KR20220047497A - 내화성 물품의 제조 방법 - Google Patents

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KR20220047497A
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마르셀 구앵
프랑수아 베일레트
알랭 시마르
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파이로텍 하이 템퍼러쳐 인더스트리얼 프로덕츠 인크.
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Abstract

내화성 물품의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 a) 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제를 혼합하여 수성 슬러리를 형성하는 단계; b) 상기 수성 슬러리를 몰드 내에 캐스팅하는 단계; c) 상기 수성 슬러리가 들어있는 상기 몰드를 그린 강도(green strength) 물품을 형성하는 데 충분한 시간 동안 슬러리 캐스팅 온도보다 낮은 온도에 적용하는 단계; 및 d) 상기 그린 강도 물품을 열 균질성을 달성하는 데 충분한 시간 동안 450℃ 이상의 온도에서 소성하여, 내화성 물품을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 세공 구조와 기계적 특성의 고유한 조합을 갖는다.

Description

내화성 물품의 제조 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 8월 14일 출원된 미국 가출원 제62/886,707호에 대한 우선권 및 이점을 주장하며, 상기 가출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다.
분야
본 개시내용은 내화성 물품의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 개시내용은 수성 슬러리로 그린 강도(green strength) 물품을 형성하는 단계를 포함하는 내화성 물품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 개시내용의 방법에 따라 제조하여 형성된 내화성 물품은 세공 구조와 기계적 특성의 고유한 조합을 갖는다.
고온, 침식성 또는 부식성 환경과 같은 가혹한 환경에 배치하고자 하는 물품은 일반적으로 내화성 재료로 제조된다. 이러한 내화성 물품은 감지, 용융, 이송, 캐스팅 등을 수행하기 위한 다양한 공정의 고온에서 가스, 액체, 또는 고체로부터 보호하는 데 사용될 수 있다. 내화성 물품은 예를 들어 금속, 유리, 석유화학, 및 시멘트 산업에 필수적이다. 내화성 물품은 통상적으로 겉보기 다공도로 알려진 비교적 낮은 다공도(예를 들어, < 35%) 또는 비교적 높은 다공도(예를 들어, ≥ 35%)로 제조될 수 있다. 겉보기 다공도는 내화성 물품의 표면에 연결된 세공(또는 개방 세공)을 지칭한다.
내화 설계에서, 일반적으로 강도와 다공도 사이에 트레이드오프가 존재한다. 일반적으로, 다공도가 높은 내화성 물품은 (이에 둘러싸인 공기의 부피가 크기 때문에) 우수한 단열 특성 및 낮은 부피 밀도를 갖지만, 또한 낮은 다공도의 물품보다 낮은 내식성 및 낮은 강도를 나타낸다. 다공도는 물품의 중량을 감소시키는 것, 부양성을 개선하는 것, 시스템 전체의 에너지 손실을 최소화하는 것, 유체 또는 가스 유동 경로를 허용하는 것, 뿐만 아니라 균열의 전파를 늦추어 물품이 파손되기까지의 시간을 증가시키는 것과 같은 여러 이유로 바람직할 수 있다.
그러나, 다공도의 이점은 주로 세공 구조, 즉 물품의 세공의 크기, 형상, 및 분포에 대한 일정 수준의 제어를 가정한다. 종래의 저비용 소결 기법은 일반적으로 정밀한 수준에서 다공도를 제어하는 능력이 부족하며, 유사하게 제조된 제품 또는 동일한 물품 내에서 재료 특성의 변화를 겪는다. 소성된 물품의 세공 구조를 제어하는 것에 대한 주요 과제 중 하나는 액체에서 물을 균일하게 추출하는 것이다. 물을 불균일하게 추출하면 물품 전체에서 다양한 수축이 일어날 수 있으며, 이는 크고 집중된 세공 또는 공간 형성, 기하학적 뒤틀림(warpage), 및 물품의 내부 응력 및 균열과 같은 여러 바람직하지 않은 결과로 이어질 수 있다. 수축 변화를 최소화하기 위한, 당업계의 숙련가가 이용하는 여러 방법이 있지만, 이는 대부분 보다 높은 제조 안정성을 달성하기 위한 물품 또는 슬러리 조성물의 설계에 대한 엄격하게 제어되는 공정 파라미터(예를 들어, 특정 혼합기, 정밀 몰드, 제어된 환경 챔버 등), 긴 건조 시간, 또는 설정 제한을 필요로 한다.
형성 중 수분 제거를 제어하는 한 가지 흥미로운 방법은 수성 동결 캐스팅을 사용하는 것이다. 이러한 방법은 물이 동결될 때 얼음 결정 구조 형성을 템플릿화하여 특정 다공도를 갖는 다공성 세라믹을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 가능성을 보여주지만, 몇 가지 한계도 있다. 한 가지 주요한 한계는, 이러한 방법을 사용하여 형성된 물품은 일반적으로 세공의 장축(major axis)이 세공의 단축(minor axis)보다 상당히 긴 층상(lamellar) 다공도를 갖는다는 것이다. 이론적으로, 강도가 한 방향으로만 요구되는 경우, 이러한 층상 구조는 강도와 밀도 사이의 개선된 트레이드오프를 제공할 수 있다. 그러나, 실제로는 복잡한 형상 뿐만 아니라 제조 환경에서의 처리량에 대한 요구로 인해, 단축(uniaxial) 하중 방향으로 세공의 정렬을 달성하는 것은 어렵다. 이는 제조(형성 중 균열) 및 사용 모두에서 다시 문제를 나타낸다. 층상 세공 구조를 갖는 내화성 물품은 의도된 대로 정확히 하중받지 않는 경우 부서지기 쉽고 균열되기 쉽다. 또한, 대부분의 실제 적용에서는 여러 방향으로 하중된다.
따라서, 당업계에는 전술한 문제를 해결하는 내화성 물품의 제조 방법에 대한 요구가 남아있다.
본 개시내용은 내화성 물품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 개념의 다양한 측면을 예시하기 위해, 상기 방법의 여러 예시적 실시양태가 개시된다.
본 개시내용에 따라, 내화성 물품의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 a) 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제를 혼합하여 수성 슬러리를 형성하는 단계; b) 상기 수성 슬러리를 몰드 내에 캐스팅하는 단계로서, 상기 수성 슬러리는 슬러리 캐스팅 온도에 있는 것인 단계; c) 상기 수성 슬러리가 들어있는 상기 몰드를 그린 강도 물품을 형성하는 데 충분한 시간 동안 슬러리 캐스팅 온도보다 낮은 온도에 적용하는 단계; 및 d) 상기 그린 강도 물품을 열 균질성을 달성하는 데 충분한 시간 동안 450℃ 이상의 온도에서 소성하여, 내화성 물품을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 개념의 다른 측면, 이점, 및 특징은 하기 상세한 설명으로부터 당업계의 숙련가에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시내용의 예시적 방법에 따라 제조된 내화성 물품의 대략 100x 배율의 광학 디지털 현미경 이미지(스케일 막대는 1 mm)이고;
도 2는 종래의 동결 캐스팅법에 따라 제조된 내화성 물품의 대략 100x 배율의 광학 디지털 현미경 이미지(스케일 막대는 1 mm)이다.
내화성 물품의 제조 방법 및 형성된 내화성 물품이 본원에 개시된다. 본 개시내용은 상기 방법 및 내화성 물품의 예시적 실시양태를 상세히 기술하지만, 본 개시내용은 개시된 실시양태에 한정되는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본원에 개시된 예시적 실시양태의 특정 요소는 어떠한 예시적 실시양태에도 한정되지 않고, 대신 본 개시내용의 모든 실시양태에 적용된다.
본원에 설명된 용어는 실시양태의 설명만을 위한 것이며 전체 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 언급이 이루어지는 문맥에 의하여 달리 명시되거나 명확하게 암시되지 않는 한, 본 개시내용의 단수 특성 또는 제한에 대한 모든 언급은 상응하는 복수 특성 또는 제한을 포함할 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 달리 명시되지 않는 한, "a", "an", "the", 및 "하나 이상"은 상호교환적으로 사용된다. 또한, 설명 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 문맥에서 명확하게 달리 명시하지 않는 한, 단수형 "a", "an", 및 "the"는 이의 복수형을 포함한다.
"포함한다(include)" 또는 "포함하는(including)"이라는 용어가 상세한 설명 또는 청구범위에서 사용되는 한에서는, "포함하는(comprising)"이라는 용어가 청구범위에서 접속어로서 사용될 때 해석되는 것과 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다. 또한, "또는"이라는 용어가 이용되는 범위에 대하여(예를 들어, A 또는 B), "A 또는 B 또는 둘 다"를 의미하도록 의도된다. 본 출원인이 "A 또는 B이지만 둘 다는 아님"을 지시하고자 하는 경우, "A 또는 B이지만 둘 다는 아님"이라는 용어를 이용할 수 있다. 따라서, 본원에서 "또는"이라는 용어의 사용은 배타적인 사용이 아닌 포괄적인 사용이다. 또한, "A, B, 및 C 중 하나 이상"이라는 구절은 "A만 또는 B만 또는 C만 또는 이들의 임의의 조합"으로 해석되어야 한다.
본 개시내용의 내화성 물품의 제조 방법 및 형성된 내화성 물품은, 본원에 기술된 개시내용의 필수 요소, 뿐만 아니라 본원에 기술된 임의의 추가적 또는 선택적 요소 또는 내화 응용분야에서 유용한 것을 포함하거나, 이들로 이루어지거나, 또는 이들로 실질적으로 이루어진다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에 사용되는 모든 백분율, 부, 및 비는 총 조성물의 중량 기준이다. 백분율, 부, 및 비를 포함하지만 이에 한정되지 않는 본원에 개시된 모든 범위 및 파라미터는 이 안에 취해지고 포함되는 임의의 및 모든 부분범위, 및 종점 사이의 모든 수를 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 명시된 범위 "1 내지 10"은 1 이상의 최소값으로 시작하여 10 이하의 최대값으로 끝나는 임의의 및 모든 부분범위(예를 들어, 1 내지 6.1, 또는 2.3 내지 9.4), 및 상기 범위 내에 포함되는 각각의 정수(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 및 10)를 포함하는 것으로 고려되어야 한다.
언급되는 조합이 이루어지는 문맥에 의해 달리 명시되거나 명백하게 암시되지 않는 한, 본원에 사용되는 방법 또는 공정 단계의 임의의 조합은 임의의 순서로 수행될 수 있다.
본원에 사용된 "그린 강도 물품"이라는 용어는 상기 물품이 취급 및/또는 조작될 수 있도록 충분히 굳어진, 수성 슬러리로 형성된 물품을 지칭한다.
"세공의 등방성 분포" 또는 "등방성 세공 분포"라는 용어는 본원에서 상호교환적으로 사용되어, 내화성 물품 전체에 걸쳐 실질적으로 균일한 형상, 크기, 및 간격을 갖는 내화성 물품의 세공을 지칭한다. 본원에 사용된 바와 같이, "실질적으로 균일한"이라는 용어는 특정 값이 각 평균값의 25% 이내에 있음을 의미한다. 예를 들어, 실질적으로 균일한 세공 크기는 내화성 물품의 개별 세공의 크기가 평균 세공 크기의 25% 이내에 있음을 의미한다.
본 개시내용에 따른 내화성 물품의 제조 방법은 a) 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제를 혼합하여 수성 슬러리를 형성하는 단계; b) 상기 수성 슬러리를 몰드 내에 캐스팅하는 단계로서, 상기 수성 슬러리는 슬러리 캐스팅 온도에 있는 것인 단계; c) 상기 수성 슬러리가 들어있는 상기 몰드를 그린 강도 물품을 형성하는 데 충분한 시간 동안 상기 슬러리 캐스팅 온도보다 낮은 온도에 적용하는 단계; 및 d) 상기 그린 강도 물품을 열 균질성을 달성하는 데 충분한 시간 동안 450℃ 이상의 온도에서 소성하여, 내화성 물품을 형성하는 단계를 포함한다. 본 개시내용의 방법은 세공 구조와 기계적 특성의 고유한 조합을 갖는 내화성 물품을 제조한다.
앞서 언급된 바와 같이, 내화성 물품의 다공도의 이점은 주로 세공 크기, 세공 형상, 및 세공 분포와 같은 세공 구조에 대한 일정 수준의 제어를 가정한다. 동일한 겉보기 다공도를 갖는 2개의 내화성 물품을 비교할 때, 보다 작은, 보다 균일하게 분포된 세공을 갖는 다공도 물품은 덜 제어된 다공도를 갖는 내화성 물품보다 일반적으로 3차원적으로 보다 단열된다. 또한, 내화성 물품의 대부분의 실제 적용은 여러 방향의 하중을 수반하며, 이는 강도의 보다 큰 균질성(예를 들어, 단일(단축(uniaxial)) 방향과는 대조적인 여러 방향의 강도)을 필요로 한다. 본 개시내용의 방법은 내화성 물품에 생성된 세공의 등방성 분포로 인한 강도의 보다 큰 균질성, 뿐만 아니라 개선된 강도 대 중량 비(또는 강도 대 밀도 비)를 갖는 내화성 물품을 제공한다.
본 개시내용의 방법은 다양한 내화성 재료로, 이전에 가능했던 것보다 더 가볍고, 더 튼튼하고, 보다 단열되고, 보다 비용 효율적인 내화성 물품을 형성하는 것을 가능하게 하는 놀라운 결과를 가져왔다. 이는 특정 설계 기준의 확장된 범위를 충족시키기 위한 내부 구조 및 향상된 기능의 최적화에서 긍정적인 단계를 의미하는, 주어진 내화성 재료에 대한 특성의 조합, 강도와 밀도(또는 다공도) 사이의 개선된 관계이다.
또한, 본 개시내용의 방법은 상당한 공정 비용 절약 및 시간 절약을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 방법은 치수 수축이 적은 내화성 물품, 또는 종래 방법과 관련된 동일한 뒤틀림 현상을 겪지 않는 네트(net) 형상 물품을 제공한다. 이는 그린 강도 물품의 우수한 열 충격 특성으로 인식되는 내부 성형 응력의 감소와 관련있다. 하기 실시예에서, 각각의 그린 강도 물품을 냉동고(예를 들어, 약 -80℃)에서 직접 취하여 중간 단계 없이 오븐(예를 들어, 약 700℃)에 배치한다. 이것만으로도 놀라운 성과이며, 이는 제조 현장에서의 상당한 시간, 비용, 및 공간 절약의 가능성을 제공한다. 네트 형상은 또한 엄격한 허용 오차가 요구되는 경우 유익하다. 또한, 내화성 물품의 네트 형상은 특정 기하구조를 달성하는 데 필요한 노동 또는 작동 시간을 한정한다.
본 개시내용의 방법은 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제를 함께 혼합하여 수성 슬러리를 형성하는 단계를 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, 결합제 시스템은 캐러멜화 탄수화물 성분, 보조제, 및 제1 콜로이드 결합제를 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, 결합제 시스템은 수성 액체이다. 본원에 기술된 임의의 혼합 단계는 고전단 혼합기와 같은 통상적인 혼합 장비를 사용하여 수행될 수 있다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법은 결합제 시스템을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, 결합제 시스템은 캐러멜화 탄수화물 성분을 제조하고 상기 캐러멜화 탄수화물 성분과 보조제 및 제1 콜로이드 결합제를 혼합하여 형성될 수 있다.
본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 물 및 탄수화물을 포함하는 혼합물의 캐러멜화로 얻어진다. 특정 실시양태에서, 캐러멜화는 물 및 탄수화물을 포함하는 혼합물을 캐러멜화 온도, 예컨대 50℃ 내지 120℃, 60℃ 내지 120℃, 70℃ 내지 120℃, 80℃ 내지 120℃, 90℃ 내지 115℃, 100℃ 내지 110℃, 및 100℃ 내지 105℃를 포함하는 20℃ 내지 125℃의 온도로, 탄수화물이 캐러멜화되는 데 효과적인 시간, 예컨대 5분 내지 30분, 5분 내지 20분, 및 5분 내지 10분을을 포함하는 5분 이상의 기간 동안 가열하여 수행된다. 당업계의 숙련가는 사용되는 탄수화물(들)에 기초하여 캐러멜화되는 데 적합한 캐러멜화 온도 및 시간을 용이하게 결정할 수 있다. 캐러멜화 과정은 아직 잘 알려져 있지 않지만, 탄수화물의 가열은 특히 캐러멜란, 캐러멜렌, 및 캐러멜린과 같은 캐러멜 생성물을 형성한다.
캐러멜화 탄수화물 성분은 다양한 탄수화물의 캐러멜화로부터 유도될 수 있다. 본 개시내용에 따라, 캐러멜화 탄수화물 성분은 단당류, 이당류, 삼당류, 및 올리고당 중 1종 이상으로부터 유도된다. 예시적 단당류는 글루코스, 프룩토스, 및 갈락토스를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적 이당류는 수크로스, 락토스, 및 말토스를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적 삼당류는 말토트리오스 및 라피노스를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적 올리고당은 말토덱스트린, 프룩토올리고당, 및 갈락토올리고당을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 수크로스, 글루코스, 프룩토스, 갈락토스, 말토스, 및 락토스 중 1종 이상으로부터 유도된다. 본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 수크로스로부터 유도된다.
다른 실시양태에서, 사전 캐러멜화, 캐러멜화 탄수화물(예를 들어, 시판되는 캐러멜화 탄수화물)은 물과 혼합되어 캐러멜화 탄수화물 성분을 형성할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 사전 캐러멜화, 캐러멜화 탄수화물과 물의 혼합물은 캐러멜화 탄수화물 성분을 얻기 위해 가공될(예를 들어, 캐러멜화 온도로 가열될) 필요가 없다. 또한, 이러한 실시양태에서, 형성된 캐러멜화 탄수화물 성분은 제1 콜로이드 결합제 및 보조제와 혼합되어 결합제 시스템을 형성할 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 결합제 시스템은 보조제를 포함한다. 실시양태에서, 보조제는 캐러멜화 탄수화물 성분을 형성하기 위해 가열된 물과 탄수화물의 혼합물에 첨가될 수 있다. 따라서, 이러한 실시양태에서, 보조제는 캐러멜화 탄수화물 성분의 구성요소이다. 실시양태에서, 보조제는 사전 캐러멜화, 캐러멜화 탄수화물과 물을 혼합하여 얻어진 캐러멜화 탄수화물 성분에 첨가될 수 있다. 보조제는 산, 무기 습윤제, 및 산성 포스페이트 접착제 중 1종 이상일 수 있다. 예시적인 산은 인산, 황산, 시트르산, 아세트산, 붕산, 및 옥살산을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 산은 통상적으로 요구되는 것보다 낮은 온도에서 탄수화물의 캐러멜화를 촉진하는 데 유용할 수 있다. 예시적 무기 습윤제는 알루미늄 암모늄 설페이트, 마그네슘 설페이트, 및 알루미늄 설페이트를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 무기 습윤제는 캐러멜 생성물이 내화성 충전물을 습윤하게 하도록 수성 매질 중에서 습윤제로 작용할 수 있다. 예시적 산성 포스페이트 접착제는 칼슘 포스페이트, 마그네슘 포스페이트, 및 알루미늄 포스페이트, 이들의 1염기형, 2염기형, 및 3염기형, 및 이들의 다양한 수화물을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 인산, 황산, 시트르산, 아세트산, 붕산, 및 옥살산 중 1종 이상을 포함하는 산; 알루미늄 암모늄 설페이트, 마그네슘 설페이트, 및 알루미늄 설페이트 중 1종 이상을 포함하는 무기 습윤제; 및 칼슘 포스페이트, 마그네슘 포스페이트, 및 알루미늄 포스페이트 중 1종 이상을 포함하는 산성 포스페이트 접착제 중 1종 이상을 포함한다. 특정 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 75 중량%의 H3PO4와 25 중량%의 물의 혼합물로 얻을 수 있는 인산, AlNH4(SO4)2·12 H2O를 포함할 수 있는 알루미늄 암모늄 설페이트, 및 무수 형태 또는 일수화물 형태를 포함할 수 있는 1염기성 칼슘 포스페이트를 포함한다. 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 1종 이상의 산을 포함하고, 임의로 무기 습윤제 및/또는 산성 포스페이트 접착제를 포함한다.
실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 25 중량% 내지 75 중량%의 탄수화물, 25 중량% 내지 70 중량%의 물, 0.01 중량% 내지 25 중량%의 산, 0 중량% 내지 5 중량%의 무기 습윤제, 및 0 중량% 내지 2 중량%의 산성 포스페이트 접착제를 포함하는 혼합물의 캐러멜화에 의해 형성된다.
본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 40 중량% 내지 60 중량%의 탄수화물, 40 중량% 내지 60 중량%의 물, 1 중량% 내지 25 중량%의 산, 0 중량% 내지 1 중량%의 무기 습윤제, 및 0 중량% 내지 1.5 중량%의 산성 포스페이트 접착제를 포함하는 혼합물의 캐러멜화에 의해 형성된다.
본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 40 중량% 내지 50 중량%의 탄수화물, 25 중량% 내지 40 중량%의 물, 15 중량% 내지 25 중량%의 산, 0.25 중량% 내지 0.75 중량%의 무기 습윤제, 및 1 중량% 내지 1.5 중량%의 산성 포스페이트 접착제를 포함하는 혼합물의 캐러멜화에 의해 형성된다.
본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 45 중량% 내지 55 중량%의 탄수화물, 30 중량% 내지 40 중량%의 물, 0.5 중량% 내지 1.5 중량%의 산, 0.5 중량% 내지 0.75 중량%의 무기 습윤제, 및 1 중량% 내지 1.5 중량%의 산성 포스페이트 접착제를 포함하는 혼합물의 캐러멜화에 의해 형성된다.
본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 65 중량% 내지 75 중량%의 탄수화물, 25 중량% 내지 30 중량%의 물, 및 1.25 중량% 내지 1.75 중량%의 산을 포함하는 혼합물의 캐러멜화에 의해 형성된다.
전술한 특정 실시양태에서, 탄수화물은 수크로스를 포함하고, 산은 75 중량%의 H3PO4와 25 중량%의 물의 혼합물로 얻을 수 있는 인산을 포함하고, 무기 습윤제는 AlNH4(SO4)2·12 H2O를 포함할 수 있는 알루미늄 암모늄 설페이트를 포함하고, 산성 포스페이트 접착제는 무수 형태 또는 일수화물 형태를 포함할 수 있는 1염기성 칼슘 포스페이트를 포함한다. 전술한 특정 실시양태에서, 산은 인산 및 붕산을 포함한다.
본 개시내용의 실시양태에서, 보조제는 캐러멜화 탄수화물 성분이 형성된 후 캐러멜화 탄수화물 성분에 첨가된다.
캐러멜화 탄수화물 성분 및 보조제 외에도, 본 개시내용의 결합제 시스템은 또한 제1 콜로이드 결합제를 포함한다. 본 개시내용에 따르면, 제1 콜로이드 결합제는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 지르코니아, 콜로이드 이트리아, 및 전술한 것들의 유기 변성 형태 중 1종 이상을 포함한다. 유기 변성 콜로이드 결합제의 일 예는 W.R. Grace & Co.-Conn.(미국 메릴랜드주 컬럼비아)에서 시판되는 Ludox® SK 콜로이드 실리카이다. 일반적으로, 제1 콜로이드 결합제는 수용액 중에 분산된 미크론 이하 크기의 무기 입자(예를 들어, SiO2, Al2O3, ZrO2)를 포함하는 현탁액이다. 본 개시내용의 실시양태에서, 결합제 시스템을 형성하는 데 사용되는 제1 콜로이드 결합제는 콜로이드 실리카를 포함한다.
본 개시내용의 결합제 시스템에 사용하는 데 적합한 제1 콜로이드 결합제의 일 예는 Nalco Company(미국 일리노이주 내퍼빌)에서 시판되는 NALCO 1144 콜로이드 실리카이다. NALCO 1144 콜로이드 실리카 현탁액은 하기 특성을 갖는다: SiO2로서의 40 중량%의 콜로이드 실리카; 25℃에서 9.9의 pH; 14 nm의 평균 입경; 1.30의 비중; 15 cP의 점도; 및 0.45 중량%의 Na2O.
앞서 언급된 바와 같이, 본 개시내용의 결합제 시스템은 캐러멜화 탄수화물 성분, 보조제, 및 제1 콜로이드 결합제의 혼합물을 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, (캐러멜화 탄수화물 성분의 총 중량을 기준으로) 0.01 중량% 내지 25 중량%의 보조제를 포함할 수 있는 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 5 중량% 내지 95 중량%을 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 5 중량% 내지 95 중량%를 차지한다. 본 개시내용의 실시양태에서, (캐러멜화 탄수화물 성분의 총 중량을 기준으로) 0.01 중량% 내지 25 중량%의 보조제를 포함할 수 있는 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 10 중량% 내지 90 중량%를 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 10 중량% 내지 90 중량%를 차지한다. 본 개시내용의 실시양태에서, (캐러멜화 탄수화물 성분의 총 중량을 기준으로) 0.01 중량% 내지 25 중량%의 보조제를 포함할 수 있는 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 15 중량% 내지 85 중량%를 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 15 중량% 내지 85 중량%를 차지한다. 본 개시내용의 실시양태에서, (캐러멜화 탄수화물 성분의 총 중량을 기준으로) 0.01 중량% 내지 25 중량%의 보조제를 포함할 수 있는 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 25 중량% 내지 75 중량%를 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 25 중량% 내지 75 중량%를 차지한다. 본 개시내용의 실시양태에서, (캐러멜화 탄수화물 성분의 총 중량을 기준으로) 0.01 중량% 내지 25 중량%의 보조제를 포함할 수 있는 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 40 중량% 내지 70 중량%를 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 30 중량% 내지 60 중량%를 차지한다. 본 개시내용의 실시양태에서, (캐러멜화 탄수화물 성분의 총 중량을 기준으로) 0.01 중량% 내지 25 중량%의 보조제를 포함할 수 있는 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 55 중량% 내지 75 중량%를 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 25 중량% 내지 45 중량%를 차지한다. 본 개시내용의 실시양태에서, (캐러멜화 탄수화물 성분의 총 중량을 기준으로) 0.01 중량% 내지 25 중량%의 보조제를 포함할 수 있는 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 60 중량% 내지 70 중량%를 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 30 중량% 내지 40 중량%를 차지한다. 앞서 기술된 캐러멜화 탄수화물 성분, 보조제, 및 제1 콜로이드 결합제 중 어느 것이든 결합제의 전술한 실시양태에 사용될 수 있다.
본 개시내용의 실시양태에서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 40 중량% 내지 70 중량%를 차지하며, 50 중량% 내지 60 중량%의 탄수화물(예컨대 수크로스), 35 중량% 내지 45 중량%의 물, 0.75 중량% 내지 1.5 중량%의 산(예컨대 인산), 0.25 중량% 내지 0.75 중량%의 무기 습윤제(예컨대 알루미늄 암모늄 설페이트), 및 1 중량% 내지 1.5 중량%의 산성 포스페이트 접착제(예컨대 1염기성 예컨대 칼슘 포스페이트)를 포함하는 혼합물의 캐러멜화에 의해 형성되고; 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 30 중량% 내지 60 중량%를 차지하고 콜로이드 실리카를 포함한다.
본 개시내용의 실시양태에서, 결합제 시스템은 결합제 시스템의 총 중량을 기준으로 5 중량% 내지 70 중량%의 캐러멜화 탄수화물 성분, 0.25 중량% 내지 10 중량%의 보조제, 및 25 중량% 내지 90 중량%의 제1 콜로이드 결합제를 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, 결합제 시스템은 결합제 시스템의 총 중량을 기준으로 5 중량% 내지 45 중량%의 캐러멜화 탄수화물 성분, 0.25 중량% 내지 3 중량%의 보조제, 및 50 중량% 내지 90 중량%의 제1 콜로이드 결합제를 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, 결합제 시스템은 결합제 시스템의 총 중량을 기준으로 55 중량% 내지 70 중량%의 캐러멜화 탄수화물 성분, 2 중량% 내지 10 중량%의 보조제, 및 25 중량% 내지 40 중량%의 제1 콜로이드 결합제를 포함한다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 개시내용의 수성 슬러리는 결합제 시스템과 내화성 충전물 및 제2 콜로이드 결합제를 함께 혼합함으로써 형성된다. 본 개시내용의 실시양태에서, 수성 슬러리를 형성하는 데 사용되는 제2 콜로이드 결합제는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 지르코니아, 콜로이드 이트리아, 및 전술한 것들의 유기 변성 형태 중 1종 이상을 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, 제2 콜로이드 결합제는 결합제 시스템을 형성하는 데 사용되는 제1 콜로이드 결합제와 동일한 물질이다. 본 개시내용의 실시양태에서, 제2 콜로이드 결합제는 결합제 시스템을 형성하는 데 사용되는 제1 콜로이드 결합제와 상이한 물질이다. 본 개시내용의 실시양태에서, 제2 콜로이드 결합제 및 결합제 시스템을 형성하는 데 사용되는 제1 콜로이드 결합제 모두 콜로이드 실리카를 포함한다.
본 개시내용에 따르면, 수성 슬러리는 내화성 충전물을 포함한다. 다양한 내화성 충전물이 본 개시내용의 방법에 사용될 수 있다. 본 개시내용의 방법에 따라 내화성 물품을 형성하는 데 사용되는 내화성 충전물은, 내화성 물품이 사용될 특정 응용분야, 내화성 물품이 접촉하게 될 특정 유형의 화학적 환경 또는 용융 금속 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 요인에 기반하여 선택될 수 있다.
본 개시내용에 따른 내화성 충전물은 다양한 형태(예를 들어, 섬유상, 침상, 층상, 과립)로 제공될 수 있고, 광물 또는 합성 유래일 수 있다. 본 개시내용에 따르면, 내화성 충전물은 실리케이트, 금속 산화물, 보라이드, 니트라이드, 카바이드, 설파이드, 플루오라이드, 알루미나이드, 합성 유리, 유리 섬유(예를 들어, E-유리 섬유), 내화성 세라믹 섬유, 비내화성 세라믹 섬유, 흑연, 골회(bone ash), 알루미늄 티타네이트, 및 칼슘 알루미네이트 중 1종 이상을 포함한다. 예시적인 실리케이트는 알루미늄 실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 나트륨 실리케이트, 칼륨 실리케이트, 지르코늄 실리케이트, 운모, 규회석, 마이크로라이트, 및 활석을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적 금속 산화물은 MgO, Al2O3, TiO2, ZrO2, Y2O3, MgAl2O4, 및 WO2를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적인 보라이드는 TiB2 및 ZrB2를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적인 니트라이드는 붕소 니트라이드, 알루미늄 니트라이드, 및 규소 니트라이드를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적인 카바이드는 규소 카바이드 및 붕소 카바이드를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적인 설파이드는 BaSO4를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적인 플루오라이드는 CaF2 및 AlF3를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예시적인 알루미나이드는 MgAl 및 TiAl을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
실시양태에서, 내화성 충전물은 붕소 니트라이드, 알루미늄 실리케이트, 마그네슘 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 나트륨 실리케이트, 칼륨 실리케이트, 지르코늄 실리케이트, 용융 실리카, 운모, 규회석, 마이크로라이트, 활석, MgO, Al2O3, TiO2, ZrO2, Y2O3, MgAl2O4, WO2, E-유리 섬유, TiB2, ZrB2, 알루미늄 니트라이드, 규소 니트라이드, 규소 카바이드, 붕소 카바이드, BaSO4, CaF2, AlF3, MgAl, 및 TiAl 중 1종 이상을 포함한다. 실시양태에서, 내화성 충전물은 붕소 니트라이드, 운모, 지르콘, 활석, 규회석, 용융 실리카, 규소 카바이드, 마이크로라이트, 바륨 설페이트, 칼슘 플루오라이드, 마그네슘 플루오로실리케이트, 흑연, 골회, 이산화티타늄, 및 알루미늄 플루오라이드 중 1종 이상을 포함한다. 실시양태에서, 본 개시내용의 수성 슬러리를 형성하는 데 사용되는 내화성 충전물은 규회석, 용융 실리카, 및 규소 카바이드 중 1종 이상을 포함한다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 형성되는 수성 슬러리는 2 중량% 내지 10 중량%의 결합제 시스템, 40 중량% 내지 75 중량%의 내화성 충전물, 및 20 중량% 내지 50 중량%의 제2 콜로이드 결합제를 포함한다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 형성되는 수성 슬러리는 2 중량% 내지 10 중량%의 결합제 시스템, 40 중량% 내지 70 중량%의 내화성 충전물, 및 25 중량% 내지 50 중량%의 제2 콜로이드 결합제를 포함한다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 형성되는 수성 슬러리는 5 중량% 내지 10 중량%의 결합제 시스템, 45 중량% 내지 70 중량%의 내화성 충전물, 및 25 중량% 내지 48 중량%의 제2 콜로이드 결합제를 포함한다. 상기 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제 중 어느 것이든 본 개시내용의 수성 슬러리를 형성하는 데 사용될 수 있다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 형성되는 수성 슬러리는 2 중량% 내지 10 중량%의 결합제 시스템; 규회석, 용융 실리카, 및 규소 카바이드 중 1종 이상을 포함하는 40 중량% 내지 75 중량%의 내화성 충전물; 및 콜로이드 실리카를 포함하는 20 중량% 내지 50 중량%의 제2 콜로이드 결합제를 포함한다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 형성되는 수성 슬러리는 2 중량% 내지 10 중량%의 결합제 시스템; 규회석, 용융 실리카, 및 규소 카바이드 중 1종 이상을 포함하는 60 중량% 내지 75 중량%의 내화성 충전물; 및 콜로이드 실리카를 포함하는 20 중량% 내지 50 중량%의 제2 콜로이드 결합제를 포함한다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 형성되는 수성 슬러리는 2 중량% 내지 10 중량%의 결합제 시스템; 규회석, 용융 실리카, 및 규소 카바이드 중 1종 이상을 포함하는 65 중량% 내지 75 중량%의 내화성 충전물; 및 콜로이드 실리카를 포함하는 20 중량% 내지 50 중량%의 제2 콜로이드 결합제를 포함한다.
결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제 외에도, 본 개시내용의 수성 슬러리는 또한 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 수성 슬러리의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 미만의 양으로 수성 슬러리 중에 존재할 수 있다. 본 개시내용의 수성 슬러리에 사용하는 데 적합한 예시적인 첨가제는 유동 개질제, 분산제, 및 가소제를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 개시내용에 따르면, 내화성 물품의 제조 방법은 수성 슬러리를 몰드 내에 캐스팅하는 단계를 포함한다. 몰드는 제조되는 내화성 물품의 임의의 원하는 형상에 부합할 수 있다. 몰드는 판지(cardboard), 폼(예를 들어, 폴리스티렌), 금속, 목재, 플라스틱, 천연 고분자, 및 합성 고분자를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 재료로 형성될 수 있다.
본 개시내용에 따르면, 수성 슬러리가 몰드 내에 캐스팅될 때 수성 슬러리는 슬러리 캐스팅 온도에 있다. 슬러리 캐스팅 온도는 매우 다양할 수 있다. 실시양태에서, 슬러리 캐스팅 온도는 1℃ 내지 80℃, 1℃ 내지 60℃, 5℃ 내지 50℃, 10℃ 내지 40℃, 및 15℃ 내지 30℃를 포함하는 0℃ 초과 100℃ 미만일 수 있다.
수성 슬러리가 몰드 내에 캐스팅될 때, 몰드는 다양한 온도(예를 들어, 실온(15℃ 내지 30℃), 실온 초과(> 30℃), 실온 미만(< 15℃))에 있을 수 있다. 실시양태에서, 수성 슬러리가 몰드 내에 캐스팅될 때 몰드는 30℃ 내지 100℃의 온도에 있을 수 있다. 실시양태에서, 수성 슬러리가 몰드 내에 캐스팅될 때 몰드는 15℃ 내지 30℃의 온도에 있을 수 있다. 실시양태에서, 수성 슬러리가 몰드 내에 캐스팅될 때 몰드는 -195℃ 내지 15℃의 온도에 있을 수 있다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법은 1종 이상의 보강재(들)를 몰드 내에 또는 몰드 상에 배치하는 단계를 추가로 포함한다. 몰드 내에 또는 몰드 상에 혼입될 수 있는 적합한 보강재의 예는 고온 패브릭(예를 들어, 우븐 유리 섬유 매트, 우븐 탄소 섬유 매트), 유리 섬유, 내화성 세라믹 섬유, 비내화성 세라믹 섬유, 탄소 섬유, 합성 섬유(예를 들어, 고분자 섬유, 폴리프로필렌 섬유), 금속 섬유(예를 들어, 강철 니들), 광물 섬유, 및 다양한 크기 및 기하구조의 금속 앵커링(anchoring)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법은 1종 이상의 보강재(예를 들어, 임의의 1종 이상의 상기 섬유 재료, 내화성 섬유 재료)를 수성 슬러리 내에 직접 첨가하는 단계를 추가로 포함한다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법은 수성 슬러리를 몰드 내에 캐스팅하기 전 고온 패브릭, 바람직하게는 우븐 유리 섬유 매트 층을 몰드 내에 또는 몰드 상에 배치하는 단계를 포함한다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법은 고온 패브릭, 바람직하게는 우븐 유리 섬유 매트 층을 몰드 내에 또는 몰드 상에 배치하는 단계, 수성 슬러리의 제1 부분을 몰드 내에 캐스팅하는 단계, 고온 패브릭, 바람직하게는 우븐 유리 섬유 매트의 추가 층을 몰드 내에 캐스팅된 수성 슬러리의 제1 부분에 배치하는 단계, 및 수성 슬러리의 제2 부분을 몰드 내에 캐스팅하는 단계를 포함한다. 이러한 공정을 수 회 반복하여 보강재 및 수성 슬러리의 복수의 층을 형성할 수 있다. 그러나, (예를 들어, 보강재가 수성 슬러리에 포매되도록) 수성 슬러리가 보강재의 복수의 층에 완전히 주입되거나 포화될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 개시내용에 따르면, 내화성 물품의 제조 방법은 수성 슬러리가 들어있는 몰드를 그린 강도 물품을 형성하는 데 충분한 온도에, 충분한 시간 동안 적용하는 단계를 포함한다. 본 개시내용에 따르면, 수성 슬러리가 들어있는 몰드는 슬러리 캐스팅 온도보다 낮은 온도에 적용될 수 있다. 다시 말해, 몰드 내에 캐스팅된 수성 슬러리는 수성 슬러리를 낮은 온도에 적용하여 굳어져서, 그린 강도 물품을 형성할 수 있다. 예를 들어, 몰드 내에 캐스팅된 슬러리는 동결에 의해 굳어져서, 그린 강도 물품을 형성할 수 있다. 그린 강도 물품을 형성하는 단계는 당업계의 숙련가에게 공지된 종래의 기법 및 장비(예를 들어, 냉동고, 액체 질소에 노출시키는 것)를 사용하여 수행될 수 있다. 실시양태에서, 수성 슬러리가 들어있는 몰드는 그린 강도 물품을 형성하는 데 충분한 시간 동안 -195℃ 내지 0℃의 온도에 적용된다. 실시양태에서, 수성 슬러리가 들어있는 몰드는 그린 강도 물품을 형성하는 데 충분한 시간 동안, -125℃ 내지 0℃의 온도, -100℃ 내지 -10℃의 온도, -90℃ 내지 -25℃의 온도, -90℃ 내지 -50℃의 온도, 및 -85℃ 내지 -75℃의 온도를 포함하는 -150℃ 내지 0℃의 온도에 적용된다. 그린 강도 물품을 형성하는 데 필요한 시간은, 예를 들어 질량, 형상/기하구조, 수성 슬러리 조성, 및 수성 슬러리가 들어있는 몰드가 적용되는 온도를 포함하는 다양한 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 실시양태에서, 그린 강도 물품을 형성하는 데 필요한 시간은 10분 내지 60시간, 30분 내지 48시간, 1시간 내지 36시간, 2시간 내지 24시간, 6시간 내지 24시간, 8시간 내지 24시간, 12시간 내지 24시간, 18시간 내지 24시간, 및 24시간 내지 72시간을 포함하는 1분 내지 72시간일 수 있다. 실시양태에서, 그린 강도 물품을 형성하는 데 필요한 시간은 1분 내지 1시간일 수 있다.
수성 슬러리로 그린 강도 물품을 형성하는 단계는 본 개시내용의 방법에 중요하다. 어떠한 특정 이론에도 얽매이지 않고, 수성 슬러리를 형성하는 데 이용되는 결합제 시스템, 특히 캐러멜화 탄수화물 성분, 및 수성 슬러리가 들어있는 몰드를 본원에 기술된 온도에 적용하여 그린 강도 물품을 형성하는 단계는, 내화성 물품의 고유하고 유리한 구형 세공 구조 및 세공의 등방성 분포를 상승적으로 생성한다고 여겨진다. 다시 말하지만, 어떠한 특정 이론에도 얽매이지 않고, 수성 슬러리 중의 내화성 충전물 입자가 응고 계면(solidification front)으로부터 분리되고 성장하는 얼음 결정 사이에 포획되어 동결 캐스팅된 그린 강도 물품이 형성된다고 여겨진다. 이러한 과정은 열역학 법칙 및 응고체, 액체, 및 개별 내화성 충전물 입자 사이의 표면 자유 에너지의 관계에 의해 좌우되는 것으로 여겨진다. 결합제 시스템의 캐러멜화 탄수화물 성분은 액체의 점도 및 내화성 충전물 입자의 표면 자유 에너지 모두를 변화시키는 것으로 여겨지며, 이는 얼음 계면(ice front)으로부터의 내화성 충전물 입자의 추출을 변화시켜 본원에 기술된 물품을 생성한다. 또한 결합제 시스템의 캐러멜화 탄수화물 성분은 증발 시너리시스(syneresis)를 통해 시스템으로부터 수분의 제어된 제거를 도우며, 이는 중간 단계(예를 들어, 건조 단계) 없이 냉동고(예를 들어, -80℃)에서 오븐(예를 들어, 700℃)까지 그린 강도 물품을 직접 처리할 수 있게 한다. 또한, 어떠한 특정 이론에도 얽매이지 않으면서, 본 개시내용의 방법의 기본 원칙 및 형성된 내화성 물품은 사용되는 특정 내화성 충전물에 크게 의존하지 않지만 화학적 상호작용보다는 물리적 상호작용에 더 의존한다고 여겨진다.
본 개시내용에 따른 그린 강도 물품을 형성하지 않고 동결 캐스팅된 내화성 물품은 일반적으로 본 개시내용의 방법으로 달성된 구형 세공 및 세공의 등방성 분포와 대조적으로 층상 다공도 및 세공의 불균질 분포를 갖는다. 앞서 언급된 바와 같이, 층상 다공도를 갖는 내화성 물품은 일반적으로 부서지기 쉽고 균열되기 쉬우며, 통상적으로 단축(uniaxial) 방향 강도를 나타낸다.
본 개시내용에 따르면, 내화성 물품의 제조 방법은 열 균질성을 달성하는 데 충분한 시간 동안 450℃ 이상의 온도에서 그린 강도 물품을 소성하여, 내화성 물품을 형성하는 단계를 포함한다. 실시양태에서, 그린 강도 물품은 550℃ 내지 1,250℃의 오븐 온도, 550℃ 내지 1,200℃의 오븐 온도, 600℃ 내지 1,150℃의 오븐 온도, 650℃ 내지 1,100℃의 오븐 온도, 675℃ 내지 1,000℃의 오븐 온도, 675℃ 내지 900℃의 오븐 온도, 675℃ 내지 850℃의 오븐 온도, 675℃ 내지 800℃의 오븐 온도, 및 675℃ 내지 725℃의 오븐 온도를 포함하는 450℃ 내지 1,500℃의 오븐 온도에서 열 균질성을 달성하는 데 충분한 시간 동안 소성되어, 내화성 물품을 형성한다. 열 균질성을 달성하는 데 필요한 시간은 예를 들어 질량, 형상/기하구조, 그린 강도 물품을 형성하는 데 사용되는 수성 슬러리 조성, 및 그린 강도 물품이 소성되는 온도를 포함하는 다양한 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 실시양태에서, 소성하는 동안 열 균질성을 달성하는 데 필요한 시간은 1시간 내지 18시간, 1시간 내지 12시간, 1시간 내지 8시간, 1시간 내지 5시간, 및 2시간 내지 3시간을 포함하는 0.5시간 내지 24시간일 수 있다. 그린 강도 물품의 소성은 오븐, 퍼니스, 또는 킬른과 같은 종래의 장치를 사용하여 달성될 수 있다.
본 개시내용의 실시양태에서, 상기 방법은 그린 강도 물품을 소성하기 전 그린 강도 물품을 탈형시키는 단계를 추가로 포함한다. 본 개시내용의 실시양태에서, 상기 방법은 몰드 및 그린 강도 물품을 소성하는 단계를 포함하며, 따라서, 탈형 단계는 필요하지 않다. 몰드와 그린 강도 물품이 함께 소성되는 실시양태에서, 몰드는 소성 중에 연소되거나 분해되는 재료, 예컨대 판지 또는 폼 재료로 형성된다.
본 개시내용의 실시양태에서, 상기 방법은 소성 전에 그린 강도 물품을 건조하는 단계를 포함하지 않는다. 다시 말해, 그린 강도 물품(응결수 함유)은 추가 가공 없이 즉시 소성될 수 있다. 종래의 방법은 통상적으로 소성 전에 건조 단계를 이용하여 물 또는 다른 용매를 제거한다. 그러나, 본 개시내용의 방법은 본원에 기술된 고유한 세공 구조 및 이점을 갖는 내화성 물품을 형성하는 데 이러한 건조 공정을 필요로 하지 않는다. 또한, 종래의 건조 단계를 제외하는 것은 경제적인 이점을 제공하는데, 건조 단계는 공간, 장비, 인력, 및 계획을 필요로 하기 때문이다. 건조 단계는 필요하지 않고, 사실 바람직하지 않지만, 다른 실시양태에서, 본 개시내용의 방법은 소성 전에 그린 강도 물품을 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 건조 단계는 건조 장비(예를 들어, 오븐, 동결 건조기)를 이용하거나 그린 강도 물품을 주변 온도 또는 실온에서 자연 건조시킴으로써 달성될 수 있다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법은 소성 단계 후 내화성 물품을 냉각시키는 단계를 포함한다. 실시양태에서, 냉각 단계는 내화성 물품을 주변 온도 또는 실온에서 자연 건조시킴으로써 수행될 수 있다. 실시양태에서, 건조 단계는 제어 단계에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 소성 후, 내화성 물품은 오븐을 미리 정해진 온도로 냉각시키고, 오븐을 미리 정해진 시간 동안 개방하고, 내화성 물품을 오븐에서 꺼내는 것에 의해 냉각될 수 있다. 냉각 단계의 제어 단계의 특정 파라미터는 통상적으로 내화성 물품의 크기 및 형상, 뿐만 아니라 특정 내화성 충전물에 따라 달라진다. 당업계의 숙련가는 일반적인 실험으로 냉각 단계의 제어 단계의 특정 파라미터를 용이하게 결정할 수 있다.
본 개시내용의 방법은 비제한적으로 개방형 및 구형 다공도, 등방성 세공 분포, 낮은 밀도, 높은 강도 대 밀도 비, 및 네트 형상을 포함하는 여러 고유한 특징 및 이점을 갖는 내화성 물품을 제조한다. 다공도의 개방성은 유체가 내화성 물품 매트릭스를 통해 쉽게 흐를 수 있도록 하며, 이는 여과 응용분야에서 또는 내화성 물품 전체에 윤활제, 촉매, 또는 보호 코팅과 같은 유익한 액체를 분산시키는 경우 유리할 수 있다. 세공의 구형 형상은 내화성 물품의 균열 발생 및/또는 균열 전파에 대한 보다 나은 내성을 제공할 수 있다. 낮은 밀도를 가짐으로써, 본 개시내용의 방법에 따라 형성된 내화성 물품은 보다 가벼울 수 있고, 이는 내화성 물품에 결합하거나 연결되는 컴포넌트에 대한 응력을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 공정 작업자에 대한 안전을 개선할 수 있다(예를 들어, 가벼운 물품은 들어올리기 더 쉽다). 또한, 낮은 밀도는 용융 금속에서 내화성 물품의 부양성을 개선할 수 있다(예를 들어, 내화성 물품이 파손되는 경우, 조각이 용융 금속 위에 뜨고 쉽게 제거될 수 있다). 내화성 물품의 강도는 기계적 솔리시테이션(solicitation)(예를 들어, 압력, 마모, 변형, 크립(creep) 등)에 대한 내성을 제공하여 내화성 물품의 수명을 향상시킨다. 세공의 등방성 분포는 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품에 더 큰 강도의 균질성, 뿐만 아니라 개선된 강도 대 중량 비(또는 강도 대 밀도 비)를 제공하는 것으로 여겨진다. 또한, 본 개시내용의 방법에 따라 형성된 내화성 물품은 몰드 형상에 비하여 수축 또는 변형이 매우 적거나 없는 네트 형상이다. 수축량을 최소화하는 것은 보다 복잡한 형상, 보다 엄격한 허용 오차, 보다 적은 필요한 마무리 공정 시간, 및 열 응력으로 인한 공정 중 스크랩에 대한 가능성의 감소를 가능하게 한다. 내화성 물품은 일반적으로 네트 형상 또는 네트에 가까운 형상을 갖지만, 본 개시내용의 방법에 따라 형성된 내화성 물품은 원하는 형상 및/또는 피니시(finish)로 만들어질 수도 있다.
다양한 응용분야에 대한 다양한 내화성 물품은 본 개시내용의 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 본 개시내용의 방법에 따라 제조될 수 있는 내화성 물품은 모놀리스 대형 블록(퍼니스 벽용), 국자, 스파우트(spout), 론더(launder), 투약 튜브, 플런저, 핀, 플로트(float), 턴디시(tundish), 헤드 박스, 도가니, 버너 팁, 필터, 단열/전도성 벽돌, 단열/전도성 판자, 디퓨저, 및 흡수제를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 ASTM C830에 따라 측정된 35% 내지 65%의 겉보기 다공도를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은, 40% 내지 60%의 겉보기 다공도, 및 45% 내지 55%의 겉보기 다공도를 포함하는 35% 내지 60%의 겉보기 다공도를 갖는다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은, ASTM C830에 따라 측정된, 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 1.05 g/cm3 내지 2.15 g/cm3의 부피 밀도, 1.1 g/cm3 내지 2.1 g/cm3의 부피 밀도, 1.15 g/cm3 내지 2.05 g/cm3의 부피 밀도, 1.25 g/cm3 내지 1.9 g/cm3의 부피 밀도, 1.3 g/cm3 내지 1.6 g/cm3의 부피 밀도, 및 1.1 g/cm3 내지 1.65 g/cm3의 부피 밀도를 포함하는 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도를 갖는다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은, ASTM C830에 따라 측정된, 2.2 g/cm3 내지 3.7 g/cm3의 비밀도(specific density), 2.5 g/cm3 내지 3.1 g/cm3의 비밀도, 2.6 g/cm3 내지 3 g/cm3의 비밀도, 및 2.7 g/cm3 내지 2.9 g/cm3의 비밀도를 포함하는 2.15 g/cm3 내지 3.75 g/cm3의 비밀도를 갖는다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은, ASTM C133의 수정된 버전(표준 2 인치×2 인치×2 인치 시편과 달리 1.5 인치×1.5 인치×2 인치 시편 사용)에 따라 측정된, 4.5 MPa 내지 22 MPa의 CCS, 4.65 MPa 내지 20 MPa의 CCS, 5 MPa 내지 15 MPa의 CCS, 5.5 MPa 내지 10 MPa의 CCS, 10 MPa 내지 25 MPa의 냉간 파쇄 강도, 15 MPa 내지 25 MPa의 CCS, 및 17 MPa 내지 22 MPa의 CCS를 포함하는 4 MPa 내지 25 MPa의 냉간 파쇄 강도(CCS)를 갖는다. CCS는 실온에서 압축 하중 하에서 파손에 견디는 내화성 물품의 능력을 나타낸다. CCS는 압축 시험 시 내화성 물품의 구성요소의 결합 강도를 나타내는 것으로 볼 수도 있다.
실시양태에서, 본 개시내용의 실시양태에 따라 제조된 내화성 물품은 0.01% 내지 0.25%의 치수 수축, 및 0.01% 내지 0.15%의 치수 수축을 포함하는 0% 내지 0.3%의 치수 수축(절대값)을 갖는다. 치수 수축은 그린 강도 물품의 치수 및 내화성 물품의 치수를 측정하고, 그린 강도 물품의 치수와 내화성 물품의 치수 사이의 차이를 측정하고, 상기 차이를 그린 강도 물품의 치수로 나누어 측정할 수 있다. 이러한 치수 수축은 본 개시내용의 방법이 네트 형상을 갖는 내화성 물품을 형성하는데 사용될 수 있음을 나타낸다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은, ASTM C133의 수정된 버전(표준 9 인치×2 인치×2 인치 시편과 달리 8 인치×1.5 인치×2 인치 시편 사용)에 따라 측정된, 1.05 MPa 내지 3.3 MPa의 CMOR, 1.1 MPa 내지 3.25 MPa의 CMOR, 1.25 MPa 내지 3 MPa의 CMOR, 1.5 MPa 내지 2.5 MPa의 CMOR, 1.75 MPa 내지 2.25 MPa의 CMOR, 1 MPa 내지 2 MPa의 CMOR, 1.75 MPa 내지 3.3 MPa의 CMOR, 및 2 MPa 내지 3.25 MPa의 CMOR을 포함하는 1 MPa 내지 3.5 MPa의 냉간 파괴 계수(CMOR)를 갖는다. CMOR은 내화성 물품의 중요한 파라미터인데, 이는 내화성 물품의 탄성 영역의 한계에서의 내화성 물품의 강도를 나타내기 때문이다. CMOR은 파괴 시험을 사용하여 측정된다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 3 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비를 갖는다. 특정 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 4 MPa/g/cm3 내지 14 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비, 4.1 MPa/g/cm3 내지 13.75 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비, 및 5 MPa/g/cm3 내지 13.75 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비를 포함하는 3.5 MPa/g/cm3 내지 14.5 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1.1 g/cm3 내지 2.1 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 60%의 겉보기 다공도, 및 4 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1.12 g/cm3 내지 2 g/cm3의 부피 밀도, 40% 내지 60%의 겉보기 다공도, 및 4 MPa/g/cm3 내지 14 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1.1 g/cm3 내지 1.7 g/cm3의 부피 밀도, 40% 내지 60%의 겉보기 다공도, 및 4.1 MPa/g/cm3 내지 14 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비, 및 10 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비를 포함하는 4 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비를 갖는다. 부피 밀도에 대한 CCS의 비는 "비 냉간 파쇄 강도(specific cold crush strength)"로 지칭되는 정규화이다. 이러한 정규화는 다양한 재료의 CCS를 비교하는 데 유용하다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 0.5 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 0.5 MPa/g/cm3 내지 10 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 0.5 MPa/g/cm3 내지 8 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 0.5 MPa/g/cm3 내지 6 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 0.65 MPa/g/cm3 내지 3 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 0.75 MPa/g/cm3 내지 2.25 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비, 0.85 MPa/g/cm3 내지 2.1 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비, 및 0.95 MPa/g/cm3 내지 2.05 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 포함하는 0.65 MPa/g/cm3 내지 2.5 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1.1 g/cm3 내지 2.1 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 60%의 겉보기 다공도, 및 0.75 MPa/g/cm3 내지 2.1 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1.12 g/cm3 내지 2 g/cm3의 부피 밀도, 40% 내지 60%의 겉보기 다공도, 및 0.85 MPa/g/cm3 내지 2.1 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 갖는다. 부피 밀도에 대한 CMOR의 비는 "비 냉간 파괴 계수(specific cold modulus of rupture)"로 지칭되는 정규화이다. 이러한 정규화는 다양한 재료의 CMOR을 비교하는 데 유용하다.
실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 세공의 등방성 분포를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, ASTM C133의 수정된 버전(표준 2 인치×2 인치×2 인치 시편과 달리 1.5 인치×1.5 인치×2 인치 시편 사용)에 따라 측정된 4 MPa 내지 25 MPa의 CCS, 및 세공의 등방성 분포를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, ASTM C133의 수정된 버전(표준 9 인치×2 인치×2 인치 시편과 달리 8 인치×1.5 인치×2 인치 시편 사용)에 따라 측정된 1 MPa 내지 3.5 MPa의 CMOR, 및 세공의 등방성 분포를 갖는다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 3 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CCS의 비, 및 세공의 등방성 분포를 갖는다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 개시내용의 방법은 몰드에 수성 슬러리를 캐스팅하기 전에 내화성 섬유 재료를 수성 슬러리에 첨가하여, 섬유 강화 내화성 물품을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 섬유 강화 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 6 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 냉간 파괴 계수(CMOR)의 비를 가질 수 있다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 섬유 강화 내화성 물품은 1.1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 8 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 가질 수 있다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 섬유 강화 내화성 물품은 1.2 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 10 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 가질 수 있다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 섬유 강화 내화성 물품은 1.5 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 12 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 가질 수 있다. 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 섬유 강화 내화성 물품은 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 6 MPa/g/cm3 내지 10 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 CMOR의 비를 가질 수 있다. 내화성 섬유 재료로 강화되는 경우, 내화성 섬유 재료가 차지하는 부피가 세공 형성 과정에 관여하지 않기 때문에 내화성 물품은 통상적으로 다공도가 적어지지만, 높은 부피 밀도에 대한 CMOR의 비로 입증되는 바와 같이 높은 강도를 나타낸다.
실시예
하기 실시예는 본 개시내용의 방법에 따라 제조된 내화성 물품의 특정 예시적 실시양태를 예시한다. 실시예는 오로지 예시의 목적으로 제공되며, 이의 여러 변형은 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 가능하기 때문에, 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
내화성 물품의 3개의 샘플(샘플 A 내지 C)을 본 개시내용의 방법에 따라 제조하였다. 각각의 샘플을 제조하기 위해, 수성 슬러리를 형성하였다. 각각의 샘플을 제조하는 데 사용되는 수성 슬러리는 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제의 혼합물을 포함한다. 각각의 수성 슬러리(슬러리 A 내지 C)를 형성하는 데 사용되는 각 성분의 중량 백분율(수성 슬러리의 총 중량 기준)을 하기 표 1에 열거한다.
또한, 내화성 물품의 3개의 비교 샘플(샘플 1 내지 3)을 제조하였다. 각각의 비교 샘플을 제조하기 위해, 비교 수성 슬러리를 형성하였다. 비교 수성 슬러리는 샘플 A 내지 C를 형성하는 데 사용된 수성 슬러리와 유사하지만, 본 개시내용의 결합제 시스템을 포함하지 않는다. 각각의 비교 수성 슬러리(슬러리 1 내지 3)를 형성하는 데 사용되는 각 성분의 중량 백분율(비교 수성 슬러리의 총 중량 기준)을 하기 표 1에 열거한다.
Figure pct00001
결합제 시스템은 각각의 슬러리 A 내지 C에 대하여 동일한 조성이며 하기와 같이 제조하였다. 스테인리스강 용기에서 하기 성분을 함께 혼합하여 1 킬로그램의 혼합물을 제조하였다: a) Lantic, Inc.(캐나다 퀘벡주 몬트리올)의 식품 등급 그래뉴당(table sugar)(예를 들어, 수크로스); b) 물; c) 실험실 등급 인산 75 중량%(즉, 75 중량%의 H3PO4와 25 중량%의 물의 혼합물); d) Spectrum Chemical Manufacturing Corp.(미국 뉴저지주 뉴 브런즈윅)의 Ca(H2PO4)·H2O를 포함하는 1염기성 칼슘 포스페이트; 및 e) ACP Chemicals, Inc.(캐나다 퀘벡주 세인트-레너드)의 AlNH4(SO4)2·12 H2O를 포함하는 실험실 등급 알루미늄 암모늄 설페이트.
스테인리스강 용기에 550 그램의 수크로스, 415 그램의 물, 11 그램의 인산(75 중량%), 14 그램의 1염기성 칼슘 포스페이트, 및 10 그램의 알루미늄 암모늄 설페이트를 첨가하고, 이어서 균질 혼합물이 얻어질 때까지 페인트 혼합기로 상기 성분을 함께 혼합하여 혼합물을 제조하였다.
이어서 균질 혼합물을 80℃ 내지 120℃의 온도로 가열하고 이 온도에서 5분 이상 동안 유지하여 캐러멜화 탄수화물 성분을 형성하였다. 캐러멜화 탄수화물 성분을 실온(예를 들어, 20℃ 내지 25℃)에서 냉각시켰다.
다음으로, 1 킬로그램의 캐러멜화 탄수화물 성분에 515 그램의 제1 콜로이드 결합제를 첨가하였다. 제1 콜로이드 결합제는 Nalco Company(미국 일리노이주 내퍼빌)로부터 입수 가능한 NALCO 1144 콜로이드 실리카이다. 이어서 페인트 혼합기를 사용하여 콜로이드 실리카와 캐러멜화 탄수화물 성분을 함께 혼합하여 결합제 시스템을 형성하였다. 혼합은 균질 결합제 시스템을 얻는 데 충분한 시간(이 경우, 약 10분) 동안 실온(예를 들어, 20℃ 내지 25℃)에서 수행하였다.
(표 1에 나타낸 바와 같이) 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제의 필요량을 함께 혼합하여 슬러리 A 내지 C를 형성하였다. 각각의 수성 슬러리를 캐스팅하기 직전에 소량(즉, 약 0.05 중량%)의 유동 개질제(Nalco(미국 일리노이주 내퍼빌)에서 시판되는 Nalco 625)를 각각의 슬러리 A 내지 C에 첨가하였다. 다음으로, 각각의 수성 슬러리를 몰드 내에 캐스팅하고, 슬러리가 들어있는 몰드를 -80℃의 냉동고 온도에서 냉동고에 두고 밤새(예를 들어, 약 18 내지 24시간 동안) 냉동고에 두었다. 슬러리는 몰드 내에서 굳어져서 그린 강도 물품을 형성하였고, 이를 탈형시키고 700℃의 오븐 온도의 오븐에서 2 내지 3시간 동안 즉시 소성하여 내화성 물품 샘플(즉, 슬러리 A 내지 C에 상응하는 샘플 A 내지 C)을 제조하였다. 형성된 내화성 물품 샘플을 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 다양한 물리적 및 기계적 특성에 대하여 시험하였다. 비교 샘플(샘플 1 내지 3)을 샘플 A 내지 C에 대하여 상기한 것과 유사한 방식으로 제조하고, 동일한 물리적 및 기계적 특성에 대하여 시험하였으며, 이의 결과도 하기 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2에서 확인할 수 있듯이, 본 개시내용에 따라 형성된 내화성 물품(샘플 A 내지 C)은 비교 내화성 물품(샘플 1 내지 3)에 비하여 통계적으로 유의한 더 높은 냉간 파쇄 강도 및 냉간 파괴 계수 값을 나타내었다. 또한, 샘플 A 내지 C의 겉보기 다공도 값은 비교 샘플 1 내지 3의 겉보기 다공도 값보다 통계적으로 유의하게 더 높았다. 또한, 부피 밀도에 대한 냉간 파쇄 강도의 비 및 부피 밀도에 대한 냉간 파괴 계수의 비도 비교 샘플 1 내지 3에 비하여 샘플 A 내지 C에서 통계적으로 유의하게 더 높았다. 이러한 비는 본 개시내용에 따라 제조된 내화성 물품(샘플 A 내지 C)이 비교 내화성 물품(샘플 1 내지 3)보다 기계적으로 더 강함을 나타낸다.
샘플 A 내지 C에서 나타난 개선된 강도는 본 개시내용의 방법을 사용하여 생성된 세공의 등방성 분포에서 비롯된다고 여겨진다. 도 1은 내화성 충전물로서 규소 카바이드를 사용한 샘플 C에 해당하는 내화성 물품의 광학 디지털 현미경 이미지를 도시한다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 내화성 물품 전체에 걸쳐 내화성 물품의 세공은 균일한 크기, 형상, 및 분포를 갖는다. 반면에, 도 2는 내화성 충전물로서 규소 카바이드를 사용한 샘플 3에 해당하는 비교 내화성 물품의 유사한 이미지를 도시한다. 도 1에 도시된 샘플 C의 세공의 등방성 분포와는 달리, 도 2에 도시된 샘플 3의 세공은 샘플 3의 내화성 물품 전체에 걸쳐 분명히 균일한 크기, 형상, 또는 분포를 갖지 않는다.
본 개시내용은 이의 실시양태의 기술에 의해 예시되었고, 실시양태는 상당히 상세하게 기술되었지만, 본 출원인들은 어떠한 방식으로든 첨부된 청구범위의 범위를 이러한 세부사항에 한정하고자 하지 않는다. 추가 이점 및 변형은 당업자에게 쉽게 나타날 것이다. 따라서, 보다 넓은 측면에서, 본 개시내용은 도시되고 기술된 특정 세부사항, 대표적인 조성물 및 공정, 및 예시적 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 이러한 세부사항으로부터의 벗어남(departure)이 이루어질 수 있다.

Claims (22)

  1. 내화성 물품의 제조 방법으로서,
    a) 결합제 시스템, 내화성 충전물, 및 제2 콜로이드 결합제를 혼합하여 수성 슬러리를 형성하는 단계;
    b) 상기 수성 슬러리를 몰드 내에 캐스팅하는 단계로서, 상기 수성 슬러리는 슬러리 캐스팅 온도에 있는 것인 단계;
    c) 상기 수성 슬러리가 들어있는 상기 몰드를 그린 강도(green strength) 물품을 형성하는 데 충분한 시간 동안 상기 슬러리 캐스팅 온도보다 낮은 온도에 적용하는 단계; 및
    d) 상기 그린 강도 물품을 열 균질성을 달성하는 데 충분한 시간 동안 450℃ 이상의 온도에서 소성하여, 내화성 물품을 형성하는 단계
    를 포함하는 내화성 물품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 보강재를 몰드 내에 또는 몰드 상에 배치하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수성 슬러리가 들어있는 몰드를 -195℃ 내지 0℃의 온도에 적용하는 것인 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수성 슬러리가 들어있는 몰드를 -100℃ 내지 -30℃의 온도에 적용하는 것인 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 그린 강도 물품을 탈형시키는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 그린 강도 물품을 소성 단계 전에 건조 단계에 적용하지 않는 것인 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    물 및 탄수화물을 포함하는 혼합물을 제조하는 것;
    상기 혼합물을, 탄수화물이 캐러멜화되고 캐러멜화 탄수화물 성분이 형성되는 데 효과적인 시간 동안 캐러멜화 온도로 가열하는 것; 및
    상기 캐러멜화 탄수화물 성분과 제1 콜로이드 결합제 및 보조제를 혼합하여 결합제 시스템을 형성하는 것
    을 포함하는 결합제 시스템을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제 시스템은 캐러멜화 탄수화물 성분, 제1 콜로이드 결합제, 및 보조제를 포함하는 것인 제조 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 수크로스, 글루코스, 프룩토스, 갈락토스, 말토스, 또는 락토스 중 1종 이상으로부터 유도되는 것인 제조 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 콜로이드 결합제는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 지르코니아, 콜로이드 이트리아, 유기 변성 콜로이드 실리카, 유기 변성 콜로이드 암모니아, 유기 변성 콜로이드 지르코니아, 또는 유기 변성 콜로이드 이트리아 중 1종 이상을 포함하는 것인 제조 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 보조제는 산, 무기 습윤제, 또는 산성 포스페이트 접착제 중 1종 이상을 포함하는 것인 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 보조제가 산을 포함하는 경우, 상기 산은 인산, 황산, 시트르산, 아세트산, 붕산, 또는 옥살산 중 1종 이상을 포함하고;
    보조제가 무기 습윤제를 포함하는 경우, 상기 무기 습윤제는 알루미늄 암모늄 설페이트, 마그네슘 설페이트, 알루미늄 설페이트, 또는 칼슘 설페이트 중 1종 이상을 포함하고;
    보조제가 산성 포스페이트 접착제를 포함하는 경우, 상기 산성 포스페이트 접착제는 칼슘 포스페이트, 마그네슘 포스페이트, 또는 알루미늄 포스페이트 중 1종 이상을 포함하는 것인 제조 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 캐러멜화 탄수화물 성분은 결합제 시스템의 5 중량% 내지 70 중량%를 차지하고, 보조제는 결합제 시스템의 0.25 중량% 내지 10 중량%를 차지하고, 제1 콜로이드 결합제는 결합제 시스템의 25 중량% 내지 90 중량%를 차지하는 것인 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 내화성 충전물은 실리케이트, 금속 산화물, 보라이드, 니트라이드, 카바이드, 설파이드, 플루오라이드, 알루미나이드, 합성 유리, 유리 섬유, 내화성 세라믹 섬유, 비내화성 세라믹 섬유, 흑연, 골회(bone ash), 알루미늄 티타네이트, 또는 칼슘 알루미네이트 중 1종 이상을 포함하는 것인 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 콜로이드 결합제는 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 콜로이드 지르코니아, 콜로이드 이트리아, 유기 변성 콜로이드 실리카, 유기 변성 콜로이드 암모니아, 유기 변성 콜로이드 지르코니아, 또는 유기 변성 콜로이드 이트리아 중 1종 이상을 포함하는 것인 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 소성 단계 후 내화성 물품을 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 결합제 시스템은 수성 슬러리의 2 중량% 내지 10 중량%를 차지하고, 내화성 충전물은 수성 슬러리의 40 중량% 내지 75 중량%를 차지하고, 제2 콜로이드 결합제는 수성 슬러리의 20 중량% 내지 50 중량%를 차지하는 것인 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 내화성 물품.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 내화성 물품으로서, 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 4 MPa/g/cm3 내지 25 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 냉간 파쇄 강도의 비를 특징으로 하는 내화성 물품.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 내화성 물품으로서, 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 0.6 MPa/g/cm3 내지 2.5 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 냉간 파괴 계수의 비를 특징으로 하는 내화성 물품.
  21. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 내화성 물품으로서, 1 g/cm3 내지 2.2 g/cm3의 부피 밀도, 35% 내지 65%의 겉보기 다공도, 및 세공의 등방성 분포를 특징으로 하는 내화성 물품.
  22. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 내화성 물품으로서, 내화성 섬유 재료로 강화되고, 1 g/cm3 내지 2.5 g/cm3의 부피 밀도 및 6 MPa/g/cm3 내지 15 MPa/g/cm3의 부피 밀도에 대한 냉간 파괴 계수의 비를 갖는 내화성 물품.
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