백동주 한국내화 기술연구소
김태완 한국내화 기술연구소

서론
일반적으로 탄소재료는 내열성, 내식성, 마찰특성, 높은 열전도도 등의 우수한 성질을 보유하고 있으며, 재료의 특이성으로 인하여 제강, 화학은 물론 최근의 전자 및 전기관련산업, 건설, 에너지 산업, 환경 산업 및 우주 항공산업 등 산업전반에 걸쳐 필요 불가결한 재료로 더욱 부각되고 있다.
이러한 고 기능성 탄소재료가 갖는 여러 성질 중에서 사용자가 요구하는 특성을 극대화하고 고기능화 시키기 위한 연구 및 산업화가 점점 증가하고 있는 추세이다.

본론
1. 내화물에서의 탄소역할
흑연 등의 탄소질 원료를 함유하는 내화물은 기타 내화재료에 비해 높은 열전도율과 낮은 열팽창률 때문에 내스폴링성이 우수할 뿐만 아니라 용융금속이나 슬래그 등에 젖기 어려워 내식성도 우수하다. 그러나 탄소함유 내화물은 연와 조직 간의 결합이 주로 탄소결합에 의한 것이기 때문에 열간 강도가 낮으며, 특히 고온에서 내산화성이 약한 결점이 있다.
(Al, Si, Mg 등의 산화하기 쉬운 금속을 단독 또는 그 합금을 내화재료에 첨가하거나, B4C, SiC 등의 탄화물을 첨가하는 방법이 있음) 일반적으로 슬래그 간의 반응 억제 및 급격한 사용 온도변화로 인한 스폴링 발생을 개선하기 위하여 탄소를 사용한다.
2. 탄소함유 내화물 현황

a) 고로 바닥부위 적용 내화물:카본블럭 ⇒ 우수한 열응력/내스폴링성
b) 출선구 충진재 적용내화물:Taphole clay ⇒ 내마모성/내침식성/용적 안정성 등
c) 출선통 적용내화물:Al2O3-SiC-C질 유입재  ⇒ 내스폴링성/내마모성 등
d) 혼선차 내장재 적용:Al2O3-SiC-C질 벽돌 ⇒ 열팽창율/내스폴링성 등
e) 전로/정련용 내화물 적용:MgO-C질 벽돌 ⇒ 슬라그 침투억제/내스폴링성 

3. 탄소함유 내화물 및 원재료의 특성 및 물성 분석 방법
3-1. 천연흑연의 시험규격
◈ 관련규격
JIS M 8511 ; Method for industrial analysis and testing of natural graphite
◈ 시험목적
상기 규격은 고정탄소분, 휘발분, 회분, 입도분석의 시험규격이다. 
◈ 시험방법
휘발분을 제거한 일정양의 시료를 규격 자기도가니에 균일하게 분포시킨 후 일정온도로 가열 후 냉각하여 질량분율로 결과치를 도출하는 방식이다.

3-2. 피치의 연화점분석 규격
◈ 관련 규격
ASTM D 3104 ; Standard Test Method for Softening Point of Pitches
KS M 1808 ; 피치의 연화점 측정방법-메틀러 연화점 법.
◈ 시험 목적
일률적인 분석치 도출하기 위해 상기 규격으로 연화점 분석한다.
⇒ 피치는 가열 시 고/액체 상 변화가 일어나지 않아 정확한 녹는점이 없기 때문에 가열됨에 따라 점차 부드럽게 되거나 점도가 낮아져 분석 값의 재현성에 어려움이 따른다.
◈ 시험 방법
메틀러 시험 셀을 이용, 시료를 주입하여 일정 온도 가열, 흘러내린 피치가 광선을 막는 온도를 측정한다.

3-3. 타르 및 피치의 잔류 탄소분 시험규격
◈ 관련 규격
ISO 6615 ; Petroleum products-Determination of carbon residue Conradson method
ASTM D 2416 ; Standard Test Method for Coking Value of Tar and Pitch(Modified Conradson)
KS M 2017 ; 석유제품-잔류 탄소분 시험 방법 - 콘라드슨 법
◈ 분석 목적
석유 계 원료인 타르 및 피치의 잔류 탄소분을 측정한다.
증발 및 열분해 후 남는 0.01~30.0 무게% 범위의 잔류 탄소분을 측정하여, 코크스 형성의 상대적 경향을 제시한다.
◈ 시험 방법
도가니에 무게를 단 시료를 넣고 분해 증류 시킨다. 가열이 끝난 후 잔류 탄소분을 포함한 도가니를 자연공랭 후 무게 측정하여, 처음 시료 무게에 대한 무게% 로 계산하는 방식이다.

3-4. 카본이 함유된 내화물의 열간 곡강도 분석
◈ 관련규격
ASTM C 1099 ; Standard Test Method for Modulus of Rupture of Carbon-Containing Refractory Materials at Elevated Temperatures
◈ 분석 목적
내화물의 탄소결합이나 산화방지제와 탄소의 반응에 따른 내화물의 물성을 측정한다.
탄소 원의 산화는 기공률이 높아지고 강도가 저하되는 원인이 된다.

3-5. 카본이 함유된 내화물의 열전도성 측정방법
◈ 관련규격
ASTM C 767 ; Standard Test Method for Thermal Conductivity of Carbon Refractories
◈ 분석목적
열량계를 이용하여 내화물의 열전도성 측정한다.
⇒ 시험을 통해 얻은 측정결과는 다층의 내화물 축조에 관한 설계와 표면온도 및 열손실을 평가하며, 열전도율에 의해 발생될 수 있는 내 열충격성이나 내 스폴링성을 결정하는 주요인자가 된다.
◈ 시험방법
Hot wire method를 이용하여 탄소함유 내화물 및 흑연의 열전도도를 측정하는 방식이다.

3-6. 탄소 및 탄화규소 함유내화물의 화학 분석법
◈ 관련규격
JIS R 2011 ; 탄소 함유 내화물 화학분석으로, 극히 조성범위가 넓은 재료를 분석대상으로 포함하기에 세부적 분석이 아니다.
◈ 분석목적
탄소 및 탄소 함유 내화물의 탄소함량 측정.
◈ 시험방법 ; 간접 정량법/직접 정량법
간접 정량법 ; 유리탄소의 비율이 전체 탄소의 절반 미만일 시, 전체 탄소 분석치로부터 유리탄소의 분석치를 공제하고, SiC 량을 구하는 방식이다.
직접 정량법 ; SiC 함유량이 적은 경우(유리탄소의 양이 전체의 ¼이상), 전체탄소를 분석 후, 환산하여 SiC 양을 구하는 방식이다.(형광 X선 분석법/ICP 발광분광 분석법/원자 흡광법으로는 분석불가)
 
결론
최근 내화물의 다양화로 인해 탄소를 함유한 내화물의 종류와 조성범위가 광범위하게 개발되고 있다. 이러한 내화물은 탄소원으로써, 앞서 본론에서 언급한 흑연, 비정질 탄소, 피치·타르 등의 유기물, 탄화규소, 탄화붕소 등의 탄화물을 함유할 뿐만 아니라 질화규소나 산화방지제로 첨가된 금속성분을 포함하기도 한다.
때문에 이들 탄소 함유내화물은 종래의 산화물계 내화물 분석법을 그대로 적용하기 어려운 실정이며, 관련규격 또한 그 범위가 광범위하여 적용이 명확하지 않다.
무엇보다 신뢰성 높은 내화물을 개발하기 위해서 앞서 제시한 분석방법을 근간으로 Lab. Test와 현장 적용 Test 결과의 상관관계를 해석하여 내화물 품질을 향상시키는 노력이 필요할 것이다. 

Fig. 1 탄소재료의 온도에 따른 결정구조 관계
Fig. 2 메틀러 연화점 분석방법의 원리
Fig. 3 콘라드슨 법 시험장치

백동주
경성대학교 재료공학과
부산대학교 재료공학 석사
현재 한국내화 기술연구소 근무

김태완
명지대학교 신소재공학과
명지대학교 나노공학 석사
현재 한국내화 기술연구소 근무