KR20150032733A - 내화 세라믹 가스 퍼징 플러그 및 상기 가스 퍼징 플러그를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

내화 세라믹 가스 퍼징 플러그 및 상기 가스 퍼징 플러그를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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게르하르트 모
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Abstract

본 발명은 제1 단부, 소위 냉간 단부에 가스 입구 및 제2 단부, 소위 열간 단부에 가스 출구, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 주변 표면을 포함한, 내화 세라믹 가스 퍼징 플러그에 관한 것이다.

Description

내화 세라믹 가스 퍼징 플러그 및 상기 가스 퍼징 플러그를 제조하기 위한 방법{REFRACTORY CERAMIC GAS PURGING PLUG AND A PROCESS FOR MANUFACTURING SAID GAS PURGING PLUG}
본 발명은 제1 단부, 소위 냉간 단부에 가스 입구 및 제2 단부, 소위 열간 단부에 가스 출구, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 주변 표면을 포함한, 내화 세라믹 가스 퍼징 플러그에 관한 것이다.
이 일반적인 설계의 가스 퍼징 플러그는 당업계에 잘 공지되었고, 레이들, 턴디시, 또는 변환기와 같은 금속야금 용융 및 처리 용기 내에서 오랫동안 사용되었다.
이러한 가스 퍼징 플러그의 일반적인 형상이 이의 용도에 의존된다. 다음의 형상은 통상, 원통형, 절두형, 입방체형 중 하나이다.
냉간 단부에서 유입되는 가스는 이 가스가 열간 단부를 통하여 인접한 용융된 금속(금속 용융물) 내로 배출되기 전에 플러그의 세라믹 부분을 따라 또는 이를 통하여 유동해야 한다.
이에 따라, 세라믹 부분은 무작위 다공성 또는 지향성 다공성이 제공된다. 무작위 다공성은 다소 치밀한 세라믹 몸체를 통하여 형성되는 내화 세라믹 몸체, 채널에 의한 지향성 다공성, 슬릿, 홀, 등의 스폰지 유사 구조물에 의해 달성된다.
특히, 이 실시 형태에 제한되지 않지만 무작위 다공성의 경우에, 퍼징 장치가 전형적으로 웰 블록(well block) 및/또는 대응 금속야금 용기의 하부 또는 벽을 따라 세라믹 내화 라이닝 내에 설치될지라도 세라믹 몸체의 주변 표면을 통하여 비제어 방식으로 가스 확산의 위험성이 있다.
이러한 이유로, 세라믹 몸체의 세라믹 부분의 주변 표면은 플러그를 통하여 이동된 가스에 대해 불투과성인 금속 케이싱에 의해 덮이고, 이들 플러그는 몇몇의 단점을 갖는다.
웰 노즐(웰 블록) 내에서 또는 금속야금 용기의 하부 또는 벽 라이닝 내의 이러한 플러그의 설치는 플러스의 고정식 시트를 형성하기 위하여 대응 2개의 부분들 사이에 모르타르를 사용하여 수행되지만 모르타르는 각각의 부분들 사이에서 불완전한 모르타르 층 또는 모르타르의 손실의 결과로서 금속 케이싱 상에 항시 점착되지 않는다.
이들 금속 케이싱 플러그의 또 다른 단점이 사용 중이 이들 감소된 내화성에 있다. 이에 관해, 금속 케이싱은 가장 취약한 부분이며, 이는 금속 케이싱이 최저 용융 온도를 갖는 것을 의미한다. 따라서, 사용 중에, 즉 1.000°C를 초과하는 몇몇의 열 부하 하에서, 금속 케이싱은 점차 분해된다.
플러그 사용 중에 금속야금 공격이 이 분해를 악화시킨다. 퍼징 장치(가스 퍼징 플러스)가 산소 블로잉 렌스(oxygen blowing lance)로 세척될 때, 1300°C 초과의 온도가 도달되며, 이는 주변 내화 재료와 플러그 사이에서 간격의 형성 및 상기 금속 케이싱의 마모의 신속한 증가를 야기한다.
본 발명의 목적은 심지어 가혹한 조건 하에서도 연장된 수명의 임의의 형상의 가수 퍼징 장치를 제공하고 이들 단점을 극복하는 데 있다.
본 발명은 금속 케이싱의 외부 표면 상으로 얇은 추가 층을 적용하고 횡방향 가스 확산을 방지하고 플러그를 통하여 원하는 방식으로 가스를 유도하기 위하여 외부 금속 케이싱을 갖는 가스 퍼징 플러그의 사용을 유지한다.
이 층은 적어도 부분적으로 금속 케이싱의 표면을 덮고, 이는 내화 재료를 포함하고 하기 특정 및 이점을 나타낸다:
-이는 금속 케이싱의 외부 표면에 잘 부착됨,
-이는 금속야금 공격에 대해 금속 케이싱을 보호함,
-이는 초과 열에 대해 금속 케이싱을 보호함,
-이는 금속야금 표면의 하부 라이닝, 웰 블록, 벽의 주변 내화 재료와 조화됨,
-이는 열 하에서 금속 케이싱과의 화학적 반응을 허용하여 금속 케이싱의 온도 저항을 증가시킴,
-이는 금속 케이싱의 초과 마모를 방지함,
-이는 주변 내화 재료와의 화학적 반응을 허용하여 이에 따라 이 재료의 내화성을 향상시킴,
-이는 웰 블록 위에 노출된 교체 플러그에 적용된 임의의 보수 재료에 대한 더 우수한 접합 서비스를 제공함.
가장 일반적 실시 형태에서, 본 발명은 하기 특성을 갖는 내화 세라믹 가스 퍼징 플러그에 관한 것이다:
-제1 단부에 가스 입구,
-제2 단부에 가스 출구, 및
-제1 및 제2 단부 사이에서 연장되는 주변 표면,
-주변 표면은 금속 케이싱에 의해 적어도 부분적으로 덮임,
-상기 금속 케이싱은 이의 외부 표면을 따라 적어도 부분적으로 연장되는 내화 코팅을 가짐.
본 발명의 하기 가능한 변형 및 실시 형태에서, 기술적으로 합당하고 명시적으로 배제되지 않는 개별 또는 임의의 조합으로 일반적 기술적 사상이 구현될 수 있다.
내화 코팅은 기계적 연마에 의한 마모를 방지하고 우수한 접착을 가능하게 하도록 가능한 얇아야 한다.
다양한 실시 형태에서, 두께는 2.5 mm 미만, 1 mm 미만 또는 심지어 0.5 mm 미만이어야 하고, 두께는 금속 케이싱의 대응 표면 섹션에 수직인 방향으로 층의 두께로서 형성된다. 이는 이 "두께"를 초과하여 연장되는 개별 입자(그레인)을 배제하지 않는다.
내화 그레인이 접착제(래커)에서 돌출되는 내화 코팅은 특정 조도 및 대응 용기 라이닝의 주변 내화 재료를 갖는 개선된 조립체의 이점을 갖는다. 이의 원래의 표면 마무리를 고려하지 않고 금속 표면은 우수한 물리적 및 화학적 특성을 갖는 얇은 에머리-페이퍼 형 층으로 덮인다.
일 실시 형태에 따라서, 이의 그레인 크기에 따라 내화 층은 제곱 cm당 최소 5 또는 9 또는 20 또는 27 또는 36개의 그레인을 가지며, 이는 이들 그레인이 기본 접착제(래커)로부터 돌출되는 것을 의미한다. 제곱 센티미터당 최대 그레인 개수가 400개 또는 380개 또는 361개 또는 270개 또는 215개 또는 155개 또는 81개로 설정된다.
내화 보호 층이 1.0 mm 미만, 또는 0.5 mm 미만, 또는 0.3 mm 미만, 또는 0.2 mm 미만의 두께를 갖는 래커 코트를 포함할 때 우수한 결과가 구현될 수 있다.
용어 "래커"는 임의의 그리고 모든 타입의 액체 재료를 포함하며, 이 재료는 금속 캐이싱의 외부 표면에 부착되고 적합한 온도 저항성을 갖는다. 일 예시는 수지계 래커, 예를 들어, 노볼락 수지이다. 다른 예시는 폴리실록산, 소듐 실리케이트, 페놀수지, 멜라닌 수지이다.
이 래커 코트는 개별 내화 그레인으로 도핑될 수 있고, 이는 내화 코팅은 내화 그레인 및 액체 래커로 제조되며, 내화 그레인은 래커 코트에서 돌출될 수 있다. 즉 래커는 개별적으로 적용된 바와 같이 내화 그레인과 금속 케이싱 사이의 접착 촉진제로서 제공된다.
이는 보호 층의 전체 두께가 매우 얇을 수 있는 요인이며, 이 이점은 전술된 바와 같이 이로부터 유도된다.
내화 그레인은 또한 래커와 함께 혼합물로서 적용될 수 있다.
상기에서 개시된 이점은 보호 커버의 내화 부품의 특정 선택에 의해 증대될 수 있다. 개별 내화 그레인은 내화 산화물, 탄화물, 질화물, 스피넬로부터 유도될 수 있고, MgO, Al203, Zr02, Si02. Cr203, SiC, 포스테라이트(M2S), 뮬라이트(A3S2), Ti02, 칼슘알루미네이트 및 이와 다른 것을 포함한다.
특정 이점은 800°C 초과의 온도에서 금속 케이싱(엔벨로프)와 반응하는 내화 코팅 재료로 구현될 수 있고, 이에 따라 산화철(금속 케이싱으로부터) 및 MgO 및/또는 Al203(그레인으로부터)의 화합물과 같은 1.300°C 초과의 용융 온도에 따라 화학적 화합물을 형성한다.
추가 실시 형태에 따라서, 내화 코팅은 800°C 초과의 온도에서 금속 코팅의 재료와 반응하는 재료로 제조되며, 이에 따라 1.300°C 초과의 용융 온도를 갖는 스피넬이 형성된다. 이 스피넬은 MgFe 스피넬 또는 AlFe 스피넬, 예컨대 허시나이트(hercynite) 스피넬(1780°C의 용융 온도를 가짐)일 수 있다. 이는 하기 추가 이점을 제공한다: 시피넬 형성 중에 재료는 팽창하여 이의 주변에서 플러그의 향상된 고정을 유도한다.
산소창 처리(세척) 중에 플래싱에 의해 마모 및/또는 금속 케이싱의 재료의 추가 용융이 배제되지 않는 경우 적어도 감소된다.
이는 주변 내화 재료에 동일하게 적용되어 주변 내화 라이닝과 플러그 사이의 임의의 부식을 각각 감소 또는 방지하며, 더 긴 수명을 제공한다. 낮은 내화성을 갖는 모르타르, 예를 들어, 사용할 준비가된 소듐 실리케이트 모르타르의 내화 거동이 또한 향상된다.
본 발명은 이러한 퍼징 장치를 제조하기 위한 방법을 추가로 개시한다.
이 공정은 하기 단계, 외부 금속 엔벨로프(케이싱)를 포함하는 임의의 형상의 공지된 퍼징 플러그(퍼징 장치)로부터 시작하여,
a) 가스 퍼징 플러그의 금속 케이싱의 외부 표면의 적어도 일부 상으로 액체 래커를 적용하고 이 상에 액체 래커 코트를 형성하는 단계,
b) 액체 래커 코트 내로 내화 그레인을 적용하는 단계,
c) 내화 그레인과 함께 경화된 내화 코팅을 형성할 때까지 액체 래커 코트를 건조하는 단계를 포함한다.
액체 층은 단계 a) 이후에 상기 래커 층 상으로 그리고 내로 적용되는 내화 그레인에 대한 금속 케이싱의 외부 표면 상에 접착제를 제공하는 임무를 갖는다.
대안으로, 상기 단계 a)와 b)는 통합되며, 이는 금속 케이싱에 적용된 래커가 상기 내화 그레인을 포함하는 것을 의미한다.
일반적으로, 래커 및/또는 내화 그레인은 공지된 바와 같이 다른 목적을 위해 하기 기술들 중 하나의 기술에 의해 적용될 수 있다: 분사, 플러딩(flooding), 브러싱(brushing), 디핑(dipping).
양 기술에 따라, 내화 그레인은 래커가 경화될 때까지 잔류하고 래커 층에 부착되며 내에 그리고 상에 점착될 것이다.
수지계 래커의 경우에, 수지가 자체적으로 적용 이후에 경화됨에 따라 단계 c)에서 추가 보조가 필요 없다. 이 단계는 보호 커버가 금속 코팅 상에 확고히 부착될 때까지 예를 들어, 50°C 초과, 100°C 초과, 또는 250°C 초과의 온도에서 템퍼링과 같은 열 처리에 의해 가속화될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 퍼징 플러그의 종방향 단면도.
도 2는 내화 플러그의 단면의 도식적 평면도.
플러그는 다음을 포함한다:
무작위 다공성을 갖는 세라믹 내화 부품(10). 부품(10)은 이의 상부 단부(10u)의 경우를 제외하고 부품(10)의 주변 표면(10p)뿐만 아니라 하부(10b)의 일부를 둘러싸는 금속 케이싱(12)에 의해 캡슐화되고, 하부(10b)로부터 하향 돌출되는 가스 공급 파이프(14) 내로 이어진다.
가스는 상기 공급 파이프 섹션(14)을 통하여 유도되고, 이의 제1 단부(10i), 가스 입구 단부를 통하여 유동하며, 부품(10)을 통과하고 이의 제2 단부(10o)의 가스 출구 단부에서 상기 부품(10)을 빠져나간다. 실제로, 세라믹 부품(10)과 케이싱(12) 사이에는 간격이 없다. 이는 양 부품(10, 12)들 간의 더 우수한 구별을 위해 도시된다.
부품(10)의 표면(10p)을 둘러싸는 금속 케이싱(12)의 섹션(12p)이 0.2 mm의 두께를 갖는 노볼락 수지로 구성된 내화 층(20)에 의해 덮이고 스프레잉에 의해 상기 표면 섹션(12p)에 적용된다.
알루미나(Al2O3)로 제조된 불규칙적인 형상의 내화 그레인(22)이 점착성 수지 층 상으로 분사되고 이에 다라 이 수지 층 내로 통합된다. 그레인은 0.5 mm의 크기(직경)(d90)을 가져서 내화 코팅의 원하는 조도(roughness)를 달성한다(d90 평균: 그레인의 90 중량%가 상기 d90보다 더 작은 크기를 가짐).
수지의 경화 이후에, 0.2 mm의 최소 치수를 갖는 이들 그레인이 수지 층에서 돌출되고 내화 층에 에머리 페이퍼(emery paper)의 외관을 제공한다.
도 2에는 상기 내화 코팅의 섹션 상이 도식적 평면도가 도시된다.
온도 부하 하에서 가스 퍼징 플러그의 사용 중에, 상기 알루미나 그레인은 허시나이트 스피넬(hercynite spinel)을 형성하고 금속 케이싱(12)으로부터 철 산화물(Fe2+)과 반응할 것이며, 이에 따라 케이싱(12)이 이의 네이티브 상태보다 더 큰 열과 마모 저항성을 갖는다.

Claims (14)

  1. 제1 단부(10i)에 가스 입구, 제2 단부(10o)에 가스 출구, 및 제1 단부(10i)와 제2 단부(10o) 사이에서 연장되는 주변 표면(10p)을 갖는 내화 세라믹 가스 퍼징 플러그로서, 상기 주변 표면(10p)은 금속 케이싱(14)에 의해 적어도 부분적으로 덮이고, 상기 금속 케이싱(14)은 주변 표면(10p)을 따라 적어도 부분적으로 연장되는 내화 코팅(20)을 포함하는 가스 퍼징 플러그.
  2. 제1항에 있어서, 내화 코팅(20)은 2.5 mm 미만의 두께를 갖는 가스 퍼징 플러그.
  3. 제1항에 있어서, 내화 코팅(20)은 1.0 mm 미만의 두께를 갖는 가스 퍼징 플러그.
  4. 제1항에 있어서, 내화 코팅(20)은 0.5 mm 미만의 두께를 갖는 가스 퍼징 플러그.
  5. 제1항에 있어서, 내화 코팅(20)은 800°C 초과의 온도에서 금속 코팅의 재료와 반응하는 재료로 제조되며, 이에 따라 1.300°C 초과의 용융 온도를 갖는 화학적 화합물이 형성되는 가스 퍼징 플러그.
  6. 제1항에 있어서, 내화 코팅(20)은 800°C 초과의 온도에서 금속 코팅의 재료와 반응하는 재료로 제조되며, 이에 따라 1.300°C 초과의 용융 온도를 갖는 스피넬이 형성되는 가스 퍼징 플러그.
  7. 제1항에 있어서, 내화 코팅(20)은 0.5 mm 미만의 두께를 갖는 래커 코팅을 포함하는 가스 퍼징 플러그.
  8. 제7항에 있어서, 래커 코팅은 수지계 래커로 제조되는 가스 퍼징 플러그.
  9. 제7항에 있어서, 내화 코팅(20)은 래커 코팅으로부터 돌출되는 개별 내화 그레인(22)을 포함하는 가스 퍼징 플러그.
  10. 제1항에 있어서, 내화 코팅(20)은 MgO, Al2O3, ZrO2, 스피넬, SiO2, Cr2O3, SiC를 포함하는 그룹의 개별 내화 그레인을 포함하는 가스 퍼징 플러그.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 가스 퍼징 플러그를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    a) 가스 퍼징 플러그의 금속 케이싱의 외부 표면의 적어도 일부 상으로 액체 래커를 적용하고 이 상에 액체 래커 코트를 형성하는 단계,
    b) 액체 래커 코트 내로 내화 그레인을 적용하는 단계,
    c) 내화 그레인과 함께 경화된 내화 코팅을 형성할 때까지 액체 래커 코트를 건조하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 단계 a)는 금속 케이싱의 외부 표면 상으로 액체 층을 분사함으로써 수행되는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 단계 b)는 액체 래커 코트 내로 내화 그레인을 분사함으로써 수행되는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 단계 c)는 50°C 초과의 온도 하에서 수행되는 방법.
KR1020157002660A 2012-09-20 2013-08-06 내화 세라믹 가스 퍼징 플러그 및 상기 가스 퍼징 플러그를 제조하기 위한 방법 KR20150032733A (ko)

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