KR100534055B1 - 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소성벽돌 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 소성벽돌의 제조방법에 있어서, 무연탄 석탄회 50~86.2wt%, 고령토 10~40wt%, 장석 0~10wt%로 구성된 무연탄 석탄회 배합토를 제조하고, 상기 무연탄 석탄회 배합토에 유기 및 무기 가소제를 첨가하여 진공 압출 성형한 후 성형벽돌을 소성로에서 소성한 것을 특징으로 하는 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌의 제조 방법에 관한 것이다.

건축용 소성벽돌의 주원료는 적점토와 고령토로 국내에 부존하는 천연자원이 사용되고 있다. 그러나 최근 지구환경보존 및 국토보존이라는 환경정책의 강화로 국내에 부존하고 있는 천연자원의 개발이 억제되고 있는 국내 실정 때문에, 소성벽돌의 원료를 확보하기가 점점 어려워지고 있으며, 이들 자원을 대체할 수 있는 물질의 개발이 시급한 실정이다. 대체물질로서는 석탄회, 폐석고, 더스트, 폐주물사와 같은 산업 폐기물들이 검토되고 있는데, 이중에서 석탄회는 고령토의 성분과 유사한 특성을 가지고 있어 소성벽돌의 원료로 적합하다.

그러나 종래의 기술로는 소성벽돌 중 석탄회의 첨가량이 50wt%를 초과하지 못하고 있다. 이것은 석탄회 배합토 중 석탄회의 첨가량이 50wt%를 넘게 되면 석탄회 배합토의 가소성이 급격히 저하하여 성형 공정에서 진공 압출 성형이 불가능하기 때문이다. 또한, 프레스 방법에 의해 석탄회 첨가량이 50wt% 이상인 블릭을 성형하더라도, 소성 공정에서 균열이 발생하여 소성블릭의 압축강도가 저하하는 문제점이 발생된다.

그러므로, 본 발명은 상기한 바와 같이 종래의 기술의 문제점을 개선하기 위하여 소성벽돌의 제조에 사용되는 천연 원료 중 50~86.2wt%을 석탄회로 대체하여, 소성 벽돌의 제조 원가 절감 및 강도 특성 향상뿐만 아니라 석탄회의 재활용 및 천연자원의 사용량 감소로 인한 자연환경 보호를 달성하고자 하는 것이고, 이를 위하여 내화도가 우수한 무연탄 석탄회를 원료로 사용하여 석탄회의 첨가량이 50~86.2wt%인 석탄회 배합토를 제조하고, 이 혼합물의 가소성 저하 문제를 개선하기 위하여 유기 및 무기 가소제를 첨가하여 진공 압출 성형한 후, 성형벽돌을 터널식 소성로에서 소성하는 압축강도가 500kgf/㎠ 이상인 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌의 제조 방법을 제공하는데 있다.

Description

무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌 및 그 제조 방법{FIRED BRICK WITH HIGH STRENGTH BRICK AND HIGH CONTENT OF ANTHRACITE COAL FLY ASH AND PREPARATION METHOD}

본 발명은 무연탄을 연료로 하는 화력발전소에서 발생되는 무연탄 석탄회를 활용한 건축용 소성벽돌 및 그 제조에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 무연탄 석탄회, 고령토, 장석으로 구성되는 무연탄 석탄회의 첨가량이 50~86.2wt%인 배합토를 제조하고, 무연탄 석탄회에 의한 배합토의 가소성 저하 문제를 개선하기 위하여 유기 및 무기 가소제를 첨가하여 진공압출 성형 후 터널식 소성로에서 1100~1250㎠로 소성하는 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 건축용 소성벽돌의 종류는 적점토질 벽돌과 고령토질 벽돌로 구분할 수 있다. 적점토질 소성벽돌의 제조 원료에는 철분의 함량이 높은 적점토, 모래, 장석이고, 고령토질 벽돌의 제조 원료에는 고령토와 장석이 사용되고 있다. 이들 소성벽돌의 일반적인 제조공정을 보면, 우선 주원료인 적점토와 고령토는 천연자원으로 함수율이 높기 때문에 로타리 킬른에서 건조 공정을 거치게 되고, 건조된 원토는 모래, 장석 등과 같은 부원료와 1차 혼합 공정에 유입된다. 1차 배합토는 석별기에서 굵은 돌들이 제거되고 1차 분쇄 공정 및 2차 분쇄 공정에서 미립화가 이루어지며 다시 2차 혼합공정에서 균일하게 혼합된 배합토가 만들어진다.

이 배합토는 숙성을 위하여 저장고에 저장되고 필요에 따라 수분이 첨가되어 진공 압출 성형기에서 벽돌 모양으로 성형된다. 성형기에 의해 제조된 성형 벽돌은 건조실에서 건조된 후 적재 과정을 거쳐 터널식 소성로에서 소성된다.

소성벽돌의 주원료는 적점토와 고령토로 국내에 부존하는 천연자원이다. 최근 지구환경 보존 및 국토 보존이라는 환경정책의 강화로 국내에 부존하고 있는 천연자원의 개발이 억제되고 있으며, 이러한 정책은 더욱 강화될 것으로 전망되고 있다. 따라서 소성벽돌의 주원료인 적점토와 고령토의 확보가 점점 어려워지고 있으며, 이들 자원을 대체할 수 있는 물질의 개발이 시급한 실정이다. 대체물질로서는 석탄회, 폐석고, 더스트, 폐주물사와 같은 산업폐기물을 생각할 수 있다. 이 중에서 석탄회는 적점토 및 고령토와 같은 천연 광석과 성분이 유사하여 유력한 대체물질로 평가되고 있다.

석탄회를 활용한 종래의 소성벽돌 제조 방법에서 배합토 중 석탄회의 첨가량이 50wt% 초과하지 못하고 있는데, 이것은 석탄회 첨가량이 증가할수록 석탄회 배합토의 가소성이 저하하여 진공압출 성형이 불가능하기 때문이다. 또한, 프레스 성형 방식에 의해 석탄회 첨가량이 50wt% 이상인 벽돌이 성형되더라도 소성공정에서 벽돌에 균열이 발생하여 소성벽돌의 강도 특성을 저하하는 문제점을 나타내고 있기 때문이다. 본 발명에서는 내화도 특성 우수한 무연탄 석탄회를 사용하여 소성과정에서의 균열현상을 억제하였다. 석탄회는 화력발전소에서 사용하는 석탄의 종류에 따라 유연탄 석탄회와 무연탄 석탄회로 구분될 수 있는데, 무연탄 석탄회 중에는 고온특성이 우수한 뮬라이트의 성분이 다량 함유되어 있어 내화도가 우수하므로 무연탄 석탄회가 첨가된 벽돌의 경우에는 소성 과정에서의 균열 현상을 현저히 방지할 수 있다. 종래에 기술에서는 소성벽돌의 원료로 유연탄 석탄회와 무연탄 석탄회가 구별되어 사용되지 않았고, 대부분 유연탄 석탄회가 적용되어 왔다.

따라서 무연탄 석탄회, 고령토, 장석으로 구성되는 배합토를 제조하고 가소성을 향상시켜 무연탄 석탄회의 첨가량이 50wt% 이상인 벽돌을 진공 압출 성형할 수 있다면, 석탄회 고함량 소성벽돌의 공업적 생산이 가능하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 소성벽돌의 제조에 사용되는 천연 원료 중 50~86.2wt%을 석탄회로 대체하여, 소성 벽돌의 제조 원가 절감 및 강도 특성 향상뿐만 아니라 석탄회의 재활용 및 천연자원의 사용량 감소로 인한 자연환경 보호를 달성하고자 하는 것이고, 이를 위하여 내화도가 우수한 무연탄 석탄회를 원료로 사용하여 석탄회의 첨가량이 50~86.2wt%인 석탄회 배합토를 제조하고, 이 혼합물의 가소성 저하 문제를 개선하기 위하여 유기 및 무기 가소제를 첨가하여 진공 압출 성형한 후, 성형벽돌을 터널식 소성로에서 소성하는 압축강도가 500kgf/㎠ 이상인 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌은, 소성벽돌에 있어서, 무연탄 석탄회 50~86.2wt%, 고령토 10~40wt%, 장석 0.1~10wt%로 구성된 무연탄 석탄회 배합토를 제조하고, 상기 무연탄 석탄회 배합토에 유기가소제 0.7~1.2wt% 및 무기가소제 3~15wt%를 첨가하여 진공 압출 성형한 후 성형벽돌을 소성로에서 50℃/min의 승온속도로 1100~1250℃의 온도범위까지 승온한 후 3~8시간 동안 유지하여 소성한 것을 특징으로 한다.상기 유기 가소제는 젤라틴, 아라비아 고무, 메칠셀룰로스, 글리세린, 펄프폐액, 폴리비닐알콜의 천연 또는 합성 유기물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용된다. 그리고, 상기 무기 가소제는 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토의 천연광물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용된다.또한 본 발명의 제조방법은, 소성벽돌의 제조방법에 있어서, 무연탄 석탄회 50~86.2wt%, 고령토 10~40wt%, 장석 0.1~10wt%로 구성된 무연탄 석탄회 배합토를 제조하는 단계와; 상기 무연탄 석탄회 배합토에 젤라틴, 아라비아 고무, 메칠셀룰로스, 글리세린, 펄프폐액, 폴리비닐알콜의 천연 또는 합성 유기물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용되는 유기가소제 0.7~1.2wt% 및 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토의 천연광물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용되는 무기가소제 3~15wt%를 첨가하는 단계와; 진공 압출 성형한 후 성형벽돌을 소성로에서 소성하는 단계와; 상기 성형벽돌을 50℃/min의 승온속도로 1100~1250℃의 온도범위에서 3~8시간 동안 유지하여 소성하는 단계를 포함하여 이루어진다.이하 본 발명의 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌 및 그 제조 방법을 도면에 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 소성벽돌의 일반적인 제조 공정도로서, 소성벽돌의 주원료는 적점토 또는 고령토이며 부원료로는 장석 및 모래가 사용된다. 고령토질 소성벽돌의 경우에는 주원료로는 저급 고령토가 사용되고 부원료로는 장석이 사용된다.

고령토질 소성벽돌의 제조시 주원료인 고령토를 석탄회로 대체하여 소성벽돌을 제조할 수 있는데, 종래의 기술에서는 석탄회의 함량이 10~50wt%이고, 고령토와 장석의 배합 비율이 각각 45~75wt%와 5~15wt%로, 배합토 중 석탄회의 함량이 50wt% 이상을 넘지 못하는 문제점이 이었다. 그 원인으로는 석탄회 함량의 증가에 따른 석탄회 배합토의 가소성 저하와 고온 소성 시 발생되는 벽돌의 균열 때문이었다.

석탄회의 종류에 관계없이 배합토 중 석탄회의 첨가량이 50wt%를 초과하게 되면 가소성 저하에 의해 진공 압출 성형이 불가능하게 된다. 석탄회 배합토의 가소성을 향상시키기 위하여 본 발명에서는 배합토에 추가적으로 유기 또는 무기 가소제를 첨가하였다. 유기 가소제에는 젤라틴, 아라비아 고무, 메칠셀룰로스, 글리세린, 펄프폐액, 폴리비닐알콜 등이 사용될 수 있고, 무기 가소제에는 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토 등이 사용될 수 있다.

고온 소성 과정에서 발생되는 벽돌의 균열 현상은 유연탄 석탄회의 낮은 내화도 때문이다. 표 1에 유연탄 석탄회의 무연탄 석탄회의 물리적 특성을 비교하여 나타내었다. 주요 성분에서 알 수 있듯이, 무연탄 석탄회 중에는 Al2O3 성분이 유연탄 석탄회 보다 더 높게 함유되어있다. 따라서 우수한 고온 특성을 갖고 있는 뮬라이트 결정의 생성이 용이하며, 결과적으로 무연탄 석탄회를 첨가한 벽돌은 내화도가 향상되어 고온 소성과정에서 발생될 수 있는 균열 등과 같은 심각한 변형을 억제할 수 있다.

무연탄 석탄회의 배합토의 제조 방법, 가소성 향상 방법, 진공 압출 성형 여부의 평가방법, 성형 및 소성 제품의 특성 평가방법은 다음과 같이 수행하였다.

배합토 중 석탄회의 첨가량은 50~86.2wt%의 범위로 하였고, 고령토의 첨가량은 10~40wt%의 범위로 하였으며, 장석의 첨가량은 10wt%로 고정하였다. 단, 석탄회의 함량이 86.2wt%인 경우에는 무기 가소제만 13.8wt% 첨가하였다. 유기 가소제는 시료 전체 중량에 0.7~1.2wt%의 범위에서 첨가되었고, 무기 가소제는 3~15wt%의 범위로 첨가되었는데 이 경우에는 무기 가소제를 첨가하는 만큼 고령토의 첨가량을 감소시켰다.

유기 가소제로는 젤라틴, 아라비아 고무, 메칠셀룰로스, 글리세린, 펄프폐액, 폴리비닐알콜 등의 천연 또는 합성 유기물 중 하나를 선정하여 사용하였고, 무기 가소제에는 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토 등의 천연광물 중 하나 또는 두 가지 광물을 선정하여 사용하였다. 무연탄 석탄회, 고령토, 장석 및 가소제로 구성된 혼합물은 수분의 함량이 15~20wt%가 되도록 조절되면서 모르타르 혼합기에서 균질하게 혼합하여, 진공 압출 성형을 위한 배합토를 제조하였다.

무연탄 석탄회와 유연탄 석탄회의 물리적 특성 비교

	무연탄 석탄회	유연탄 석탄회
평균입경(μm)	20 ~ 35	15 ~ 20
SiO₂(%)	10 ~ 25	61 ~ 65
Al₂O₃(%)	28 ~ 29	18 ~ 25
Fe₂O₃(%)	4 ~ 5	3.5 ~ 7
CaO (%)	0,8 ~ 1.2	4 ~ 7
Loss of Ignition(%)	13 ~ 15	2 ~ 5
내화도	1300 °C	1200 °C
뮬라이트	대	소

무연탄 석탄회 배합토의 진공 압출 성형의 가부는 150마력의 진공 압출 성형기로 실제 벽돌 생산 공정에서 확인하였고, 여기에서 성형된 벽돌은 105m의 터널식 소성로에서 50℃/hr의 승온속도로 최고 소성온도까지 가열하였으며, 최고 소성온도는 1100~1250℃로 하였다. 최고 소성온도에서의 유지시간은 3~8시간으로 하였다. 소성 벽돌의 특성은 압축강도, 흡수율 및 중량의 비교로 평가하였다. 한편, 진공 압출 성형이 가능한 배합비를 갖는 무연탄 석탄회 배합토의 경우에는 압출 성형 특성을 평가하기 위하여 소형 진공 압출 성형기(MIYAZKI Steel Co.의 FM-30, 3마력)를 사용하였고, 이 시험을 통하여 성형 벽돌의 토출속도 및 강도를 평가하였다. 성형 몰드는 토출구의 크기가 세로 15㎝ 가로 25㎝인 것을 사용하였고, 성형 벽돌의 강도는 진공 압출 성형기를 통하여 토출되는 성형벽돌이 자중에 의해서 스스로 절단되는 길이를 실측하여 평가하였다.

석탄회의 첨가량이 60wt%의 경우에서는 소량의 유기 가소제를 첨가하여 가소성이 증진되었고, 진공 압출 성형이 가능하였다. 상기 유기가소제의 첨가량은 0.7~1.2wt%의 범위로 하였고, 0.8~1.0wt%가 바람직하였다. 석탄회 첨가량이 70wt%의 경우에는 배합토의 가소성이 현저히 저하하여 유기 가소제의 첨가만으로는 성형이 곤란하였고, 무기 가소제의 첨가가 효과적이었다. 무기 가소제의 첨가량이 부족할 경우에는 진공 압출 성형기에 배합토의 장입이 곤란하여 성형이 불가능하였고, 무기가소제의 첨가량이 과다할 경우에는 진공 압출 성형기로부터 성형벽돌의 토출이 곤란하여 성형이 불가능하였다. 배합토 중 석탄회의 첨가량이 70wt%의 경우 무기 가소제의 첨가량은 3~8wt%의 범위가 바람직하고, 석탄회의 첨가량이 80wt%의 경우에는 5~10wt%, 석탄회의 첨가량이 86.2wt%의 경우에는 8~15wt%의 범위가 바람직하였다.

배합토에 첨가되는 무기 가소제의 첨가량이 증가할수록 성형벽돌의 강도는 증가하고 성형 벽돌의 토출속도는 저하하는 경향을 나타내었다. 본 발명에서는 무기 가소제 첨가에 따른 성형 벽돌의 토출속도가 저하하는 현상을 개선하기 위하여 윤활 특성이 있는 가소제의 적용을 도입하였고, 결과적으로 성형벽돌의 토출속도를 향상시킬 수 있었다. 또한, 점성이 우수한 무기 가소제와 윤활 특성이 있는 무기 가소제의 조합에 의하여 무연탄 석탄회 고함량 배합토의 성형벽돌의 강도 및 토출속도를 모두 향상시킬 수 있었다.

진공 압출 성형에서 얻어진 성형벽돌은 터널식 소성로를 이용하여 소성하였다. 최고 소성온도까지는 50℃/hr의 승온속도로 가열하였으며, 이때 최고 소성온도는 1100~1250℃ 범위로 하였고, 1150℃가 바람직하였다.

최고 소성온도에서의 유지시간은 3~8시간으로 하였고, 5시간이 바람직하였다. 무연탄 석탄회의 첨가량이 증가할수록 소성벽돌의 압축강도는 증가하였고, 흡수율 및 무게는 감소하였다. 무연탄 석탄회의 첨가량이 60wt%인 소성벽돌의 압축강도는 640kgf/㎠를 나타내었고, 석탄회의 첨가량이 86.2wt%인 소성벽돌의 압축강도는 750kgf/㎠를 나타내었다. 본 발명에서는 무연탄 석탄회 50wt% 첨가 소성벽돌의 압축강도보다도 약 240~350kgf/㎠ 높은 압축강도를 갖는 소성벽돌의 제조가 가능하였다. 무연탄 석탄회의 첨가량이 증가함에 따라 압축강도가 증가하는 것은 도 2의 SEM 사진에서 알 수 있듯이 소성벽돌 조직의 치밀화에 기인한다.

도 2a의 사진은 무연탄 석탄회의 첨가량이 30wt%인 소성벽돌의 단면을 관찰한 SEM 사진(1,000배)이고, 도 2b의 사진은 무연탄 석탄회의 첨가량이 80wt%인 소성벽돌의 단면을 관찰한 SEM 사진(1,000배)이다. 도 2a와 비교하여 사진 도 2b의 조직이 더욱 치밀화되어 있는 것을 알 수 있다.

무연탄 석탄회의 첨가량이 증가할수록 흡수율이 저하되는 것도 조직의 치밀화와 관련된다. 한편, 무연탄 석탄회 중에는 미연탄소가 약 13~15wt% 함유되어 있는데, 이 미연탄소는 소성 공정에서 벽돌의 조직을 다공질화하게 되는데, 배합토 중 석탄회의 첨가량이 증가하게 되면 미연탄소의 양도 증가하여 소성벽돌을 더욱 다공질화하게 되고 결국 소성벽돌의 무게를 감량시킬 수 있었다.

도 2b 사진에서 확인할 수 있듯이, 사진 도2a와 비교하여 매우 큰 기공(pore) 들이 존재하고 있다. 무연탄 석탄회를 전혀 첨가하지 않은 고령토질 벽돌 한 장(크기 90×225×750mm)의 무게는 약 1600g인 반면, 무연탄 석탄회가 86.2wt%의 첨가된 동일 크기의 소성벽돌 한 장 무게는 약 1340g으로 약 16%의 무게 감량을 달성할 수 있었다.

또한, 소성벽돌의 제조 공정에서 석탄회의 첨가량이 증가하면 결과적으로 천연 광석의 사용량이 감소하기 때문에, 로타리 킬른에 의한 원료(적점토 및 고령토)의 건조 공정을 완전히 생략할 수 있었고, 2번의 분쇄 공정을 1번으로 단순화 시킬 수 있다. 이러한 공정의 단순화는 에너지 절약을 가능하게 하고, 결과적으로 소성벽돌의 제조 원가를 낮출 수 있었다.

다음은 비교예 및 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

<비교예 1, 2>

석탄회 30wt%, 고령토 60wt%, 장석 10wt%인 석탄회 배합토의 경우에는 가소제의 첨가 없이 단순히 배합토 중량의 16~18wt%에 해당하는 수분 공급만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 성형벽돌의 강도는 132mm, 토출속도는 58mm/min을 나타내었고, 소성 후 압축강도는 320kgf/㎠이었다.

석탄회 50wt%, 고령토 40wt%, 장석 10wt%인 석탄회 배합토의 경우에도 가소제의 첨가 없이 16~18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 이때 성형벽돌의 강도와 토출속도는 각각 92mm와 52mm/min로 석탄회 첨가량이 30wt%의 경우와 비교하여 약간 저하하였고, 소성 후 압축강도는 400kgf/㎠를 나타내었다.

<실시예 1, 2>

석탄회 60wt%, 고령토 30wt%, 장석 10wt%인 석탄회 배합토의 경우에는 수분의 첨가만으로는 진공 압출 성형이 불가능하였다. 표 2의 실시예 1의 경우에는 유기 가소제인 메칠셀룰로스(P-1)를 배합토 총 중량의 0.8wt% 첨가하고 수분을 17~ 18wt%로 조절하여 진공 압출 성형한 결과 성형이 가능하였다. 성형벽돌의 강도는 비교예 2와 비교하여 약간 증가하였으나 토출속도는 41mm/min으로 감소하였다.

실시예 2에서는 실시예 1과 동일한 석탄회 배합토에 유기 가소제로 펄프폐액(P-2)이 배합토 총 중량의 0.9wt% 첨가하고 수분을 17~18wt% 조절하여 진공 압출 성형한 결과 성형이 가능하였다. 성형벽돌의 강도 및 토출속도는 석탄회 첨가량이 50wt%인 비교예 2와 동등 수준이었다.

실시예 1과 2에서 얻은 성형벽돌은 터널실 소성로에서 1150℃로 소성되었고, 표 3에 나타낸 소성벽돌의 특성 중 압축강도는 640~650 kgf/㎠로 비교예 2와 비교하여 240 kgf/㎠ 이상 증가하였다.

<실시예 3~5>

무연탄 석탄회의 첨가량이 70wt%인 석탄회 배합토에 대하여 무기 가소제의 종류를 달리하여 진공 압출 성형 및 소성벽돌의 특성을 조사하였다. 실시예 3의 경우에는 무기가소제로 벤토나이트(K-1)를 5wt% 첨가하였고 고령토와 장석을 각각 15wt%와 10wt% 첨가하였다. 배합토의 수분 함량이 16~19wt%일 때 진공 압출 성형이 가능하였고 성형벽돌의 강도는 102mm로 비교예 2보다 높은 값을 보였지만 토출속도는 석탄회 첨가량의 증가로 감소하였다.

실시예 4의 경우에는 무기가소제로 점토(K-2)를 10wt% 첨가하였고 고령토와 장석을 각각 10wt%와 10wt% 첨가하였다. 배합토의 수분 함량이 16~19wt%일 때 진공 압출 성형이 가능하였고 성형벽돌의 강도는 98mm를 나타내었다. 성형벽돌의 토출속도는 실시예 3과 비교하여 39mm/min으로 향상되었다.

실시예 5의 경우에는 무기가소제로 폐백토(K-3)를 5wt% 첨가하였고 고령토와 장석을 각각 15wt%와 10wt% 첨가하였다. 배합토의 수분 함량이 16~19wt%일 때 진공 압출 성형이 가능하였고 성형벽돌의 강도는 90mm를 나타내었다. 성형벽돌의 토출속도는 82mm/min으로 크게 향상되었다. 이것은 폐백토의 윤활 특성에 기인하는 것으로 상기한 K1 및 K2 무기 가소제와 혼합하여 사용할 수 있으며, 실시예 4와 5의 경우에도 일부 K3 가소제를 첨가하여 토출속도를 향상시킬 수 있었다.

실시예 3~5로부터 얻은 무연탄 석탄회 70wt% 함유 소성벽돌의 압축강도는 620~660 kgf/㎠를 나타내었다.

<실시예 6>

석탄회 80wt%, 고령토 5wt%, 장석 10wt%인 석탄회 배합토에 무기 가소제 로 벤토나이트(K-1)를 5wt% 첨가하였다. 배합토 중 수분 함량이 17~19wt%일 때 진공 압출 성형이 가능하였고 성형벽돌의 강도는 107mm를 나타내었다. 성형벽돌의 토출속도는 배합토 중 석탄회 첨가량이 증가되면서 감소하였다. 소성벽돌의 압축강도는 720 kgf/㎠로 비교예 2와 비교하여 320 kgf/㎠ 정도 증가하였다.

<실시예 7>

석탄회 86.2wt%와 무기 가소제인 벤토나이트(K-1) 13.8wt%를 혼합하여 배합토를 제조하였다. 배합토 중 수분 함량이 18~19wt%일 때 진공 압출 성형이 가능하였고 성형벽돌의 강도는 151mm로 크게 향상되었다. 성형벽돌의 토출속도는 배합토 중 석탄회 첨가량이 증가되면서 감소하였다. 소성벽돌의 압축강도는 720 kgf/㎠로 비교예 2와 비교하여 350 kgf/㎠ 정도 증가하였다. 소성 벽돌 (크기 90×225 ×750mm)의 중량은 1340g을 나타내었고 비교예 1과 비교하여 11wt% 감소하였다.

		비교예 1	비교예 2	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	실시예 7
석탄회첨가량(wt%)1		30	50	60	60	70	70	70	80	86.2
가소제종류 및 첨가량(wt%)		-	-	P-10.8	P-20.9	K-15	K-210	K-35	K-15	K-113.8
배압토의압출성형특성	강도(mm)	132	92	94	92	102	98	90	107	151
	토출속도(mm/min)	58	52	41	51	34	39	82	25	13

* 강도: 압출성형벽돌의 자중에 의한 파단길이

		비교예 1	비교예 2	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	실시예 7
석탄회첨가량(wt%)		30	50	60	60	70	70	70	80	86.2
가소제 종류 및첨가량(wt%)		-	-	P-10.8	P-20.9	K-15	K-210	K-35	K-15	K-113.8
소성벽돌의 특성	압축강도(kgf/㎠)	320	400	640	650	660	660	620	720	750
	흡수율(wt%)	8.7	7.6	6.6	6.2	6.3	6.3	6.8	5.8	5.7
	중량(g)*	1500	1400	1370	1370	1360	1360	1360	1350	1340

* 벽돌 크기; (크기 90×225×750mm)

본 발명은 건축용 소성벽돌의 원료 중 50wt% 이상을 석탄회로 대체하기 위한 성형 및 소성 기술에 관한 것으로, 종래의 제조 방법과는 달리 무연탄 석탄회를 원료로 사용하고, 유기 및 무기 가소제를 이용하여 석탄회 첨가량을 최대 86.2wt%까지 대체 가능하였다.

또한, 석탄회로는 무연탄 석탄회를 사용하여 소성한 벽돌의 압축강도가 최대 720 kgf/㎠까지 향상되어 고강도의 벽돌을 제조할 수 있었고, 소성 벽돌의 중량은 1340g로 석탄회 첨가량이 30wt%인 소성벽돌과 비교하여 약 11wt% 감소시켜 소성 벽돌의 경량화를 달성할 수 있었다. 본 발명으로 종래에 사용된 소성벽돌의 원료인 천연자원인 적점토와 고령토를 산업폐기물인 무연탄 석탄회로 대체할 수 있어 폐기물의 재활용 및 천연자원의 절약은 물론이고 소성벽돌의 제조 원가를 크게 낮출 수 있으며, 소성벽돌의 경량화로 소성 벽돌의 운반 및 조적 작업을 용이하게 할 수 있다. 소성 벽돌의 제조 과정에 있어서는 천연 광석의 사용량이 감소함에 따라 로타리 킬른에서 광석을 건조하는 과정을 생략하고 분쇄과정을 2단계에서 1단계로 단순화 시킬 수 있어 소성벽돌의 제조 원가를 더욱 낮출 수 있다.

도 1은 소성벽돌의 일반적인 제조 공정도

도 2a는 무연탄 석탄회 30wt% 첨가 소성벽돌의 SEM 사진 (1,000배)

도 2b는 무연탄 석탄회 80wt% 첨가 소성벽돌의 SEM 사진 (1,000배)

Claims (5)

1. 소성벽돌에 있어서,

   무연탄 석탄회 50~86.2wt%, 고령토 10~40wt%, 장석 0.1~10wt%로 구성된 무연탄 석탄회 배합토를 제조하고, 상기 무연탄 석탄회 배합토에 유기가소제 0.7~1.2wt% 및 무기가소제 3~15wt%를 첨가하여 진공 압출 성형한 후 성형벽돌을 소성로에서 50℃/min의 승온속도로 1100~1250℃의 온도범위까지 승온한 후 3~8시간 동안 유지하여 소성한 것을 특징으로 하는 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌.
2. 제1항에 있어서, 상기 유기 가소제는 젤라틴, 아라비아 고무, 메칠셀룰로스, 글리세린, 펄프폐액, 폴리비닐알콜의 천연 또는 합성 유기물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용됨을 특징으로 하는 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌.
3. 제1항에 있어서, 상기 무기 가소제는 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토의 천연광물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용됨을 특징으로 하는 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌.
4. 삭제
5. 소성벽돌의 제조방법에 있어서,

   무연탄 석탄회 50~86.2wt%, 고령토 10~40wt%, 장석 0.1~10wt%로 구성된 무연탄 석탄회 배합토를 제조하는 단계와; 상기 무연탄 석탄회 배합토에 젤라틴, 아라비아 고무, 메칠셀룰로스, 글리세린, 펄프폐액, 폴리비닐알콜의 천연 또는 합성 유기물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용되는 유기가소제 0.7~1.2wt% 및 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토의 천연광물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택사용되는 무기가소제 3~15wt%를 첨가하는 단계와; 진공 압출 성형한 후 성형벽돌을 소성로에서 소성하는 단계와; 상기 성형벽돌을 50℃/min의 승온속도로 1100~1250℃의 온도범위에서 3~8시간 동안 유지하여 소성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연탄 석탄회 고함량 고강도 소성벽돌의 제조 방법.