KR20080096973A - 인조규사 제조방법 및 그에 의해 제조된 인조규사 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인조 규사 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SiO₂ 72 내지 85 중량%, Al₂O₃ 10 내지 18 중량%, Fe₂O₃ 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K₂O 2 내지 6 중량%, 및 Na₂O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 인조 규사 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

상기 인조 규사는 납석질 도석을 출발 원료로 하여 제조되며, Al₂O₃ 성분이 천연 규사에 비해 높은 함량으로 함유되어 종래 천연 규사로 사용하는 경우 발생하는 쇳물 연주 공정 작업시 주형 몰드의 깨짐 및 크랙 현상을 해소한다.

인조 규사, 납석질 도석, 크랙 현상

Description

인조 규사 및 이의 제조방법{ARTIFICIAL SILICA AND METHOD OF PREPARATION THEREOF}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인조 규사의 제조방법을 보여주는 순서도.

도 2는 8 내지 12 메쉬(3호사)의 인조 규사의 입도 분석 그래프.

도 3은 12 내지 18 메쉬(4호사)의 인조 규사의 입도 분석 그래프.

도 4는 20 내지 40 메쉬(5호사)의 인조 규사의 입도 분석 그래프.

도 5는 40 내지 70 메쉬(6호사)의 인조 규사의 입도 분석 그래프.

도 6a는 실시예 1에서 얻어진 인조 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진.

도 6b는 상기 도 6a의 확대 사진.

도 7은 호주산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진.

도 8은 베트남산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진.

도 9는 중국산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진.

도 10은 주문진산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진.

본 발명은 인조 규사 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Al₂O₃ 성분이 천연 규사에 비해 높은 함량으로 함유되어 종래 천연 규사로 사용하는 경우 발생하는 쇳물 연주 공정 작업시 주형 몰드의 깨짐 및 크랙 현상을 해소할 수 있는 인조 규사 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

'규사'는 규산성분(SiO₂)이 풍부한 석영립을 총칭하며 크게 천연 규사와 인조 규사로 나뉜다.

천연 규사는 SiO₂ 성분이 96 내지 98 중량%로 함유되고, Al₂O₃ 및 Fe₂O₂ 성분을 소량 포함하고 있다. 이러한 천연 규사는 화강암류, 화강 편마암류 등 석영을 많이 함유하고 있는 암석이 풍화되어 형성된 것으로 두 가지 형태가 존재한다. 그 중 하나는 모암이 풍화되어 점토분은 물에 씻기어 없어지고 모암의 원위치에 석영립 만이 잔류한 잔류규사로, 소위 산 규사라 불리운다. 또 하나는 석영립이 점토 등과 함께 하천수에 휩쓸려 흐르다가 비중의 차에 의하여 석영만이 하안 일정한 장소에 퇴적되어 형성된 것으로, 소위 퇴적 규사라 불리운다.

규사를 이루는 석영은 Si(46.7%)와 O(53.3%)가 결합되어 있으며, 이때 Si와 O의 결합 형태에 따라 석영(Quartz), 트리디마이트(Tridimite), 크리스토바라이트(Cristobalite) 등 3가지 유형으로 분류된다.

천연에서 산출되는 천연 규사는 대부분 a-Quartz 이며 가열 또는 냉각의 반복과정에 따라 트리디마이트, 크리스토바라이트의 고온 또는 저온형과 이의 복합 형태로 전이된다.

이와 같은 천연 규사의 가장 중요한 용도는 판유리, 유리제품 등 유리 공업과 주물 공업용으로 사용되고 있으며, 기타 제철, 제강, 시멘트, 규산소다, 화학 공업 충진제 및 내화 벽돌 제조용 등으로 두루 사용된다. 그 밖에 전기 절연성과 보온, 보냉 등의 특성을 요하는 유리 섬유의 원료로서도 매우 중요하다.

그러나 천연 규사는 비금속 광물이라는 특성 때문에 동일 용도라 할지라도 수요 업체에 따른 품질 요건이 각각 다른 경우가 많다. 특히 SiO₂와 Al₂O₃ 성분의 함량에 따라 물리적 화학적 성질이 크게 차이가 난다. 따라서 제품의 품질을 일정하게 유지하기 위해서는 동일 광산이나 동일 지역의 원료를 계속적으로 사용하는 것이 유리한 경우가 많다.

허나 현재 탈철 및 분채 기술의 부족으로 전자 제품에 쓰이는 고품질 규사 및 특수 용도의 원료는 수입에 의존하고 있는 실정이다.

국내산 천연 규사는 허가 채취 규제로 공급이 부족하고, 그나마 품질이 낮은 중국산을 혼합 사용하고 있다. 그러나 중국산 역시 자국 내의 수요 증가로 반출량을 줄이고 있는 추세에 있다. 이에 중국산이나 베트남산에 비해 톤당 $8∼10 (중국산 $20, 베트남산 $21, 2004년도 기준) 정도 비싼 호주산 규사를 수입하여 사용하고 있다. 허나 호주산 역시 2002년부터 호주 정부의 자연 보호 정책에 의해 수입 물량이 감소되고 있는 추세이다.

한편, 천연 규사에 존재하는 SiO₂ 성분의 경우 특정 온도에서 결정상 전이를 일으켜 제품 제조시 급격한 체적 변화가 발생한다. 부연하면, 석영의 경우 573 ℃에서 결정상이 전이하는 경우 체적 변화가 발생하여 깨짐 현상이나 크랙킹이 발생한다. 또한 천연 규사 내 석영 외에 크리스토바라이트라는 결정상이 존재하는 경우 200 내지 270 ℃에서 결정상의 전이가 발생하여 이러한 깨짐 현상은 더욱 심각해진다. 이는 SiO₂ 성분의 함량이 높은 천연 규사를 다량 사용하는 경우 중자나 몰드에 균열이 일어나거나 깨지는 현상을 유발한다.

이에 천연 규사를 정제하여 사용하는 방법이 제안되었다. 그러나 천연 규사는 불순물, 입도 및 물리적·화학적 성질의 차이에 의하여 그 사용 용도가 달라지므로 그 정제 방법이 중요하다. 그러나 이러한 방법은 원석 상태에 따라 공정이 달라질 수 있고 매우 복잡해져 수율이 저하되는 단점이 있다.

또한 천연 규사에 다른 성분을 첨가하여 물리적·화학적 성질을 변화시키는 방법이 시행되고 있다. 일예로 일본이나 미국 등의 선진국에서는 천연 규사에 Al₂O₃를 혼합하여 Al₂O₃ 성분의 함량을 조절한 인조 규사를 사용하고 있다. 허나 이러한 방법은 천연 규사에 별도의 Al₂O₃를 첨가함에 따라 공정이 복잡하여 비용이 상승할 뿐만 아니라 더욱이 인조 규사 내 Al₂O₃ 성분의 함량 조절이 어렵다. 더욱이 천연 규사내 함유된 불순물의 존재로 인해 물성이 저하되는 문제가 발생한다.

또한 일부 산업체에서 규사 원석을 분쇄하여 인조 규사를 제조하는 공정을 수행하고 있다. 이러한 방법으로 얻어진 인조 규사는 입형이 둥글지 못하므로 제강사나 주물 공장에서 주형 몰드용으로 사용하기 위한 쇳물(용융 금속) 연주 공정작업시 쇳물에 포함된 가스의 배출이 원활하지 못하여 제품에 균열이 발생하는 등 불량이 발생하는 문제를 수반한다.

따라서 인조 규사 내 Al₂O₃ 성분의 함량이 조절되고, 공정이 단순할 뿐만 아니라 둥근 입형을 가져 쇳물 연주 공정 작업시 주형 몰드의 불량이 발생하지 않는 인조 규사의 제조방법이 요구된다.

상기한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 Al₂O₃ 성분이 천연 규사에 비해 높은 함량으로 함유되어 체적 변화에 따른 팽창에 의해 쇳물 연주 공정 작업시 주형 몰드의 깨짐 및 크랙 현상이 거의 없는 인조 규사 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

SiO₂ 72 내지 85 중량%, Al₂O₃ 10 내지 18 중량%, Fe₂O₃ 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K₂O 2 내지 6 중량%, 및 Na₂O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 인조 규사를 제공한다.

상기 인조 규사는 구형의 입자 모양을 가지며, 입자 크기가 6 내지 200 메쉬이고, 건조 수축율 +0.40 내지 +0.80% 로 팽창되고 소성 수축율 +1.2 내지 +3.5% 로 팽창된다.

또한 본 발명은

납석질 도석을 분쇄하고 분급하여 제조하는 인조 규사의 제조방법을 제공한다.

상기 분쇄는 100 내지 150 m/m로 1차 분쇄하고, 50 내지 70 m/m로 2차 분쇄하고, 0.1 내지 30 m/m로 3차 분쇄하고, 0.1 내지 3.0 m/m로 4차 분쇄하고, 0.1 내지 2.0 m/m로 5차 분쇄하는 공정을 거쳐 수행한다.

이때 추가로 상기 4차 분쇄 후 3.0 m/m 이상의 분말은 반송시켜 재분쇄한다.

바람직하기로, 상기 1차 및 2차 분쇄는 죠크랏샤 분쇄기로 수행하고, 3차 분쇄는 콘크랏샤 분쇄기로 수행하고, 4차 분쇄는 햄머크랏샤 분쇄기로 수행하고, 5차 분쇄도 햄머크랏샤 분쇄기를 이용하여 수행한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 제조된 인조 규사는 천연 규사의 입형과 동일한 형태를 가지며, Al₂O₃(알루미나) 성분을 10 내지 18 중량%로 높은 함량을 포함한다. 그 결과 종래 Al₂O₃ 성분을 0.02 내지 2.3 중량% 포함하는 천연 규사와 비교하여 이를 이용하여 쇳물 연주 공정 작업시 주형 몰드 등에 적용시 발생하는 체적 변화 팽창에 의한 깨짐이나 크랙킹 현상을 방지한다.

상기 인조 규사는 SiO₂ 72 내지 85 중량%, Al₂O₃ 10 내지 18 중량%, Fe₂O₃ 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K₂O 2 내지 6 중량%, 및 Na₂O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함한다.

일반적으로 천연 규사 내 함유된 SiO₂의 경우 특정 온도에서 결정상 전이를 일으켜 제품 제조시 급격한 체적 변화가 발생한다. 부연하면, 석영의 경우 573 ℃에서 결정상이 전이하는 경우 체적 변화가 발생하여 깨짐 현상이나 크랙킹이 발생한다. 또한 천연 규사 내 석영 외에 크리스토바라이트라는 결정상이 존재하는 경우 200 내지 270 ℃에서 결정상의 전이가 발생하여 이러한 깨짐 현상은 더욱 심각해진다.

본 발명에 따른 인조 규사는 SiO₂ 성분을 전체 조성 내에서 72 내지 85 중량% 로 조절한다. 쇳물의 경우 사용되는 강종에 따라 차이가 있으나 1500 내지 1630 ℃에서 용융되는데, 이때 상기 SiO₂ 성분의 함량이 72 중량% 미만인 경우 쇳물 온도보다 낮은 온도에서 인조 규사가 용융되기 때문에 SiO₂의 함량을 상기 범위 이상으로 조절하는 것이 중요하다. 반대로 SiO₂ 성분의 함량이 85 중량%를 넘게 되는 경우 인조 규사 전체 조성 내 Al₂O₃ 성분의 함량이 줄어들어 높은 열적 변화를 제어하기가 어렵다.

특히 본 발명에 따른 인조 규사는 Al₂O₃ 성분을 전체 조성 내에서 10 내지 18 중량%가 되도록 조절한다. Al₂O₃는 알루미나(Alumina)로 불리우며, 용융점이 약 2050 ℃ 부근으로 내마모성, 내열성, 내화학성 및 내식성이 우수하고, 경도가 크며 전기 절연성과 열의 전열성이 우수한 특징이 있다.

즉, 상기한 특성을 가지는 Al₂O₃는 급격한 온도 변화에 대해서도 내열성이 강하며 높은 열적 변화에서도 수축 또는 팽창과 같은 체적 변화를 하지 않는다. 그 결과 인조 규사를 주형 몰드 등에 적용시 나타나는 고온의 온도 변화에서도 안정하게 사용되며, SiO₂가 특정 온도에서의 결정상 전이에 따라 발생하는 체적 변화를 감소시킨다.

전술한 바의 효과를 얻기 위해서 본 발명에서는 Al₂O₃ 성분의 함량을 전체 조성 내에서 10 내지 18 중량%가 되도록 조절한다. 만약 상기 Al₂O₃ 성분의 함량이 상기 범위 미만이면 SiO₂의 체적 변화 억제 효과가 낮아 쇳물 연주 공정 작업시 주형 몰드에 균열이 발생하거나 깨지는 현상이 발생한다. 반대로 Al₂O₃의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우 다른 성분을 변화시켜 역효과가 발생할 수 있다.

이와 같이 SiO₂와 Al₂O₃의 함량이 특정 범위로 조절된 본 발명에 따른 인조 규사는 나머지 조성으로 Fe₂O₃, CaO, MgO, K₂O, 및 Na₂O를 포함한다. 이들은 원료 물질에 함유되어 있는 조성으로 불순물로 취급하며, Fe₂O₃ 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, 및 Na₂O 0.1 내지 1.0 중량%로 함유되도록 한다. 다만 K₂O 성분은 1200 ℃에서부터 용융되기 때문에 그 함량을 6 중량% 이하로 제어하여야 하며, 바람직하기로 2 내지 6 중량%로 함유되도록 한다. 그러나 이들 조성은 그 함량이 미미하여 본 발명에 따른 인조 규사의 물성에 큰 영향을 미치지는 못한다.

상기한 조성을 포함하는 본 발명에 따른 인조 규사는 입자 형태가 둥근 형태인 구형 상태로 존재한다. 상기 구형의 입자 형태는 인조 규사를 각종 제품, 일예로 주형 몰드에 적용하는 경우 제품의 품질을 높일 수 있다. 부연하면, 인조 규사의 입자 형태가 날카로운 모서리를 가지는 경우 구형에 비해 낮은 표면적을 가지므로 쇳물 연주 공정시 쇳물 투입 후 쇳물의 가스 배출이 원활하지 못하여 제품 불량이 발생한다.

따라서 고 품질의 제품을 제조하기 위해선 구형의 입자 형태를 갖는 것이 중요하며, 이러한 입자 형태를 갖기 위해 후속에서 설명되는 바와 같이 여러 번의 분쇄 공정을 거치고, 그중 햄머크랏샤 분쇄기를 이용하여 분쇄 공정을 수행한다.

상기 인조 규사는 입자 크기가 6 내지 200 메쉬(Mesh)의 크기를 갖는다. 이때 메쉬는 체의 구멍이나 입자의 크기를 나타내는 단위로 타일러 표준체(Tyler Standard Sieve)에서는 1 inch(인치) 길이 안에 들어 있는 눈금의 수로 나타내는 수치이고, 메쉬의 크기가 클수록 입자 크기는 줄어듬을 의미한다.

상기 인조 규사의 입자 크기는 본 발명에서 한정하지는 않으며, 업체의 요구 나 적용하려는 제품에 따라 적절히 조절할 수 있다.

일예로 주형 몰드로 적용하고자 하는 경우 쇳물의 원료, 즉 회주철, 가단주철, 인상 흑연강, 주강이나 비철주물 등의 종류 등에 따라 그 입자 크기를 조절하여 사용한다. 또한 용도, 주물, 주강, 단열재, 인조 대리석, 도로 골재, 내외장 벽재, 바닥몰탈 미장, 및 방수 등의 제품을 적용하고자 하는 분야에 따라 적절한 입자 크기로 제조가 가능하다.

이러한 입자 크기는 인조 규사 제조 공정에서 분쇄기의 종류, 분쇄횟수, 회전 속도 등을 제어하여 조절이 가능하다. 바람직하기로, 시판되고 있는 천연 규사의 입자 크기를 고려하여 12 내지 18 메쉬(1.7∼1.0 m/m), 20 내지 40 메쉬(0.85∼0.42 m/m), 40 내지 70 메쉬(0.42∼0.22 m/m), 및 70 내지 200 메쉬(0.22∼0.1 m/m)의 크기로 규격 생산이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 인조 규사는 건조 수축율이 +0.40 내지 +0.80% 팽창이 되고 소성 수축율이 +1.2 내지 +3.5% 팽창이 된다.

상기 건조 수축율은 인조 규사를 시험용 건조로 110℃에서 3시간동안 건조시킨 후 길이의 변화를 측정하여 건조 전의 길이와 대비하여 산출한 것으로 '+'의 의미는 건조에 의하여 팽창되었음을 나타내며, 이러한 건조 수축율이 작을수록 상기 인조 규사를 이용하여 얻어진 제품의 치수 안정성이 높음을 의미한다.

본 발명에 따른 인조 규사의 경우 건조 수축율이 +0.80% 미만, 바람직하기로 +0.40 내지 +0.80%, 더욱 바람직하기로 +0.44 내지 +0.72%로 통상적으로 사용되는 천연 규사와 거의 유사한 결과를 보인다.

상기 소성 수축율은 1290 ℃에서 180 분 동안 소성시킨 후 길이의 변화를 측정하여 소성 전의 길이와 대비하여 산출한 것으로 '+'의 의미는 소성에 의하여 팽창되었음을 나타내며, 이러한 소성 수축율이 작을수록 상기 건조 수축율과 마찬가지로 인조 규사를 이용하여 얻어진 제품의 치수 안정성이 높고, 내열성이 우수하여 제품의 균열이나 깨짐이 발생하지 않음을 의미한다.

본 발명에 따른 인조 규사의 경우 소성 수축율이 +3.5% 미만, 바람직하기로 +1.2 내지 +3.5%, 더욱 바람직하기로 +1.38 내지 +2.56%를 가진다. 이는 시판되는 천연 규사의 소성 수축율이 약 +11.0%인 것과 비교하여 매우 낮은 수치로, 이러한 수치는 인조 규사 내 함유된 Al₂O₃ 성분의 함량을 조절함으로써 SiO₂의 체적 변화를 억제함을 의미한다.

전술한 바의 본 발명에 따른 인조 규사는 납석질 도석을 분쇄하고 분급하여 제조한다.

종래 천연 규사의 경우 원석으로 규석이나 규암을 사용하고 있다. 그러나 본 발명에서는 인조 규사의 원석으로 납석질 도석을 사용한다.

납석질 도석은 석영조면암, 안산암, 유문암 및 응회암 등이 열수변질 작용을 받아 형성되며, 미세한 광물이 치밀하게 집합하여, 괴상으로 산출되는 광물이다.

상기 납석질 도석은 Al₂O₃, SiO₂, K₂O 및 기타 불순물이 포함되어 있으며, 통상적으로 사용되는 10∼18 중량%의 Al₂O₃, 72∼85 중량%의 SiO₂, 및 2∼6 중량%의 K₂O, 및 기타 불순물이 함유된 원석이 가능하다. 이러한 납석질 도석은 1300 내지 1700 ℃에서 용융되지 않고 다른 호주산, 베트남산, 중국산의 천연 규사보다 팽창율이 낮아 높은 열적 변화에도 잘 견디는 내화성을 가지고 있다.

상기 원석의 분쇄는 천연 규사와 동일한 구형의 입자 형태를 갖도록 수차례에 걸친 분쇄 공정을 수행한다.

알려진 바와 같이 분쇄는 주로 기계적인 방법으로 고체원료를 세분쇄하여 더 미세한 분체를 얻는 단위 조작으로, 에너지를 대량으로 소비하는 조작이므로 여러 가지 요인 - 분쇄 장치의 종류, 분쇄 속도, 조작 방법 - 등에 따라 분쇄 효율이 좌우된다.

따라서 구형의 입자 모양을 갖고 원하는 크기의 인조 규사를 높은 효율로 제조하기 위해 분쇄 장치의 선별, 조작 방법이나 그 순서 등이 중요하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인조 규사의 제조방법을 보여주는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 먼저, 선별된 납석질 도석 원석을 컨베이어 벨트를 이용하여 투입한다.

이어 상기 원석을 1시간당 30 내지 50톤 정도의 작업량을 소화할 수 있는 제1분쇄기(10)에 투입하고, 원석의 크기를 100 내지 150 m/m 이하가 되도록 분쇄한다.

다음으로, 컨베이어 벨트를 이용하여 100 내지 150 m/m 이하로 분쇄된 원석을 1시간당 20 내지 30톤 정도의 작업량을 소화할 수 있는 제2분쇄기(20)에 투입하고, 크기가 50 내지 70 m/m가 되도록 분쇄한다.

이때 상기 제1분쇄기(10) 및 제2분쇄기(20)는 분쇄기(또는 파쇄기, Crusher)를 이용하는 것이 바람직하다.

분쇄기는 수십 cm의 원료를 십수 cm 단위의 큰 입자로 분쇄할 때 사용하며, 발파석이나 원석 상태의 암석이나 광석을 1차적으로 파쇄 하는데 적용된다. 상기 분쇄기로는 자이로터리 크랏샤, 죠크랏샤, 로라 크러셔, 콘크랏샤 등이 가능하다.

바람직하기로 제1분쇄기(10)로는 죠크랏샤 분쇄기(Jaw Crusher)를 사용하고, 제2분쇄기(20)는 좀더 작은 입자로 파쇄하기 위해 죠크랏샤 2차 분쇄기를 사용한다. 이러한 죠크랏샤 분쇄기는 턱모양의 2개의 파쇄판 사이에서의 압축에 의한 분쇄가 일어나며, 광석의 예비 파쇄용으로 사용된다.

다음으로, 컨베이어 벨트를 이용하여 50 내지 70 m/m 이하로 분쇄된 원석분말을 1시간당 30톤 정도의 작업량을 소화할 수 있는 제3분쇄기(30)에 투입하고, 크기가 0.1 내지 30 m/m가 되도록 분쇄한다.

상기 제3분쇄기(30)는 상기 제2분쇄기(20)를 통과한 원석 분말을 좀더 작은 입자로 분쇄하기 위해 콘크랏샤 분쇄기(Cone Crusher)를 사용한다. 상기 콘크랏샤 분쇄기는 독립한 콘을 회전시키지 않고 회전에 의해 물고 비벼서 분쇄하며, 더 작은 입도로의 분쇄를 가능케 한다.

다음으로, 컨베이어 벨트를 이용하여 0.1 내지 30 m/m 이하로 분쇄된 분말을 1시간당 8 내지 10톤 정도의 작업량을 소화할 수 있는 제4분쇄기(40)에 투입하고, 크기가 0.1 내지 3.0 m/m가 되도록 분쇄한다.

상기 제4분쇄기(40)는 햄머크랏샤 분쇄기를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 햄머크랏샤는 햄머처럼 생긴 망치모양으로 고속으로 회전하면서 분쇄가 일어나므로, 이러한 햄머크랏샤 분쇄기를 사용하여 입자 모양이 날카롭지 않고 타원형에 가깝도록 분쇄가 가능하다.

다음으로, 0.1 내지 3.0 m/m 이하로 분쇄된 분말을 입도 분리기(50)로 입도 분리한 후 컨베이어 벨트를 이용하여 3.0 m/m 이하의 것은 제5분쇄기(60)로 이송시키고, 3.0 m/m 이상의 것을 제4분쇄기(40)로 반송하여 재분쇄하여 분말의 입도가 3.0 m/m 이하가 되도록 한다.

상기 입도 분리는 통상적으로 사용되는 입도(mesh) 분리기가 가능하며, 이러한 반송을 통해 최종 얻어지는 입자의 크기를 조절한다.

다음으로, 컨베이어 벨트를 이용하여 0.1 내지 3.0 m/m로 분쇄된 분말을 1시간당 4 내지 6톤 정도의 작업량을 소화할 수 있는 제5분쇄기(60)에 투입하고, 크기가 0.1 내지 2.0 m/m가 되도록 분쇄하여 천연 규사의 입형과 동일한 모양으로 제조한다.

이때 상기 제5분쇄기(60)도 햄머크랏샤 분쇄기를 이용하는 것이 바람직하다. 이때의 햄머크랏샤 분쇄기는 햄머의 수직상승과 하강에 따른 충격의 반복에 의해 분쇄가 일어나며, 인조 규사의 입자 형태를 구형에 가깝도록 분쇄한다.

전술한 여러 단계의 분쇄 공정 후 분쇄된 분말은 입도 분리기로 이송되어 각 입도별로 채 분리 한다.

상기 입도 분리기(70)는 통상적으로 사용되는 것이 가능하며, 일예로 인조 규사를 8 내지 12 메쉬, 12 내지 18 메쉬, 20 내지 40 메쉬 및 40 내지 70 메쉬로 분리한다.

상기 분리된 인조 규사는 제품 입도별로 포장하여 예로써 1톤 P.P 백으로 소비자에게 제공된다.

이러한 단계를 거쳐 얻어진 인조 규사는 조성 내 Al₂O₃ 성분이 천연 규사에 비해 높은 함량으로 함유되어 종래 천연 규사가 적용되는 모든 분야에 적용이 가능하다. 바람직하기로 판유리, 유리제품 등 유리 공업과 주물 공업용, 기타 제철, 제강, 시멘트, 규산소다, 화학 공업충진제, 내화 벽돌 제조용, 타일, 위생도기, 생활도자기, 전기애자 원료, 전기 절연성과 보온, 보냉 등의 특성을 요하는 유리 섬유의 원료로 사용된다.

특히 주형 몰드에 적용시 조성 내 Al₂O₃ 성분은 천연 규사에 비해 높은 함량으로 함유함에 따라 종래 천연 규사의 사용시 발생하던 주형 몰드의 깨짐이나 크랙킹 현상을 방지한다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

(실시예 1)

납석질 도석 원석을 죠크랏샤 분쇄기(용량 150-250 HP, 30∼50 톤/시간)에 투입하여 150 m/m 이하로 1차 분쇄하고, 죠크랏샤 분쇄기(용량 75 HP, 20∼30 톤/ 시간)에 투입하여 70 m/m 이하로 2차 분쇄한 다음, 콘크랏샤 분쇄기(용량 150 HP, 30 톤/시간)에 투입하여 30 m/m 이하로 3차 분쇄하였다. 이어서, 얻어진 분말을 햄머크랏샤 분쇄기(용량 75 HP, 8∼10 톤/시간)로 3.0 m/m로 4차 분쇄하고, 3.0 m/m 이상의 분말을 다시 햄머크랏샤 분쇄기(용량 75 HP, 8∼10 톤/시간)로 재분쇄한 다음, 또다시 햄머크랏샤 분쇄기(용량 100 HP, 4∼6 톤/시간)로 2.0 m/m 이하로 5차 분쇄하였다. 상기 얻어진 분말을 입도 분리기로 분리함으로써 8 내지 12 메쉬(3호사:2.36~1.70 m/m) 12 내지 18 메쉬(4호사:1.70~0.96 m/m), 20 내지 40 메쉬(5호사:0.85~0.42 m/m), 40 내지 70 메쉬(6호사:0.42~0.22 m/m)의 인조 규사를 각각 제조하였다.

(실험예 1) 입도 분석

상기 실시예 1에서 얻어진 인조 규사를 입도 분석기로 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 2 내지 도 5에 나타내었다. 이때 %는 중량%이다.

도 2는 8 내지 12 메쉬의 3호사 인조 규사의 입도 분석 그래프로, 18 메쉬의 인조규사가 87%, 20메쉬의 인조 규사가 10.5%, 30메쉬의 인조 규사가 1.4%, 40메쉬의 인조 규사가 1.1%를 나타내어 비교적 좁은 분포의 입경을 가짐을 알 수 있다.

도 3은 12 내지 18 메쉬의 4호사 인조 규사의 입도 분석 그래프로, 18 메쉬의 인조 규사가 2.8%, 20 메쉬의 인조 규사가 39%, 30 메쉬의 인조 규사가 42%, 40메쉬의 인조규사가 14.2%, 50메쉬의 인조규사가 1.0%, 70메쉬의 인조규사가 0.5%, 100메쉬의 인조규사가 0.3%, 140메쉬의 인조규사가 0.2%를 나타냄을 알수 있다.

도 4는 20 내지 40 메쉬의 5호사 인조 규사의 입도 분석 그래프로, 18 메쉬 의 인조 규사가 0.5%, 20 메쉬의 인조 규사가 3.5%, 30 메쉬의 인조 규사가 31.4%, 40메쉬의 인조규사가 52%, 50메쉬의 인조규사가 9.8%, 70메쉬의 인조규사가 1.5%, 100메쉬의 인조규사가 0.7%, 140메쉬의 인조규사가 0.6%를 나타냄을 알수 있다.

도 5는 40 내지 70 메쉬의 6호사 인조 규사의 입도 분석 그래프로, 30 메쉬의 인조 규사가 0.2%, 40 메쉬의 인조 규사가 12%, 50 메쉬의 인조 규사가 46%, 70 메쉬의 인조 규사가 41%, 100 메쉬의 인조 규사가 0.5%, 140 메쉬의 인조 규사가 0.3%를 나타냄을 알 수 있다.

(실험예 2) 조성 분석

상기 실시예 1에서 얻어진 인조 규사의 화학 성분을 EDS 분석기(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy, 원소분석장치)를 이용하여 기존에 시판되고 있는 천연 규사와 비교하였다.

함량(중량%)	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
실시예 1의 인조 규사	78.0	14.5	0.5	0.4	0.1	4.0	0.5
호주산 천연 규사	99.6	0.02	0.003	-	-	-	-
베트남산 천연 규사	99.5	0.03	0.002	-	-	-	-
중국산 천연 규사	87∼95	1.5∼2.2	1.7∼2.5	-	-	2∼4	-
주문진산 천연 규사	75∼87	2.3	2.1∼2.5	-	-	5∼7	-

상기 실시예 1을 참조하면, 본 발명에 따라 얻어진 인조 규사의 경우 알루미나 성분의 함량이 높음을 알 수 있다.

(실험예 3) 열팽창율 분석

상기 실시예 1의 인조 규사와 시판되는 천연 규사의 온도에 따른 열팽창율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

	250 ℃	450 ℃	650 ℃	800 ℃	1000 ℃
실시예 1의 인조 규사	0.154	0.359	0.662	0.73	0.78
호주산 천연 규사	1.480	0.973	2.57	3.2	7.2
베트남산 천연 규사	0.507	1.1	2.6	3.3	7.2
중국산 천연 규사	0.53	1.2	2.7	3.7	8.1
주문진산 천연 규사	0.43	1.0	2.43	3.1	4.7

상기 표 2를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1의 인조 규사의 경우 다른 천연 규사와 비교하여 낮은 열팽창율을 나타내었다.

더욱이 250 ℃에서 1000 ℃에서의 온도에 따른 열팽창 정도를 살펴보면, 실시예 1의 인조 규사의 경우 약 5배 가량 증가하였으나, 기존 시판되는 천연 규사의 경우 최대 10 배 이상 증가함을 알 수 있다.

이러한 결과는 본 발명에 따른 인조 규사를 주형 몰드에 사용시 온도에 따른 체적 변화가 낮아 깨짐이나 크랙킹 현상을 방지할 수 있음을 의미한다.

(실험예 4) 물성 분석

상기 실시예 1에서 얻어진 인조 규사와 시판되는 천연 규사의 물성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.

이때 건조 수축율은 인조규사를 용기에 담근 후 시험용 건조로 110℃에서 3시간동안 건조시킨 후 길이의 변화를 측정하여 건조 전의 길이와 대비함으로써 건조 수축율을 산출하였다. 소성 수축율은 인조규사를 전기로 1250 ℃에서 3시간 동안 소성시킨 후 길이의 변화를 측정하여 소성 전의 길이와 대비함으로써 소성 수축율을 산출하였다. 또한 작열 감량(Ig loss, ignition loss)은 상기 건조시킨 후의 무게와 상기 소성시킨 후의 무게의 차이를 측정하여 이를 건조시킨 후의 무게와 대비함으로써 작열 감량을 산출하였다.

함량(중량%)		건조 수축율(%)	소성 수축율(%)	작열 감량(%)	용융점(℃)
실시예 1의 인조 규사	3호사	+0.44	+1.38	+1.75	1670 ℃
	4호사	+0.64	+1.5	+3.0	1670 ℃
	5호사	+0.64	+1.5	+2.9	1670 ℃
	6호사	+0.72	+2.56	+4.0	1670 ℃
호주산 천연 규사		+0.54	+11.7	+0.2	1730 ℃
베트남산 천연 규사		+0.32	+11.5	+0.2	1730 ℃
중국산 천연 규사		+0.42	+10.5	+0.5	1690 ℃
주문진산 천연 규사		+0.34	+7.6	+0.7	1560 ℃
3호사: 8 내지 12 메쉬(2.36~1.70 m/m) 4호사: 12 내지 18 메쉬(1.70~0.96 m/m) 5호사: 20 내지 40 메쉬(0.85~0.42 m/m) 6호사: 40 내지 70 메쉬(0.42~0.22 m/m) 7호사: 70 내지 200 메쉬(0.22~0.075 m/m)

상기 표 3을 살펴보면, 본 발명에 따라 얻어진 인조 규사의 경우 소성 수축율 시험시 팽창되는 정도가 천연 규사에 비해 매우 낮고, 내화도가 높으며 품질이 우수함을 알 수 있다.

특히 천연 규사의 경우 소성 수축율 시험시 팽창되는 정도가 매우 높았으며, 이는 SiO₂가 높은 온도에서 결정상 전이를 일으키면서 체적 변화가 발생함에 기인한다.

이와 비교하여 본 발명에 따른 인조 규사의 경우 다른 천연 규사와 비교하여 고온에서 팽창되는 비율이 낮아, 주물사로 사용시 몰드의 균열이나 기타 이상 발생이 없어 안정된 제품의 생산을 가능케 함을 알 수 있다.

( 실험예 5) 입자 형태 분석

상기 실시예 1에서 얻어진 인조 규사와 시판되는 천연 규사의 입형을 현미경으로 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 5a 내지 9에 나타내었다.

도 6a는 실시예 1에서 얻어진 인조 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진이고, 도 6b는 상기 도 6a의 확대 사진이며, 도 7은 호주산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진이고, 도 8은 베트남산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진이고, 도 9는 중국산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진이고, 도 10은 주문진산 천연 규사의 입자 형태를 보여주는 현미경 사진이다.

도 6a 내지 도 10을 참조하면, 본 발명에 따라 얻어진 인조 규사의 입형은 시판되는 천연 규사(도 7 내지 도 10 참조)의 입형과 유사한 형태를 보임을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의해 납석질 도석을 출발 원료로 하여 천연 규사에 비해 높은 Al₂O₃ 함량으로 내열성이 향상된 인조 규사를 제조하였다. 상기 인조 규사는 천연 규사의 대체 사용이 가능하며, 주형 몰드에 적용시 쇳물 연주 공정 작업시 발생하는 주형 몰드의 깨짐 및 크랙 현상을 해소한다.

Claims (8)

1. SiO₂ 72 내지 85 중량%, Al₂O₃ 10 내지 18 중량%, Fe₂O₃ 0.1 내지 1.0 중량%, CaO 0.2 내지 0.5 중량%, MgO 0.05 내지 0.2 중량%, K₂O 2 내지 6 중량%, 및 Na₂O 0.1 내지 1.0 중량%를 포함하는 인조 규사.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 인조 규사는 구형의 입자 모양을 가지며, 입자 크기가 6 내지 200 메쉬인 것인 인조 규사.
3. 제 1 항에 있어서,건조 수축율 +0.40 내지 +0.80% 로 팽창되고 소성 수축율 +1.2 내지 +3.5% 로 팽창되는 인조 규사.
4. 납석질 도석을 분쇄하고 분급하여 제조하는 제 1 항의 인조 규사의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 납석질 도석은 10∼18 중량%의 Al₂O₃, 72∼85 중량% SiO₂, 및 2∼6 중량%의 K₂O, 및 잔부로 기타 불순물을 포함하는 것인 인조 규사의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 분쇄는 100 내지 150 m/m로 1차 분쇄하고, 50 내지 70 m/m로 2차 분쇄하고, 0.1 내지 30 m/m로 3차 분쇄하고, 0.1 내지 3.0 m/m로 4차 분쇄하고, 0.1 내지 2.0 m/m로 5차 분쇄하는 공정을 거쳐 수행하는 것인 인조 규사의 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   추가로 상기 4차 분쇄 후 3.0 m/m 이상의 분말은 반송시켜 재분쇄하는 공정을 수행하는 것인 인조 규사의 제조방법.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 1차 및 2차 분쇄는 죠크랏샤 분쇄기로 수행하고, 3차 분쇄는 콘크랏샤 분쇄기로 수행하고, 4차 및 5차 분쇄는 햄머크랏샤 분쇄기로 수행하는 것인 인조 규사의 제조방법.

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