내화물 평가기술 현황과 발전방향 /배인경

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특집

편집부
등록 2009-10-24 15:07:07
수정 2015-05-06 01:50:05

염기성 내화물의 특성평가 기술

배인경 POSREC R&D센터 연구개발그룹 과장
이지연 POSREC R&D센터 연구개발그룹 연구원

1. 개요
최근 글로벌 금융 위기에 의한 세계 경제 침제와 더불어 원자재 가격 폭등, 저가 외국 제품의 공세로 국내 철강 및 내화물 산업의 경쟁이 더욱더 심화되고 있다. 이러한 대외적인 환경변화의 영향으로 철강회사들은 극한적인 품질관리와 원가절감 그리고 고청정강, 고급강 등의 고부가치강 개발에 사활을 걸고 있다. 그러나 고급강 조업에 따른 급격하고 가혹한 제강 조업의 변화로 인해 내화물에 대한 부하가 증가되고 있고, 이에 따라 고성능/고기능 내화물에 대한 필요성이 더욱 부각되고 있는 실정이다.
이러한 고성능/고기능 내화물 개발을 위해서는 내화물 원료, 배합 및 제조 특성의 향상뿐만 아니라 각 내화물의 사용 특성에 맞는 적절한 분석 기술의 개발도 요구되고 있다. 기존에는 내화물의 검수나 품질 관리 등의 단순한 특성분석에 그쳤다면 미래에는 새로운 분석 기기나 방법을 개발하고, 구조/유동/열역학 해석 등을 통한 시뮬레이션 기술을 도입하여 실제 내화물 사용 특성과 연계한 분석 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 기사에서는 내화물의 평가기술 현황과 발전방향과 관련하여 염기성 내화물의 특성 평가 기술을 소개하고자 한다.

2. 내화물의 분류와 특성
내화물은 여러 가지 방법으로 분류될 수 있다. 사용 원료의 화학적 특성에 의해 산성, 중성, 염기성 내화물로 구분되기도 하고, 형상에 따라 정형, 부정형 내화물로 구분되기도 한다. 또한 고온에서 소결시켜 제조하는 소성 내화물, 소성 없이 저온에서 화학 결합으로 제조하는 불소성 내화물, 전기 용융시켜 주조하는 전주 내화물로 구분하거나, 적용 설비를 기준으로 철강용(제선용, 제강용, 연주용), 시멘트 Rotary Kiln용, 유리 용해로용 내화물 등으로 분리하기도 하며, 그 밖에도 여러 가지로 분류된다.
이처럼 내화물은 다양한 관점에 따라 매우 복잡한 상관관계를 이루고 있으나 통상적으로 요구되는 내화물 고유 특성은 화학적, 물리적, 열적, 기계적 그리고 미세 구조적 특성으로 구별할 수 있으며 세부항목은 그림 1에 나타나 있다.

3. 염기성 내화물의 특성평가 방법
철강산업의 제강 조업 설비나 시멘트 Rotary Kiln 등에 주로 이용되는 염기성 내화물의 특징으로는 고온에서의 내화도가 우수하고, 염기성 Slag에 대한 화학적 침식저항성이 우수하며, 청정강 조업면에서 산중성질 내화물에 비해 강중 개재물(inclusions)면에서 유리한 장점이 있다. 그러나, 높은 열팽창률로 인해 열충격저항성이 떨어지는 단점이 있다.
염기성 내화물로는 불소성 MgO-C 벽돌 및 소성 MgO-Cr 벽돌, 그리고 Kneader재 및 Spray재 등 각종 보수재가 대표적이며, 주요 제강설비에 적용되고 있는 염기성 내화물의 요구 특성과 그 평가 기술은 표 1에 나타내었다. 적용 설비에 따라 내화물의 요구 특성이 다르며, 동일한 설비라도 적용부위에 따라 서로 다른 특성을 요구하기 때문에 기존의 일반적인 평가기술만으로는 한계가 있고, 각 내화물의 실제 사용 환경과 연계한 내화물 특성평가 기술이 필요하다.
(1)화학성분 및 기초물성(부피비중, 기공률, 압축강도) 평가
화학성분은 시약을 이용하여 적정하는 습식분석법과 XRF를 이용하는 기기분석법으로 나눌 수 있으며, 현재는 기기분석이 증가하는 추세이다. 부피비중과 기공률, 압축강도와 같은 기초물성은 KS와 같은 각종 표준을 기준으로 측정하고 있다. 화학성분과 기초물성은 내화물의 대표적인 특성 평가 방법으로 대부분의 내화물 제품의 검수 규격으로 활용되고 있으나, 각 내화물의 사용 특성과 연계하여 표현하기에는 한계가 있다. 따라서, 다음부터는 각종 내화물의 사용 특성과 연계한 분석 방법을 소개하고자 한다.

(2)열팽창률 평가
열팽창률은 상온에서 고온(주로 1500℃)까지 온도에 따른 내화물의 변위를 측정한 것으로 내화물을 축조할 때 고온에서의 팽창대 설정을 위한 기초자료로 사용하거나, 고온에서의 팽창 응력에 의한 기계적 스폴링 개선을 위한 구조 해석의 기초 자료로 이용된다. 또한, 내화물 사용자 입장에서는 안정적인 로체의 운용을 위한 승온 및 냉각속도 설정용 기초자료로 활용되기도 한다. 그러나 내화물 사용 특성과 연계한 보다 정확한 열팽창률 측정을 위해서는 다음과 같은 사항에 대한 검토가 필요하다.
내화물의 열팽창률은 주로 자유팽창을 측정하고 있으나, 내화물은 주변의 내화물이나 외부의 철피에 의해 구속을 받고 있는 상태이므로 일정 하중응력 하에서의 측정이 필요하다. 또한, 주로 1회의 측정으로 분석을 완료하고 있으나, 불소성이나 부정형 내화물과 같이 고온에서 시간에 따른 조직변화가 큰 내화물의 경우 가열-냉각의 반복이나 고온에서의 장시간 유지에 따른 열팽창율의 비교는 필수적이다. 그림 2에 나타난 Dolomite 벽돌과 AGM(alumina graphite magnesia)벽돌의 반복 열팽창 측정 결과와 같이, 초기(1회) 팽창률은 AGM 벽돌이 작으나 2회의 경우엔 오히려 역전되는 결과가 나타나기 때문이다.
(3)열전도도 평가
열전도도는 주로 로체 전열 및 구조해석에 이용되며, 측정방법으로는 그림 3과 같이 열선법과 Laser Flash법 등이 있다. 열선법은 시료내의 열선을 설치하고 전류를 인가하여 열선에 온도가 상승하는 정도에 따라 측정된다. 일반적으로 KS 등에서는 열선법이 규정되어 있으나, MgO-C 벽돌과 같이 전도성 물질인 카본을 함유한 내화물에서는 정확한 측정이 어려운 단점이 있다.
반면에 Laser Flash법의 경우는 시편의 한쪽 면에서 Laser Pulse를 투사하여 가열하고 반대쪽에서 열이 전달되는 속도를 적외선으로 측정하는 방식으로 카본 함유 내화물에도 적용할 수 있는 장점이 있다. 그림 3(b)의 우측 그래프는 Laser Flash법으로 측정한 MgO-C벽돌의 카본 함량 및 온도에 따른 열전도도 측정결과를 나타낸 것으로 비교적 정확한 열전도도 측정이 가능하다.
(4)내식성 평가
내화물의 기본특성이라 할 수 있는 내식성은 주로 회전침식법(Rotary Drum Corrosion Test)을 이용하여 평가하는 것이 일반적이다.
회전침식법은 회전하는 Drum 내부에 설치된 시편 내에 침식제를 투입하고 가스버너로 가열함으로써 침식제를 용융시키고, 용융된 침식제에 의한 내화물의 내식성을 평가하고, 이때 시험온도는 각종 로체의 사용 온도에서 시험을 실시한다. 주로 제강용 내화물의 경우는 1600~1700℃에서 실시한다. 이때 사용되는 침식제로는 Steel, Slag, 각종 Flux 및 제강 부원료 등이 있으며, 각 설비의 조업조건에 따라 사용비를 조정한다.
그림 4(a)는 일반적인 침식 시험을 나타내고 있으며 용융된 Slag와 FeO 및 Steel에 의한 화학적 침식저항성 및 Drum의 회전에 의한 내마모성을 동시에 평가할 수 있다. 그러나 산화 침식에 대한 저항성도 요구되는 불소성 MgO-C과 같은 재질에는 그림 4(b)와 같이 산소나 공기를 불어 넣어 화학침식이나 마모침식 외에 산화침식을 추가로 유도하는 평가 방법도 있다. 이 경우에는 산소나 공기에 의한 냉각 작용으로 열충격저항성까지 같이 평가할 수 있는 장점이 있다.
그 밖에 산소 랜스를 이용할 경우에는 Steel의 산화 발열반응에 의해 2000℃ 이상까지 온도가 상승하므로 고온 발열반응에 의한 침식을 부가하는 평가방법도 사용되고 있다. 우측의 그래프는 위의 두가지 내식성 시험방법의 결과를 나타낸 것으로써, MgO-C 재질은 흑연 함량이 증가할수록 일반 침식시험의 내식성은 좋은 반면에 산화 침식시험에서는 흑연의 고온 산화로 내식성이 역전되는 결과를 보여주기도 한다.
그러나 이러한 내식성 평가법의 문제점은 실로 조업환경을 재현하거나 예측하기에는 한계가 있다는 것이다. 특히 전로와 같이 사용기간이 수개월에 이르는 설비에 사용되는 내화물의 경우, 실제 침식율과 실험실상의 침식율의 차이는 더욱 크게 벌어질 수 있다.
이를 보완하기 위해 신일본제철(NSC)에서는 시편에 반복적인 열 부화를 가한 후에 내식성 시험을 실시함으로써, 내화물 침식시험에 조직 열화 개념을 도입하여 실제 침식율에 근접하는 시험 결과를 얻기도 하였다.
이와 같은 시도는 종래의 내식성 개념인 화학적 침식, 기계적 마모침식 그리고 산화침식에 조직 열화침식의 개념을 추가한 사례라고 하겠다.

(5)열충격저항성 평가
대부분의 내화물은 각종 설비에 설치되어 가열-냉각을 반복하는 특성이 있고, 특히 제강용 내화물의 경우는 더욱 가혹한 가열-냉각을 반복한다. 따라서 내식성과 더불어 열충격저항성 역시 내화물의 주 손상 요인으로 들 수 있다. 열충격저항성의 평가 방법으로는 여러 가지 방법이 제시되고 있고, 크게 직접 평가법과 간접 평가법으로 구별할 수 있는데 전자는 정성적임에 반해 후자의 경우 정량적 평가법이라고 할 수 있다. (표 2 참조)
(a)직접 평가법
내화물에 급격한 열충격을 인가하여 평가하는 방법으로 수냉식과 공냉식으로 구별할 수 있다. 공냉식의 경우는 열충격저항성이 낮은 내화물이나 돌로마이트와 같이 물과 반응하는 내화물에 적용하는 방법으로 가열-공냉을 반복하고, 수냉식의 경우는 여기에 수냉을 추가하여 가열-수냉-공냉을 반복하는 방법으로 자세한 사항은 그림 5에 나타내었다.
직접 평가법에 의한 내화물의 열충격저항성 평가 방법은 열충격을 반복하는 동안 균열이나 박리가 발생하는 최초 시점이나 그 크기로 평가를 하게 되는데 이를 정량적으로 표현하기가 어려운 단점이 있다.(그림 5(c))
(b)간접 평가법
간접 평가법은 표 2의 수식과 같이 열충격저항성은 강도(파괴에너지)에 비례하고 탄성률에 반비례함을 이용하는 방식으로, 내화물의 탄성률 및 강도(파괴에너지)를 측정하여 열충격저항성을 계산한다.
탄성율 측정 방법에는 동적 탄성률과 정적 탄성율로 구분할 수 있다. 그림 6(a)와 같이 동적탄성률은 주로 초음파의 전달속도를 측정하여 평가하며, 그림 6(b)와 같이 정적탄성률은 3점 굽힘강도의 하중-변위 곡선의 기울기를 측정함으로써 평가한다. 또한, 강도나 파괴에너지 개념을 도입하는 평가 방법도 소개되고 있다.
그러나, 내화물은 열충격 뿐만 아니라 구조적 스폴링이나 기계적 응력에 의해서도 균열이나 박리를 야기하기 때문에 다각적인 평가 방법이 필요하다.
그림 7은 회전침식기를 이용하여 구조적 스폴링을 평가하는 예를 나타낸 것이다. 회전침식 시험 중에 용강이나 Slag가 내화물 내부로 침투, 반응하여 변질층이 형성되며, 이곳에 열충격을 반복함으로써 내식성과 함께 구조적 스폴링을 평가할 수도 있다.
4. 맺음말
지금까지 염기성 내화물의 대표적인 평가방법에 대해 소개하였다. 그밖에도 지면에서는 소개하지 못한 다양한 시험 분석 방법들이 있으며, 내화물의 사용 특성과 연계한 평가법 개발을 위한 노력이 지속되고 있다. 또한 구조해석 프로그램을 이용한 내화물의 고온 열응력 해석, 유동 해석 프로그램을 이용한 용강의 유동 및 내화물 마모 해석, 열역학 프로그램을 이용한 내화물-Steel/Slag 반응해석 및 강품질 영향 해석 등에 대한 관심도 높아지고 있다. 이와 더불어 현재 내화물의 평가 방법은 표준화된 규격이 없거나, 각 내화물사 별로도 각기 다른 방법으로 평가하는 경우가 대부분이므로 이를 표준화하는 작업도 활발히 진행 중이다.
향후 이와 같은 내화물 평가 방법의 발전은 내화물 기술의 고성능/고기능화를 이끄는 원동력이 될 것으로 기대된다.