KR810001940B1 - 가열로의다층단열재 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다충단열재(多層斷熱材)

제1도, 제3도, 제5도, 제7도는 각기 본원 발명의 다충성형 단열재의 중공원통상 성형물을 예시하는 1부 절결사시도.

제2도, 제4도, 제6도 및 제8도는 각기 기본 발명의 다충성형 단열재의 평판상 성형물을 예시하는 1부 절결사시도.

본 발명은 금속의 담금질, 템퍼링, 납땜등의 금속열처리나 분말합금의 소결(燒結), 금속의 증착 또는 전융(電融)알루미나의 정제, 석영(石英)의 용해등의 목적으로, 진공, 불활성가스, 환원성가스등의 비산화성분위기를 사용하는 가열로에서 사용하기에 적합한 단열재에 관한 것이다.

고온 가열로에서의 노심온도(爐心溫度)의 유지를 위하여 노내벽에 단열재를 장착하는 일이 행하여지고 있다. 이를 위한 단열재로서는 종래 흑연분말이나 알루미나계(系)의 연와(煙瓦)등이 사용되어 왔지만, 이들은 균일한 단열성을 얻기가 곤란하며, 특히 외기로부터의 차단구조를 요구하는 비산성분위기어서의 가열로에 사용할 경우, 그 장착이 매우 번잡하다고 하는 결점이 있었다. 이때문에 근년, 탄소섬유를 비롯하여 세라믹섬유, 광재(鑛滓)섬유, 로크우울(rock wool)등 내열성에 뛰어난 무기질섬유를 부피가 많은 휄트(felt)에 성형한 것이 널리 사용되도록 되었다.

무기섬유휠트는 가요성(可撓性)이 있고, 두께도 거의 균일한 것으로서 제공되기 때문에 노내에 장착하는 것이 용이하며 확실한 단열효과를 얻기가 용이하고, 부피가 많으면서 열용량이 작고 승온(昇溫)이나 냉각시간도 단축되는 등의 유용성이 널리 인정되고 있다. 그러나, 아직 해결해야 할 몇가지의 실용상의 문제점을 내포하고 있다는 것이 알려져 있다.

즉, 진공내에 균열영역(均熱領域)을 가급적으로 크게 잡아서 피처리물의 처리능력을 높이려고 하는 당업자에 있어서, 첫째로 휄트에 자립성을 부여하는 일, 둘째의 휄트의 솜털(fluff)를 없애는 일, 세째로 휄트의 표면에 기밀성을 갖게 하는 일의 세가지 점이 휄트상 단열제에 요망되는 개량점의 대표적인 것이 었다.

휄트에 자립성이 없는 것은 이것을 노내에 장착하기 위한 지지체를 많이 노내에 배치하지 않으면 안되며, 노내의 처리공간을 크게 잡을 수 없다는 것과, 지지체에 고정함으로써 발생하는 휄트의 두께나 밀도의 변동이 처리공간내의 실질적인 균열영역을 작게만들어 버린다고 하는 당업자의 불만의 원인이며, 솜털의 발생은 이 비산(飛散)이 피처리물에의 콘타미네이션(contamination)의 원인으로 되기 때문에 방지하지 않으면 안된다고 하는 점이다.

또, 표면기밀성(氣密性)은 단열재의 사용수명에 관계된다. 즉, 특히 진공용해로나 진공증착로를 사용할 경우, 피용해물이 갑자기 비등하고, 도가니주위에 비산하여, 단열재에 부착하거나, 기화한 금속이 단열재에 침착(沈着)하거나 하는 일이 있다. 그러나, 그 부착장소는 휄트의 표면에만 그치는 것이 아니라, 섬유간공극(空隙)을 통하여 휄트의 내층부에까지 침입하고, 피처리물이 부착된 부분은 기계적 강도가 현저하게 저하되어서 약간의 충격이나 마찰에 의하여 용이하게 탈락해 버리게 된다. 이것은 단열재로서의 실용면에서 말한다면, 그 사용수명이 매우 짧아진다는 것과, 안정된 단열특성이 흐터지고, 온도의 불균일을 발생시킨다고 하는 바람직하지 못한 결과를 가져오는 원인으로 된다.

이와같은 무기질섬유휄트의 결점을 제거하기 위하여, 본원 발명의 발명자의 한사람은 이미 탄소섬유휄트에 탄화하는 열경화성수지를 함침(含浸)하고, 성형경화후 이 수지를 탄화함으로써 얻어지는 탄소질결착제(結着劑)로 고체상태로 성형된 성형단열재의 제조법을 발명하고, 탄소섬유휄트의 솜털비산방지와 휄트에 자립성을 부여한 단열재를 얻고 있다(일본국 특공소 50-35930호).

그러나, 본원 발명자들의 연구에 의하면, 상술한 함침탄소 섬유휄트에는 아직 몇가지의 문제점이 내포되어 있다는 것이 발견되었다.

즉, 상기한 바와같이 얻어진 성형단열재는 아직 0.11~0.13g/cc정도의 부피밀도를 가지는데 불과하고, 자립성을 갖고 있다고는 하지만 솜털이 서는것의 방지 및 표면기밀성의 향상은 불충분하다. 이때문에, 노내의 피처리물의 삽입 또는 그것을 취출할 때의 접촉찰상 또는 진공로의 조업시에 행하여지는 노내가스의 치환, 배기 및 냉각가스의 도입등, 통상 비산화가스의 유출이나 유입에 의해서, 이 성형단열재의 표면이 이들의 고속기류의 부식에 의해서 벗겨지고 비산되는 것을 충분히 방지할 수 있는 것은 없었다. 또 표면 기밀성이 부족하기 때문에 피가열물의 비산, 부착, 내부침투에 의한 단열재의 열화는 거의 피할 수가 없었다. 이러한 결점은 탄소질결합제의 양을 많게 하고, 휄트의 표면의 기밀성을 증대함으로써 다소 개선하는 것이 가능하다. 그러나, 열경화성 수지의 탄화물인 탄소질결착제는 그 자체는 강도가 낮고 취약하여 분화(粉化)하기 쉬운 것이며, 솜털의 비산을 방지할 수가 있어도, 바인더 자체의 가루의 비산이 많아지는 염려가 있다.

또, 이 결착제의 양을 증가시키려면, 그 전구체인 수지를 매우 다량으로 합침시킬 필요가 있지만, 이 경우도 성형후의 탄소화시에 있어서 그 수지의 탄화율에 해당하는 체적수축(體積收縮)을 발생하고, 성형 단열재 전체의 성상을 비뚜러지게 하는등의 결점이 있었다.

즉, 본원 발명자들의 고찰에 의하면 단열특성과 상기한 자립성, 솜털서기방지성(fluff 立防止性) 및 표면기밀성의 세가지의 요구를 일체(一體)의 단열재에 의해 충족시킬 수는 없다.

이와같은 지견(知見)에 의거하여 더욱 연구를 거듭한 결과, 본원 발명자들은 흑연시이트가 뛰어난 표면 기밀성을 갖는 동시에, 상기한 탄소질결합제 내지는 그 기초로 되는 탄화성수지에 대한 합침성도 가지며, 따라서, 이와같은 탄소질결합제에 의해 탄소섬유휄트와 양호하게 접착되는 것; 이리하여 얻어진 다층단열재는 상기한 단열재의 요구특성을 충분히 만족하는 것; 나아가서는 흑연시이트를 표면에 접합함으로써 복사열이 차단되어 단열효율이 약 20% 상승(즉, 가열에너지의 약 20%의 감소)하는 것도 발견되었다.

따라서 본원 발명의 하나의 주요한 목적은, 단열성, 솜털서기방지성, 자립성, 표면기밀성 겸비한 비산화성 가스분위기를 사용하는 가열로용 단열재를 제공하는데 있다.

본원 발명의 비산화성 분위기를 사용하는 가열로에서의 사용에 적합한 다층단열재는 통기성을 가진 탄소섬유휄트 시이트의 적어도 일면에 기밀성을 갖는 흑연시이트를 탄소질결합제에 의하여 접합해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또 본원 발명의 비산화성 분위기를 사용하는 가열로에서의 사용에 적합한 다층단열제는, 다음의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

1) 통이성 탄소섬유휄트 시이트의 적어도 1면에 기밀성을 가진 흑연시이트를 탄화성 수지를 통해서 접합하는 공정, 및

2)얻어진 접합구조체의 상기 탄화성수지를 탄화시키는 공정.

본원 발명의 상기 목적 및 기타의 목적은 그 바람직한 양태(樣態)를 나타낸 첨부도면에 의거하여 아래에서 상술하는 바에 의하여 더욱 명료해질 것이다.

본원 발명의 단열재는 일정한 표면과 두께를 가지고 있는 것을 제외하고, 임의의 전체형상을 취할수가 있다. 예를들어 제1도 및 제2도는 각기 중공원통상 및 평판상(平板狀) 단열재의 표준적 구성의 예를 나타낸 것이며, 이들 예에서는 탄소섬유휄트 시이트(2)의 양면에 흑연시이트를 탄소질결합제(흑연시이트(1) 및 휄트시이트(2)에 함침되고, 특정층으로서 존재하지 않기 때문에 도시하지 않음)를 통해서 접합되어 있다.

탄소섬유휄트 시이트(2)로서는, 상기 특공소 50－35930호에 기재한 것이 바람직하게 사용된다. 즉, 부피밀도가 0.06g/cm³에서 0.10g/cm₃의 범위에 있어서, 이것을 압축하여 2배의 부피밀도로 하는데 요하는 압축력이 100g/cm²~200g/cm²인 탄소섬유휄트가 적절하게 사용된다. 시이트 두께는 기본적으로는 제한되지 않지만, 5~25mm정도의 것이 적합하다. 필요에 따라서 이것을 적층(積層)하여 일반적으로 사용조건하에서 단열제 외벽온도가 300℃를 넘지 않도록 단열설계한다. 이들 기재시이트에는 흑연시이트(1)와의 접합에 앞서서 후술하는 탄화성수지를 함침시키고, 또는 이것을 탄화하여 특공소 50－35930호의 합침(合浸)탄소섬유 사이트로 하여 두어도 된다.

흑연시이트(1)로서는, 0.6~1.6g/cc의 밀도를 가지며 흑연입자의 결합으로 이루어지는 신축성있는 시이트가 임의로 사용된다. 이와같은 흑연시이트는 예를들어 황산처리하여 팽창시킨 흑연분말을 압연압출함으로써 얻어진다.

상기한 바와같이 흑연시이트는 시이트형성에 있어서 결합제를 사용하지 않는 것이 바람직하다. 그것은 이와같은 결합제를 전혀 또는 거의 포함하지 않는 흑연시이트는 흑연입자의 입자간극에 약간이기는 하지만 탄화성수지액이 침투할 여유가 있으며, 이것이 탄소섬유휄트와의 접착을 가능하게 하는 물리적인 이유라고 생각되기 때문이다.

바람직한 흑연시이트 재료로서는 시판되고 있는 것을 그대로 사용할 수도 있으며, 그 예로서는 그라포일(미국 유니언 카아바이드사제)이나 지그리플렉스(서독 Sigri Elektrographit GMBH제)등의 상품명으로 시판되기 시작한 흑연시이트등을 들수가 있다.

흑연시이트의 두께는 1mm이하의 것이 좋으며, 특히 바람직한 것은 0.5mm에서 0.2mm의 두께의 시이트가 좋다 . 너무 두꺼우면 가요성이 상실되고, 탄화성수지의 흑연시이트에의 함침량이 적은 것과 더불어 접착강도가 부족된다.

또 흑연시이트는 이것과 조합(組合)하여 사응하는 탄소섬유휄트에 비해 6배내지 10배의 밀도를 가지는 것이므로, 이것을 다량으로 사용하는 것은 단열재의 전열용량(全熱容量) 및 전열계수를 대폭적으로 증가하게 되고 노의 냉각, 승온에 요하는 시간이 길어지므로 바람직하지 못하다.

다음에, 상기한 탄소섬유시이트 및/또는 흑연시이트를 접합할 면에 탄화성수지를 도포하여 양자를 접합한다. 탄화성수지로서는, 불활성분위기중에서 1000℃까지 소성탄화했을 경우, 탄화율이 30중량%이상을 나타내는 수지이면 임의의 수지를 사용할 수가 있으며, 예를들어 페놀수지, 에폭시수지, 프란수지드의 열경화성수지가 적절히 사용된다. 이들 수지를 필요에 따라서, 예를 들어 수지 1에 대하여 용제 0.8~3, 바람직하게는 1.5~3의 중량비율로 용제 희석하여 사용한다. 특히 레조르형 페놀수지를 메탄올, 에탄올등의 저급알콜에 희석시켜서 사용하는 것이, 도포, 함침이 용이하고, 또 경제적으로도 유리하다. 이들 알코올을 물로 희석하여 희석액으로서 사용할 수도 있다. 이때 희석액중의 알코올분이 40중량%이상 포함되는 액이라면 도포, 함침시에 아무런 지장도 일으키지 않는다. 탄소섬유 휄트시이트 및/또는 흑연시이트에 탄화성수지액을 함침하는데는 접착면에 대하여 탄화성수지가 희석제를 제외한 수지분으로서 400g/m²~800g/m²의 비율로 되도록 도포하는 것이 완전한 접착을 얻는데 있어서 바람직하다. 또 이 접합용의 탄화성수지는, 미리 탄소섬유 휄트시이트에 탄화성수지 또는 그 탄화물로서의 탄소질 결합체가 함침되어 있을때에는 최종적으로 얻어지는 휄트층의 부피밀도가 0.103g/cm³~0.2g/cm³의 범위가 되도록 하는 양으로 억제해야 한다.

이어서 이렇게해서 임시로 접합된 접합체중의 수지를 경화시켜 완전한 접합을 얻는다. 이 경화온도(염가소성수지에서는 용제의 휘발온도)는 수지의 종류에 따라서 상이한 것이며, 에를들어 레조르형 페놀수지의 경우, 150~220℃정도이다. 이 수지의 경화에 있어서, 접합체의 접합면에 50g/cm²내지 300g/cm², 바람직하게는 100g/cm²~200g/cm²의 압축력은 걸어두면, 양호한 흑연시이트와 탄소섬유 휄트시이트의 접착이 얻어진다. 이 압력은 이와같은 양호한 접착을 부여하는 동시에, 예를들어 0.09g/cc의 탄소섬유 휄트시이트에서 부피밀도가 0.13~0.20g/ee의 휄트층을 얻는데 필요한 압력에 대충 해당하는 것이다.

이리하여 얻어진 접합체를 불활성 분위기중에서 접합용 탄화성수지의 탄화온도이상, 예를들어 800℃이상으로 가열하여 수지를 탄화하고, 나아가서는 필요에 따라서 흑연화함으로써 본원 발명의 적층성형 단열제가 얻어진다.

본원 발명의 단열제에 있어서, 흑연시이트와 탄소섬유 휄트시이트는 충분한 접착강도를 갖는 상태로 접착되어 있지 않으면 본래의 목적인 부착물의 휄트내층에의 침입을 방지할 수 없으며, 또 휄트의 전표면을 기밀(氣密)로 하고 싶을 경우에도 박리를 일으키는 접착에서는 사용할 수가 없다. 본원 발명자들은 탄소섬유휄트의 표면에 흑연시이트를 탄소질 접착제로 접착하지 않으면 충분한 열간 접착강도가 얻어질 수 없다고 생각하고, 흑연시이트와 탄소섬유 휄트의 접착방법으로서 기밀성이 있는 흑연시이트에 도탄화하는 수지의 용제희석액이 함침되는 것을 발견하여 본원 발명을 완성한 것이다.

그리고, 상기 방법으로 흑연시이트끼리를 접착시킬 수도 있지만, 그 접착면은 거의 접차강도를 가지고 있지 않다. 즉, 탄소섬유휄트와 흑연시이트와의 접착면의 접착강도가 실제의 진공로에 있어서 1400℃까지의 승온과 냉각을 10회이상 반복해도 접착면에서의 층간박리가 전혀 발생하지 않는 충분한 강도를 가지고 있는데 비하여 흑연시이트끼리의 접착면은 겨우 1회의 승온냉각으로 그 접착면의 대부분이 박리해 버리는 정도의 것이다.

이것은 흑연시이트에 함침되는 탄화하는 수지량이 매우 적다는 것에 의한 것이다.

상기에 있어서, 본원 발명의 단열재의 구조 및 제조법을 제1도내지 제2도에 나탄낸 실시예와 관련해서 설명하였지만, 본원 발명의 단열재는 이것이외에도 여러가지의 구조를 가진것을 얻을수가 있다. 예를들어 본원 발명에서 말하는 단열재에는 탄소섬유휄트를 기재로 하고, 그 표면전체 또는 필요하다고 생각되는 특정부분에만 흑연시이트를 접착시킨 것외에 횡형로의 천정에 사용하거나 하중을 지지하지 않으면 안될 부분에 사용하기 위해 보강판으로서 탄소섬유휄트의 층간(層間)에 협지한 샌드위치 구조의 것도 포함된다.

제1도, 제2도 이외의 본원 발명의 실시예의 몇가지를 제3도 이하에 의거하여 설명한다.

제3도 및 제4도는 원통상 및 평판상의 단열재로 흑연시이트(1)를 보강재로서 원통육후(圓筒肉厚)의 중심부 및 평판육후의 중심부에 사용한 예이다. 이 경우 탄소섬유휄트(2)는 2층, 흑연시이트(1)는 3층의 다층구조를 이루고 있다.

제5도 및 제6도는 원통상 및 평판상의 성형단열재에서 필요하다고 생각되는 1면(즉, 노내면을 구성하는면)만을 흑연시이트(1)로 기밀성을 갖게한 본원 발명으로 이루어진 성형단열재의 가장 간단한 구성의 예이고, 흑연시이트(1)와 탄소섬유휄트(2)의 2층으로 이루어지는 구조의 것이다.

제7도, 제8도는 원통상 및 평판상 성형단열재의 전표면을 기밀성으로 하고자 흑연시이트(1)를 탄소섬유휄트(2)의 전단면에 접착시킨 예이다.

또 본원 발명의 단열재가 취할 수 있는 구조의 예를 제1도 내지 제8도에 표시하였지만, 도시되어 있지 않은 구조, 형상의 것이라도 본원 발명에서 말하는 흑연시이트와 탄소섬유휄트가 탄소질접착제로 접착된 적어도 흑연시이트층이 1층이상, 탄소섬유휄트층이 1층 이상의 다층구조의 단열재에 관해서는 모든 구조 및 형성의 것이 포함된다는 것은 본원 발명의 내용에서 보아 명백하다. 또 도시예에 있어서는, 탄소섬유휄트층(2)은 1층처럼 표현되어 있지만, 이것은 상술한 단위 탄소섬유휄트 시이트의 적층체라도 좋다. 상술한 탄화성수지가 이들 휄트시이트 끼리의 접착에 유효하게 작용하는 것은 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 또, 본원 발명의 단열재의 단면에도 흑연시이트를 접합하여 단열재의 전표면을 기밀의 구조로 하는 것은 물론 가능하다.

이렇게해서 얻어진 본원 발명의 단열재는 그 흑연시이트로 피복한 면이 노내면, 즉, 피가열물과 대향하는 면이 되도록 가열로에 장착해서 사용한다. 예를들어 제1도등에 나타낸 중공원통상 단열재는, 중공원통상 가열로의 내측에 그대로 삽입하고, 필요에 따라서 평판상 단열부재로 이루어지는 윗덮개 또는 저부단열재와 조합시킬 수도 있다.

제2도등의 평판상 단열재는 이와 같은 윗덮개등의 사용범위에, 조합에 의해 각주형(角柱型)이나 상자형의 가열로의 내면을 구성하도록 배치한다. 이때에 단열재에는 필요에 따라서 노내가스의 유출입구, 시료의 삽입구, 가열원의 장입구등을 설치한다.

본원 발명의 단열재는 가열하에 연소될 염려가 없는 진공, 불활성가스, 약(弱)환원성가스등의 비산화성 분위기에서 사용할 수가 있지만, 특히 진공로에 있어서 사용하는 것이 유리하다.

그 이유는 불활성가스를 사용하는 방법에 있어서는 매우 고순도로 정제된 불활성가스를 사용하지 않으면 피처리물의 품질을 높일수가 없으며, 한번 사용한 불활성가스를 재생사용하는 것이 기술적으로 곤란하다고 하는 불리점이 있기 때문이다.

이것에 반하여, 감압하의 처리는 매우 높은 분위기순도에 해당하고, 가스의 대류에 의한 노내온도의 흐터짐도 적고, 소비전력도 적다고 하는 이점이 있다. 또 진공기술의 급격한 진보에 의해서 비교적 용이하게 소망의 진공도를 얻을 수 있기 때문에, 제품원가면에 있어서도 진공로의 사용이 불활성가스를 사용하는 것보다 유리하기 때문이다.

다음에, 본원 발명의 단열재의 제조 및 시험예를 기술한다.

예

평균직경 12.5μ의 탄소섬유를 니이들펀치하여 부피밀도 0.09g/cm³표지 1000g/m²(겉보기두께 12mm)의 휄트를 만들고, 레조르형 페놀수지를 에탄올에 동중량을 용해한 함침액을 300g－수지/kg－휄트의 비율로 함침하고, 제1도와 같은 원통형에 5매 적층 구성했다. 한편, 두께 0.5mm의 신축성의 흑연시이트에 상기 레조르형 페놀수지용액을 접착면에 대하여 600g－수지/m²의 비율로 도포하고, 그 흑연시이트를 제1도와 같이 원통형 휄트의 내측면에 접착시켜 150g/cm²의 압력으로 가열경화시켜, 두께 30mm의 원통상 성형체를 얻고, 또 2000℃로 가열하여 탄화하고, 휄트부분의 부피밀도가 0.15g/cm³인 원통상 성형단열재를 만들었다. 이 원통상 성형단열재를 석용용해용 진공로에 사용했을 경우, 1400℃까지의 승온, 내각의 열사이클을 30회 반복해도 전혀 이상이 발견되지 않았으며, 진공로용 단열재로서 엄격한 조건에 사용할 수 있었다.

또 상기에 있어서, 레조르형 페놀수지와 에탄올과의 동량용액대신 에탄올 100에 대하여 레조르형 페놀수지 35의 비율의 중량비의 혼합액을 사용한 경우에도 같은 결과가 얻어졌다.

비교를 위해 상기 원통상 성형단열재에 있어서, 흑연시이트를 접착하지 않은 원통상 성형단열재의 경우는 1400℃까지의 승온, 냉각의 3사이클로노의 외벽온도에 이상이 생기고, 5사이클로 노내온도를 1400℃로 유지하여 외벽온도를 300℃이하로 유지하는 조입조건이 만족되지 않는 이상한 단열특성으로 되었다.

또 두께 30mm의 탄소섬유휄트의 원통상 성형단열재의 내측면에 흑연시이트를 접착함이 없이 단순히 감기만한 것은 1회의 승온으로 흑연시이트는 변형하고, 2회의 승온시에는 더욱 변형이 커져서, 도가니내에 미용해원료를 충전할 수가 없었고, 흑연시이트를 제거하지 않으면 안되었다.

이상과 같이 본원 발명의 탄소섬유휄트－흑연시이트의 다층성형 단열재는 매우 뛰어난 것이다.

Claims (1)

1. 도면에 표시하고 본문에 상술한 바와같이, 통기성을 가진 탄소섬유휄트(2)의 적어도 일면에 기밀성을 지닌 흑연시이트(1)를 탄소질 결합제로 접합하여 이루어지는 비산화성 분위기를 사용하는 가열로에서의 사용에 적합한 다층단열재.

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