단열 내화물은 다공성이 높고, 부피 밀도가 낮으며, 열전도율이 낮은 내화물을 말하며, 경량 내화물이라고도 합니다. 단열 내화물 제품, 내화 섬유, 내화 섬유 제품 등이 포함됩니다. 사용 온도에 따라 저온 단열 내화물은 900℃ 미만의 온도에서 사용되며, 규조토 단열 벽돌, 팽창 실리카 제품, 규산칼슘 보드, 팽창 펄라이트 제품 등이 있습니다. 중온 단열 내화물은 900~1200℃의 온도에서 사용되며, 점토 단열 내화물 벽돌, 규산알루미늄 내화 섬유 등이 있습니다. 고온 단열 내화재료는 사용 온도가 1200℃ 이상인 재료로, 고알루미늄 단열 내화벽돌, 알루미나 단열 내화벽돌, 규산질 단열 내화벽돌, 알루미나 중공구형 벽돌, 지르코니아 중공구형 벽돌, 고알루미나 내화섬유, 다결정 내화섬유(다결정 알루미나 섬유, 다결정 지르코니아 섬유, 다결정 멀라이트 섬유) 등이 있다.
단열 내화 제품의 생산은 주로 경량 원료법, 소성법, 발포법, 화학법 등 다공성 구조를 형성할 수 있는 공정 방법을 채택한다. 알루미늄 실리케이트 내화 섬유, 고알루미나 내화 섬유 등과 같은 비정질 내화 섬유는 일반적으로 용융법으로 생산된다. 멀라이트 섬유, 알루미나 섬유 등과 같은 다결정 내화 섬유는 콜로이드법으로 생산된다.
단열 내화물의 주요 특징은 높은 다공성(일반적으로 45% 이상), 낮은 부피 밀도(일반적으로 1.5g/cm³ 이하), 낮은 열전도율(대부분 1.0W/(m·K) 미만)입니다. 주로 산업용 용광로의 단열재로 사용되는 단열 내화물은 용광로의 열손실을 줄일 뿐만 아니라 열 축적을 감소시켜 최적의 에너지 절약 효과를 얻고 열 설비의 무게를 줄일 수 있습니다. 일반 내화벽돌과 비교했을 때, 단열 내화물은 슬래그 부식 저항성, 기계적 강도 및 내마모성이 떨어집니다. 따라서 가마의 하중 지지 구조물이나 슬래그, 장입물, 용융 금속 등과 직접 접촉하는 부분에는 적합하지 않습니다.
단열 내화 제품의 분류 방법
단열 내화 제품은 기공률이 45% 이상인 내화 제품을 말합니다. 단열 내화 제품의 주요 특징은 높은 기공률과 낮은 부피 밀도입니다. 열전도율이 낮고 열용량이 작아 단열 성능이 우수합니다. 보온성과 내열성이 뛰어나 다양한 열 설비의 단열층으로 사용될 수 있으며, 일부는 작업층으로도 사용될 수 있습니다. 다양한 가마를 제작할 때 에너지 절약형 자재로 활용됩니다. 특히 불연속 열 설비의 경우, 일반적인 고밀도 내화 제품 대신 단열 내화 제품을 용광로 건축 자재로 사용하면 열 저장 및 열 방출 손실을 40~50%까지 줄일 수 있습니다.
단열재 및 내화재 제품에는 여러 종류가 있으며, 일반적으로 사용 온도, 부피 밀도 및 제품 형태에 따라 세 가지 범주로 나뉩니다.
(1) 부피밀도에 따라 분류한다. 부피밀도가 0.4~1.3g/cm3인 것은 경량벽돌이고, 부피밀도가 0.4g/cm3 미만인 것은 초경량벽돌이다.
(2) 작동온도에 따라 분류합니다. 저온 절연재료는 600~900℃, 중온 절연재료는 900~120℃, 고온 절연재료는 1200℃ 이상에서 사용합니다.
(3) 제품 형태에 따라 분류하면 하나는 점토, 고알루미나, 규소 및 일부 순수 산화물 경량 내화벽돌을 포함하는 성형 경량 내화벽돌이고, 다른 하나는 경량 내화 콘크리트와 같은 성형되지 않은 경량 내화벽돌입니다.
단열 내화 제품의 제조 방법은 일반적인 고밀도 재료의 제조 방법과 다릅니다. 제조 방법에는 소각법, 발포법, 화학법, 다공성 재료법 등 여러 가지가 있습니다.
1) 소성 및 재료 첨가법. 가연성 물질 첨가법이라고도 합니다. 숯, 톱밥 등과 같이 쉽게 타는 가연성 물질을 벽돌 제조용 흙에 첨가하여 소성 후 제품에 일정한 기공이 생기도록 합니다.
2) 침지법. 벽돌 제조용 점토에 송진 비누 등의 발포제를 첨가하고 기계적인 방법으로 기포를 발생시킨다. 소성 후 다공성 제품을 얻는다.
3) 화학적 방법. 가스를 적절히 발생시킬 수 있는 화학 반응을 이용하여 벽돌 제조 과정에서 다공성 제품(일반적으로 백운석 또는 페리클라세이드에 석고를 첨가하고 발포제로 황산을 사용)을 얻는다.
4) 다공성 재료 방식. 천연 규조토 또는 인공 점토 기포 클링커, 알루미나 또는 지르코니아 중공 구체 및 기타 다공성 원료를 사용하여 경량 내화벽돌을 제조합니다.
열전도율이 낮고 열용량이 작은 단열 내화 제품을 가마 본체 구조 재료로 사용하면 연료 소비를 절감하고 장비 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한 가마 본체의 무게를 줄이고 구조를 단순화하여 제품 품질을 개선하고 주변 온도를 낮춰 작업 환경을 개선할 수 있습니다. 단열 내화 제품은 주로 가마의 단열층, 내장재 또는 단열층으로 사용됩니다.
1. 알루미나 단열 내화벽돌
알루미나 단열 내화벽돌은 용융 코런덤, 소결 알루미나, 산업용 알루미나를 주원료로 사용하여 강산성 및 강알칼리성 분위기에 대한 내성, 환원성, 우수한 열충격성을 갖는 단열 내화 제품을 만듭니다. 1700℃ 이하의 고온에서 장기간 사용 가능합니다. 제조 공정은 발포법과 소성 첨가제법 두 가지를 채택합니다. 발포법으로 생산된 제품은 균일한 구조, 낮은 열전도율, 우수한 단열 성능을 특징으로 합니다.
알루미나 단열 내화벽돌은 가볍고 압축 강도가 높으며 열전도율이 낮고 재소성 후 부피 수축률이 낮으며 열충격 저항성이 우수합니다. 고온 열 설비나 화염과 직접 접촉하는 용광로의 단열층 및 정밀 열 설비의 작업 내벽에 사용할 수 있지만, 용광로의 액체 및 용융 슬래그와 직접 접촉하는 부식성 환경에는 적합하지 않습니다. 또한 환원 분위기에서 사용할 때 안정성이 더욱 높아집니다. 사용 온도는 제품의 순도에 따라 다르지만 일반적으로 1650~1800°C까지 사용 가능합니다. 이러한 제품의 일반적인 물리화학적 지표는 표 3-105를 참조하십시오.
2. 고알루미늄 단열 내화벽돌
고알루미나 단열 내화벽돌은 주원료인 보크사이트 함량이 48% 이상인 단열 내화 제품입니다. 고알루미나 단열 내화벽돌은 주로 보크사이트를 주원료로 하고, 점토와 혼합한 후 결합제와 톱밥을 첨가하여 만듭니다. 제품 성능 향상을 위해 산업용 알루미나, 코런덤, 실리마나이트, 카야나이트, 실리카 등을 미세 분말 형태로 첨가합니다. 이러한 분말을 사용하여 다양한 부피 밀도와 최대 사용 온도를 가진 제품을 생산할 수 있습니다. 일반적으로 사용 온도는 1250~1350℃이며, 일부 제품은 1550℃까지 견딜 수 있습니다.
고알루미늄 단열벽돌은 주로 발포법으로 생산되며, 제품의 부피 밀도는 0.4~1.0g/cm³이고, 소각 첨가제법으로도 제조할 수 있다. 고알루미늄 단열 내화벽돌의 물리화학적 지표는 표 3-106에 나타내었다.
고알루미늄 단열 내화벽돌은 고온의 용융 물질에 의해 부식되거나 마모되지 않는 단열층 및 부품을 제작하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적인 고알루미늄 단열 내화벽돌은 화염과 직접 접촉할 경우 표면 접촉 온도가 1350℃를 넘지 않아야 합니다. 멀라이트 단열 내화벽돌은 화염에 직접 접촉해도 되며, 내열성, 고강도, 그리고 뛰어난 에너지 절약 효과를 특징으로 합니다. 열분해로, 열풍로, 세라믹 롤러 가마, 전기 도자기 서랍 가마 및 각종 저항로의 내화재로 적합합니다. Al2O3 함량이 82.4%인 코런덤-멀라이트 단열 내화벽돌은 1550℃의 가마 내화재로 사용할 수 있습니다.
3. 점토 기반 단열 내화벽돌
점토계 단열 내화벽돌은 내화 점토를 주원료로 하여 내화 점토, 부유 비드, 내화 점토 클링커 등을 원료로 사용하고 결합제와 톱밥을 첨가하여 제조하는 30~48% Al2O3 함량의 단열 내화 제품입니다. 혼합, 성형, 건조 및 소성 공정을 통해 0.3~1.5g/cm3의 부피 밀도를 갖는 제품을 얻을 수 있으며, 전체 단열 내화벽돌 생산량의 절반 이상을 차지합니다.
점토 단열 내화벽돌의 일반적인 제조 공정은 부유 비드를 이용한 소성 첨가법이며, 발포법도 사용할 수 있다. 점토 기반 단열 내화벽돌의 물리적 지표는 표 3-107을 참조하라.
점토 기반 단열 내화벽돌은 적용 범위가 넓습니다. 주로 열 설비 및 산업용 가마에 사용되며, 고온의 용융 물질에 의해 부식되거나 씻겨 나가지 않는 부품에 적합합니다. 화염과 직접 접촉하는 일부 표면에는 내화 코팅층을 적용하여 슬래그 및 용광로 가스 분진에 의한 침식을 줄이고 손상을 최소화할 수 있습니다. 본 제품의 사용 온도는 환류 라인의 시험 온도를 초과하지 않습니다. 점토 단열벽돌은 다공성 경량 단열재의 일종으로, 30~50%의 다공성을 가지고 있습니다. 단열성은 다소 떨어지지만 기계적 강도와 내식성이 우수합니다.
4. 실리콘 단열 내화벽돌
규산질 단열 내화벽돌은 주원료로 규산을 사용하여 제조되며, 이산화규소(SiO2) 함량이 91% 미만인 단열 내화 제품입니다. 규산질 내화벽돌은 단열성 외에도 기존 규산벽돌의 특성을 상당 부분 유지합니다. 또한, 하중 연화 시작 온도가 높고 가열 과정에서 부피 팽창이 적어 가마의 안정성을 향상시킵니다.
중국 야금 산업 표준 YB386-1994에 명시된 산업용 용광로용 규산질 단열 내화벽돌 GGR-1.20 등급의 성능은 부피 밀도가 1.2g/cm³ 이하이고, 상온 압축 강도가 5MPa 이상이며, 0.1MPa 하중 하에서의 연화 시작 온도가 1520℃ 이상이고, SiO₂ 함량이 91% 이상입니다.
본 제품은 고온의 용융 물질과 직접 접촉하지 않거나 부식성 가스에 직접 노출되지 않는 산업용 가마의 내화벽돌 또는 단열층에 적합합니다. 본 제품의 사용 가능 온도는 1550°C를 초과하지 않습니다.
실리카계 단열 내화벽돌은 실리카 분진으로 인해 인체에 더 유해하며, 점토 및 고알루미늄 단열 내화벽돌보다 제조 공정이 더 복잡하고, 전체 단열 내화재료 생산량에서 차지하는 비중이 작습니다.
5. 규조토 단열 내화벽돌
규조토 단열벽돌은 규조토를 주원료로 하는 단열 내화 제품입니다. 규조토 단열벽돌은 미세한 폐쇄 기공과 높은 다공성을 가지고 있어 우수한 단열 성능을 나타내지만, 기계적 강도가 낮고 특히 습기에 노출되면 강도가 크게 저하됩니다. 주성분은 이산화규소(SiO2)이며, 산화알루미늄(Al2O3)을 비롯하여 철, 칼륨, 나트륨, 칼슘, 마그네슘 산화물 등의 불순물이 함유되어 있습니다.
규조토 단열벽돌의 물리적 지표는 표 3-108에 나타나 있다. 규조토 단열벽돌 제품은 내열성이 떨어지고 내화온도가 약 1280℃에 불과하여 사용온도가 높지 않다. 따라서 900℃ 이하의 단열층에만 사용할 수 있다.
6. 팽창 펄라이트 제품
팽창펄라이트 제품은 펄라이트를 주성분으로 하는 단열 내화 제품입니다. 팽창펄라이트를 골재로 사용하고 적절한 시멘트, 규산나트륨, 인산염 등을 첨가하여 교반, 혼합, 성형, 건조, 소성 또는 양생 과정을 거쳐 단열 제품을 만듭니다. 팽창펄라이트의 밀도는 비교적 낮아 일반적으로 40~120g/cm³에 불과하며, 내화성 또한 높지 않아 일반적으로 1280~1360°C입니다. 바인더 종류에 따라 제품의 최대 사용 온도는 다르지만, 일반적으로 1000°C 미만입니다.
팽창펄라이트 제품은 국가 표준에서 제품의 부피 밀도에 따라 200, 250, 300 및 350kg/m³⁴ 범주로 분류됩니다. 사용된 시멘트의 종류에 따라 시멘트 결합 팽창펄라이트 제품, 규산나트륨 결합 팽창펄라이트 제품, 인산염 결합 팽창펄라이트 제품 및 아스팔트 결합 팽창펄라이트 제품으로 구분됩니다.
7. 팽창 질석 제품
팽창 질석 제품은 팽창 질석을 주원료로 하는 단열 내화 제품입니다. 팽창 질석 제품 생산은 일정 크기의 팽창 질석을 골재로 사용하고, 혼화제와 결합제를 첨가하고, 일정 비율의 물과 혼합한 후, 성형, 건조, 소성 또는 양생 과정을 거쳐 단열 제품을 만드는 방식으로 이루어집니다. 제품의 부피 밀도, 혼화제 및 결합제 종류에 따라 최대 사용 온도가 다르며, 일반적으로 1000°C 이하의 단열층에 사용됩니다. 팽창 질석 제품에는 여러 종류가 있으며, 일반적으로 사용되는 결합제 종류와 골재 종류에 따라 분류됩니다. 결합제 종류에 따라 유기 결합제 제품, 무기 결합제 제품, 유기·무기 복합 결합제 제품으로 나눌 수 있습니다. 골재 종류에 따라 단일 골재 제품, 혼합 골재 제품, 혼화제 제품으로 나눌 수 있습니다.
팽창 질석은 열전도율이 낮고 강도가 약하며 방수 기능이 없어 활용 범위가 매우 제한적입니다. 고강도 접착제를 사용하여 팽창 질석을 접착시켜 완제품을 만들면 팽창 질석 자체보다 강도가 높아져 더 큰 하중을 견딜 수 있습니다. 또한 방수 접착제를 사용하여 팽창 질석을 접착하면 방수 기능을 갖춘 제품을 얻을 수 있어 물이 있는 곳에서도 사용할 수 있습니다. 접착제의 열전도율은 일반적으로 팽창 질석보다 높기 때문에 접착제를 첨가하면 팽창 질석의 활용도가 높아지지만, 단열 효과는 저하됩니다.
8. 칼슘 실리콘 보드
규산칼슘판은 규조토와 석회를 주원료로 하여 만들어지며, 보강섬유를 첨가하여 만든 단열 내화 제품 또한 규산칼슘판 또는 미다공성 규산칼슘판이라고 합니다. 규산칼슘판은 조성에 따라 두 가지로 나뉘는데, 하나는 일반 규산칼슘판으로 CaO/SiO2 비율이 약 0.8이고 광물 조성은 토버모라이트(5CaO·6SiO2·5H2O)입니다. 다른 하나는 경질 규산칼슘판으로 CaO/SiO2 비율이 약 1.0이고 광물 조성은 경질 규산칼슘입니다.
규산칼슘은 부피가 작고, 분리력이 강하며, 열전도율이 낮고, 시공이 간편하며, 손실률이 낮은 등 우수한 특성을 가지고 있습니다. 전 세계적으로 규산칼슘 보드의 밀도는 대부분 220kg/m³ 이하로 규정되어 있으며, 일부 국가에서는 220kg/m³ 이하, 170kg/m³ 이하, 130kg/m³ 이하 등 33가지 종류로 세분화합니다. 중국에서는 240kg/cm³ 이하, 220kg/cm³ 이하, 170kg/cm³ 이하 등 33가지 종류로 분류합니다. 압축강도는 0.4MPa 이상, 굽힘강도는 0.2MPa 이상이며, 열전도율(70℃±5℃)은 0.049~0.064W/(m·K)입니다. 최고 사용온도는 토르베 멀라이트의 경우 650℃, 규산칼슘의 경우 1000℃입니다.
규산칼슘 보드는 톱질이나 못질이 가능하며, 판재, 블록 또는 케이스 형태로 제작할 수 있습니다. 전력, 화학, 야금, 선박 등의 열 파이프라인 및 산업용 용광로의 단열재로 사용될 수 있으며, 건물, 계측기 및 장비의 방화 및 단열재로도 사용됩니다. 또한 고온 건조로 및 터널 가마 차량 플랫폼의 단열층으로도 사용될 수 있습니다. 규산칼슘 보드의 양면에 플라스틱 베니어, 합판, 석면 시멘트 보드 등을 접착하여 단열재로 사용할 수도 있습니다. 전 세계 단열 엔지니어링 재료의 대부분이 규산칼슘 보드를 사용하고 있으며, 일부 국가에서는 산업용 단열재로 사용되는 비율이 70~80%에 달합니다.
9. 부유 입자 벽돌(세노스피어 벽돌)
세노스피어 벽돌은 세노스피어를 주원료로 하는 단열 내화 제품입니다. 우리나라에서는 1970년대 초부터 비산재 세노스피어를 이용하여 점토 기반 단열 내화 벽돌을 생산하기 시작했습니다. 공정이 간단하고 자원이 풍부하여 제품 품질이 우수했습니다. 1980년대 이후로는 다공성 클링커 공법이나 비산재 세노스피어를 소성 첨가하는 공법을 이용하여 세노스피어 벽돌을 생산하고 있습니다.
세노스피어 벽돌은 화력 발전소의 비산재로 만든 알루미늄 실리케이트 유리로 된 속이 빈 구형 구조물입니다. 가볍고, 벽 두께가 얇으며, 속이 비어 있고, 표면이 매끄럽고, 열전도율이 낮으며, 단열 성능이 우수하고, 내화성이 높으며, 압축 강도가 높은 등의 특성을 가지고 있습니다. 이러한 세노스피어의 특성을 활용하여 단열 성능이 뛰어난 내화 재료를 제조할 수 있습니다. 세노스피어 벽돌은 반건식 방식으로 제조할 수 있어 공정이 간단하고 후처리 공정이 필요하지 않습니다.
세노스피어 벽돌은 기계적 강도, 고온 저항성, 열전도율 및 사용 성능 면에서 기존의 중간 블록 단열재보다 우수하며 규산염 섬유와 유사한 성능을 보입니다. 이 소재는 열효율 향상 및 에너지 소비 절감을 위해 1200°C의 고온 산업용 가마에 널리 사용됩니다. 세노스피어 벽돌은 야금, 기계, 화학, 석유, 건축 자재, 경공업, 전력 등 다양한 산업 분야의 산업용 가마 및 고온 설비에 사용되며, 일반적으로 15%에서 40%까지 에너지 절감 효과를 제공합니다. 세노스피어 벽돌은 우수한 신형 경량 칸막이 단열재입니다.
10. 속이 빈 구형 벽돌
알루미나 속이 빈 구형 벽돌
알루미나 중공구형벽돌은 알루미나 중공구를 주원료로 하는 단열 내화 제품입니다. 알루미나 중공구형벽돌의 일반적인 기술 지표는 다음과 같습니다. Al2O3 함량 98% 이상, SiO2 함량 0.5% 이하, Fe2O3 함량 0.2% 이하, 부피 밀도 1.3~1.4g/cm3, 겉보기 기공률 60~80%, 압축 강도 9.8MPa 이상, 하중(0.2MPa)에서의 연화 온도 1700℃ 이상, 열전도율 0.7~0.8W/(m·K)입니다.
일반적인 단열재 및 내화 제품과 비교했을 때, 알루미나 중공 구형 벽돌은 제품 내에 다수의 폐쇄 기공이 존재하는 것이 특징입니다. 따라서 높은 강도와 안정적인 기공 구조, 낮은 밀도 및 낮은 열전도율을 갖습니다. 주로 1800℃ 이하의 고온 산업용 가마 내벽재로 사용되며, 내화물, 전자제품, 세라믹 산업의 고온 가마 내벽 벽돌, 석유화학 산업의 가스화로, 가스로, 석탄 산업용 반응로와 같은 고온 열 설비의 단열층, 야금 산업의 유도 용광로용 단열 벽돌 등으로 활용됩니다.
B 지르코니아 속이 빈 구형 벽돌
지르코니아 중공구형벽돌은 지르코니아 중공구를 주원료로 하는 단열 내화 제품입니다. 이 벽돌의 주 결정상은 입방정 지르코니아(광물 조성의 약 70~80%)이며, 일반적인 특성은 다음과 같습니다. 내화 온도는 2400℃ 이상, 겉보기 다공성은 55~60%, 부피 밀도는 2.5~3.0g/cm³, 압축 강도는 4.9MPa 이상, 열전도율은 0.23~0.35W/(m·K)입니다.
지르코니아 중공구는 단열 성능이 뛰어난 내화 제품입니다. 최대 안전 사용 온도는 2200℃입니다. 지르코니아 중공구 벽돌은 비교적 높은 고온 강도와 안정적인 기공 구조를 가지고 있어 2200℃의 고온에서도 안전하게 사용할 수 있습니다. 지르코니아 중공구 벽돌은 밀도가 낮고 열전도율이 낮아 열 손실을 줄일 뿐만 아니라 열 축적도 감소시킵니다. 따라서 야금, 석유, 화학, 전자 등 열 설비에서 화염에 직접 접촉하는 고온 내화재로 사용하면 에너지 소비를 줄이고 고온로의 무게를 경감시켜 사용 효과가 뛰어납니다.
게시 시간: 2021년 11월 26일