KR960006239B1 - 마그네시아계 구상 분말 용사재료 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

마그네시아계 구상 분말 용사재료 제조방법

제1도는 본 발명에 따라 마그네시아계 구상 분말 용사재료를 제조하는 공정을 나타내는 공정도.

제2도는 본 발명에 의해 제조된 마그네시아계 혼합구상 분말의 모식도.

본 발명은 용융금속의 운반, 취련, 저장등을 위해 이용되는 각종 설비의 내장 내화물의 손상부위를 화염용사법으로 보수하는데 사용되는 분말용사보수재료에 관한 것으로, 특히 철강업용 전로, 진공탈가스설비, 래들 및 턴디쉬에 사용되고 있는 마그네시아질, 마그네시아-산화크롬(Cr₂O₃)질, 마그네시아-카본질, 마그네시아-스피넬질, 마그네시아-알루미나질 내화물의 손상부위를 열간에서 효율적으로 용사보수할 수 있는 마그네시아(MgO)계 구상 분말 용사재료의 제조방법에 관한 것이다.

마그네시아계 분말용사재료는 마그네시아아 용융점 2850℃의 고융점 물질이기 때문에 2500℃ 정도의 화염내에서는 용융되지 않아 용사시 높은 부착율을 얻는 것이 중요한 과제가 되고 있다. 따라서 마그네시아를 주성분으로 하는 화염용사용 마그네시아계 분말용사로서는 다음과 같이 저융점 물질인 슬래그, 시멘트 등을 첨가하거나 화염온도를 높일 목적으로 코크스 혹은 금속분말을 첨가하여 배합, 혼련하는 방법 혹은 마그네시아 입자표면에 위와 같은 첨가물을 피복하는 방법이 알려져 있다. 이와같은 공지기술을 요약하면 다음과같다.

1) 입경 200-10μm로 조정된 고융점 내화재료 분말의 입자표면을 평균입경 10-0.1μm의 이소결성(易燒結性) 산화물 초미분말로 피복한 마그네시아-산화물계 화염용사용 내화분말(일본, 특개소 61-186258)

2) 마그네시아-크롬광의 혼합비 80/20-50/50중량%인 마그네시아와 크롬광과의 혼합물 60-80중량%,산화크롬 분말 1-5중량% 및 코크스 분말 20-40중량%를 함유하는 마그네시아-산화크롬계 정련로용 용사재료(일본, 특개소 59-97577)

3) 마그네시아-돌로마이트계 화염용사용 염기성 내화조성물(일본, 특개소 60-215579)

4) 마그네시아-산화물계 화염용사용 취부보수재(일본, 특개소 59-223277)

5) 입자크기 44μm 이하의 금속분말을 MgO등의 고융점 재료에 피복하여 제조한 용사재료(일본, 특개소60-161379)

6) 화염온도를 높여 용사재료의 부착율을 향상시킬 목적으로 크스크분말을 첨가하여 용사재료를 제조하는방법(일본, 특개소 62-41772)등이다.

즉, 상기 1)의 용사재료는 마그네시아가 약 2850℃의 고내화 도를 가지는 물질이므로 용사시공시 프로판가스와 산소에 의한 화염온도인 2500-2600℃ 정도로는 용융되지 않는 점에 착안하여 이소결성 산화물인 실리카, 알루미나(Al₂O₃), 스피넬등을 마그네시아 입자표면에 피복하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 이것은 마그네시아 입자에 이소결성 산화물을 피복한 방법임으로 66-73% 정도로 부착율이 아주 낮아 경제성이 없으며 산업상 실용성이 뒤떨어지는 결점을 가지고 있다.

2)의 용사재료는 마그네시아-크롬광을 주골재로 사용하기 때문에 용사할 때 산화크롬의 고온증발의 우려가 있으며, 다량의 코크스 분말을 사용하고 있어 실제 용사시공량은 코크스분말의 양만큼의 많은 양의 용사재료를 용사하여야 되므로 비효율적이다.

3)의 용사재료는 MgO골재에 포틀란드 시멘트만을 첨가사용하므로 부착율이 75-85%로 낮아서 효율이 문제가 된다.

4)의 용사재료는 사용하는 원료 자체의 입도에 있어서 마그네시아 클링커는 3.0-0.5mm와 0.5mm 이하인 것을, 첨가물은 0.5mm 이하인 것을, 탄소질 원료는 0.2mm 이하인 것을 각각 사용함으로 화염내에서 용융되지 않는 다량의 내화입자들로 인하여 높은 부착율을 얻기 어렵다.

5)의 용사재료는 고융점의 원료에 발열성 이산화성(易酸化性) 금속분말만을 사용하기 때문에 고융점의 원료를 충분히 용융시키지 못해 용사효율이 60% 정도로 아주 낮은 결점을 가진다.

6)의 용사재료는 코크스분말을 첨가, 사용함으로써 4)의 용사재료와 같은 결점을 가진다.

또한, 철강업용 공업요로 즉, 용융금속의 운반, 처리, 저장 등을 목적으로 하는 노체설비에 있어서 내장내화물의 용사보수를 위한 마그네시아계 용사재료에 관한 방법으로는 마그네시아와 같은 내화성 골재에 저융점 물질을 피복하는 기술(일본 특개소 59-13673)과 적당한 입도로 조정된 원료들을 배합, 혼련에 의하여 제조하는 기술들이 알려져 있다. 그러나, 이 방법으로 제조된 마그네시아계 용사재료로는 용융되지 않는 마그네시아 입자때문에 최종 용사재료가 대형 입자화됨으로서 파생되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 각 원료를 단순히 배합, 혼련, 입도제어하는 방법과 마그네시아 입자에 단일 혹은 이중으로 피복하는 방법이 부착율이 떨어지거나 용사재료 제조시 복잡해지는 공정상의 문제점을 탈피하여 용사재료를 구상 분말화 함으로써 제조공정의 단순화를 가하고, 용사효율을 높임과 동시에 용사시공체의 특성을 향상시킬 수 있는 마그네시아계 구상 분말 용사재료를 제조하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 마그네시아계 용사분말을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, 마그네시아 분말:45-92%, 전로슬래그:-25%, 스피넬 분말 1종 또는 스피넬 분말과 알루미나 분말의 2종:30% 이하, 및 금속분말:0.1-3%를 배합하고 이 배합원료 중량에 대하여 수용성 바인더를 0.4-0.7% 첨가한 다음, 습식으로 분쇄한 후,스프레이드라이로 0.5mm 이하의 입자크기로 구상화 하는 것을 특징으로 하는 마그네시아계 구상 분말 용사재료의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

마그네시아 분말은 고융점 물질이므로 첨가된 저융점 물질보다 입경이 큰 마그네시아입자를 주로 함유하는 분말용사재료를 용사하면 마그네시아입자는 쉽게 용융되지 않으며 부착율을 최대한으로 올리기는 매우어렵다. 따라서, 마그네시아 분말입자를 용사시공체중의 내화골재로서 부착될 수 있도록 하기 위하여 소량의 저융점 분말원료를 첨가하여 사용하거나, 이소결성 분말 혹은 이산화성 금속분말을 피복하여 사용해 왔는데, 이 방법으로는 마그네시아계 용사재료의 부착율이 낮거나 용사시공체의 물리적, 기계적 특성이 저하되는 등의 문제가 있었다. 본 발명에서는 이러한 결점을 극복하여 부착율이 극히 높아 경제적이며, 용사시공체의 물리적, 기계적 특성이 우수하여 산업상 이용가치가 높은 화염용사용 마그네시아계 분말재료를 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 마그네시아계 구상 분말 용사재료는 마그네시아가 용융점 약 2850℃의 고융점 물질임으로 산소-프로판, 산소-아세틸렌, 산소-석유 등의 산소-가연성 연료에 의한 화염으로 얻어지는 2200-2600℃영역의 온도에서는 용융되지 않는 점에 착안한 것으로, 용사시공시 부착율이 높고 시공체와 모재의 강한 결합력과 높은 강도를 얻을 수 있는 장점을 가진다.

본 발명에서 사용될 수 있는 마그네시아 분말은 천연산 마그네사이트로부터 제조된 것이든, 해수로부터제조된 마그네시아 클링커이든 상관없으나 마그네시아 함량 95중량% 이상의 순도를 가지는 해수 마그네시아 클링커가 좋으며, 입도는 볼밀에서의 분쇄효율성을 고려하여 0.21mm 이하가 좋으나 공업용 볼밀의 크기에 따라 입경 3mm 이하 혹은 그 이상도 사용할 수 있다.

상기 마그네시아 분말의 첨가량은 45-92중량%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 45중량% 이하가 되면 상대적으로 전로 슬래그의 첨가량이 증가되게 됨으로 용사에 의한 부착율은 92% 정도로 높은 값을 얻을 수 있으나 기공율의 증가, 강도의 저하로 우수한 특성의 시공체를 얻을 수 없게 되며,92중량%를 초과하게 되면 다른 첨가물의 양이 아주 적어져서 금속분말의 첨가량을 늘여도 높은 부착율을 얻기 어렵게 되기 때문이다.

상기 전로 슬래그는 보통 괴상의 덩어리로 산출되는 염기도(CaO/SiO₂비율) 3-4의 저융점 물질로서 용사재료 제조를 위한 원료로 사용하기 위하여는 분쇄후 탈철된 입경 0.1mm 이하의 분말상태가 좋으나 입경3mm 이하 또는 그 이상도 가능하다.

상기 전로 슬래그는 저융점 물질로서 본 발명의 용사재료에서 부착성을 부여하는 기본적인 역할을 하는 성분으로써 그 첨가량은 5-25중량%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 첨가량이 25중량%를 초과하게 되면 다량의 저융점 물질에 의한 시공체 조직을 다공화함으로 문제가 되며 5중량% 미만이 되면 저융점물질의 양이 너무 적게 되어 다른 첨가물질의 양에 상관없이 87% 이상의 부착율을 얻기 어렵기 때문이다.

상기 스피넬과 알루미나는 고경도 물질임으로 입경 74μm 이하, 보다 바람직하게는 44μm 이하의 미분이 좋으며, 그 이상이 되면 볼밀에 의한 분쇄시간이 길어짐으로 가능한한 미분이 바람직하다.

상기 스피넬과 알루미나는 미립화 효율을 높이기 위하여 첨가하는데 스피넬과 알루미나를 합하여 30중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 스피넬을 1종으로 첨가하는 것보다 소량의 알루미나를 함께 첨가하는 것이 효과적인데 그것은 미세한 마그네시아 입자가 화염용사되면서 일부가 알루미나와 반응하여 스피넬화 함으로서 치밀하고 견고한 시공체를 부여할 수 있게 되기 때문이다.

상기 금속분말로는 마그네슘-알루미늄 합금분말, 또는 알루미늄 분말등이 사용될 수 있으며, 용사시 발열에 의해 과립상 용사재료를 효과적으로 부착되게 해주는 역할을 하는 성분으로서, 그 첨가량이 0.1중량%미만인 경우에는 볼밀 링에 의한 분쇄시 원활한 분상상태를 얻기 어렵고,3중량%를 초과하는 경우에는 오히려 부착율이 떨어지거나 강도의 저하현상으로 나타나게 되므로, 금속분말의 첨가량은 0.1-3.0중량%로제한하는 것이 바람직하다.

미세한 마그네시아 분말, 스피넬, 알루미나, 전로 슬래그와 금속분말이 하나의 혼합구상 분말속에 잘 분산,결합된 상태를 얻기 위해서는 반드시 바인더를 사용해야 되는데 본 발명에서는 특별히 바인더의 종류나 첨가량을 제한할 필요는 없으며,폴리비닐알콜(PVA),폴리비닐부티랄(PVB), 아라빅검(arabic gum), 카복시메틸셀룰로스(CMC), 당밀 등 통상 내화물제조 혹은 슬립(slip) 제조에 사용되는 수용성 유기 바인더이면 충분하고 사용범위도 통상의 침가범위 바람직하게는 0.4-0.7중량%이면 충분하다. 일정 배합의 원료와 바인더를 볼밀에 넣고 분쇄하기 위하여 첨가하는 물의 양은 통상 볼밀 링에 이용되는 비율이면 충분하며, 본발명의 경우는 부피비율로 원료 고형분:물=1:1-5이 바람직하다. 통상 볼밀로 24-48시간 분쇄하면 얻어지는 슬립은 325메시(mesh) 체를 전량 통과하게 되며 스프레이드라이에서 구상 분말화 할 수 있다. 이때 얻어지는 과립, 즉 구상 분말은 제2도와 같이 외관은 구형이지만 과립의 내부는 미세한 마그네시아, 스피넬, 알루미나, 전로 슬래그 및 금속입자들로 구성되며 이것들은 첨가된 바인더와 미세한 입자들간의 결합력으로 응집되어 최대입경 0.5mm 이하의 구상 분말로 조정되는데 이것은 마지막으로 35메시 체가름에 의하여 조정된다.

본 발명의 용사재료는 종래의 마그네시아계 용사재료와는 달리 제1도와 같이 마그네시아 분말 원료를 주원료로 하고 전로 슬래그 분말, 마그네시아-알루미나 스피넬 분말, 알루미나 분말, 알루미늄(Al) 금속분말,마그네슘-알루미늄(Mg-Al) 합금분말과 바인더를 적당한 비율로 물에 첨가하여 볼밀로 24시간 이상 충분히 분쇄하여 과립화 함으로서 용융되지 않는 마그네시아입자와 첨가되는 저융점 물질과 금속분말의 입경에 차이가 거의 없는 즉, 제2도와 같이 화염온도에서 용융되지 않는 마그네시아 분말을 첨가물과 함께 볼밀에서 충분히 분쇄함으로써 마그네시아 입자 자체의 크기가 극히 작고 다른 첨가물과 비슷한 크기의 구성 성분으로서 혼합구상 분말화하는 것을 특징으로 한다.

즉, 전로 슬래그는 1300℃ 정도의 용융점을 가지는 저융점 물질임으로 2500-2600℃ 정도의 프로판-산소화염내에서는 쉽게 용융되지만, 화염내 체류시간은 0.01초 정도로 극히 짧기 때문에 충분한 용융에 의해 용융되지 않는 통상의 입경 210μm 이하의 마그네시아입자를 전량 모재면에 부착시키는 것은 불가능하다. 따라서, 제1도와 같이 마그네시아, 전로 슬래그, 스피넬, 알루미나, 금속분말을 일정 배합비율로 혼합하고, 수용성 유기 바인더, 물과 함께 볼밀로 24-48시간 정도 분쇄하면 전량 325메시로 체가름되며 얻어진 슬립으로 스프레이드라이로 구성화 하면 제2도와 같은 혼합구성 분말입자가 된다. 이렇게 하면 제2도와 같이 화염속으로 용융되지 않는 마그네시아입자도 수μm에서 수십μmn이내의 극히 작은 입자가 됨과 동시에 저융점물질을 포함한 다른 첨가물과 함께 하나하나의 구성입자속에 분포되게 되며 용사시 생성되는 액상물질과 최대의 표면적을 가지면서 모재에 분사될 수 있게 됨으로 부착율은 극대화되는 것이다.

또한 물 2000cc를 첨가하여 알루미나질 볼밀로 24시간 분쇄한 후 제1도의 방법으로 0.5mm 이하의 구상분말이 되도록 구형화하여 마그네시아계 구상 분말 용사재료를 제조하였다.

하기 표 1에서 폴리비닐알콜의 첨가량은 배합원료 중량에 대하여 나타낸 것이다.

상기와 같이 제조된 구상 분말 용사재료를 마그네시아-크롬질 내화벽돌을 모재로 하고, 용사조건을 프로판 15Nm³/hr, 산소 75-80Nm³/hr, 용사속도 10-50kg/hr로 하여 용사하였으며, 이때 용사시공체의 중량을용사한 구상 분말 용사재료의 중량으로 나눈 % 비율을 부착율로 계산하여 용사시공체의 기공율, 꺽임 강도와 함께 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

*1: 입경 210μm 이하의 MgO 분말

*2: 입경 3mm 이하의 MgO 분말

*3: 입경 0.1mm 이하의 전로 슬래그 분말

*4: 입경 74μm 이하의 MgO-Al₂O₃합금 분말

*5: 입경 74μm이하의 Al₂O₃분말

*6: 입경 74μm 이하의 Mg-Al 합금 분말

*7: 입경 74μm 이하의 Al 분말

*8: 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol,PVA):내화분말 전체의 중량에 대한 중량% 비율임.

*9: 기공율과 겉보기 밀도는 KS L 3114의 방법으로 측정하였음.

*10: 부착율(중량%)=(부착된 용사시공체의 중량)÷(용사한 용사재료의 중량)× 100

*11: 꺽임강도는 4점법으로 측정하였음.

#1: 일본, 특개소 59-13673

#2: 일본, 특개소 60-161379

#3: 일본, 특개소 62-41772

상기 표 1에 나타난 바와같이, 본 발명에 부합되는 발명예(A-G)의 경우에는 93% 이상의 부착율, 12.9% 이하의 용사시공체 기공율, 207㎏/㎠ 이상의 꺾임강도를 나타내고 있으며, 이는 종래예(K-M)에 비하여 월등히 우수함을 알 수 있다.

또한, 비교예(H,J)와 같이 마그네시아는 44중량% 이하가 되면 상대적으로 전로 슬래그의 첨가량이 증가되게 됨으로써 부착율은 92% 정도로 높은 값을 나타내었으나 기공율은 증가되고, 강도는 저하되어 우수한 특성의 시공체를 얻을 수 없게 되었으며, 비교예(J)와 같이 92중량%를 초과하게 되면 다른 첨가물의 양이 아주 적어져서 금속분말의 첨가량이 3.5중량%로 늘여도 부착율은 87% 밖에 되지 않음을 알 수 있다. 또한 전로 슬래그는 20중량% 전후로 사용한 발명예(A,B,C)가 이상적이었지만 많게는 25중량%, 적게는 5중량% 까지 사용할 수도 있다. 전로 슬래그는 저융점 물질로서 본 발명의 용사재료에서 부착성을 나타내는 기본적인 역할을 하지만 첨가양이 비교예(H)와 같이 25중량%를 초과하게 되면 다량의 저용점 물질에 의한 시공체 조직을 다공화(기공율 23.1%)함으로 문제가 되었으며, 비교예(J)와 같이 5중량% 미만이 되면 저융점물질의 양이 너무 적게 되어 금속분말을 3.4%로 높여도 87%의 부착율밖에 얻어지지 않았다.

상술한 바와같이, 본 발명은 공업요로에 사용되고 있는 각종 염기성 내화물에 대한 열간용사보수재료로서 이용가능하며 기존의 마그네시아계 분말용사보수재료보다 특히 높은 부착율과 물리적, 기계적 특성을 나타내어 용사보수효과의 향상, 공업요로의 사용수명 향상, 생산성 향상을 기할 수 있는 마그네시아계 구상 분말용사재료를 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 마그네시아계 용사분말을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, 마그네시아 분말:45-92%, 전로 슬래그:5-25%, 스피넬 분말 1종 또는 스피넬 분말과 알루미나 분말의 2종:30% 이하, 및 금속분말:0.1-3.0%를 배합하고, 이 배합원료의 중량에 대하여 수용성 바인더를 0.4-0.7% 첨가한 다음, 습식으로 분쇄한후, 스프레이드라이로 0.5mm 이하의 입자크기로 구상화하는 것을 특징으로 하는 마그네시아계 구상 분말용사재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 금속분말이 Al분말 또는 Mg-Al 합금분말인 것을 특징으로 하는 마그네시아계 구상 분말 용사재료의 제조방법.