고온에서의 마그카본 내화재 열화반응 연구 = A study of degradation of MgO-C refractory at high temperature

국문 초록 (Abstract)

철강 제조 공정에 널리 사용되는 마그네시아 카본 내화물은 염기성 조업에 있어 필수적인 재료이다. 제강 기술의 발전에 따라 고품질 철강 제품을 생산하기 위하여 마그네시아 카본 내화물은 고온 환경 및 가혹한 조업 조건에서 긴 수명이 요구된다. 마그네시아 카본 내화물은 고온에 노출 시 재료 조직상의 열화 현상이 발생되게 되고, 열화 된 내화재는 슬래그와의 반응에 있어 내침식성에 악영향을 미치게 된다. 그러나, 이러한 고온 열화 현상에 대한 메커니즘과 열화된 내화재의 슬래그 반응에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 MgO-C 내화재의 고온 열화 현상의 열역학적 고찰 및 속도론적 고찰을 통해 메커니즘을 파악하고, 열화 내화재의 슬래그 반응성에 대한 영향을 확인하고자 한다. 실험은 고주파 유도로에서 아르곤 분위기를 만들고, 시간 (30 ~ 150 분)과 온도 (1673K ~ 1973K)에 따라 실험을 진행하였다. 이후, 시편의 온도에 따른 시간별 중량감소량을 확인하여 온도의 영향도를 확인하였고, 이 중 1973K에서 반응 한 시편을 X-ray 컴퓨터 단층 촬영 (CT)으로 분석하였다. 열화된 시편은 CT의 비파괴 분석 방식을 통해 3D 이미지로 내부구조를 재구성하였다. 분석 된 3D 이미지를 바탕으로 반응의 방향이 외부에서 내부 중심방향으로 열화 반응이 진행됨을 확인하였고, 열화된 반응 영역은 C / S 분석방식을 통해 대부분의 탄소가 탈탄되었음을 확인하였다. 이러한 열화 반응은 연속반응으로 고찰하였으며, 이를 Shrinking Core model로 적용하여 일산화탄소 가스와 마그네시아 골재 간의 화학 반응 단계를 율속 단계로 결정했다. 마지막으로, 열화된 내화물을 슬래그 반응실험에 적용하였다. 열화된 내화재의 조직은 카본의 탈탄으로 인해 기존대비 다공성의 조직을 가졌으며, 이는 슬래그의 침투를 용이하게 만들었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the stainless steel and RH process, MgO-C refractories are exposed to harsher high-temperature conditions for producing high-quality steel. In the studies of MgO-C, the mechanism of degradation at high temperature of 1973K is not clear. Therefore, in this study, the mechanism of degradation reaction of MgO-C refractory at high temperature (1973K) was investigated. And the study of slag reaction with degradation refractory was followed. The experiment was conducted at a high-frequency induction by temperature (1673K to 1973K) according to the time (30 to 150 minutes) under Ar atmosphere. The reaction results were considered through thermodynamic calculations. The specimens reacted at 1973K were analyzed by X-ray computed tomography (CT), and the degraded zones were non-destructively measured as a function of time. Based on the analyzed 3D image, the direction of the degradation proceeded from the outside to the inner core, and the degraded reaction zone was analyzed that most of the Carbon was decarburized through the C/S analysis. The degradation reaction was considered as a consecutive reaction, and the chemical reaction step between CO gas and MgO aggregate was determined as a rate controlling step by applying the Shrinking-Core Kinetic Model. Finally, by applying the degraded refractory to slag reaction, the slag easily penetrated by the increased porosity and decarburized carbon due to degradation.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 표 목 차 ⅵ
• 그림목차 ⅶ
• 국문요약 ⅸ
• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 3
• 1.3 연구 내용 4
• 2. 이론적 배경 6
• 2.1 내화물 6
• 2.1.1. 내화물과 철강제조공정 8
• 2.1.2. 염기성 내화물 10
• 2.1.3. MgO-C 내화물 12
• 2.1.3.1 산화 방지제 13
• 2.2. 내화물의 열화 17
• 2.2.1. MgO-C 내화물과 기체의 반응 열화 19
• 2.2.2. MgO-C 내화물과 슬래그의 반응 열화 21
• 3. 실험 방법 24
• 3.1. 온도와 시간에 따른 MgO-C 내화물의 열화 실험 24
• 3.1.1 시편 준비 25
• 3.1.2 고주파 유도 가열 실험 26
• 3.1.3 시뮬레이션을 활용한 실험 설계 27
• 3.1.4 실험 조건 30
• 3.1.5 실험 분석 34
• 3.2. 고온 열화 내화물과 슬래그 침식 실험 31
• 3.2.1 시편 준비 32
• 3.2.2 Fringer Rotation 실험 32
• 3.2.3 실험 조건 34
• 3.2.4 실험 분석 35
• 4. 결과 및 고찰 36
• 4.1 온도별 시간에 따른 MgO-C 내화재의 열화 반응 36
• 4.1.1 온도별 시간에 따른 내화재의 중량 변화 36
• 4.1.2 온도별 열화 반응의 열역학적 해석 38
• 4.2 MgO-C 내화재의 1,973K 고온 열화 반응 42
• 4.2.1. CT 분석을 통한 고온 열화 내화재의 비파괴 해석 42
• 4.2.2. 중량변화에 따른 내부 밀도 및 기공률 변화 44
• 4.2.3. MgO-C 내화재의 고온 열화 반응 거동 47
• 4.2.4. 반응속도론적 해석을 통한 고온 열화 반응 메커니즘 분석 14
• 4.3 고온 열화 내화재의 슬래그 침식 반응 54
• 4.3.1 유동에 따른 열화 내화물의 슬래그 반응 54
• 4.3.2 슬래그 반응 후 내화물이 미치는 슬래그 조성 영향 58
• 5. 결론 60
• 참고문헌 62
• Abstract 67