KR100580079B1 - 세라믹 열복사 단열코팅제의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스테인레스 강의 열처리 공정시 표면에 생성되는 폐기물인 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 산화물을 기계적으로 분쇄하여 복합산화물 분체를 얻고, 상기 복합산화물 분체에, 1000도 이상에서의 안정적인 고온용 복사물질인 세륨 옥사이드(CeO2)와 결합분산제로 퓸드 실리카(fumed silica) 및 물을 혼합하여 로벽 부착성이 우수하고 전온도 영역에서 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 스테인레스 강의 후판 또는 빌렛 제조 공정중에서 고온 열처리 공정시 금속산화에 인해 발생되는 폐기물인 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 산합물을 입도 분쇄하여 고효율의 복사능을 가지는 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 화합물 분체를 제조하고 이 분체에 상용의 세륨 옥사이드를 혼합하고 이들 혼합 화합물을 이용하여 복사단열 코팅제를 제조함으로써, 고효율 복사물질과 복사단열코팅제의 경제적인 제조방법을 제공할 수 있으며, 본 발명의 복사단열 코팅제를 제반 산업현장의 공업로에 채용함으로써 열효율성 향상을 통한 산업 경쟁력 향상을 유도할 수 있다.
스테인레스 강, Fe-Cr-Ni-Co계 복합산화물, 세륨 옥사이드 내화물

Description

세라믹 열복사 단열코팅제의 제조방법{METHOD OF PREPARING CERAMIC THERMAL RADIATION COATING MATERIAL}
본 발명은 스테인레스 강의 빌렛 또는 후판 표면의 열처리 공정시 표면에 생성되는 복합산화물(Fe-Cr-Ni-Co계 산화물)로부터 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테인레스 강의 빌렛 또는 후판 표면의 고온 열처리 공정시 금속산화에 의해 표면에 생성되는 복합산화물을 이용하여, 로벽 부착성이 우수하고 동시에 전온도 영역에서 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 들어 공업용 요로를 사용하고 있는 국내외 산업현장에서 열에너지 절감을 위해 열복사 단열코팅제가 주로 사용되고 있으며, 기존의 열복사 단열코팅제로 주로 각광을 받고 있는 재료인 크로마이트(chromite; FeCr2O4; 복사율 0.95)는 단일 화합물로 천연에 존재하지 않으며, 주로 천연으로 산출되는 크롬철광에 많이 포함되어 있다.
이러한 크로마이트의 높은 열복사 특성을 이용하기 위하여, 일본특허공개 소 63-29712호에서는 이들 크로마이트 성분이 소량 포함된 천연 크롬광을 복사 단열재용 도료의 주요 복사재 필러(filler)로 채용하고 있다.
그러나, 고가의 천연 크롬광만을 주원료로 채택하는 이 방식은 내화도료의 값이 비싸 경제성이 떨어지는 단점이 있으며 또한 이들 크로마이트계 산화물들은 1100도 이상의 고온에서 환원 분위기 유지시 크롬 화합물이 증발하여 장기적인 열복사 효율이 저감될 수 있는 단점이 있다.
한편, 국내 특허 제10-383101호에서는, 크롬계 산화물이 함유되어 있는 폐 마그크로 연와를 "미분쇄후 부유선광"을 통하여 크롬성분이 많은 부분을 선별 채취하고, 그 채취물을 천연 크롬광에 일정량 첨가한 혼합물을 주요 복사물질로 하여 복사 코팅재를 제조할 수 있다고 기재하고 있다.
그러나, 이 방법은 비용 절감을 목적으로 천연 크롬광에 폐마그크로 연와로부터 단순 분쇄 및 부유선광을 통해 얻어진 분쇄물을 첨가하는 방식을 이용하고 있으나 기술적으로 실현 가능성이 떨어진다.
그 이유로는, 이 방법에서의 사용되는 폐 마그크로 연와로부터의 크롬성분 제거방식은 폐연와 분쇄물내 화합물 성분간의 비중차이를 이용, 부유선광을 통한 고농도의 크롬화합물의 추출을 전제로 하고 있으나, 마그크로 연와의 미세구조상 고온에서의 연와 소성공정에 의해 대부분의 연와내 크롬성분은 주요 연와성분인 마그네시아와 별개로 존재하지 않고 확산을 통하여 마그네시아 클링커 입자내에 균질하게 스피넬화합물 형태로서 존재하며, 또한 각각의 화합물간의 비중차가 거의 나지 않기 때문이다.
따라서, 이들 크롬-rich 화합물상을 분쇄를 통하여 부유선광 한다는 것은 기술적으로 실현가능성이 없으며, 실제로 이러한 부유선광 설비를 갖추기 위해서는 대규모 설비가 소요되므로, 오히려 복사 코팅재용 필러 물질의 수요물량을 감안할 때 천연 크롬광만을 채용하는 것보다 오히려 경제성이 떨어지며 동시에 위에서 언급한 바와 같이 1100도 이상에서의 장기 열복사 성능이 저하되는 것을 피할 수 없다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기존 크롬광이나 또는 폐마그크로 등을 정제하는 것보다 경제적이면서도 기술적으로 간단하게 스테인레스 제강/열연공정 등에서 빌렛 또는 후판 제조시 폐기물로서 발생되는 Fe-Cr-Ni-Co계 복합산화물로부터 저가의 크롬함유 원료를 얻고, 또한 얻어진 크롬함유 복합산화물을 이용하여 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
동시에 본 발명은 1000도 이상의 온도에서 안정적이며 또한 열복사 효율이 우수하다고 알려진 세륨 옥사이드를 첨가해줌으로써 고온에서의 장기 열복사 효율이 유지되는 열복사 코팅제를 제조하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 스테인레스 강의 열처리 공정시 표면에 생성되는 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 산화물을 기계적으로 분쇄하여 복합산화물 분체를 얻는 단계;와, 상기 입도가 제어된 복합 산화물 분체에 고온용 복사 물질인 세 륨 옥사이드를 일정량 첨가하는 단계; 및 결합 분산제로 퓸드 실리카(fumed silica) 및 물을 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 기술한다.
우선, 스테인레스 강의 열처리 후 페기물로서 얻어지는 표면 Fe-Cr-Ni-Co계 복합산화물을 일정량 채취하고, 볼밀 공정 등의 기계적인 분쇄를 통하여 분체를 얻는다.
이때, 복합산화물 분체의 크기에 제한은 없으나, 200nm 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 50nm 내지 150nm 범위내인 것이 더 바람직하며, 분체의 크기가 200nm를 넘어서게 되면 코팅액 제조시 분산성이 저하되어 침전물이 발생하기 쉽다.
스테인레스 제강/열연제품은 일반적으로 1000℃ 내지 1200℃의 높은 온도에서 열처리 되며, 이때, Fe-Cr-Ni-Co계 복합산화물이 스테인레스 강 표면에 생성되어 중간 제품 이송중 표면에서 탈락된다.
상기와 같은 방법으로 얻어진 Fe-Cr-Ni-Co계 복합산화물 분체에, 1000도 이상에서의 고온에서 안정적인 복사물질인 세륨옥사이드 분말을 일정량 첨가하고 결합제와 분산제 역할을 동시에 할 수 있는 퓸드 실리카와 물을 혼합/교반하여 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조한다.
상기 퓸드 실리카는, 전체 단열코팅제(용액)에 대하여 0.01 내지 3 중량%, 더 바람직하게는 0.01중량% 내지 2중량%, 보다 더 바람직하게는 0.01중량% 내지 1.5중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 1.0중량%의 양으로 사용된다. 퓸드 실리카의 함량이 0.01중량% 보다 작으면 입자간 부착성 및 내열성이 저하되며 3중량%보다 많으면 복사효율이 감소하게 된다.
상기 퓸드 실리카는 상온 및 고온에서의 도료내 복사물질 및 도료와 내화물과의 결합분산제로서 작용하며, 바람직하게는 7 내지 100nm, 보다 바람직하게는 7 내지 50nm크기의 평균입경을 갖는 것이 사용될 수 있다. 퓸드 실리카의 입경이 7nm 미만인 경우 소량의 첨가만으로도 코팅제의 점도 제어가 힘들어지며, 100nm를 초과하면 실리카의 결합성이 저하된다.
상기 물은 단열 코팅제에 대하여 20 내지 50중량%, 더 바람직하게는 28 내지 48중량%의 양으로 혼합된다.
만약 혼합되는 물의 양이 20 중량% 미만일 경우 과다한 고체 분율로 인해 고상성분의 분산 및 코팅시 흐름성이 저하되며, 50중량%를 넘으면 코팅제를 구성하는 액상과 고상의 분리가 일어나기 쉽다.
또한, 상기 Fe-Cr-Ni-Co계 복합산합물과 세륨 옥사이드는, 상기 퓸드 실리카와 물을 제외하고 단열코팅제가 100중량%가 되도록 사용한다.
상기 교반은 통상의 교반기를 사용하여 실시할 수 있으며, 교반 시간은 24시간 이상 실시하며, 교반 공정이 완료된 도료는 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 산합물과 세륨 옥사이드, 그리고 초미세 퓸드 실리카 입자가 균질하게 혼합 분산된 상태가 된다.
본 발명에 따라 제조된 단열 코팅제는 도포 작업성 및 고온에서의 도료의 접합특성이 우수하여, 700℃이상의 고온에서 조업되는 공업용 요로의 내벽 내화물위 에 도포하여 열차단 및 열복사 성능이 우수한 내화단열 코팅 도료로 사용될 수 있다.
다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
스테인레스 강의 후판 제조공정에서 후판의 고온 열처리후 발생한 표면산화물을 일정량 채취하여 200nm 이하의 분말로 만들고, 이 분말 4000g에 입자크기 세륨 옥사이드 200nm 통과물 2000g, 입자크기 40nm인 퓸드 실리카 분말 50g을 정량하여 혼합한 후, 3950g의 물을 첨가하고 볼 밀(ball mill)을 사용하여 분당 600rpm의 속도로 24시간 동안 교반하여 주었다.
교반이 완료된 도료 혼합물은 균질한 교반상태를 나타내었으며 Fe-Cr-Ni-Co 복합산화물과 퓸드 실리카간의 분리 현상은 나타나지 않았다.
잘 혼합된 도료를 알루미나 플레이트에 도포한 후 1200℃에서 10시간 유지한 후 자연 냉각시켜 복사단열 코팅제 도포시편을 제조하였다.
열처리를 마친 도포시편은 도포표면에 균열이 발생하지 않은 상태로 잘 밀착되어 있어 소량의 결합제 첨가만으로도 부착성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
또한, 제조된 도포시편을 복사능 측정기를 이용하여 상온에서 복사효율을 측정한 결과 전복사율(Total Emissivity) 0.87를 나타냄으로써, Fe-Cr-Ni-Co계 복합산합물 및 세륨옥사이드를 이용하여 제조된 도포제의 복사성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
이는 산업현장에서 일반적으로 사용되는 다른 복사코팅제들의 복사율(통상 복사율 0.8이상)을 상회하는 값으로 복사코팅제로서의 기본 성능을 구비하였다고 할 수 있다.
한편 이들 코팅제를 도포한 상태에서 1400도에서 30일간 유지한 결과 세륨 옥사이드를 첨가한 코팅제 시편이 첨가하지 않은 코팅제 시편에 비해 무게감량이 50%이상 작게 발생하여 세륨 옥사이드의 고온안정성이 우수함을 알 수 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 스테인레스 강의 후판 또는 빌렛 제조 공정중에서 고온 열처리 공정시 금속산화에 인해 발생되는 폐기물인 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 산합물을 입도 분쇄하여 고효율의 복사능을 가지는 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 화합물 분체를 제조하고 이 분체에 상용의 세륨 옥사이드를 혼합하고 이들 혼합 화합물을 이용하여 복사단열 코팅제를 제조함으로써, 고효율 복사물질과 복사단열코팅제의 경제적인 제조방법을 제공할 수 있으며, 본 발명의 복사단열 코팅제를 제반 산업현장의 공업로에 채용함으로써 열효율성 향상을 통한 산업 경쟁력 향상을 유도할 수 있다.

Claims (5)

  1. 스테인레스 강의 열처리 공정시 표면에 생성되는 Fe-Cr-Ni-Co계 복합 산합물을 기계적으로 분쇄하여 복합산화물 분체를 얻는 단계;
    상기 복합 산화물 분체에 고온용 복사 물질인 세륨옥사이드를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; 및
    상기 혼합물에 결합분산제로 퓸드 실리카 및 물을 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Fe-Cr-Ni-Co계 복합산합물 분체는 200 nm 이하의 크기를 갖는 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합되는 세륨옥사이드는 Fe-Cr-Ni-Co계 복합산합물 분체의 량 대비 5 내지 70중량 %임을 특징으로 하는 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅재를 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 퓸드 실리카는 7 내지 100nm의 평균입경을 가지며, 사용량은 0.01 내지 3중량%인 것을 특징으로 하는 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 물의 사용량은 20 내지 50 중량%인 열복사율이 높은 세라믹 열복사 단열코팅제를 제조하는 방법.
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