KR20030083497A

KR20030083497A - 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법

Info

Publication number: KR20030083497A
Application number: KR1020020022197A
Authority: KR
Inventors: 박경순; 이용석
Original assignee: 주식회사 대평세라믹스산업
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2003-10-30

Abstract

석탄회(Fly ash), 고령토, 장석, 및 점토 등의 혼합 원료를 이용함으로써 벽돌 제조를 위한 소성온도를 크게 낮춰 사용 연료의 양을 크게 줄일 수 있고, 생산원가를 크게 줄일 수 있으며, 석탄회의 재활용으로 자원을 절약하고 환경오염을 방지할 수 있도록 한 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법이 개시되어 있다. 상기 저온소결 벽돌의 조성물은 석탄회 30∼50%, 고령토 35∼60%, 장석 5∼15%, 점토 0∼8%, 종이회 0∼5%, 및 폐석분 0∼5% 등으로 구성된다.

Description

건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법{COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD OF LOW TEMPERATURE SINTERING BRICKS FOR CONSTRUCTION}

본 발명은 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 석탄회, 고령토, 장석, 및 점토 등의 혼합 원료를 이용함으로써 벽돌 제조를 위한 소성온도를 크게 낮춰, 사용 연료의 양을 크게 줄일 수 있고, 생산원가를 크게 줄일 수 있고, 석탄회의 재활용으로 자원을 절약하고, 환경오염을 방지할 수 있도록 한 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법에 관한 것이다.

점토를 주원료로 하여 제조된 점토벽돌은 사용원료, 소성조건 및 용도에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.

(1) 보통벽돌(Common brick) : 산화철(酸化鐵)을 많이 함유하고 있는 점토와 모래를 진공토련기로 잘 이겨 압출시킨 다음, 철사나 칼을 이용하여 적당한 크기로 절단한 후, 건조 및 소성공정(燒成工程)을 거쳐 제조한다.

(2) 규회(硅灰)벽돌(Sand lime brick) : 모래에 소석회를 넣은 후, 고압으로 성형(成形)하고, 수증기가 있는 오토클레이브에서 양생시켜 만들며, 주로 건축용으로 사용하고 있다. 미반응의 석회가 남아 있는 경우에는 소화성이 있어 공기 중의 수분을 흡수하는 결점이 있다.

(3) 내화(耐火)벽돌(Refractory brick) : 높은 온도에서 녹거나 변형이 일어나지 않는 무기재료를 이용하여 제조된 벽돌로서, 그 구성성분이나 원료에 따라 여러 가지로 분류된다. 규사(硅砂), 규조토(硅藻土), 납석, 흑연, 고알루미나, 마그네시아, 돌로마이트, 크롬광, 탄화규소, 질화규소, 및 지르콘 등의 원료를 분쇄, 혼련(混練), 성형, 건조, 및 소성의 공정을 거쳐 제조되며, 사용되는 원료나 용도에 따라 각 공정이 약간씩 다르다.

(4) 내화단열(耐火斷熱)벽돌(Refractory insulating brick) : 다공질(多孔質) 조직을 가진 내화단열벽돌은 비중이 작고, 열전도도가 작기 때문에 보온 또는 단열성이 매우 좋다. 따라서 열처리 장치의 재료로 사용하면 연료나 전기를 상당히 절감할 수 있고, 내부의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있으며, 소정의 온도까지 빨리 도달시킬 수 있다.

이와 같은 점토벽돌은 점토를 주원료로 하는 소지를 토련하고 건조시킨 후 소성하여 제조되는데, 소성온도를 낮출 경우 소성을 위해 사용되는 연료의 사용량을 크게 절감할 수 있다. 따라서, 점토벽돌의 소성온도를 낮추기 위하여 많은 연구를 하고 있다. 또한 화력발전소에서 발생하는 산업폐기물인 석탄회는 환경을 오염시키고 있으며, 석탄회를 보관할 회처리장의 건설이 필요한 실정이다. 선진국에서는 세라믹제품, 시멘트, 비료, 토양개량제 등에 석탄회의 효율적인 활용을 위해서 활발히 연구하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 벽돌의 소성온도를 낮춤으로써 사용되는 연료의 양을 크게 줄일 수 있고, 생산 원가를 크게 절감할 수 있도록 한 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 산업폐기물인 석탄회를 사용 원료로 이용함으로써 환경오염을 방지할 수 있고, 주 원료로 사용되는 고령토의 양을 줄일 수 있도록 한 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 석탄회를 혼합 원료로 사용함으로써 저온소결이 가능하게 하고, 액상을 통한 빠른 확산으로 신속한 소결과 많은 기공의 제거를 가능하게 한 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 일반 점토벽돌의 제조를 위한 소성로의 온도 분포 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 저온소결 벽돌의 제조를 위한 소성로의 온도 분포 그래프.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 건축용 저온소결 벽돌의 조성물은 석탄회 30∼50%, 고령토 35∼60%, 장석 5∼15%, 점토 0∼8%, 종이회 0∼5%, 및 폐석분 0∼5% 등으로 구성된다.

이때, 상기 석탄회는 무연탄이나 유연탄에서 발생한 석탄회를 사용한다.

본 발명에 따른 건축용 저온소결 벽돌은 고령토에 석탄회 및 장석을 첨가하여 저온에서 소결하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 벽돌의 주재료인 고령토와 점토의 원료에 화력발전소에서 발생되는 석탄회, 장석, 종이회, 폐석분 등을 혼합하여 저온소결 벽돌을 제조하는 것으로, 벽돌 제조를 위한 조성물 및 제조방법을 특징으로 하고 있다.

따라서, 벽돌의 소성온도를 낮추는 원인을 규명하기 위하여 벽돌의 제조에 사용되는 주 원료인 석탄회의 역할에 대하여 살펴보도록 하겠다.

석탄회는 화력발전소에서 석탄을 연소시킨 결과 발생되는 회(재: Ash)를 말하며, 석탄회를 집진하는 장소에 따라 플라이 애쉬(Fly ash), 바텀 애쉬(Bottom ash), 신더 애쉬(Cinder ash)로 구분한다. 또한 석탄회에는 인체에 해로운 중금속 성분이 없으며, 화학적 성분이 견운모와 비슷하다. 현재 견운모는 도자기 소재로 이용하고 있으며, 또한 인체에 유익한 많은 원적외선이 방출되기 때문에 황토에 첨가하여 황토방이나 찜질방에 사용하고 있다.

(1) 플라이 애쉬(Fly ash)

절탄기나 공기예열기 아래에 있는 호퍼(Hopper), 전기집진기에 의하여 집진되어 집진기 하부에 모이는 회를 말하며, 플라이 애쉬의 입경은 0.3∼1.0㎜이다. 이것의 입경은 사용한 탄 종류나 연소 조건에 따라 다르며, 화력발전소 석탄회 발생량의 약 80％가 플라이 애쉬이고, 대부분 이것이 재활용되고 있다.

(2)바텀 애쉬(Bottom ash)

화력발전소의 보일러 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중(自重)에 의해 보일러 바닥으로 떨어진 회를 말하며, 일명 배드 애쉬(Bad ash)라고도 한다. 이것의 입경은 1.0∼2.5㎜ 정도이고, 그라인더(Grinder)로 분쇄한 후, 회 이송탱크(Ash transfer tank)에 보내지고 대부분 폐기물 처리장에 버린다. 발생량은 화력발전소에서 발생되는 석탄회의 약 15% 정도이다.

(3)신더 애쉬(Cinder ash)

절탄기나 공기예열기 아래에 있는 호퍼(Hopper)에 모인 회를 말하며, 이것의 입경은 0.3∼1.0㎜이고, 화력발전소에서 발생되는 석탄회의 약 5％ 정도이다.

이러한, 석탄회의 성질을 살펴보면 다음과 같다.

(1) 물리적 성질

- 입자의 모양: 구형

- 입자의 입경: 0.3∼2.5㎜

- 색상: 탄소나 철분함량에 따라 연한 황색, 회색, 검은색

(2) 화학적 성분

- 주성분: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃을 합한 함량이 전체 함량의 75∼90% 정도

- 액성: 알카리성

- SiO₂, CaO, H₂O와 반응하여 압축강도 증대

- 강열감량: CaO, MgO, 미연탄소분을 함유하고 있기 때문에 벽돌 제조시 점토질에 혼합하여 사용하면 강열감량으로 인하여 경량화 됨.(강열감량이란 가열에 의하여 휘발되어 없어지는 중량감소를 말함.)

하기 표 1에는 무연탄과 유연탄인 역청탄이 타서 생성된 석탄회와 견운모의 성분이 기재되어 있으며, 이 표는, 석탄회와 견운모의 성분이 유사하여 석탄회를 벽돌 소재뿐만 아니라 도자기 소재로 사용이 가능함을 보여주고 있다. 특히, 본 발명에서는 역청탄과 무연탄으로부터 발생한 석탄회를 사용하였다.

[표 1]석탄회와 견운모의 성분 분석표

성 분	무연탄에서 생성된 석탄회(%)	역청탄에서 생성된 석탄회(%)	견운모(%)
SiO₂	50.0∼56.5	46.7∼69.3	55.0∼66.42
Al₂O₃	30.7∼34.8	18.7∼24.8	15.85∼29.8
Fe₂O₃	4.3∼5.9	3.6∼9.5	0.61∼1.07
CaO	0.5∼1.2	1.0∼1.9	0.42∼0.45
MgO	0.6∼1.0	3.6∼9.5	1.15∼1.23
K₂O	3.5∼5.1	0.4∼1.3	6.18∼8.17
Na₂O₃	0.4∼0.8	0.1∼0.7	0.18∼0.53
SO₃	0.1∼0.8	0.8∼3.2	-
TiO₂	1.2∼1.4	0.6∼1.3	-
기타	1.3∼1.7	0.5∼1.5	-

따라서, 본 발명에 따른 건축용 저온소결 벽돌은 석탄회 30∼50%, 고령토 35∼60%, 장석 5∼15%, 점토 0∼8%, 종이회 0∼5%, 및 폐석분 0∼5% 등의 혼합원료를 이용하여 제조하는 것으로, 이들 원료 분말을 혼합하고, 원하는 형태로 성형 및 건조시키며, 소결을 통해 건축용 고급 벽돌 및 바닥벽돌을 제조할 수 있다.

이때, 일반 점토벽돌의 최고 소성온도는 1,190℃인 데 반해, 본 발명에서의 벽돌 최고 소성온도는 1,110℃이다. 즉, 석탄회가 혼합된 벽돌의 최고 소성온도는 일반 점토벽돌의 최고 소성온도보다 대략 80℃ 정도 낮다. 이렇게 낮은 온도에서 소성이 가능한 것은 석탄회에 함유된 여러 산화물의 특성 때문이다.

하기 표 2는 본 발명에서 사용한 석탄회의 화학성분을 나타내고 있다.

[표 2]본 발명에서 사용한 석탄회의 화학성분

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O₃	SO₃	TiO₂
함량(wt%)	56.86	27.74	5.05	2.12	1.73	0.48	3.57	0.60	1.76

상기 표 2에 기재된 바와 같이, 석탄회는 점토에 포함되지 않은 알카리 토금속인 CaO와 MgO, 알카리 금속인 Na₂O₃와 K₂O, 그리고 Fe₂O₃등을 포함하고 있다. 이들 산화물은 융제로 작용하여 소결성을 크게 향상시킨다. 이것은 이들 산화물 액상의 존재로 고체입자의 재정렬이 쉬워지고, 액상을 통한 물질확산이 빨라지고, 모세관력에 의해 고체입자들의 최적 충전이 가속화되기 때문이다. 따라서, 석탄회를 사용하여 저온소결이 가능하고, 소결시간의 단축이 가능하고, 조밀한 벽돌의 제조가 가능하다.

상기와 같은 조성으로 제조된 벽돌은 기계적 성질, 흡수율, 미세구조 등이 아주 우수하다.

<실시예 1>

석탄회 49%, 고령토 35%, 장석 8%, 점토 4%, 종이회 2%, 폐석분 2%의 조성을 갖는 혼합 원료를 이용하여 건축용 저온소결 벽돌을 제조한다.

실시예 1을 통해 제조된 벽돌의 압축강도와 흡수율의 측정 결과는 표 3에 나타나 있다.

[표 3]본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 벽돌의 압축강도 및 흡수율

	규 격	규격치	측정결과
압축강도	GR F 4014-2001	20.59 N/㎟	36.7 N/㎟
흡수율	GR F 4014-2001	10% 이하	8.4%

상기 표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 벽돌의 압축강도 및 흡수율은 관련규격의 요구치를 크게 상회하는 뛰어난 성질을 보이고 있다.

또한, 도 1 및 도 2를 비교하여 설명하면, 도 1은 일반 점토벽돌의 제조를 위한 소성로의 온도분포 그래프이고, 도 2는 실시예 1의 혼합 원료를 이용한 건축용 저온소결 벽돌의 제조를 위한 소성로의 온도분포 그래프이다. 도 1과 도 2로부터 석탄회의 첨가로 점토벽돌의 소성온도보다 훨씬 낮은 온도에서 소성을 할 수 있고, 고성능 벽돌을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 벽돌은 석탄회를 첨가하여 개발한 제품으로, 건물의 내·외장벽돌, 담장용 벽돌, 공원·인도·차도 포장용 바닥벽돌 등으로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 조성물로 제조된 벽돌은 다음과 같은 제품의 특성을 갖는다.

압축강도의 증가

KSL-4201 규정에 제시된 압축강도의 기준치보다 약 1.8∼2.0배의 큰 압축강도를 얻었는다.

흡수율의 저하

KSL-4201 규정에 제시된 흡수율의 기준치 보다 훨씬 낮은 7.0∼8.5%를 보인다.

점토벽돌의 경량화

석탄회를 사용하여 개발한 제품은 기존 점토벽돌보다 약 10∼15% 가볍다.

성형, 건조, 소성 능력의 향상

석탄회를 첨가한 성형품은 휨이 없고, 건조 및 소성시 수축율이 적고, 균열의 발생이 거의 없으며, 제품의 성능이 아주 균일하다.

소성연료의 절감

건축용 저온소결 벽돌의 제조를 위한 새로운 조성물의 개발로 인하여 소성온도를 크게 저하시켜 소성연료의 사용량을 25∼45% 절감한다.

상기에 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 건축용 저온소결 벽돌의 조성물은 자원 재활용 및 절감, 원토 혼합 작업의 간소화 및 연료절감, 운송비용 절약, 및 다양한 벽돌 제품의 생산 가능 측면에서 큰 효과가 있다.

구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 건축용 저온소결 벽돌의 조성물 및 제조방법에 따르면, 자원 재활용 및 절감 측면에서는 화력발전소에서 발생하는 산업폐기물인 석탄회를 이용하여 저온소결 벽돌 및 바닥벽돌을 제조하는 기술을 개발함으로써 산업폐기물의 재활용을 확대시켰으며, 석탄회를 고형화하여 안전하게 처리함으로서 산업폐기물의 처리 비용을 절감하였고, 석탄회를 환경친화적으로 재활용하여 활용 가치를 극대화하였다. 또한 점토벽돌 제조시 원료로 사용하던 고령토를 석탄회로 대체하여 고령토의 연간 사용량의 약 45%를 절감할 수 있다.

원토 혼합 작업의 간소화 및 연료절감 측면에서, 현재 점토벽돌 제조시 사용하는 고령토는 함수율이 높아 함수율을 낮추기 위한 작업을 실시하였으나, 석탄회는 함수율이 거의 0%에 가까워 석탄회와 고령토를 혼합하여 사용하면 고령토의 함수율을 낮추는 작업이 불필요하고, 석탄회에는 점토에 없는 여러 산화물이 있기 때문에 이들 산화물이 융제의 역할을 하여 저온소결이 가능하고, 또한 석탄회에는 미연탄소분을 포함하고 있기 때문에 석탄회가 1차 소성되어 흡열량이 적어 저온소결이 가능하다. 저온소결로 인하여 소성연료인 벙커 C유의 사용량을 약 25∼45% 절감하게 된다.

물류비용의 절약 측면에서, 석탄회를 재활용하여 개발한 저온소결 벽돌은 기존 점토벽돌보다 약 10∼15% 경량화되어 제품 운송이 용이하고, 운송비용을 절약할 수 있다.

한편, 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

석탄회 30∼50%, 고령토 35∼60%, 장석 5∼15%, 점토 0∼8%, 종이회 0∼5%, 및 폐석분 0∼5% 등으로 구성된 것을 특징으로 하는 건축용 저온소결 벽돌의 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 석탄회는 무연탄 또는 유연탄으로부터 발생한 석탄회인 것을 특징으로 하는 건축용 저온소결 벽돌의 조성물.
고령토에 석탄회 및 장석을 첨가하여 저온에서 소결하는 것을 특징으로 하는 건축용 저온소결 벽돌의 제조방법.