KR100526835B1 - 공업용 로의 내벽면 도포용 열방사성 내화도료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온으로 가열되는 각종 공업용로의 내벽면에 도포되어 연료의 사용 효율을 높일 수 있도록 한 고복사능을 갖는 세라믹계 열방사성 내화도료에 관한 것이다.

본 발명의 내화도료는, 1000∼1200℃의 온도에서 하소되며 200메쉬 이하의 크기로 분쇄된 분말상 하소 크롬철광 40∼70중량%와, 저온용 결합제로서 붕사나 붕산 중의 어느 하나 5∼10중량%와, 고온용 결합제로서 인산이나 인산알루미늄 중의 어느 하나 5∼10중량% 및 잔량의 수분으로 조성되며, 상기 크롬철광을 사전에 하소하여 사용함에 그 기술적 특징이 있다.

본 발명의 내화도료는 로 내벽면의 코팅층으로서 내벽면이 용탕과 직접 접촉되는 것을 방지하여 내화재의 수명을 연장시켜 주는 동시에, 통상의 내화재 뿐 아니라 종래의 탄화규소계 도료에 비하여 높은 복사율을 가져 연료의 절감이 기대될 뿐 아니라, 두 종류의 결합제에 의해 로의 사용 온도에 제약받지 않고 사용될 수 있는 장점이 있다.

Description

공업용 로의 내벽면 도포용 열방사성 내화도료{Heat-emissive paint for the inner surfaces of industrial furnaces}

본 발명은 고온으로 가열되는 각종 공업용 로의 내벽면에 도포하는 열방사성 내화도료에 관한 것으로, 더 자세하게는 열분해로, 열처리로, 소둔로, 가열로 등의 각종 공업용 로의 내벽면에 도포되어 고온의 산화분위기에서 안정하며 흑도가 높은 코팅층을 형성하므로써, 각종 로의 내벽면이 갖는 열방사성을 향상시켜 연료의 사용 효율을 높일 수 있도록 한 고복사능을 갖는 공업용 로의 내벽면 도포용 열방사성 내화도료에 관한 것이다.

일반적으로 석유화학 분야에서 사용되는 열분해로나 요업분야에서 사용되는 소성로 및 가열로를 비롯한 철강분야에서 사용되는 열처리로 및 소둔로 등의 각종 공업용 로에서 가열원으로서의 연료로부터 발생되는 에너지의 총량은 노 내부에 위치하는 피가열물이 흡수하는 에너지와 공업용 로를 구성하는 내화재가 흡수하는 에너지 그리고, 기타 예열 및 방산되는 에너지의 총합으로 구성되며, 그 중에서 연료로부터 발생되는 에너지의 대부분은 내화재가 흡수하는 에너지로 소비되는 것으로 알려져 있다.

상기와 같이 공업용 로의 내화재로 흡수되는 에너지는 키르히호프(Kirichoff)의 법칙에 따라 다시 피가열물에로 복사열로 작용하게 되는 바, 키르히호프의 법칙에 의하면 에너지를 흡수하는 물질이 완전 흑체인 경우, 방사율을 ε라고 하고 흡수율을 α라고 할 때 ε=α 로 표시된다.

그러나, 완전 흑체는 실제로 존재하지 않기 때문에 이에 대한 상대적인 비율로 각 물질의 복사율을 표시하게 되며, 지구상에 존재하는 각 물질은 그 성질에 따라 각각의 복사율을 갖게 된다.

한편, 각종 공업용 로에 있어서 열방사 에너지의 크기는 온도의 상승과 함께 급격히 증대되고, 특히 고온 영역에서는 열방사에 의한 전열이 지배적으로 되는 바, 로내 온도가 800℃ 부근일 때에는 근적외선과 원적외선의 비율이 동등한 수준으로 되며, 1000∼1300℃로 상승하면 근적외선(0.8∼4㎛)이 점하는 비율이 90%이상이 되면서 그 외 약 5%가량의 가시광이 발생하게 되기 때문에 근적외선을 흡수하는 물질이 아니면 복사열에 의한 열효과를 기대할 수 없다.

그러나, 근적외선을 효과적으로 흡수할 수 있는 물질을 극히 드물 뿐 아니라, 그러한 물질의 경우 열에 의해 쉽게 산화되고, 열충격을 견디지 못한다는 문제가 있다.

공업용 로의 내벽 구성재로 널리 사용되어 오고 있는 재질로는 크게 내화연와와 세라믹 화이버의 두 종류를 들 수 있는 바, 이들 두 종류의 구성재들 역시 근적외선을 흡수하지 못하기 때문에 높은 복사열을 기대할 수 없으며, 내화연와의 경우 사용 초기에는 방사열 에너지의 흡수율이 75∼80%(즉, 복사율 0.75∼0.80)정도이나, 로내 온도가 1000℃를 넘으면 그 흡수율은 급격하게 저하하게 될 뿐 아니라, 경년쇠화가 급격하게 진행되므로써 방사열 에너지의 흡수율이 점차적으로 저하되는 특성을 나타내게 된다.

그리고, 세라믹 화이버는 열에 의해 그 표면이 유리질화 되는 결점을 지니고 있으며, 세라믹 화이버가 유리질화 하면 그 표면이 광택성을 띠게 되어 방사열 에너지의 흡수율이 30% 전후로 저하되므로써 복사열 효과를 기대할 수 없게 된다.

즉, 상기 내화연와나 세라믹 화이버는 그 복사율이 0.75∼0.80로서, 사용초기에는 어느 정도의 복사열 효과를 기대할 수 있으나 특히, 고온에서 조업이 이루어지는 고온로의 경우에는 급격하게 복사율이 저하될 뿐 아니라, 사용시간이 경과함에 따라 내화재 자체의 경년쇠화 또는 내화재 표면의 글라스화 등과 같은 요인에 의해 흑도가 서서히 떨어져서 복사율의 감소가 불가피하여 사용 연료의 효율 저하를 피할 수 없게 된다.

따라서, 공업용 로의 내벽 구성재가 갖는 복사율을 증대시켜 에너지 효율을 향상시키는 동시에, 내화재의 수명을 연장시키기 위한 방법으로 로의 내벽 표면에 복사율이 높은 물질을 코팅하는 기술이 개발되고 있다.

상기 로 내벽의 코팅용 도료로는, 고유의 색상과 고복사율을 고려할 때, 흑연과 탄화규소(SiC)가 적합한 것으로 알려져 있는 바, 흑연의 경우에는 모든 물질중에서 가장 복사율이 높으나 공기중의 산소와 쉽게 반응하여 탄화되기 때문에 로 내벽의 코팅용 도료로는 사용이 불가능한 것으로 알려져 있다.

그러나, 상기 탄화규소의 경우에는 이를 주성분으로 하는 로 내벽 코팅용 도료로 상용화되어 일부 공업용 로에 적용되고 있는 바, 탄화규소를 주성분으로 한 로 내벽 표면의 코팅용 도료는 200메쉬 이하의 입도를 갖는 분말상 탄화수소를 기재로 하여 소량의 결합제와 첨가제가 첨가된 조성으로서, 이를 물과 혼합하여 슬러리화 한 후 스프레이건을 이용하여 노내벽면상에 0.5∼1.0mm 두께로 도포하게 된다.

상기 탄화규소계 열방사성 도료로서 로의 내벽 표면이 코팅된 공업용 로의 경우는 코팅되지 않은 공업용 로에 비하여 승온시간이 단축되고 피가열물로의 방사전열량이 증대되는 동시에 로 외부로 방산되는 열량이 감소하므로써, 결과적으로 연료의 사용량이 줄어들게 된다.

그러나, 상기 탄화규소 역시 800℃ 이상 온도의 산화분위기 중에서 산화되기 쉬우며, 탄화규소가 산화되면 탄화규소가 백색의 규산(SiO₂)으로 변화하여 흑도(복사율)가 저하하게 되어 열방사성 도료로서의 상기 효과가 상실되거나 저하하게 되기 때문에, 탄화규소계 열방사성 도료는 800℃ 이상의 공업용 로에서는 효과를 얻기가 거의 불가능하게 된다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 일본 특허공개 소63-29712호와 동 평3-229829 및 동 평10-274482에는 크롬철광을 주원료로 한 내화도료가 개시되어 있으나, 상기 도료들은 크롬철광을 생원료 그대로 사용함으로써, 시간이 경과함에 따라 구조적인 균열이 발생하게 되거나 저융점 물질이 분해되어 그 수명이 단축되면서 박리되는 문제가 있으며, 상기와 같은 현상들은 로내부에 형성되는 높은 압력에 의해 더욱 촉진된다.

본 발명은 공업용 로 내벽에 코팅되는 종래의 열방사성 도료들이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 공업용 로의 내벽을 구성하는 내화재보다 높은 복사율을 가지며, 고온의 산화분위기에서 물리, 화학적으로 안정할 뿐 아니라, 로 내벽 표면에 견고하게 피복되어 내구성이 우수한 고복사능의 열방사성 도료를 제공함에 발명의 목적을 두고 있다.

또한, 사용 시간 증가에 따라 열화되는 로 내벽의 내화재에 결합되어 내화재를 경화시키므로써 상기 내화재의 수명을 연장시킬 수 있는 고복사능의 열방사성 도료를 제공하고자 한다.

본 발명의 상기 목적은 1000∼1200℃의 온도에서 사전에 하소한 크롬철광에 의하여 달성된다.

본 발명 공업용 로의 내벽면 도포용 열방사성 내화도료는, 그 주성분을 상기 크롬철광으로 하되, 이 크롬철광을 사전에 하소함으로써 크롬철광에 함유된 저융점 물질을 휘발시켜 상기 크롬철광을 안정화하여 사용함에 그 기술적 특징이 있다.

상기 하소란, 어떤 물질을 고온으로 가열하여 그 휘발성분의 일부 또는 전부를 제거하는 조작으로서, 어떤 물질이 융점에 가까운 온도로 가열되었을 때 물질들이 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나, 일부가 증착(蒸着)되어 서로 연결되어 한 덩어리가 되는 소결과는 구분되며, 상기 소결 온도보다 낮은 온도로 가열하여 그 물질보다 저융점을 갖는 휘발물을 제거하는 것을 의미한다.

즉, 본 발명의 상기 열방사성 내화도료는, 1000∼1200℃의 온도에서 하소한 크롬철광 40∼70중량%와, 저온용 결합제로서 붕사나 붕산 중의 어느 하나 5∼10중량%와, 고온용 결합제로서 인산이나 인산알루미늄 중의 어느 하나 5∼10중량% 및 잔량의 수분으로 조성된 슬러리상이며, 이때 상기 크롬철광은 200메쉬 이하의 크기로 분쇄된 분말상 크롬철광을 사용한다.

상기와 같이 조성되는 본 발명의 열방사성 내화도료를 이루는 각 성분들의 특성과 각 성분에 대한 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 내화도료의 주성분을 이루는 크롬철광은 복사율이 기존의 내화재에 비하여 휠씬 높은 물질로서, 특히 1000℃ 이상의 고온에서 물리적, 화학적으로 안정하다는 특성을 갖기 때문에 고온으로 가열되는 공업용 로의 로 내벽 코팅재로서 적합한 것으로 알려져 있으며, 상기 크롬철광을 200메쉬 이하의 입자 크기를 갖는 분말상으로 하는 것은 각종 결합제 및 물과의 혼합시 크롬철광 입자들이 균일하게 분산된 슬러리를 얻기 위한 것으로, 슬리리 중에 상기 크롬철광이 균일하게 분산되어야만 로 내벽면에 분사도포시 양호한 부착성을 보이게 되나, 그 입자 크기가 200메쉬를 초과하게 되면 슬러리 중에서의 분산도가 균일치 못하고 부착성이 떨어지게 된다.

로의 내벽에 피복되어 복사열에 의한 방사효율을 향상시켜 주는 역할을 하는 상기 하소 크롬철광은 본 발명 내화도료에 적절한 비율로 함유되어야 하는 바, 그 함유량이 40중량%에 미치지 못하면 복사열에 의한 방사효율의 향상 효과가 작고, 70중량%를 초과하게 되면 상대적으로 결합제의 양이 적어져 시공시 로 내벽에 대한 부착율이 떨어지게 될 뿐 아니라, 로 내벽에 대한 결합 강도가 부족하여 열충격 등에 의해 쉽게 탈락하게 된다.

그리고, 본 발명의 내화도료에는 저온용 및 고온용의 2종류 결합제가 함유되는 바, 상기 저온용 결합제는 1000℃미만의 온도에서 사용되는 로에서, 고온용 결합제는 1000℃ 이상의 온도에서 사용되는 로에서 로의 내벽 표면에 대한 본 발명 내화도료의 결합력을 강화시키기 위하여 첨가되는 것이며, 그 결과 본 발명의 내화도료는 모든 공업용 로에서 그 사용 온도와 관계 없이 함께 사용할 수 있게 된다.

또한, 상기 두 종류의 결합제는 슬러리상의 본 발명 내화도료에 점착력을 부여하여 공업용 로의 내벽에 도포었을 때 분사도포된 내화도료가 로 내벽으로부터 흘러내리거나 떨어져 이탈되지 않고 안정적으로 부착될 수 있도록 하는 역할도 수행하게 된다.

상기 저온용 결합제로서 첨가되는 붕사 또는 붕산은 350∼400℃의 온도에서 결정수를 잃어 무수물이 된 후 870∼890℃부근에서 용해되어 유리상이 되면서 결합제로 작용하게 되며, 고온용 결합제로 첨가되는 인산 또는 인산알루미늄은 1300∼1400℃정도의 고온에서 상기 저온용 결합제와 같이 가열에 의해 탈수되므로써 유리상과 같은 고분자 물질이 되면서 결합력을 갖게 된다.

상기와 같이 본 발명의 내화도료와 로 내벽 표면을 결합시키는 역할을 하는 상기 두 종류의 결합제는 그 총량으로서 10∼20중량%가 가장 적합한 바, 그 함량이 10중량%에 미치지 못하면 최초 분사 도포시 로 내벽으로부터 쉽게 흘러내리거나 안정하게 부착되지 못할 뿐 아니라, 열에 의해 갖게 되는 로 내벽에 대한 결합력이 부족하게 되어 열충격에 의해 쉽게 탈락되고, 20중량%를 초과하게 되면 하소 크롬철광의 부족으로 인하여 방사효율 향상 효과가 감소하게 된다.

또한, 저온용 결합제와 고온용 결합제 각각의 함량은 5∼10중량% 범위에서 가감될 수 있는 바, 상기 총량 범위내에서 사용 대상 로의 온도에 따라 두 결합제의 비율을 조절한다.

상기와 같이 조성되는 본 발명의 내화도료를 스프레이건으로 공업용 로의 천정면을 포함한 로의 내벽면에 분사도포 하는 경우, 그 두께는 1∼2mm 가 바람직하며, 본 발명의 내화도료가 갖는 복사율을 측정한 결과 통상적인 내화재의 복사율에 비하여 훨씬 높은 0.85∼0.95를 나타낸다.

상기와 같이, 본 발명의 내화도료는 높은 복사율을 나타내기 때문에 공업용 로의 내벽면에 도포되는 경우 도포되지 않은 때보다 더욱 많은 에너지를 방출하게 되며, 그에 따라 피가열물이 흡수하는 에너지도 증가하게 되어 피가열물에 요구되는 온도에 신속히 도달되므로써 연료의 사용량이 절감될 수 있게 된다.

본 발명 내화도료의 특성 및 구체적인 작용 효과는 다음의 실시예를 통하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이나, 본 발명의 내화도료가 다음의 실시예에만 한정되지는 않는다.

실시예

200메쉬 이하의 크롬철광 분말 55중량%와, 저온용 결합제로서 붕산 7중량%와, 고온용 결합제로서 인산알루미늄 8중량%와, 잔점토 2.9%와, 인산소다 0.1% 및 잔량의 물을 혼합하여 본 발명의 내화도료를 만들었으며, 이때, 상기 잔점토와 인산소다는 내화도료의 점착력 향상을 위하여 참가되었으나 첨가되지 않아도 된다.

상기 내화도료를, 로내 온도가 1200∼1300℃이며 산화성 분위기가 형성된 공업용 로의 내벽 1m²에 1.5mm두께로 도포하였으며, 본 발명 실시예의 내화도료와 특성 비교를 하기 위하여 서로 겹쳐지지 않도록 종래의 탄화규소계 열방사성 도료를 상기 로의 내벽에 동일한 조건으로 도포하였고, 상기 두 도료 도포면을 완전히 거조시킨 후 로를 재가동하여 20시간 및 50시간 경과시점에서 광학 온도계로 상기 로 내벽의 각 부위별 온도를 측정하였으며, 그 결과는 다음의 표 1과 같다.

구 분	실시예 도료 도포면	종래 도료 도포면	도료 미도포면(내화재면)
온도(20시간)	1260℃	1252℃	1240℃
온도(50시간)	1260℃	1244℃	1240℃

상기 표 1로부터 본 발명의 내화도료가 종래의 탄화규소계 도료 도포면에 비하여 열방사성이 우수한 것을 알 수 있으며, 로의 재가동 시간이 길어짐에 따라 본 발명 내화도료의 도포면과 도료 비도포면은 온도의 변화가 없는 것으로 측정되었으나 탄화규소계 도료가 도포된 면의 온도는 다소 떨어진 것으로 측정되었는 바, 이는 고온의 산화성 분위기에 노출된 탄화규소계 코팅층의 표면부에 있는 탄화규소가 산화되어 흑도(복사율)가 떨어지므로써 발생되는 현상으로 판단된다.

또한, 이어서, 공업용 로의 가동을 정지하고 로 내부의 냉각이 이루어진 후 유관을 통해서 로 내벽의 각 부위를 관찰해 본 결과, 본 발명의 도료 코팅부위는 최초 도료 도포시 색상인 흑색 그대로를 유지하고 있었으나, 탄화규소계 도료 도포면은 원래의 색상에 비해 흑도가 상당히 떨어지고 표면부가 유리질화되어 있음이 확인되었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 크롬철광을 기재로 하는 열방사성 내화도료는 통상의 내화재 뿐 아니라 종래의 탄화규소계 도료에 비하여 높은 복사율을 나타내며, 두 종류의 결합제가 사용되므로써 로의 사용 온도에 제약받지 않고 사용될 수 있고, 산화분위기에서 가동되는 공업용 로에서도 장시간 가동에 따른 복사율의 저하가 없어 사용연료가 절감될 수 있는 장법을 가진다.

또한, 본 발명의 내화도료는 로의 내벽면에 피복층을 형성하여 내벽면이 용탕 등과 직접 접촉되는 것을 방지하면서 열차단막의 역할을 수행하므로써 내화재의 수명을 연장시켜 주는 부수적인 이점도 있다.

Claims (2)

1. 공업용 로의 내벽면에 도포되며 크롬철광이 함유된 열방사성 도료에 있어서, 200메쉬 이하의 크기로 분쇄되며 1000∼1200℃의 온도에서 하소된 분말상 크롬철광 40∼70중량%와; 저온용 결합제로서 붕사나 붕산 중의 어느 하나 5∼10중량%와; 고온용 결합제로서 인산이나 인산알루미늄 중의 어느 하나 5∼10중량% 및 잔량의 수분으로 조성된 것을 특징으로 하는 공업용 로의 내벽면 도포용 열방사성 내화도료.
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