KR20120099743A

KR20120099743A - 낮은 열팽창 도핑된 용융 실리카 도가니

Info

Publication number: KR20120099743A
Application number: KR1020127017001A
Authority: KR
Inventors: 제임스 씨. 밴지; 마이클 이. 콜리어; 데이비드 아이. 씨무어; 로날드 엘. 스티와트; 크리스토퍼 엘. 토마스
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-09-11
Also published as: TW201134782A; EP2507191A1; WO2011066336A1; CN102639458A; US20110129784A1; JP2013512186A

Abstract

본 발명은 소결 또는 소성전에 상기 물질로 제조된 소결된 또는 소성된 도가니에, 개선된 열충격 내성 및 향상된 반복적인 열사이클을 견디는 능력을 제공한 선택적인 양의 열팽창 안정화제 성분(B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄)을 포함한 실리카계 도가니 물질에 관한 것이다. 본 발명의 구체예는 약 91% 내지 약 98% SiO₂, 약 1% 내지 약 8% 열안정화제 성분 및 약 1.0% 이하의 MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO 및 ZrO₂을 포함한 추가의 산화물을 포함한 이러한 화학 조성의 도가니 물질을 제공한다.

Description

낮은 열팽창 도핑된 용융 실리카 도가니{LOW THERMAL EXPANSION DOPED FUSED SILICA CRUCIBLES}

본 출원은 2009년 11월 30일에 출원된 US 가출원 No. 61/265,133 의 35 U.S.C. §119(e) 하에서 우선권의 이익을 주장한다.

본 발명은 도가니, 및 그외의 물질중에서 형광전구에서 사용하는 포스페이트 물질을 소성 및 정제하는 데에 사용하는 도가니의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 지속된 열사이클링 중에서 열부피의 변화를 감소시키고 열 충격 내성을 증가시킨 실리카 도가니에 관한 것이다.

세라믹 도가니는 용융된 금속 또는 합금을 용융하거나 유지하기 위한 금속 캐스팅 방법에서 공지되어 있다. 일반적으로 유도 용융 도가니는 유도 코일 배치해서 고체 금속 또는 합금 차지(alloy charge)를 가열하고 용융하도록 배치된 세라믹 도가니를 포함한다. 유지 또는 이동 도가니를 사용해서 다음의 조작, 예를 들면 주입 동안 용융된 금속 또는 합금을 유지하거나, 용융된 금속 또는 합금을 하나의 위치에서 다른 위치로 이동하는 데에 사용한다. 세라믹 도가니 물질은 일반적으로 도가니를 가열할 때 열-유발 부피 변화를 줄이기 위해서 혼합물의 주요한 세라믹 성분과 반응하고 적어도 부분적으로 안정화시키기 위해서 존재한 안정화 성분을 포함한 세라믹 성분의 혼합물을 포함한다. 예를 들면, 단환 지르코니아(ZrO₂)는 약 1000℃에서 상 변화가 발생하고, 상기 물질에서 큰 부피 변화가 발생하고, 따라서 열충격을 일으킨다. 이러한 부피 변화/열충격은 종종 ZrO₂ 도가니 내에서 균열 및 박리(spallation)를 일으키고, 따라서 상기 도가니의 사용 수명을 줄인다. 안정화제, 예를 들면 MgO 또는 Y₂O₃는 ZrO₂와 함께 혼합해서 단사정을 안정화시켜서 상기 상변화가 훨씬 넓은 온도 범위에서 발생해서 도가니의 응력을 감소시킨다. 소결된 또는 소성된 지르코니아계 도가니의 열충격 내성에서 추가의 개선은 지르코니아 도가니에서 성분으로서 MgO, SiO₂, 및 Y₂O₃ 의 조합을 선택된 양으로 사용해서 달성되었다.

포스페이트 물질을 소성 및/또는 정제하는 단계에서 고순도 실리카 내화물질 도가니을 사용하는 것이 알려져 있다. 포스페이트 분말의 경우에, 원료 미소성 분말을 고순도 실리카 도가니에 배치하고 일반적으로 1100℃를 초과하는 온도까지 가열하여 포스페이트 물질을 소성하고 정제하며; 이 소성 정제 단계는 정제를 향상시키는 특정한 분위기(예를 들면 수소 및/또는 질소)하에서 실시될 수 있다. 분말이 완전하게 소성되고 정제되면, 분말을 실온까지 냉각하고, 도가니에서 꺼내고 형광전구에서 사용하기 위해서 가공된다. 상기 고순도 실리카 도가니를 수회 재사용해서 추가의 양의 포스페이트 분말을 소성한다. 상기 재사용된 고순도 실리카 도가니가 충분히 높은 순도의 포스페이트 분말을 생성할 수 있지만, 상기 도가니의 일반적인 사용 수명은 2~3회 정도의 열 사이클이어서 산업 표준에 의해서 허용될 수 없다. 상기 지르코니아 도가니와 같이, 이러한 실리카 도가니는 실리카계 도가니가 노출된 열사이클링에 의해서, 250℃에서 반복적인 상 변화가 발생하고, 크리스토보라이트(cristobolite) 상을 형성할 가능성이 높다. 일반적으로 도가니 물질에서 반복적인 큰 부피 변화 및 도가니에 반복적인 열충격을 일으키는 이러한 반복적인 상변화는 최종적으로 도가니의 결함을 일으키는 균열 및 균열 전파를 유도하고; 즉 상기 도가니는 낮은 열충격 내성 및/또는 열 피로를 나타낸다.

종래의 고순도 실리카 도가니의 상기 문제점에서, 고순도 포스페이트 분말을 용융 및/또는 유지할 때에 사용하기 위해서 사용수명을 증가시키는 도가니 물질이 필요하고, 즉 많은 열(가열 후 냉각)사이클을 견딜 수 있는 도가니 물질이 필요하다. 특히, 균열 감소 따라서 열 사이클링시에 열충격 내성/열 피로가 증가하고, 따라서 반복적인 열사이클링이 가능한, 포스페이트 물질을 용융/소성하기 위한 물질 및 도가니가 필요하다.

본원에는 열사이클링 성능을 개선(즉, 열충격 내성 증가)하고 포스페이트 분말의 소성 및 정제의 사용에 적당한 고순도 실리카 도가니가 개시된다. 보다 구체적으로, 본원에는 소결 또는 소성전에 선택된 양의 열팽창 안정화제 성분을 포함한 실리카계 도가니 물질이 개시된다. 이러한 도핑된 실리카 물질로 제조된 소결된 또는 소성된 도가니는 반복적인 열사이클링을 견디기 위한 능력 증가에 의해서 나타낸 바와 같이 열 충격 내성을 개선한다.

본 발명의 예시의 실시형태는 약 91% 내지 약 98% SiO₂, 약 1% 내지 약 8% 열안정화제 성분 및 MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO 및 ZrO₂을 포함한 약 1.0% 이하의 추가의 산화물을 포함한 이러한 화학 조성의 도가니 물질을 제공한다. 상기 열안정화제 성분은 도가니의 열충격 내성 및 열피로를 개선한 물질이며, B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄로 이루어진 군으로부터 선택된다.

실리카계 도가니를 형성하는 방법은 상기 혼합물에서 금속 기초로 산출된, 상기 용융 실리카에 기초한 1% 내지 8중량%의 열안정제 성분 물질(B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄)을 포함한 실리카계-슬러리 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 혼합 후, 상기 방법은 실리카-열 안정화제 성분-혼합물을 건조하여 열안정화제 성분 물질 산화물을 함유한 단단한 실리카 단편으로 형성하는 단계, 그 다음에 상기 실리카 단편을 1150 내지 1500℃에서 소성하는 단계, 상기 실리카 단편을 소성하여 용융 실리카 생성물로 생성하는 단계를 포함한다. 도가니 형상으로 형성되고 고온(예를 들면 1150℃ 초과)에서 소결(소성)된 경우, 상기 실리카계 세라믹 물질은 1100℃를 초과한 온도에서 포스페이트 분말을 소성 또는 정제하기 위해서 사용시 가열하는 경우, 열 충격에 대한 내성을 증가, 및 열 사이클링을 견디는 능력을 증가시킨 소성된 세라믹 도가니를 제공한다.

본 발명의 상기 및 그외의 이점은 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

본원에는 상기 도핑된 실리카 도가니는 스틸, 철계 합금, 및 알루미늄을 들 수 있지만, 이들로 한정되지 않는 그외의 금속 및 합금을 용융하기 위해서 사용될 수 있지만, 공기중, 진공 또는 비활성 분위기와 같은 공간/보호 분위기에서 포스페이트 분말을 소성 또는 정제하기 위해서 사용된 도가니를 제조하는 데에 사용가능한 실리카계 도가니 물질을 개시한다. 또한, 본 발명에 따른 소결된(소성된) 세라믹 도가니는 1100℃를 초과한 포스페이트 분말을 정제/소성하기 위해서 사용시 가열된 경우, 열충격에 대한 내성 개선 및 열 사이클링을 견디기 위한 능력 증가를 나타낸다. 특히, 상기 개선된 도가니를 사용하여 정제된 포스페이트 분말은 일반적으로 형광 조명 적용에서 사용된다.

본 발명의 구체예에 따라서, 소결전에 약 91% 내지 약 98% SiO₂, 약 1% 내지 약 8% 의 열안정화제 성분 및 약 1.0% 이하의 MgO, Al₂O₃ Fe₂O₃, CaO 및 ZrO₂ 를 포함한 추가의 산화물을 기본적으로 구성한 화학 조성의 도가니 물질을 제공한다. 상기 열안정화제 성분은 상기 도가니의 열충격 내성 및 열 피로를 개선한 물질이며 B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄로 이루어진 군으로부터 선택된다. 또한, 상기 열안정화제 성분을 포함하고 열충격 내성/열피로를 개선한 결과, 이러한 도핑된 용융 실리카 물질로 구성된 도가니는 반복적인 열사이클링을 견딜 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 도가니는 9회 이상의 열 사이클을 견딜 수 있고, 또 다른 실시형태에서 도가니는 적어도 20회 이하의 열 사이클을 견딜 수 있다.

열사이클은 다음의 방법으로 측정된다. 처음, 6개 이상의 도가니를 수용하는 데에 충분히 큰 천연 가스 퍼니스는 1160℃로 예열하고; 열사이클링을 측정하기 위한 도가니는 다음의 치수--4'' 상부 외경, 3.25'' 하부 외경, 5'' 상부-대 하부 높이 및 1/4'' 벽 두께를 나타낸다. 1250℃ 이상의 온도까지 형성하는 동안 소성된, 이렇게 형성된 도가니가 퍼니스에 삽입하기 전에, 검출성 결함 부재에 대해서 조사된다. 가열되지 않는, 실온의 도가니(6 이하)는 집게를 사용해서 퍼니스에 배치한다. 2시간 후 도가니를 퍼니스에서 꺼내고, 실온의 선반에 배치하고 자발 냉각시킨다. 냉각 1시간 후, 도가니는 임의의 균열의 존재를 시각적으로 검출하기 위해서 라이트박스를 사용해서 검사하고; 추가로 이들을 균열의 존재에 대해서 청각적으로 검사하기 위해서 스틸 바로 탭핑한다. 결함이 발견되면, 도가니는 열사이클링을 통과하지 못하기 때문에 거절된다. 결함이 발견되지 않으면, 도가니는 검출성 결함이 발견될 때까지 추가의 열사이클링을 실시한다.

임의의 이론으로 한정되지 않고, 열안정화제 성분(B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄)는 실리카계 도가니((>90중량% 실리카)가 1100℃를 초과한 온도까지 가열될 때 발생한 실리카 실투시에 일반적으로 발생하는 β-크리스토보라이트 결정상 성장을 최소화 및 억제한 결과, 도가니의 열충격 내성 및 열 피로 및 반복적인 열사이클링을 견디는 능력이 개선된다. 냉각시에, β-크리스토보라이트 결정은 약 300℃ 미만의 온도에서 α-크리스토보라이트로 변환한다. β-크리스토보라이트가 α-크리스토보라이트와 동일한 열팽창 계수를 나타내지 않으면, 실리카 도가니는 도가니에 응력을 일으켜서 균열을 형성하는 상당한 부피 변화를 일으키는 경향이 있다. 도가니는 열사이클링을 실시하기 때문에, 2개의 크리스토보라이트 상 사이에서 변형에 따른 부피 변화는 균열을 악화시키는 추가의 열팽창 및 부피 변화를 일으키고; 최종적으로 도가니는 이러한 지나친 균열 때문에 실패한다. 이것은 열안정화제 성분(B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄)의 혼합이 2개의 방법 중 하나, 즉 β-크로스토보라이트 결정상의 성장의 최소화/억제 또는 냉각시 β-크리스토보라이트 결정의 유지(α-크리스토보라이트 형태로 변환시키지 않는다)에서 열팽창 내성 또는 열 피로를 개선하는 기능이 있다는 것이다.

상기 도핑된 실리카 도가니의 또 다른 예상치못한 이익은 인광체(phosphor)의 소성 또는 정제 공정 중에 가열 동안 충분한 및 필요한 배기를 달성하기 위해서 결합한 능력인 반면, 그 필요를 달성하면서 표준 실리카 도가니에 비해서 정제 유지 온도, 일반적으로 약1160℃ 및 그 근방 온도에서 도가니와 도가니 상부의 씰링을 개선한다. 표준 실리카 도가니/중요한 상부 구성은 필요한 배기를 갖지만, 인광체의 정제 유지 온도에서 특히 잘 씰링하지 못하는 것을 유의한다. 임의의 도가니/도가니 상부 물질/구성에 대해서 가열전에 도가니 상부를 사전-씰링할 수 있지만, 필요한 가열 배기가 발생하지 않을 수 있다. 본원에서 개시된 도핑된 실리카 도가니에서, 안정화제 성분/도펀트 물질(예를 들면, B₂O₃)의 혼합은 낮은 연화점을 갖고 따라서 소결/소성 방법과 적당한/상용가능한 도가니를 형성한다. 즉, 연화점과 소성 온도 사이의 양호한 온도 매칭, 따라서 양호한 씰링 때문에, 적은 산소가 소성/정제 환경에 들어가도록 한다. 이러한 양호한 결합 씰링/배기 특성의 결과, 양호한 품질/긴 수명의 인광체 물질은 이들 도핑된 실리카 도가니를 사용해서 제조될 수 있고, 즉 인광체는 점화 적용에 사용될 때에 높은 명도를 나타낼 수 있다. 이것은 인광체의 소성 적용에 적당하지 않은 Na-도핑된 도가니를 제조하는 바람직하지 않은 실투를 일으키는 연화점를 감소킬 수 있는 그 외의 물질(예를 들면 Na)과 비교될 필요가 있다.

본 발명의 제 2 구체예에 대해서, 도가니 물질은 약91% 내지 약 94% SiO₂, 약 5% 내지 약 8% 의 열안정화제 성분 및 약 1.0 이하의 MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO 및 ZrO₂를 포함한 추가의 산화물을 포함한다. 다시, 열안정화제 성분은 도가니의 열충격 내성, 열피로를 개선하고, 반복된/수많은 열사이클링을 견디기 위한 능력을 향상시킨 물질이며, B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄로 이루어진 군으로부터 선택된다. 관련 실시형태에서, 열안정화제 성분은 5.4% 내지 약 7.4중량%의 양의 B₂O₃를 포함한다.

또 다른 예시의 도가니 물질은 소결 또는 소성 전에 약 93% SiO₂, 약 6% B₂O₃, 및 1%의 MgO, Al₂O₃ 및 ZrO₂를 포함한 추가의 산화물을 포함한다.

일반적으로, 고순도 용융 실리카 제품을 제조하기 위한 방법은 (1) 금속 기초로 산출된, 상기 용융 실리카에 기초한 약 1% 내지 8중량% 의 열안정화제 성분 물질을 포함한 액상 유동성 실리카 슬러리 혼합물을 형성하는 단계; (2) 상기 실리카-열 안정화제 성분 혼합물을 건조하여 상기 안정화제 성분 물질 산화물을 함유한 단단한 실리카 단편을 형성하는 단계; (3) 약 1150℃-1500℃의 온도에서 안정화제 성분 물질 산화물을 함유한 실리카 단편을 소성하는 단계, 그 다음에 (4) 상기 실리카 단편을 소성하여 용융 실리카 생성물을 형성하는 단계를 포함한다.

고순도 실리카의 공지의 소스는 본 발명의 목적의 출발 물질로서 기능할 수 있다. 이들은, 예를 들면 가수분해된 오가노실리케이트, 특히 에틸 실리케이트, 가수분해된 실리콘 테트라클로라이드 및 용융 실리카 수성 졸을 포함한다. 추가로, 본 발명의 목적에 대해서, 분쇄된 높은 실리카 함량의 유리는 실리카 성분의 소스로서 기능할 수 있고; 예를 들면 96.5% SiO₂, 2.50% B₂O₃, 0.50% ZrO₂, 0.20% 그외의 다양한 산화물, 및 0.30% 알칼리를 포함한 Vycor^®glass 이다. 상기 중요한 요건은 상기 출발물질이 필요한 순도를 갖고, 실리카 졸 또는 슬러리의 형태의 콜로이드 현탁액으로 형성하거나 이들로 변환할 수 있다.

미세하게 분쇄된 산화물 형태(예를 들면 붕소 산화물 분말), 열안정화제 성분(B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄ 중 하나)의 필요한 양을 첨가하고, 실리카 물질과 적당한 시간동안 건조혼합하여 균일한 건조 혼합물을 형성한다. 이러한 목적을 위해서 US Stoneware (알루미나 매체 이용)로부터 시판된 종래의 볼밀 또는 임의의 그외의 적당한 건조 혼합기를 사용할 수 있다. 입자크기가 중요하지 않은 경우에, 일반적으로 미세한 분획에 의해서 개선된 결과가 얻어지므로, 용해하거나 325 mesh 스크린(44 마이크론)을 통과할 실리카 및 열 안정화제 성분 물질을 혼합해서 이용될 필요가 있는 것을 알 수 있다. "산화물"을 사용하면, 이것은 분해성 금속염(예를 들면 니트레이트 또는 카르보네이트) 및 산화성 원소 금속과 같은 임의의 산화물 전구체를 포함한다. 이는 B₂O₃소스 붕산은 산 분말을 포함할 수 있다.

건조 혼합물은 적당량의 물, 예를 들면 탈이온수와 함께 적당한 시간동안 혼합하여 소망의 수분 함량을 갖는 균일한 웨트 혼합물을 형성한다. 상기 웨트 혼합물을 볼밀 믹서, 또는 임의의 그외의 적당한 믹서에서 혼합하고, 액체 및 건조 혼합물을 혼합하여 웨트 혼합물을 형성한다.

웨트 혼합물을 vibratory SWECO separator 24 mesh (Tyler) screen (model No. 1S18S33, Sweco, Inc. Los Angeles, Calif.제품) 을 통과시켜서 24 메시(대략 170 마이크론) 을 초과한 응집체를 제거하며, 24 메시보다 작은 물질을 통과시킨다. 이러한 웨트 혼합물은 종래의 슬립 캐스팅 몰딩 장치에 주입하여 자립 그린(미소성) 도가니 바디 형상을 형성한다.

이렇게 형성된 성형 도가니는 공기중에서 1350℃, 바람직하게 1200℃ 내지 1350℃내지의 높은 온도에서 소결되어 열충격 내성/열 피로를 개선한 소결된(소성된) 도가니를 형성하고, 포스페이트 분말의 소성 또는 정제에서 나타낸 반복적인 열 사이클링이 기대된다.

실시예

실시예 1-18

18 시험 도가니는 본 발명의 구체예에 따라서 제조되고 다음과 같이 형성했다. 제조된 Vycor^®튜브 쿨렛을 롤러 크러셔를 통과시켜서 1''미만의 조각을 분쇄하고; Vycor 튜브 쿨렛은 96.50% SiO₂, 2.50% B₂O₃, 0.50% ZrO₂, 0.20% 그외의 다양한 산화물 및 0.30%의 알칼리 혼합물을 포함한 조성을 나타냈다. 150 lbs.의 Vycor cullet을 1-1/4" 원주형 알루미나 매체를 절반까지 채운 US 스톤웨어 밀(Stoneware mill)에 배치했다. 4.5lbs.의 보론 옥사이드(Alfa Aesar, 98.5% purity)을 상기 밀에 첨가했다. 상기 밀을 덮고 5분동안 작동시켜서, 상기 물이 첨가될 때 발생한 발열 반응에 의해서 유리 중에 보론 옥사이드를 분산시킨다. 40 lbs.의 1MHz 탈이온수를 밀에 첨가했다. 상기 밀을 S-TAV 2003 Stampfvolumeter (Jel) unit에서 500 회 동안 탭핑한 후에 US Standard 325 mesh screen 에서 존재하는 입자의 양이 2 내지 4 ml일 때까지 작동시켰다.

상기 얻어진 슬립을 35 메시 스크린을 통과시켜서 밀 외부로 주입하여 상기 밀링 공정에서 분쇄되지 않은 임의의 큰 입자를 제거하였다. 상기 슬립은 50 L Nalgene jugs 내에서 롤러에 배치해서 물에서 분산된 입자를 유지하면서 밤새 냉각시켰다.

Paris 몰드의 플래스터를 슬립 캐스팅 방법에서 사용했다. 몰드는 마찰 스크럽 패드를 사용해서 가볍게 문지르고 옥수수 분말 및 물 혼합물을 분무하고, 이것은 이형제로 사용된다. 슬립은 다음과 같이 몰드에 서서히 주입했다. 슬립의 초기의 양을 시간 경과에 따라서 몰드에 주입하고 물을 몰드에 흡수시키고(즉, 초기 수준 미만으로 감소된 슬립의 수준), 슬립을 첨가하여 고유의 충전 수준을 유지했다. 이러한 슬립 첨가 방법은 도가니 벽두께가 바람직한 두께까지 될 때까지 계속했고, 얻어진 일반적인 두께는 1/4" 내지 1/2" 사이에서 변화된다.

적당한 도가니 두께가 달성되면, 각각의 도가니가 그린/웨트 도가니가 필요한 그린 강도를 갖도록 15분동안 (몰드에서) 셋팅했다. 이렇게 형성된 웨트/그린 도가니를 에어 호스를 이용해서 몰드로부터 제거하고; 구체적으로 압축 공기를 도가니와 몰드 사이에서 송풍하여 도가니를 분리시킨다. 도가니의 상부 에지는 물 또는 마찰패드로 그린 마감하고 또는 커버로 사용될 도가니용 플랫 에지를 달성하기 위해서 톱을 사용해서 절단했다.

이렇게 형성된 그린 도가니를 소성전에 적어도 2일 동안 RT 조건에서 건조했다. 도가니를 28"×40"× 50" 가스로 소성된 박스 퍼니스에 로딩했다. 상기 도가니를 1250 또는 1350℃의 온도에서 유지시간 없이 소성하고 상기 퍼니스를 멈추고 도가니를 RT까지 냉각하고; 전체의 소성 및 냉각 사이클은 대략 2일 정도 걸린다.

분석된 바와 같이, 소성된 및 다음의 열 사이클(포스트 열 사이클링)의 상기 형성된 도가니의 얻어진 조성은 표 1에서 보고되고; 도가니 중 하나의 조성이 기준이며, 상기 기재된 동일한 배치(batch) 및 형성 절차를 이용해서 형성된 모든 도가니를 대표하는 것으로 생각된다. 화학적인 결과는 존재한 요소의 측정에 따른 일부 오차 수준을 가지므로, 조성이 측정 오차를 포함한 범위로서 기재된다. 3중량% 내지 100중량% 사이의 양을 사용하면, 오차는 1%로 추정된다. SiO₂가 >90%에서 높은 오차을 갖기 때문에, 약품 측정(±0.9%)에서 대부분의 오차의 원인을 만들며, 이는 약품이 모두 100%까지 첨가되지 않는 이유에 대한 주요한 원인이다. 또한, 대표적인 도가니의 소성된 및 포스트 열 사이클링 사이에서 조성 변화는 다음의 열사이클 중에서 소량의 B₂O₃ 휘발에 기인하는 경향이 있다. 최종적으로, Al₂O₃의 소스가 알루미나 연마 매체에 의한 분석에 존재하는 것을 유의한다.

시료	SiO₂ (%)	B₂O₃ (%)	Al₂O₃ (%)	ZrO₂ (%)	Ca (ppm)	Na (ppm)	Ti (ppm)
1-18 소성된	92.0-93.8	5.36-5.46	0.52-0.64	0.5	60-140	52.8-123.2	16.2-37.8
1-8, 포스트-열사이클링	92.3-94.1	4.91-5.01	.21-.25	0.5	38.4-89.6	66-154	16.2-37.8

이렇게 형성된/얻어진 도가니의 18개는 다음과 같이 열순환 조건(상세하게 상기 기재)을 실시했다. 이렇게 형성된 도가니를 퍼니스에 배치하고 1250℃을 초과한 온도에서 1시간동안 가열한 후 RT까지 냉각하고 도가니에서 결함이 검출될 때까지 반복했다. 표 2에서 이러한 붕소 도핑된 실리카 도가니는 18개 도가니가 모두 20 열사이클을 초과해서 견딜 수 있는 사실에 의해서 증명된 바와 같이 열충격 내성/열 피로가 증가했다; 이렇게 형성된 도가니 5개는 실제로 50사이클을 초과했다.

Sample ID	열 사이클
1	21
2	35
3	36
4	41
5	28
6	22
7	29
8	35
9	47
10	76
11	45
12	78
13	39
14	38
15	51
16	62
17	28
18	59

실시예 19-20

2개의 추가의 도가니 실시예는 형성되고, 열순환되는데, 둘다 순수 실리카 분말 및 붕산 분말을 포함한 배치 혼합물(batch mixtures)로부터 형성되었다. 상기 각각의 도가니가 형성된 배치 혼합물은 150 lbs.의 순수한 용융 실리카 분말; 특히 GG-4+50 AW, -4 mesh 및 +50 mesh 용융 실리카 분말(the Mineral Technology Corporation, Keystone, SD 제품)를 포함했다. 제 1 도가니 배치 혼합물은 4% by weight 붕산(6lbs.)을 첨가하지만, 제 2 도가니 배치 혼합물은 동일한 붕산 소스의 5.4%(8.1lbs.), 특히 Borax Corp 제품인 Optibor^®TG -20 Mesh와 배치처리하였다.

2개의 경우에, 상기 기재된 동일한 절차를 사용해서 도가니를 형성하고, 특히 볼밀 혼합, 슬러리 형성, 슬립 캐스팅, 그린 마감, 건조 및 1250℃에서 소성했다. 다시, 도가니의 최종 조성전에 SiO₂ 및 B₂O₃ 구성 이외에 볼밀에서 이용된 대략 알루미나 연마 매체에 의해서 0.5% Al₂O₃를 포함할 수 있다.

각각의 배치로부터 하나 이상의 도가니에 상기 열사이클링 절차를 실시했다. 표 2에 보고된 바와 같이 이러한 붕소-도핑된 실리카 도가니는 2개의 도가니가 수많은 열사이클; 17 및 >22 열사이클을 견딜 수 있는 사실에 의해서 증명된 바와 같이 열충격 내성/열피로를 증가시켰다.

시료	B₂O₃ 양	열사이클
19	4	17
20	5.4	>22

다양한 변경 및 변동은 본원에 기재된 물질, 방법 및 제품에 대해서 실시될 수 있다. 본원에 기재된 물질, 방법 및 제품의 그외의 실시형태는 본원에 기재된 물질, 방법 및 제품의 설명 및 실시의 점에서 명백하게 될 것이다. 상기 설명 및 실시예는 예시적인 것으로 생각된다.

Claims

소결 또는 소성 전에 91% 내지 98% SiO₂, 1% 내지 8% 열팽창 안정화제 성분 및 1.0% 이하의 그외의 다양한 산화물을 중량%로 포함한 도가니 물질.
청구항 1에 있어서,
상기 열팽창 안정화제 성분은 B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄를 포함한 것을 특징으로 하는 도가니 물질.
청구항 2에 있어서,
상기 그외의 산화물은 ZrO₂, MgO, Fe₂O₃, CaO 및 Al₂O₃로 이루어진 군으로부터 선택된 산화물을 포함한 것을 특징으로 하는 도가니 물질.
청구항 1에 있어서,
상기 도가니 물질은 소결 또는 소성 전에 91% 내지 94% SiO₂, 약 5% 내지 약 8% 의 열팽창 안정화제 성분 및 1.0%의 그외의 다양한 산화물을 중량%로 포함한 것을 특징으로 하는 도가니 물질.
청구항 4에 있어서,
상기 열팽창 안정화제 성분은 B₂O₃이고 5.4중량% 내지 7.4중량%의 범위로 존재한 것을 특징으로 하는 도가니 물질.
청구항 1에 있어서,
상기 물질은 소결 또는 소성전에 93% SiO₂, 6 % B₂O₃ 및 1% 그외의 다양한 산화물의 조합을 중량%로 포함한 것을 특징으로 하는 도가니 물질.
청구항 1에 따른 도가니 물질로부터 제조된 도가니.
청구항 7에 있어서,
상기 도가니는 9회 이상의 열사이클을 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 도가니.
청구항 7에 있어서,
상기 도가니는 20회 이상의 열사이클을 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 도가니.
고순도 용융 실리카 제품의 제조방법으로서, 이는
금속 기초로 산출된 상기 용융 실리카에 기초한 1중량% 내지 8중량%의 열안정제 성분 물질을 포함한 액상 유동성 실리카계-슬러리 혼합물을 제조하는 단계,
상기 실리카-열안정화제 성분 혼합물을 건조하여 상기 열안정화제 성분 물질 산화물을 함유한 단단한 실리카 단편으로 형성하는 단계,
상기 열안정화제 성분을 함유한 실리카 단편을 1150℃ 내지 1500℃에서 소성한 후, 상기 실리카 단편을 소성하여 용융 실리카 제품을 형성하는 단계를 포함한 고순도 용융실리카 제품의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 열안정화제 성분 물질이 B₂O₃ 및 Ca₂SiO₄인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 열안정화제 성분 물질이 B₂O₃, 및 상기 보론 옥사이드 분말의 소스, 붕산 분말 또는 이들의 혼합물을 포함한 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 열안정화제 성분 물질은 5% 내지 8%의 양으로 첨가한 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 소성된 제품이 분쇄되어 몰드에서 캐스팅된 슬립(slip)을 형성하고 이와 같이 형성된 제품이 상응하는 형상의 용융 실리카 바디로 소성된 것을 특징으로 하는 방법.