KR20190044919A

KR20190044919A - 내화물

Info

Publication number: KR20190044919A
Application number: KR1020170137516A
Authority: KR
Inventors: 윤상현; 이영주
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2019-05-02
Also published as: WO2019083090A1; CN111263876A; KR101981460B1; JP2020537737A

Abstract

본 발명은, 입체 형상으로 형성되는 내화체, 내화체의 내부에 배치되고, 내화체의 내부를 가로질러 연장되며, 내화체의 에지에서 이격되는 프레임을 포함하는 내화물로서, 프레임을 이용하여 내화체 내의 균열의 우회 및 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 내화물이 제시된다.

Description

내화물{REFRACTORIES}

본 발명은 내화물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 균열의 우회 및 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 내화물에 관한 것이다.

제철 공정에서 이용되는 내화물은 마그네시아와 알루미나 등을 원료로 하여 제조된다. 이때, 내화물에 반복되는 열충격에 대한 내구성 증가와 내화물과 접촉하는 슬래그에 대한 반응성 감소와 내화물 내부의 온도구배 완화를 위하여, 내화물에 2wt% 내지 25wt%의 그라파이트가 첨가된다.

한편, 내화물의 열전도도 향상과 탄성율 저감을 위해 그라파이트 함량을 증대할 수는 있으나, 그라파이트 함량을 증대하여 얻을 수 있는 내스폴링성의 향상에는 한계가 있다. 또한, 내화물 내의 그라파이트가 용강에 직접 맞닿을 경우, 용강 중으로 탄소가 용출되어 용강의 탄소 농도를 증가시킬 수 있고, 내화물의 내부에 일산화탄소가 생성되어 내화물이 손상될 수 있다. 또한, 내화물이 마그네시아질 내화물일 경우 용강내 탄소와 반응하여 다량의 일산화탄소를 생성할 수 있다.

따라서, 용강의 탄소 농도 증가와 일산화탄소 발생에 의한 내화물 손상을 억제하도록 내화물로의 슬래그 침투를 억제할 수 있으면서 내화물내의 내열충격성을 저하시키지 않는 범위내에서 내화물의 그라파이트 함량을 낮추는 것이 바람직하다.

이때, 그라파이트의 함량을 낮추는 만큼 내화물의 내구성이 감소할 수 있기 때문에, 그라파이트 외에 내화물의 내구성을 확보할 수 있는 방안이 필요하다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 특허문헌에 게재되어 있다.

KR

10-2009-0116487

A

본 발명은 균열의 우회 및 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 내화물을 제공한다.

본 발명은 균열이 발생한 부분의 국부 탈락을 효과적으로 방지할 수 있는 내화물을 제공한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 내화물은, 입체 형상으로 형성되는 내화체; 및 상기 내화체의 내부에 배치되는 프레임;을 포함하고, 상기 프레임은 상기 내화체의 내부를 가로질러 연장되며, 상기 내화체의 에지에서 이격된다.

상기 프레임은 상기 내화체의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치할 수 있다.

상기 프레임은 상기 내화체의 내부를 지나는 복수의 축 방향에서, 상기 내화체의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치할 수 있다.

상기 프레임은 상기 길이의 10% 내지 90% 사이에서 상기 프레임이 연장된 방향으로 연속하여 위치할 수 있다.

상기 프레임은 단일 섬유와 섬유 다발 중 적어도 하나로 형성된 카본 섬유를 포함할 수 있다.

상기 내화체의 내부에 복수개의 상기 프레임이 이격 배치될 수 있다.

상기 복수개의 프레임은 서로 같은 방향으로 연장되어 하나의 프레임 그룹을 형성하거나, 서로 다른 방향으로 연장된 복수개의 프레임 그룹을 형성할 수 있다.

상기 복수개의 프레임이 상기 복수개의 프레임 그룹을 형성할 때, 상기 복수개의 프레임 그룹이 연장된 각 방향은 서로 0° 초과 180° 미만의 각도를 이룰 수 있다.

상기 복수개의 프레임이 상기 복수개의 프레임 그룹을 형성할 때, 상기 복수개의 프레임 그룹은 제1축 방향으로 연장되는 제1그룹 및 제2축 방향으로 연장되는 제2그룹을 포함할 수 있다.

상기 복수개의 프레임이 상기 복수개의 프레임 그룹을 형성할 때, 상기 복수개의 프레임 그룹은 제3축 방향으로 연장되는 제3그룹을 더 포함할 수 있다.

상기 복수개의 프레임 간의 간격은 상기 내화체의 최대 입자 크기의 3배 이상일 수 있다.

상기 내화체는 입자의 최대 크기가 3mm 이하일 수 있다.

상기 내화체는 몰드에 주입 성형된 부정형 내화물 블록을 포함하고, 상기 부정형 내화물 블록은 내화물 원료 및 그라파이트를 포함할 수 있다.

상기 부정형 내화물 블록은 상기 부정형 내화물 블록의 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 20wt%의 그라파이트를 포함할 수 있다.

상기 내화체는 몰드내에서 0.1 내지 1.5 ton/㎝²의 압력으로 가압 성형된 정형 내화물 연와를 포함하고, 상기 정형 내화물 연와는 내화물 원료, 바인더 및 그라파이트를 포함할 수 있다.

상기 정형 내화물 연와는 상기 정형 내화물 연와의 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 50wt%의 그라파이트 및 0.5wt% 내지 5wt%의 바인더를 포함할 수 있다.

상기 내화체는 상기 내화체의 전체 중량에 대하여 그라파이트 함량이 10wt% 이하일 수 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면, 내화물의 내부에 카본 섬유를 이용하여 다양한 구조의 프레임 그룹을 구축할 수 있고, 이를 이용하여 내화물 내부에서 발생하는 균열이 주변으로 전파되거나 내화체 내의 그라파이트 입자를 우회하여 성장하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 내화물 내부에서 균열이 성장하더라도 내화물의 내부에 구축된 카본 섬유를 이용하여 균열이 발생한 내화물의 일부분이 국부적으로 탈락하는 것을 방지할 수 있다.

즉, 내화물의 내부에 다양한 입체 구조로 구축된 카본 섬유에 의해 내화물의 내구성을 충분히 확보할 수 있기 때문에, 내화물의 그라파이트 함량을 종래보다 줄일 수 있다. 따라서, 내화물이 사용되는 제철 공정 중에 내화물과 접촉된 용융 금속의 내부로 탄소가 용출되는 것을 저감시키면서도 내화물의 사용수명을 충분히 확보할 수 있어서, 제품의 품질 확보와 제조 원가 절감에 기여할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 균열 차단 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 국부 탈락 방지 작용을 비교 예와 대비하여 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 꺽임 강도 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 열충격 내구성의 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물의 개념도이다. 도 1은 본 발명의 제1실시 예의 내화물 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시 예의 내화물 개념도이며, 도 3은 본 발명의 제3실시 예의 내화물 개념도이다.

본 발명의 실시 예들을 제강 공정과 연속주조 공정 등을 수행하는 각종 설비에서 활용 가능한 불소성 내화물을 기준으로 상세하게 설명한다. 물론, 본 발명의 실시 예들은 제철 공정을 위한 각종 설비들에도 다양하게 적용될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물은, 내화성을 가지며, 입체 형상으로 형성되는 내화체(10), 내화체(10)의 내부에 배치되고, 내화체(10)의 내부를 가로질러 연장되며, 내화체(10)의 에지에서 이격되는 프레임(20)을 포함한다. 여기서, 에지는 내화체(10)를 3축(x, y, z 축) 방향을 포함한 다양한 방향으로 절단하였을 때 각 단면의 가장자리 둘레에 해당하는 내화체(10)내의 소정의 영역을 의미한다. 즉, 프레임(20)이 에지에서 이격되는 것은, 예컨대 내화체(10)의 중심을 원점으로 하는 모든 방향에 대하여, 프레임(20)이 내화체(10)의 겉면에서 이격되어 내화체(10)의 내부에 소정의 깊이로 매설되어 있음을 의미한다. 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물은, 프레임(20)을 이용하여 내화체(10)의 내구성을 강화시킨 고내구성 내화물이라고도 할 수 있다.

내화체(10)는 내화성을 가질 수 있고, 각종 공정이 수행되는 고온의 환경에서 사용 수명 동안 기계적(물리적)인 침식과 화학적인 침식을 견딜 수 있도록 형성될 수 있다. 내화체(10)는 그라파이트를 포함하는 불소성 내화체일 수 있다. 이때, 내화체(10)는 부정형 내화물 블록과 정형 내화물 연와를 포함할 수 있다. 부정형 내화물 블록은 몰드에 주입 성형된 부정형 내화물 블록일 수 있고, 정형 내화물 연와는 몰드내에서 소정의 압력으로 가압 성형된 정형 내화물 연와일 수 있다.

한편, 부정형 내화물 블록은 예컨대 캐스터블 내화물과 같은 부정형 내화물 원료로 제조된 내화물 블록이다. 즉, '부정형'이라는 용어는 소정의 고정된 형상을 가지되 그 형상이 다양한 입체인 것을 의미한다. 실시 예에서는 '부정형'이라는 용어가 액체처럼 형태가 일정하지 않고 유동적인 것을 의미하는 것이 아니다.

부정형 내화물 블록은 내화물 원료 및 그라파이트를 포함할 수 있다. 부정형 내화물 블록은 부정형 내화물 블록의 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 20wt%의 그라파이트를 포함할 수 있고, 잔부 내화물 원료를 포함할 수 있다.

정형 내화물 연와는 내화물 원료, 바인더 및 그라파이트를 포함할 수 있다. 정형 내화물 연와는 정형 내화물 연와의 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 50wt%의 그라파이트 및 0.5wt% 내지 5wt%의 바인더를 포함할 수 있고, 잔부 내화물 원료를 포함할 수 있다.

내화물 원료는 마그네시아, 알루미나, 실리카, 칼시아 및 지르코니아를 포함할 수 있으며, 이들 간의 배합 비율은 다양할 수 있다. 실시 예들에서는 이의 배합 비율을 특별히 한정하지 않는다.

내화체(10)는 입자의 최대 크기가 3mm 이하일 수 있다. 내화체(10)의 입자의 최대 크기가 이보다 크면 프레임(20)이 내화체(10)의 입자에 의해 손상될 수 있다.

한편, 내화체(10)는 프레임(20)을 이용하여 내구성을 향상시킬 수 있기 때문에, 내화체(10)의 전체 중량에 대하여 그라파이트 함량이 10wt% 이하가 되도록 그 함량을 줄일 수 있고, 특히, 부정형 내화물 블록의 경우 그라파이트 없이도 원하는 내구성을 확보할 수 있다. 즉, 내화체(10)는 극저흑연질의 내화체(10)일 수 있다.

프레임(20)은 단일 섬유로 형성된 카본 섬유와 섬유 다발로 형성된 카본 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이때, 카본 섬유는 고인성 카본 섬유일 수 있고, 이의 지름 또는 공칭지름은 수 내지 수십 ㎛일 수 있다. 프레임(20)은 내화체(10)의 내부에서 네트워크를 형성하고, 내화체(10)의 내부에 발생할 수 있는 균열(crack)이 그라파이트 입자와 내화물 원료 입자를 우회하여 성장하는 것을 억제할 수 있다. 한편, 내화체(10)의 일부가 균열에 의해 분리되더라도 여전히 프레임(20)에 의해 지지될 수 있어, 분리된 내화체(10)의 일부가 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 프레임(20)은 내화체(10)의 내부에 카본 섬유 네트워크를 형성하고, 이를 이용하여, 열충격, 기계적 충격, 구조적 응력 집중에 의해 내화체(10)의 내부에 생성되는 균열의 전파를 막아 내화체(10)의 손상을 방지할 수 있고, 내화체(10)에 균열이 발생하더라도 균열 부분의 박리 즉, 내화체(10)의 국부적인 탈락을 방지할 수 있다.

프레임(20)은 내화체(10)의 에지에서 이격되어, 내화체(10)의 겉면에 노출되지 않는다. 다르게 표현하면, 프레임(20)은 내화체(10)의 외부에 노출되지 않는다. 예컨대 프레임(20)이 프레임(20)은 내화체(10)의 외부에 노출되면 용강과 맞닿을 수 있고, 프레임(20)내의 탄소 성분이 용강으로 픽업되어 소실될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 프레임(20)이 내화체(10)의 내부에 배치될 때 내화체(10)의 에지에서 이격된다.

프레임(20)은 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치할 수 있다. 더욱 상세하게는, 프레임(20)은 내화체(10)의 내부를 지나는 복수의 축 방향에서, 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치할 수 있다. 여기서, 복수의 축은 3축(x, y, z 축) 방향을 비롯하여, 이들 축과 소정 각도로 이격되며 내화체(10)의 내부를 지나는 다양한 축을 포함할 수 있다. 이때, 이들 축은 내화체(10)의 내부 소정 위치를 지나거나, 내화체(10)의 중심을 지날 수 있다. 상술한 일단부와 타단부는 내화체(10)의 중심을 사이에 두고 서로 마주보는 일단부와 타단부이며, 내화체(10)의 중심을 지나는 복수의 축 방향으로 양측에 위치할 수 있다.

예컨대 x 축 방향에서, 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이를 x 축 길이(L₁)라 하면, 프레임(20)은 x 축 길이(L₁)의 10% 내지 90% 길이(L_1,0)에 위치한다. 또한, y 축 방향에서, 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이를 y 축 길이(L₃)라 하면, 프레임(20)은 y 축 길이(L₃)의 10% 내지 90% 길이(L_3,0)에 위치한다. 또한, z 축 방향에서, 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이를 z 축 길이(L₂)라 할 때, 프레임(20)은 z 축 길이(L₂)의 10% 내지 90% 길이(L_2,0)내에 위치할 수 있다.

프레임(20)의 위치가 상기 범위를 초과하는 경우, 내화체(10)의 표면 근처에 프레임(20)이 위치하고, 이에, 내화체(10)를 제조하는 과정에서 표면에 미세 균열이 발생할 수 있다. 프레임(20)의 위치가 상기 범위 미만일 경우, 카본 섬유에 의한 내화체의 보강 효과가 저하되는 문제점이 있다.

프레임(20)은 프레임(20)이 연장된 방향으로의 내화체(10)의 길이의 10% 내지 90%의 길이를 가지는 카본 장섬유일 수 있다. 이때, 프레임(20)은 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90% 사이에서 프레임(20)이 연장된 방향으로 연속하여 위치할 수 있다. 한편, 프레임(20)은 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90% 사이에서 서로 이격되어 위치하거나 접촉되도록 위치하면서 상호 정렬될 수 있다. 이 경우, 프레임(20)의 길이는 보다 짧을 수 있다.

즉, 프레임(20)은 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90% 사이에서, 프레임(20)이 연장된 방향으로 끊어짐 없이(단락되지 않고) 연속하여 위치할 수도 있고, 이때, 프레임(20)의 연장 길이가 프레임(20)이 연장된 방향으로의 내화체(10)의 길이의 10% 내지 90%의 길이일 수 있다.

또는, 프레임(20)은 내화체(10)의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90% 사이에서, 프레임(20)이 연장된 방향으로 단속적으로 위치할 수도 있고, 이때, 프레임(20)의 연장 길이가 프레임(20)이 연장된 방향으로의 내화체(10)의 길이의 예컨대 10% 내지 80%의 길이일 수 있다.

프레임(20)의 최소 길이가 내화체(10)의 길이의 10% 미만이면, 카본 장섬유에 의한 내화체의 보강 효과가 저하되는 문제점이 있다. 프레임(20)의 최대 길이가 내화체(10)의 길이의 90% 이상이면, 내화체(10)의 표면 근처에 프레임(20)이 위치하고, 이에, 내화체(10)를 제조하는 과정에서 표면에 미세 균열이 발생할 수 있다.

프레임(20)은 상술한 수치 범위들에 의해, 내화체(10)내에 방향성을 가지고 그룹화되어 배치될 수 있다.

프레임(20)이 연장된 방향은 균열이 발생하는 방향에 수직할 수 있으며, 내화물의 사용 환경에 따라 균열이 다방면으로 발생할 경우, 프레임(20)의 배열을 다양하게 하여 이에 대응할 수 있다.

한편, 내화체(10)의 내부에 복수개의 프레임(20)이 이격 배치될 수 있다. 이때, 복수개의 프레임(20) 간의 간격은 내화체(10)의 최대 입자 크기의 3배 이상일 수 있다. 프레임(20)들의 간격이 내화체(10)의 최대 입자 크기의 3배 미만이면, 내화체(10)의 성형이 원활하지 않을 수 있고, 내화체(10)의 중량이 작아지게 되어 내화물로서의 기능이 떨어질 수도 있다.

복수개의 프레임(20) 간의 간격의 상한은 특별히 한정하지 않는다. 즉, 복수개의 프레임(20) 간의 간격은 내화체(10)의 최대 입자 크기의 3배 이상인 범위 내에서 프레임(20)의 개수에 따라 다양하게 달라질 수 있다.

이하, 내화물의 사용 환경에 따라 프레임(20)의 배열을 다양하게 구성한 각각의 실시 예를 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에서는, 복수개의 프레임(20)이 서로 같은 방향으로 연장되어 하나의 프레임 그룹을 형성할 수 있다. 즉, 복수개의 프레임(20)이 예컨대 x 축 방향과 z 축 방향으로 이격되고, y 축 방향으로 연장되어 하나의 프레임 그룹을 형성할 수 있다. 물론, 도면에 도시된 것 외에도, 복수개의 프레임(20)이 예컨대 y 축 방향과 x 축 방향으로 이격되고, z 축 방향으로 연장되어 하나의 프레임 그룹을 형성할 수도 있고, 복수개의 프레임(20)이 예컨대 z 축 방향과 y 축 방향으로 이격되고, x 축 방향으로 연장되어 하나의 프레임 그룹을 형성할 수도 있다. 또한, 상술한 경우들에서, 각 축 방향으로 연장되는 것 외에도 각 축 방향에 소정 각도 경사지도록 연장될 수도 있다. 이러한 배열을 동일 방향 평행 배열이라고 한다. 이 같은 배열은 정형 내화물 연와에 적용되는 것이 좋다. 한편, 제1실시 예의 변형 예의 경우, 내화체(10)의 내부에 하나의 프레임(20)이 배치될 수도 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시 예에서는, 복수개의 프레임(20)이 서로 다른 방향으로 연장되어 복수개의 프레임 그룹을 형성할 수 있고, 이때, 복수개의 프레임 그룹은 제1축 방향으로 연장되는 제1그룹과 제2축 방향으로 연장되는 제2그룹을 포함할 수 있다. 여기서, 제1축 방향이 예컨대 x 축 방향이라고 하면, 제2 축 방향은 y 축 방향이거나 z 축 방향일 수 있다. 또한, 제1축 방향이 예컨대 y 축 방향이라고 하면, 제2 축 방향은 z 축 방향이거나 x 축 방향일 수 있다. 또한, 제1축 방향이 예컨대 z축 방향이라고 하면, 제2 축 방향은 x 축 방향이거나 y 축 방향일 수 있다. 이러한 배열을 평면 격자 이격 배열이라 한다. 이 같은 배열은 정형 내화물 연와에 적용되는 것이 좋다. 한편, 제2실시 예의 변형 예의 경우, 각 프레임 그룹마다 하나의 프레임(20)만을 포함할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제3실시 예에서는, 복수개의 프레임(20)이 서로 다른 방향으로 연장되어 복수개의 프레임 그룹을 형성할 수 있고, 이때, 복수개의 프레임 그룹은 제1축 방향으로 연장되는 제1그룹과 제2축 방향으로 연장되는 제2그룹과 제3축 방향으로 연장되는 제3그룹을 포함할 수 있다. 여기서, 제1축 방향과 제2축 방향과 제3축 방향은 x 축 방향, y 축 방향 및 z 축 방향일 수 있다. 이러한 배열을 공간 격자 이격 배열이라 한다. 이 같은 배열은 부정형 내화물 블록에 적용되는 것이 좋다. 한편, 제3실시 예의 변형 예의 경우, 각 프레임 그룹마다 하나의 프레임(20)만을 포함할 수도 있다.

이 외에도, 다양한 실시 예가 있을 수 있고, 내화체(10)의 내부에 다양한 프레임 그룹이 더 형성될 수 있고, 복수개의 프레임(20)이 복수개의 프레임 그룹을 형성할 때, 복수개의 프레임 그룹이 연장된 각 방향은 0° 초과 180° 미만의 각도를 이룰 수 있다. 즉, 다양한 입체 구조로 프레임(20)이 배열될 수 있다. 물론, 이 때에도, 각 프레임 그룹마다 하나의 프레임을 포함하는 경우도 있다.

이하, 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물 제조 방법을 설명한다.

우선, 내화체(10)가 부정형 내화물 블록일 때의, 내화물 제조 방법을 설명한다. 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물 제조 방법은, 내화물 원료 및 그라파이트를 준비하는 과정; 내화물 원료와 그라파이트를 혼합하여 혼합물을 마련하는 과정, 몰드 내에 적어도 하나의 프레임(20)을 위치시키는 과정; 혼합물에 물을 첨가하여 혼합한 후, 이를 몰드에 주입하는 과정, 및 몰드내에서 혼합물을 경화시켜 부정형 내화물 블록으로 성형하는 과정을 포함한다. 이때, 프레임(20)이 몰드의 내부면에서 이격되도록 위치할 수 있고, 특히, 몰드의 내부 공간의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치할 수 있다. 또한, 몰드내에 배치되는 프레임(20)의 구조를 다양하게 하여 원하는 구조의 카본 섬유 네트워크를 내화체(10)내에 구축할 수 있다.

이후, 내화체(10)가 정형 내화물 연와일 때의, 내화물 제조 방법을 설명한다. 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물 제조 방법은, 내화물 원료, 바인더 및 그라파이트를 준비하는 과정; 내화물 원료, 바인더 및 그라파이트를 혼합하여 혼합물을 마련하는 과정, 몰드 내에 적어도 하나의 프레임(20)을 위치시키는 과정; 혼합물을 몰드에 투입하는 과정, 및 몰드 내의 혼합물을 가압 성형하여 정형 내화물 연와를 성형하는 과정을 포함한다. 이때, 프레임(20)이 몰드의 내부면에서 이격되도록 위치할 수 있고, 특히, 몰드의 내부 공간의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치할 수 있다. 또한, 몰드내에 배치되는 프레임(20)의 구조를 다양하게 하여 원하는 구조의 카본 섬유 네트워크를 내화체(10)내에 구축할 수 있다.

혼합물의 입자의 최대 크기 예컨대 최대 입경은 3 mm 이하일 수 있고, 프레임(20)들 간의 간격은 9 mm 이상일 수 있으며, 혼합물을 가압 성형할 때, 0.1 내지 1.5 ton/㎝²의 압력으로 일축 가압 또는 등가압 성형할 수 있다. 성형 압력과 입자 크기가 상기 수치 범위보다 크면, 카본 섬유가 혼합물의 가압 성형 중에 파손되어 내화체(10)내에 불연속적으로 존재하게 되고, 이에, 내화물의 탈락 방지 효과가 저하될 수 있다. 성형 압력이 상기 수치 범위보다 작으면, 내화체(10)가 고정된 형상을 유지하지 못하고, 기공율이 높아 내식성이 저하될 수 있다.

한편, 몰드의 내부에 프레임(20)을 위치시킨 후 내화체(10)의 성형이 완료될때까지 고정하는 방식은 다양할 수 있다. 실시 예에서 이를 특별히 한정하지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 균열 차단 작용을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 본 발명의 제1비교 예에 따른 내화물에서 균열이 전파되는 모습을 도시한 개념도이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 제2 비교 예에 따른 내화물에서 균열이 전파되는 모습을 도시한 개념도이다.

본 발명의 제1비교 예에 따른 내화물은 내화물 원료(11)와 그라파이트(12)만으로 이루어진 내화물이다. 이 경우, 미세 균열(a)이 내화물의 입자를 우회하여 원활하게 전파될 수 있다.

본 발명의 제2비교 예에 따른 내화물은 내화체가 내화물 원료(11)와 그라파이트(12)로 이루어지고, 이때, 내화체(11) 내에 나노미터 사이즈 또는 밀리미터 사이즈의 카본 단섬유(b)가 분산 배치된다. 이 경우, 미세 균열(a)이 카본 단섬유(b)와 만나더라도, 카본 단섬유(b)를 피해서 산란 또는 우회하기 쉽다.

또한, 제2비교 예의 경우, 카본 단섬유(b)의 균일한 분산이 매우 어렵고, 카본 단섬유(b)의 불규칙한 분산에 의해, 내화체(11)의 가압 성형 시 탄성율이 내화물의 위치별로 달라지게 되어 성형이 어려운 문제점도 있다. 또한, 카본 단섬유(b)는 배열을 원하는 방향으로 정렬하는 것이 불가능하기 때문에, 내화체의 내부에 카본 단섬유의 네트워크를 원하는 구조로 구축하는 것이 불가능하다.

도 4의 (c)는 본 발명의 제2실시 예에 따른 내화물에서 미세 균열(a)의 차단 작용을 보여주고 있다. 본 발명의 제2실시 예에 따르면, 프레임(20)이 카본 장섬유이고, 내화체(10)내에서 예컨대 평면 격자 이격 배열을 구축할 수 있다. 이에, 내화물의 매트릭스를 형성하는 내화물 원료(11)의 입자와 그라파이트(12) 입자 사이로 미세 균열(a)이 진행하더라도 카본 장섬유를 우회하지 못하여, 균열(a)의 성장이 억제될 수 있다. 이때, 미세 균열(a)이 내화물을 가로질러 관통한다고 해도, 카본 장섬유에 지지되어 탈락이 방지될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 국부 탈락 방지 작용을 비교 예와 대비하여 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제2비교 예에 따른 카본 단섬유(2)를 포함하는 내화믈 벽돌(1)을 도시한 개념도이다. 우선, 카본 단섬유(2)가 내화물 벽돌(1) 내에 균일하게 분산되지 못하고, 부분적으로 밀집되어 있는 모습을 볼 수 있다. 이러한 내화물 벽돌(1)을 균열(3)이 관통하면, 내화물 벽돌(1)이 균열(3)을 따라 분리되어 일측이 탈락될 수 있다.

도 5의 (c) 및 (c)는 본 발명의 제1실시 예에 따른 프레임 예컨대 카본 장섬유(5)를 포함하는 부정형 내화물 블록(4)을 도시한 개념도이다. 우선, 카본 장섬유(5)가 부정형 내화물 블록(4) 내부에서 서로 같은 방향으로 연장되어 하나의 프레임 그룹을 형성하고 있는 것을 볼 수 있다. 이 경우, 부정형 내화물 블록(4)을 균열(6)이 관통하더라도, 카본 장섬유(5)가 부정형 내화물 블록(4)의 국부 탈락을 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 꺽임 강도 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (a)는 본 발명의 제1비교 예에 따른 내화물의 꺽임 강도 측정 결과이고, 도 6의 (b)는 본 발명의 제1실시 예에 따른 내화물의 꺽임 강도를 측정한 결과이다. 이때, 꺽임 강도의 측정은 예컨대 재료가 파단할 때까지 일정하게 시료를 일축 가압할 수 있는 각종 만능 시험기를 이용하여 수행될 수 있다. 본 발명의 제1비교 예에 따른 내화물의 경우와 제3실시 예에 따른 내화물의 실험 결과를 보면, 우선, 내화물이 견딜 수 있는 최대 하중이 증가한 것을 볼 수 있고, 또한, 내화물이 내부의 카본 장섬유를 이용하여 하중을 복수의 단계로 나누어 견딜 수 있는 것을 볼 수 있다. 즉, 제3실시 예의 경우가 제1비교 예의 경우보다 내구성이 향상됨을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예와 비교 예에 따른 각 내화물의 열충격 내구성의 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다. 이때, 실시 예는 제1실시 예이고, 비교 예는 제1비교 예일 수 있다.

도 7에서 도면의 막대 그래프는 내화물의 그라파이트 함량과 카본 장섬유 보강 유무에 따른 내화물이 탈락 될 때까지 인가한 열충격 사이클의 수를 나타낸다. 1500℃로 가열한 내화물을 수냉 열충격을 인가하였을 경우, 그라파이트 함량이 증가할수록 사이클이 늘어남을 알 수 있다. 카본 장섬유를 보강하지 않은 제1비교 예의 경우 그라파이트 함량이 5wt%로 낮을 경우 특히 열충격에 취약함을 알 수 있으나, 카본 장섬유로 내화체를 보강한 제1실시 예의 경우 그라파이트 함량이 5wt%로 낮을 경우에도 그라파이트 함량이 10wt%인 내화물과 유사한 수준으로 내열충격성이 증가함을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에 의한 카본 장섬유 보강 내화물은 그라파이트 함량이 10% 이하인 내화물에서 효과가 더욱 큰 것을 알 수 있다.

이와 같은 결과들을 볼 때, 내화물 내 카본 장섬유를 다양한 구조로 구축하여 내화체를 보강함으로써, 내화물 내 균열의 전파를 억제하고, 내화물의 국부 탈락을 방지하여 내화물의 내구성 향상을 기대할 수 있다. 또한, 균열에 대한 저항성 증가로 인해 내화물의 그라파이트 함량을 저감할 수 있고, 이로인해, 내화물로부터 용강으로 pick up되는 carbon량을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물은, 단일 섬유로 형성된 카본 섬유(단일 카본 섬유)와 섬유 다발로 형성된 카본 섬유(카본 섬유 다발)을 이용하여, 내화체(10)의 내구성을 강화시킨 고내구성 내화물이라고 할 수 있다.

더욱 상세하게는, 본 발명의 실시 예들에 따른 내화물은, 단일 섬유로 형성된 카본 장섬유나 섬유 다발로 형성된 카본 장섬유를 내화체(10)의 내부에 동일 방향으로 평행 배열하거나, 평면 격자 형태로 이격 배열하거나, 공간 격자 형태로 이격 배열하여, 내화체(10)내에 카본 장섬유의 네트워크를 형성함으로써, 내화체(10)를 구조적으로 보강하여 내구성을 강화시킨 고내구성 카본 장섬유 강화 내화물이라고 할 수 있다.

이를 통하여, 내화물의 크랙에 대한 저항성을 증가시키고, 내화물의 그라파이트 함량을 저감할 수 있다. 이에, 내화물이 적용된 설비에서 처리 중인 용강으로 내화물의 탄소 성분이 용출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 내화물의 국부 탈락을 방지하여, 내화물 내 크랙 발생으로 인한 공정 설비의 수명 저하 및 트러블 발생을 방지할 수 있다. 이에, 안정적으로 공정 설비를 운용할 수 있으므로 철강 생산성 증대 및 내화물 원가 절감을 기대할 수 있다.

본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이고, 본 발명의 제한을 위한 것이 아니다. 본 발명의 상기 실시 예에 개시된 구성과 방식은 서로 결합하거나 교차하여 다양한 형태로 변형될 것이고, 이 같은 변형 예들도 본 발명의 범주로 볼 수 있음을 주지해야 한다. 즉, 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

10: 내화체 20: 프레임

Claims

입체 형상으로 형성되는 내화체; 및
상기 내화체의 내부에 배치되는 프레임;을 포함하고,
상기 프레임은 상기 내화체의 내부를 가로질러 연장되며, 상기 내화체의 에지에서 이격되는 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 프레임은 상기 내화체의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치하는 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 프레임은 상기 내화체의 내부를 지나는 복수의 축 방향에서, 상기 내화체의 일단부에서 타단부까지 길이의 10% 내지 90%에 위치하는 내화물.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 프레임은 상기 길이의 10% 내지 90% 사이에서 상기 프레임이 연장된 방향으로 연속하여 위치하는 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 프레임은 단일 섬유와 섬유 다발 중 적어도 하나로 형성된 카본 섬유를 포함하는 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 내화체의 내부에 복수개의 상기 프레임이 이격 배치되는 내화물.
청구항 6에 있어서,
상기 복수개의 프레임은 서로 같은 방향으로 연장되어 하나의 프레임 그룹을 형성하거나, 서로 다른 방향으로 연장된 복수개의 프레임 그룹을 형성하는 내화물.
청구항 7에 있어서,
상기 복수개의 프레임이 상기 복수개의 프레임 그룹을 형성할 때,
상기 복수개의 프레임 그룹이 연장된 각 방향은 서로 0° 초과 180° 미만의 각도를 이루는 내화물.
청구항 7에 있어서,
상기 복수개의 프레임이 상기 복수개의 프레임 그룹을 형성할 때,
상기 복수개의 프레임 그룹은 제1축 방향으로 연장되는 제1그룹 및 제2축 방향으로 연장되는 제2그룹을 포함하는 내화물.
청구항 9에 있어서,
상기 복수개의 프레임이 상기 복수개의 프레임 그룹을 형성할 때,
상기 복수개의 프레임 그룹은 제3축 방향으로 연장되는 제3그룹을 더 포함하는 내화물.
청구항 6에 있어서,
상기 복수개의 프레임 간의 간격은 상기 내화체의 최대 입자 크기의 3배 이상인 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 내화체는 입자의 최대 크기가 3mm 이하인 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 내화체는 몰드에 주입 성형된 부정형 내화물 블록을 포함하고,
상기 부정형 내화물 블록은 내화물 원료 및 그라파이트를 포함하는 내화물.
청구항 13에 있어서,
상기 부정형 내화물 블록은 상기 부정형 내화물 블록의 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 20wt%의 그라파이트를 포함하는 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 내화체는 몰드내에서 0.1 내지 1.5 ton/㎝²의 압력으로 가압 성형된 정형 내화물 연와를 포함하고,
상기 정형 내화물 연와는 내화물 원료, 바인더 및 그라파이트를 포함하는 내화물.
청구항 15에 있어서,
상기 정형 내화물 연와는 상기 정형 내화물 연와의 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 50wt%의 그라파이트 및 0.5wt% 내지 5wt%의 바인더를 포함하는 내화물.
청구항 1에 있어서,
상기 내화체는 상기 내화체의 전체 중량에 대하여 그라파이트 함량이 10wt% 이하인 내화물.