금회부터는 내화물에 주요하게 사용되고 있는 주원료 및 이들을 이용한 내화물의 특성에 대해 간단히 소개하고자 한다.
[Silicon Carbide계 내화물]
(1) Background
SiC가 주요구성요소인 비산화계 내화물(Non-oxide refactories)은 Silicon Carbide내화물이라 불린다. SiC의 특징때문에 Silicon Carbide내화물은 산화계 내화물(oxide refactories)이 가지지 못한 많은 장점들을 가지고 있다.
SiC 의 장점들은 다음과 같다.
(a) 높은 열전도율
(b) 뛰어난 열충격 저항성
(c) 뛰어난 내 침식성
(d) 비 산화계(Non-oxideing) Slag에 대한 높은 내침식성.
이러한 특징들에 의해서 SIC내화물은 보일러, 비철금속용해로(roof, wall, bottom) , 재 가열로Skid rails, Heat exchange tubes, 세라믹 산업에서 사용되는 tunnel kiln 내의 saggers, 소각로, 등 많은 곳에 사용되고있다. 하지만 비교적 Sic의 가격이 비싸기 때문에 SiC 내화물은 산화계 내화물보다 가격이 비싸다.
(2) Classification of silicon carbide refractories
SiC 내화물은 함유량에 의해 구분 될 수 있다. SiC 80-90wt% 함량제품은 high SiC내화물, 90wt% 이상은 special SiC 내화물로 분류되고 있다.
또한 SiC 내화물은 사용되는 소결조제(sintering aids) 또는 bond type에 따라 분류할 수도 있다. SiC 그 자체로는 스스로 소결하기 어렵기 때문에 소결조제가 반드시 필요하다. 그래서 SiC 내화물의 특징은 사용되는 소결조제에 의해 크게 좌우될 수도 있다.
Table 1은 소결조제의 차이에 의한 SiC내화물의 특징과 분류를 보여주고 있다. SiC 와 소결조제의 특성은 최종특성(제품)에 영향을 미친다.
예를 들면 Clay- bonded SiC 내화물(silicate-bonded)은 여러가지 application에 사용될 수 있다. 하지만 아래와 같은 결점도 가지고 있다.
(a) 낮은 내화도
(b) 상대적 온도에서 낮은 강도
(c) 낮은 열충격 저항성
(d) 낮은 내 침식성(화학적 침식)
Self- bonded SiC 내화물은 아래와 같은 뛰어난 특성을 가지고 있다.
(a) 높은 내화도
(b) 고온에서 높은 강도
(c) 높은 열전도율
(d) 뛰어난 열충격 저항성
(e) 높은 내 침식성
SiC내화물의 가격은 소결조제의 가격에 따라 다양하다.
전통적인(재래식) 내화물의 생산기술에 의해 만들어 지는 제품은 비교적 싼 편이지만 만약 특별 제조공정(self or silicon nitride- bonded type)이 필요한 경우에는 가격이 비교적 비싼 편이다.
(3) Properties of Silicon Carbide
SiC 의 특징은 SiC 내화물에 많은 영향을 주기 때문에 SiC 의 특징을 이해하는 것은 제품의 특성을 이해하는데 기본적인 이해를 제공해 준다.
일반적인 SiC 의 특징은 아래와 같다.
(a) 높은 열전도율
(b) 높은 경도
(c) 뛰어난 내 마모성
(d) 소결된 고순도의 Sic는 고온에서 높은 강도를 가지고 있다.
(e) 상대적으로 낮은 열팽창계수 (4.5 x 10-6/k)
(f) 화학적 attack 에 강하고 ,HCI, H2SO4, Boiling aqueous HF, Fumming, HNO3와 반응하지 않는다.
(g) 비산화계 Slag 에 의한 화학적 attack에 강하다.
(h) 일반적으로 metal에 뛰어난 저항성이 있다.
일반적인 SiC의 결점은 Sintering 이 어렵다는 점이고 산화분위기에서 사용이 제한된다는 것이다.
(4) Raw Materials
내화물에 사용되는 SiC는 합성물질인데 때때로 이것은 “Carborundum”으로불린다. 그것의 순수한 의미에서 SiC는 무색이며 투명한 물질이다.
하지만 내화물에서 사용되는 SiC의 등급은 불순물이 함유되어 있기때문에
색깔을 가지고 있다.
일반적으로 green SiC 는 높은 순도, black SiC는 낮은 순도를 가진것으로 알려져 있다. SiC 내화물용은 색깔에 있어 차이를 보이는데 이것은 별로 중요하지 않다.
SiC는 두가지의 결정구조를 보여주는데 Cubic beta- type 과 hexagonal alpha-Type(많은 polymorphs를 포함하는) 이 있다.
SiC 의 밀도는 3.22 g/cm2 이다.
SiC를 합성하는 여러가지 생산방법이 있다. 그러나 내화물용 SiC를 만들기 위해서 사용되는 공통적인 방법은 “The Acheson method”이다.
이방법은 로 내에 고순도 Quartize 의 혼합물을 두고 전극봉 주위에 또한
Carbon 을 두고 전극봉에 열을 발생시키는것에 의해 SiC를 만드는 방법이다.
Quartz는 SiO2의 원료이고 Coke, Pitch coke, Charcoal 또는 Anthracite는 Carbon의 원료이다. 원료에서 Al, Fe, Mg, Ca등과 같은 불순물은 가능한한 적을수록 좋다. 공정과정에서 온도가 2200-2500°C에 도달하면 SiC는 합성된다. 아래의 반응식은 발생된 상호작용을 나타낸다.
SiO2 + 3C = SiC + 2 CO
전극 근처에서 온도가 높아지기 때문에 그 근처의 SiC 는 불순물의 산화(증발) 로 인해 순도가 높아지게 된다. 그리고 결정 Size는 커지게 된다.
하지만 불순물의 함량과 결정크기에 따라 SiC 의 등급이 매겨지고 공정과정 동안 원료의 위치가 큰 영향을 미친다.
자료 : 원진월드와이드
박형호기자/phh@snmnews.com