KR20230087588A - 초저 열 질량 내화 물품 - Google Patents

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주니오르 세르지우 다비드 페르난데스
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유니프랙스 아이 엘엘씨
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Abstract

초저 열 질량 내화 물품은 콜로이드성 무기 산화물로 함침된 섬유를 포함한다. 내화 물품은 다음 특성들 중 적어도 하나를 갖는다: (i) 500 kg/m3 내지 1500 kg/m3 의 밀도; (ii) 700℃ 에서의 1.0 Wm/K 이하의 열전도율; 및/또는 (iii) 1400℃ 에서의 2.5% 미만의 선형 열수축율.

Description

초저 열 질량 내화 물품
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 "ULTRA-LOW THERMAL MASS REFRACTORY ARTICLE" 라는 제목으로 2020년 10월 20일에 출원된 미국 가특허 출원 제 63/094,064 호의 이익을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
기술분야
본 개시는 절연 재료, 이를 포함하는 시스템, 및 이를 제조 및 사용하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 초저 열 질량(ultra-low thermal mass, ULTM) 내화 물품, 예컨대 지지체, 플레이트, 벽돌 또는 블록에 관한 것이다.
터널 가마 또는 노는 위생용품 피스(예를 들어, 세면기, 화장실 등), 석기 및 다른 세라믹을 소성하는 데 사용될 수 있다. 내화 플라크 또는 내화 벽돌은 소성 동안 세라믹 공작물을 지지하고 가마 또는 노를 라이닝하기 위해 사용되어 왔다. 그러나, 감소된 열 질량 뿐만 아니라 개선된 내구성을 갖는 내화 물품에 대한 필요성이 남아 있다.
본 발명의 ULTM 내화 물품은 밀도, 열 전도율, 및 선형 열 수축율 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 ULTM 내화 물품은 밀도, 열 전도율, 및 선형 열 수축율 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다.
특히, 하나 이상의 실시형태에 따르면, 본 발명의 ULTM 내화 물품은 적어도 500kg/m3, 적어도 600kg/m3, 적어도 700kg/m3, 적어도 800kg/m3, 적어도 900kg/m3, 적어도 950kg/m3, 최대 1500kg/m3, 최대 1400kg/m3, 최대 1300kg/m3, 최대 1200kg/m3, 최대 1100kg/m3, 최대 1000kg/m3, 최대 900kg/m3, 최대 850kg/m3 의 밀도, 또는 전술한 상한과 하한을 논리적으로 조합한 값, 예컨대 500kg/m3 내지 1500kg/m3, 600kg/m3 내지 1200kg/m3 또는 800kg/m3 내지 1000kg/m3 의 밀도를 갖는다. 대조적으로, 전통적인 내화 물품은 약 3,000 kg/m3 의 밀도를 갖는다. 낮은 밀도로 인해, ULTM 내화 물품은 전통적인 내화 물품보다 절반 미만의 중량을 가질 수 있다.
또한, 하나 이상의 실시형태에 따르면, ULTM 내화 물품은 700℃ 에서 최대 1 Wm/K, 최대 0.8 Wm/K, 최대 0.6 Wm/K, 최대 0.5 Wm/K, 최대 0.3 Wm/K, 최대 0.2 Wm/K, 또는 약 0.2 Wm/K 의 열 전도율(k-값)을 갖는다. 다른 한편으로, 전통적인 내화 물품은 700℃ 에서 약 18의 k-값을 갖는다. k-값이 낮을수록, 절연을 위한 재료가 더 좋아진다.
또한, 하나 이상의 실시형태에 따르면, ULTM 내화 물품은 1400℃ 에서 최대 2.5%, 최대 2.0%, 최대 1.5%, 최대 1.0%, 또는 1.0% 미만의 선형 열 수축률을 갖는다. 비교적으로, 전통적인 내화 물품은 1400℃ 에서 약 5.0% 의 선형 열 수축율을 갖는다.
위에서 논의된 특성의 관점에서, ULTM 내화 물품은 1000℃, 1200℃, 1300℃, 1500℃, 또는 1650℃ 이하의 온도에서 절연될 수 있다. 또한, ULTM 내화 물품은 위에서 논의된 특성으로 인해 전통적인 내화 물품보다 더 빠르게 가열 및 냉각된다.
일반적으로, ULTM 내화 물품을 제조하는 방법은 절연성 세라믹 (무기) 섬유를 적어도 하나의 콜로이드성 무기 산화물, 예컨대 콜로이드성 실리카, 알루미나 및/또는 지르코니아로 함침시키는 단계, 함침된 섬유를 몰드 내에 배치하는 단계, 함침된 섬유를 원하는 두께, 형상 및 크기로 가압하는 단계, 오븐에서 건조시켜 원하는 특성을 갖는 건조된 보드를 제조하는 단계, 및 원하는 경우, 건조된 섬유를 최종 크기로 절단하는 단계를 포함한다. 대안적인 실시형태에서, ULTM 내화 물품은 콜로이드성 무기 산화물을 인산으로 대체함으로써 제조될 수 있다.
ULTM 내화 물품을 제조하는데 유용한 세라믹 섬유는 공지된 방법을 사용하여 제조될 수 있거나, 또는 이는 상업적으로 획득될 수 있다. 일부 실시형태에서, 섬유는 다결정성 울(PCW)를 포함하고, PCW를 함유하는 적합한 제품은 현재 상표명 SAFFIL 하에 Unifrax I LLC(뉴욕주 나이아가라 폭포 소재)로부터 입수가능하다. 다른 적합한 출발 세라믹 섬유 블랭킷 및 보드는 현재 상표명 DURABLANKET 및 DURABOARD 하에 Unifrax I LLC 로부터 입수가능하다.
하나 이상의 실시형태에서, 세라믹 섬유는 약 43 내지 약 47 중량% 의 알루미나 함량 및 약 53 내지 약 57 중량% 의 실리카 함량을 갖는다 (즉, 알루미노실리케이트 섬유(RCF)). 다른 실시형태에서, 세라믹 섬유는 약 29 내지 약 31 중량% 의 알루미나 함량, 약 53 내지 약 55 중량% 의 실리카 함량, 및 약 15 내지 약 17 중량% 의 지르코니아 함량을 가질 수 있다. 섬유는 약 30 내지 약 192 kg/m3 정도의 밀도, 일부 실시형태에서는 약 64 내지 약 128 kg/m3 정도의 밀도, 및 약 1260℃ 내지 약 1430℃ 의 온도 등급을 갖는 블랭킷의 형태일 수 있다.
다른 실시형태에서, 세라믹 섬유는 약 42 내지 약 50 중량% 의 알루미나 함량 및 약 50 내지 약 58 중량% 의 실리카 함량을 갖는다. 다른 실시형태에서, 세라믹 섬유는 약 28 내지 약 32 중량% 의 알루미나 함량, 약 52 내지 약 56 중량% 의 실리카 함량, 및 약 14 내지 약 18 중량% 의 지르코니아 함량(즉, 알루미노 지르코니아 실리케이트(AZS) 섬유)을 가질 수 있다. 세라믹 섬유는 약 150 내지 약 350 kg/m3 정도의 밀도, 약 3 내지 약 10% 의 LOI(loss on ignition), 및 약 1260℃ 의 온도 등급을 갖는 보드의 형태일 수 있다. 하나 이상의 실시형태들에서, 세라믹 섬유는 마크 ISOFRAX 하에서 Unifrax I LLC 로부터 이용가능한 것들과 같은 알칼리 토류 실리케이트 (AES) 섬유들, 및/또는 마크 FIBERMAX 하에서 Unifrax I LLC 로부터 이용가능한 것들과 같은 고 알루미나 섬유와 같은 고온 세라믹 섬유들을 포함할 수도 있다.
세라믹 섬유를 함침시키는데 사용될 수 있는 콜로이드성 무기 산화물 용액 조성물은 적어도 하나의 콜로이드성 무기 산화물, 예컨대 콜로이드성 실리카, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 세리아 및/또는 이트리아를 함유할 수 있다. 콜로이드성 무기 산화물의 시판되는 제형은 날코 컴퍼니(Nalco Company)(일리노이주 네이퍼빌 소재)로부터 입수가능한 40% 고형물을 포함하는 NALCO 콜로이드성 실리카를 예시로서 그리고 비제한적으로 사용할 수 있다. 그러나, 30% 이하의 고형물 함량, 또는 대안적으로 40% 초과의 고형물 함량과 같은 다른 등급의 콜로이드성 실리카가 또한 사용될 수 있다.
콜로이드성 무기 산화물 용액 조성물은 약 30 내지 100 중량% 의 콜로이드성 무기 산화물, 예컨대 콜로이드성 실리카를 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 콜로이드성 무기 산화물 용액은 약 50 내지 약 90% 의 콜로이드성 무기 산화물, 예컨대 콜로이드성 실리카를 포함할 수 있고, 다른 실시형태에서는 약 80 내지 100% 의 콜로이드성 무기 산화물, 예컨대 콜로이드성 실리카를 포함할 수 있다.
콜로이드성 무기 산화물 용액의 다른 성분은 겔화제 및 겔화제를 가용화시키기에 충분한 양의 물을 포함할 수 있다. 겔화제 성분은, 예를 들어 콜로이드성 실리카, 예컨대 암모늄 아세테이트, 염화칼슘, 염화마그네슘, 산화마그네슘 등 및 산, 예컨대 아세트산, 염산, 인산 등의 경우에, 콜로이드성 무기 산화물의 경화 또는 겔화를 촉진하는 무기 염 또는 산화물을 포함할 수 있다. 겔화제의 유형 및 농도는 콜로이드성 현탁액을 불안정화시키고, ULTM 내화 물품의 가압 동안 무기 산화물 성분의 세트 또는 겔이 제 위치에 있게 하도록 선택된다.
겔 시간은, 겔화 시간이 일반적으로 온도 증가에 따라 감소함에 따라, 부분적으로, 겔화제의 농도에 의해 제어될 수 있다. 무기염 또는 산화물 겔화제의 양은 용액의 약 0.01 내지 약 10 중량% 로 변할 수 있다. 산의 양은 약 0.01 내지 약 10 중량% 로 변할 수 있다. 겔 시간은, 겔화 시간이 온도 증가에 따라 감소함에 따라, 부분적으로, 겔화제의 농도에 의해 제어될 수 있다. 겔화제를 용해시키기에 충분한 물의 양은 용액의 0 내지 약 70% 로 변할 수 있다. 콜로이드성 무기 산화물 용액은 최종 생성물을 색상으로 구별할 수 있도록 하기 위해, 일부 실시형태에서 약 0.01중량% 내지 약 10중량% 의 양으로 착색제를 추가로 포함할 수 있다.
ULTM 내화 물품을 제조하는 공정에서, 미처리된 세라믹 섬유는 포화 지점까지 콜로이드성 실리카 용액으로 함침될 수 있다. 함침된 섬유는 약 5 내지 약 100 톤 범위의 압력에서 가압될 수 있다. 특정 실시형태에서, 약 20 내지 약 40 톤 범위의 압력이 사용될 수 있다. 하나 이상의 실시형태에서, 함침된 섬유는 약 1 내지 약 120분 또는 약 1 내지 약 5분 범위의 시간 동안 전술한 압력 하에 유지될 수 있다. 가압된 섬유는 약 40 내지 약 350℃ 또는 약 80 내지 약 150℃ 범위의 온도로 오븐 내에서 건조될 수 있다.
ULTM 내화 물품이 노 라이닝 및 공작물 지지체로서 유용한 것으로 설명되었지만, ULTM 내화 물품은 임의의 다른 적절한 적용에서 사용될 수 있다. 예를 들어, ULTM 내화 물품은 레이들(ladles), 토페도 카(torpedo cars), 트로프 러너(trough runners), 턴디쉬(tundishes) 및 몰드와 같은 금속 취급 장치를 위한 백업 플레이트로서 사용될 수 있다. 즉, ULTM 내화 물품은 그 전체가 본원에 포함되는 미국 특허 제7,413,797호에 기재된 백업 플레이트를 대체할 수 있다.
본 개시의 범위를 벗어나지 않고 전술한 바와 같이 변형예들이 행해질 수 있음이 이해된다.
하나 이상의 실시예들에서, 다양한 개시된 실시예들의 요소들 및 시사들은 개시된 실시예들 중 전체 또는 부분적으로 일부 또는 모두에서 조합될 수 있다. 또한, 다양한 개시된 실시예들의 요소들 및 시사들 중 하나 이상은 다양한 개시된 실시예들의 다른 요소들 및 시사들 중 하나 이상과 적어도 부분적으로 생략 및/또는 적어도 부분적으로 조합될 수 있다.
예를 들어, "상부", "하부", "위에", "아래에", "그사이", "바닥", "수직", "수평", "각진", "상향", "하향", "좌측에서 우측으로", "좌측", "우측", "우측에서 좌측으로", "상단에서 바닥으로", "바닥에서 상단으로", "상단", "바닥", "상향식", "하향식" 등과 같은 임의의 공간 기준들은 단지 예시를 위한 것이며, 전술된 구조체의 특정 배향 또는 위치를 제한하지 않는다.
하나 이상의 실시예들에서, 상이한 단계들, 프로세스들, 및 절차들이 별개의 작용들로서 나타나는 것으로 설명되지만, 단계들 중 하나 이상, 프로세스들 중 하나 이상, 또는 절차들 중 하나 이상은 또한 상이한 순서들로, 동시에 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 단계들, 프로세스들 또는 절차들은 하나 이상의 단계들, 프로세스들 또는 절차들로 병합될 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 각각의 실시예에서의 작동 단계들 중 하나 이상은 생략될 수 있다. 또한, 일부 경우들에서, 본 개시의 일부 특징들은 다른 특징들의 상응하는 사용 없이 채용될 수 있다.
몇개의 실시예들이 위에서 상세히 개시되었지만, 개시된 실시예들은 제한되지 않으며, 당업자는 많은 다른 수정들, 변경들, 및 대체들이 본 개시의 신규한 시사들 및 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 개시된 실시예들에서 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 모든 이러한 수정들, 변경들, 및 대체들은 다음의 청구항들에 규정된 바와 같이 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 청구항들에서, 임의의 기능식 구절들은 인용된 기능을 수행하는 것으로서 본 명세서에 설명된 구조체들 및 구조적 등가물 뿐만 아니라 등가 구조체들을 커버하도록 의도된다. 또한, 출원인의 명백한 의도는 청구항이 연관된 기능과 함께 단어 "수단" 을 명시적으로 사용하는 것을 제외하고는 본원의 임의의 청구항의 임의의 제한에 대해 35 U.S.C. § 112(f) 를 발동하는 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 무기 섬유를 포함하고 하기 특성들 중 적어도 하나:
    (i) 500kg/m3 내지 1500kg/m3 의 밀도,
    (ii) 700℃ 에서 1.0 Wm/K 이하인 열전도율, 및/또는
    (iii) 1400℃ 에서 2.5% 미만인 선형 열수축율을 갖는, 내화 물품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 무기 섬유는 다결정 울, 알루미노실리케이트 섬유, 알루미노 지르코니아 실리케이트 섬유, 및/또는 알칼리 토류 실리케이트 섬유로부터 선택되는, 내화 물품.
  3. 제 1 항에 있어서, 700℃ 에서 0.5 Wm/K 이하의 열전도율을 포함하는, 내화 물품.
  4. 제 1 항에 있어서, 700℃ 에서 0.2 Wm/K 이하의 열전도율을 포함하는, 내화 물품.
  5. 제 1 항에 있어서, 1400℃ 에서 1.5% 미만의 선형 열수축율을 포함하는, 내화 물품.
  6. 제 1 항에 있어서, 1400℃ 에서 1.0% 미만의 선형 열수축율을 포함하는, 내화 물품.
  7. 제 1 항에 있어서, 800 kg/m3 내지 1000 kg/m3 의 밀도를 포함하는, 내화 물품.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 내화 물품은 하기 특성들:
    (i) 800kg/m3 내지 1000kg/m3 의 밀도,
    (ii) 700℃ 에서 0.2 Wm/K 이하인 열전도율, 및
    (iii) 1400℃ 에서 1.0% 미만인 선형 열수축율을 갖는, 내화 물품.
  9. 내화 물품을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은
    적어도 하나의 콜로이드성 무기 산화물 또는 인산으로 무기 섬유를 함침시키는 단계,
    함침된 섬유를 몰두 내에 배치하는 단계,
    상기 함침된 섬유를 상기 몰드 내에서 가압하는 단계, 및
    가압된 상기 함침된 섬유를 건조시켜 내화 물품을 형성하는 단계를 포함하는, 내화 물품의 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 무기 섬유는 다결정 울, 알루미노실리케이트 섬유, 알루미노 지르코니아 실리케이트 섬유, 및/또는 알칼리 토류 실리케이트 섬유로부터 선택되는, 내화 물품의 형성 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 인산으로 상기 무기 섬유를 함침시키는 단계를 포함하는, 내화 물품의 형성 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 콜로이드성 무기 산화물로 상기 무기 섬유를 함침시키는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 콜로이드성 무기 산화물은 콜로이드성 실리카, 콜로이드성 알루미나, 및/또는 콜로이드성 지르코니아를 포함하는, 내화 물품의 형성 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 내화 물품을 절단하는 단계를 추가로 포함하는, 내화 물품의 형성 방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 콜로이드성 무기 산화물 및 겔화제를 포함하는 콜로이드성 용액으로 상기 무기 섬유를 함침시키는 단계를 포함하는, 내화 물품의 형성 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 콜로이드성 무기 산화물은 콜로이드성 실리카를 포함하고, 상기 겔화제는 암모늄 아세테이트, 칼슘 클로라이드, 마그네슘 클로라이드, 마그네슘 옥사이드, 아세트산, 염산, 인산, 또는 이들의 조합을 포함하는, 내화 물품의 형성 방법.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 내화 물품은 하기 특성들 중 적어도 하나:
    (i) 500 kg/m3 내지 1500 kg/m3 의 밀도,
    (ii) 700℃ 에서 1.0 Wm/K 이하인 열전도율, 및/또는
    (iii) 1400℃ 에서 2.5% 미만인 선형 열수축율을 갖는, 내화 물품의 형성 방법.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 내화 물품은 하기 특성들:
    (i) 500 kg/m3 내지 1500 kg/m3 의 밀도,
    (ii) 700℃ 에서 1.0 Wm/K 이하인 열전도율, 및
    (iii) 1400℃ 에서 2.5% 미만인 선형 열수축율을 갖는, 내화 물품의 형성 방법.
  18. 제 1 항의 내화 물품을 포함하는 노 (furnace) 를 위한 지지 플레이트.
  19. 제 1 항의 내화 물품을 포함하는 노의 라이닝을 위한 단열 벽돌.
  20. 제 1 항의 내화 물품을 포함하는 래들, 토페도 카 (torpedo car), 트로프 러너 (trough runner), 턴디쉬(tundish) 또는 몰드를 위한 백업 플레이트.
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