KR20140114368A - 석고계 제품을 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석고계 제품을 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 용기 내에서 상승된 온도 및 압력 조건하에 물과 석고의 혼합물을 하소시켜 그 안에 알파-반수화물 슬러리를 생성시키는 단계; 및 알파-반수화물 슬러리를 용기로부터 혼합기로 통과시켜 추가의 물과 혼합시킴으로써 경화성 슬러리를 생성시키고, 이를 정렬하여 경화시킴으로써 석고계 제품을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 석고계(gypsum based ) 제품을 형성하는 방법에 관한 것이다.
석고는 황산칼슘 이수화물 형태의 원료로서 자연적으로 발생한다. 석고 함유 제품, 예컨대 플라스터보드는 하소(calcination)되거나 탈수된 석고, 즉 황산칼슘 반수화물과 물의 혼합물을 형성함으로써 경화성(settable) 슬러리를 형성하고, 그 후 이를 미리 결정된 형상으로 주조함으로써 제조된다. 반수화물은 물과 반응하여 이수화물 결정으로 재수화되며(re-hydrated), 그 후 이는 고체 상태로 경화되거나 건조된다.
반수화물 형태의 석고는 하소 과정(calcination process)에 의존하는 것으로 공지되어 있고, 두 가지 기본 형태, 즉 알파-반수화물 및 베타-반수화물로 분류된다. 전형적으로, 베타-반수화물은 대기 조건하에 석고를 가열하여 임의의 수분 및 화학적으로 결합된 물을 제거하여 건조된 결정을 형성함으로써 형성되고, 그 후 이는 미세 분말로 분쇄될 수 있다. 베타-반수화물은 슬러리 형성시 분쇄된 결정의 빠른 재수화로 인하여 석고 보드 또는 플라스터보드의 생산에서 오랫동안 유리한 반수화물이었다. 그러나, 베타-반수화물로부터 유래된 석고 제품은 전형적으로 연질이고, 베타-수화물은 필요한 슬러리 유동성을 생성하기 위해서 많은 양의 물을 필요로 한다.
알파-반수화물은 압력하에 석고를 가열하여 그와 결합된 물을 유사하게 제거함으로써 형성된다. 그러나, 알파-반수화물로부터 유래된 석고 제품은 베타-반수화물 유래된 석고와 비교하여 더 경질인 것으로 밝혀졌고, 더 높은 강도 및 밀도를 포함한다.
슬러리의 적절한 흐름성을 보장하기 위해서 석고 슬러리에서 상당량의 물을 사용할 필요가 있다. 불행하게도, 이러한 물의 대부분은 결국 가열함으로써 제거되어야 하고, 이는 가열 과정에 사용되는 연료가 고 비용이므로 값비싸다. 또한, 가열 단계는 시간 소모적이다. 알파-반수화물은 베타-반수화물보다 실질적으로 적은 물 수요를 갖는 것으로 공지되어 있으며, 이는 알파-반수화물이 벽판 제조에 사용될 수 있다면 실질적으로 물 수요가 감소되고 따라서 벽판을 생성하는데 필요한 비용과 시간이 감소됨을 의미한다. 이는 알파-반수화물과 관련된 추가의 장점이다.
그러나, 일반적으로 알파-반수화물은 석고 보드의 생산에서 상업적으로 사용되지 않는데, 이는 베타-반수화물과 비교하여 주로 그의 느린 수화 속도로 인하여 생산 라인을 따라 더 느린 보드 통과가 요구되기 때문이다.
국제 특허 출원 공개 제 WO2007/084346 호는 알파-유형 석고의 생성 방법을 개시하고 있다. 석고 슬러리를 오토클레이브로 전달하고, 여기에서 이를 전형적으로 3 내지 4 bar의 압력하에 약 280 ℉(약 137 ℃)의 온도로 가열하여 알파 반수화물로 전환시킨다. 슬러리는 압력 저하 밸브를 거쳐 오토클레이브를 빠져나가 플래쉬 탱크로 전달되고, 여기에서 이는 냉각되고, 과량의 스팀이 수집된다.
미국 특허 제 2008/0069762 호는 알파- 및 베타-스투코의 블렌드를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법은 석고 슬러리를 예컨대 149 ℃의 온도 및 예컨대 3.4 내지 4.8 bar의 압력에서 반응기에 유지시키는 슬러리 하소 단계를 포함한다. 황산칼슘 이수화물 및 알파 황산칼슘 반수화물을 포함하는 슬러리로서 부분적으로 하소된 석고 생성물을 반응기로부터 방출시키고, 축압기 탱크에 공급하는데, 이는 유지 탱크로서 작동하여 슬러리의 압력이 대기압으로 하강함에 따라 스팀 방출을 허용한다. 그 후, 슬러리를 축압기 탱크로부터 방출시키고, 탈수 유닛에 공급하고, 여기서 물이 제거되어 탈수된 고체-함유 생성물 및 제거된 물 스트림이 생성된다. 탈수된 생성물은 2 내지 6 중량%의 자유수(free water) 수분 함량을 가진다. 탈수된 생성물 중 모든 석고 또는 대부분의 석고를 베타 황산칼슘 반수화물로 전환시키는 조건에서 탈수된 생성물을 보드 스투코 캐틀 하소기(stucco kettle calciner)로 공급한다.
제 1 양태로부터 알 수 있는 본 발명에 따르면, 석고계 제품을 형성하는 방법으로서,
용기 내에서 상승된 온도 및 압력 조건하에 물과 석고의 혼합물을 하소시켜 그 안에 알파-반수화물 슬러리를 생성시키는 단계; 및
알파-반수화물 슬러리를 용기로부터 혼합기로 통과시켜 추가의 물과 혼합시킴으로써 경화성 슬러리를 생성시키고, 이를 정렬하여 경화시킴으로써 석고계 제품을 형성하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
유리하게는, 본 방법은 통상적인 경화성 슬러리의 형성과 관련된 반수화물을 건조하는 요건을 제거하였고, 따라서 상기 방법의 에너지 수요를 감소시킨다. 게다가, 베타-반수화물과 비교하여 알파-반수화물 경화성 슬러리의 목적하는 유동성을 달성하는 것과 관련된 감소된 물 양은 석고 제품의 건조 동안 제거되어야 하는 물이 더 적기 때문에 추가의 에너지 절약을 제공한다.
바람직하게는, 하소 단계는 용기에 실질적으로 자유 공간이 없도록 용기를 물 및 석고로 실질적으로 충전하여, 석고 하소 동안 생성된 물이 증발하는 것을 방지하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상승된 온도는 110 내지 170 ℃, 바람직하게는 120 내지 150 ℃, 보다 바람직하게는 130 내지 140 ℃ 범위의 온도를 포함한다.
전형적으로, 압력은 작동 온도에 따라 조정되고, 작동 압력은 작동 온도에서 스팀의 증기압에 상응한다. 바람직하게는, 상승된 압력은 2 내지 8 bar, 보다 바람직하게는 3 내지 5 bar의 압력을 포함한다.
본 방법은 바람직하게는 하소 단계 후 알파-반수화물 슬러리를 냉각시키는 단계를 추가로 포함한다. 전형적으로, 알파-반수화물 슬러리를 냉각시키는 단계는 알파-반수화물 슬러리를 약 2 내지 8 bar의 상승된 압력에서 여전히 유지하는 동안 발생된다. 전형적으로, 알파-반수화물 슬러리를 냉각시키는 단계는 열 교환기를 사용하여 수행된다. 바람직하게는, 알파-반수화물을 100 ℃ 미만, 예컨대 90 ℃의 온도로 냉각시킨다.
바람직하게는, 알파-반수화물 슬러리를 냉각시키는 단계 후, 슬러리를 1 bar의 압력(즉, 대기압)으로 감압시킨다.
전형적으로, 본 방법은 알파-반수화물 슬러리에 작용하는 압력을 감소시키는 단계 후, 알파-반수화물 슬러리로부터 물을 실질적으로 분리하는 단계를 추가로 포함한다. 이는, 예컨대 벨트 필터 또는 원심 분리기, 즉 하이드로클론을 사용하여 수행될 수 있다. 바람직하게는, 이 경우, 분리된 물은 새로운 양의 석고와의 혼합물을 위해 순환되어, 추가의 하소 과정을 시작하기 위해 용기로 도입된다. 이 경우, 분리된 물 내에 함유된 열 에너지는 예컨대 110 내지 180 ℃의 상승된 온도를 달성하기 위해 용기를 가열하기 위한 필요성을 감소시킨다.
물을 알파-반수화물 슬러리로부터 분리하는 경우, 남아 있는 슬러리의 자유수 함량은 전형적으로 1 내지 30 중량%, 바람직하게는 5 내지 30 중량%, 보다 바람직하게는 8 내지 30 중량%이다.
바람직하게는, 본 방법은 알파-반수화물 슬러리를 분쇄하여 그 안의 미립자 크기를 감소시키는 단계를 추가로 포함한다. 알파-반수화물 슬러리를 분쇄함으로써 알파-반수화물 입자의 반응성이 더 커지고, 따라서 경화성 슬러리를 형성하는 단계 동안에 알파-반수화물 입자의 수화 속도가 증가하는 것으로 여겨진다. 알파-반수화물 슬러리를 분쇄하는 단계는 습윤 분쇄 기법을 사용하여 수행될 수 있다. 이 경우, 분쇄는 50 ℃ 이상, 바람직하게는 70 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 80 ℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다.
하소 단계 동안 알파-반수화물 입자의 크기를 조절하는 방법은 당해 분야에 공지되어 있고, 분쇄 단계를 대신하여 또는 분쇄 단계에 추가하여 사용될 수 있다.
바람직하게는, 알파-반수화물 슬러리를 하소 용기로부터 혼합기로 통과시키는 단계 동안, 알파-반수화물 슬러리의 온도를 70 ℃ 이상에서 유지시킨다. 이러한 수준으로 알파-반수화물 슬러리의 온도를 유지시킴으로써, 알파-반수화물 슬러리가 혼합기로 입장할 때까지 경화성 석고 제품을 형성하기 위한 알파-반수화물 입자의 수화가 방지될 수 있는 것으로 여겨진다. 바람직하게는, 알파-반수화물 슬러리의 온도를 80 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 85 ℃ 이상에서 유지시킨다.
또한, 입자가 혼합기로 입장할 때까지 알파-반수화물 입자의 수화를 더욱 방지하기 위해서, 알파-반수화물 슬러리를 하소 용기로부터 혼합기로 통과시키는 단계가 너무 오래 걸리지 않는 것이 바람직하다. 전형적으로, 알파-반수화물 슬러리가 하소 용기로부터 혼합기로 통과하는데 걸리는 시간은 120 분 미만, 바람직하게는 60 분 미만, 보다 바람직하게는 30 분 미만이다.
알파-반수화물 슬러리와의 혼합을 위한 혼합기에서의 냉각수(예컨대, 약 20 내지 30 ℃)의 첨가는 알파-반수화물 슬러리의 온도를 급격하게 감소시킴으로써 알파-반수화물 입자의 수화를 촉진시켜 경화성 석고 제품을 형성시키는 것으로 여겨진다.
본 방법은 혼합기 내에서 반수화물 슬러리에 하나 이상의 추가의 첨가제, 예컨대 가속제 및 발포제를 첨가하는 것을 추가로 포함한다.
바람직하게는, 석고계 제품은 석고 보드를 포함한다.
제 2 양태로부터 알 수 있는 본 발명에 따르면, 석고계 제품을 형성하는 방법으로서,
용기 내에서 상승된 온도 및 압력 조건하에 물과 석고의 혼합물을 하소시켜 그 안에 알파-반수화물 슬러리를 생성시키는 단계; 및
알파-반수화물 슬러리를 용기로부터 혼합기로 통과시켜 추가의 물과 혼합시킴으로써 경화성 슬러리를 생성시키고, 이를 정렬하여 경화시킴으로써 석고계 제품을 형성하는 단계를 포함하되, 이때 알파-반수화물 슬러리가 건조 단계를 겪지 않고 용기로부터 혼합기로 통과하는, 방법이 제공된다.
제 2 양태의 방법의 바람직한 특징은 제 1 양태의 방법의 바람직한 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 방법과 관련된 단계의 개략도를 제공한다.
이제, 본 발명의 실시양태는 본 발명의 실시양태에 따른 방법과 관련된 단계의 개략도를 제공하는 첨부된 도면을 참고로 하여 오직 예로서만 기재될 것이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시양태에 따른 방법은 대략 석고 1 부 대 물 1.5 부의 비율의 물과 석고(10)의 혼합물(20)을 형성하고, 혼합물을 가압기(30)에서 가압하고, 이를 열 교환기(40)(예컨대, 물/물 열 교환기)에 의해 예열하는 초기 단계를 포함한다. 그 후, 혼합물은 예컨대 펌프에 의해 또는 긴 워터(long water) 칼럼에서 하소 용기(50)로 도입된다. 이어서, 혼합물은 130 내지 140 ℃ 범위의 온도로 가열되고, 용기(50)는 3 내지 5 bar 범위의 압력으로 가압된다. 용기(50)는 그 안의 임의의 자유 공간을 제거하도록 혼합물로 실질적으로 충전되어, 용기(50) 내의 물 및 주로 석고의 하소 과정으로부터 유래되는 물이 증발되어 용기(50)로부터 탈출하는 것을 방지한다.
하소 단계 후, 물과 알파-반수화물 슬러리(60)의 생성된 혼합물은 열 교환기(40)를 사용하여 약 90 ℃의 온도로 냉각되고, 감압기(70)에서 감압된 후 분리 유닛(80)으로 통과하며, 이때 반수화물 슬러리는 물로부터 실질적으로 분리된다. 물은 분리 유닛(80)으로부터 다시 용기(50)로 순환되어 후속 물 및 석고가 용기(50)로 들어가기 전에 예열되고, 따라서 혼합물의 가열과 관련된 에너지 수요가 감소된다. 약 6% 물을 포함하는 알파-반수화물 슬러리는 분리 유닛(80)으로부터 혼합기(90)로 통과하여, 물(100) 및 선택적인 첨가제, 예컨대 가속제(110)(경화 시간을 감소하기 위함) 및 발포제(120)를 첨가하여 경화성 슬러리를 생성시키는 것을 포함하는 슬러리의 후속 과정이 일어난다. 그러나, 또한, 후속 과정은 알파-반수화물 슬러리가 혼합기(90)로 도입되기 전에 반수화물 슬러리를 분쇄하여(예컨대, 스크류 분쇄기(140)에서) 그 안에 놓인 미립자의 크기를 감소시키는 단계를 추가로 포함할 수 있는 것으로 예상된다. 이러한 관점에서, 반수화물 슬러리는 혼합기(90)로 통과하여 임의의 건조 단계를 겪지 않으면서 필요한 유동성 및 경화 특성을 달성하며, 이에 따라 석고 제품의 생산시 에너지 수요가 감소된다. 게다가, 석고 제품, 예컨대 플라스터보드의 후속 제조를 위해 생산 라인(130)으로 통과되는, 30 내지 40% 물을 포함하는 생성된 경화성 슬러리는 베타-반수화물 경화성 슬러리의 목적하는 유동성을 달성하기 위해 필요한 물의 양과 비교하여, 알파-반수화물 경화성 슬러리의 목적하는 유동성을 달성하기 위해 필요한 물의 양이 감소하였으므로 경화를 덜 필요로 할 것이다. 알파-반수화물은 전형적으로 베타-반수화물보다 더 느린 수화 속도를 갖기 때문에, 알파-반수화물 슬러리에 대한 경화 시간은 전형적으로 베타-반수화물 슬러리보다 더 길다. 따라서, 석고 보드의 제조시에, 일반적으로 알파-반수화물 슬러리를 사용하는 경우 슬러리를 경화하기에 충분한 시간을 제공하도록 보다 긴 성형 벨트를 갖는 것이 바람직하다.
Claims (17)
- 석고계 제품(gypsum based product)을 형성하는 방법으로서,
용기 내에서 상승된 온도 및 압력 조건하에 물과 석고의 혼합물을 하소시켜 그 안에 알파-반수화물 슬러리를 생성시키는 단계; 및
상기 알파-반수화물 슬러리를 상기 용기로부터 혼합기로 통과시켜 추가의 물과 혼합시킴으로써 경화성(settable) 슬러리를 생성시키고, 이를 정렬하여 경화시킴으로써 상기 석고계 제품을 형성하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 알파-반수화물 슬러리의 상기 물 함량을 감소시켜 상기 알파-반수화물 슬러리로부터 분리된 물 스트림을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 하소 단계가 상기 용기에 실질적으로 자유 공간이 없도록 용기를 물 및 석고로 실질적으로 충전하여, 상기 석고 하소 공정(calcination) 동안 생성된 물이 증발하는 것을 방지하는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상승된 온도가 110 내지 170 ℃ 범위의 온도를 포함하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상승된 압력이 2 내지 8 bar 범위의 압력을 포함하는 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
물과 석고의 상기 혼합물을 하소시키는 단계 후에 상기 알파-반수화물 슬러리를 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 알파-반수화물 슬러리를 100 ℃ 미만의 온도로 냉각하는 방법. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 알파-반수화물 슬러리를 냉각하는 단계 후에, 상기 슬러리를 감압하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 분리된 물 스트림을 순환시켜 상기 용기로 들어가기 전 추가의 석고를 예열하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 알파-반수화물 슬러리의 상기 물 함량을 감소시키는 단계 후, 상기 알파-반수화물 슬러리의 상기 물 함량이 1 내지 10 중량% 범위에 속하는 방법. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알파-반수화물 슬러리를 분쇄하여 그 안의 미립자의 크기를 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알파-반수화물 슬러리를 상기 용기로부터 상기 혼합기로 통과시키는 단계가 상기 알파-반수화물 슬러리의 온도를 70 ℃ 이상에서 유지시키는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알파-반수화물 슬러리가 상기 용기로부터 상기 혼합기로 통과하는데 걸리는 시간이 120 분 미만인 방법. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반수화물 슬러리에 물을 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
하나 이상의 첨가제, 예컨대 가속제 및/또는 발포제를 상기 혼합기 안에서 상기 반수화물 슬러리에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 석고계 제품이 석고 보드를 포함하는 방법. - 석고계 제품을 형성하는 방법으로서,
용기 내에서 상승된 온도 및 압력 조건하에 물과 석고의 혼합물을 하소시켜 그 안에 알파-반수화물 슬러리를 생성시키는 단계; 및
상기 알파-반수화물 슬러리를 상기 용기로부터 혼합기로 통과시켜 추가의 물과 혼합시킴으로써 경화성 슬러리를 생성시키고, 이를 정렬하여 경화시킴으로써 상기 석고계 제품을 형성하는 단계를 포함하되, 이때 상기 알파-반수화물 슬러리가 건조 단계를 겪지 않고 상기 용기로부터 상기 혼합기로 통과되는,
방법.
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