고효율 전기로 히터용 MgO-BN계 충진재/ 로재용 SiC 플레이트 개발 및 내구성 연구 = Development and Durability Study of MgO-BN Filler and SiC Refractory Plates for High-Efficiency Electric Furnace Heaters

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 고효율 전기로 히터의 성능향상을 위해 고열전도성 MgO–BN계 충진재 개발 및 로재용 SiC 플레이트의 고장원인 분석을 통한 내구성 연구를 실시하였다.
충진재로서 마그네시아（MgO）계 및 질화붕소（BN）계 소재를 사용하여 특성 및 성능평가를 실시하였다. 3종의 상용 MgO 분말（MgO_A, MgO_B, MgO_C）은 전반적으로 우수한 유동성（흐름성 및 충진성）을 나타냈으며, 실리콘오일이 코팅된 MgO_B와 MgO_C에서 높은 유동성을 확인하였다. 반면 BN의 경우, 3종의 분말（BN_A, BN_B, BN_C） 모두 낮은 유동성을 보여주었는데 이는 BN이 MgO 대비 미분이며, 판상의 입자형태를 가지고 있기 때문으로 판단되었다.
분말 열전도도 평가결과, MgO_C （0.39 W/m·K）, MgO_A （0.35 W/m·K）, BN_A （0.17 W/m·K） 순서로 나타났다. 분말열전도도 측정시 측정용기에 분말을 탭핑（tapping）시켜 충진한 후 측정하기 때문에, 분말의 충진성과 크게 연관성을 가지게 되는데, BN의 경우 판상의 입자형상으로 충진성이 낮아서 MgO 대비 낮은 열전도도를 나타낸 것으로 판단된다.
이에 충진재 열전도도 특성향상을 위하여 유동성이 높은 MgO（MgO_A, MgO_C）와 문헌상 열전도성이 높은 BN（BN_A）을 첨가하여 복합충진재를 제조하였다. 두 종류의 MgO 분말 모두 BN 첨가량이 1, 5, 10 wt%로 증가함에 따라 열전도도가 증가하였으며, 특히 유동성이 높은 MgO_C에 BN을 10 wt% 첨가한 조건의 경우에서 가장 높은 열전도도를 얻었으며, 0.34 W/mK에서 0.45 W/mK으로 약 32%의 큰 증가폭을 확인하였다. 이는 열전도도는 높으나 유동성이 낮은 BN 분말 사이에 유동성이 높은 MgO 분말이 충진되어 열전도도가 향상된 것으로 판단된다.
전기로 히터의 내구성 및 수명향상을 위해 다양한 환경에서 사용된 로재용 SiC 플레이트의 고장분석을 실시하였다. 설치환경 및 운전조건이 다른 SiC 플레이트 3종을 준비하였으며, 전기로 운전 전후의 표면 및 파단면, 미세구조 변화, 조성변화 등을 비교·분석하였다.
고장이 발생한 SiC 플레이트의 경우, 미세크랙（crack）과 폐기공이 다수 관찰되었으며, 최대 약 30% 이상 부피가 팽창되었다. 또한, XRD 및 EDS를 이용한 상분석에서 고온에서의 운전 후 SiO₂상의 비율이 4%에서 71%까지 증가한 것을 확인하였다. SiC가 SiO₂로 상변화할 경우, 최대 130%의 부피팽창이 발생할 수 있으며, 이에 따라 고온운전 중 SiC 플레이트 내부 상변화에 따른 부피팽창으로 인한 미세크랙과 기공 형성이 고장원인으로 판단되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study evaluated the development of high-thermal-conductivity MgO–BN fillers and the durability of refractory SiC plates to improve the performance of high-efficiency electric-furnace heaters.
MgO-based and BN-based powders were employed as fillers, and their characteristics and performance were evaluated. Three commercial MgO powders （MgO_A, MgO_B, MgO_C） were confirmed to exhibit generally excellent fluidity （flowability and packability）. In particular, MgO_B and MgO_C, coated with silicone oil, were observed to show the highest fluidity. In contrast, the three BN powders （BN_A, BN_B, BN_C） were observed to exhibit low fluidity, which is considered to result from their finer particle size and plate-like morphology relative to MgO.
Regarding powder thermal conductivity, MgO_C （0.39 W/m·K）, MgO_A （0.35 W/m·K）, and BN_A （0.17 W/m·K） were measured in descending order. Because powders are tapped during measurement to achieve packing, the results were found to be strongly influenced by packing density. Accordingly, BN was confirmed to exhibit lower thermal conductivity than MgO due to its low packing ability associated with plate-type particles.
To enhance filler thermal conductivity, composite systems were prepared by mixing highly flowable MgO powders （MgO_C, MgO_A） with BN （BN-BN_A）, reported to possess high intrinsic thermal conductivity in literature. For both MgO powders, thermal conductivity was observed to increase with BN addition at 1, 5, and 10 wt%. The highest value was obtained from MgO_C with 10 wt% BN, where thermal conductivity increased from 0.34 W/m·K to 0.45 W/m·K, corresponding to an increase of approximately 32%. This improvement is considered to result from highly flowable MgO occupying interparticle voids between low-flowability BN, thereby establishing an efficient conduction pathway.
For furnace durability, failure analysis was conducted on SiC plates used as kiln furniture under different operation environments. Three SiC plates with distinct installation and operating conditions were examined. Surface features, fracture cross-sections, microstructural changes, and compositional variations before and after furnace operation were compared.
In failed plates, numerous microcracks and internal pores were observed, accompanied by volume expansion reaching approximately 30%. XRD and EDS analyses confirmed that the SiO₂ phase increased from 4% to 71% after high-temperature operation. Because SiC is known to transform into SiO₂ with up to ~130% potential volume expansion, microcrack and pore formation driven by internal SiC to SiO₂ phase transformation was identified as the primary cause of failure.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 4
• 2.1. 산업용 전기로 4
• 2.1.1. 개요 및 종류 4
• 2.1.2. 개발동향 6
• 2.2. 금속저항 발열체 8
• 2.2.1. 개요 8
• 2.2.2. 종류 및 구조 10
• 2.3. 고열전도성 세라믹 절연충진재 17
• 2.3.1. 개요 17
• 2.3.2. 종류 및 특성 18
• 2.3.3. MgO-BN계 세라믹 절연충진재 21
• 2.4. 고열전도성 로재 23
• 2.4.1. 개요 23
• 2.4.2. 종류 및 특성 25
• 2.4.3. SiC계 고열전도성 로재 29
• 3. 실험방법 30
• 3.1. 고열전도성 MgO-BN계 절연충진재 30
• 3.1.1. 시료 준비 30
• 3.1.1.1. MgO계 절연충진재 30
• 3.1.1.2. BN계 절연충진재 30
• 3.1.1.3. MgO-BN계 복합 절연충진재 31
• 3.1.2. 특성평가 35
• 3.1.2.1. 기초물성 35
• 3.1.2.2. 형상 및 미세구조 35
• 3.1.2.3. 분체특성 36
• 3.1.2.4. 열특성 39
• 3.2. 고열전도성 SiC계 로재 41
• 3.2.1. 시료 준비 41
• 3.2.2. 특성평가 45
• 3.2.2.1. 기초물성 45
• 3.2.2.2. 형상 및 결정구조 45
• 3.2.3. 내구성 평가 46
• 4. 결과 및 고찰 47
• 4.1. 고열전도성 MgO-BN계 절연충진재 47
• 4.1.1. MgO계 절연충진재 47
• 4.1.1.1. 기초물성 47
• 4.1.1.2. 형상 및 미세구조 52
• 4.1.1.3. 분체특성 55
• 4.1.2. BN계 절연충진재 61
• 4.1.2.1. 기초물성 61
• 4.1.2.2. 형상 및 미세구조 64
• 4.1.2.3. 분체특성 73
• 4.1.3. MgO-BN계 절연충진재 79
• 4.1.3.1. 분체특성 79
• 4.1.2.2. 열특성 81
• 4.2. 고열전도성 SiC계 로재 87
• 4.2.1. 기초물성 87
• 4.2.2. 형상 및 미세구조 89
• 4.2.3. 결정구조 98
• 4.2.4. 내구성 평가 100
• 5. 결론 104
• 참고문헌 107
• Abstract 118