KR102240864B1 - 내열성이 강화된 스텐레스 연도용 배기관 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열성이 강화된 스텐레스 연도용의 배기관을 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 스텐레스 굴뚝의 부식을 방지하기 위해 세라믹 도막층을 3차에 걸쳐 가열하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 배기관은 결로수나 빗물에 의해 생성되는 황산, 아황산 및 염산 등의 산에 의한 부식이 발생하지 않고, 고온에서도 탈각되거나 균열이 일어나지 않아 반 영구적으로 사용 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

내열성이 강화된 스텐레스 연도용 배기관 및 그 제조 방법{Exhaust pipe for stainless steel flue with enhanced heat resistance and its manufacturing method}

본 발명은 내열성이 강화된 스텐레스 연도용의 배기관을 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 스텐레스 굴뚝의 부식을 방지하기 위해 세라믹 도막층을 3차에 걸쳐 가열하는 단계를 포함한다.

스텐레스(Stainless Steel)는 금속 중에서 내열성과 내산성이 강한 편이라 배기관의 내관으로서 연도용으로 흔히 사용된다. 그러나 굴뚝, 즉 연도로 사용되는 배기관은 지속적으로 열이 가해지고 외기에 노출된 구조를 형성하므로 겨울철에는 급격한 온도차를 겪게 된다. 또한 결로수나 빗물과 반응하여 황산, 아황산 및 염산 등이 형성되어 연도로 흘러들면 가열에 의해 부식이 가속화 되어 스텐레스여도 오래 노출되다 보면 결국 부식되어 교체를 해야 하는 번거로움이 있다.

한편, 철골이나 스텐레스와 같은 금속의 부식을 막기 위한 도막 형성용 조성물은 다양하게 알려져 있고, 이러한 조성물은 세라믹 분말을 포함하면서 일정한 수준의 코팅층을 형성하기 위해 수용성아크릴수지, 메타크릴산공중합체, 폴리우레탄수지, 실리콘아크릴 수지 등 (한국특허 10-1915518, 10-2164573 등)을 포함할 수 있는 것으로 알려져 있으나, 이러한 고분자체가 세라믹 도막층의 성분으로 혼입되면 내열성이 감소할 수 있으므로 연도용 스텐레스 내막에 도막층을 형성하기에는 부적합하다.

한국특허 10-0391049에는 스텐레스 내관에 세라믹 도막층을 형성하는 방법을 개시하나, 견고한 세라믹 도막층을 형성하기에 비교적 낮은 온도에서 수행되고 세라믹 도막층의 성분에 대해 개시하지 않는다.

*따라서 연도용으로 사용하기에 적합한 내열성과 내산성을 갖는 스텐레스 내관을 제조하고자 하였다.

한국 등록특허 10-0391049호

본 발명의 일 목적은 스텐레스제 내관의 표면이 배기가스에서 생성되는 황산, 아황산 및 염산과 같은 산에 의해 쉽게 부식되는 것을 방지하여 반영구적 수명으로 사용할 수 있는 스텐레스 굴뚝의 연도 부식 방지방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 일 양상은, (1) 스텐레스 내관을 포함하는 배기관에서 상기 내관의 내면을 5 내지 10 미크론의 조도가 되게 브라스팅하는 단계; (2) 상기 브라스팅된 내관의 내면 표면 온도를 40℃내지 50℃로 예열하는 단계; (3) 상기 예열된 내관의 내면에 세라믹 도막층을 형성하는 단계; 및 (4) 상기 단계 (3)의 내관을 55 ℃내지 65 ℃로 5 내지 15 분간 1차 가열하고, 160 ℃내지 200 ℃에서 3 내지 10 분간 2차 가열하고, 380 ℃내지 480 ℃에서 5 분 내지 40 분간 3차 가열하는 단계를 포함하는 배기관 제조방법을 제공한다.

상기 배기관은 스텐레스 재질의 내관과 상기 내관을 감싸는 외관을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 상기 외관은 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 변성 폴리페닐렌옥사이드 또는 이들의 조합으로 구성된 플라스틱일 수 있고, 필요에 따라 주철관, 강관, 동관, 동합금관, 연관, 알루미늄관, 주석관, 스테인레스관 등과 같은 금속관일 수 있다.

상기 배기관은 고온의 연기를 배출하기 위한 연도용으로서, 600 ℃ 이상, 800 ℃ 이상, 1000 ℃ 이상, 또는 1000 내지 1200℃의 고온의 연기가 배출되는 산업 환경에 적용하기 적합할 수 있다.

상기 제조방법에서 브라스팅하는 단계는 60 내지 100 메쉬, 70 내지 90 메쉬, 75 내지 85 메쉬, 또는 80 메쉬의 쇼트볼로 브라스팅하는 것일 수 있다. 메쉬 수준이 상기 범위 미만인 경우, 세라믹 도막층이 고르게 분포하여 결합하기에 적합하지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과하는 경우 세라믹 도막층이 결합하기에 충분한 요철이 형성되지 않을 수 있다.

상기 단계 (1)에서 브라스팅 후 단계 (2)를 수행하기 전 80℃ 내지 120 ℃에서 10분 간 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 내관의 표면에 수분이 남아 있으면 내관의 내면을 예열하는 단계에서 그 수분이 완전히 제거되지 않거나 내관에 수증기를 발생시켜 세라믹 도막층을 형성하는 단계 (3)에서 세라믹 도막층이 고르게 형성되지 않을 수 있다.

상기 제조방법에서 단계 (2)의 상기 브라스팅된 내관의 내면 표면 온도를 40℃ 내지 50℃로 예열하는 단계는 단계 (3)의 세라믹 도막층을 형성하는 단계를 효율적으로 진행하기 위해 필요할 수 있다. 상기 단계 (2)에서 내관의 내면 표면 온도가 40℃ 보다 낮으면 내관에 고르게 도포되지 않아 부분적인 노출이 발생하거나 소성 단계의 1차 가열 온도까지 올리는 동안 탈각되거나 균열이 발생할 수 있고, 50℃ 보다 높으면 세라믹 도막층을 고르게 분포하기 전에 일부분이 소성 단계에 진입하게 되어 도포 면적이 넓을 경우 도막층이 제대로 형성되지 않을 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 예열하는 단계는 45℃에서 진행하는 것일 수 있다.

상기 단계 (3)에서 세라믹 도막층 형성용 조성물은 규조토 및 세라믹 섬유 분말의 조합을 주성분으로 포함하는 것으로서, 용어 “주성분”은 해당 성분을 50 중량% 초과하여 포함하는 것을 의미한다. 구체적으로 상기 세라믹 도막층 형성용 조성물은 규조토 40 내지 50 중량% 및 세라믹 섬유 분말 15 내지 20 중량%을 포함할 수 있다.

상기 세라믹 도막층 형성용 조성물은 보다 구체적으로, 규조토 40 내지 50 중량% 및 세라믹 섬유 분말 15 내지 20 중량%, 흑연 분말 10 내지 20 중량%, 산화 알루미늄 1 내지 5 중량%, 산화 마그네슘 0.3 내지 0.5 중량% 및 카올린 분말 0.3 내지 0.5 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 상기 조성물은 용매로서 물, 에탄올, 아세톤 또는 이들의 혼합물을 10 내지 20 중량% 더 포함할 수 있다. 상기 조성물에서 용매는 세라믹 도막층 형성용 조성물의 일정한 유동성을 부여하면서 소성 단계에서 충분히 증발될 수 있을 정도만 사용되는 것이 바람직하다. 세라믹 도막층으로 사용될 수 있는 재료는 많으나, 고열에 자주 노출되는 연도용 배기관에 적용하는 특성상 적절한 내연성을 갖는 것이 중요하고, 상기 세라믹 도막층 형성용 조성물은 1000℃ 이상의 온도에서도 손상되지 않는 것을 확인하였다.

상기 조성물에서 세라믹 섬유는 규조토만 포함된 경우에 비해 세라믹 도막층의 견고함을 보다 증가시킬 수 있으나 20 중량%를 초과하여 첨가되는 경우 균일도가 떨어질 수 있다. 흑연 분말은 세라믹 도막층 형성용 조성물에 각 성분들이 균일하게 혼합될 수 있도록 윤활작용을 하나, 20 중량%를 초과하여 첨가되는 경우 용매에 대한 용해도가 떨어지면서 혼합물의 균일도를 오히려 감소시킬 수 있다. 산화 알루미늄, 산화 마그네슘, 및 카올린 분말은 조성물 내 각 성분들이 적절한 치밀도를 형성하는데 기여한다. 그러나 상기 첨가 범위를 벗어나는 경우 오히려 소성 단계에서 요철을 발생시키거나 균열이 유발될 수 있다.

상기 세라믹 도막층은 15 내지 25 미크론의 두께로 형성되는 것일 수 있다. 상기 범위 보다 얇으면 충분히 외부 물질로부터 방어하는 기능이 떨어지거나 탈각될 수 있고, 상기 범위보다 두꺼우면 배기 전후 발생하는 가열과 급냉이 반복되면서 세라믹 도막층에 쉽게 균열이 일어날 수 있다.

상기 단계 (4)는 소성 단계로 세라믹 도막층이 내관에 견고하게 형성되도록 한다. 상기 단계 (4)는 보다 구체적으로, 단계 (3)의 내관을 58 내지 62℃에서 8분 내지 12분 간 1차 가열하고, 175℃ 내지 185℃에서 3분 내지 7분간 2차 가열한 후 3차 가열하는 것일 수 있고, 상기 3차 가열은 395℃ 내지 405℃에서 25분 내지 35분간 또는 445℃ 내지 455℃에서 8분 내지 12분간 수행되는 것일 수 있다. 상기 단계 (4)는 보다 더 구체적으로, 단계 (3)의 내관을 60℃에서 10분 간 1차 가열하고, 180 ℃에서 5 분 간 2차 가열하고, 3차 가열은 400 ℃에서 30분 간 또는 450℃에서 10분 간 수행하는 것일 수 있다. 상기 소성 단계에서 각 가열 차수에 따른 온도 및 시간은 세라믹 도막층에 균열이 발생하지 않고, 바람직한 경도로 형성되는데 중요한 요소이다. 본 발명의 세라믹 도막층 형성용 조성물은 규조토 및 세라믹 섬유 분말의 조합을 전체 조성물 중량에서 과량을 차지하므로 충분히 높은 온도에서 소성 단계를 거쳐야 충분한 경도를 달성할 수 있다.

상기 단계 (4) 이후, 가열된 내관을 상온에서 70 내지 74 시간 동안 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 구체적으로 15℃ 내지 25℃에서 상대습도 62 내지 66%의 조건에 장시간 노출하여 냉각시키는 것으로, 세라믹 도막층 내에 남아 있는 수분을 충분히 배출하고, 배기관을 설치하기 전에 냉각 중에 발생하는 균열 등의 발생을 검열함으로써 보다 우수한 품질의 스텐레스 내관을 제조하는데에 중요할 수 있다.

일 양상에 따라 제조된 스텐레스 내관을 이용한 배기관은, 내열성을 보다 증진되고, 결로수나 빗물과 반응하여 생성되는 황산, 아황산 및 염산 등에 의해 스텐레스 굴뚝 연도용 배기관 내부가 부식되는 현상이 방지되어, 배기관의 수명을 실질적으로 반 영구적으로 연장시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

제조예 1: 스텐레스 연도용 배기관의 제조

스텐레스 연도용 배기관 제조방법은 구체적으로 하기와 같이 생산할 수 있다. 먼저 스텐레스로 제조된 관을 배기관의 내관으로서 준비하였다. 상기 내관에서 내관 표면에 이물질을 세척한 후 80 메쉬의 쇼트볼로 5 내지 10 미크론의 조도가 되게 브라스팅하고, 브라스팅 후 발생한 이물질을 다시 세척하였다. 그런 다음 내관의 내면 표면 온도를 45℃로 예열하고 세라믹 도막층(규조토 48 중량%, 절단된 세라믹 섬유 18 중량%, 흑연 분말 18 중량%, 산화 알루미늄 4 중량%, 산화 마그네슘 0.4 중량%, 카올린 분말 0.4 중량%, 물 11.2 중량%)을 15 내지 25 미크론으로 형성한 후, 60℃에서 10분 간 1차 가열하고, 180 ℃에서 5 분 간 2차 가열하고, 400 ℃에서 30분 간 또는 450℃에서 10분 간 3차 가열하였다. 가열된 내관은 15℃ 내지 25℃의 상온에서 상대습도 62 내지 66%의 조건을 유지하며 70 내지 75 시간 자연 냉각하였다. 제조된 내관은 적절한 구경의 플라스틱관이나 금속관에 적용하였다.

시험예 1: 스텐레스 연도용 배기관의 내열성 및 부식 방지 효과 시험

본 발명의 제조방법으로 제조된 내관이 연도용 배기관에 적용하기에 적합한 내열성 및 부식 방지 효과를 갖는지 확인하였다.

구체적으로, 상기 제조예 1에서 제조된 스텐레스 내관과 아무 처리를 하지 않은 스텐레스 관을 각각 1M 염산에 담그고 가속시험을 위해 60℃로 가열하여 밀폐 용기에 두고 약 일주일 간 관찰하였다. 그 결과 세라믹 도막층을 형성한 스텐레스 내관의 내부 표면에는 붉은 녹이 관찰되지 않는 반면, 도막층이 형성되지 않은 내관의 외부 표면이나 아무 처리를 하지 않은 스텐레스 관에서는 붉은 녹이 관찰되었다.

또한 상기 제조예 1에서 제조된 스텐레스 내관에 500℃ 이상의 고열을 서서히 가해 본 결과, 1000℃까지 열을 가하였을 때 내관 표면에 균열이나 탈각 현상이 관찰되지 않았다.

시험예 2: 소성 단계 차수에 따른 비교

스텐레스 내관에 세라믹 도막층 형성시 소성 단계에서의 가열 차수가 미치는 영향을 확인하였다.

구체적으로, 제조예 1과 같이 제조하되, 소성 단계에서만 가열 온도와 시간을 달리하여 제조하였다. 높은 온도에서는 비교적 짧게 가열하므로 이를 고려하여 하기의 표 1과 같이 가열 시간을 증가시키거나 감소시켜 세라믹 도막층이 어느 정도의 경도를 가질 수 있도록 비교하였다.

	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2	비교예 3
1차 가열	60℃, 10분	60℃, 10분	80℃, 60 분	-	-
2차 가열	180℃, 5 분	180℃, 5 분	-	150℃, 40분	-
3차 가열	400℃, 30분	450℃, 10분	-	-	350℃, 15분

그 결과, 실시예 1 및 실시예 2의 경우 눈에 띄는 균일이나 탈각 현상이 관찰되지 않았으나, 비교예 1의 경우 충분한 경도가 달성되지 않아 압력을 가하였을 때 모양이 변하였고, 비교예 2 및 비교예 3은 표면에 균열이 발생하였으며, 특히 비교예 3의 경우 탈각 현상이 관찰되었다.상기 제조된 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 3에 시험예 1과 같이 1M 염산에 노출시킨 경우에도 실시예 1 및 2의 경우 내관 내부 표면에는 붉은 녹이 관찰되지 않았으나, 비교예 1의 경우는 도막층이 염산에 반응하여 내부 표면으로부터 탈각되면서 약간의 붉은 녹이 관찰되었고, 비교예 2 및 3은 도막층의 균열이나 탈각된 부분에 붉은 녹이 형성되는 것을 확인하였다.

Claims (1)

1. (1) 스텐레스 내관을 포함하는 배기관에서 상기 내관의 내면을 75 내지 85 메쉬의 쇼트볼로 5 내지 10 미크론의 조도가 되게 브라스팅하는 단계;
   (2) 상기 브라스팅 후 80℃ 내지 120 ℃에서 10분 간 건조하는 단계;
   (3) 상기 브라스팅된 내관의 내면 표면 온도를 40℃ 내지 50℃로 예열하는 단계;
   (4) 상기 예열된 내관의 내면에 세라믹 도막층을 15 내지 25 미크론의 두께로 형성하는 단계;
   (5) 상기 단계 (4)의 내관을 60℃에서 10분 간 1차 가열하고, 175℃ 내지 185℃에서 3분 내지 7분간 2차 가열하고, 400℃에서 30분간 또는 450℃에서 10분간 3차 가열하는 단계;
   (6) 상기 단계 (5)의 내관을 15℃ 내지 25℃에서 상대습도 62 내지 66%의 조건에서 70 내지 75 시간 동안 냉각시키는 단계를 포함하는 배기관 제조방법에 있어서,
   상기 세라믹 도막층은 규조토 40 내지 50 중량%, 세라믹 섬유 분말 15 내지 20 중량%, 흑연 분말 10 내지 20 중량%, 산화 알루미늄 1 내지 5 중량%, 산화 마그네슘 0.3 내지 0.5 중량%, 카올린 분말 0.3 내지 0.5 중량% 및 잔량%의 물을 포함하는 세라믹 도막층 형성용 조성물에 의해 형성되는 것인, 배기관 제조방법.