KR20080052600A

KR20080052600A - 용융 금속 여과용 필터 장치 및 이러한 필터를 제조하는방법

Info

Publication number: KR20080052600A
Application number: KR1020087006737A
Authority: KR
Inventors: 카심 쥬마
Original assignee: 비수비우스 크루서블 컴패니
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-06-11
Also published as: EP1940532A1; CN101257957A; DE602006021449D1; RU2008112983A; BRPI0615471A2; ATE506109T1; TW200719941A; CA2619887C; EP1940532B1; AU2006289366B2; RU2406557C2; MX2008003073A; US20090071293A1; CA2619887A1; WO2007028556A1; CN101257957B; US7963402B2; AU2006289366A1

Abstract

본 발명은 인산 결합에 의해 결합되는 주요 세라믹 상과 부수적인 탄소 상을 포함하는, 용융 금속 여과용 세라믹 필터 장치와, 이러한 필터 장치를 제조하는 방법, 및 용융 강을 여과하기 위한 이러한 필터 장치의 사용에 관한 것이다.

세라믹 필터 장치, 용융 금속, 세라믹 상, 탄소 상, 슬러리

Description

용융 금속 여과용 필터 장치 및 이러한 필터를 제조하는 방법{FILTER DEVICE FOR MOLTEN METAL FILTRATION AND METHOD FOR PRODUCING SUCH FILTERS}

본 발명은 용융 금속 여과용 필터 장치, 이러한 필터 장치를 제조하는 방법, 및 용융 강의 여과를 위해 이러한 필터를 사용하는 것에 관한 것이다.

용융 금속을 처리하기 위해서는, 원료의 불순물과, 용융물의 표면 상에 형성된 슬래그, 찌꺼기 및 산화물, 그리고 금속이 용융된 용융물이 형성되는 챔버 또는 베셀을 형성하는 데 사용되는 내화재의 소량의 단편 등으로부터의 외인성 금속간 화합물 함유물을 제거하는 것이 바람직하다.

이러한 함유물의 제거는 특히 강, 철 및 알루미늄 금속의 주조에 있어서 제품의 고품질을 보장하는 균질한 용융물을 형성한다. 일반적으로, 극한의 열충격을 견뎌내는 높은 능력, 화학적 부식에 대한 저항성 및 기계적 응력을 견뎌내는 능력으로 인해 세라믹 필터 장치가 널리 사용된다.

그러한 세라믹 필터 장치의 제조는 페이스트 또는 슬러리를 준비하기 위해, 통상적으로 세라믹 분체와 적절한 유기 바인더 및 물의 혼합을 포함한다. 슬러리는 폴리우레탄 폼(foam)을 함침시키는 데 사용되는데, 상기 폼은 이후 건조되고, 1000 ℃ 내지 1700 ℃ 범위의 온도에서 소성된다. 이러한 처리로 인해, 다공성 본 체를 제조하기 위한 소결 중에 가연성 재료가 태워져 없어진다. US-A-2,360,929 및 US-A-2,752,258는 일반적인 처리에 대한 예로서의 역할을 할 수 있다.

또한, 불규칙한 상호 연결 통로들이 무작위적으로 분포되어 있는 대신에, 통상적으로 댐프 세라믹 분체와 유기 바인더를 수직 핀을 포함하고 있는 몰드 내로 유압 가압 성형함으로써 형성되는 것과 같은 재료를 관통하는 일련의 평행한 도관으로 구성된 개기공 필터 장치가 공지되어 있다. 따라서, 디스크 또는 블럭 형태일 수 있는 천공형 구조체가 얻어진다. 그 후, 천공형 물품은 천공형 디스크를 제조하기 위해 최종 용도에 따라 1000 내지 1700 ℃ 범위의 온도에서 소성된다. 소성 중에, 세라믹 및/또는 유리 결합이 형성된다.

W0-A1-0140414는 건조물, 금속 가공 또는 컨덕터와 같은 다양한 용례에서 사용하는 다공성의 석탄을 주성분으로 하는 재료에 관한 것이다. 상기 재료는 비산화 분위기 하에서 몰드 내의 분체화된 석탄 미립자를 가열함으로써 제조된다. 상기 특허 문헌은 용융된 알루미늄 금속의 여과에 있어서 세라믹 폼 필터의 대체물로서 다공성의 석탄을 주성분으로하는 제품의 사용을 제안한다. 그러나, 석탄을 주성분으로 하는 필터는 기계적으로 취약하다.

EP A2 0 251 634에는 매끄러운 벽을 지닌 셀이 기공 형성제에 의해 형성되고, 기공이 셀을 상호 연결하는 라운드형 에지를 지니는, 금속 여과 목적을 위한 소정의 다공성 세라믹 본체를 제조하는 방법이 설명되어 있다. 기공 형성제는 제조 과정에서 휘발되어 세라믹에서 제거된다.

US-A-5,520,823는 단지 용융 알루미늄을 여과하기 위한 필터 장치에 관한 것 이다. 붕규산염 유리를 사용하여 결합이 얻어진다. 소성은 공기 중에서 실행되고, 많은 양의 흑연이 공기에 의한 산화로 인해 소실될 것이다.

일반적으로 말하자면, 알루미늄 여과를 위해 사용되는 필터 장치는 통상 약 1200 ℃에서 소성되는 한편, 철의 여과를 의도한 필터 장치는 1450 ℃의 온도에서 소성되고, 강의 여과를 의도한 필터 장치는 1600 ℃를 넘는 온도에서 소성된다. 대략 1700 ℃에서 소성되는 세라믹 지르코니아 필터 장치는 통상적으로 강의 여과에 채택된다.

금속 여과를 위한 폭넓은 사용에도 불구하고, 전술한 타입의 세라믹 필터 장치들은 그들의 이용 가능성을 제한하는 여러가지 결점을 갖고 있다.

세라믹 필터 장치는 비록 예열되지만, 용융 금속과 처음 접촉할 때에 미립자가 응고되어 막히는 경향이 있다. 이러한 목적으로, 주조에는 통상 과열되는 용융 금속, 즉 액체 온도보다 약 100 ℃ 높은 온도의 금속이 사용되어 필터 장치가 막히는 것을 방지한다. 이러한 관례는 에너지와 비용의 관점에서 매우 비경제적이고, 용융 금속의 처리 온도를 감소시키는 임의의 개선은 매우 유익하다. 종래 기술에서는 용융 금속과 직접 접촉하게 되는 부분의 열질량을 감소시키기 위해 세라믹 필터 장치의 표면 상에 탄소 코팅이 도포되었다.

EP 0 463 234 B1에 의해 세라믹 필터 장치의 탄소 코팅 표면에 도포되는 발열 반응성 테르밋 재료가 제안되었다. 후자의 해결책은 용융 금속의 흐름을 위해 필요한 온도는 감소시키는 반면, 필터 장치의 제조 비용을 늘리며, 테르밋 재료는 필터 장치가 사용되는 용융 금속의 타입과 친화성을 가져야 하기 때문에 이용 가능 성을 매우 협소하게 제한한다.

여하튼, 탄소 코팅 및 테르밋 코팅 모두는 세라믹 필터 장치의 높은 열질량의 결점을 극복하는 역할을 하지만, 여러가지 추가의 단점에 대한 과제는 충족하지 않는다.

세라믹 및 유리 결합 타입은 고온에서 종종 연화되고 휘는 경향이 있어, 필터 장치의 부식과, 이에 따른 용융물의 오염을 야기한다.

고온 금속 용융물에 의한 열충격 또는 화학적(환원성) 부식 작용으로 인한 크랙킹은 세라믹 및 유리 결합형 필터 장치가 종종 직면하게 되는 문제이다.

특히 강의 여과용으로 의도되는 세라믹의 경우에 매우 높은 소성 온도를 필요로 하는 것은, 고가의 세라믹 원료에 대한 필요성이 고려되는 경우에는 훨씬 불량한 종래의 세라믹 필터 장치의 심각한 결점이다.

추가적으로, 배경 복사(background radiation)가 비교적 강한 지르코니아의 사용은 위험하고, 회피해야 한다.

EP 1 421 042 A1은 흑연화 탄소 결합형 네트워크를 포함하는 용융 금속 여과용 필터 장치와, 용융 강의 여과를 위한 필터 장치의 사용에 관한 것이다. 그러나, 이러한 필터 장치는 비교적 취약하고 낮은 기계적 강도를 갖는다.

EP 1 511 589 A1은 용융 강의 여과를 위한 흑연화 탄소 결합형 네트워크를 포함하는 필터 장치로서, 특히 저장조 챔버를 제공하고 서로 이격되어 있는 2개 이상의 체판의 존재를 특징으로 하는 필터 장치에 관한 것이다.

이들 특허 문헌에 따른 필터 장치는 수송 및 사용 중에 문제점을 유발하는 제한된 기계적 강도를 지니고, 필터 상의 용융 금속의 압력을 견뎌내는 필터의 능력을 제한한다.

또한 이들 필터 장치는 부스러지기 쉽고, 주조 이전에 몰드 내로 떨어질 수 있는 조각들로 부서지는 경향이 있어, 주조의 오염을 야기한다.

이들 결점은, 흑연화 탄소 결합과 섬유 결합 세라믹 분체의 3차원 네트워크를 채택함으로써 기계적인 강도와 강성을 향상시키는 금속 여과용 필터를 제공하는 EP 1 513 600 A1에 의해 해결되었다. 전통적으로, 물품에 대한 기계적 강도와 강성을 향상시키기 위해서 세라믹재 및 복합재에 섬유가 첨가된다. 공지의 섬유는 금속 섬유이거나, 폴리에스테르 섬유, 비스코스 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유, 아라미드 섬유, 폴리아미드 섬유 등과 같은 유기 섬유이거나, 알루미노실리케이트(aluminosilicate) 섬유, 알루미나 섬유나 유리 섬유와 같은 세라믹 섬유이거나, 탄소 섬유이며, 탄소 섬유는 100 % 탄소로 구성될 수 있다.

US-A1-4265659는, 예컨대 슬러리에 세라믹 섬유를 첨가한 것에 의해 강도가 향상된 필터에 관한 것이다.

인산 결합 알루미나 필터가 알루미늄 여과에 사용되어 왔다. WO-A-82033339는 알루미늄 금속 여과용 다공성 세라믹 필터에 관한 것이다. 다공성 세라믹 필터는 세라믹 미립자, 바람직하게는 Al₂O₃와 바인더를 포함하는 슬러리에 폼을 함침시킴으로써 얻어진다. 상기 바인더는 인산알루미늄 바인더이다.

US 3947363은 용융 금속 여과용의, 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹 폼 필터에 관한 것이다. 바인더는 알루미늄 오르토인산염 바인더이다.

그러나, 종래의 이들 알루미나 필터 장치는, 인산 결합의 연성 및 낮은 내화성으로 인해, 예컨대 철 또는 강의 여과를 위해 사용할 수 없다.

이들 결점은 용융 강의 여과에 적합한 필터를 제공하는 EP-A-159963에 의해 해결되었다. 상기 필터는 인산염 바인더를 함유하는 세라믹 슬립에 폼을 함침시키고, 과량의 슬립을 압착해내며, 폼 재료를 건조하고 1660 ℃ 이상의 온도에서 연소시킴으로써 마련된다. 이에 의해, 얻어진 세라믹 필터는 기본적으로 인산염이 없는, 함께 상호 소결된 세라믹 미립자로 이루어진다.

종래의 탄소 필터 장치는 최대 50 %의 탄소 기재로 구성되는데, 이 탄소 기재에는 EP 1282477 A1에 설명되어 있는 바와 같이 세라믹 분체가 매립된다. 이 특정 특허는 소성 박스 내부의 산소 레벨을 제어하기 위해 소성 개시시에 소성 박스에 공기를 주입한 후 중단하는, 탄소 결합 필터의 소성 분위기를 제어하는 것을 제안한다. 그러한 방법은 제어하기 매우 어렵고, 귀찮으며, 필터의 품질이 일정하지 않을 수 있다. 또한, 실제 경험은 이 특허에 개시되어 있는 방법을 사용하여 직경이 200 mm를 넘는 대형 필터를 제조할 수 없다는 것을 보여주었다. EP 1282477 A1에 따라 제조된 필터는 취약한 기계적 강도, 크기 제한 및 일정하지 않은 품질 이외에도 낮은 내산화성의 탄소가 높은 레벨(최대 50 %)로 존재하는 것으로 인해 높은 산화율이라는 문제를 갖는다. 다른 한편으로, EP 1 421 042 A1, EP 1 511 589 A1 및 EP 1 513 600 A1에는 최대 약 90 %의 세라믹을 포함하는 약 10 %의 양만큼의 흑연화 결합을 포함하는 필터가 개시되어 있다. 이들 2가지 타입의 필터의 차이에 도 불구하고, 이들 양자는 소성 분위기를 제어하는 데 있어서의 어려움과, 이로 인해 필터 장치마다 기계적 강도에 있어서 서로 다르고, 높은 불합격률도 나타내는 것으로 인해 제조에 있어서 비일관성이라는 문제를 갖는다. 이들 필터 장치는 또한 취급 및 수송에 있어서의 문제를 야기하는 낮은 기계적 강도를 나타낸다. 이들 필터, 특히 약 50 %의 탄소 기재와 같은 주요 탄소 상(phase)을 포함하는 필터 장치는 또한 산화 가능한 탄소가 높은 수준으로 존재하는 것으로 인한 낮은 내산화성이라는 문제를 갖는다. 소성시의 높은 수축률과 낮은 기계적 강도로 인해, EP 1282477 A1에 따라 형성된 필터는 보다 큰 크기로 제조될 수 없다. 낮은 기계적 강도와 마손도(friability)의 문제는 주조업자가 이들에게 익숙한 세라믹 결합 필터보다 취약한 필터를 사용하는 것을 꺼려하는 것으로 인해 이러한 타입의 필터의 사용을 제한하였다

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점 모두를 해결하는 것으로, 보다 구체적으로는, 예컨대 수송 중에 과도한 주의 없이도 취급되고, 철 및 강을 포함하는 주조 용융 금속의 충격 및 응력을 견뎌내기에 충분하게 열적 및 기계적으로 단단하며 강하고, 또한 기공이 막히는 것을 방지하기 위해 용융 금속을 과열시킬 필요성을 회피하며, 큰 크기에 있어서도 미리 결정된 특성을 갖도록 신뢰성 있게 제조 및 재생될 수 있는 필터 장치와 이러한 필터 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 문제들은 인산 결합에 의해 결합되는 주요 세라믹 상과 부수적인 탄소 상을 포함하는, 용융 금속의 여과를 위한 필터 장치에 의해 해결되었다.

이론에 의해 구속되지 않기를 바라지만, 탄소 상은 인산 결합 네트워크와 얽혀서 인산 결합 네트워크의 구성에 영향을 주며, 이에 따라 전술한 문제점들에 대한 과제를 해결하도록 탄소 상이 없는 경우에 인산 결합 네트워크가 갖는 유연한 특성을 높은 경도, 구조적인 기계적 저항 양자 및 탄성을 나타내는 정도로 강화한다. 이러한 서로 영향을 끼치는 구조적인 구성 요소의 조합이 본 발명의 필터 장치의 상승적인 특징을 초래할 것으로 예상하지는 않았다. 상기 조합으로 인해 본 발명의 필터는 고온에서 소성될 필요가 없는 한편, 또한 용융 강의 여과에 적절하다. 본 발명의 견지에서 주요 세라믹 상은 필터 장치의 50 중량부 이상의 양만큼의 알루미나, 실리카, 지르코니아, 지르콘, 마그네시아, 흑연, 멀라이트, 탄화규소, 점토, 붕화지르코늄(zirconium diboride)과 같은 금속 붕화물, 또는 이들의 조합을 의미한다.

기본적으로, 인산 결합에 의해 결합되는 세라믹 상만을 포함하는 필터는 인산 결합의 낮은 내화성으로 인해 강의 여과를 위해 사용할 수 없다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 필터를 강을 여과하는 데 사용하기에 적절하게 만드는 탄소 상을 갖는 것이 필수적이다.

본 발명에 따른 부수적인 탄소 상과 결합된 인산염은 비교적 낮은 열질량을 나타낸다. 이 결과로 인해, 여과할 용융 금속을 과열할 필요가 없어 에너지 소비가 감소된다. 본 발명의 필터 장치의 기계적 강도는 순수한 세라믹 결합 필터의 강도만큼 높다. 본 발명의 필터 장치는 신뢰성 있게 높은 품질 기준에 부합하게 제조될 수 있다. 필터 장치는 취급하기 용이하고 수송중에 안전하다. 필터 장치는 높은 내산화성을 나타낸다. 필터 장치는 높은 강도로 인해 보다 큰 크기로도 제조될 수 있으며, 이것은 필터 장치가, 예컨대 강의 여과에 있어서 다른 생각치 않은 용례에 대해서도 채택될 수 있다는 것을 의미한다.

바람직하게는, 본 발명의 필터 장치의 세라믹 상은 알루미나, 지르코니아, 지르콘, 실리카, 마그네시아, 임의의 타입의 점토, 탈크, 운모, 실리콘, 탄화물, 질화규소 등이나 이들의 혼합물, 또는 흑연, 특히 브라운 용융 알루미나(brown fused alumina)를 포함하거나, 특히 이들로 구성된다. 본 발명에 따른 필터는 인산염이 최대 15 중량부, 특히 1 내지 10 중량부, 보다 특히 5 중량부를 구성하는 것이 특히 바람직하다.

상기 탄소 상은 본 발명에 따른 필터 장치의 15 중량부, 특히 1 내지 10 중량부, 보다 특히 7 중량부를 구성하는 것이 바람직하다.

부수적인 탄소 상은 타르, 피치(pitch), 페놀 수지, 성형 코크스, 반성 코크스 제품, 흑연, 소결 탄소, 무연탄, 목질소, 소결 코크스 제품, 유기 폴리머 및 이들의 혼합물이나 조합을 포함하거나, 특히 이들로 구성된다,

특히 바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 필터 장치는 세라믹 섬유 및/또는 유기 섬유를 더 포함할 수 있다.

상기 세라믹 섬유는 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 알리미노실리케이트 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하 다. 상기 유기 섬유는 폴리에스테르 섬유, 폴리아크릴니트릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리아미드 섬유, 비스코스 섬유, 아라미드 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 바람직하다.

필터 장치의 레시피에, 0.1에서 최대 20 중량부, 특히 0.2에서 최대 10 중량부, 보다 특히 4 중량부의 섬유를 추가하는 것은 필터 장치의 성능에 있어서의 현저한 향상에 기여한다. 상기 향상은 주로 기계적 강도의 증가, 향상된 강성, 높은 내충격성 및 보다 양호한 열충격으로 인한 것이다. 상기 향상은 여과 능력의 증가, 보다 양호한 기계적 무결성 및 강의 주조에 대한 보다 적은 오염에 의해 그 자체가 증명된다. 탄소 및 섬유와 결합하는 인산 결합의 현저한 기계적 강도로 인해, 금속 주조 공정 중에 고온에서의 연화 또는 굴곡이 발생할 수 없다. 이것은 더욱 흠이 없는 금속 주조물에 기여한다.

본 발명에 따른 탄소 상 및 섬유를 더 포함하는 인산 결합 필터는 유리 탄소 결합 필터과 비교하여 다음의 장점을 제공한다,

- 높은 내산화성

- 높은 기계적 강도

- 높은 내충격성

- 낮은 미세기공률

- 낮은 비표면

- 구조적 유연성

- 비취성 거동

- 경제적인 사용

- 제조의 용이성

- 일관된 품질

본 발명자는 부수적인 탄소 상 필터 장치에 결합되는 인산염에 임의의 타입의 섬유를 첨가하는 것이 필터의 기계적 강도에 있어서의 더욱 현저한 향상과 내충격성과 열충격에 있어서의 향상을 야기한다는 것을 확인하였다.

본 발명자는 섬유 첨가의 유리한 효과가, 첨가되는 섬유의 양, 섬유의 길이, 첨가되는 섬유의 특성 및 타입에 좌우된다는 것을 확인하였다. 첨가되는 섬유의 양이 많을수록 필터 장치가 보다 강해진다. 그러나, 섬유의 양이 너무 많은 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 이것이 슬러리의 유동성에 악영향을 미치기 때문이다. 최상의 결과는 탄소 섬유를 합체한 후, 세라믹 섬유를 합체하는 것으로부터 얻어진다. 다른 한편으로, 탄소 섬유는 가장 고가인 반면, 유기 섬유는 가장 저렴하다. 유기 섬유는 사용하기에 가장 경제적인데, 그 이유는 유기 섬유가 탄소 섬유나 세라믹 섬유보다 훨씬 적은 양(2 중량부 미만)으로 첨가되기 때문이다. 그러나, 유기 섬유는 세라믹 섬유 또는 탄소 섬유보다 슬러리의 유동성을 더욱 방해한다. 섬유의 형태는 필터 성분의 혼합 중에 첨가되는 절단된 섬유나 벌크 섬유이다. 가외의 혼합 기술이 요구되지 않는다.

본 발명에 따라 사용되는 섬유의 길이는 모두 0.1 내지 5 mm 범위이며, 0.1 내지 1.0 mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 용융 금속 여과용 세라믹 필터 장치는

a) 열가소성 재료로 이루어진 폼을 인산염 전구체, 탄소 소스, 세라믹 분체 선택적인 세라믹 섬유나 탄소 섬유, 및 선택적인 다른 첨가제를 함유하는 슬러리에 함침시키는 단계와,

b) 폼을 건조하고, 이어서 선택적으로 이 폼을 a) 단계에서 설명된 슬러리에 1회 또는 2회 함침시키며, 이어서 폼을 최종 건조시키는 단계, 그리고

c) 함침된 폼을 비산화 및/또는 환원 분위기에서 500 내지 1000 ℃, 특히 600 내지 900 ℃의 온도로 소성하는 단계

를 포함하는 제1 방법으로 제조된다.

상기 인산염 전구체는 인산, 인산나트륨, 오르토 및 모노 인산알루미늄, 인산칼슘, 인산마그네슘, 인산 함유 염, 인산 함유 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 필터 장치를 제조하기 위해서 폴리우레탄을 함유하는 열가소성 폼이 이용된다.

필요하다면, 폼을 세라믹 분체, 물, 유기 바인더 및 유동성 제어 첨가제에 함침시키기 이전에 섬유와 탄소 소스를 혼합하는 것이 유리한데, 상기 유동성 제어 첨가제는 본 발명의 일실시예에서 최대 2 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 2 중량부 범위의 양만큼 존재할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제2 타입의 세라믹 필터는

a) 인산염 전구체, 탄소 소스, 세라믹 분체, 및 섬유를 포함하는 선택적인 다른 첨가제를 포함하는 세미 댐프 혼합물을 유압 프레스 내에서 가압 성형하는 단 계와,

b) 상기 혼합물을 디스크 또는 블럭 형상으로 가압 성형하는 단계와,

c) 단계 b)와 조합하여 또는 개별 단계로서 단계 b)에서 가압 성형된 혼합물을 천공하는 단계, 그리고

d) 단계 c)에서 천공된 물품을 비산화 및/또는 환원 분위기에서 500 내지 1000 ℃, 특히 600 내지 900 ℃의 온도로 소성하는 단계

를 포함하는 방법으로 제조된다.

탄소 상의 소스는 고융점 피치(HMP)인 것이 바람직한데, 그 이유는 HMP가 가공성, 비용 및 제품 품질과 관하여 최적의 특성을 제공하기 때문이다. 그러나, 본 발명에 따른 탄소 소스 재료를 제조하는 데에는, 탄소 상을 제공할 수 있기만 하면 합성 수지나 천연 수지, 흑연, 코크스, 폴리머 및 소결 가능한 탄소와 같은 다른 탄소 소스도 사용할 수 있다는 것을 유념해야 한다. 탄소 상의 선택은 그 안정성 및 안전도 양상, 소성 중의 휘발 수준, 탄소 수율, 다른 구성 요소와의 친화성, 친수성, 비용 등에 의해 결정된다. 높은 탄소 수율을 제공하고, 흡수율이 낮으며, 환경을 오염시키지 않고, 취급 및 사용이 안전하며, 낮은 비용 및 친수성을 갖는 탄소 소스를 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 이들 방법은

- 1 내지 15 중량부의 양만큼의 인산염 전구체와,

- 5 내지 90 중량부의 양만큼의 탄소 상 소스와,

- 5 내지 90 중량부의 양만큼의 세라믹 분체, 특히 알루미나 분체와,

- 0 내지 80 중량부의 양만큼의 항산화재와,

- 0 내지 20 중량부의 양만큼의 섬유와,

- 0 내지 10, 특히 0.2 내지 2 중량부의 양만큼의 유기 바인더, 그리고

- 0 내지 4, 특히 0.1 내지 2 중량부의 양만큼의 분산제

를 포함하는 슬러리(인산 결합되는 제1 타입의 탄소 상 필터를 제조하는 경우) 또는 세미 댐프 혼합물(인산 결합되는 제2 타입의 탄소 상 세라믹 필터를 제조하는 경우)을 사용한다.

물은 필요한 양만큼 첨가된다. 슬러리 준비를 위해, 세라믹 필터 재료의 특성 및 탄소 상 소스에 따라 15 내지 40 중량부의 물이 필요하다. 가압 성형을 위해 사용되는 세미 댐프 혼합물에 있어서, 세라믹 필터 재료의 특성 및 탄소 상 소스에 따라 2 내지 10 중량부의 양만큼의 물이 필요하다.

세라믹 분체는 알루미나, 특히 브라운 용융 알루미나, 지르코니아, 지르콘, 실리카, 마그네시아, 임의의 타입의 점토, 탈크, 운모, 실리콘, 탄화물, 질화규소 등, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수도 있고, 바람직하게는 이들로 구성될 수도 있다.

본 발명에 따른 바람직한 항산화재는 강, 철, 청동, 실리콘, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 붕화지르코늄, 붕화칼슘, 붕화티탄 등 및/또는 산화붕소를 20 내지 30 중량부의 중량으로 함유하는 유리 프릿(glass frit)과 같은 금속 분체이다.

본 발명에 따른 바람직한 유기 바인더는 폴리비닐 알콜(PVA), 전분, 아라비아 고무, 설탕 등, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 그린 바인더이다. 이들 바인 더는 소성 이전의 취급 중에 필터 장치의 기계적 특성을 향상시키기 위해 첨가될 수 있다. 전분과 아라비아 고무는 증점제(增粘劑)로서 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 바람직한 분산제는 슬러리 내의 물의 양을 감소시키고 유동성을 향상시키는 것을 돕는 Despex®, 술폰산리그닌(lignin sulfonate) 등, 또는 이들의 임의의 조합이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 슬러리 또는 세미 댐프 혼합물은 0 내지 2 중량부, 바람직하게는 0.5 내지 1 중량부 범위의 폴리에틸렌 글리콜(바람직한 분자량: 500 내지 10,000)과 같은 가소제 및/또는 0 내지 1 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 0.5 중량부 범위의 실리콘 소포제와 같은 소포제를 포함할 수 있다.

본 발명의 필터는 우수한 특성으로 인해 용융 강의 여과에도 적절하다.

본 발명은 다음 예에 의해 더욱 예시된다,

흑연화 가능한 고융점 피치(HMP)로서, 유리 천이 온도가 210 ℃이고, 쿠킹값이 85 %이며, 애쉬값이 0.5 %이고, 미세 분체로서 상업적으로 이용 가능한 콜타르 피치를 사용하였다.

예 1

A: 제1 타입에 따른 필터

폴리우레탄 폼을 필요한 크기로 절단하고 다음을 포함하는 슬러리에 함침시켰다.

알루미나 분체 88 중량부(ppw)

인산알루미늄 5 ppw

탄소(HMP) 7 ppw

유기 바인더 PVA 1.0 ppw

해교제 Despex® 0.2 ppw

소포제 유기 실리콘 유도체 0.1 ppw

물

필터를 수동이나 이러한 목적을 위해 사용되는 롤러를 포함하는 기계로 함침하였다. 함침후, 열풍 및/또는 마이크로파 드라이어를 사용하여 필터를 건조시켰다. 분사 에어 건으로 다른 코팅을 도포하였다. 필터 장치를 한번 더 건조시키고 노(爐)로 이송하여 불활성 분위기에서 1 내지 10 ℃/분 범위의 가열 속도로 600 내지 900 ℃의 온도에서 20 내지 120분 동안 소성하였다. 상기 필터 장치의 파괴 계수는 1 MPa이었다. 필터가 무거울수록 강도는 높아진다. 이 필터 장치는 단지 세라믹 또는 유리 결합 재료로 형성된 것들보다 훨씬 가벼웠다. 이 필터는 또한 훨씬 더 저렴하였다. 현장에서 시용(試用)하는 동안, 용융 금속이 필터 장치와 접촉할 때 가외의 열이 생성되기 때문에(발열 반응), 이 필터를 사용할 때 과열이 필요하지 않다는 것을 확인하였다.

예 2

예 1에 따른 필터를 다음을 포함하는 슬러리를 사용하여 준비하였다.

알루미나 분체 84 중량부(ppw)

인산알루미늄 5 ppw

탄소(HMP) 7 ppw

유기 바인더 PVA 1.0 ppw

해교제 Despex® 0.2 ppw

소포제 유기 실리콘 유도체 0.1 ppw

탄소 섬유 4 ppw

물

상기 필터 장치는 예 1에 필터에 대하여 증가된 파괴 계수를 가졌다. 3 MPa보다 큰 파괴 계수가 측정되었다. 현장에서 시용하는 동안, 용융 금속이 필터 장치와 접촉할 때 가외의 열이 생성되기 때문에(발열 반응), 이 필터를 사용할 때 과열이 필요하지 않다는 것을 확인하였다. 탄소 섬유의 함량에 따라 최대 6 MPa의 파괴 계수를 측정할 수 있다.

예 3

B: 제2 타입에 따른 필터:

4 ppw의 물을 포함하는 예 1에 따른 혼합물을 호바트(Hobart) 믹서 또는 아이리히(Eirich) 믹서에서 마련하였다. 혼합 공정의 목적은 균질한 세미 댐프 혼합물을 형성하고자 하는 것이다. 혼합물을 가압 성형 이전에 24시간 동안 시효 처리하였다. 미리 정해진 중량의 혼합물을 EP 1 511 589 A1에 설명되어 있는 바와 같은 수직 핀을 포함하는 강제 몰드 내에 배치하였다. 혼합물을 가압 성형하여 천공형 물품을 제조하였다. 다음에, 이 천공형 물품을 몰드로부터 분리하고 건조시켜, 비산화 또는 환원 분위기에서 2 ℃/분의 가열 속도로 1시간 동안 900 ℃의 온도로 소성하였다.

Claims

인산 결합에 의해 결합되는 주요 세라믹 상과 부수적인 탄소 상을 포함하는, 용융 금속 여과용 필터 장치.
제1항에 있어서, 주요 세라믹 상은 알루미나, 지르코니아, 지르콘, 실리카, 마그네시아, 임의의 타입의 점토, 탈크, 운모, 실리콘, 탄화물, 질화규소 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 용융 금속 여과용 필터 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 주요 세라믹 상은 브라운 용융 알루미나(brown fused alumina)를 포함하는 것인 용융 금속 여과용 필터 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 인산염은 최대 15 중량부, 특히 1 내지 10 중량부, 보다 특히 5 중량부를 구성하는 것인 용융 금속 여과용 필터 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 부수적인 탄소 상은 최대 15 중량부, 특히 1 내지 10 중량부, 보다 특히 7 중량부를 구성하는 것인 용융 금속 여과용 필터 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 섬유와 유기 섬유 중 어느 하나 또는 이들 양자를 더 포함하는 것인 용융 금속 여과용 필터 장치.
제6항에 있어서, 세라믹 섬유는 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 알리미노실리케이트 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 용융 금속 여과용 필터 장치.
제6항에 있어서, 유기 섬유는 폴리에스테르 섬유, 폴리아크릴니트릴 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리아미드 섬유, 비스코스 섬유, 아라미드 섬유, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 용융 금속 여과용 필터 장치.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 필터 장치는 0.1 내지 20 중량부의 양만큼, 특히 0.2 내지 10 중량부의 양만큼, 보다 바람직하게는 4 중량부의 상기 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 금속 여과용 필터 장치.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유의 길이는 0.1 내지 5 mm, 바람직하게는 0.1 내지 1 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 용융 금속 여과용 필터 장치.
용융 금속 여과용 세라믹 필터 장치를 제조하는 방법으로서,

a) 열가소성 재료로 형성된 폼(foam)을 인산염 전구체, 탄소상 전구체, 세라믹 분체, 선택적인 섬유 및 선택적인 다른 첨가제를 포함하는 슬러리에 함침시키는 단계와,

b) 폼을 건조하고, 이어서 선택적으로 이 폼을 상기 슬러리에 1회 또는 2회로 함침시키며, 이어서 폼을 최종 건조시키는 단계, 그리고

c) 함침된 폼을 비산화 및/또는 환원 분위기에서 500 내지 1000 ℃, 특히 600 내지 900 ℃ 범위의 온도로 소성하는 단계

를 포함하는 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 인산염 전구체는 인산, 인산나트륨, 오르토 및 모노 인산알루미늄, 인산칼슘, 인산마그네슘, 인산 함유 염, 인산 함유 화합물 및 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 탄소 상 전구체는 적어도 부분적으로 또는 완전히 안정한 탄소 상으로 전환되는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리우레탄을 포함하는 열가소성 폼을 이용하는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제11항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 인산염 전구체와 탄소 상 전구체 는 폼을 함침하기 이전에 섬유, 세라믹 분체, 물, 유기 바인더 및 유동성 제어 첨가제와 혼합되는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
용융 금속 여과용 세라믹 필터 장치를 제조하는 방법으로서.

a) 인산염 전구체, 탄소 상 전구체, 세라믹 분체, 및 섬유를 포함하는 선택적인 다른 첨가제를 포함하는 세미 댐프(semi-damp) 혼합물을 유압 프레스에서 가압 성형하는 단계와,

b) 상기 혼합물을 디스크 또는 블럭 형상으로 가압 성형하는 단계와,

c) 단계 b)와 조합하여 또는 개별 단계로서 단계 b)의 가압 성형된 혼합물을 천공하는 단계, 그리고

d) 단계 c)에서 천공된 물품을 비산화 및/또는 환원 분위기에서 500 내지 1,000 ℃, 특히 600 내지 900 ℃ 범위의 온도로 소성하는 단계

를 포함하는 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 흑연, 코크스, 피치(pitch), 특히 고융점 피치(HMP) 및/또는 수지를 탄소 상 소스로서 사용하는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

1 내지 15 중량부의 양만큼의 인산염 전구체와,

5 내지 90 중량부의 양만큼의 탄소 상 소스와,

5 내지 90 중량부의 양만큼의 세라믹 분체와,

0 내지 80 중량부의 양만큼의 항산화재와,

0 내지 20 중량부의 양만큼의 섬유와,

0 내지 10 중량부, 특히 0.2 내지 2 중량부의 양만큼의 유기 바인더, 그리고

0 내지 4 중량부, 특히 0.1 내지 2 중량부의 양만큼의 분산제

를 포함하는 슬러리 또는 세미 댐프 혼합물을 사용하는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제18항에 있어서, 상기 세라믹 분체는 알루미나, 특히 브라운 용융 알루미나, 지르코니아, 지르콘, 실리카, 마그네시아, 임의의 타입의 점토, 탈크, 운모, 실리콘, 탄화물, 질화규소 또는 이들의 혼합물을 포함하거나, 바람직하게는 이들로 구성되는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서, 항산화재로서, 강, 철, 청동, 실리콘, 마그네슘, 알루미늄, 붕소, 붕화지르코늄, 붕화칼슘, 붕화티탄 등 및/또는 20 내지 30 중량부의 산화붕소를 함유하는 유리 프릿(glass frit)과 같은 금속 분체를 사용하는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 유기 바인더로서, PVA, 전분, 고무, 설탕 또는 이들의 조합과 같은 그린 바인더(green binder)를 사용하는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 분산제로서 술폰산리그닌(ligninsulphonate)을 사용하는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 0 내지 2 중량부의 양만큼의 가소제와 0 내지 1 중량부까지의 소포제 중 어느 하나 또는 이들 양자를 더 포함하는 슬러리 또는 세미 댐프 혼합물을 사용하는 것인 세라믹 필터 장치 제조 방법.
용융 강의 여과를 위한, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 필터 장치의 사용.