KR20030081527A - 용융된 금속 내에 가스를 주입하는 내화 플러그 또는 내화벽돌 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용융된 금속 접촉면(11)을 통해 용융된 금속 내에 가스를 주입하는 플러그 또는 벽돌(1)에 관한 것으로서, ⅰ)용융된 금속 접촉면(11)을 제외하고 실질적으로 비다공성 본체(9)에 의해 거의 포위된 다공성 내화 본체(2)와, ⅱ)가스원으로부터 다공성 본체(2)를 향해 가스를 급송하는 가스 안내 수단(3, 5)을 포함한다. 상기 플러그 또는 벽돌은, 상기 비다공성 본체(9)가 내화 재료로 제조되고 상기 다공성 본체(2)와 비다공성 본체(9)가 함께 압착된 것을 특징으로 한다. 이 플러그 또는 벽돌은 작은 기포를 용융된 금속욕 내에 효율적이고도 신뢰성 있게 주입하는 데 사용될 수 있다.
Description
다양한 목적을 위해 래들, 도가니 또는 턴디쉬와 같은 용기 내의 용융된 금속에 흔히 가스를 주입하고 있다. 예컨대, 가스는 용기의 바닥 부분으로 도입되어 비교적 저온의 바닥 영역에 있는 고형물을 세척하고, 예컨대 용기의 저부에 탕출구가 있는 경우 그 탕출구 근처에서 고형물을 제거한다. 강 제조시, 예컨대 턴디쉬 내에 미세한 기포막을 느리게 주입하는 것은 함유물 제거에 일조하고, 상기 함유물은 미세한 기포에 부착되어 종래에 턴디쉬 덮개 분말 또는 플럭스가 포착되어 있는 표면을 향해 용융물을 통해 상방으로 상승된다. 가스는 또한 용융물의 상승을 위해 또는 용융물을 열적으로나 구조적으로 균등하게 하기 위해, 또는 용융물 전체에 걸쳐 합금 첨가물이 분산되는 것을 일조하기 위해 도입될 수도 있다.
통상, 불활성 가스가 사용되지만 용융물 조성이나 성분이 변경될 필요가 있는 경우에는 반응 가스, 예컨대 환원 가스나 산화 가스도 또한 사용될 수 있다.예컨대, 질소, 염소, 프레온, 6불화황, 아르곤 등과 같은 가스를 용융된 금속, 예컨대 용융된 알루미늄이나 알루미늄 합금 내에 주입하여 수소 가스, 비금속 함유물 및 알칼리 금속과 같이 바람직하지 못한 성분을 제거하는 것은 일반적이다. 용융된 금속에 첨가된 반응 가스는 바람직하지 못한 성분과 화학적으로 반응하여 이들 성분을 나머지 용융물로부터 쉽게 분리될 수 있는 석출물, 불순물 또는 비용해성 가스 화합물과 같은 형태로 변환시킨다. 이들 가스(또는 그외의 가스)는 또한 예컨대 강, 구리, 철, 마그네슘 또는 이들 합금에 사용될 수도 있다.
가스 주입 작업을 효율적으로 수행하기 위해서는, 가스가 바람직하게는 용기의 바닥으로부터 매우 많은 수의 극히 작은 기포 형태로 용융된 금속 내에 도입되는 것이 좋다. 기포의 크기가 감소할수록 단위 용적 당 기포의 수가 증가된다. 기포수의 증가 및 단위 용적 당 표면적의 증가는 주입 가스를 사용하여 예상 작업을 효율적으로 수행할 가능성을 증가시키게 된다.
이전의 가스 주입 제안은 일반적으로 용기의 바닥 뿐만 아니라 벽의 내화 라이닝에 다공성의 고형 내화 플러그 또는 벽돌의 설치를 포함하였다. 사용시에, 상기 플러그 또는 벽돌은 가스의 흐름을 기포 형태로 도입시킨다.
예컨대, 용융된 금속 내에 가스를 도입하는 주지의 기법은 용융된 금속을 함유하는 용기의 일부(바람직하게는, 용기의 바닥)를 다공성 세라믹체로 라이닝하는 것으로 이루어진다. 상기 가스는 다공성 세라믹체의 금속 접촉면으로부터 멀리 떨어진 위치에서 다공성 세라믹체 내로 도입된다. 가스가 다공성 세라믹체를 통과하는 동안, 가스는 다수의 기포가 용융된 금속 내로 유출되도록 다수의 작은 사행성경로를 따라간다.
일반적으로 다공성 세라믹체 내로 가스를 도입시키는 매니폴드로서 작용하는 금속 케이싱은 상기 다공성 세라믹체를 지지한다. 통상, 금속 케이싱은 (아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스 또는 약간의 반응 가스와 함께 사용하기 위한) 연강이나 (고반응성의 염소 또는 프레온과 함께 사용하기 위한) 인코넬(inconel)로 제조된다. 조립체/케이싱은 그 상부면을 제외한 모든 측면이 치밀질 고강도 캐스터블(castable) 또는 벽돌과 같은 내화 재료에 의해 포위되어 지지된다. 캐스터블이 사용되는 경우, 이 캐스터블은 다공성 세라믹체 둘레에 위치하는 주형물이거나 고온 금속 용기의 라이닝 설치 동안 적소에 고정되는 예성형된 구성 요소로부터 형성될 수 있다. 라이닝 재료는 다공성 세라믹체 구조에 대해 돌출하게 된다.
전술한 구조에서의 문제점은 케이싱과 다공성 세라믹체 사이 및 케이싱과 지지 캐스터블/벽돌 사이에서 효과적인 가스 밀봉을 유지하는 것이 어렵다는 점이다. 금속 케이싱과 내화 재료의 열팽창 계수가 상당히 다르기 때문에 부품에 곤란함이 생긴다. 또한, 사용된 가스가 염소이면 금속 케이싱이 침식을 받는다. 균열이 발생되면(여기에 사용된 바와 같이, "균열"이라는 용어는 바람직하지 못한 가스가 누출되게 하는 가스 분산 장치에서의 임의의 결함을 칭함), 가스가 상기 균열을 통해 누출되고, 이후에 다음의 벽돌 및 내화 지지부를 통해 대기로 흔히 이동된다. 50 cm 이상의 내화 재료를 통해 가스 이동이 가능하다. 상기 문제점은 의도된 가스 발포면을 통한 가스 유동에 미치는 가스 누출의 효과가 상당히 감소되고 발포 벽돌의 효과가 감소되기 때문에 바람직하지 않다. 소정의 경우에, 미세한 기포에 의한가스 유동이 중단되고 비효율적인 대형 기포에 의해 가스 유동이 제어되지 않은 방향으로 대체된다. 아르곤이 사용되면 비교적 큰 비용을 고려해야만 한다. 상기 문제는 염소의 경우에 대기로 방출시 염소의 유해한 작용으로 인해 특히 심각하다. 사용된 정제 가스의 종류에 상관없이, 가스 누출을 방지하도록 균열을 방지하는 것은 중요하다.
용융된 금속 내에 가스를 주입하는 데 유용한 기법이, 매우 작은 다수의 기포를 용융된 금속 내에 분산시키는 목적을 달성하는 동시에 가스 누설을 초래하는 가스 분산 장치의 균열을 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 그러한 임의의 장치가 적당한 비용으로 쉽게 제조될 수 있고 기존의 장치에 비해 치수가 작은 것이 바람직하다. 더욱이, 그러한 임의의 가스 주입 장치가 턴디쉬, 래들, 용융 용기 등과 같은 기존의 장비의 변경 없이 또는 미소한 변경만으로 기존의 장비에 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 이 장치를 용융된 금속 용기의 기존 내화 라이닝에 삽입하기 위해서는, 열팽창 불일치로 인한 임의의 불리한 화학 반응을 방지하도록 주위의 내화 재료와 합치될 수 있는 것이 바람직하다.
또한, 장치가 특정한 고객의 요구에 적합할 수 있도록 제작 공정 중에 단지 미소한 조정에 의해 매우 광범위한 발포 조건(기포 크기, 용적, 압력 등)으로 조정될 수 있는 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 용융된 금속 내에 가스를 주입하는 내화 플러그 또는 내화 벽돌과, 용융된 금속에 가스를 주입하는 내화 플러그 또는 내화 벽돌의 제조에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예의 횡단면도이다.
따라서, 본 발명은 용융된 금속 접촉면을 통해 용융된 금속 내로 가스를 주입하는 다공성 고형 내화 플러그 또는 벽돌에 관한 것으로서, ⅰ)용융된 금속 접촉면을 제외하고는 실질적으로 비다공성 본체에 의해 거의 포위되는 다공성 내화 본체와, ⅱ)가스원으로부터 상기 다공성 내화 본체로 가스를 급송하는 가스 안내 수단을 구비한다.
본 명세서의 범위에 있어서, 가스를 주입하는 플러그 또는 벽돌은 플러그, 벽돌, 블록, 댐(dam), 타일, 봉 등일 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 플러그 또는 벽돌은 임의의 용융된 금속 또는 그 합금 내로 임의의 가스(반응 가스 또는 불활성 가스)를 주입하는 데 사용될 수 있다. 플러그 또는 벽돌에는 적어도 가스가 주입되는 용융된 금속 접촉면이 있다. 플러그 또는 벽돌은 용융된 금속 접촉면은 물론 제외하고 비다공성 본체에 의해 거의 포위된(예컨대, 봉입되거나 매설된) 다공성 내화 본체를 구비한다. 플러그 또는 벽돌은 용융된 금속 용기의 라이닝에 포함되거나 그 일부를 구성할 수 있다.
다공성 본체는 임의의 다공성 내화 재료로 제조될 수 있다. 사실상, 사용되는 재료의 물성은 이 재료가 필요한 기공률을 갖고 있는 한 중요하지 않다. 일반적으로, 20%를 넘는 겉보기 기공률을 갖는 재료가 다공성이 있다고 여겨진다. 적합한 재료로는 알루미나, 알루미나 스피넬, 마그네시아 또는 마그네시아 스피넬, 또는 이들의 임의의 조합이 일반적이다.
플러그 또는 벽돌은 또한 가스원으로부터 다공성 본체로 가스를 급송하는 가스 안내 수단을 구비한다. 상기 가스 안내 수단은 일반적으로 비다공성 본체의 측벽을 통해 연장하는 도관을 구비한다. 이 도관은, 예컨대 금속 또는 내화 재료로제조될 수 있다. 상기 도관은 종래의 내화 밀봉 재료(모르타르 또는 시멘트)에 의해 적소에 고정되거나 비다공성 본체 내에 압착될 수 있다.
종래의 가스 안내 수단을 사용할 수 있다. 그러나, 연결부의 경도가 특히 모니터링되므로, 예컨대 국제 특허 출원 제WO-A1/83138호에 개시된 것과 같은 특정 구성이 특히 바람직하다.
또한, 가스 안내 수단은 가스가 적어도 거의 용융된 금속 접촉면과 동등한 다공성 본체의 표면과 접촉하는 가스 충만실을 구비함으로써, 가스가 다공성 본체 내로 완전히 균등하게 분포되고, 이에 의해 거의 전체 용융된 금속 접촉면을 통해 용융된 금속 내에서 발포된다.
용융된 금속 내로 가스를 주입하는 이러한 유형의 플러그 또는 벽돌은 예컨대 미국 특허 제5,054,749호, 제5,423,521호 또는 제5,219,514호로부터 공지되어 있다. 그러나, 이들 중 어떠한 것도 상기 확인된 요건을 만족시키지 못한다.
본 발명의 플러그 또는 벽돌은 비다공성 본체가 내화 재료로 제조되고 다공성 본체와 비다공성 본체가 함께 압착되는 것을 특징으로 한다. 그러한 플러그 또는 벽돌에 의해 상기 확인된 요건이 전부 만족된다.
또한, 비다공성 재료의 물성은 이 비다공성 재료가 내화 재료이고 필요한 기공률을 갖는 한 중요하지 않다. 일반적으로, 20%보다 작은 겉보기 기공률을 갖는 재료가 비다공성이라고 여겨진다.
비다공성 본체와 다공성 본체는 유사한 열팽창 계수를 갖는 내화 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 의해 가열 사이클링시 균열의 형성을 방지하는 역할을 한다.
본 발명의 사용에 의해, 내측의 다공성 본체의 그래눌로매트리(granulometry)와 투과성이 신중하고도 일관되게 제어되어 매우 미세한 다공 구조를 제공함으로써, 균등하게 분포된 작은 기포 흐름이 본체의 용융된 금속 접촉면으로부터 유동된다. 이 투과성은 공식화 그래눌로매트리의 변경에 의해 쉽게 조정될 수 있어 본 발명에 따른 플러그 또는 벽돌은 특정한 개별 고객의 요구에 적합하게 제조될 수 있다.
이 공정 루트의 이점은 또한 마그네시아 스피넬과 같은 높은 마그네시아 함량의 내화재가 공식화에 사용될 수 있다는 것이다. 그러한 공식화는 일반적으로 염기(마그네시아)계인 강 플랜트 턴디쉬 라이닝의 조성과 더욱 합치될 수 있다. 따라서, 화학적 특성 및 열적 특성이 매우 유사하게 된다. 따라서, 다공성 내화 본체 및 비다공성 내화 본체는 조성 중 50 중량%, 바람직하게는 80 중량%, 더욱 바람직하게는 90 중량%를 초과하는 높은 마그네시아 함량을 갖는다.
따라서, 유사하지만 그래눌로매트리가 상이한 재료가 다공성 본체 및 비다공성 본체에 사용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 플러그 또는 벽돌을 그래눌로매트리가 상이한 높은 마그네시아 함량의 재료로부터 제조할 수 있다.
2개의 내화 재료를 함께 압착하기 때문에, 당연한 비다공성 본체의 낮은 투과성이 다른 가스 누출 제한 기법을 사용하지 않고도 가스 누출을 방지한다. 함께 압착하는 것의 다른 이점은 전체 치수가 낮으면서 요구되는 정도의 발포를 달성하는 가스 주입 플러그 또는 벽돌을 사용할 수 있다는 점이다. 이는 용기, 특히 라이닝에서 이들 플러그 또는 벽돌의 이송 및 설치 중의 취급에 일조한다.
함께 압착하는 개념은 타원형, 사각형, 원형 또는 달걀형으로 제한되지 않고 함께 압착하는 데 적절한 임의의 내화재 단면적을 생성하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 턴디쉬의 출구를 포위하도록 배치됨으로써 연속적인 주형 몰드로 유입되기 전에 고온의 액상 금속이 통과해야 하는 천천히 상승하는 둘레의 기포 흐름을 형성하는 함께 압착된 링형 구성 요소를 예상할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 용융된 금속 내로 가스를 주입하는 플러그 또는 벽돌의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이 제조 방법은, 1)다공성 본체와 비다공성 본체를 구성하는 동시에 이들 본체에 원하는 경계와 관련된 적당량의 내화 재료를 몰드 내로 도입하는 단계와, 2)상기 내화 재료를 동시에 함께 압착하는 단계와, 3)가스 안내 수단을 마련하는 단계와, 4)함께 압착된 내화 재료를 열처리하는 단계를 포함한다.
예컨대, 얇은(하지만 강성인) 플라스틱 또는 금속막으로 제조되는 구분자(delimiter)를 내화 재료를 도입하기 전에 몰드 내에 배치하는 것이 바람직하다. 상기 구분자는 상부면과 하부면이 없는 (원형 또는 달걀형의 기부를 갖는) 원통 또는 평행 6면체로서 형성될 수 있다. 이후에, 다공성 본체를 형성하는 내화 재료는 구분자에 의해 형성된 중심부에 도입되고, 비다공성 본체를 형성하는 내화 재료는 구분자와 몰드 벽 사이에 도입된다. 이어서, 상기 구분자를 신중하게 제거하고 비다공성 본체를 형성하는 다른 양의 재료를 몰드 내에 도입하여 용융된 금속 접촉면에 대해 대향된 표면을 형성한다.
가스 안내 수단을 마련하는 단계는 함께 압입하는 단계 전후에 수행되거나 전후 양쪽에서 수행될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 가스 충만실은 다공성 본체 형성용 재료의 기부와 비다공성 재료 형성용 재료의 인접면 사이의 접합부에서 소비재 스트립을 몰드 내로 도입함으로써 형성된다.
별법으로서 또는 거기에 추가하여, 재료들을 함께 압착하기 전후에 비다공성 본체에 구멍을 천공하거나 도관을 설치함으로써, (가스 충만실을 통하던 통하지 않던간에) 다공성 본체를 외부 가스원에 연결할 수 있다.
함께 압착하는 단계는, 예컨대 유압 프레스에서 공지된 임의의 방법에 따라 수행될 수 있다.
열처리 단계는 플러그 또는 벽돌의 일체성과 그 가스 경도가 향상되도록 다공성 본체와 비다공성 본체 사이에 세라믹 접착을 형성하기에 충분한 온도로 수행되어야 한다. 가스 충만실을 만들도록 배치된 소비재(사용된다면)는 열처리 단계 중에 제거되는 것이 유리하다. 이 소비재는 사용된 온도에서 연소되거나(판지, 종이) 용융될 수 있다(왁스, 합금). 열처리 단계는 함께 압착된 재료를 800 내지 1800℃의 온도에서 2 내지 12 시간 동안 소성시키는 단계로 이루어진다.
이제, 본 발명을 예시할 목적으로만 제공되고 그 범위를 제한하지 않는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 용융된 금속 접촉면(11)을 통해 용융된 금속 내로 가스를 주입하기 위한 플러그 또는 벽돌(1)을 도시하며, 이 플러그 또는 벽돌은 용융된 금속 접촉면(11)을 제외하고 실질적으로 비다공성 본체(9)에 의해 거의 포위되는 다공성 내화 본체(2)를 포함한다. 또한 도 1 및 도 2에서는 플러그 또는 벽돌의 벽(6)을 통해 연장되어 가스 충만실(3)에 연결되는 금속 또는 내화 도관(4)으로 구성되는 가스 안내 수단을 볼 수 있다. 상기 금속 또는 내화 도관(4)은 일반적으로 종래의 밀봉 시멘트 또는 모르타르(5)에 의해 적소에 고정된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 압착 단계 중에 점진적으로 테이퍼진 섹션(7)이 용융된 금속 접촉면(11)을 향해 형성되는 것이 유리하다. 이 테이퍼 효과는 압착 몰드의 수직 측면에서 비다공성 매체로 변형되는 다공성 본체에 의해 압착 동작 중에 형성된다. 이 테이퍼 형상은 또한 키이를 형성함으로써 다공성 본체(2)를 주요한 절손 효과로부터 보호한다.
본 발명의 일례에 따르면, 사용된 재료는 다음의 표 1과 같다(중량%로 제시됨).
| 비다공성 본체 | 다공성 본체 | |
| 실리카 | 0.1 | 0.13 |
| 알루미나 | 3.3(<45㎛) | 0.06 |
| 산화철 | 0.2 | 0.48 |
| 석회 | 0.4 | 0.69 |
| 마스네시아 | 96.0* | 98.5** |
그래눌로매트리: *: >1mm 30%**: >1mm 0%
<45㎛ 30% <45㎛ 5%
재료들은 몰드 내에 도입된 후에 소정 속도로 기계적으로 압착되어 함께 압착된 재료의 압밀 및 융합을 가능한 한 최상으로 보장한다. 압착된 본체 내에 열적 파괴/균열을 방지하도록 함께 압착된 재료를 소정 속도로 1600℃까지 서서히 가열하고, 이 온도에서 4 시간 동안 유지한 다음 천천히 냉각시킴으로써 열처리 단계를 수행하였다.
다음의 특성이 측정되었다.
| 겉보기 기공률(%) | 벌크 밀도(g/cm3) | 냉간 파괴 계수(MPa) | 냉간 압축 강도(N/mm2) | 평균 기공 직경(㎛ | |
| 비다공성 본체 | 15.4 | 2.99 | 7.11 | 90.15 | 6.861 |
| 다공성 본체 | 24.9 | 2.59 | 7.12 | 52.15 | 44.762 |
사용시 플러그 또는 벽돌은 신뢰성 있고 일관되게 미세한 기포를 주입하였다.
Claims (10)
- 용융된 금속 접촉면(11)을 통해 용융된 금속 내에 가스를 주입하는 다공성 고형 내화 플러그 또는 벽돌(1)로서, ⅰ)용융된 금속 접촉면(11)을 제외하고 실질적으로 비다공성 본체(9) 내에 거의 봉입된 다공성 내화 본체(2)와, ⅱ)가스원으로부터 다공성 본체(2)를 향해 가스를 급송하는 가스 안내 수단(3, 5)을 포함하는 플러그 또는 벽돌에 있어서,상기 비다공성 본체(9)는 내화 재료로 제조되고 상기 다공성 본체(2)와 비다공성 본체(9)는 함께 압착된 것을 특징으로 하는 플러그 또는 벽돌.
- 제1항에 있어서, 상기 가스 안내 수단(3, 5)은 가스 충만실(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플러그 또는 벽돌.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공성 본체와 비다공성 본체는 열팽창 계수가 유사한 내화 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 플러그 또는 벽돌.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 본체와 비다공성 본체는 50 중량%, 바람직하게는 80 중량%를 초과하는 마그네시아, 마그네시아 스피넬, 알루미나 또는 알루미나 스피넬로 구성되는 것을 특징으로 하는 플러그 또는 벽돌.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비다공성 본체는 50 중량%, 바람직하게는 80 중량%를 초과하는 마그네시아, 마그네시아 스피넬, 알루미나 또는 알루미나 스피넬로 구성되는 것을 특징으로 하는 플러그 또는 벽돌.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 본체(2)는 용융된 금속 접촉면을 향해 테이퍼진 섹션(7)을 갖는 것을 특징으로 하는 플러그 또는 벽돌.
- 용융된 금속 접촉면을 통해 용융된 금속 내로 가스를 주입하는 다공성 고형 내화 플러그 또는 벽돌의 제조 방법으로서,1)다공성 본체와 비다공성 본체를 구성하는 동시에 이들 본체에 원하는 경계와 관련된 적당량의 내화 재료를 몰드 내로 도입하는 단계와,2)상기 내화 재료를 동시에 함께 압착하는 단계와,3)가스 안내 수단을 마련하는 단계와,4)함께 압착된 내화 재료를 열처리하는 단계를 포함하는 것인 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 가스 안내 수단은 가스 충만실을 포함하는 것인 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 가스 안내 수단을 마련하는 단계(3)는 다공성 본체와 비다공성 본체 사이의 접합부에서 몰드 내에 소비재 스트립을 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 소비재는 왁스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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