Jack Xing 작성, YK Chanshine 기술 영업 이사 · 고로 내화물 ·
고로 운영자들은 열풍 온도를 높이고 압력을 높이며, 산소와 미분탄 사용량도 늘리고 있습니다. 열풍 공급 시스템의 모든 부품에 더 큰 부하가 걸리며, 그 부담은 풍구 스톡에 집중됩니다. 풍구 스톡이 적열하거나 용손되면 고로를 정지하거나 출력을 낮춰 운전해야 합니다.
이 글에서는 중국 고로 현장에서 사용된 풍구 스톡 캐스터블에 대한 상세한 파손 분석을 살펴봅니다. 중온에서 강도가 저하되어 슬래그 침식이 시작되는 과정을 추적하고, XRD와 SEM으로 파손을 재현한 뒤, 구매자가 캐스터블 구매 주문서에 명시해야 할 사양 항목을 제시합니다.
파손 분석의 주요 결과:
- 이 재료는 알루미나 시멘트로 결합한 Al₂O₃-SiO₂ 캐스터블입니다. 1100~1200 °C에서 상온 압축 강도는 약 47% 낮아지고 겉보기 기공률은 증가합니다.
- 고로 슬래그가 이렇게 느슨해진 구조를 침식합니다. Ca와 Mg가 캐스터블 내부로 이동해 저융점 게레나이트(Ca₂Al₂SiO₇)와 MgSiO₃를 형성합니다.
- 멀라이트화되지 않은 원료, 유리 석영, 철 슬래그에서 유래한 Fe₂O₃가 침식을 악화시킵니다.
- 세 가지 개선 조치: 원료 순도를 높이고, 안달루사이트/남정석의 팽창으로 수축을 상쇄하며, 연질 점토를 3~6 wt% 첨가해 소결 온도를 낮춥니다.
풍구 스톡 캐스터블의 파손 원인
운전 조건
높은 열풍 온도와 압력, 산소 부화, 대량 미분탄 취입은 열풍 공급 시스템에 더 큰 부하를 줍니다. 송풍 부품의 균열, 붕괴 및 용손 발생 가능성이 모두 커집니다. 풍구 스톡은 가장 많이 노출되는 부품입니다. 풍구 냉각기의 공간 제약으로 관 본체가 좁고 내화물층은 얇지만, 가혹한 조건에서 사용됩니다.
적열 및 용손의 원인으로 보고된 사항
연구에서 제시한 주요 원인은 다음과 같습니다.
- 플랜지 연결부 틈새: 접촉면에서 열풍이 새어 나와 관 본체가 과열됨
- 캐스터블 품질: 열충격 저항성이 낮거나 고온 강도가 낮거나 슬래그 저항성이 약함
- 미분탄 랜스 마모: 높은 가스 속도와 석탄의 마모 작용으로 내벽 라이닝이 얇아짐
- 고로 벽 재료 붕괴: 장입물이 송풍관 위로 떨어져 기계적으로 손상시킴
보고된 사례 2건
Liugang
조사 결과, 튜이어 스톡 용손의 주된 원인은 캐스터블 품질 불량인 것으로 결론지었습니다. 제철소는 캐스터블 품질을 높이고 튜이어 스톡 제작 방식을 개선했습니다. 이후 적열 현상과 용손이 멈췄고, 품질과 사용 수명이 향상되었습니다.
Shougang
장기간 사용되었고 여러 차례 송풍 중단을 겪은 블로파이프에서 용손이 발생했습니다. 큰 온도 변화로 인해 전면 수냉 슬리브와 파이프 본체 사이의 내화물이 균열되었습니다. 이어서 산소가 풍부한 고온 열풍이 전면부를 태워 관통했습니다. 제철소는 품질을 확인하고 튜이어 스톡의 사용 상태를 점검하기 위해 캐스터블을 분석했습니다.
튜이어 스톡 캐스터블 성능 분석
시료 채취
고장 난 튜이어 스톡에서 채취한 사용 캐스터블과 새 캐스터블을 모두 분석했습니다. 사용한 시편과 새 시편의 사진은 표 2 다음 그림에 나와 있습니다.
화학 조성: 새것과 사용한 것 비교
표 1. 튜이어 스톡 캐스터블의 화학 분석, 중량%
| 시편 | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | CaO | MgO | TiO₂ | K₂O | Na₂O | ZnO | S |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 새것 | 42.14 | 49.69 | 1.36 | 3.92 | 0.60 | 0.63 | 0.46 | 0.32 | 0.001 | 0.018 |
| 사용한 것 | 42.19 | 49.54 | 2.10 | 3.66 | 0.58 | 0.86 | 0.29 | 0.22 | 0.004 | 0.006 |
두 재료 모두 Al₂O₃-SiO₂ 계열이며, 사용 중 주요 산화물 함량은 거의 변하지 않았습니다. 사용한 시편에서는 Fe₂O₃ 함량이 더 높은데, 저자들은 혼입된 철 슬래그 때문인 것으로 추정합니다. 새 캐스터블의 CaO 함량은 약 3.9%로, 알루민산칼슘 시멘트를 사용한 결합 방식과 일치하며, 이는 저자들이 뒤에서 결합재를 확인한 결과와도 부합합니다.
새 캐스터블의 물성
표 2. 두 제철소 새 캐스터블의 상온 압축 강도
| 제철소 | 열처리 | 상온 압축 강도, MPa |
|---|---|---|
| Mill A (Shougang) | 110 °C × 24 h | 18.5 |
| Mill A (Shougang) | 1200 °C × 3 h | 9.80 |
| Mill B (Liugang) | 110 °C × 24 h | 30.0 |
Mill A의 캐스터블은 Mill B보다 부피 밀도와 상온 강도가 낮았습니다. 1200 °C × 3 h 처리 후 Mill A의 상온 강도는 18.5 MPa에서 9.80 MPa로 떨어져 약 47% 감소했습니다. 저자들은 1200 °C 처리 후 겉보기 기공률이 뚜렷하게 증가해 조직이 더 느슨해졌다고 보고했습니다.
가스 유속과 온도가 높으면 내화물이 약할수록 더 빨리 마모되고 박리될 수 있습니다.
새 캐스터블의 슬래그 저항성
저자들은 고온에서 새 캐스터블에 작용하는 고로 슬래그를 모사하기 위해 정적 도가니 시험을 사용했습니다. 슬래그 조성은 다음과 같습니다.
표 3. 시험에 사용된 고로 슬래그 조성, 중량%
| SiO₂ | CaO | MgO | Al₂O₃ | TiO₂ | FeO |
|---|---|---|---|---|---|
| 34.42 | 41.22 | 7.32 | 14.04 | 1.21 | 0.43 |
슬래그 시험 시편의 XRD 분석
시료 1의 네 지점(슬래그, 흰색 골재 입자, 노란색 매트릭스, 검은색 매트릭스)을 XRD로 분석했습니다.
표 4. 위치별 시료 1의 주요 상
| 위치 | 외관 | 주요 광물상 |
|---|---|---|
| 슬래그 | 부착된 슬래그층 | 게레나이트, 멜릴라이트, 유리상 |
| 골재 | 흰색 입자 | 멀라이트, 커런덤, 미량의 크리스토발라이트 |
| 매트릭스 (노란색) | 반응 영역 | 게레나이트, 아노르타이트, 멀라이트 |
| 매트릭스 (검은색) | 변질되지 않은 캐스터블 | 멀라이트, 커런덤, 시멘트 수화물 |
슬래그-캐스터블 계면의 SEM
슬래그와 캐스터블 경계의 SEM 검사에서 내화물 쪽의 칼슘과 마그네슘 농도가 더 높은 것으로 나타났습니다. 슬래그의 Ca와 Mg가 캐스터블 안으로 이동했습니다. 이들은 매트릭스의 Al₂O₃ 및 SiO₂와 반응해 게레나이트(Ca₂Al₂SiO₇)와 MgSiO₃를 형성합니다. 이것이 침식입니다. 슬래그 시험에 대한 저자들의 종합적인 해석은 내슬래그성이 낮고 고로 슬래그에 쉽게 침식된다는 것입니다.
사용된 캐스터블: XRD 및 SEM
6개 지점의 XRD
사용된 캐스터블에서 대표 지점 6곳을 분석했습니다. 위치 1은 슬래그-캐스터블 계면에 있습니다.
표 5. 사용된 송풍구 스톡 캐스터블의 주요 광물상
| 위치 | 설명 | 동정된 상 |
|---|---|---|
| 1 | 슬래그-캐스터블 계면 | 게레나이트, 철이 풍부한 상, 멜릴라이트 |
| 2 | 표면 근처 매트릭스 (0–5 mm) | 게레나이트, 멀라이트, 아노르타이트 |
| 3 | 중간 영역 (5–15 mm) | 멀라이트, 커런덤, 게레나이트 |
| 4 | 코어 매트릭스 (15–30 mm) | 멀라이트, 커런덤, 미량의 석영 |
| 5 | 조립 골재 | 멀라이트, 커런덤 |
| 6 | 냉각면 뒷받침재 | 멀라이트, 시멘트 탈수상 |
슬래그 면에서의 거리에 따른 SEM-EDS
부착된 슬래그에서 캐스터블 안쪽 방향으로 지점을 스캔했습니다. 슬래그 면은 0 mm입니다.
표 6. 사용된 캐스터블의 슬래그 면에서 안쪽 방향 EDS 분석, 중량%
| 거리 | Al₂O₃ | SiO₂ | CaO | Fe₂O₃ | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 mm (슬래그 표면) | 18.4 | 31.2 | 38.1 | 6.2 | 6.1 |
| 2 mm (반응층) | 36.5 | 35.8 | 19.4 | 4.5 | 3.8 |
| 5 mm (침투 영역) | 45.2 | 39.1 | 8.6 | 3.9 | 1.2 |
| 15 mm (변질되지 않은 영역) | 49.4 | 42.0 | 3.8 | 2.1 | 0.6 |
송풍구 스톡 캐스터블의 마모 메커니즘
900~1200 °C 범위가 취약점인 이유
특성, XRD 및 SEM 결과를 바탕으로 저자들은 이 소재를 알루민산칼슘 시멘트로 결합된 멀라이트 캐스터블로 식별합니다.
110~1200 °C에서는 시멘트 수화물 결합이 분해되었지만 세라믹 소결은 거의 시작되지 않은 상태입니다. 구조가 가장 느슨하고 약해지는 시기입니다. 공교롭게도 이 온도 범위가 풍구 스톡 라이닝의 사용 온도입니다.
사용 중 파손 진행 과정
- 라이닝은 강도를 잃고 사용 온도 범위에서 기공률이 높아집니다.
- 슬래그의 Ca와 Fe가 개방된 구조 안으로 침투합니다.
- 이들은 매트릭스의 Al₂O₃ 및 SiO₂와 반응해 겔레나이트, MgSiO₃ 및 기타 저융점 화합물을 형성합니다.
- 미반응 상태로 멀라이트화가 덜 된 원료는 문제를 악화시킵니다.
- 약해진 라이닝이 가스의 유속과 온도에 의해 마모됩니다.
해결 방법: 세 가지 대책
1. 원료 품질 향상
칼슘 알루미네이트 시멘트 결합을 손상시키는 알칼리 금속을 비롯한 불순물을 줄입니다.
2. 안달루사이트 또는 카이아나이트 첨가
이들은 멀라이트화 과정에서 팽창하여 수축과 중온 강도 저하를 상쇄합니다. 그 결과 미세 팽창 캐스터블이 만들어집니다.
3. 소결 촉진제 첨가
예시로 제시된 연질 점토 함량은 3~6 wt%입니다. 그러면 캐스터블이 더 낮은 온도에서 소결되어 급격한 구조 변화를 방지하거나 완화하고 중온 강도를 높입니다.
풍구 스톡 캐스터블 TDS에 포함할 내용
표 7. 풍구 스톡 캐스터블 구매 시 지정할 권장 매개변수
| 매개변수 | 시험 조건 | 목표값 |
|---|---|---|
| Al₂O₃ 함량 | XRF / 습식 화학 분석 | ≥ 50.0% |
| Fe₂O₃ 함량 | XRF / 습식 화학 분석 | ≤ 1.2% |
| 냉간 압축 강도 | 110 °C × 24 h | ≥ 30.0 MPa |
| 냉간 압축 강도(중온) | 1200 °C × 3 h | ≥ 18.0 MPa(저하율 ≤ 40%) |
| 영구 선변화율 | 1200 °C × 3 h | 0.0~+0.4%(미세 팽창) |
| 슬래그 저항 지수 | 도가니 시험, 1500 °C × 3 h | 침식 깊이 ≤ 3.0 mm |
구매자 체크리스트 및 RFQ 데이터
공급업체에 요청할 자료
- 110 °C 및 1200 °C 처리 후 냉간 압축 강도
- 1200 °C에서의 영구 선변화율
- 골재 원료(소결 멀라이트, 용융 멀라이트 또는 안달루사이트)
- 결합재 유형 및 CaO 함량
추천을 받기 위해 보내야 할 자료
추천을 받으려면 다음 자료를 sales@ykchanshine.com으로 보내거나 문의 페이지를 이용하세요:
- 용광로 부피, 열풍 온도 및 산소 부화율
- 풍구 스톡 도면 및 라이닝 두께
- 현재 캐스터블 데이터시트 및 파손 사진
- 월간 출선 횟수
- 목표 연간 사용량 및 항구
결론
- 1100~1200 °C에서 발생하는 강도 저하가 풍구 스톡 캐스터블 파손의 근본 원인입니다.
- 고로 슬래그가 이 느슨한 매트릭스에 침투해 저융점 게레나이트를 형성합니다.
- 미세 팽창 첨가제(안달루사이트/남정석)와 소결 보조제는 강도 저하 구간을 효과적으로 없애 줍니다.
자주 묻는 질문(FAQ): 고로 풍구 스톡 캐스터블
고로 풍구 스톡이란 무엇인가요?
송풍관은 버슬 메인에서 풍구 냉각기로 열풍을 운반하는 관입니다. 얇은 강철 몸체와 얇은 내화물 라이닝으로 이루어져 있습니다.
풍구 스톡이 적열하거나 용손되는 이유는 무엇인가요?
보고된 원인으로는 접촉면의 열풍 누출, 캐스터블 품질 저하, 석탄 랜스의 심한 마모, 노벽에서 내화물이 떨어지는 현상이 있습니다. 반복적인 송풍 중단으로 인해 전면 수냉 슬리브 주변 라이닝에 균열이 생길 수도 있습니다.
시멘트 결합 캐스터블은 1100~1200 °C에서 왜 약해지나요?
이 온도에서는 수화물 결합이 사라졌지만 세라믹 결합은 아직 형성되지 않았습니다. 구조가 느슨해지고 수축하면서 강도가 떨어집니다. 풍구 스톡은 바로 이 온도 범위에서 작동합니다.
풍구 스톡 캐스터블에서 안달루사이트나 남정석은 어떤 역할을 하나요?
이 광물들은 멀라이트로 변태할 때 팽창합니다. 이 팽창이 시멘트 결합으로 인한 수축을 상쇄해 미세 팽창 캐스터블을 만들어 줍니다.
소결 보조제로 연질 점토를 얼마나 첨가하나요?
연구에서는 3~6 wt%를 제시합니다. 캐스터블이 더 낮은 온도에서 소결되도록 돕고 중온 강도를 높여 줍니다.
사용된 캐스터블에서 Fe₂O₃가 증가하는 이유는 무엇인가요?
저자들은 시료에 철 슬래그가 섞였을 것으로 추정합니다. 슬래그 면의 한 지점에서 측정한 EDS 결과 Fe 함량이 37.57%로, 이를 뒷받침합니다.
110 °C 강도 외에 무엇을 요청해야 하나요?
중온 강도, 1200 °C 이후의 강도와 기공률, 알칼리 함량, 결합재 시스템 및 슬래그 시험 결과.
고로 운전 조건 및 풍구 도면 보내기
열풍의 적열, 용손 또는 송풍관 라이닝 균열을 겪고 계신가요? 열풍 온도, 산소 부화율, 풍구 스톡 도면, 현재 사용 중인 캐스터블의 TDS를 보내 주세요. 당사의 내화물 엔지니어링 팀이 24~48시간 이내에 맞춤형 미세 팽창 캐스터블 배합과 기술 제안서를 제공해 드립니다.