내화 캐스터블 매트릭스의 열 확산 특성 편집부(외신) 캐스터블 내화물의 가장 특별한 점은 작업 조건하에서 최초의 가열 시에 활동적인 미세구조적 특성을 가진다는 것이다. 비용/이윤 비율이 극도로 낮기 때문에 시멘트 내화캐스터블은 로와 금속학에 사용되는 정련용기의 안쪽 내층 및 시멘트, 석유화학 산업에 널리 사용되어 왔다. 넓은 관점으로는 가열된 내화 벽돌(주로 고 알루미나)가 사용되었던 분야에, 극도로 저렴한 시멘트 캐스터블이 적절한 특성을 가지고 작업환경 각각에 대응하며 대체될 수 있다. 가열 벽돌과 비교할 때, 캐스터블 내화물의 가장 특별한 점은 작업 조건하에서 최초의 가열 시에 활동적인 미세구조적 특성을 가진다는 것이고, 명백하게 고온(1200도 이상)의 작업환경 하에서 많은 시간 동안 전개된 상의 집합으로써 안정된 상태를 나타낸다. 역학적 부피 특성은 열기계적 특성이 최초의 가열시에 철저하게 변경된다는 것을 의미한다. 이러한 점에서, 열 전달 특성이 변하기 쉬운 특성이라는 것을 나타내고 이러한 지식은 작업중에 균일한 미세구조를 가지게 할 수 있도록 안전한 가열 계획을 결정하는 데에 매우 중요하다. 열전도율뿐 아니라 더더욱 중요한 내화 캐스터블의 열적확산특성은 캐스타블 매트릭스에 대단히 중요하고 열 충격손실과 부피성숙기에 영향을 미친다. 실험기술 열적 확산 측정은 Parker et al에 의해 최초로 개발된 열 충격파 기술을 사용하여 이루어 졌다. 이 기술에서 시료 전체에 걸쳐 순간적인 시간에 비해서 짧은 기간동안의 균일한 열 충격파가 디스크 형태의 시료 표면에 투사되어지고 뒤 표면의 온도 증가가 기록되어진다. 과학 문헌에 정의된 이상화 되어진 특성으로부터의 편차는 한정된 충격파 시간 효과와 열손실로 인해 나타난다. 적절한 시료 크기의 선택으로 한정된 충격파 시간효과에 대한 편차를 피할 수 있지만, 열손실에 의한 편차는 온도를 올리는 것으로는 피할 수 없다. UMIST 장치에서 충격파의 변화분석이 측정되었고, 한정된 충격파시간의 효과는 Taylor와 Clark에 의해 개발된 방법을 사용하여 보정 되었다. 충격파의 근원은, 16mm의 빔 지름을 가지는 고체상태의 네오미듐 유리 레이저(λ=1.067㎛)이다. 에너지 출력은 5~95J이고, 충격파 방열시간은 일반적으로 0.6ms이다. 이 디스크 형태의 시료는 방사율을 향상시키기 위해 콜로이드질의 흑연으로 코팅되었고, 흑연 열판안에 위치한 흑연 고정기로 고정된다. 시료와 같은 지름의 구멍을 가지는 리드는 초과의 레이저 빔을 차단하는데 사용된다. 열판은 진공챔버/압력용기안에 위치한 유도 코일안쪽에 위치한다. 이 장치는 진공 또는 아르곤, 질소, 헬륨과 같은 불활성기체의 환경 하에서도 20~2750도의 온도범위에서도 측정이 가능하다. 시료의 온도는 열전대나 광학 고온계를 사용하여 측정된다. 시료의 뒷면으로 부터의 방사는 렌즈와 미러 시스템에 의해 모아지고, 광학 시스템에 의해 외부의 진공 챔버로 검파기를 통해 전달되어진다. 사용된 방사검파기는 InSb 검파기이고, 5.5㎛까지 측정 가능하고 1.5㎲의 반응시간을 가진다. 검파기의 출력 신호는 상업적으로 사용되고 있는 증폭기를 사용하여 증폭되어진다. 증폭되어진 신호는 특별히 고안된 소프트웨어를 사용된 아날로그-디지털 변화기를 사용하는 컴퓨터를 사용하여 기록되어진다. 재료 및 방법 전형적인 저-시멘트 내화캐스터블 기질을 실험하기 위해 다음의 원료가 사용되었다 ; 칼슘 알루미네이트 시멘트(81, Elfusa, Sao Paulo, Brazil), 규산 증기(971D, Elkem Materials, Kristiansand, Norway), 하소된 알루미나(<45㎛, A2, Alcoa, Pittsburgh), 반응 알루미나 (<3㎛, APC 3017 SG, Alcoa), 지르콘 모래(<45㎛), 페리클래이스(<80㎛), 갈색의 전기융합된 코런덤(<100㎛, ALOTAB, Elfusa). 특정한 기질의 조성을 형성하기 위해서, 다음의 이론적인 근거가 채택되었다. 저-시멘트의 기질 조성을 위해 기질이 전체 캐스터블의 무게의 25wt%를 구성한다고 가정하고 원료는 일반적으로 반응알루미나/하소알루미나의 비율이 1.5~2.0, 반응알루미나/규산증기의 비율이 1.0~1.5가 되고, 기질의 칼슘알루미나 시멘트의 무게분율이 16.7wt%인 원료를 사용한다. 전형적인 캐스터블 기질의 실험에는 기질이 전체 캐스터블 무게의 30wt%를 구성하고 시멘트가 전체 캐스터블의 무게의 15~18wt%을 구성한다고 가정한다. 원료는 일반적으로 다음의 구성비를 사용한다;시멘트/하소알루미나=1.8~2.0, 시멘트/전기융합된 알루미나=1.8~2.2. 위의 이론적 틀은 다섯가지 구성요소에 대한 조사를 이끌어낼 수 있다. 여러가지 원료들이 차별된 소결특성 및 미세구조 측정의 결과로 선택되었다. 분말화된 재료는 철저하게 건조, 혼합되어지고 6wt%의 수분을 함유하게 된다. 그 후에 -12mm의 지름을 가지고, 1~1.3mm의 두께를 가지는 디스크 형태의 시료로 압축되어진다. 압축된 시료는 48시간동안 100%의 습기 환경 하에서 처리되어진다. 시료의 처리 후에, 60도에서 건조한 후 즉시 밀폐용기에 저장되어진다. 열적 확산의 측정은 완전한 가열 냉각 주기를 사용하여 이루어진다. 온도 범위는 상온에서 1500도까지이고 다시 상온으로 냉각되어진다. 시료는 레이저 충격파에 방사되기 전에 각 실험 온도에서 5분 동안 안정되어진다. 1500도에서 가열 측정이 완료된 후에, 시료는 냉각측정이 시작되기 전에 이 온도에서 30분 동안 유지되어진다. 미세구조 특징 30분 동안 1500도에서의 가열에서, 강도의 증가 및 새로운 상의 발달에도 불구하고 명백한 시료의 자기화가 일어난다. 평균 기공의 지름(ф30)은 0.2에서 2.0㎛로 다양하다. 미세구조의 측정은 가열되지 않은, 그리고 가열된 시료에 대한 수은 기공측정법의 결과를 분석하여 평가된다. 명백한 전체 기공 체적과 기공 크기분포의 변화가 나타나게 되는데, 가열되지 않은 시료에서, C1,C2,C4의 구성요소는 비슷한 전체 기공 체적 및 기공 크기분포를 나타낸다. C3 구성요소가 단지 작은 차이를 나타내는데, 1㎛의 작은 기공 체적을 가진다. 반면에 C5 구성요소는 낮은 전체 기공 체적과 개방된 기공-크기분포를 나타낸다. 열 확산도 최초의 온도 증가에서 주기의 가열부분에 대한 일반적인 경향이 나타난다. 상온에서 400도까지의 온도에서 모든 시료의 열적 확산도는 상온에서의 값보다 다소 증가된 결과를 나타내었다. 두번째의 온도증가인 100도와 1300도 사이의 온도에서, 열적 확산도는 아무런 중요한 변화를 나타내지 않는다. 그러나 C1 구성요소는 상온에서 1300도까지의 온도에서 최소의 열적 확산도를 나타내었다. 1300도에서 1500도까지의 온도에서, 모든 시료에 대하여 두드러진 열적 확산도의 증가가 나타났고, 특히 C3의 구성요소에서 나타났다. 최초의 가열 간격(20~100도)에 나타난 특성은 흡수되어지고 접합성을 가지는 시멘트 제품의 결정화된 수분의 손실의 결과로써 설명되어질 수 있다. 이러한 두 가지의 수분 근원은 부여된 레이저 충격파로부터 열을 흡수하고 액상의 수분을 증기로 변환시키며, 추가의 기공을 만들어 낸다. 결론적으로 시료 뒷면의 온도증가는 예상된 것보다 적다. 따라서 최종 결과는 열 전도율 및 열 확산도의 값이 감소하게 된다. 이것은 흡수되고 결정화된 수분을 포함하는 기공성의 세라믹 재료의 열 전도율에 미치는 수분의 효과의 모델을 제안한 Santo와 Cintra의 결과와 일치한다. 두 번째의 온도 간격(400~1300도)에서, 주목할만한 열 확산도의 변화는 나타나지 않는다. 이것은 이 온도범위에서의 명백한 미세구조적 안정성에 대해 설명할 수 있고 세라믹의 반응이 대규모로는 발생하지 않는다는 것을 나타낸다. 세 번째의 온도 간격(1300~1500도)에서, 안정화된 경향에 일치하지 않는 열 확산도 값의 급격한 증가를 나타낸다. 열 확산도의 이러한 급격한 증가는 새로운 제품(결정질 및 유리질)을 만들어 내는 고온 반응과 기공 융합에 의해 특성화된 미세구조의 변화로 전체 기공 체적의 증가와 기공크기분포의 감소에 의한 고온 반응에 관련되어 있다. 그러므로, 방사열의 전환 기구는 열 확산도 증가에 중요한 요소이고 특히 10㎛ 이상인 체적 비율에서 존재한다. 가열된 시료의 기공 크기 분포가 20㎛를 초과하지 않는 것을 고려할 때 관찰된 열 확산도의 증가는 소결의 정도(고체/고체접촉)과 유리질 상의 발달에 의해 설명될 수 있다. 열 확산의 작용 유전체 고체에서의 열전도는 연속체를 통해 어울리지 않는 탄성파의 증식 또는 포논이라 불리는 열 에너지의 양자들의 상호작용으로써 간주되어진다. 고온에서는 전도의 다른 매카니즘이 고려되어져야 한다;광자 전도율. 그러나 전도의 이러한 과정이 비록 네번째의 동력인 온도에 비례하지만, 낮은 온도에서는 무시되어진다. 전해질 고체에서 포논의 전도도는 재료의 비열열에 비례하고 에너지 매체의 자유경로에 비례한다. 순수 결정 재료에서, 온도가 증가할 때, 비열 또한 일정한 값을 가지고 증가한다. 또한 포논 밀도가 증가하고 이것은 즉 자유경로의 감소를 의미하는데 자유경로가 온도의 역수에 비례하기 때문이다. 최종 효과는 Umklapp 현상에서의 증가에 의해 일어나는 열 전도도의 감소가 일어난다. 1300도 가열에서 관찰된 작용은 미세구조 방사특성을 변화시키는 불리적 변형의 결과이다. 1300도 이상의 온도에서 관찰된 열적 확산도의 이러한 급격한 증가는 물리적, 화학적 변형(소결)의 결과이고, 기공의 융합을 일으키고 기공 체적, 방사 효과 및 유리질상의 발달을 증가시킨다. 소결의 이러한 최종 결과가 고체상의 연속성 정도의 증가를 일으킨다는 것을 고려할 때,열 확산도의 값이 냉각의 단계보다 가열의 단계에서 더 높다는 것은 자연스러운 현상이다. 냉각 단계에서의 C5조성에 의해 나타난 불규칙적인 열 확산의 작용이 광물학적 조성과 결정의 형태학에 주로 기인한다는 것을 가정할 수 있다. C5의 최종 광물학적 조성은 단지 하나의 결정상 CaO.Al2O3-(hebonite)으로 나타나고, 미세하고 판형을 가진, 카드와 비슷한 구조를 형성하여 겹쳐진 결정으로 결정화된다. 이 재료는 온도작용에 대해 낮은 열 확산도를 가지기 때문에 고온에서의 단열내화재로써 사용되고 있다. 그래프의 냉각부분에 존재하는 C1, C2, C3의 성분은 온도가 500도 이하일 때 급격한 열 확산도의 증가를 나타낸다. 이러한 작용은 미소균열의 폐쇄와 포논평균자유거리의 증가에 관련되어 있다. 그러나 C4 조성의 냉각 작용은 미소균열의 회복과는 관계되어 있지 않다. 이것은 C4 조성이 근본적으로 단상이고 높은 기공성의 최종 미세구조를 가지기 때문이다. 더구나 원위치에서의 형성이 팽창적인 스피넬(MgAl2O4)의 존재는 미소균열의 밀도를 감소시킨다. 반면에 C1, C2, C3의 성분이 많은 기공의 상으로 구성되어 있고, 이것이 냉각 시에 회복하려는 경향을 가지는 많은 수의 미소균열을 일으키고 많은 수의 어긋남을 일으킨다. 결과적으로 거의 치밀화 되어지지 않은 시료는 부피비중의 적은 차이를 고려할 때 가열되지 않은 상태에서보다 가열 후에 높은 값을 나타낸다. 이러한 명백한 모순에 대한 설명으로는 가열되지 않은 시료의 실험 변형이 수분의 손실과 관련되어 있고, 단지 기계적인 압축에 의해 충진되어진 미립자 재료를 가지는 반면, 가열된 시료는 열전도에 더 연속적인 경로를 만들어 내는 고체 중계물을 형성하는 소결된 접합점이 발달한다는 것이다. 독립 열 확산도 조사된 내화 캐스터블 기질의 온도에 대한 함수로써의 열 확산의 작용은 가열되지 않은 분량이 1300도까지의 온도에서 현저히 낮은 열확산도를 가지고, 조성과 미세구조에 독립적이라는 것을 나타낸다. 이것은 캐스터블 라이닝의 두께에 의존하는 냉각 표면 온도가 1300보다 낮다는 것을 고려할 때 매우 중요하다. 더구나, 관찰된 열 확산도 작용으로, 기질의 광물학적 조성에 관계없이 캐스터블 내화물 라이닝의 최초 가열 계획이 1300도에서 주의하여 이루어져야 한다는 것을 알 수 있다. UMIST 확산 장치의 개략도 110도에서 건조된, 가열되지 않은 기질의 수은 기공측정법 30분동안 1500도에서 가열된 기질의 수은 기공측정법 진공 가열 및 냉각 하에서 C1조성에 대한 온도의 함수로서의 열적 확산진공 가열 및 냉각 하에서 C2 조성에 대한 온도의 함수로서의 열 확산도진공 가열 및 냉각 하에서 C3 성분에 대한 온도의 함수로서의 열 확산도 진공 가열 및 냉각 하에서 C4 성분에 대한 온도의 함수로서의 열 확산도 진공 가열 및 냉각 하에서 C5 성분에 대한 온도의 함수로서의 열 확산도 진공 가열 하에서 C1-C3 성분에 대한 온도의 함수로서의 열 확산도진공 냉각 하에서 C1-C5 성분에 대한 온도의 함수로서의 열 확산도