[논문]고밀도 팽창흑연 성형품의 내열 특성에 관한 연구(1)

신영우

문제 정의

NGF법에 의한 시편은, 금속무기염올 기본결합제로 하여, 가공조건올 바꾸어 가며 성형한 후 내열처리를 하여 제작하고, 시판재료들과 같은 조건으로 실험 비교하여, 최적조건올 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 NGF법에 의한 흑연성형품 중, 결합제로서 금속무기염올 사용한 성형품의 가공조건올 바꾸어 제작하여, 내열실험 하였다. 이 결과를 동일한 조건에서의 기존 팽창 흑연제품의 내열실험 결과와 비교 검토하여, 그 특성을 살펴보고, 새로이 개발된 공정에 의한 흑연 성형제품의 발전방향을 제시하고자 하였다.
본 연구자는, 팽창 흑연올 이용하여, 고밀도 판상 흑연성형품 제조공정올 개발하였고³⁾ 다양한 형상의 정형가공이 가능한 고밀도 혹연성형품의 제조공정을 개발하여, 특허출원올 하고⁴⁾ PCT로부터 독자적 기슬임올 통보 받았으며⁵⁾ 새로이 개발된 공정이 여러 가지 공정변수들올 변화시킬 수 있고, 이에 통하여, 제조된 혹연성형품의 여러 기계적 성질올 조절할 수 있음올 보였다⁶⁾
바꾸어 제작하여, 내열실험 하였다. 이 결과를 동일한 조건에서의 기존 팽창 흑연제품의 내열실험 결과와 비교 검토하여, 그 특성을 살펴보고, 새로이 개발된 공정에 의한 흑연 성형제품의 발전방향을 제시하고자 하였다.

제안 방법

NGF법에 의한 시편의 실험결과와 비교하기 위하여, 먼저 시판품의 시편을 제작하였다. 시판품의 시편은 Fig.
실험하였다. 먼저 원형시편으로서, NGF법에 의한 제품을 동일한 결합제로 가공조건들올 바꾸어 제작하였다. 이 시편들을 700℃에서 세 시간 동안 방치하면서, 그 중량변화를 관찰하여, 동일한 환경에서 실험된 시판 제품의 실험결과와 비교 검토하였다.
먼저, 압축하중의 영향을 알아보기 위하여 압축하중을 조금씩 증가시켜가며 시편을 제작하여, 700℃에서 세 시간 동안 방치하고, 한 시간마다의 중량변화를 측정하였다. 시편의 제작에는 50ton 로드셀을 장착한 KOSMETIC KOREA의 기계식 만능재료시험기인 UT-30000H를 사용하였는에, 램 관성에 의하여 설정하중과 로드셀에 나타난 하중이 차이를 보였으므로, 정확한 측정올 위하여, 압축하중은 로드셀에서 측정된 값올 채용하였다.
본 연구에서는, 금속염을 결합제로서 사용한 NGF법에 의한 성형품의 내열톡성과 비교하기 위하여, 현재 시판되고 있는 흑연시트 중, 성적서가 없는 호칭두께 3mm의 중국제 판재와, 동일한 호칭두께의 성적서와 판재의 시리얼넘버가 있는 독일 SGI카본그룹의 판재를 구하여, 각각을 Fig. 1의 직경 35mm인 원형시편과, 현재 사용되는 링 타입 시트 가스켓의 치수를 참조하여, 외경 80mm, 내경 35mm인 링형 시편을 만들었다. NGF법에 의한 시편도 Fig.
5는 각각 600℃실험과 700℃실험 후의 시편상태의 예를 나타내고 있다. 상태를 쉽게 비교 파악할 수 있도록 하기 위하여, 35mm의 같은 정사각형 안에, 시편을올 넣고 촬영하였다. 600°C 실험에서 독일제는 형태와 중량이 거의 변화가 없음을 알 수 있으나, 중국제는 실험이 끝난 후 외견적으로 지름은 많이 줄지 않았으나, 시편이 전체적으로 재와 같은 느낌으로 변하여, 상당히 연소된 것을 알 수 있었다.
새로이 제안된 NGF 공법으로 제조된 내열성 고밀도 혹연재료에 대한 내열톡성올 평가하기 위하여 여러 가지 가공조건으로 시편올 제작하여, 시판재료들과 같이 내열실험올 수행한 결과 다음과 같은 결론올 얻었다.
성형두께 및 수분의 영향올 알아보기 위하여, 같은 금형에 투입하는 플레이크를, 드라이오븐에서 200℃로 세 시간 동안 말린 후, 금형을 조절하여, 시편의 성형두께를 줄여서 제작하여, 같은 방법으로 실험하였다. Table 6은 두께를 줄여 제작한 시편의 사양이며, Table 7은 Table 6의 시편을 700°C에서 실험한 결과이다.
먼저 시판품의 시편을 제작하였다. 시판품의 시편은 Fig. 1(a)의 원형시편을, 호칭두께 3mm인 독일제와 중국제 판재로부터 절단하여 각 4개씩 제작하여, 각 2개씩올 600°C와 700°C에서 세 시간 동안 방치하면서 한 시간 마다의 무게변화를 측정하였다. 실험에 사용된 시판판재의 시편의 무게와 네 방향에서 측정하여 평균한 평균두께를 Table 1에 나타내고, Table 2와 Table 3에 600°C와 700°C에서의 한 시간 마다의 중량변화를 나타내었다.
1 (b)의 링형시편을 만들어, 실험하였다. 실험은 중국제의 경우, 원형시편의 실험에서 독일제에 비하여, 그 내열성능이 현저히 떨어지는 것으로 판명되었으므로, 독일제와 NGF법에 의한 시편을 비교하는 것으로 하였다. 독일제는 2개, NGF법에 의한 시편은 3개를 만들어, 각각을 전기로에 넣고, 온도를 700°C, 800°C, 900°C, 1000℃로 올리면서, 각 온도에서 30분간 방치한 후, 그 중량변화를 측정하였다.
이 시편들을 700℃에서 세 시간 동안 방치하면서, 그 중량변화를 관찰하여, 동일한 환경에서 실험된 시판 제품의 실험결과와 비교 검토하였다. 이 결과에서 최적이라고 생각되는 가공조건으로 NGF법으로 링형 시편을올 제작하여, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C에서 각 30분간 방치하면서 중량변화를 관찰하여, 동일한 실험조건에서의 시판 제품의 실험결과와 비교 검토하였다. 실험에 사용된 전기로는 JISICO의 J-FM2 모델이고, 최고온도는 1200°C이며, 저울은 한 눈금 0.
먼저 원형시편으로서, NGF법에 의한 제품을 동일한 결합제로 가공조건들올 바꾸어 제작하였다. 이 시편들을 700℃에서 세 시간 동안 방치하면서, 그 중량변화를 관찰하여, 동일한 환경에서 실험된 시판 제품의 실험결과와 비교 검토하였다. 이 결과에서 최적이라고 생각되는 가공조건으로 NGF법으로 링형 시편을올 제작하여, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C에서 각 30분간 방치하면서 중량변화를 관찰하여, 동일한 실험조건에서의 시판 제품의 실험결과와 비교 검토하였다.
플레이크속의 수분의 영향을 알아보기 위하여, 플레이크를 -40°C로 24시간 동결건조하여, 완전히 건조시킨 뒤, 4가지 시편올 만들어 같은 방법으로 실험하였다. Table 8은 시험에 사용된 시편의 사양이다.

대상 데이터

1의 직경 35mm인 원형시편과, 현재 사용되는 링 타입 시트 가스켓의 치수를 참조하여, 외경 80mm, 내경 35mm인 링형 시편을 만들었다. NGF법에 의한 시편도 Fig. 1와 같은 형상의 것을, 금형에 넣어 제조하였고, 결합제로서는 금속염의 복합재질올 사용하였다. Fig.
본 실험에서는 700℃를 기준으로 하는 일본 에어 워터 케미컬사의 온도기준올 도입하여 실험하였다. 먼저 원형시편으로서, NGF법에 의한 제품을 동일한 결합제로 가공조건들올 바꾸어 제작하였다.
측정하였다. 시편의 제작에는 50ton 로드셀을 장착한 KOSMETIC KOREA의 기계식 만능재료시험기인 UT-30000H를 사용하였는에, 램 관성에 의하여 설정하중과 로드셀에 나타난 하중이 차이를 보였으므로, 정확한 측정올 위하여, 압축하중은 로드셀에서 측정된 값올 채용하였다.
이 결과에서 최적이라고 생각되는 가공조건으로 NGF법으로 링형 시편을올 제작하여, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C에서 각 30분간 방치하면서 중량변화를 관찰하여, 동일한 실험조건에서의 시판 제품의 실험결과와 비교 검토하였다. 실험에 사용된 전기로는 JISICO의 J-FM2 모델이고, 최고온도는 1200°C이며, 저울은 한 눈금 0.001g인 A4D사의 HF400모델올 사용하였다. Fig.

성능/효과

1) 새로이 고안된 고밀도 흑연성형품 정형제조법(NGF method)으로, 원하는 형상의 내열성형품을 제조하는 것이 가능하였고, 가공조건올 바꾸어 제작하는 것으로 그 내열성능올 개선시키는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다.
2) NGF법에 의하여, 시판되는 팽창혹연 판재들의 내열성능보다, 우월하거나 거의 동등한 내열 혹연제품올 제조하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다.
3) NGF법에 의한 내열 흑연제품 및 시판되는 팽창 흑연제품의 내열실험 결과, 성형품의 중량감소는 온도와 시간에 의존하며, NGF법에 의한 제품은 시간에 따른 중량감소율올 개선하여야 할 필요가 있옴이 밝혀졌다.
상태를 쉽게 비교 파악할 수 있도록 하기 위하여, 35mm의 같은 정사각형 안에, 시편을올 넣고 촬영하였다. 600°C 실험에서 독일제는 형태와 중량이 거의 변화가 없음을 알 수 있으나, 중국제는 실험이 끝난 후 외견적으로 지름은 많이 줄지 않았으나, 시편이 전체적으로 재와 같은 느낌으로 변하여, 상당히 연소된 것을 알 수 있었다. 실험에서 같은 종류의 두 시편들에 중량변화율의 차이는, 전기로 내부의 위치에 의한 것으로서 히터 쪽에 더 가까이 있었던 시편의 중량감소가 심하였다.
독일제 시편의 경우, 약간의 직경감소와, 두께가 점차적으로 감소하는 현상을 보였고, 시간이 흐름에 따라서, 중량감소율이 커지는 것 올 알 수 있다. NGF법 시편은 직경감소는 거의 보여지지 않았고, 두께는 약간 증가하다가 감소하는 것처럼 보였다. 이는 시판재료와 NGF법 시편의 제조방법에 따른 구조적인 차이 때문이라고 사료된다.
5에서 알 수 있는 바와 같이 지름도 현저하게 감소하였다. 시판재료의 실험결과로부터 에어워터케미컬사의 고온 기준 700°C는 상당히 근거가 있는 것으로 사료되었다.
2는 시판 판재에 의한 시편과 NGF법에 의한 시편의 예를 보여주고 있다. 시판판재에 의한 시편은, 표면에 금속광택이 있고, 독일제나 중국제는 외관상으로는 거의 차이가 없는 것처럼 보였으며, NGF법에 의한 시편은 사용된 이형제의 관계로 표면광택이 없는 것올 알 수 있다.
6에 Table 4, Table 6, Table 8의 실험 후 시편의 예를 나타내었다. 실험 후의 시편은 두께 및 직경의 감소가 거의 보여지지 않았으며, 실험 후에도 어느 정도 경도를 유지하고 있었으나, 독일제에 비해 열등한 중량감소율은 결합제, 팽창 흑연 자체의 제 방법 등에 그 원인이 있는 것으로 사료된다.
표시하고 있다. 실험결과는 중량감소비율이 점점 감소하다가 다시 증가하는 경향올 보여주고 있고, 이는 NGF법에 의한 성형에서 내열특성을 최대로 하는 어떤 최적 가공조건이 있올 것을 보여준다고 사료된다.
Table 6은 두께를 줄여 제작한 시편의 사양이며, Table 7은 Table 6의 시편을 700°C에서 실험한 결과이다. 실험결과에서 나타내는 경향은 Table 5의 결과와 같이 중량감소율이 감소하다가 증가하는 경향을 보였고, 2% 정도로 미미하기는 하나 약간, 중량감소량이 개선되는 것 같은 결과를 나타내었다. 이는 결합제로 사용한 금속염이 수용성이므로, 시편의 수분을 충분히 제거한 결과라고 사료된다.

후속연구

본 연구의 결과로부터, NGF법으로 가공조건을 바꿈으로써 시판제품과 비교하여, 떨어지지 않는 내열성올 가지는 제품올 제조하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌으며, 내열성의 개량올 위하여, 향후의 가공조건, 결합제 등에 관한 최적화연구가 필요할 것으로 사료된다.

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