KR102273124B1 - 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 - Google Patents

유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 뛰어난 물리적 성질 및 기계적 성질을 확보하여 유도 용해로의 라이닝에 최적화 된 내화물을 제공할 수 있으며, 소결 시간 단축에 따른 전력비용 감소와 작업 시간 및 노동력의 감소를 통해 제작비용을 크게 절감할 수 있어 경제성을 증대시킬 수 있는 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 입자형의 산화알루미늄(Al2O3)과 입자형의 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)를 혼합하여 내화 혼합물을 형성하는 조성물 혼합 단계; 상기 마련된 내화 혼합물에 물을 혼합하여 믹싱하여 반죽하는 도우(dough) 단계; 상기 반죽된 반죽 내화혼합물을 금형에 충진하는 충진 단계; 상기 금형에 충진된 반죽 내화혼합물을 건조시키는 건조 단계; 및 상기 건조 단계에서 건조된 건조 내화혼합물을 가열하고 소결한 후 냉각시켜 내화 성형물을 완성하는 성형물 완성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법이 제공된다.

Description

유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 {CONSTRUCTION METHOD OF REFRACTORY FOR LINING OF INDUCTION MELTING FURNACE AND REFRACTORY FOR LINING OF INDUCTION MELTING FURNACE CONSTRUCTED BY THE SAME}
본 발명은 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 뛰어난 물리적 성질 및 기계적 성질을 확보하여 유도 용해로의 라이닝에 최적화 된 내화물을 제공할 수 있으며, 소결 시간 단축에 따른 전력비용 감소와 작업 시간 및 노동력의 감소를 통해 제작비용을 크게 절감할 수 있어 경제성을 증대시킬 수 있는 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물에 관한 것이다.
용해로란 고체 재료를 녹는점 이상으로 가열하여 용해할 목적으로 제조된 노로서 가열 장치의 종류에 따라 용선로, 도가니로, 전기로, 반사로 등 여러 가지 방식의 용해로가 사용된다.
이러한 용해로는 고체 재료를 가열하는데 많은 에너지를 필요로 하고, 또한 가열 장치의 종류에 따라 에너지 효율에 있어서 많은 차이를 나타내고 있는데, 최근에는 에너지 절약 및 환경오염 방지의 목적으로 에너지 효율이 우수하고 자동화 및 생산성 향상 등의 효과가 우수한 저주파 및 고주파 유도 용해로의 사용이 크게 증가되는 추세이다.
유도 용해로는 구조에 따라 도가니(Crucible)형과 채널(Channel)형으로 나눌 수 있으며, 일반적으로 저주파용으로 채널형, 저주파용 및 고주파용으로 도가니형 이 이용되고 있다.
유도가열방식으로 금속을 용해하는 용해로는 노체에 설치되며 내열시멘트층에 의해 보호되는 가열코일을 구비하고, 가열코일 내측에 용탕을 유지할 수 있도록 내화물에 의해 마련되는 내벽을 포함한다.
내벽을 이루는 내화물은 용해하는 금속의 온도, 성질 등과 관련하여 선택되며, 내화도가 높아 고온에서도 열변형 등이 발생하지 않는 소재로 마련된다. 통상적으로 내벽은 분말 형태의 내화물이 시멘트층 내면에 투입되어 도가니 형태로 축조된 후 가열에 의해 소결된다.
구체적으로, 종래 기술에 따른 내화물 건조와 문제점에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 의한 도가니형 유도 용해로의 내화물 형성과정을 나타낸 개념도이고, 도 2는 도 1의 과정에 의해 형성된 내화물의 붕괴 현상을 도시한 개념도이며, 도 3은 종래 기술에 의한 도가니형 유도 용해로의 내화물 형성과정을 촬영한 사진이다.
일반적으로 용해로(10)는 상부가 개방된 원통 형상으로 최외각에 용해로(10) 전체 구조를 유지하는 용해로 철피(11)와 용해로 철피(11)의 내측에 부착된 코일시멘트(12)와 코일시멘트(12)의 내측에 부착된 내화물(13)을 포함하고, 용해로(10) 상부의 일측에는 용해로 내부에서 용해된 용강을 탕출하는 탕출구(16)가 마련된다.
코일시멘트(12)는 내부에 가열코일(미도시)이 삽입된 상태로 내열 시멘트가 도포됨으로써 형성되는데, 가열코일이 전극 단자에 연결되고 가열코일에 교류 전류가 공급되면 전자 유도 작용에 의해 도전체에 유도 전류가 발생하며 용해로 내부가 가열된다.
내화물(13)은 용해하는 고체 재료의 온도, 성상 등과 관련하여 선택되는데, 내화도가 높아 고온에서도 열변형 등이 발생하지 않는 재질로서, 분말 형태의 건식 내화물이 코일시멘트(12) 내측면에 투입된 후 가열에 의해 소결 처리됨으로써 형성된다. 소결 처리의 상태는 용해로(10)의 수명에 매우 중요한 요소이며, 따라서 소결 방법 또한 내화물(13)의 종류에 따라 다양한 방법으로 실시된다.
이러한 구조를 가진 용해로(10)는 사용 횟수의 증가에 따라 내화물(13)의 마모 및 침식이 발생하므로 주기적인 내화물(13) 제거 및 재시공을 행한다.
내화물(13)이 해체되고 난 이후 내화물(13)의 재시공 과정은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 용해로(10)의 내부 바닥면, 즉 코일시멘트(12)의 내측 바닥면에 분말 형태의 건식 내화물(13)을 소정 두께만큼 투입한 후, 신터캔(Sinter Can, 14)을 내화물(13) 위에 안착시켜 신터캔(14)과 코일시멘트(12) 사이에 소정 거리의 공간을 형성한다. 이후 도 1의 (b)에서와 같이 신터캔(14)과 코일시멘트(12) 사이에 형성된 공간에 건식 내화물(13)을 투입하여 다진 후, 도 1의 (c) 및 (d)에서와 같이 건식 내화물(13) 투입이 완료된 용해로(10) 내부에 스크랩(Scrap)을 투입하고 가열하여 용해한 후 출강 작업을 실시하는 것으로 내화물 교체작업이 완료된다.
이때, 스크랩의 용해과정에서 신터캔(14)은 용해로(10) 내부로 함께 용해되며, 내화물(13)은 용강(15)에 직접 접촉하여 용해된 상태의 용강(15)으로부터 고온의 열이 전도되면서 소결 형성된다.
그러나 도 1의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이 작업의 안전상 용해 작업시 용해된 용강(15)은 용해로(10)의 상부까지 가득 채워지지 않으므로, 용해로(10)의 상부에 투입된 내화물(13)은 용강(15)과 접촉하지 못한다.
일반적으로 용해로 내부에 투입되는 내화물(13)은 알루미나 내화물로 소결온도가 높은데, 이에 따라 용강(15)에 접촉하지 못하는 부분의 내화물(13)은 요구되는 소결 온도에 도달하지 못하므로 불완전하게 소결 형성된다. 특히, 탕출구(16)가 형성된 부위에는 탕출시 내화물(13)이 소결되지만, 그렇지 않은 탕축구(16) 부위의 반대측은 탕출시에도 용강(15)과 접촉하지 못하므로 소결 형성이 더욱 불완전하게 이루어진다.
따라서, 위와 같은 종래 기술에 의해 소결 형성된 내화물(13)은 도 2에 도시된 바와 같이 불완전한 소결 형성으로 인해 내화물(13)의 상부 탕출구(16)의 반대편 부위가 쉽게 붕괴되는 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 내화물(13) 제거 및 재시공은 용해로의 용량에 따라 다르지만, 일반적으로 약 32시간 이상으로 작업 시간이 길고, 노동 강도가 커서 작업자가 기피하며 많은 경비가 소요되는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 10-1999-0052225(1999.07.05. 공개) 대한민국 공개특허공보 10-2009-0100980(2009.09.24. 공개) 대한민국 등록특허공보 10-1913405(2018.10.31. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-0759310(2007.09.17. 공고)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 요구되는 상온/고온 밀도와 굽힘강도 및 열간 파쇄 강도를 확보하여 유도 용해로의 라이닝에 최적화 된 내화물을 제공할 수 있는 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 소결 시간 단축에 따른 전력비용 감소와 작업 시간 및 노동력의 감소를 통해 제작비용을 크게 절감할 수 있어 경제성을 증대시킬 수 있는 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 유도 용해로를 포함하는 용해로의 라이닝에 적용되는 내화 성형물을 제작하기 위한 방법으로서, 입자형의 산화알루미늄(Al2O3)과 입자형의 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)를 혼합하여 내화 혼합물을 형성하는 조성물 혼합 단계; 상기 마련된 내화 혼합물에 물을 혼합하여 믹싱하여 반죽하는 도우(dough) 단계; 상기 반죽된 반죽 내화혼합물을 금형에 충진하는 충진 단계; 상기 금형에 충진된 반죽 내화혼합물을 건조시키는 건조 단계; 및 상기 건조 단계에서 건조된 건조 내화혼합물을 가열하고 소결한 후 냉각시켜 내화 성형물을 완성하는 성형물 완성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법이 제공된다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 조성물 혼합 단계에서 산화알루미늄(Al2O3)은 입경 3 ~ 5mm 크기를 갖는 입자형 산화알루미늄(Al2O3)이고, 이산화규소(SiO2)는 입경 0.5 ~ 1.0mm의 이산화규소(SiO2)이며, 상기 알루미나시멘트는 50%Al2O3-30%SiO2-20%CaO의 알루미나시멘트인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 조성물 혼합 단계에서 산화알루미늄(Al2O3)과 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)는 각각 5중량% ~ 35중량%, 53중량% ~ 87중량%, 8중량% ~ 12중량%의 혼합 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 도우 단계는, 상기 내화 혼합물의 100중량부에 대하여 물을 15중량부로 혼합하여 반죽 내화혼합물을 마련하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 건조 단계는, 상기 반죽 내화혼합물을 24시간 동안 상온에서 건조하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 상기 성형물 완성 단계는, 상기 건조 단계에서 건조된 건조 내화혼합물을 600℃ ~ 700℃에서 3시간 동안 5℃/min의 가열 속도로 가열하고, 1200℃로 소결한 다음, 건조 후 로냉하여 내화 성형물을 완성할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기한 일 관점에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물이 제공된다.
본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 특정 조성물과 조성 비율 및 제작 공정과 조건을 통하여 요구되는 상온/고온 밀도와 굽힘강도 및 열간 파쇄 강도를 동시에 확보할 수 있는 유도 용해로 라이닝용 내화물을 제공하는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 소결 시간 단축에 따른 전력비용 감소와 작업 시간 및 노동력의 감소를 통해 비용을 현저히 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 도가니형 유도 용해로의 내화물 형성과정을 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1의 과정에 의해 형성된 내화물의 붕괴 현상을 도시한 개념도이다.
도 3은 종래 기술에 의한 도가니형 유도 용해로의 내화물 형성과정을 촬영한 사진이다.
도 4 본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 과정을 나타내는 플로차트이다.
도 5는 기계적 성질 시편(굽힘 강도 시험 시편)을 제작하기 위한 금형 세트를 촬영한 사진이다.
도 6은 실험을 통해 Al2O3 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실험을 통해 알루미나시멘트 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실험을 통해 Fe2O3 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실험을 통해 TiO2 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실험을 통해 CaO 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 상온 건조 시간에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 굽힘 강도에 미치는 열처리 온도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 13는 굽힘강 도에 미치는 650℃에서의 열처리 시간의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 14는 굽힘 강도에 미치는 650℃에서의 열처리 시 가열 속도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 15는 굽힘 강도에 미치는 소결온도(1000 ~ 1200℃)의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 16은 압축시험을 위한 시편 제작에 이용한 금형을 촬영한 사진이다.
도 17a 및 도 17b는 내화 성형물의 시제품을 사용한 축로 작업 순서를 촬영한 사진이다.
도 18a 및 도 18는 축로 작업 후 내화 성형물로 라이닝한 유도로에서의 조업 실험을 촬영한 사진이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법에 대하여 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4 본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 과정을 나타내는 플로차트이다.
본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법은, 유도 용해로를 포함하는 용해로의 라이닝에 적용되는 내화 성형물을 제작하기 위한 방법으로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 크게 조성물 혼합 단계(S100); 도우(dough) 단계(S200); 충진 단계(S300); 건조 단계(S400); 및 성형물 완성 단계(S500);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법은, 유도 용해로를 포함하는 용해로의 라이닝에 적용되는 내화 성형물을 제작하기 위한 방법으로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 소정 입경의 산화알루미늄(Al2O3)과 소정 입경의 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)를 혼합하여 내화 혼합물을 형성하는 조성물 혼합 단계(S100); 상기 조성물 혼합 단계(S100)에서 마련된 내화 혼합물에 물을 소정량 혼합하여 믹싱하여 반죽하는 도우(dough) 단계(S200); 상기 도우 단계(S200)에서 반죽된 반죽 내화혼합물을 금형에 충진하는 충진 단계(S300); 상기 충진 단계(S300)에서 금형에 충진된 반죽 내화혼합물을 건조시키는 건조 단계(S400); 및 상기 건조 단계(S400)에서 건조된 건조 내화혼합물을 가열 건조한 후 냉각시켜 내화 성형물을 완성하는 내화 성형물 완성 단계(S500);를 포함한다.
상기 조성물 혼합 단계(S100)는, 조성물로서 별도의 첨가제 추가 없이 산화알루미늄(Al2O3)과 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)만이 혼합되어 이루어진다.
상기 조성물 혼합 단계(S100)에서 산화알루미늄(Al2O3)은 입경 3 ~ 5mm 크기를 갖는 입자형 산화알루미늄(Al2O3)이 사용되고, 이산화규소(SiO2)는 입경 0.5 ~ 1.0mm의 이산화규소(SiO2)가 사용되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조성물 혼합 단계(S100)에서 분말형 알루미나시멘트는 50%Al2O3-30%SiO2-20%CaO의 알루미나시멘트가 사용되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 조성물 혼합 단계(S100)에서 산화알루미늄(Al2O3)과 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)는 각각 5중량% ~ 35중량%, 53중량% ~ 87중량%, 8중량% ~ 12중량%의 혼합 비율로 혼합되는 것이 바람직하며, 산화알루미늄(Al2O3) 35중량%, 이산화규소(SiO2) 55중량%, 알루미나시멘트(alumina cement) 10중량%의 혼합 비율로 혼합되는 것이 가장 바람직하다.
상기 조성물 혼합 단계(S100)는, 볼밀을 이용하여 10분간 배합하여 이루어질 수 있다.
계속해서, 상기 도우 단계(S200)는 상기한 조성물 혼합 단계(S100)에서 마련된 산화알루미늄(Al2O3)과 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)의 내화 혼합물에 물을 소정량 혼합하여 믹싱하여 반죽 내화물을 마련하는 것으로 이루어진다.
여기에서, 상기 도우 단계(S200)에서 물은 상기 내화 혼합물의 100중량부에 대하여 15중량부로 혼합되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 충진 단계(S300)는 상기 도우 단계(S200)에서 반죽된 반죽 내화혼합물을 금형에 충진하고, 소정 시간(예를 들면, 10분간) 진동하여 금형에 균일하게 충진되도록 이루어진다.
계속해서, 상기 건조 단계(S400)는, 상기 충진 단계(S300)에서 금형에 충진된 반죽 내화혼합물을 20 ~ 28시간, 바람직하게는 24시간 동안 상온에서 건조하는 것으로 이루어진다.
그리고 상기 내화 성형물 완성 단계(S500)는, 상기 건조 단계(S400)에서 건조된 건조 내화혼합물을 박스로를 이용하여 600℃ ~ 700℃, 바람직하게는 650℃에서 2시간~ 4시간, 바람직하게는 3시간 동안 5℃/min의 가열 속도로 가열하고, 1200℃로 소결한 다음, 건조한 후 로냉하여 내화 성형물을 완성하는 것으로 이루어진다.
상기한 본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 과정에서 언급한 수치 범위는 아래 설명되는 실험결과로부터 입증되며, 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.
본 발명의 발명자는 본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법에 의해 제작된 내화 성형물에 대하여 실험을 진행하였으며, 실험으로부터 상온/고온 밀도와 굽힘강도 및 열간 파쇄 강도를 포함하는 물리적 성질 및 기계적 성질을 동시에 확보할 수 있었음을 확인하였으며, 이에 대하여 설명한다.
1. 시편 제작
굽힘 강도 시험용 시편을 얻기 위하여 길이와 정사각형 단면의 한 변 크기가 각각 160 및 40 mm인 시편을 얻을 수 있는 금형을 설계하였다. 도 5는 기계적 성질 시편(굽힘 강도 시험 시편)을 제작하기 위한 금형 세트를 촬영한 사진이다.
그리고 시편은 직경 3 ~ 5mm 크기를 갖는 입자형 Al2O와, 직경 0.5 ~ 1.0mm 크기의 입자형 SiO2에 분말형 알루미나시멘트(50%Al2O3-30%SiO2-20%CaO)를 혼합하여 볼밀을 이용하여 10분간 배합하였으며 배합물의 전체 무게는 2kg으로 하였다. 배합물에 물을 첨가하고 조립된 금형에 부어 넣고 진동하여 균일하게 충진되도록 하였고, 상온에서 건조한 다음, 박스로를 이용하여 가열 및 건조한 후 로냉한 것으로 하였다.
2. 배합 비율의 영향
정사각형의 단면 한 변의 길이가 40mm인 시편에 대하여 상온 굽힘 강도에 미치는 첨가제 배합 비율의 영향을 시험하였다. 첨가제의 종류와 첨가량의 시험 범위는 표 1과 같다. Al2O3의 첨가량을 5 ~ 25% 범위에서 5% 간격으로 변화시켰다. 실험 결과 최적 Al2O3의 첨가량이 25%로 나타났으며, Fe2O3와 TiO2 첨가의 영향을 시험 할 경우에는 Al2O3의 첨가량을 25%로 일정하게 하였다. 그리고 Fe2O3의 첨가량을 0 ~ 2% 범위에서 1%간격으로 그리고 TiO2를 0 ~ 3% 범위에서 1%간격으로 변화시켜 실험하였다.
첨가성분 범위(wt%) 간격 비고
Al2O3 5 ~ 30 5
Fe2O3 0 ~ 1 0.5
TiO2 0 ~ 2 1
CaO 0 ~ 1 0.5
2-1. Al2O3 첨가량의 영향
내화 성형물의 굽힘 강도에 미치는 Al2O3 첨가의 영향을 시험하였으며, 그 결과는 도 6에서 보이는 바와 같다. 도 6은 실험을 통해 Al2O3 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
알루미나 시멘트의 양은 10%로 일정하게 하였다. Al2O3 첨가량이 5에서 25%까지 증가함에 따라 굽힘 강도가 증가 및 감소를 반복하였다가 Al2O3 첨가량이 30 ~ 35%로 증가하면 급격하게 증가하였다. Al2O3의 첨가량이 더욱 증가함에 따라 굽힘 강도는 더 증가할 것으로 예상되기는 하나 Al2O3의 가격이 실리카보다 비싸고 더 이상으로 굽힘 강도가 클 필요는 없으므로, 최적의 Al2O3 첨가량을 35%가 가장 바람직함을 확인하였다.
2-2. 알루미나시멘트의 영향
굽힘 강도에 미치는 알루미나시멘트(Al2O3-25%SiO2-10%CaO) 첨가량의 영향을 시험하였으며 그 결과는 도 7에서 보이는 바와 같다. 도 7은 실험을 통해 알루미나시멘트 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
Al2O3 첨가의 영향 실험 결과로부터 결정한, Al2O3의 첨가량을 35%으로 일정하게 하였다. 알루미나시멘트의 첨가량이 5에서 10%로 증가함에 따라 굽힘 강도는 증가하였다가 15%로 증가하면 감소하였다. 따라서, 최적 알루미나 시멘트의 첨가량은 10%인 것이 바람직함을 확인하였다.
2-3. Fe2O3, TiO2 및 CaO 첨가의 영향
굽힘 강도에 미치는 Fe2O3 첨가의 영향을 시험하였으며 그 결과는 도 8에서 보이는 바와 같다. 도 8은 실험을 통해 Fe2O3 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
Fe2O3 첨가량이 0 ~ 2.0% 범위에서 증가함에 따라 굽힘 강도는 급격히 감소하였다. 따라서, Fe2O3는 내화물의 불순물임을 확인하였다.
또한, 굽힘 강도에 미치는 TiO2 첨가의 영향을 시험하였으며 그 결과는 도 9에서 보이는 바와 같다. 도 9는 실험을 통해 TiO2 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
TiO2 첨가량이 0 ~ 2% 범위에서 증가함에 따라 굽힘강도는 급격히 감소하였다. 따라서, TiO2도 내화물의 불순물임을 확인하였다.
또한, 굽힘 강도에 미치는 CaO 첨가의 영향을 시험하였으며 그 결과는 도 10에서 보이는 바와 같다. 도 10은 실험을 통해 CaO 첨가량에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.
CaO 첨가량이 0 ~ 1.0% 범위에서 증가함에 따라 굽힘강도는 급격히 감소하였다. 따라서, CaO는 내화물의 불순물이 되는 것으로 확인하였다.
3. 상온 건조 시간의 영향
정사각형의 단면의 한변의 길이가 40mm인 시편을 사용하고, 볼밀을 이용하여 입자형의 Al2O3, SiO2 그리고 알루미나시멘트를 혼합하여, 금형에 부어 넣은 후, 물을 첨가하고 진동 충진 후 굽힘 강도에 미치는 상온 건조 시간의 영향을 시험하였다. 상온 건조 시간은 18 ~ 30 시간 범위에서 6시간 간격으로 변화시켰다.
도 11은 상온 건조 시간에 따른 굽힘 강도의 변화를 나타내는 그래프로서, 상온 건조 시간이 18에서 24시간으로 증가함에 따라 굽힘 강도가 증가하였다가 30시간으로 더욱 증가하면 굽힘 강도는 오히려 감소하였다. 건조 시간이 증가함에 따라 처음에는 알루미나시멘트에 의한 입자간 점결력이 증가하다가 수분이 과도하게 증발하여 건조되면 점결력이 떨어지는 것으로 판단되었고, 최적 상온 건조시간은 24시간인 것이 바람직함을 확인하였다.
4. 열처리 온도 및 시간의 영향
정사각형의 단면의 한변의 길이가 40mm인 시편을 사용하여 볼밀을 이용하여 입자형의 Al2O3, SiO2 그리고 알루미나시멘트를 혼합하여 금형에 채워 넣고, 물을 첨가하여 진동 충진하였으며 24시간 상온 건조한 후 굽힘 강도에 미치는 열처리 온도 및 시간의 영향을 시험하였다.
600 ~ 800℃의 온도 범위에서 50℃ 간격으로 변화시켰다. 이때 가열 시간은 3시간으로 일정하게 하였으며 그 결과는 도 12에서 보이는 바와 같다. 도 12는 굽힘 강도에 미치는 열처리 온도의 영향을 나타내는 그래프이다.
가열 온도가 600에서 650℃로 증가함에 따라 굽힘 강도는 증가하였다가 700 및 800℃의 온도로 증가함에 따라 감소하였다. 따라서 최적 열처리 온도는 650℃인 것이 바람직함을 확인하였다.
그리고 650℃의 온도에서 가열 및 건조 시 굽힘 강도에 미치는 열처리 시간의 영향을 시험하였으며 그 결과는 도 13에서 보이는 바와 같다. 도 13는 굽힘강 도에 미치는 650℃에서의 열처리 시간의 영향을 나타내는 그래프이다.
2시간에서 3시간으로 열처리 시간이 증가함에 따라 굽힘 강도가 증가하였다가 그 이상으로 시간이 증가하면 굽힘 강도는 서서히 감소하였다. 이는 열처리 시간이 3시간을 초과하여 증가함에 따라 수분이 과도하게 증가하여 알루미나시멘트에 의한 점결력이 떨어졌기 때문이고, 최적 열처리 시간은 3시간으로 나타났다.
또한, 내화물 시편을 가열 및 건조하기 위하여 노에 장입하여 상온으로부터 650℃의 온도로 가열할 때 그 속도의 영향을 시험하였으며 그 결과는 도 14에서 보이는 바와 같다. 도 14는 굽힘 강도에 미치는 650℃에서의 열처리 시 가열 속도의 영향을 나타내는 그래프이다.
가열 속도가 5℃/min에서 10℃/min 및 15℃/min으로 증가함에 따라 굽힘 강도는 크게 감소함을 확인하였으며, 가열 속도를 낮추어 서서히 가열하는 것이 바람직함을 확인하였다.
5. 소결 온도의 영향
상온 굽힘 강도에 미치는 소결 온도와 시간의 영향을 시험하였다. 3.1kW 용량의 발열체가 칸탈인 상용 및 최고 온도가 각각 900 및 1,500℃인 박스로를 이용하여 소결하였다. 길이와 정사각형 단면의 한 변의 길이가 각각 160 및 40mm인 시편을 1,000℃ ~ 1,200℃의 온도 범위에서 100℃ 간격으로 변화시켜 실험하였으며, 4시간동안 소결한 후 로냉하였다.
시편을 가열 및 건조한 후 1000 ~ 1200℃의 온도범위에서 소결 온도의 영향을 시험하였으며 그 결과는 도 15에서 보이는 바와 같다. 도 15는 굽힘 강도에 미치는 소결온도(1000 ~ 1200℃)의 영향을 나타내는 그래프이다.
소결 시간은 4시간으로 일정하게 하였으며, 소결 온도가 증가함에 따라 굽힘 강도가 증가하였다. 성형품을 가열 및 건조하여 유도로에 장착하면 장입물이 녹은 용탕에 의하여 소결이 될 것이며 실제 내화 성형물의 경우, 두께가 100 ~ 150mm로 매우 크므로 시간이 지남에 따라 강도는 증가할 것으로 판단되었다.
6 강도시험
6-1. 상온 굽힘 강도
세라믹 재료는 상온에서 대부분 취성이 크고, 재료 내부에 존재하는 미세 균열이 인장 응력에 의하여 빠르게 성장하기 때문에 인장 강도는 낮은 편이다. 보통 내화물, 즉 세라믹 재료의 경우의 기계적 성질로는 굽힘 강도를 측정한다. 굽힘 강도 시험 시편의 파괴가 일어날 때의 하중을 측정하여 다음의 식 (1)에 의하여 굽힘강도(σf)를 계산하였다.
Figure 112020095428150-pat00001
(1)
여기에서, L : 받침점간 거리, b : 단면의 가로, d : 단면의 세로(또는 높이)
10kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여, 굽힘 강도 시험용 시편 장착용 치구에 장착한 후, 굽힘 시험 시 파괴가 일어날 때의 하중을 측정하였다. 분당 0.5mm의 크로스 헤드 속도 조건에서 굽힘 강도 시험을 하였다.
6-2. 파쇄 강도(압축 강도)
공인인증기관인 한국세라믹기술원에 의뢰하여 압축시험을 하였다. 1ton 용량의 만능재료시험기를 이용하였으며, 시편의 크기는 직경과 높이가 각각 50mm였다. 시편 제작에 이용한 금형은 도 16과 같다. 도 16은 압축시험을 위한 시편 제작에 이용한 금형을 촬영한 사진이다.
6-3. 내화 성형물의 특성
시편의 특성 시험 결과는 표 2에서 보이는 바와 같다. 밀도는 한국산업기술시험원에 의뢰하여 측정하였다. 밀도 값은 2.71 g/cm3으로 나타났고, 굽힘 강도는 각각 16.9 N/mm2으로 나타났으며, 815℃에서의 열간 및 상온 파쇄 강도의 경우 109N/mm2 및 81.7N/mm2로 나타났다. 이는 실제 시제품이나 양산 제품이 유도로에 장착하여 사용할 때 가열 시마다 소결되어 충분히 달성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
특성 시편번호 측정치 비고
밀도 (g/cc) 1 2.73
2 2.69
3 2.72
평균 2.71
굽힘강도(N/mm2) 1 15.0
2 16.9
3 18.7
평균 16.9
열간 파쇄강도(N/mm2) 1 107
2 110
3 110
평균 109
파쇄강도(압축강도)
(N/mm2)		 1 88
2 66
3 91
평균 81.7
7. 현장 실험
본 발명의 발명자는 5톤 용량 유도 용해로용 내화 성형물을 제작하였으며 시제품을 실제 D사 주조공장 현장 유도 용해로에 장착하여 축로하였다. 시제품을 사용한 축로 작업 순서는 도 17a 및 도 17b에서 보이는 바와 같다. 그리고 축로 작업 후 내화 성형물로 라이닝한 유도로의 조업 실험 결과는 도 18a 및 도 18b에서 보이는 바와 같다.
시제품을 사용하여 5톤 용량의 유도로를 라이닝하고, 강고철과 회수 고철을 장입하여 가열 및 용해하고 용탕 상부의 남은 내화물 성형품의 상태를 관찰하였으며 그 결과는 도 18a의 ①에서 보이는 바와 같다. 고온의 용탕과 접촉하고 있는 성형체 아랫 부분이 팽창하면서 단면의 원주 방향으로 걸리는 인장 응력에 의하여 균열이 발생할 수 있는 것을 염려하였으나 성형품 내부 표면 부분이 소결되어 필요한 강도를 확보하여 원주 방향으로 작용하는 응력에 의한 축 방향으로의 균열은 발견되지 않았다. 용탕을 모두 출탕한 뒤와 상온으로 냉각된 뒤의 유도로 내부 벽이나 바닥 부분에서 균열은 발생하지 않은 성공적인 결과를 얻었다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물에 의하면, 특정 조성물과 조성 비율 및 제작 공정과 조건을 통하여 요구되는 상온/고온 밀도와 굽힘강도 및 열간 파쇄 강도를 포함하는 물리적 성질 및 기계적 성질을 동시에 확보할 수 있는 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물을 제공할 수 있으며, 소결 시간 단축에 따른 전력비용 감소와 해제와 재 시공의 작업 시간 및 노동력의 감소를 통해 비용을 현저히 절감할 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 조성물 혼합 단계
S200: 도우(dough) 단계
S300: 충진 단계
S400: 건조 단계
S500: 내화 성형물 완성 단계

Claims (7)

  1. 유도 용해로를 포함하는 용해로의 라이닝에 적용되는 내화 성형물을 제작하기 위한 방법으로서,
    입자형의 산화알루미늄(Al2O3)과 입자형의 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)를 혼합하여 내화 혼합물을 형성하는 조성물 혼합 단계;
    상기 마련된 내화 혼합물에 물을 혼합하여 믹싱하여 반죽하는 도우(dough) 단계;
    상기 반죽된 반죽 내화혼합물을 금형에 충진하는 충진 단계;
    상기 금형에 충진된 반죽 내화혼합물을 건조시키는 건조 단계; 및
    상기 건조 단계에서 건조된 건조 내화혼합물을 가열하고 소결한 후 냉각시켜 내화 성형물을 완성하는 성형물 완성 단계;를 포함하고,
    상기 조성물 혼합 단계에서 산화알루미늄(Al2O3)은 입경 3 ~ 5mm 크기를 갖는 입자형 산화알루미늄(Al2O3)이고, 이산화규소(SiO2)는 입경 0.5 ~ 1.0mm의 이산화규소(SiO2)이며, 상기 알루미나시멘트는 50%Al2O3-30%SiO2-20%CaO의 알루미나시멘트이고,
    상기 조성물 혼합 단계에서 산화알루미늄(Al2O3)과 이산화규소(SiO2) 및 분말형 알루미나시멘트(alumina cement)는 각각 5중량% ~ 35중량%, 53중량% ~ 87중량%, 8중량% ~ 12중량%의 혼합 비율로 혼합되고,
    상기 건조 단계는, 상기 반죽 내화혼합물을 24시간 동안 상온에서 건조하며,
    상기 성형물 완성 단계는, 상기 건조 단계에서 건조된 건조 내화혼합물을 상온을 시작 온도로 하여 600℃까지 2시간 동안 5℃/min의 가열 속도로 가열하고, 1200℃로 소결한 다음, 건조 후 로냉하여 내화 성형물을 완성하는 것을 특징으로 하는
    유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도우 단계는,
    상기 내화 혼합물의 100중량부에 대하여 물을 15중량부로 혼합하여 반죽 내화혼합물을 마련하는 것을 특징으로 하는
    유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1 또는 청구항 4에 따른 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법에 의해 제작된
    유도 용해로 라이닝용 내화 성형물.
KR1020200115174A 2020-09-09 2020-09-09 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 제작 방법 및 이에 의해 제작된 유도 용해로 라이닝용 내화 성형물 KR102273124B1 (ko)

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Citations (8)

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