KR100419779B1 - Fabrication method of silicon carbide ceramics filter with high strength for dust collection - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집진용 탄화규소 세라믹스 필터를 제조하는 방법에 있어서, 고강도의 특성을 가지는 집진용 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method for producing a silicon carbide ceramic filter for dust collection, the method of producing a silicon carbide ceramic filter for dust collection.

본 발명에 따르면, 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 있어서, 탄화규소 세라믹스 분말과 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 소결조제와 1.0~5.0wt%의 성형보조제와 0.1~5.0wt%의 알칼리계 원소의 화합물과 0.5~5.0wt%의 분산제 및 5.0~15.0wt%의 물을 혼합하여 숙성시키는 단계와, 숙성된 원료를 가압하여 필터의 형태로 성형하는 단계와, 성형된 필터를 가열하여 소결하는 단계를 포함하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법이 제공된다.According to the present invention, in the method of manufacturing a high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, 1.0 to 15.0 wt% of a sintering aid based on the mass of the silicon carbide ceramic powder and the silicon carbide ceramic powder is 100 wt%, based on 100 wt%, respectively. And aging by mixing 1.0-5.0 wt% molding aid, 0.1-5.0 wt% alkali compound, 0.5-5.0 wt% dispersant and 5.0-15.0 wt% water, and pressing the mature raw material. There is provided a method for producing a high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, comprising the steps of forming into a filter, and heating and sintering the molded filter.

Description

집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법{Fabrication method of silicon carbide ceramics filter with high strength for dust collection}Fabrication method of silicon carbide ceramics filter with high strength for dust collection}

본 발명은 탄화규소 세라믹스 필터를 제조하는 방법에 관한 것이며, 특히, 알칼리 및 알칼리토류 화합물을 첨가하여 고강도의 특성을 가지는 탄화규소 세라믹스 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a silicon carbide ceramics filter, and more particularly, to a method for producing a silicon carbide ceramics filter having high strength by adding alkali and alkaline earth compounds.

일반적으로 다공성 필터에 있어서 연소배가스의 원활한 흐름을 형성하기 위해서는 필터의 기공분율이 높고 기공크기가 커서 압력손실이 적어야 하지만, 기공의 분율이 증가하면 필터 자체의 밀도가 저하하게 된다. 따라서 필터의 강도가 저하하여 이런 필터를 장착하여 사용될 때에 열충격 및 기계적 충격에 의해 쉽게 파손되는 단점이 있다.In general, in order to form a smooth flow of combustion exhaust gas in a porous filter, the pore fraction of the filter is high and the pore size is large, so that the pressure loss must be small. However, as the pore fraction increases, the density of the filter itself decreases. Therefore, there is a disadvantage that the strength of the filter is lowered and easily broken by thermal shock and mechanical shock when the filter is used.

이와 같이, 필터의 집진성능과 강도의 특성은 상호 상반되는 관계를 가지고 있기 때문에 필터의 기계적 특성을 향상시키는 데에는 상호 한계가 있다.As described above, since the dust collecting performance and the strength characteristics of the filter have a mutually opposite relationship, there is a mutual limit in improving the mechanical characteristics of the filter.

한편 이런 필터의 한 종류로서, 탄화규소 세라믹스는 고온특성, 내식성, 내마모성, 내열충격성 등의 우수한 특성으로 인하여 다공성 필터, 각종 용도의 내화물, 열교환기의 파이프용 소재, 기타 공업용 소재로 널리 사용되고 있는 소재이지만, 일반적으로 그 융점이 높고 공유결합성이 높아 통상적으로 그 자체로만 소결하기에는 다소 어려움이 따른다. 따라서, 이런 세라믹스를 다공성필터로 사용하기 위해서는 주로 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 점토(clay) 등의 각종 산화물과, 산질화규소(Si2ON2)를 비롯한 질화물 및, 보론(B) 또는 카본(C) 등의 비산화물계 원료를 소결조제로서 첨가하여 세라믹스 입자들이 상호 결합된 탄화규소 세라믹스 필터를 제조한다.On the other hand, as one kind of filter, silicon carbide ceramics is widely used as porous filter, refractory for various applications, pipe material of heat exchanger, and other industrial materials due to its excellent properties such as high temperature characteristics, corrosion resistance, abrasion resistance, and thermal shock resistance. In general, however, its melting point is high and its covalent bond is high, so that it is usually difficult to sinter only by itself. Therefore, in order to use such ceramics as a porous filter, various oxides such as alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ) and clay, and nitrides including silicon oxynitride (Si 2 ON 2 ) and boron Non-oxide-based raw materials such as (B) or carbon (C) are added as a sintering aid to produce a silicon carbide ceramic filter in which ceramic particles are bonded to each other.

세라믹스 입자에 알루미나, 실리카 등의 산화물 및, 보론 또는 카본 등의 비산화물계 원료가 첨가되는 경우에는 상대적으로 특성이 높은 장점은 있으나 원료의 가격이 비싸고 입자들의 결합을 형성하기 위해서는 높은 소결온도가 요구되므로 비경제적이라는 단점이 있다.When oxides such as alumina and silica and non-oxide materials such as boron or carbon are added to the ceramic particles, the characteristics are relatively high, but the raw material is expensive and high sintering temperature is required to form a bond of particles. Therefore, there is a disadvantage of being uneconomical.

그리고, 점토와 같은 산화물이 첨가된 필터의 경우에는 입자들의 결합이 쉽게 일어나고 점토의 가격이 낮으며 낮은 소결온도에서도 소결이 가능함으로써, 경제적이라는 장점이 있으나, 내열충격성, 내부식성, 강도 등의 열적ㆍ기계적 특성치가 다른 소결조제에 비하여 상대적으로 낮은 단점이 있었다.And, in the case of an oxide-added filter such as clay, the bonding of particles easily occurs, the price of clay is low, and sintering is possible at a low sintering temperature, but it is economical, but thermal shock resistance, corrosion resistance, strength, etc. ㆍ The mechanical characteristics were relatively low compared to other sintering aids.

따라서, 점토 결합방법에 의한 특성을 향상시키기 위해서 섬유(fiber)등을 첨가하여 필터의 특성을 높이는 방법이 있으나, 이런 섬유로 사용되는 유리섬유 등은 인체에 유해하고 제조과정이 복잡하며 제조단가가 높아지는 단점이 있다.Therefore, in order to improve the characteristics by the clay bonding method, there is a method of increasing the characteristics of the filter by adding fibers, etc., but the glass fibers used as such fibers are harmful to the human body, the manufacturing process is complicated, and the manufacturing cost is high. There is a disadvantage that increases.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 탄화규소 세라믹스 필터를 제작하는 방법에서 기존의 세라믹스 입자에 점토 및 기타 첨가제를 첨가하여 고강도의 특성을 가지는 탄화규소 세라믹스 필터 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention is provided to solve the problems of the prior art as described above, in the method for producing a silicon carbide ceramic filter, the method of manufacturing a silicon carbide ceramic filter having a high strength characteristics by adding clay and other additives to the existing ceramic particles. The purpose is to provide.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법으로 제조된 필터의 50배 확대된 사진이고,1 is a 50 times magnified photograph of a filter manufactured by a method of manufacturing a high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection according to an embodiment of the present invention,

도 2는 도 1에 도시된 필터를 1000배 확대한 확대사진이며,FIG. 2 is an enlarged photograph 1000 times the filter illustrated in FIG. 1;

도 3은 도 1에 도시된 필터와 비교하기 위해 비교대상이 되는 탄화규소 세라믹스 필터의 사진으로 50배 확대된 사진이다.FIG. 3 is a photograph enlarged 50 times as a photograph of a silicon carbide ceramic filter to be compared to compare with the filter illustrated in FIG. 1.

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 있어서, 탄화규소 세라믹스 분말과 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 소결조제와 1.0~5.0wt%의 성형보조제와 0.1~5.0wt%의 알칼리계 원소의 화합물과 0.5~5.0wt%의 분산제 및 5.0~15.0wt%의 물을 혼합하여 숙성시키는 단계와, 숙성된 원료를 가압하여 필터의 형태로 성형하는 단계와, 성형된 필터를 가열하여 소결하는 단계를 포함하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법이 제공된다.According to the present invention for achieving the object as described above, in the method of manufacturing a high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, the mass of the silicon carbide ceramic powder and the silicon carbide ceramic powder with respect to the 100wt% based on 100wt% Aged by mixing 1.0 ~ 15.0wt% sintering aid, 1.0 ~ 5.0wt% molding aid, 0.1 ~ 5.0wt% alkali element compound, 0.5 ~ 5.0wt% dispersant and 5.0 ~ 15.0wt% water There is provided a method of manufacturing a high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, comprising the steps of: pressing the aged raw material to form a filter, and heating and sintering the molded filter.

또한, 본 발명의 상기 알칼리계 원소의 화합물은 알칼리 원소의 산화물, 알칼리 원소의 질화물, 알칼리 원소의 탄산화합물, 혹은 알칼리토류 원소의 산화물, 알칼리토류 원소의 질화물, 알칼리토류 원소의 탄산화합물 중에 어느 하나이며, 상기 소결소제는 점토다.The compound of the alkaline element of the present invention may be any one of an oxide of an alkali element, a nitride of an alkali element, a carbonate compound of an alkali element, an oxide of an alkaline earth element, a nitride of an alkaline earth element, and a carbonate compound of an alkaline earth element. And the sintered plasticizer is clay.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 성형하는 단계에서의 숙성된 원료는 정수압 성형방식에 의해 100~800kg/cm2의 성형압력으로 가압되어 성형된다.In addition, according to the present invention, the mature material in the forming step is molded by pressing at a molding pressure of 100 ~ 800kg / cm 2 by the hydrostatic pressure molding method.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 소결단계에서는 성형된 필터를 상온에서 건조하는 제 1 단계와, 1000~1800℃의 온도로 소결하는 제 2 단계를 포함한다.Further, according to the present invention, the sintering step includes a first step of drying the molded filter at room temperature, and a second step of sintering at a temperature of 1000 ~ 1800 ℃.

또한, 본 발명에 따르면, 1000~1800℃의 온도로 소결하는 단계에서는 성형된 필터 내에 포함된 유기물을 제거하기 위해 상온에서 800℃까지는 1.5℃/min의 속도로 승온한 후에 800℃에서 6시간 유지하는 1차 소결단계와, 800℃에서 1400℃까지 4℃/min의 속도로 승온한 후에 1400℃에서 10시간 유지하는 2차 소결단계를 포함하며, 상기 2차 소결단계를 거쳐 소결된 필터를 1400℃에서 5℃/min의 속도로 냉각시킨다.In addition, according to the present invention, in the step of sintering at a temperature of 1000 ~ 1800 ℃ in order to remove the organic matter contained in the molded filter at room temperature from 800 ℃ to 800 ℃ at a rate of 1.5 ℃ / min and then maintained at 800 ℃ 6 hours After the first sintering step and a second sintering step of maintaining the temperature at a rate of 4 ℃ / min from 800 ℃ to 1400 ℃ 4 ℃ / 10 hours at 1400 ℃ 10, the filter sintered through the secondary sintering step 1400 Cool at 5 ° C / min at ° C.

이하에서는 본 발명의 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기 이전에 본 발명의 요지 및 목적에 대하여 설명하겠다.Hereinafter, the gist and purpose of the present invention will be described before explaining in detail the method of manufacturing the high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection of the present invention.

필터의 원료는 주원료인 탄화규소 세라믹스 분말과, 소결조제인 점토와, 알칼리계 원소 화합물로 이루어지며, 여기에서 알칼리계 원소 화합물은 알칼리 원소의 산화물, 알칼리 원소의 질화물, 알칼리 원소의 탄산화합물, 혹은 알칼리토류 원소의 산화물, 알칼리토류 원소의 질화물, 알칼리토류 원소의 탄산화합물 중에 어느 하나이다. 이들을 혼합 시에 유기결합제와 분산제 등의 유기첨가제를 보조적으로 첨가하여 혼합하고 성형하여 필터 성형체를 만든다. 그리고, 열처리를 통해 필터 성형체를 탈지하고 상기 유기첨가제를 제거한 후에 보다 고온에서 소결하여 고강도의 필터를 제조한다.The raw material of the filter is composed of silicon carbide ceramic powder as a main raw material, clay as a sintering aid, and an alkaline element compound, wherein the alkali element compound is an oxide of an alkali element, a nitride of an alkali element, a carbonate compound of an alkali element, or Any one of an oxide of an alkaline earth element, a nitride of an alkaline earth element, and a carbonate compound of an alkaline earth element. At the time of mixing, organic additives such as an organic binder and a dispersant may be added, mixed, and molded to form a filter molded body. Then, the filter molded body is degreased through heat treatment, and the organic additive is removed, followed by sintering at a higher temperature to produce a filter of high strength.

본 발명은 상기와 같이, 제조된 소결된 필터의 강도 특성을 보다 높게 발현되도록 하기 위해 필터의 구성원소들의 최적 조합비를 설정하여 경제적인 원료를 사용하면서도 소결이 쉽게 이루어지고 그 특성도 우수한 탄화규소 세라믹스 필터를 얻기 위함이다.As described above, in order to express the strength characteristics of the manufactured sintered filter higher, silicon carbide ceramics are easily sintered and have excellent characteristics even by using an economical raw material by setting an optimum combination ratio of the elements of the filter. To get a filter.

아래에서는 본 발명에 따른 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법의 양호한 실시예를 상세히 설명하겠다.Hereinafter, a preferred embodiment of a method of manufacturing a high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection according to the present invention will be described in detail.

먼저, 필터 원료의 주성분이 되는 탄화규소 세라믹스 분말에 점토를 첨가한다. 이 때 점토는 탄화규소 세라믹스 분말입자들 사이의 결합력을 증가시키기 위해 첨가하는 것이며, 이런 점토의 첨가량은 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량에 대해 1.0~15.0wt%를 첨가 혼합한다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 탄화규소 세라믹스 필터는 소결조제로 사용되는 점토가 1.0wt% 미만으로 첨가되는 경우에 탄화규소의 입자간 결합이 약화되어, 필터로 사용하기에 부적합한 강도를 갖는다. 그리고, 탄화규소 세라믹스 필터는 점토가 15.0wt% 초과로 첨가되는 경우에 첨가되는 비율이 높아지더라도 그 강도가 크게 향상되지 않으며, 기공의 크기도 감소됨으로 필터의 기능이 제대로 발휘되지 못한다.First, clay is added to the silicon carbide ceramic powder which is a main component of the filter raw material. At this time, the clay is added to increase the bonding force between the silicon carbide ceramic powder particles, the amount of the clay is added by mixing 1.0 ~ 15.0wt% with respect to the mass of the silicon carbide ceramic powder. That is, the silicon carbide ceramics filter according to one embodiment of the present invention has weak strength between particles of silicon carbide when the clay used as the sintering aid is added to less than 1.0 wt%, thereby having an unsuitable strength for use as a filter. . In addition, the silicon carbide ceramics filter does not significantly improve its strength even when the proportion of clay is added in excess of 15.0 wt%, and the pore size is also reduced.

그리고, 혼합된 탄화규소 세라믹스 분말과 점토에 성형보조제로서 유기물 결합제인 카복시메틸셀룰로오즈(CMC; CarboxyMethyl Cellulose)를 첨가한다. 이 때 첨가되는 카복시메틸셀룰로오즈는 탄화규소 세라믹스 분말의 질량에 대해 1.0~5.0wt%를 첨가 혼합한다. 카복시메틸셀룰로오즈가 1.0wt% 미만으로 첨가되는 경우에는 탄화규소 세라믹스 필터의 성형시 입자간 결합력이 약하게 되고, 카복시메틸셀룰로오즈가 5.0wt% 초과로 첨가되는 경우에는 탄화규소 세라믹스 필터의 열처리시에 내부에 결함을 유발시킴으로 부적합하다.그런 다음에는 상기 혼합된 원료들을 폴리에틸렌 용기에 넣고 진동 밀(vibration pot mill)에서 1시간 동안 건식 혼합하여 균일한 혼합이 이루어지도록 한다.CarboxyMethyl Cellulose (CMC), which is an organic binder, is added to the mixed silicon carbide ceramic powder and clay as a molding aid. The carboxymethyl cellulose added at this time is added and mixed 1.0 to 5.0wt% with respect to the mass of the silicon carbide ceramic powder. If the carboxymethyl cellulose is added below 1.0 wt%, the bonding strength between particles becomes weak during the molding of the silicon carbide ceramics filter, and if the carboxymethyl cellulose is added above 5.0 wt%, the inside of the silicon carbide ceramics filter is heat-treated. The mixed raw materials are then placed in a polyethylene container and dry mixed for 1 hour in a vibration pot mill to ensure uniform mixing.

그 다음단계로 탄화규소 세라믹스 분말과 점토 및 성형보조제의 고상 혼합물과는 별도로 물과, 알칼리화합물 또는 알칼리토류 화합물 및, 유기물 분산제를 함께 혼련기에 넣은 후에, 30~60분 동안 고르게 혼합하여 액상 혼합물을 형성한다.이 때, 액상 혼합물에는 상기 점토와 같이 소결조제의 역할을 하는 무기결합제인 알칼리계 원소 화합물의 탄산칼슘이 탄화규소 세라믹스 분말의 질량의 0.1~5.0wt%에 해당하는 범위로 첨가된다. 이런 탄산칼슘은 상기 점토의 경우와 마찬가지로 0.1wt% 미만으로 첨가되는 경우에 탄화규소의 입자간 결합을 약화시키고, 5.0wt% 초과로 첨가되는 경우에 첨가되는 비율이 높아지더라도 필터강도를 향상시키지 못하여 부적합하다.그리고, 상기 액상 혼합물의 분산제는 입자간 분산을 위해 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 기준으로 0.5~5.0wt%가 첨가됩니다. 분산제가 0.5wt% 미만으로 첨가되는 경우에는 필터의 혼합물들이 골고루 혼합되지 못하고, 입자간 뭉침이 다량 발생되며, 분산제가 5.0wt% 초과로 첨가되는 경우에는 상기 성형보조제와 같이 열처리시에 필터의 내부에 결함을 유발시켜 부적합하다.또한, 상기 탄화규소 세라믹스 필터의 성형에 사용되는 혼합물에는 가소성을 부여하기 위해 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 기준으로 5.0~15.0wt%의 물이 첨가됩니다. 물이 5.0wt% 미만으로 첨가되는 경우에는 혼합물에 유연성이 부족하여 성형하기 부적합하고, 물이 15.0wt% 초과로 첨가되는 경우에는 필터 혼합물을 성형하기 불가능할 정도로 건조하는데 시간이 오래 걸림으로 부접합하다.In the next step, apart from the solid mixture of silicon carbide ceramic powder, clay and molding aid, water, an alkali compound or alkaline earth compound, and an organic dispersant are put together in a kneader, and then mixed evenly for 30 to 60 minutes to prepare a liquid mixture. At this time, calcium carbonate of an alkali-based element compound, which is an inorganic binder serving as a sintering aid, is added to the liquid mixture in a range corresponding to 0.1 to 5.0 wt% of the mass of the silicon carbide ceramic powder. This calcium carbonate weakens the interparticle bonds of silicon carbide when added to less than 0.1 wt% as in the case of clay, and does not improve the filter strength even if the added ratio is increased when added above 5.0 wt%. In addition, the dispersant of the liquid mixture is added 0.5 to 5.0wt% based on the mass of the silicon carbide ceramic powder for interparticle dispersion. If the dispersant is added less than 0.5wt%, the mixture of the filter is not evenly mixed, agglomeration of particles is generated a lot, and when the dispersant is added more than 5.0wt%, the inside of the filter during the heat treatment like the molding aid In addition, 5.0-15.0 wt% of water is added to the mixture used for forming the silicon carbide ceramic filter based on the mass of the silicon carbide ceramic powder to impart plasticity. If water is added below 5.0 wt%, the mixture is inadequate for molding due to lack of flexibility, and if water is added above 15.0 wt%, it is unbonded because it takes a long time to dry to make the filter mixture impossible to mold. .

상기와 같이 형성된 고상 혼합물과 액상 혼합물을 다시 혼합하여 상온에서 24시간동안 숙성시킨 후에 정수압 성형(CIP; Cold Isostatic Press)하여 필터의 성형체를 형성한다. 이 때 고상 및 액상 혼합물을 재 혼합한 혼합물을 정수압 성형용 몰드에 충진시키고, 100~800kg/cm2의 성형압력으로 정수 가압하여 필터의 형태로 성형한다. 이와 같이 제조된 필터의 성형체를 상온에서 12시간 이상 또는 건조기를 사용할 경우에는 6시간 이상 건조시켜 물을 제거시킨 후에 1000∼1800℃의 온도범위에서 1~10시간 소결시켜 본 발명에 따른 탄화규소 세라믹스 필터를 제조한다.The solid mixture and the liquid mixture formed as described above are mixed again and aged at room temperature for 24 hours, followed by hydrostatic pressing (CIP; Cold Isostatic Press) to form a molded body of the filter. At this time, the mixture obtained by remixing the solid and liquid mixture is filled into a hydrostatic pressure molding mold, and hydrostatically pressurized at a molding pressure of 100 to 800 kg / cm 2 to form a filter. The molded product of the filter manufactured as described above is dried for 12 hours or more at room temperature or 6 hours or more when the dryer is used to remove water, followed by sintering for 1 to 10 hours at a temperature range of 1000 to 1800 ° C., according to the present invention. Prepare the filter.

여기에서, 100kg/cm2의 성형압력은 본 발명에서 필터의 성형이 가능한 최소한계의 가압력이며, 정수압 성형용 몰드에서 800kg/cm2이상의 성형압력으로 성형하게 되면 세라믹스 입자들 사이에 기공이 작게 되어 필터의 주 기능인 유해한 미세먼지의 제거효과가 떨어지게 된다.Here, the molding pressure of 100kg / cm 2 is the minimum pressing force capable of molding the filter in the present invention, the pores between the ceramic particles is small when molding at a molding pressure of 800kg / cm 2 or more in the hydrostatic molding mold The removal effect of harmful fine dust, which is the main function of the filter, is reduced.

이와 같은 이유에서 100~800kg/cm2의 성형압력으로 필터 성형체를 성형한 후에 적정온도로 소결하게 되면 탄화규소 세라믹스 분말들은 입자결합하게 되며, 입자결합으로 형성되는 그 필터의 기공 직경은 25~75㎛가 되고 이런 기공의 분율은 필터 전체부피에 대해 30~60vol%가 된다.For this reason, when the filter molded body is molded at a molding pressure of 100 to 800 kg / cm 2 and sintered at an appropriate temperature, the silicon carbide ceramic powders are particle bonded, and the pore diameter of the filter formed by particle bonding is 25 to 75. And the pore fraction is 30 to 60 vol% of the total volume of the filter.

이 때, 기공의 직경이 25㎛보다 작거나 기공율이 30vol% 보다 작은 경우에는 기공이 상호 연결되지 못하고 고립되어 분포함으로써 연소배가스의 원활한 흐름이 일어나지 않아 압력손실이 크게 걸리게 되어 필터로서의 기능을 발휘하지 못했고, 기공의 직경이 75㎛보다 크거나 기공율이 60vol%보다 크게 될 경우에는 필터의 강도 값이 매우 약하게 되어 필터로서의 성능을 발휘하지 못하게 된다.At this time, when the pore diameter is smaller than 25 μm or the porosity is smaller than 30 vol%, the pores are not interconnected and are separated and distributed, so that the smooth flow of the combustion flue gas does not occur, resulting in large pressure loss, thereby not functioning as a filter. If the pore diameter is larger than 75 μm or the porosity is larger than 60 vol%, the strength value of the filter is very weak, and thus the performance as a filter is not exhibited.

한편, 성형된 필터 성형체 내의 유기물 성형보조제들은 필터 성형체를 약 800℃까지 상대적으로 낮은 승온속도로 승온한 후에 1~6시간 유지시킴으로써, 용융 및 기화되어 미리 제거한다.On the other hand, the organic molding aids in the molded filter molded body is melted and vaporized and removed in advance by maintaining the filter molded body at a relatively low temperature rising rate up to about 800 ° C. for 1 to 6 hours.

본 발명에 따른 세라믹스 필터는 입자의 크기가 100~300㎛인 세라믹스 입자와 25~75㎛의 직경을 가지는 기공으로 구성되며, 기공의 총 부피비, 즉 기공율은 30~60 vol%의 부피비로 구성되고 각 세라믹스 입자들은 소결조제인 점토와 알칼리 화합물 또는 알칼리토류 화합물에 의해 상호 3차원적으로 결합된다.Ceramics filter according to the present invention is composed of ceramic particles having a particle size of 100 ~ 300㎛ and pores having a diameter of 25 ~ 75㎛, the total volume ratio of the pores, that is porosity is composed of a volume ratio of 30 ~ 60 vol% The ceramic particles are bonded three-dimensionally to each other by clay, an alkali compound or an alkaline earth compound, which is a sintering aid.

상술한 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 탄화규소 세라믹스 필터에는 알칼리 화합물 또는 알칼리토류 화합물이 점토와 함께 소결조제로 첨가된 결과, 필터의 기공율 및 기공크기, 소결체의 밀도가 점토의 소결조제만 첨가된 경우에 비하여 큰 차이가 없어 종래의 세라믹스 필터와 유사한 압력손실이 형성되며, 동시에 세라믹스 입자 사이의 결합력은 점토 및 알칼리 화합물 또는 알칼리토류 화합물에 의해 향상되어 종래의 세라믹스 필터에 비해 보다 품질이 향상된 필터를 제조할 수 있다.As described above, an alkali compound or an alkaline earth compound is added to the silicon carbide ceramic filter manufactured according to the present invention as a sintering aid together with clay. As a result, the porosity and pore size of the filter and the density of the sintered compact are added only to the clay sintering aid. There is no significant difference compared to the case, and a pressure loss similar to that of a conventional ceramic filter is formed.At the same time, the bonding force between the ceramic particles is improved by clay, an alkali compound or an alkaline earth compound, thereby improving the quality of the filter compared to the conventional ceramic filter. It can manufacture.

[실험예]Experimental Example

이하에서는 본 발명에 따른 실험예로서, 본 발명에 따른 다수 개의 실시예들과 그 비교예들을 비교하여 상세히 설명하겠다.Hereinafter, as an experimental example according to the present invention, it will be described in detail by comparing a plurality of embodiments according to the present invention and their comparative examples.

아래의 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1~5에서는 평균입도 180㎛을 갖는 탄화규소 분말 8000g에 대하여 점토의 질량비 1wt%인 80g, 3wt%인 240g, 5wt%인 400g, 10wt%인 800g을 혼합하고 1wt%인 80g의 카복시메틸셀룰로오즈를 첨가하여 1시간 동안 혼합하였다. 여기에 1wt%인 80g의 분산제, 2wt%인 160g의 칼슘탄화물이 분산된 수용액(10wt%인 800g의 물)을 첨가한 후 다시 30분 동안 혼합하였다. 혼합된 분말들은 상온에서 24시간동안 숙성시켜 물이 골고루 퍼지게 한 후, 정수압 성형용 몰드에 충진하였고 300kg/cm2의 성형압력으로 정수압 성형하였다. 그리고 성형체를 상온에서 20시간 건조시킨 후, 성형체 내에 포함되어 있는 유기물 성형조제를 제거하기 위해 800℃까지 1.5℃/min의 속도로 승온한 후에 800℃에서 6시간 유지하였고, 이후 1400℃까지 4℃/min의 속도로 승온한 후에 1400℃에서 10시간 유지하였으며, 5℃/min의 속도로 냉각하여 필터를 제조하였다. 이 때, 1wt%인 80g의 점토를 혼합한 필터가 비교예 1이고, 3wt%인 240g의 점토를 혼합한 필터가 비교예 2이고, 5wt%인 400g의 점토를 혼합한 필터가 비교예 3이며, 10wt%인 800g의 점토를 혼합한 필터가 비교예 4이다. 그리고, 비교예 5는 독일제품으로 실제 연소가스 정화용으로 사용되고 있는 필터이며, 비교예 5의 성분조성에 대해서는 제작사의 비밀로 인하여성분조성비 및 성형압력 등에 대해서는 알 수 없다. 따라서, 비교예 5에서 알 수 없는 데이터에서는 '-'로 표시하였다.As shown in Table 1 below, in Comparative Examples 1 to 5, 80g of 1wt% clay, 240g of 3wt%, 400g of 5wt% and 800g of 10wt% with respect to 8000g of silicon carbide powder having an average particle size of 180 μm 1 g of carboxymethylcellulose was added and mixed for 1 hour. An aqueous solution containing 80 g of a dispersant of 1 wt%, 160 g of calcium carbide dispersed in 2 wt% (800 g of water of 10 wt%) was added thereto, and then mixed again for 30 minutes. The mixed powders were aged at room temperature for 24 hours to spread the water evenly, and then filled in a hydrostatic molding mold and hydrostatically molded at a molding pressure of 300 kg / cm 2 . After drying the molded body at room temperature for 20 hours, the temperature was raised at a rate of 1.5 ° C./min to 800 ° C. to remove the organic molding aid contained in the molded body, and then maintained at 800 ° C. for 6 hours, and then 4 ° C. to 1400 ° C. After the temperature was raised at a rate of / min and maintained at 1400 ℃ for 10 hours, a filter was prepared by cooling at a rate of 5 ℃ / min. At this time, a filter in which 80 g of clay of 1 wt% was mixed was Comparative Example 1, a filter in which 240 g of 3 g of clay was mixed in 3 wt% was Comparative Example 2, and a filter of 400 g of clay in 5 wt% was Comparative Example 3 And Comparative Example 4 are filters in which 800 g of clay having a weight of 10 wt% is mixed. In addition, Comparative Example 5 is a filter manufactured in Germany for actual combustion gas purification, and the composition composition ratio, molding pressure, etc. cannot be known due to the secret of the manufacturer regarding the composition of Comparative Example 5. Therefore, in the unknown data in the comparative example 5, it represented with "-".

한편, 본 발명에 따라 제조된 필터는 실시예 1~8이며, 실시예 1~8에서는 평균입도 180㎛을 갖는 탄화규소 분말 8000g에 대하여 5wt%인 400g의 점토와 0.1wt%인 8g, 0.5wt%인 40g, 1wt%인 80g, 2wt%인 160g의 탄산칼슘을 혼합한 것을 제외하고는 비교예들과 동일한 조건으로 성형한 후에 그 성형제품을 1350℃, 1375℃, 1400℃, 1425℃, 1450℃의 온도로 소결하여 기공율과 기계적 강도를 측정하였다.Meanwhile, the filters prepared according to the present invention are Examples 1 to 8, and in Examples 1 to 8, 400 g of clay of 5 wt% and 8 g of 0.5 wt of 0.5 wt% of 8000 g of silicon carbide powder having an average particle size of 180 μm. The molded product was molded under the same conditions as the comparative examples except that 40% of calcium (1%), 80g of 1% by weight, and 160g of 2% by weight were mixed, and the molded product was subjected to 1350 ° C, 1375 ° C, 1400 ° C, 1425 ° C, 1450 Sintering was carried out at a temperature of ℃ to measure the porosity and mechanical strength.

표 1에 의해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.From Table 1, the following conclusions can be drawn.

필터의 기계적 강도는 점토 및 탄산칼슘을 첨가할수록 그 강도가 증가하였으며, 동일한 점토 첨가량을 가지는 경우에는 탄산칼슘의 첨가량이 증가할수록 그 강도가 증가하며, 동일한 점토 및 탄산칼슘의 첨가량의 경우에는 소결온도가 높을 수 록 그 강도가 높다는 것을 알 수 있다. 한편, 이런 실시예들 중에서도 실시예 3~8까지의 필터가 기공율과 기계적 강도 면에서 양호한 예로서 나타났다.The mechanical strength of the filter increased with the addition of clay and calcium carbonate.In case of the same amount of clay, the strength increased with the addition of calcium carbonate, and the sintering temperature for the same amount of clay and calcium carbonate. The higher is, the higher the strength is. Meanwhile, among these examples, the filters of Examples 3 to 8 were shown as good examples in terms of porosity and mechanical strength.

한편 도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법으로 제조된 필터의 50배 확대된 사진이고, 도 2는 도 1에 도시된 필터를 1000배 확대한 확대사진이며, 도 3은 도 1에 도시된 필터와 비교하기 위해 비교대상이 되는 탄화규소 세라믹스 필터의 50배 확대사진이다.Meanwhile, in the drawings, FIG. 1 is a 50 times magnified photograph of a filter manufactured by a method of manufacturing a high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a 1000 times magnification of the filter shown in FIG. 3 is an enlarged photograph of FIG. 3, which is a 50 times enlarged photograph of a silicon carbide ceramic filter to be compared for comparison with the filter illustrated in FIG. 1.

표 1에 기재된 실시예 1~8중에서 실시예 3의 필터 중앙부를 파쇄한 후 일부를 주사전자현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)으로 확대 관찰하였으며, 그 결과 도 1의 사진에 도시된 바와 같이, 탄화규소 입자는 약 200㎛으로 초기 출발원료의 크기와 큰 차이가 없으나, 도 2에 도시된 확대된 사진에서와 같이, 첨가된 점토 및 칼슘탄산화물이 탄화규소 입자 사이의 경계부위(grain boundary)를 연결하여 결합되어 있는 것을 알 수 있다.After crushing the filter center portion of Example 3 in Examples 1 to 8 described in Table 1, a portion was magnified and observed by a scanning electron microscope (SEM), and as a result, as shown in the photograph of FIG. The silicon particles are about 200 μm, which is not significantly different from the size of the initial starting material. However, as shown in the enlarged photograph shown in FIG. 2, the added clay and calcium carbonate are used to define the grain boundary between the silicon carbide particles. It can be seen that the connection is combined.

한편, 제조된 필터들(실시예 1~8과 비교예 1~5)의 꺾임강도를 측정하여 첨가된 탄산칼슘화합물의 첨가량에 따른 필터의 강도변화를 평가하였다. 이런 꺾임강도를 측정하기 위해 다이아몬드 절삭기를 이용하여 약 40mm×10mm×5mm의 크기로 소결된 필터를 절단하고 절단된 시편의 평면을 125㎛의 입자크기를 가지는 다이아몬드가 전착된 휠로 연마하였다. 또한 절단된 각 시편들을 측정하기 전에, 파괴시에균열의 근원점이 되는 결함을 제거하기 위해 인장응력이 걸리는 면 및 모서리는 탄화규소 1200번 연마지로 연마 및 모서리 처리하여 시편을 제작하였다. 그 후 하부 거리 25mm의 지그 위에 시편을 올려놓은 후 3점 꺾임강도 시험법으로 만능강도시험기에서 꺾임강도를 측정하였다. 한편 밀도 및 기공율은 각 시편들을 수중에서 3시간동안 끓인 후에, 현수무게, 포수무게 및 건조무게를 칭량하여 아르키메데스 법을 이용하여 계산하였다. 이와 같이 측정된 필터의 기공율 및 강도 값을 표 1에 나타내었다.Meanwhile, the bending strength of the manufactured filters (Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 5) was measured to evaluate the change in strength of the filter according to the amount of calcium carbonate compound added. In order to measure the bending strength, a sintered filter was cut to a size of about 40 mm × 10 mm × 5 mm using a diamond cutter, and the plane of the cut specimen was polished by a diamond electrode wheel having a particle size of 125 μm. In addition, before measuring the cut specimens, the surface and edges subjected to tensile stress to remove the defect that is the origin of the crack at the time of fracture was polished and edge-treated with silicon carbide 1200 abrasive paper to prepare the specimen. Thereafter, the specimen was placed on a jig having a lower distance of 25 mm, and the bending strength was measured by a universal strength tester using a three-point bending strength test method. On the other hand, the density and porosity were calculated by using the Archimedes method after weighing each specimen in water for 3 hours, weighing the suspension weight, the catcher weight and the dry weight. Table 1 shows the porosity and strength values of the filters thus measured.

표 1에서 실시예 3의 탄화규소 세라믹 필터는 그 기공율이 32vol%이면서도, 그 강도값은 28MPa로서, 비교된 비교예들에 비하여 상대적으로 매우 높은 강도를 갖는다.In Table 1, the silicon carbide ceramic filter of Example 3 has a porosity of 32 vol% and an intensity value of 28 MPa, which is relatively very high in comparison with the comparative examples.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 비교예 3의 소결체 미세구조는 탄화규소 입자들 사이를 연결하는 연결매개체가 거의 형성되지 않았다. 그 결과 표 1에 도시된 바와 같이, 기공율은 37vol%이지만, 기계적 강도는 3.75MPa로서 낮은 강도를 나타내었다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, in the sintered compact microstructure of Comparative Example 3, almost no connection medium connecting the silicon carbide particles was formed. As a result, as shown in Table 1, the porosity was 37 vol%, but the mechanical strength was 3.75 MPa, which was low.

이러한 결과를 종합하여 볼때에 본 발명에 의해 제조된 필터는 그 강도가 향상되었으며, 적은 양의 알칼리토류 화합물의 단순한 첨가만으로 매우 높은 강도의 향상을 가져옴을 알 수 있다.Taken together these results, it can be seen that the filter produced by the present invention is improved in strength, the improvement of the very high strength only by the simple addition of a small amount of alkaline earth compounds.

한편, 표 1에서의 실시예 3의 필터와 종래 기술에 따른 필터(독일제품; 비교예 3과 거의 동일한 제품)의 열 싸이클 회수에 따른 기계적 강도 및 표준편차를 비교 분석하였다.On the other hand, the mechanical strength and the standard deviation according to the heat cycle recovery of the filter of Example 3 and the filter according to the prior art (Germany product; almost the same product as Comparative Example 3) in Table 1 were analyzed.

표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 3의 필터와 종래 기술에 따른 필터를 이용하여 상온인 15∼25℃에서부터 조업온도인 800∼850℃까지 가열하는 열 싸이클을 반복적으로 가하였다. 일반적으로 열 싸이클의 회수가 증가함에 따라 열피로에 의한 필터의 강도가 떨어지게 되는데, 표 2에서는 종래 기술에 따른 필터와 본 발명에 따른 실시예 3의 필터에 가해지는 열 사이클 회수에 대한 강도의 변화를 나타내고 있다.As shown in Table 2, using the filter of Example 3 and the filter according to the prior art, a heat cycle was repeatedly applied from 15 to 25 ℃ normal temperature to 800 to 850 ℃ operating temperature. In general, as the number of heat cycles increases, the strength of the filter due to thermal fatigue decreases. In Table 2, the change in strength with respect to the number of heat cycles applied to the filter according to the prior art and the filter of Example 3 according to the present invention is reduced. Indicates.

표 2에서의 실시예 3의 기계적 강도는 0~200회까지는 800~850℃로 가열되어도 거의 동일한 강도를 나타낸다. 표 2에서 기계적 강도만을 보았을 때에는 기계적 강도가 증가함을 나타내고 있으나, 편차범위가 그만큼 넓기 때문에 대략적으로 초기의 필터와 동일한 강도를 가진다고 예측할 수 있지만, 종래 기술에 따른 필터의 경우에는 열 싸이클 회수가 증가할수록 그 기계적 강도가 떨어짐을 확연하게 알 수 있다.The mechanical strength of Example 3 in Table 2 shows almost the same strength, even if heated to 800-850 degreeC up to 0-200 times. Table 2 shows that the mechanical strength increases when only the mechanical strength is seen. However, since the variation range is so wide, it can be predicted to have approximately the same strength as the initial filter. However, in the case of the filter according to the prior art, the number of heat cycles is increased. It can be clearly seen that the mechanical strength decreases as time goes by.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 의해 제조된 필터는 필터를 구성하는 탄화규소 세라믹스 분말 입자들을 첨가제인 점토와 알칼리류 화합물 또는 알칼리토류 화합물이 3차원적으로 연결하고 있어 그 기계적 강도가 우수하다는 장점이 있다.As described in detail above, the filter manufactured by the method of manufacturing the high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection of the present invention is a three-dimensional clay, alkali compound or alkaline earth compound as an additive to the silicon carbide ceramic particles constituting the filter It has the advantage that its mechanical strength is excellent.

또한, 본 발명의 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 의해 제조된 필터는 열 싸이클 회수에 대한 강도 변화가 적어 필터의 수명이 길다는 장점이 있다.In addition, the filter produced by the method for producing a high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection of the present invention has the advantage that the life of the filter is long because the change in strength with respect to the heat cycle recovery is small.

이상에서 본 발명의 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the technical idea of the method for manufacturing the high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection of the present invention has been described with the accompanying drawings, this is illustrative of the best embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (6)

집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법에 있어서,In the manufacturing method of the high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, 탄화규소 세라믹스 분말과 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량을 100wt%로 기준하여 상기 100wt%에 대해 각각 1.0~15.0wt%의 소결조제와 1.0~5.0wt%의 성형보조제와 0.1~5.0wt%의 알칼리계 원소의 화합물과 0.5~5.0wt%의 분산제 및 5.0~15.0wt%의 물을 혼합하여 숙성시키는 단계와;1.0 to 15.0 wt% of sintering aid, 1.0 to 5.0 wt% of molding aid, and 0.1 to 5.0 wt% of alkali based on the mass of silicon carbide ceramic powder and silicon carbide ceramic powder based on 100 wt% Aging by mixing an elemental compound, 0.5-5.0 wt% dispersant and 5.0-15.0 wt% water; 숙성된 원료를 가압하여 상기 필터의 형태로 성형하는 단계와;Pressing the mature raw material to form a shape of the filter; 성형된 필터를 가열하여 소결하는 단계를 포함하며,Heating and sintering the shaped filter, 상기 소결조제와 상기 성형보조제와 상기 알칼리계 원소의 화합물과 상기 분산제 및 상기 물의 질량은 상기 탄화규소 세라믹스 분말의 질량에 대해 상기 설정된 각각의 질량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법.The mass of the sintering aid, the molding aid, the compound of the alkali-based element, the dispersant and the water is mixed in each of the set mass ratio with respect to the mass of the silicon carbide ceramic powder, the high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection Manufacturing method. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 알칼리계 원소의 화합물은 알칼리 원소의 산화물, 알칼리 원소의 질화물, 알칼리 원소의 탄산화합물, 혹은 알칼리토류 원소의 산화물, 알칼리토류 원소의 질화물, 알칼리토류 원소의 탄산화합물 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법.The compound of the alkaline element is any one of an oxide of an alkali element, a nitride of an alkali element, a carbonate compound of an alkaline element, or an oxide of an alkaline earth element, a nitride of an alkaline earth element, or a carbonate compound of an alkaline earth element. Manufacturing method of high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 소결소제는 점토인 것을 특징으로 하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법.The sintered plasticizer is a method for producing a high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, characterized in that clay. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 성형하는 단계에서의 숙성된 원료는 100~800kg/cm2의 성형압력으로 가압되어 성형되는 것을 특징으로 하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법.The method of producing a high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, characterized in that the raw material matured in the forming step is pressurized at a molding pressure of 100 ~ 800kg / cm 2 . 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소결단계에서는 성형된 필터를 상온에서 건조하는 제 1 단계와, 1000~1800℃의 온도로 소결하는 제 2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법.The sintering step comprises the first step of drying the molded filter at room temperature, and the second step of sintering at a temperature of 1000 ~ 1800 ℃ a method for producing a high-strength silicon carbide ceramic filter for dust collection. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, 1000~1800℃의 온도로 소결하는 단계에서는 성형된 필터 내에 포함된 유기물을 제거하기 위해 상온에서 800℃까지는 1.5℃/min의 속도로 승온한 후에 800℃에서 6시간 유지하는 1차 소결단계와, 800℃에서 1400℃까지 4℃/min의 속도로 승온한 후에 1400℃에서 10시간 유지하는 2차 소결단계를 포함하며, 상기 2차 소결단계를 거쳐 소결된 필터를 1400℃에서 5℃/min의 속도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 집진용 고강도 탄화규소 세라믹스 필터의 제조방법.In the step of sintering at a temperature of 1000 ~ 1800 ℃ in order to remove the organic matter contained in the molded filter at room temperature from 800 ℃ to 800 ℃ at a rate of 1.5 ℃ / min and then maintained at 800 ℃ for 6 hours, After heating up at a rate of 4 ° C./min from 800 ° C. to 1400 ° C., a second sintering step is maintained at 1400 ° C. for 10 hours. A method for producing a high strength silicon carbide ceramic filter for dust collection, characterized by cooling at a speed.
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