고로 출선통용 마이크로실리카: 구역별 부식과 등급 선정

1. 고로 출선통 각 부위에 대해 완전히 동일한 재료 설계 논리를 적용해서는 안 됩니다.

고로 출철로 시스템은 일반적으로 출철구 수납 구역, 주출철로 충격 구역, 주출철로 중후반부, 슬래그 제거기, 지출철로, 슬래그로 및 가동식 노즐 또는 틸팅 출철로 등으로 구성됩니다. 이러한 부위들은 모두 고온의 용철 또는 슬래그 환경에 노출되어 있지만, 접촉 매체, 유속, 난류 정도, 온도 변동 및 유지보수 방식은 서로 다릅니다.

관련 문헌에 따르면, 고로 출선통 내화 라이닝의 손상은 단순한 기계적 침식이 아니라 유체 전단, 열응력, 산화, 용슬래그 침식 및 물질 전달이 복합적으로 작용한 결과이다. 주로 금속선 부근에서는 일반적으로 산화와 용철-슬래그 계면 반응이 주를 이루는 반면, 슬래그선 부근은 용슬래그의 용해, 침투 및 물질 전달에 의해 더 크게 제어된다.

따라서 출철로 주입재에서 마이크로실리카의 역할을 단순히 “강도 향상”으로만 요약할 수는 없다. 이는 입도 분포를 최적화하고 기질의 기공률을 낮출 뿐만 아니라, 고온 액상, 몰라이사이트 생성, 내산화성 및 내슬래그성을 변화시킨다. 부위마다 치밀화, 열충격 안정성, 내산화성 및 고온 액상 제어 사이에서 서로 다른 균형을 이루어야 한다.

2. Al₂O₃–SiC–C 고로 출선통 캐스터블에서 마이크로실리카의 주요 역할

1. 기질 입도 분포 및 시공 성능 최적화

마이크로실리카는 서브마이크론급 입자로 구성되어 있어, 코르undum 미세 분말, 활성 알루미나 및 시멘트 입자 사이의 공극을 채울 수 있다. 분산 체계가 합리적인 조건 하에서는 매트릭스의 적층 밀도를 높이는 데 도움이 되며, 유동성을 유지하면서 시공 시 첨가하는 물의 양을 줄일 수 있다.

한 산업용 철로 재료 연구에서는 입도 분포와 분산 체계를 최적화하여 주입재의 물 첨가량을 5.2%에서 4.4%로 낮추었으며, 유동성은 거의 변하지 않았습니다. 낮은 물 첨가량 덕분에 재료는 더 낮은 표면 기공률과 더 치밀한 구조를 얻었으며, 산업용 주철로 시험에서 유지보수 주기를 연장할 수 있었습니다.이 연구는 초미세 분말 시스템의 가치가 화학적 순도뿐만 아니라 입도 분포, 분산제 및 전체 매트릭스 설계에 달려 있음을 보여준다.

2. 고온 결합 및 산화 방지 보호에 기여

연구에 따르면, 적정량의 마이크로실리카을 Al₂O₃–SiC–SiO₂–C 주입재에 첨가하면 점도가 높은 SiO₂가 풍부한 액상층이 형성되며, 이는 Al₂O₃와 반응하여 멀라이트를 생성한다. SiO₂가 풍부한 액상층은 일부 기공을 막아 산소가 재료 내부로 확산되는 속도를 늦출 수 있으며, 멀라이트 생성에 수반되는 부피 변화는 소결 수축을 어느 정도 보상하여 내산화성을 향상시킨다.

하지만 그렇다고 해서 마이크로실리카가 많을수록 좋다는 의미는 아닙니다. 과도하거나 분산이 불량한 마이크로실리카는 첨가 수량을 증가시켜 과량의 저융점 액상을 형성하거나, 재료가 중·고온에서 과도하게 소결되도록 하여 열충격 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 마이크로실리카는 SiO₂ 순도만으로 선택해서는 안 된다

2023년에 발표된 한 철로 주입재 연구에서는 명목상 SiO₂ 함량이 93%, 96%, 99%인 세 가지 마이크로실리카을 비교했다. 그 결과, 이 실험에서 99% 마이크로실리카 시료는 첨가 수분이 가장 많고, 체적 밀도가 가장 낮으며, 겉보기 기공률이 가장 높았고, 내산화성도 가장 낮은 것으로 나타났다;93% 마이크로실리카 시료는 고온 굽힘 강도가 가장 낮았으며, 96% 마이크로실리카 시료는 내슬래그성과 종합 성능이 가장 우수했다.

강조할 점은, 이 결과를 “모든 99% 마이크로실리카가 철구 주입재에 부적합하다”고 해석해서는 안 된다는 것이다. 세 가지 제품은 화학 조성뿐만 아니라 입도 분포와 기타 불순물도 서로 달랐다. 이 논문이 실제로 뒷받침하는 결론은, 철구 주입재용 마이크로실리카을 선정할 때는 단순히 SiO₂ 수치만 비교해서는 안 되며, 입도 분포, 분산성, 첨가 수량, 불순물 조성 및 고온 반응 거동을 종합적으로 평가해야 한다는 것이다.

3. 부위별 작업 조건 및 마이크로실리카 적용 중점

1. 출선구 수선부와 주통 충격부

주용로의 전방부는 용출구에서 뿜어져 나오는 용철의 충격을 직접 받는 곳으로, 전체 용출로 시스템 중 운전 조건이 가장 혹독한 구역 중 하나이다. 산업 현장 사후 분석에서는 일반적으로 용출구에서 약 3~6미터 떨어진 구역을 난류 구역 또는 핵심 구역이라고 부른다. 이 구역은 고온의 용철과 용슬래그의 충격, 강한 난류, 가스 유입, 주기적인 열충격, 그리고 용철 역류로 인한 반복적인 침식을 동시에 견뎌야 한다.

CFD 연구에 따르면, 주 수로 바닥이 받는 전단 작용은 일반적으로 측벽보다 크며, 철수 지점 근처의 전단 응력과 열 응력은 다른 구역보다 현저히 높다. 특정 주 수로 모델의 경우 최대 열 응력이 주 수로 전단부 약 4미터 지점에서 발생했는데, 이는 현장에서 수명이 가장 짧은 구역과 거의 일치한다.

이 부위에 마이크로실리카을 사용하는 주요 목적은 다음과 같습니다:

• 시공 시 첨가되는 물의 양을 줄이고, 기질의 치밀도와 용강 침투 저항 능력을 향상시키는 것;
• 골재와 기질 간의 결합 강도를 높여 충격 시 입자 박리를 줄이는 것;
• 적절한 규소 함유 상 및 멀라이트 생성을 통해 탄소와 SiC의 산화를 지연시키는 것;
• 타설 유동성을 개선하여 도랑 바닥, 모서리 및 측벽 구역의 시공 완결성을 보장하는 것.

그러나 충격 구역에서는 극히 낮은 공극률과 높은 소결 강도를 일방적으로 추구해서는 안 됩니다. 기질이 지나치게 치밀하거나 액상이 과다할 경우, 소성 건조 시 배수 위험이 증가할 수 있으며, 반복적인 열 사이클에서 높은 열 응력이 발생할 수 있습니다. 따라서 이 구역에서는 단순히 마이크로실리카의 첨가량을 늘리는 것보다, 내세척성, 내산화성, 열충격 안정성 및 안전한 소성 건조를 균형 있게 고려해야 합니다.

2. 주 도랑 중후반부: 용선 라인과 슬래그 라인을 별도로 고려해야 함

주 홈 중·후단의 난류 강도는 일반적으로 충격 구역보다 낮지만, 용철과 슬래그가 내화 라이닝과 접촉하는 시간은 더 길다. 여기서는 금속선, 슬래그선, 홈 바닥을 더욱 세분화하여 구분해야 한다.

금속선 구역

금속선은 용철, 슬래그 및 내화재의 경계 부근에 위치하며, 탄소 산화, SiC 산화, FeO 침식 및 액상 침투가 동시에 발생하기 쉽습니다.산업 현장 사후 분석에 따르면, 금속선은 FeO와 SiO₂를 함유한 저융점 철올리빈 상을 형성할 가능성이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 슬래그에 K₂O 등 알칼리성 성분이 많이 포함되어 있을 경우, 슬래그의 점도와 연화 온도가 낮아져 침투와 물질 전달이 더욱 촉진되고, SiC 손실이 가속화될 수 있습니다.

마이크로실리카가 금속선에 미치는 긍정적인 작용은 주로 매트릭스를 치밀하게 하고, 산소와 용융물의 침투 경로를 차단하며, 일정한 보호성 규산염 또는 멀라이트 결합의 형성을 촉진하는 것이다. 그러나 시스템의 총 SiO₂ 함량이 지나치게 높고, 동시에 다량의 FeO나 알칼리 금속 산화물이 존재할 경우, 저융점 규산염 상이 형성될 위험이 증가할 수도 있다.

따라서 금속 와이어 재료에서는 다음 사항을 동시에 제어해야 합니다:

• 마이크로실리카 및 기타 원료에 포함된 총 SiO₂;
• FeO, MnO 및 알칼리 금속 산화물의 침투 후 반응;
• SiC 및 탄소의 산화 방지 체계;
• 기질의 기공 구조와 고온 액상 점도.

슬래그 라인 영역

슬래그 라인은 주로 CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂ 및 소량의 FeO, 알칼리 금속 산화물을 함유한 고로 슬래그의 침식을 견뎌야 한다. 산업 현장 적용 후 연구 결과, 슬래그는 주입재 내의 Al₂O₃ 및 SiO₂와 반응하여 칼슘장석, 칼슘알루미늄황장석 등의 상을 생성하는 것으로 밝혀졌으며, 일부 반응 생성물은 융점이 낮아 매트릭스를 약화시키고 골재의 탈락을 촉진하기 쉽다.

슬래그 라인에서 마이크로실리카는 한편으로는 기공률을 낮춤으로써 용융 슬래그의 침투를 줄여주고, 다른 한편으로는 슬래그-내화물 반응 체계에서 SiO₂의 공급원 중 하나가 됩니다. 따라서 슬래그 라인의 마이크로실리카는 “물리적 치밀화 효과”와 “고온 화학 반응 위험” 사이에서 균형을 이루어야 합니다.

FeO 함량이 높거나 알칼리성이 강하거나 변동 폭이 큰 슬래그의 경우, 상온 강도만으로 마이크로실리카의 적용 여부를 판단할 수 없으며, 실제 슬래그를 이용한 정적 도가니 시험, 회전 침식 시험 또는 동적 세척 시험을 수행해야 한다.

3. 슬래그 제거기 및 전후 과도 구역

슬래그 제거기는 밀도가 더 높은 용철이 하부를 통과하도록 하면서 동시에 슬래그를 슬래그 홈으로 유도하는 역할을 한다. 그 전방에서는 액체의 집적, 역류 및 난류가 쉽게 발생하며, 후방에서는 용철의 가속, 흐름 방향 변화 및 국부적인 침식이 발생한다.

관련 유동장 연구에 따르면, 슬래그 제거기 근처에서 뚜렷한 난류가 발생하며, 댐 각도, 개구부 높이 및 슬래그 제거기와 슬래그 배출구의 상대적 위치는 모두 벽면 전단 응력, 슬래그-용철 분리 효과 및 슬래그 제거기의 수명에 영향을 미친다.

이 부위에 마이크로실리카을 적용하는 주요 목적은 다음과 같습니다:

• 주입재의 유동성 향상 및 복잡한 구조물의 성형 완전성 확보;
• 개구부, 모서리 및 프리캐스트 부품 이음매 부위의 기공을 줄이는 것;
• 재료가 슬래그 침투와 용철 침식에 대한 종합적인 저항 능력을 향상시키는 것;
• 보수재와 잔여 내화물 사이의 접착력을 개선하는 것.

슬래그 제거기는 일반적으로 전용 재료를 “고강도 주홈재”만으로 대체할 수 없습니다. 이 부위의 구조 설계, 프리캐스트 부품 치수, 굽힘 강도 및 열충격 안정성은 마이크로실리카 시스템만큼이나 중요합니다.

4. 용선 분기통

용철은 슬래그 제거기를 통과하여 지류로 유입되며, 이때 슬래그 함량은 일반적으로 현저히 감소하고 재료는 주로 고온의 용철과 접촉하게 된다. 주요 손상 요인으로는 지속적인 용철 침식, 곡선부 및 분류 지점의 국부적 마모, 주기적인 온도 상승 및 하강, 용철 침투, 그리고 용철 유입 중단 후의 산화 등이 있다.

현재 공개된 논문 중 “지류로에서 서로 다른 마이크로실리카 적용 방안”을 직접 산업 현장에서 비교한 연구는 드물다. 따라서 다음 내용은 주로 재료의 작용 원리와 지류로의 작동 조건을 바탕으로 한 공학적 분석에 해당한다:

• 마이크로실리카는 기질의 치밀도, 시공 균일성 및 용강 침투 저항성을 개선하는 데 중점을 두어야 한다;
• 반복적인 가동 및 정지 조건에서 열충격 안정성이 저하되지 않도록 과도한 액상 처리를 통해 지나치게 높은 소결 강도를 추구해서는 안 되며;
• 곡선부, 낙차부 및 분류 위치에서는 골재 입도 분포와 기질의 내침식성 설계를 강화해야 합니다;
• 정지 후 공기에 노출되는 구역에 대해서는 탄소와 SiC의 산화 방지 보호를 중시해야 한다.

지지 용강로의 마이크로실리카 선택은 일반적으로 저수분 함량, 안정된 분산성 및 부피 안정성을 더 중시할 수 있으며, 주 용강로의 고내슬래그 설계를 완전히 그대로 적용할 필요는 없다.

5. 슬래그 수로

슬래그 도랑은 주로 고로 슬래그를 이송하며, 그 온도는 일반적으로 방출 직후의 용강보다 낮지만, 슬래그와 내화물의 접촉 비율이 더 높아 화학적 침식이 더욱 두드러집니다. Al₂O₃–SiC–C 소재가 주 도랑과 슬래그 도랑에 널리 사용되는 이유는 SiC와 탄소가 용융 슬래그에 대해 낮은 습윤성을 가지면서 동시에 우수한 열충격 및 내침식 성능을 갖추고 있기 때문입니다.

슬래그 도랑용 마이크로실리카의 핵심 역할은 다음과 같습니다:

• 치밀한 기질을 형성하여 슬래그가 기공과 미세 균열을 따라 침투하는 것을 늦추는 것;
• 시공 유동성과 도랑 표면의 무결성을 개선하는 것;
• 적정량의 멀라이트 또는 세라믹 결합을 촉진하여 고온 상태에서의 구조적 안정성을 높이는 것;
• CaO, MgO, FeO 및 알칼리 금속 산화물로 인한 저융점 상을 제어하는 것.

앞서 언급한 2023년 연구에서, 특정 96% 마이크로실리카 시료는 세 가지 재료 그룹 중 최고의 슬래그 저항 성능을 보였으며, 이는 슬래그 트로프용 마이크로실리카가 단순히 최고 순도를 추구하는 것이 아니라 종합적인 품질에 주목해야 함을 다시 한번 입증한다.

6. 경동 스파우트 또는 경동통

스윙 노즈는 용강이 토레도 탱크나 용강 용기로 유입되기 직전에 위치하며, 용강의 침식뿐만 아니라 기울기, 진동, 간헐적 주입, 국부적 낙차 충격 및 빈번한 온도 변화의 영향을 받습니다. 회전축 부근, 노즈 출구 및 용강 낙하 지점은 일반적으로 기계적 및 열적 응력이 집중되는 영역입니다.

현재 스윙 노즐에서 마이크로실리카의 역할에 대한 독립적인 논문 증거는 제한적이므로, 특정 마이크로실리카가나 고정된 첨가량이 논문을 통해 최적으로 입증되었다고 주장해서는 안 됩니다. 공학적 관점에서 볼 때, 마이크로실리카는 주로 다음 용도로 사용됩니다:

• 시공 수분을 줄이고 초기 구조 강도를 높이는 것;
• 매질의 균일성을 높여 용강 침투 및 국부적 침식을 줄이는 것;
• 노즐 굽힘 부위 및 취약 부위의 주입 완전성 개선;
• 골재 입도 분포 및 산화 방지제와 조화를 이루어, 내침식성과 열충격 안정성을 동시에 확보하는 것.

이 부위는 특히 매트릭스의 과도한 소결 및 취성을 피해야 하므로, 재료 평가 시 열충격 후 잔류 강도, 동적 침식 및 진동 조건 하에서의 구조적 완전성 시험을 추가해야 한다.

4. 주물용 마이크로실리카의 선정 원칙

첫째, SiO₂ 순도를 유일한 기준으로 삼지 않는다

고순도가 낮은 급수량을 의미하는 것은 아니며, 반드시 높은 체적 밀도나 높은 슬래그 저항성을 보장하는 것도 아닙니다. 입도 분포, 비표면적, 응집 상태, 소각 감량, 탄소 함량 및 알칼리 금속 불순물을 동시에 검사해야 합니다.

둘째, 부위에 따라 총 SiO₂와 고온 액상 비율을 조절한다

충격 구역은 치밀성과 내세척성, 내산화성이 요구되며, 슬래그 라인은 저융점 상을 엄격히 제어해야 한다. 지지 철구와 진동 노즐은 용철 침투 저항성, 열충격 안정성 및 체적 안정성이 더욱 강조된다. 서로 다른 부위에 동일한 기질 배합을 기계적으로 적용해서는 안 된다.

셋째, 마이크로실리카을 전체 기질 시스템과 함께 평가해야 한다

마이크로실리카의 효과는 활성 알루미나, 시멘트, SiC, 탄소원, 금속 실리콘, B₄C, 분산제 및 시공 시 첨가되는 물의 양에 의해 복합적으로 영향을 받는다. 전체 배합을 고려하지 않고 “최적의 마이크로실리카”을 논의하는 것은 과학적 의미가 없다.

넷째, 실제 재료 시험을 통해 첨가량을 확정해야 한다

최소한 유동값과 첨가 수량, 부피 밀도, 표면 기공률, 상온 강도, 고온 굽힘 강도, 산화 저항 지수, 열충격 후 잔류 강도, 실제 슬래그 침식 및 안전 건조 성능을 평가할 것을 권장한다. 고정된 첨가량은 한 편의 논문에서 그대로 가져와 모든 제철소와 모든 부위에 적용할 수 없다.

결론

마이크로실리카가 고로 출철로 주입재에서 갖는 가치는 본질적으로 기질 구조와 고온 반응 과정을 종합적으로 조절하는 데 있다. 이는 입도 분포를 최적화하고, 시공 용수를 줄이며, 치밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 실리카가 풍부한 액상과 몰라이사이트 생성을 통해 세라믹 결합 및 내산화 성능을 개선한다.

그러나 마이크로실리카는 동시에 시스템의 총 SiO₂ 함량과 고온 액상 조성을 변화시키기도 한다.FeO, CaO, MgO 또는 알칼리 금속 산화물이 침입하는 조건에서, 과다하거나 부적합한 SiO₂는 저융점 상의 형성에 관여할 수 있습니다. 따라서 주출철로 충격 구역, 금속선, 슬래그선, 슬래그 제거기, 보조 출철로, 슬래그로 및 진동 노즐은 구역별 설계를 채택해야 하며, 단 하나의 “고순도 마이크로실리카”로 모든 작동 조건을 포괄해서는 안 됩니다.

진정으로 신뢰할 수 있는 제품 선정 기준은 최고 순도나 최고 상온 강도가 아니라, 구체적인 슬래그, 용철 온도, 제철 공정 및 유지보수 주기 하에서 재료가 저침투성, 저산화성, 안정적인 고온 강도 및 제어 가능한 마모 속도를 장기간 유지할 수 있는지 여부입니다.

핵심 참고 문헌

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