내화물

3. 이용

내화 재료는 다음과 같은 기능을 한다.^[12][2]

• 뜨거운 매체와 용기 벽 사이의 열 장벽 역할
• 뜨거운 매질로 인한 물리적 스트레스 및 용기 벽 침식 방지
• 부식 방지
• 단열 제공

• 고온, 부식, 마모로부터 노체의 보호
• 열 차단, 열 손실 방지

4. 분류

내화물은 화학 조성, 제조 방법, 크기 및 모양, 용융 온도, 내화성, 열전도율 등 다양한 기준으로 분류된다.

• 화학 조성: 실리카(SiO₂)나 지르코니아(ZrO₂) 등 산성 산화물을 주성분으로 하는 산성 내화물, 마그네시아(MgO)나 석회(CaO) 등 염기성 산화물을 주성분으로 하는 염기성 내화물, 그리고 이 두 가지에 모두 속하지 않는 중성 내화물로 나뉜다.
• 제조 방법: 건식 성형, 용융 주조, 수(手)성형, 성형품(일반, 소성 또는 화학 결합), 비성형품(일체형-가소성, 래밍 및 건닝 매스, 캐스터블, 모르타르, 건식 진동 시멘트), 비성형 건식 내화물 등으로 분류된다.
• 형태: 표준 형상과 특수 형상이 있으며, 미리 성형 및 소성되는 정형 내화물과 현장에서 시공되는 부정형 내화물로 나뉜다. 정형 내화물은 열전도율 정도에 따라 내화 벽돌과 내화 단열 벽돌로, 부정형 내화물은 분립체 또는 반죽 흙 상태의 내화물로 시공 방법에 따라 캐스터블, 뿜칠재, 패칭재 등으로 세분되며, 내화 몰탈도 이에 포함된다.
• 용융 온도: 1580°C~1780°C의 융점을 갖는 일반 내화물, 1780°C~2000°C의 융점을 갖는 고급 내화물, 2000°C 이상의 융점을 갖는 초고급 내화물로 분류된다.
• 내화성: 원추형 온도계 (PCE) 시험으로 측정한 PCE 값에 따라 특수 등급, 고급 등급, 중급 등급, 저급 등급으로 나뉜다.
• 열전도율: 열전도율에 따라 전도성, 비전도성, 단열성으로 분류할 수 있다.

4. 1. 화학 조성

• 산성 내화물: 실리카(SiO₂)나 지르코니아(ZrO₂) 등, 산성 산화물을 주성분으로 하는 내화물이다. 규석 벽돌, 납석 벽돌, 점토(샤모트) 벽돌, 지르콘 벽돌 등이 있다.
• 염기성 내화물: 마그네시아(MgO)나 석회(CaO) 등, 염기성 산화물을 주성분으로 하는 내화물이다. 마그네시아-카본질 벽돌, 마그네시아-크롬질 벽돌, 돌로마이트 벽돌 등이 있다.
• 중성 내화물: 산성 내화물, 염기성 내화물 어느 쪽에도 속하지 않는 내화물이다. 고알루미나 벽돌, 탄소질 벽돌, 탄화 규소질 벽돌, 크롬 벽돌 등이 있다.

4. 1. 1. 산성 내화물

• 실리카 내화물: 93% 이상의 실리콘 산화물(SiO₂)을 함유한 내화물이다. 산성이며, 내열 충격성, 플럭스 및 슬래그 저항성, 높은 박리 저항성을 가지고 있다. 철강 산업에서 용광로 재료로 자주 사용된다. 실리카 벽돌의 중요한 특성은 융점까지 높은 하중에서도 경도를 유지하는 능력이다.^[2] 일반적으로 더 저렴하므로 쉽게 폐기할 수 있다. 유기 수지와 혼합할 때 실리콘 산화물(90%)을 덜 사용하면서 더 높은 강도와 더 긴 주조 기간을 제공하는 새로운 기술이 개발되었다.

• 지르코니아 내화물: 주로 지르코늄 산화물(ZrO₂)로 구성된 내화물이다. 열전도율이 낮고, 용융 유리에 쉽게 젖지 않으며, 용융 유리와의 반응성이 낮기 때문에 유리 용광로에 자주 사용된다. 이 내화물은 고온 건축 자재 응용 분야에도 유용하다.

• 알루미노실리케이트 내화물: 주로 알루미나(Al₂O₃)와 실리카 (SiO₂)로 구성된다. 알루미노실리케이트 내화물은 반산성, 점토 복합재 또는 고알루미나 함량 복합재가 될 수 있다.^[15]

4. 1. 2. 염기성 내화물

• '''마그네사이트 내화물'''은 85% 이상의 산화 마그네슘(MgO)으로 구성된다. 석회 및 철이 풍부한 슬래그에 대한 높은 슬래그 저항성, 강한 마모 및 부식 저항성, 높은 하중 하에서의 내화성을 가지며, 일반적으로 야금 용광로에 사용된다.^[16]
• '''돌로마이트 내화물'''은 주로 탄산 칼슘 마그네슘으로 구성된다. 일반적으로 돌로마이트 내화물은 전환로 및 정련로에 사용된다.^[17]
• '''마그네시아-크롬 내화물'''은 주로 산화 마그네슘(MgO)과 산화 크롬(III)(Cr₂O₃)으로 구성된다. 이 내화물은 높은 내화성을 가지며 부식 환경에 대한 내성이 높다.

4. 1. 3. 중성 내화물

• '''탄소 흑연 내화물'''은 주로 탄소로 구성된다. 높은 내화성으로 인해 뛰어난 열적 안정성과 슬래그 저항성을 제공하며, 환원적인 환경에서 사용된다.
• '''크로마이트 내화물'''은 소결된 마그네시아와 크로미아로 구성된다. 고온에서 부피가 일정하고, 내화성이 높으며, 슬래그 저항성이 높다.^[18]
• '''알루미나 내화물'''은 50% 이상의 알루미나(Al₂O₃)로 구성된다.

4. 2. 제조 방법

4. 3. 형태

4. 3. 1. 정형 내화물

4. 3. 2. 부정형 내화물

• '''플라스틱 내화물''' : 섀모트질, 고 알루미나질, 크롬질의 내화 재료를 골재로 하고, 여기에 바인더로서 점토 등을 반죽한 것이다.
• '''캐스터블 내화물''' :
• '''내화 몰탈''' : 주로 내화 벽돌을 쌓을 때 이음매에 시공되는 것을 목적으로 하는 몰탈이다.

4. 4. 용융 온도

• '''일반 내화물'''은 1580°C~1780°C의 융점을 갖는다 (예: 내화 점토).
• '''고급 내화물'''은 1780°C~2000°C의 융점을 갖는다 (예: 크롬철광).
• '''초고급 내화물'''은 2000°C 이상의 융점을 갖는다 (예: 지르코니아).^[7]

4. 5. 내화성

• '''특수 등급:''' PCE 값 33–38
• '''고급 등급:''' PCE 값 30–33
• '''중급 등급:''' PCE 값 28–30
• '''저급 등급:''' PCE 값 19–28

4. 6. 열전도율

5. 용도

내화물은 야금 산업에서 용광로, 가마, 반응기 및 금속 및 슬래그와 같은 뜨거운 매체를 보관하고 운반하는 기타 용기 내벽에 사용된다.^[12] 소성 히터, 수소 개질기, 암모니아 1차 및 2차 개질기, 크래킹로, 유틸리티 보일러, 촉매 크래킹 장치, 공기 가열기 및 황로와 같은 다른 고온 응용 분야에도 사용된다.^[12] 로켓 발사 구조의 화염 방지판 표면에도 사용된다.^[13]

철강 분야에 약 60%가 사용되며,^[21] 그 외에는 시멘트·석회 소성로, 구리 등의 비철 제련, 유리, 소각로 등에 사용된다.

내화물의 사용 목적은 다음과 같다.

• 고온, 부식, 마모로부터 노체를 보호
• 열 차단, 열 손실 방지

참조

_[1] 서적 Concise Dictionary of Earth Sciences Oxford Paperbacks Oxford University Press
_[2] 웹사이트 Refractories and Classification of Refractories https://www.ispatgur[...] 2020-03-06
_[3] 문서 ASTM Volume 15.01 ''Refractories; Activated Carbon, Advanced Ceramics''
_[4] 논문 How cool are refractory materials? http://www.saimm.co.[...] 2016-04-22
_[5] 서적 Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems https://books.google[...] John Wiley & Sons 2010-01-07
_[6] 논문 New Kiln Furniture Solutions for Technical Ceramics
_[7] 서적 Zirconium https://books.google[...] The Rosen Publishing Group 2009
_[8] 서적 Handbook of chemical vapor deposition (CVD): principles, technology, and applications https://books.google[...] William Andrew 2011-04-22
_[9] 웹사이트 Hafnium http://periodic.lanl[...] 2017-08-11
_[10] 서적 McGraw-Hill encyclopedia of science and technology: an international reference work in fifteen volumes including an index https://books.google[...] McGraw-Hill 2011-04-22
_[11] 백과사전 Hafnium http://www.britannic[...] Encyclopædia Britannica, Inc. 2010-12-17
_[12] 웹사이트 Introduction to Refractories https://www.uotechno[...]
_[13] 보고서 Refractory Materials for Flame Deflector Protection System Corrosion Control: Similar Industries and/or Launch Facilities Survey https://ntrs.nasa.go[...] NASA 2009-01
_[14] 웹사이트 Accuratus http://accuratus.com[...] 2014-11-22
_[15] 서적 Vysokoglinozemistye keramicheskie i ogneupornye materialy
_[16] 웹사이트 Magnesite Refractories https://www.termoref[...] 2020-03-06
_[17] 웹사이트 Dolomite brick and magnesia dolomite brick http://www.ruizhiref[...] 2020-03-06
_[18] 웹사이트 Chromite Refractories https://termorefract[...] 2020-03-06
_[19] 웹사이트 れんがについての規格 https://www.ne.jp/as[...] 2016-12-08
_[20] 웹사이트 耐火物の用途 https://www.shinagaw[...] 2016-12-08
_[21] 문서 耐火物協会統計資料