KR20000072317A - 시멘트를 함유하지 않은 고알루미나질 캐스타블 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시멘트를 함유하지 않은 고알루미나질 캐스타블에 관한 것으로, 초미분 알루미나를 결합제로 사용하여 저온ㆍ고온에서의 기존 캐스타블보다 월등한 강도를 지니고, 내마모성, 내침식성, 내폭열성, 저ㆍ고온에서의 수축으로 인한 균열발생률 감소로 기존보다 팽창대 사용이 감소되는 캐스타블을 제공하는데 목적이있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, 3 내지 10 mm의 입자크기를 가지는 30 내지 45 중량% 의 알루미나, 1 내지 5 mm의 입자크기를 가지는 9 내지 20 중량% 의 알루미나; 1 내지 0.074 mm의 입자크기를 가지는 15 내지 27 중량%의 알루미나; 150 내지 250 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 15 중량%의 알루미나; 200 내지 400 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 17 중량%의 알루미나; 500 내지 1,500 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 15 중량%의 초미분 알루미나; 규사(SiO2)성분 40%와 알루미나(Al2O3)성분 60%를 함유하며, 150 내지 250 메쉬의 입자크기를 가지는 1 내지 10 중량%의 무기 바인더로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 고알루미나질 캐스타블에 관한 것이다.

Description

시멘트를 함유하지 않은 고알루미나질 캐스타블{High alumina castable excluding cement}
본 발명은 부정형 내화물에서 알루미나질 캐스타블에 관한 것으로, 더 자세하게는 일반적으로 캐스타블을 경화시키는 시멘트를 포함하지 않으며 초미분 알루미나 입자의 정전기적 상호작용을 이용하여 저온과 고온 모두에서 기존의 캐스타블보다 월등한 강도를 가지며, 내마모성, 내침식성, 내폭열성, 저온과 고온에서의 수축으로 인한 균열발생률이 감소되어 기존보다 팽창대 사용이 감소되는 알루미나질 캐스타블에 관한 것이다.
일반적으로 일반 알루미나 캐스타블은 알루미나성 원료에 알루미나 시멘트를 10-30%를 첨가하여 수화반응에 의해 경화되어 현저한 강도 및 물성치를 나타낸다. 알루미나 시멘트는 알루미나 약 50-80 중량%, 산화칼슘(CaO) 약 20-50 중량%를 함유하며, 물과 반응하면 빨리 수화반응을 일으켜 결합력을 나타내는 캐스타블 내화물의 결합제이다. 그런데 알루미나 시멘트에 함유되어 있는 산화칼슘(CaO)성분이 캐스타블 내화물의 열간특성을 저하시키며, 제품 캐스팅시 다량의 수분이 첨가됨으로 저비중, 고기공율을 나타내고, 이로인해 알카리(염기성)침식에 의한 탈ㆍ부착 현상이 발생되어 사용기간이 극히 단축되는 문제점이있다. 또한 이는 시멘트 및 수분에 의한 수축 및 팽창의 변화로 양생ㆍ건조 및 소성시 균열의 원인이되어 일반적으로 팽창대를 사용하여야했다.
그래서 이를 보완하고자 저시멘트 알루미나질 캐스타블이 개발되었고 이는 알루미나 시멘트의 함량을 2∼7%까지 낮출수 있었다. 상기 저시멘트 알루미나질 캐스타블은 종래의 일반 알루미나질 캐스타블보다는 강도 및 기타 물성칙이 상승하였다. 그러나 일반 알루미나질 캐스타블보다는 적은 함량이 포함되어 있다고 하더라도 수산화칼슘(CaO)이라는 성분때문에 강도 및 기공율, 수축률등 물성치가 나쁘고 사용기간이 단축되는 문제점은 개선되지 못하였다.
캐스타블은 산업적으로 제지, 폐타이어등 산업 폐기물용 소각로, 시멘트 제조산업 및 제강용등 기관 산업과 직결되고 있다. 그러나 종래의 시멘트가 포함되어 있는 일반 알루미나질 캐스타블은 상기한 바와 같이 알카리(염기성) 침식에 의한 탈ㆍ부착 현상과 강도 및 내마모성 저하에 따른 문제가 있어 장기간 사용시 잦은 보수로 인해 막대한 유지비가 드는 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위한 노력의 일환으로 ρ-알루마나질 결합 캐스타블이 개발되었으나 강도 저하와 폭열등 내구성의 문제로 인해 실용화에 실패하였다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 시멘트를 사용하지 않고, 초미분 알루미나를 결합제로 사용하여 저온ㆍ고온에서의 기존 캐스타블 보다 월등한 강도를 지니고, 내마모성, 내침식성, 내폭열성, 저ㆍ고온에서의 수축으로 인한 균열발생률 감소로 기존보다 팽창대 사용이 감소되는 캐스타블을 제공하는데 목적이 있다.
도 1a는 종래의 일반 알루미나질 캐스타블의 소성온도에 따른 강도변화를 도시한 것이다.
도 1b는 본 발명에 의한 고알루미나질 캐스타블의 소성온도에 따른 강도변화를 도시한 것이다.
본 발명은 3 내지 10 mm의 입자크기를 가지는 30 내지 45 중량% 의 알루미나, 1 내지 5 mm의 입자크기를 가지는 9 내지 20 중량% 의 알루미나; 1 내지 0.074 mm의 입자크기를 가지는 15 내지 27 중량%의 알루미나; 150 내지 250 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 15 중량%의 알루미나; 200 내지 400 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 17 중량%의 알루미나; 500 내지 1,500 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 15 중량%의 초미분 알루미나; 규사(SiO2)성분 40 중량% 이하와 알루미나(Al2O3)성분 60 중량% 이상를 함유하며, 150 내지 250 메쉬의 입자크기를 가지는 1 내지 10 중량%의 무기 바인더로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 시멘트를 함유하지 않은 고알루미나질 캐스타블에 관한 것이다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 캐스타블에 유리섬유의 일종인 실리카파이버(sillica fiber), 스틸 파이버(steel fiber)중 어느 하나를 선택적으로 첨가할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은 기존의 산화칼슘(CaO) 성분을 완전히 없앤 새로운 제품으로 개발되었으며, 초미분 알루미나와 분산제의 특성을 다른 개념으로 정립하여 결합력을 한 층 더 부과시킨 알루미나질 캐스타블이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 종래의 산화칼슘이 포함되어 있는 시멘트를 결합제로 사용하는 대신에 알루미나 입자의 크기가 작을 수록 점력이 크다는 원리를 이용하여 미분의 알루미나(Al2O3)를 모재로 하고, 초미분(500-1,500 메쉬)의 알루미나의 유동성을 이용해 결합제로 사용하였고, 분산제로는 규사(SiO2) 성분 40% 이하와 알루미나(Al2O3)성분 60% 이상을 함유한 무기 바인더를 극소로 사용하였다.
본 발명의 구성을 표로 도시하면 다음과 같다.
[표 1]
품명 입자크기 적용범위(중량%) 화학성분
Alumina 3∼10mm 30∼45 Al2O399%이상
Alumina 1∼5mm 9∼20 Al2O399%이상
Alumina 1∼0.074mm(-18mesh∼200mesh) 15∼27 Al2O399%이상
Alumina 150∼250mesh 5∼15 Al2O399%이상
Alumina 200∼400mesh 5∼17 Al2O399%이상
Micro-Alumina 500∼1,500mesh 5∼15 Al2O399%이상
분산제 150∼250mesh 1∼10 Al2O360%이상, SiO240%이하
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에는, 실리카파이버(sillicaiber), 스틸파이버(steel fiber)중 어느 하나를 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 캐스타블의 혼합과정은 다음과 같다. 다양한 입도의 알루미나질 성분을 모두 혼합하고 물을 가한다. 분산제를 마지막으로 부가하여 15분 이상 충분히 혼합, 혼련하여 분산제와 초미분, 미분이 골재부와 중립부에 골고루 코팅이 되게 혼합하여야 한다.
상기한 바와 같은, 본 발명에 의한 입도배합의 기준은 입도와 함량의 입도도에 따른 연속 입도에 준해 각 테이타별 분석 결과에 따른 것이다.
본 발명에서는 3-10 mm 알루미나의 사용량은 30-45 중량% 범위로 제한함이 바람직하다. 그 이유는 30 중량% 미만일 경우에는 골재부의 함량부족으로 강도 및 마모성이 저하되고, 작업성 및 유동성이 나쁘게 되어 결국은 시공이 되지 않고, 45 중량%를 초과할 경우에 제품의 시공시 골재 몰림등의 작업성 불량등으로 캐스팅이 되지 않지 않기 때문이다.
또한 1-5 mm 알루미나의 사용량은 9-20 중량% 가 바람직하다. 1-5 mm 알루미나는 3-10 mm 알루미나의 강도와 마모성을 보완해 주는 역할을 한다. 이를 9 중량% 미만으로 포함하는 경우에는 마모성이 감소되고, 강도저하가 일어나 사용기간이 단축되는 현상을 일으키고, 20 중량%를 초과하는 경우에는 강도는 상승할 수 있으나 골재의 몰림등의 역효과로 인해 마모성에 상당한 영향을 미쳐 제품의 사용기간을 단축시키는 역효과를 나타내기 때문에 9-20 중량%가 바람직하다.
입자크기별로 캐스타블을 분류하면, 대립(입자크기가 1 mm 이상), 중립(입자크기가 1-0.074 mm), 미분(입자크기가 0.074 mm 이하)으로 구분된다. 1-0.074 mm 알루미나는 중립으로써 대립과 미분을 연결시켜주는 역할을 한다. 본 발명에서 중립인 1-0.074 mm 알루미나를 15-27 중량% 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 15 중량% 미만인 경우에는 유동성의 부족으로 작업에 어려움이 따르고 경화후 사용시 내부기공에 의한 폭열현상을 일으키는 원인이 되고, 27 중량%를 초과하는 경우에는 폭열현상에는 강하나 대립과 미분과의 결합력을 약화시켜 강도저하 현상을 일으키며 특히 1000℃ 소성시에는 상당한 강도저하로 인해 사용기간의 단축과 탈부착 현상을 유발하여 저온 소성에 따른 문제점이 발생되기 때문이다.
또한 본 발명에서는 150-250 메쉬 알루미나를 5-15 중량%를 사용하는 것이 바람직하다. 5 중량% 미만인 경우에 첨력부족 현상으로 캐스팅이 되지 않아 견고한 시공체를 형성할 수 없고, 마모와 강도등 모든 물성수치에 악영향으로 작용하게 된다. 또한 15 중량% 를 초과할 경우에는 유동성(작업에 따른 슬립의 시간당 흐름 속도)이 단축되어 작업자가 작업을 할 수 없게 되며, 만약 다량의 물로 작업을 하였다 하더라도 첨가수분에 따른 강도의 저하와 폭열성, 마모성이 좋지 않아 시공후 사용이 곤란하게 되므로 5-15 중량%가 바람직하다.
그리고 최밀충진을 이루는 입자인 200-400 메쉬 알루미나를 5-17 중량%를 사용한다. 5 중량% 미만인 경우에는 내부에 기공을 형성시켜 침식 및 마모율에 악영향을 주게되며, 17 중량%를 초과하는 경우에는 조기경화 현상과 과다한 수축변화를 가져오게 되므로 5-17 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 500- 1500 메쉬의 초미분 알루미나를 알루미나 시멘트 대용인 결합제로 사용한다. 즉, 상기 초미분 알루미나 입자의 응집원리, 즉 입자간의 거리가 런던-반데르발스 (London-Van der Waals)인력과 정전기적 반발력의 합인 포텐셜 에너지가 최소로 되는 곳에 위치할 때 강한 응집력을 갖는 원리에 근거하여 상기 초미분 알루미나가 결합제로 사용될 수 있는 것이다. 이와 같은 원리에 의해 상기 알루미나 미분과 초미분, 분산제가 슬립(slip)상태의 점력이 부가되어 양생ㆍ건조 후 일반 캐스타블의 강도에 해당하는 강도를 나타내는 것이다.
본 발명에서 상기 초미분 500-1500메쉬 알루미나를 5-15 중량% 사용하는데, 이는 5 중량% 미만인 경우에는 결합력의 부족으로 건조강도가 떨어지게 되어 시공이 되지 않으며 폭열을 유발할 수 있으며, 15 중량%를 초과하는 경우에는 초미분 알루미나를 다량 함유하게 되어 결합력의 역효과를 발생시켜 작업성이 저하되고, 다량의 수분을 흡수하여 강도 저하의 현상을 일으켜 사용이 곤란하게 되므로 5-15 중량%가 바람직하다.
본 발명에서 분산제로는 규소 40 중량% 이하와 알루미나 60 중량%이상을 함유하는 무기바인더를 사용한다. 분산제로 사용되는 규소와 알루미나는 150-250 메쉬의 입자크기를 갖는다. 분산제로 사용되는 규소와 알루미나는 응집효과에 의해 분산제 역할도 하지만 소성시 뮬라이트(mullite, 3Al2O3ㆍ2SiO2)라는 알루미나와 규소의 화학적 결합으로 강도를 한층더 향상시켜준다. 무기 바인더를 1-10 중량% 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 고알루미나질 캐스타블에는 실리카파이버(sillica fiber), 스틸파이버(steel fiber)중 어느 하나를 선택적으로 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 유리섬유의 일종인 실리카파이버(sillica fiber), 스틸파이버(steel fiber)중 어느 하나를 선택적으로 포함하게 되면, 폭열성 및 균열에 대해서 안정성이 향상되고, 곡강도가 향상된다.
본 발명에 의한 고알루미나질 캐스타블은 산화칼슘(CaO)이 전혀 포함되지 않고, 미분 입자로 이루어져서, 수축률이 거의 없는 상태이기 때문에 팽창대 사용이 거의 필요없다. 또한 제품의 캐스팅시 다량의 수분이 함유되지 않아 내폭열에도 강하고, 최저 기공을 형성하여 내침식이 월등히 우수하다.
또한 산화칼슘이 포함되어 있지 않아 종래의 캐스타블보다 열간 강도율은 강하게 나타내며, 마모율도 강하게 나타날 것을 기대할 수 있다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 실시예를 기재하는바, 이들 실시예가 본 발명의 기술적범위를 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
종래의 일반 캐스타블(Al2O3:90-95 중량%, CaO:3-5 중량%를 포함)과 저시멘트 캐스타블(Al2O3:90-95 중량%, CaO:1-2 중량%를 포함)과 본 발명에 의한 고알루미나질 캐스타블(Al2O3:98-99 중량%, CaO:0 중량%를 포함)의 압출강도 및 수축률, 물성수치, 물성분류에 관한 실험을 한 결과를 표 2에 나타내었다.
[표 2]
종래일반 캐스타블 종래저시멘트캐스타블 본발명에 의한캐스타블
화학분석 Al2O3(중량%) 95이하 90∼96 98이상
CaO(중량%) 3∼5 1∼2 -
압출강도(Kg/cm2) 110℃×24h 150∼250 250∼350 200∼250
1000℃×3h 150∼200 800∼1000 1300∼1600
1350℃×3h 200∼250 900∼1100 1500∼1600
1500℃×3h 250∼400 1000∼1200 1600∼1800
수축률(%) 110℃×24h(건조) -0.1 - -
1000℃×3h(소성) -0.15 - -
1350℃×3h(소성) -0.25 -0.2 -0.1
1500℃×3h(소성) -0.40 -0.3 -0.2
물성 분류 110℃×24h(건조) 1000℃×3h(소성) 110℃×24h(건조) 1000℃×3h(소성) 110℃×24h(건조) 1000℃×3h(소성)
물성수치 흡수율(%) 10.47 12.04 6.67 8.60 4.21 4.39
기공율(%) 27.22 30.58 17.95 23.22 13.68 14.27
부피비중 2.60 2.54 2.72 2.70 3.25 3.25
시공방법 일반 캐스팅 진동(vibration)또는 무진동(free) 진동(vibration)또는 무진동(free)
적용시공방법 일반 캐스팅 진동 진동
첨가 수분(%) 6.5∼7.5 6.5∼7.5 5-10
상기 실험결과를 살펴보면, 본 발명에 의한 고알루미나질 캐스타블이 종래의 일반 캐스타블이나 저시멘트 캐스타블보다 열간 강도차이가 2배 까지 더 강하게 나타났다. 이는 산화칼슘(CaO)함량이 적을 수록 열간 강도가 크게 되기때문에 산화칼슘(CaO)이 포함되지 않은 본 발명에 의한 고알루미나질 캐스타블의 강도가 강하게 나타나는 것이다. 마모율에서도 강도와 비례하여 상당히 강한 차이가 나타났다. 또한 수축률도 종래의 캐스타블 보다 약1/3이상 더 적게 일어나 건조ㆍ소성시 발생우려되는 균열이 최소화되어, 팽창대의 사용량이 상당히 줄어들 수 있게된다. 또한 기공율과 흡수율은 종래의 캐스타블보다 적고, 부피비중은 크게 나타나, 본 발명의 고알루미나질 캐스타블은 고비중 저기공율의 최밀충진구조를 이루고 있음을 알수 있다.
[실시예 2]
일반 알루미나질 캐스타블(Al2O3:90-95 중량%, CaO:3-5 중량%)과 본 발명에 의한 고알루미나질 캐스타블(Al2O3:98-99 중량%, CaO:0 중량%)의 소성온도의 변화에 따른 강도의 변화를 비교하여 실험하였다. 소성온도는 전기소성로를 사용하여 측정하였고, 강도는 유압프레스기를 사용하여 측정하였다. 실험결과는 도1에 도시하였다.
도 1에 나타난 실험결과를 보면, 종래의 시멘트를 함유하는 일반 알루미나질 캐스타블의 경우에는 소성시에 가장 많이 사용되는 온도인 1000℃ 까지는 강도가 반비례하여 감소하는 되지만, 1000℃ 이상에서는 강도가 상승된다. 그러나 본 발명에서는 시멘트를 함유하고 있지 않아 소성시에는 소성온도와 제곱비례하여 강도가 급격하게 상승하여 종래의 일반 알루미나질 캐스타블보다 월등한 강도차이를 보인다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 산화칼슘(CaO)을 전혀 포함하지 않아, 열간 강도율이 아주 우수하며, 마모율도 강하고, 내폭열에도 강하다. 또한 수축율도 거의 없어 팽창대의 사용이 거의 필요없으며, 기공율과 흡수율도 줄어 최밀충진구조를 형성한다.
이와 같은 본 발명에 의한 고알루미나질 캐스타블은 종래의 캐스타블보다 안정적이고, 보다 장기적으로 사용이 가능하여 경제적으로도 손실이 적고, 철거 및 재보수시 수반되는 폐기물 재활용시 산화칼슘(CaO)성분이 없어 전량 재사용이 가능하여 폐기 물량을 기존 보다 감소시켜 환경보존에도 도움이 된다.

Claims (2)

  1. 중량%로, 3 내지 10 mm의 입자크기를 가지는 30 내지 45 중량% 의 알루미나, 1 내지 5 mm의 입자크기를 가지는 9 내지 20 중량% 의 알루미나; 1 내지 0.074 mm의 입자크기를 가지는 15 내지 27 중량%의 알루미나; 150 내지 250 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 15 중량%의 알루미나; 200 내지 400 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 17 중량%의 알루미나; 500 내지 1,500 메쉬의 입자크기를 가지는 5 내지 15 중량%의 초미분 알루미나; 규사(SiO2)성분 40 중량% 이하와 알루미나(Al2O3)성분 60 중량% 이상을 함유하며, 150 내지 250 메쉬의 입자크기를 가지는 1 내지 10 중량%의 무기 바인더로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 시멘트를 함유하지 않은 고알루미나질 캐스타블.
  2. 제 1항에 있어서, 실리카 파이버, 스틸 파이버중 어느 하나를 선택적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트를 함유하지 않은 고알루미나질 캐스타블.
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