KR102372663B1 - 용융로 내화물 구조체 및 이를 구비하는 용융로 - Google Patents

Abstract

용융로 내화물 구조체 및 이를 포함하는 용융로가 제공된다.
본 발명의 용융로 내화물 구조체는, 용융로의 내측에 형성되어 금속 철피를 보호하는 제1 내화물부; 상기 제1 내화물부의 내측에서 용융로의 내부로 형성된 제2 내화물부; 상기 제 1 내화물부와 상기 제 2 내화물부 사이에서 상기 제 1 내화물부의 내측 둘레를 따라 형성되고, 그 양면에 탄소 함유 접착제가 도포되어 있는 하나 이상의 Ti 금속판을 포함하는 내화물보호부;를 포함하다.

Description

용융로 내화물 구조체 및 이를 구비하는 용융로{REFRACTORY STRUCTURE OF MELTING FURNACE AND MELTING FURNACE HAVING THE SAME}

본 발명은 용융로의 내화물 구조체 및 이를 구비하는 용융로에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 용융로의 노저 내화물의 마모를 방지할 수 있는 용융로 내화물 구조체 및 이를 구비하는 용융로에 관한 것이다.

용융로는 금속에 용융점 이상의 고열을 가해서 용융시키는 노를 말하며, FINEX 용융로, 용광로 등이 이에 해당한다. 이 중에서 용광로는 철광석을 환원시켜 선철(이하, 용선이라 함)을 생산하는 설비로서, 용광로 내부에 철광석과 코크스, 그리고 부원료를 적층하고 용광로 하부 원주방향으로 설치된 송풍구를 통해 고온 열풍을 공급하여 코크스를 산화시키고, 여기서 생성된 CO가스로 철광석을 환원시켜 용융상태의 용선을 생산하는 설비이다.

용광로의 송풍구 하부에는 최대 1500℃의 용융된 용선이 존재하며 송풍구 상부에는 최대 1100℃의 고온 환원가스가 상승하고, 최상부에서는 철광석과 코크스가 지속적으로 투입되어 송풍구 상부까지 순차적으로 하강하게 된다. 이로 인해 용광로 하부의 내화물은 고온의 용융된 용선에 의해 화학적 마모에 노출되고 용선의 출선에 의한 용선 유동에 의해 기계적 마모 현상이 발생하게 된다. 이러한 노저부 내화물의 마모 방지와 철피의 적열 현상을 방지하기 위해 용광로 노저부 외벽부와 바닥부에 적절한 냉각 장치가 설치된다.

도 1은 종래 용융로의 노저 내화물의 기본구조를 보이는 개략 단면도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 용융로의 노저 내화물의 빠른 열 배출을 위해 철피 부근에는 열전도도가 높은 카본질 내화물(Standard carbon/Super micropore carbon)이 형성되고, 고온의 용선과 접촉되는 내부에는 카본질 내화물에 직접적인 열충격이 가해지는 것을 방지하기 위하여 세라믹 내화물(Mullite /Hi-Al Brick)이 형성되어 있다.

종래의 용광로는 조업 연수가 증가됨에 따라 노저부 내화물이 용선에 의해 화학적 마모와 기계적 마모가 발생하고, 내화물이 일정 두께 이하로 잔존하게 되면 용광로 외벽에 설치되는 냉각 장치로는 외부 철피를 보호하기 힘들어진다. 이에 따라 용광로의 개수 공사를 수행해야 하는 문제가 있었다.

따라서 고로에 사용되는 카본내화물의 기술개발은 기공률(Porosity)개선을 통한 열전도도 향상 및 압축강도(Compression strength)증가로 용선의 내침식성을 향상시키는 방향으로 진행이 되고 있다. 그 일예로, Carbon block내 TiC 혼합(CBD-GT1) 제조를 통한 내침식성이 향상되는 기술이 제시되고 있으나, 본 기술은 내슬래그성, 내용손성은 우수하지만 기계적 강도가 불충분하였다. 또한 Carbon block 표면에 레이져 클레딩 기술을 활용하여 TiC coating하는 기술도 제시되고 있으나, 현장시공이 불가하고 및 고가의 코팅비용이 들어가는 등의 문제가 존재하였다.

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등록특허공보 제10-1975328호(2019.05.07.) 공개특허공보 제10-2013-0045371호(2013.05.03.)

본 발명은 용광로 노저부의 고온 영역으로부터 철피를 보호하는 카본질 내화물의 마모를 저감시킬 수 있는 기술로서, 용융로의 노저 내화물인 카본질 내화물과 세라믹 내화물 사이에, 그 표면에 탄소를 함유한 접착제가 도포된 Ti 금속판을 배치함으로써 내마모성과 내침식성이 우수한 용융로 내화물 구조체를 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 내화물 구조체를 포함하는 용융로를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일측면은,

용융로의 내측에 형성되어 금속 철피를 보호하는 제1 내화물부;

상기 제1 내화물부의 내측에서 용융로의 내부로 형성된 제2 내화물부;

상기 제 1 내화물부와 상기 제 2 내화물부 사이에서 상기 제 1 내화물부의 내측 둘레를 따라 형성되고, 그 양면에 탄소 함유 접착제가 도포되어 있는 하나 이상의 Ti 금속판을 포함하는 내화물보호부;를 포함하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체에 관한 것이다.

상기 제1 내화물부는 탄소질 내화물 및 세라믹내화물 중 하나이며 상기 제2 내화물부는 세라믹내화물인 것이 바람직하다.

상기 내화물보호부를 이루는 상기 Ti 금속판은 상기 제1 내화물부와 상기 제2 내화물부를 결합하는 캐스터블 내화물에 매설되는 구조로 설치될 수 있다.

상기 탄소 함유 접착제는 그라파이트 접착제 및 페놀 레진 중 하나일 수가 있다.

상기 Ti 금속판의 표면에는 타공부가 형성되어 있을 수 있다.

상기 Ti 금속판의 표면에 티타늄카바이드(TiC) 코팅층을 형성되어 있을 수 있다.

상기 Ti 금속판의 타공부에는 접착제가 채워져서, 그에 접하는 좌우 내화물과의 결합력을 증가시킬 수 있다.

또한 본 발명의 다른 측면은,

상술한 용융로 내화물 구조체를 구비한 용융로에 관한 것이다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 환원성분위기의 용융로에 그 양면에 탄소함유 접착제가 도포된 두께 1~2mm의 Ti 금속판을 용융로의 내화물 사이 간격에 단독 또는 다수 시공함으로써 용융로 운전기간 동안 Ti과 C의 확산반응으로 Ti 금속판에 용선 마모와 침식에 강한 TiC를 효과적으로 형성할 수 있다.

또한 TiC 확산속도가 빠를수록 용융물질과 반응하기 전에 두껍게 형성되므로, 고로의 수명향상에 기여할 것으로 판단이 되고, 가격 경쟁력 측면에서 우월하며, 현장시공도 가능하여 유리한 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 용융로의 노저 내화물의 기본구조를 보이는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용융로의 노저 내화물의 기본구조를 보이는 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 용융로 노저내화물 사이에 내화물보호부가 형성된 모습을 나타내는 개략단면도로서, (a)는 종래예를, (b)는 본 발명의 양면에 탄소함유 접착제가 도포된 Ti 금속판이 캐스터블 내화물에 매설된 것을 보이는 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 타공부를 갖는 Ti 금속판을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명을 모사하기 위하여, 그라파이트 환봉에 TiC를 코팅한 후, 침식시간 별 코팅 두께 감소율을 보이는 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명의 발명자들은 금속이 포함된 광석의 환원을 통해 유용금속을 추출하는 용융로 및 환원성분위기에 사용하는 로(Furnace)에 설치되는 노저 내화물의 마모를 저감할 수 있는 방법에 대하여 연구와 실험을 거듭하였다. 그 결과, 노저 내화물 종류에 상관없이 제1 내화물과 제2 내화물 사이에 존재하는 Gap(Castable 시공영역)에 그 양면에 탄소를 함유하는 접착제가 도포된 Ti 금속판을 시공함으로써 용융로의 운전기간 동안 티타늄(Ti)과 탄소(C)의 확산반응을 통해 내마모성 및 내침식성이 우수한 티타늄카바이드(TiC)를 형성하여 로 수명 향상에 기여함을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

따라서 본 발명의 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체는, 용융로의 내측에 형성되어 금속 철피를 보호하는 제1 내화물부; 상기 제1 내화물부의 내측에서 용융로의 내부로 형성된 제2 내화물부; 상기 제 1 내화물부와 상기 제 2 내화물부 사이에서 상기 제 1 내화물부의 내측 둘레를 따라 형성되고, 그 양면에 탄소 함유 접착제가 도포되어 있는 하나 이상의 Ti 금속판을 포함하는 내화물보호부;를 포함한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용융로의 노저 내화물의 기본구조를 보이는 개략 단면도이며, 도 3은 본 발명의 용융로 노저내화물 사이에 내화물보호부가 형성된 모습을 나타내는 개략단면도로서, (a)는 종래예를, (b)는 본 발명의 양면에 탄소함유 접착제가 도포된 Ti 금속판이 캐스터블 내화물에 매설된 것을 보이는 개략 단면도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 내화물보호부를 개략적으로 나타내는 사시도이다

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 용융로 내화물 구조체(1)는 제1 내화물부(10), 제2 내화물부(20) 및 내화물보호부(30)를 포함할 수 있다.

제1 내화물부(10)는 용융로(MF)의 내측에 설치될 수 있다. 구체적으로, 제1 내화물부(10)는 용융로(MF)의 바닥과 용융로(MF)의 측벽을 덮는 구조로 설치될 수 있다.

제1 내화물부(10)는 용융로(MF) 내부의 높은 열을 외부로 배출하기 위한 높은 열전도도를 가지는 재질로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 제1 내화물부(10)는 카본질 내화물 및 세라믹내화물 중 하나로 구성될 수 있다.

제2 내화물부(20)는 제1 내화물부(10) 상에 설치되어 제1 내화물부(10)를 보호할 수 있다. 제2 내화물부(20)는 고온의 용융된 금속(예를 들어 용선)이 제1 내화물부(10)에 직접적인 열충격을 가하는 것을 방지할 수 있도록 제1 내화물부(10)를 덮는 구조로 설치될 수 있다.

제2 내화물부(20)는 제1 내화물부(10)와 상이한 재질로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 내화물부(20)는 세라믹내화물로 구성될 수 있다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 용융로 내화물 구조체(1)는 제1 내화물부(10)과 제2 내화물부(20) 사이에 형성된 내화물보호부(30)를 포함하며, 상기 내화물보호부(30)은 상기 제 1 내화물부(10)의 내측 둘레를 따라 형성되고, 그 양면에 탄소 함유 접착제(33)가 도포되어 있는 하나 이상의 Ti 금속판(31)을 포함하여 구성된다.

그리고 본 발명에서 상기 내화물 보호부(30)를 이루는 Ti금속판(31)은 제1 내화물부(10)와 제2 내화물부(20)를 결합하는 캐스터블 내화물(37)에 매설되는 구조로 설치될 수 있다.

일 실시예에서, 내화물 보호부(30)는 대략 1~2mm 정도 두께를 갖는 티타늄 금속판(31)으로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 Ti 금속판(31)은, 일예로, 전체적으로 도 4와 같은 링 형상의 구조를 가지며, 용융된 금속의 유동에 따른 마모가 높게 나타나는 용융로(MF)의 노저부 모서리 영역에서 용융로(MF)의 둘레를 따라서 적어도 하나 이상 제공될 수 있다.

본 발명에서 상기 Ti 금속판(31)의 표면에는 타공부(35)가 형성되어 있을 수 있다. 이러한 타공부(35)는 후술하는 바와 같이, 접착제가 채워져 인접하는 내화물에 보다 더 우수한 결합력을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 Ti 금속판(31)의 양 표면에 탄소를 함유하는 접착제(33)를 도포한다. 본 발명에서는 상기 탄소 함유 접착제(33)로서 그라파이트 접착제 및 페놀 레진 중 하나를 이용할 수 있다.

이와 같이, 그 양면에 탄소함유 접착제(33)가 도포된 Ti 금속판(31)을 포함하는 내화물 보호부(30)를 용융로의 제1 내화물부(10)와 제2 내화물부(20) 사이에 설치함으로써, 용융로(MF) 내에서 생산되는 고온의 용융 금속에 의해 내화물보호부(30)의 온도, 즉 Ti 금속판(31)의 온도가 1000℃ 이상으로 상승하면, 상기 접착제(33)중 카본(C)이 Ti 금속판(31)에 결합되어 Ti 금속판(31) 표면에 티타늄카바이드(TiC) 코팅층을 형성한다.

이때, 형성되는 티타늄카바이드(TiC)는 용융점이 3140℃이고, 경도가 3200HV인 특성을 가지므로, 용융된 금속에 의한 화학적 및 기계적 마모에 적절하게 대응할 수 있게 된다. 그리고 상술한 바와 같이, 만일 상기 Ti 금속판(31)이 그 표면에 형성된 타공부(35)를 가질 경우, 이러한 타공부(35)에 접착제(33)이 채워지고, 이러한 채워진 접착제가 용융로의 고온 환원반응 중 Ti 금속판(31)과 반응되어 TiC 코팅층을 형성할 수도 있다.

즉, 상기 탄소함유 접착제(33)의 사용으로 확산을 위한 반응 표면적의 향상되어 확산속도의 증대가 가능하고, 내화물과의 결합력 향상이 기대되며, 고온에서 Ti와 결합할 수 있는 탄소내화물 이외의 다양한 세라믹내화물에도 본 발명은 적용 가능한 장점이 있다. 또한 티타늄 판재의 양면에 접착제를 시공하여 확산속도 증대가 가능하고 다수의 Ti 금속 판재를 시공함으로써 내화물 수명을 증가시킬 수 있다

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 용융로(MF) 노저부에 카본내화물로 구성되는 제1 내화물부(10)를 설치하고, 그 상부에 세라믹내화물로 구성되는 제2 내화물부(20)를 설치하며, 그 양면에 탄소함유 접착제가 도포된 Ti 금속판으로 구성되는 내화물보호부(30)를 제1 내화물부(10)와 제2 내화물부(20) 사이에 설치함으로써 용융로(MF) 노저부의 내화물이 용융된 금속(용선)에 의해 화학적, 기계적 마모되는 것을 저감할 수 있다.

특히, 용융로 조업 시, 고온 용융된 금속에 의해 Ti 금속판의 온도가 1000℃이상으로 올라가면, 그 표면에 도포된 접착제 중 카본이 Ti 금속판과 결합하여 TiC를 형성함으로써 용선에 의한 내화물의 마모를 저감시켜 용융로(MF)의 수명을 연장시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 하기 실시예는 본발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 특정하기 위한 것이 아님을 유의할 필요가 있다.

(실시예)

본 발명의 Ti 금속판상에 형성되는 TiC 코팅층의 용선에 대한 내마모성 평가를 모사하기 위하여, 도 5와 같이, 18mm 길이의 그라파이트 환봉을 3개 마련하였다. 이어, 상기 그라파이트 환봉들 중 2개는 그 표면에 통상의 PVD 공정을 이용하여 TiC를 5㎛ 두께로 코팅하였으며, 이들 중 하나에는 코팅 후 1100℃ 불활성분위기에서 열처리하였다. 그리고 나머지 하나는 TiC 코팅을 하지 않았다.

상기와 같이, 마련된 그라파이트 환봉을 용선에 침적한 후, 그 침식시간에 대한 두께 감소율(%)을 평가하여, 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 그라파이트 환봉에 TiC 코팅층을 형성한 경우가, 그렇지 않은 경우 대비 두께감소율이 작음을 알 수 있으며, 특히, 불활성분위기에서 1100℃에서 고온열처리를 한 그라파이트 환봉이 그럴지 않은 경우 대비 보다 우수한 침식저항을 보임을 알 수 있다.

그러므로 그 양면에 탄소함유 접착제가 도포된 Ti금속판을 내화물보호부로 이용하는 본 발명의 경우, 1000℃ 이상의 용융로 조업에서 접착제와 Ti 금속판이 반응하여 TiC 코팅층이 형성되면 용융로 노저 내화물의 용선에 의한 내침식성이 우수해짐을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

1. 용융로의 내측에 형성되어 금속 철피를 보호하는 제1 내화물부;
   상기 제1 내화물부의 내측에서 용융로의 내부로 형성된 제2 내화물부;
   상기 제 1 내화물부와 상기 제 2 내화물부 사이에서 상기 제 1 내화물부의 내측 둘레를 따라 형성되고, 그 양면에 탄소 함유 접착제가 도포되어 있는 하나 이상의 Ti 금속판을 포함하는 내화물보호부;를 포함하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 내화물부는 탄소질 내화물 및 세라믹내화물 중 하나이며, 상기 제2 내화물부는 세라믹내화물인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 내화물보호부를 이루는 상기 Ti 금속판은 상기 제1 내화물부와 상기 제2 내화물부를 결합하는 캐스터블 내화물에 매설되는 구조로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 탄소 함유 접착제는 그라파이트 접착제 및 페놀 레진중 하나인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 Ti 금속판의 표면에는 타공부가 형성되어 있음을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 Ti 금속판의 표면에 티타늄카바이드(TiC) 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체.
   
7. 제 5항에 있어서, 상기 Ti 금속판의 타공부에는 접착제가 채워져서, 그에 접하는 좌우 내화물과의 결합력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 용융로 내화물 구조체.
   
8. 제 1항의 용융로 내화물 구조체를 구비한 용융로.
   

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