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WO2017204379A1 - 파이프 및 이의 제조방법 - Google Patents

파이프 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2017204379A1
WO2017204379A1 PCT/KR2016/005542 KR2016005542W WO2017204379A1 WO 2017204379 A1 WO2017204379 A1 WO 2017204379A1 KR 2016005542 W KR2016005542 W KR 2016005542W WO 2017204379 A1 WO2017204379 A1 WO 2017204379A1
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WO
WIPO (PCT)
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slag
pipe
weight
temperature
composition
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2016/005542
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English (en)
French (fr)
Inventor
윤희수
윤미정
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dong Do Basalt Ind Co ltd
Original Assignee
Dong Do Basalt Ind Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Dong Do Basalt Ind Co ltd filed Critical Dong Do Basalt Ind Co ltd
Priority to PCT/KR2016/005542 priority Critical patent/WO2017204379A1/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/02—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/10—Accessories for centrifugal casting apparatus, e.g. moulds, linings therefor, means for feeding molten metal, cleansing moulds, removing castings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/12—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L9/00—Rigid pipes
    • F16L9/02—Rigid pipes of metal

Definitions

  • the present invention relates to a pipe and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for producing a pipe having excellent wear resistance and corrosion resistance by utilizing slag generated in various processes of an ironworks and industrial by-products generated in a thermal power plant. will be.
  • the steel industry consumes a large amount of raw materials and energy to produce steel and goes through complex connection production systems such as raw materials, steelmaking, steelmaking, and rolling. These by-products and waste account for 65% of the main product steel. About 80% of the solid by-products and wastes are slag, and the remainder is by-products from thermal power plants. These industrial by-products have a high iron content, which can be used as a resource.
  • steel slag of 100 to 500 kg is generated in the process of producing one ton of steel.
  • ferronickel (Fe-Ni) slag is generated in excess of 1 million tons per year (expected to generate 2 million tons per year in future facility expansion), and fly ash, an industrial by-product, is estimated at 1.3 million tons per year based on Hadong thermal power plant. ton) error occurs.
  • the slag generated in this way is dumped in the yard and cooled and solidified in the air with a large amount of waterproofing.
  • the solidified slag mass is recycled as cement raw materials or landfilled according to market conditions.
  • high value-added or the creation of the use as a raw material is not well.
  • Basalt pipe
  • Basalt pipe
  • Basalt pipe
  • Basalt is a granite type of basalt melted at a high temperature of more than 1280 °C, cast into a pipe-shaped product through centrifugal casting, through a cooling pattern It is produced by recrystallization.
  • Basalt pipes are used in transport pipelines such as air pressure and water pressure in industries such as steel mills, power plants, and gas plants because of their excellent wear resistance and corrosion resistance.
  • the present invention provides a pipe and a method for manufacturing the same, which can replace the basalt pipe by increasing the strength and wear resistance by utilizing various slag and industrial by-products.
  • the present invention suppresses or prevents the use of basalt which is a natural ore, and provides a pipe having a crystalline phase of a fluorine system, that is, an augite and enstatite crystal phase and a method of manufacturing the same.
  • the present invention provides a pipe and a method of manufacturing the same that can reduce the cost of waste by treating by-products.
  • Pipe according to an embodiment of the present invention is a pipe, the pipe body is produced by mixing three kinds of slag and one industrial by-product generated in the steel production process, the pipe body is 45 to 55% by weight of silicon dioxide (SiO 2), Main components of 10 to 15 wt% iron oxide (Fe2O3), 10 to 15 wt% aluminum oxide (Al2O3), 8 to 13 wt% calcium oxide (CaO) and 10 to 15 wt% magnesium oxide (MgO) And other unavoidably mixed impurities.
  • SiO 2 silicon dioxide
  • Fe2O3 iron oxide
  • Al2O3 aluminum oxide
  • CaO calcium oxide
  • MgO magnesium oxide
  • the slag includes ferronickel slag, Tallinn slag and converter slag, and the industrial by-products may comprise fly ash.
  • the ratio of the ferronickel slag, the Tallinn slag, the converter slag and the fly ash is in weight percent, 33 to 38 weight percent, 5 to 10 weight percent, 15 to 20 weight percent, and 35 to 45 weight percent, respectively. Can be combined.
  • the pipe body may comprise a crystalline phase of a fluorine system.
  • the pipe body may comprise an augite or enstatite crystalline phase.
  • Pipe manufacturing method the process of preparing three kinds of slag and one industrial by-products generated during the production process of steel, the process of measuring the slag and the by-products and controlling the composition ratio, the slag and the by-products It includes the step of blending, the process of melting the composition, the process of insulating the melt, the process of centrifugal casting the melt in the form of a pipe and the process of heat-treating the molding.
  • the slag includes ferronickel slag, Tallinn slag, converter slag, the by-products include fly ash, the composition may be used in combination with the ferronickel slag, the Tallinn slag, the converter slag and the fly ash. .
  • the process of controlling the composition ratio is 45 to 55% by weight of silicon dioxide (SiO2), 10 to 15% by weight of iron oxide (Fe2O3), 10 to 15% by weight of aluminum oxide (Al2O3), 8 to 13% by weight of calcium It may be controlled to contain an oxide (CaO) and 10 to 15% by weight of magnesium oxide (MgO).
  • the process of insulating the melt may be performed in the range of 1150 to 1250 °C.
  • the centrifugal casting process may be performed by injecting the melt into a mold and preheating the mold before injecting the melt.
  • the preheating temperature range of the mold may be 300 to 400 ° C.
  • the centrifugal casting process may include the step of cooling the inside of the mold during the casting of the melt.
  • the molded article may be taken out from the centrifugal caster in the temperature range of 900 to 1100 °C.
  • the heat treatment process may include an annealing step of maintaining the molding at a crystallization temperature (880 ° C.) or less.
  • the heat treatment process may include a sub annealing step of maintaining the molding at a temperature above the glass transition temperature (710 ° C.) before the annealing step.
  • the molding may be cooled at a rate of 0.5 to 1.0 °C per minute.
  • the annealing temperature is in a range from 100 ° C. lower than the crystallization temperature to the crystallization temperature, and the sub annealing temperature is in a range from 20 ° C. higher than the glass transition temperature to 50 ° C. higher than the glass transition temperature. Can be.
  • the crystal phase ie, augite ( Abrasion and corrosion resistance pipes having augite and enstatite are prepared.
  • FIG. 1 is a flowchart sequentially illustrating a pipe manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating a pipe manufacturing method of FIG. 1.
  • FIG 3 is a view showing a raw material composition ratio and the treatment state of the composition according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the TG-DTA pattern of the pipe composition according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a heat treatment pattern according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a table showing the strength and wear characteristics of the embodiment of the present invention and the conventional pipe.
  • FIG. 7 is a photograph showing a pipe according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a flowchart sequentially illustrating a pipe manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically illustrating a pipe manufacturing method of FIG. 1.
  • 3 is a view showing a raw material composition ratio and the treatment state of the composition according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 (a) is a view showing the composition range of the composition according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 (b) is a view showing the content range of the raw material for constituting the composition
  • Figure 3 (c ) Is a view showing the details of the processing of each step of the pipe manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a graph showing the TG-DTA pattern of the pipe composition according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a graph illustrating a heat treatment pattern according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 6 is a table showing the strength and wear characteristics of the embodiment of the present invention and the conventional pipe.
  • FIG. 7 is a photograph showing a pipe according to an embodiment of the present invention.
  • Pipe (P) is produced by mixing three kinds of slag and one industrial by-product, that is, four kinds of raw materials generated during the production process of steel, made of a pipe body for use in various piping lines do.
  • the composition is prepared by making the slag and industrial by-products in powder form, and blending the raw materials in a set ingredient ratio. This is because the composition ratio of the composition is set so that the pipe to be manufactured has a crystalline phase of a fluorine system, that is, an augite or enstatite crystalline phase.
  • Slag is a substance produced by-product from the manufacture of steel products from natural resources such as iron ore, coal and limestone.
  • the slag used in the embodiment of the present invention is a ferronickel slag (Fe-NiSlag) by-produced in the alloy manufacturing process of iron and nickel, and a delineation process for removing phosphorus (P) contained in the steel and the iron of the converter.
  • Fe-NiSlag ferronickel slag
  • P phosphorus
  • ferronickel slag and converter slag are components that are inevitably contained such as other components or impurities in addition to the main components, such as fluorine (F), phosphorus pentoxide (P 2 O 5 ), chrome ocher (Cr 2 O 3 ), and nickel oxide (NiO). ), Copper oxide (CuO), zinc oxide (ZnO), strontium oxide (SrO), zirconium oxide (ZrO 2 ), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), sulfur (P), carbon (C) and the like. have.
  • Fly ash is a particulate industrial by-product collected by a dust collector of a pulverized coal combustion boiler among coal ashes generated from a coal-fired power plant that burns crushed coal.
  • the main components are SiO 2 , Al 2 O 3 , glassy, and have a spherical particle shape. Fly ash can also be mixed with cement and used as fly ash cement.
  • each slag and fly ash is a major component of the Basalt product: silicon dioxide (SiO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (MgO). ) Main components, and the content of the main component is different depending on the raw materials.
  • composition of the raw materials is important is that the composition of the four raw materials is set so that a pipe having a crystalline phase (i.e., augite or enstatite) of a whitish line similar to that of the Basalt product is produced. This is because the composition ratio of the main elements to be controlled. Thus, the composition ratio of the main elements will be described in detail below.
  • composition manufactured by mix blending ferronickel slag, Tallinn slag, converter slag, and fly ash is demonstrated.
  • the weight ratio of the composition used to prepare the pipe (P) of the present invention is a ratio of ferronickel slag, thallin slag, converter slag and fly ash to the total composition.
  • Compositions are prepared by blending in proportions of 33 to 38 weight percent, 5 to 10 weight percent, 15 to 20 weight percent, and 35 to 45 weight percent, respectively, based on weight.
  • composition ratio of each raw material is 45 to 55% by weight of silicon dioxide (SiO 2 ), 10 to 15% by weight of iron oxide (Fe 2 O 3 ), 10 to 15% by weight of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) %, Calcium oxide (CaO) is 8 to 13% by weight, magnesium oxide (MgO) is contained 10 to 15% by weight.
  • Silicon Dioxide SiO 2
  • silicon dioxide SiO 2
  • the glass contains a large amount of glass to reduce the strength. Therefore, 45 to 55% by weight may be contained.
  • Iron oxide Fe 2 O 3
  • Iron oxide functions as an inoculum for nucleation and affects the strength of the product. In this case, when iron oxide is included in less than 10% by weight, nucleation is insignificant, and if it is included in an amount of more than 15% by weight, cracks may occur in the manufacturing process or after the production. Thus, iron oxide in the total composition of the composition may contain 10 to 15% by weight.
  • Aluminum oxide affects the function of lowering the melting point of the composition and the viscosity when the composition is in the molten state. In this case, when the aluminum oxide is included in less than 10% by weight it is difficult to reduce the melting point of the composition is not easy to melt the composition, if contained in more than 15% by weight the viscosity of the composition rises causing a problem that causes deformation in the product .
  • the aluminum oxide in the total composition of the composition may contain 10 to 15% by weight.
  • Calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (MgO) are included in the composition to adjust the basicity.
  • the calcium oxide is 8 to 8 based on the total weight of the composition controlled to have a crystalline phase similar to that of a conventional basalt pipe. 13% by weight, magnesium oxide may be contained from 10 to 15% by weight.
  • calcium oxide and magnesium oxide may be contained in the said range.
  • the pipe (P) manufactured by mixing four kinds of raw materials to control the composition ratio of the main components shows a crystalline phase of a fluorine system similar to that of the basalt, that is, an augite crystalline and an enstatide crystalline phase.
  • the pipe manufacturing method is the process of preparing three types of slag and industrial by-products generated during the production process of steel, the process of measuring the slag and by-products and controlling the composition ratio, slag And blending the by-products, melting the composition, insulating the melt, centrifugal casting the melt into a pipe shape, and heat-treating the molding.
  • ferronickel slag, Tallinn slag and converter slag generated during the production process of steel, and the moisture contained in the fly ash generated in the thermal power plant to prepare the raw material by drying at 100 °C or more ferronickel slag, Tallinn slag, converter slag and fly ash is prepared in the form of a powder (S100).
  • the ferronickel slag is less than 30mm on average, and slag such as Tallinn slag and converter slag are in the form of agglomerates, and may be prepared to have a powder form by pulverizing to a predetermined particle size (eg, within 5mm) through a grinding process.
  • fly ash is in the form of a powder may not require a special grinding or separation process.
  • the raw material provided in powder form is measured and the composition ratio is controlled (S200). For example, 33 to 38% by weight of the powder of ferronickel slag, 5 to 10% by weight of the powder of Tallinn slag, 15 to 20% by weight of the powder of converter slag, 35 to 35% by weight of the ash ply, based on the weight of the total composition.
  • the raw material is To mix (S300). For example, a total of four types of ferroelectric slag, Tallinn slag, converter slag and fly ash, each prepared in powder form, may be introduced into the kneader and blended in the basic mixing ratio described above.
  • the composition is charged into the melting furnace, and after the temperature of the melting furnace is raised to the complete melting temperature of the composition, the composition is completely melted (S400). At this time, the composition is charged to the melting furnace 100 heated to a temperature of 200 °C or more, the melting furnace 100 is heated to 1400 °C or more for complete melting to completely melt the composition and homogenize.
  • the outflow may be based on the melting point of the raw materials constituting the composition to determine the complete melting temperature.
  • the melting point of ferronickel slag is 1410 ° C
  • the melting point of Tallinn slag is 1350 ° C
  • the melting point of converter slag is 1380 ° C
  • the melting point of fly ash is 1385 ° C. Therefore, in the embodiment of the present invention, all four kinds of raw materials were set at a temperature of 1400 ° C. or higher capable of completely melting.
  • the process of warming before tapping the melt is performed (S500).
  • the melt may be insulated in the thermal furnace 200 having a size of a predetermined capacity maintained in the temperature range of 1150 to 1250 °C.
  • This warming temperature range is an optimal condition in which iron oxide (Fe 2 O 3) in the melt can act as a nucleation site, and the warming temperature is in the above range because it is easy to crystallize to the inside and the surface of the pipe.
  • the melt is introduced into a casting machine having a shape to be manufactured to centrifugally cast the pipe (S600).
  • the melt may be directly tapped from the thermal furnace 200, or introduced into the centrifugal casting machine 400 using the simple ladle 300 in the middle of the thermal furnace 200 and the mold 400.
  • the centrifugal casting method may be manufactured in a pipe shape by extruding the melt introduced by using any one of casting methods such as true centrifugal casting, semicentrifugal casting, and centrifuging.
  • the centrifugal casting method makes a pipe using inertial force by rotation, and injects molten metal into a cylindrical mold rotating at high speed so that the melt is uniformly adhered to the inner surface of the cylinder by centrifugal force to become a hollow hollow casting.
  • the rotational speed of the centrifugal casting may have a range of 600 to 700 rpm so that thermal deformation does not occur depending on the thickness of the pipe.
  • the mold (mold) of the centrifugal casting machine 400 has a cylindrical tube shape for casting the pipe (P), the inside is made of a refractory to withstand high temperature melt, the outside is made of a metal material such as cast iron Can be.
  • the mold and the inlet of the mold may be preheated to 300 to 400 ° C., and then the melt may be injected. This is because glass may be formed on the surface of the pipe due to the difference between the temperature of the melt flowing into the mold and the surface temperature of the mold and the inlet, thereby reducing the strength and wear resistance of the pipe.
  • the inside of the tubular mold may be cooled in order to prevent or prevent the pipe crack and the flow of the inner and outer surfaces due to the temperature difference between the melt and the mold itself.
  • various methods may be used for cooling the mold, and for example, the inner surface of the mold may be uniformly cooled by spraying water or gas with a porous injection nozzle.
  • the molding when the molding reaches the desired shape may be included to separate the molding from the centrifugal casting mold in the range of 900 to 1100 °C to prevent cracking and dripping of the pipe.
  • the molding is subjected to a heat treatment process in the heat treatment furnace (S700).
  • the heat treatment process may include an annealing step of maintaining at a temperature below the crystallization temperature of the molding. It may also include a sub annealing step that maintains the molding at a temperature above the glass transition temperature prior to the annealing step.
  • the holding time of the annealing or sub annealing is proportional to the thickness of the molding, and after the heat treatment, the molding is cooled at a rate of 0.5 to 1.0 ⁇ per minute.
  • the annealing temperature is in the range from 100 ° C. lower than the crystallization temperature to the crystallization temperature, and the sub annealing temperature is in the range from the glass transition temperature to the temperature 20 to 50 ° C. higher than the glass transition temperature.
  • the annealing is carried out above the crystallization temperature, there may be a problem that the strength of the product is weak due to the excessive growth of the crystal.
  • the possibility of a large amount of glass formed in the tissue increases, which may weaken the strength of the product.
  • the Fusion-CAST method may be used as the heat treatment method of the annealing step
  • the glass ceramics method may be used as the heat treatment method of the sub annealing step and the annealing step.
  • thermal analysis was performed as shown in FIG.
  • Thermal analysis was performed on TG (thermorgravimetre) and DTA (differential thermeral analylsis). That is, the glass transition temperature and the crystallization temperature as shown in FIG. 4 can be observed while observing the temporal change in temperature while measuring the temperature of the composition.
  • the glass transition temperature of the composition is around 710 ° C. and the crystallization temperature is around 880 ° C.
  • the glass transition temperature refers to the center of the temperature range where an amorphous solid changes from a soft state, such as glass, to a viscous state, and the crystallization temperature (Tc) is the peak at which the rate at which crystals are formed is maximum. It means the temperature at the pole.
  • FIG. 5 a graph of each of the glass ceramics method and the Fusion-CAST method is shown.
  • Fusion-CAST method is a heat treatment process in which the fully melted melt and molds of various shapes are held together at a temperature below the crystallization temperature in a heat treatment furnace for 1 to 6 hours and then cooled to 200 ° C. at 0.5 to 1 ° C. or less per minute. Proceed.
  • a heat treatment process is cooled to 200 °C to 0.5 to 1 °C or less per minute. It does not have a sub annealing temperature, the heat treatment process proceeds only at the annealing temperature.
  • the fully melted melt and the molds of various shapes are held together for 1 hour at a glass transition temperature or higher in a heat treatment furnace, and then again heated to a temperature below the crystallization temperature, and maintained for 1 to 6 hours, and then 0.5 to 1 per minute.
  • the heat treatment process is cooled to 200 ° C. or below.
  • the temperature is again raised to a temperature of 780 °C and maintained for 1 to 6 hours, it can be proceeded to a heat treatment process is cooled to 200 °C to 0.5 to 1 °C or less per minute. That is, the heat treatment process proceeds to the sub annealing temperature and the annealing temperature.
  • the time maintained at a temperature near the crystallization temperature is proportional to the thickness of the pipe to be manufactured.
  • the retention time can be determined as about 3 hours for a thickness of 20 mm.
  • the pipe is taken out of the heat treatment furnace 500 at a temperature of 100 ° C or less. This is preferably taken out below the temperature in order to prevent or prevent the pipe property from changing due to a sudden temperature change.
  • the pipe can then be surface finished with a diamond grinder. Referring to Figure 6, it can be seen a table comparing the compressive strength and wear rate of the final production pipe and the conventional Basalte pipe.
  • the compressive strength means the maximum compressive stress that can be tolerated without breaking the material.
  • the Basalt pipe has a compressive strength of 300 MPa and the wear rate is close to 1.0%.
  • the compressive strength of the pipe (P) according to an embodiment of the present invention shows a compressive strength of 300 to 450 MPa, the wear rate represents a value of 0.5 to 1.0%.
  • the pipe P of FIG. 7 fabricated using slag and fly ash exhibits a similar or higher compressive strength as that of a conventional apelalt pipe and a wear rate similar to or lower than that of a bazaar pipe. It replaces pipes and can be used in applications requiring higher compressive strength than conventional tiles.
  • Pipe and pipe manufacturing method by using the ferronickel slag, Tallinn slag and converter slag generated in the steel production process and fly ash, which is an industrial by-product of the fluorite system similar to the composition of the conventional bazaar pipe It can have a crystalline phase and can replace the basalt pipe.
  • basalt which is a natural ore conventionally used in the fabrication of basalt pipes, and to reduce the burden on the raw materials of imported high strength pipes.

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Abstract

본 발명은 파이프 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종과 산업 부산물 1종이 배합되어 제조되며, 파이프 몸체는 45 내지 55 중량%의 이산화규소(SiO2), 10 내지 15 중량%의 철 산화물(Fe2O3), 10 내지 15 중량%의 산화알루미늄(Al2O3), 8 내지 13 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 10 내지 15 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)의 주요 성분 및 기타 불가피하게 섞인 불순물을 함유하고, 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종 및 산업 부산물 1종을 마련하는 과정과, 슬래그와 부산물을 측량하고 조성비를 제어하는 과정, 슬래그와 부산물을 배합하는 과정, 조성물을 용융하는 과정, 용융물을 보온하는 과정, 용융물을 파이프 형상으로 원심 주조하는 과정 및 성형물을 열처리하는 과정을 통해 내마모성 및 내식성이 우수한 파이프를 제조할 수 있다.

Description

파이프 및 이의 제조방법
본 발명은 파이프 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제철소의 다양한 공정에서 발생하는 슬래그와 화력발전소에서 발생하는 산업 부산물을 활용하여 내마모성 및 내식성이 우수한 파이프를 제조할 수 있는 제조 방법에 관한 것이다.
제철산업은 대량의 원료와 에너지를 소비하여 철강을 생산하는 것과 더불어 원료, 제선, 제강, 압연 등의 복잡한 연결생산체제를 거치면서, 여러 가지 종류의 부산물과 폐기물을 다량 발생시키고 있다. 이들 부산물과 폐기물은 양적으로 주제품인 철강의 65%에 이르고 있다. 이중 고체상태의 부산물과 폐기물의 약 80% 정도가 슬래그(Slag)이고, 나머지는 화력 발전소에서 부산물이 발생하는데 이와 같은 산업 부산물에는 유용한 철분함량이 높아 대부분 자원으로서의 활용이 가능하다.
통상적으로, 철강재 1톤을 생산하는 과정에서 100 내지 500kg의 제강 슬래그(slag)가 발생된다. 예컨대 페로니켈(Fe-Ni) 슬래그(slag)는 년간 100만톤이 넘게 발생하고(향후 설비 증설시, 년간 200만 톤 발생 예상), 산업부산물인 플라이 애쉬는 하동 화력발전소 기준으로 년간 130만 톤(ton) 이상이 발생한다. 이와 같이 발생된 슬래그(slag)는 야드에 덤핑되어 대량의 방수와 함께 대기 중에서 냉각되어 응고된다. 응고된 슬래그 덩어리는 시멘트 원료 등으로 재활용되거나, 시장상황에 따라 매립되어 처리된다. 그러나, 고부가화 또는 소재로서의 용도창출은 잘 되지 않는 실정이다.
한편, 내마모성이 우수한 고강도의 파이프는 바잘트(Basalt) 파이프가 사용되고, 이는 화강암의 일종인 현무암을 1280℃ 이상의 고온에서 용융시킨 뒤, 원심 주조를 통해 파이프 형상 제품으로 주조한 뒤, 냉각패턴을 통해재결정화하여 제작된다. 이와 같은 바잘트(Basalt) 파이프는 내마모성 및 내식성이 우수하여 제철소, 발전소, Gas 공장 등과 같은 산업체에서 기압, 수압 등의 이송 파이프 라인에 사용된다.
그러나, 현재 국내에서 판매되고 있는 바잘트 제품은 전량 체코, 중국 등으로부터 고가로 수입하고, 배관 라인에 모르타르 등을 사용하여 내부 표면 처리만 실시한 후 판매되고 있다.
이에, 고가의 제품을 대체하기 위해 강 제조 공정에서 발생하는 슬래그 및 산업부산물을 활용하여 파이프를 제조하는 방법에 대한 연구가 요구된다.
본 발명은 각종 슬래그 및 산업 부산물을 활용하여 강도 및 내마모성을 증가시켜 바잘트 파이프를 대체할 수 있는 파이프 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 천연광석인 현무암의 사용을 억제하거나 방지하며, 휘석 계통의 결정상 즉, 아우가이트(augite)와 엔스타타이트(enstatite) 결정상을 갖는 파이프 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 부산물을 처리량을 감소시켜 폐기물 처리에 소모되는 비용을 감소시킬 수 있는 파이프 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 파이프는 파이프로서, 파이프 몸체는 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종과 산업 부산물 1종이 배합되어 제조되며, 상기 파이프 몸체는 45 내지 55 중량%의 이산화규소(SiO2), 10 내지 15 중량%의 철 산화물(Fe2O3), 10 내지 15 중량%의 산화알루미늄(Al2O3), 8 내지 13 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 10내지 15 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)의 주요 성분 및 기타 불가피하게 섞인 불순물을 함유한다.
상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그 및 전로 슬래그를 포함하고, 상기 산업 부산물은 플라이 애쉬를 포함할 수 있다.
상기 페로니켈 슬래그, 상기 탈린 슬래그, 상기 전로 슬래그 및 상기 플라이 애쉬의 비율은 중량%로, 각각 33내지 38 중량%, 5 내지 10 중량%, 15 내지 20 중량%, 35 내지 45 중량%의 비율로 배합될 수 있다.
상기 파이프 몸체는 휘석 계통의 결정질 상을 포함할 수 있다.
상기 파이프 몸체는 아우가이트(augite) 또는 엔스타타이트(enstatite) 결정질 상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 파이프 제조 방법은, 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종 및 산업 부산물 1종을 마련하는 과정, 상기 슬래그와 상기 부산물을 측량하고 조성비를 제어하는 과정, 상기 슬래그와 상기 부산물을 배합하는 과정, 조성물을 용융하는 과정, 용융물을 보온하는 과정, 용융물을 파이프 형상으로 원심 주조하는 과정 및 성형물을 열처리하는 과정을 포함한다.
상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그, 전로 슬래그를 포함하고, 상기 부산물은 플라이 애쉬를 포함하며, 상기 조성물은 상기 페로니켈 슬래그, 상기 탈린 슬래그, 상기 전로 슬래그 및 상기 플라이 애쉬를 배합하여 사용할 수 있다.
상기 조성비를 제어하는 과정은 45 내지 55 중량%의 이산화규소(SiO2), 10 내지 15 중량%의 철 산화물(Fe2O3), 10 내지 15 중량%의 산화알루미늄(Al2O3), 8 내지 13 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 10 내지 15 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 함유하도록 제어할 수 있다.
상기 용융물을 보온하는 과정은 1150 내지 1250℃의 범위에서 수행될 수 있다.
상기 원심 주조 과정은, 상기 용융물을 몰드에 주입하여 수행되고, 상기 용융물을 주입하기 전 상기 몰드를 예열하는 과정을 수행할 수 있다.
상기 몰드의 예열온도 범위는 300 내지 400℃일 수 있다.
상기 원심 주조 과정에서, 상기 용융물의 주조 진행 중에 상기 몰드 내부를 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 성형물을 900 내지 1100℃의 온도 범위에서 원심주조기로부터 취출할 수 있다.
상기 열처리 과정은 상기 성형물을 결정화 온도(880℃) 이하에서 유지하는 어닐링 단계를 포함할 수 있다.
상기 열처리 과정은 어닐링 단계 전에 상기 성형물을 유리 천이 온도(710℃) 이상의 온도에서 유지하는 서브 어닐링 단계를 포함할 수 있다.
상기 열처리 과정 이후에 상기 성형물을 냉각하는 과정을 수행하고, 상기 성형물은 분당 0.5 내지 1.0℃의 속도로 냉각할 수 있다.
상기 어닐링 온도는 상기 결정화 온도보다 100℃ 낮은 온도에서부터 상기 결정화 온도까지의 범위 내이며, 상기 서브 어닐링 온도는 상기 유리 천이 온도보다 20℃ 높은 온도에서부터 상기 유리 천이 온도보다 50℃ 높은 온도 까지의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 파이프 및 이의 제조 방법에 의하면, 강 생산 공정에서 발생하는 슬래그 및 화력 발전소의 산업 부산물을 이용하여 종래의 바잘트 파이프의 조성과 유사한 휘석 계통의 결정상(즉, 아우가이트(augite) 와 엔스타타이트(enstatite))을 갖는 내마모성 및 내식성이 우수한 파이프를 제조한다.
이에, 종래의 바잘트 파이프를 제조하기 위해 사용되는 현무암의 사용을 억제하거나 방지하여 천연광석인 현무암을 보호할 수 있고, 수입되는 바잘트 파이프의 원자재 가격 부담도 감소시킬 수 있다.
또한, 각종 슬래그 및 산업 부산물을 종래에 매립 용도, 시멘트 원료 등으로 사용하는 것 이외에 각종 배관 라인에 사용되는 파이프로 제작하여 확대 적용할 수 있어, 년간 100만톤 이상 매립되는 각종 슬래그와 산업 부산물을 활용하여 부가가치가 높은 고수익성의 신규 용도 창출이 가능하다.
각종 슬래그 및 산업 부산물을 폐기 또는 매립하기 위한 비용을 절약할 수 있으며, 슬래그의 생산량이 풍부하기 때문에 내마모성 및 내식성이 우수한 파이프을 낮은 가격으로 대량생산이 가능하다. 또한, 유해 물질을 방출하지 않아 인체에 무해하며, 휘발성의 물질이 없어, 친환경적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파이프 제조 방법을 차례대로 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 파이프 제조 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원료 조성비 및 조성물의 처리 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 파이프 조성물의 TG-DTA 패턴을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 패턴을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 및 종래의 파이프의 강도 및 마모 특성을 나타낸 표이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 파이프를 나타내는 사진이다.
발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를“포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구송요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파이프 제조 방법을 차례대로 나타내는 순서도이다. 도 2는 도 1의 파이프 제조 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원료 조성비 및 조성물의 처리 상태를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 조성물의 구성성분 범위를 나타내는 도면이며, 도 3의 (b)는 조성물을 구성하기 위한 원료의 함량 범위를 나타내는 도면이며, 도 3의 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 파이프 제조 방법의 단계 각각의 세부 처리 내용을 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 파이프 조성물의 TG-DTA 패턴을 도시한 그래프이다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 패턴을 도시한 그래프이다. 도 6은 본 발명의 실시 예 및 종래의 파이프의 강도 및 마모 특성을 나타낸 표이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 파이프를 나타내는 사진이다.
본 발명의 실시 예에 따른 파이프(P)는 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종과 산업 부산물 1종, 즉, 4종의 원료가 배합되어 제작되며, 각종 배관 라인에 사용되기 위한 파이프 몸체로 제작된다. 여기서, 조성물은 슬래그 및 산업 부산물을 분말 형태로 만들고, 설정된 성분비로 원료를 배합하여 제조된다. 이는 조성물의 조성비를 제조되는 파이프가 휘석 계통의 결정질의 상 즉, 아우가이트(augite) 또는 엔스타타이트(enstatite) 결정질의 상을 갖도록 설정하기 때문이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 타일 및 이의 제조 방법에 대한 설명에 앞서, 타일을 제작하기 위해 조성물로 사용되는 원료(슬래그 및 플라이 애쉬)에 대해 간략하게 설명하기로 한다.
슬래그(Slag)
슬래그는 철광석, 석탄, 석회석 등의 천연자원으로부터 철강 제품을 제조하면서 부산물을 생성된 물질이다. 본 발명의 실시 예에 사용되는 슬래그는 철과 니켈의 합금 제조 공정에서 부생되는 페로니켈 슬래그(Fe-NiSlag)와, 강에 함유된 인(P)을 제거하기 위한 탈린 공정 및 전로의 쇳물을 강철로 정련하는 제강공정에서 부생되는 전로 슬래그로 총 3종의 슬래그가 사용된다.
이때, 페로니켈 슬래그 및 전로 슬래그는 주요 성분 이외에 기타 성분 혹은 불순물 등 불가피하게 함유되는 성분으로 플루오르(F), 오산화인(P2O5), 크롬오커(Cr2O3), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화아연(ZnO), 산화스트론튬(SrO), 산화지르코늄(ZrO2), 오산화니오(Nb2O5), 황(P), 탄소(C) 등을 포함할 수 있다.
플라이 애쉬(Fly ash)
플라이 애쉬는 삭탄을 연소하는 화력발전소 등에서 발생하는 석탄재 중 미분탄 연소 보일러의 집진기로 포집되는 입자상의 산업 부산물로서, 주성분은 SiO2, Al2O3, 유리질이며 구형에 가까운 입자형상을 갖는다. 플라이 애쉬는 시멘트에 혼합하여 플라이 애쉬 시멘트로서도 사용될 수 있다.
다음은 표 1을 참조하여 각종 슬래그 및 산업 부산물과 바잘트 제품의 주요 화학 조성을 예시적으로 설명한다.
표 1
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표 1에 표현된 바와 같이 페로니켈 슬래그, 전로 슬래그, 탈린 슬래그 및 플라이 애쉬의 주요 화학 조성과 바잘트 제품의 화학 조성은 각 성분의 함유량에 차이가 있을 뿐, 각 구성 성분이 유사한 것을 확인할 수 있다. 즉, 각 슬래그 및 플라이 애쉬는 바잘트 제품의 주요 성분인 이산화규소(SiO2), 철 산화물(Fe2O3), 알루미늄 산화물(Al2O3), 칼슘 산화물(CaO) 및 마그네슘 산화물(MgO)의 주요 성분을 포함하며, 상기 원료에 따라 주요 성분의 함유량에 차이가 있다.
상기 원료들의 조성이 중요한 이유로는, 바잘트 제품의 조성과 유사한 휘석 계통의 결정질 상(즉, 아우가이트또는 엔스타타이트)을 갖는 파이프가 제조되도록, 4종의 원료의 배합비를 설정하여 조성물을 구성하는 주요 원소의 조성비를 제어하여야 하기 때문이다. 이에, 상기 주요 원소의 조성비에 대해서는 하기에서 자세하게 설명하기로 한다.
다음으로 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그, 전로 슬래그 및 플라이 애쉬를 배합하여 제조되는 조성물에 관해 설명한다.
본 발명의 파이프(P) 제조에 사용되는 조성물의 중량비는, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 것처럼, 페로니켈 슬래그와, 탈린슬래그, 전로 슬래그 및 플라이 애쉬의 비율이 전체 조성물의 중량을 기준으로, 각각 33 내지 38 중량%, 5 내지 10 중량%, 15 내지 20 중량%, 35 내지 45 중량%의 비율로 배합하여 조성물을 제조한다.
각 원료가 배합된 조성물의 성분비는 이산화규소(SiO2)가 45 내지 55 중량%, 철 산화물(Fe2O3)이 10 내지 15 중량%, 산화알루미늄(Al2O3)이 10 내지 15 중량%, 칼슘 산화물(CaO)이 8 내지 13 중량%, 마그네슘 산화물(MgO)이10 내지 15 중량%을 함유한다.
이하에서는 전술한 성분의 함량 범위에 대한 의미를 설명하기로 한다.
이산화 규소(SiO2)
이산화 규소(SiO2)는 45 중량% 미만으로 포함되면, 열처리 과정 혹은 열처리 후 최종 제품 파이프에서 크랙이 발생하고, 55 중량%를 초과하여 포함되면, 제품에 유리질이 다량 함유되어 강도가 저하된다. 따라서, 45 내지55 중량%이 함유될 수 있다.
철 산화물(Fe2O3)
철 산화물은(Fe2O3)은 핵생성을 위한 접종제로서 기능을 하며, 제품의 강도에 영향을 미친다. 이때, 철 산화물이 10 중량% 미만으로 포함되면 핵생성이 미미하고, 15 중량% 초과하여 포함되면, 제조과정 혹은 제조 후 제품에 크랙이 발생할 수 있다. 이에, 조성물의 전체 조성 중 철 산화물은 10 내지 15 중량%이 함유될 수 있다.
산화알루미늄(Al2O3)
산화알루미늄(Al2O3)은 조성물의 용융점을 낮추는 기능과 조성물이 용융 상태일 때 점도에 영향을 미친다. 이때, 산화알루미늄이 10 중량% 미만으로 포함되면 조성물의 용융점을 감소시키는 것이 어려워 조성물 용융이 용이하지 않고, 15 중량% 초과하여 포함되면 조성물의 점도가 상승하여 제품에 변형이 야기되는 문제점이 발생한다.
따라서, 조성물의 전체 조성 중 산화알루미늄은 10 내지 15 중량%이 함유될 수 있다.
칼슘 산화물(CaO), 마그네슘 산화물(MgO)
칼슘 산화물(CaO)과 마그네슘 산화물(MgO)은 조성물에 포함되어 염기도를 조정하는 것으로서, 본 발명에서는 종래의 바잘트 파이프와 유사한 결정상을 갖도록 제어된 조성물의 전체 중량을 기준으로, 칼슘 산화물은 8 내지 13 중량%, 마그네슘 산화물은 10 내지 15 중량%를 함유하도록 할 수 있다. 이때, 칼슘 산화물과 마그네슘 산화물의 함량 범위가 상기 범위를 초과하는 경우에는 상기 조성물을 갖고 제작되는 파이프(P)에 크랙이 발생하거나 파괴되고, 변형이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 칼슘 산화물과 마그네슘 산화물은 상기 범위로 함유될 수 있다.
전술한 바와 같이 4종의 원료를 배합하여 주요성분의 조성비를 제어하여 제작되는 파이프(P)는 현무암의 조성과 유사한 휘석 계통의 결정질 상, 즉, 아우가이트 결정질 및 엔스타타이드 결정질 상을 나타낸다.
이하에서는, 상기 원료(페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그, 전로 슬래그 및 플라이 애쉬)를 배합하여 제작되는 파이프의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 파이프 제조 방법은 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종과 산업 부산물 1종을 마련하는 과정과, 슬래그와 부산물을 측량하고 조성비를 제어하는 과정, 슬래그와 부산물을 배합하는 과정, 조성물을 용융하는 과정, 용융물을 보온하는 과정, 용융물을 파이프 형상으로 원심 주조하는 과정 및 성형물을 열처리하는 과정을 포함한다.
먼저, 강의 생산 공정 중 발생된 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그 및 전로 슬래그와, 화력 발전소에서 발생하는 플라이 애쉬에 함유된 수분을 100℃ 이상에서 건조시켜 원료를 마련하며, 용융이 용이하도록 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그, 전로 슬래그 및 플라이 애쉬는 분말 형태로 마련한다(S100). 이때, 페로니켈 슬래그는 평균 30㎜ 이하이며, 탈린 슬래그 및 전로 슬래그와 같은 슬래그는 덩어리 상태이기 때문에 분쇄과정을 통해 소정 입도(예: 5㎜ 이내)까지 분쇄하여 분말형태를 가지도록 마련할 수 있다. 한편, 플라이 애쉬는 분말 형태로 되어 있어 특별한 분쇄나 분리 과정은 요구되지 않을 수 있다.
다음, 분말 형태로 마련된 원료를 측정하고 조성비를 제어한다(S200). 예컨대, 전체 조성물의 중량을 기준으로 페로니켈 슬래그의 분말이 33 내지 38 중량%, 탈린 슬래그의 분말이 5 내지 10 중량%, 전로 슬래그의 분말이 15내지 20 중량%, 애쉬 플라이의 분말이 35 내지 45 중량%를 갖도록 준비하며, 동시에 5종의 주요 성분(이산화 규소, 철 산화물, 산화알루미늄, 칼슘 산화물, 마그네슘 산화물)이 전술한 조성비(도 3의 (a))를 갖도록 제어한후, 원료를 배합한다(S300). 예컨대, 분말 형태로 각각 마련된 페로니컬 슬래그, 탈린 슬래그, 전로 슬래그와 플라이 애쉬 총 4종을 혼련기 내부로 투입하여 위에서 설명한 기본 배합비율로 배합할 수 있다.
배합된 조성물이 마련되면, 조성물은 용융로에 장입되고, 조성물의 완전 용융 온도까지 용융로의 온도를 승온시킨 후, 조성물을 완전 용융 시킨다(S400). 이때, 조성물은 200℃ 이상의 온도로 가열된 용융로(100)에 장입되고, 완전 용융을 위해 용융로(100)를 1400℃ 이상으로 승온하여 조성물을 완전 용융시켜 균질화한다. 여기서, 완전 용융 온도를 결정하기 위해 조성물을 구성하는 원료의 용융점을 기반으로 유출할 수 있다. 예컨대, 페로니켈 슬래그의 용융점은 1410℃, 탈린 슬래그의 용융점은 1350℃, 전로 슬래그의 용융점은 1380℃ 및 플라이 애쉬의 용융점은 1385℃이다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 4종의 원료 모두를 완전 용융할 수 있는 1400℃ 이상의 온도로 설정하였다.
조성물이 완전 용융되면, 용융물을 출탕하기 전 보온하는 과정이 수행된다(S500). 이때, 용융물은 1150 내지 1250℃의 온도 범위로 유지된 일정 용량의 크기를 갖는 보온로(200)에서 보온할 수 있다. 이와 같은 보온 온도범위는 용융물 내 철 산화물(Fe2O3)이 핵생성 사이트로 작용할 수 있는 최적의 조건이고, 파이프 내부 및 표면까지 결정화시키는데 용이하기 때문에 보온의 온도는 상기 범위가 좋다.
다음으로, 용융물을 제조하고자 하는 형상의 주조기 내로 유입시켜 파이프를 원심 주조한다(S600). 이때, 용융물은 보온로(200)에서 직접 출탕되거나, 보온로(200)와 몰드(400) 중간에 간이 래들(300)을 이용하여 원심 주조기(400)로 유입될 수 있다.
이때, 원심 주조 방법은 진원주조법(True centrifugal casting), 반원심주조법(Semicentrifugal casting) 및 센트리퓨징(Centrifuging) 등과 같은 주조 방법 중 어느 하나를 사용하여 유입된 용융물을 압출하여 파이프 형상으로 제작할 수 있다. 즉, 원심 주조 법은 회전에 의한 관성력을 이용하여 파이프를 제작하며, 고속으로 회전하는 원통형의 몰드에 용융 금속을 주입하여 원심력에 의해 용융물이 원통 내면에 균일하게 붙어 속이 빈 중공의 주물이 되도록 한다. 이에, 원심 주조의 회전 속도는 파이프의 두께에 따라 열변형이 일어나지 않도록 600내지 700 rpm의 범위를 가질 수 있다. 이때, 원심 주조기(400)의 몰드(mold)는 파이프(P)를 주조하기 위한 원통형 튜브 형상을 가지며, 내부는 고온의 용융물에 견딜 수 있는 내화물로 이루어지고, 외부는 주철과 같은 금속재질로 마련될 수 있다.
한편, 몰드 내로 완전 용융된 용융물을 주입하기 전에, 몰드 및 몰드의 주입구를 300 내지 400℃로 예열한 뒤, 용융물을 주입할 수 있다. 이는, 몰드 내로 유입되는 용융물의 온도와 몰드 및 주입구의 표면 온도 차이에 의해 파이프의 표면에 유리질이 형성되어 파이프의 강도 및 내마모도를 감소시킬 수 있기 때문이다.
그리고 파이프를 주조하는 과정에서, 용융물의 온도와 몰드 자체의 온도 차이로 인한 파이프의 크랙 및 내외부표면의 흘러내림을 억제 또는 방지하기 위해 튜브형상의 몰드 내부를 냉각하는 단계가 포함될 수 있다. 이때, 몰드를 냉각하는 방법은 다양한 방법이 사용될 수 있고, 예컨대, 다공의 분사노즐을 구비하여 물 또는 가스를 분사하여 몰드의 내부 표면을 균일하게 냉각할 수 있다.
또한, 파이프를 주조하는 과정 중에, 성형물이 원하는 형상에 도달하면 원심 주조 몰드로부터 성형물을 900 내지 1100℃ 범위에서 분리하여 파이프의 크랙 및 흘러내림을 방지하는 단계가 포함될 수 있다.
전술한 과정 이후에, 성형물은 열처리로에서 열처리 과정이 진행된다(S700). 여기서 열처리 과정은 성형물의 결정화 온도 이하의 온도에서 유지하는 어닐링 단계를 포함할 수 있다. 또한, 어닐링 단계 전에 성형물을 유리 천이 온도 이상의 온도에서 유지하는 서브 어닐링 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 어닐링 또는 서브 어닐링의 유지시간은 성형물의 두께에 비례하며, 열처리 후 성형물은 분당 0.5 내지 1.0℃의 속도로 냉각된다.
어닐링 온도는 결정화 온도보다 100℃ 낮은 온도에서 결정화 온도까지의 범위 내이며, 서브 어닐링 온도는 유리천이 온도에서부터 유리 천이 온도보다 20 내지 50℃ 높은 온도까지의 범위 내이다. 이때, 결정화 온도 이상에서 어닐링을 진행할 경우, 결정의 과성장에 의해 제품의 강도가 취약해지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 유리 천이 온도 이하에서 어닐링을 할 경우, 조직에 유리질이 다량 형성될 가능성이 증가하여 제품의 강도가 취약해질 수 있다.
이처럼, 어닐링 단계의 열처리 방법으로 Fusion-CAST 방법이 사용될 수 있고, 서브 어닐링 단계와 어닐링 단계의 열처리 방법으로 Glass ceramics 방법이 사용될 수 있다.
한편, 타일 제조 조성물로 열분석을 도 4와 같이 실험하였다. 열분석법으로 TG(thermorgravimetre)와 DTA(differential thermeral analylsis)을 진행하였다. 즉, 조성물의 온도를 측정하면서 온도의 시간적인 변화를 관찰하며 도 4에 도시된 바와 같은 유리 천이 온도와 결정화 온도를 관찰할 수 있다.
도 4를 참조하면, 예시적으로 조성물의 유리 천이 온도는 710℃ 부근이며, 결정화 온도는 880℃ 부근이다. 유리 천이 온도(유리 전이 온도)는 비정질의 고체가 유리와 같은 무른 상태에서 점성이 있는 상태로 변화하는 온도 영역의 중심을 의미하며, 결정화 온도(Tc)는 결정이 생성되는 속도가 최대가 되는 피크의 극점에서의 온도를 의미한다.
열처리 과정은 도 5 및 도 6을 참조하여 자세히 설명한다. 도 5를 참조하면, Glass ceramics 방법과 Fusion-CAST방법의 각각의 그래프가 도시되어있다.
Fusion-CAST 방법은 완전 용융된 용융물과 각종 형상의 몰드는 함께 열처리로에서 결정화 온도 이하의 온도로 1내지 6시간 동안 유지한 후, 1분당 0.5 내지 1℃ 이하로 200℃까지 냉각되는 열처리 과정으로 진행된다.
일례로, 열처리로에서 780℃ 온도로 1 내지 6시간 유지한 후, 1분당 0.5 내지 1℃ 이하로 200℃까지 냉각되는 열처리 과정으로 진행할 수 있다. 이는 서브 어닐링 온도는 없고, 어닐링 온도만으로 열처리 과정이 진행된다.
Glass ceramics 방법은 완전 용융된 용융물과 각종 형상의 몰드는 함께 열처리로에서 유리 천이 온도 이상에서 1시간을 유지한 후 다시 결정화 온도 이하의 온도로 승온하여 1 내지 6시간 유지 후, 1분당 0.5 내지 1℃ 이하로 200℃까지 냉각되는 열처리 과정으로 진행된다. 일례로, 730 내지 760℃에서 1시간을 유지한 후, 다시 780℃의 온도로 승온하여 1 내지 6시간 유지 후, 1분당 0.5 내지 1℃ 이하로 200℃까지 냉각되는 열처리 과정으로 진행할 수 있다. 즉, 서브 어닐링 온도와 어닐링 온도로 열처리 과정이 진행된다.
여기서, 결정화 온도 부근 온도에서 유지되는 시간은 제작되는 파이프의 두께에 따라 비례한다. 예컨대, 20㎜의 두께의 경우 약 3시간으로 유지 시간을 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이 열처리가 완료되면, 파이프은 100℃ 이하의 온도에서 열처리로(500)로부터 꺼낸다. 이는 급격한 온도변화에 의해 파이프의 물성이 변화하는 것을 억제하거나 방지하기 위해서 상기 온도 이하에서 꺼내는 것이 좋다. 이후, 파이프은 다이아몬드 연마기로 표면가공 할 수 있다. 도 6을 참조하면, 최종 생산된 파이프의 압축강도 및 마모율과 기존의 바잘트 파이프를 비교한 표를 볼 수 있다. 이때, 압축강도는 재료가 파괴되지 않고 견딜 수 있는 최대의 압축 응력을 의미한다.
일반적으로, 바잘트 파이프는 300MPa의 압축강도를 갖고, 마모율은 1.0%에 근사한 값을 나타낸다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 파이프(P)의 압축강도는 300 내지 450 MPa의 압축강도를 보여주고, 마모율은 0.5 내지1.0%의 값을 나타낸다.
이처럼, 슬래그와 플라이 애쉬를 사용하여 제작한 도 7의 파이프(P)는 기존의 바잘트 파이프와 유사하거나 높은 압축강도를 나타내고 마모율 또한 바잘트 파이프와 유사하거나 낮은 마모율을 나타냄으로써, 종래의 바잘트 파이프를 대체하며, 종래의 타일보다 높은 압축강도를 요구로 하는 분야에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 파이프 및 파이프 제조 방법은, 강 생산 공정 중 발생하는 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그 및 전로 슬래그와 산업 부산물인 플라이 애쉬를 이용하여 종래의 바잘트 파이프의 조성과 유사한 휘석 계통의 결정상을 가질 수 있어 바잘트 파이프를 대체할 수 있다.
때문에 종래에 바잘트 파이프의 제작에 사용되는 천연광석인 현무암의 사용을 방지하여 현무암을 보호할 수 있고, 수입되는 고강도 파이프의 원자재 부담도 감소시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 파이프로서,
    파이프 몸체는 45 내지 55 중량%의 이산화규소(SiO2), 10 내지 15 중량%의 철 산화물(Fe2O3), 10 내지 15 중량%의 산화알루미늄(Al2O3), 8 내지 13 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 10 내지 15 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)의 주요 성분 및 기타 불가피하게 섞인 불순물을 함유하며,
    상기 파이프 몸체는 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종과 산업 부산물 1종으로 배합 제조되는 파이프.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그 및 전로 슬래그를 포함하고, 상기 산업 부산물은 플라이 애쉬를 포함하는 파이프.
  3. 청구항 2 에 있어서,
    상기 페로니켈 슬래그, 상기 탈린 슬래그, 상기 전로 슬래그 및 상기 플라이 애쉬의 비율은 중량%로, 각각 33 내지 38 중량%, 5 내지 10 중량%, 15 내지 20 중량%, 35 내지 45 중량%의 비율로 배합되는 파이프.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 파이프 몸체는 휘석 계통의 결정질 상을 포함하는 파이프.
  5. 청구항 4 에 있어서,
    상기 파이프 몸체는 아우가이트(augite) 또는 엔스타타이트(enstatite) 결정질 상을 포함하는 파이프.
  6. 파이프 제조 방법으로서,
    본원발명과 인용발명의 대비45 내지 55 중량%의 이산화규소(SiO2), 10 내지 15 중량%의 철 산화물(Fe2O3), 10내지 15 중량%의 산화알루미늄(Al2O3), 8 내지 13 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 10 내지 15 중량%의 마그네슘산화물(MgO)을 함유하도록 강의 생산 공정 중 발생하는 슬래그 3종 및 산업 부산물 1종을 배합하여 조성물을 마련하는 과정;
    상기 조성물을 용융하는 과정;
    용융물을 보온하는 과정;
    용융물을 파이프 형상으로 원심 주조하는 과정; 및
    성형물을 열처리하는 과정;을 포함하는 파이프 제조 방법.
  7. 청구항 6 에 있어서,
    상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 탈린 슬래그, 전로 슬래그를 포함하고, 상기 부산물은 플라이 애쉬를 포함하며,
    상기 조성물은 상기 페로니켈 슬래그, 상기 탈린 슬래그, 상기 전로 슬래그 및 상기 플라이 애쉬를 배합하여 사용하는 파이프 제조 방법.
  8. 청구항 6 에 있어서,
    상기 용융물을 보온하는 과정은 1150 내지 1250℃의 범위에서 수행되는 파이프 제조 방법.
  9. 청구항 6 에 있어서,
    상기 원심 주조 과정은, 상기 용융물을 몰드에 주입하여 수행되고, 상기 용융물을 주입하기 전 상기 몰드를 예열하는 과정을 수행하는 파이프 제조 방법.
  10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 몰드의 예열온도 범위는 300 내지 400℃인 파이프 제조 방법.
  11. 청구항 9 에 있어서,
    상기 원심 주조 과정에서, 상기 용융물의 주조 진행 중에 상기 몰드 내부를 냉각하는 단계를 포함하는 파이프 제조 방법.
  12. 청구항 6 에 있어서,
    상기 성형물을 900 내지 1100℃의 온도 범위에서 원심주조기로부터 취출하는 파이프 제조 방법.
  13. 청구항 6 에 있어서,
    상기 열처리 과정은 상기 성형물을 결정화 온도(880℃) 이하에서 유지하는 어닐링 단계를 포함하는 파이프 제조 방법.
  14. 청구항 14 에 있어서,
    상기 열처리 과정은 어닐링 단계 전에 상기 성형물을 유리 천이 온도(710℃) 이상의 온도에서 유지하는 서브 어닐링 단계를 포함하는 파이프 제조 방법.
  15. 청구항 13 또는 청구항 14 에 있어서,
    상기 열처리 과정 이후에 상기 성형물을 냉각하는 과정을 수행하고,
    상기 성형물은 분당 0.5 내지 1.0℃의 속도로 냉각하는 파이프 제조 방법.
  16. 청구항 14 에 있어서,
    상기 어닐링 단계의 온도는 상기 결정화 온도보다 100℃ 낮은 온도에서부터 상기 결정화 온도까지의 범위 내이며,
    상기 서브 어닐링 단계의 온도는 상기 유리 천이 온도보다 20℃ 높은 온도에서부터 상기 유리 천이 온도보다 50℃ 높은 온도까지의 범위 내인 파이프 제조 방법.
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