KR20030007078A - 내화 노즐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 야금 용기의 벽에 배치하기 위한 내화 노즐, 구체적으로는 용강용 내화 노즐에 관한 것이다. 이 내화 노즐은 상ㆍ하단이 있는 개방 통로와, 이 개방 통로의 측면을 둘러싸고 고체 전해질 재료로 구성된 내벽을 포함하며, 이 개방 통로의 반대측인 고체 전해질 재료의 외측면에 하나 이상의 전극이 통전되게 배치된 접속 라인을 구비하며, 이 고체 전해질 재료의 외측면과 전극을 단열 재료가 적어도 부분적으로 둘러싸는 구성에 있어서, 상기 하나 이상의 전극은 1400℃ 이상의 융점을 가진 금속 및/또는 상기 금속의 1종 이상의 산화물을 주성분으로 하는 것을 특징으로 한다.

Description

내화 노즐{REFRACTORY NOZZLE}
본 발명은 야금 용기의 벽에 배치하기 위한 내화 노즐로서, 상ㆍ하단이 있는 개방 통로와, 이 개방 통로의 측면을 둘러싸고 고체 전해질 재료로 구성된 내벽을 포함하며, 이 개방 통로의 반대측인 고체 전해질 재료의 외측면에 하나 이상의 전극이 통전되게 배치된 접속 라인을 구비하며, 이 고체 전해질 재료의 외측면과 전극을 단열 재료가 적어도 부분적으로 둘러싸는, 특히 용강용 내화 노즐에 관한 것이다.
이러한 노즐은 미국 특허 제4,850,572호로부터 알려져 있다. 이 특허 문헌에는 노즐을 통과하는 물질이 노즐의 내벽면에 부착하는 것을 방지하는 전기 화학적 방법이 기술되어 있다.
일본 특허 공개 소화 62-104655호로부터 다른 내화 노즐 구조가 공지되어 있는데, 이 노즐에서는 개방 통로의 내벽이 고체 전해질 층을 구비하고, 이 전해질 층은 흑연으로 구성된 외부 전극과 접촉하고 있다. 이 외부 전극은 절연 재료로 둘러싸여 있다.
일본 특허 공개 소화 57-085659호로부터 유사한 노즐이 알려져 있다.
또한, 용금용 내화 노즐을 가열하는 것도 알려져 있다. 미국 특허 제3,722,821호에는 열기계적 텐션에 반작용하고 노즐 내벽 표면을 통과하는 물질이 응고하는 것을 방지하기 위해 노즐의 내벽 둘레에 저항 히터가 배치되어 있는 것이 개시되어 있다.
본 발명은 공지의 해결책을 개선하고 고도로 신뢰성이 있는 노즐을 제공하는 내화 노즐을 제조하는 것을 과제로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 내화 노즐의 관통 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 통로
2 : 내벽
3, 4 : 전극
3', 4' : 크롬 층
6 : 절연 재료
7 : 히터
8 : 케이싱
9 : 링
본 발명에 따르면, 이 과제는 하나 이상의 전극이 1400℃ 이상의 융점을 가진 금속 및/또는 상기 금속의 1종 이상의 산화물을 주성분으로 함으로써 해결된다. 이러한 전극은 안정하기 때문에, 이 전극을 갖춘 내화 노즐은 신뢰성과 안정성이 높고 가격이 저렴하다. 상기 하나 이상의 전극은 강, 크롬 또는 Cr2O를 주성분으로 하여 제조하는 경우 특히 유리하다.
고체 전해질 재료와 전극 사이에 적어도 부분적으로 크롬 층을 배치하는 것이 유리하며, 이 경우 이 크롬 층은 두께가 약 50㎛인 것이 바람직하다. 상기 전극의 금속의 산화물은 1400℃의 온도에서 전도율이 10-2Ω-1㎝-1이상이어야 한다. 공지된 구리 전극을 적절한 고체 전해질 재료에 접촉시켜 사용하기가 어렵고, 공지된 흑연 전극 재료는 쉽게 산화하여 일산화탄소 또는 이산화탄소를 형성하며, 이는 노즐을 열화시키는 원인이 될 수 있다. 또한, 이것은 크롬을 이용함으로써 해결되는데, 크롬은 산화하더라도 해롭지 않고, 또 Cr2O3은 전기 전도성을 가지기 때문이다. 이러한 구성은 장기간에 걸쳐 전기 저항이 낮다. Cr2O3은 지르코니아(지르코늄 이산화물)와 혼합될 수 있다.
또한, 금속 인레이(inlay), 구체적으로는 와이어 망을 고체 전해질 재료의 반대측인 전극의 측면에 배치하는 것도 유용하다. 적어도 2개의 전극을 개방 통로의 방향으로 연달아 설치하고, 전극이 환형, 관형 또는 나선형의 형태로 고체 전해질 재료를 둘러싸는 것이 바람직하다. 다른 장점은 전기 절연 재료를 개방 통로의 단부들과 하나 이상의 전극 사이에 배치되는 것이다. 내화 노즐의 절연 재료는, 예컨대 알루미나, 지르코니아 또는 멀라이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이어도 좋고, 구체적으로는 약 37 wt% 지르코늄 이산화물와 63wt% 멀라이트로 이루어진 지르코늄 이산화물-멀라이트이어도 좋다.
절연 재료의 상면에서 고체 전해질 재료를 둘러싸는 바람직하게는 소결된 지르코늄 이산화물-멀라이트 링이 테두리를 형성하고, 이에 따라 지르코늄 이산화물-멀라이트 링은 개방된 통로의 상단부에 배치될 수 있고, 이 지르코늄 이산화물-멀라이트 링과 고체 전해질 재료 사이에는 시멘트(cement)가 배치될 수 있다. 이 시멘트는 예컨대 알루미늄 산화물 계열일 수 있다. 가열 중에 노즐의 중심 방향으로 텐션을 발생시켜 장치의 강도를 향상시키기 위해서는, 열팽창률이 큰 시멘트를 지르코니아-멀라이트 링 및/또는 고체 전해질 재료로 이용하는 것이 유리하다. 이 경우, 시멘트는 장치의 강도를 증가시키는 체결 링의 기능을 한다.
히터, 바람직하게는 저항 히터가 고체 전해질 재료의 외측면을 적어도 부분적으로 둘러싸고, 전극을 둘러싸는 것이 유리하다. 이 히터는 노즐을 예열하여 신속한 온도 변화로 인한 재료의 열화 및 텐션을 방지할 수 있다. 이 히터는 고체 전해질 재료의 외측면에, 바람직하게는 단열 재료 속에 환형, 관형 또는 나선형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 히터는 탄소 또는 흑연으로 구성될 수 있고, 몰리브덴 등의 고융점 금속, 실리콘 탄화물 등의 탄화물, 또는 Cr2O3등의 산화물로 제조될 수 있다. 고체 전해질 재료로서 지르코니아를 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 고체 전해질 재료로 이루어진 내벽은 밀도가 5.2 g/㎤ 이상이고, 실리카의 함량이 1.5 wt% 이하인 것이 유리하고, 또한 소결되는 것이 바람직하다.
일례를 도면에 따라 설명한다. 이 도면은 내화 노즐의 관통 단면을 보여준다.
노즐에는 내벽(2)이 지르코니아로 구성된 개방 통로(1)가 형성되어 있다. 이 개방 통로(1)는 그것의 직경이 상부 개구를 향해 연속적으로 증가한다. 지르코니아의 외측면에는 2개의 환형 전극(3, 4)이 서로 정렬되어 있으며, 이 경우 내벽과 전극(3, 4) 사이에는 두께가 약 50 ㎛인 크롬층(3', 4')이 상기 고체 전해질 재료 표면에 적어도 부분적으로 제공된다. 전극(3, 4) 또는 크롬층(3', 4')은 크롬 분말로 형성될 수 있다. 또한, 전극(3, 4)은 강으로 형성될 수도 있고, 크롬층(3', 4')의 재료는 지르코니아와 혼합될 수 있고 압축되어야 한다. 이 전극(3, 4)에서 외측으로 접속 라인 또는 접촉 전극(5)이 연장한다. 전극은 전기 절연 재료(6)로, 즉 지르코니아-멀라이트로 둘러싸여 있으며, 이 재료 속에 히터(7)가 매설된다. 노즐의 외측면은 금속 케이싱(8)으로 둘러싸인다. 이 케이싱은 상측부(8a)와 하측부(8b)로 이루어진다. 상측부(8a)의 상부 영역에 있는 지르코니아-멀라이트로 구성된 링(9)이 노즐의 외장체로서 역할을 한다. 알루미늄 산화물 계열의 시멘트(10)가 지르코니아-멀라이트로 구성된 링(9)과 지르코니아로 구성된 내벽(2) 사이에 배치된다.
본 발명에 따른 내화 노즐의 경우, 전극이 1400℃ 이상의 융점을 가진 금속 및/또는 상기 금속의 1종 이상의 산화물을 주성분으로 하므로 안정하다. 따라서, 본 발명의 내화 노즐은 신뢰성과 안정성이 높고 가격이 저렴하다.

Claims (27)

  1. 상ㆍ하단이 있는 개방 통로와, 이 개방 통로의 측면을 둘러싸는 고체 전해질 재료로 구성된 내벽을 포함하며, 이 개방 통로의 반대측인 고체 전해질 재료의 외측면에 하나 이상의 전극이 통전되게 배치된 접속 라인을 구비하며, 이 고체 전해질 재료의 외측면과 전극을 단열 재료가 적어도 부분적으로 둘러싸는, 야금 용기의 벽에 배치하기 위한 내화 노즐에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극은 1400℃ 이상의 융점을 가진 금속 및/또는 상기 금속의 1종 이상의 산화물을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 전극(3, 4)은 강, 크롬 및 크롬 산화물 중 하나 이상을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 고체 전해질 재료로 구성된 내벽(2)과 상기 전극(3, 4) 사이에는 두께가 약 50㎛인 크롬층(3', 4')이 상기 고체 전해질 재료 표면에 적어도 부분적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 고체 전해질 재료에 대해 반대측인 상기 전극(3, 4)의 측면에는 금속 외장체가 제공되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 금속 외장체는 와이어 망인 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 전극(3, 4) 중 2개 이상은 상기 개방 통로(1)의 방향으로 연달아 설치되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  7. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 전극(3, 4)은 환형, 관형 또는 나선형으로 상기 고체 전해질 재료를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  8. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 개방 통로(1)의 단부들과 상기 하나 이상의 전극(3, 4) 사이에는 1종 이상의 전기 절연 재료(6)가 배치되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 전기 절연 재료(6)는 알루미나, 지르코니아 및 멀라이트 중 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 전기 절연 재료(6)는 지르코늄 이산화물 멀라이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 지르코늄 이산화물 멀라이트는 지르코늄 이산화물37 wt%와 멀라이트 63 wt%로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 전기 절연 재료(6)는 그 상부 측면에서 상기 고체 전해질 재료를 둘러싸는 소결된 지르코늄 이산화물 멀라이트 링(9)에 의해 테두리가 형성되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 지르코늄 이산화물 멀라이트 링(9)은 상기 개방 통로(1)의 상단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 지르코늄 이산화물 멀라이트 링(9)과 상기 고체 전해질 재료 사이에는 시멘트(10)가 배치되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 시멘트(10)는 알루미늄 산화물 계열인 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 시멘트(10)의 절대 열 팽창률은 상기 지르코늄 이산화물 멀라이트 링(9) 및/또는 상기 고체 전해질 재료의 그것보다 더 높은 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  17. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 내벽(2)의 고체 전해질 재료의 외측면은 히터(7)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 히터(7)는 저항 가열 수단인 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 저항 가열 수단은 상기 전극(3, 4)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  20. 청구항 17에 있어서, 상기 히터(7)는 상기 고체 전해질 재료의 외측면 둘레에 환형, 관형 또는 나선형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  21. 청구항 17에 있어서, 상기 히터(7)는 상기 전기 절연 재료(6) 속에 배치되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  22. 청구항 17에 있어서, 상기 히터(7)는 탄소 또는 흑연, 고융점 금속, 탄화물 또는 산화물, 이들 재료 중 2종 이상의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 고융점 금속은 몰리브덴인 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 탄화물은 실리콘 탄화물인 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  25. 청구항 22에 있어서, 상기 산화물은 Cr2O3인 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  26. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 내벽(2)의 고체 전해질 재료는 지르코늄 이산화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 내벽(2)의 고체 전해질 재료는 밀도가 5.2 g/㎤ 이상이고, 실리콘 함량이 1.5 wt% 이하이고, 소결되는 것을 특징으로 하는 내화 노즐.
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