KR100508522B1 - 고내용성 Ａｌ₂Ｏ₃－ＳｉＯ₂－ＺｒＯ₂질 부정형 내화물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트 로타리 킬른(Rotary Kiln)의 버너(Burner), 세그먼트(Segment), 후드(Hood) 및 쿨러(Cooler) 등의 보수에 사용되는 유입보수용 부정형 내화물(Castable)에 관한 것이다.

이 내화물은 중량%로, 알루미나 시멘트: 3~8%, ZrO₂를 3~10중량% 함유한 입도가 10㎛ 이하인 실리카 흄: 3~8%, 나머지 순도가 98% 이상인 알루미나 클링커 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 포함하여 이루어진다.

이 내화물은 ZrO₂를 함유한 실리카 흄을 첨가하여 알루미나질 부정형 내화물의 장점인 내스폴링성을 보다 개선하고, 내알칼리 반응 및 침윤성과 내마모성을 향상시켜 안정된 내용성을 지닌 부정형 내화물을 제공함으로써, 보수 빈도를 줄이고 원단위를 저감하는 효과가 있다.

Description

고내용성 Ａｌ₂Ｏ₃－ＳｉＯ₂－ＺｒＯ₂질 부정형 내화물{Al203-SiO2-ZrO2 castable with high tolerance}

본 발명은 시멘트 로타리 킬른(Rotary Kiln)의 버너(Burner), 세그먼트(Segment), 후드(Hood) 및 쿨러(Cooler) 등의 보수에 사용되는 유입보수용 부정형 내화물(Castable)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ZrO₂를 함유한 실리카 흄을 첨가하여 알루미나질 부정형 내화물의 장점인 내스폴링성을 보다 개선하고, 내알칼리 반응 및 침윤성과 내마모성을 향상시킨 부정형 내화물에 관한 것이다.

일반적으로, 시멘트 생산 설비는 로타리 킬른을 중심으로 전공정인 예열기(Preheater)와 로타리 킬른의 선단부인 아웃렛(Outlet) 부분과 버너(Burner) 부위, 그리고 후드(Hood)와 쿨러(Cooler) 등의 설비로 나뉜다. 상기 설비에 내화벽돌과 부정형 내화물이 적정 사용조건과 요구특성에 따라 사용되고 있다.

이중 부정형 내화물(Castable)에 요구되는 특성으로는 양호한 유동성, 높은 내알칼리반응성, 열간에서의 우수한 내마모성 및 내스폴링성 등이 있다. 그러나, 이러한 설비에 보편적으로 사용되고 있는 고알루미나질 부정형 내화물은 내알카리반응성이 매우 취약하여 알카리 성분 침투시 균열 및 박리로 인해 수명이 저하되며, 열간에서 냉각공기 및 시멘트 원료와 2차 공기에 의한 마모에도 취약한 문제점이 있다. 더욱이 최근에는 원가절감을 위해 폐타이어를 비롯해 각종 폐자재를 원료로 소각하여 사용하는 등 조업조건이 가혹해져서 부정형 내화물의 수명이 단축되고 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, ZrO₂를 함유한 실리카 흄을 첨가하여 알루미나질 부정형 내화물의 장점인 내스폴링성을 보다 개선하고, 내알칼리 반응 및 침윤성과 내마모성을 향상시켜 안정된 내용성을 지닌 부정형 내화물을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, 알루미나 시멘트: 3~8%, ZrO₂를 3~10중량% 함유한 입도가 10㎛ 이하인 실리카 흄: 3~8%, 나머지 순도가 98% 이상인 알루미나 클링커 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 알루미나질 부정형 내화물의 장점인 내스폴링성을 보다 개선하고, 내알칼리 반응 및 침윤성과 내마모성을 향상시키기 위하여 ZrO₂를 함유한 실리카 흄을 첨가하고 나머지 성분의 함량을 최적화하는데 특징이 있는 것으로, 먼저 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

알루미나 시멘트: 3~8중량%

상기 알루미나 시멘트는 바인더로서, 통상적으로 Al₂O₃ 70%급인 것을 주로 사용한다. 상기 알루미나 시멘트의 함량이 3중량% 미만이면 시공체의 높은 강도를 기대하기 어려울 뿐만 아니라 시공후 경화가 지연되어 좋지않고, 8중량%를 초과하면 알루미나 시멘트 중 CaO 성분의 과다로 물성이 열화되므로, 그 함량을 3~8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

입도가 10㎛ 이하인 실리카 흄: 3~8중량%

상기 실리카 흄(Silica fume)은 ZrO₂를 3~10중량% 함유하고 입도가 10㎛ 이하인 비정질 실리카 초미분으로, 반응성이 매우 우수하다. 상기 실리카 흄은 기지(Matrix)부의 미세 조직에서 바인더 및 알루미나 클링커와 적극적으로 반응하여 고융점 결합(Bond)을 생성함과 동시에 ZrO₂ 성분이 유리(glass)화 되어 미세기공을 비롯한 미세조직을 코팅함으로써, 알카리 성분의 액상 침투나 가스의 침투를 방지하는 효과가 있다. 상기 실리카 흄의 함량이 3중량% 미만이면 상기 알카리 성분의 액상 침투나 가스의 침투를 방지하는 효과가 떨어지고, 8중량%를 초과하면 결합(Bond)량 과다와 액상 생성으로 물성이 저하되므로, 그 함량을 3~8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 조성 이외에 나머지는 순도가 98% 이상인 알루미나 클링커 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다. 상기 알루미나 클링커는 고내화도, 용적안정성, 내식성, 내마모성 등이 우수한 내화재료이며, 본 발명에서는 소결품, 전융품 모두 사용가능하며 미분부에는 하소품도 사용 가능하다. 또한, 상기 알루미나의 순도가 98% 미만이면 다른 원료와 반응의 효과를 기대하기 어려우므로, 상기 순도는 98% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 미세조직을 보다 강화하여 내스폴링성을 보다 향상시키고자 한다면 상기한 조성에 200메쉬 이하의 지르콘 미분 0중량% 초과 5중량% 이하를 추가로 첨가하는 것이 가능하다. 상기 지르콘 미분의 입도가 200메쉬를 초과하면 전융 알루미나 미분 및 실리카 흄과의 반응속도가 느리고 미세조직 강화 효과를 기대하기 어려우므로, 그 입도를 200메쉬 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 지르콘 미분의 함량이 5중량%를 초과하면 액상 및 저융점 결합(Bond)량이 너무 많아져 물성이 저하되므로, 그 함량을 0중량% 초과 5중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1은 본 발명에서 사용된 원료의 성분을 나타낸 것이다.

상기 표 1의 성분을 갖는 원료를 이용하여, 하기 표 2와 같이 조성하여 유입보수재를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 유입보수재의 내알칼리 반응 및 침윤성, 내스폴링성 및 내마모성을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다.

상기 내알칼리(Alkali) 반응 및 침윤성 시험은 30Φ x 35 h(mm) 의 홀(Hole)을 갖는 50Φ x 70h (mm)의 디스크(Disk) 형태의 시편을 진동주입 성형한 후, 110℃에서 24시간 동안 건조시키고, 시멘트:K₂CO₃:Na₂CO₃:K₂SO ₄=4:2:1:1의 비율로 혼합된 융제 20g을 채취하여 시편 홀(Hole)에 채운다. 그리고, 상기 시편을 전기로에 장입하고 1300℃에서 24시간 동안 소성 후, 시편외관을 관찰하였다. 이후, 시편을 2분할 커팅(Cutting)하여 절단면의 알칼리 반응면과 침윤상태를 확인한 후, SEM 및 EDS로 침투 조직과 성분 등을 관찰하였다. 균열이 없는 것은 ○, 미세균열이 있는 것은 △, 큰 균열이 있는 것은 ×로 평가 및 표기하였다.

상기 내스폴링성 시험은 60 x 60 x 60mm의 표준시편을 진동주입 성형으로 제작 후, 전기로에 장입하여 1400℃에서 1시간 동안 가열한 다음 냉각(공냉)과 가열을 15분씩 반복하여 40회 실시후, 균열의 유무를 관찰하였다. 균열이 없는 것은 ○, 미세균열이 있는 것은 △, 큰 균열이 있는 것은 ×로 평가 및 표기하였다.

상기 내마모성 시험(열간 곡강도)은 40 x 40 x 160mm의 성형틀에 진동주입 성형한 후, 110℃에서 24시간 동안 건조시키고 1300℃에서 1시간 동안 소성한 상태에서 열간 곡강도를 측정하였다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재(1~6)은 본 발명의 범위를 만족하지 않는 비교재(1~6)에 비하여 내알칼리 반응 및 침윤성, 내스폴링성 및 내마모성이 우수함을 알 수 있다.

또한, 발명재 중에서도 지르콘 미분을 사용한 발명재(1, 3)이 ZrO₂ 성분이 높아 내스폴링성이 보다 우수하게 나타났다.

그러나, ZrO₂를 함유한 실리카 흄을 제한 범위 이하로 사용한 비교재1은 내마모성 및 내스폴링성이 저하되었다.

또한, ZrO₂를 함유하지 않은 실리카 흄을 사용한 비교재2는 높은 내마모성은 유지되나, 알칼리 반응시험에서 균열 손상이 심하게 진행되었으며 내스폴링성도 열위한 결과를 나타내었다.

또한, 알루미나 순도가 낮은 알루미나 클링커와 ZrO₂를 함유하지 않은 실리카 흄을 사용한 비교재3은 내알칼리 반응성, 내스폴링성, 내마모성 모두 열위한 결과를 나타내었다.

또한, 알루미나 순도가 낮은 알루미나 클링커를 사용하고 ZrO₂를 함유한 실리카 흄을 제한 범위 이하로 사용한 비교재4는 내알칼리반응성과 내스폴링성이 열위한 결과를 나타내었다.

또한, ZrO₂를 함유하지 않은 지르콘 미분을 사용한 비교재5는 내마모성은 우수하나 내알칼리반응성과 내스폴링성이 열위한 결과를 나타내었다.

마지막으로, ZrO₂를 함유하지 않은 지르콘 미분을 사용하고 알루미나 시멘트를 제한범위 이하로 사용한 비교재6은 열간강도가 매우 낮고 내알칼리반응성과 내스폴링성이 모두 열위한 결과를 나타내었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 ZrO₂를 함유한 실리카 흄을 첨가하여 알루미나질 부정형 내화물의 장점인 내스폴링성을 보다 개선하고, 내알칼리 반응 및 침윤성과 내마모성을 향상시켜 안정된 내용성을 지닌 부정형 내화물을 제공함으로써, 보수 빈도를 줄이고 원단위를 저감하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, 알루미나 시멘트: 3~8%, ZrO₂를 3~10중량% 함유한 입도가 10㎛ 이하인 실리카 흄: 3~8%, 나머지 순도가 98% 이상인 알루미나 클링커 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 포함하여 이루어지는 고내용성 Al₂O₃-SiO₂-ZrO₂ 질 부정형 내화물.
2. 제1항에 있어서, 상기 내화물에 입도가 200메쉬 이하인 지르콘 미분 0중량% 초과 5중량% 이하를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 고내용성 Al₂O₃-SiO₂-ZrO₂질 부정형 내화물.