던 재질은 크게 상관없다. 이 몰탈의 역할은 단열 내화물이 쉽게 부스러지는 단점이 있는데 이를 보호해 주고 내열합금강을 받쳐주는 역할만 하면 된다.

이 외피(11)에 충진된 12번, 13번기호의 내화물은 한번 축조되면 계속하여 사용할 수 있어 기존의 슬래그 러너 스파우트에 비해 제작 경비를 크게 줄일수 있다.

여기에서 특수내열 합금강으로 된 내피(14)는 U자 형태의 초 내열 특수강 재질의 주강(Casting)이다. 이 주강은 두께가 20~50mm 정도로 제작하는데 고로의 작업조건과 사용수명, 보수기간에 따라 조정한다. 또한 바닥층은 상층부에 비해 3~6mm 정도 두껍게 만든다. 그 이유는 상층부는 대기와 접촉함으로써 냉각이 되나 바닥층은 고온의 슬래그와 지속적으로 접촉하기 때문에 용손이 상층부에 비해 심하다. 따라서 사용 수명을 연장시키기 위하여 바닥층의 두께를 3~6㎜ 더 두껍게 만든다.

이와 같이 구성된 본 발명의 슬래그 러너 스파우트는 사용시 내피가 마모되거나 파손시 내피만 별도로 분리시켜 교체하여 사용하는 것이 가능하여 거의 영구적으로 사용이 가능하다.

이 특수 내열합금강의 화학성분은 아래와 같다.

탄소(Carbon) : 0.3~0.8%,

크롬(Cr) : 50~65%,

닉켈(Ni) : 2~5%

텅그스텐(W) : 0.5~5%,

니오븀(Nb) : 0.2~6%,

몰리브덴(Mo) : 0.3~8%,

보론(B) : 0.1~0.5%,

티타늄(Ti) : 0.1~1%,

알미늄(Al) : 0.1~5%

망간(Mn) : 0.5~1%

실리콘(Si) : 0.5~1.5%

유황(S) : 0.02이하

인(P) : 0.02이하

철(Fe) : 잔량

여기서 크롬을 50~65%나 사용하는 목적은 내열성과 고온 내식성 때문이며 도3의 Fe-Cr Diagram에서 보듯이 융점이 1,600℃에서 1,650℃에 달한다. 따라서 고로 슬래그의 온도 1,350℃에서도 용손되지 않고 견딜 수 있다. 여기서 크롬의 함량을 50%에서 65%로 제한하는 이유는 고 융점을 얻기 위하여서는 그림(1)에서 처럼 최소50%이상이 되어야 하며, 65%이하로 제한하는 것은 크롬이 지나치게 높으면 결정입자가 조대화 하고 그럴 경우 고온강도가 떨어질 뿐 아니라 취성이 발생하기 때문이다 또한 너무 융점이 높으면 용해 및 주조가 어려워지기 때문이다.

여기서 텅그스텐(W)을 0.5~5%를 첨가하는 것은 고온강도와 내열성 때문이며 텅그스텐의 융점이 3,380℃로 매우 높다. 따라서 이합금의 융점을 높혀 줄 뿐 아니라 고온강도도 높혀 준다. 0.5%에서 5%로 한정하는 이유는 0.5%이하에서는 큰 효과가 없고 5%이상을 투입하게 되면 원가의 상승에 비해 기대효과는 높지 않기 때문이다.

여기서 몰리브데늄(Mo)을 0.5~8%를 첨가하는 것은 역시 몰리브덴의 융점이 2,610℃로 매우 높고 크롬 및 철과 결합하여 고온강도, 내식성을 높혀주는 역할을 하기 때문이다. 또한 0.5%미만이면 그 효과가 미미하고 8%이상이면 원가대비 기대효과가 떨어지기 때문이다.

텅그스텐과 몰리브덴은 이 합금에서 비슷한 역할을 하며 가격 면에서 텅그스텐이 두배 이상 높기 때문에 제품의 경제성에 맞추어 가감한다.

여기서 닉켈(Ni)을 2~4%를 첨가하는 것은 고온 인성과 합금의 기지조직(Matrix)을 강화시켜주기 위함이며, 2%이하이면 그 효력이 부족하고 4%이상이면 합금의 융점을 낮추어 오히려 해가 된다.

여기서 니오븀(Nb)을 0.2~6%로 합금하는 것은 니오븀의 융점이2,468℃로 높고, 크롬과 철의 합금에서 결정입자를 미세화 시키는 역할과 니오븀카바이드(NbC)를 형성하여 고온경도를 높혀주게 되며 따라서 고온 내마모성이 증가되는 효과가 있다. 니오븀의 함량이 0.2%이하가 되면 그 효과가 낮고 6%이상이 되면 결정입자를 조대화 시키며 원가 대비 효과가 떨어진다.

여기서 보론(B)을 0.2~0.5%로 첨가하는 것은 보론이 용강중에서 쉽게 질소와 결합하여 질화보론(Boron Nitride)을 형성하며 이것이 강의 응고핵으로 작용하여 결정입자를 미세화 시키는 역할을 한다. 또한 보론은 보론카바이드(BoronCarbide)를 형성하여 고온 경도를 높혀주는 역할도 한다 보론의 함량을 0.2%에서 0.5%로 한정하는 이유는 보론이 지나치게 많이 들어가면 합금의 융점을 낮추는 역할을 하기 때문이다.

여기서 티타늄(Ti)을 0.1~1%를 첨가하는 이유는 티타늄이 강력한 탈산제이며 결정립 미세화 원소이기 때문이다. 다량의 크롬이 합금되면 결정입자가 매우 조대해지며 결정입자가 조대하면 고온강도가 낮아지고 취성이 발생한다 또한 고온에서 결정입자의 쪽떨어짐(Spalling)이 발생하여 용손이 쉽게 일어나 수명 단축의 원인이 된다. 따라서 결정입자의 미세화는 매우 중요한 합금 기술이며 티타늄이 고 크롬강에서는 가장 효과적인 미세화 원소이다.

또한 티타늄은 티타늄카바이드(Titanium carbide)를 형성하고 이것은 고온경도와 내마모성을 증대시키는 역할을 하기 때문에 첨가한다. 티타늄을 0.1%에서 1%로 한정하는 이유는 0.1정도이면 탈산효과를 발휘하나 그 이하이면 효과가 부족하고 1%이상이 되면 티타늄이 대기와 반응하여 산화티타늄(Titanium Oxide)가 많아지고 이 산화티타늄은 주조성을 해치기 때문이다.

여기서 알루미늄(Al)을 0.1~3%로 합금하는 것은 알루미늄도 티타늄과 같이 강력한 탈산제와 결정립 미세화를 조장하는 원소이기 때문이다. 뿐만 아니라 닉켈계 슈퍼 알로이(Nickel Base Super Alloy)에서 알루미늄이 최고8%까지 첨가 되듯이 알루미늄은 고온에서 산화하여 산화알루미늄(Aluminium Oxide-Al2O3)이 되고 이것이 합금의 표면을 보호하는 역할을 하게 된다. 이 작용에 의해 내열성, 내식성이 크게 증가하게 되는데 이러한 효과를 위해 당 합금에도 첨가한다. 알루미늄이 0.1%이하이면 그 효과가 적고 5%이상이면 합금의 융점을 낮출 뿐 아니라 알미늄은 저온에서도 쉽게 산화되어 산화알루미늄(Al2O3)이 되어 쇳물의 유동성을 떨어트려 주조성을 해치기 때문에 5%이하로 제한한다.

여기서 망간(Mn)을 0.5%~1%로 합금하는데 망간은 철의 5대 원소일 뿐 아니라 불가피한 불순물이기도 하다 망간은 탈산제 일 뿐 아니라 유황과 쉽게 결합하여 유황의 해를 줄여주는 역할도 한다. 망간은 주조성을 높혀 주나 지나치게 많이 들어가면 융점을 낮추기 때문에 1%이하로 제한한다.

여기서 실리콘(Si)은 0.5~1.5%를 투입하는데 실리콘은 탈산제일 뿐만 아니라 주조성을 개선하는데 매우 유용한 역할을 하기 때문이다. 또한 실리콘은 내열성을 높이는 역할도 한다.실리콘을 1.5%이하로 제한하는 것은 1.5%이상이 되면 합금의 융점을 낮추게 되고 융점이 낮아지면 내열성이 떨어지기 때문이다.

여기서 탄소(Carbon)을 0.3~0.8%를 합금하게 되는데 탄소는 W, Cr, Nb, Ti, B 등과 결합하여 카바이드(Carbide)를 형성한다. 이들 카바이드는 금속간 화합물로써 공히 경도가 매우 높고 융점 또한 높아 고온강도와 경도를 높이는데 지대한 역할을 하게 된다.

그러나 지나치게 높게되면 취성이 증가하게 된다. 따라서 0.3%에서 0.8% 정도가 당 제품에는 가장 적합하다.

11 : 외피 12 : 경량 단열 내화물 몰탈
13 : 부정형 내화몰탈 14 : 내피

Claims (3)

1. 슬래그가 흘러가도록 “U"홈이 중앙부에 형성된 내화물과, 상기 내화물을 감싸면서 형태를 지지하도록 된 금속 재질의 외피로 구성된 슬래그 러너 스파우트에 있어서, 상기 내화물은 외측이 경량단열 내화물로 내측이 일반내화물로 형성되는 2층구조로 하고, 상기 내화물의 ”U"홈 표면 위에는 초내열강으로 된 내피가 설치되어 있되, 상기 내피는 측면보다 바닥면이 더 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬래그 러너 스파우트
2. 제1항에 있어서,
   상기 내피는 탄소(Carbon) : 0.3~0.8%, 크롬(Cr) : 50~65%, 닉켈(Ni) : 2~5%, 텅그스텐(W) : 0.5~5%, 니오븀(Nb) : 0.2~6%, 몰리브덴(Mo) : 0.3~8%, 보론(B) : 0.1~0.5%, 티타늄(Ti) : 0.1~1%, 알미늄(Al) : 0.1~5%, 망간(Mn) : 0.5~1%, 실리콘(Si) : 0.5~1.5%, 유황(S) : 0.02이하, 인(P) : 0.02이하, 철(Fe) : 잔량 으로 이루어진 초 내열강인 것을 특징으로 하는 슬래그 러너 스파우트
3. 삭제

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