KR100857477B1 - 핫탑 단열판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본발명은 금속의 잉고트 제조에 있어서 용융금속이 주형내에서 응고될 때 주조물의 응고수축으로 인하여 생기는 수축결함(파이프 균열)을 방지하기 위해 주형의 핫탑부에 사용되는 단열판에 관한 것으로, 주형용 핫탑 단열판에 있어서: 상기 단열판은 중량%로, 부사:5~15%, 실란카플링제:0.0005~0.003%, 비극성용제:0.1~0.4%, 점결제:1~4%, 경화제:1~4%, 경화촉진제:0.001~0.08% 및 잔부 규사로 구성된 것을 특징으로 하는 핫탑 단열판을 제공한다.

이에 따라, 본 발명은 알루미나 함유량이 26~30%이면서 중공율이 90%이상인 부사를 5~15중량% 사용하고, 실란카플링제를 내화성 입상재료에 신속하고 균일하게 분산시키도록 하면서 그 후 점결제와 경화제의 첨가 혼련시 내화성 입상재료와의 접착성이 향상되고, 이에 따라 단열성이 우수하면서도 높은 강도상승을 기할 수 있으며, 건식 제조가 가능하여 치수가 정교하고 복잡한 형상의 단열판도 용이하게 제조 가능한 효과를 제공한다.

단열판, 잉고트, 내화성 입상재료, 실란카플링제

Description

핫탑 단열판 및 그 제조방법{HOT TOP INSULATING BOARD AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 일반적인 대형 강괴 주조장치를 보인 개략적인 모식도,

도 2는 본 발명에 따른 단열판의 단열효과를 종래와 비교하여 보인 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 건식 단열판과 종래 습식 단열판 간의 단열성능 실험결과를 보인 그래프.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

1....몰드 2....강괴본체

3....강괴핫탑 4....주입관

5....정반 6....핫탑슬리브

7....핫탑케이스

본발명은 금속의 잉고트 제조에 있어서 용융금속이 주형내에서 응고될 때 응고수축으로 인하여 생기는 수축결함(파이프 균열)을 방지하기 위해 주형의 핫탑부에 사용되는 단열판에 관한 것으로서, 특히 단열성이 우수하면서도 강도가 우수한 단열판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 금속은 연속주조에 의해 판재나 봉재등의 형태로 생산되고 있으나 대형기계부품이나 선박부품 등의 단조품은 전통적으로 생산되어온 대형강괴에 의존하고 있다.

이와 같은 대형강괴의 제조는 도 1에 나타난 바와 같이 몰드(1)의 하부에 형성된 주입관(4)을 통해 용강이 공급되어 상기 몰드에 충진됨에 따라 몰드내에 강괴본체(2)와 강괴핫탑(3)으로 이루어진 강괴를 형성하게 된다.

상기 강괴핫탑(3)은 강괴가 응고하는 과정에서 발생할 수 있는 응고수축 결함을 흡수하도록 여분의 용강을 추가 공급하기 위해 형성한 것으로 강괴본체(2)가 응고될 때까지 응고되지 않고 보온역할을 할 수 있을 것이 요구된다(여기에서, 도면중 미설명부호 5는 정반, 6은 핫탑단열판, 7은 핫탑케이스이다).

특히, 스테인레스강과 같은 특수강의 경우에는 강괴 내에서의 열확산속도가 낮은 관계로 강괴본체(2)의 응고완료 이전에 핫탑과 본체의 응고가 동시에 진행되거나 핫탑이 먼저 응고하여 상기 강괴본체(2)에 응고수축 및 응고균열과 같은 결함이 발생되기 쉬워 생산성이 떨어지는 문제가 종종 발생된다.

이를 방지하기 위하여, 핫탑 온도를 다른부분의 강괴 온도보다 높게 유지하는 것이 필요한데 핫탑 온도를 높게 유지하는 기술로는 핫탑부에 단열성이 좋은 단열판을 설치함으로써 핫탑부의 방열을 최소화하여 핫탑부의 온도를 높게 유지하는 방법과, 핫탑부분에 유도코일을 설치하여 용강의 온도를 측정하여 간헐적으로 가열하여 온도를 보상하는 방법과, 알루미늄분말과 산화철등의 발열재를 첨가하여서 된 발열보온재를 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

이중에서 단열판을 사용하는 기술이 주로 잉곳을 주조시 핫탑 부분에 사용되는데 예를 들면, 슬리브 또는 보드의 형태로 성형된 내화조성물로 제조되는 단열판은 규사, 암면과 같은 내화물재료에 무기 혹은 유기의 각종 결합제 및 경화제 등을 혼합한 다음 성형하여 제조된다.

최근에는 보온성을 향상시키기 위하여 알루미나의 중공미소구체나 세노스페아(Cenosphere) 그리고 플라이에쉬플로터 등과 같은 다공질 단열재를 내화조성물에 첨가하여 단열성을 향상시키는 기술이 소개되고 있으며, 한국특허공개번호 1996-0701713호에는 알루미나와 실리카를 함유하는 중공의 미소구형체 및 결합제를 포함하고 상기 중공의 미소구형체는 적어도 40중량%의 알루미나 함량을 갖는 내화조성물에 대하여 기재하고 있다.

그러나, 상기 적어도 40중량%의 알루미나 함량을 갖는 상기 중공의 미소구형체는 내화조성물의 주성분으로 사용되어 단열성이 우수한 장점이 있기는 하나, 비중이 낮고 결합강도도 낮기 때문에 성형성이 나빠 단열판으로 사용하는데 문제가 있으며, 특히 순알루미나 중공미소구형체는 가격이 대단히 비싸고, 잉고트 제조 초기단계에서 냉각효과를 발생시키도록 작용하므로 잉고트 제조시 핫탑을 위한 재료로 최상의 결과를 가져오지 못하는 문제가 있다.

그리고, 플라이에쉬플로터나 세노스페아는 그 단열성이 우수함에도 사용온도에 제한을 가지며 이 역시 강도가 낮아 잉고트 제조시 사용이 부적당한 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로, 결합강도 및 성형성이 우수하면서도 단열성이 뛰어나고, 가격이 저렴한 단열판 및 이 단열판을 건식으로 제조할 수 있는 방법을 제공함으로써 강괴내의 응고결함이 적은 잉고트를 안정적으로 제조할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 핫탑 단열판에 있어서: 상기 단열판은 중량%로, 부사:5~15%, 실란카플링제:0.0005~0.003%, 비극성용제:0.1~0.4%, 점결제:1~4%, 경화제:1~4%, 경화촉진제:0.001~0.08% 및 잔부 규사로 구성된 것을 특징으로 하는 핫탑 단열판을 제공한다.

이때, 상기 부사는 Al₂O₃함유량이 26~30%이면서 중공율이 90% 이상인 것이 사용되고; 상기 실란카플링제는 아미노프로핀메틸디메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란 중에서 선택된 하나가 사용되며; 상기 비극성용제는 등유 또는 중유가 사용되고; 상기 점결제는 페놀류와 알데히드류를 부가축합 반응시켜 얻을 수 있는 유기용제가용성의 수지 혹은 그들의 변성 내지 혼합물이 사용되며; 상기 경화제는 폴리이소시아네이트화합물이 사용되고; 상기 경화촉진제는 4-phenyl propyl pyridine가 사용되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 규사 76.517~92.8985중량%와 부사를 5~15중량% 혼합하여 내화성 입상재료 혼합물로 만드 는 단계와; 실란카플링제 0.0005~0.003중량%와 비극성용제 0.1~0.4중량%를 혼합하여 실란카플링제 혼합물을 만드는 단계와; 상기 내화성 입상재료 혼합물과 실란카플링제 혼합물을 혼합하여 2~4분간 혼련한 후 15~20분간 방치하는 단계와; 상기 방치한 혼합물에 점결제 1~4중량%, 경화제 1~4중량%, 경화촉진제 0.001~0.08중량%를 첨가한 후 1~3분간 혼련하여 내화조성물을 얻는 단계와; 상기 내화조성물을 형내에 충진한 후 고르게 다진 다음 상온에서 자연경화시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫탑 단열판의 제조방법을 제공한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 핫탑 단열판의 성분 및 그 조성의 수치한정사유를 설명하기로 한다.

본 발명자는 종래기술로 제조된 단열판의 단열성이 떨어지고, 필요한 강도가 확보되지 않는 문제를 해결하기 위해 장기간의 연구 결과, 내화성 입상재료로 부사의 혼합비율이 5중량% 이하에서는 단열성이 문제되고, 15중량% 이상에서는 원가상승과 함께 조형강도가 취급강도에 도달되지 못하는 문제를 확인하였다.

이에, 결합제가 균일하게 혼합되도록 하면서 접착성을 향상시킴으로써 단열성이 우수하면서도 강도가 높은 핫탑 보온용 단열판을 발명하게 되었다.

[내화성 입상재료: 잔부(76.517-92.8985 중량%)]

내화성 입상재료는 석영질을 주성분으로 하는 일반규사, 크로마이트모래, 지르콘모래, 올리빈모래, 알루미나모래, 뮬라이트모래, 합성 뮬라이트모래 등의 신사 또는 재생모래 등의 종래 공지의 것을 이용할 수 있다.

이때, 상기 모래의 일부는 탄화왕겨로 대체되어 보온성을 더욱 증진시킬 수있다.

[부사: 5-15 중량%]

부사는 중공율이 90% 이상이고, 알루미나를 20~35% 함유하고 있는 중공의 모래로서, 기공내에 충만되는 공기층에 의해 단열효과가 탁월하여 단열성을 높이기 위하여 첨가된다.

이 경우, 부사의 첨가함량은 내화성 입상재료 총량의 5~15중량%가 바람직한 바, 이는 5 중량% 미만으로 함유되면 단열 및 절연 효과가 떨어지게 되고, 15 중량% 이상이면 비중이 낮아지면서 충진밀도가 저하되므로 단열판 제품으로 사용에 제한이 따르고, 단가를 상승시키는 요인이 되기 때문에 상기 범위로 한정함이 바람직하다.

[실란카플링제: 0.0005-0.003 중량%]

실란카플링제(Silan Coupling Agent)는 감마-글리시독시프로필트리메톡시실란(gamma-glycidoxypropyltrimethoxysilane), 감마-아미노프로필트리에톡시실란(gamma-aminopropyltriethoxysilane), 감마-아미노프로필트리메톡시실란(gamma-aminopropyltrimethoxysilane) 중에서 선택된 하나가 사용되고 내화성 입상재료와 결합하여 단열재의 강도상승을 이루기 위하여 첨가되는 것으로, 0.0005 중량% 미만이 되거나 0.003 중량% 이상이 되면 조형후 강도상승에 미치는 영향이 적어지므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.

[비극성용제: 0.1-0.4 중량%]

비극성용제는 실란카플링제가 내화성 입상재료에 신속하고 균일하게 분산되고 코팅되어 실란카플링제의 기능이 내화성 입상재료 전체에 충분히 발휘되도록 함으로서 그 후에 점결제와 경화제 첨가시 상기 내화성 입상재료와의 접착성 향상을 위해 첨가되는 것으로, 실란카플링제와 반응이 일어나지 않는 등유와 중유 등을 사용하는 것이 바람직하며, 0.1 중량% 미만으로 첨가되면 실란카플링제의 신속하고 균일한 분산이 일어나지 않고, 0.4 중량% 이상으로 첨가되면 점결제와 경화제의 반응을 지연시켜 초기 강도 저하의 원인이 되므로 상기 범위로 첨가됨이 바람직하다.

[점결제: 1-4 중량%]

점결제는 페놀류와 알데히드류(바람직하게는 포름알데히드)를 부가축합반응시키면 얻을 수 있는 유기용제가용성의 벤질에테르형페놀수지, 레졸형페놀수지, 노볼락형 페놀수지 및 이것들의 변성페놀수지 및 이것들의 혼합물이 될 수 있다.

이때, 이들 수지는 저점도화, 경화제인 폴리이소시아네이트 성분과의 상용성, 내화성 입상재료에의 코팅성, 단열재의 물성에 따라 일반적으로 극성유기용제와 비극성유기용제와의 조합을 용매로 하여 유효 성분량이 약 40~80 질량%의 용액으로 제조되어 사용됨이 바람직하다.

여기에서, 유기용제로는 방향족탄화수소, 할로겐화탄화수소, 케톤, 에스테 르, 에테르, 지방족탄화수소, 지환식탄화수소 등이 될 수 있다.

그리고, 점결제를 상기와 같이 한정하는 이유는 1중량% 미만으로 첨가되면 충분한 취급 또는 용융금속에 견딜 수 있는 주형의 강도 확보가 불가능하며, 4중량% 이상으로 첨가되면 고온의 용융금속에 의해 점결제 연소시 다량의 가스성분이 발생되어 제품 결함을 유발시킴은 물론 환경 오염원이 되므로 상기와 같이 한정함이 바람직하다.

[경화제: 1-4 중량%]

경화제인 폴리이소시아네이트화합물은, 점결제인 페놀수지의 활성수소와 중부가반응하여 내화성 입상재료 간에 화학적으로 결합하는 이소시아네이트기를 분자내에 2개 이상 가지는 폴리이소시아네이트화합물이다.

이러한 폴리이소시아네이트화합물은 디페닐메탄디이소시아네이트, 폴리메칠렌폴리페니렌폴리이소시아네이트, 헥사메치렌디이소시아네이트, 4,4´－디시클로헥실메탄디이소시아네이트를 들 수 있다.

폴리이소시아네이트화합물도 전기 페놀수지 성분와 같은 이유로 비극성유기용제 또는 극성유기용제을 용매로 하는 유효성분량이 약 40~90 질량%의 용액으로서 제조하거나 경우에 따라서는 원액상태로 사용될 수 있다.

이렇게 제조된 점결제와 단열제의 강도 확보를 위해 각각의 성분은 1.0~ 4.0 중량% 사용되며, 1.0 중량% 미만에서는 충분한 강도 확보가 어렵고, 4 중량% 이상에서는 연소시 가스발생량이 많아 제품의 결함 및 작업환경에 나쁜 영향을 준다.

[경화촉진제: 점결제 중량대비 0.1-2%(중량%로는 0.001~0.08)]

경화촉진제는 상온에서 경화를 촉진하기 위하여 첨가되는 것으로, 액체상의 제삼급 아민의 촉매중에서 4-페닐프로필피리딘(4-phenyl propyl pyridine)을 점결제의 중량 대비 0.1~2.0% 범위, 즉 중량%로 환산하면 0.001~0.08중량%에서 경화 속도를 고려하면서 증감할 수 있다.

이와 같은 조성으로 이루어진 본 발명 핫탑 단열판은 다음과 같은 방법으로 제조된다.

먼저, 내화물 입상재료로 규사와 부사를 앞서 설명한 조성범위 내에서 혼합하여 내화성 입상재료 혼합물을 만든다.

그리고, 실란카플링제와 비극성용제를 본 발명 조성범위 내에서 혼합하여 실란카플링제 혼합물을 만들게 된다.

이렇게 하여, 만들어진 내화성 입상재료 혼합물과 실란카플링제 혼합물을 서로 혼합하여 2~4 분간 혼련한 후 15~20 분간 상온에 방치하게 된다.

이때, 상기 혼합물을 2~4분간 혼련하는 이유는 너무 짧게 혼련하게 되면 입상재료에 충분한 코팅이 이루어지지 않고 또 너무 장시간 혼련하게 되면 비극성 용제의 휘발로 인하여 코팅을 위한 유동성 저하 및 입상재료 혼합물의 파손으로 단위 표면적을 넓게 하여 강도를 저하시키는 원인이 되기 때문에 상기 범위가 적당하며, 또한 혼련된 혼합물을 15~20 분간 상온에 방치하는 이유는 입상재료의 표면에 있는 오목 부위에 충분한 침투시간을 부여하여 보다 높은 강도를 얻기 위함이다.

이후, 이와 같이 방치된 혼합물에 점결제, 경화제, 경화촉진제를 첨가한 후 1~3분간 다시 혼련하고, 혼련이 완료된 내화성 조성물을 형내에 충전하여 고르게 다진 다음 상온에서 자연경화시킴으로써 본 발명 단열판을 제조할 수 있게 된다.

이때, 경화촉진제는 앞서 설명하였듯이, 점결제 중량대비 0.1~2 중량% 범위내에서 첨가되게 된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명한다.

(실시예)

먼저 표 1과 같은 조성의 내화조성물(발명재1,2,3)을 준비하였다.

이때, 내화성 입상재료로 규사, 실란카플링제로 감마-아미노프로필트리에톡시실란, 비극성용제로 등유, 점결제로 벤질에테르형페놀수지, 경화제로 디페닐메탄디이소시아네이트를 사용하였으며, 상술한 본 발명 제조방법에 따라 핫탑 단열판을 제조하였다.

아울러, 본 발명 단열판의 특성 비교를 위해 상기 표 1과 같은 조성으로 이루어진 비교재도 함께 제조하였으며, 이들의 특성을 비교한 결과는 표 2와 후술되는 실험조건에 의해 시험편의 단열효과(승온속도 분당 20℃일 때 온도를 홀딩하고 있는 시간을 측정한 것임)를 테스트한 결과 그래프를 보인 도 2에 나타내었다.

구분＼성분	규사	부사	실란카플 링제	비극성 용제	점결제	경화제	경화촉진제
발명재1	83.093	12.8	0.001	0.1	2	2	0.006
발명재2	85.192	10.6	0.002	0.2	2	2	0.006
발명재3	87.291	8.4	0.003	0.3	2	2	0.006
비교재1	75.488	20	0.006	0.5	2	2	0.006
비교재2	75.992	20	0.002	-	2	2	0.006
비교재3	75.994	20	-	-	2	2	0.006
종래재	규사:77, 펄라이트:10, 펄프:10, 점결제:3

구분＼특성	단열성	압축강도(kg/cm2)
발명재1	○	32.5
발명재2	◎	35.8
발명재3	◎	33.6
비교재1	△	26.1
비교재2	×	23.5
비교재3	△	20.0
종래재	△	7.5

(여기에서, ◎:매우우수, ○:우수, △:보통, ×:열위를 의미한다.)

상기 표 2에서와 같이, 실란커플링과 비극성용제의 첨가 유무에 따라 비교재2,3 간에도 단열성과 압축강도에 있어 상당한 차이를 보였고, 또한 본 발명 조성범위로 이루어진 발명재1,2,3이 종래재 및 비교재1,2,3에 비해 단열성 및 압축강도가 월등히 우수한 것으로 확인되었다.

특히, 도 2의 그래프에서와 같이, 시간이 길어짐에도 불구하고 낮은 온도 대역에 장시간 머물러 있는 발명재2와 3의 경우, 다시 말해 그래프상에서 아래쪽에 분포하는 것일수록 단열효과가 우수한 것임을 확인할 수 있었다.

반면, 종래재의 경우에는 압축강도는 현저히 낮으나 단열성은 보통으로 확인되었다.

아울러, 습식으로 제조되는 종래재와 건식으로 제조된 발명재1,2,3중 발명재2를 채택하여 양자간의 단열효과를 비교하였다.

비교를 위해, STS304 스틸을 대략 직경 25mm, 높이 30mmH의 원통형으로 가공한 뒤 습식과 건식방식으로 제조된 단열판, 즉 종래재와 발명재2를 같은 형상으로 가공한 후 이들을 알루미나 도가니에 장입하였다.

이때, 도가니의 하부에 단열판이 위치되도록 하고, 그 위에 STS304 스틸판이 위치하도록 하였으며, 단열판의 온도측정을 위해 열전대(K-type)를 삽입할 수 있도록 단열판의 중심부에 직경 4mm의 홈을 15mm 가공하였다.

이어, 도가니에 장입된 STS 스틸판과 단열판을 유도코일 중앙부에 위치시키고 분당 20℃의 속도로 승온하면서 최대 1400℃까지 도달하게 한 다음 1시간 동안 온도를 유지하면서 단열판 내부에 삽입된 열전대로부터 계측되는 온도변화를 연속측정하였다.

측정된 데이터를 기반으로 시간과 온도에 관한 그래프를 그린 결과, 도 2와 같은 형태로 나타났다.

즉, 도 3에서와 같이, 건식방식이 습식방식에 비해 약 40℃ 정도 더 우수한 단열효과를 나타내고 있음을 확인하였다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 알루미나 함유량이 26~30%이면서 중공율이 90% 이상인 부사를 5~15중량% 사용하고, 실란카플링제를 내화성 입상재료에 신속하고 균일하게 분산시키도록 하면서 그 후 점결제와 경화제의 첨가 혼련시 내화성 입상재료와의 접착성이 향상되고, 이에 따라 단열성이 우수하면서도 높은 강도상승을 기할 수 있으며, 건식 제조가 가능하여 치수가 정교하고 복잡한 형상의 단열판도 용이하게 제조 가능한 효과를 제공한다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 중량%로, 부사:5~15%, 실란카플링제:0.0005~0.003%, 비극성용제:0.1~0.4%, 점결제:1~4%, 경화제:1~4%, 경화촉진제:0.001~0.08% 및 잔부 규사로 구성된 핫탑 단열판에 있어서;

   상기 부사는 중공율이 90% 이상인 것이 사용되고;

   상기 실란카플링제는 아미노프로핀메틸디메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란 중에서 선택된 하나가 사용되며;

   상기 비극성용제는 등유 또는 중유가 사용되고;

   상기 점결제는 페놀류와 알데히드류를 부가축합 반응시켜 얻을 수 있는 유기용제가용성의 수지 혹은 그들의 변성 내지 혼합물이 사용되며;

   상기 경화제는 폴리이소시아네이트화합물이 사용되고;

   상기 경화촉진제는 4-phenyl propyl pyridine가 사용되는 것을 특징으로 하는 핫탑 단열판.
3. 최종제품인 내화조성물에 대한 중량%로,

   규사 76.517~92.8985중량%와 부사 5~15중량%를 혼합하여 내화성 입상재료 혼합물을 만드는 단계와;

   실란카플링제 0.0005~0.003중량%와 비극성용제 0.1~0.4중량%를 혼합하여 실란카플링제 혼합물을 만드는 단계와;

   상기 내화성 입상재료 혼합물과 실란카플링제 혼합물을 혼합하여 2~4분간 혼련한 후 15~20분간 방치하는 단계와;

   상기 방치한 혼합물에 점결제 1~4중량%, 경화제 1~4중량%, 경화촉진제 0.001~0.08중량%를 첨가한 후 1~3분간 혼련하여 내화조성물을 얻는 단계와;

   상기 내화조성물을 형내에 충진한 후 고르게 다진 다음 상온에서 자연경화시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫탑 단열판의 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서;

   상기 부사는 중공율이 90% 이상인 것이 사용되고;

   상기 실란카플링제는 아미노프로핀메틸디메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, 아미노프로필트리메톡시실란 중에서 선택된 하나가 사용되며;

   상기 비극성용제는 등유 또는 중유가 사용되고;

   상기 점결제는 페놀류와 알데히드류를 부가축합 반응시켜 얻을 수 있는 유기용제가용성의 수지 혹은 그들의 변성 내지 혼합물이 사용되며;

   상기 경화제는 폴리이소시아네이트화합물이 사용되고;

   상기 경화촉진제는 4-phenyl propyl pyridine가 사용되는 것을 특징으로 하는 핫탑 단열판의 제조방법.

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