KR20000067290A - 노체(爐體) 손상부위의 열간 보수용 내화재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미나계 또는 마그네시아계의 내화물로 조성된 노체의 손상 부위에 대해 보수하는 불꽃 용사보수용 용사재료에 대하여 불꽃용사보수시 부착력 및 내열충격성 향상을 비롯한 보수 시공체의 내식성 증대를 갖게 하는데 적합한 노체 보수용 내화재료에 관한 것이다.

이에 따른 구성은 알루미나계 또는 마그네시아계의 내화물을 사용하고 있는 노체의 손상 부위에 대한 불꽃 용사보수용(鎔射補修用) 용사재료에 있어서, 100중량%로서, 알루미나 분말 45∼72%, 스피넬 분말 20∼40%, 규회석 분말 8∼15%로 조성되어 이루어진 노체(爐體) 손상부위의 열간 보수용 내화재에 관한 기술이다.

Description

노체(爐體) 손상부위의 열간 보수용 내화재{FIREPROOT MATERIAL FOR HOT MENDING OF DAMAGE PART IN MELTING FURNACE BADY}

본 발명은 각종 공업용 노체(爐體) 내장내화물의 손상부위에 대한 열간 보수용 내화재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불꽃 용사보수(鎔射補修)시 유동성이 좋고, 용사부착력 및 내열충격성 향상과 내식성증대를 갖는 내화재에 관한 것이다.

각종 공업용 노체는 장기간 조업의 진행에 따라 내장 내화물이 손상되기 마련이다. 예로써 통상의 가열로나 가스화로와 같은 연소용 노체의 내화물은 대개 알카리 성분이나 환원성 기체, 연소후의 잔류물로 구성되는 슬래그와 같은 물질에 의해 손상을 일으키는 경우가 많으며, 철강업에서 사용되고 있는 전기로, 전로(轉爐), 정련로, 래들(Ladle)이나 진공탈가스 설비와 같은 노체내부에 사용되는 내화물은 용융금속이나 용융슬래그에 의한 기계적, 화학적 침식에 의한 손상과 조업주기에 따른 급격한 노체 온도변화에 의한 열충격 등으로 심한 손상을 일으킨다.

따라서 노체의 유지비용 절감이나 조업의 안정화를 위하여 노체내화물에 대한 효과적인 보수기술이 꾸준히 발전되어 왔다.

이와 같이 산업용 노체의 내화물 손상 부위에 대한 종래의 보수 기술로써는 1000℃이상의 고온에서 조업하던 노체의 가동을 중단, 공냉 또는 살수하여 완전히 냉각시킨 후 손상부위의 내화물을 철거 및 재축조하는 방법, 플라스틱 내화물 등에 의한 패칭(patching)법, 부정형 내화물을 물과 혼합하여 흑손시공 또는 분사하여 열간 또는 냉간에서 덧살 붙이기로 보수하는 방법 등이 있었다.

그러나 상기와 같은 보수방법은 시간이 많이 소요되어 노조업을 지연시키는 결과를 가져오며, 물과 혼합된 보수용 내화재료와 손상부위의 가열된 내화물의 온도 차이로에 인하여 모재 내화물에 열충격을 일으키기도 하고, 보수용 내화물과의 부착성이 나쁘며, 모재 내화물보다 내식성이 현저히 떨어지는 등 보수 효과가 불충분한 문제점이 있다.

따라서 최근에는 가동중인 노체를 냉각시키지 않고 조업온도에 가까운 열간에서 손상된 노체용 내화물을 보수할 수 있는 새로운 불꽃 용사보수법이 활발히 적용되고 있다.

불꽃 용사기술은 석유, 코크스분말, LPG와 같은 가연성 연료와 산소 즉, 연소용 기체를 이용하여 2000∼2500℃정도의 고온 및 짧은 시간에 불꽃을 발생시켜 내화분말재료를 그 속으로 분사시켜 내화물 손상부위에 용융 또는 반용융상태로 부착시키는 일종의 세라믹 용접법에 해당된다.

이와 같은 불꽃 용사보수법은 노체를 냉각시키지 않고 열간에서 바로 치밀한 접착에 의한 보수가 가능하고 모재내화물 이상의 우수한 내식성을 가지는 보수시공체를 얻을 수 있기 때문에 산업용 노체전반에 걸쳐서 적용범위가 넓혀져 가고 있는 유망한 기술이다.

특히 이 기술은 가동중인 노체의 내화물 손상 부위 표면에 보수효과 저하의 요인이 되는 부착금속이나 슬래그와 같은 이물질을 고온불꽃에 의하여 쉽게 제거할 수 있어서 내화물 손상부위에 대한 획기적인 보수 효과를 얻을 수 있는 이점이 있다.

상기 보수에 이용되는 불꽃용사용 재료는 주로 분말의 내화재료를 이용하는데, 이는 보수하고자 하는 모재의 재질에 따라 실리카, 알루미나, 지르코니아, 마그네시아, 스피넬 및 크로미아를 주원료로 하는 각종의 용사재료를 선택하여 사용하고 있다.

이와 같은 불꽃 용사보수용 내화재료와 그 제조방법에 대해 지금까지 알려져 있는 공지 기술들은 불꽃 용사보수 시공시의 효율성에 따라 대개 다음의 범주에 속한다고 할 수 있다.

첫째, 2000℃ 이상의 고융점을 가지며 입경 0.21 mm 이하인 알루미나 또는 마그네시아 분말에 스피넬 분말이나 천연산 크롬광 분말과 1400℃ 전후의 용융점을 가지는 저융점 재료를 혼합하여 제조하는 방법.

둘째, 상기와 같이 고융점을 가지는 알루미나 또는 마그네시아 분말표면에 저융점 재료를 피복하여 제조하는 방법.

셋째, 상기와 같이 고융점을 가지는 알루미나 또는 마그네시아 분말과 전로 슬래그에 금속분말 또는 코크스분말 등의 산화발열성 분말을 첨가하여 제조하는 방법.

넷째, 상기와 같이 고융점을 가지는 알루미나 또는 마그네시아 분말에 슬래그나 규회석 등의 저융점 재료를 혼합, 성형, 소성, 분쇄하여 제조하는 방법 등이 있다.

상기한 첫째 방법에 속하는 용사재료는 각 원료를 단순 배합하는 방법으로서 제조상의 경제성이나 용융 특성에만 의존되기 때문에 저융점 재료의 소량 첨가에 의해 높은 부착력을 얻기가 어렵거나, 저융점 재료의 첨가량 증가로 부착율을 높일 경우에는 기공체의 내식성이 나빠지는 문제점이 있어 실용성있는 용사재료를 제조하기 어렵다.

상기한 둘째 방법에 의한 용사재료는 저융점 재료의 첨가량을 적게하면서 용사재료의 유동성이 좋고 용사시 부착율이 향상되며, 용사 시공체의 내식성을 좋게 하지만, 피복시의 낮은 생산성과 제조공정이 복잡하고 길어지는 등의 비경제적인데 문제가 있다.

상기한 셋째 방법에 의한 용사재료는 통상의 알루미나 또는 마그네시아에 저융점 재료로 첨가하는 전로슬래그의 나쁜 고온 유동성으로 인해 용사시의 낮은 부착율이 문제가 되며, 산화발열성 재료를 첨가한 경우 제조공정상의 안전과 보관 및 사용상의 위험이 수반되는 결점이 있다.

상기한 넷째 방법에 의한 용사재료는 통상 0.21mm 이하의 알루미나 또는 마그네시아 분말을 주원료로 사용하는 용사재료로서 상기한 첫째 내지 셋째의 용사재료에 비하여 제조상의 간편함이나 용사부착율, 용사시공체의 내식성면에서 비교적 개선된 용사재료이지만 유동성이 나빠 용사시 맥동현상에 기인된 용사시공체의 층상조직으로 층간분리가 빈번히 일어나는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 알루미나계 또는 마그네시아계를 주성분으로 하는 내화물의 손상부위를 불꽃용사법을 이용 효과적으로 보수할 수 있는 내화재료에 대하여 유동성을 좋게함과 함께 용사시공시 단순한 공정으로 용사부착력 및 내식성 향상을 갖게하는 내화재료를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 알루미나계 또는 마그네시아계의 내화물을 사용하고 있는 노체의 손상 부위에 대한 불꽃 용사보수용 용사재료에 있어서, 100중량%로서,알루미나 분말 45∼72%, 스피넬 분말 20∼40%, 규회석 분말 8∼15%로 조성되어 이루어진 노체 손상부위의 열간보수용 내화재로 구성된다.

상기 구성된 알루미나와 스피넬은 각각 고온 내침식성과 열충격저항성을 향상시키기 위해 첨가한 것으로, 이들 각 분말은 0.21∼0.044mm 범위의 입경을 갖는 것을 사용함이 바람직한 것으로, 그 입경이 0.21mm 이상인 경우는 불꽃중에서 용융되기 어려우며, 0.044mm 보다 작을 경우는 용사재료의 저장과 용사시공에 bridge 또는 맥동현상의 원인이 된다.

그리고 알루미나 분말을 단독으로만 사용하면 열충격저항성 및 내식성이 나빠지므로 스피넬 분말을 혼합하여 사용함이 바람직하다. 이 때 이들의 혼합량이 92중량%를 초과하면(즉, 알루미나 분말 72중량% + 스피넬 분말 20중량%) 저융점재료(규회석)의 양이 적게되어 용사재료의 부착효율이 나빠지며, 또한 그 혼합량이 85중량%(즉, 알루미나 분말 45중량% + 스피넬 분말 40중량%)미만이 되면 저융점재료의 과잉으로 용사 시공체가 과용융되어 다공화되거나, 용융금속에 대한 내침식성이 급격히 떨어지는 문제점이 발생한다.

이 때 열충격저항성을 향상시키기 위해 사용하는 스피넬 분말의 첨가량이 20중량% 미만이면 용사 시공체의 열충격저항성이 미흡하게 되고, 40중량%를 넘으면 용사 시공체의 강도가 떨어지는 문제가 발생한다. 스피넬 분말의 첨가량이 증가될수록 용사 시공체의 강도가 저하되므로 가장 이상적인 스피넬 분말의 첨가량은 30중량% 전후이다.

규회석 분말은 무기결합제 즉, 용융온도 1400∼1500℃인 저융점재료로서 용사시 시공체의 육성용 결합제 역할을 하는데, 첨가량이 증가될수록 일반적으로 용사 부착성이 향상되지만, 융점이 낮은 관계로 1650℃ 정도의 고온 용강에 대하여는 거의 내식성이 없기 때문에 첨가량이 제한된다.

이 때 첨가량이 8중량% 미만이면 용사 초기에 부착이 제대로 되지않고 모재표면에 저융점재료의 부착층이 두터워지며 용사 시공체 수명단축의 원인이 되기도 한다. 그리고 그 첨가량이 15중량%를 초과하면 용사 시공체는 골재 역할을 하는 알루미나와 스피넬의 첨가량이 작아지고 저융점재료의 과용융으로 인해 기공이 증가하고 내식성이 저하된다.

본 발명의 용사재료는 상기 조성에 의하여 제조함에 있어 그 제조비용을 최소화하는 단순배합으로 할 수 있는데, 규회석 분말이 충분히 분산되지 않을 경우 용사 시공체의 가압혼련보다는 V-형 혼합기를 사용하는 것이 가장 경제적이다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

표 1과 같은 배합비를 갖는 용사재료를 V 형 혼련기에 투입, 20분간 혼련하여 제조하였다. 이와 같이 제조된 용사재료를 분말물성 측정 장치를 이용하여 유동성 지수(carr)를 측정하였다.

이 때 용사속도 50kg/hr, 산소 75Nm³/hr, LPG 15Nm³/hr, 용사거리 30cm의 용사조건으로 마그네시아-크로미아질 내화벽돌위에 용사하여 용사 시공체를 제조한 후 기공율 등의 물성을 평가 하였으며, 모재로 사용된 마그네시아-크로미아질 내화벽돌의 용사 전 후 무게를 측정하여 부착율을 평가하였다.

실시예 1∼4는 스피넬 분말과 규회석 분말의 함량을 본 발명의 범위 내에서 변화시켰으며, 비교예 1∼ 4는 본 발명의 범위를 벗어난 함량으로 제조된 용사재료를 사용하여 제조된 용사시공체를 사용하였다.

실시예 1, 2의 경우 마그네시아-크로미아질 내화벽돌위에 용사하였을때 부착율은 저융점재료가 과량으로 첨가된 비교예 2에 비해 떨어지지만 기공율과 내식성 등은 우수하다. 즉, 규회석이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1은 저융점재료의 부족으로 인하여 기공율이 증가되고 이로 인해 내식성과 강도가 저하됨을 알수 있다.

실시예 1의 용사재료는 실제 가동중의 공업용 노체 내화물의 용사보수에 적합한 것으로서 불꽃 용사보수 장치에 투입하여 사용하기에 적당한 유동성을 가지면서 상기 용사조건으로 용사한 결과 부착성과 내식성 측면에서 가장 경제성있고 우수한 결과를 나타내었다.

이러한 용사재료의 경우 구상의 골재원료를 사용하여 실제의 로에 적용시 유동성 지수와 부착율을 약 20% 정도 높일수 있어 고유동성, 고부착율을 갖는 용사재료의 제조가 가능하다. 한편 비교예 2의 용사재료와 같이 저융점재료의 첨가량이 과도해지면 용사시의 부착율은 매우 좋지만 과량의 저융점재료로 인하여 용사재료의 유동성이 매우 나빠지며 동일한 용사조건하에서 용사 시공체가 과용융에 의해 아주 다공화되고 용사보수 시공체로 사용하기 곤란하게 된다.

또한 스피넬의 첨가량이 증가함에 따라 용사 시공체의 강도가 증가하는 장점이 있지만, 비교예 4의 용사재료와 같이 스피넬 분말의 첨가량이 과도해지면 용사시공체에 균열발생이 크게 증가하여 기공율이 증가하고 내식성이 저하하는 문제가 있다.

※1 : 입경 0.21mm 이하인 알루미나 분말

※2 : 입경 0.21mm 이하인 스피넬 분말

※3 : 입경 0.074mm 이하인 천연산 규회석 분말

※4 : 유동성 지수(Flowability indox)

※5 : 용사속도 50kg/hr, 산소 75Nm³/h, LPG 15Nm³/hr, 용사거리 30cm의 조건으로 용사하여 얻은 시공체를 1650℃×3 시간 동안

용강으로 침식시킨 후의 침식된 면적으로 비교( ◎ 매우양호,

○ 양호, △ 보통, × 불량)

이상에서와 같이 본 발명은 알루미나 또는 마그네시아를 주원료로 하는 내화물을 사용하고 있는 노체의 손상 부위에 대한 불꽃 용사보수용 용사재료에 있어서, 알루미나 분말과 스피넬 분말, 규회석 분말을 적절한 비율 및 입경 분포로 하는 용사재료를 사용함으로써, 이를 이용한 노체의 손상부위에 대한 불꽃 용사보수시 부착력 및 내열충격성 향상을 비롯한 시공체의 내식성 증대를 갖는 노체 보수용 내화재료를 얻게 된다.

Claims (2)

1. 알루미나계 또는 마그네시아계의 내화물을 사용하고 있는 노체의 손상 부위에 대한 불꽃 용사보수용(鎔射補修用) 용사재료에 있어서, 100중량%로서,알루미나 분말 45∼72%, 스피넬 분말 20∼40%, 규회석 분말 8∼15%로 조성되어 이루어짐을 특징으로 하는 노체(爐體) 손상부위의 열간 보수용 내화재.
2. 제 1 항에 있어서,

   알루미나 분말과 스피넬 분말의 입경이 각각 0.044mm∼0.21mm 범위이고, 규회석 분말의 입경이 0.074mm 이하인 것을 특징으로 하는 노체(爐體) 손상부위의 열간 보수용 내화재.