KR20210021758A - 코크스오븐용 프리캐스트 대형 내화블록 및 그 제조방법 - Google Patents

코크스오븐용 프리캐스트 대형 내화블록 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20210021758A
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Abstract

본 발명에 따른 실리카질의 코크스오븐용 내화블록(block)은 용융실리카의 배합량을 90 중량% 이상으로 마련하되, 상기 용융실리카의 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 마련하며, 프리캐스트로 제작하되 기 설정된 크기 또는 사용자의 선택에 따른 소정 크기의 모듈화된 블록으로 제작함으로써 설치 및 관리가 용이하고 작업자의 안전성을 확보하는 것을 특징으로 한다.

Description

코크스오븐용 프리캐스트 대형 내화블록 및 그 제조방법{Precast large refractory block for coke oven and its manufacturing method}
본 발명은 내화블록에 관한 것으로 보다 상세하게는 코크스오븐에 사용하는 내화물의 성분 및 구조를 개선함으로써 사용성 및 안전성이 향상된 코크스오븐용 프리캐스트 대형 내화블록 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 코크스 오븐(COKE OVEN), 가열로 또는 축열실 등과 같은 제철소 공장의 공업로 또는 요로 공업에서 내화재 또는 내화벽을 보수하기 위한 열간보수재에 관한 것으로 특히, 고열을 수반하는 코크스 오븐의 탄화실 연와, 상승관 내장 연와, 축열실 내장연와, 또는 탄화실 바닥 등의 보수 작업 시 사용하는 내화재에 관한 것이다.
일반적으로, 코크스 제품을 생산하는 경우에는, 언더 젯트 시스템(UNDER JET SYSTEM) 방식으로 하부에서 가열하여 그 복사열을 양측에서 탄화실에 전달하는 방법으로 고온 건류 후 공기를 차단하여 17 - 18시간 동안 가스를 열원으로 연소(약 1260℃)후, 고강도의 코크스 제품을 생산하는데, 이와 같은 건류 된 코크스는 로 작업에 투입되어 쇳물을 생산하도록 하는 데에 연료로 사용된다.
그런데, 도 1에 도시한 바와 같이, 통상 코크스 오븐(1)의 탄화실(30) 내에 축조된 실리카질 연와는 반복적으로 수축 팽창되는 과정에서 연와 블록(10)들 사이의 모르타르(11)가 탈락 되어 장입차에 의한 석탄 장입 시 발생되어지는 정제되지 않은 가스가 인접 연소실로 침투되어 불연소가 발생됨으로써, 환경공해의 주요인으로 발생되는 문제가 있었다.
또한, 종래 코크스오븐에서는 규석 벽돌이 라이닝되어 사용되어 왔으나, 규석 벽돌을 이용한 경우 다수의 벽돌을 시공하여야 하므로 시공이나 보수에 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 종래 연와 벽돌을 사용하는 경우 열간보수 작업이 번거롭고 작업자의 작업 시 벽돌의 탈락 등에 의한 안전상 문제점이 발생하며 보수에 많은 시간과 비용이 소요되므로 경제적으로도 바람직하지 않다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 특히 열간 보수 시공에서는 규석 벽돌에 비해 대형화가 용이한 규석질의 프리캐스트 블록 내화물을 사용한 시공이 실시되고 있다.
그런데, 이러한 프리캐스트 블록 내화물은 구조체로서 요구되는 열간 특성을 만족해야 하며, 대형화된 블록 내화물의 경우 열간 강도 확보 이외에도 고온 시에서의 하중 하 팽창 거동 및 하중 하 수축 거동의 안정화가 요구되며, 고온에서의 하중 거동이 안정되지 않은 경우(고온에서의 하중 하 팽창이나 하중 하 수축에 따른 변형이 큰 경우), 코크스를 밀어낼 때에 저항이 커져 조업에 지장을 초래함과 아울러 프리캐스트 블록 내화물 자체가 파손될 우려가 있다. 따라서, 코크스오븐의 내화블록을 대형화 또는 모듈화하는 경우 소정의 기준을 만족하는 재료의 물성 확보와 구조적인 개선이 필요한 것이다.
공개번호 특1999-0062791호(1999.07.26. 공개)
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 사용성과 안전성이 개선된 프리캐스트 대형 내화블록 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 실리카질의 코크스오븐용 내화블록(block)은 용융실리카의 배합량을 90 중량% 이상으로 마련하되, 상기 용융실리카의 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 마련하며, 프리캐스트로 제작하되 기 설정된 크기 또는 사용자의 선택에 따른 소정 크기의 모듈화된 블록으로 제작함으로써 설치 및 관리가 용이하고 작업자의 안전성을 확보하는 것을 특징으로 한다.
또한, 결합제(binder)를 1~5 중량% 함유하되, 상기 결합제는 알루미나(Al2O3)가 1~5 중량%, 이산화규소(SiO2)가 15~25 중량%, 산화칼슘(CaO)이 65~75 중량%로 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내화블록은 혼련, 성형, 탈형, 건조, 소성 과정으로 제작되며, 상기 소성 과정 시 소성온도는 섭씨 900 내지 1100도로 마련하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내화블록의 광물 조성은 쿼츠 1~10 중량%, 크리스토발라이트 15~25 중량%, 비정질 실리카 65~75 중량%으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내화블록은 내화 벽돌(brick)에 비해 대형 크기를 가지는 모듈로 제작하며, 이동 및 작업이 용이하도록 상기 내화블록 내부에 하나 이상의 중공부를 가지거나 상기 내화블록 외부에 하나 이상의 돌기부가 마련되고, 상기 내화블록의 내부와 외부의 재질을 상이하게 마련하는 것을 특징으로 한다.
또한, 코크스오븐 내의 오염물질 또는 질소산화물을 제거하기 위하여 상기 내화블록의 재료 배합 시 하나 이상의 광촉매를 포함하며, 상기 광촉매로는 이산화티타늄을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 실리카질의 코크스오븐용 내화블록의 제조방법은 상기 내화블록의 재료를 준비하는 단계, 상기 재료를 고르게 혼합하여 섞는 배합 및 혼련 단계, 기 설정된 형태 또는 선택된 형태로 상기 내화블록을 제작하기 위해 형틀에 상기 재료를 주입하는 성형 단계, 상기 형틀로부터 상기 내화블록을 제거하는 탈형 단계, 소정 조건 하에서 수분을 제거하는 건조 단계 및 섭씨 900 도 내지 1100도에서 소성시키는 소성 단계를 포함한다.
또한, 상기 내화블록의 재료는 용융실리카의 배합량을 90 중량% 이상으로 마련하되, 상기 용융실리카의 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 마련하며, 결합제(binder)를 1~5 중량% 함유하되, 상기 결합제는 알루미나(Al2O3)가 1~5 중량%, 이산화규소(SiO2)가 15~25 중량%, 산화칼슘(CaO)이 65~75 중량%로 마련하며, 광물조성은 쿼츠 1~10 중량%, 크리스토발라이트 15~25 중량%, 비정질 실리카 65~75 중량%으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 코크스오븐의 상태정보, 열간보수정보 및 작업자의 작업정보를 저장 및 분석하는 단계를 더 포함하며, 상기 정보를 분석, 학습 및 예측하여 상기 내화블록을 제조하고 제조 된 상기 내화블록의 사용 정보를 다시 피드백 하여 상기 내화블록을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 프리캐스트 대형 내화블록 및 제조방법은 성분과 구조를 개선함으로써 우수한 사용성능과 작업자의 안전성을 제공할 수 있다.
도 1은 코크스오븐을 설명하는 개략도 및 내부 내화벽돌의 부분확대도,
도 2는 코크스오븐의 내부 내화벽돌을 설명하는 사진자료,
도 3은 본 발명에 따른 코크스오븐의 프리캐스트 대형 내화블록을 제조하기 위한 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 배합, 혼련 과정의 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 성형 과정의 순서도,
도 6은 본 발명에 다른 건조 과정의 순서도,
도 7은 본 발명에 따른 코크스오븐용 프리캐스트 대형 내화블록의 일례를 보여주는 사진자료,
도 8은 본 발명에 따른 내화블록의 재질 조성을 보여주는 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 내화블록의 소성 과정에서의 물성을 보여주는 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 내화블록의 재질 개발 과정 중 수축양생 실험을 보여주는 설명 사진자료로서 도 10(a)는 본 발명에 따른 재료를 사용한 결과이고, 도 10(b)는 비교 재료를 사용한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 코크스오븐용 프리캐스트 대형 내화블록에 관하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다. 본 발명에 따른 내화블록은 명칭에 한정되지 않고 다양하게 적용될 수 있으므로, 이하 설명하는 용어나 명칭에 한정될 필요는 없다.
본 발명에 따른 내화블록은 코크스오븐에 사용되며 여기서 코크스오븐은 코크스로(爐)와 동일한 의미이다. 또한, 코크스란 점결탄의 고온 건류에 의해서 생기는 다공질 고체 연료로 해탄 이라고도 하며, 회색을 띤 흑색이며, 금속성 광택을 지니는데 고정탄소가 주성분이며, 회분, 휘발분을 약간 함유한다
코크스는 탄소로 이루어진 덩어리로서 자연 상태의 산화철(Fe2O3)을 가열할 때 코크스를 넣으면 상기 산화철의 산소와 코크스가 반응을 하여 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)가 만들어지고 산화철은 산소를 잃어서 순수한 철이 만들어지는 것이다.
또한, 상기 코크스는 가열 시 연료로도 기능을 수행하므로 철강 공정에서 코크스는 필수적인 재료인 것이다. 이와 같이 코크스를 만들기 위해 상기 코크스오븐에 점결탄을 주입하고 건류 공정을 통하여 코크스를 만들어 내려면 상기 코크스오븐에 내화재가 마련되어야 하며 종래에는 내화 벽돌을 사용하거나 일부 프리캐스트로 제작하여 사용하고 있다.
본 발명은 이와 같이 코크스오븐을 비롯한 고온, 고열의 환경에서 견딜 수 있는 내화재, 내화물에 관한 것으로 특히, 사용성 및 안전성을 개선시킨 대형의 프리캐스트 내화블록에 관한 것이다. 따라서, 코크스오븐 이외의 목적과 환경에 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 모듈화 또는 유닛화를 통해 사용 및 관리를 편리하게 할 수 있을 것이다.
도 1은 코크스오븐(1)에 관한 개략 설명도로서 도시된 바와 같이 탄화실(30) 내부에서 코크스(C)가 만들어지기 위해서는 고온의 건류 공정이 필요하고 부분 확대도에 도시된 바와 같이 내화 벽돌(10)이 모르타르(11)를 이용하여 탄화실 내부에 조적식으로 마련되어 사용된다.
상기 탄화실(30) 내부에서 건류 공정을 마치고 생성된 상기 코크스(C)를 배출하기 위해 상기 탄화실 도어(31)가 개방되고 우측에 도시된 압출기(50)의 램(51)에 의해 상기 탄화실(30)로부터 코크스가 이동하며, 이후 소화탑(미도시)으로 이동하여 소화된다. 이와 같이 코크스의 배출이 완료되면 다시 상기 탄화실 도어(31)가 폐쇄되고 상기 탄화실(30) 내에 석탄을 재장입하여 건류 작업을 반복하는 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 코크스오븐의 탄화실(30) 내부를 보여주는 사진 이미지로서, 도시된 바와 같이 벽돌 형태의 내화재(10)가 조적식으로 마련되고 작업자는 이러한 내화벽돌을 보수하기 위해 열악한 작업환경에서 보수를 하게 되는데, 벽돌의 탈락에 의한 안전상 위험과 조적식으로 마련된 벽돌의 구조적 성능과 물성이 만족스럽지 못하기 때문에 경제적으로도 바람직하지 않은 것이다.
따라서, 구조적인 안전성과 물성의 확보를 통해 코크스오븐의 탄화실 내에 사용되는 내화재를 개선함으로써 경제적이고 작업자의 안전도 보호할 수 있으며, 오염물질의 배출과 발생을 감소시킴으로써 환경의 보전에도 도움이 되는 것이다.
본 발명에 따른 실리카질의 코크스오븐용 내화블록(block)은 용융실리카의 배합량을 90 중량% 이상으로 마련하되, 상기 용융실리카의 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 마련한다.
상기 내화블록은 내화벽돌(brick)과 달리 블록(block)의 형태로 마련되는 것이며, 소정 크기 이상의 단위 블록, 또는 유닛으로 제작될 수 있으며, 하나의 블록으로 프리캐스트 제작을 통해 마련되거나, 복수의 유닛, 모듈로 제작된 블록을 현장에서 조립하거나 설치할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 프리캐스트 대형 내화블록은 구조적인 물성 확보를 위해 재료의 선정이나 배합 등이 매우 중요하며 용융실리카질의 입경을 분리하여 제작하는데, 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 선택하여 마련한다.
또한, 대형의 프리캐스트 내화블록을 현장(코크스오븐의 탄화실)에 설치하기 위해서는 하나의 대형 단일체로 마련할 수도 있으나 바람직하게는 하나 이상의 유닛, 모듈로 제작하여 현장에서 설치할 수 있다.
이때 설치의 견고함과 용이함을 확보하기 위해 각각의 상기 프리캐스트 내화블록에는 하나 이상의 별도 체결구, 체결장치 등이 마련된다. 상기 체결장치는 돌기와 요홈에 의한 결합일 수도 있으며, 모듈 간에 결합을 견고하게 하기 위한 바인더, 접착부, 접착소재 등을 사용할 수도 있을 것이다.
또한, 프리캐스트로 제작하되 기 설정된 크기 또는 사용자의 선택에 따른 소정 크기의 모듈화된 블록으로 제작함으로써 설치 및 관리가 용이하고 작업자의 안전성을 확보하는 것이 본 발명의 특징이다.
상기 내화블록의 크기, 형태 등의 조건은 모듈화, 유닛화를 통해 표준화 할 수 있으며, 필요 시 설치 장소인 코크스오븐의 환경이나 요구 조건 등에 의해 선택적으로 변경이나 가감이 될 수도 있을 것이다.
여기서 실리카(silica)란, 지각 중에 가장 많이 존재하는 성분으로, 거의 모든 토사 암석 속에 다른 성분과 결합한 규산염 광물로 존재하며 순수한 상태에서는 규사(珪砂), 규석(珪石)으로 존재한다. 수정은 단결정(單結晶) 상태의 실리카이다.
실리카는 대표적인 유리 형성 광물이고, 액체를 급냉하면 쉽사리 유리상태로 화하여, 석영 유리가 된다. 석영 유리는 고내열(高耐熱)이어서 열팽창률이 대단히 작고(5×10-7/℃), 열충격에 강할 뿐만 아니라 내약품성(耐藥品性)이 우수하다.
실리카질은 알루미나 실리카질을 포함하는 것으로 특히 고온의 환경에서 내화성능을 가지고 있으며, 실리카는 용융 수정(fused quartz), 크리스탈(crystal), 건식 실리카(fumed silica), 용융 실리카(fused silica) 등 여러 형태로 제작되고 있다.
용융실리카는 기본적으로 두 가지 방법으로 제조될 수 있는데, 가스나 전기 가열로 실리카 입자를 녹이는 것과 화학물질로부터 유리를 합성하여 제작하는 것이다. 이와 같이 제작된 용융실리카는 우수한 열충격 및 마모저항성을 가지고 있으며 부식성에도 강한 장점이 있다.
본 발명에 따른 내화블록의 제작 시 상기 용융실리카를 원광상태로 사용하는 것보다는 입경을 작게 하여 분말이나 입자로 사용하는데 본 발명에 따른 내화블록은 전체 중량대비 상기 용융실리카를 90% 이상 사용하며, 특히 상기 용융실리카의 입경이 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 사용한다.
또한, 상기 1mm 미만의 용융실리카의 입경은 다시 그 입경을 구분하여 배합할 수 있으며, 0.025mm 미만의 용융실리카를 소정 중량이상 사용할 수 있고, 상기 1mm 이상의 용융실리카는 바람직하게는 3mm 이하 입경의 용융실리카를 소정 중량이상 사용할 수 있으며 경우에 따라서 3mm 이상의 용융실리카를 일정 량 사용할 수도 있다.
이와 같은 용융실리카의 성질은 분자량이 60.06, 비중은 2.21, 연화점은 섭씨 약 1,560도이며, 열팽창률은 0.5 * 10(-6) (섭씨 1000도)이다. 실험을 통해 상기 용융실리카를 내화블록에 사용하는 경우 내화도 및 부착수분, 그리고 필수적인 재료의 기준 성능 값을 모두 만족하는 것을 확인하였다.
또한, 상기 내화블록의 제작 시 결합제(binder)를 1~5 중량% 함유하되, 상기 결합제는 알루미나(Al2O3)가 1~5 중량%, 이산화규소(SiO2)가 15~25 중량%, 산화칼슘(CaO)이 65~75 중량%로 마련된다.
상기 바인더(결합제)는 광물 가공 공정에서 소결 또는 성형 제품의 결합도, 강도를 높이기 위해 원료에 배합하는 것으로서 점토류, 석회, 규산나트륨 등을 사용하기도 하며 이를 통해 소성 과정에서 주 원료와 반응하여 결합력을 발생한다.
특히, 상온에서도 강도를 유지하기 위해 시멘트를 배합하거나 합성수지를 이용하기도 하며 유기질의 타르, 피치 등도 사용하기도 하는데 환경적으로 우수하지 않으며 작업자 등에게도 좋지 않으므로 본 발명에 따른 내화블록에는 사용하지 않는다.
상기 내화블록은 혼련, 성형, 탈형, 건조, 소성 과정으로 제작되며, 상기 소성 과정 시 소성온도는 섭씨 900 내지 1100도로 마련되되, 상기 소성온도는 설치환경, 작업환경, 요구되는 조건 및 성능에 따라 변경되거나 그 소성시간 등을 변경할 수 있을 것이다. 특히, 상기 내화블록의 제작 과정은 본 발명에 따른 제조방법에 관한 발명으로서 후술하여 설명하겠다.
상기 내화블록의 광물 조성은 쿼츠 1~10 중량%, 크리스토발라이트 15~25 중량%, 비정질 실리카 65~75 중량%으로 구성되며, 상기 크리스토발라이트는 규산염광물 중 하나로서 섭씨 268도 부근을 기준으로 높은 온도에서는 등축정계, 낮은 온도에서는 정방정계에 속한다. 굳기는 6.5, 비중은 2.27, 조흔색은 백색이며, 고온형의 크리스토발라이트는 섭씨 1470도 이상에서도 안정성을 갖는다.
상기 내화블록은 내화 벽돌(brick)에 비해 대형 크기를 가지는 모듈로 제작하며, 이동 및 작업이 용이하도록 상기 내화블록 내부에 하나 이상의 중공부를 가지거나 상기 내화블록 외부에 하나 이상의 돌기부가 마련될 수 있다.
즉, 상기 내화블록이 요구되는 물성을 만족하되 내부에 다공질 또는 하나 이상의 중공부(미도시)를 마련함으로써 그 비중, 무게를 줄여 이동이나 설치가 용이하게 할 수 있으며, 또한 자체 중량을 감소하기 위해 그 단면의 형태나 형상을 다양하게 변형할 수 있다. 예컨대, 단면의 면적을 상부에서 하부로 갈수록 증가시키거나 좌측에서 우측으로 갈수록 증가 또는 감소시킬 수 있는 것이다.
또한, 외부 표면에 하나 이상의 돌기부 등을 마련하여 기계나 사람이 이동이나 운반할 때 그립(grip)하도록 할 수 있으며, 상기 돌기부 이외에도 다양한 체결부, 체결수단, 연결부 등이 마련될 수 있으며 그 용어나 형태에 한정이 없다.
또한, 상기 내화블록의 내부와 외부의 재질을 상이하게 마련할 수 있다. 즉, 상기 내화블록의 제작 시 별도의 거푸집을 제작하거나 이중 또는 삼중의 형틀을 이용하여 내화블록의 내부 재질과 외부 재질을 상이하게 마련할 수도 있을 것이다.
또한, 상기 코크스오븐은 환경오염 물질을 발생시키고 작업자의 건강 상 위험을 초래하기도 하므로 최대한 상기 코크스오븐 내의 오염물질 또는 질소산화물을 제거하기 위하여 상기 내화블록의 재료 배합 시 하나 이상의 오염원 제거 성분을 배합하거나 흡착제 등을 사용할 수도 있다. 또한, 환경 조건을 만족시킨다면 하나 이상의 광촉매를 포함하여 질소산화물을 제거할 수 있으며 상기 광촉매로는 이산화티타늄을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 내화블록은 용융실리카 배합량 90 중량% 이상이고, 입경 1 mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 이하는 40~50 중량%으로 구성함으로써 배합의 재질과 입도 구성을 최적화 하여 용융 실리카의 결정화를 억제하고 과 팽창과 과 수축을 억제할 수 있다.
또한, 바인더(결합제)를 1~5 중량% 함유하되, 바인더 조성물로써 Al2O3 1~5중량%, SiO2 15~25중량%, CaO 65~75 중량% 로 함으로써 양생, 탈형 강도를 발현하고, 낮은 Al2O3 함량으로 고온에서 CaO-Al2O3-SiO2계 저융점물의 생성량이 적어지는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 내화블록의 소성 과정 중 소성온도를 섭씨 900~1100도에서 유지함으로써 코크스오븐의 운용온도인 섭씨 1000~1300도서 하중 열팽창율은 0 ~ 0.3%를 가지게 되는 것이다.
또한, 내화블록의 광물조성은 쿼츠 1~10 중량%, 크리스토발라이트 15~25 중량%, 비정질 실리카 65~75 중량%으로 구성함으로써 고온에서 열충격 및 열적 안정성이 양호하게 된다.
또한, 상기 내화블록의 물성을 개선하기 위하여 이산화망간, 패각 분말, 산화 크롬, 아산화티탄, 폐유리 분말, 화산석 분말, 코발트 내지 플라이 애쉬 등의 성분 중 어느 하나 이상을 혼합할 수 있다. 이와 같은 성분들은 상기 내화블록의 성형 공정에서 입자 사이의 응집력을 증가시키고 성분 사이의 가교 역할을 하거나 구조체를 형성할 수도 있는 것이다.
본 발명에 따른 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록의 제조방법은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 내화블록의 재료를 준비하는 단계(S100), 상기 재료를 고르게 혼합하여 섞는 배합 및 혼련 단계(S200), 기 설정된 형태 또는 선택된 형태로 상기 내화블록을 제작하기 위해 형틀에 상기 재료를 주입하는 성형 단계(S300), 상기 형틀로부터 상기 내화블록을 제거하는 탈형 단계(S340), 소정 조건 하에서 수분을 제거하는 건조 단계(S400) 및 섭씨 900 도 내지 1100도에서 소성시키는 소성 단계(S500)를 포함한다.
특히, 상기 내화블록의 재료를 준비하는 단계에서 상기 내화블록의 재료는 용융실리카의 배합량을 90 중량% 이상으로 마련하되, 상기 용융실리카의 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 마련하며, 결합제(binder)를 1~5 중량% 함유하되, 상기 결합제는 알루미나(Al2O3)가 1~5 중량%, 이산화규소(SiO2)가 15~25 중량%, 산화칼슘(CaO)이 65~75 중량%로 마련한다. 또한, 광물조성은 쿼츠 1~10 중량%, 크리스토발라이트 15~25 중량%, 비정질 실리카 65~75 중량%으로 구성한다.
또한, 상기 배합 및 혼련 단계(S200)는 도 4에 도시된 바와 같이 상술한 용융실리카, 바인더 등을 준비하는 단계(S210), 중량 계측단계(S220), 입경을 확인하고 구분하는 단계(S230), 입경이나 중량 등의 조건이 만족되는 지 확인하는 단계(S240)를 포함하여 진행된다.
상기 중량과 입경은 본 발명에 따른 실험 결과 및 실시례에 따른 바람직한 중량과 입경으로 준비되며, 이때 획득하는 입경과 중량 등의 정보는 저장, 가공되거나 데이터 베이스로 마련될 수 있다.
또한, 상기 성형 단계(S300)는 크기, 형태, 재료 등의 내화블록의 조건을 확인 하는 단계(S310), 형틀을 제작하는 단계(S320), 형틀 내 재료를 투입하는 단계(S330)을 포함하며, 상기 형틀은 본 발명에 따른 대형 내화블록을 제작하기 위해 모듈화 또는 유닛으로 마련된다. 즉, 프리캐스트로 제작하여 현장 설치하기 위해 상기 내화블록을 소정 크기 이상의 모듈, 유닛으로 제작하는 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이 건조 단계(S400)는 표면 함수율을 체크하는 단계(S420)를 더 포함할 수 있으며 체크 결과 및 필요한 경우 건조 조건이나 상태를 변경할 수 도 있으며, 소성 이전에 건조가 완료된 내화블록의 표면이나 물성 값을 검사하는 단계(S440)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 코크스오븐용 내화블록의 제조방법은 코크스오븐의 상태정보, 열간보수정보 및 작업자의 작업정보를 저장 및 분석하는 단계(미도시)를 더 포함하며, 상기 정보를 분석, 학습 및 예측하여 상기 내화블록을 제조하고 제조 된 상기 내화블록의 사용 정보를 다시 피드백 하여 상기 내화블록을 제조할 수 있다.
이와 같이 내화블록의 제조 정보, 성분 정보, 사용상태 정보 및 성능에 대한 정보를 데이터로 마련함으로써 사용 유지보수를 준비하고 신규로 제작이 필요한 수요를 예측할 수 있으며, 이에 따라 경제적으로 우수한 코크스오븐의 열간보수 공정이 진행될 수 있다.
도 7은 본 발명과 같이 프리캐스트의 대형 내화블록을 모듈 또는 유닛으로 제작한 것을 일례로 보여주는 사진 이미지이며, 그 형태, 크기 등은 다양하게 변경할 수 있으며, 이와 같이 대형의 모듈로 제작함으로써 유지보수가 용이하고, 하자 발생의 횟수가 줄어들게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 내화블록의 재질 조성을 보여주는 그래프로서 내화블록은 쿼츠, 크리스토발라이트, 비정질실리카 조성을 가지며, 바람직하게 상기 쿼츠는 3 중량%, 크리스토발라이트는 19 중량%, 비정질 실리카는 69 중량%로 마련된다.
도 9는 본 발명에 따른 내화블록의 소성 과정에서의 물성을 보여주는 그래프로서 고온에서의 하중 수축 억제와 내크리프 향상을 위해 섭씨 1000 ~ 1100도에서 소성한 결과 값을 보여준다. 그래프 중, 청색은 섭씨 900도, 적색은 1000도, 연두색은 1100도, 보라색은 1200도의 결과값이다.
도 10은 본 발명에 따른 내화블록의 재질 개발 과정 중 수축양생 실험을 보여주는 설명 사진자료로서 도 10(a)는 본 발명에 따른 재료를 사용한 결과이고, 도 10(b)는 비교 재료를 사용한 결과이다.
즉, 본 발명과 비교하기 위한 도 10(b)의 종래 재질에 따른 수축양생 실험결과는 0.59mm가 수축되어 블록 캐스팅 취약으로 판단되며 양생강도 역시 53인 반면에, 도 10(a)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 내화블록은 양생수축이 0.07mm로 거의 없었으며, 양생강도 역시 199로 비교 군에 비해 월등히 우수함을 알 수 있었다.
앞서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 코크스오븐용 프리캐스트 대형 내화블록 및 이의 제조방법은 다양한 규격, 모양 및 기준에 적용될 수 있도록 변경 및 교환하여 사용될 수 있다. 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
본 발명에 따른 내화블록은 사용성 및 안전성이 개선됨으로써 코크스오븐 및 다양한 내화 시설의 열간보수용 내화재로 이용될 수 있다.
1: 코크스오븐 10: 내화벽돌
11: 모르타르 30: 탄화실
31: 탄화실 도어 50: 압출기
51: 압출기 램 C: 코크스
100: 내화블록
S100: 재료 준비 공정 S200: 배합 및 혼련 공정
S210: 배합재료 준비 S220: 중량 계측
S230: 입경 확인 S240: 기 설정기준 만족 확인
S250: 혼합 S300: 성형 공정
S310: 내화블록의 조건확인 S320: 형틀 제작
S330: 형틀 내 재료투입 S340: 탈형
S400: 건조 공정 S410: 건조 준비
S420: 표면 함수율 체크 S430: 건조 조건 변경
S440: 내화블록 검사 S500: 소성 공정
S600: 마감 공정

Claims (8)

  1. 실리카질의 코크스오븐용 내화블록(block)에 있어서,
    용융실리카의 배합량을 90 중량% 이상으로 마련하되,
    상기 용융실리카의 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 마련하며,
    프리캐스트로 제작하되 기 설정된 크기 또는 사용자의 선택에 따른 소정 크기의 모듈화된 블록으로 제작함으로써 설치 및 관리가 용이하고 작업자의 안전성을 확보하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록.
  2. 제 1항에 있어서,
    결합제(binder)를 1~5 중량% 함유하되,
    상기 결합제는 알루미나(Al2O3)가 1~5 중량%, 이산화규소(SiO2)가 15~25 중량%, 산화칼슘(CaO)이 65~75 중량%로 마련되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 내화블록은 혼련, 성형, 탈형, 건조, 소성 과정으로 제작되며,
    상기 소성 과정 시 소성온도는 섭씨 900 내지 1100도로 마련하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 내화블록의 광물 조성은 쿼츠 1~10 중량%, 크리스토발라이트 15~25 중량%, 비정질 실리카 65~75 중량%으로 구성되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 내화블록은 내화 벽돌(brick)에 비해 대형 크기를 가지는 모듈로 제작하며, 이동 및 작업이 용이하도록 상기 내화블록 내부에 하나 이상의 중공부를 가지거나 상기 내화블록 외부에 하나 이상의 돌기부가 마련되고, 상기 내화블록의 내부와 외부의 재질을 상이하게 마련하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록.
  6. 제 1항에 있어서,
    코크스오븐 내의 오염물질 또는 질소산화물을 제거하기 위하여 상기 내화블록의 재료 배합 시 하나 이상의 광촉매를 포함하며, 상기 광촉매로는 이산화티타늄을 사용하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록의 제조방법에 있어서,
    상기 내화블록의 재료를 준비하는 단계;
    상기 재료를 고르게 혼합하여 섞는 배합 및 혼련 단계;
    기 설정된 형태 또는 선택된 형태로 상기 내화블록을 제작하기 위해 형틀에 상기 재료를 주입하는 성형 단계;
    상기 형틀로부터 상기 내화블록을 제거하는 탈형 단계;
    소정 조건 하에서 수분을 제거하는 건조 단계; 및
    섭씨 900 도 내지 1100도에서 소성시키는 소성 단계; 를 포함하며,
    상기 내화블록의 재료는 용융실리카의 배합량을 90 중량% 이상으로 마련하되,
    상기 용융실리카의 입경이 1mm 이상은 30~40 중량%, 1mm 미만은 40~50 중량%으로 마련하며,
    결합제(binder)를 1~5 중량% 함유하되, 상기 결합제는 알루미나(Al2O3)가 1~5 중량%, 이산화규소(SiO2)가 15~25 중량%, 산화칼슘(CaO)이 65~75 중량%로 마련하며,
    광물조성은 쿼츠 1~10 중량%, 크리스토발라이트 15~25 중량%, 비정질 실리카 65~75 중량%으로 구성되는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    코크스오븐의 상태정보, 열간보수정보 및 작업자의 작업정보를 저장 및 분석하는 단계; 를 더 포함하며,
    상기 정보를 분석, 학습 및 예측하여 상기 내화블록을 제조하고 제조 된 상기 내화블록의 사용 정보를 다시 피드백 하여 상기 내화블록을 제조하는 것을 특징으로 하는 코크스오븐용 프리캐스트 내화블록의 제조방법.

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