저시멘트 내화 캐스터블 제품 소개

저시멘트 내화 캐스터블을 기존 알루미네이트 시멘트 내화 캐스터블과 비교하였다. 기존 알루미네이트 시멘트 내화 캐스터블의 시멘트 첨가량은 일반적으로 12~20%, 물 첨가량은 9~13%이다. 물 첨가량이 많으면 주조물에 기공이 많아 밀도가 낮고 강도가 떨어진다. 시멘트 첨가량이 많으면 상온 및 저온 강도는 높아지지만, 중온에서 알루민산칼슘의 결정 변환으로 인해 강도가 감소한다. 첨가된 CaO는 캐스터블 내의 SiO2 및 Al2O3와 반응하여 저융점 물질을 생성하고, 이는 재료의 고온 특성 저하를 초래한다.

초미세 분말 기술, 고효율 혼화제 및 과학적인 입자 크기 분포를 사용하면 캐스터블의 시멘트 함량을 8% 미만, 물 함량을 7% 이하로 줄여 저시멘트 계열 내화 캐스터블을 제조할 수 있으며, CaO 함량을 2.5% 이하로 낮추고 성능 지표를 일반적으로 알루미네이트 시멘트 내화 캐스터블보다 우수하게 만들 수 있습니다. 이러한 유형의 내화 캐스터블은 우수한 요변성을 가지는데, 즉 혼합 재료가 일정한 형태를 유지하다가 약간의 외부 힘에 의해 흐르기 시작하고, 외부 힘이 제거되면 원래 형태를 유지합니다. 따라서 요변성 내화 캐스터블이라고도 합니다. 자가유동성 내화 캐스터블도 요변성 내화 캐스터블이라고 하며, 이 범주에 속합니다. 저시멘트 계열 내화 캐스터블의 정확한 의미는 아직 정의되지 않았습니다. 미국재료시험학회(ASTM)는 산화칼슘(CaO) 함량을 기준으로 내화 캐스터블을 정의하고 분류합니다.

저시멘트 내화 캐스터블의 가장 큰 특징은 높은 밀도와 강도입니다. 이는 제품의 수명과 성능 향상에 유리하지만, 사용 전 소성 과정에서 여러 가지 문제점을 야기하기도 합니다. 특히 소성 시 부주의할 경우, 캐스터블이 터져 최소한 재주입이 필요하거나, 심한 경우 주변 작업자의 안전을 위협할 수 있습니다. 따라서 여러 국가에서 저시멘트 내화 캐스터블의 소성에 대한 다양한 연구를 진행해 왔습니다. 주요 기술적 해결책으로는 적절한 소성 곡선 설정과 우수한 방폭제 첨가 등이 있으며, 이를 통해 내화 캐스터블 내부의 수분을 원활하게 제거하여 다른 부작용을 방지할 수 있습니다.

초미세 분말 기술은 저시멘트 계열 내화 캐스터블의 핵심 기술입니다. (현재 세라믹 및 내화 재료에 사용되는 대부분의 초미세 분말은 실제로 0.1~10μm 크기이며, 주로 분산 촉진제 및 구조 밀도 강화제로 기능합니다. 전자는 시멘트 입자를 응집 없이 고도로 분산시키고, 후자는 주입체의 미세 기공을 완전히 채워 강도를 향상시킵니다.)

현재 일반적으로 사용되는 초미세 분말에는 SiO2, α-Al2O3, Cr2O3 등이 있습니다. SiO2 미분말의 비표면적은 약 20m2/g이고 입자 크기는 시멘트 입자 크기의 약 1/100에 불과하여 우수한 충진성을 갖습니다. 또한 SiO2, Al2O3, Cr2O3 미분말 등은 물에서 콜로이드 입자를 형성할 수 있습니다. 분산제가 존재할 경우, 입자 표면에 전기 이중층이 겹쳐져 정전기적 반발력이 발생하고, 이는 입자 간 반데르발스 힘을 극복하고 계면 에너지를 감소시킵니다. 이러한 작용은 입자 간 흡착 및 응집을 방지하는 동시에, 분산제가 입자 주변에 흡착되어 용매층을 형성함으로써 캐스터블의 유동성을 향상시킵니다. 이는 초미세 분말의 작용 메커니즘 중 하나로, 초미세 분말과 적절한 분산제를 첨가하면 내화 캐스터블의 물 소비량을 줄이고 유동성을 향상시킬 수 있다는 것입니다.

저시멘트 내화 캐스터블의 경화는 수화 결합과 응집 결합의 복합적인 작용으로 이루어집니다. 칼슘 알루미네이트 시멘트의 수화 및 경화는 주로 수경성 상인 CA 및 CA2의 수화와 이들의 수화물의 결정 성장 과정, 즉 물과 반응하여 육각형 플레이크 또는 바늘 모양의 CAH10, C2AH8 및 입방형 C3AH6 결정과 Al2O3aq 겔과 같은 수화 생성물을 형성하고, 경화 및 가열 과정 동안 상호 연결된 응축-결정화 네트워크 구조를 형성하는 것에 기인합니다. 응집 및 결합은 활성 SiO2 초미세 분말이 물과 만나 콜로이드 입자를 형성하고, 첨가된 첨가제(즉, 전해질 물질)에서 서서히 해리되는 이온과 만나기 때문에 발생합니다. 두 물질의 표면 전하가 서로 반대이기 때문에, 즉 콜로이드 표면에 반대 이온이 흡착되면, 전위가 감소하고 흡착이 "등전점"에 도달하면 응축이 일어납니다. 다시 말해, 콜로이드 입자 표면의 정전기적 반발력이 인력보다 작을 때, 반데르발스 힘에 의해 응집 결합이 발생합니다. 실리카 분말이 혼합된 내화 캐스터블이 응축되면, SiO2 표면에 형성된 Si-OH기가 건조 및 탈수되어 가교를 형성하고 실록산(Si-O-Si) 네트워크 구조를 만들어 경화됩니다. 실록산 네트워크 구조에서 실리콘과 산소 사이의 결합은 온도가 증가해도 줄어들지 않으므로 강도 또한 지속적으로 증가합니다. 동시에 고온에서 SiO2 네트워크 구조는 내부에 있는 Al2O3와 반응하여 멀라이트를 형성함으로써 중고온에서의 강도를 향상시킬 수 있습니다.