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KR20010005673A - 단열재료 - Google Patents

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KR20010005673A
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Abstract

본 발명은 왕겨재, 세라믹 클레이 바인더, 쌀겨, 및 박락제(剝落劑)를 포함하는 과립상 단열재료와 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

단열재료 {INSULATION MATERIAL}
제강공장에서 용강이 담겨진 턴디쉬 및 레이들의 단열 커버로서 왕겨재(rice hull ash)가 널리 사용되고 있다. 왕겨재는 값이 싸고 용광로 위에서의 유동 및 도포성이 좋고 사용중에 각질(殼質)을 형성하거나 금속 스컬(scull)을 발생시키지 않으므로 우수한 단열재이다. 왕겨재는 세계 각국에서 다양한 연소공법으로 제조된다. 가장 바람직한 왕겨재는 실질적으로 무정형인 실리카(silica)를 함유하는 것이다.
왕겨재가 가지는 주요 문제점은 왕겨재의 체적밀도(bulk density)가 낮고 입자 크기가 작아서 고온의 금속과 접촉하게 될 때 왕겨재의 일부가 공기중에 날리게 된다는 점이다. 그 결과로 발생된 분진은 작업현장 전체의 장애물이 될 뿐 아니라 안질을 일으키는 원인이 될 수 있다. 실리카/탄소 분진은 또한 가공(架空) 크레인의 개폐기 및 공조용 필터시스템에 전기적 장애를 야기한다.
용강의 단열에 사용되는 왕겨재의 물성을 개선하려는 종래의 시도는 한정된 성공에 그쳤다. 펠렛 형상, 브리켓(briquette) 형상으로 응집된 왕겨재 단열제품, 또는 다양한 바인더와 함께 단순히 응집된 단열제품을 제조하려는 시도도 있었다. 과거에 제안된 바인더에는 벤토나이트 클레이(bentonite clay)와 녹말, 녹말, 시멘트 분말과 녹말의 혼합물, 석회와 당밀(molasses), 쌀가루와 쌀겨(rice bran), 규산소다(sodium silicate), 목재 또는 종이 펄프, 및 리그노설포네이트(lignosulphonate) 등이 포함된다. 그동안 제조된 몇가지 형태의 왕겨재 단열재료의 예를 미국특허 제4,440575호 및 제5,073,281호에서 찾아볼 수 있다.
유감스럽게도 종래기술의 제품에서는 바인더의 사용으로 인한 많은 문제점이 드러났다. 이들 문제점에는 규산소다의 사용에 따라 각질형성(crusting)을 야기하는 저융점화 문제가 포함된다. 상기 단열재는 사용중에 확산(spread)을 일으키는 형태변형이 없어서 단열효과를 저하시킨다. 일부의 바인더는 특히 소망스럽지 않은 과다한 연기나 화염을 일으킨다. 많은 수의 단열제품이 단열공정에 이상적일 수 있는 저밀도 물질이지만 순수 왕겨재에 중량의 증가를 초래하여 운송비의 증가를 가져온다.
본 발명의 발명자들은 종래의 왕겨재 단열재료가 가지는 많은 단점을 해소하는 개선된 단열재료의 필요성을 인식하였다.
본 발명은 레이들(ladle) 및 턴디쉬(tundish) 내의 용융금속을 단열하는 데 적합한 단열재료에 관한 것이다.
본 발명은 제 1 양태에서 왕겨재, 세라믹 클레이 바인더, 겨(bran)(바람직하게는 쌀겨), 및 박락제(剝落劑; exfoliating agent)를 포함하는 과립상(顆粒狀) 단열재료를 제공한다.
본 발명은 또한 왕겨재, 세라믹 클레이 바인더, 겨(바람직하게는 쌀겨), 및 박락제를 포함하는 과립상 단열재료로서, 1000℃ 이상의 온도에 노출되면 껍질이 벗겨져서 팽창된 미립자물질을 형성한다.
상기 단열재료는 포장 및 운송에 편리한 크기와 형상을 가지는 과립상이다. 또한 상기 과립은 사용중에 재료가 팽창되기 전에 공기중에 거의 또는 전혀 분산되지 않도록 형성된다. 상기 과립은 펠렛(pellet) 또는 디스크 형상을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 건조중량 기준으로 70∼75%, 바람직하게는 85∼95%의 왕겨재, 2∼20%, 바람직하게는 5∼15%의 세라믹 클레이 바인더, 1∼10%, 바람직하게는 0.2∼5%의 박락제, 및 1∼10%, 바람직하게는 1∼5%의 물을 포함하는 과립상 단열재료를 제공한다.
본 발명에 적합한 세라믹 클레이 바인더는 다음과 같은 성분의 적절한 범위를 가지는 이른바 "내화성 클레이"로 정의되는 범주에 포함된다:
SiO2＜55%, Al2O3＞20%, K2O＜1%, Na2O＜0.5%.
적합한 세라믹 클레이는 벤토나이트(Bentonite)이다. 본 발명에 적합한 다른 세라믹 클레이는 코머셜 미네랄스 리미티드(Commercial Minerals Limited)사의 제품인 Clay CeramTM이며, 이 세라믹 클레이의 일반적인 포뮬러가 표 1에 제시된다.
Clay CeramTM의 화학적 물리적 특성
성 분 분자식 함 량
실리카마그네시아 알루미나산화 제2철석회 칼륨나트륨2산화티탄 SiO2MgO Al2O3Fe2O3CaO K2O Na2O TiO2 52.6%0.4% 32.2%0.7%0.1% 0.5%0.2%1.0%
연소감량 (1000℃) 12.0%
겨(bran)는 일반적으로 알곡의 외피(外皮)로 정의된다. 쌀겨는 본 발명에 특히 적합한 것으로, 백미(白米)를 만들기 위해 쌀알에서 제거되는 갈색층이다. 쌀겨가 본 발명에 바람직한 것으로 사용되지만 다른 곡류의 겨도 적합하다.
박락제는 1000℃ 이상의 온도하에서 과립상 단열재료를 박락(팽창 또는 붕괴)시켜 미세한 입자성 물질을 형성하는 것이면 어느 것이나 접합하다. 그러한 박락제의 예로는 흑연, 질석(蛭石; vermiculite) 및 진주암(眞珠岩; perlite)이 포함된다. 그러나 바람직한 재료는 박락성(exfoliating) 흑연이다. 질석 또는 진주암이 본 발명에서 사용될 경우 그것들의 박락 활성이 흑연보다 낮으므로 흑연 양의 약 5배의 질석 또는 진주암이 필요하다.
보다 바람직한 형태로서 과립상 단열재료는 건조중량 기준으로 약 85%의 왕겨재, 약 5%의 세라믹 클레이 바인더, 약 5%의 쌀겨, 약 0.35%의 박락성 흑연, 및 약 4%의 물을 포함한다.
본 발명은 제 2의 양태에서
(a) 왕겨재, 세라믹 클레이 바인더, 겨(바람직하게는 쌀겨), 및 박락제를 혼합하는 단계;
(b) 상기 혼합물에 물을 가하여 슬러리를 만드는 단계;
(c) 상기 슬러리 상태의 혼합물을 과립상으로 만드는 단계; 및
(d) 상기 과립상 물질을 건조하는 단계
를 포함하는 과립상 단열재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 바람직한 실시예에서, 상기 단계 (b)의 물이 과립단계 이전에 최종 혼합물의 30∼35중량%의 양으로 가해진다. 상기 단계 (a) 및 단계 (b)는 동일 장치에서 행해지는 것이 바람직하나 공지된 임의의 방식으로 행해질 수 있다. 상기 성분을 혼합하여 슬러리를 형성하는 데 특히 적합한 장치는 저속 리본 블렌더(ribbon blender)이다.
상기 과립단계 (c)는 이 공정에 관하여 공지된 임의의 시스템에서 행해질 수 있으며, 그 예로는 브리켓터(briquetter), 디스크 펠렛터(disk pelleter) 및 압출 펠렛프레스(extrusion pellet press) 등이 포함된다.
상기 과립은 바람직하게는 직경이 약 4mm 내지 12mm인 원통형 펠렛이다. 보다 바람직한 펠렛의 직경은 8mm이고 길이는 4mm 내지 12mm이다. 상기 과립은 포장 및 용융금속의 덮개용으로 적합한 임의의 치수를 가질 수 있다.
상기 건조단계 (d)는 임의의 공지된 건조 시스템에서 행해질 수 있다. 그러나 미립자의 발생율을 줄이기 위해서는 건조공정이 부드럽게 진행되는 것이 바람직하다. 이러한 점에서 100℃ 내지 130℃의 온도가 적합한 것으로 밝혀졌다. 상기 건조의 결과 수분함량이 5중량% 이하인 과립상 단열재료를 얻을 수 있는 것이 바람직하다.
제 3의 양태에서 본 발명은 용강 또는 용융금속의 단열방법으로서, 용강 또는 용융금속에 본 발명의 제 1 양태에 따른 과립상 단열재료를 첨가하여 상기 단열재료가 용강 또는 용융금속으로부터의 1000℃ 이상의 온도에 노출되어 박락(팽창 또는 붕괴)됨으로써 용강 또는 용융금속 상부에 단열층을 형성하도록 하는 단열방법을 제공한다.
본 발명은 또한 본 발명의 제 1 양태에 따른 과립상 단열재료를 용강 또는 용융금속을 단열하는 데 사용하는 용도를 제공한다.
상기 단열재료는 턴디쉬, 레이들, 탕도(湯道; runner), 어뢰형 레이들 및 잉곳 상단부를 포함하는 제강공업에 응용하는 데 유용하다. 주조공업에서 상기 단열재료는 주형 및 탕도에 대한 용도 및 동(銅) 제련과 같은 여러가지 다른 광공업에서의 용도에 적합하다.
본 발명의 보다 명확한 이해를 위해 이하의 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 형태를 설명한다.
펠렛으로 성형하기에 앞서 세라믹 클레이 바인더, 쌀겨, 및 박락제를 왕겨재에 첨가함으로써 열을 받았을 때 박락(팽창 또는 붕괴)되어 종래기술의 단열재료와 같은 결점이 없는 우수한 단열재료를 형성하는 고밀도의 과립 즉 펠렛을 형성한다.
상기 단열재료의 제조시에 각 성분을 적절히 혼합하는 것이 중요하다. 왕겨재가 가지는 높은 마모성 때문에 모든 혼합공정은 기계의 마손(磨損)을 제한하도록 가능한 한 서서히 행하는 것이 바람직하다.
이하에서 설명되는 실시예에서 혼합공정은 두 단계로 행해진다.
단계 1은 저속 리본 블렌더에서, 바람직하게는 중첩 구획되는 초승달형 플라이트(crescent shaped flight)를 가지고 길이가 긴(체류시간이 5분 내지 10분인) 스크류 컨베어에서 완전히 건조혼합하는 단계이다.
상기 스크류 컨베어의 약 2/3이 건조혼합에 활용된다. 컨베어의 마지막 1/3은 습식혼합으로서 균일한 혼합이 가능하도록 정량된 물이 단계중에 첨가된다. 첨가되는 물의 양은 20 내지 50중량%이고 바람직하게는 펠렛형성 이전의 최종 혼합물에 대하여 30 내지 35중량%가 물이다.
단계 2에서 상기 혼합물은 로빈슨 브리켓터(Robinson Briquetter), 디스크 펠렛타이저 또는 바람직한 표준 압출 펠렛프레스(다수의 제조사에서 제조됨)와 같은 원하는 응집공정으로 공급된다. 정확한 물의 양, 온도의 정밀제어, 및 정확한 다이 홀(die hole) 형상을 통해 상기 펠렛프레스는 수증기를 분사하지 않고 성공적으로 작동할 수 있다. 이로써 직경이 약 4mm 내지 12mm, 바람직하게는 8mm이고 길이가 4mm 내지 20mm인 고밀도의 원통형 펠렛이 제조된다.
단계 3에서 상기 펠렛은 임의 갯수의 적절한 건조기에서 100℃ 내지 130℃의 온도에서 건조된다. 이 단계에서 주로 강조되어야 할 사항은 미립자 발생율을 낮추도록 상기 건조공정이 부드럽게 행해져야 한다는 점이다. 건조 후에 펠렛을 체질하여 미립자를 제거함으로써 1mm 체(sieve)를 통과하는 미립자가 5중량% 이하인 제품이 얻어진다. 상기 미립자는 재순환되고, 펠렛은 수요자의 요구에 따라 적합한 포장에 채워진다.
이하의 실시예에서 본 발명을 더욱 설명한다.
실시예 1
왕겨재는 적합한 연소로(본 예에서는 K C Reactor)에서 500 kg/hr의 속도로 연속하여 제조된다. 사용된 세라믹 클레이 바인더는 커머셜 미네랄스 리미티드사 제품인 Clay CeramTM(표 1)로서 보정된 피드스크류(feed screw)를 통해 혼합 스크류컨베어로 정량공급된다. 박락성 흑연은 보정된 진동식 피더를 통해 혼합 스크류 컨베어로 정량공급된다. 상기 혼합 스크류 컨베어의 약 2/3 위치에 보정된 주입 펌프를 통해 물이 첨가된다. 과도한 마모를 방지하기 위해 저속으로 가동되는 초승달형 플라이트 혼합 컨베어의 세심한 설계에 따라 충분한 혼합이 이루어진다.
혼합된 생성물은 표준형 California Pellet Mil(CPM) 압출식 펠렛프레스(다른 많은 압출 장치도 적합할 수 있다)로 공급되어 여기서 상기 생성물의 압축 및 다이를 통한 압출 전에 추가로 혼합된다. 직경이 약 4mm 내지 12mm, 또는 바람직하게 건조효율, 생산효율 및 소비자 선호도 사이의 최선의 절충선으로서 직경이 8mm인 원통형 펠렛이 제조될 수 있다.
포뮬레이션은 1000g의 왕겨재, 50g의 Clay CeramTM, 50g의 쌀겨, 350g의 물, 및 4g의 박락성 흑연이다. 적용범위(coverage), 열보유능력, 및 최종용도에 관련하여 소비자가 요구하는 최종 특성에 따라 Clay CeramTM의 양은 25g 내지 200g 또는 그 이상, 흑연은 1g 내지 10g 또는 그 이상으로 변할 수 있다.
실시예 2
대체로 실시예 1에서 설명된 공정에 따라 행하여지나 본 실시예에서 혼합된 생성물은 로빈슨 브리켓팅 프레스로 공급되어 치수가 약 20mmx15mmx10mm이고 "베게(pillow)" 형상인 바람직한 크기의 브리켓이 제조된다. 용강에 대한 이들 브리켓의 성능은 실시예 1에서의 펠렛의 성능과 구분하기 어렵다.
실시예 3
대체로 실시예 1에서 설명된 공정에 준하며, 본 실시예에서 혼합된 생성물은 수평면에서 약 30도 경사진 디스크가 저속으로 회전하는 표준형 "디스크 펠렛타이저"로 공급된다.
이 공정에서 형성되는 상기 펠렛은 본질적으로 구형이다. 평균직경이 5mm에 이르면 펠렛은 연속적으로 배출되고 새로운 예비혼합된 재(ash)로 대체된다.
이들 펠렛은 앞의 두 실시예와 같은 고밀도를 가지지 못하고 통상 다음과 같은 바람직한 제품 믹스를 필요로 한다:
1000g의 왕겨재
50g의 Clay CeramTM
50g의 쌀겨
300g의 물
1g의 박락성 흑연.
그러나, 핫메탈(hot metal)의 제조에 사용되는 이들 펠렛의 최종 성능은 매우 만족스럽다. 본질적으로 상기 "디스크" 펠렛화 공정은 통상 투자집약성이 덜하고 따라서 소비자까지의 운송과정이 짧고 저비용이 요구되는 경우에 보다 적합하다.
실시예 4
실시예 1 내지 실시예 3에서의 박락성 흑연 대신에 팽창되지 않은 질석(vermiculite)(시트상 규산염의 수화물)을 흑연 1에 대해 질석 5의 비율로 사용할 수 있다.
1500℃ 이상의 고온에서의 성능은 약간 떨어지지만 이 제품은 철주물 및 기타 1500℃ 이하에서 가동되는 광공업용으로는 매우 만족스럽다.
실시예 5
실시예 1 내지 실시예 4의 공정에서 탄소함량이 40질량%인 고농도로부터 1질량% 이하의 저농도까지 임의 형태의 왕겨재가 혼합될 수 있다.
본 실시예에서 바람직한 왕겨재는 탄소함량이 35 내지 40%이며, 얻어지는 턴디쉬 단열재료는 제품의 단열능력에 대해 완성품 펠렛 제품 Kg당 약 6MJ의 에너지를 제공하는 매우 발열성인 재료이다.
최종 용도가 탄소에 민감한 경우에는 탄소함량이 낮은 왕겨재로 대체될 수 있다.
실시예 6
대체로 실시예 1 내지 실시예 5에서의 공정에 준하며, 본 실시예에서 Clay CeramTM이 Clay Plas로 대체된다.
실시예 7
대체로 실시예 1 내지 실시예 5에서의 공정에 준하며, 본 실시예에서 Clay CeramTM이 0.5% 이하로 벤토나이트(나트륨 변형된 것)로 대체된다.
테스트된 여러가지 단열재료의 결과를 표 2에 나타낸다.
다양한 단열재료의 비교 결과 (AS 1774.10에 준하여 Refractories Centre Australia가 테스트함)
샘플 세라믹 바인더 형태 함유율, % 쌀겨, % 용융온도, ℃
1 벤토나이트 (1) 10 0 1540
2 벤토나이트 (1) 7.5 2.5 1555
3 벤토나이트 (1) 5 5 1575
4 벤토나이트 (1) 2.5 7.5 1580
5 벤토나이트 (1) 0 10 1600
6 Clay CeramTM 5 0 1565
7 Clay CeramTM 7.5 0 1555
8 Clay CeramTM 10 0 1550
9 Clay Plas 5 0 1500
10 Clay Plas 7.5 0 1500
11 Clay Plas 10 0 1500
주: 벤토나이트(1)은 나트륨 변형된 것으로 Na＜0.5%임.
사용중에 실질적으로 분진을 형성하지 않는 제품과 함께 보다 높은 용융온도가 소망된다. 본 발명에 따라 제조되는 바람직한 제품은 벤토나이트 및 쌀겨를 함유하는 것이다. 샘플 5는 높은 용융온도를 가지나 사용중에 분진을 형성하는 경향이 있으므로 이상적인 것이 아니다.
구체적인 실시예에서 제시된 바와 같이 광범위하게 기술된 본 발명의 정신이나 범위를 벗어남이 없이 본 발명에 대하여 많은 변경 및/또는 변형이 이루어질 수 있음을 당업자는 알 것이다. 따라서 본 발명의 실시예는 모든 점에서 예시로 간주되어야 할 것이며 본 발명을 한정하는 것이 아니다.

Claims (21)

  1. 왕겨재(rice hull ash), 세라믹 클레이 바인더(ceramic clay binder), 쌀겨, 및 박락제(剝落劑; exfoliating agent)를 포함하는 과립상(顆粒狀) 단열재료.
  2. 왕겨재, 세라믹 클레이 바인더, 쌀겨, 및 박락제를 포함하는 과립상 단열재료로서, 상기 단열재료가 1000℃ 이상의 온도에 노출되면 껍질이 벗겨져서 팽창된 미립자 물질을 형성하는 과립상 단열재료.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 과립은 펠렛(pellet), 디스크, 구(球), 또는 과립의 형상인 과립상 단열재료.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    건조중량 기준으로 70∼95%의 왕겨재, 2∼20%의 세라믹 클레이 바인더, 0.1∼10%의 쌀겨, 0.1∼10%의 박락제, 및 1∼10%의 물을 포함하는 과립상 단열재료.
  5. 제 4항에 있어서,
    건조중량 기준으로 85∼95%의 왕겨재, 5∼15%의 세라믹 클레이 바인더, 2∼5%의 쌀겨, 0.2∼5%의 박락제, 및 1∼5%의 물을 포함하는 과립상 단열재료.
  6. 제 5항에 있어서,
    건조중량 기준으로 약 85%의 왕겨재, 약 5%의 세라믹 클레이 바인더, 약 5%의 쌀겨, 약 0.35%의 박락제, 및 총량으로 약 4%의 물을 포함하는 과립상 단열재료.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 클레이 바인더가 다음과 같은 성분의 함유 범위를 가지는 내화성 클레이인 과립상 단열재료:
    SiO2＜55%, Al2O3＞20%, K2O＜1%, Na2O＜0.5%.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박락제가 흑연, 질석(蛭石; vermiculite), 및 진주석(眞珠石; perlite)으로 이루어지는 군에서 선택되는 과립상 단열재료.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 박락제가 박락형(exfoliating) 흑연인 과립상 단열재료.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    건조중량 기준으로 약 85%의 왕겨재, 약 5%의 세라믹 클레이 바인더, 5%의 쌀겨, 약 0.35%의 박락제, 및 총량으로 약 4%의 물을 포함하는 과립상 단열재료.
  11. (a) 왕겨재, 세라믹 클레이 바인더, 쌀겨, 및 박락제를 혼합하는 단계;
    (b) 슬러리를 형성하도록 상기 혼합물에 물을 첨가하는 단계;
    (c) 상기 슬러리로 형성된 혼합물을 과립으로 성형하는 단계; 및
    (d) 상기 과립을 건조하는 단계
    를 포함하는 과립상 단열재료의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 물이 상기 혼합물 중량의 20∼50%의 양으로 첨가되는 과립상 단열재료의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서 물이 상기 혼합물 중량의 30∼35%의 양으로 첨가되는 과립상 단열재료의 제조방법.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 (a) 및 단계 (b)가 동일 장치에서 행해지는 과립상 단열재료의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 성분을 혼합하고 슬러리를 형성하는 장치가 저속 리본 블렌더(ribbon blender)인 과립상 단열재료의 제조방법.
  16. 제 11항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과립형성 단계 (c)가 브리켓터(briquetter), 디스크 펠렛터(disk pelleter), 또는 압출 펠렛프레스(extrusion pellet press)에서 행해지는 과립상 단열재료의 제조방법.
  17. 제 11항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 과립이 4∼12mm의 직경을 가지는 대체로 원통형의 펠렛인 과립상 단열재료의 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 펠렛이 8mm의 직경 및 4∼20mm의 길이를 가지는 과립상 단열재료의 제조방법.
  19. 제 11항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조단계 (d)가 100℃∼130℃의 온도에서 행해지는 과립상 단열재료의 제조방법.
  20. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 과립상 단열재료를 용강 또는 용융금속에 첨가하여 상기 단열재료가 상기 용강 또는 용융금속으로부터의 1000℃의 온도에 노출되면 박락을 일으킴으로써 상기 용강 또는 용융금속 상에서 단열층을 형성하도록 하는 용강 또는 용융금속의 단열방법.
  21. 용강 또는 용융금속의 단열을 위한 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 과립상 단열재료의 용도.
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