KR100558654B1

KR100558654B1 - 공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100558654B1
Application number: KR1020030092921A
Authority: KR
Inventors: 범진형
Original assignee: 박민규; 조선내화 주식회사
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2006-03-14
Also published as: KR20040064597A

Abstract

본 발명은 고온가열을 요하는 각종 공업용 로(爐) 내부에 내장하는 단열벽돌 의 내부쪽에 대해 흑도(흑색의 채도:color saturation)가 높은 물질을 코팅함으로써, 복사율을 높여 에너지를 절약할 수 있는데 적합한 단열벽돌에 관한 것이다.

이에 따른 구성은 고온가열을 요하는 공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌에 있어서, 로 내부에 접하는 단연벽돌의 내부쪽에 흑도(흑색의 채도)가 0.85 이상인 흑화피막층이 형성 됨을 특징으로 하는 공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌로 이루어지며, 상기 흑화피막층을 형성함에 있어서는 산화철(Fe₂O₃또는 FeO), 산화크롬(Cr₂O₃), 산화망간, 산화티타늄, 코발트 중 적어도 1종이 2∼100중량%이고, 나머지가 산화알루미늄,산화규소, 산화지르코니아, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화나트륨, 탄화규소, 탄소 중 적어도 1종이 98중량% 이하로 조성된 원료에 물, 알코올, 석유 등의 용매를 혼합한 조성물을 단열벽돌의 한쪽면(로 내부에 접하는 면)에 도포한 후 소성(500∼1700℃에서 1∼7시간)하는 단계하여 이루어지는 제조방법으로 구성된다.

공업용 로. 단열벽돌

Description

공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌 및 그 제조방법{heat insulation brick made construction in furnace for industrial use ＆ method for manufacfure the same}

도1은 본 발명의 내화 단열벽돌 구조도

도면의 주요부분에 대한 부호설명

1: 단열벽돌 2: 흑화피막층

본 발명은 고온가열을 요하는 공업용로에 사용되는 단열벽돌에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로내면에 접하는 단열벽돌 내부쪽 면을 흑도(흑색의 채도,흑체)를 높게 함으로써 복사율을 높여 에너지를 절약하는데 적합한 단열벽돌 및 그 제조방법에 관한 것이다.

고온 가열을 요하는 열풍로(hot stove), 소각로, 가열로 등과 같은 각종 공업용로(工業用爐)의 내부 축조에 단열벽돌이 이용된다.

상기와 같은 각종 공업용로에 이용되는 단열벽돌은 샤모트(chamotte)질, 알루미나질, 알루미나-실리케이트질, 지르코니아질과 같은 금속산화물을 주원료로한 단열재로서 사용되고 있으며, 이들 단열재는 단열효과가 높은 반면에 복사율이 낮아 복사에너지를 사용하는 가열로의 경우 많은 에너지를 사용하여야만 한다.

상기와 같은 금속산화물을 이용한 대부분 단열벽돌은 흑도(흑색의 채도)가 0.6∼0.8수준[완전히 검은색은 100% 복사율(emissivity)또는 방사율이라 하고, 100% 복사율을 1 이라 한다]이다.

기존의 단열벽돌은 상기와 같은 원료를 이용하여 제조하여 이를 그대로 축조하여 사용하고 있다.

공업로에 관한 예로서 일반적인 납사 크레커의 분해로는 1기당 약 30Gcal/hr의 에너지를 소모하고 있으며, 이를 방카C유로 환산하면 약 70억원에 해당한다.

대한민국에 존재하고 있는 회사로서 대한유화의 경우 8기의 분해로를 가지고 있으며, 약 560억원의 에너지가 소모되고 있는 것으로 추정할 수 있다.

공업로에 있어서의 열 방사 에너지의 크기는 온도의 상승과 함께 급격히 증대하고, 고온에 있어서는 열방사에 의한 전도율이 지배적이다.

공업가열로에서는 로내 온도가 800℃부근에서 근적외선과 원적외선의 비율은 약 반으로 된다. 로내온도가 1000∼1300℃로 상승하면 근적외선이 점하는 비율이 90%이상이고, 그외 5% 전후의 광성분(가시광)이 발생한다. 따라서 근적외선을 흡수하는 물질이 아니면 복사율에 의한 열효과는 기대 할 수 없다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각종 공업로 내부에 접하는 단열벽돌 내부쪽에 대해 흑도(흑색의 채도)를 높게함으로써, 복사율을 높여 에너지를 절약할 수 있는데 적합한 단열벽돌 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고온가열을 요하는 각종 공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌에 있어서, 로 내부에 접하는 단열벽돌의 내부쪽을 흑도(흑색의 채도)가 0.85이상으로 된 흑화피막층이 형성 됨을 특징으로 하는 공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌로 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 단열벽돌 구조를 나타낸 것으로, 기존의 단열벽돌(1) 형상에 로내면에 접하는 단열벽돌 내부쪽에 흑도(흑색의 채도)가 0.8이상, 바람직하게는 0.85∼1.0으로 된 흑화피막층(2)을 갖는 단열벽돌로 된다.

본 발명에서 에너지 흡수와 색과의 관계를 살펴보면, 일반적으로 얼음은 빛이 투과하므로 무색투명하나 이것을 파쇄하면 진백색이 된다. 물체가 하얗게 빛난다라는 것은 가시광의 전파장을 되돌린다. 즉, 반사한다는 것이고, 물체가 검게 보인다라는 것은 가시광의 전파장을 취입한다. 즉, 흡수한다라는 것이다. 눈은 초봄에도 여간해서는 녹지 않으나 눈위에 모래를 뿌리면 잘 녹는데, 눈은 태양광을 반사하지만 모래는 빛을 흡수해서 온도를 올리기 때문이다. 이러한 원리를 이용한 것이 본 발명의 흑도(흑색의 채도)와 관련이 있는 것이다.

열복사(thermal radiation)는 물질을 구성하는 원자 집단이 열에 의해서 들뜨게 되어 그 결과 전자기파를 복사하는 현상을 말한다.

열복사의 세기는 물체의 종류와 온도에 따라서 결정되는데, 온도가 놀을 수 록 커진다. 그러므로 고온인 물체 부근에 저온인 물체가 있으면 저온 물체가 복사선의 일부를 흡수하여 열로 변한다. 이 열을 복사열 또는 방사열이라 한다.

본 발명에 이용되는 단열벽돌은 상기에서 언급한 알루미나질, 알루미나-실리케이트질, 지르코니아질 등을 비롯하여 단열벽돌의 종류는 성분과 규격의 종류가 많기 때문에 어느 한 재질에 국한하지 않으며, 흑도(흑색의 채도)가 0.8이하의 재질이면 모두 적용 가능하다.

본 발명은 기존의 단열벽돌에 흑도(흑색의 채도)가 0.80이상이 되게, 바람직하게는 0.85이상의 흑도를 갖는 착색 원료를 피복하므로서 본 발명이 완성된다.

흑도(흑색의 채도)가 0.85이상되게 할 수 있는 물질로서는 각종 무기질(금속산화물, 탄화물 등)로서 500℃이상의 고온에서 착색이 가능한 원료를 들 수 있다.

각종 무기질 원료로서는 산화철(Fe₂O₃, FeO), 산화크롬(Cr₂O₃), 산화망간, 산화티타늄, 코발트 중 적어도 1종이 2중량% ∼100중량% 사용할 수 있다(이하"주성분"이라 칭하기로함).

본 발명은 상기한 주성분만을 적어도 1종 선택하여 사용할 수 있을 뿐만 아니라. 이하에서 설명되는 부성분과도 혼합하여 사용할 수 있다.

즉, 본 발명은 상기한 산화철(Fe₂O₃, FeO), 산화크롬(Cr₂O₃), 산화망간, 산화티타늄, 코발트 중 적어도 1종을 2∼100중량% 사용할 수도 있으며, 상기 주성분이 100중량%가 아닐 때는 여기에 산화알루미늄,산화규소, 산화지르코니아, 산화마그네 슘, 산화칼슘, 산화나트륨, 탄화규소, 탄소 원료 중 적어도 1종을 95중량% 이하로 혼합하여 사용할 수 있다(이하"부성분"이라칭하기로 함).

본 발명은 상기한 주성분사이 및 부성분사이의 혼합비율에 관계없이 흑도(흑색의 채도)가 0.85이상이면 가능하므로 주성분끼리 또는 부성분끼리의 혼합비율은 특정하지 않는다.

상기 원료에서 주성분인 산화철(Fe₂O₃, FeO), 산화크롬(Cr₂O₃), 산화망간, 산화티타늄, 코발트는 흑도(흑색의 채도)를 높임에 따라 복사율을 높일 수 있으며, 부성분인 산화알루미늄,산화규소, 산화지르코니아, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화나트륨, 탄화규소, 탄소 원료는 주성분들과 반응시 더욱 착색의 효과를 높일 수 있다.

본 발명은 흑도(흑색의 채도)가 높을수록 복사율이 높다는 것을 인식하고 500℃ 이상의 내열성을 가지는 무기질 원료를 주성분으로 하여 내화 단열벽돌의 한쪽 이상의 면을 흑체에 근접하게 처리하여 기존의 단열효과를 그대로 유지하면서 복사율을 높여 에너지를 절감하게 할 수 있다.

또한 본 발명은 상기한 단열벽돌을 제조함에 있어서는 혼합-성형-건조-착색재 도포(상기한 본 발명의 원료를 이용하여 도포)-소성하거나, 또는 원료 혼합-성형-건조-소성-1차제품(단열벽돌)-착색재 도포(상기한 본 발명의 원료를 이용하여 도포)-소성하는 공정으로 이루어진다.

이를 보다 상세히 설명하면, 샤모트질, 알루미나질, 알루미나-실리케이트질, 지르코니아질 등 널리 실시하고 있는 기존의 원료를 이용하여 일정형태의 벽돌이 되게 공지의 방법으로 성형하고, 건조한다.

이어서 상기 건조된 단열벽돌의 내면 한쪽면에 상기한 본 발명의 흑체 원료를 석유, 알코올, 물 등의 용매와 혼합하여 도포한다. 도포 수단으로서는 스프레이, 브러싱, 침지, 롤링 등의 도포 방법을 이용한다.

상기 도포된 단열벽돌을 500∼1700℃ 온도에서 1시간∼7시간 소성한다.

상기와 같이 소성하게 되면 흑화피막층 성분이 단열벽돌 내부로 확산되어 일체를 이루기 때문에 흑화피막층과 단열벽돌이 이질층을 형성하는 것이 아니라 벽돌의 일부분이 흑체를 갖게함으로서 내구성과 복사율을 높일 수 있으며, 사용과정에서 흑화피막층이 탈락되는 문제점을 근본적으로 제거될 수 있다.

소성온도의 결정은 흑화피막층을 이루는 원료에 따라 다르긴 하지만 단열벽돌의 최고 사용 온도보다 낮게하고, 가장 양호한 온도는 최고 사용 온도보다 200∼300℃ 낮은 온도에서 실시했을 경우이고, 단열벽돌이 사용되는 온도보다 50∼100℃ 높은 온도에서 소성(열처리)했을 때 높은 흑색의 채도와 복사율, 내구성 측면에서 가장 유리하다.

소성온도가 낮으면(500℃이하) 소결현상이 일어나지 않아서 단열벽돌과 반응되지 않으므로 일체를 이루지 않아서 결합력이 낮아 쉽게 탈락되어 떨어져 버릴 수 있으며, 또한 각 성분의 상호반응이 일어나지 않아서 착색의 효과도 떨어진다.

소성온도가 고온일 경우(1700℃)는 예로서 초고온용 단열벽돌에 주성분이 5∼10중량%이고, 알루미나가 90∼95중량%인 원료를 사용하여 흑화피막층을 입힐 때 1650℃ 정도가 되어야 부착강도가 발현되고 단열층과 흑화피막층이 일체를 이룰 수 있기 때문이다. 그 이상의 온도에서도 효과를 발현할 수 있지만 너무 높으면 액상이 생성되어 흑색의 채도가 낮아져 복사율이 낮아지는 문제점이 있어 실제적으로 실시할 만한 가치가 없어서 1700℃ 이하로 제한 한다.

또한 소성시간은 소성온도와 상관관계가 있는 것으로, 온도가 높으면 시간을 짧게하고, 온도가 낮으면 시간을 길게하므로서 상기에서 언급한 바와 같이, 소성온도의 높고 낮음에 따른 영향과 유사한 관계를 갖는다.

즉, 소결시간이 짧으면(1시간 이하일 경우)소결현상이 일어나지 않아서 결함력이 낮아 쉽게 탈락되어 떨어져 버리며, 또한 각성분간의 상호반응이 일어나지 않아서 착색의 효과도 떨어지며, 시간이 너무 길어지면(7시간 이상)액상이 생성되어 흑색의 채도가 낮아져 복사율이 낮아진다.

이상의 제조를 통한 본 발명의 단열벽돌은 흑도(흑색의 채도)가 바람직하게는 0.85이상이 되면 3∼5%의 에너지 절약을 유도 할 수 있어 분해로 1기당 약 1∼1.5Gcal/hr를 절감 할 수 있으며, 이를 금액으로 하면 약 2∼3.5억원에 해당 한다.

(표 1)은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 절감효과를 나타낸 것이다.

하기 (표 1)은 납사 클래커 분해로 1기 기준(흑색의 채도0.6 정도의 단열벽돌의 로내면을 흑화피막층을 형성)으로 실시한 것이다. 하기 (표1) 및 (표2)는 모두 흑화피막층 형성후 소성처리한 것에 대한 흑도, 소모에너지, BC유로 환산한 금액 등 실시효과를 나타낸 것이다

구성성분	실시예6	실시예7	실시예8	실시예9	실시예10	실시예11	실시예12
산화철	95	50
산화크롬			85				50
산화망간				90
산화티타늄						75
코발트					60
탄화규소						5
카본							2
산화알미늄	5	40	15		35	15	40
산화규소		10		10	5	5	8
기타
합계	100	100	100	100	100	100	100
흑도	0.94	0.92	0.96	0.95	0.90	0.97	0.95
소모에너지 (Gcal/시간)	28.6	28.9	28.5			28.5	28.6
BC유로환산한 금액(억원/년)	66.72	67.43	66.5	-	-	66.48	66.73
실시효과 (금액절감 비율%)	4.68	3.67	5.0			5.02	4.67

이하의 (표3)은 상기 실시예(실시예5, 실시예2, 실시예3, 실시예1, 실시예7, 실시예8, 실시예10,실시예12)를 대상으로 하여 소성(열처리)에 따른 접착성 시험을 나타낸 것이다.

		비교	비교2	1-1	2-2	3-3	5-5	7-7	8-8	10-10	12-12	미실시
소성 조건	온도 (℃)	150	450	550	1100	1250	1300	1450	1550	1650	1680	-
소성 조건	시간 (h)	24	10	5	5	3	3	3	1	2	1	-
접착 강도 (kg/cm²)	900 (℃)	6	15	31	53	77	75	-	-	-	-	4
	1500 (℃)	5	13	27	51	65	68	72	71	74	-
	1650 (℃)	6	13	25	-	-	-	69	70	73	75	5
비고		접착강도취약		본 발명의 실시예는 내구성 1년 이상의 접착강도 발현								접착강도취약

이상에서와 같이, 흑화피막층의 원료에 따라 소성온도가 다르긴 하지만 흑도가 0.99였던 실시예5(5-5)의 경우 550℃에서 최고 사용온도가 900℃인 단열벽돌에서 32kg/cm² 이상의 높은 접착강도가 나타낸다.

하기 (표4)는 실시예5(5-5포함)와 흑화원료만을 현장에서 스프레이하였을 경우에 대해 실험한 것이다.

구분	본 발명	비교품(현장스프레이)
결합강도(kg/cm²)	30 이상	10 이하
내구성	1-5년	10개월 이하
흑도	0.99	측정불가
성분	본 발명의 실시예5(표1)및 5-5(표3)	-
효과(에너지 절감)	에너지 절감5.33% 1년이상 지속	6개월후 1%이하로 떨어짐
비고	1년후 95%이상부착 1년이후 효과95%이상 유지	6개월후 50%이하 부착 9-6개월후 효과30% 이하

본 발명과 비교품의 비교는 납사클레커 분해로에서 실험한 것이고, 흑화피막층의 도포는 롤링 방법으로 한 것이며, 최고 사용온도 1500℃ 벽돌에 적용하였을 때의 결과이다.

상기 (표4)에서 알 수 있는바와 같이, 소성 열처리 공정없이 현장에서 흑화피막층만을 형성한 비교품 경우의 결합강도 및 내구성, 에너지 절감효과는 소성처리한 것에 비하여 뒤떨어짐을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 0.8이하의 흑도(흑색의 채도)를 갖는 종래의 단열벽돌 표면에 흑도(흑색의 채도)가 0.80 이상, 바람직하게는 0.85 이상이 되는 흑도를 갖는 흑화피막층을 형성시키므로서 복사율 증대로 에너지 절약을 갖는 산업용 가열로 등의 단열벽돌을 얻게 된다.

Claims

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고온가열을 요하는 공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌에 있어서, 산화철(Fe₂O₃또는 FeO), 산화크롬(Cr₂O₃), 산화망간, 산화티타늄, 코발트 중 적어도 1종이 5∼95중량%이고, 나머지가 산화알루미늄,산화규소, 산화지르코니아, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화나트륨, 탄화규소, 탄소 중 적어도 1종이 5∼95중량%로 조성된 원료에 물, 알코올, 석유 중 적어도 1종의 용매를 혼합하는 단계,

상기 혼합 조성물을 로 내부에 접하는 단열벽돌의 내부쪽에 도포하여 흑화피막층이 형성되게 하는 단계,

상기 흑화피막층이 형성된 단열벽돌을 500∼1700℃에서 1∼7시간 소성하는 단계로 하여 흑화피막층의 흑도(흑색의 채도)가 0.85∼0.99가 되도록 함을 특징으로 하는 공업용 로(爐)에 내장되는 단열벽돌의 제조방법.
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