KR100386364B1

KR100386364B1 - 반응결합된탄화규소내화물

Info

Publication number: KR100386364B1
Application number: KR1019970700768A
Authority: KR
Inventors: 백 에이치. 킴
Original assignee: 더 카보런덤 컴파니
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1995-08-28
Publication date: 2003-08-19
Anticipated expiration: 2015-08-28
Also published as: DE69516703T2; ZA957073B; EP0783467B1; US5504046A; BR9509007A; DK0783467T3; US5563108A; KR970704644A; EP0783467A4; WO1996008450A1; DE69516703D1; EP0783467A1; AU701442B2; ES2148551T3; AU3416395A; JP3311755B2; JPH10500095A; US5459112A; CA2199394A1; GR3034089T3

Abstract

본 발명은 결합상이 옥시질화규소 및 알루미나 양자를 상당량 포함하는 내마모성, 내산화성 및 균일성이 우수한 반응결합된 탄화규소물품을 제공한다. 또한 이 반응결합된 물품을 제조하기 위한 생배치 및 방법도 제공한다.

Description

반응결합된 탄화규소 내화물{REACTION-BONDED SILICON CARBIDE REFRACTORY PRODUCT}

탄화규소는 강도, 경도 및 내마모성이 높다고 잘 알려져 있다. 따라서 탄화규소는 이들 특성을 요구하는 많은 용도에 사용되고 있다. 경도 및 내마모성이 중요한 용도중에는 광물처리용 사이클론 분리기, 입자석탄 연소 화력발전소용 버너 라이너 등이 있다. 이들 제품과 공정에 실질적으로 순수한 탄화규소를 이용할 수도 있겠지만 그러한 제품은 관심있는 모든 형상 및 크기로 입수할 수 없고 제조하기 어려우며 제조비용이 많이든다. 따라서 많은 용도에 반응결합된 탄화규소가 사용되고 있다.

반응결합된 탄화규소는 반응물로부터 적소에 생성된 연속 결합상의 매트릭스내에 함께 유지된 비연속 탄화규소 입자상을 포함한다. 반응결합된 탄화규소에서 전형적으로 발견되는 결합상으로는 예컨대 질화규소, 옥시질화규소 및 SiAlON을 들 수 있다.

질화규소 Si₃N₄와 결합된 탄화규소는 양호한 내마모성을 갖는 내화물품을 만들며, 그러한 제품은 수년동안 시중에서 입수가능하였다. 예를들어 U.S. 2,752,258은 탄화규소에 대한 결합상으로서 질화규소의 사용을 개시하고 있다. 이 개시에서는 탄화규소입자를 규소금속 분말 및 물과 친밀하게 혼합한 다음 성형된 미소성체(green body)를 실질적으로 모든 규소금속을 질화규소로 전환시키는데 필요한 기간 및 온도에서 비산화성 질소 분위기하에 소성시킴으로써 탄화규소입자가 함께 유지된다.

U.S. 2,618,565, U.S. 2,636,828 및 U.S. 3,206,318은 질화반응에서 규소금속을 질화규소로 전환시키기 위한 촉매로서 각각 플루오르화물, 철 분말, 바나듐 금속 또는 바나듐을 함유하는 화합물의 사용을 개시하고 있다. U.S. 4,990,469는 탄화규소, 규소, 알루미나 및 산화철의 슬립 캐스터블 혼합물을 질화시키는 것에 의한 질화규소결합된 탄화규소의 제조법을 기술하고 있다.

통상의 소성온도에서 고체인 규소금속과 기체 질소간의 질화반응은 이 반응물들이 별개의 상에 있다는 점에서 불균일 반응이며, 그 반응속도는 고체로의 질소 확산 또는 이송 속도에 의해 결정될 수 있다. 따라서 반응결합된 제품의 조성 및 물성은 탄화규소의 입자크기 및 미소성체의 기공률과 같은 변수에 어느 정도 좌우된다고 예상할 수 있다.

이 불균일 질화반응은 또한 질화규소 이외의 결합상을 얻는데 사용될 수 있다. 예를 들면 결합상의 주성분이 옥시질화규소 Si₂ON₂인 반응결합된 탄화규소는입자 탄화규소, 규소금속 분말 및 산소원을 포함하는 혼합물을 질화시켜 제조한다. 그 결과로 얻어진 내화물품은 매우 양호한 내마모성을 갖는다. 이들 제품은 Carborundum사(뉴욕주 나이애가라 폴즈)로부터 CAST REFRAX

내화물로서 입수가능하다.

SiAlON은 양호한 내마모성을 갖는 반응결합된 탄화규소를 만드는데 유용한 또 하나의 결합상이다. "SiAlON"은 질화규소 및 옥시질화규소와 같은 화합물내의 규소 및 질소원자의 알루미늄 및 산소원자로의 치환으로 인해 생성되는 안정한 고용체를 나타내기 위해 새로 만든 약성어이다. 전부는 아니지만 일부의 규소 및 질소원자가 치환되므로 SiAlON은 단일 물질이 아니라 서로 다른 치환도를 나타내는 일정 범위의 조성물을 나타낸다. β'-SiAlON은 β-질화규소로부터, O'-SiAlON은 옥시질화규소로부터 얻어진다.

SiAlON 결합된 탄화규소는 탄화규소입자, 규소, 알루미늄원 및 산소원의 혼합물을 질화시켜 제조할 수 있다. 예를 들면 U.S. 특허 4,243,621, 4,578,363 및 5,302,329는 β'-SiAlON 결합된 탄화규소의 제조법을 개시하고 있다. U.S. 4,506,021은 O'-SiAlON 요업 제품을 개시하고 있다.

시중에서 입수가능한 것을 포함하여 반응결합된 탄화규소물품은 그 특성이 화학조성뿐 아니라, 미소성체가 아주 얇지 않는 한 미소성체의 기공률, 생배치(raw batch)의 입자크기 분포 및 제작방법에도 좌우될 수 있는 것으로 알려져 있다. 요업체의 특성은 주로 위에서 지적한 바와 같이 질화반응에서의 속도결정 스텝이 미소성체로의 질소가스 확산속도라는 사실의 결과라고 여겨진다. 열역학보다는화학속도론이 많은 불균일 화학반응의 성과를 제어하는 것으로 알려져 있다. 이 사실을 기초로 하여 이 사실이 불균일 질화공정으로부터 얻어지는 제품에 어떤 영향을 미치는 지에 관한, 구속력 없는 설명으로서 다음을 제공한다.

질화반응은 소성이 개시되어 계속됨에 따라 미소성체의 표면으로부터 내부 코어로 진행된다. 이러한 진행은 미소성체내의 공극 또는 기공을 통한 질소가스의 확산을 요구할 것으로 생각된다. 즉 확산속도 및 반응속도는 미소성체의 기공률에 좌우된다. 질화가 미소성체의 표면으로부터 안쪽으로 진행되어 감에 따라 표면 근처의 기공중 일부는 대개는 질화하게 되나 여전히 질소원자로 채워져 있을 것이며 이 질소원자가 더 내부로 진행하는 것은 질화생성물에 의해 차단될 것이다. 따라서 더 이상의 질소 침투, 확산 및 질화에 이용가능한 공극수는 감소된다.

그결과 반응속도가 감소되고, 아마 표면으로부터 미소성체의 더 안으로 진행된 채 방치되는 미반응 규소가 있게 될 것이다.이것은 미소성체가 표면으로부터, 특히 표면에서 시작하는 기공의 양이 적은 경우 특히 명백하다. 더욱이 질화반응은 발열반응이며, 이것은 질소확산속도와 질화반응의 고유속도 둘 다에 영향을 미치는 추가의 복잡한 문제를 도입한다.

만일 슬립 또는 다른 함수 생배치로부터 미소성체를 제조하는데 석고 금형을 사용한다면, 물품 표면으로부터 코어로 질화의 점진적 이행이 훨씬 더 현저하게 된다. 주조 미소성체는 코어에서보다는 석고와 접촉하는 표면에서 더 치밀한, 즉 덜 다공성인 소성품을 만드는데, 이것은 표면에서 일어나는 석고의 모세관 현상 때문이다. 석고는 먼저 표면에서 물을 뽑아내는 경향이 있으며, 평형을 회복하기위한, 내부에서 표면으로의 물의 이송은 고체 미소성체에서 지체된다. 미소성체를 건조 및 소성시킬 때의 잔류수 증발은 추가의 기공을 야기한다. 미소성체 표면의 저기공률은 미소성체로의 질소가스 확산을 지체시키며 질소반응을 지연시키고 표면 "스킨(skin)"이 소성된 반응결합된 탄화규소 물품상에 존재하게 한다.

이러한 질화상의 문제때문에 시중에서 입수가능한 반응결합된 탄화규소 제품의 대부분은 그 특성이 물품 전체에 걸쳐 균일하지 않다.그들은 "스킨"이 닳을 때까지 매우 양호한 내마모성을 갖든지 물품 전체에 걸쳐 최저한의 내마모성을 갖든지 한다. 또한 반응결합된 탄화규소 제품의 다수는 제품이 상승된 온도에서 산화 조건에 노출될 때 제품의 내마모성이 급속히 열화된다는 점에서 비교적 불량한 내산화성을 제공한다.

이상적인 방수성 내화물품은 첫째로 우수한 내마모성을 가져야 한다. 내마모성은 물품이 상승된 온도에서 산화조건에 장기간 노출될 때도 높게 유지되어야 한다. 더욱이 물품의 내마모성은 표면 스킨내에서 뿐만 아니라 물질 전체에 걸쳐서 높아야 한다. 사실상 내화물품의 크기 또는 형상에 관계없이 내화물품 전체에 걸친 화학 조성과 물성 양자의 균일성은 오랫동안 추구된, 그러나 좀처럼 이루어지지 않는 목표이다.

본 발명은 내화물, 특히 탄화규소 내화물의 분야에 속하는 것이며, 보다 상세하게는 본 발명은 옥시질화규소 및 알루미나 양자를 상당량 함유하는 반응결합된 탄화규소 내화물품에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 반응결합된 탄화규소물품 및 종래기술의 벤치마크 반응결합된 탄화규소물품의 소성된 표면의 내마모성을 나타내는 그래프이다.

도 2는 본 발명의 반응결합된 탄화규소물품 및 종래기술의 벤치마크 반응결합된 탄화규소물품으로부터 절단한 코어 샘플 표면의 내마모성을 나타내는 그래프이다.

종래기술로 양호한 내마모성을 갖는 몇가지 반응결합된 탄화규소 제품이 제조되긴 하였으나, 내마모성은 종종 물품의 표면에 국한되거나 물품을 특히 고온에서 산화조건에 노출시킬 때 극적으로 열화되었다. 따라서 시중에서 입수가능한원료를 사용하여 합당한 가격으로 제조할 수 있는 우수한 특성을 갖는 반응결합된 탄화규소 제품에 대한 요구는 계속되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 현재 입수가능한 벤치마크 재료의 것보다 우수한 내마모성을 갖는 반응결합된 탄화규소 내화물품, 내마모성이 물품 전체에 걸쳐 높게 유지되는 물품, 매우 양호한 내산화성을 나타내기도 하는 내마모성 물품, 및 조성과 특성이 현재 입수가능한 벤치마크 재료가 나타내는 것보다도 전체에 걸쳐 더 균일한 반응결합된 탄화규소 내화물품을 제공하는 것이다.

그 목적을 달성함에 있어서 본 발명은 또한 상기 내화물품의 대량생산에 유용한 시중에서 입수가능한 반응물들을 함유하는 생배치와, 상기 우수한 반응결합된 탄화규소 내화물품을 상기 생배치로부터 비교적 저가로 제조하는 방법을 제공한다.

따라서 본 발명은 탄화규소상이 내화물의 약 65중량%(이하 "wt%") 내지 약 85wt%를 구성하고, 결합상이 내화물의 약 35wt% 내지 약 15wt%를 구성하고, 결합상이 옥시질화규소 및 알루미나 양자를 상당량 함유하는, 반응결합된 탄화규소 내화물품을 제공한다. 본원의 명세서에서 "상당량"이란 결합상의 적어도 약 30wt%를 의미하며, 여기서 사용되는 옥시질화규소란 용어는 옥시질화규소와 O'-SiAlON의 혼합물을 말한다.

본 발명의 반응결합된 탄화규소 내화물품은 고체와 담체를 함유하는 생배치로부터 제조된다. 담체는 생배치로 하여금 원하는 형상을 갖는 미소성체로 성형되게 하나 계속해서 생배치를 건조시킨 다음 소성시킬 때 미소성체로부터 실질적으로 제거되어 최종 반응결합된 물품에는 존재하지 않는다. 생배치 고체는 규소 적어도약 5wt%, 알루미나 적어도 약 5wt%, 및 실리카 적어도 약 1wt%를 포함하고 나머지는 탄화규소이다. 담체는 표준 기법을 사용하여 성형될 수 있는 생배치를 만들기에 충분한 유형 및 양으로 고체에 가해진다.생배치는 담체를 약 1.5wt% 내지 약 12wt% 함유하며, 본 발명의 일정 구체예에서는 그것의 대부분이 물일 수 있다.

본 발명과 본 발명을 실시할 수 있는 방법 및 수단은 본 명세서에 첨부된 도면과 이후의 상세한 설명에 의해 분명해질 것이다.

본 발명의 반응결합된 탄화규소 내화물품이 제조되는 생배치는 고체와 담체로 이루어진다. 일반적으로 고체는 생배치의 약 88wt% 내지 약 98.5wt%를, 담체는 생배치의 약 12wt% 내지 약 1.5wt%를 구성하게 된다. 고체 성분의 입자크기는 생배치의 유동성이 보장되고 상승된 소성온도에서 소기의 화학반응이 일어날 정도로 충분히 미세해야 한다.

생배치는 탄화규소를 주성분으로 한다. 탄화규소는 생배치 고체의 약 60wt% 내지 약 85wt%, 바람직하게는 약 65wt% 내지 약 80wt%를 구성한다. 알파든 베타든탄화규소 동소체 또는 그 혼합물을 사용할 수 있으며 이것은 시중에서 입수할 수 있다. 그러나 β-탄화규소는 알파형과 비교하여 내산화성이 상대적으로 불량하다. 따라서 이러한 이유로, 또 보다 저가인 것 때문에 베타보다는 알파 동소체가 일반적으로 바람직하다.

필수는 아니지만 다른 입자크기를 갖는 탄화규소 입자의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 입자 패킹을 용이하게 함으로써 기공률을 저하시키고 반응결합된 제품의 내마모성을 증가시킨다. 일반적으로는 탄화규소입자중 어느것도 크기가 약 5㎜(4메시, 미국표준시브)를 초과하지 않아야 하며, 바람직하게는 탄화규소는 크기가 약 3.4㎜(6메시, 미국표준시브)를 초과하지 않아야 한다. 보다 큰 입자가 존재하면, 특히 생배치중의 담체 함량이 기재한 범위의 상한에 가까운 경우, 입자가 생배치 밖에 정착하여 균일하지 않은 제품을 초래하는 경향이 있을 것이다.

생배치 고체는 또한 미세한 규소 금속을 함유하는데 약 5wt% 내지 약 16wt%, 바람직하게는 약 7wt% 내지 약 14wt%가 생배치 고체에 존재한다. 약 74 마이크로미터(200메시, 미국표준시브)와 보다 미세한 범위내의 입자크기를 이용할 수 있다.

생배치는 또한 알루미늄원을 함유한다. 알루미나는 고표면적의 반응성 알루미나든 저표면적의 알루미나든 둘 중 하나를 사용할 수 있다. 적어도 약 2㎡/g의 표면적을 갖는 반응성 알루미나가 바람직하다. 알루미나는 생배치 고체의 약 5wt% 내지 약 14wt%, 바람직하게는 약 8wt% 내지 약 11wt%를 구성하게 된다. 금속과 같은 또 다른 알루미늄원보다는 알루미나를 사용하는 것이 생배치 및 이것으로부터 제조되는 내화물품의 특성에 유리한 영향을 미친다고 여겨진다. 예를 들면 알루미늄 금속을 알루미늄원으로서 사용할 때는 실온에서도 알루미늄과 수성담체간에 반응이 있으며, 이 반응은 가스를 만든다. 이 가스의 존재는 상업적 공정에서 곤란하다는 것을 알 수 있다. 이 가스는 제품내 공극, 보다 낮은 제품 밀도 및 최적치 미만의 내마모성을 초래한다.

실리카는 생배치 고체의 약 1wt% 내지 약 7wt%, 바람직하게는 약 2wt% 내지 약 4wt%를 구성한다. 분말 형태의 실리카 동소체중 어느 것이든 충분할 것이나, 실리카는 비정질이고 예를들면 Elken사(펜실베니아주 피츠버그)로부터 20-24㎡/g의 표면적을 갖는 미세한 입자크기의 "Microsilica EMS"로서 입수가능한 "퓸(fume)" 실리카인 것이 바람직하다. 규소원으로서 규소금속에 더하여 실리카를 사용하는 것이 본 발명의 내화물품 제작뿐 아니라 질화반응과정에도 유리한 영향을 미친다고 여겨진다.

고체외에 생배치는 또한 생배치를 주조할 것인지 주형에 주입할 것인지 가압 또는 압출할 것인지의 여부, 당업자에게 잘 알려져 있는 미소성체의 성형기법에 따라 담체 약 1.5wt% 내지 약 12wt%를 포함할 수 있다. 생배치는 물을 포함할 수 있으며 또한 각종 첨가제를 소량으로 함유할 수 있다. 그러한 첨가제로는 예를 들면 결합제, 계면활성제, 해교제 및 pH를 조절하기 위한 소량의 산 또는 염기를 들 수 있다. 바람직한 해교제는 R.T. Vanderbilt 사(미국 코네티컷주 노르워크)가 판매하는 DARVAN (상표) 나트륨 다가전해질이다.

생배치를 주조하게 된다면 생배치의 약 4wt% 내지 약 7wt%, 바람직하게는 생배치의 약 5wt%를 구성하는 수성 담체를 이용할 수 있다. 생배치를 금형에 주입하게 된다면 보다 많은 양의 수성 담체를 사용할 수 있다. 생배치를 가압 또는 압출에 의해 성형하고자 한다면 일반적으로 순간 결합제가 존재하게 되어 생배치의 약 2wt% 내지 약 7wt%, 바람직하게는 생배치의 약 4wt%를 구성할 수 있다. 적합한 순간 결합제는 당업자에게 잘 알려져 있으며 예로서 리그논, 덱스트린 및 폴리(비닐알코올)을 들 수 있다.

생배치 고체 및 담체는 예를 들면 Hobart 사로부터 입수가능한 것과 같은 혼합기에서 함께 배합한다. 배합 후 생배치는 석고 금형 또는 비다공성 금형으로 주조, 주입 또는 가압할 수 있다.그결과 얻어지는 미소성체는 금형으로부터 꺼내서 건조시킨 다음 탄화규소의 소결온도보다 훨씬 낮은 약 1300℃ 내지 약 1500℃ 범위내의 하나 이상의 온도에서, 예컨대 약 1400℃에서, 결합상을 형성하는데 필요한 기간 동안, 몇몇 경우에는 약 50시간까지 소성한다.

소성된 반응결합된 탄화규소물품을 회수한 후, 그것의 내마모성은 "Standard Practice for Conducting Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets"라는 제목의 ASTM G-76-83에 의거한 테스트를 이용하여 팔렉스 에어 젯 에로젼 머신상에서 테스트하는데, 노즐축과 시험편간의 각은 15°로 한다. 에로젼으로 인한 중량 손실을 시간내내 주기적으로 측정한다. 에로젼을 20분 동안 계속하고 그 기간이 끝나 중량손실을 측정할 때 그 테스트를 여기서는 "표준 에로젼 테스트(The Standard Erosion Test)"라고 한다.

반응결합된 탄화규소물품의 내산화성은 "Standard Recommended Practice forEvaluating Oxidation Resistance of Silicon Carbide Refractories at Elevated Temperatures"라는 제목의 ASTM C-863-77에 따라 규정된 기간동안 과열 증기에 노출된 표준 크기 샘플의 중량 및 부피 증가를 결정함으로써 측정한다.

반응결합된 물품의, 곡절강도라고도 불리는 강연도는 "Tests for Cold Crush Strength and Modulus of Rupture of Refractory Brick and Shapes"라는 제목의 ASTM C-133-81에 규정된 3포인트법으로 측정할 수 있다.

반응결합된 물품의 밀도 및 기공률은 당업자에게 잘 알려진 방법으로 측정한다. 반응결합된 내화물품의 여러 성분의 화학조성 및 상 조성은 화학분석 및 X선 회절분석으로 측정한다.

상기 테스트 및 방법을 이용하여 다음 실시예에 따라 제조된 반응결합된 탄화규소물품의 특성을 평가하는데, 실시예는 본발명의 바람직한 구체예를 나타낸다. 동일한 테스트 및 방법을 이용하여 종래기술의 벤치마크 반응결합된 탄화규소 내화물, 즉 Carborundum 사(뉴욕주 나이애가라 폴즈)에 의해 시판되는 CAST REFRAX

3349의 특성을 평가한다.

실시예 1

다음 고체를 함유하는 생배치를 제조한다.

성분	양 (중량%)
탄화규소^a	79
규소^b	7
미세 알루미나	10
실리카	4
	100
^a- 이 탄화규소는 모두 18메시(미국표준시브)와 보다 미세한 크기의 혼합물로 구성된다.^b- 600메시(미국표준시브)와 보다 미세한 것

이 생배치 고체들을 고체 100중량부당 물 5중량부 및 Darvan (상표) 해교제 0.1중량부를 포함하는 담체와 조합한다. 성분들을 혼합한 후 23㎝ X 11.3㎝ X 2.5㎝의 개구를 갖는 석고 금형을 이 생배치 혼합물로 채운다. 약 2시간 동안 방치한 후 상기한 치수의 주조 미소성체를 금형으로부터 꺼내서 건조시킨다. 그 다음 이 미소성체를 약 12시간 동안 1400℃에서 질소분위기하에 가스연소노의 머플에서 소성시키고 계속해서 실온으로 냉각시킨다.

실시예 1의 반응결합된 탄화규소물품을 테스트하기 위해 다이아몬드 톱을 사용하여 2.5㎝(25㎜) 치수에 수직으로 약 5㎝ X 5㎝ X ∼4-5㎜ 두께의 표면 단편 2개와 코어 단편 3개로 절단한다. CAST REFRAX

3349 내화물 샘플의 소성된대로의 표면뿐 아니라 상기 표면 단편 2개의 소성된 대로의 표면에 대해서도 상기한 ASTM G-76-83에 의거한 내마모성 테스트를 실시한다. 결과는 도 1에 나타나 있다. 표준 에로젼 테스트 결과, CAST REFRAX 3349 내화 재료로부터의 중량손실은 약 70㎎이나 본 발명의 내화물품으로부터의 중량손실은 단지 약 40㎎이었다.

유사한 방식으로 본 발명의 내화물품으로부터의 코어 단편 3개의 주요 표면과 CAST REFRAX

3349 내화물의 코어 단편 표면에 대해 동일한 내마모성 테스트를실시한다.결과는 도 2에 나타나 있다. 표준 에로젼 테스트 결과, CAST REFRAX 3349 내화재료로부터의 중량손실은 60-80㎎이나 본 발명의 내화물품으로부터의 중량손실은 단지 약 20㎎이었다(실시예 1의 코어 샘플 표면 3개는 소성된 표면의 어느 한쪽으로부터 각각 10.6㎜, 5.6㎜ 및 15.6㎜ 떨어진 곳에서 얻는다(도 2에서 가장 높은 곡선에서 가장 낮은 곡선으로의 순서)). 소성된 대로의 표면 단편의 내마모성이 일반적으로 더 불량한 것은 코어 단편의 톱질된 표면과 비교하여 소성된 대로의 표면의 거칠기가 더 높기 때문이라고 여겨진다.

실시예 1의 2.5㎝ 두께 내화물품 및 CAST REFRAX

3349 내화물의 표면에 대해, 샘플 표면으로부터 7.6㎝ 떨어진 곳에 90°로 유지된 0.25-0.64㎝ 직경 노즐로부터 0.18㎜와 보다 미세한 갈색 용융 알루미나 블라스팅 매체의 413 kPa 블라스트를 5분 동안 실시하는 또다른 내마모성 테스트에서, CAST REFRAX 3349는 100.8g의 중량손실을 입는데 대하여 본 발명의 내화재료는 단지 15.6g이 손실된다.

ASTM C-863-77에 의거한, 즉 증기하 1100℃에서 500시간 후의 내산화성 테스트에서 실시예 1의 내화물품과 CAST REFRAX 3349 내화물 샘플은 부피가 각각 2-3%와 >15%씩 증가한다.

벤치마크 CAST REFRAX

3349 내화재료와 대비한 실시예 1의 내화물품의 특성 균일성은 도 1 및 도 2의 내마모성 테스트와 기타 연구에서 예시된다. 예를 들면 실시예 1의 내화물품의 소성된 표면 단편과 코어 단편의 밀도는 2.78 내지 2.8g/㎤의 좁은 범위내에서 변화하는데 반하여 CAST REFRAX 3349 내화물품의 표면 및 코어 단편은 밀도가 2.5 내지 2.7g/㎤로 변화한다. 또한 실시예 1의 내화물품의표면 및 코어 단편의 기공률은 7부피%(이하 vol%)와 8vol% 사이에서 단지 약간 변화하며, 표면 및 코어 단편의 곡절강도는 10Kpsi로 동일하게 유지되는 한편 표면 및 코어 단편은 23wt%의 결합상을 균일하게 함유한다.

실시예 1의 내화물품의 표면 단편과 코어 단편 양자의 결합상은 옥시질화규소와 알루미나 양자를 상당량, 즉 적어도 약 30wt% 함유함이 발견된다.표면 단편은 또한 현저한 양의 시알론을 함유한다. 본 발명의 내화물품의 단편 5개의 유리 규소함량은 모두 0.19wt% 내지 0.21wt%의 좁은 범위내에 있다. 대조적으로 CAST REFRAX 3349 내화물의 유사 단편중의 유리규소 함량은 0.14wt% 내지 2.59wt%의 넓은 범위에 걸쳐 있다.

실시예 2

다음 고체를 함유하는 주입가능 생배치를 제조한다.

성분	양 (중량%)
탄화규소^a	76.8
규소	7.1
미세 알루미나	12.1
실리카	4.0
	100.0
^a- 탄화규소는 34메시(미국표준시브)와 보다 미세한 것으로 구성된다.

이 생배치 고체들을 고체 100중량부당 물 11.2부 및 DARVAN (상표) 해교제 0.1부를 포함하는 담체와 조합한다. 이 생배치를 석고 금형에 주입하여 가공한다. 그결과 얻어지는 1.3㎝ 두께의 미소성체를 실시예 1에 기술된 바와 같이 건조시킨 다음 소성시킨다.

소성후 회수되는 반응결합된 탄화규소 내화물품은 밀도가 2.70g/㎤, 기공률이 11.5vol%, 곡절강도(3포인트)가 12Kpsi임이 발견된다. 1350℃에서의 곡절강도는 8Kpsi이다.

실시예 3

다음 고체를 함유하는, 비다공성 금형에서 가압하에 미소성체로 성형하고자 하는 생배치를 제조한다.

성분	양 (중량%)
탄화규소	75.4
규소	13.9
미세 알루미나	8.6
실리카	2.1
	100.0

이 생배치 고체들을 고체 100중량부당 리그논 4.3부 및 물 1.8부를 포함하는 담체와 조합한다. 금형내의 생배치를 34.5MPa에서 가압하여 미소성체로 만들고 이것을 실시예 1에 기술된 바와 같이 건조시킨 다음 소성시킨다.

본 발명의 범위는 이상 개시된 특정 구체예에 한정되도록 의도되지 않는다. 본 발명은 다음 청구의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims

탄화규소상과 결합상으로 이루어지는 반응결합된 탄화규소 내화물품에 있어서, 상기 탄화규소상이 물품의 65wt% 내지 85wt%를 구성하고, 상기 결합상이 30wt% 이상의 옥시질화규소 및 30wt% 이상의 알루미나를 포함하는 내화물품.
제 1 항에 있어서, 표준 에로젼 테스트를 실시할 때 50㎎ 미만의 중량손실을 보이는 것을 특징으로 하는 내화물품.
제 1 항에 있어서, 1100℃에서 500시간 동안 증기 산화를 실시할 때 5% 미만의 부피증가가 있는 것을 특징으로 하는 내화물품.
제 1 항에 있어서, 유리 규소를 1wt% 보다 많이 함유하는 부분이 없는 것을 특징으로 하는 내화물품.
제 1 항에 있어서, 탄화규소 60wt% 내지 85wt%, 규소 5wt% 내지 16wt%, 알루미나 5wt% 내지 14wt%, 및 실리카 1wt% 내지 7wt%로 이루어지는 미소성체를 소성하여 제조된 반응결합된 탄화규소 내화물품.
제 5 항에 있어서, 생배치의 탄화규소가 크기가 5밀리미터보다 크지 않은 입자의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내화물품.
제 5 항에 있어서, 규소가 크기가 74 마이크로미터보다 크지 않은 입자의 혼합물인 것을 특징으로 하는 내화물품.
제 5 항에 있어서, 알루미나가 2㎡/g이상의 표면적을 갖는 반응성 알루미나인 것을 특징으로 하는 내화물품.
고체 88wt% 내지 98.5wt%와 담체 1.5wt% 내지 12wt%로 이루어지고, 상기 고체가 탄화규소 60wt% 내지 85wt%, 규소 5wt% 내지 16wt%, 알루미나 5wt% 내지 14wt%, 및 실리카 1wt% 내지 7wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 항의 반응결합된 탄화규소 내화물품을 제조하기 위한 생배치.
제 9 항에 있어서, 상기 고체가 탄화규소 65wt% 내지 80wt%, 규소 7wt% 내지 14wt%, 알루미나 8wt% 내지 11wt%, 및 실리카 2wt% 내지 4wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 생배치.
반응결합된 탄화규소물품의 제조방법에 있어서,

(a) 탄화규소 60wt% 내지 85wt%, 규소 5wt% 내지 16wt%, 알루미나 5wt% 내지 14wt%, 및 실리카 1wt% 내지 7wt%로 이루어지는 고체와 담체를 포함하는 생배치를제조하고,

(b) 생배치를 미소성체로 가공하고,

(c) 탄화규소상 65wt% 내지 85wt%와 결합상 15wt% 내지 35wt%로 이루어지고, 상기 결합상은 옥시질화규소 30wt% 이상 및 알루미나 30wt% 이상을 포함하는 반응결합된 탄화규소내화물품을 제조하는데 충분한 시간과 온도에서 질소 분위기하에 상기 미소성체를 소성하는 것으로 이루어지는 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 담체가 생배치의 4wt% 내지 7wt%의 양으로 물을 포함하고, 생배치를 금형에 가하고 미소성체를 그 금형으로부터 회수함으로써 생배치를 미소성체로 가공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 담체가 생배치의 2wt% 내지 7wt%의 양으로 결합제를 포함하고, 생배치를 금형에 가압하고 미소성체를 그 금형으로부터 회수함으로써 생배치를 미소성체로 가공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 68.95 메가파스칼(10Kpsi)이상의 파열계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 내화물품.