KR20090129505A - 와이어 주입식 랜스 노즐 삽입체 - Google Patents
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Abstract
용융 금속 표면 아래에서 다량의 용융 금속 내로 첨가제 와이어를 공급하기 위한 내화성 랜스용 랜스 노즐 삽입체는 이 랜스 노즐 삽입체의 내부식성을 실질적으로 증가시키는, 안정화된 산화지르코늄과 흑연을 포함하는 소재로 제조된다.
랜스, 랜스 노즐 삽입체, 와이어 주입
Description
본 발명은 금속 생산 방법 및 장치에 관한 것이다.
강철 생산 시에, 철 함유 용융물은 일반적으로 적당한 노(furnace)에서 생산된 뒤, 정련 또는 합금 목적으로 하나 이상의 성분으로 처리되는 레이들(ladle) 내로 방류(tap)된다. 이 시점에서, 산화물 함유물 부상, 산화물 함유물 형태 변형, 탈황 등을 위해 정련제로서 칼슘을 철 용융물에 첨가하는 것은 공지되어 있다. 불행히도, 칼슘의 낮은 밀도(강철 대비), 휘발성 및 반응성은 칼슘을 레이들 내의 융융물에 첨가하는데 만족스러운 공정을 제공해야 하는 과제를 매우 어렵게 한다.
제강 레이들에서 용융물에 칼슘을 첨가하는 기술은 다양한 기술이 이용되고 있다. 칼슘 함유 미립자 물질의 대량 첨가는 이 물질이 용융물 내에서 충분한 체류 시간을 보냄이 없이 용융물의 표면으로 빠르게 상승하기 때문에 불만족스럽다. 체류 시간을 증가시키기 위해, 노로부터 방류 스트림 내로 미립자 물질을 직접 분주하는 시도는 칼슘이 대기 산소와 과다 반응하게 만든다. 용융물 내로 클래드 투사물(clad projectile)의 주입 또는 투입(plunging)에 의한 칼슘 함유 물질의 도입은 일반적으로 적당한 체류 시간을 제공하지만 복잡하고, 비용이 많이 들며 시간소모적인 절차이다. 또한, 내화성 랜스를 통한 불활성 가스 주입에 의하여 용융물 내로 칼슘 함유 분말을 주입하는 방법이 제안되기도 했다. 철 용융물 내로 분말을 추진시키기 위해서는 상당한 가스 흐름을 필요로 하기 때문에, 가스 방출 시에 용융물의 표면에서 높은 수준의 난류가 발생하여, 철 용융물이 대기 중의 산소와 질소에 과다 노출되게 한다. 더욱이, 랜스를 이탈한 후, 칼슘은 랜스 주위의 불활성 가스 플럼(plume) 중의 용융물을 통해 또는 이 플럼 옆에서 용승하는 용융물에서 빠르게 상승하는 경향이 있다. 따라서, 배쓰(bath) 중의 칼슘 체류 시간은 허용할 수 없을 정도로 낮다.
전술한 문제점들을 극복하기 위한 시도로, 칼슘은 용융물의 상부 표면을 통해 지속적으로 공급되는 칼슘 금속 함유 와이어(클래드 또는 언클래드) 형태로 제강 레이들 중의 용융물에 첨가되었다. 와이어 공급의 주요 장점은 칼슘 함유 물질을 철 용융물 내로 추진시키기 위해, 분말 주입에서와 같은 다량의 가스를 필요로 하지 않는다는 점이다. 하지만, 칼슘의 높은 휘발성은 표면 와이어 공급 시에 첨가된 칼슘이 효과적으로 이용되는 것을 방해한다. 이 와이어의 칼슘이 용해하기 전에 표면 아래의 충분한 깊이까지 와이어가 침투하지 않는다면, 칼슘의 낮은 체류 시간과 회수 불량이 용융물의 불균일한 처리와 함께 초래된다. 특히, 철정압(ferrostatic pressure)이 칼슘의 증기압과 동일한 깊이 아래로 칼슘이 하강할 때까지 유입 칼슘의 대부분 또는 전부는 미반응 상태를 유지하는 것이 중요하다. 이러한 목표는 클래드 칼슘 금속 함유 와이어가 이용될 때에도 달성하기 어렵다. 칼슘이 이의 증기압보다 낮은 철정압에서 용해하면, 다량의 칼슘 기포가 형성되어 용융물의 표면으로 빠르게 상승한다. 이는 철용융물의 비효과적이고 불균일한 처리 및 용융물 표면에 다량의 난류 발생을 초래한다.
현 출원인에게 양도된 미국 특허 4,512,800은 용융물의 표면 아래에 배출용 유출구를 보유하는 내열성 랜스를 이용하여 다량의 용융물내로 직접 칼슘 함유 와이어와 같은 와이어 형태의 가공처리 첨가제로 철 용융물을 처리하는 장치 및 방법을 개시한다. 이러한 랜스 장치에서, 와이어는 랜스를 통과하는 통로로 공급되고, 이와 동시에 불활성 가스가 와이어와 함께 통로 내로 주입되어 용융물을 기포 교반으로 교반하면서 용융물의 고화로 인한 랜스의 막힘을 방지한다.
랜스의 사용은 철용융물의 온도에서 철정압이 칼슘의 증기압보다 큰 용융조의 표면 아래의 일정 깊이에서 칼슘 와이어가 용융하여 철용융물과 반응하도록 한다. 밀도가 용융물의 밀도보다 낮아 초래되는 와이어의 부력으로 인해, 칼슘 와이어는 구부러진다.
철정압이 칼슘의 증기압보다 클 때 칼슘의 용해는 액체 칼슘 소구체의 용융에 의해 야기되고, 이는 융용물을 통해 칼슘 기포보다 훨씬 더 느리게 상승한다(이에 따라, 체류 시간이 훨씬 길어진다). 이러한 액체 소구체는 철용융물을 통해 느리게 상승하는 바, 함유물과 반응하지 않은 상기 소구체는 용융물의 표면에 도달할 때 과다한 난류를 발생시키지 않는 아주 많은 수의 작은 기포로 사실상 변형된다. 더욱이, 칼슘 첨가제의 효과적인 이용을 촉진하기 위해 랜스는 상기 액체 칼슘 소구체가 철용융물의 하강류 영역을 통해 상승하도록 일반적으로 배치된다.
발명의 개요
일 양태에 따르면, 용융 금속 표면 아래에서 다량의 용융 금속 내로 첨가제 와이어를 공급하는 내화성 랜스용 랜스 노즐 삽입체가 개시된다. 랜스 노즐 삽입체는 유입구와 유출구, 이 유입구와 유출구 사이에 구비된, 랜스를 통한 첨가제 와이어 공급용 통로(passage)를 포함한다. 이러한 랜스 노즐 삽입체는 안정화된 산화지르코륨, 흑연 및 수지를 포함하는 소재로 제조된다. 흑연은 천연 흑연 또는 합성 흑연일 수 있으나, 천연 편상 흑연이 바람직하다.
다른 양태에 따르면, 금속 용융물 표면 아래에서 다량의 금속 용융물 내로 첨가제 와이어를 공급하거나 주입하기 위한 랜스가 개시된다. 이 랜스는 와이어가 이 랜스에서 배출되는 유출구로 와이어를 전달하기 위한 통로를 내부에 구비하는 도관을 보유한 내화성 케이싱(casing)을 포함한다. 유출구는 금속 용융물의 표면 아래로 침지하게 되는, 랜스의 말단에 구비되어 있다. 내화성 케이싱 내에는 도관과 통해 있고, 유출구를 형성하는 랜스 노즐 삽입체가 구비되어 있다. 랜스 노즐 삽입체는 안정화된 산화지르코늄, 흑연 및 수지를 포함하는 소재로 제조된다. 흑연은 천연 흑연 또는 합성 흑연일 수 있으나, 천연 판상 흑연이 바람직하다.
랜스의 노즐 팁 말단은 금속 용융물이 처리되고 있는 상당한 시간 동안 금속 용융물에 침지되어 있기 때문에, 금속 용융물에 의해 부과되는 가혹한 조건에 랜스 노즐 삽입체가 노출된다. 안정화된 산화지르코늄과 흑연 조성물은 현재 랜스 주입에 사용되는 순수 탄소보다 훨씬 양호한 온도 및 부식 저항성을 제공하고 상기 가혹한 환경에서 랜스 노즐 삽입체의 내구성을 향상시킨다. 그 결과, 본 발명의 랜스 노즐 삽입체는 종래 랜스 노즐 삽입체보다 실질적으로 더 오랜 작업 수명을 갖는다.
랜스의 내화성 케이싱은 2개의 부품, 즉 주요 부와 랜스 팁 부로 형성될 수 있다. 이러한 구성에서, 주요 부는 도관의 주요 부를 포함하고, 랜스 팁 부는 도관의 제2 부와 랜스 노즐 삽입체를 포함한다. 도관의 주요 부와 제2 부는 랜스 팁 부가 필요하면 랜스의 주요 부로부터 분리될 수 있게 서로 분리가능하게 체결되도록 구성되고 개조되어 있다. 이것은, 랜스 노즐 삽입체를 통해 통과하는 첨가제 와이어로부터 기계적 마모되거나 용융 금속 환경의 부식 효과로 인해 랜스 노즐 삽입체가 지나치게 마모되기 시작하면, 랜스 팁 부가 새로운 랜스 팁 부로 교체될 수 있도록 한다.
본 발명의 다양한 양태들은 이하 도면을 참고로 하여 설명될 것이며, 여기서 같은 참조부호는 같은 구성요소를 나타낸다.
도 1은 다량의 금속 용융물을 와이어 형태의 첨가제로 처리하는데 사용되는 랜스 장치의 투시도이다.
도 2는 도 1의 랜스를 부분 절단한 투시도이다.
도 3은 도 1과 도 2의 랜스에 구비된 랜스 노즐 삽입체의 측면도이다.
도 4는 도 3의 랜스의 유출구 말단을 선 3-3을 따라 절취하여 도시한 횡단면도이다.
도 5는 도 1의 랜스의 다른 양태에 따른 유출구 말단의 횡단면도이다.
모든 도면은 모식도이며, 여기에 제공된 구조들은 일정한 비율인 것으로 간주되지 않아야 한다. 물론, 본 발명은 제시된 정확한 배열과 수단에 국한되지 않으 며, 청구의 범위에 의해서만 한정되어야 한다.
도 1은 와이어(20) 형태로 제공되는 1 이상의 가공처리 요소를 사용하여 용융 금속 산물을 처리하는 와이어 주입식 랜스 장치의 개략도이다. 이러한 장치의 전형적인 이용분야는 레이들 내의 철 용융 금속을 칼슘 함유 와이어로 처리하는 분야이다. 와이어(20)는 릴(reel)(22)로부터 용기(52)(예, 철 용융 금속의 레이들) 내의 용융 금속(56)의 양으로 전달된다. 이러한 공급을 달성하기 위해, 공급 기구(24)는 릴(22)로부터 와이어를 끌어당겨, 공급 경로를 따라 와이어를 전달한다. 유출구 부(outlet portion) 인접에서, 특히 내화성 랜스(60) 부근에서, 와이어(20)는 기밀성 도관(44) 내에서 운반된다. 불활성 가스는 기밀성 도관으로 공급되고, 불활성 기체 유입구의 바로 상류에 위치해 있는 밀봉 기구(30)는 공급 경로를 따라 역방향에서 와이어(20) 주위의 불활성 가스의 상실을 방지한다. 도관(44)은 랜스(60) 안까지 연장되어, 랜스(60)를 통과하는 와이어(20)의 통로를 제공한다.
적당한 와이어 공급 기구(24)의 상세한 설명은 미국 특허 4,235,362에서 얻을 수 있고, 그 명세서는 본 발명에 참고 인용된다. 다양한 범위의 와이어 크기와 조성이 가능하며, 외장이 있는 와이어 및 외장이 없는 와이어 모두 가능하다. 칼슘 함유 와이어와 같이, 용융 금속의 처리에 사용되는 와이어는 일반적으로 상당히 딱딱한 와이어를 초래하는 치수와 조성이다. 따라서, 공급 기구뿐만 아니라 와이어 운반 부재는 거친 마모를 견딜 수 있어야 한다. 더욱이, 공급 동안 비교적 딱딱한 와이어는 와이어 공급 경로를 따라 존재하는 다양한 불연속과 와이어에 존재할 수 있는 융기 및 굴곡으로 인해, 특정한 양의 진동과 횡축 이동을 일으키기 쉽다는 것을 예상해야 한다.
일 양태에 따른 도 2에 상세하게 예시된 랜스(60)는 도관(78) 주위에 내화성 세라믹 케이싱(62)을 포함한다. 내화성 케이싱 부(62)는 알루미나 실리카 내화재 또는 노의 내막에 사용되는 것 등과 같은 임의의 다른 적당한 내화재로 제조될 수 있다. 도관(78)은 와이어(20)가 운반되고 유출구(84)를 통해 빠져나가는 통로(86)를 구비한다. 유출구(84)는 랜스 노즐 삽입체(70)에 의해 형성된다. 랜스 노즐 삽입체(70)는 이 삽입체를 통해 종축으로 뻗어있는 통로(80)를 보유하고 도관(78)의 통로(86)를 유출구(84)까지 연장시킨다.
도 3은 일 양태에 따른 랜스 노즐 삽입체(70)의 상세한 평면도이다. 랜스 노즐 삽입체(70)는 일반적으로 세장형이고 와이어(20)를 운반하기 위해 내부를 통해 종축으로 연장되어 있는 통로(80)를 보유한다. 예시된 랜스 노즐 삽입체(70)의 양태는 일반적으로 외형이 원통형이지만, 삽입체가 이러한 형태에만 제한될 필요는 없다. 예를 들어, 랜스 노즐 삽입체는 사면이 있는 세장형이거나, 또는 와이어(20) 운반용 통로(80)를 보유하는 한, 제조에 적합한 임의의 다른 형태일 수 있다. 통로(80)의 한쪽 말단은 와이어(20)가 용융 금속 내로 배출되는 유출구(84)이다. 랜스 노즐 삽입체(70)의 반대쪽 말단은 도관(78)과 체결되도록 구성되고 개조되어 있다. 예컨대, 본 예에서 랜스 노즐 삽입체(70)에는 유입구 말단에 노즐 삽입체(70)의 나머지보다 외경이 작은, 도관(78)의 홈(77)(도 4에 제시)에 체결되는 목 부(74)가 구비되어 있다. 통로(80)의 유입구(83)는 바깥쪽으로 벌어져, 깔대기형 유입구를 제공한다. 이러한 확대형 개구부는 와이어가 도관(78) 부에서 랜스 노즐 삽입체(70)로 전이될 때 막힘이나 끼임없이 부드럽게 전진할 수 있게 한다. 이것은 특히 랜스(60)를 통한 와이어(20)의 최초 공급 시에 도움이 된다.
도 4를 살펴보면, 선 3-3을 통해 관찰된 도 2의 랜스(60)의 세부 횡단면도가 논의된다. 랜스 노즐 삽입체(70)와 도관(78)은 적당한 방식으로 서로 체결되도록 구성되고 개조된다. 예를 들어, 예시된 양태에서 랜스 노즐 삽입체(70)는 도관(78)의 말단에 구비된 홈(77)에 들어맞아 도관(78)을 체결시키는 목 부(74)를 보유한다. 랜스 노즐 삽입체(70)와 도관(78)은 내화성 케이싱(62)에 싸이기 전에 함께 조립될 것이다. 따라서, 도관(78)의 통로(86)와 랜스 노즐 삽입체(70)의 통로(80)는 와이어(20)의 연속 통로를 제공한다. 와이어(20)는 도시된 화살표 A의 방향으로 전진한다. 랜스 노즐 삽입체(70)의 통로(80)의 직경은 일반적으로 와이어(20)의 직경에 매우 가깝고, 도관(78의 통로(86) 직경보다 작다. 이러한 배열은 도관(78)을 통해 펌핑되는 불활성 가스의 양압과 함께, 랜스를 막히게 할 수 있는 임의의 용융 금속이 통로(80)로 유입되지 못하게 한다.
랜스 노즐 삽입체(70)의 외측면은 이 노즐 삽입체를 둘러싼 내화성 케이싱(62)과 노즐 삽입체의 기계적 체결을 촉진하는, 일부 윤곽에 따라 맞추어진 표면 구조를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 양태에서, 랜스 노즐 삽입체(70)는 외측면에 홈이 진 채널(72)을 구비한다. 랜스(60)는 도관(78)과 랜스 노즐 삽입체(70) 주위에 내화재를 주조하거나 성형하여 제조하며, 랜스 노즐 삽입체(70)의 윤곽에 따라 맞춰진 표면은 노즐 팁이 기계적 체결에 의해 내화성 케이싱(62) 내에 고정되되게 해준다.
이제, 도 5를 살펴보면, 다른 양태의 랜스(60a)가 제시된다. 이 양태에서, 랜스(60a)는 두 부분, 주요 부(66)와 노즐 부(68)를 구비한다. 노즐 부(68)는 랜스 노즐 삽입체(70)와 이 안에 구비된 제1 도관 부(78a)를 보유하고, 주요 부(66)는 이 안에 구비된 제2 도관 부(78b)를 보유한다.
랜스 노즐 삽입체(70)는 노즐 부(68)의 최종 말단에 유출구(84)를 형성하는 반면, 제1 도관 부(78a)는 주요 부(66)와 분리가능하게 체결되는 노즐 부(68)의 유입구 말단을 형성한다. 제1 도관 부(78a)는 한쪽 말단에서는 랜스 노즐 삽입체(70)와 체결되도록 구성 및 개조되고, 다른쪽 말단에서는 제2 도관 부(78b)와 분리가능하게 체결되도록 구성 및 개조된다. 제2 도관 부(78b)는 제1 도관 부(78a)와 체결되도록 구성 및 개조되어 있다. 예를 들어, 제1 도관부(78a)는 연장된 나사산 목(79a)을 구비할 수 있고, 제2 도관 부(78b)는 상기 나사산 목(79a)과 교합하도록 나사산을 낸 홈이 진 부(79b)를 구비할 수 있다. 따라서, 랜스의 노즐 부(68)와 주요 부(66)는 제1 도관 부(78a)와 제2 도관 부(78b)를 함께 나사선화(threading)하여 함께 조립한다. 제1 및 제2 도관 부(78a, 78b)는 도 5에 도시된 바와 같이 각각 노즐 부(68)와 주요 부(66)의 중심에 위치하여, 두 랜스 부가 함께 조립될 때 일체형 랜스 노즐(60a)을 형성하는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 도관 부(78a 및 78b)는 와이어(20)용 통로(86)를 형성한다. 이러한 양태는 랜스 노즐 삽입체(70)가 극한 부식성 환경 및/또는 랜스 노즐 삽입체(70)의 교체를 필요로 하는 와이어(20)의 다수의 기계적 마모 및/또는 후속 강철 침지로 인한 내화성 케이싱(62)의 열충격에 노출되는 곳에 유용하다. 이러한 상황에서, 랜스 전체를 교체하기 보다는 랜스(60a)의 노즐 부(68)만을 교체해야 할 필요가 있다. 이는 사용자에게 더욱 더 경제적인 기술을 제공한다.
전체 랜스 노즐(60)은 금속 용융물의 저장기에서 소정의 깊이까지 연장되기에 충분히 긴 길이로 제조한다. 일반적으로, 와이어 첨가제는 슬래그/금속 계면보다 약 2 내지 8 피트 아래에서 노즐로부터 배출되는 것이 바람직하다. 따라서, 슬래그와 금속의 고온 및 부석성을 충분히 고려하여, 내화성 케이싱(62)의 길이는 일반적으로 약 10 내지 15피트 정도이다.
랜스 노즐(60)은 적당한 기계적 연동장치에 의해, 금속 용기(52)에 대해 상승 및 하강하거나 또는 그 반대일 수 있다. 도 1에 모식적으로 도시된 바와 같이, 금속 용기(52)는 가로대(yoke) 어셈블리(48)를 비롯한 윈치/운반 시스템에 의해 운반될 수 있다. 또는, 전체 공급 기구를 하나의 단위로서 상승 및 하강시키는 것이 바람직할 수도 있다.
금속 용융물의 표면보다 충분히 아래인 지점에서 용융 금속(56)에 와이어 첨가제를 첨가하기 위해서, 금속 용융물의 상당한 유체 압력을 극복하는 것이 필요하다. 유체 압력은 물론 금속 용융물 표면 아래 깊이의 함수이다. 구체적인 압력은 특정 금속에 따라 달라질 수 있지만, 보통 1m 또는 2m 깊이에서는 꽤 상당할 수 있다. 공급되는 불활성 가스의 압력은 금속 용융물(56)이 노즐 내에서 상승하는 것을 방지하기 위해 상기 유체 압력을 극복해야 한다. 임의의 금속 용융물이 노즐 내로 유입되도록 두면, 와이어(20)는 즉시 붙잡혀 금속 용융물이 고화할 때 도관벽에 용접될 수 있다.
일 양태에 따르면, 랜스 노즐 삽입체(70)의 유효 수명, 즉 내구성을 향상시키기 위해, 랜스 노즐 삽입체는 높은 내산화성 및 슬래그 부식 내성을 보유하고, 동시에 랜스 노즐 삽입체를 통해 칼슘 와이어를 고속으로 공급하는 것을 도와주는 마찰이 적은 표면을 보유하는 신 소재로 제조한다. 높은 내산화성 및 슬래그 부식 내성은 랜스 노즐 삽입체의 유효 수명을 훨씬 연장시켜, 랜스의 수명 동안 노즐 삽입체의 훨씬 적은 교체 횟수를 필요로 하거나 또는 어떠한 교체를 필요로 하지 않을 수도 있다.
랜스 노즐 삽입체의 신 소재는 안정화된 산화지르코늄(ZrO2), 흑연 및 이 소재를 함께 유지시키기 위한 수지 결합제를 포함한다. 이 소재는 약 60 내지 85wt%의 ZrO2, 약 10 내지 36wt%의 흑연 및 약 4 내지 15wt%의 수지 결합제를 포함한다. 이 소재는 약 67 내지 77wt%의 ZrO2, 약 19 내지 29wt%의 흑연 및 약 4 내지 8wt%의 수지 결합제를 포함하는 것이 바람직하다. 노즐 팁에 ZrO2 입자는 철 금속 용융물에서 레이들 슬래그에 대한 높은 내부식성을 제공한다. 그러나, ZrO2는 후속 열 사이클링으로 인한 상 변형에 의해 유발되는 열 스폴링(spalling)을 피하기 위해 안정화될 필요가 있다. ZrO2는 여러 산화물에 의해 안정화될 수 있다: CaO, MgO, Y2O3 또는 CeO. 일반적인 레이들 슬래그는 상승된 석회 농도를 함유하고, 이러한 조건 하에서 바람직한 안정화제는 이러한 환경에서 안정화된 ZrO2의 열역학적으로 가장 안정한 형태인 CaO이다.
신 소재에 ZrO2 와 함께 흑연의 존재는 랜스 노즐 삽입체의 열충격 저항을 증가시킨다. 흑연 성분은 천연 흑연이거나 합성 흑연일 수 있다. 하지만, 천연 판상 흑연의 높은 내산화성으로 인해 노즐 삽입체의 내산화성을 증가시키는, 천연 판상 흑연(무정형 흑연은 천연 흑연의 다른 일반적 형태이다)이 바람직하다. ZrO2/흑연 배합물의 내부식성은 순수 탄소로 제조된 현행 랜스 노즐 삽입체에 비해 훨씬 높다.
ZrO2 입자는 매우 딱딱하고 뾰족한 모서리를 갖고 있기 때문에, ZrO2의 기계적 마찰 및 마모성을 최소화하기 위해서는 미세한 입자 크기 분포(-325 메쉬, 즉 44㎛ 미만의 입자 크기)가 바람직하다. 입자 크기 분포가 이러한 미세 크기로 제어되지 않는다면, 노즐 삽입체를 통한 와이어 공급 시에 랜스 노즐 삽입체(70)의 내경에서의 과도한 기계적 마모가 관찰될 수 있고, 이는 랜스노즐 삽입체의 수명을 단축시킬 것이다.
랜스 노즐 삽입체의 제작 과정은 ZrO2 분말과 흑연을 배합하는 것을 수반한다. 그 다음, 이 배합물에 수지 결합제가 상기 기재된 양으로 첨가되어, 이하 슬러리라고 부르는 플라스틱 혼합물을 형성한다. 수지 결합제는 액체아 고체 분말 형태의 조합물로 첨가되는 열경화성 결합제 재료가 바람직하다. 분말 수지 및 액체 수지는 모두 페놀-포름알데하이드 중합체 수지이다. 분말 수지는 노볼락으로 분류될 수 있고, 액체 수지는 레졸(resole)로 분류될 수 있다. 분말 수지와 액체 수지는 약 60/40 내지 약 40/60, 바람직하게는 약 50/50의 분말/액체 중량% 비로 제공된다. 슬러리는 슬러리의 온도가 140℉에 도달할 때까지 연속해서 혼합한다. 슬러리의 온도가 기계적 혼합 작용으로 인한 슬러리 물질의 내부 마찰로 인해 혼합 과정 동안 상승한다. 이 단계에서, 배합된 슬러리는 액체 수지에 의해 결합된 혼합 재료의 소구체를 포함한다. 일반적으로, 재료의 균일한 배합이 가능하도록 첨가되는 액체 수지의 양이 다음 성형 단계의 최적량보다 많기 때문에 슬러리는 그 다음 회전 노에서 건조한다. 건조 단계는 수분 함량이 성형 단계에 바람직한 슬러리를 생산하는 온도와 시간 기간에 따라 조작한다. 건조된 슬러리는 그 다음 랜스 노즐 삽입체에 바람직한 형태로 성형하고 열처리한다.
슬러리를 제조하는데 물보다 유기 수지를 사용할 때의 장점 중 하나는, 물은 후속 열 처리 단계 동안 증발하여 기공을 남겨 랜스 노즐 삽입체(70)에 허용될 수 없는 높은 기공도를 제공할 수 있지만, 유기 수지는 후속 열 처리 단계 동안 부분적으로 연소하여 탄소 잔류물을 남긴다는 점이다. 이러한 잔류 탄소재는 기공도를 저하시키고 노즐 삽입체의 성질을 향상시킨다. 높은 기공도는 기공이 금속 용융물에 침지될 때 노즐 삽입체를 공격하는 부식 기구를 촉진하기 때문에 바람직하지 않다.
순수 지르코니아는 현재 랜스 노즐 삽입체에 통용되고 있는 순수 탄소보다 양호한 내부식성이 있지만, 단사정계 정방정계 결정 구조에 기인할 수 있는 불량한 열충격 저항성때문에 적합하지 않다. 하지만, 정육면체 결정 구조를 보유하는 안정화된 ZrO2 는 우수한 열충격 저항성을 보유하여, 랜스 노즐 삽입체 이용분야에 더욱 적합하다. 열충격 저항성과 표면 마모(즉, 마찰) 성질은 ZrO2 와 흑연을 배합하면 더욱 향상되어 더욱 내구성인 랜스 노즐 삽입체가 된다. 시험 결과, 종래 순수 탄소로 제조된 랜스 노즐 삽입체에 비해 ZrO2 기반의 랜스 노즐 삽입체의 유효 수명이 약 2 내지 20배 향상된 것으로 나타난다.
예비건조된 슬러리를 랜스 노즐 삽입체로 제조하는 성형 방법은 상기 특정 배합 재료와 삽입체의 최종 형태를 위해 이용될 수 있는 다양한 성형 방법 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 성형 방법의 일 예는 등방압 성형이다. 등방압 성형은 압력이 단지 한 방향에서 적용되는 압축 성형과 달리, 제조되는 부품 주위의 모든 방향으로 성형 압력이 균일하게 적용되는 방법이다. 등방압 성형 부품은 일체화 성형 공정(near net shape)으로 제조되고, 이에 따라 다른 성형 기술에 비해 발생되는 폐기물이 거의 없다. 등방압 성형 부품은 일반적으로 매우 일관된 물성을 나타낸다. 등방압 성형은 유압액이 충전된 고압 용기 내에 주형을 놓고 주형에 압력을 가한다. 5,000 내지 20,000 psi 및 그 이상의 수압이 사용될 수 있다. 이러한 높은 등방압은 성형 부품에 더 낮은 기공도와 더 유리한 기공 크기 분포를 제공한다.
다음으로, 등방압 성형된 랜스 노즐 삽입체는 약 180℃에서 경화시켜 중합체 수지로부터 유기성 증기를 휘발시킨다. 그 다음, 랜스 노즐 삽입체는 환원성 대기에서 약 800 내지 1200℃에서 연소된다. 필요하다면, 랜스 노즐 삽입체는 인쇄 치수로 추가 기계가공될 수 있다.
와이어(20)가 공급될 때, 통로(80) 내의 허용 공간 주위에서 진동하여 덜거덕거릴 것으로 생각될 수 있다. 하지만, 와이어는 일반적으로 통로(80)의 측벽에 의지하고 있을지라도 배출 통로(80)의 중심에 위치하고 있다. 와이어(20)와 통로(80)의 측벽 사이에 빈 상태로 남아 있는 공간은 노즐 위로 흐르는 경향이 있는 대체 용융 금속의 유체압을 기압이 극복할 정도로 충분히 작다. 와이어와 불활성 가스의 상호작용성 움직임은 노즐의 막힘 저항 능력을 향상시킨다.
밀봉 기구(30)는 불활성 가스의 역류를 방지하기 위해 와이어 공급 시스템에 제공된다. 밀봉 기구(20)는 한쌍 이상의 대향 피스톤(32)을 보유하는 하우징을 포함하고, 상기 피스톤은 전진하는 첨가제 와이어(20)를 기밀성 방식으로 붙잡는, 피스톤 사이에서 움직이는 와이어를 활주해서 체결하기 위한, 윤곽에 맞춰진 밀봉 표면을 보유한다. 대향 피스톤(32)의 하류에서 불활성 가스는 불활성 가스 급원(31)으로부터 도관(33)을 통해 와이어(20) 구역으로 공급되고, 여기서 와이어는 이제 밀봉 기구(30)로부터 랜스(60)로 이어지는 기밀성 도관에 싸이게 된다. 와이어(20)에 대하여 대향 피스톤(32)을 구동시키기 위해 압축 공기 급원(34)을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 스프링 바이어싱(spring biasing), 수압 등도 가능하다. 압축기(34)의 기압 또는 다른 급원의 기압을 균등하게 분배하기 위해 매니폴드(36)를 사용할 수 있다. 밀봉 기구(30)의 상세한 내용은, 본 출원인에게 양도되고 그 개시가 본 발명에 참고 인용된 미국 특허 4,512,800에 개시되어 있다.
적당한 조절 기구는 핀치 롤러 와이어 공급 장치(24) 및 불활성 가스 압력 조절 장치(42)에 동시에 연결될 수 있다. 폐기물을 없애기 위해, 와이어가 밀봉 기구(30)의 대향 피스톤에 의해 체결되기 시작할 때까지 가스 조절기(42)는 닫힌 상태로 남아 있어야 한다. 어떠한 경우든지, 와이어 주입기 랜스(60)가 금속 용융물(56) 또는 그 위의 슬래그(54)와 근접해질 때까지 특별한 기압은 필요하지 않다. 이 시점에서, 공급기와 불활성 가스 압력 조절 장치는 동시에 활성화될 수 있고, 노즐은 금속 용융물 내로 급락한다. 용융 첨가제와 불활성 가스는 슬래그/금속 계면보다 훨씬 아래에 있는 노즐 오리피스에서 배출된다.
본 밞여의 필수 특징들을 개시했지만, 당업자에게는 다른 변형들이 명백해질 것이다. 이러한 모든 변형은 첨부되는 청구의 범위의 영역에 속하는 것으로 간주한다. 본 발명의 진정한 보호 범위를 나타내는 것으로서, 이상의 청구의 범위보다는 첨부되는 청구의 범위를 참고로 해야 한다.
Claims (23)
- 용융 금속 표면 아래에서 다량의 용융 금속 내로 첨가제 와이어를 공급하기 위한 내화성 랜스용 랜스 노즐 삽입체로서, 유입구와 유출구; 및 이 유입구와 유출구 사이에 구비된, 랜스를 통한 첨가제 와이어 공급용 통로(passage)를 포함하고, 안정화된 산화지르코륨과 흑연을 포함하는 소재로 제조되는 랜스 노즐 삽입체.
- 제1항에 있어서, 흑연이 천연 흑연인 랜스 노즐 삽입체.
- 제2항에 있어서, 흑연이 천연 판상 흑연인 랜스 노즐 삽입체.
- 제1항에 있어서, 흑연이 합성 흑연인 랜스 노즐 삽입체.
- 제1항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 추가로 열경화성 수지 결합제를 포함하는 랜스 노즐 삽입체.
- 제1항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 약 60 내지 85wt%의 안정화된 산화지르코늄 및 약 10 내지 36wt%의 흑연을 포함하는 랜스 노즐 삽입체.
- 제5항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 약 60 내지 85wt%의 안정화된 산화지르코늄, 약 10 내지 36wt%의 흑연 및 약 4 내지 15wt%의 열경화성 수지 결합제를 포함하는 랜스 노즐 삽입체.
- 제5항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 약 67 내지 77wt%의 안정화된 산화지르코늄, 약 19 내지 29wt%의 흑연 및 약 4 내지 8wt%의 열경화성 수지 결합제를 포함하는 랜스 노즐 삽입체.
- 제1항에 있어서, 산화지르코늄이 CaO, MgO, Y2O3 및 CeO로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 산화물에 의해 안정화된, 랜스 노즐 삽입체.
- 용융 금속 표면 아래에서 다량의 용융 금속 내로 첨가제 와이어를 공급하기 위한 랜스로서,유출구를 보유한 내화성 케이싱;상기 유출구로 와이어를 운반하는 통로를 구비하고 있는 내화성 케이싱 내에 위치한 도관; 및내화성 케이싱 내에서 도관과 연통되게 구비되고 유출구를 형성하고 있는, 안정화된 산화지르코늄과 흑연을 포함하는 소재로 제조된 랜스 노즐 삽입체를 포함하는 랜스.
- 제10항에 있어서, 흑연이 천연 흑연인 랜스.
- 제11항에 있어서, 흑연이 천연 판상 흑연인 랜스.
- 제10항에 있어서, 흑연이 합성 흑연인 랜스.
- 제10항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 추가로 열경화성 수지 결합제를 포함하는 랜스.
- 제10항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 약 60 내지 85wt%의 안정화된 산화지르코늄 및 약 10 내지 36wt%의 흑연을 포함하는 랜스.
- 제14항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 약 60 내지 85wt%의 안정화된 산화지르코늄, 약 10 내지 36wt%의 흑연 및 약 4 내지 15wt%의 열경화성 수지 결합제를 포함하는 랜스.
- 제14항에 있어서, 랜스 노즐 삽입체용 소재가 약 67 내지 77wt%의 안정화된 산화지르코늄, 약 19 내지 29wt%의 흑연 및 약 4 내지 8wt%의 열경화성 수지 결합제를 포함하는 랜스.
- 제10항에 있어서, 산화지르코늄이 CaO, MgO, Y2O3 및 CeO로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 산화물에 의해 안정화된, 랜스.
- 제10항에 있어서, 내화성 케이싱이랜스 노즐 삽입체 및 제1 도관 부가 내부에 구비되어 있는 노즐 부; 및제2 도관 부가 내부에 구비되어 있는 주요 부를 포함하고, 제1 및 제2 도관부가 체결하여 와이어를 유출구로 운반하는 통로를 형성하는, 랜스.
- 제19항에 있어서, 주요 부와 노즐 부가 서로 분리될 수 있게 체결되도록 개조 및 구성되어, 노즐 부가 교체될 수 있는 랜스.
- 제20항에 있어서, 제1 및 제2 도관부에는 교합 나사선이 구비되어 있고, 이 교합 나사선의 작동에 의해 내화성 케이싱의 주요 부와 노즐 부가 서로 나사선적으로 체결되는 랜스.
- 랜스 노즐 삽입체가 성형에 의해 제조되는 제1항에 기재된 랜스 노즐 삽입체의 제조방법.
- 랜스 노즐 삽입체가 등방압 성형에 의해 제조되는, 제1항에 기재된 랜스 노즐 삽입체의 제조방법.
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