KR20130000411A - 내화물 필터의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용융된 금속의 여과에 적합한 폐쇄된 에지 필터의 제조방법 및 이러한 방법으로 제조된 필터에 관한 것이다. 상기 방법은 필터의 사이드 면을 형성하는 적어도 하나의 제 1 표면 및 필터의 관통-흐름 면(through-flow face)을 형성하는 2개의 대향되는 제 2 표면을 갖는 망상조직의 포움 기재를 제공하는 단계; 유기 코팅 성분을 포함하는 액체를 상기 제 1 표면에 적용하는 단계; 상기 제 1 표면에 휘발성 코팅을 갖는 필터 전구체를 형성하도록 상기 유기 코팅을 고화시키는 단계; 상기 필터 전구체에 내화물 재료의 입자, 바인더 및 액체 캐리어를 포함하는 슬러리를 함침시키는 단계; 및 폐쇄된 에지를 갖는 필터를 형성하도록 함침된 필터 전구체를 건조 및 소성하는 단계를 포함한다.

Description

내화물 필터의 제조방법{METHOD FOR THE PRODUCTION OF A REFRACTORY FILTER}
본 발명은 용융된 금속의 여과에 적합한 필터의 제조방법 및 이러한 방법으로 제조된 필터에 관한 것이다.
용융된 금속은 일반적으로 최종 캐스트(cast) 제품이 바람직하지 않은 물성을 갖게 되는 원인이 될 수 있는 금속의 산화물 및 다른 불순물과 같은 고형물을 일반적으로 포함한다. 필터는 캐스팅(casting) 공정 도중에 용융된 금속에서 이들 불순물을 제거하도록 고안된다. 일반적으로 이들 필터는 용융된 금속과 관련된 고온을 견딜 수 있도록 내화물 재료로 제조된다.
다른 타입의 필터는 금속이 통과하도록 일련의 평행한 덕트(duct) 혹은 통로(passage)를 포함하는 셀형 필터이다. 이러한 필터는 압출 성형(extrusion) 혹은 스탬핑으로 제조된다. 이들이 강하고 취급하기 쉽지만, 용융된 금속은 상기 필터를 통하여 짧고 곧은 경로만 이동함으로, 이들의 여과 효율은 비교적 저조하다.
상기 바람직한 내화물 필터는 포움(foam)-같은 외관을 가지며, 금속 여과업에서 포움 필터로 칭하여진다. 이들은 일반적으로 세라믹 포움 필터이지만, 근래에는 카본-결합된 필터 (내화물 재료가 WO2002/018075에 기술되어 있는 바와 같이, 카본 매트릭스를 포함하는 재료로 접착(bond)됨)가 특정한 적용처에서 사용되기 시작하였다. 포움 필터는 다수의 상호연결된 개방 셀(open cells)을 규정하는 스트랜드(strands)의 네트워크를 갖는다. 이러한 필터를 통한 흐름경로(flowpath)가 구불구불함으로, 필터 효율이 셀형 필터의 효율보다 훨씬 크다.
세라믹 포움 필터의 제조는 EP 0 412 673 A2 및 EP 0 649 334 A1에 기술되어 있다. 전형적으로, 개방 셀 포움 (예를 들어, 망상 조직(reticulated)의 폴리우레탄 포움)은 내화물 입자 및 바인더의 수성 슬러리가 함침(impregnation)된다. 상기 함침된 포움은 과량의 슬러리를 배출시키기 위해 압축되고 그 후에, 건조 및 소성되어 유기 포움을 연소시키고 슬러리 코팅의 내화물 입자 및 바인더를 소결(sinter)한다. 이에 따라, 출발 포움과 실질적으로 동일한 구조적 형태를 갖는 다수의 상호연결 공동(interconnecting voids)을 갖는 포움이 형성된다. 상기한 셀형 필터에 비하여 필터 효율은 훨씬 더 향상되지만, 세라믹 포움 필터는 기계적으로 약하다 (상기 스트랜드(strand), 특히, 필터 에지의 스트랜드는 파손되는 경향이 있다).
사용시, 필터는 금속을 여과하기 위해서 용융된 금속 유입구와 용융된 금속 배출구 사이의 벽에서 개구부(opening)에 놓여질 수 있다. 내화물 벽에서 필터 배치의 일 예는 US 4,940,489에 기술되어 있다. 포움 필터는 모든 방향에서 다공성이고 에지 표면이 고르지 않으므로, 일부의 용융된 금속이 필터의 에지(edge) 주위를 흐르거나 혹은 단지 필터의 일부만을 통과하며, 이로 인하여 필터 효율이 감소될 수 있다. 상기 문제는 스트랜드 파손이 필터의 이동 도중에 혹은 내화물 벽에 필터를 위치시키는 도중에 일어나면 악화된다 (파손된 스트랜드 자체가 최종 캐스팅에서 불순물의 원인이 될 수 있다).
필터 제조시에, 함침하는데, 즉, 상기 포움을 코팅하는데 사용되는 슬러리 양의 증가는 이의 강도를 증가시키지만, 또한, 큰 중량 및 감소된 다공성으로 인하여 필터 효율이 감소된다.
여과 공정은 필터의 프라임(prime)을 필요로 하며, 필터 공극은 금속으로 채워지고, 금속의 연속적인 흐름이 달성된다. 프라이밍(priming)은 공극(필터 표면에서의 공극)에서 에어의 배출을 포함하며, 필요한 압력은 공극(pore)의 크기에 반비례한다. 또한, 높은 열 용량을 갖는 필터는 높은 열 손실을 야기하며 프라이밍을 감소시킴으로, 금속의 온도 손실이 금속의 점도를 상승시킬 수 있다. 따라서, 코팅된 스트랜드가 두꺼운 무거운 필터는 더 큰 열 용량을 가질 수 있으므로 바람직하지 않다. 이는 용융된 금속이 상기 필터를 통과함에 따라, 얼지 않도록 용융된 금속이 더 높은 온도가 가열될 필요가 있음을 의미한다. 이는 금속을 필요로 하는 온도로 가열하는데 필요한 에너지의 양을 증가시킴으로 경제적 및 환경적 관점 모두에서 불리하다.
추가적인 무게뿐만 아니라, 많은 양의 슬러리를 사용하여 제조된 필터는 스트랜드 두께의 증가 및 공극의 크기 감소로 인하여 금속의 유량(flow rate)이 감소되고 막힘이 증가하는 경향을 나타낼 수 있다. 감소된 유량 및 시기상조의 막힘은 예를 들어, 주입 시간(pouring time)이 길어지거나 혹은 몰드 충진(mould filling)이 불충분하게 되도록 하여, 금속 캐스팅에 악영향을 줄 수 있으며, 이는 필터의 크기를 증가시키거나 포움의 공극 크기를 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 따라서, 슬러리 수준의 증가는 포움 필터, 특히, 포움 필터의 에지의 강도를 증가시키는 현실적인 방안이 아니다.
US 5,039,340은 포움 필터의 제조방법을 기술하고 있으며, 여기에서는 접착 촉진 물질이 바람직하게는 플록킹(flocking)과 함께 상기 포움에 적용된다. 상기 접착 촉진 물질 및 플록킹은 후속적으로 상기 포움에 부착되는 슬러리의 양을 증가시킨다. 최종 결과는 더 강하지만 더 무거운 필터이다.
종래, 몰드/다이의 벽과 접촉하는 포움 필터의 에지에 보호층을 제공하는 것이 제안되었다. 상기 보호층의 목적은 기계적 강도의 향상, 몰드 혹은 다이 벽과 필터 사이의 금속 통로 (금속 우회(bypass)) 방지 및 취급 (특히, 필터의 기계적/로봇식의 취급) 및 운반 도중의, 세라믹 포움 필터 스트랜드 말단이 파손 가능성의 감소를 포함할 수 있다. 보호층은 또한, 필터가 몰드에 자동으로 배치되도록 하기 위한 로봇식(자동기계 장치) 취급의 사용을 용이하게 한다.
EP 0 510 582 A1은 단단한 금속 혹은 세라믹 프레임에 둘러싸인 세라믹 포움 필터를 개시하고 있다. 상기 세라믹 프레임 된 필터는 상기 필터 주위의 도넛-같은 세라믹 형성 매스(mass)의 압출된 스트립을 랩핑(wrapping)하여 제조될 수 있으며, 이는 예비-소성(pre-fired)되거나 혹은 되지 않고, 그 후에 건조 및 소성(firing)될 수 있다.
CN 200991617Y는 필터 사용 도중에 고온에서 분해되는 필터 에지 주위의 유기물질로된 보호층을 갖는 세라믹 포움 필터를 개시한다. 상기 보호층은 운반 및 설치 도중에 필터의 손상을 감소시키며 또한, 이를 자동 생산 라인에서 사용할 수 있도록 한다.
US 4,568,595는 세라믹 코팅을 갖는 세라믹 포움 필터에 관한 것이다. 상기 코팅은 소성된(fired) 세라믹 포움 필터에 대하여 세라믹 슬러리를 트로웰링(trowelling), 브러싱 또는 스프레이하고 그 후에 상기 복합 구조를 소성(firing)하여 제공된다.
US 4,331,621은 세라믹 포움 필터 주변의 표면이 고정된 일체로 결합된 세라믹 가스켓을 갖는 세라믹 포움 필터를 기술한다. 이는 가요성(flexible) 포움 재료에 슬러리를 함침시키고, 이를 원하는 최종 필터 제품의 크기를 갖는 몰드에 놓고 그 후에, 세라믹 섬유 슬러리를 상기 포움 재료와 몰드 사이의 틈(gap)에 공급하여 제조될 수 있다. 그 후, 상기 몰드는 건조 및 소성되어 상기 포움을 연소시키고 상기 세라믹 재료를 소결(sinter)한다.
GB 2 227 185는 일 실시형태에서, 포움 플라스틱 출발 피스(piece)를 세라믹 슬립(ceramic slip)으로 포화시키고(saturating) 소성 전에, 잉여분의 슬립을 고상 주위의 층으로 몰아내도록 상기 포움을 압착하는 것으로 제시한다. 다른 실시형태에서, GB 2 227 185는 상기 포움에 추가적인 포움 재료 혹은 미세한 플라스틱 필라멘트 웹을 부착시켜서 세라믹 포움 필터상에 폐쇄 층(closed layer)을 형성하는 것을 제시한다. 슬립 함침 도중에, 주위의 사이드 에지 영역에서 작은 공극 혹은 중간 스페이스(spaces)가 슬립으로 채워져서 그 상태를 유지하게 되고 따라서, 소성시에 상기 폐쇄 층을 형성한다. 두 실시형태에서, 결과물인 코팅은 두껍고 따라서, 필터의 유용한 체적이 감소되고 또한, 필터의 열 용량이 증가한다.
본 발명의 목적은 포움 필터의 개선된 제조방법 및 상기 방식으로 제조된 개선된 필터를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 다음의 이점 중 하나 이상의 제공하는 방법 및 필터를 제공하는 것이다:
(ⅰ) 간단한 제조 방법;
(ⅱ) 저렴한 생산 비용:
(ⅲ) 보서짐(friability)이 감소된 필터;
(ⅳ) 다공성(porosity)이 증가된 필터 (그리고 이에 따른 증가된 유량(flow rate) 및 용량(capacity));
(ⅴ) 취급 강도(strength)가 더 큰 필터;
(ⅵ) 설치가 더 용이한 필터;
(ⅶ) 자동화(로봇식) 취급이 가능한 필터.
본 발명의 제 1 견지에 의하면,
필터의 사이드 면(side face)을 형성하는 적어도 하나의 제 1 표면 및 필터의 관통-흐름 면(through-flow face)을 형성하는 2개의 대향되는 제 2 표면을 갖는 망상조직의 포움 기재를 제공하는 단계;
유기 코팅 성분을 포함하는 액체를 상기 제 1 표면에 적용하는 단계;
상기 제 1 표면에 연속적인 휘발성 코팅을 갖는 필터 전구체를 형성하도록 상기 유기 코팅을 고화시키는 단계;
상기 필터 전구체에 내화물 재료의 입자, 바인더 및 액체 캐리어를 포함하는 슬러리를 함침시키는 단계; 및
폐쇄된 에지(closed edge)를 갖는 필터를 형성하도록 함침된 필터 전구체를 건조 및 소성(firing)하는 단계를 포함하는 폐쇄된 에지 내화물 포움 필터의 제조방법이 제공된다.
폐쇄된 에지 펄터는 필터 에지(즉, 주위의 표면 혹은 사이드(side))의 공극이 폐쇄, 즉 막힌 필터이다. US4568595 및 US4331621에 기술되어 있는 필터는 폐쇄된 에지 필터의 예이다. 용어 "에지(edges)"는 필터 주변의 표면/사이드(peripheral surfaces/sides)를 언급하는 것으로 이 기술분야의 기술자에 의해 통상적으로 사용된다.
상기 액체는 필터 전구체의 제 1 표면에 연속적인 휘발성 코팅을 제공하도록 포움 기재에 적용되어야 하며, 따라서, 슬러리의 함침 및 소성 후에, 결과물인 필터는 연속의 폐쇄된 에지를 갖는다. 적용 방법 및 유기 코팅의 고화(solidification) 결과, 상기 휘발성 코팅에 작은 불연속이 있을 수 있는 것으로 이해된다. 필터의 폐쇄된 에지에 작은 불연속이 또한 있을 수 있으며, 이는 휘발성 코팅층 및 상기 필터의 소성시에 유기 코팅 성분의 후속적인 휘발에서의 어떠한 결함의 결과일 수 있다. 이러한 불연속은 코팅된 상기 제 1 표면의 면적의 5% 이하일 수 있다.
상기 슬러리는 휘발성 코팅뿐만 아니리 포움 기재 두 사이드(side) 모두에 부착되어, 소성되는 경우에, 상기 휘발성 코팅 및 상기 포움 기재가 휘발되어 일원화된 폐쇄된 에지 필터(unitary closed edge filter)가 제조된다. 일원화(unitary)란 스트랜드의 말단을 상기 코팅의 시작과 구별할 수 없음을 의미한다. 일원화된 폐쇄 에지는 상기한 US 4,568,595에서와 같이, 이미 소성된 필터에 슬러리를 적용하여 얻어지는 보호층과 다른 것으로 인식될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 필터의 스트랜드와 상기 폐쇄된 에지 사이에 가시적인 경계가 있을 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 제 1 견지의 방법으로 제조가능한 용융된 금속 여과용 내화물 포움 필터에 관한 것이며, 상기 필터는 내화물 재료의 스트랜드의 3-차원 네트워크를 포함하며, 적어도 하나의 사이드 면(side face) 및 두 개의 대향하는 관통-흐름 면(through-flow faces)을 가지며, 상기 적어도 하나의 사이드 면은 일원화된 폐쇄된 에지를 갖는다.
본 발명의 방법은 필터의 내부에 불필요한 내화물 재료의 빌드-업(build up)없이, 상기 필터의 에지가 보호되도록 한다. 따라서, 상기 특징은 통상의 필터의 특성 (예컨대, 에지 강도 혹은 부스러짐)은 유지 혹은 개선하면서, 통상의 필터에 비하여, 작은 중량/밀도 혹은 높은 다공성을 갖는 필터를 제조하도록 사용될 수 있다.
본 발명의 제 2 견지에 의하면, 상기 제 1 견지의 방법으로 제조가능한 내화물 포움 필터가 제공되며, 내화물 재료의 스트랜드의 3-차원 격자 모양(lattice)/네트워크를 포함하며, 적어도 하나의 사이드 면(side face) 및 두 개의 대향하는 관통-흐름 면(through-flow faces)을 가지며, 상기 적어도 하나의 사이드 면은 일원화된 폐쇄된 에지를 갖는 상기 필터는 상기 일원화된 폐쇄된 에지가 1㎜ 미만의 두께를 가짐을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 견지에 의하면, 상기 제 1 견지의 방법으로 제조가능한 내화물 포움 필터가 제공되며, 내화물 재료의 스트랜드의 3-차원 격자 모양(lattice)/네트워크를 포함하며, 적어도 하나의 사이드 면(side face) 및 두 개의 대향하는 관통-흐름 면(through-flow faces)을 가지며, 상기 적어도 하나의 사이드 면은 일원화된 폐쇄된 에지를 갖는 상기 필터는, 상기 일원화된 폐쇄된 에지가 캐비티를 가짐을 특징으로 한다.
특정한 실시형태에서, 상기 캐비티는 상기 사이드 면에 수직인 방향으로 넓기보다는 사이드 면에 평행한 방향으로 현저하게 더 길다.
일련의 특정한 실시형태에서, 상기 폐쇄된 에지는 0.7㎜ 미만, 0.5㎜ 미만, 0.45㎜ 미만, 0.4㎜ 미만, 0.35㎜ 미만 혹은 0.3㎜ 미만의 두께를 갖는다. 다른 일련의 실시형태에서, 상기 폐쇄된 에지는 적어도 0.15㎜, 적어도 0.25㎜, 적어도 0.35㎜, 적어도 0.45㎜, 적어도 0.55㎜, 적어도 0.65㎜, 적어도 0.75㎜, 적어도 0.85m 혹은 적어도 0.95㎜의 두께를 갖는다.
상기 폐쇄된 에지의 두께는 가변적인 것으로 이해될 수 있다. 본 명세서에서 언급된 바와 같이, 일반적으로 두께는 상기 필터에서 인접한 표면 노드(surface nodes) 사이의 중간(half way)에서 결정된다. 노드는 스트랜드의 불규칙한 네트워크에서 둘 이상의 스트랜드가 만나는 포인트(point)로 규정된다. 상기 두께는 다른 표면 노드 쌍 사이에서 다수의 이러한 측정을 참고하여 결정될 수 있다.
상기 폐쇄된 에지의 두께는 상기 필터의 스트랜드의 두께에 비교될 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 폐쇄된 에지의 두께 대 상기 스트랜드의 두께 비율은 0.5 내지 2:1 혹은 0.75 내지 1.75:1 혹은 1 내지 1.5:1이다.
일 실시형태에서, 본 발명의 필터는 유사한 통상의 필터에 비하여 적어도 10%의 밀도 감소를 갖는다. 추가적인 실시형태에서, 상기 감소는 적어도 15 %, 적어도 18% 또는 적어도 20%이다.
필터의 사용 적합성을 평가하기 위해, 필터에 대한 열적 특성 및 물리적 특성이 비교되었다. 필터는 고온으로 가열시의 열 충돌을 견딜 수 있어야 하며, 용융된 금속의 충돌으로부터의 기계적 충돌에 물리적으로 견딜 수 있어야 하고, 충분한 용융 금속이 상기 필터를 통과하여야 하며 (즉, 필터 프라이밍(priming) 및 용량(capacity) 및 취급 및 운반을 견디기에 충분한 강도를 가져야만 한다. 이들 특성을 측정하기 위해 디자인된 시험은 부스러짐(friability), 에어 및/또는 물 통과 속도(flow rate), 기계적 강도 및 용융 금속 충돌(impingement) (본 명세서에서 기술된 바와 같이)을 포함한다.
본 명세서에서 기술된 바와 같이, 내화물 포움 필터는 다수의 구불구불한(tortuous) 경로가 상기 필터를 통해 존재하도록 상호연결된 공극 혹은 공동(void)를 규정하는 상호연결된 스트랜드의 불규칙한 네트워크 혹은 격자무늬를 가지며, 높은 온도 (예를들어, 용융된 강철에 대한 필터의 경우에, 500℃ 초과 혹은 심지어 1500℃ 초과)를 견딜 수 있는 필터이다. 이러한 포움 필터는 예를 들어, 본 발명에 의한 방법에서와 같이, 격자무늬(reticulated)의 포움 기재를 사용하여 편리하게 (필요한 것으로 아니지만) 형성될 수 있다.
상기 망상조직의 포움 기재는 중합체 포움, 예컨대 폴리에테르, 폴리우레탄 (폴리에테르-폴리우레탄 및 폴리에스테르-폴리우레탄 포함) 혹은 셀룰로스 포움일 수 있다. 상기 망상조직의 포움 기재는 결과물인 필터의 템플레이트(template)로 사용할 수 있으며, 따라서, 이의 다공성은 결과물인 필터의 다공성(porosity)에 대한 징후를 제공한다. 다공성(porosity)은 기재에서 공극(pores)의 수 그리고 공동(공극)의 부피 퍼센트로 규정될 수 있다. 일반적으로 포움 필터의 다공성은 직선 인치 당 공극(pores per linear inch, ppi)의 수로 명시되며, 야금 분야에서, 다공성은 대부분의 주물용에서, 일반적으로 5ppi 내지 60ppi, 전형적으로 lOppi 내지 30ppi의 범위이다. 주물업에서, 필터의 ppi 값은 엄밀하게 말해서, 필터가 제조되는 포움 기재의 ppi 값이다. 본 발명의 망상조직의 포움 기재는 5ppi 내지 60ppi, 전형적으로 10 내지 40ppi 혹은 10 내지 30ppi의 다공성을 가질 수 있다.
상기 필터의 공극은 균일한 크기가 아니며 (포움 기재의 구조로 인하여) 공극 크기는 포움의 함침 방법 및 수준에 의해 추가적으로 영향을 받는다. 예를 들어, 10 ppi 포움에 대한 평균 공극 크기는 전형적으로 4800 내지 5200 미크론 범위이며, 상기 포움으로부터 제조된 결과물인 필터는 대략 1200 내지 1500 미크론의 평균 공극 크기를 가질 것이다. 마찬가지로 30ppi에 대하여, 상기 포움 기재는 대략 2800 내지 3200 미크론의 평균 공극 크기를 가지며, 상기 평균 필터 공극 크기는 650-900 미크론이다. 전형적으로, 포움 필터의 전체 다공성은 전형적으로 대략 75% 내지 90%이다.
상기 망상조직의 포움 기재의 형태는 중요하지 않으며 일반적으로, 상기 결과물인 필터의 의도하는 적용처에 의존할 것이다. 통상적으로, 상기 망상조직의 포움 기재는 원형, 정사각형 혹은 직사각형 단면을 가질 수 있다. 원형 단면을 갖는 망상조직의 포움 기재는 단지 하나의 표면만을 가질 수 있는 반면에, 정사각형 혹은 직사각형 단면을 갖는 망상조직의 포움 기재는 4개의 제 1 표면을 가질 수 있다.
상기 액체는 상기 망상조직의 포움 기재의 하나 이상의 제 1 표면에 적용될 수 있다. 통상적으로, 상기 유기 액체는 상기 망상조직의 포움 기재의 모든 제 1 표면에 적용될 수 있다.
상기 액체는 스프레이로 적용될 수 있다. 또한, 상기 액체는 롤러 혹은 브러시를 사용하여 적용되거나 혹은 상기 필터의 에지를 상기 액체의 바디(body)에 잠기게(submerge)하여 적용될 수 있다.
상기 액체의 물리적인 특성은 적용 방법에 의해 부분적으로 결정될 수 있다. 롤러, 브러쉬 혹은 디핑(dipping)을 사용하는 경우에, 고형분 함량 및 점도는 상기 전구체의 내부로 액체의 침투가 최소화되어 매끈한 표면 코팅이 되도록, 상기 전구체에 부착되기에 충분한 점성이 되어 측면(lateral) 공극이 완전하게 폐쇄되도록 조절되어야 한다. 상기 액체 (유기 코팅 성분 포함)는 또한, 슬럼핑(꺼짐, slumping)을 최소화하고 규칙적이고 균일한(평평한) 코팅층을 유지하도록 우수하고 빠른 스킨 코팅 특성을 가져야 한다.
스프레이에 의한 적용은 코팅 두께가 더 많이 제어할 수 있으며, 따라서 최소량의 유기 코팅 성분이 사용되도록 한다. 다른 코팅 방법에서와 마찬가지로, 스프레이는 또한, 상기 액체는 우수한 스킨 코팅 특성과 쉽게 스프레이되도록 낮은 점도를 필요로 한다.
상기 휘발성 코팅은 연속 코팅이 확실하게 얻어지도록 부가적인 양의 액체를 적용하여 형성될 수 있다. 이는 상기 액체를 스프레이로 적용하는 경우에 필요로 할 수 있으며, 몇몇 적용이 요구될 수 있다. 적용되는 총 액체는 휘발성 코팅에서 요구되는 물성 및 상기 액체의 적용 방법, 예를 들어, 스프레이 공정의 특성에 의존할 것이다.
망상 조직 포움 기재에 대한 적용 후에, 상기 유기 코팅 성분은 실온에서 건조되고 경화(hardened)될 수 있다. 일부 실시형태에서, 건조는 상승된 온도, 예를 들어, 80 내지 140℃에서 건조시킴으로써 가속화될 수 있다. 고화된 (예를들어, 건조된 혹은 경화된) 유기 코팅 성분은 휘발성 코팅을 형성하며, 이는 후속 함침 단계와 상용성(compatible)이 있으며 소성 도중에 궁극적으로는 연소 제거되어 결과물인 필터에 존재하지 않는다. 특정한 실시형태에서, 상기 유기 코팅 성분은 가요성(flexible)인 휘발성 코팅을 형성하도록 고화된다. '가요성(flexible)'은 상기 코팅이 유연하고 내구성이 있으며; 균열, 파손 혹은 망상조직 형태로부터 분리되지 않고 구부리거나 휠 수 있으며, 어떠한 가하여진 압력이 제거되는 경우에, 본래의 형태로 되도록 오고 이를 유지할 수 있음을 의미한다. 상기 특징은 과량의 슬러리를 제거하기 위해 압축(compression)(압착(squeezing))을 필요로 하는 방법을 사용하여 상기 필터 전구체에 슬러리가 함침되면, 특히 중요하다.
상기 액체는 상기 유기 코팅 성분 자체일 수 있거나 혹은 상기 액체는 상기 유기 코팅 성분을 다른 성분 예컨대 용매, 경화제 및 안료와 함께 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 액체는 비-수성이다.
휘발성 코팅을 형성하기 위한 상기 유기 코팅 성분의 고화는 실온에서의 상기 유기 코팅 성분을 포함하는 액체의 단순한 건조 (용매의 증발)일 수 있거나 혹은 열 및/또는 공기 흐름 (airflow)의 적용이거나 혹은 상기 유기 코팅 성분의 경화, 예를 들어, 대기 중의 수분에 대한 노출 혹은 화학적 가속화제의 첨가에 의한, 상기 유기 코팅 성분의 경화 혹은 이들 중 한 가지 이상의 조합으로 행하여질 수 있다.
상기 유기 코팅 성분은 중합체 물질, 예컨대 폴리우레탄, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리에스테르(PET, PVA), 폴리스티렌, 둘 이상의 중합체 타입의 혼합물 및 공중합체일 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 유기 코팅 성분은 건조시에 탄성중합체를 형성한다. 상기 언급된 유기 코팅 성분은 이들이 건조시에 내구성 있는 탄성중합체를 형성하는 것으로 알려져 있으므로 특히 유용한 것으로 여겨진다.
상기 유기 코팅 성분은 에를 들어, 단일 성분 시스템 혹은 망상조직의 포움 기재에 적용되기 직전에 혼합된 2성분 시스템일 수 있다.
상기 액체는 상기 유기 코팅 성분을 희석시키기 위한 유기 용매를 포함할 수 있다. 상기 용매는 부작용, 즉, 상기 포움 기재를 용해시키는 부작용이 없어야 하며, 실온에서 쉽게 증발되어야 한다. 기재와 코팅 모두의 화학적 성질에 따라, 다양한 용매가 적합할 수 있으며, 종류로는 에테르류, 예컨대 테트라하이드로퓨란 (THF), 및 디에틸 에테르, 하이드로카본류 예컨대 펜탄, 시클로펜탄 및 자일롤, 케톤류 예컨대 아세톤 및 메틸 에틸 케톤, 에스테르 예컨대 에틸 아세테이트 및 플루오르화된/클로로화된 하이드로카본을 포함한다. 특정한 실시형태에서, 상기 액체는 아세톤, THF, 에틸 아세테이트, 자일롤 및 이들의 혼합물로부터 선택된 용매를 포함한다.
특정한 실시형태에서, 상기 유기 코팅 성분은 케톤/에테르 용매 혼합물로 요구되는 점도로 희석된, 단일 성분 수분 경화 폴리우레탄이다.
상기 액체는 이를 착색하기 위해서 안료를 포함할 수 있다. 이는 상기 제 1 표면에 적용된 액체 양의 유용한 인디케이터(indicator)를 제공하며, 표면의 완전한 코팅이 확실시되도록 돕는다.
상기 내화물 재료는 지르코니아, 지르콘, 실리카, 알루미나 (갈색의 용융 알루미나(brown fused alumina) 포함), 탈크, 마이카, 티타니아, 실리콘 카바이드, 지르코늄 카바이드, 티타늄 카바이드, 칼슘 카바이드, 알루미늄 카바이드, 실리콘 니트라이드, 알루미늄 니트라이드, 니켈 옥사이드, 크롬 옥사이드, 마그네시아, 뮬라이트(mullite), 그라파이트(graphite), 안트라사이트(anthracite), 코크(coke), 활성탄(active carbon), 그라파이트-마그네시아(graphite-magnesia), 그라파이트-알루미나(graphite-alumina), 그라파이트-지르코니아(graphite-zirconia), 지르코늄 보라이드(zirconium boride), 칼슘 보라이드(calcium boride), 티타늄 보라이드(titanium boride), 플릿(frit)(분쇄된 유리(ground glass)) 및 이들을 2이상 포함하는 혼합물로부터 선택될 수 있다.
사용된 상기 내화물 재료의 입자는 예를 들어, 분말, 미분(fines), 그래뉼, 섬유상 재료 혹은 미소구체(microspheres)(홀로우(hollow) 및/또는 고상)일 수 있다. 일 실시형태에서, 섬유상 재료는 사용된 내화물 재료의 최고 5%를 구성한다. 이러한 섬유상 재료의 소량의 첨가는 상기 필터의 기계적 강도 및 내열성을 향상시키는 것으로 알려져 있다.
결과물인 필터의 기계적 특성 및 열적 특성을 개질하기 위해서 상기 슬러리에 다른 물질이 적은 첨가로 첨가될 수 있다. 일 실시형태에서, 다른 물질, 에컨대, 금속 분말 및 금속 합금 분말이 상기 내화물 재료의 중량의 최고 5%에 해당하는 양으로 존재한다. 적합한 물질로는 강철, 철, 청동(bronze), 실리콘, 마그네슘, 알루미늄, 보론을 포함한다.
상기 바인더는 내화물 포움 필터의 제조에 사용되는 어떠한 통상의 바인더일 수 있다. 상기 바인더는 무기 바인더, 예컨대 실리케이트 글라스(silicate glass) (예를들어, 보로실리케이트 (borosilicate), 알루미노실리케이트 (aluminosilicate), 마그네슘 실리케이트 (magnesium silicate) 혹은 포스페이트 글라스(phosphate glass), 혹은 다음 종류의 물질 중 하나 이상으로부터 선택된 탄소가 풍부한(carbon-rich) 공급원(피치(pitch), 타르 및 비-산화성 분위기(non-oxidising atmosphere)에서의 열분해에서 탄소를 형성하도록 분해되는 유기 중합체)일 수 있다.
숙련된 자는 필터의 특정한 기계적 및 열적 요구사항에 따라 적합한 내화물 재료 및 내화물 재료의 혼합물을 선택할 수 있을 것이다. 예를 들어, 글라스 결합된 알루미나 및 알루미나/그라파이트 혼합물이 알루미늄 합금의 여과에 자주 사용되고, 글라스 결합된 알루미늄 및 실리콘 카바이드 혼합물이 철(iron) 여과에 자주 사용되고, 글라스 결합된 지르코니아가 강철(steel) 여과에 사용되며, 탄소-결합된 알루미나 및 그라파이트 혼합물이 철 및 강철 여과 모두에 사용된다.
슬러리에서 액체 캐리어는 어떠한 적합한 액체 희석제, 예를 들어, 물, 메탄올, 에탄올 혹은 경유(light petroleum)일 수 있다. 그러나, 물이 우수한 코팅 물성을 갖는 슬러리를 제공하고, 환경적으로 안전하므로, 일반적으로 사용된다.
다른 물질이 또한, 내화물 슬러리의 리올러지 특성을 조절하기 위해 상기 내화물 슬러리에 첨가될 수 있다. 필터의 제조에서 이러한 물질의 사용은 이 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 이로는 서스펜션 조제(suspension aids), 예컨대 점토, 기포형성 방지제, 예컨대 실리콘 베이스 액체, 중합 안정화제 및 분산제를 포함한다.
내화물 슬러리에 의한 필터 전구체의 함침은 이 기술분야에 잘 알려져 있으며, 전구체를 상기 슬러리에 침지하거나 및/또는 상기 슬러리를 상기 전구체 상에 그리고 전구체내에서 롤링 및/또는 스프레이하고, 프레싱(pressing) 및/또는 롤링 및/또는 원심분리로 어떠한 과량의 슬러리를 제거하여 행할 수 있다.
임의의 액체 캐리어와 함께 내화물 재료 및/또는 바인더의 하나 이상의 부가적인 코트(coats)가 상기 필터 전구체에 적용될 수 있으며, 이들 부가적인 코트는 건조될 수 있다.
첨부된 도면을 단지 예로서 참고하여 본 발명의 실시형태를 기술한다:
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 필터 부분의 횡단면의 개략적인 다이어그램이며;
도 2a는 CT X-선 이미지를 사용하여 얻은 통상의 필터의 횡단면이며, 도 2b는 동일한 이미지의 음화(negative)이다.
도 3a는 CT X-선 이미지를 사용하여 얻은 본 발명의 실시형태에 따른 필터의 횡단면이며, 도 3b는 동일한 이미지의 음화이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 실시형태에 따른 필터의 SEM 이미지이다.
도 1은 본 발명에 따른 필터 (10) 부분의 매우 개략적인 횡단면이다. 필터 10은 폐쇄된 주위의 에지 (12)를 가지며, 공극(pores)/공동(voids) (15)를 둘러싸서 한정하는 스트랜드 (14)의 불규칙한 네트워크를 포함한다. 폐쇄된 에지 (12) 및 스트랜드 (14) 모두는 내화물 재료로 형성된 슬러리이다. 상기 스트랜드 (14)는 필터 전구체의 소성 도중의 망상조직으로된 포움의 연소(burning out)(휘발(volatilising))로 인하여 캐비티 (16)을 갖는다. 또한, 캐비티는 이전에 휘발성 코팅이 존재하였던 폐쇄된 에지 (14)에 존재할 수 있다. 이는 점선을 따라 위치될 수 있다.
노드(node)는 필터에서 둘 이상의 스트랜드 (14)가 만나는 곳으로 정의될 수 있다. 필터 내의 노드 중 일부는 A 라벨로 표시된다. 폐쇄된 에지 (12)에서 가장 얇은 부분은 두 표면 노드 사이의 중간점이다. 중간점의 예는 B 라벨로 표시된다. 폐쇄된 에지 (12)의 가장 얇은 포인트는 스트랜드 (14)에 필적하는 두께일 수 있다.
방법
표준 실리콘 카바이드 포움 필터의 제조
정사각형의 횡단면을 갖는 망상조직의 폴리우레탄 포움 피스에 원하는 중량이 될 때까지 롤러와 스프레이의 조합을 사용하여 내화물 슬러리를 함침시켰다. 상기 슬러리는 대략 60% 실리콘 카바이드, 15% 알루미나, 5% 실리카, 10% 리올로지 조절제(기포-방지제(anti-foams), 분산제, 안정화제, 바인더 등) 및 5-10% 물을 포함한다. 첨가되는 물의 양은 원하는 슬러리 점도가 되도록 조절되었다.
그 후, 함침된 포움 피스는 소성되기 전에 150℃ 오븐에서 건조되었다. 소성은 터널 (연속) 가마(kiln)에서 행하여 졌으며, 상기 가마의 가장 뜨거운 영역에서 온도는 최대 1200℃를 초과하지 않았다.
폐쇄된 에지 실리콘 카바이드 포움 필터의 제조
정사각형의 횡단면을 갖는 폴리우레탄 포움 피스의 4면 사이드 (사이드 면)에 논-새그(non-sag) 단일 성분 수분 경화 폴리우레탄 접착제를 포함하며, 15% 드라이 고형분 용액으로 케톤/에테르 용매로 희석되고, 상용성 있는 안료 5%의 첨가로 착색된, 액체가 스프레이 코팅되었다. 상기 액체는 표준-타입 피스톨 스프레이 건을 사용하여 적용되었으며, 압력은 5 bar 오토미제이션(atomisation) (에어) 압력 및 2 bar 액체 공급 압력일 수 있다. 상기 포움 피스 상의 액체 코팅 층이 연속이 될때까지 수회의 층이 상기 사이드 면에 적용되었다. 그 후, 상기 에지 코팅된 포움 피스는 건조되도록 실온에서 방치되었다.
본 발명의 필터를 제조하는 경우에, 슬러리를 낮는 사용양(application rate)로 한 것을 제외하고는, 상기 표준 포움 필터와 관련하여 기술된 것과 동일한 방법으로, 상기 에지 코팅된 포움 피스(piece)가 포움 필터 제조에 사용되었다. 적용된 슬러리의 양 (사용양)은 희석하여 슬러리의 점도 및 고형분 함량을 낮추거나 및/또는 원하는 중량이 될 때까지 롤러:스프레이 적용의 비율을 조절하여 감소되었으나, 포움의 균일한 피복은 유지되었다. 슬러리 적용 후에, 함침된 에지 코팅된 포움 피스는 상기 표준 포움 필터에서와 동일한 방식으로 건조 및 그 후에 소성되었다.
필터 평가
필터의 특성을 평가하기 위해 다음의 방법이 사용되었다. 시험은 비교하기 위한 것이며, 따라서, 시험된 모든 필터에 동일한 파라미터가 사용되는 것이 중요한 것으로 이해된다.
평균 중량
주어진 수의 샘플에 대한 중량을 측정하고 평균을 계산하였다. 상기한 바와 같이, 충분한 강도를 제공하기 위한 충분한 슬러리의 사용과 우수한 프라이밍 및 여과 효율의 제공이 절충된다. 일반적으로, 필터가 사용하기에 충분히 강한한, 필터의 중량은 작을수록 바람직하다.
통수 속도 시험 (용량) ( Water Flow Rate Test ( Capacity ))
통수 속도 시험은 자체적으로 디자인된 장치에서 물을 수직의 강철 튜브를 통해 순환 및 통과시켜서 행하였으며, 상기 수직의 강철 튜브에는 물이 필터 면에 대하여 하방으로 상기 필터를 통과하도록, 필터가 하부에 상기 흐름에 대하여 수직으로 밀봉된다. 상기 장치는 시험된 모든 필터에 대하여, 상기 물에 노출되는 필터 면(face)의 면적의 직경이 40㎜이 되도록 준비된다. 물의 높이(헤드)는 상기 필터 위의 125㎜이며, 상기 필터를 통과한 물의 평균 유속(flow rate)이 측정된다. 상기 시험은 필터가 용융된 금속을 어떻게 수행하는지의 표시를 보여주기 위해서 다양한 필터의 예상되는 상대적인 유속 (용량)과 비교하기 위해 사용된다. 인용된 값은 다수의 필터 시험에서 얻어진 결과의 평균이다.
압력 강하 시험 (용량( capacity ) 및 프라이밍 ( priming ))
상기 압력 강하 시험은 필터에 대한 표준 시험으로서, 필터를 가로지르는 공기 압력의 강하가 마노미터를 사용하여 결정된다. 상기 필터는 테스트 리그 (test rig)내에서 프린트에 밀봉되며, 여기에는 일정한 흐름의 에어 펌프가 연결된다. 유입구 밸브는 공기의 흐름을 조절하도록 사용되며, 상기 배출구 말단에 연결된 플로우 미터(flow meter)는 상기 리그를 통과한 유량을 기록한다. 마노미터는 상기 샘플의 어떠한 사이드 상에서 상기 리그에 연결되며 상기 필터를 통과하는 공기의 압력 강하를 측정한다. 공기 흐름에서와 마찬가지로, 상기 장치는 상기 공기에 노출되는 필터 면의 표면적이 필터 크기에 따라 달라지도록 배열된다. 50㎜x50㎜, 75㎜x75㎜ 및 lOO㎜xlOO㎜ 필터에 대하여, 노출 면적 및 유량은 각각 2025㎟, 4096㎟, 6400㎟ 및 40㎥/hour, 57㎥/hour, 100㎥/hour이다. 통수 속도 시험과 마찬가지로, 압력 강하 시험이 필터를 통과하는 상대적인 흐름 특성을 나타내기 위한 비교 목적으로 사용된다. 일반적으로, 압력 강하가 낮을수록, 금속의 프라임(prime) 및 필터를 통한 통과가 보다 용이해진다. 인용된 값은 다수의 필터 시험 결과의 평균이다.
부스러짐 측정( Friability Measurement )
필터의 부스러짐 측정에 2가지 방법이 사용되었다. 먼저, 상업적인 필터 제조 설비의 자동화된 패키징 단계 도중에 필터가 부러진 필터 단편의 중량을 측정하였다. 패킹된 필터 상자를 열고 각각의 필터를 제거하였다. 어떠한, 부러진, 헐거운 단편을 상기 필터에서 분리하고 상기 박스 및 패키징에 남아있는 어떠한 단편과 함께 수집하였다. 그 후, 부스러짐 값은 헐거운 단편(loose fragments)의 총 중량을 상기 필터의 총 중량의 퍼센트로서 나타낸다.
다른 그리고 더 가혹한 시험은 6개의 필터를 덮개가 있는 200㎜ 직경의 금속 팬에 놓고 그 후에, 이를 표준 시브 쉐이커 상에 고정시키는 것을 포함한다. 진동 베이스를 가동(속도 설정치 수 3)하여 상기 금속 팬에 3분 동안 진동이 가하여졌다. 3분 후에, 필터를 상기 팬에서 제거하고, 어떠한 헐거운 단편이 분리되었다. 그 후, 필터를 상기 팬으로 되돌려 보내고, 진동을 추가로 3분의 기간 동안 반복하였다. 그 후, 상기 팬을 제거하고, 부스러짐 값을 상기한 바와 같이, 분리하고 상기 헐거운 필터 단편의 총 중량을 칭량하여 계산하였다.
직접 충돌 시험( Direct Impingement Test )(기계적 강도 측정)
직접 충돌 시험을 사용하여 상기 필터를 용융된 철로 시험하였으며, 여기서, 주어진 온도에서, 50kg의 회색 철(grey iron)이 수지-결합된 모래로 제조된, 프린트에서 대향하는 2개의 사이드(sides)상에서 지지되는 필터의 면위의 450㎜ 스푸루우 아래에 장착된 하부 푸어 래들(pour ladle)로부터 부었다. 상기 시험은 초기 금속 충돌으로부터 필터의 기계적 강도, 열 충돌 저항성 (thermal shock resistance), 온도에서의 기계적 강도 및 내식성 정도를 제공한다. 시험 온도는 시험되는 필터의 두께 및 요구되는 가혹성에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 1530℃의 온도는 1480℃에서 금속을 사용하는 것보다 필터 성능의 보다 가혹한 시험이다. 시험 (및 냉각) 후에, 필터가 검사되고 필터가 이를 완전히 관통하는 호올(hole)을 가지면, 실패로 나타낸다. 최대 5개의 필터가 각각의 샘플에 대하여 시험되고 적어도 4개의 필터가 통과이면, 그 결과는 "통과(pass)"로 여겨진다 (처음 4개가 통과이면 다섯번째 필터는 시험되지 않음). 더욱이, 필터에 어떠한 균열이 있으면, 상기 필터는 부식 수준을 보기 위해서 조사된다.
콜드 크러쉬 강도 ( Cold crush strength )
필터의 콜드 크러쉬 강도(cold crush strength)는 Hounsfield 압축 강도 시험기로 측정되었다. 시험 샘플을 시험 베이스(base)의 중심에 놓고 직경을 아는 플런저(plunger)가 상기 샘플을 향해 하방으로 상기 샘플이 부서질 때까지 분당 50㎜의 일정한 속도로 이동되었다. 인용된 값은 다수의 필터 시험 결과의 평균이다.
비교예 1 -표준 실리콘 카바이드 포움 필터
50㎜x50㎜x22㎜ 크기의 필터가 상기 방법으로 적합한 크기의 10 ppi 망상조직 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다.
도 2a는 크기가 50㎜x50㎜x22㎜인 비교예 1의 필터 전체의 횡단면이다. 내화물 스트랜드의 불규칙적인 배열이 어두운 배경에 대하여 밝은 부분으로 명확하게 보여질 수 있다. 내화물 스트랜드는 소성 도중에 상기 망상 조직이 연소된 캐비티를 포함한다. 이들은 밝은 착색된 스트랜드 내에서 어두운 영역으로 보인다. 명확하게 되도록, 상기 이미지의 음화(negative)를 도 2b에 나타내었으며, 여기서 내화물 재료는 어두운 영역으로 보여진다.
실시예 1 - 폐쇄된 에지 코팅을 갖는 실리콘 카바이드 포움 필터
50㎜x50㎜x22㎜ 크기의 폐쇄된 에지 필터가 (상기한 바와 같이) 적합한 크기의 10 ppi 망상조직 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다. 슬러리의 사용양은 비교예 1에 비하여 감소되었다.
도 3a는 크기가 50㎜x50㎜x22㎜인 실시예 1의 필터 전체의 횡단면이다. 내화물 재료 스트랜드의 불규칙적인 네트워크가 연속적인 폐쇄된 에지와 함께 명확하게 보여질 수 있다. 폐쇄된 에지 필터는 밝은 영역으로 그리고 공극/동공은 어두운 영역으로 보인다. 상기 코팅 및 상기 스트랜드는 비슷한 두께를 갖는다. 즉, 에지 코팅의 직경 대 스트랜드의 직경의 비율은 약 1:1이다. 명확하게 되도록, 상기 이미지의 음화를 도 3b에 나타내었으며, 여기서 내화물 재료는 어두운 영역으로 보여진다.
도 4a는 실시예 1의 필터의 코너 부분의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이며, 도 4b, 4c, 및 4d는 동일한 부분의 확대 이미지이다. 각각의 경우에, 라인은 1㎜를 나타낸다. 폐쇄된 에지의 두께는 노드에서 최대 약 1㎜에서 상기 노드 사이의 중간점에서 0.5㎜ 미만으로 달라진다. 상기 폐쇄된 에지가 스트랜드와 비견할 만한 두께이며, 일부 지점에서는, 상기 스트랜드에 비하여 눈에 띄게 얇다. 휘발성 유기 코팅이 소성 도중에 연소됨으로, 상기 폐쇄된 에지는 캐비티를 포함한다. 몇몇의 길고 좁은 캐비티가 보일 수 있으며, 이는 소성 전에 여기에 휘발성 코팅이 위치 되어 있었음을 나타낸다. 이는 도 b, c 및 d 각각에 화살표로 강조되었다. 휘발성 코팅이 연속적임으로, 불연속적인 캐비티 대신 하나의 연속적인 캐비티가 얻어질 것으로 예상될 수 있다. 건조된 슬러리의 내화물 조성물은 단단하지만, 유체인 상태를 유지하며, 코팅은 휘발됨으로 틈(gap)이 형성됨에 따라, 틈을 채우도록 이동할 수 있음으로, 발명자들은 다수의 캐비티가 얻어질 것으로 생각한다.
결과
비교예 1 및 실시예 1의 필터의 기계적, 물리적 및 열-기계적 특성을 하기에 나타낸다.
Figure pct00001
평균 필터 중량
본 발명의 필터 (실시예 1)에 대한 평균 중량 (및 밀도)은 개방 에지를 갖는 종래 기술의 필터 (비교예 1)의 평균 중량에 비하여 18.5% 낮았다.
통수 유속 시험( Water Flow Rate Test ) (용량 ( Capacity ))
실시예 1의 수 유량이 비교예 1 보다 약 11 % 컸으며, 이는 필터가 사용시에 더 큰 금속 유량 및 용량을 가짐을 나타낸다. 실시예 1은 비교예 1에 비하여 슬러리 함침 수준이 낮으며, 따라서, 필터 중량이 더 작고, 결과적으로 다공성이 큰 필터가 얻어진다 (스트랜드가 더 얇고 막인 공극이 더 적음).
부스러짐 측정( Friability Measurement )
부스러짐은 상기한 첫번째 시험을 사용하여 측정되었다 (통상의 패킹 라인). 상기 측정은 실시예 1이 덜 부스러짐을 나타내었다. 즉, 스트랜드가 더 얇으며(적은 내화물 함량) 따라서, 비교예 1에 비하여 전반적으로 약함에도 불구하고, 폐쇄된 에지는 상기 필터의 스트랜드의 말단을 보호하며 따라서, 파손된 단편의 양이 감소된다.
직접 충돌 시험( Direct Impingement Test )(기계적 강도 측정)
표준 시험을 사용하여, 통과된 실시예 1의 모든 필터는 실패의 표시, 즉, 파손을 나타내지 않았다. 상기 결과는 비교예 1과 같으며, 실시예 1의 폐쇄된 에지 필터가 필터 중량(함침 수준)이 낮음에도 불구하고, 용융된 금속의 여과에 적합하게 유지됨을 나타낸다.
따라서, 폐쇄된 에지 필터는 종래 기술의 필터에 비하여 이점을 제공한다. 필터의 에지는 필터 내부 부분의 빌드-업(build up) 없이, 보호되며, 필터 내부의 함침 수준이 감소될 수 있다. 상기 결과로, 필터의 유량(flow rate) 및 용량이 증가될 수 있으며, 일부 경우에는, 공극 크기가 큰 표준 포움 필터의 유량 및 용량을 유지하면서, 공극 크기가 작은 필터를 제조하는 것이 가능할 수 있다. 이는 효과 효율이 전반적인 캐스팅 (몰드 충진(mould filling)) 공정에 대한 악영향 없이 증가될 수 있음을 의미한다.
비교예 2 및 3 그리고 실시예 2 및 3
크기가 50㎜x50㎜xl5㎜인 통상의 필터 및 폐쇄된 에지 필터가 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다. 비교예 2 및 실시예 2는 20ppi 피스로 제조되었으며, 비교예 3 및 실시예 3은 30ppi 피스로 제조되었다. 필터의 특성은 아래에 나타내었다.
Figure pct00002
주 1) 상업적인 제품의 설명서 (및 결과)
예상되는 바와 같이, 20ppi 필터는 큰 공극 크기로 인하여 30ppi 필터에 비하여 통수 속도가 빨랐다. 실시예 3은 30ppi의 공극 크기를 갖지만, 20ppi의 통상의 필터 (비교예 2)에 필적할 만한 통수 속도를 갖는다.
실시예 2 및 실시예 3의 필터는 현재 상업적 제품인 비교예 2 및 비교예 3의 설명서에 비하여 더 높은 (따라서 더 가혹한 시험) 온도에서의 직접 충돌 시험을 통과하였다. 또한, 상기 결과는 실시예 3 필터가 비교예 2 대신에 사용될 수 있으며, 이는 더 낮은 ppi 제품과 관련된 일반적인 용량과 함께 30ppi 필터의 더 큰 여과 효율을 제공한다.
비교예 4 및 5 그리고 실시예 4 및 5
크기가 50㎜x50㎜x22㎜인 통상의 필터 및 폐쇄된 에지 필터가 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다. 비교예 4 및 실시예 4는 20ppi 피스로 제조되었으며, 비교예 5 및 실시예 5는 30ppi 피스로 제조되었다. 필터의 특성은 아래에 나타내었다.
Figure pct00003
주 1) 상업적인 제품의 설명서 (및 결과)
본 발명의 두 필터는 통상의 필터에 비하여 낮은 필터 중량 및 콜드 크러쉬 강도를 가짐에도 불구하고 향상된 (감소된) 부스러짐을 나타낸다. 이들은 또한, 통상의 필터에 비하여 더 큰 통수 속도를 가지며, 이는 이들이 금속 여과에 사용되는 경우에 더 큰 용량을 가질 것임을 나타낸다. 실시예 5는 유속을 유지하면서 더 큰 여과 효율을 제공하도록 비교예 4 대신에 사용될 수 있다.
비교예 6 및 실시예 6
크기가 75㎜x75㎜x22㎜인 통상의 필터 및 폐쇄된 에지 필터가 20ppi의 다공성을 갖는 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다. 필터의 특성은 아래에 나타내었다.
Figure pct00004
주 1) 상업적인 제품의 설명서 (및 결과)
비교예 7 및 비교예 8 그리고 실시예 7 및 8
크기가 100㎜x100㎜x22㎜인 통상의 필터 및 폐쇄된 에지 필터가 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다. 비교예 7 및 실시예 7은 20ppi 피스로 제조되었으며, 비교예 8 및 실시예 8은 30ppi 피스로 제조되었다. 상기 필터의 특성은 아래에 나타내었다.
Figure pct00005
주 1) 상업적인 제품의 설명서 (및 결과)
비교예 9 및 실시예 9A, 9B 및 9C
크기가 50㎜x50㎜x15㎜인 통상의 필터 및 폐쇄된 에지 필터가 다공성이 20ppi인 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다. 대략 55 % 실리콘 카바이드, 15% 알루미나, 10% 실리카, 10% 리올로지 조절제 및 바인더 그리고 5-10% 물을 포함하는 다른 슬러리 조성물이 사용되어 이전의 실시예와 비교되었다. 적용된 슬러리의 양은 중량이 다른 일련의 필터를 제조하도록 조절되었다. 함침된 포움 피스를 이전의 실시예에서와 같이 건조하였으나, 필터의 소성은 소성 사이클의 최고점에서 최대 1150℃가 되도록 하여 배치 가마(kiln)에서 행하여졌다.
필터의 부스러짐(friability)은 2번째 방법으로 측정되었으며, 필터의 다른 특성과 함께 아래에 나타내었다.
Figure pct00006
상기 결과는 함침 수준 및 이에 따른 필터 중량의 증가는, 필터의 강도를 증가시키고 필터의 부스러짐을 감소시킴을 나타낸다. 나아가, 살시예 9B는 비교예 9와 전체 중량이 유사하지만, 이 또한, 폐쇄된 에지를 가짐으로, 포움 바디의 함침, 즉, 코팅된 스트랜드 두께가 작다. 따라서, 상기 필터는 낮은 압력 강하 값으로 나타내어지는 바와 같이, 필터(에지)의 부스러짐 증가 없이, 표준 필터에 비하여 높은 용량 및 높은 유량을 가질 것이다.
비교예 9에 비하여, 실시예 9C는 전체 필터 중량이 더 크지만, 압력 강하 데이타로 나타내어지는 바와 같이, 스트랜드 함침 수준은 더 낮다. 따라서, 통상의 필터에 비하여 조금 더 높은 용량 및 금속 유량이 기대될 수 있다. 또한, 현저하게 향상된 (감소된) 부스러짐 결과에서와 같이, 실시예 9C는 파손에 대한 저항성이 더 클 것이며, 따라서, 기계적 (로봇화 포함) 취급에 대하여 특히 강할 수 있다.
실시예 10, 11 및 12
폐쇄된 에지 지르코니아 베이스 필터가 실시예 6 (실시예 10) 및 7 (실시예 11 및 12) 제조에 사용된 것과 같은 크기의 폴리우레탄 포움 피스로 제조되었다. 상기 슬러리 조성물은 대략 75% 지르코니아, 10% 마그네시아, 10% 리올러지 조절제 및 바인더 그리고 5-10% 물을 포함하였다. 함침된 포움 피스는 이전의 실시예에서와 같이 건조되었다. 지르코니아 필터는 배치 가마(kiln)에서 행하여지는 소성 사이클의 최고점에서 최대 1600℃가 되도록 하여, 이전의 실리콘 카바이드 필터에 비하여 높은 온도에서 소성되었다. 결과는 아래에 나타내었다.
Figure pct00007
실시예 13 및 14 그리고 비교예 13 및 14
20ppi 폐쇄된 에지 실리콘 카바이드 필터 및 표준 필터가 상기한 바와 같이 제조되었으며, 수평으로 나뉜 몰드(horizontally parted mould)에서 평가되었다. 각각의 시험에 대하여, 몰딩 박스 당 2개, 캐스팅당 하나의 필터로 하여, 20 세트의 조종 너클 캐스팅(steering knuckle casting)이 캐스트되었다. 더 큰 필터를 더 큰/무거운 캐스팅 타입에 사용하여, 2개의 다른 일련의 캐스팅이 제조되었다. 결과를 아래에 나타내었다.
Figure pct00008
폐쇄된 에지 필터는 상응하는 표준 필터보다 상당히 가볍다. 더욱이, 상기 결과는 폐쇄된 에지 필터의 통수 유속이 더 크며, 이는 등가물의 표준 필터에 비하여 약 6%의 캐스팅 주입 시간이 감소되도록 한다. 모든 캐스팅은 육안 관찰을 만족하였으며, 현저한 결함 (필터와 관련된)은 없었다.

Claims (12)

  1. 필터의 사이드 면을 형성하는 적어도 하나의 제 1 표면 및 필터의 관통-흐름 면(through-flow face)을 형성하는 2개의 대향되는 제 2 표면을 갖는 망상조직의 포움 기재를 제공하는 단계;
    유기 코팅 성분을 포함하는 액체를 상기 제 1 표면에 적용하는 단계;
    상기 제 1 표면에 연속적인 휘발성 코팅을 갖는 필터 전구체를 형성하도록 상기 유기 코팅을 고화시키는 단계;
    상기 필터 전구체에 내화물 재료의 입자, 바인더 및 액체 캐리어를 포함하는 슬러리를 함침시키는 단계; 및
    폐쇄된 에지를 갖는 필터를 형성하도록 함침된 필터 전구체를 건조 및 소성하는 단계를 포함하는, 폐쇄된 에지 내화물 포움 필터의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 망상조직의 포움 기재는 직선 인치(linear inch)당 5 내지 60개의 공극 (ppi)의 다공성을 갖는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 액체는 상기 망상조직의 포움 기재의 제 1 표면 모두에 적용되는 방법.
  4. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체는 스프레이로 적용되는 방법.
  5. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휘발성 코팅은 가요성인 방법.
  6. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 코팅 성분은 폴리우레탄, 폴리비닐 클로라이드 (PVC), 폴리에스테르 (PET) 혹은 폴리스티렌 중 하나 이상으로부터 선택되는 방법.
  7. 내화물 재료의 스트랜드의 3-차원 네트워크를 포함하며, 적어도 하나의 사이드 면(side face) 및 두 개의 대향하는 관통-흐름 면(through-flow faces)을 가지며, 적어도 하나의 사이드 면은 일원화된 폐쇄된 에지를 갖는 선행하는 청구항 중 어느 한 항의 방법으로 제조가능한 내화물 포움 필터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 일원화된 폐쇄된 에지는 1 ㎜ 미만의 두께를 갖는 필터.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 폐쇄된 에지는 캐비티를 포함하는 내화물 포움 필터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 캐비티는 상기 사이드 면에 대한 수직 방향으로 넓기보다는 상기 사이드 면에 대하여 평행한 방향으로 현저하게 긴 필터.
  11. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일원화된 폐쇄 에지는 0.5 ㎜ 미만의 두께를 갖는 필터.
  12. 제 7항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일원화된 폐쇄된 에지의 두께 대 상기 스트랜드의 두께 비율은 0.5 내지 2인 필터.
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