KR20140024695A - 용강 및 내화물의 반응성 평가방법 - Google Patents

용강 및 내화물의 반응성 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용강 및 내화물을 반응성을 평가하는 방법으로, 상기 내화물을 이용하여 내화물을 제작하는 내화물준비단계; 상기 용강을 반응부에 구비시키고 용강의 온도를 승온시키는 용강승온단계: 상기 용강이 승온된 후에 합금철을 투입하는 합금철투입단계; 상기 합금철이 투입된 용강에 상기 내화물을 침적시킨 후 상기 내화물을 회전시켜 용강과 반응시키는 용강-내화물반응단계; 및 상기 용강과 내화물의 반응이 완료된 후에 용도의 온도를 하강시킨 후 내화물을 분석하는 반응성확인단계;로 이루어지는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법에 관한 것이다.

Description

용강 및 내화물의 반응성 평가방법 {EVALUATION METHOD FOR MOLTEN STEEL AND REFRACTORIES REACTIVITY}
본 발명은 용강 및 내화물의 반응성을 평가하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용강 및 내화물 사이의 실제거동을 반영하여 용강 및 내화물의 반응 매커니즘을 규명하고 이를 실제 조업에 적용할 수 있는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법에 관한 것이다.
통상, 연속주조공정에서 용강은 고온상태로 반응 및 이동되므로 상기 용강과 용강을 수용하거나 또는 용강이 통과하는 장치의 내부는 내화물로 이루어져 있다. 연속주조공정이 진행될수록 용강의 일부는 내화물과 반응하여 개재물을 형성시킨다. 예컨대, 용강이 구비되는 턴디쉬의 하부에는 노즐이 구비되고, 용강은 노즐을 통과하여 몰드로 이동하여 연속주조되는데, 이때, 용강과 노즐의 내부의 내화물이 반응하여 형성된 개재물은 노즐의 막힘현상을 유발한다. 연속주조과정에서 발생하는 상기 노즐의 막힘현상은 공정에 막대한 손실을 일으키며 또한 노즐을 교체하는 도중에 작업자의 산재가 발생하는 등 안전성이 문제를 유발한다.
따라서, 이를 방지하기 위하여 용강과 내화물의 반응성을 확인하고, 각 용강의 특성에 따른 내화물의 성분을 미리 결정하여 노즐에 적용시키는 방식이 사용되어 왔다. 종래에는 용강을 도가니에 넣고 가열하여 용강을 용해한 후, 내화물을 용해된 용강 내에 첨가하여 용강과 내화물의 반응성을 확인하였다. 이때, 상기 용강과 내화물의 비중차이에 의하여 내화물은 용해된 용강 내에 침적되지 못하므로 용강과 내화물 사이에 반응성을 정확하게 확인하기 어려웠다. 또한, 위와 같은 평가방법은 도가니에 용해된 용강과 내화물 사이의 정적인 반응이므로, 연속주조에서 속도를 갖고 노즐을 통과하는 용강과 내화물 사이의 실질적인 반응성, 즉 용강의 유속변화에 따른 노즐 내의 내화물로 개재물의 부착특성을 그대로 재현하기 어렵다는 문제가 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 연속주조공정에서 발생하는 노즐의 막힘현상을 규명할 수 있는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연속주조공정에서의 용강의 흐름 및 실제 연속주조공정을 반영하여 용강과 내화물이 반응하는 매커니즘을 규명할 수 있는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법을 제공하기 위함이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 용강 및 내화물을 반응성을 평가하는 방법으로, 상기 내화물을 가공하여 전처리하는 내화물준비단계; 상기 용강을 반응부 내에 구비시킨 후 상기 용강의 온도를 반응온도로 승온시키는 용강승온단계: 상기 용강 중으로 합금철을 투입하는 합금철투입단계; 상기 내화물의 제1 부분을 상기 용강 중에 침적시킨 후 상기 내화물을 회전시켜 용강과 반응시키는 용강-내화물반응단계; 및 상기 용강과 내화물의 반응이 완료된 후에 용도의 온도를 하강시킨 후 내화물을 분석하는 반응성확인단계;로 이루어지는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법을 포함한다.
상기 내화물준비단계에서, 상기 내화물은 원통형으로 가공하여 제작하고, 원통형으로 제작된 내화물은 예열하여 탈탄될 수 있다.
상기 내화물은 대기분위기에서 800℃ 내지 1000℃의 온도로 가열될 수 있다.
상기 용강승온단계에서, 상기 용강의 온도는 순차적으로 제1 및 제2 단계로 승온되되 상기 제2 단계에서는 반응온도까지 승온되고, 상기 제1 단계의 승온속도는 상기 제2 단계에서의 승온속도에 비하여 늦을 수 있다.
상기 용강의 온도는 제1 단계에서는 상온에서 1000℃로 30분 동안 승온되고, 상기 제2 단계에서는 1000℃에서 1500℃으로 20분 동안 승온될 수 있다.
상기 용강승온단계에서, 상기 용강은 반응부 내에 구비되고, 상기 내화물은 용강의 상부에서 상기 용강과 이격되어 구비될 수 있다.
상기 합금철투입단계에서, 상기 합금철은 상기 반응온도로 승온된 용강을 5분 내지 15분 동안 유지시킨 후에 투입될 수 있다.
상기 용강-내화물반응단계에서, 상기 내화물은 원통형으로 구비되고, 상기 내화물의 제1 부분은 상기 원통형의 하부에서 15mm 내지 20mm일 수 있다.
상기 용강-내화물반응단계에서, 상기 내화물은 50rpm 내지 200rpm의 속도로 회전될 수 있다.
상기 반응성확인단계에서, 상기 용강의 온도를 하강시킨 후 내화물의 외측에 부착된 부착물과, 상기 내화물과의 반응이 끝난 용강을 각각 분석할 수 있다.
상기 반응성확인단계에서, 상기 내화물에 부착된 부착물을 분리하여 상기 부착물의 두께, 부착물의 조성, 및 상기 부착물이 내화물에 부착되는 강도를 평가하고, 상기 용강은 상기 용강이 응고된 후에 상기 용강 중의 개재물의 평균크기, 상기 개재물의 조성 및 개수를 평가할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면 연속주조공정에서 발생하는 노즐의 막힘현상을 규명할 수 있는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 연속주조공정에서의 용강의 흐름 및 실제 연속주조공정을 반영하여 용강과 내화물이 반응하는 매커니즘을 규명할 수 있는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성 평가방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성을 평가하는 장치의 모식도.
도 3는 본 발명에 따른 용강 및 내화물을 반응성을 평가하는 장치의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프.
도 5a는 본 발명에 따른 내화물 및 부착물을 평가하기 위한 처리방법을 나타낸 개략도.
도 5b는 본 발명에 따른 용강을 평가하기 위한 처리방법을 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 반응성 평가전 원통형으로 가공된 내화물을 나타낸 도면.
도 7은 비교예에 따른 반응성 평가후의 내화물을 나타낸 사진.
도 8은 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 내화물을 나타낸 사진.
도 9는 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 용강을 나타낸 사진.
도 10는 실시예 1에 따른 반응성 평가후의 내화물 및 부착물의 평가결과.
도 11은 실시예 2에 따른 반응성 평가후의 내화물 및 부착물의 평가결과.
도 12는 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 내화물 및 부착물의 평가결과.
도 13은 실시예 1에 따른 반응성 평가후의 용강의 평가결과.
도 14는 실시예 2에 따른 반응성 평가후의 용강의 평가결과.
도 15는 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 용강의 평가결과.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성 평가방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2는 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성을 평가하는 장치의 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 용강 및 내화물을 반응성을 평가하는 장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 용강 및 내화물을 반응성을 평가하는 방법으로, 상기 내화물을 가공하여 전처리하는 내화물준비단계 (S1); 상기 용강을 반응부 내에 구비시킨 후 상기 용강의 온도를 반응온도로 승온시키는 용강승온단계 (S2): 상기 용강 중으로 합금철을 투입하는 합금철투입단계 (S3); 상기 내화물의 제1 부분을 상기 용강 중에 침적시킨 후 상기 내화물을 회전시켜 용강과 반응시키는 용강-내화물반응단계 (S4); 및 상기 용강과 내화물의 반응이 완료된 후에 용도의 온도를 하강시킨 후 내화물을 분석하는 반응성확인단계 (S5);로 이루어지는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법에 관한 것이다.
상기 반응성 평가방법은 크게, 반응성 평가전단계 (내화물의 형상을 가공 및 전처리), 반응성 평가단계 (용강 탈산 및 용강과 내화물의 반응성 확인), 및 반응성 평가후단계 (내화물 및 부착물 분석, 용강 분석)으로 구분될 수 있으며, 상기 내화물준비단계 (S1)는 반응성 평가전단계에 포함되고, 상기 용강승온단계 (S2), 합금철투입단계 (S3) 및 용강-내화물반응단계 (S4)는 반응성 평가단계에 포함되며, 반응성확인단계 (S5)는 반응성 평가후단계에 포함될 수 있다.
상기 내화물준비단계 (S1)에서, 상기 내화물 (s)는 원통형으로 가공하여 제작될 수 있다. 상기 원통형으로 제작된 내화물 (s)는 예열될 수 있으며, 예열에 의하여 상기 내화물 (s)는 탈탄될 수 있다. 상기 내화물 (s)은 연속주조공정에서 용강 (m)이 통과하는 침지노즐 등의 재질과 동일 또는 유사한 재질로 이루어질 수 있으며, 예컨대, 상기 내화물 (s)은 스피넬-그라파이트 (Spinel-graphite) 알루미나-그라파이트 (Al2O3-graphite), 또는 을 포함할 수 있다. 상기 내화물 (s)은 60(mm) * 10(Φ)의 크기를 갖는 원통형으로 가공될 수 있다.
상기 내화물 (s)는 대기로 등을 이용하여 대기분위기에서 가열될 수 있는데, 예컨대, 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 가열할 수 있고, 상기 가열은 8시간 내지 10시간 동안 수행될 수 있다. 상기 온도가 800℃ 미만인 경우에는 내화물을 탈탄하는 시간이 증가되어 공정효율이 저하되고, 또한 상기 온도를 오랜 시간 유지하여야 하므로 비용이 증가한다. 반면, 상기 온도가 1000℃ 초가인 경우에는 내화물 중의 탄소만을 제거하는 것이 아닌 내화물이 용융되어 문제가 된다. 또한, 상기 가열시간은 8시간 내지 10시간 동안 수행되는 것이 바람직한데, 상기 가열시간이 8시간 미만인 경우에는 내화물의 탈탄이 불완전하게 수행되고 육안으로 확인한 경우에는 내화물 중의 검은색 (탄소)가 잔존함을 확인할 수 있다. 또한, 10시간을 초과하는 경우에는 장시간 가열에 의하여 내화물이 손상될 수 있다. 따라서, 상기 내화물의 가열은 800℃ 내지 1000℃에서 8시간 내지 10시간 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 내화물의 가열은 1000℃에서 10시간 동안 수행되는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 상기 1000℃에서 10시간 동안 가열되면 내화물의 변형이 없는 상태에서 내화물 중의 탄소를 완전히 제거할 수 있기 때문이다. 상기 내화물 (s)를 예열하는 온도 및 시간은 연속주조시 침지노즐을 예열을 모사하는 것으로, 용강 (m) 및 내화물 (s)의 반응성을 실제 조업과 유사하게 확인하기 위하여 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 반응성 평가방법은 도 2에 도시된 용강 및 내화물의 반응성 평가장치 (10)에 의하여 수행될 수 있는데, 상기 용강 및 내화물의 반응성 평가장치 (10)는 용강 및 내화물이 반응하는 반응부 (100); 상기 반응부 (100)를 제어하는 제어부 (200); 상기 반응부 (100)로 전원을 공급하는 전원공급부 (300); 및 상기 반응부 (100) 및 로 열교환매체를 공급하는 열교환매체공급부 (400);로 이루어질 수 있다. 상기 제어부 (200)는 반응부 (100)에서 용강의 승온조건, 용강과 내화물의 반응시간 등을 제어할 수 있다. 또한, 상기 전원공급부 (300)는 상기 반응부 (100)로 전원을 인가할 수 있고, 상기 열교환매체공급부 (400)는, 예컨대 냉각수 등의 열교환매체를 상기 반응부 (100) 및 전원공급부 (300)로 공급하여 상기 반응부 (100) 및 전원공급부 (300)와 열교환할 수 있다. 예컨대, 상기 반응부 (100)는 유도로를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 반응부 (100)는, 상부 및 하부의 어느 일측이 개구되고, 내부에는 공간이 구비되는 반응관 (110); 상기 반응관 (100)의 상부에서 상기 반응관 (100)을 덮는 캡부재 (cap member) (130); 상기 반응관 (110)의 외면에서 상기 반응관 (110)을 감싸도록 구비되는 유도코일 (140); 및 상기 반응관 (110)의 내부에 구비되어 용강 및 내화물을 수납하는 도가니 (111);를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반응부 (100)는 상기 반응관 (110)의 내부에서 상기 도가니 (111)를 감싸도록 구비되는 카본발열체 (112)를 더 포함하되, 상기 카본발열체 (112)는 상기 유도코일 (140)에 대응하는 위치에 구비되고, 상기 카본발열체 (112)의 하부에서 상기 카본발열체 (112)를 지지하는 지지부재 (113)가 구비될 수 있다.
상기 전원공급부 (300)는 유도코일 (140)로 전원을 인가하여 유도기전력을 발생시킬 수 있고, 이는 카본발열체 (112)를 승온시킬 수 있다. 상기 승온된 카본발열체 (112)는 열전달에 의하여 상기 카본발열체 (112) 내에 안착된 도가니 (111)와, 상기 도가니 (111) 내에 구비되는 용강 (m) 등의 온도를 상승시킬 수 있다. 상기 도가니 (111)는 산화알루미늄 (Al2O3)으로 제작될 수 있으며, 상기 카본발열체 (112)는 용기형태로 구비되어 상기 도가니 (111)를 수납할 수 있다. 상기 지지부재 (113)는 내화물로 제작되어 반응관 (110)의 하부에서 반응관 (111)을 지지할 수 있다. 상기 카본발열체 (112)의 하부에는 상기 카본발열체 (112)의 온도를 측정하기 위하여 하부열전대 (thermocouple; T/C) (114)가 구비될 수 있다. 상기 하부열전대 (114)는 제어부 (200)와 연결되어 상기 카본발열체 (112)의 온도를 제어할 수 있다. 상기 하부열전대 (114)는 상기 지지부재 (113)를 관통하도록 구비될 수 있다.
반응관 (110)은 작업자가 직접 관찰할 수 있도록 내부가 보이는 투명한 재질인 컬츠로 제작될 수 있다. 따라서, 작업자는 용강과 내화물이 반응하는 과정을 확인할 수 있다. 상기 반응관 (110)의 상부에서 반응관 (110)을 덮도록 구비되는 캡부재 (130)가 구비될 수 있다. 상기 캡부재 (130)는 제어부 (200)와 연결되어 리프트 (미도시) 등에 의하여 상하이동이 가능하도록 구비될 수 있다. 캡부재 (130)는 상기 반응관 (110)에 대응하는 크기로 구비될 수 있으며, 상기 캡부재 (130)에는 내화물 (s)을 고정하는 막대형의 연결봉 (152), 상기 도가니 (111)로 합금철을 투입하는 투입관 (170), 및 도가니 (111) 내의 용강 (m)의 온도를 측정하는 상부열전대 (thermocouple; T/C) (160)가 구비될 수 있다. 상기 상부열전대 (160)는 용강 (m) 및 내화물 (s)이 반응하는 도중의 온도를 직접 측정할 수 있고, 이를 이용하여 상기 하부열전대 (114)에 의하여 제어하는 온도 차이를 확인하여 용강 및 내화물이 반응하는 온도를 실제 연속주조공정과 유사하도록 정밀하게 제어할 수 있다.
연결봉 (152)은 캡부재 (130)에서 반응관 (110)을 향하도록 돌출되어 구비될 수 있으며, 연결봉 (1520)읠 일단에는 상기 연결봉 (152)을 회전시키는 회전모터 (미도시)가 구비될 수 있고, 상기 연결봉 (152)의 타단에는 내화물 (s)이 고정될 수 있다. 또한, 상기 연결봉 (152)은 분리가 가능하므로 상기 연결봉 (152)의 길이를 다양하게 변화시켜 사용할 수 있다. 종래에서는 내화물로 제작된 내화물 (a)과 용강 (m) 사이의 비중차이에 의하여 내화물 (s)이 용강 (m)에 침적되기 어려운 문제가 있었고 따라서 상기 용강이 통과하는 침지노즐과 용강의 반응성을 정확하게 확인하기 어려웠다. 반면, 본 발명의 경우에는 캡부재 (130)의 상하이동 및 연결봉 (152)의 길이제어 등을 통하여 용강 (m) 내에 내화물 (s)을 용이하게 침적시킬 수 있으므로, 용강 (m)과 내화물 (s)과의 반응성을 정확하게 확인할 수 있다.
상기 용강승온단계 (S2)에서, 상기 용강 (s)은 반응부 (100) 내에 구비되고, 상기 내화물 (s)은 용강 (m)의 상부에서 상기 용강 (m)과 이격되어 구비될 수 있다. 즉, 상기 용강 (m)을 용융시키기 전에, 내화물 (s)은 용강 (m)과 이격되어 있다가, 상기 반응관 (110)의 유도코일 (140) 및 카본발열체 (112)를 통하여 전달되는 열에 의하여 용강 (m)이 용융되는 등의 소정의 과정을 거친 후 상기 내화물 (s)은 용강 (m) 내로 침적될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 온도 변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 용강승온단계 (S2)에서, 상기 용강 (m)의 온도는 순차적으로 제1 및 제2 단계로 승온되되 상기 제2 단계에서는 반응온도까지 승온되고, 상기 제1 단계에서 승온속도는 제2 단계에서의 승온속도보다 늦을 수 있다. 예컨대, 상기 용강 (m)의 온도는 제1 단계에서는 상온에서 1000℃로 30분 (t1) 동안 승온되고, 상기 제2 단계에서는 1000℃에서 1500℃로 20분 (t2) 동안 승온될 수 있다. 상기 용강은 도가니에 구비되어 가열되는데, 상기 도가니의 온도가 급격하게 올라가면 열충격에 의하여 도가니가 손상된다. 반면, 도가니는 1000℃ 정도에서는 어느 정도 예열이 되어 있으므로, 그보다 높은 온도에서는 온도를 급격하게 올려도 도가니가 손상되지 않는다. 따라서, 상기 도가니에 구비된 용강을 가열하는 경우에는 제1 및 제2 단계로 나눠서 승온시키되, 제1 단계에서는 제2 단계보단 낮은 속도로 승온시키는 것이 바람직하다.
상기 합금철투입단계 (S3)에서, 상기 합금철은 용강을 탈산하기 위하여 투입될 수 있는데, 예컨대 합금철은 Al, Ti, Ca, Ce, Ca-Si 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 예컨대, Al, Ce, 및 Ca-Si가 투입되는 경우에는, 순차적으로 Al→Ca-Si→Ce가 투입될 수 있다. 상기 합금철은 반응온도 (예컨대, 1500℃)로 승온된 용강을 5분 내지 15분 동안 유지시킨 후에 투입될 수 있다. 용강을 5분 미만으로 유지하고 합금철을 투입하는 경우에는 상기 용강의 전체적인 온도가 균일하게 1500℃가 되지 않은 상태이므로, 용강에 투입되어 용강을 탈산하는 합금철이 부분적으로 다른 반응성을 나타낼 수 있다. 반면, 상기 시간이 15분이면 용강의 내부도 충분히 1500℃에 도달하고 용강의 성분도 전체적으로 균일해 지므로, 15분을 초과한 경우에는 불필요한 반응시간을 증가시키므로 공정효율을 저하시킬 수 있다. 따라서, 1500℃로 승온된 용강이 전체적으로 균일한 조성 및 균일한 온도를 갖기 위해서 5분 내지 15분 정도 유지된 후에 합금철이 투입되는 것이 바람직하다. 상기 합금철이 투입된 후 내화물이 용강 중에 침적되고, 예컨대 용강과 내화물은 대략 30분 정도 반응할 수 있다. 상기 용강 (m) 및 내화물 (s)은 반응온도를 유지하면서 소정의 시간 (t3) 동안 반응할 수 있으며, 반응이 끝난후 용강 (m)의 온도를 하강시킬 수 있다.
상기 용강-내화물반응단계 (S4)에서는 용강 (m)과 내화물 (s)의 반응을 시킴으로써 반응의 정도를 확인할 수 있다. 상기 용강 (m)을 도가니 (111)에 구비시킨 후 상기 용강 (m)의 온도를 반응온도로 승온시키고, 용해된 용강 (m) 중으로 합금철을 연속주조에서 실제조업과 유사하게 투입할 수 있다. 상기 합금철이 투입된후, 상기 내화물 (s)의 제1 부분 (l)을 상기 용강 (m) 중에 침적시킨 후 상기 내화물 (s)을 회전시켜 용강과 반응시킬 수 있다.
또한, 상기 용강-내화물반응단계에서, 상기 내화물 (s)은 원통형으로 구비되고, 상기 내화물 (s)의 제1 부분 (l)은 상기 원통형의 하부면을 0mm이라 할때, 상기 하부면에서 15mm 내지 20mm일 수 있다. 상기 내화물 (s)의 제1 부분 (l)은 용강 (m)과 내화물 (s)이 서로 직접 접촉하여 반응하는 부분으로, 상기 제1 부분 (l)의 길이가 15mm 미만인 경우에는 용강 (m) 및 내화물 (s)의 접촉면적이 너무 협소하여 용강 (m) 및 내화물 (s)의 실제 반응성을 정확하게 확인하기 어렵다. 즉, 용강 (m)과 내화물 (s)이 반응한 시료의 양이 너무 작아서 이를 분리하여 분석하는데 충분하지 않다. 또한, 상기 제1 부분 (l)의 길이가 20mm이면 용강 (m)과 내화물 (s)의 반응성을 충분히 확인할 수 있는데, 상기 제1 부분 (l)의 길이가 20mm를 초과하는 경우에는 상기 연결봉 (152)에 구비되는 내화물 (s)의 크기가 불필요하게 증가되므로 비용이 증가하고 또한 상기 용강 (m) 및 내화물 (s)의 반응성을 평가하기 위한 반응부 (100)의 크기도 증가되므로 공간적인 제약 및 비용증가의 문제가 발생한다.
상기 내화물 (s)은 50rpm 내지 200rpm의 속도로 회전될 수 있다. 상기 내화물 (s)의 회전속도가 50rpm 미만이며, 용강 (m)과 내화물 (s)의 반응성이 실제 연속주조에서 발생하는 것보다 저하되므로 적절하지 않다. 또한, 상기 내화물 (s)의 회전속도가 200rpm 초과인 경우에는, 내화물 (s)에 의하여 용강 (m) 내의 와류가 심하게 발생하여 용강의 비산 등을 발생시켜 반응부 (100)를 노화시킬 수 있다. 또한, 동일 시간에 대하여 상기 내화물 (s)이 용강 (m)에 충분히 침적되기 어려우므로 정확한 반응성을 확인하기 어렵다. 즉, 내화물 (s)의 회전속도가 50rpm 미만이거나 또는 200rpm 초과인 경우에는, 실제 연속주조에서 용강이 침지노즐을 통과하는 속도가 충분히 반영되지 못하므로, 실제 조업에서 일어나는 반응성을 명확하게 규명하기 어렵다. 상기 내화물 (s)의 회전속도는 실제 연속주조작업에서 침지노즐을 통과하여 유출되는 주조속도 (주속)을 반영한 것으로, 상기 50rpm은 실제 연속주조작업에서 가장 느린 주속에 대응되고, 상기 200rpm은 가장 빠른 주속에 대응될 수 있다. 따라서, 연속주조잡업 시 중간 정도의 속도인 경우에는 50rpm과 200rpm의 중간정도의 회전속도인 125rpm에 대응될 수 있다.
통상, 용강과 내화물의 반응성을 평가하는 방법으로는 용융된 용강이 담긴 도가니에 합금철 및 내화물을 그냥 담근 상태에서 소정의 온도를 소정의 시간동안 유지하였다. 이때, 합금철은 용강 중으로 내화물과 동시에 투입해야 하므로, 실제 조업과 같이 중간에 투입되는 합금철의 거동을 정확하게 모사하기 어려웠고, 내화물과 용강과의 비중차에 의하여 내화물이 용강 중으로 깊숙히 침적되지 못하여 정확한 반응성 평가가 어려웠다. 또한. 또한, 연속주조시 용강을 침지노즐을 일정한 속도로 통과하므로 용강과 침지노즐 내벽의 내화물은 정적인 조건이 아닌 동적인 조건에서 반응하는 데 반하여 종래 방법으로는 단순히 정적인 조건에서 실시되므로, 실제 조업이 재현되기 어려운 문제점이 있었다.
반면, 본 실시예에 따른 용강 및 내화물의 반응성 평가방법에서는 상기 합금철은 합금철 투입관을 이용하여, 투입되는 합금철의 순서 및 시간을 고려하여 실제 조업과 동일한 순서로 용강 중으로 투입될 수 있다. 또한, 내화물은 제1 부분이 소정의 깊이로 용강 중으로 침적되므로, 내화물과 용강과의 비중차에 의한 문제를 해결할 수 있으며, 상기 내화물을 회전시켜 용강과 반응성을 확인할 수 있으므로 실제 조업과 같이 용강의 유속변화에 따른 용강과 내화물의 반응성을 명확하게 평가하고 이를 조업에 반영시킬 수 있다.
실제 연속주조에서 용강의 흐름 속도를 변화시킬 수 있는데, 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성 평가방법에서도, 상기 내화물의 회전속도를 변경시킴으로써 이를 반영할 수 있다. 또한, 투입되는 합금철의 양과, 내화물의 재질을 변화시킴으로써 실제 연속주조를 하기 전에 내화물과 용강 사이의 반응성 및 상관관계를 규명할 수 있다. 이에 더하여, 신강종을 개발할 때, 강종 성분에 따른 내화물과 용강 사이의 반응성을 평가하여 침지노즐 등의 장치에 사용되는 내화물을 미리 선별하여 적용할 수 있으므로, 생산성을 향상시킬 수 있고 침지노즐 등의 막힘현상을 미리 예방할 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 내화물 및 부착물을 평가하기 위한 처리방법을 나타낸 개략도이고, 도 5b는 본 발명에 따른 용강을 평가하기 위한 처리방법을 나타낸 개략도이다.
상기 반응성확인단계 (S5)에서, 상기 용강의 온도를 하강시킨 후 내화물의 외측에 부착된 부착물과, 상기 내화물과의 반응이 끝난 용강을 각각 분석할 수 있다. 예컨대, 상기 내화물의 제1 부분에는 용강과 반응하여 부착물이 부착되어 구비되고, 또한 용강 중에도 역시 내화물과 용강과 반응한 결과물이 존재하므로 이를 각각 분석하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 내화물에 부착된 부착물을 분리하여 상기 부착물의 두께, 부착물의 조성, 및 상기 부착물이 내화물에 부착되는 강도를 평가하고, 상기 용강은 상기 용강이 응고된 후에 상기 용강 중의 개재물의 평균크기, 상기 개재물의 조성 및 개수를 평가할 수 있다.
이때, 상기 내화물은 상기 부착물이 부착된 부분을 중심으로 상기 내화물에 대하여 수직한 방향으로 절단하여 SEM-EDS을 이용하여 부착물과 내화물의 계면과 부착물의 성분을 분석하고, SEM을 이용하여 부착물의 부착거동을 평가할 수 있다. 상기 용강은 응고된 후 금속상태의 용강을 세로방향으로 절단하여 SEM-EDS를 이용하여 용강중 개재물의 성분을 분석하고, 전자현미경을 이용하여 개재물의 크기 및 개수를 분석하며, OED을 이용하여 상기 용강의 절단된 시편의 성분을 분석할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명에 따른 반응성 평가전 원통형으로 가공된 내화물을 나타낸 도면이고, 표 1은 본 실시예에 따른 평가조건 및 방법을 나타내었다.
내화물 (Alumina-C)을 도 6에 도시한 바와 같이 60mm*10(Φ)의 크기를 갖는 원통형으로 가공하고, 실제 조업에서 사용되는 침지노즐의 예열을 모사하기 위하여, 대기로 (대기분위기)에서 1000℃에서 10시간 예열하여 내화물 내에 있는 카본 (C)을 탈탄 하여 내화물을 준비하였다. 용강은 STS309Si을 이용하였으며, 상기 용강을 탈산할 수 있는 합금철로는 Al, Ca-Si 및 Ce로 이루어질 수 있다.
먼저, 상기 용강 300g을 반응부의 도가니에 넣고 유도코일 및 카본발열체를 포함하는 유도로를 이용하여 상기 용강을 용융시킨다. 이때, 상기 용강은 서로 다른 승온속도인 제1 단계 및 제2 단계로 나누어서 승온시킬 수 있다. 제1 단계에서는 30분간 상온에서 1000℃로 승온시킨후, 이어서 제2 단계에서는 20분간 1500℃까지 승온시킨다. 이와 같이 용융된 용강을 1500℃에서 대략 10분간 유지시킨 후 합금철 투입관을 이용하여 Al, Ca-Si 및 Ce로 이루어진 합금철을 투입한다. Al을 투입후 교반한 후 2분간 유지하고, Ca-Si을 투입후 교반한 후 2분간 유지하고, 이어서 Ce을 투입 후 교반한 후 2분간 유지시킨다. 이때, 상기 Al, Ca-Si 및 Ce의 투입량은 표 1에 기재된 바에 의한다.
상기 합금철의 투입이 끝난후에는, 연결봉에 구비된 내화물의 제1 부분이 용강에 침적되도록 상기 연결봉을 조절한다. 또한, 상기 연결봉에 연결된 회전모터를 이용하여 상기 내화물을 100rpm의 속도로 대략 30분간 회전시킨다. 따라서, 용강과 내화물은 대략 30분 정도 반응할 수 있다. 이때, 반응부 내부는 Ar 분위기로 조성되도록 하고, 상기 도가니는 Al2O2 재질로 이루어진다.
비교예는 도가니 내에 용강을 1500℃까지 승온시키고, 이어서 합금철인 Al, Ca-Si, Ce를 내화물과 함께 한꺼번에 투입하였다. 이때, 비교예의 경우에는 용강, 내화물, 합금철의 양과 온도는 실시예와 동일하게 하였으나, 실시예와는 다르게 합금철은 한꺼번에 일괄하여 내화물과 함께 투입하고, 내화물을 회전시키지는 않았다.
합금철 (wt%) 용강 내화물
Al Ca-Si Ce 재질 반응온도
(℃)		 재질 회전속도
(rpm)
비교예 0.02 0.002 0.03 STS309Si 1500 알루미나
(Alumina-C)		 -
실시예 1 0.02 0.002 0.03 STS309Si 1500 알루미나
(Alumina-C)		 100
실시예 2 0.02 0.001 0.03 STS309Si 1500 알루미나
(Alumina-C)		 100
실시예 3 0.02 0 0.03 STS309Si 1500 알루미나
(Alumina-C)		 100
도 7은 비교예에 따른 반응성 평가후의 내화물을 나타낸 사진이고, 도 8은 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 내화물을 나타낸 사진이며, 도 9는 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 용강을 나타낸 사진이다.
먼저, 도 7를 참조하면, 비교예에 따른 경우, 용강과 내화물의 비중차이에 의하여 내화물이 용강 중에 떠있음을 확인할 수 있었다. 따라서, 비교예의 경우에는 내화물이 용강중에 충분히 침지되지 못하여 실시예 1 내지 3과 동일한 온도에서 동일한 시간 동안 반응시켰음에도 내화물과 용강의 반응이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
반면, 도 8 및 도 9를 참조하면, 비교예와는 다르게 실시예 1 내지 3에서는 용강과 내화물의 반응성이 충분히 일어남을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1 (a), 실시예 2 (b) 및 실시예 3 (c)에서는 합금철 중 Ca-Si 투입량을 변화시킨 것으로, 상기 합금철의 투입에 따라 용강 및 내화물의 반응정도에 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 상기 합금철은 용강 및 내화물의 반응성에 영향을 미치는 인자임에도 불구하고 비교예에서는 합금철의 투입방법이 실제 조업을 모사하지 못하고 내화물과 함께 투입되었으므로 상기 합금철에 의한 용강 및 내화물의 반응성의 영향을 확인할 수 없었다. 반면, 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성 평가방법에서는, 반응부의 캡부재에 구비된 합금철 투입관에 의하여 합금철 투입순서, 투입시기 등을 실제 조업과 유사하게 제어할 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 15를 참조하여, 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성 평가결과를 구체적으로 검토한다. 도 10는 실시예 1에 따른 반응성 평가후의 내화물 및 부착물의 평가결과이고, 도 11은 실시예 2에 따른 반응성 평가후의 내화물 및 부착물의 평가결과이며, 도 12는 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 내화물 및 부착물의 평가결과이다. 또한, 도 13은 실시예 1에 따른 반응성 평가후의 용강의 평가결과이고, 도 14는 실시예 2에 따른 반응성 평가후의 용강의 평가결과이며, 도 15는 실시예 3에 따른 반응성 평가후의 용강의 평가결과이다.
도 10 내지 도 12를 참조하여 실시예 1 내지 실시예 3의 내화물에 부착된 부착물의 크기는 비교하면, 실시예 1의 경우 부착물의 크기가 가장 작았고, 실시예 3의 경우에서 부착물의 크기가 가장 조대함을 확인할 수 있었다. 실시예 1의 부착물의 두께는 대략 1.8mm 이하이고, 부착물의 조성은 Al-Ca-Ce-O이였다. 또한, 상기 실시예 2의 경우에는, 부착물의 두께는 대략 2.5mm 이하이며, 부착물의 조성은 Al-Ce-O였다. 또한, 실시예 3은 부착물의 두께가 대략 9mm 이하로 실시예 1 및 실시예 2에 비하여 부착물의 두께가 4배 정도 더 조대함을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 3에서 부착물의 조성은 Ce-O임을 확인할 수 있었다.
도 13 내지 도 15를 참조하여 실시예 1 내지 실시예 3에서 내화물과 반응한 후의 용강을 검토하면, 실시예 1의 경우가 용강 중의 개재물이 가장 많음을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 실시예 1은 평균 개재물의 크기는 3.53㎛이고 개재물의 조성은 70wt%Al2O3-30wt%Ce2O3이고, 실시예 2에서는 평균 개재물의 크기는 3.12㎛이고 개재물의 조성은 77wt%Al2O3-23wt%Ce2O3이며, 실시예 3에서는 평균 개재물의 크기는 3.95㎛이고 개재물의 조성은 92%wtAl2O3-8%wtCe2O3임을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시예 1에서 개재물의 개수는 가장 많고, 실시예 2는 중간 수준이며, 실시예 3은 가장 적었다.
상기 실시예 1 내지 실시예 3의 조건을 이용하여 실제 조업에 반영할 때, 내화물은 침지노즐의 내벽에 대응되고, 용강은 동일한 용강을 이용하여 실시예 1 내지 실시예 3가 같이 합금철을 다르게 한 결과, 실시예 1의 침지노즐에 부착된 부착물의 경향은 약(弱)이고, 실시예 2는 중(中)이나, 실시예 3은 침지노즐에 부착된 부착물의 크기가 상대적으로 조대했을 뿐 아니라 그 부착경향을 강(强)임을 확인할 수 있었다. 용강의 경우에서도 내화물과 마찬가지로 실시예 1 내지 실시예 3의 경향을 그대로 반영함을 확인할 수 있었다.
전술한 실시예 1 내지 실시예 3에서는 합금철의 조성만을 미세하게 변화시킨 조건이였음에도 불구하고, 용강 및 내화물의 반응성 평가결과에서 그 차이가 확연하게 다름을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 3에서 적용된 실험결과는 실제 조업에서도 거의 그대로 반영됨을 확인할 수 있었다.
반면, 종래에는 합금철의 투입에 대한 조건뿐 아니라, 용강의 흐름, 내화물의 침지정도가 모두 제어하기 어려워서 용강 및 내화물의 반응성 평가결과를 실제 조업에 그대로 반영할 경우 불합치가 있었다. 또한, 종래에는 용강 및 내화물의 반응성을 평가한 후에도, 상기 용강과 내화물의 결과에 대한 평가 및 분석방법이 명확하게 정립되어 있지 않으므로 이를 실제 조업에 적용하기도 어려웠다.
본 발명에 경우에는, 용강 및 내화물의 반응성 평가결과가 실제 조업과 유사한 결과를 갖음을 확인할 수 있었으며, 그 방식 또한 실제 연속주조공정을 그대로 반영할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 용강 및 내화물의 반응성 평가결과를 통하여 용강 및 내화물, 합금철의 종류를 변화시키고, 용강의 흐름 속도, 용강의 반응온도에 따라 미리 평가하여 그 결과를 확인할 수 있고, 이를 실제 조업에 반영하여 장치 등을 제작할 수 있으므로, 장치의 마모 또는 예측하지 못한 반응에 의한 조성 변화 등을 미리 예측할 수 있다. 따라서, 공정효율을 향상시키고, 고가의 장치를 효율적으로 제작할 수 있으므로 비용을 절감할 수 있다. 또한, 각 종류의 용강에 따라 적절한 침지노즐의 재질을 선택하여 효율적으로 적용할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 반응부 200: 제어부
300: 전원공급부 400: 열교환매체공급부
110: 반응관 130: 캡부재
140: 유도코일 152: 연결봉
160: 상부열전대 170: 투입관

Claims (11)

  1. 용강 및 내화물을 반응성을 평가하는 방법으로,
    상기 내화물을 가공하여 전처리하는 내화물준비단계;
    상기 용강을 반응부 내에 구비시킨 후 상기 용강의 온도를 반응온도로 승온시키는 용강승온단계:
    상기 용강 중으로 합금철을 투입하는 합금철투입단계;
    상기 내화물의 제1 부분을 상기 용강 중에 침적시킨 후 상기 내화물을 회전시켜 용강과 반응시키는 용강-내화물반응단계; 및
    상기 용강과 내화물의 반응이 완료된 후에 용도의 온도를 하강시킨 후 내화물을 분석하는 반응성확인단계;로 이루어지는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내화물준비단계에서,
    상기 내화물은 원통형으로 가공하여 제작하고, 원통형으로 제작된 내화물은 예열하여 탈탄되는 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내화물은 대기분위기에서 800℃ 내지 1000℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용강승온단계에서,
    상기 용강의 온도는 순차적으로 제1 및 제2 단계로 승온되되 상기 제2 단계에서는 반응온도까지 승온되고, 상기 제1 단계의 승온속도는 상기 제2 단계에서의 승온속도에 비하여 늦은 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 용강승온단계에서,
    상기 용강의 온도는 제1 단계에서는 상온에서 1000℃로 30분 동안 승온되고, 상기 제2 단계에서는 1000℃에서 1500℃로 20분 동안 승온되는 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용강승온단계에서,
    상기 용강은 반응부 내에 구비되고, 상기 내화물은 용강의 상부에서 상기 용강과 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 합금철투입단계에서,
    상기 합금철은 상기 반응온도로 승온된 용강을 5분 내지 15분 동안 유지시킨 후에 투입되는 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용강-내화물반응단계에서,
    상기 내화물은 원통형으로 구비되고, 상기 내화물의 제1 부분은 상기 원통형의 하부면에서부터 15mm 내지 20mm인 부분인 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용강-내화물반응단계에서,
    상기 내화물은 50rpm 내지 200rpm의 속도로 회전되는 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응성확인단계에서,
    상기 용강의 온도를 하강시킨 후 내화물의 외측에 부착된 부착물과, 상기 내화물과의 반응이 끝난 용강을 각각 분석하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응성확인단계에서,
    상기 내화물에 부착된 부착물을 분리하여 상기 부착물의 두께, 부착물의 조성, 및 상기 부착물이 내화물에 부착되는 강도를 평가하고, 상기 용강은 상기 용강이 응고된 후에 상기 용강 중의 개재물의 평균크기, 상기 개재물의 조성 및 개수를 평가하는 것을 특징으로 하는 용강 및 내화물의 반응성 평가방법.
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