KR0145123B1 - 터널 킬른을 이용하는 경량골재의 제조방법 - Google Patents

터널 킬른을 이용하는 경량골재의 제조방법

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Abstract

본 발명은 일반유리원료 제조부산물인 규사/장석/석회석/백운석 미분을 주원료로, 화력발전소 부산물인 플라이애쉬(Fly ash) 등을 부원료로 사용하고, 여기에 무기첨가제 및 바인더를 혼합하여 터널 킬른을 이용하여 소성, 발포팽창시켜 제조한 인공경량골재의 제조 방법에 관한 것이다.
경량골재는 비중 및 강도에 따른 단열용, 외벽재 및 방음용, 냉동용, 원예용 등의 분야에 주로 활용되는 비구조용(非構造用) 및 건축토목 구조물의 경량화에 사용되는 구조용(構造用)으로 나뉜다.
종래에는 대량생산이 가능한 로타리 킬른(Rotary Kiln)으로 제조하였으나, 공정의 조절이 힘들고, 킬른내 골재의 융착(Sticking) 현상이 발생하며, 인공경량골재의 여러 가지의 다양하게 요구되는 물성의 균일성을 얻기 힘들며, 열효율이 낮다는 단점이 있었다.
본 발명은 기존 로타리 킬른이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 터널 킬른(Pusher Typed Electric Tunnel Kiln)을 사용하여 용이한 공정조절, 소성공정중 골재의 Rim 발생 제거, 다양한 요구물성의 균일성 구현, 높은 열효율, 낮은 불량률 및 용이한 유지보수 등을 가능하게 하여 생산원가를 낮추며 고품질의 인공경량골재를 제조하는 것이다.

Description

터널 킬른을 이용하는 경량골재의 제조방법
제1도: 본 발명의 제조공정도이다.
제2도: 본 발명에서 이용하는 터널 킬른의 평면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 로타리형 건조로 2 : 내화갑 구동부(Pusher)
3 : 적재구역(Loading Zone) 4 : 가열구역
5 : 고연냉각구역 6 : 이송구역(Conveying Zone)
7 : 서냉구역 8 : 내리는 구역(Unloading Zone)
본 발명은 일반유리원료 제조부산물인 규사/장석/석회석/백운석 미분을 주원료로, 화력발전소 부산물인 플라이애쉬(Fly ash) 등을 부원료로 사용하고, 여기에 무기첨가제 및 바인더를 혼합하여 터널 킬른을 이용하여 소성, 발포팽창시켜 제조한 통칭 ALA(Artificial Lightweight Aggregate)라고 불리우는 인공경량골재의 제조방법에 관한 것이다.
경량골재는 비중 및 강도에 따라 비구조용(非構造用) 및 구조용(構造用)으로 나뉜다. 비구조용은 단열용, 외벽재 및 방음용, 냉동용, 원예용등의 분야에 주로 활용되며, 구조용은 건축토목 구조물의 경량화에 사용되어, 일반 천연자갈로서는 구현할 수 없는 초고층 건물 및 대형 교량용 교각 등의 건설을 가능하게 하며, 향후 환경보호측면에서도 고갈되가고 있는 천연골재(자갈)를 대체할 수 있는 차세대 건축토목 구조물의 인공경량 골재의 필요성은 증대되고 있다.
종래에는 대량생산이 가능한 로타리 킬른(Rotary Kiln)으로 제조하였으나, 공정의 조절이 힘들고, 킬른내 골재의 융착(Sticking) 현상이 발생하며, 인공경량골재의 여러 가지의 다양하게 요구되는 물성의 균일성을 얻기 힘들며, 열효율이 낮다는 단점이 있다.
결량골재의 소결발포는 사용재료에 따른 킬른내 각 구간마다 특정온도대에서 결정수의 이탈, 탄산염이 CO₂ 가스분해, 고온 환원가스 발생 및 발생되는 가스를 포집할 수 있는 적정 고점도의 액상막이 골재 표면 및 내부에 형성되도록 킬른내 각 구역에 따라 특정온도 대역을 설정하여 주어야 하나, 종래의 상업생산에 적용하고 있는 직화식 로타리 킬른 방식은 배출구쪽에 위치한 버너 1개로 킬른 내의 온도 및 소성 분위기를 형성하기 때문에 킬른내 각 구간마다 원하는 온도범위를 임의로 설정 해 줄 수가 없고, 또한 최고의 강도구현을 위해서는 서냉을 통한 소결안정화 수축과 생성유리상의 재결정화를 유도해야 하며, 저비중 고강도의 절대조건인 골재내 미세공극(Micropore)을 용이하게 형성시키기 위해서는 정밀한 온도구현이 필요하나 종래의 로타리 킬른으로서는 만족시켜 줄 수가 없다.
또 로타리 킬른의 가장 큰 문제점은 골재가 튜브내에서 롤링(Rolling)으로 인해 성구의 파손 및 분진이 발생하며, 이것이 직접적으로 듀브 벽내에 링(Ring) 형태의 림(Rim)의 발생 및 간접적으로 소성 경량골재간이 상호 결착현상으로 연결되어 소송중 골재흐름을 방해하는 문제가 야기된다.
따라서 이를 방지하기 위하여 일반적으로 고가의 불연성 무기결합제를 다량 첨가하나, 이는 원재료비 상승의 주된 요인이 된다.
본 발명은 기존 로타리 킬른이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 터널 킬른(Pusher Typed Electric Tunnel Kiln)을 사용하여 용이한 공정조절, 소성공정중 골재의 Rim발생 제거, 다양한 요구물성의 균일성 구현, 높은 열효율, 낮은 불량률 및 용이한 유지보수 등을 가능하게 하여 생산원가를 낮추며 고품질의 인공경량골재를 제조하는 것이다.
본 발명은 경량골재 성형시 골재표면에 고온내화재료를 코팅(Coating)처리하고 터널 킬른(Tunnel Kiln)내 분위기를 임의적으로 조절함으로서 골재간 결착현상을 방지하며, 또한 필요시 경량골재 구상성형체의 운반용기인 뮬라이트(Mullite)질 내화갑(耐火匣)만 교체하므로서 터널 킬른 가동률을 증대시키고, 제품불량률을 감소시키며, 손쉬운 유지보수 등으로 운영비를 절감할 수 있다.
또한 본 터널 킬른 내에서는 소성중 제품의 롤링이 없어 값싼 유기결합체로 대체가 가능하고 무기결합체를 사용한다고 하더라도 소량만 첨가하여도 되기 때문에 원재료비를 절감시킬 수 있다.
아울러, 각기 다른 라인스피드(Line Speed) 및 이에 따른 소성중 각구역(Section)마다 독립적인 최적 온도설정을 자유자재로 할 수 있어 전체 소성공정시간을 30분 내외로 줄일 수 있기에 로타리 킬른과 같이 대량생산도 가능하다.
본 발명의 경량골재의 원료로는 규석광산 부산물인 규사미분을 주원료로하고 장석광산 부산물인 장석미분, 화력발전소 부산물인 플라이애쉬, 석회석광산 부산물인 석회석미분, 산화철을 부원료로하여 조성된 혼합물을 사용하였으며, 석회석 미분대신 백운석광산 부산물인 백운석미분을 사용할 수도 있다.
도포재로는 플라이애쉬를 사용하였으며, 또한 적절한 성구 결착력을 부여하기 위하여 일정량의 유/무기 결합제를 사용하였다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 규산 광산 부산물인 규사미분 45∼55 중량%에 장석광산 부산물인 장석미분 15∼25 중량%, 화력발전소 부산물인 플라이 애쉬 10∼20 중량%, 석회석광산 부산물인 석회석미분 또는 백운석광산 부산물인 백운석미분 7∼13 중량% 및 산화철 3∼7 중량%를 첨가 혼합하여 구상성형체를 성형하고, 상기 구상성형체 전체 중량의 1∼3 중량%의 플라이 애쉬를 균일하게 도포하여 뮬라이트질 내화갑에 적재시켜 종이, 왕겨, 톱밥과 같은 유기환원분위기 형성제와 함께 터널 킬른에 투입하여 초기 인위적 생성 환원분위기하 및 적절한 설정온도조건하에서 소성 발포시킨 후 냉각시켜 인공경량골재를 제조한다.
경량골재 구상성형체는 팬구상화기(Pan Granulator)에서 구상으로 성형하고, 이 구상성형체를 콘베이어(Conveyor)에 의해 400∼500℃의 로타리형 회전건조로(1)에 투입하고, 여기에 도포재(Coating Powder)인 플라이애쉬를 투입하여 도포와 다짐을 하고 약 400∼500℃의 온도로 건조후 우수한 내열충격성을 갖는 뮬라이트(Mullite)질 내화갑에 담아 적재구역(3)으로 이송 후 체인벨트(Chain Belt)에 의해 구동되는 내화갑 구동부(2)에 의해 출발온도 900∼1150℃영역의 가열구역(4)으로 인입한다.
가열구역(4)은 10개 구역으로 나누어지며, 각 구역은 독립가열방식에 따라 가열된다. 최고온도 도달 후 일정온도 아래로 하강시켜 일정시간 유지한 후 고온냉각구역(5)으로 이송하여 1차 고온냉각을 거친 후 이송구역(6)을 거쳐 900∼500℃ 영역의 서냉구역(7)으로 이송되며 서냉후 내리는 구역(8)으로 이송되어 내린다.
제조공정에서 건조온도를 약 400∼500℃로 유지한 것은 초기 인입온도와의 온도차를 가급적 줄여 초기 급가온으로 인한 경량골재의 표면균열을 피하고 도포재인 플라이애쉬내에 잔존하는 미연소 탄소분의 연소가 안되도록 하기위함이다.
소성부 전반부에서는 경량골재내 플라이애쉬의 잔존 미연소 탄소분의 산화와 유기결합제의 연소 및 제품 인입시 내화갑내에 첨가된 소정량의 유기물의 연소로 환원분위기의 형성이 인위적으로 유도되었다.
이는 고온 환원분위기시 경량골재 조성내의 Fe2O3의 환원분해로 생성된 FeO에 의해 1100℃ 부근에서 알카리-페로-실리케이트(Alkali-Ferro-Silicate: Na2O-FeO-SiO2) 유리상의 생성을 촉진시켜, 급가온으로 미처 분해되지 못한 탄산염공물의 분해가스인 CO2가스를 저온에서 급생성된 적정 고점도의 액상막이 포집하여 소결 발포시키는 원리이다.
또한 부발포제로서 다음 반응식 (Ⅰ). (Ⅱ), (Ⅲ)에 의하여 산화철(Fe2O3)의 환원분해시 발생하는 산소(O2)가스가 환원분위기하에서 미연소된 탄소가 반응하여 CO 및 CO2가스가 발생하며, 또한 장석내 흡착된 고온 질소가스가 경량골재내의 액상막 형성이후 고온소결영역에서 고온발생가스로 작용하는 2차적인 역할을 수행한다.
Fe2O3→2FeO + O2----- Ⅰ
½O2+ C → CO ----- Ⅱ
CO + ½O2→ CO2---- Ⅲ
가열구역(4)의 소성부에서는 최고온도 도달 후 일정온도 아래로 하강시켜 일정시간 동안 유지케 하여 내부에 균일한 기공분포와 안정된 소결조직의 형성을 유도하여 강도의 향상을 꾀하며, 유지온도와 시간을 변화시킴으로서 발포의 정도를 조절하여 경량골재의 비중과 흡수율 값을 결정짓는다.
또한 최고온도 도달 후 일정온도 아래로 하강 후 일정기간 유지시킴으로서 경량골재 표면의 과용융발전 억제 및 생성액상막의 점도를 증가시킴으로서 경량골재 형상변화 및 상호 결착현상(Sticking) 의 발생을 방지한다. 이 구간은 경량골재내부 환원분위기하 저온용융상 생성구간이며, 특히 고온가스의 2차 발생구간이므로 여기에서 경량골재 제품의 목표 물성을 제어한다.
서냉구역(7)에서는 서냉진행을 통해 경량골재내부에 형성된 불규칙한 응력(Strain)을 제거하여 안정적인 내부 소결발포조직을 형성케하여 강도의 향상을 꾀한다. 특히, 1차 고온냉각과정 중에서도 존재하는 고점도의 유리막하에서 소정의 가스발생이 이루어져 경량골재 내부에 미세공극의 형성 및 서냉구역에서의 2차 서냉과정중에서는 소결안정화 진행과 생성된 유리상의 재결정화가 유도되어 강한 내부강도를 부여한다.
이 점이 정밀온도를 구현함으로서 일반 로타리 킬른에서는 행할 수 없는 터널 킬른(Pusher Typed Electric Tunnel Kiln)에서의 여러 균일 물성을 얻을 수 있는 특징이다.
경량골재 구상형체에 플라이애쉬 도포를 실시함으로서 터널 킬른의 문제점인 경량골재 상호결착을 제거하였다. 소성부 전반부에서는 플라이애쉬의 사용과 유기 결합제(Binder) 및 유기 환원분위기 발생제의 영향으로 인위적인 환원분위기가 형성되어 경량골재내부에 액상형성을 촉진하였으나, 이후에는 산화분위기가 형성되며 산화분위기하의 소성 경량골재 표면하에서는 플라이애쉬가 내화성을 지녀, 표면용융화 방지 및 내부 매트릭스(Matrix) 용융막을 흡수하여 소성 경량골재란 발생되는 결착(Sticking)현상을 근원적으로 차단하였다.
또한 도포재로서 플라이애쉬의 장점은 다음과 같은 것을 들 수 있다.
1) 산화철등 다른 코팅제에 비해 상대적으로 저렴한 가격과 손쉬운 조달
2) 플라이애쉬내 존재하는 다량의 비정질(非晶質) 물질이 영향으로 부피팽창되는 경량골재 메트릭스(Matrix) 둘레 전부의 도포가능
3) 경량골재 표면에 거친감을 부여함으로서 콘크리트 배합시 침출(Bleeding) 현상 방지 및 시멘트와 골재 계면간에 강한 마찰력을 부여함으로서 콘크리트 강도의 증가
4) 플라이애쉬의 인공포졸란활성으로 인한 시멘트와의 높은 친화성
플라이애쉬중의 가용성 SiO2는 콘크리트내 시멘트의 수화시 생성되는 수산화칼슘〔Ca(OH)2〕과 즉, 시멘트의 수화에 비행 발생되는 Ca이온과 플라이애쉬에서 용출되는 SiO3이온이나 Al2O4이온이 반응하여 칼슘-실리케이트 수화물(Calcium Silicate Hydrates : CSH)나 칼륨-알루미네이트 수화물(Calcium Aluminate Hydrates : CAH)을 생성하고 이것이 장기간에 걸쳐 고화되어 고강도를 발현하므로, 골재-시멘트간이 입계(粒界)가 친화 및 강화됨으로서 콘크리트의 장기강도 구현에 크게 기여
5) 알카리-골재반응 억제
골재내의 반응성 실리카와 시멘트중의 금속이온(Na이온, K이온)이 반응하여 골재표면에 알카리 실리케이트 겔(Alkali Silicate Gel)이 형성되어 콘크리트내 수분흡수로 골재의 팽창이 이루어지는 바, 이로인한 골재-시멘트간 계면이 균열발생, 더 나아가서 전체 콘크리트의 체적팽창으로 장기간에 걸쳐 콘크리트의 강도가 현격히 감소되는 것으로 알려져 있으나, 프라이애쉬의 도포시 플라이애쉬내 가용성 실리카 성분이 시멘트내 알카리와 결합하여 골재-알카리 반응이 억제되어 콘크리트 강도구현에 간접기여
이하 실시예를 들어 본 발명을 설명하나, 본 발명이 이 실시예에 국한 되는 것은 아니다.
[실시예]
입도, 조성, 소성온도 및 시간을 변화시키면서 본 발명을 실시하였다.
실시예에 따른 비중, 흡수율, 파쇄하중 등은 표1에 기재한 바와같다.
※1. T: 킬른내 인입시 초기온도, T: 킬른내 최고온도
T, T: 중간유지온도 T: 탈냉온도
Time 1 : 킬른내 인입후 최고온도까지 도달시간, Time 2 : 중간유지시간
2. 입도 : 소(9.0∼11mm), 대(16.5∼18.5mm)
3. 조성
본 발명에서 터널 킬른(Pusher Typed Electric Tunnel Kiln)의 소성부는 총 10개의 구역(Section)으로 이루어져 있으며, 상기 온도조건에 의거하여 각기 다른 라인스피드(Line Speed)와 각 구역(Section)마다 독립적인 온도를 설정하였다. 냉각구역은 총 2개의 구역으로 구성되어 있으며 1차 고온냉각구역, 2차 서냉구역으로 구성되어 냉각속도에 따른 여러 물성들을 구현할 수 있다.
1) 상시 실시예에서 1000℃ 급냉과 500℃ 서냉비교시, 500℃ 서냉에서 비중값의 증가와 이에따른 파쇄하중값의 증가를 보였다. 이는 서냉시 소결안정화 수축으로 인한 내부 미세크랙 제거와 조직 치밀화 진행 및 생성 유리상의 재결정화에 의한 것이다.
2) 상기예에서 승온시간 증가시 비중감소와 이로인한 파쇄하중값 감소를 보였다. 이는 1090℃ 출발 후 1170℃ 도달할 때까지의 로내 체류시간 증가로 열흡수 증가에 의한 더 많은 용융상의 생성에 의해 내부 기공율이 증가하였으며 이것은 파쇄하중감소로 이어진다.
3) 상기에 공히 경량골재 입도가 클수록 높은 파쇄하중값을 보였다. 이는 용적 증가에 의한 것이다.
이상과 같이 터널 킬른(Pusher Typed Electric Tunnel Kiln)에서는 로타리 킬른과 달리 용이한 공정조건 조절과 손쉬운 유지보수 및 정밀예정 온도설정 기능으로 의도하는 바의 양호한 여러 균일 물성을 얻을 수 있으며, 로타리 킬른에서 갖는 제반 단점을 해결하여 생산 원가를 낮추며, 고품질의 경량골재를 제조하였다.

Claims (3)

  1. 규석광산 부산물인 규사미분 45∼55 중량%에 장석광산 부산물인 장석미분 15∼25 중량%, 화력발전소 부산물인 플라이 애쉬 10~20 중량%, 석회석광산 부산물인 석회석미분 또는 백운산광산 부산물인 백운산미분 7∼13 중량% 및 산화철 3∼7 중량%를 첨가 혼합하여 구상성형체를 성형하고, 상기 구상성형체 전체 중량의 1∼3 중량%의 플라이애쉬를 균일하게 도포하여 뮬라이트질 내화갑에 적재시켜 유기환원분위기 형성제와 함께 로타리형 건조로(1), 내화갑 구동부(2), 적재구역(3), 가열구역(4), 고온 냉각구역(5), 이송구역(6), 서냉구역(7)으로 구성된 터널 킬른에 투입하여 적절한 온도조건하에서 소성 발포시킨 후 냉각시켜 제조하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 유기환원분위기 형성제는 종이, 왕겨, 톱밥인 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 터널 킬른내의 온도조건은 킬른내 인입온도 900∼1150℃, 최고온도 1150∼1200℃, 중간유지온도 1000∼1150℃, 고온냉각온도 1150∼900℃, 서냉온도 900∼500℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 경량골재의 제조 방법.
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KR100846821B1 (ko) * 2007-01-22 2008-07-16 카운슬 오브 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 플라이 애쉬로부터 지오폴리머 물질을 제조하는 공정
KR102376743B1 (ko) * 2021-08-24 2022-03-23 지엠이코리아 (주) 소각재를 이용한 건축용골재의 제조방법

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