KR100248938B1 - 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 산업 폐기물로서 대량 발생되고 있는 폐주물사를 적토와 함께 적당한 비율로 혼합한 후 소정시간, 소정온도에서 소결시키는 간단한 방법으로 소성후 변형이 적고 낮은 흡수율을 가지며 높은 압축강도를 나타내는 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

3, 발명의 해결방법의 요지

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 "적토 : 폐주물사의 혼합비율을 7 : 3의 중량비율로 혼합하고 4mesh 이하의 입도로 분쇄한 후 혼합물 중량의 20wt%의 물을 첨가하여 일정한 크기로 성형한 다음 충분히 건조시키고 1160 내지 1180℃의 온도에서 28 내지 32시간 동안 소성시킴"의 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법을 제공한다.

4, 발명의 중요한 용도

본 발명의 건축재로서의 용도를 갖는다.

Description

페주물사를 이용한 적연와의 제조방법

본 발명은 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조과정에서 발생하는 폐주물사를 적토와 혼합한 후 소성하는 방법의 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법에 관한 것이다.

주조 또는 단조 공정을 위한 주물성형 과정중에서 폐기물로 발생되는 폐주물사의 년간 배출량은 현재 인천지역의 경인주물공단을 비롯하여 전국적으로 년간 약 57만토에 이르고 있으며, 이의 처리를 위하여 현재 약 91억원에 달하는 막대한 비용이 소요되고 있는 것이 현실이나 폐주물사의 발생량을 충분히 소화해내기에는 턱없이 부족한 실정이다.

이러한 이유로 미처리된 잔여 폐주물사를 매립 등의 방법으로 처리하고자 하는 경우 매립지의 확보가 용이하지 않을 뿐만 아니라 분진발생 등의 환경문제를 야기시킬 수 있는 소지가 있어 매립지 인근의 주민들로로부터의 반발이 예상되므로 현실화되기 어려운 문제점이 있다.

따라서, 일부에서는 이러한 폐주물사를 이용하여 염전 객토용, 저급구조재, 저지대 성토용 및 건축자재 등의 원료로서 활용하고자 하는 노력을 기울이고 있는 바, 이와 관련하여 대한민국 특허 공고번호 제 94-5537호에서는 폐주물사를 500 내지 700℃로 가열한 상태에서 연마시키는 방법의 건축자재 제조방법을 제공하고 있으나 이러한 방법은 하소된 폐주물사 표면에 형성된 탄화 유기물질 및 물유리와 같은 무기물질 피막을 제거하기 위하여 연마시키는 공정이 별도로 필요할 뿐만 아니라 연마시 율활제로서 첨가되는 물비누 성분을 최조종적으로 제거하기 위한 세척공정을 필요로하여 제조비용을 크게 상승시키는 문제점이 있다.

또한 대한민국 특허공고 번호 제94-7264호에서는 폐주물사, 시멘트, 플라이에쉬 및 접착력강화제로서의 CMC 등을 혼합하여 모르타르 시멘트로 제조하는 기술을 제시하고 있으나 이는 폐주물사에 함유된 유기불순물의 제거를 위한 하소공정이 선행되지 않아 궁극적으로 제조된 모르타르 시멘트의 강도특성 등의 물성이 저하되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 모르타르 제조시 폐주물사에 함유된 철분, 구리 등의 금속성분이 수분에 의하여 산화됨으로서 모르타르 외부로 용출되어 외관을 크게 손상시키게 되며 따라서 이러한 제반 문제점들로 인하여 폐주물사의 재활용량이 매우 미흡할 수밖에 없으므로 배출되는 폐주물사의 절대량 감소효과는 기대하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바의 종래기술에서 나타나는 문제점을 개선하기 위한 것으로, 산업 폐기물로서 대량 발생되고 있는 폐주물사를 적토와 함께 적당한 비율로 혼합한 후 소정시간, 소정온도에서 소결시키는 간단한 방법으로 소성 후 변형이 적고 낮은 흡수율을 가지며 높은 압축강도를 나타내는 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

제1도는 소성시간이 26시간일 때의 소성수축율 변화곡선.

제2도는 소성시간이 28시간일 때의 소성수축율 변화곡선.

제3도는 소성시간이 30시간일 때의 소성수축율 변화곡선.

제4도는 소성시간이 32시간일 때의 소성수축율 변화곡선.

제5도는 소성시간이 26시간일 때의 흡수율 변화곡선.

제6도는 소성시간이 28시간일 때의 흡수율 변화곡선.

제7도는 소성시간이 30시간일 때의 흡수율 변화곡선.

제8도는 소성시간이 32시간일 때의 흡수율 변화곡선.

제9도는 소성시간이 26시간일 때의 압축강도 변화곡선.

제10도는 소성시간이 28시간일 때의 압축강도 변화곡선.

제11도는 소성시간이 30시간일 때의 압축강도 변화곡선.

제12도는 소성시간이 32시간일 때의 압축강도 변화곡선.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 적토 : 폐주물사의 혼합비율을 7:3의 중량비율로 혼합하고 4mesh 이하의 입도로 분쇄한 후 혼합물 중량의 20wt%의 물을 첨가하여 일정한 크기로 성형한 다음 충분히 건조시키고 1160 내지 1180℃의 온도에서 28 내지 32시간동안 소성시키는 방법의 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 소성재료로서 사용하는 폐주물사와 적토는 일반적으로 하기한 표 1의 조성을 갖는다.

상기 표 1에 나타낸 바에 의하면 폐주물사의 경우 SiO₂의 함량이 80.48wt%로 일반모래와 비교할 때 다소 많은 결과치를 나타내고 있는데 이는 주, 단조 성형시 필요한 주물사를 천연모래로 사용하지 않고 주물사 대체용 모래로서 SiO₂가 주요 성분으로 함유된 규암질 광물을 60 내지 100mesh로 분쇄한 규암질 광물분을 사용하기 때문이다.

또한 폐주물사의 성분중 Al2O₃및 Fe2O₃는 각각 5.40wt% 및 5.33wt%로 나타나고 있는데 이는 알루미늄 주조 및 주물 주조 성형과정중에 외부로부터 유입된 것으로 보여준다.

상기한 금속산화물외에도 폐주물사내에는 일정량의 금속물질이 포함되어 있어 이를 물질이 수분과 접촉할 경우 산화물을 형성하여 외부로 용출되는데 폐주물사를 고온으로 소성시키는 경우 폐주물사에 함유된 SiO₂가 유리질화되어 이들 금속물질을 코팅시키게 됨으로서 수분과의 접촉에 의한 산화현상 및 용출현상을 방지할 수 있는 것이다.

상기한 무기물 조성을 갖는 적토와 폐주물사를 혼합함에 있어 적토 7중량비율을 기준으로 하여 폐주물사를 3중량비율 이상으로 첨가할 경우 주물사의 결합제로 사용되는 물유리의 영향으로 Na₂O의 함량이 높아지게 되어 흡수율이 크게 증가하므로서 동결융해에 대한 저항성이 저하할 뿐만 아니라 소성시의 수축현상이 매우 급속하게 진행됨으로서 소성체의 내부구조가 불균일화되어 압축강도 또한 크게 약화되는 문제점이 있으며, 폐주물사를 3중량비율 이하로 첨가할 경우 폐주물사의 소성시의 유리질화에 의한 결합력이 약화될 뿐만 아니라 폐주물사의 이용성 측면에서의 문제점이 있으므로 상기한 바와 같이 적토 : 폐주물사의 혼합비율은 7 : 3으로 함이 바람직한 것이다.

또한 소성시의 온도를 1160℃ 미만으로 할 경우 소성에 의한 수축이 불완전하게 진행되어 압축강도 및 흡수율에 있어서 바람직한 결과를 얻을 수 없으므로 소성온도를 1160℃ 이상으로 높게 할수록 압축강도가 증가할 뿐만 아니라 흡수율이 감소하게되는 장점이 있으나 소성수축율이 커져 과밀화되는 문제점이 있으므로 소성온도는 1160 내지 1180℃로 함이 적당한 것이다.

이와함께 소성시간을 증가시킬수록 흡수율의 저하 및 압축강도 증가효과는 커지게되며 특히 압축강도의 경우 28시간을 기점으로 하여 크게 증가하고 있으나 소성온도가 32시간을 초과하는 경우 물성의 향상효과가 미미하게 나타나는 반면 오히렬 고온처리에 소요되는 비용이 증가하게 됨으로서 생산원가가 상승하게 되는 문제점이 있으므로 그 소성시간은 28 내지 32시간으로함이 바람직한 것이다.

본 발명에서 사용하는 폐주물사는 주조과정에서 외부로부터 혼입된 철 및 기타 이물질이 존재할 수 있으므로 일차적으로 자석을 이용하여 이러한 불순물의 제거시킴이 바람직하며, 폐주물사를 적토와 함께 혼합한 후 혼합물을 균일화하기 위하여 최소 4 mesh이하의 입도로 분쇄하여주는 것이 좋다.

또한 상기 혼합물에 물을 혼합하여 일정한 형태로 성형한 다음에는 성형체내에 함유된 수분을 건조시키는 공정을 필요로하는데 이때 100±5℃의 온도로 유지되는 건조로에서 2 내지 3시간동안 유지시켜 충분히 건조시켜주는 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하기로 한다.

[실시예 1]

충북 진천 일원으로부터 채취한 적토 5kg과 인천의 주물공단으로부터 수거한 폐주물사 5kg을 혼합한 후 분쇄기에 넣고 혼합물 입자의 최대크기를 4mesh 이하로 분쇄한 다음, 여기에 물 2리터를 혼합하여 충분히 교반한 상태에서 175×65mm 크기의 성형틀에 최밀 충전하여 벽돌형태로 성형한 후 성형틀을 분리한 다음 건조오븐에서 100±5℃의 온도에서 2시간동안 건조하였다.

계속하여 상기 제조된 성형체를 1150℃의 관상로내에 장입하여 26시간동안 소성시킨 후 상온으로 자연냉각시켰다.

[실시예 2 내지 48]

상기 실시예와 동일하게 실시하되 적토 및 폐주물사의 함량, 소성온도 및 소성시간을 하기한 표 2에 나타난 바와 같이 변화시켰다.

[실험예]

상기 실시예 1 내지 48로부터 제조된 소성체 시편을 사용하여 하기한 시험방법에서 정한 바에 따라 각각의 소성수축율 흡수율 및 압축강도를 계산하였다.

-소성수축율 측정-

상기 실시예 1내지 48로부터, 소성전 시편을 항량이 될 때까지 충분히 건조시킨 후 길이를 측정하고, 또한 각각의 소성온도에서 소성시킨 후 항량이 될 때까지 로내에서 충분히 자연냉각시킨 후의 소성길이를 측정한 후 이를 하기의 수학식 1에 대입하여 소성수축율을 계산한 다음 그 결과를 제1도 내지 제4도에 나타내었다.

상기 수학식 1에서 S_f는 소성수축율(%)이며, L_d는 성형후 건조된 시편의 길이이고, L_f는 소성후 시편의 길이이다.

-흡수율 측정-

상기 실시예 1 내지 48로부터, 각각의 소성온도에서 소성시킨 후 항량이 될때까지 로내에서 충분히 자연냉각시킨 시편의 무게를 측정하고, 이들 시편을 24시간동안 물속에 충분히 담근후 젖은 스폰지로 시편의 표면을 충분히 닦은 후의 무게를 측정한 후,이를 하기의 수학식 2에 대입하여 흡수율을 계산한 다음 그 결과를 제5도 내지 제8도에 나타내었다.

상기 수학식 2에서, W_a는 흡수율(%)이며, w₁은 소성후 건조된 시편의 무게이고, w₂는 소성된 시편의 수분흡수무게이다.

-압축강도 측정-

상기 실시예 1 내지 48로부터, 각각의 소성온도에서 소성시킨 후 항량이 될때까지 로내에서 충분히 자연냉각시킨 시편의 일면을 가압면으로하고, 이들 시편의 개구부를 포함하는 가압면적 A(cm₂)을 구한다음, 초당 7kgf/cm₂의 가압속도로 가압하여 시편이 파괴되었을 때의 최대하중을 측정하여 하기한 수학식 3에 대입하여 압축강도를 구한 후 그 결과를 제9도 내지 제12도에 나타내었다.

상기 수학식 3에서 C는 압축강도(kgf/cm₂)이고 A는 개구부를 포함하는 가압면적(cm₂)이며 W는 최대하중(kgf)이다.

제1도 내지 제4도는 실시예 1 내지 48에서 제조된 시편의 소성수축율 나타낸 그래프로서, 제1도는 소성시간을 26시간으로한 경우 적토와 폐주물사의 조성비율 및 소성온도를 변화시켜 제조한 실시예 1 내지 12의 소성수축율 실험결과가이며, 제2도는 소성시간을 28시간으로하여 제조한 실시예 13 내지 24의 소성수축율 실험결과이고, 제3도는 소성시간을 30시간으로하여 제조한 실시예 25 내지 36의 소성수축율 실험결과이며, 제4도는 소성시간을 32시간으로하여 제조한 실시예 37 내지 48의 소성수축율 실험결과이다.

제5도 내지 제8도는 실시예 1 내지 48에서 제조된 시편의 흡수율 나타낸 그래프로서, 제5도는 소성시간을 26시간으로한 경우 적토와 폐주물사의 조성비율 및 소성온도를 변화시켜 제조한 실시예 1 내지 12의 흡수율 실험결과이며, 제6도는 소성시간을 28시간으로하여 제조한 실시예 13 내지 24의 흡수율 실헙결과이고, 제7도는 소성시간을 30시간으로하여 제조한 실시예 25 내지 36의 흡수율 실험결과이며, 제8도는 소성시간을 32시간으로하여 제조한 실시예 37 내지 48의 흡수율 실험결과이다.

제9도 내지 제12도는 실시예 1내지 48에서 제조된 시편의 압축강도를 나타낸 그래프로서, 제9도는 소성시간을 26시간으로한 경우 적토와 폐주물사의 조성비율 및 소성온도를 변화시켜 제조한 실시예 1 내지 12의 압축강도 실험결과이며, 제10도는 소성시간을 28시간으로하여 제조한 실시예 13 내지 24의 압축강도 실험결과이고, 제11도는 소성시간을 30시간으로하여 제조한 실시예 25 내지 36의 압축강도 실험결과이며, 제12도는 소성시간을 32시간으로하여 제조한 실시예 37 내지 48의 압축강도 실험결과이다.

제1도 내지 제4도의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 전체적으로는 적토 :폐주물사의 비율을 7 : 3으로 조성한 경우 소성수축율이 가장 높게나타나 소성체가 최밀구조를 나타내고 있으며 이는 흡수율의 저하 및 압축강도의 향상에 미치는 효과가 매우커 제5도 내지 제8도의 흡수율 그래프 및 제9도 내지 제12도의 압축강도 그래프에 나타난 바와 같이 적토 : 폐주물사가 5 : 5 또는 6 : 4의 비율로 조성된 경우와 비교하여 적토 : 폐주물사가 7 : 3으로 조성된 경우 흡수율이 보다 낮게 나타나며 압축강도는 현저히 높게 나타나게 되는 것이다.

또한 압축강도에 있어서 소성시의 온도가 1160℃일때를 기점으로 하여 크게 증가하므로 소성온도를 높게하면 할수록 압축강도는 크게 향상될 수 있음을 알 수 있으나 오히려 소성온도가 1180℃이상으로 지나치게 커질 경우 소성수축율이 8%이상으로 높아지므로 과다수축에 의하여 소성체의 내부 조직의 과밀화 및 부분적으로 파괴될 수 있는 것이다.

이와함께 소성시간을 길게하면 할수록 흡수율은 낮아져 궁극적으로 제조된 소성체의 동결융해에 대한 저항성은 다소 향상되나, 압축강도에 있어서는 소성시간을 각각 30시간 및 32시간으로한 제11도 및 제12도의 경우 소성시간을 28시간으로 한 제9도와 비교할 때 압축강도 개선효과가 미미하며 오히려 소성수축율이 크게 증가되고 있음을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 산업 폐기물로서 대량 발생하고 있는 폐주물사를 적토와 함께 적당한 비율로 혼합하여 소정시간, 소정온도에서 소결시키는 간단한 방법의 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법을 제공함으로서 폐주물사의 처리효과 및 자원 재활용성 측면에서의 개선효과를 동시에 얻을 수 있는 유용한 발명인 것이다.

Claims (1)

1. 적토 : 폐주물사의 혼합비율을 7 : 3의 중량비율로 혼합하고 4mesh 이하의 입도로 분쇄한 후 혼합물 중량의 20wt%의 물을 첨가하여 일정한 크기로 성형한 다음 충분히 건조시키고 1160 내지 1180℃의 온도에서 28 내지 32시간동안 소성시킴을 특징으로 하는 폐주물사를 이용한 적연와의 제조방법.

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