KR100566306B1 - 마이크로파 소성로용 내화단열재 및 코트재 - Google Patents

Abstract

마이크로파의 조사에 의해서 피소성물을 자기발열로 소성하기 위한 마이크로파 소성로용 내화단열재이다. 기재(基材)의 한 면에 발열층이 설치되어 있고, 기재는 무기섬유질재료를 주성분으로 하고, 발열층은 뮬라이트를 주성분으로 한다. 뮬라이트에 더하여, 발열층이 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질을 포함하더라도 좋다. 또한, 발열층이, 무기결합재를 포함한다. 그 무기결합재가, 뮬라이트만을, 또는, 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질과 뮬라이트를, 피막형상으로 연속하여 덮고 있다.

Description

마이크로파 소성로용 내화단열재 및 코트재{A REFRACTORY INSULATING MATERIAL FOR MICROWAVE SINTERING FURNACE AND COATING MATERIAL}

도 1(a)은 발열이 충분하였던 발열층의 미소구조를 나타내는 주사형 전자현미경사진이다.

도 1(b)은 발열이 불충분하였던 발열층의 미소구조를 나타내는 주사형 전자현미경사진이다.

도 2(a)는 발열이 충분하였던 발열층의 미소구조를 나타내는 모식도이다.

도 2(b)는 발열이 불충분하였던 발열층의 미소구조를 나타내는 모식도이다.

도 3은 본 발명의 1개의 실시예에 관한, 승온특성을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 무기결합재 2 : 뮬라이트

3 : 미분

본 발명은, 마이크로파의 조사에 의해서 도자기재료나 파인세라믹재료 등의 피소성물을 자기발열에 의해서 소성을 하기 위한 로(爐)벽재로서 사용하는 데 적합한 내화단열재 및 코트재에 관한 것이다.

종래, 피소성물의 소성에는, 전기로나 가스로 등이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 이러한 외부로부터의 가열에 의한 소성의 경우에는, 피소성물의 표면과 내부와의 사이에서 온도차가 커지지 않도록 로(爐)내 온도를 완만하게 상승시키는 것이 필요하였다. 이 때문에, 소성시간이 길어진다는 문제가 있었다.

그래서, 이러한 문제를 해결하기 위해서, 마이크로파에 의한 피소성물의 소성법이 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평 6-87663호 등). 이 방법은, 소성시간의 단축이나 분위기의 제어성 등에 뛰어나고, 환경부하의 저감 등의 요구와 함께, 장래의 소성법으로서 주목을 모으고 있다.

마이크로파소성의 경우, 마이크로파가 피소성물에 흡수되어, 피소성물이 자기발열하기 때문에, 피소성물의 표면과 내부와의 사이에서 온도차는 작아진다. 따라서, 소성시간의 단축이 가능함과 동시에 피소성물의 균일한 소성이 가능하다.

또한, 마이크로파에 의한 피소성물의 자기발열에 의한 소성에 있어서, 피소성물과 등가인 마이크로파흡수특성을 갖는 내화단열재로 피소성물을 둘러싸고, 피소성물의 방사냉각에 의한 온도구배의 발생을 억제함으로써, 피소성물의 보다 더 균일한 소성이 가능하다.

그러나, 피소성물과 등가인 마이크로파흡수특성을 갖는 내화단열재로 피소성물을 둘러싸고 소성한 경우에는, 마이크로파의 에너지가, 피소성물을 둘러싼 내화단열재에서도 소비된다. 그 때문에, 소성에 필요한 에너지량이 증대하여 버린다.

또한, 내화단열재에 소비되는 마이크로파의 에너지를 작게 하기 위해서 내화단열재의 두께를 작게 하면, 방사냉각에 의해서 내화단열재로부터 외부로 잃게되는 열에너지량을 무시할 수 없게 되어, 피소성물과 내화단열재와의 사이에 온도구배가 발생하여 버린다고 하는 문제가 있었다.

상기 마이크로파소성법은, 피소성물의 균일소성 및 마이크로파의 에너지량저감이라는 점에서, 이미 상당히 높은 수준에 달해 있다.

그러나, 한정된 마이크로파의 에너지량으로 보다 많은 피소성물을 소성시키기 위해서는, 상기 마이크로파소성법을 행하는 데 적합한, 보다 고성능의 내화단열재가 요청되는 것은 말할 필요도 없다. 즉, 내화단열재가, (1)피소성물과 같이 마이크로파흡수에 의해서 발열하면서도, 방사냉각에 의해서 발생하는 피소성물과의 사이의 온도구배를 보다 작게 하는 것과 같은 우수한 단열성을 갖고, (2)전체로서의 마이크로파흡수가보다 작고, (3)단시간에서의 승온 및 냉각이라는 사용환경에 대하여 우수한 내스폴성을 갖는 것이 요구된다.

본 발명의 목적은, 마이크로파의 조사에 의해서, 자기발열로 피소성물을 소성시키기 위한 로벽재로서 적합한, 고성능인 내화단열재 및 코트재를 제공하는 것이다.

본 발명이 바람직한 형태를 예시하면, 다음과 같다.

(1)마이크로파의 조사에 의해서 피소성물을 자기발열로 소성하기 위한 마이 크로파 소성로용 내화단열재로서, 기재의 한 면에 발열층이 설치되어 있고, 기재는 무기섬유질재료를 주성분으로 하고, 발열층은 뮬라이트를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 내화단열재.

(2)발열층이, 뮬라이트에 더하여, 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 상술의 내화단열재.

(3)발열층이, 뮬라이트와 무기결합재를 포함하고, 또는, 발열층이, 뮬라이트와 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질과 무기결합재를 포함하고, 더구나, 그 무기결합재가, 뮬라이트만을, 또는, 뮬라이트와 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질을, 피막형상으로 연속하여 덮고 있는 것을 특징으로 하는 상술의 내화단열재.

(4)뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질이, 발열층의 발열량을 조정하는 것을 특징으로 하는 상술의 내화단열재.

(5)발열층이 무기섬유를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 상술의 내화단열재.

(6)무기섬유가 뮬라이트섬유인 것을 특징으로 하는 상술의 내화단열재.

(7)발열층이, 기재의 한 면에 접하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상술의 내화단열재.

(8)발열층을 구성하기 위한 코트재로서, 뮬라이트계 시멘트(Cement)에, 산화철, 마그네시아, 지르코니아 및 탄화규소 등의 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질을 1종 이상, 및 뮬라이트섬유를 첨가한 것을 특징으로 하는 코트 재.

본 발명자들은, 예의(銳意) 연구한 결과, 마이크로파소성에 있어서, 피소성물을 둘러싸기 위한 내화단열재를 기재와 발열층에 의해 형성하였다. 본 명세서에서는, 소성은 소결을 포함하는 것으로 한다.

우선, 발열층에 대해서 설명한다. 발열층은 뮬라이트를 주성분으로서 형성하는 것이 바람직하다. 마이크로파를 조사하였을 때에, 피소성물과 발열층의 표면온도를 실질적으로 동일하게 하는 것을 생각하면, 발열층은 피소성물과 같은 재질로 하는 것이 적절하다고 생각할 수 있다. 그러나, 피소성물이 도자기재료인 경우, 도자기재료는 1000℃ 부근에서 연화·수축하기 때문에, 발열층을 피소성물과 같은 도자기재질로 할 수는 없다. 한편, 뮬라이트는 도자기재료의 소성온도 이상의 온도영역에서의 내열성을 갖고 있는 동시에, 도자기에 가장 가까운 마이크로파흡수특성을 갖고 있기 때문에, 발열층의 구성성분으로서 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 발열층은, 그 구성성분으로서, 뮬라이트보다도 마이크로파흡수가 큰 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 피소성물인 도자기를, 그것에 가장 가까운 마이크로파흡수특성을 갖는 뮬라이트의 발열층으로 둘러싸고 마이크로파를 조사하면, 상기 피소성물과 발열층의 표면온도는 같아질 것이다. 그러나, 실제는, 발열층이 마이크로파에 의해서 얻는 열에너지량에 비교하여, 발열층으로부터 외부로 잃게되는 열에너지량을 무시할 수 없는 크기이다. 따라서, 발열층의 구성성분을 뮬라이트만으로 한 경우, 방사냉각에 의해서 발열층의 온도가 내려 버리기 때문에, 피소 성물과 발열층과의 사이에 온도구배가 생겨 버린다. 이상의 이유로부터, 발열층에, 뮬라이트 이외의 구성성분으로서, 뮬라이트보다도 마이크로파흡수가 큰 물질을 포함하게 하는 것에 의해, 발열층 표면과 피소성물과의 온도의 차분을 보상시키는 것이 바람직하다. 상기와 같은, 뮬라이트보다도 마이크로파흡수가 큰 물질로서는, 산화철, 마그네시아, 지르코니아, 탄화규소 등을 들 수 있다.

또한, 발열층은, 무기결합재가, 피막형상으로, 뮬라이트만을, 또는, 뮬라이트와 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질을, 피막형상으로 연속적으로 덮고 있는 구조인 것이 바람직하다.

발열층의 구성성분이 같더라도, 그 구조가 다르면 발열량에 차가 생기는 것이 판명되었다. 그 일례로서, 발열이 충분하였던 발열층의 미소구조와, 발열이 불충분하였던 발열층의 미소구조를 나타내는 주사형 전자현미경사진을 도 1에, 미소구조의 차이를 나타내는 모식도를 도 2에 나타낸다. 발열이 충분하였던 발열층의 미소구조는, 도 1 및 2의 a에 나타내는 바와 같이, 무기결합재(1)가, 뮬라이트(2)와 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질(즉 미분(3))을 피막형상으로 연속적으로 덮고 있다.

이 구조를 갖는 발열층을 사용한 경우, 발열층 및 피소성물의 표면부근의 온도가, 주파수 2.45㎓의 마이크로파조사개시로부터 약 100분 후에 1300℃에 달하였다.

이에 비하여, 발열이 불충분하였던 발열층의 미소구조는, 도 1 및 도 2의 b에 나타내는 바와 같이, 무기결합재(1)의 피막의 발달이 인정되지 않고, 무기결합 재에 의한 뮬라이트(2)와 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질(즉 미분(3))과의 결합이 부분적이다. 이 발열층을 사용한 경우는, 발열층 및 피소성물의 표면부근의 온도는 900℃까지 밖에 승온할 수 없고, 피소성물인 도자기재료를 소성할 수 없었다.

상술한 결과는, 발열층의 발열이, 무기결합재의 피막의 발달에 의한 입자끼리의 결합의 정도에 크게 의존하고 있는 것을 나타내는 일례이다. 이 예가 나타내는 바와 같이, 발열층을 구성하는 입자와 입자와의 결합이 적어, 입자끼리가 이산한 상태가 현저하면, 발열층의 발열이 불충분해서 소성물의 소성을 할 수 없다.

또한, 발열층에 내스폴링특성을 발현시키기 위해서, 보강재로서 무기섬유를 포함하는 것이 바람직하다. 마이크로파소성에 있어서는, 단시간에서의 승온, 냉각이 행하여지기 때문에, 열적 스폴링에 견디는 것이 요구된다. 보강재로서 무기섬유를 사용하는 것은, 내스폴링특성을 발현시키는 데 유효하다.

상술의 무기결합재(1)가, 뮬라이트(2)만, 또는 뮬라이트(2)와 미분(微分,3)과의 조합을 피막형상으로 덮고 있는 구조는, 무기섬유를 포함한 경우에, 한층 중요하다. 그 이유는, 섬유를 포함하면 밀도가 저하하여 발열효율이 저하하고, 이 발열의 저하를 피막형상구조가 보충하고 있다고 생각되기 때문이다.

보강재가 역할을 다하는 무기섬유로서는, 예를 들면, 알루미나실리카섬유, 알루미나섬유, 뮬라이트섬유가 바람직하다. 특히 뮬라이트섬유를 바람직하게 사용할 수 있다. 뮬라이트는 도자기재료에 가장 가까운 마이크로파흡수특성을 갖기 때문에, 보강재로서 사용하는 무기섬유도 뮬라이트질인 것이 특히 바람직하다.

다음에, 기재(基材)에 대해서 설명한다.

기재는, 마이크로파의 투과가 가능하고, 높은 단열성을 갖고 있는 재료를 바람직하게 사용할 수 있다. 마이크로파가 기재에 흡수되어, 에너지가 소비되어 버리면, 결과적으로, 피소성물의 소성에 필요한 에너지량이 현저하게 증대하여 버린다. 또한, 방사냉각에 의한 발열층의 온도강하를 막기 위해서, 기재는 높은 단열성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 기재는 높은 내스폴링특성을 갖는 것이 바람직하다.

이러한 특성을 만족시키는 기재로서는, 예를 들면, 알루미나실리카섬유를 주성분으로 하는 세라믹파이버보드를 들 수 있다. 세라믹파이버보드는, 마이크로파의 투과가 가능한 동시에, 우수한 단열성 및 내화성과, 높은 내스폴링특성을 갖고 있어 바람직하게 사용할 수 있다.

[실시예]

본 발명의 실시예를 설명하지만, 이것은 단지 예시이고, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

우선, 뮬라이트계 시멘트(Cement)에 산화철 및 뮬라이트섬유를 소량 첨가하여 혼합하여 코트재로 하였다.

다음에, 이 코트재를, 두께 40mm의 세라믹파이버보드(도시바모노 플랙스 가부시키가이샤제 FMX-17SR)에 2mm의 두께로 도포하였다. 그 후, 그것을 100℃에서 3시간 건조시켜, 1000℃에서 1시간 소성하여, 본 발명의 내화단열재를 얻었다.

다음에, 이 내화단열재를 사용하여, 발열층을 안쪽으로 하여, 300 × 600 × 300mm의 닫힌 공간을 만들었다.

다음에, 피소성물로서, 바깥지름 85mm, 안지름 75mm, 높이 85mm의 치수를 갖는 커피컵 형상의 도토(陶土)제 용기를 준비하였다. 이 도토제 용기를, 상술한 닫힌공간내에 두고, 주파수 2.45㎓의 마이크로파를 조사하였다.

이 때, 발열층 및 피소성물의 표면부근의 온도는, 실질적으로 동일하고, 마이크로파의 조사시간에 대략 비례하게 상승하여, 도 1에 나타내는 바와 같은 승온특성을 얻었다. 즉, 1300℃까지의 승온시간은 약 100분이고, 단시간에서 승온이 가능한 것을 확인하였다.

조사한 마이크로파는, 기재인 세라믹파이버보드를 투과하여, 주로 발열층 및 피소성물인 도토제 용기에 도달하여 흡수되어 발열한다. 발열층에 접하고 있는 세라믹파이버보드는 방사냉각 및 열전도에 의한 발열층으로부터 외부로의 열의 방출을 저감하는 동시에, 방사냉각 및 열전도에 의한 발열층의 온도강하에 의해서 생기려고 하는 발열층 표면과 피소성물과의 온도차분을, 발열층 안에 존재하는 산화철(뮬라이트보다도 마이크로파흡수가 크다)이 보상한다. 따라서, 도토제 용기와 발열층 표면의 온도가 실질적으로 동일하게 된다.

결과적으로, 열충격(Thermal Shock)에 의한 크랙을 발생시키는 일없이, 단시간에서 도토제 용기를 소성할 수가 있었다.

본 발명에 의하면, 피소성물을 둘러싸는 내화단열재에 소비되는 마이크로파의 에너지량이 저감할 수 있는 동시에, 피소성물과 발열층의 표면온도가 실질적으 로 동일하게 되어, 피소성물의 균일한 소성을 할 수 있다.

Claims (13)

1. 마이크로파의 조사에 의해서 피소성물을 자기발열로 소성하기 위한 마이크로파 소성로용 내화단열재로서,

   (a) 기재의 한 면에 발열층이 설치되어 있고,

   (b) 기재는 알루미나 실리카섬유를 주성분으로 하고,

   (c) 발열층은, 뮬라이트를 주성분으로 하고,

   (d) 뮬라이트가 입자이고,

   (e) 무기결합재가 피막으로서 발달하는 것에 의하여, 입자끼리의 결합이 확대되도록, 무기결합재가 입자를 피막형상으로 연속하여 덮고 있는 것을 특징으로 하는 내화단열재.
2. 제 1 항에 있어서, 발열층이, 뮬라이트에 더하여, 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질로서 산화철, 마그네시아, 지르코니아 및 탄화규소 중 1종 이상의 물질을 포함하며,

   뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 가지는 물질이 입자이고,

   무기결합재가, 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 가지는 물질의 입자를 피막형상으로 덮고 있는 것을 특징으로 하는 내화단열재.
3. 제 2 항에 있어서, 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 가지는 물질의 입자가, 뮬라이트의 입자에 비교하여 작은 미분(微粉)인 것을 특징으로 하는 내화단열재.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 뮬라이트보다도 큰 마이크로파흡수특성을 갖는 물질이, 발열층의 발열량을 조정하는 것인 것을 특징으로 하는 내화단열재.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 발열층이 알루미나 섬유, 알루미나 실리카 섬유, 뮬라이트섬유 중 1종 이상의 무기섬유를 포함하고, 무기결합재가 그 무기섬유를 피막형상으로 연속하여 덮고 있는 것을 특징으로 하는 내화단열재.
6. 제 5 항에 있어서, 무기섬유가 뮬라이트섬유인 것을 특징으로 하는 내화단열재.
7. 제 4 항에 있어서, 발열층이 알루미나 섬유, 알루미나 실리카 섬유, 뮬라이트섬유 중 1종 이상의 무기섬유를 포함하고, 무기결합재가 그 무기섬유를 피막형상으로 연속하여 덮고 있는 것을 특징으로 하는 내화단열재.
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