KR20040049585A - 열충격저항성이 우수한 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철 및 제강 설비의 내장 내화물로 사용되는 불소성 내화벽돌에 관한 것이다.

이 내화벽돌은 중량%로, 1mm 이하의 박편상 흑연: 0.5~25%, 나머지 마그네시아 골재로 조성되는 주원료와 상기 주원료 100중량부에 대해 페놀 결합제: 0.5~5중량부를 포함하여 이루어진다.

이 내화벽돌은 비표면적이 큰 박편상 흑연을 사용함으로써 인상흑연을 단독으로 사용한 경우 보다 열충격저항성이 향상되는 효과가 있다.

Description

열충격저항성이 우수한 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌{A unburned Magnesia-Carbon brick having excellent thermal shock resistance}

본 발명은 제철 및 제강 설비의 내장 내화물로 사용되는 불소성 내화벽돌에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 인상흑연 대신 두께를 얇게 처리하여 비표면적을 크게 한 박편상 흑연을 사용하여 열충격저항성을 향상시킨 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌에 관한 것이다.

일반적으로, 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌은 마그네시아 골재, 카본 등의 원료에 금속 혹은 비금속 첨가제 및 페놀 결합제를 첨가하여 혼련, 성형 및 건조하여 제조된다. 상기 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌은 슬래그에 대한 젖음성이 낮고 열전도성이 높은 흑연을 카본 원료로 사용하기 때문에 침식저항성 및 열충격저항성이 우수하다. 따라서, 전로, 전기로 및 2차 정련로 등과 같은 제철 및 제강 설비의 내장 내화물로 널리 사용되고 있으며, 각 설비의 조업 특성에 따라 원료와 첨가제의 종류 및 함량을 변화시킨 다양한 제품이 개발되어 사용되고 있다.

그러나, 상기 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌은 감압 혹은 진공 조업을 실시하는 일부 2차 정련로에 적용될 경우, 마그네시아와 카본의 반응에 의한 벽돌의 열화, 카본에 의한 용강 오염 등이 발생하게 되고, 이러한 이유로 사용이 제한되고 있다. 이와 같은 2차 정련로에 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌을 적용하기 위해서는 카본 함량을 낮추어야 하는데, 카본 함량이 낮아지면 내화물 측면에서는 강도, 마모저항성, 산화저항성, 침식저항성 등이 향상되고, 조업 측면에서도 용강 보온 등에 의해 에너지 절감 효과가 있으나, 카본 함량 감소에 의해 열충격저항성이 저하되는 문제점이 발생한다.

불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌의 열충격저항성을 향상시키기 위한 방법으로는 골재의 입도 조정, 골재 표면의 피치 코팅, 첨가제 종류 및 함량 조정, 벽돌 조직 내에 미세 기공 형성 등이 있다. 그러나, 상기 방법들은 제품의 품질을 저하시키거나 열충격저항성을 향상시키는데 한계가 있는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인상흑연과 입도는 유사하나 두께를 얇게 처리하여 비표면적이 큰 박편상 흑연을 첨가함으로써 종래의 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌의 품질 특성은 유지하면서 열충격저항성을 향상시킨 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, 1mm 이하의 박편상 흑연: 0.5~25%, 나머지 마그네시아 골재로 조성되는 주원료와 상기 주원료 100중량부에 대해 페놀 결합제: 0.5~5중량부를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 카본 원료로 인상흑연을 주로 사용하는 종래의 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌과 달리 인상흑연과 입도는 유사하나 두께를 얇게 처리하여 비표면적을 크게 한 박편상흑연을 사용함으로써, 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌의 열충격저항성을 향상시키는 것에 관한 것이다.

본 발명에서 열충격저항성은 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식 1에서, R은 열충격저항성, S는 강도, ν는 포와송비, κ는 열전도율, E는 탄성율, α는 열팽창계수, ρ는 밀도, c는 비열을 나타낸다.

상기 수학식 1의 열충격저항성(R)은 강도와 탄성율의 영향이 가장 크므로, 열충격저항성은 강도에 비례하고 탄성율에 반비례하게 된다.

본 발명에서는 카본 원료의 비표면적을 크게 함으로써, 열충격저항성을 향상시키고 있다. 비표면적을 크게 하면 최밀충진성 저하에 의하여 강도는 다소 저하되나, 기공율의 증가 및 마그네시아 골재간의 직접 접촉에 의한 소결성 제어 등을 통해 탄성율이 크게 저하됨으로써 열충격저항성이 향상된다. 또한, 비표면적을 크게 하면 상기 수학식 1의 열전도율도 커지므로, 열충격저항성이 보다 향상되게 된다. 카본 원료의 비표면적을 크게 하기 위한 방법으로는 인상흑연을 미립화하는 방법과 박편상 흑연을 첨가하는 방법이 있을 수 있다. 이중 인상흑연을 미립화하는 방법은 내화벽돌 제조시 최밀충진성을 저하시키게 되어 제품 품질 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 열충격저항성을 향상시키는데 한계가 있다. 따라서, 본 발명에서는 두께를 얇게 처리하여 비표면적을 크게 한 박편상 흑연을 첨가하는 방법을 이용하여 열충격저항성을 향상시키게 된다.

이하, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

1mm 이하의 박편상 흑연: 0.5~25중량%

상기 박편상 흑연은 두께를 얇게 처리하여 비표면적을 크게 한 흑연으로서, 팽창흑연으로부터 제조된다. 상기 팽창흑연은 인상흑연을 산처리하여 흑연 층간에 산화합물을 생성시킨 후, 이를 고온에서 급열 처리함으로써 산화합물의 기화 압력에 의하여 흑연 층간을 100~300배 정도 팽창시켜 제조한다. 상기 팽창흑연을 내화벽돌 제조에 바로 이용하는 경우, 질량당 부피가 너무 커 혼련이 어렵고, 성형성도 크게저하된다. 따라서, 본 발명에서는 상기 팽창흑연을 분쇄에 의해 층간을 쪼개서 박편상으로 만들어서 사용한다. 상기 박편상 흑연의 입도는 1mm를 초과하는 경우에는 질량에 비하여 부피가 너무 커서 혼련성 및 성형성이 저하되므로, 그 입도를 1mm 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 박편상 흑연은 하기 표 1과 같은 특성을 나타낸다.

구분	박편상흑연	인상흑연
성분(중량%)	고정탄소	85 이상	85 이상
	회분	12 이하	12 이하
	수분	0.5 이하	0.5 이하
입도	1mm 이하	1mm 이하
비표면적(㎟/g)	10~30	1~3

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 박편상 흑연은 인상흑연과 비교하여 입도는 유사하나 흑연 두께가 얇으므로 비표면적이 10~30mm²/g으로, 비표면적이 인상흑연에 비해 10배 이상 큰 특징을 가지고 있다. 또한, 박편상 흑연의 순도는 인상흑연과 유사한 고정탄소 85중량% 이상급을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 박편상 흑연의 함량이 0.5중량% 미만이면 마그네시아 카본질 내화벽돌의 특성이 나타나지 않고, 25중량%를 초과하면 내화벽돌의 강도 저하 및 카본 산화에 의한 물성 저하 등의 문제점이 발생하므로, 그 함량을 0.5~25중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기 박편상 흑연의 일부를 인상흑연으로 대체하여 사용하는 것이 가능하다. 상기 박편상 흑연을 대체한 인상흑연의 양이 전체 카본원료량의 96%를 초과하면 박편상 흑연을 첨가함에 따른 열충격저항성의 향상을 도모할 수 없으므로, 상기 박편상 흑연을 대체하는 인상흑연의 양은 96% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 카본 원료로 일부 사용되는 상기 인상흑연의 경우, 인상흑연 외에 토상흑연, 인조흑연 등이 모두 사용 가능하나 침식저항성 측면에서 결정성을 가지는 인상흑연을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 인상흑연의 순도는 고정탄소 85중량% 이상급을 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 조성 이외에 나머지는 마그네시아 골재 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다. 상기 마그네시아 골재로는 천연소결품, 천연전융품, 해수소결품 및 해수전융품 모두 사용이 가능하다.

상기와 같이 조성되는 주원료 100중량부에 대하여 페놀 결합제: 0.5~5중량부를 첨가한다.

페놀 결합제: 0.5~5중량부

상기 페놀 결합제는 결합제로서, 0.5중량부 미만 첨가되면 성형성이 저하되고, 5중량부를 초과하여 첨가되면 실로 사용시 기공이 증가하여 품질 특성이 저하되므로, 그 첨가량을 주원료 100중량부에 대해 0.5~5중량부로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같이 조성되는 주원료 100중량부에 대하여 금속 및 비금속 첨가제: 10중량부 이하가 추가로 첨가될 수 있다.

금속 및 비금속 첨가제: 10중량부 이하

상기 금속 및 비금속 첨가제는 내화벽돌의 산화방지, 강도향상 및 침식저항성 향상 등을 위해 첨가되는 성분으로, Al, Si, Mg, Mg/Al, Al/Si, Ca/Si 등의 금속 첨가제 또는 B₄C, CaB₆, MgB, SiC, AlN, BN 등의 비금속 첨가제 중에서 1개 이상을 첨가하는 것이 가능하다. 상기 금속 및 비금속 첨가제가 10중량부를 초과하여 첨가되면 침식저항성 및 열충격저항성이 저하되므로, 그 첨가량을 주원료 100중량부에 대해 10중량부 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 2와 같은 조성을 갖는 마그네시아 카본질 내화벽돌을 제조하여, 부피비중, 기공율, 압축강도 등의 일반물성, 환원소성 후 곡강도 및 환원소성 후 탄성율을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타낸 바와 같다. 상기 환원소성은 1200℃에서 행하였으며, 환원소성 후 곡강도 및 탄성율 측정을 통해 열충격저항성을 정량적으로 평가하였다. 상기 열충격저항성의 정량화 방법은 환원소성 후 곡강도 측정치를 환원소성 후 탄성율 측정치로 나눈 후, 비교예 3을 기준(100)으로 하여 상대적인 지수로 나타낸 것이다. 상기 열충격저항 지수가 높을수록 열충격저항성이 우수함을 나타낸다.

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 카본 성분으로 박편상 흑연을 단독으로 첨가한 발명재(1~3)과 박편상 흑연과 인상흑연을 혼합하여 첨가한 발명재(4~5)는 인상흑연을 단독으로 첨가한 비교재(1~4)에 비하여 부피비중, 기공율, 강도가 다소 저하되었다. 이는 비표면적이 큰 박편상 흑연을 사용함으로써 최밀충진성이 저하되어 나타난 결과이다.

하지만, 본 발명에서 가장 중요한 품질특성인 열충격저항성은 박편상 흑연을 단독으로 첨가한 발명재(1~3) 및 박편상 흑연과 인상흑연을 혼합하여 첨가한 발명재(4~5)와 비교재(1~4)를 비교할 때, 동일 카본함량에서 보다 향상되었음을 알 수 있다. 상기 열충격저항성은 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, R은 열충격저항성, S는 강도, ν는 포와송비, κ는 열전도율, E는 탄성율, α는 열팽창계수, ρ는 밀도, c는 비열을 나타낸다.

상기 수학식 1의 열충격저항성(R)은 강도와 탄성율의 영향이 가장 크므로, 열충격저항성은 강도에 비례하고 탄성율에 반비례하게 된다.

발명재(1~5)는 비표면적이 큰 박편상 흑연을 첨가하고 있는데, 이로 인하여 최밀충진성이 저하되어 강도는 다소 저하되었지만, 기공율 증가 및 마그네시아 골재간의 직접 접촉에 의한 소결성 제어 등을 통해 탄성율이 크게 저하됨으로써 열충격저항성이 향상된 것이다.

또한, 동일 카본 함량일 경우, 비표면적이 큰 박편상 흑연을 단독으로 사용한 발명재(2) 및 박편상 흑연과 인상흑연을 혼합하여 사용한 발명재(4, 5)의 열전도성이인상흑연만을 사용한 비교재(1, 3)의 열전도성에 비하여 더 높게 나타나게 되며, 이로 인하여 열충격저항성이 보다 향상된 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 비표면적이 큰 박편상 흑연을 사용함으로써 인상흑연을 단독으로 사용한 경우 보다 열충격저항성이 향상된 마그네시아 카본질 내화벽돌을 제공하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 중량%로, 1mm 이하의 박편상 흑연: 0.5~25%, 나머지 마그네시아 골재로 조성되는 주원료와 상기 주원료 100중량부에 대해 페놀 결합제: 0.5~5중량부를 포함하여 이루어지는 열충격저항성이 우수한 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌.
2. 제1항에 있어서, 상기 박편상 흑연은 비표면적이 10~30mm²/g인 것을 특징으로 하는 열충격저항성이 우수한 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌.
3. 제1항에 있어서, 상기 박편상 흑연 함량의 96% 이하를 인상흑연으로 대체하는 것을 특징으로 하는 열충격저항성이 우수한 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌.
4. 제1항에 있어서, 상기 주원료 100중량부에 대해 10중량부 이하의 금속 및 비금속 첨가제를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 열충격저항성이 우수한 불소성 마그네시아 카본질 내화벽돌.