내화재는 고온(일반적으로 1000~1800°C)에서 물리적, 화학적, 기계적 등의 영향으로 쉽게 녹거나 연화되고, 침식되거나 균열이 생겨 손상될 수 있으며, 이는 작업 중단 및 재료 오염을 초래합니다. 따라서 내화재는 다양한 작업 조건에 적응할 수 있는 특성을 가져야 합니다. 다음은 내화재의 고온 성능을 결정하는 4가지 지표입니다.
(1) 내화성
내화성은 재료가 고온에 노출되었을 때 특정 정도의 연화 현상을 보이는 온도를 말하며, 고온에 대한 재료의 성능을 나타내는 지표입니다. 내화성은 재료가 내화물로 사용될 수 있는지 여부를 판단하는 기준이 됩니다. 국제표준화기구(ISO)는 내화성이 1500℃ 이상인 무기 비금속 재료를 내화재로 규정하고 있습니다. 내화성은 재료의 융점과는 다르며, 다양한 광물로 구성된 다상 고체의 혼합물을 종합적으로 표현한 것입니다.
내화성을 결정하는 가장 근본적인 요소는 재료의 화학적 광물 조성 및 분포입니다. 다양한 불순물, 특히 용해력이 강한 불순물은 재료의 내화성을 심각하게 저하시킵니다. 따라서 원료의 순도를 확보하고 향상시키기 위해 생산 공정에서 적절한 조치를 고려해야 합니다.
내화성은 물질에 특정한 절대적인 물리량이 아니라, 특정 시험 조건에서 측정했을 때 재료가 특정 연화도에 도달했을 때 나타내는 상대적인 기술적 지표입니다. 시험 재료는 규정된 방법에 따라 절두삼각원뿔(시험원뿔) 형태로 제작하고, 굽힘 온도가 고정된 표준 절두삼각원뿔(표준원뿔)을 특정 가열 속도로 가열합니다. 내화성은 시험원뿔의 굽힘 정도와 표준원뿔의 굽힘 정도를 비교하여 측정합니다. 절두삼각원뿔의 아랫변은 각 변의 길이가 8mm이고, 윗변은 각 변의 길이가 2mm이며, 높이는 30mm입니다. 측정 중 고온에서 원뿔 내부에 액상이 나타날 수 있습니다. 온도가 상승함에 따라 액상의 양이 증가하고 액상의 점도가 감소하여 원뿔이 연화됩니다. 연화가 일정 수준에 도달하면 원뿔은 자체 무게로 인해 점차 휘어집니다. 시험용 원뿔과 표준 원뿔을 동시에 구부려 꼭짓점이 섀시에 닿도록 할 때, 측정된 표준 원뿔의 굽힘 온도가 시험용 원뿔의 내화도로 간주됩니다.
하중하 내화물의 연화점 또는 하중하 내화물의 변형 온도라고도 하는 이 온도 범위는 일정한 하중 조건에서 고온과 하중의 복합 작용에 대한 내화물의 저항성 또는 내화물이 뚜렷한 소성 변형을 나타내는 온도 범위를 나타냅니다. 하중하 연화점을 통해 내화물의 최대 사용 온도를 추정할 수 있습니다. 하중하 연화점은 유사한 사용 조건에서 내화물의 구조적 강도를 나타내며, 내화물의 최대 사용 온도를 결정하는 기준으로 사용될 수 있습니다.
하중 하에서의 연화 온도를 결정하는 주요 요인은 재료의 화학적 광물 조성이며, 이는 재료의 제조 공정과도 직접적인 관련이 있습니다. 재료의 소결 온도는 하중 하에서의 연화 변형 온도에 큰 영향을 미칩니다. 소결 온도를 적절히 높이면 기공 감소, 결정 성장 및 양호한 결합으로 인해 변형 시작 온도가 상승합니다. 원료의 순도를 향상시키고 저용융물이나 용매 함량을 줄이면 하중 하에서의 연화 변형 온도를 높일 수 있습니다. 예를 들어, 점토 벽돌의 산화나트륨과 규사 벽돌의 알루미나는 모두 유해한 산화물입니다.
(3) 내화재료의 고온 부피 안정성
내화재는 고온에 장시간 노출되면 부피가 팽창하는데, 이를 잔류팽창이라고 합니다. 내화재의 잔류팽창(변형) 크기는 고온에서의 부피 안정성을 나타냅니다. 잔류변형이 작을수록 부피 안정성이 우수하고, 반대로 부피 안정성이 떨어질수록 벽돌 구조물의 변형이나 손상이 발생하기 쉽습니다.
재연소선의 변화는 재료의 고온 부피 안정성을 판단하는 데 자주 사용되며, 이는 재료 품질을 평가하는 중요한 지표입니다.
대부분의 내화 재료는 고온에서 수축합니다. 재소성 과정에서도 대부분의 내화 재료는 수축하는데, 이는 고온에서 생성된 액상이 기공을 채워 입자가 더욱 조밀해지고 당겨지기 때문입니다. 또한, 재결정화가 일어나 재료의 밀도가 더욱 높아집니다. 재소성 과정에서 팽창하는 재료도 있습니다. 예를 들어, 규사벽돌은 사용 중 다결정 변환으로 인해 팽창합니다. 이는 규사벽돌에 남아 있는 미변환 석영이 고온에서 삼석영이나 정방정으로 계속 변환되기 때문입니다. 부피가 팽창하는 석영은 규사벽돌에 미변환 상태로 약 10%를 차지합니다. 재료의 재소성 수축 및 팽창을 줄이기 위해서는 소성 온도를 적절히 높이고 유지 시간을 연장하는 것이 효과적이지만, 온도가 너무 높으면 재료 구조가 유리화되고 열충격 안정성이 저하될 수 있으므로 주의해야 합니다. 소성 및 사용 과정에서 재료 내 석영 입자가 팽창하여 점토의 수축을 상쇄하기 때문에 반규산 벽돌의 부피 변화는 작으며, 일부는 약간 팽창하기도 합니다.
(4) 열충격 안정성
내화물이 파괴되지 않고 급격한 온도 변화에 견딜 수 있는 능력을 열충격 안정성이라고 합니다. 이 특성은 열충격 저항성 또는 열충격 내성이라고도 합니다.
재료의 열충격 안정성 지수에 영향을 미치는 주요 요인은 열팽창률, 열전도율 등과 같은 재료의 물리적 특성입니다. 일반적으로 재료의 선팽창률이 높을수록 열충격 안정성이 떨어지고, 열전도율이 높을수록 열충격 안정성이 좋습니다. 또한 내화 재료의 미세 구조, 입자 조성 및 형상도 열충격 안정성에 영향을 미칩니다.
게시 시간: 2022년 7월 15일