KR20190047485A

KR20190047485A - 고내열성 세라믹 코팅 조성물

Info

Publication number: KR20190047485A
Application number: KR1020170141416A
Authority: KR
Inventors: 이정인
Original assignee: (주)동륜기업
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-05-08
Also published as: KR102051934B1

Abstract

액상 실리카; 세라믹 섬유; 물; 인상 흑연 분말; 및 세라믹 분말; 을 포함하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물을 제공한다.

Description

고내열성 세라믹 코팅 조성물{Ceramic Coat Composition having High Heat Resistance}

본 발명은 고내열성 세라믹 코팅 조성물에 관한 것으로, 상세하게는, 초고온 환경에서 설비나, 건축재에 열전달을 방지하고, 내구성이 향상된 고내열성 세라믹 코팅 조성물에 관한 것이다.

광석으로부터 불순물을 제거하고, 이를 환원시킴으로써 금속을 얻어내는 과정을 제련 과정이라고 한다. 광석을 환원시키기 위해 광석을 녹이는 과정은 1000도 이상의 고열을 가하여 이루어진다.

용광로에서 석회석, 코크스 및 철강석을 용광로에 넣고 가열한 공기를 집어 넣어 연소시키면, 1500도 가량의 열이 발생하게 되고 이때 철광석은 환원되어 쇳물이 형성된다.

제강공정에는 초고온의 쇳물을 이동시키거나 쇳물을 형성하는 설비가 사용되고, 이러한 설비는 초고온의 쇳물과 접촉하는 경우에도 설비가 녹아 내리거나 초고온의 열충격에 의해 설비가 손상되는 문제를 방지하기 위해, 열을 차단하여 설비에 전달되는 열을 최소화하기 위한 내열 코팅을 하는 것이 필요하다.

세라믹 분말은 무기 재료에 고온의 열을 가하여 얻어진 가공 분말 내지는 자연에서 얻어진 무기 재료의 분말을 지칭한다.

고열에서 가공되어 얻어지기 때문에 내열성이 우수한 것으로 알려져 있으며, 제강, 제련 산업에 있어서도, 세라믹 재료를 이용하여, 내열 코팅재, 세라믹 부품 내지 세라믹 설비를 형성하여, 초고온의 환경에서도 파손없이 장기간 설비를 사용하는 것이 가능하도록 구성하고 있다.

한편, 제련과정에 있어서, 래들, 토페토카, 슬라그 포트 등의 다양한 설비에서 쇳물의 비산이나 쇳물을 이동시키는 과정에서 배출구 부근에 쇳물이 굳어져 형성되는 찌꺼기 이른바, 지금(Skull)이 발생된다.

제강설비는 대규모의 설비이고, 초고온 내열성을 가져야 하는 점에서, 한번 설치되면, 장기간 사용하여야 하고, 이를 보강, 보완하는 것이 어렵다는 점에서 상기와 같은 지금의 생성을 억제하거나 제거하는 것이 필요하다.

사실상, 지금은 쇳덩어리에 해당되고, 이를 제거하기 위해서는 다시 쇳물을 형성하기 위해 초고온을 가하거나, 설비를 부수고 다시 설치하는 방법밖에 없기때문에, 지금의 형성을 애초에 방지하는 것이 매우 중요하다.

대한민국 등록특허공보 제10-1743825호의 경우, 이를 해결하기 위해, 지금 생성 억제용 코팅제를 개시하고 있다. 구체적으로, 액상 실리카, 40-45 중량%. 입자크기가 35 ~ 45㎛ 범위의 인상흑연 2-6 중량%, 세라믹 섬유 8-12 중량%; 물 40-45 중량%의 비율로 포함되어 있는 코팅제에 관한 것으로서, 피착재의 표면에 선행특허의 코팅제를 도포하는 경우, 세라믹 섬유 나노돌기를 형성하여, 쇳물에 대한 표면장력을 증대시켜 제련, 제강 설비에서의 지금 형성을 억제하는 것을 발명의 특징으로 하고 있습니다.

그러나, 선행특허의 코팅제의 경우, 약 코팅제 조성의 절반 가량이 물로 구성되기 때문에, 코팅층 자체의 내구성이 떨어지는 문제나 점토나 모래, 콘크리트로 구성되어 있는 제련, 제강 설비 내부로 수분이 침투하여 설비에 균열을 발생시키는 문제가 있다.

인상 흑연과 세라믹 섬유는 코팅층의 외표면에서 쇳물의 표면장력을 향상시키는 나노 돌기를 형성하는 것이지만, 사실 상 반복적인 사용에 의해, 초고온의 온도에서 인상 흑연이 코팅층에서 용융되거나, 산화되어 장기간 지금 형성 억제 효과가 유지되지 못하는 문제점이 있었다.

이에 따라, 코팅층 자체의 내열성 및 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 피착재의 내구성도 우수하게 유지하며, 장기간 지금 형성 억제 효과가 유지될 수 있는 코팅재 기술이 요구되고 있다.

등록특허공보 10-1743825 (2017. 05. 30 공고)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자들은 상기와 같음 문제점을 인식하고 이를 해결하기 위해 수많은 실험과 연구를 반복한 끝에, 소정의 입자 크기를 갖는 세라믹 분말을 산화 알루미늄 분말과 혼합하여 사용하는 경우, 지금 형성 억제 효과가 장기간 유지되는 효과를 가지는 고내열성 세라믹 코팅 조성물을 발명하기에 이르렀다.

또한, 본 발명에 따른 코팅 조성물은 수계 코팅 조성물이나, 물을 소량으로 포함함으로써 코팅층의 내구성이 향상되고, 수분에 의해 제강, 제련용 설비의 내구성이 떨어지는 문제를 방지할 수 있는 코팅 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고내열성 세라믹 코팅 조성물은,

액상 실리카; 세라믹 섬유; 물; 인상 흑연 분말; 및 세라믹 분말; 을 포함한다.

본 발명에 따른 고내열성 세라믹 코팅 조성물은 1000 내지 2000℃의 온도범위에서 사용되는 것이고, 상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분말, 산화 마그네슘(MgO) 분말 및 카올린(Kaolin, Al₂Si₂O₅(OH)₄) 분말로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 고내열성 세라믹 코팅 조성물은 상기 액상 실리카 40-50 중량%, 세라믹 섬유 15-25 중량%, 물 8-25 중량%, 인상 흑연 분말 25-35 중량%, 및 세라믹 분말 5-35 중량%로 포함하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 인상 흑연 분말은 3-15 마이크로미터의 평균입경을 갖는 것일 수 있고, 바람직하게는 5-10 마이크로미터의 평균입경을 갖는 것일 수 있다.

또한, 상기 세라믹 분말은 상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 카올린 분말의 혼합물일 수 있고, 상기 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 카올린 분말의 혼합물은 산화 알루미늄의 중량 기준으로 혼합 비율이 1: 0.3~0.5 : 0.4~0.6일 수 있다.

한편, 상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄 분말일 수 있고, 코팅 조성물 전체를 기준으로 5-10 중량%로 포함될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고내열성 세라믹 코팅 조성물은, 제강, 제련 설비에 사용하는 경우에 쇳물의 비산에 따른 지금 형성을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 지금 억제 효과가 장기간 지속되는 효과를 가진다. 따라서, 지금 형성 억제 효과가 장기간 유지됨에 따라, 제강, 제련 설비을 재설비하는 기간이 길어짐에 따라 공정비용을 현저히 절감시킬 수 있고, 공정시간이 단축됨에 따른 생산 효율성이 보다 향상되는 효과가 있다.

또한, 코팅 조성물 내의 물을 함량을 현저히 감소시켜 초고온의 열이 가해질 때 발생될 수 있는 피착재의 파손이나 손상이 억제되는 효과를 가지며, 본 발명에 따른 고내열성 세라믹 코팅 조성물을 내열처리가 필요한 건축 설비나, 산업설비에 사용하는 경우, 코팅층 자체의 내구성이 우수하게 유지되어, 내열 효과가 장기간 지속되는 효과가 있다.

이하에서, 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명에 따른 고내열성 세라믹 코팅 조성물은, 약 1000 내지 2000℃의 온도가 가해지는 초고열의 조건에서 피착재에 내열성을 부여하기 위한 코팅층을 형성한다.

본 발명은 특히, 초고온의 온도에서 자체의 내구성과 내열 특성이 장기간 유지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 특히, 제련, 제강 공정에 있어서, 래들(ladle), 토페토카(torpedo car), 슬라그 포트(slag port)와 같이 주로, 모래나 점토 등으로 이루어진 재료의 표면에 도포되는 경우, 설비의 표면에서 쇳물의 표면장력을 향상시키는 미세 요철을 형성하여, 쇳물이 굳어져 형성되는 지금의 형성을 억제하는 효과를 갖는다.

상기 액상 실리카는, 소위 물유리로 불리우는 무기 바인더로서, 주로 알칼리계 금속의 규산염 화합물을 물과 혼합하여 형성한다. 예를 들면, 액상규산나트륨, 액상규산칼륨, 및 액상규산리튬일 수 있고, 이들의 조합이나, 변성물도 가능하다. 특히, 액상 실리카의 변성물로서, 붕사 또는 붕산으로부터 유래되는 산화붕소가 알칼리계 금속 규산염 화합물로 이루어진 알칼리계 금속 보로실리케이트도 가능하다.

본 발명에 있어서, 액상 실리카는 바람직하게는 알칼리계 금속 보로실리케이트일 수 있다.

상기 세라믹 섬유는 굵기가 1 ~ 5 마이크로미터이고 길이가 0.1 ~ 1.0㎜인 것이 바람직하다. 굵기가 1 마이크로미터보다 얇은 경우에는, 인상 흑연 분말과의 분산성이 떨어지고, 지금 형성을 억제할 수 있는 미세 요철이 잘 형성되지 않거나, 쇳물의 표면장력을 향상시킬 만큼의 거칠기를 갖지 못하는 문제점이 있다. 반면에, 이보다 굵은 경우에는, 세라믹 섬유 대비 인상 흑연의 분포가 떨어지므로, 지금 형성 억제 효과가 떨어지거나, 일부 코팅 부위에서만 효과가 나타나는 문제점이 있다.

길이가 상기 범위보다 긴 경우에는, 연속적인 코팅층을 형성하는 것이 어렵거나, 코팅층의 내구성을 오히려 떨어뜨릴 수 있는 문제가 있다.

상기 세라믹 섬유의 종류는 크게 제한되지 않으며, 가장 광범위하게 사용되는 다양한 조성의 유리섬유와 암면, 석면, 바잘트 섬유 등과 같이 암석이 원료인 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유, 물라이트 섬유, PZT 섬유 등의 산화물섬유, 질화규소섬유, 탄화규소(SiC)섬유 등의 비산화물 섬유 등일 수 있다. 바람직하게는 유리섬유나 알루미나 섬유인 것이 바람직하다.

본 발명의 코팅 조성물은 물을 용매로 사용하므로, 유기용매를 사용하는 다른 코팅액에 비해 친환경적인 장점이 있다. 또한, 물을 용제로 사용하는 경우에는 코팅층의 형성 후에, 초고온의 환경에서 지속적인 열이 가해지므로, 수분이 날아감에 따라 코팅층이 보다 견고해지는 장점이 있다. 이에 따라, 지속적인 사용에 의해 코팅층이 약해지거나 마모되기 보다는 더욱 단단해지는 효과를 가지므로, 내열성도 장기간 유지되는 효과가 있다.

다만, 물은 코팅 조성물 전체 중량을 기준으로 8-25 중량%으로 포함될 수 있고, 바람직하게는 10-12 중량%로 포함될 수 있다.

이보다 소량으로 첨가되는 경우에는 코팅 조성물을 피착재에 도포하는 것이 불가능하고, 표면에 고르게 도포되어 코팅층이 형성되지 않는 단점이 있고, 코팅층과 피착재 표면 간의 간격에 의해 고열이 가해짐에 따라, 접촉면의 접착성이 떨어져, 코팅층의 지속력이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 물이 과량으로 첨가되는 경우에는, 피착재의 표면에서 코팅층이 경화될 때, 다수의 물방울이 코팅층 내에 포함되어, 고열이 가해지는 경우에는 다수의 미세 물방울 층 내지 기포층때문에 코팅층의 내구성이 현저히 떨어지게 되는 문제점이 있다.

상기 인상 흑연은 윤활작용을 하는 성분으로, 본 발명에 따른 고내열성 세라믹 코팅 조성물의 경우, 상기 인상 흑연 분말은 3-15 마이크로미터의 평균입경을 갖는 것일 수 있고, 보다 상세하게는 5-10 마이크로미터의 입경을 갖는 것일 수 있다. 인상 흑연 분말의 입자가 3 마이크로 미터보다 작은 평균입경을 갖는 경우에는, 액상 실리카 및 물에서의 분산성이 떨어지므로, 코팅층을 형성하더라도 코팅층이 형성된 일부 표면에서는 지금의 형성이 억제되지 않는 문제점이 있을 수 있다. 반면, 15 마이크로미터보다 큰 평균입경을 갖는 경우에는, 코팅층의 표면의 미세 요철이 초고열에서 무너지는 문제가 있어, 수회의 사용만으로 지금 형성 억제 효과가 사라지는 문제점이 있다.

한편, 상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 카올린 분말의 혼합물일 수 있고, 산화 알루미늄 분말의 중량을 기준으로, 혼합 비율이 1: 0.3~0.5 : 0.4~0.6인 것일 수 있다.

더욱 상세하게는, 상기 세라믹 분말은 상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄 분말이고, 상기 세라믹 분말은 코팅 조성물 전체를 기준으로 5-10 중량%로 포함되는 것일 수 있다.

3 내지 15 마이크로미터의 평균입경을 갖는 인상 흑연 분말과 함께, 산화 알루미늄 분말을 사용하는 경우에는, 상기 함량 범위로 포함하는 경우에는, 래들과 같은 제련, 제강 설비의 표면에서 지금이 형성되는 것을 효과적으로 방지하면서도, 반복적인 사용에도 장기간 코팅 효과가 유지되는 효과가 있다.

산화 알루미늄 분말을 포함하지 않는 경우에는, 코팅층 표면의 미세 요철이 고열이 가해지는 수회의 공정만으로도 손상되는 문제점이 있는 바, 지금 억제 효과의 유지시간이 떨어지므로, 코팅 효과가 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

평균입경이 5~10 마이크로미터인 인상 흑연 30 중량%, 액상 실리카(Borosilicate Silica Sol) 40 중량%, 세라믹 섬유 15 중량%, 산화 알루미늄 5 중량% 및 물 10 중량%로 포함하도록 코팅 조성물을 제조하였다.

<실시예 2>

산화 알루미늄 5 중량% 대신 산화 알루미늄 2.63 중량%, 산화 마그네슘 1.05 중량%, 카올린 분말 1.32 중량%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 1>

인상 흑연의 평균입경이 1-3 마이크로미터인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 2>

인상 흑연의 평균입경이 18-23 마이크로미터인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 3>

인상 흑연을 10 중량%, 물을 30 중량%로 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 4>

인상 흑연을 35 중량%, 물을 5 중량%로 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 5>

산화 알루미늄 대신 지르코늄 분말을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 6>

인상 흑연을 20 중량%, 산화 알루미늄을 15 중량%로 포함한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 7>

산화 알루미늄 5 중량% 대신 산화 알루미늄 1 중량% 산화 마그네슘 2 중량%, 카올린 분말 2 중량%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

<비교예 8>

산화 알루미늄 5 중량% 대신 산화 알루미늄 4 중량% 산화 마그네슘 0.5 중량%, 카올린 분말 0.5 중량%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코팅 조성물을 제조하였다.

실험예 1 - 지금 형성 억제 효과 확인 실험

실시예 및 비교예에 따른 코팅 조성물로 코팅된 내화벽돌의 측면에 쇳물을 수차례 흘려보내고, 내화벽돌의 표면에 지금이 최초로 관찰되는 시점의 쇳물을 흘려보낸 회차를 기록하였다. 지금 형성이 관찰되지 않은 경우는 '-'로 표기하였다.

실시예		비교예
1	2	1	2	3	4	5	6	7	8
-	-	5	48	26	x	24	21	25	18

x: 코팅조성물이 제조되지 않음.

실험예 2 - 코팅층 내구성 확인 실험

실시예 및 비교예에 따른 코팅 조성물로 코팅된 내화벽돌의 표면에 토치를 이용하여 약 1분간 가열하고, 코팅층 및 내화벽돌이 손상되었는지 여부를 확인하였다.

실시예		비교예
1	2	1	2	3	4	5	6	7	8
X	X	X	X	◎	-	O	X	X	X

(◎: 파손됨, O: 균열 발생됨, X: 외관상 변화없음)

실시예들의 경우, 쇳물을 수차례 반복하여 흘려보낸 경우에도 지금이 발생하지 않음을 확인하였다. 반면에 비교예 1의 경우, 인상 흑연의 분산성이 떨어짐에 따라, 내화벽돌의 일부 부위에서 지금이 형성된 것을 확인할 수 있었고, 비교예 2의 경우, 비교예 중 가장 우수한 지금 억제 효과가 장기간 유지되기는 하나, 약 50회 가량 반복 사용 후에는 지금이 형성되어, 지금 형성 억제 효과가 떨어짐을 확인할 수 있었다.

비교예 4의 경우, 물 함량이 매우 낮아 코팅 조성물로 형성할 수 없었고, 거의 페이스트 상(Paste)에 가까워 설비 표면에 제대로 코팅하는 것이 어려웠으며, 피착재의 표면에 고루 도포하는 것이 불가하여, 시간이 흐름에 따라 피착재로부터 떨어지는 문제점이 발생되었다.

그 외, 다른 비교예들의 경우도 마찬가지로, 지금 형성효과가 약간 발휘되거나, 다 회 사용한 경우에도 유지되는 효과를 가졌지만, 실시예의 경우만큼 코팅 효과가 지속되는 경우는 없었다.

표 2를 참조하면, 인상 흑연, 세라믹 섬유, 세라믹 분말 등의 고형 성분 대비 물의 함량이 과량으로 첨가된 경우, 고열에 의해 파손되었으며, 더욱이 내열벽돌에도 균열이 발생되었다.

한편, 비교예 5의 경우, 산화 알루미늄 대신 산화 지르코늄을 사용하는 경우, 약간의 균열이 발생되었다.

Claims

액상 실리카; 세라믹 섬유; 물; 인상 흑연 분말; 및 세라믹 분말; 을 포함하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.
제1항에 있어서,
상기 고내열성 세라믹 코팅 조성물은 1000 내지 2000℃의 온도범위에서 사용되는 것이고,
상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄(Al₂O₃) 분말, 산화 마그네슘(MgO) 분말 및 카올린(Kaolin, Al₂Si₂O₅(OH)₄) 분말로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.
제1항에 있어서,
상기 액상 실리카는 40-50 중량%,
세라믹 섬유 15-25 중량%,
물 8-25 중량%,
인상 흑연 분말 25-35 중량%, 및
세라믹 분말 5-35 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.
제1항에 있어서,
상기 인상 흑연 분말은 3-15 마이크로미터의 평균입경을 갖는 것을 특징으로 하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.
제4항에 있어서,
상기 인상 흑연 분말은 5-10 마이크로미터의 평균입경을 갖는 것을 특징으로 하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.
제4항에 있어서,
상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 카올린 분말의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.
제4항에 있어서,
상기 세라믹 분말은 산화 알루미늄 분말이고,
상기 세라믹 분말은 코팅 조성물 전체를 기준으로 5-10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.
제6항에 있어서,
상기 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 카올린 분말의 혼합물은 산화 알루미늄의 중량 기준으로 혼합 비율이 1: 0.3~0.5 : 0.4~0.6인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 고내열성 세라믹 코팅 조성물.