사례 연구: 고온 탈수 시 알루미나 도가니의 크랙 발생

소개

한 고객이 고온 탈수 실행 중 대형 알루미나 도가니 배치가 완전히 고장났다고 보고했습니다. 원래 단열 부품으로 설계된 이 도가니는 가열 중에 분말 재료를 보관하는 데 사용되었습니다. 급격한 온도 변화와 증기에 노출되자 도가니가 파손되었습니다.

고객의 공정을 검토한 후 Stanford Advanced Materials(SAM) 의 엔지니어들은 습한 환경에서의 열충격을 근본 원인으로 파악했습니다. 알루미나는 내열성은 뛰어나지만 증기와 빠른 가열이 필요한 응용 분야에는 적합하지 않습니다. SAM은 몇 가지 대체 소재를 제안하여 궁극적으로 고객이 열 안정성이 더 뛰어난 솔루션으로 전환할 수 있도록 지원했습니다.

배경

이 고객은 고순도 알루미나 도가니의 높은 내열성(최고 1750°C)을 활용하여 고순도 알루미나 도가니를 사용하고 있었습니다. 하지만 실제 사용 시 도가니는 상당한 양의 증기가 발생하는 고온의 용광로 대기에 노출되었습니다. 이 과정에는 수분을 배출하기 위해 분말 형태의 재료를 1000°C 이상으로 가열하는 과정이 포함되었습니다.

이 설정에는 두 가지 스트레스 요인이 발생했습니다:

• 빠른 가열과 냉각으로 인한높은 열 구배

• 일부 세라믹에 다르게 작용하는수증기와의 정기적인 접촉

알루미나는 화학적, 기계적 특성이 우수하지만 특히 습한 환경에서는 열충격에 대한 저항성이 약해 균열이 발생하기 쉽습니다. 고객이 찾아와 구조에 영향을 주지 않으면서 열과 습기에 강한 도가니를 요청했습니다.

애플리케이션 환경 명확화

고객사의 기술팀과 열린 소통을 통해 SAM은 공정에 대한 방대한 정보를 얻었습니다:

• 용광로 조건: 수증기가 지속적으로 공급되는 1,000°C 이상의 고온 램프
• 기능적 역할: 도가니는 단순한 용기가 아니라 지속적인 탈수 공정에서 직접 공정 용기로 사용됩니다.
• 고장 패턴: 초기 가열 사이클에서 균열과 치명적인 고장이 나타나기 시작했습니다.
• 재료 요구 사항: 온도 강도, 열 충격 저항성 및 증기의 화학적 안정성

이를 바탕으로 표준 알루미나가 이 특정 사용 사례에서 설계 한계를 넘어서고 있다는 것이 분명해졌습니다.

소재 비교 및 선택

재료	강점	한계
알루미나(Al₂O₃)	- 최대 1800°C까지 지원 가능 - 우수한 기계적 강도 - 화학적 부식에 대한 내성	- 열 충격에 취약함 - 증기 노출에 열적으로 민감함 - 극한의 온도에서 깨지기 쉬움, 균열 발생
지르코니아(ZrO₂)	- 열 충격에 대한 내성이 크게 향상됨 - 매우 높은 융점(~2700°C) - 증기 속 화학 물질에 불활성	- 더 높은 비용 - 가공이 더 어려움 - 맞춤형 부품의 리드 타임이 길어짐
열분해 질화 붕소(PBN)	- 낮은 열 순환 내구성 - 증기 또는 가혹한 환경에서 비활성화됨 - 고온 조건에서 안정적	- 고가 - 대량의 경우 맞춤형 제작이 필요함

추천 및 구현

소재의 성능, 비용, 리드 타임을 고려한 후 SAM은 여러 가지 대안을 제시했습니다. 그 결과 고객은 열분해 질화 붕소(PBN)를 선택했습니다. PBN은 알루미나와 달리 물을 흡수하지 않으며, 층의 미세 구조가 열 스트레스에 잘 반응합니다. 도가니당 초기 비용은 더 높았지만, 고객은 단기적인 경제성을 희생하는 대신 장기적인 신뢰성과 공정 연속성을 중요하게 생각했습니다.

SAM의 수석 엔지니어인 Lisa Ross는 다음과 같이 말합니다:

"우리의 목표는 단순히 더 강한 소재를 제안하는 것이 아니라 특정 스트레스 조건에 도가니를 맞추는 것이었습니다. 열, 습도, 반복적인 사이클 등 PBN은 이 케이스에 완벽하게 부합했습니다."

고객 피드백

몇 주 사용 후 고객이 보고했습니다:

• 반복적인 열 사이클에서 균열이나 변형이 없음
• 고온 탈수 단계 실행에 대한 신뢰도 향상
• 공정 중단 횟수 감소 및 배치 간 일관성 향상

"대기가 도가니에 이렇게 큰 영향을 미칠 줄은 몰랐습니다. SAM은 문제를 정확히 짚어냈을 뿐만 아니라 올바른 재료를 찾을 때까지 여러 가지 재료 옵션을 안내해 주었습니다. 개선 효과는 즉각적이었습니다."

결론

소재 선택은 단순히 온도 등급만의 문제가 아니라 대기, 사이클 속도, 화학물질 노출, 기계적 스트레스 등 전반적인 환경을 고려한 선택입니다.

여기서 표준 고온 세라믹 알루미나는 증기 노출과 열 충격에 잘 견디지 못했습니다. 보다 적합한 재료로 전환함으로써 고객은 고장 지점을 제거하고 가동 중단 시간을 줄이며 공정 안정성을 개선했습니다.

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈는 단순히 소재를 제공하는 데 그치지 않고 고객이 도가니가 공정 환경과 상호작용하는 방식을 재고할 수 있도록 지원했습니다. 이것이 바로 공급과 해결의 차이입니다.

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