유도 용광로 도가니 선택: 다양한 합금에 적합한 점토-흑연, 탄화규소 및 알루미나
도가니는 유도 용광로의 재조립 주기를 결정하는 소모품입니다. 도가니를 잘못 선택하면 500회 가열마다 재조립해야 하는 것이 아니라 50회 가열마다 재조립해야 합니다. 반대로 제대로 선택하면 수개월 동안 가동할 수 있습니다. 적합한 도가니는 용융하는 합금의 종류, 용광로 크기, 전력 입력, 그리고 작업자의 숙련도에 따라 달라지므로 만능 최적 도가니는 없습니다.
크루시블 결정은 실제로 이런 식으로 이루어집니다.
합금부터 시작하세요.
철과 강철은 탄소 함량과 합금 첨가물에 따라 1150~1600°C에서 녹습니다. 도가니는 최고 온도에 안전 여유를 더한 온도를 견딜 수 있어야 합니다. 도가니 재질의 작업 온도는 최고 용융 온도보다 100~200°C 높아야 합니다.
철강 생산에 사용되는 표준 도가니는 점토-흑연 도가니(또는 점토 결합 흑연 도가니, 등압 압축 점토 흑연 도가니라고도 함)입니다. 점토-흑연 도가니는 흑연(일반적으로 30~50%)과 내화 점토(일반적으로 50~70%)를 혼합하여 압축 또는 다져서 모양을 만든 후 소성합니다. 흑연은 도가니에 열충격 저항성과 윤활성을 부여하고, 점토는 도가니에 강도와 내식성을 부여합니다.
일반적인 1톤 유도 용광로용 점토-흑연 도가니는 벽 두께가 50~80mm, 높이가 800~1000mm, 외경이 600~800mm입니다. 이 도가니는 수냉식 구리 코일 내부에 위치하며, 도가니와 코일 사이에는 내화층(일반적으로 10~30mm 두께의 건조 실리카 모래 또는 세라믹 섬유)이 있습니다.
점토-흑연 도가니는 열충격 저항성이 우수하여 차가운 상태에서 용융된 강철에 바로 가열해도 균열이 생기지 않습니다. 이는 도가니가 매 교대 근무마다 가열과 냉각을 반복해야 하는 유도 용광로 작업에 매우 중요합니다. 단점은 점토-흑연이 용융물에 의해 소모된다는 것입니다. 슬래그의 산화철이 점토의 실리카를 부식시키고, 흑연의 탄소가 용융물에 용해되며, 시간이 지남에 따라 도가니 벽이 얇아집니다. 일반적인 점토-흑연 도가니는 제강용 유도 용광로에서 크기, 출력, 슬래그 처리 방식에 따라 100회에서 300회 정도 사용할 수 있습니다.
고온 합금 및 긴 수명 조건에서는 탄화규소(SiC) 도가니가 좋은 선택이 될 수 있습니다. SiC 도가니는 특히 부식성이 강한 슬래그 환경에서 점토-흑연 도가니보다 내식성이 뛰어납니다. 단점으로는 SiC 도가니가 더 비싸고 취성이 강해 점토-흑연 도가니보다 열충격에 약하다는 점입니다. SiC 도가니는 작동 온도가 낮고 열충격이 덜 심한 구리 및 황동 용융 공정에서 흔히 사용됩니다.
알루미늄과 아연 용융에 사용되는 표준 도가니 재질은 알루미나(Al2O3) 또는 고알루미나 내화물입니다. 알루미늄의 작업 온도는 660~750°C로, 대부분의 내화물 한계보다 훨씬 낮습니다. 문제는 용융 알루미늄이 매우 반응성이 높다는 것입니다. 용융 알루미늄은 실리카 기반 내화물을 부식시켜 실리카를 실리콘으로 환원시키고, 이 실리콘이 용융액에 녹아들어 고실리콘 알루미늄 합금을 생성하고, 도가니를 침식시키며, 용융액을 오염시킵니다.
알루미나 도가니는 용융 알루미늄과 접촉 시 열역학적으로 안정하기 때문에 알루미늄 부식에 강합니다. 단점은 알루미나가 점토-흑연 도가니보다 가격이 비싸고 취성이 있다는 것입니다. 일반적인 알루미늄 용융용 알루미나 도가니는 500회에서 2000회까지 사용할 수 있으며, 동일한 용도의 점토-흑연 도가니보다 훨씬 오래 사용할 수 있습니다.
구리와 황동을 녹일 때는 탄화규소(SiC) 도가니가 표준으로 사용됩니다. SiC는 1000~1300°C의 구리 용융 온도를 견딜 수 있고, 산화구리 슬래그 생성을 억제하며, 유도 가열 과정에서 발생하는 열충격에 대한 저항성이 뛰어납니다. 구리 용융용 SiC 도가니는 300~1000회 정도 사용할 수 있습니다.
귀금속(금, 은, 백금)의 경우, 표준 도가니는 용융 실리카 또는 고순도 알루미나로 만들어집니다. 도가니는 화학적으로 불활성이어야 하고(용융물에 오염되지 않아야 함) 열적으로 안정적이어야 합니다. 비용은 높지만 생산량은 적습니다.
도가니의 모양과 크기도 중요합니다.
유도 용광로 도가니는 일반적으로 원통형이며 바닥은 평평하거나 둥글다. 지름과 높이는 용광로의 크기와 용융 용량에 따라 결정된다. 500kg 용광로의 도가니는 지름이 약 400mm, 높이가 약 600mm이다. 5톤 용광로의 도가니는 지름이 약 900mm, 높이가 약 1500mm이다. 20톤 용광로의 도가니는 지름이 약 1500mm, 높이가 약 2500mm이다.
도가니의 크기에 따라 벽 두께가 달라집니다. 큰 도가니는 용융물의 기계적 하중을 견디기 위해 더 두꺼운 벽이 필요합니다. 작은 도가니는 벽 두께가 30mm 정도일 수 있지만, 큰 도가니는 100mm 정도일 수 있습니다.
도가니 바닥 설계는 매우 중요한 요소입니다. 평평한 바닥은 제조가 용이하지만 모서리 부분에 열응력이 집중됩니다. 둥근 바닥은 응력을 더욱 고르게 분산시켜주므로 대형 도가니나 고출력 작업에 적합합니다. 대부분의 대형 유도 용광로 도가니는 반구형 또는 원뿔형 바닥을 가지고 있습니다.
중형 용광로의 도가니 설치 작업은 4~8시간 정도 소요됩니다.
설치 작업은 코일과 보조 내화재를 청소하는 것으로 시작됩니다. 이전 도가니에서 남은 금속, 슬래그 또는 잔해물을 모두 제거해야 합니다. 그런 다음 새로운 보조 내화재를 설치하는데, 일반적으로 건조된 규사층을 다져 넣거나 미리 성형된 세라믹 섬유판을 사용합니다.
그다음 도가니를 용광로 안으로 내립니다. 도가니는 코일과 동심원을 이루어야 합니다. 도가니가 정렬되지 않으면 전자기적 결합이 고르지 않게 되고, 과열 지점이 발생하며, 수명이 단축될 수 있습니다. 고정 장치를 사용하여 도가니를 중앙에 맞춘 후, 도가니와 지지대 사이의 틈을 모래나 세라믹 섬유로 채웁니다.
새로운 도가니는 첫 번째 용융 전에 소결(굽기) 과정을 거칩니다. 소결 과정은 온도를 4~8시간에 걸쳐 800~1000°C까지 천천히 올리면서 수분을 제거하고 도가니를 안정화시킵니다. 소결 후 첫 번째 용융물을 넣고 도가니를 사용하기 시작합니다.
새 도가니는 처음 10~20회 가열 동안 주의해서 다뤄야 합니다. 차가운 용융물이 뜨거운 도가니에 닿을 때 발생하는 열충격으로 인해 아무리 잘 설치된 도가니라도 균열이 생길 수 있습니다. 일반적으로 작업자는 도가니 용량의 50~70%만 첫 번째 가열에 투입하여 녹인 후 부어 넣고 나서야 전체 용량을 채웁니다. 이러한 '길들이기' 과정을 통해 도가니가 안정화되고 수명이 연장됩니다.
도가니 고장 유형은 실제 운영에서 발생하는 현실입니다.
가장 흔한 고장 원인은 도가니 벽 두께 감소입니다. 슬래그와 용융액이 도가니 벽을 침식하여 벽이 얇아지고 결국 파손됩니다. 작업자는 도가니 벽이 더 이상 용융액과 코일 냉각을 차단하지 못하게 되면서 용융액 온도가 점차 불안정해지는 것을 관찰하게 됩니다. 해결책은 새로운 도가니로 용광로 내부를 재시공하는 것입니다.
두 번째로 흔한 고장 원인은 균열입니다. 열 충격(저온 장입, 정전 또는 슬래그 침투)으로 인해 도가니 벽에 균열이 생깁니다. 균열은 작을 수도 있고(관통하지 않는 미세한 균열) 클 수도 있습니다(용융물이 코일로 새어 들어가는 관통 균열). 작은 균열은 몇 번의 가열 공정 동안은 문제가 없을 수 있지만, 큰 균열은 비상 상황이므로 용광로를 기울이고 용융물을 붓고 즉시 가동을 중단해야 합니다.
세 번째 고장 유형은 금속 침투입니다. 용융 금속이 도가니의 기공으로 스며들어 용융 금속과 코일 사이에 금속 다리를 형성합니다. 그 결과 도가니를 통해 전류가 흐르게 되고, 도가니가 고르게 가열되지 않아 고장이 가속화됩니다. 금속 침투는 일반적으로 내화재의 불량, 도가니의 불완전한 소결 또는 초기 가열 시 과도한 전력 사용으로 인해 발생합니다.
저자: MONTE INTELLIGENCE 유도 용광로 엔지니어링 팀. 도가니 선정 및 수명 주기 연구 관련 문의는 helenxu@cnlymonte.com으로 연락주시기 바랍니다.
