KR101937807B1

KR101937807B1 - 제철 공정의 부산물을 이용한 무기 섬유 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101937807B1
Application number: KR1020170045097A
Authority: KR
Inventors: 정은진
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2019-01-14
Also published as: JP2019531253A; KR20180037559A; CN109790063A; JP6830542B2; CN109790063B

Abstract

본 발명은 제철 공정의 부산물을 이용한 무기 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유 몸체는 강의 제조 공정 중 발생된 슬래그를 배합하여 제조되며, 상기 섬유 몸체는 20 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO₂), 5 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 함유하는 무기 섬유, 그리고 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

제철 공정의 부산물을 이용한 무기 섬유 및 이의 제조 방법{Method for preparing inorganic fibers from by-products of steel works and method for preparing the same}

본 발명은 제철 공정의 부산물을 이용한 무기 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 강 제조 공정에서 부생되는 슬래그 등의 부산물을 원료로 하여 각종 재료로 사용되는 무기 섬유를 제조하는 것에 관한 것이다.

최근 자동차 산업은 세계적으로 이산화탄소 저감과 관련된 각종 규제 증가 및 연료 효율성에 대한 요구가 높아짐에 따라 기존 플라스틱 부품에 대한 경량화 노력은 물론 금속 부품을 플라스틱 복합재로 대체하는 차량 경량화에 많은 연구 개발을 진행하고 있다. 특히, 세계 각국은 지역별로 새로운 자동차 배기 가스 배출량 및 이산화탄소 배출에 대한 규제와 자동차 연비에 대한 새로운 목표를 설정함으로써 자동차 경량화에 대한 의지를 강력하게 표명하고 있다. 이러한 정책은 기존 2020년을 목표로 추진하던 것을 2016년까지 앞당김으로써 자동차 경량화를 통한 환경오염문제 해결과 효율성 향상을 목적으로 한 세계 각국의 복합재 개발에 적극 참여하겠다는 의지를 나타내고 있다. 이에 따라 국내 정부에서도 자동차 연비 개선에 대한 새로운 방향 및 가이드라인을 2009년 6월에 제시하였으며, 향후 5년간 약 1,500억원의 연구 개발비를 투입하여 매년 자동차 연비를 5% 씩 개선하겠다는 계획을 마련하였다.

주요 자동차 부품 복합재인 LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastic)는 도어모듈, FEM(Front End Module), IP(Instrument Panel) 등 다양한 곳에 적용되고 있다. 그 이유는 유가 급등으로 인한 에너지 위기로 자동차의 경량화 요구가 크게 증가한 것과 생산성을 높이면서 경량화를 도모하는 재료로써 LFT가 큰 기대를 모았기 때문이다. 산업에서는 가격이 상대적으로 저렴한 폴리프로필렌을 기재로 사용하고 장섬유를 보강재로 이용한 장섬유 보강 열가소성 복합재와 관련한 많은 연구를 수행하고 있다. 대표적인 것이 LFT이며, 자동차 산업에서 엔지니어링 플라스틱, 열경화성 소재, 그리고 일부 금속 부품을 대체할 수 있는 이상적인 기술로 주목받고 있다.

복합재의 물성은 다양한 인자에 의해 영향을 받는데 그 중 하나가 보강용 섬유의 길이이다. LFT는 그 단어에서 의미하는 것처럼 펠렛(Pellet) 내의 보강섬유의 길이가 약 8 mm에서 12 mm를 유지하고 사출성형이 가능한 소재이다. 기존 섬유 복합재에서 펠렛 내에 있는 섬유의 길이가 2 mm 이하인 것과 비교해 볼 때 보강 섬유의 길이 면에서 약 4배에서 6배 정도 길고 이로 인하여 최종 사출 후 물성 보강에 큰 영향을 주게 된다. 앞으로는 다양한 엔지니어링 플라스틱을 기재로 하여 친환경 바이오 섬유 등을 이용한 보강재 개발이 필수적이다. 그러나 이러한 기계적, 물리적 물성이 뛰어남에도 불구하고 제조비용이 유리섬유 대비 10배 이상 고가인 이유로 이용 분야가 국한되어 있다.

한편, 제선, 제강 공정 등에서 발생되는 슬래그는 연간 1,700만톤이며 대부분 시멘트 및 도료제로 사용되고 있다. 이러한 슬래그의 고부가 가치화를 위한 연구는 계속 진행되어 왔으며 제철부산물 또는 산업폐기물을 이용한 유리섬유에 대한 연구 또한 향후 무기질섬유시장의 급속한 성장에 대응하기 위해 충분한 가치가 있다고 판단된다. 산업폐기물을 이용한 복합재 활용은 아직 국내에서 처음 제안되고 있으며, 현무암과 그 구성성분이 유사하여 바잘트 섬유와 비슷한 물성을 가질 수 있을 것으로 판단된다. 현무암을 이용하여 유리섬유를 제조할 경우, 국내에서는 현재 전량 고가로 수입되고 있으며, 대량소비에 의한 자원 부족, 채취 과정에서 발생하는 환경 훼손 등 환경 문제 등이 문제점으로 야기될 수 있으므로, 제조비용 중 높은 원가를 차지하는 현무암 대신 철강 부산물인 슬래그를 사용함으로써 새로운 재자원화 방법을 제시하고자 한다.

이에 본 발명의 한 측면은 제철 공정의 부산물을 이용한 무기 섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 제철 공정의 부산물을 이용한 무기 섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면, 섬유 몸체는 강의 제조 공정 중 발생된 슬래그를 배합하여 제조되며, 상기 섬유 몸체는 20 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO₂), 5 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 함유하는, 무기 섬유가 제공된다.

상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 전로 슬래그, 탈린로 슬래그, 고로 슬래그 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 섬유 몸체는 상기 슬래그의 량이 전체 섬유 몸체 량에 대하여 70 중량% 이상인 것이 바람직하다.

상기 섬유 몸체는 파유리를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 섬유의 평균 직경은 5㎛ 내지 50㎛ 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 강의 제조 공정 중 발생된 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그의 조성을 측량하고 조성비를 20 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO₂), 5 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 포함하도록 제어한 배합물을 제조하는 과정; 상기 배합물을 용융시키는 과정; 및 용융물을 섬유 형상으로 섬유화하는 과정을 포함하는, 무기 섬유의 제조방법이 제공된다.

상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 전로 슬래그, 탈린로 슬래그, 고로 슬래그, 고망간강슬래그, 제강슬래그 및 전기로슬래그 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 용융시키는 과정은 전기로, 수소 에너지 및 브라운 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.

상기 용융시키는 과정은 1300 내지 1650℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 섬유화하는 과정은 용융된 원료가 입조되는 용기가 회전하여 방사 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.

권취를 위한 와인더의 회전 속도는 5 내지 2000 rpm인 것이 바람직하다.

상기 방사 방식으로 섬유화하는 과정이 수행되는 경우 용융된 배합물의 점도는 1500도(℃) 기준 0 초과 800 poise 이하의 범위인 것이 바람직하다.

상기 방사 방식으로 섬유화하는 과정이 수행되는 경우 방사 시 노즐을 통한 방출 압력은 3 내지 30kPa의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 무기섬유 제조 방법에 의하면, 점성이 낮은 조성을 채용함에 따라 유동적으로 섬유를 뽑을 수 있으며, 부싱 구멍의 막힘을 방지하고 비정질로 섬유의 제조가 가능하다. 나아가, 본 발명에 의하면 부산물로 발생된 슬래그를 이용하여 원료의 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 산업 부산물을 이용한 친환경 공정을 확립할 수 있다.

도 1은 산화알루미늄(Al₂O₃) 함량에 따른 용융 배합물의 점도를 나타낸 것이다.
도 2는 이산화규소(SiO₂) 함량에 따른 용융 배합물의 점도를 나타낸 것이다.
도 3은 철 산화물(Fe₂O₃) 함량에 따른 용융 배합물의 점도를 나타낸 것이다.
도 4는 칼슘 산화물(CaO) 함량에 따른 용융 배합물의 점도를 나타낸 것이다.
도 5는 마그네슘 산화물(MgO) 함량에 따른 용융 배합물의 점도를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예에서 사용된 예시적인 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 7은 실시예에서 제조된 예시적인 슬래그 섬유를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 의하면, 강 제조 공정에서 부생되는 슬래그 등의 부산물을 원료로 한 무기 섬유가 제공된다. 이러한 무기 섬유는 각종 건축물의 내 외장재 등으로 사용될 수도 있다.

이때, 섬유 제조를 위한 배합물은 각종 슬래그 등을 분말 형태로 만들고, 설정된 성분비로 원료를 배합하여 제조할 수 있다.

슬래그는 철광석, 석탄, 석회석 등의 천연 자원으로부터 철강 제품을 제조하면서 부산물로 생성된 물질로, 본 발명에 사용되는 슬래그는 특히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 철과 니켈의 합금 제조 공정에서 부생되는 페로니켈 슬래그, 전로에 쇳물을 강철로 정련하는 제강공정에서 부생되는 전로 슬래그, 고급강의 일종인 극저탄소강을 제조하기 위해 탈인 및 탈탄 기능을 수행하는 탈린로 제조 공정에서 부생되는 탈린로 슬래그, 고로, 파이넥스(Finex) 융용로 등 용광로에 쇳물을 제조하면서 부생되는 고로 슬래그, 고망간강슬래그, 제강슬래그, 전기로슬래그 등을 사용할 수 있다.

각종 슬래그의 주요 화학 조성은 다음과 같은 범위를 갖는다.

일반적으로 페로니켈 슬래그의 성분은 이산화규소(SiO₂)가 45 내지 55 중량%, 철 산화물(Fe₂O₃)이 7 내지 15 중량%, 알루미늄 산화물(Al₂O₃)이 1 내지 5 중량%, 칼슘 산화물(CaO)이 0 내지 5 중량%, 마그네슘 산화물(MgO) 25 내지 35 중량%을 포함한다. 전로 슬래그의 성분은 이산화규소(SiO₂)가 5 내지 15 중량%, 철 산화물(Fe₂O₃)이 25 내지 35 중량%, 산화알루미늄(Al₂O₃)이 0 내지 5 중량%, 칼슘 산화물(CaO)이 40 내지 50 중량%, 마그네슘 산화물(MgO) 5 내지 15 중량%을 포함한다. 탈린로 슬래그의 성분은 이산화규소(SiO₂)가 15 내지 25 중량%, 철 산화물(Fe₂O₃)이 45 내지 55 중량%, 알루미늄 산화물(Al₂O₃)이 0 내지 10 중량%, 칼슘 산화물(CaO)이 5 내지 20 중량%, 마그네슘 산화물(MgO) 1 내지 5 중량%을 포함한다. 고로 슬래그의 성분은 이산화규소(SiO₂)가 30 내지 40 중량%, 철 산화물(Fe₂O₃)이 1 내지 5 중량%, 알루미늄 산화물(Al₂O₃)이 10 내지 20 중량%, 칼슘산화물(CaO)이 5 내지 20 중량%, 마그네슘 산화물(MgO) 5 내지 20 중량%을 포함한다.

또한, 각종 슬래그는 주요 성분 이외에 기타 성분 혹은 불순물 등 불가피하게 함유되는 성분으로 플루오르(F), 오산화인(P₂O₅), 크롬오커(Cr₂O₃), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화아연(ZnO), 산화스트론튬(SrO), 산화지르코늄(ZrO₂),오산화니오(Nb₂O₅), 황(P), 탄소(C) 등을 포함할 수 있다.

보다 상세하게, 본 발명의 무기 섬유는 섬유 몸체는 강의 제조 공정 중 발생된 슬래그를 배합하여 제조되며, 상기 섬유 몸체는 20 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO₂), 5 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 함유하는 것이다. 보다, 바람직하게 상기 섬유 몸체는 20 중량% 이상 내지 60 중량% 미만의 이산화규소(SiO₂), 15 중량% 초과 내지 30 중량% 이하의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 중량% 초과 내지 40 중량% 이하의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 중량% 초과 내지 35 중량% 이하의 마그네슘 산화물(MgO)을 함유하는 것이다.

본 발명의 무기 섬유 제조 시 상기 섬유 몸체는 상기 슬래그의 량이 전체 섬유 몸체 량에 대하여 70 중량% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 몸체에 있어서, 이산화규소(SiO₂)가 20 중량% 미만으로 포함되면, 제품 제조 과정 혹은 후 제품에 크랙이 발생하고, 60 중량%를 초과하여 포함되면, 제품에 유리질이 다량 함유되어 강도가 저하될 수 있다. 한편, 이산화규소(SiO₂) 함량이 증가함에 따라 점도가 증가하는 경향이 있으나, 이산화규소는 슬래그 중 네트워크를 형성하는 역할을 하므로 이산화규소의 함량이 불충분한 경우 유리 구조의 네트워킹이 용이하지 못하므로, 바람직하게는 20 중량% 이상 내지 60 중량% 미만의 이산화규소(SiO₂)를 포함하여 NBO(non-bridging-oxygen)의 수를 3 전후로 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 이와 같은 본원발명의 함량 범위의 경우 충분한 구조의 네트워킹(networking) 형성으로 끊어지지 않는 장섬유를 제조할 수 있다.

산화알루미늄(Al₂O₃)은 조성물의 용융점을 저감하는 기능과 조성물이 융용 상태일 때 점도와 관련이 깊다. 실제 슬래그에는 미량이라도 알루미나가 포함되어 있고, 유리질이 망목 구조를 충분히 조성할 수 있도록 Al₂O₃가 SiO₂의 보충역할을 할 수 있도록 하기 위해 산화알루미늄(Al₂O₃)은 1 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하고, 다만 5 중량%를 초과하면 조성물의 융용점을 저감시키기 어려워 조성물 용융이 어려워지고, 점도가 상승하여 제품에 변형이 발생한다. 따라서 바람직하게는 조성물의 전체 조성 중 산화알루미늄(Al₂O₃)은 1 내지 5 중량%를 함유하는 것이 좋다.

칼슘 산화물(CaO)과 마그네슘 산화물(MgO)의 중량의 범위는 조성물의 산도를 제어한다. 칼슘 산화물(CaO)이 40 중량%를 초과하여 다량 함유되면 제조 공정 혹은 후에 제품에 크랙이 발생하거나 파괴되고, 15 중량% 미만으로 함유되면 제품에 변형을 초래한다. 마그네슘 산화물(MgO)도 유사하게 35 중량%를 초과하여 다량 함유되면 제조 공정 혹은 후에 제품에 크랙이 발생하거나 파괴되고, 15 중량% 미만으로 함유되면 제품에 변형을 초래한다.

철 산화물(Fe₂O₃)은 핵 생성을 위한 접종제로서 기능을 하며, 제품의 강도와 관련이 깊다. 10 중량% 미만으로 포함되면, 핵 생성이 미미하고, 30 중량% 초과하여 포함되면, 제조 과정 혹은 후 제품에 크랙이 발생한다. 다만, 철 산화물(Fe₂O₃)은 함량이 감소할수록 점도를 상승시키므로, 바람직하게는 15 중량% 초과 내지 30 중량% 이하의 철 산화물(Fe₂O₃)을 포함하는 것이다.

상기 성분들의 배합물은 강 제조 공정에서 부생되는 각종 슬래그을 분말 형태로 만들어 설정된 중량비 및 조성비가 되도록 배합되어 제작될 수 있다.

상기 제철소에서 부산물로 발생하는 슬래그를 토페도카 등을 이용하여 용융 상태로 슬래그를 이동 시 적용 슬래그는 제선 및 제강슬래그 외 제철소에서 발생되는 모든 슬래그를 모두 포함할 수 있으며, 상기 슬래그를 이용 시 더 향상된 강도 및 조업조건 만족을 위해 일부의 산화물 등을 첨가할 수도 있다.

나아가, 본 발명의 무기 섬유 제조를 위한 배합물의 조성을 본 발명의 범위 내로 조절하기 위해 필요에 따라 본 발명의 조성섬유 몸체는 파유리 및/또는 함께 산업부산물을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 의해 획득되는 상기 섬유의 평균 직경은 5㎛ 내지 50㎛ 범위일 수 있으며, 바람직하게는 10㎛ 내지 40㎛ 범위인 것이다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 상술한 본 발명의 무기섬유 제조를 위한 제조 방법에 제공되며, 보다 상세하게 본 발명의 무기 섬유의 제조방법은 강의 제조 공정 중 발생된 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그의 조성을 측량하고 조성비를 20 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO₂), 5 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 포함하도록 제어한 배합물을 제조하는 과정; 상기 배합물을 용융시키는 과정; 및 용융물을 섬유 형상으로 섬유화하는 과정을 포함하는 것이다.

상기 슬래그를 마련하는 과정과 관련하여서는 상기 본 발명의 무기 섬유과 관련하여 상술한 바와 같이 상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 전로 슬래그, 탈린로 슬래그, 고로 슬래그, 고망간강슬래그, 제강슬래그 및 전기로슬래그 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으며, 이에 특히 제한되는 것은 아니다.

보다 상세하게, 먼저 강의 제조 공정 중 발생 된 슬래그 등을 100 이상에서 충분히 건조한 후 분쇄기를 사용하여 각각 분말 형태로 각종 원료를 마련할 수 있다. 예컨대 각종 슬래그를 자기질 볼밀(Ball mill)에서 소정 입도(예: 5m/m 이내)까지 분쇄하여 각각 분말 형태를 가지도록 마련할 수 있다. 또한, 필요에 따라서 기핵물질인 접종제가(TiO₂, Fe₂O₃, Na₂O, K₂O)도 소정 입도(예: 5m/m)까지 분쇄하여 분말 형태로 마련할 수 있다.

분말 형태로 마련된 각종 원료를 측정하고 조성비를 제어한다. 예컨대 전체 조성물의 중량비 중 각종 슬래그의 분말이 70% 이상 갖도록 준비할 수 있으며, 동시에 상기 무기 섬유과 관련하여 상술한 조성비를 갖도록 각 원료를 제어한다.

그 후, 조성비 제어가 완료된 각종 원료를 배합한다. 예컨대 분말 형태로 각각 마련된 각종 슬래그 등을 혼련기 내부로 투입하여 위에서 설명된 기본적인 배합 비율로 배합할 수 있다. 또한, 필요에 따라서 분말 형태로 마련된 각종 슬래그, 폐 내화물, 접종제를 함께 혼련기 내부로 투입하여 배합할 수 있다.

배합물이 마련되면, 조성물을 용해로에 장입하고, 조성물의 완전 융용 온도까지 용해로를 승온하여 완전 용융시킨다. 예컨대 본 발명의 상기 용융시키는 과정은 1300℃ 내지 1650℃에서 수행될 수 있으며, 완전 융용을 위한 온도는 조성물의 융용점보다 약 10 내지 100℃ 높은 것이 바람직하다. 여기서 완전 융용 온도를 결정하기 위해 조성물의 구성을 이루는 각종 슬래그의 융용점 기반으로 유출할 수 있다. 예컨대 페로니켈 슬래그의 용융점은 1412℃, 전로 슬래그의 용융점은 1382℃, 고로 슬래그의 용융점은 1364℃이다.

한편, 상기 용융시키는 과정은 전기로, 수소 에너지 및 브라운 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 이용하여 수행될 수 있으며, 예를 들어 상기 슬래그를 토페도카에서 연속 섬유 제조 장비로 이송 시 용융 슬래그 형태로 유지될 수도 있으며, 일부 응고된 슬래그는 전기로, 수소에너지, 브라운가스 등을 사용하여 용융시키는 과정을 통해 전체적으로 용융될 수 있다. 이때 사용되는 브라운 가스는 물의 전기분해 시 발생된 가스 모두를 포함할 수 있다.

그 후, 조성물이 완전 용융된 용융물은 용기에 입조되어 섬유 형상으로 섬유화하는 과정이 진행된다. 여기서 섬유화 방법으로 인발 방법과 방사 방법 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 상기 섬유화하는 과정은 예를 들어 용융된 원료가 입조되는 용기가 회전하여 방사 방식으로 수행될 수 있다.

이때, 예시적으로 사용될 수 있는 용기는 턴디쉬, 레이들 등과 같은 재질의 용기이며, 용기 안으로 용융물을 입조시켜 섬유화 과정을 진행할 수 있다.

방사 방식으로 섬유화가 진행되는 경우, 용기 측면에서 내부까지 관통되는 다수의 노즐공을 구비하고, 용기가 회전운동을 하면 용기 내에 용융물은 노즐공을 통해 방사되어 섬유화가 진행되도록 할 수 있다.

여기서, 장섬유를 권취하기 위해 와인더의 회전 속도를 5 내지 2000 rpm으로 유지할 수 있다. 회전 속도가 5rpm 미만이면 섬유가 만들어지지 않는 문제가 있고, 2000 rpm 초과이면 섬유가 중간에 끊어지는 문제가 있다.

상기 방사 방식으로 섬유화하는 과정이 수행되는 경우, 예를 들어 상기 이송된 용융물이 부싱 공정을 통해 방사될 때, 용융된 배합물의 점도는 1500도(℃) 기준 0 초과 800 poise 이하의 범위인 것이 바람직하다. 점도 범위가 800 poise를 초과하는 경우에는 너무 점성이 높아 용융물의 유동성이 원활하지 않아 섬유제조가 되지 않을 수 있는 문제가 있다.

한편, 상기 방사 방식으로 섬유화하는 과정이 수행되는 경우 방사 시 노즐을 통한 방출 압력은 3 내지 30kPa의 범위인 것이 바람직하며, 상기 용융 조성을 방사 시 노즐을 통한 방출 압력이 일정하도록 압축공기로 압력제어가 가능하다. 상기 압력 이 3kPa 미만인 경우에는 섬유가 노즐을 통해 방사되지 않을 수 있는 문제가 있고, 30kPa를 초과하는 경우에는 섬유가 끊어지거나 굵기가 일정하지 않을 수 있는 문제가 있다.

방사 방식으로 섬유화가 진행되는 경우, 용기 하면에 하나 이상의 노즐공을 구비하고, 용기의 하측 방향으로 이격되어 회전용기를 위치시키며, 용융물이 용기에 구비된 노즐공을 통해 낙하 배출될 때 회전하는 회전 용기 내의 용융물은 회전 용기에 구비된 톱니모양의 돌출부에 의해 방사되어 섬유화가 진행될 수 있다.

또한, 섬유의 인발 방법은 특정한 방법에 국한되지 않고, 수평 회전 운동 방식, 수직 회전 운동 방식, 압출 방식, 용융물에 기체를 주입하는 방식 등 다양한 변형된 방식으로 섬유화할 수 있다.

또한, 용기 내로 완전 용융된 조성물을 유입하기 전에 소정의 시간 동안 가스 청정 과정 즉 가스 배출을 시키는 단계가 포함될 수 있다.

또한, 섬유화 과정에서 용기 내로 완전 용융된 조성물을 유입하기 전에 각종 형상의 용기를 소정 온도로 예열하여 마련하는 단계가 포함될 수 있다. 이는 각종 형상의 용기 내로 유입되는 완전 용융된 조성물의 온도와 각종 형상의 용기의 표면 온도의 차이에 의해 각종 형상의 용기에서 섬유화되는 섬유가 급랭되어 단선되는 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 실제 무기섬유를 제조하기 위한 가장 중요한 물성 중 하나인 점성 및 계면장력을 제어한 것으로, 용융 배합물의 점성이 낮아야 부싱 구멍에서 막히지 않고 비정질로 뽑을 수 있으며, 좀 더 유동적으로 섬유를 뽑을 수 있는 이점이 있는 것으로, 본 발명에 의하면 부싱을 통해 섬유를 뽑을 때 섬유가 끊어지거나, 쇼트(shot, 일부 뭉친 덩어리)가 발생하는 등의 문제를 해결할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

1. 무기 섬유의 제조

전로슬래그와 페로니켈슬래그를 1:1의 중량비로 배합하고, 배합물을 1480℃로 용융하여 액상형태로 만들었다.

이때 상기 배합물의 조성은 20 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO₂), 5 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO) 범위 내에서 제어하였으며, 이러한 조성을 획득하는 데 일부 필요 시 파유리를 사용하여 배합하였다.

상기 용융된 배합물을 10kPa의 압력으로 부싱 노즐을 통해 방출시켜 방사하였다. 도가니 부싱은 전기로에서 직접 가열하여 타겟 방사 온도 150℃로 제어하였다.

부싱 끝에 있는 용융물을 점성치와 융점에 맞게 속도를 제어하여 잡아당겨 섬유의 끝을 와인더 드럼에 부착시켜 1200rpm 속도로 감아 일정 굵기의 섬유를 제조하였다. 이때 사용되는 예시적인 장치를 도 6에 도시하였으며, 그 결과 제조된 슬래그 섬유를 도 7에 나타내었다.

본 실시예를 통해 슬래그 및 산업부산물로부터 무기섬유 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.

2. 조성에 따른 용융 상태 배합물의 점도 변화 확인

상기 1.의 배합물의 조성에 따라 용융 배합물의 점도 변화를 확인하기 위하여 산화알루미늄(Al₂O₃), 이산화규소(SiO₂), 철 산화물(Fe₂O₃),칼슘 산화물(CaO) 및 마그네슘 산화물(MgO) 함량을 변화시키면서 약 1500 도(℃)에서 점도 변화를 측정하였다.

그 결과를 도 1 내지 도 5에 나타내었으며, 도 1은 산화알루미늄(Al₂O₃) 함량에 따른 용융 배합물의 점도, 도 2는 이산화규소(SiO₂) 함량에 따른 용융 배합물의 점도, 도 3은 철 산화물(Fe₂O₃) 함량에 따른 용융 배합물의 점도, 도 4는 칼슘 산화물(CaO) 함량에 따른 용융 배합물의 점도, 그리고 도 5는 마그네슘 산화물(MgO) 함량에 따른 용융 배합물의 점도를 나타낸 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

1: 로(furnace)
2: 부싱(bushing)
3: 와인더(winder)

Claims

섬유 몸체는 강의 제조 공정 중 발생된 슬래그를 배합하여 제조되며,
상기 섬유 몸체는 20 중량% 이상 40 중량% 미만의 이산화규소(SiO₂), 15 초과 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 초과 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 초과 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 함유하는, 무기 섬유.
제1항에 있어서, 상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 전로 슬래그, 탈린로 슬래그, 고로 슬래그, 고망간강슬래그, 제강슬래그 및 전기로슬래그 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 무기 섬유.
제1항에 있어서, 상기 섬유 몸체는 상기 슬래그의 량이 전체 섬유 몸체 량에 대하여 70 중량% 이상인, 무기 섬유.
제1항에 있어서, 섬유 몸체는 파유리를 추가로 포함하는, 무기 섬유.
제1항에 있어서, 상기 섬유의 평균 직경은 5㎛ 내지 50㎛ 범위인, 무기 섬유.
강의 제조 공정 중 발생된 슬래그를 마련하는 과정;
상기 슬래그의 조성을 측량하고 조성비를 20 중량% 이상 40 중량% 미만의 이산화규소(SiO₂), 15 초과 내지 30 중량%의 철 산화물(Fe₂O₃), 1 내지 5 중량%의 산화알루미늄(Al₂O₃), 15 초과 내지 40 중량%의 칼슘 산화물(CaO) 및 15 초과 내지 35 중량%의 마그네슘 산화물(MgO)을 포함하도록 제어한 배합물을 제조하는 과정;
상기 배합물을 용융시키는 과정; 및
용융물을 섬유 형상으로 섬유화하는 과정
을 포함하는, 무기 섬유의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 슬래그는 페로니켈 슬래그, 전로 슬래그, 탈린로 슬래그, 고로 슬래그, 고망간강슬래그, 제강슬래그 및 전기로슬래그 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 무기 섬유의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 용융시키는 과정은 전기로, 수소 에너지 및 브라운 가스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 이용하여 수행되는, 무기 섬유의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 용융시키는 과정은 1300 내지 1650℃의 온도 범위에서 수행되는, 무기 섬유의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 섬유화하는 과정은 용융된 원료가 입조되는 용기가 회전하여 방사 방식으로 수행되는, 무기 섬유의 제조방법.
제10항에 있어서, 권취를 위한 와인더의 회전 속도는 5 내지 2000 rpm인, 무기 섬유의 제조방법.