KR102570871B1 - 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법 및 그에 의해 얻어진 콤팩트 재료 - Google Patents

콤팩트 재료를 얻기 위한 방법 및 그에 의해 얻어진 콤팩트 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법에 관한 것으로, 방법은 a) 한 세트의 원료 입자들을 1 중량% 내지 50 중량%의 수경성 바인더와 혼합하어 건조 조성물을 형성하는 단계 - 백분율은 건조 조성물의 총 중량을 기준으로 하고, 원료 입자들의 입자 크기 분포는 50밀리미터 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터 이상의 제2 기준 직경(d10)을 특징으로 함 -, b) 단계 a)에서 형성된 건조 조성물을, 1 중량% 내지 35 중량%의 물과 혼합하여 혼합 조성물을 형성하는 단계 - 백분율은 건조 조성물의 총 중량을 기준으로 함 -, c) 단계 b)로부터의 혼합 조성물에 압축 응력이 가해지는 동안에 혼합 조성물을 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키는 단계를 포함하고, 가해진 압축 응력의 값은 2 메가파스칼 이상이다. 본 발명은 또한, 다층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법 및 상기 방법들에 따라 얻어진 재료들에 관한 것이다.

Description

콤팩트 재료를 얻기 위한 방법 및 그에 의해 얻어진 콤팩트 재료
본 발명은 일반적으로 콤팩트 재료(compacted material)의 분야에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 이 방법으로부터 얻어진 콤팩트 재료에 관한 것이다.
많은 산업 공정들은 천연 블록 형태의 원료들을 사용하며, 그것의 크기는 그것들이 사용될(intended for) 산업 공정, 및/또는 원료의 출처(source) 또는 원산지(origin)에 의존한다. 일반적으로, 천연 블록들은 수 센티미터, 예를 들어 5센티미터 내지 20센티미터의 전형적인 치수를 갖는다.
이들 블록은 그것들이 사용될 산업 공정에 사용되기 전에, 특히 그것들의 추출, 취급, 운송, 계량(weighing), 운반 등의 동안에 조작되도록 되어 있다. 이러한 모든 조작은 충격과 마찰을 발생시키며, 먼지, 또는 보통 "미분(fines)"이라 불리는 원료의 미립자를 형성하게 하는데, 이것들은 상기 블록들을 사용하는 산업 공정에서는 바람직하지 않다. 그리고 일반적으로 천연 블록들을 사용하는 산업 공정에 사용될 수 있는 콤팩트 재료(또한 응집체(agglomerates) 또는 브리켓(briquettes)라고 하며 이들 콤팩트 재료의 실제 형태와 무관함)을 제조하여 이러한 원료의 미립자를 재활용하는 것이 공지되어 있다.
특히, 원료의 미립자 및 포틀랜드 시멘트형 수경성 바인더 또는 당밀을 포함하는 혼합물로부터, 롤러 압축 기계로 구현되는 콤팩트 재료를 제조하는 방법이 알려졌다. 하지만, 이 방법으로부터 얻어진 콤팩트 재료는, 고온, 특히 500℃ 이상의 산업 공정에서 사용될 때 휘발성 유기 화합물을 생성한다. 더욱이, 이 콤팩트 재료는 바스러지는(crumble) 경향이 있고, 따라서 소위 "2차" 미립자를 생성한다. 마지막으로, 예를 들어 보크사이트 입자의 경우와 같이, 콤팩트 재료를 형성하는데 사용되는 원료의 미립자가 너무 단단할 때 회전 기계가 조기에 마모된다.
원료의 미립자와 포틀랜드 시멘트형 수경성 바인더를 포함하는 혼합물로부터, 빌딩블록 프레스 상에서 행해지는 "빌딩블록(buildingblock)"형 재료의 제조를 위한 방법이 또한 알려졌다. 이 방법에 따르면, 혼합물은 0.01 메가파스칼 정도의 낮은 압축 응력하에 놓인다. 이 방법으로부터 얻어진 빌딩블록은, 또한 바람직하지 않은 "2차" 미립자들을 생성한다. 또한, 그 결과 얻어진 빌딩블록은 고온의 산업 공정에 사용하기에는 적합하지 않다.
상술한 종래 기술의 단점을 해결하기 위해, 본 발명은 얻어진 상기 콤팩트 재료는 기계적 압축 강도가 개선되고, 2차 미립자들을 더 적게 생성하며, 500℃ 내지 1700℃의 온도에 노출될 수 있는, 콤팩트 재료를 얻는 방법을 제안한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따라서, 콤팩트 재료를 얻기 위한 하기의 방법이 제안되며, 상기 방법은:
a) 한편으로는 입자 크기 분포가 50밀리미터(㎜) 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터(㎛) 이상의 제2 기준 직경(d10)을 특징으로 하는 한 세트의 원료 입자들을, 다른 한편으로는 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 수경성 바인더(hydraulic binder)와 혼합하여 건조 조성물을 형성하는 단계;
b) 단계 a)에서 형성된 상기 건조 조성물을, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량%의 물과 혼합하여 혼합 조성물을 형성하는 단계; 및
c) 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물을 먼저 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 압축 응력을 상기 혼합 조성물에 가하는 단계를 포함하며,
상기 가해진 압축 응력의 값은 2 메가파스칼 이상이다.
본 발명의 방법에 따르면, 높은 압축 응력을 이 조성물에 가하는 것에 조성물의 진동을 결합시켜, 기계적 압축 강도가 개선되고 붕해 속도(crumbling rate)가 감소되는 콤팩트 재료를 형성하는 것이 단계 c)에서 제공된다. 붕해 속도를 감소시키는 것은, 2차 미립자의 생성을 감소시키거나, 또는 동등하게 상기 콤팩트 재료의 내마모성을 증가시키는 것을 의미한다.
본 발명의 방법에 따르면, 단계 a)에서, 상기 입자 세트의 원료 입자들의 크기뿐만 아니라 사용되는 수경성 바인더의 성질을 조절하여 얻어진 콤팩트 재료의 기계적 성능을 그것이 제공될 산업 공정에 따라 조절할 수 있다. 특히, 이 방법에 의하면, 단계 a) 이전에, 사용되는 입자들의 크기를 조절하고/하거나 상기 입자들의 입자 크기 분포를 변경하기 위해 추가의 체질(sieving) 및/또는 파쇄 작업(crushing operation)이 가능하게 된다.
예상외로, 조성물에 가해진 높은 진동 및 압축에 더하여, 원료 입자들의 입자 크기 특성 및 수경성 바인더의 성질의 조합에 의해, 실온에서 콤팩트 재료를 조작할 때, 그리고 상기 콤팩트 재료의 상변태 및 특히 상기 콤팩트 재료를 용융하는 단계를 포함하는 고온(500℃ 이상)의 산업 공정에서 콤팩트 재료를 사용할 때, 콤팩트 재료의 기계적 압축 강도를 향상시키고 그리고 2차 미립자의 발생을 감소시키는 것 둘 다가 가능하게 된다.
본 발명에 따른 방법은 또한, 균일한 원료의 단층(single layer) 또는 여러 층들의 형태로 콤팩트 재료의 제조로 이어진다. 이 콤팩트 재료는 초기 압축 강도(early compressive strength)를 가지며, 즉 그것의 형성 후 단지 몇 시간, 특히 그것의 형성 후 24시간 동안 압축에 대해 내성을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 고온, 예를 들어 500℃ 내지 1700℃의 산업 공정에서 상기 콤팩트 재료를 사용할 수 있도록 휘발성 유기 화합물을 방출하지 않는 콤팩트 재료를 생성한다.
개별적으로 또는 모든 기술적으로 가능한 조합으로 취해지는, 본 발명에 따른 방법의 비-제한적이고 유리한 구성은 다음과 같다:
- 제1 층의 재료는 단계 b)의 종료시에 얻어진 혼합 조성물로 형성되고,
단계 c) 이전의 단계 p1)에서, 단계 a) 및 b)를 반복함으로써 적어도 하나의 다른 혼합 조성물이 형성되고,
단계 p2)에서, 적어도 2개의 층의 혼합 조성물의 적층체(stack)를 형성하도록, 단계 p1)에서 얻어진 상기 다른 혼합 조성물이 단계 b)의 종료시에 형성된 상기 제1 층의 위에 놓여지고, 그리고
단계 c)에서, 단계 p2)에서 형성된 상기 적층체를 20헤르츠 내지 80헤르츠의 상기 주파수와 0.3밀리미터 이상의 상기 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 상기 압축 응력을 상기 적층체에 가한다;
- 단계 n1)에서, 원료들의 코어(core)가 제공되며, 상기 코어는 0.1 메가파스칼(MPa) 이상의 기계적 강도를 가지며,
단계 c) 이전에 수행된 단계 n2)에서, 상기 코어는 단계 b) 및/또는 단계 p1)에서 얻어진 혼합 조성물들 중 적어도 하나의 혼합 조성물로 완전히 둘러싸이고,
단계 c)에서, 상기 적어도 하나의 혼합 조성물 및 상기 둘러싸인 코어를 포함하는 상기 조립체는, 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동하고, 그 다음에 상기 진동과 함께 상기 압축 응력을 상기 조립체에 가한다;
- 단계 n1)에서, 원료들의 코어가 제공되며, 상기 코어는 0.1 메가파스칼(MPa) 이상의 기계적 강도를 가지며,
단계 c) 이전에 수행된 단계 n2')에서, 상기 코어는 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물 및/또는 단계 p1)에서 얻어진 상기 다른 혼합 조성물들 중 적어도 하나의 혼합 조성물로 완전히 둘러싸이고,
단계 c)에서, 상기 적어도 하나의 혼합 조성물 및 상기 둘러싸인 코어를 포함하는 상기 조립체를, 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 상기 압축 응력을 상기 조립체에 가한다;
- 상기 코어는 또 하나의 세트의 원료 입자의 암밀(compaction)에 의해 형성된 콤팩트 재료이다;
- 상기 코어는 본 발명의 방법에 따라 얻어진다.
본 발명은 또한, 다층(multilayer)의 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법에 관한 것으로, 제1 층은:
a) 한편으로는 입자 크기 분포가 50밀리미터(㎜) 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터(㎛) 이상의 제2 기준 직경(d10)을 특징으로 하는 한 세트의 원료 입자들을, 다른 한편으로는 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 수경성 바인더와 혼합하여 건조 조성물을 형성하는 단계;
b) 단계 a)에서 형성된 상기 건조 조성물을, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량%의 물과 혼합하여 혼합 조성물을 형성하는 단계;
c) 단계 b)에서 얻어진 혼합 조성물을 먼저 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 압축 응력을 상기 혼합 조성물에 가하는 단계를 포함하고,
각각의 후속 층에 대하여, 또 하나의 혼합 조성물이 단계 a) 및 b)를 반복함으로써 제조되고, 상기 다른 혼합 조성물을 이전 층의 위에 놓고, 이전 층과 다른 혼합 조성물에 의해 그렇게 형성된 조립체를 진동시키고, 압축 응력을 상기 조립체에 가하며,
가해진 압축 응력의 값은 적어도 상기 다층 콤팩트 재료의 마지막 층을 제조하기 위해 2 메가파스칼 이상이다.
따라서, 이 다른 방법은 서로 중첩된 층들의 적층체 형태로 다층 콤팩트 재료를 제조할 수 있게 하며, 콤팩트 재료의 원료의 층들은 서로 응집된다.
개별적으로 또는 모든 기술적으로 가능한 조합으로 취해진 본 발명에 따른 방법의 다른 비-제한적이고 유리한 구성은 다음과 같다:
- 각 층에 대해서, 압축 응력을 가하는 것과 함께 구현된 진동이 부조화되는 것이 제공된다;
- 각 층에 대해서, 진동은 압축 방향에 따라 0.3밀리미터 내지 5밀리미터의 진폭을 가진다;
- 단계 c) 다음에, 콤팩트 재료를 얻기 위한 단계가 추가로 제공되며, 이 단계 동안 상기 콤팩트 재료는 미리 결정된 온도 및 상대 습도의 임계치 이상의 상대 습도의 건조 오븐에 24시간 이상 동안 놓여진다;
- 각 층에 대해서, 상기 세트의 또는 각 세트의 입자들의 원료 입자들은 적색 보크사이트, 백색 보크사이트, 알루미나, 석회석, 석회, 카본, 카본 그래파이트, 카본 블랙, 암면, 유리솜, 카보네이트, 야금 유출물, 망간 파우더 또는 이의 유도체, 금속 광석, 또는 광석의 혼합물 중에서 선택된 광물 입자이며, 이들은 특히 금속 산화물 또는 철광석 추출 동안 또는 제조 공정 동안에 발생할 수 있다;
- 적어도 하나의 층 또는 적어도 하나의 세트의 원료 입자들에 대해서, 상기 세트의 원료 입자 세트들의 크기 분포와 관련된 제1 기준 직경(d90)이 20밀리미터 미만이고 상기 입자 크기 분포와 관련된 제2 기준 직경(d10)이 0.1마이크로미터 이상이다;
- 각 층에 대해서, 수경성 바인더가 포틀랜드 시멘트, 칼슘 알루미네이트 시멘트, 설포알루미네이트 시멘트, 비산회(fly ash)와 혼합된 시멘트, 고로 슬래그와 혼합된 시멘트, 포졸란과 혼합된 시멘트 또는 후자의 혼합물로부터 선택된다;
- 적어도 하나의 층에 대해서 또는 적어도 하나의 단계 a)에 대해서, 수경성 바인더는 0.1 내지 3의 C/A 몰비를 갖는 칼슘 알루미네이트 시멘트를 포함한다;
- 적어도 하나의 층에 대해서 또는 적어도 하나의 단계 a)에 대해서, 수경성 바인더는 입자 크기 분포가 100마이크로미터 이하의 제1 기준 직경(d90)을 특징으로 하는 한 세트의 수경성 바인더 입자들로 구성된다.
마지막으로, 본 발명은 본 발명의 방법들 중 하나의 방법에 따라 얻어진, 수경성 바인더에 의해 응집된 원료 입자들을 포함하는 콤팩트 재료를 제안한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 재료는 3 메가파스칼 이상의 기계적 압축 강도 및 15% 이하의 붕해 속도(crumbling rate)를 갖는다.
콤팩트 재료가 함께 응집된 둘 이상의 원료 층을 포함하는 경우에는, 상기 원료 층들은 미리 정해진 임계 온도까지 서로에 대해 불활성이다.
특히, 적어도 2개 이상의 중첩된 층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료에서, 원료들의 층들은 미리 정해진 임계 온도까지 서로에 대해 불활성이다.
적어도 하나의 외층(outer layer)으로 둘러싸인 코어를 포함하는 다층의 콤팩트 재료에서는, 코어의 원료가 그것이 둘러싸인 적어도 하나의 외층의 원료에 대하여 미리 정해진 임계 온도까지 불활성이다.
바람직하게는, 다층의 콤팩트 재료는 적어도 2가지 유형의 원료의 입력을 요구하는 산업 공정에 사용될 수 있다. 콤팩트 재료의 복수의 층들의 덕택에, 다층의 콤팩트 재료는 특히 상기 다층의 콤팩트 재료가 사용되는 산업 공정의 종료시에 제품에 요구되는 화학 조성에 가까운 화학 조성을 가질 수 있다. 따라서, 단층의 콤팩트 재료에 대해 이미 언급된 장점에 부가하여, 다층의 콤팩트 재료에 의해, 산업 공정 내에서 화학 반응의 제어를 개선할 수 있게 되고, 따라서 2개의 원료가 사용될 때 원료들이 서로 들러붙는 것과 같은 특정의 전통적인 현상을 피하면서 저등급 또는 비표준 제품의 생산을 감소시킨다. 또한, 콤팩트한 다층으로 인해, 그것들이 사용되는 산업 공정의 에너지 소비를 최적화할 뿐 아니라 생산성을 높일 수 있다. 다층의 콤팩트 재료로 인해, 어떤 경우에는 사용되는 설비의 마모 및 인열(wear and tear)이 감소될 수 있다.
비-제한적인 예시들에 의해 제공되고, 첨부 도면과 함께 이어지는 설명으로 인해, 본 발명이 무엇으로 구성되는지 그리고 본 발명이 어떻게 구현될 수 있는지가 명확하게 될 것이다.
첨부 도면에서 :
- 도 1은 적색 보크사이트의 미립자들의 두 집단(L1 및 L2)의 누적 입자 크기 분포의 예시를 도시하며, y축은 해당 집단의 미립자 세트의 총 질량을 기준으로 하여, x축 상에 표시된 치수 이하의 직경을 갖는 해당 집단의 미립자의 누적 질량 백분율을 나타낸다.
- 도 2는 "ELMIN"으로 불리는 한 집단의 적색 보크사이트 미립자, "ABP"로 불리는 한 집단의 백색 보크사이트 미립자, 한 집단의 CimentFondu® 시멘트 미립자 및 한 집단의 Secar® 51 시멘트 미립자의 입자 크기 분포의 예시를 도시하며, y축은 해당 집단의 미립자 세트의 총 체적을 기준으로 하여, x축 상에 표시된 치수와 동일한 직경을 갖는 적색 보크사이트의 미립자의 체적 백분율을 나타낸다.
본 발명은 원료의 미립자를, 블록 형태로 원료의 투입이 필요한 산업 공정들 및 콤팩트 재료에 고온, 특히 500℃ 이상을 가하는 산업 공정들 둘 다에 재활용하게 할 수 있는 원료의 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법에 관한 것이다.
보다 정확하게는, 본 발명에 따른 방법은 다음 단계들:
a) 한편으로는 입자 크기 분포가 50밀리미터(㎜) 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터(㎛) 이상의 제2 기준 직경(d10)을 특징으로 하는 한 세트의 원료 입자들을, 다른 한편으로는 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 수경성 바인더와 혼합하여 건조 조성물을 형성하는 단계;
b) 단계 a)에서 형성된 상기 건조 조성물을, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량%의 물과 혼합하여 혼합 조성물을 형성하는 단계;
c) 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물을 먼저 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 압축 응력을 상기 혼합 조성물에 가하는 단계를 포함하며,
상기 가해진 압축 응력의 값은 2 메가파스칼 이상이다.
설명의 나머지 부분은 방법의 각 단계를 더 상세하게 설명한다.
단계 a)
단계 a)에서, 한 세트의 원료 입자들은 무기 또는 유기 원료 입자들로부터 선택된 원료 입자들을 포함한다. 바람직하게는, 무기 원료 입자들이 선택될 것이다. 이것들은 천연재(natural origin)의 무기물, 즉 "광물"로 알려진 원료, 또는 합성재(synthetic origin)의 무기물일 수 있다.
일반적으로, 수경성 바인더와 양립할 수 있는, 즉 수경성 바인더와 반응하지 않는 모든 원료 입자가 단계 a)에서 사용될 수 있다.
원료 입자 세트는 예를 들어 다음의 원료 목록: 적색 보크사이트, 백색 보크사이트, 알루미나, 석회석, 석회, 카본, 특히 카본 그래파이트 및 카본 블랙, 암면, 유리솜, 카보네이트, 또는 야금 유출물, 특히 슬래그형 야금 유출물에서 선택된 원료 입자들을 포함한다.
원료 입자 세트는 또한, 망간 파우더 또는 그의 유도체, 금속 광석 또는 광석의 혼합물로부터 선택된 원료 입자들을 포함할 수 있으며, 이것들은 특히 금속 산화물 또는 철 광석 추출 동안 또는 제조 공정 중에 발견될 수 있다.
바람직하게는, 원료는 다음 목록: 적색 보크사이트, 백색 보크사이트, 알루미나, 석회석, 석회 및 카본 블랙 중에서 선택된다.
더욱 바람직하게는, 원료는 다음 목록: 적색 보크사이트, 백색 보크사이트, 알루미나 및 석회석 중에서 선택된다.
원료 입자 세트는 예를 들어 서로 다른 물리 화학적 성질의 하나 이상의 서로 다른 유형의 원료들을 포함한다. 따라서, 원료 입자 세트는 단일 유형의 원료 및 여러 개의 서로 다른 원료의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 단계 a)에서 원료 입자 세트는 단일 유형의 원료 입자를 포함한다.
설명의 나머지 부분에서, 원료 입자들은 그것들의 직경(diameter)이 천연 원료 블록들의 주요 치수 및 공정에 따라 얻어진 콤팩트 재료 둘 다보다 현저히 작기 때문에 "미립자"로 지칭될 것이다.
입자의 "직경"은 여기서 그것의 모양과 무관하게 입자의 최대 치수로 정의된다.
원료 입자 세트의 각각의 입자는 그것 자체의 직경을 가지므로, 상기 입자 세트는 "미립자측정법"(granulometry)으로도 불리는, 그것의 입자 크기 분포, 즉 상기 입자 세트의 입자들의 크기(또는 직경)의 통계적 분포에 의해 특징지어지고, 즉 정의된다. 요구 사항에 따라, 입자 크기 분포는 체적, 질량 또는 입자 수로 주어질 수 있다. 설명의 나머지 부분에서, 입자 크기 분포는 체적에 의해 주어지는 도 2를 제외하고는 항상 질량으로 주어질 것이다. 체적으로 주어진 입자 크기 분포는 두 가지 유형의 입자 크기 분포를 연결하는 원료의 밀도 인자인 질량으로 주어진 입자 크기 분포와 동일하다.
보다 정확하게는, 임의의 입자 세트의 입자 크기 분포의 기준 직경들(d90, d10 및 d50)을 정의할 수 있으며, 상기 기준 직경은 이 세트의 입자 크기들의 통계적 분포를 나타내는 양이다.
따라서, 입자 세트의 입자 크기 분포를 나타내는 제1 기준 직경(d90)은 미립자 세트의 총 질량을 기준으로 하여 사용된 미립자의 90 질량%가 하부에 위치하고 있는 직경으로 정의된다.
다시 말해서, 미립자 세트에 있어서, 그것의 입자 크기 분포는 소정의 제1 기준 직경(d90)에 의해 특징지어지고, 즉 정의되고, 입자 세트의 총 질량을 기준으로 하여 세트의 미립자들의 90 질량%가 이 소정의 제1 기준 직경(d90)보다 작은 직경을 가지며 그리고 입자 세트의 총 질량을 기준으로 하여 세트의 미립자들의 10 질량%가 이 소정의 제1 기준 직경(d90)보다 큰 직경을 가진다.
다시 말해서, 제1 기준 직경(d90)보다 작은 직경을 갖는 입자 세트의 입자들은, 입자 크기 분포가 질량 기준일 때 입자 세트의 총 질량의 90%를 나타낸다.
여기서, 단계 a)에서 그 세트의 혼합된 원료의 미립자들의 입자 크기 분포를 나타내는 제1 기준 직경(d90)은 50밀리미터(㎜) 이하, 바람직하게는 20밀리미터(㎜) 이하일 것이다. 바람직하게는 제1 기준 직경은 15밀리미터(㎜) 내지 100마이크로미터(㎛), 보다 바람직하게는 10밀리미터(㎜) 내지 500마이크로미터(㎛), 또는 심지어 5밀리미터(㎜) 내지 1밀리미터(㎜)일 것이다. 제1 기준 직경(d90)은 또한, 위에 나타낸 것들보다 훨씬 작게, 예를 들어 1마이크로미터 이하로 선택될 수 있다. 특히, 제1 기준 직경(d90)은 20㎜, 15㎜, 10㎜, 5㎜, 1㎜, 900㎛, 800㎛, 700㎛, 600㎛, 500㎛, 400㎛, 300㎛, 200㎛, 100㎛, 50㎛, 20㎛, 10㎛, 5㎛, 1㎛, 0.5㎛, 0.4㎛, 0.3㎛ 이하로 선택될 수 있다.
입자 세트들의 입자 크기 분포를 나타내는 제2 기준 직경(d10)은 상기 미립자 세트의 총 질량을 기준으로, 사용된 미립자의 10 질량%가 하부에 위치하고 있는 직경으로 정의된다.
다시 말해서, 미립자 세트에 있어서, 그것의 입자 크기 분포는 소정의 제2 기준 직경(d10)에 의해 특징지어지고, 즉 정의되고, 미립자 세트의 총 질량을 기준으로 하여 세트의 미립자들의 10 질량%가 이 소정의 제2 기준 직경(d10)보다 작은 직경을 가지며 그리고 미립자 세트의 총 질량을 기준으로 하여 세트의 미립자들의 90 질량%가 이 소정의 제2 기준 직경(d10)보다 큰 직경을 가진다.
다시 말해서, 제2 기준 직경(d10)보다 작은 직경을 갖는 입자 세트의 입자들이, 입자 크기 분포가 질량 기준일 때 입자 세트의 총 질량의 10%를 나타낸다.
단계 a)에서 그 세트의 혼합된 원료의 미립자들의 입자 크기 분포를 나타내는 제2 기준 직경(d10)은, 차례로 0.08마이크로미터(㎛) 이상, 바람직하게는 0.1마이크로미터(㎛) 이상으로 선택될 것이고, 상기 제2 기준 직경(d10)은 물론 항상 제1 기준 직경(d90)보다 작다. 바람직하게는, 제2 기준 직경(d10)은 1마이크로미터(㎛) 내지 5밀리미터(㎜), 바람직하게는 10마이크로미터(㎛) 내지 1밀리미터(㎜), 또는 심지어 100마이크로미터(㎛) 내지 500마이크로미터(㎛)일 것이다. 특히, 제2 기준 직경(d10)은 0.1㎛, 0.2㎛, 0.3㎛, 0.4㎛, 0.5㎛, 0.6㎛, 0.7㎛, 0.8㎛, 0.9㎛, 1㎛, 2㎛, 3㎛, 4㎛, 5㎛, 6㎛, 7㎛, 8㎛, 9㎛, 10㎛, 20㎛, 50㎛, 100㎛, 200㎛, 500㎛, 1㎜, 2㎜, 3㎜, 4㎜, 5㎜ 이상으로 선택될 수 있다.
입자 세트의 입자 크기 분포를 나타내는 중간 직경(d50)은 미립자 세트의 총 질량을 기준으로, 사용된 미립자의 50 질량%가 하부에 위치하고 있는 직경이다. 따라서, 미립자 세트에 있어서, 그것의 입자 크기 분포는, 소정의 중간 직경(d50)에 의해 특징지어지고, 즉 정의되고, 세트의 미립자들의 50 질량%가 이 소정의 중간 직경(d50)보다 작은 직경을 가지며 그리고 세트의 미립자들의 50 질량%가 이 소정의 중간 직경(d50)보다 큰 직경을 가진다.
임의의 세트의 미립자들의 크기 분포를 특징짓는, 즉 크기 분포를 정의하는 기준 직경들(d90, d10) 및 중간 직경(d50)은, 해당 세트의 미립자들 각각의 통계적 크기 분포를 나타내는 입자 크기 곡선으로부터 얻어진다.
실제로, 직경들(d90, d10 및 d50)은 침전법(X-선 흡수 검출) 또는 레이저 회절법(ISO 13320)과 같은 서로 다른 기술들에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 미립자들의 크기는 예를 들어 Malvern 사에 의해 시판되는 Mastersizer 2000 레이저 입자 크기 분석기로 레이저 회절법에 의한 표준 ISO 13320에 따라 측정된다.
도 1은 적색 보크사이트의 미립자들의 두 집단(또는 세트)(L1 및 L2)의 누적 입자 크기 분포의 예시를 도시한다. 더 정확하게는, 도 1에서는 y축이 해당 집단의 미립자 세트의 총 질량을 기준으로 하여, x축 상에 표시된 치수 이하의 직경을 갖는 해당 집단의 미립자의 누적 질량 백분율을 나타낸다. 이 그래프는 적색 보크사이트의 이들 두 집단의 미립자에 대해, 약 8밀리미터의 제1 기준 직경(d90), 약 0.5밀리미터 내지 0.315밀리미터의 제2 기준 직경(d10) 및 2밀리미터 내지 3.15밀리미터의 중간 직경(d50)을 보여준다.
미립자들의 입자 크기 분포는 하나의 양태(monomodal)일 수 있는데, 이것은 입자 세트의 입자들에 의해 채택된 모든 직경 중 하나의 직경이 다른 직경보다 우세하거나, 또는 직경들 중 하나가 다른 채택된 직경들과 비교하여 현저히 높은 백분율의 입자들에 의해 채택됨을 의미한다.
대안적으로, 입자 크기 분포는 다양한 양태(multimodal)할 수 있는데, 이것은 입자 세트의 입자들에 의해 채택된 모든 직경 중, 몇몇 직경이 다른 직경보다 우세하거나, 또는 근접 직경 범위에서, 특정의 직경들이 더 높은 백분율의 입자들에 의해 채택됨을 의미한다.
도 2는“ELMIN”으로 알려진 적색 보크사이트 미립자 집단의 두 양태의 입자 크기 분포의 예를 도시한다. 더 정확하게는, 도 2에서 y축은 해당 집단의 미립자 세트의 총 체적을 기준으로 하여, x축 상에 표시된 치수와 동일한 직경을 갖는 적색 보크사이트의 미립자의 체적 백분율을 나타낸다.
이 곡선상에서, ELMIN 입자 세트의 입자 직경들의 입자 크기 분포에 2개의 피크가 나타날 수 있는데, 즉 직경이 400마이크로미터(입자들의 7 질량%)인 입자들의 제1 피크 및 직경이 약 2.5마이크로미터(입자의 0.8 질량%)인 입자인 제2 피크가 나타날 수 있다.
일반적으로, 제1 기준 직경(d90)과 제2 기준 직경(d10) 간의 차이는 입자 크기 분포의 확산을 반영한다. 따라서, 제1 기준 직경(d90)과 제2 기준 직경(d10) 간의 차이가 작을수록, 입자 크기 분포가 "좁아지며", 즉 입자 세트의 입자 직경 범위가 좁아지거나, 또는 직경 값들이 함께 더 가까워진다. 반대로, 제1 기준 직경(d90)과 제2 기준 직경(d10) 간의 차이가 클수록, 입자 크기 분포가 "넓어지며", 즉 입자 세트의 입자 직경이 넓은 범위의 값 내에 있거나, 또는 직경 값들이 훨씬 멀어질 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 입자 크기 분포는 필요에 따라 비교적 좁거나 넓게 선택될 수 있다. 특히, 넓은 입자 크기 분포의 원료 입자 세트는 더 우수한 입자 적층체를 가질 것이므로 수경성 바인더가 콤팩트 재료를 제조하기 위해 덜 요구될 것이다. 이 입자 세트로 제조된 콤팩트 재료는 더 나은 기계적 압축 강도를 개발할 것이다. 다른 한편으로, 그 붕해 속도는 더 좁은 입자 크기 분포의 입자 세트로 제조된 콤팩트 재료의 것보다 더 높을 것이다.
특히, 단계 a) 이전에, 사용되는 입자의 크기를 조정하기 위해 그리고 상기 입자 세트의 입자 크기 분포를 변형시키기 위해, 체질 및/또는 파쇄 및/또는 분쇄 및/또는 서로 다른 입자 크기 슬라이스들의 조립 및/또는 충진제를 첨가하는 추가 작업이 가능하다.
본 발명에 따른 방법은 원료의 미립자의 재활용을 촉진하는 것을 목표로 하지만, 추가 비용을 제한하고 원료의 블록을 조작하는 다양한 단계 동안 미립자가 생성될 때 그 미립자를 가능한 한 많이 사용하는 것이 중요하다.
또한, 바람직하게는, 단계 a) 전에, 원료의 미립자는 110℃에서 24시간 동안 건조 오븐에 놓아둠으로써 건조된다.
본 발명에 따른 방법의 단계 a)에서, 여기서 미리 건조된 원료의 미립자는 건조 조성물을 형성하기 위해 수경성 바인더 및 선택적으로 다른 건조 첨가제와 혼합된다.
원료를 건조하는 예비 단계는 선택적이지만, 건조 조성물을 혼합하는 단계 b)의 구현을 용이하게 하기 위해 선호된다.
설명의 나머지 부분에서, 용어 "수경성 바인더"는 물과 혼합되어 입자들을 함께 응집시켜 경화 가능한 패스티 일관성을 갖는 재료를 형성하도록 구성된 파우더 또는 파우더 혼합물을 지칭할 것이다. 즉, 설명의 나머지 부분에서, 용어 "수경성 바인더"는 물과 혼합될 때, 공기뿐만 아니라 물속에서, 다른 반응성 재료의 첨가 없이도 저온(cold)일 때 경화되는 재료를 지칭하는데 사용된다.
용어 "건조 조성물"은 건조 재료들, 즉 잔류 수분 함량이 15 질량% 이하인 재료들의 혼합물을 지칭할 것이며, 잔류 수분 함량은 원료 입자 세트의 총 질량과 24시간 동안 110℃의 오븐에서 건조 후의 그것의 질량 간의 차이(질량 손실이라고도 함)를 계산하고 이 차이를 상기 총 질량으로 나눔으로써 평가된다. 즉, 잔류 수분은 다음 식에 따라 얻어진다: [(총 질량) - (오븐 건조 후 질량)] / (총 질량).
따라서, 여기서 건조 조성물은 수경성 바인더와 원료의 미립자들(상기 원료의 미립자들은 반드시 오븐에서 건조되었을 필요가 없음) 및 선택적으로 다른 첨가제의 혼합물을 지칭할 것이다.
물-혼합 조성물은 물이 첨가된 건조 조성물이다. 물과 일정 시간 접촉한 후, 수경성 바인더(또는 수경성 바인더를 포함하는 건조 조성물)는 물과의 수화 반응으로 인해 경화되며, 이것은 "굳어진다(set)"라고 말한다.
여기서 수경성 바인더는 포틀랜드 시멘트, 칼슘 알루미네이트 시멘트, 설포 알루미네이트 시멘트, 비산회와 혼합된 시멘트, 고로 슬래그와 혼합된 시멘트, 포졸란과 혼합된 시멘트 또는 후자의 혼합물로부터 선택된다.
바람직하게는, 수경성 바인더는 한 세트의 수경성 바인더 입자들이며, 이것들의 입자 크기 분포는 100마이크로미터 이하의 제1 기준 직경(d90)을 특징으로 한다.
수경성 바인더 및 미세 원료 입자 세트를 포함하는 건조 조성물은 하나의 양태 또는 다양한 양태의 입자 크기 분포를 가질 수 있으며, 즉 그 세트의 수경성 바인더 및 원료 입자들은 단일의 우월한(dominant) 직경 또는 여러 개의 우월한 직경들을 가질 수 있다.
바람직하게는, 수경성 바인더는 칼슘 알루미네이트 시멘트, 즉 칼슘 알루미네이트 파우더를 포함한다.
실제로, 본 발명에 따른 방법에서 칼슘 알루미네이트 시멘트를 사용하면, 특히 고온, 즉 500℃ 초과의 산업 공정에서 사용될 때 더 적은 2차 미립자를 생성하는 콤팩트 재료를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서 칼슘 알루미네이트 시멘트를 사용하면, 또한 용융 온도로도 불리는 붕괴(disintegration) 온도가 미리 결정되는 콤팩트 재료를 얻을 수 있다.
칼슘 알루미네이트 시멘트는 그것이 함유하는 석회(CaO)(시멘트 제조업체의 표기법에 따라 C)와 알루미나(Al2O3)(시멘트 제조업체의 표기법에 따라 A) 간의 몰비(보다 일반적으로 (시멘트 제조업체의 표기에 따라) C/A비로 알려졌음)을 특징으로 한다.
여기서, 사용되는 칼슘 알루미네이트 시멘트는 C/A 몰 비가 0.1 내지 3이다.
수경성 바인더는 예를 들어 C/A 비가 0.95인 CimentFondu® 또는 C/A 비가 0.71인 SECAR® 51 시멘트일 수 있다.
여기서, 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 수경성 바인더, 훨씬 더 바람직하게는 2.5 질량% 내지 15 질량%의 수경성 바인더를 포함한다.
실제로, 건조 조성물에 첨가되는 수경성 바인더의 양은 수경성 바인더의 성질, 원료의 미립자의 성질 및 그것들의 과립 분포, 및 특히 기계적 압축 강도의 관점에서 콤팩트 재료에 대해 요구되는 특성에 의존한다.
일반적으로, 건조 조성물의 수경성 바인더 함량의 증가는 기계적 성능의 개선뿐만 아니라 비용의 증가로 이어진다. 따라서 절충안이 발견되어야 한다.
또한, 본 출원인은 건조 조성물에서 수경성 바인더 함량의 증가가 특정 지점까지는 기계적 강도의 증가로 이어지지만, 수경성 바인더의 초과는 압축 작업과 양립할 수 없고 경제적으로 바람직하지 않다는 것을 알았다.
단계 a)에서 건조 조성물에 첨가제를 추가할 수도 있다. 특히, 필요에 따라, 물-혼합 조성물의 작업성(workability), 즉, 여기서 물-혼합 조성물이 압축 몰드로 도입될 수 있게 하는 점도를 갖는 시간을 더 잘 제어하기 위해 억제제 또는 촉진제를 세팅하는 것뿐만 아니라 계면 활성제 또는 초가소제("전단 담화제"(shear-thinning agents)라고도 함)와 같은 유동성 조절제를 첨가할 수 있다.
또한, 특히 상기 원료들과 상기 바인더가 서로 어떤 특정 친화도를 갖지 않는 경우에, 첨가제로 인해 원료와 수경성 바인더 간의 혼합물은 더 잘 균질화될 수 있다.
특히, 계면 활성제로서 Defoam®(Peramin) 또는 Vinapor(BASF), 초가소제로서 Compac500®(Peramin), 경화 촉진제로서 리튬 카보네이트를 첨가할 수 있다.
예를 들어, 암면이 원료로서 그리고 CimentFondu®이 수경성 바인더로서 사용될 때에는, 농축 소다회에 용해된 리튬 카보네이트를 첨가제로 사용할 수 있다. 실제로, 특히 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 다음을 포함하는 조성물을 생성할 수 있다:
- 86.4 질량%의 암면,
- 12.9 질량%의 CimentFondu®,
- 0.7 질량%의 리튬 카보네이트(Li2CO3).
이 건조 조성물에 첨가된 혼합 수의 pH는 몇 방울의 농축 소다를 첨가함으로써 13으로 조정된다. 실제로, 이 특정 경우에, 38밀리리터(mL)의 혼합 수를 위해, 1 mol/L로 농축된 3.8밀리리터(mL)의 소다 용액이 34.2밀리리터(mL)의 물에 첨가된다.
본 발명에 따른 방법은 원료의 미립자의 재활용을 목적으로 하기 때문에, 첨가제의 사용은 경제적인 이유로 가능한 한 제한될 것이다. 하지만, 압축 단계 및 고온(500℃ 이상)에서 콤팩트 재료의 최종 특성 중 어느 하나에 부정적인 영향이 없는 한, 그것들의 사용은 금지되지 않는다.
실제로, 단계 a)에서, 원료의 미립자뿐만 아니라 수경성 바인더가 칭량되고 임의의 첨가제가 첨가되고 그리고 조립체가 수동으로 또는 비수동으로 혼합된다. 혼합을 용이하게 하기 위해 믹서, 예를 들어 페리에(Perrier)형 믹서를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 믹서는 특히 본 발명의 맥락에서 1분 동안 분당 140 회전의 속도로 회전하도록 세팅될 수 있다.
단계 b)
본 발명에 따른 방법의 단계 b) 동안, 단계 a)의 종료시에 얻어진 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량%의 물과 혼합된다.
바람직하게는, 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 3 질량% 내지 15 질량%의 물, 보다 바람직하게는 3 질량% 내지 9 질량%의 물과 혼합된다.
일반적으로, 균질한 물-혼합 조성물을 얻도록 수경성 바인더를 완전히 수화시키고 원료의 미립자의 표면을 적시기 위해, 물이 충분한 양으로 첨가된다. 조성물에 물을 과량 제공하면, 물-혼합 조성물을 너무 끈적거리게 할 수 있고 그리고 단계 c)의 종료시에 그것을 탈형(demold)할 때 및/또는 몰드를 세척할 때 문제를 야기할 수 있다. 또한, 과량의 물은 조성물의 압축 구간 동안 최종의 콤팩트 재료에서 취성(brittleness)을 발생시키는 탈수 현상을 초래할 수 있으며, 상기 취성은 우선하는 경로를 따라 물을 배출함으로써 생성된다. 불충분한 양의 혼합 수는 결국 최종적으로 얻어진 콤팩트 재료의 표면에 파우더 현상을 발생시킬 수 있고, 즉 콤팩트 재료의 표면에 2차 미립자를 생성할 수 있다.
실제로, 단계 b)에서, 혼합 수가 건조 조성물에 첨가되고 혼합된다. 조성물을 특히 페리에형 믹서에서, 예를 들어 1분 동안 분당 140 회전 속도로 혼합할 수 있다.
조성물의 가습 및 혼합물의 균질화를 용이하게 하기 위해, 물은 조성물의 여러 서로 다른 영역에서 동시에 또는 연속적으로 첨가된다.
단계 c)
그 다음에, 단계 b)의 종료시에 얻어진 물-혼합 조성물을 진동시킨다.
이 목적을 위해, 물-혼합 조성물은 콤팩트 재료의 원하는 최종 형상에 대응하는 형상을 갖는 강성 몰드, 예를 들어 스틸 몰드 내로 도입된다. 예를 들어, 몰드는 약 10센티미터, 특히 20센티미터와 같은 정도의 특성 치수를 갖는 원통형 또는 평행 육면체 형상을 가질 수 있다.
일단 충진되면(filled), 몰드는 예를 들어 진동 테이블 상에 놓임으로써 또는 다른 진동 수단에 의해 진동된다. 여기서 "충진된"이라는 용어는 몰드의 내부 체적이 혼합 조성물에 의해 적어도 부분적으로 점유됨을 의미한다.
진동 덕택에, 몰드 내로 도입된 물-혼합 조성물 내에 포획된 공기의 양은 감소한다.
또한, 혼합 단계 및/또는 몰드 충진 단계 동안 분리가 발생한 경우, 진동은 몰드 내의 원료의 미립자들을 균질화하는데 도움이 된다. 다시 말해, 진동은 몰드 내의 입자들의 분포를 균질화하는데 도움이 된다.
진동은 20헤르츠(Hz) 내지 80헤르츠(Hz), 바람직하게는 25Hz 내지 75Hz의 주파수를 갖는다. 이 주파수 범위는 몰드 내로 도입된 조성물의 점도에 잘 적응된다. 예를 들어, 진동의 주파수는 20Hz, 25Hz, 30Hz, 35Hz, 40Hz, 45Hz, 50Hz, 55Hz, 60Hz, 65Hz, 70Hz, 75Hz 또는 80Hz이다.
바람직하게는, 진동은 0.3밀리미터(㎜) 내지 5밀리미터(㎜)의 진폭을 갖는다. 특히, 진동 진폭은 0.3㎜, 0.4㎜, 0.5㎜, 0.6㎜, 0.7㎜, 0.8㎜, 0.9㎜, 1㎜, 1.5㎜, 2㎜, 2.5㎜, 3㎜, 3.5㎜, 4㎜, 4.5㎜ 또는 5㎜일 수 있다. 여기서 진동 진폭은 주어진 방향으로 몰드의 최대 움직임에 해당한다. 이 진폭 범위는 또한, 몰드 내로 도입된 조성물의 점도에 잘 적응된다. 다시 말해, 진폭은 몰드 이동의 극단 위치들 간의 차이를 나타낸다.
몰드 내로 도입된 조성물은 2.5초 내지 15초의 기간 동안 진동된다.
그 다음에, 진동을 가함과 함께, 압축 응력을 조성물에 가한다.
따라서, 조성물의 진동은 압축 응력을 가하기 이전뿐만 아니라 압축 응력을 가하는 동안에도 구현된다.
바람직하게는, 조성물의 압축 동안 진동은 압축 방향으로 향하게 된다. 즉, 몰드는 압축 방향에 따라 진동 운동을 겪는다.
따라서, 예를 들어, 압축이 일반적으로 수직인 경우, 몰드는 미리 결정된 주파수 즉, 진동 주파수와 동일한 주파수에서 수 밀리미터, 즉 진동 진폭과 같은 거리만큼 상하로 이동한다.
바람직하게는, 압축 응력을 가하는 동안, 가해진 진동은 부조화된다(disharmonized). 즉, 진동은 비조화적인(nonharmonic) 프로파일을 갖는다. 여기서 "비조화적인"이라는 용어는 진동의 주파수 및 진폭이 시간이 흐름에 따라 일정하지 않음, 즉, 비조화적인 진동은 주기적이지 않음(진동의 주기성이 없음)을 의미한다. 반대로, "조화적인" 진동은 시간이 흐름에 따라 일정하게 유지되는 하나 이상의 주파수 및 진폭으로 구성되며, 즉 조화적 진동은 주기적이다. 즉, 가해진 부조화된 진동의 주파수 및 진폭은 시간이 흐름에 따라 일정하지 않으며, 즉 그것들은 단계 c)의 구현 동안 규칙적으로 반복되지 않는 값들을 채택한다.
실제로, 예를 들어, 진동은 비규칙적인(또는 비주기적인) 진동을 만들기 위해 적어도 하나의 충격에 의해 의도적으로 교란될 수 있다. 따라서, 몰드는 압축 방향에 따라 규칙적으로, 즉 주기적으로 이동할 뿐만 아니라 진동의 부조화를 위해 적어도 하나의 짧은 고강도 교란을 받는다. 따라서, 부조화된 진동은 정현파 프로파일과 교란의 합에 대응하는 프로파일을 갖는다.
예를 들어, 진동은 진동 테이블에 연결된 적어도 하나의 불균형 여진기의 회전에 의해 생성될 수 있고, 이 진동은 진동 테이블을 타격하는 적어도 하나의 충격기에 의해 부조화된다. 또한, 불균형 여진기들과 진동 테이블 플레이트 사이에 삽입된 이동식 웨지들(wedges)을 사용하여 회전 불균형 여진기들이 웨지들에 충격을 주어 진동을 부조화시키는 가속을 생성할 수 있다.
실제로, 압축을 가하는 것과 함께 진동에 우선적으로 가해지는 특이성들, 특히 진동의 방향 및 진동의 부조화는 압축을 가하기 전에 구현된 진동에도 적용될 수 있다.
언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 진동과 결합하여 조성물을 높은 압축 응력의 대상으로 만든다.
압축 응력은 상기 힘이 가해지는 표면적으로 나눈 압축력으로 정의되며, 상기 표면은 압축력, 즉 압축력의 방향에 수직이다.
여기서, 조성물에 가해지는 압축 응력은 2 메가파스칼(MPa) 이상이다. 특히, 압축 응력은 2 메가파스칼(MPa) 내지 5 메가파스칼(MPa)일 수 있다. 압축 응력은 10 메가파스칼(MPa) 이상으로 선택될 수도 있다. 예를 들어, 압축 응력은 2MPa, 3MPa, 4MPa, 5MPa, 6MPa, 7MPa, 8MPa, 9MPa, 10MPa, 11MPa, 12MPa, 13MPa, 14MPa, 15MPa, 20MPa, 25MPa, 30MPa, 35MPa, 40MPa, 45MPa, 50MPa, 55MPa, 60MPa, 65MPa, 70MPa와 같게 선택된다. 이 높은 압축 응력으로 인해, 수경성 바인더의 세팅 초기에 원료의 미립자가 함께 단단히 유지되고, 따라서 입자가 서로 강하게 응집되는 것이 보장된다.
실제로, 재료에 가해지는 압축 응력이 클수록, 원료 입자는 함께 더 콤팩트해지고, 그리고 수경성 바인더는 상기 입자들 사이에 더 많이 강제로 삽입되면 콤팩트 재료의 응집력, 즉 그것의 높은 기계적 압축 강도 및 낮은 파쇄를 보장할 수 있다.
실제로, 압축력은 몰드 내로 도입된 혼합 조성물의 한 면에 균질하게 가해진다. 예를 들어, 압축력은 몰드의 한 면의 표면과 동일한 크기의 플런저에 의해 가해진다.
일반적으로, 단계 c)는 조성물이 몰드에서 굳어질 시간을 갖지 않도록 충분히 짧은 지속 시간을 갖는다. 즉, 물-혼합 조성물은 진동이 있고 압축 응력이 가해지기 때문에 수경성 바인더가 아직 물과 반응하기 시작하지 않는 그 자체로 있고, 따라서 c) 단계의 종료시에 얻어진 콤팩트 재료가 재료 c) 경화를 시작하지 않고도 변형 없이 탈형할 수 있다. 단계 c)의 종료시에, 조성물은 그것의 탈형 및 섬세한 취급을 할 수 있을 만큼 충분히 견고하다.
콤팩트 재료는 단계 c) 후에 몰드로부터 제거된다. 탈형 후, 콤팩트 재료가 굳어지기 시작하는데, 즉 수경성 바인더는 물에 의해 수화되어 실제로 경화된다. 이 경화 과정 동안에 그것의 기계적 강도가 향상된다.
바람직하게는, 콤팩트 재료의 탈형 다음에 바람직하게는 콤팩트 재료를 미리 결정된 온도에서 그리고 습도로 조절되는 분위기하에서 건조 오븐에 놓아두는 단계가 뒤따른다. 이 오븐 건조 단계 동안 수경성 바인더가 "굳어지고" 따라서 콤팩트 재료가 경화된다.
일반적으로, 오븐 건조 단계는 일반적으로 "구조화(structuring)"로 알려진 현상에 따라 콤팩트 재료의 에이징, 즉 기계적 강도를 얻기 시작하도록 재료를 경화시키는 것에 상당한다. 알루미나 시멘트를 사용할 때, 압축 단계 후, 바람직하게는 오븐 건조 단계 동안에 2시간 내지 3시간 동안 굳어짐이 일어난다. 이 오븐 건조 단계는 콤팩트 재료의 미세한 구조에 영향을 미친다.
실제로 오븐 건조 조건은 사용되는 수경성 바인더에 의존한다. 특히, 오븐 건조는 미리 결정된 온도와 상대 습도의 임계 값 이상의 상대 습도에서, 미리 결정된 시간 동안 수행된다.
여기서는 콤팩트 재료를 건조 오븐에 24시간 동안 두도록 선택한다.
상대 습도의 임계 값은 사용되는 수경성 바인더에 따라 선택된다.
예를 들어, 사용되는 수경성 바인더가 칼슘 알루미네이트 시멘트일 때에는, 콤팩트 재료는 80% 이상의 상대 습도에서 적어도 24시간 동안 건조 오븐에 놓인다.
건조 오븐에 함유된 공기의 상대 습도(습도의 정도라고도 함)는 동일한 온도에서 공기에 포함된 수증기 분압 대 포화 증기압(또는 증기 장력)의 비율로서 정의된다. 즉, 상대 습도는 건조 오븐 내의 공기의 수증기 함량과 소정의 온도 조건하에서 물을 함유하는 이러한 공기의 최대 용량 간의 비율을 나타낸다.
콤팩트 재료의 표면의 기계적 특성은 2차 미립자의 형성을 제한하는데 결정적이다. 2차 미립자들의 형성을 최소로 유지하기 위해, 수경성 바인더는 가능한 한 완벽하게 수화되어야 한다. 때때로 단계 b)에서 공급된 혼합 수는 단계 c)의 진동 및 압축 응력을 가하기 전에 건조 조성물 및 특히 수경성 바인더를 완전히 수화시키기에 불충분하다. 이 목적을 위해, 오븐 건조 동안의 상대 습도는 우선적으로 제1의 미리 결정된 임계값(90%)보다 높거나 심지어 제2의 미리 결정된 임계값(95%)보다 높아야 한다.
또한, 오븐 건조 온도는 콤팩트 재료의 최종 미세 구조에 필수적이며, 사용되는 수경성 바인더에 의존한다.
실제로, 사용되는 수경성 바인더가 칼슘 알루미네이트 시멘트일 때에는, 오븐 건조가 10℃ 내지 28℃의 온도에서 수행된다. 바람직하게는, 오븐 건조는 15℃ 내지 25℃, 또는 심지어 18℃ 내지 20℃의 온도에서 수행된다.
포틀랜드 시멘트 또는 황산칼슘 알루미네이트와 같은 다른 수경성 바인더를 사용할 때에는 오븐 건조 온도가 높을수록 기계적 강도의 향상에 우호적이다.
사용되는 수경성 바인더가 바람직하게는, C/A 몰 비가 1인 칼슘 모노 알루미네이트(CA)를 주 결정상으로 포함하는 칼슘 알루미네이트 시멘트일 때에는, 수화 반응에 의해 형성된 수화물은 수화 온도에 의존한다. 하지만, 수화 온도가 높을수록, 형성된 수화물이 차지하는 체적이 적어지고, 상기 수화물을 형성하는데 CA 상에서 물 분자가 더 적게 소비되고, 그리고 형성된 수화물이 콤팩트 재료의 기계적 강도의 발달에 더 적게 기여한다. 이러한 이유로, 콤팩트 재료는 수화 반응 및 이에 따른 콤팩트 재료의 경화를 촉진하기에 충분히 높은 온도에서 오븐 건조되어야 하지만, 형성된 수화물이 콤팩트 재료에 원하는 특성을 부여하고 그리고 칼슘 알루미네이트형 수경성 바인더로부터 얻어진 이들 수화물의 전환 현상(phenomenon of conversion)(즉, 탈수 현상에 의한 수화물의 화학적 변환)을 최소화하기에 충분히 낮아야 한다.
따라서, 건조 오븐에서 콤팩트 재료의 경화를 완료할 수 있게 하면, 콤팩트 재료의 기계적 특성이 향상된다.
물론, 대안으로서, 오븐 건조 없이, 야외에서 경화(curing)가 끝나도록 재료를 놓아둘 수도 있다.
이렇게 얻어진 콤팩트 재료는 수경성 바인더에 의해 응집된 균일한 원료 층을 형성한다.
이렇게 얻어진 콤팩트 재료는 20℃에서 3 메가파스칼 이상의 기계적 압축 강도를 특징으로 한다.
또한, 그것의 붕해 속도는 15% 미만, 바람직하게는 10% 미만이다. 예를 들어, 붕해 속도는 15%, 14%, 13%, 12%, 11%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5% 이하일 수 있다.
이 낮은 붕해 속도는 재료가 2차 미립자를 거의 생성하지 않음을 보증한다. 이것은 재료의 내마모성이 높다는 것을 의미한다.
붕해 속도(T) 또는 생성된 2차 미립자의 속도는, 한편으로는 콤팩트 재료의 초기 질량과 상기 콤팩트 재료의 질량 간의 차이와, 그리고, 다른 한편으로는 상기 콤팩트 재료의 초기 질량 간의 비율이다. 붕해 속도는 다음 공식에 따라 표현된다.
T = [초기 질량 - 최종 질량] / 초기 질량.
아래의 "예시" 섹션에서는, 붕해 비율(T)이 실제로 어떻게 측정되는지 설명될 것이다.
바람직하게는, 단층의 콤팩트 재료를 얻기 위해 상술한 것과 동일한 원리에 따라, 즉 원료의 적어도 2개의 개별 층을 포함하는 다층의 콤팩트 재료를 형성할 수 있다.
이러한 다층의 콤팩트 재료는 특히 서로 겹쳐진 층들의 적층체, 또는 다른 층들로 둘러싸인 층들의 적층체를 포함하고, 따라서 적어도 하나의 외층에 완전하게 둘러싸인 코어를 형성할 수 있다.
보다 정확하게는, 서로 겹쳐진 적어도 2개의 층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료는 이전에 설명된 방법에 의해 얻어질 수 있고, 다음과 같이 완료된다:
단계 b)의 종료시에 얻어진 혼합 조성물로 제1 층의 재료가 형성되고,
단계 c) 이전의 단계 p1)에서, 단계 a) 및 b)를 반복함으로써 적어도 하나의 다른 혼합 조성물이 형성되고,
단계 p2)에서, 적어도 2개의 층의 혼합 조성물의 적층체를 형성하도록. 단계 p1)에서 얻어진 상기 다른 혼합 조성물이 단계 b)의 종료시에 형성된 상기 제1 층의 위에 놓여지고,
단계 c)에서, 단계 p2)에서 형성된 상기 적층체를 20헤르츠 내지 80헤르츠의 상기 주파수와 0.3밀리미터 이상의 상기 진폭으로 진동시키고, 그 다음 상기 진동과 함께 상기 압축 응력을 상기 적층체에 가한다.
단계 p1)은 모든 면에서 상술한 단계 a) 및 b)와 유사하다.
다시 말해서, 단계 p1)에서, 또 하나의 건조 조성물은 입자 크기 분포가 50밀리미터 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터 이상의 제2 기준 직경(d10)에 의해 정의되는 또 하나의 원료 입자 세트를, 다른 한편으로는, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 또 하나의 수경성 바인더와 혼합함으로써 형성되며, 그 다음에 형성된 다른 건조 조성물은 상기 다른 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량% 물과 혼합되어 상기 다른 혼합 조성물을 형성한다.
바람직하게는 단계 b)의 끝과 단계 p1)의 종료시에 얻어진 2개의 혼합 조성물은 서로 다르지만 이들이 동일하다는 것을 상상할 수 있다. 이들의 차이는 특히 건조 조성물을 혼합하기 위해 사용되는 물의 양 및/또는 원료 입자들의 성질 및/또는 그것들의 입자 크기 분포 및/또는 사용되는 수경성 바인더의 성질 및/또는 사용되는 바인더의 양에 기인할 수 있다.
단계 p1)은 다층의 콤팩트 재료에서 원하는 중첩된 층들과 동일하거나 서로 다른 많은 혼합 조성물을 형성하기 위해 필요한 만큼 여러번 반복될 수 있다.
제1의 단계 b)의 종료시에 얻어진 제1 혼합 조성물을 몰드 내에 놓아서 제1 층 재료를 형성한다. 단계 p1)의 종료시에 얻어진 제2 혼합 조성물을 이 제1 층의 위에 놓아서 2개의 층들의 적층체를 형성한다. 이로 인해, 몰두 내에 임의의 수의 혼합 조성물을 중첩시켜 다층의 콤팩트 재료 내에 상응하는 수의 층들을 형성할 수 있다.
모든 혼합 조성물이 몰드 내에서 다른 것의 위에 적층된 후에야, 단층 재료를 얻는 방법에 대해 위에 설명된 조건하에서(즉, 적어도 하나의 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭을 갖는 진동에서) 몰드는 진동하고, 그 다음에 진동과 함께 2 메가파스칼 이상의 압축력을 받는다.
다시 말하면, 상술한 단계 c)는 혼합 조성물의 중첩에 의해 형성된 층들의 적층체에서 수행된다. 따라서 단계 c)는 사실상 상기 적층체에 포함된 제1 혼합 조성물에 가해진다.
특히, 여기서, 제1 혼합 조성물에 의해 형성된 제1 층 또는 서로의 위에 다른 혼합 조성물의 첨가에 의해 형성된 임의의 중간 층들은 마지막 혼합 조성물이 다른 모든 것의 위에 놓이기 전에 진동하거나 어떤 압축력도 받지 않는다. 마지막 혼합 조성물이 다른 것의 위에 놓인 후에야, 단층 재료를 얻는 방법에 대해 위에서 설정된 조건하에서 형성된 적층체가 진동하고 그 다음에 진동과 함께 압축력을 받는다.
이로 인해, 간단한 방식으로 적어도 2개의 적층된 층들을 포함하는 다층의 콤팩트 재료가 형성될 수 있다.
대안적으로, 마지막 혼합 조성물이 다른 것 위에 놓여서 최종 적층체를 형성하기 전에, 적어도 제1 층 또는 상기 제1 층으로 형성된 중간 적층체, 및 상기 제1 층의 위에 놓인 임의의 수의 중간 층들을 진동시킬 수 있다. 마지막 혼합 조성물이 다른 것 위에 놓여서 최종 적층체를 형성하기 전에, 적어도 제1 층 또는 상기 제1 층으로 형성된 중간 적층체 및 상기 제1 층의 위에 놓인 임의의 수의 중간 층들이 압축력을 받을 수 있다.
중간 적층체의 진동으로 인해, 입자들은 서로에 대해 최적으로 배열될 수 있다. 압축 응력이 낮더라도 중간 적층체에 가해짐으로 인해 최종 탈형 후 규칙적인 층들을 얻을 수 있다. 따라서, 최종의 다층 콤팩트 재료의 미적(aesthetic) 외관은 중간 압축에 의해 개선된다.
적어도 하나의 외층으로 둘러싸인 코어를 포함하는 다층의 콤팩트 재료는 상술한 방법들 중 하나에 의해 얻어질 수 있으며, 다음과 같이 완료된다:
단계 n1)에서, 원료들의 코어가 제공되며, 상기 코어는 0.1 메가파스칼(MPa) 이상의 기계적 강도를 가지며,
이미 설명된 공정의 단계 c) 이전의 단계 n2) 또는 n2')에서, 상기 코어는 단계 b) 및/또는 단계 p1)에서 얻어진 혼합 조성물들 중 적어도 하나로 완전히 둘러싸이고,
단계 c)에서, 상기 적어도 하나의 혼합 조성물 및 상기 둘러싸인 코어를 포함하는 상기 조립체를 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 상기 압축 응력을 상기 조립체에 가한다.
단계 n1)에서, 최종의 다층 콤팩트 재료의 내층을 형성하도록 사용될 코어는 이 코어를 처리하여 이동할 수 있는 기계적 강도를 갖는다.
여기서 본안의 기계적 강도는 표준 EN 196에 설명된 프로토콜에 따라 평가된 메가파스칼(MPa)로 표현된 기계적 압축 강도이다.
단계 n1에서, 코어는 보크사이트 또는 석회석 블록과 같은 천연 고체 재료 일 수 있다.
또한, 코어는 임의의 압축 공정에 의해, 예를 들어 천연재 또는 합성재의 미분을 압축 또는 과립화함으로써 얻어진 합성 고체 재료일 수 있다.
특히, 코어는 이미 알려진 압축 공정에 의해 얻어질 수 있다.
대안적으로, 코어는 상술한 본 발명의 방법들 중 하나에 의해 얻어진 콤팩트 재료일 수 있다. 즉, 코어는 상기 단계 a), b) 및 c)에 따라 얻어진 "단층"의 콤팩트 재료, 또는 상술한 단계 a), b), p1), p2) 및 c)에 따라 얻어진 2개 이상의 층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료일 수 있다.
코어가 임의의 종류의 압축 공정에 의해 얻어진 콤팩트 재료일 때에는, 코어는 코어를 둘러싸고자 하는 조성물을 얻기 위해 바람직하게는 단계 a)에서 사용된 입자 세트의 그것들과 유사한 특성을 갖는 원료 입자 세트를 포함한다. 특히, 코어를 형성하는데 사용된 다른 입자 세트의 입자 크기 분포 및 원료의 성질은 단계 a)를 참조하여 상술한 바와 같을 것이다. 하지만, 코어를 형성하는데 사용된 다른 입자 세트의 원료 입자들의 성질, 즉 각각의 입자 크기 분포는 코어를 둘러싸기 위한 조성물을 형성하는데 사용되는 입자 세트의 원료 입자의 성질, 즉 각각의 입자 크기 분포와 반드시 동일하지는 않다.
바람직하게는, 최종의 다층 콤팩트 재료에서, 코어뿐만 아니라 코어 주위의 콤팩트 재료의 외층(들)은 서로 다르다. 이러한 차이는, 예를 들어 이들이 구성하는 원료의 성질 및/또는 이들의 각각의 입자 세트의 입자 크기 분포에 기인할 수 있다.
상술한 본 발명의 방법들 중 하나에 따라 코어를 얻을 때에는, 코어를 형성하는데 사용되는 수경성 바인더의 양, 입자 크기 분포 및 성질이 상기 코어를 둘러싸고자 하는 조성물에 사용되는 바인더의 양, 입자 크기 분포 및 성질과 유사할 수 있고, 즉 코어의 수경성 바인더는 상술한 특성을 가진다. 반대로, 코어를 형성하는데 사용되는 수경성 바인더의 성질, 입자 크기 분포 및/또는 양은 코어를 둘러싸는 혼합 조성물(들)을 형성하는데 사용되는 수경성 바인더와 동일하지 않을 수 있다.
단계 n1), 단계 n2) 또는 n2')에서 코어를 제공하는 방법과 무관하게, 코어는 단계 b) 및/또는 단계 p1)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합 조성물에 완전히 둘러싸인다. 즉, 상기 혼합 조성물은 상기 코어를 상기 혼합 조성물로 완전히 둘러싸도록 코어의 아래, 주위 및 위에 놓여진다.
제1 가능성에 따르면, 코어는 예를 들어 단계 b)(단계 n2))에서 얻어진 하나의 동일한 혼합 조성물로 완전히 둘러싸일 수 있다.
이러한 목적을 위해, 예를 들어, 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물은 코어의 치수들(높이 및 폭)보다 큰 치수들을 갖는 몰드의 바닥에 놓이고, 코어가 그 위에 놓이며, 이것은 그 다음에 다층의 콤팩트 재료의 "코어"를 형성할 것이고, 그 다음에 코어와 몰드 사이의 측면 공간이 충진되고 상기 코어는 상기 혼합 조성물로 완전히 덮힌다.
코어는 또한, 상기 공정의 단계 p1)의 종료시에 얻어진 혼합 조성물에 포함될 수 있다. 이 경우, 얻어진 최종의 다층 콤팩트 재료는 상기 코어가 일체로 둘러싸는 제1 층 및 그 다음에 제2 층을 갖는다(단계 n2').
제2 가능성에 따르면, 코어가 제1 혼합 조성물에 의해 부분적으로 둘러싸이고 제2 혼합 조성물에 의해 부분적으로 둘러싸일 수 있도록 코어는 분리된 2개의 서로 다른 혼합 조성물로 둘러싸일 수 있다. 이것은 층들의 적층체의 2개의 중첩된 층들 사이의 계면에서 코어를 포획하는 것에 해당한다(단계 n2'의 변형).
이러한 목적을 위해, 예를 들어, 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물은 코어의 치수들(높이 및 폭)보다 큰 치수들을 갖는 몰드의 바닥에 놓이고, 코어는 그 위에 놓이며, 이것은 그 다음에 다층의 콤팩트 재료의 "코어"를 형성할 것이고, 코어와 몰드 사이의 측면 공간은 코어의 높이의 절반까지 이 동일한 혼합 조성물로 충진되고, 그 다음에 예를 들어 단계 p1)의 종료시에 얻어진 제2 혼합 조성물로 코어와 몰드 사이의 측면 공간을 충진하여 상기 코어를 상기 제2 혼합 조성물로 완전히 덮는다.
단계 c)는 적어도 하나의 외층으로 둘러싸인 코어를 갖는 다층 재료의 경우에 진동 그리고 다음에 압축 응력 및 진동이 함께, 혼합 조성물(들) 및 둘러싸인 코어를 포함하는 조립체에 가해진다는 점을 제외하고는 상술한 것과 유사하다.
압축 응력이 혼합 조성물(들) 및 둘러싸인 코어를 포함하는 조립체에 가해지면, 그 결과 사실상, 이 압축 응력은 코어에 가해지고 그리고 이 압축 응력은 혼합 조성물(들)에 가해진다. 따라서, 단계 c)는 사실상, 적어도 제1 혼합 조성물 상에서 구현된다.
따라서 적어도 하나의 외층에 완전히 둘러싸인 코어를 포함하는 다층의 콤팩트 재료가 얻어진다.
대안적으로, 단계 n1)에서 사용된 코어는 그 자체가 층으로 둘러싸인 또 하나의 코어를 포함하는 다층의 콤팩트 재료, 즉 방금 설명한 방법에 따라 얻어진 다층의 콤팩트 재료일 수 있음이 쉽게 이해된다.
단층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 공정과 관련하여 설명되었던 것의 나머지 부분은 또한, 본 발명의 방법들 중 하나에 의해 얻어진 다층의 콤팩트 재료(서로 중첩된 층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료 또는 적어도 하나의 외층에 캡슐화된 층을 포함하는 다층의 콤팩트 재료)에 적용 가능하다.
서로 중첩된 층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료는, 또한 제1 층이 다음 단계들에 따라 제조되는 다층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 공정에 따라 얻어질 수 있다:
a) 한편으로는, 입자 크기 분포가 50밀리미터 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터 이상의 제2 기준 직경(d10)을 특징으로 하는 한 세트의 원료 입자들을, 다른 한편으로는, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 수경성 바인더와 혼합하여 건조 조성물을 형성하는 단계,
b) 단계 a)에서 형성된 상기 건조 조성물을 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량%의 물과 혼합하여 혼합 조성물을 형성하는 단계,
c') 단계 b)에서 얻어진 혼합 조성물을 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수 및 0.3 밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고 그 다음에 진동과 함께 압축 응력을 상기 혼합 조성물에 가한다.
층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 이 공정의 단계 a) 및 b)는 모든 면에서 단층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 공정에 대해 상술한 단계 a) 및 b)와 유사하다.
단계 c')는 모든 면에서 단층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 공정의 단계 c)에 대해 상술한 것과 유사하지만, 단계 c')에서 가해진 압축 응력의 값이 2MPa 이상인 것이 필수적이지 않다는 차이점이 있다. 예를 들어, 압축 응력은 0.1MPa 정도일 수 있다.
이 제1 층은 층들의 적층체의 바닥 층을 형성한다.
그 다음에, 다음 층의 형성을 위해, 상술한 단계 a) 및 b)를 반복하여 또 하나의 혼합 조성물을 제조하고 상기 다른 혼합 조성물을 이전 층의 위에 놓는다.
실제로, 제1 층을 형성하는 단계 c')의 종료시에, 상기 반복된 단계 a) 및 b)에 따라 얻어진 다른 물-혼합 조성물(및 유사한 것)을 몰드 내로 직접 첨가하는 것이 제공된다.
따라서, 상기 다른 혼합 조성물은 동일한 몰드 내에서 이미 형성된 제1 층의 위에 놓여진다.
바람직하게는, 다른 물-혼합 조성물은 제1 층의 재료를 형성하는데 사용되는 제1 물-혼합 조성물과 다르며, 특히 그것이 성질 및/또는 입자 크기 분포가 제1 층의 원료 입자 세트의 성질 및/또는 입자 크기 분포와 다른 원료의 미립자 세트를 포함한다는 점에서 제1 물-혼합 조성물과 다르다. 이러한 다른 물-혼합 조성물에 사용되는 수경성 바인더는 바인더 및 원료의 비율(proportions)과 동일하거나 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 제1 층은 상기 제1 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 입자 크기 분포가 20밀리미터 이하의 제1 기준 직경(d90) 또는 0.08마이크로미터 이상의 제2 기준 직경(d10)을 갖는 85 질량%의 적색 보크사이트와 15 질량%의 CimentFondu® 시멘트를 포함하는 제1 건조 조성물로부터 형성될 수 있고, 제2 층은 상기 제2 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 입자 크기 분포가 20밀리미터 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터 이상의 제2 기준 직경(d10)을 갖는 95% 석회석 CaCO3과 5 질량% CimentFondu®를 포함하는 건조 조성물로부터 형성될 수 있다.
그 다음에, 이 제2 조성물을 물과 혼합하고, 따라서 제1 층 재료를 이미 수용한 몰드 내로 혼합된 제2 조성물을 도입하는 것이 제공된다. 제2 조성물은 제1 조성물과 동일하거나 동일하지 않은 비율로 물과 혼합될 수 있다.
예를 들어, 상기 주어진 예시에서, 제1 건조 조성물은 제1 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 물 7 질량%과 혼합되는 반면, 제2 건조 조성물은 상기 제2 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 물 5 질량%과 혼합된다.
이전 층(여기서는 제1 층)에 의해 형성된 조립체 및 이전 층을 덮는 다른 혼합 조성물을 그 다음에 진동시키고 압축 응력을 상기 조립체에 가한다.
제1 층의 형성과 같이, 제1 층 및 제1 층을 덮는 혼합 조성물로 이루어진 조립체를 먼저 진동시키고, 그 다음에 진동을 유지하면서 압축 응력을 조립체에 가한다.
진동 및 압축 응력을 가하는 것은 모든 면에서 제1 층의 형성에 대해 설명되었던 것과 유사하다. 특히, 제1 층의 형성에 대해서와 같이, 진동 응력은 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3 밀리미터 이상의 진폭으로 수행되는 반면, 압축 응력은 반드시 2MPa 이상일 필요는 없다..
따라서, 단계 c')는 제1 및 제2 층에 의해 형성된 조립체 상에서 수행된다.
제1 및 제2 층들에 의해 형성된 조립체의 진동으로 인해, 입자는 서로에 대해 최적으로 배열될 수 있다.
압축 응력이 낮더라도 이 조립체에 가해지면, 최종 탈형 후 규칙적인 층들을 얻을 수 있다. 따라서 최종의 다층 콤팩트 재료의 외관은 중간 압축에 의해 향상된다.
동일한 압축 응력이 각각의 후속 층의 형성에 가해진다. 즉, 각각의 후속 층의 형성을 위해, 단계 a) 및 b)를 반복함으로써 새로운 혼합 조성물이 얻어지고, 이 새로운 혼합 조성물은 몰드 내의 이전 층 위에, 따라서 이전에 형성된 모든 층 위에 도입된다. 이전에 형성된 층들 및 새로 혼합 조성물을 포함하는 조립체는 진동하고 그 다음에 진동과 함께 압축 응력이 이 조립체에 가해진다. 보다 정확하게는, 각각의 후속 층에 대해, 단계 c')는 이전에 형성된 층들 및 새로운 혼합 조성물을 포함하는 새로운 조립체 상에서 수행된다.
다층의 콤팩트 재료를 얻기 위해서는, 가해진 압축 응력의 값이 적어도 상기 다층의 콤팩트 재료의 마지막 층, 즉, 적층체의 최상위 층의 생성을 위해 2 메가파스칼 이상, 예를 들어 10 메가파스칼 이상인 것이 필수적이다. 따라서, 적층체의 마지막 층 또는 최상위 층에 대해, 상술한 단계 c)가 수행된다. 마지막 층에 2MPa 이상의 압축 응력이 가해지면, 그 결과 사실상 적층체의 모든 층에 이 압축 응력이 가해진다는 것에 유의해야 한다.
따라서, 콤팩트 재료가 단지 2개의 층들로 구성되면, 압축 응력의 값이 제1 층의 형성을 위해 2MPa 이상일 필요는 없지만(그것이 가능할지라도), 제2 층의 형성을 위해 가해지는 압축 응력의 값은 2MPa 이상일 것이 반드시 필요하다. 바람직하게는, 제2 층을 형성하기 위해 가해지는 압축 응력의 값은 5MPa 이상, 또는 심지어 10MPa 이상일 것이다.
바람직하게는, 이 방법에 따른 다층의 콤팩트 재료의 제조 동안, 콤팩트 재료의 제1 층 및 상기 콤팩트 재료의 중간 층 중 어느 하나를 형성하는 물-혼합 조성물이 받는 중간 압축 응력은, 다층의 콤팩트 재료의 탈형 직전의 최종 압축 응력보다 낮다. 특히, 중간 압축 응력은 2 메가파스칼 미만일 수 있다. 예를 들어, 중간 압축 응력은 0.1 메가파스칼 정도일 수 있다.
다시 말해서, 다층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법의 다수의 단계들 c) 동안 다층의 콤팩트 재료가 받는 모든 압축 응력의 총량이, 본 발명의 방법을 구현하기 위해 2MPa 이상이 될 필요는 없다. 반대로, 본 발명에 따른 방법의 단계들 c) 중 하나에서 수행되는 압축 응력들 중 하나는 본 발명에 따라 구현되는 방법을 위해 2MPa 이상이면 충분하다. 바람직하게는, 다층의 콤팩트 재료의 탈형 직전의 마지막 압축 응력은 2MPa 이상, 5MPa 이상, 및 더욱 바람직하게는 10MPa 이상이다.
다층 재료의 최종 층을 위해 적어도 하나의 매우 높은 압축 응력을 가하는 것은 모든 층이 함께 단단히 결합되고 미립자들이 적절하게 응집되는 것을 보장한다. 하지만, 다층의 콤팩트 재료의 압축 강도를 추가로 향상시키기 위해 필요하다면, 각 층의 형성동안 2MPa 이상의 압축 응력을 가할 수 있다.
바람직하게는, 방법의 서로 다른 단계들 동안에 가하는 모든 압축 응력을 동일한 압축 방향으로 가한다.
대안적으로, 방법의 서로 다른 단계들 동안에 가하는 압축 응력을 서로 다른 압축 방향으로 가한다.
그 다음에, 얻어진 다층(2개 이상의 층)의 콤팩트 재료를 몰드로부터 옮겨서, 상술한 오븐 건조 단계에 따라 오븐 건조할 수 있다.
또한, 외층으로 둘러싸인 코어를 포함하는 다층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법 및 층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법들 중 하나를 결합하는 것이 가능하다. 이로 인해, 제1 층으로 둘러싸인 코어 및 상기 제1 층으로 둘러싸인 상기 코어를 포함하는 조립체 상에 중첩된 적어도 하나의 제2 층 둘 다를 갖는 하이브리드형 다층 콤팩트 재료의 형성이 가능해진다.
물론, 설명된 다양한 방법의 단계들을 조합함으로써, 몇몇 외층들로 둘러싸인 몇몇 코어 및 몇몇 중첩된 층들 둘 다를 포함하는 하이브리드형 다층 콤팩트 재료를 얻을 수 있다. 마지막 층의 형성 동안, 가해진 압축 응력은 2MPa 이상이어야 하지만, 중간 층들에서는 이것이 필수적이지 않다.
바람직하게는, 형성된 다층의 콤팩트 재료의 층수와 무관하게, 상기 원료 층들은 미리 결정된 임계 온도까지 서로에 대해 불활성이다. 즉, 온도가 주변 온도보다 상당히 높은 미리 결정된 임계 온도에 도달할 때까지 층들이 서로 반응하지 않는다. 즉, 한 층의 원료는 소정의 임계 온도에 도달할 때까지 이웃 층의 원료와 반응하지 않는다. 특히, 이들은 500℃ 이상의 온도에 도달할 때까지 서로 반응하지 않는다. 대안적으로, 이들은 400℃ 이상, 또는 300℃ 이상, 또는 200℃ 이상, 또는 110℃ 이상의 온도에 도달할 때까지 서로 반응하지 않는다. 이것은 층 적층(layer stacking)을 갖는 다층의 콤팩트 재료뿐만 아니라 외층으로 둘러싸인 코어를 갖는 다층의 콤팩트 재료 및 하이브리드형 다층 콤팩트 재료 모두에 해당된다.
특히, 적어도 하나의 외층으로 둘러싸인 적어도 하나의 코어를 포함하는 다층의 콤팩트 재료에서, 코어의 원료는 소정의 임계 온도까지 외층(들)의 원료에 대해 불활성이다.
다층의 콤팩트 재료의 층수와 무관하게, 상기 다층의 콤팩트 재료는 단층의 콤팩트 재료와 마찬가지로 3 메가파스칼 이상의 압축 강도를 가진다. 그래서 상기 다층의 콤팩트 재료는 분해(decomposition) 없이 취급될 수 있다.
또한, 다층의 콤팩트 재료에서, 외부와 접촉하는 모든 층들은 적어도 다층의 콤팩트 재료의 용융 온도까지 2차 미립자를 거의 생성하지 않는다.
따라서, 적층된 층들을 갖는 다층의 콤팩트 재료의 경우에는, 다층의 콤팩트 재료의 각각의 층이 적어도 상기 다층의 콤팩트 재료의 용융 온도까지 2차 미립자를 거의 발생시키지 않는다. 외층으로 둘러싸인 코어를 포함하는 다층의 콤팩트 재료의 경우에도, 외층이 적어도 상기 다층의 콤팩트 재료의 용융 온도까지 2차 미립자를 거의 발생시키지 않는다.
상기 다층의 콤팩트 재료의 각 층의 조성물의 수경성 바인더를 적절히 선택함으로써 다층의 콤팩트 재료의 용융 온도는 미리 결정될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 외층으로 둘러싸인 코어를 갖는 다층의 콤팩트 재료의 경우에는, 외층 조성물의 수경성 바인더를 적절히 선택함으로써 상기 다층의 콤팩트 재료의 용융 온도가 미리 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 덕택에, 특히 층들의 적층체, 외층으로 둘러싸인 코어 또는 이들 구성의 결합물을 포함하는 다층의 콤팩트 재료를 제조하는 것이 가능하다. 이들 다층의 콤팩트 재료는 적어도 2가지 유형의 원료의 투입을 요구하는 산업 공정, 특히 알루미나(순수 또는 부분적으로 수화된) 및 석회(순수 또는 부분적으로 탄산)가 풍부한 원료 블록의 사용을 요구할 수 있는 용융 공정에서 사용될 수 있다.
실제로, 다층의 콤팩트 재료는 상기 산업 공정으로부터 얻어진 생산물에 요구되는 원하는 화학 조성에 가까운 화학 조성을 가지도록 구성될 수 있다. 다층 재료의 조성물을 제어하는 것은 산업 공정, 특히 용융로 내의 화학 조성을 균질화함으로써 용융로에서 화학 반응의 제어를 향상시킨다. 이로 인해, 산업 공정(특히 제련로)에서 사용될 때 2가지 원료가 원료를 함께 고착시키거나 경사를 증가시키는 것과 같은 특정의 전통적인 현상을 피하면서 등급이 낮거나 또는 비표준의 생산물을 감소시킨다.
예시
설명의 나머지 부분은 비교를 위해, 본 발명의 방법 및 본 발명에 따르지 않는 다른 방법에 따라 제조된 콤팩트 재료의 다양한 예를 나타낸다. 형성된 콤팩트 재료는 그 다음에 기계적 테스트를 특징으로 한다.
I. 제조 장치들
본 발명의 방법에 따라 제조된 콤팩트 재료는 소위 "축소 모형(miniature)" 또는 "실험실용(laboratory)" 장치에서 얻을 수 있다.
축소 모형 장치는 진동 발생 장치와 결합된, MEDELPHARM 회사가 Styl'One Evolution이라는 이름으로 판매하는 프레스를 포함한다. Styl'One 프레스에는 2개의 반대 펀치들, 즉 하부 펀치와 상부 펀치가 있다. 여기서 상부 펀치는 최대 50킬로뉴턴(kN)의 힘의 압축 응력을 가하는데 사용된다. 하부 펀치는 정지 위치에서 유지되고 진동 발생 장치에 연결된다.
진동 발생 장치는 일단이 하부 펀치와 접촉하고 타단이 불균형 여자기를 수반하는 회전축을 포함하며, 여기서 불균형 여자기의 형상은 회전축에 대해 비대칭이다. 불균형 여자기는 무게가 3그램 내지 16그램일 수 있고, 초당 40회전(40Hz) 내지 초당 60회전(60Hz)의 속도로 회전할 수 있다. 이 시스템 덕택에, 진동 진폭은 0.35㎜ 내지 1.05㎜이다.
물-혼합 조성물을 폭이 23밀리미터이고 길이가 31밀리미터인 직사각형 단면 스틸 몰드 내로 도입하고 두 펀치들의 축에 대해 중앙에 놓는다. 그 다음 몰드 내에 수용된 조성물이 받는 압축 응력은 최대 70MPa이다. 실제로 압축 응력은 여기서 11MPa와 동일하게 선택될 것이다.
축소 모형 장치의 콤팩트 재료의 제조 조건은 아래의 표 1에 요약되어 있다:
압축 시간 1분
압축 응력 11MPa
진동 주파수 60Hz
진동 진폭 0.35㎜ 내지 1.05㎜
이렇게 얻어진 콤팩트 생성물을 수동으로 탈형한 후, 온도 20℃와 상대 습도의 건조 오븐에 24 시간 동안 두었다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 콤팩트 재료들은 소위 "파일럿" 장치에서 얻을 수 있다.
파일럿 장치는 QUADRA사의 특허출원 EP1875996에 기재된 진동 프레스를 포함한다.
설비는 배합(formulated) 재료의 주조/성형(molding) 스테이션 위에 장착된 원료 혼합 스테이션을 포함한다.
물-혼합 조성물은 원뿔형 믹서에 의해 준비된다. 그 다음에 최대 25MPa의 휨 압력을 견딜 수 있도록 4cm 두께의 스틸로 만들어진, 30회의 브리켓 자국(impressions)을 수용한 몰드 내로 도입된다. 몰드는 펀치 아래에 둔다. 몰드 내에 수용된 조성물이 받는 압축 응력은 여기서 1.5 내지 25MPa일 것이다.
파일럿 장치의 콤팩트 재료의 제조 조건은 아래의 표 2에 요약되어 있다.
압축 시간 10초
압축 응력 1.5MPa 내지 25MPa
진동 주파수 68Hz
진동 진폭 1㎜ 이상
이렇게 얻어진 콤팩트 생성물을 수동으로 탈형한 후, 온도 18℃ 및 상대 습도 95%의 건조 오븐에 24시간 동안 두었다.
II. 저항성 및 붕해 테스트
일단 얻어지면, 콤팩트 재료는 그것들의 기계적 압축 강도 및 그것들의 붕해 속도를 평가하기 위해 기계적으로 테스트되며, 그것들의 붕해 속도는 2차 미립자의 생성이 크거나 적은 것을 반영한다.
3MPa 이상의 기계적 압축 강도는 콤팩트 재료가 파손되지 않고 취급 및 운반될 수 있을 것임을 보장한다. 그러므로 이러한 기계적 압축 강도는 본 발명의 맥락에서 만족스러운 것으로 간주된다.
낮은 붕해 속도, 즉 15% 이하는 높은 내마모성과 동의어이며, 따라서 콤팩트 재료의 다양한 취급 동안 및/또는 산업 공정에서의 그것의 사용 동안, 2차 미립자를 적게 생성한다. 이러한 붕해 속도는 본 발명의 맥락에서 만족스러운 것으로 간주한다.
기계적 압축 또는 붕해 속도에 대한 내성을 평가할 것인지 여부와 무관하게, 콤팩트 재료는 탈형 직후의 상기 콤팩트 재료를 오븐 건조하는 단계 d) 후에 또는 높은 온도에서의 산업 공정 내로의 그것들의 도입을 시뮬레이션하는 소성(firing) 후에, 테스트될 수 있으며, 상기 소성 단계는 그 자체로 상기 콤팩트 재료를 오븐 건조하는 단계 d) 후에 수행된다.
콤팩트 재료가 오븐 건조 단계 d) 직후, 실온에서 그리고 추가 열처리 없이 테스트될 때, 이러한 테스트는 "저온(cold)" 테스트로 지칭된다.
반대로, 콤팩트 재료가 소성 후 테스트할 때는 "고온(hot)" 테스트로 지칭된다. 실제로, 콤팩트 재료의 소성은 3개의 구간: 시간당 50℃의 온도 상승의 제1 구간, 700℃ 또는 900℃와 동일하게 선택된 설정 온도에서 1시간 45분 동안 지속되는 "plateau"로 지칭되는 제2 구간, 및 시간당 50℃로 냉각하는 제3 구간으로 구분된다. 콤팩트 재료는 실온으로 돌아간 후에 테스트된다.
II.1 기계적 압축 강도
메가파스칼(MPa)로 표현된 기계적 압축 강도는 시멘트성(cementitious) 재료의 평가의 전형인 소위 3R 프레스 상에서 표준 EN 196에 설명된 프로토콜에 따라 평가된다. 이 프레스는 Ibertest®라는 이름으로 판매된다.
실제로, 콤팩트 재료는 고정 플레이트 상에 놓이고, 콤팩트 재료에 미리 정해진 압축력을 가하도록 구성된 가동식 상부 펀치 아래에 집중된다.
펀치는 먼저 재료와 접촉하고, 그 다음 압축력을 콤팩트 재료에 콤팩트 재료의 제조 동안 가해지는 방향과 동일한 방향으로 가한다. 압축력은 재료가 부서질 때까지 가해진다. 콤팩트 재료의 압축 강도(Rc)는 실제로 재료가 부서지는 때에 가해지는 응력에 대응한다. 압축의 증가는 초당 2400뉴턴 정도이며, 가할 수 있는 최대 힘은 200킬로뉴턴이다. 테스트는 최소 3개의 샘플에서 수행된다. 그 다음에 평균이 취해져서 연구된 재료의 기계적 압축 강도로 간주된다.
II.2 붕해 속도
얻어진 콤팩트 재료의 크기에 의존하여 붕해 속도가 두 가지 테스트 - (10센티미터 초과의) 큰 치수의 콤팩트 재료에 대한 콘크리트 믹서 테스트; 작은 치수의 재료에 대한 용기(jar) 테스트 - 에 의해 측정될 수 있다.
콘크리트 믹서 테스트는 골재 마멸(aggregate attrition)을 평가하기 위한 ASTM "Los Angeles" 테스트를 기반으로 한다.
실제로, 5개의 큰 콤팩트 재료들을 칭량하고 그 다음에 직경 60cm인 174리터의 스틸 콘크리트 믹서(모델 RS180 LESCHA)에 놓고 분당 24회전으로 회전시킨다. 콤팩트 재료는 회전 콘크리트 믹서에 30분 동안 방치된다.
그 다음에, 콘크리트 믹서의 내용물을 40㎜로 체질하고 체를 통과하는 미립자는 2차 미립자로 간주한다. 체를 통과하지 않은 더 큰 조각들은 콘크리트 믹서에 공급된 초기 질량과 비교하기 위해 무게가 측정된다.
보다 정확하게는, 붕해 속도(T) 또는 생성된 2차 미립자의 속도는 콤팩트 재료의 초기 질량과 최종 질량의 차를 초기 질량으로 나눈 것으로 계산할 수 있으며, 다음 식에 따라 표현된다:
T = [초기 질량 - 최종 질량] / 초기 질량.
용기 테스트는 축소 모형 장치를 이용하여 얻은 콤팩트 재료에서 2차 미립자의 생성을 평가하는데 사용된다.
유사하게, 콤팩트 재료의 몇몇 블록, 예를 들어 5개의 블록의 무게가 측정되고, 직경이 15센티미터이고 높이가 15센티미터인 6리터의 원통형 용기에 놓이며, 그것의 내부는 매우 부드러운 고무 같은 재료인 라이라텍스(Linatex)로 덮여 있다. 용기(jar)를 분당 45회전으로 30분 동안 회전시키고(총 1350 회전) 콤팩트 재료의 질량 손실을 평가한다.
콘크리트 믹서 테스트와 같이, 붕해 속도(T) 또는 2차 미립자의 생성 속도를 다음 식에 따라 계산할 수 있다:
T = [초기 질량 - 최종 질량] / 초기 질량.
III. 콤팩트 재료 제조
콤팩트 재료의 서로 다른 예시들은 다양한 원료 및 수경성 바인더로부터 제조되었다.
III.1 원료들
서로 다른 예시들에서 사용된 원료들은 적색 보크사이트 및 백색 보크사이트이다. 석회석, 카본 블랙 및 암면을 사용하는 것도 가능하다.
사용될 수 있는 카본 블랙은 예를 들어 Thermax®N990이라는 이름으로 시판되는 것이다. 이것은 99.1 질량%의 비정질 카본 블랙으로 구성된다.
사용될 수 있는 암면은 예를 들어 Le Flocon 2® - Rockwool이라는 이름으로 판매되는 것이다.
대안적으로, 이하 "테스트 알루미나"로 지칭되는 99.5 질량%의 순수한 알루미나가 사용될 수 있다.
표 3은 질량 백분율(즉, 원료의 총 질량에 대한 질량)로서 사용되거나 사용될 수 있는 다른 재료들, 즉 적색 보크사이트, 백색 보크사이트 및 석회석의 화학적 조성을 보여준다.
화학 성분
( 질량% ) 		적색 보크사이트 (유형 " ELMIN ") 적색 보크사이트
(유형 " EB ") 		백색 보크사이트 석회석
SiO 2 3.05 5.64 8.4 0.27
Al 2 O 3 67.59 61.57 75.6 3.39
Fe 2 O 3 23.42 23.05 3.35 0.14
CaO 2.28 5.49 7.15 95.18
아래의 표 4는 건조 원료들의 일부의 입자 크기 및 밀도, 즉 110℃에서 24시간 동안 오븐 건조된 후의 입자 크기 및 밀도를 보여준다.
적색 보크사이트
(유형 "ELMIN") 		적색 보크사이트
(유형 "EB") 		백색 보크사이트 석회석
CaCo 3 		카본 블랙 암면 테스트 알루미나
d90 8㎜ 460㎛ 268㎛ 측정되지 않음 1㎛ 6㎛ 23㎛
d10 0.315㎜ ~ 0.5㎜ 7㎛ 6.1㎛ 측정되지 않음 0.1㎛ 3㎛ 1.6㎛
밀도 (g/cm 3 ) 3.40 3.39 3.25 2.65 측정되지 않음 측정되지 않음 3.11
III.2 수경성 바인더
다양한 예시에서 사용되는 수경성 바인더는 CimentFondu®, Secar®51 시멘트이다. 포틀랜드 시멘트도 사용할 수 있다.
사용될 수 있는 포틀랜드 시멘트는 예를 들어 CEM I 52.5R MILKE PREMIUM이라는 이름으로 시판되는 것이다.
아래의 표 5 및 6은 각각 CimentFondu® 시멘트 및 Secar®51 시멘트의 화학적 조성 및 광물학적 조성을 질량 백분율(고려중인 시멘트의 총 질량을 기준으로 한 질량)으로 나타낸다.
화학 성분
( 질량% ) 		CimentFondu ® Secar ®51
SiO 2 4.4 4.99
Al 2 O 3 40.2 51.78
Fe 2 O 3 15.7 2.05
CaO 36.8 37.56
도 2는 사용된 원료의 미립자들의 두 집단, 즉 "ABP"로 알려진 백색 보크사이트의 미립자 및 "ELMIN"으로 알려진 적색 보크사이트의 미립자뿐만 아니라 사용된 시멘트의 미립자들의 두 집단, 즉 CimentFondu® 시멘트 및 Secar® 51 시멘트의 입자 크기 분포를 나타낸다. 도 2에서, y축은 고려중인 각 집단의 미립자 세트의 총 체적을 기준으로, x-축 상에 표시된 치수와 동일한 직경을 갖는 미립자의 체적 백분율을 나타낸다.
광물학적 조성
( 질량% ) 		CimentFondu ® Secar ®51
CA 52.6 68.9
C12A7 3.2 0.3
C2AS 5.4 21.7
C2S -α - 1.5
C2S -β - 2
C2S 6.9 -
페라이트 10.6 -
페로브스카이트 8 4.2
아래의 표 7은 CimentFondu® 및 Secar® 51 시멘트들의 입자 크기 분포를 도시한다.
광물학적 조성
( 질량% ) 		CimentFondu ® Secar ®51
블레인 비표면적
( cm 2 /g) 		3170 3694
d90 89㎛ 56㎛
d10 2㎛ 5㎛
d50 23㎛ 15㎛
III.3 콤팩트 재료들
예시 1
예시 1에서, 본 발명의 방법에 따라 얻어진 적색 보크사이트 입자(예시 1a)의 콤팩트 재료의 압축 강도 및 붕해 속도를, 적색 보크사이트(예시 1ref)의 천연 블록의 압축 강도 및 붕해 속도 그리고 본 발명에 따르지 않는 방법에 따라 얻어진 적색 보크사이트 입자(예시 1b)의 콤팩트 재료의 압축 강도 및 붕해 속도와 비교하였다. 여기서, 본 발명에 따르지 않는 방법은 진동을 사용하지 않는다는 점에서 본 발명에 따른 방법과는 다르다.
단계 a): 예시들 1a 및 1b에서 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물들은 건조 조성물들의 총 질량을 기준으로 하여 85 질량%의 "ELMIN"형의 적색 보크사이트 및 15 질량%의 CimentFondu® 시멘트를 포함하며, 그것들의 각각 특성은 파트 III.1 및 III.2에 설명되었다.
실제로, 모든 적색 보크사이트 입자들은 그것의 입자 크기 분포가 520마이크로미터와 동일한 제1 기준 직경(d90), 5.6마이크로미터와 동일한 제2 기준 직경(d10), 및 255마이크로미터와 동일한 중간 직경(d50)을 갖도록 560마이크로미터 체로 체질되었다.
단계 b): 이 건조 조성물을 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 10 질량%의 물과 혼합한다. 이를 위해, 물-혼합 조성물을 1분 동안 수동으로 혼합한다.
단계 c): 예시 1a에서는, 그 다음에 물-혼합 조성물이 진동을 사용하는 축소 모형 장치에 의해 처리될 수 있도록 파트 I(제조 장치)에서 설명된 몰드 내로 도입된다.
예시 1b에서는, 물-혼합 조성물이 진동을 사용하지 않는 축소 모형 장치에 의해 처리된다.
아래의 표 8는 예시들 1a 및 1b의 콤팩트 재료를 얻기 위한 조건을 요약한 것이다.
예시 1a 예시 1b
적색 보크사이트 15.5g 15.5g
입자 크기
(보크사이트) 		d90 = 520㎛
d10 = 5.6㎛		 d90 = 520㎛
d10 = 5.6㎛
CimentFondu ® 2.7g 2.7g
혼합 수 1.8g 1.8g
혼합 시간 1분 1분
제조 장치 축소 모형 장치 축소 모형 장치
압축 시간 1분 1분
압축 응력 11MPa 11MPa
진동 주파수 60Hz 0Hz
진동 진폭 1.05㎜ 0㎜
아래의 표 9는 예시들 1a 및 1b의 콤팩트 재료 및 천연 적색 보크사이트 블록(예시 1ref)에 대해 얻어진 결과를 요약한다.
붕해 속도가 예시들 1a 및 1b의 콤팩트 재료에 대해서는 용기 테스트에 따라 그리고 천연 보크사이트 블록에 대해서는 콘크리트 믹서 테스트에 따라 측정되었다.
예시 1a 예시 1b 예시 1ref
저온 테스트 밀도 2.40g/cm3 2.38g/cm3 3.5g/cm3
기계적 압축 강도 36.8MPa 30.0MPa 64MPa
붕해 속도 2.6% 2.6% 6.1%
고온 테스트 밀도 2.30g/cm3 2.2g/cm3 2.9g/cm3
기계적 압축 강도 56.0MPa 55.9MPa 86MPa
붕해 속도 2.3% 2.3% 17.3%
얻어진 결과에 따르면, 본 발명에 따른 방법은, 저온 테스트일 때, 본 발명에 따르지 않는 방법에 의해 얻어진 콤팩트 재료(예시 1b)의 기계적 압축 강도보다 더 큰 기계적 압축 강도를 갖는 콤팩트 재료(예시 1a)를 얻을 수 있게 한다. 따라서, 압축 응력을 가하기 전 및 상기 압축 응력을 가하는 동안 둘 다, 조성물에 진동을 가하면, 저온 기계적 압축 강도가 개선된다(여기서, 상기 저온 기계적 압축 강도가 23% 개선됨).
또한, 본 발명의 방법에 따라 얻어진 콤팩트 재료(예시 1a)는 저온 테스트 및 고온 테스트 둘 다에서 자연적 적색 보크사이트 블록(예시 1ref)보다 더 낮은 붕해 속도를 갖는다. 실제로, 본 발명에 따른 방법 덕택에, 콤팩트 재료는, 저온 테스트일 때 2차 미립자를 천연 블록보다 약 2.5배 적게 생성하고, 고온 테스트일 때 2차 미립자를 상기 천연 블록보다 약 6배 더 적게 생성한다.
예시 2
예시 2는 예시 1의 원리를 사용하지만, 백색 보크 사이트 입자의 콤팩트 재료 및 백색 보크 사이트의 천연 블록을 사용한다.
따라서, 예시 2에서, 본 발명의 방법에 따라 얻어진 백색 보크사이트 입자의 콤팩트 재료(예시들 2a, 2c)의 압축 강도 및 붕해 속도를, 백색 보크사이트의 천연 블록(예시 2ref)의 압축 강도 및 붕해 속도 그리고 본 발명에 따르지 않는 방법에 의해 얻어진 백색 보크사이트 입자의 콤팩트 재료(예시 2b, 2d)의 압축 강도 및 붕해 속도와 비교하였다. 여기서, 예시 1과 같이, 본 발명에 따르지 않는 방법은 진동을 사용하지 않는다는 점에서 본 발명에 따른 방법과 다르다.
단계 a): 예시들 2a 및 2b에서 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 85 질량%의 백색 보크사이트 및 15 질량%의 Secar® 51 시멘트를 포함하며, 이들의 각각의 특성은 파트 III.1 및 III.2에 설명되었다.
예시들 2c 및 2d에서 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 50 질량%의 백색 보크사이트, 35 질량%의 99.5% 순수한 테스트 알루미나 및 15 질량%의 Secar® 51 시멘트를 포함하며, 각각의 특성은 파트 III.1 및 III.2에 설명되었다.
단계 b): 예시들 2a, 2b, 2c 및 2d의 건조 조성물들을 상응하는 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 10 질량%의 물과 혼합한다. 그것들은 1분 동안 수동으로 혼합된다.
단계 c): 예시들 2a 및 2c에서는, 물-혼합 조성물들은 60Hz 주파수 및 0.35㎜ 진폭의 진동과 11MPa의 압축 응력을 사용하는 축소 모형 장치에 의해 처리된다.
예시들 2b 및 2d에서는, 물-혼합 조성물들은 11MPa의 압축 응력을 사용하지만 진동하지 않는 축소 모형 장치에 의해 처리된다.
아래의 표 10은 예시들 2a 및 2b에서 콤팩트 재료를 얻기 위한 조건을 요약한다.
예시 2a 예시 2b
백색 보크사이트 15.5g 15.5g
입자 크기
(보크사이트) 		d90 = 268㎛
d10 = 6.1㎛		 d90 = 268㎛
d10 = 6.1㎛
Secar ®51 2.7g 2.7g
혼합 수 1.8g 1.8g
혼합 시간 1분 1분
제조 장치 축소 모형 장치 축소 모형 장치
압축 시간 1분 1분
압축 응력 11MPa 11MPa
진동 주파수 60Hz 0Hz
진동 진폭 0.35㎜ 0㎜
아래의 표 11은 예시 2a, 2b, 2c 및 2d의 콤팩트 재료에 대해 그리고 천연 백색 보크사이트 블록(예시 2ref)에 대해 얻어진 결과를 요약한다. 붕해 속도는 예시 2a 및 2b의 콤팩트 재료에 대해서는 용기 테스트에 따라 그리고 천연 보크사이트 블록에 대해서는 콘크리트 믹서 테스트에 따라 측정되었다.
예시 2a 예시 2b 예시 2ref 예시 2c 예시 2d
저온 테스트 밀도 2.50g/㎤ 2.27g/㎤ 2.34g/㎤ 2.18g/㎤ 1.96g/㎤
기계적 압축 강도 39.9MPa 37.7MPa 99MPa 12.2MPa 14.8MPa
붕해 속도 4.1% 6.8% 9.4% 6.9% 8.2%
고온 테스트 밀도 2.12g/㎤ 2.12g/㎤ 2.18g/㎤ 1.69g/㎤ 1.70g/㎤
기계적 압축 강도 29.5MPa 29.1MPa 35MPa 14.8MPa 8.8MPa
붕해 속도 7.6% 16.8% 16.0% 13.9% 20.6%
따라서, 예시 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 얻어진 콤팩트 재료(예시 2a)의 저온 기계적 압축 강도는 진동을 사용하지 않는 본 발명에 따르지 않는 방법에 따라 얻어진 콤팩트 재료(예시 2c)에 비해 개선된다.
예시 1과 같이, 본 발명의 방법에 따라 얻어진 콤팩트 재료(예시 2a)의 붕해 속도는, 또한 고온 테스트 및 저온 테스트 둘 다의 천연 백색 보크사이트 블록(예시 2ref)의 붕해 속도보다 훨씬 낮다.
마지막으로, 예시들 1a 및 2a의 결과를 비교함으로써, 본 발명에 따른 방법은 서로 다른 원료들로, 이 경우에 백색 보크사이트 입자 및 적색 보크사이트 입자 둘 다로 콤팩트 재료들을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이 경우 고온 테스트 및 저온 테스트 둘 다의 기계적 압축 강도는 10MPa보다 훨씬 높고 붕해 속도는 10% 미만이다.
예시 3
예시 3에서, 압축 강도 및 붕해 속도가 본 발명의 방법에 따른 콤팩트 재료(예시들 1a 및 2a) 및 매우 높은 압축 응력하에 있지만 진동이 없는 상태의 콤팩트 재료(예시들 3a, 3b 및 3d)에 대해 비교되었다. .
예시들 3a 및 3b에서 콤팩트 재료들을 제조하는데 사용된 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 85 질량%의 적색 보크사이트 및 15 질량%의 CimentFondu® 또는 Secar® 51 시멘트를 포함하며, 이들 각각의 특성은 파트들 III.1 및 III.2에 설명되었다. 실제로, 적색 보크사이트 입자 세트는 그것의 입자 크기 분포가 3.5밀리미터와 동일한 제1 기준 직경(d90), 315마이크로미터와 동일한 제2 기준 직경, 및 2밀리미터와 동일한 평균 직경(d50)을 갖도록 4㎜ 체로 체질되었다.
예시들 3a 및 3b의 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 7 질량%의 물과 혼합된다.
예시 3d에서 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물은 85 질량%의 백색 보크사이트 및 15 질량%의 CimentFondu®로 구성되며, 이들 각각의 특성은 파트 III.1 및 III.2에 기재되어 있다. 이 경우, 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 12 질량%의 물과 혼합된다.
예시들 3a, 3b 및 3d에서, 형성된 물-혼합 조성물과 무관하게, 그 다음 상기 조성물은 Zwick®이라는 이름으로 판매되는 수압 프레스(hydraulic press)에 의해, 40MPa 정도의 압축 응력을 받기 위해, 직경이 39밀리미터이고 높이가 80밀리미터인 원통형 몰드 내로 도입된다.
예시 3c에서, 매우 높은 압축 응력 하에 있지만 진동이 없는 단계를 거친, 수경성 바인더가 없는 콤팩트 재료의 압축 강도을 또한 평가되었다.
아래의 표 12는 예시들 3a, 3b, 3c 및 3d의 콤팩트 재료를 얻기 위한 조건을 요약한 것이다.
예시 3a 예시 3b 예시 3c 예시 3d
원료 입자 적색 보크사이트
85g 		적색 보크사이트
85g 		적색 보크사이트
85g 		백색 보크사이트
85g
입자 크기
(보크사이트) 		d90 = 3.5㎜
d10 = 315㎛		 d90=3.5㎜
d10= 315㎛		 d90 = 3.5㎜
d10 = 315㎛		 d90 = 268㎛
d10 = 6.1㎛
수경성 바인더 CimentFondu®
15g		 Secar®51 cement 15g 0 Secar®51 cement
15g
혼합 수 7g 7g 0 12g
혼합 시간 1분 1분 1분 1분
제조 장치 Zwick 수압 프레스 Zwick 수압 프레스 Zwick 수압 프레스 Zwick 수압 프레스
압축 시간 5초 5초 5초 5초
압축 응력 40MPa 40MPa 40MPa 40MPa
진동 주파수 0Hz 0Hz 0Hz 0Hz
진동 진폭 0㎜ 0㎜ 0㎜ 0㎜
아래의 표 13은 직접 비교할 수 있는 예시들 3a, 3b, 3c 및 1a의 콤팩트 재료에 대해 얻어진 결과를 요약한다. 예시들 3a, 3b 및 3d의 콤팩트 재료에 대해서는 붕해 속도가 용기 테스트에 따라 측정되었다.
예시 3a 예시 2b 예시 2c 예시 1a
저온 테스트 밀도 2.42g/cm3 - - 2.40g/cm3
기계적 압축 강도 30.4MPa 31.1MPa 0MPa 36.8MPa
붕해 속도 11.4% - - 2.6%
고온 테스트
밀도 2.14g/cm3 - - 2.30g/cm3
기계적 압축 강도 25MPa - - 56.0MPa
붕해 속도 27% - - 2.3%
아래의 표 14는 직접 비교될 수 있는 예시들 3d 및 2a의 콤팩트 재료에 대해 얻어진 결과를 요약한다.
예시 3d 예시 2a
저온 테스트 밀도 2.16g/cm3 2.50g/cm3
기계적 압축 강도 23.3MPa 39.9MPa
붕해 속도 - 4.1%
고온 테스트
밀도 1.74g/cm3 2.12g/cm3
기계적 압축 강도 9.8MPa 29.5MPa
붕해 속도 48% 7,6%
표 13 및 14의 결과는, 재료가 제조 동안에 매우 높은 압축 응력을 받지만 진동이 없을 때(예시들 3a, 3b 및 3d), 재료의 압축 강도가 높은 압축 응력 및 진동 둘 다를 받을 때(예시 1a 및 2a)보다 낮다는 것을 보여준다. 따라서, 재료의 제조 동안에 재료가 매우 높은 압축 응력을 받는 것은, 재료의 기계적 압축 강도를 향상시키기에 충분하지 않다. 실제로 높은 압축 응력과 진동을 가하는 것의 조합이 필요하며, 상기 진동은 상기 압축 동안 및 압축 전의 둘 다에 구현되고, 이로 인해, 만족스러운 기계적 압축 강도를 갖는 콤팩트 재료를 생성할 수 있게 된다.
또한, 표 13 및 14의 결과는, 재료들이 높은 압축 응력과 합동하여 진동을 받게 하는 것(예시 1a 및 2a)이, 재료가 진동 없이 높은 압축 응력만을 받게 하는 것(예시 3a, 3b 및 3d)에 비해 고온 테스트 및 저온 테스트 시 붕해 속도를 현저히 감소시킨다는 것을 보여준다. 재료의 제조 동안 재료가 매우 높은 압축 응력을 받게 되면, 재료의 붕해 속도는 천연 블록의 붕해 속도 밑으로 감소하지 않는다. 실제로 높은 압축 응력 및 진동을 가하는 것의 조합이 요구되며, 상기 진동은 상기 압축 동안 및 압축 이전의 둘 다에 구현되고, 이로 인해, 만족스러운 붕해 속도를 갖는 콤팩트 재료를 생성할 수 있게 된다.
마지막으로, 예시 3c는 수경성 바인더가 콤팩트 재료의 강도에 필수적인 역할을 한다는 것을 보여준다. 다시 말해, 원료의 미립자들은 매우 높은 압축 응력을 받더라도, 기계적으로 함께 유지하기 위해 충분한 응집력을 발현시키지 않다. 따라서, 상기 원료의 미립자들을 함께 응집시키기 위해 수경성 바인더를 사용할 필요가 있다.
예시 4
예시 4에서, 압축 강도 및 붕해 속도가 본 발명의 방법에 의한 콤팩트 재료(예시들 1a 및 2a)에 대해 그리고 낮은 압축 응력 및 진동을 수반하는 공정에 의한 콤팩트 재료(예시들 4a 및 4b)에 대해 비교되었다.
예시들 4a 및 4b에서 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물은, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 85 질량%의 적색 보크사이트(예시 4a) 또는 백색 보크사이트(예시 4b) 및 15 질량%의 CimentFondu®(예시 4a) 또는 Secar® 51(예시 4b) 시멘트를 포함하며, 이것들의 각각의 특성이 파트 III.1 및 III.2에 설명되었다.
이들 2개의 예시 4a 및 4b에서, 건조 조성물은 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 4 질량%의 물과 혼합된다. 이와 같은 혼합 조성물은 기름을 먹은 대형 스틸 몰드 내로 도입된다. 여기서 몰드는 각 면이 100㎜인 사각형 단면을 갖는다. 몰드는 진동 테이블을 갖는 큰 프레스 아래에 놓인다. 실제로, 몰드 내로 도입된 물-혼합 조성물은 압축 응력을 가하기 전 및 압축 동안 진동된다.
실험실용 장치에서의 콤팩트 재료의 제조 조건은 아래의 표 15에 요약되어 있다.
예시 4a 예시 4b
원료 입자들 적색 보크사이트 1955g 백색 보크사이트 1955g
입자 크기
(보크사이트) 		d90 = 3.5㎜
d10 = 315㎛		 d90 = 268㎛
d10 = 6.1㎛
수경성 바인더 시멘트 Fondu®345g Secar® 51 시멘트 345g
혼합 수 95g 95g
압축 시간 30초 30초
압축 응력 0.04MPa 0.04MPa
진동 주파수 50　Hz 50　Hz
진동 진폭 2　mm 2　mm
이와 같이 얻어진 예시들 4a 및 4b의 콤팩트 재료들을 수동으로 탈형한 후, 20℃ 및 90% 상대 습도에서 24시간 동안 건조 오븐에 놓아두었다.
아래의 표 16은 한편으로 예시들 4a 및 1a 및 다른 한편으로 예시들 4b 및 2a의 콤팩트 재료에 대해 얻어진 결과를 요약한다. 예시들 4a 및 4b의 콤팩트 재료들에 대해서는 붕해 속도가 콘크리트 믹서 테스트에 따라 측정되었다.
예시 4a 예시 1a 예시 4b 예시 2a
저온 테스트 밀도 2.68g/cm3 2.40g/cm3 2.32g/cm3 2.50g/cm3
기계적 압축 강도 23.9MPa 36.8MPa 26.9MPa 39.9MPa
붕해 속도 12.4% 2.6% 10.3% 4.1%
고온 테스트
밀도 2.01g/cm3 2.30g/cm3 2.18g/cm3 2.12g/cm3
기계적 압축 강도 15.2MPa 56.0MPa 27.9MPa 29.5MPa
붕해 속도 20.7% 2.3% 49.2% 7.6%
한편으로 예시들 4a 및 1a의 콤팩트 재료와 다른 한편으로 예시들 4b 및 2a의 콤팩트 재료로 얻은 결과를 비교하면, 재료의 기계적 압축 강도가, 재료가 낮은 압축 응력 및 진동을 수반하는 기존의 공정에 따라 얻어진 경우와 비교하여 재료가 본 발명의 방법에 따라 얻어진 경우에서, 저온 테스트 및 고온 테스트 둘 다에서 개선되었다. 특히, 기계적 압축 강도는 예시들 4a와 1a 간에 3이 곱해진다.
따라서, 압축 응력을 가하기 전 및 압축 응력을 가하는 동안에 진동을 가하는 것과 결합하여 높은 압축 응력을 가하면, 그 결과 현존 방법에 의해 얻어진 콤팩트 재료에 비해 압축 강도가 개선된 콤팩트 재료가 얻어진다.
본 발명의 방법에 따라 얻어진 콤팩트 재료의 붕해 속도는, 또한 천연 블록의 붕해 속도와 비교하여 그리고 낮은 압축 응력 및 진동을 수반하는 현존 방법에 의해 얻어진 콤팩트 재료의 붕해 속도와 비교하여 낮아진다.
따라서, 전체 설명 및 예시들로부터 진동 및 높은 압축 응력을 가하는 것을 조합하면, 그 결과 만족스러운 압축 강도 및 붕해 속도를 갖는 콤팩트 재료를 얻을 수 있음이 명백하다.
또한, 본 발명에 따른 압축 응력 및 진동을 가하는 것의 조합은 콤팩트 재료의 밀도를 증가시키는데, 이것은 콤팩트 재료의 조성물 성분의 다공도 감소 및 균질 분포를 나타낸다(성분의 미분리, 침강 또는 불균일 분포).
예시 5
예시 5에서, 적색 보크사이트 입자들 및 석회석의 콤팩트한 2개의 층 재료는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진다(예시 5a).
예시 5a에서 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물은, 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 제1 층을 위해서는 85 질량%의 "EB"형의 적색 보크사이트 및 15 질량%의 CimentFondu® 시멘트 및 제2 층을 위해서는 95 질량%의 석회석 CaCO3 및 5 질량%의 CimentFondu® 시멘트 각각을 포함하며, 그것들의 각각의 특성은 파트 III.1 및 III.2에 설명되었다.
본 예시 5a에서, 제1 층용의 건조 조성물은 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 7 질량%의 물과 혼합된다. 제2 층용의 건조 조성물은 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 5 질량%의 물과 혼합된다. 이와 같이 혼합된 제1 층용의 조성물은 기름을 먹은 큰 스틸 몰드 내로 도입된다. 여기서 몰드는 각 면이 100㎜인 사각형 단면을 갖는다. 이렇게 혼합된 제2 층용의 조성물은 상기 몰드 내에 있는 제1 층용 조성물 위로 도입된다. 몰드는 진동 테이블과 함께 큰 프레스 아래에 놓인다. 실제로, 몰드 내로 도입된 2개의 물-혼합 조성물은 압축 응력을 가하기 전 및 압축 응력을 가하는 동안 진동된다.
실험실용 장치에서의 콤팩트 재료의 제조 조건은 아래의 표 17에 요약되어 있다.
예시 5a
제1 층 원료 입자 적색 보크사이트 42.5g
입자 크기
(보크사이트) 		d90 = 460㎛
d10 = 7㎛
수경성 바인더 Cement Fondu®3.75g
혼합 수 3.2g
혼합 시간 30-40초
제2 층 원료 입자 석회석 47.5g
입자 크기
(석회석) 		d90 < 1㎜
d10 = 70㎛
수경성 바인더 시멘트 Fondu®1.25g
혼합 수 2.4g
혼합 시간 30-40초
2개의 층 제조 장치 축소 모형 장치
압축 시간 1분
압축 응력 11MPa
진동 주파수 60Hz
진동 진폭 0.35㎜
아래의 표 18은 예시 5a의 콤팩트한 2개의 층 재료들에 대해 얻어진 결과를 요약한다.
예시 5a의 콤팩트 재료에 대해서는 붕해 속도가 용기 테스트에 따라 측정되었다.
예시 5a
저온 테스트 밀도 2.04g/cm3
기계적 압축 강도 6.9MPa
따라서, 본 발명에 따른 방법은 기계적 압축 강도가 매우 만족스러운 콤팩트한 2개의 층 재료들을 얻을 수 있음을 보여준다.
예시 6
예시 6에서, 서로 다른 압축 값들(예시들 6a 내지 6f)로, 본 발명의 방법에 따라 얻어진 적색 보크사이트 입자들의 콤팩트 재료의 압축 강도 및 밀도를 비교하였다.
파일럿 장치에서의 콤팩트 재료의 제조 조건은 아래의 표 19에 요약되어 있다.
예시 6a 예시 6b 예시 6c 예시 6d 예시 6e 예시 6f
원료 입자 적색 보크사이트 185kg 적색 보크사이트 185kg 적색 보크사이트 185kg 적색 보크사이트 185kg 적색 보크사이트 185kg 적색 보크사이트 185kg
입자 크기(보크사이트) d90 <8㎜
d10 <315㎛		 d90 <8㎜
d10 <315㎛		 d90 <8㎜
d10 <315㎛		 d90 <8㎜
d10 <315㎛		 d90 <8㎜
d10 <315㎛		 d90 <8㎜
d10 <315㎛
수경성 바인더 CimentFondu® 35kg CimentFondu® 35kg CimentFondu® 35kg CimentFondu® 35kg CimentFondu® 35kg CimentFondu® 35kg
혼합 수 16.5 kg 16.5 kg 16.5 kg 16.5 kg 16.5 kg 16.5 kg
압축 시간 10초 10초 10초 10초 10초 10초
압축 응력 4MPa 8MPa 12MPa 16MPa 20MPa 25MPa
진동 주파수 68Hz 68Hz 68Hz 68Hz 68Hz 68Hz
진동 진폭 약 1-2㎜ 약 1-2㎜ 약 1-2㎜ 약 1-2㎜ 약 1-2㎜ 약 1-2㎜
아래의 표 20은 예시들 6a 내지 6f의 콤팩트 재료에 대해 얻어진 결과를 요약한다.
예시 6a 예시 6b 예시 6c 예시 6d 예시 6e 예시 6f
저온 테스트 밀도 2.6g/cm3 2.6g/cm3 2.5g/cm3 2.6g/cm3 2.6g/cm3 2.6g/cm3
기계적 압축 강도 41MPa 44MPa 38MPa 50MPa 45MPa 47MPa
고온 테스트 밀도 2.2g/cm3 2.2g/cm3 2.2g/cm3 2.2g/cm3 2.2g/cm3 2.2g/cm3
기계적 압축 강도 30MPa 34MPa 33MPa 39MPa 34MPa 38MPa
따라서, 압축 응력의 값이 2MPa보다 높은 한, 본 발명에 따른 방법 모두는 기계적 압축 강도가 저온 테스트 및 고온 테스트 둘 다에서 극도로 만족스러운 콤팩트 재료를 얻을 수 있게 하는 것처럼 보인다.
예시 7
예시 7에서, 서로 다른 바인더 비율들로, 본 발명의 방법에 따라 얻어진 적색 보크사이트 입자의 콤팩트 재료(예시 7a, 7b)의 압축 강도 및 밀도를 예시 6b와 비교하였다.
파일럿 장치에서의 콤팩트 재료의 제조 조건은 아래의 표 21에 요약되어 있다.
예시 7a 예시 7b
원료 입자 적색 보크사이트 225 kg 적색 보크사이트 213 kg
입자 크기
(보크사이트) 		d90 < 8㎜
d10 < 315㎛		 d90 < 8㎜
d10 < 315㎛
수경성 바인더 CimentFondu® 12kg CimentFondu® 24kg
혼합 수 16kg 18kg
압축 시간 10초 10초
압축 응력 8MPa 8MPa
진동 주파수 68Hz 68Hz
진동 진폭 > 1㎜ > 1㎜
아래의 표 22는 예시들 7a 및 7b의 콤팩트 재료에 대해 얻어진 결과를 예시 6b와 비교하여 요약한다.
예시 7a 예시 7b 예시 6b
저온 테스트 밀도 2.4g/cm3 2.7g/cm3 2.6g/cm3
기계적 압축 강도 11MPa 38MPa 44MPa
고온 테스트 밀도 2.1g/cm3 2.3g/cm3 2.2g/cm3
기계적 압축 강도 12MPa 27MPa 34MPa
예시 8 (코어)
예시 8에서, 서로 다른 조성의 코어를 갖는 적색 보크사이트 입자들의 "코어-쉘" 콤팩트 재료로도 지칭되는 "코어" 재료의 압축 강도 및 붕해 속도는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진다(예시들 8a 및 8b).
예시 8a에서 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물은, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여, 외층으로 알려진 혼합 조성물에 대해서는 85 질량%의 적색 보크사이트(EB) 및 15 질량%의 CimentFondu® 시멘트와, 코어에 대해서는 100 질량%의 적색 보크사이트(eb)를 각각 포함하며, 그것들의 각각의 특성은 파트 III.1 및 III.2에서 설명되었다.
예시 8a에서, 외층용의 건조 조성물은 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 7 질량%의 물과 혼합된다. 코어용의 건조 조성물은 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 5 질량%의 물과 혼합된다.
예시 8b에서, 콤팩트 재료를 제조하는데 사용된 건조 조성물은, 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여, 외층에 대해서는 85 질량%의 EB 적색 보크사이트 및 15 질량%의 CimentFondu® 시멘트와, 코어에 대해서는 95 질량%의 EB 적색 보크사이트 및 5 질량%의 CimentFondu® 시멘트 각각을 포함하며, 그것들의 각각의 특성은 파트 III.1 및 III.2에 설명되었다.
예시 8b에서, 외층용의 건조 조성물은 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 7 질량%의 물과 혼합된다. 코어용의 건조 조성물은 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 7 질량%의 물과 혼합된다.
이와 같이 혼합된 코어층용 조성물이 직경이 30㎜인 기름을 먹은 스틸 원통형 몰드 내로 도입된다. 몰드는 진동 테이블과 함께 큰 프레스 아래에 놓인다. 따라서 코어는 본 발명에 따른 방법에 따라 압축되고 연대하여 진동된다.
다음으로, 16g의 혼합 외층용 재료가 직경이 40㎜인 제2 원통형 스틸 몰드의 바닥 내로 도입되고, 그 다음에 미리 형성된 "코어" 실린더를 중간에 놓고 나머지 외층 조성물로 덮는다.
"축소 모형" 실험실용 장치에서의 콤팩트 재료의 제조 조건은 아래의 표 23에 요약되어 있다.
예시 8a 예시 8b
외층 원료 입자 적색 보크사이트 42.5 kg 적색 보크사이트 42.5 kg
입자 크기
(보크사이트) 		d90 = 545㎛
d10 = 11㎛		 d90 = 545㎛
d10 = 11㎛
수경성 바인더 CimentFondu® 7.5kg CimentFondu® 7.5kg
혼합 수 3.5g 3.5g
혼합 시간 30-40초 30-40초
코어 원료 입자 적색 보크사이트 50g 적색 보크사이트 57.5g
입자 크기 d90 = 545㎛
d10 = 11㎛		 d90 = 545㎛
d10 = 11㎛
수경성 바인더 - 2.5g
혼합 수 2.5g 3.5g
혼합 시간 30-40초 30-40초
" 코어 -쉘" 제조 장치 축소 모형 장치 축소 모형 장치
압축 시간 20초 20초
압축 응력 10MPa 10MPa
진동 주파수 60Hz 60Hz
진동 진폭 0.35㎜ 0.35㎜
아래의 표 24는 예시들 8a 및 8b의 콤팩트 재료에 대해 얻어진 결과를 요약한다.
예시 8a 예시 8b
저온 테스트 밀도 2.50g/cm3 2.48g/cm3
기계적 압축 강도 5.4MPa 11.7MPa
따라서, 본 발명에 따른 방법은 만족스러운 기계적 압축 강도를 갖는 "코어-쉘" 유형의 콤팩트 재료를 얻을 수 있게 한다.

Claims (19)

  1. 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법으로서,
    a) 입자 크기 분포가 50밀리미터(㎜) 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터(㎛) 이상의 제2 기준 직경(d10)을 특징으로 하는 한 세트의 원료 입자들을, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 수경성 바인더와 혼합하여, 상기 건조 조성물을 형성하는 단계;
    b) 단계 a)에서 형성된 상기 건조 조성물을, 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량%의 물과 혼합하여 혼합 조성물을 형성하는 단계; 및
    c) 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물을 먼저 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 압축 응력을 상기 혼합 조성물에 가하는 단계를 포함하며,
    가해진 상기 압축 응력의 값은 2 메가파스칼 이상인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 층의 재료는 단계 b)의 종료시에 얻어진 상기 혼합 조성물로 형성되고,
    단계 c) 이전에 수행된 단계 p1)에서, 단계 a) 및 b)를 반복함으로써 다른 혼합 조성물이 형성되고,
    단계 p1) 이후에 그리고 단계 c) 이전에 수행된 단계 p2)에서, 적어도 2개의 층의 혼합 조성물의 적층체를 형성하도록, 단계 p1)에서 얻어진 상기 다른 혼합 조성물이 단계 b)의 종료시에 형성된 상기 제1 층의 위에 놓여지고, 그리고
    단계 c)에서, 단계 p2)에서 형성된 상기 적층체를 20헤르츠 내지 80헤르츠의 상기 주파수와 0.3밀리미터 이상의 상기 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 상기 압축 응력을 상기 적층체에 가하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    단계 c) 이전에 수행된 단계 n1)에서, 원료들의 코어(core)가 제공되며, 상기 코어는 0.1 메가파스칼(MPa) 이상의 기계적 강도를 가지며,
    단계 n1) 이후에 그리고 단계 c) 이전에 수행된 단계 n2)에서, 상기 코어는 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물로 완전히 둘러싸이고,
    단계 c)에서, 상기 적어도 하나의 혼합 조성물 및 상기 둘러싸인 코어를 포함하는 조립체를 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 상기 압축 응력을 상기 조립체에 가하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    단계 c) 이전에 수행된 단계 n1)에서, 원료들의 코어가 제공되며, 상기 코어는 0.1 메가파스칼(MPa) 이상의 기계적 강도를 가지며,
    단계 n1) 이후에 그리고 단계 c) 이전에 수행된 단계 n2')에서, 상기 코어는 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물 및/또는 단계 p1)에서 얻어진 상기 다른 혼합 조성물로 완전히 둘러싸이고,
    단계 c)에서, 상기 혼합 조성물, 상기 다른 혼합 조성물 및 상기 둘러싸인 코어를 포함하는 조립체는, 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동하고, 그 다음에 상기 진동과 함께 상기 압축 응력이 상기 조립체에 가해지는, 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    단계 n1)에서 제공된 상기 코어는 또 하나의 세트의 원료 입자들의 암밀(compaction)에 의해 형성된 콤팩트 재료인, 방법.
  6. 제3항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어가 제1항 또는 제2항의 방법에 따라 얻어지는, 방법.
  7. 다층의 콤팩트 재료를 얻기 위한 방법으로서,
    제1 층은:
    a) 입자 크기 분포가 50밀리미터(㎜) 이하의 제1 기준 직경(d90) 및 0.08마이크로미터(㎛) 이상의 제2 기준 직경(d10)을 특징으로 하는 한 세트의 원료 입자들을, 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 50 질량%의 수경성 바인더와 혼합하여 상기 건조 조성물을 형성하는 단계;
    b) 단계 a)에서 형성된 상기 건조 조성물을, 상기 건조 조성물의 총 질량을 기준으로 하여 1 질량% 내지 35 질량%의 물과 혼합하여 혼합 조성물을 형성하는 단계; 및
    c') 단계 b)에서 얻어진 상기 혼합 조성물을 먼저 20헤르츠 내지 80헤르츠의 주파수와 0.3밀리미터 이상의 진폭으로 진동시키고, 그 다음에 상기 진동과 함께 압축 응력을 상기 혼합 조성물에 가하는 단계를 포함하고;
    각각의 후속 층에 대하여, 또 하나의 혼합 조성물이 단계 a) 및 b)를 반복함으로써 제조되고, 상기 또 하나의 혼합 조성물을 이전 층의 위에 놓고, 상기 이전 층과 상기 또 하나의 혼합 조성물에 의해 조립체가 형성되고, 그리고 압축 응력을 상기 조립체에 가하며,
    상기 가해진 압축 응력의 값은 적어도 상기 다층의 콤팩트 재료의 마지막 층을 제조하기 위해 2 메가파스칼 이상인, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압축 응력을 가하는 것과 함께 구현된 상기 진동이 부조화되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동은 압축 방향에 따라 0.3밀리미터 내지 5밀리미터의 진폭을 갖는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    단계 c) 다음에, 콤팩트 재료를 얻기 위한 단계가 추가로 제공되며, 이 단계 동안 상기 콤팩트 재료는 미리 결정된 온도 및 상대 습도의 임계치 이상의 상대 습도의 건조 오븐에 24시간 이상 동안 놓여지는, 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    각 세트의 입자들의 원료 입자들은, 적색 보크사이트, 백색 보크사이트, 알루미나, 석회석, 석회, 카본, 카본 그래파이트, 카본 블랙, 암면, 유리솜, 카보네이트, 야금 유출물, 망간 파우더 또는 이의 유도체, 금속 광석, 또는 광석의 혼합물 중에서 선택된 광물 입자인, 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 세트의 원료 입자들에 대해서, 상기 세트의 원료 입자 세트들의 크기 분포와 관련된 제1 기준 직경(d90)이 20밀리미터 미만이고 상기 입자 크기 분포와 관련된 제2 기준 직경(d10)이 0.1마이크로미터 이상인, 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    수경성 바인더가 포틀랜드 시멘트, 칼슘 알루미네이트 시멘트, 설포알루미네이트 시멘트, 비산회와 혼합된 시멘트, 고로 슬래그와 혼합된 시멘트, 포졸란과 혼합된 시멘트 또는 그것들의 혼합물로부터 선택되는, 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 수경성 바인더는 0.1 내지 3의 C/A 몰비를 갖는 칼슘 알루미네이트 시멘트를 포함하는, 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    단계 a)에서, 수경성 바인더는 입자 크기 분포가 100마이크로미터 이하의 제1 기준 직경(d90)을 특징으로 하는 한 세트의 수경성 바인더 입자들로 구성되는, 방법.
  16. 제1항의 방법에 따라 얻어진, 수경성 바인더에 의해 응집된 원료 입자들을 포함하는 콤팩트 재료.
  17. 제16항에 있어서,
    기계적 압축 강도가 3 메가파스칼 이상이고 붕해 속도가 15% 이하인, 콤팩트 재료.
  18. 제2항에 따른 방법에 따라 얻어진 다층의 콤팩트 재료로서,
    미리 정해진 임계 온도까지 서로에 대해 불활성인 적어도 2개 이상의 중첩된 층들의 적층체를 포함하는 다층의 콤팩트 재료.
  19. 제3항 또는 제4항에 따른 방법에 따라 얻어진 다층의 콤팩트 재료로서,
    적어도 하나의 외층으로 둘러싸인 코어를 포함하고,
    상기 코어의 원료는 상기 코어를 둘러싸는 적어도 하나의 외층의 원료에 대하여 미리 정해진 임계 온도까지 불활성인, 다층의 콤팩트 재료.
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