KR20060118614A

KR20060118614A - 고화 물질을 안내하거나 운반하기 위한 내화성 물품 및 그제조방법

Info

Publication number: KR20060118614A
Application number: KR1020067019361A
Authority: KR
Inventors: 란쿨르길버트; 쟈키 데레메츠
Original assignee: 비수비우스 크루서블 컴패니
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-11-23
Also published as: EP1735247A1; ZA200607795B; AU2005229162A1; RU2006135206A; CN1938235A; NO20065014L; CA2558905A1; JP2007530408A; TW200602288A; US20070238602A1; WO2005095293A1; BRPI0509176A

Abstract

본 발명은 유리질 실리카 베이스를 포함하는, 고화 물질을 안내하거나 운반하기 위한 내화성 물품, 특히 롤러나 안내 소자(guiding element) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 당업계의 물품에서 일반적으로 보여지는 픽업 문제를 나타내지 않는다. 본 발명의 내화성 물품은 비정질 베이스와, 그 안에 균일하게 분산된 탄소질 물질을 포함한다.

내화성 물품, 비정질 실리카 베이스, 탄소질 물질

Description

고화 물질을 안내하거나 운반하기 위한 내화성 물품 및 그 제조방법{REFRACTORY ARTICLES FOR GUIDING OR CONVEYING A SOLIDIFIED MATERIAL AND PROCESS FOR THE MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 유리질 실리카 베이스(vitreous silica basis)를 포함하는 고화 물질을 안내하거나 운반하기 위한 내화성 물품과 그 제조방법에 관한 것이다.

유리질 실리카는 유리질(glassy)(무정형(amorphous) 또는 비결정성(non crystalline)) 형태의 이산화 실리콘을 지칭하는 포괄적인 용어이다. 높은 순도의 모래 또는 쿼츠 침적물(deposit)은 매우 높은 온도에서 전기적 아크 용융된 원료를 제공하여 각각 용융 실리카 또는 용융 쿼츠를 제공한다. 유리질 실리카는 1250℃ 이상의 온도에서 관례대로 견딜 수 있고, 실제적으로 열 충격에 의한 균열의 위험은 없으면서 매우 낮은 열팽창 계수로 인하여 빠르게 가열되고 냉각된다. 그것은 질기고 단단하여 이것으로 만들어진 물품은 우수한 표면 손상 저항 및 우수한 내구성 저항을 나타낸다.

전형적으로, 유리질 실리카는 (벌크) 밀도 1.8 내지 2.2 g/cm³, 열팽창 계수(상온) 0.50 내지 0.95 10^-6/℃, 열 전도도 0.62 내지 1.38 W/m.^oK 및 겉보기 기 공률(apparent porosity) 7 내지 16 %를 나타낸다.

이러한 성질의 잇점을 이용한 유리질 실리카의 많은 공업적인 응용이 알려져 있다. 예를 들면, 퍼니스(furnace)에서 시트, 스트립 또는 호일의 형태로 (금속 또는 유리와 같은) 고화 물질을 이송하기 위한 컨베이어 롤러로서 또는 아연도금조(galvanisation bath)에서 고화 금속 와이어를 위한 가이드로서 사용될 수 있다.

퍼니스를 통해 시트, 스트립 또는 호일을 이송하는데 사용되는 컨베이어를 형성하는 유리질 실리카의 표면 또는 아연도금조에서 와이어를 위한 가이드를 형성하는 물품의 표면은 시트, 스트립, 호일 또는 와이어로부터 물질의 침적물을 수집하는 경향이 있어서, 그 위를 지나가는 시트, 스트립, 호일 또는 와이어가 흠집, 스크래치 및/또는 덴트되는 것이 발견되었다. 침적물을 형성하는 현상은 복잡하고, 물품 표면의 특성 뿐만 아니라, 물품에 의해 이동되거나 안내되는 시트, 스트립, 호일 또는 와이어의 조성, 설비의 조성 및 온도에 의해 영향받는다. 그러한 침적물은 노괴(build-up) 또는 픽업(pickup)으로 불리워지며, 이후에는 픽업으로 명명하겠다.

물론, 그러한 흠집난 시트, 스트립, 호일 또는 와이어는 완전하지 않고, 해체되거나 하위 등급으로 주어질 것이다. 설비가 뜨거운 상태를 유지하는 동안 이러한 물품의 단순한 교체가 항상 가능한 것은 아니어서, 물품이 이러한 픽업 단계에 도달하는 때에는 물품이 그라인더에 의해 연마되거나 심지어 교체될 수 있을 때까지 설비를 폐쇄할 필요가 종종 있다. 이러한 폐쇄는 긴 공정이고 생산을 위한 중대한 단축이다. 설비를 냉각시키는데 여러 날의 기간이 필요할 수 있고, 설비를 다시 사용되도록 배치하기 전에 물품의 실제적인 연마 또는 교체에 더 시간이 필요하다. 심지어 전체 설비를 폐쇄할 필요없이 물품을 교환할 필요가 있는 경우에도, 뜨겁고 무거운 물품을 조정하기가 어려우며, 또 다른 문제점들을 야기한다.

알려진 응용에서, "스크래퍼" 롤러는 용융주석 배스(bath)의 끝과 어닐링 라인의 처음 사이에 평판 유리 리본(flat glass ribbon)을 수송하는데 이용된다. 롤러의 표면을 파쇄시키고, 유리 리본에 의해 이송되고 롤러의 표면에 놓여진 어떠한 주석을 제거하는 스크랩퍼 롤러 하에, 모양지어진 탄소 블록(Shaped carbon blocks)이 제공된다. 사실상, 스크래퍼 블록은 롤러의 기공 내로 주석의 일부를 밀어넣는 것이 관찰되었다. 수년동안 사용한 후, 주석의 많은 부분이 산화되었다. 결과로서 얻어지는 주석 산화물은 롤러 표면을 손상시키고 유리 리본에 흠집을 남긴다.

(USP 4,412,503에서 예로서 기재된) 공지된 다른 응용에서, 유리질 실리카의 내화성 세그먼트(segment)는 아연도금조에서 스틸 와이어(steel wire)을 안내하는데 사용된다. 얼마 후에, 혼합된 주석 및 철 산화물의 중대한 픽업이 세그먼트의 표면에서 관찰될 수 있고, 와이어와 접촉하여 와이어에 심각한 흠집을 초래한다.

당업계에서는 픽업에 대하여 유리질 실리카의 특성을 향상시키고자 하는 몇몇 시도들이 이루어졌다. 지금까지는 가장 일반적인 접근은 특별하게 요구되는 응용품들(예를 들어 고 실리콘 스틸과 같은)을 위하여 유리질 실리카 이외의 물질을 사용하여 왔다. 따라서, 특수 합금 코팅을 갖는 롤러를 제공하거나(USP 2,695,248), 특별한 스틸급(particular steel grade)으로부터 제조된 샤프트를 사 용하는 것(USP 4,470,802)을 제안하였다.

또한, 흑연와 같은 다른 물질로부터 제조되거나 탈크, 흑연 또는 질화붕소와 같은 라멜라 구조를 갖는 물질로 만들어진 층을 갖는 롤러를 사용하는 것이 제안되었다(FR-A1-2672586).

그 표면에 픽업을 누적시키는 경향이 없는 상대적으로 "부드러운(soft)" 흑연 롤러 또는 흑연 피복 롤러로 좋은 결과를 일부 얻었다. 이러한 물품으로, 픽업이 형성되는 물품의 외층이 침적물 형성보다 더 빠르게 물품에 의해 이송되는 시트, 스트립 또는 호일에 의해서 부식되는 경향이 있어, 어떠한 픽업도 관찰되지 않을 수 있다는 것이 발견되었다. 그러한 물품의 명백한 불이익은 그것의 약한 부식 저항으로 인한 것이어서, 그것 또한 상기 언급된 문제점들로 종종 대체될 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 당업계의 물품에서 일반적으로 보여지는 픽업 문제점들을 나타내지 않으면서 유리질 실리카 물품의 우수한 기계적 특성을 갖는, 고화 물질을 안내하거나 수송하기 위한 내화성 물품을 제공하는 것이다. 이러한 물품은 또한 연장된 사용 수명을 갖는다.

이들 및 다른 문제점들은 특허청구범위 제1항에 따른 물품으로 해결되었다.

제1 실시예에 따르면, 유리질 실리카 베이스는 화학적으로 결합된 (시멘트 결합된 및/또는 수지 결합된) 유리질 실리카 응집물(aggregate)을 포함한다. 전형적으로, 화학적으로 결합된 유리질 실리카 응집물은 i) 적어도 75 wt%, 바람직하게는 85 wt% 이상의 무정형 실리카, (ii) 2 내지 23 %의 화학적 바인더 및 (iii) 물을 포함하는 혼합물로부터 제조된다. 적절한 화학적 바인더는 칼슘 알루미네이트, 칼슘 실리케이트, 폴리디에톡시실록산(에틸실리케이트)와 같은 폴리알콕시실록산, 콜로이달 실리카, 알루미늄 또는 지르코늄 아세테이트, 산화 마그네슘, 기타 같은 종류의 것 또는 이들의 혼합물이다. 칼슘 알루미네이트는 바람직한 바인더이다. 혼합물을 형성한 다음 건조시킨다. 일반적으로 화학적으로 결합된 유리질 실리카 응집물을 불에 말릴 필요는 없다. 건조된 화학적으로 결합된 유리질 실리카 응집물은 일반적으로 75 내지 96 wt%의 유리질 실리카, 2 내지 23 wt%의 화학적 바인더 및 2 내지 4 wt%의 물을 포함한다.

제2 및 바람직한 실시예에 따르면, 유리질 실리카 베이스는 일반적으로 적어도 60 wt%의 무정형 실리카, 바람직하게는 90 wt% 이상, 더욱 바람직하게는 95 wt% 이상 및 전형적으로 99 wt% 이상을 포함한다. 유리질 실리카는 매트릭스를 형성하고, 슬립 캐스팅(slip casting) 또는 사출 성형과 같은 유리질 실리카 매트릭스의 알려진 제조 방법에 의해 얻어질 수 있다. 형성된 유리질 실리카는 불로 말려진다. 1000℃ 이상의 온도에서 소결함으로써 일반적으로 모양은 치밀하게 된다.

본 발명에 따르면, 그러한 물품은 특허청구범위 제6항에 따른 방법으로 제조할 수 있다. 이 방법은 새롭게 형성된 물품 또는 (표면을 기계로 만든 후) 재활용된 물품 상에서 수행될 수 있다.

유리하게, 유리질 실리카 베이스를 포함하는 내화성 물품에는 타르(피치(pitch)) 또는 수지와 같은 액체 탄소질 물질(liquid carbonaceous material)이 함침된다. 탄소 함침(carbon impregnation)은 겉보기 기공률을 약 2% 이하로 감소시키는데, 이것은 픽업을 감소시킴 외에도 그렇지 않다면 일어날 수 있는 부식성 공격(corrosive attack)으로부터 내화성 실리콘 산화물을 더 보호하게 한다. 함침되는 물품을 용기 내로 놓고, 공기를 배출시킨다. 진공은 15분과 1시간 사이로 유지한다. 이것은 물품의 내부 기공 내에 갇힌 공기를 확실하게 제거시킨다. 이러한 시점에서, 액체 수지 또는 타르를 용기 내로 도입시킨다. 함침제의 요구되는 점도는 물품의 기공 크기에 의존한다. 미세하게 분포된 기공율을 갖는 조각은 충분한 함침을 갖는 저점도 함침제를 필요로 한다. 점도 범위는 전형적으로 10 - 100 센티푸아즈(centipoise) 사이이다. 만일 적절한 용매로 희석된다면, 더 높은 점도의 수지를 사용할 수 있다. 용기로 함침제가 도입되면, 5 - 25 bar 사이의 압력을 전형적으로 인가하여 수지 또는 타르를 기공 내로 밀어넣는다. 이것은 함침 공정을 완성한다. 유리질 실리카 베이스의 함침을 위한 적절한 탄소질 물질은 수지(예를 들어 페놀성 수지) 뿐만 아니라, 타르 또는 피치이다.

임의적으로, 충분한 함침을 위하여, 함침 공정 전 또는 함침 공정 중에 물품을 300℃까지 가열할 수 있다.

그런 다음, 함침된 물품을 임의적으로 건조하고(예를 들어 약 90℃), 이어서 200℃ 내지 750℃까지 10시간까지 가열하여 저온 휘발성 화합물을 날린다. 환원성 또는 불활성 대기에서 24시간까지 950℃까지 가열함으로써, 경화된 수지 또는 타르를 탄소화시켜 고정 탄소를 제공할 수 있다.

유리하게, 용기에 높은 압력(25bar 까지)을 가하여 경화된 수지 또는 타르의 크래킹을 촉진시킬 수 있다.

함침된 물품은 1 내지 6 wt%의 탄소질 물질을 포함한다. 필요하다면, 물품은 여러 함침 단계를 거쳐서 탄소질 물질의 원하는 양에 도달할 수 있다. 물품은 그 표면으로부터 수 밀리미터 혹은 그 전체 두께에서 함침될 수 있음을 유념해야 한다.

특히, 이러한 물품은 전술한 유리질 실리카 물품의 우수한 모든 특성, 특히 부식(erosion)에 대한 저항성을 나타내면서, 놀랍게도 픽업에 대한 낮은 경향을 나타낸다. 결국, 이러한 물품은 어떠한 연마 또는 교체를 필요로 하기 전 특히 긴 사용 수명을 갖는다. 어닐링 퍼니스 또는 아연도금 라인에서 고 실리콘 스틸(정향성 결정립(oriented grains)) 또는 스테인레스 스틸의 시트, 스트립 또는 호일의 수송을 위한, 또는 유리 시트, 스트립 또는 호일의 수송을 위한 것과 같은 매우 요구되는 응용(demanding application)에서, 이러한 롤러를 다수 포함하는 컨베이어 유니트는 시트, 스트립 또는 호일 형태의 물질 수송에 유리하게 사용될 수 있다.

실시예로서, 본 발명에 따른 두 개의 유리질 실리카 롤러를 제조하였고, 탄소질 물질을 제외하고는 동일한 롤러와 비교하였다. 표 1은 탄소질 물질을 함침시키기 전의 동일한 롤러(롤러 1)와 비교한 본 발명에 따른 롤러(롤러 3 및 4)에 대하여 측정된 다양한 특성을 보여준다. 또 다른 롤러(롤러 2; 비교예)는 0.2 mm 흑연 피복을 갖는 롤러 1과 동일하다. 롤러 3에는 피치를 함침시키고, 롤러 4에는 페놀성 수지를 (3mm 상에) 함침시켰다.

	롤러1	롤러2	롤러3	롤러4
절대 (벌크) 밀도(㎏/dm³)	2.208	2.208	2.161	2.039
상대 밀도 (㎏/dm³)	1.984	1.984	2.030	1.977
개방기공율	10.14%	7%	6.1%	3.05%
평균 파단계수(MPa)	32.674	32.674	33.984	35.123
평균 기공 직경 (㎛)	0.11	0.050	0.057	0.050
탄소 함량(wt%)	0	표면:100% 코어: 0	2.16%	표면: 4.30% 코어: 0

롤러 1과 2를 고 실리콘 스틸 스트립의 수송을 위한 컨베이어 유니트에 장착시켰다. 롤러 1 및 2의 표면 및 수송되는 스트립의 표면을 그들의 사용 수명 동안 정기적으로 체크하였고, 그 결과를 표 2에 정리하였다.

조절 시간	롤러 1	롤러 2	롤러 3	롤러 4
15 일	A, E	A, E	A, E	A, E
1개월	B, E	B, E	A, E	A, E
2개월	B, F	B, E	A, E	A, E
3개월	C, G	C, F	A, E	A, E
6개월	C, G	C, G	A, E	A, E
12개월	D, G	D, G	B, E	A, E
18개월	-	-	B, F	B, E

범례: A: 픽업을 관찰할 수 없음.

B: 확대경으로 일부 픽업을 관찰할 수 있음.

C: 육안으로 일부 픽업을 관찰할 수 있음.

D: 중대한 픽업. 롤러를 교체해야 함.

E: 수송된 스트립은 흠집이 생기지 않음.

F: 수송된 스트립은 약간 흠집이 생김.

G: 수송된 스트립에 상당한 흠집이 생겨 저급으로 해야함.

Claims

고화된 물질을 안내하거나 운반하기 위한 내화성 물품으로서, 유리질 실리카 베이스 및 그 안에 균일하게 분산된 탄소질 물질을 포함하는 내화성 물품.
제1항에 있어서,

상기 물품은 1 내지 6 wt%의 탄소질 물질을 포함하는 것인 내화성 물품.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 세라믹 산화물 베이스는 75 내지 96 wt%의 세라믹 산화물, 2 내지 23 wt %의 화학적 바인더, 및 2 내지 4 wt% 의 물을 포함하는 화학적으로 결합된 세라믹 화합물 응집물로 이루어진 것인 내화성 물품.
제3항에 있어서,

상기 화학적 바인더는 칼슘 알루미네이트, 칼슘 실리케이트, 폴리알콕시실록산, 콜로이달 실리카, 지르코늄 아세테이트, 마그네슘 아세테이트, 산화 마그네슘 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 칼슘 알루미네이트인 내화성 물품.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 세라믹 산화물 베이스는 적어도 60 wt%, 바람직하게는 90 wt% 이상, 보다 바람직하게는 95 wt% 이상, 보다 더 바람직하게는 99 wt% 이상의 세라믹 산화물을 포함하는 소결된 세라믹 산화물 매트릭스로 이루어진 것인 내화성 물품.
(b) 유리질 실리카 베이스에 탄소질 물질을 함침시키되 바람직하게는 열 및/또는 압력 하에서 함침시키는 단계를 포함하는,

제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 내화성 물품을 제조하는 방법.
제6항에 있어서,

상기 함침시키는 단계 이후에 (c) 함침된 탄소질 물질을 열 하에서, 바람직하게는 압력 하에서 크래킹하는 단계를 더 포함하는 내화성 물품을 제조하는 방법.