KR20200041243A - 광물성 섬유 및 섬유 판상체 제조 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
2 내지 3의 산도 계수를 갖는 미네랄 울을 일정 두께로 집면하여 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 이루어진 초기 섬유체로 적층하고 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 집면 편차가 개선되고 압축 강도가 우수한 섬유 판상체를 제조하는 장치 및 방법이 제공된다. 섬유 판상체 제조 장치는 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 얻은 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 상기 미네랄 울로서 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화하는 제섬기(1000)를 더 포함하고, 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산된다.
Description
본 발명은 광물성 섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄재를 이용하여 광물성 섬유 및 섬유 판상체를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
화력 발전소에서 전력 생산을 위하여 사용하는 유연탄의 연소 부산물인 비산재 또는 바닥재를 사용하여 무기 불연 단열재인 미네랄 울 섬유의 제조 설비 중 용융 설비에는 큐폴라 및 전기로 2가지가 이용되고 있다.
그 중 코크스를 사용하는 큐폴라는 CO2 가스 및 질소산화물 등 환경 오염 물질을 다량 배출하므로, 대규모의 환경 오염 방지 설비가 필요하다. 또한 큐폴라에 투입하는 바닥재는 성형 장치를 거쳐 성형탄을 제조하여 투입하여야 한다.
종래의 슬래그 울의 내열 온도가 650℃로 내화도가 낮아 화재 발생시 유지시간이 짧아 인명의 대피 시간이 부족하여 인명 피해가 많이 발생할 수 있는 단점이 있다.
이와 달리, 석탄재를 이용하여 내화도가 높은 미네랄 울을 제조하기 위하여는 원료를 사전에 혼합하여 성형탄을 제조하여 용융로에 투입하는 공정이 반드시 포함되어 있어 공정이 복잡하며, 이의 개선 방안으로 공정의 단순화가 필요하다.
한편, 종래의 수평식 집면기는 제품의 밀도가 집면기에서 결정되고 두께는 경화 오븐에서 결정되는 방식으로 생산되었으나 이러한 방식은 제품의 밀도와 두께에따라 집면 두께가 달라져 집면기의 흡인력이 달라져 제품의 집면 편차가 심하게 생겨서 제품의 품질에 영향을 미치게 되었다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 석탄재를 주 원료로 하고 백운석(CaMg(CO3)2) 또는 석회석 및 철강 슬래그를 부 원료로 하는 혼합 원료를 플라즈마 용융로에 투입하여 용융 처리하여 2 내지 3의 산도 계수를 갖는 미네랄 울을 제조하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 2 내지 3의 산도 계수를 갖는 미네랄 울을 일정 두께로 집면하여 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 이루어진 초기 섬유체로 적층하고 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 집면 편차가 개선되고 압축 강도가 우수한 섬유 판상체를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 광물성 섬유 제조 장치는 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료로 혼합하는 혼합기; 상기 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 미네랄 울 용융물을 얻는 플라즈마 용융로; 및 상기 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화하는 송풍기를 포함하며, 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합기는 상기 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 각각 저장하는 제1, 제2, 및 제3 사이로; 상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 계량하는 호퍼 스케일; 상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 혼합하여 미네랄 울 원료를 생성하는 라인 믹서; 및 상기 호퍼 스케일로부터의 상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 상기 라인 믹서로 이송하는 제1 이송 컨베이어를 포함하며, 플라즈마 용용로는 상기 혼합기의 라인 믹서로부터의 상기 미네랄 울 원료를 상향으로 올리는 버킷 엘리베이터; 상기 버킷 엘리베이터로부터의 상기 미네랄 울 원료를 저장하는 저장 탱크; 상기 혼합기의 라인 믹서로부터의 상기 미네랄 울 원료를 상기 버킷 엘리베이터로 이송하는 제2 이송 컨베이어; 상기 저장 탱크에 저장된 상기 미네랄 울 원료를 플라즈마 용용로로 이송하는 제3 이송 컨베이어를 포함하고, 상기 송풍기는 상기 플라즈마 용융로에 용융된 미네랄 울 용융물을 상기 송풍기로 일정하게 공급하기 위한 완충 역할을 하는 용액 버켓을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 섬유 판상체 제조 장치는 미네랄 울을 일정 두께로 집면하는 집면기; 및 상기 집면기로부터의 상기 일정 두께의 미네랄 울을 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 이루어진 초기 섬유체로 생성하고 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 압축 강도를 증가시키고 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체를 얻는 성형기를 포함할 수 있다.
상기 일정 두께는 30 mm 내지 40 mm의 범위이고, 상기 초기 섬유체의 두께는 상기 섬유 판상체의 두께 보다 두꺼울 수 있다.
상기 성형기는 상호 일정 거리 이격되어 대향 수직으로 설치되어 상기 일정 두께의 미네랄 울이 사이를 통과하는 동안 진자 운동에 의해 진자 운동에 의해 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 적층하는 한쌍의 진자; 상기 한쌍의 진자의 동작에 연동하여 동작하여 상기 한쌍의 진자로부터의 상기 다수의 미네랄 울을 초기 섬유체로 성형하는 성형 컨베이어; 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 상하 일정거리 이격되어 상기 한쌍의 진자로부터의 상기 초기 섬유체를 1:3의 비율로 상이한 속도로 이송시키는 상하 한쌍의 컨베이어 사이로 통과시켜 상기 초기 섬유체의 압축 강도를 증가시키는 클림핑 유닛; 상기 클림핑 유닛으로부터의 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체를 이송하는 프리 압착 롤러; 상기 프리 압착 롤러로부터의 상기 섬유 판상체를 고온으로 가열하여 경화하는 경화 오븐; 상기 프리 압착 롤러로부터의 상기 섬유 판상체를 상기 경화 오븐으로 진입시키는 진입 컨베이어; 및 상기 경화 오븐에 의해 경화된 상기 섬유 판상체를 냉각하는 냉각부를 포함할 수 있다.
상기 경화 오븐은 열기를 발생하는 적어도 하나의 버너; 및 상기 적어도 하나의 버너는 상기 섬유 판상체의 하부 전단 및 후단, 및 상부 전단 및 후단 상부 및 하부에 각각 설치되고, 상기 버너에 의해 발생된 열기를 상기 섬유 판상체로 송풍하는 적어도 하나의 송풍기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 송풍기는 상기 하부 전단 및 후단 버너의 하향에 각각 하나씩 설치되고, 상기 하부 전단 및 상기 하부 후단 버너 사이에 적어도 하나의 버너가 설치되고 인접 송풍기들 간의 송풍 방향이 반대일 수 있다.
섬유 판상체 제조 장치는 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 얻은 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 상기 미네랄 울로서 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화하는 제섬기(1000)를 더 포함하고, 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 섬유 판상체 제조 방법은 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 얻은 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화하는 단계; 및 상기 제섬기로부터 상기 미네랄 울을 일정 두께로 집면하는 단계; 및 상기 일정 두께의 미네랄 울을 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 이루어진 초기 섬유체로 생성하고 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 압축 강도를 증가시키고 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체를 얻는 단계를 포함하며, 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 바닥재 및 비산재와 같은 석탄재를 주 원료로 하고 백운석 또는 석회석 및 철강 슬래그를 부 원료로 하는 미네랄 울을 제조하기 위하여, 각 원료를 사전에 성형하여 용융 장치인 전기로에 투입하던 공정을 성형하지 않고 라인 혼합기를 이용하여 혼합한 원료를 플라즈마 전기로에 투입하여 공정을 단순화하고, 라인 혼합기를 이용한 혼합 원료의 배합비로 제조한 미네랄 울의 화학 조성으로 산도 계수 2 내지 3의 범위로 슬래그 울의 내열 온도가 650℃이인데 반해 본 발명의 미네랄 울의 내열 온도는 850℃로 내화도가 훨씬 높아 화재 발생시 유지시간이 길어 인명의 대피시간을 더 많이 확보할 수 있고 용융 온도를 감소하고 미네랄 울 용융물의 유동성을 증가하는 배합으로 할 수 있다.
본 발명은 또한 미네랄 울을 일정 두께로 집면하고 일정 두께의 미네랄 울을 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 이루어진 초기 섬유체로 적층하고 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 압축 강도를 증가시키고 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 집면 편차가 개선되고 압축 강도가 우수한 섬유 판상체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광물성 섬유 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 실시예에 산도 계수가 결정화 온도와의 관계를 나타내는 그래프들이다.
도 6은 산도 계수가 3일 경우 용융 상태인데도 점도가 높고 유동성이 낮아 용융물의 유동성이 없는 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 산도 계수가 2.8일 경우 용융물은 유동성이 확보되어 잘 흘러내리는 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제섬 조건에서 검사한 산도 계수를 나타낸 표이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유 판상체 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 진자 및 성형 컨베이어의 동작을 설명하는 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 클림핑 유닛을 이용하는 경우의 섬유 배열을 나타낸 도면이다.
도 12은 클림핑 유닛을 이용하지 않은 경우의 섬유 배열을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 실시예에 산도 계수가 결정화 온도와의 관계를 나타내는 그래프들이다.
도 6은 산도 계수가 3일 경우 용융 상태인데도 점도가 높고 유동성이 낮아 용융물의 유동성이 없는 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 산도 계수가 2.8일 경우 용융물은 유동성이 확보되어 잘 흘러내리는 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제섬 조건에서 검사한 산도 계수를 나타낸 표이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유 판상체 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 진자 및 성형 컨베이어의 동작을 설명하는 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 클림핑 유닛을 이용하는 경우의 섬유 배열을 나타낸 도면이다.
도 12은 클림핑 유닛을 이용하지 않은 경우의 섬유 배열을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광물성 섬유 제조 장치 및 방법을 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광물성 섬유 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광물성 섬유 제조 장치는 혼합기(100), 플라즈마 용용로(200), 및 송풍기(300)를 포함한다.
혼합기(100)는 화력 발전소에서 배출되는 석탄재(석탄 분말), 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료로 혼합한다.
백운석은 CaMg(CO3)2 광물과 그 광물로 구성된 암석 모두에 사용된다. 백운석(dolomite)은 방해석(Calcite;CaCO3) 및 아라고나이트(aragonite; CaCO3)와 함께 대표적인 탄산염 광물의 일종으로서 화학식은 CaMg(CO3)2이다. 보통 회백색을 띠며 이론적인 화학 조성비는 CaO: 30.4%, MgO: 21.9%, CO2: 47.4%(중량비)이고, 비중은 28~29이며, 모스(Mohs) 경도는 35~40이다. 석회암(Limestone)이 주로 방해석으로 구성되는데 반해 백운암(Dolostone)은 백운석으로 구성되며 석회암과 유사한 지질환경에서 형성되고 석회암을 교대하여 형성됨이 일반적이다.
우리나라의 석회석 매장량은 약 354억 톤으로 비교적 풍부한 편이고 주로 조선계 대석회암통에 부존하며, 그 부존 지역은 강원도와 충북 지역에 많이 편재하나 CaO 함량이 54% 이상인 고품위 석회석의 매장량은 빈약한 편이다. 석회석을 이용한 고부가가치 상품에는 침강성 탄산칼슘, 중질 탄산칼슘, 생석회, 소석회 등이 있다. 이중 중질 탄산칼슘은 제조 공정이 간단하고 제조 비용 또한 저렴하지만 품질이 원석의 품위나 분쇄 기술에 절대적으로 의존되기 때문에 고품위 석회석 매장량이 빈약한 우리나라에서는 고급의 중질 탄산칼슘을 제조하는데 어려움이 많다. 또한 고품위의 원석으로 제조한 중질 탄산칼슘일지라도 그 입도 분포와 형상은 제어가 곤란하기 때문에 입도 분포와 형상을 중요시하는 용도에는 사용하기 어려운 문제점이 있다. 한편 침강성 탄산칼슘은 화학적 반응을 통해 제조되기 때문에 입도 및 형상제어가 용이하여 서로 다른 입도나 형상을 갖는 여러 종류의 제품들이 생산되고 있으며, 대표적인 것으로는 능면체형 탄산칼슘, 교질 탄산칼슘, 방추형 탄산칼슘, 침상형 탄산칼슘 등이 있다. 탄산칼슘은 그 물리 화학적 특성이나 경제성에 따라 용도가 결정되며, 품질을 주로 입도, 입도의 균일성, 결정 형상. 백색도, 순도(산 불용분의 농도) 등에 의해 결정된다. 중질 탄산칼슘은 고무, 플라스틱, 도료, 제지용 충전제 등 30여 가지 용도에, 침강성 탄산칼슘은 고무용, 플라스틱, 의약, 제지용 코팅제 등 주로 값이 비싼 제품에 사용되어졌다. 그러나 산업의 발달은 재료의 용도와 품질 요건을 다양화하고, 고급화시키는 추세이고 탄산칼슘의 경우도 고급인 침강성탄산칼슘 수요가 더욱 증가하는 추세에 있으며 그 수입량 또한 증가하고 있다. 특히 제지 산업에서 침강성 탄산칼슘은 입자의 형상 및 크기의 제어가 뛰어나기 때문에 종이의 백색도, 불투명도, 잉크 수리성, 광택 등을 향상시켜 중질 탄산칼슘을 대체하고 있는 추세이다.
철강 슬래그는 선철을 전로에서 정련하여 불순물인 탄소,인,유황을 제거하여 강을 제조하는 과정중에 발생하는 것으로, 다양한 제조 강종에 따라 슬래그의 조성도 일정하지 않으므로 고로 슬래그 만큼 다른 제품의 제조를 위한 부원료 등으로 널리 사용할 수가 없고 건축용 골재나 잡석 등으로 사용되고 있는 정도이다. 즉, 철강 슬래그는 1,400℃ 이상의 고온에서 상온으로의 급냉과정을 거쳐 단순 파쇄 후에 도로용 보조기층 또는 기층용 골재 등 상당한 부가가치가 낮은 형태로 사용되고 있으며, 이 과정에서 신속한 공정의 진행을 위해 급냉이 이루어져 완전 결정화가 이루어지지 않아 유리질 상태로 존재하지만, 이들 철강 용융슬래그의 조성은 주로 CaO 20~45%, SiO2 10~20%, Al2O3 1~10% 등이 주성분으로 되어 있다. 이러한 철강 슬래그는 철광석, 코크스, 석회석을 원료로 하여 고로에서 선철을 만들어 내는 제선 공정에서 발생하는 고로 슬래그와 전로에서 철강을 제조하는 제강 공정에서 발생하는 전로 슬래그, 그리고 고철을 주원료로 사용하는 전기로에서 발생하는 전기로 슬래그 등으로 나눌 수 있다. 철강 산업에서는 원료 가격과 함께 에너지 가격이 생산 원가에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 세계 각국에서는 철강 산업에서의 합리적인 에너지 관리를 위해 노력하고 있으며, 그 하나로 각종 공정에서 배출되는 에너지를 회수하기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 철강 산업에서 배출되는 에너지라 함은 각 단위 공정의 생산물이나 부산물이 가지는 열에너지나 압력 에너지 중 공정에 재이용되지 않는 에너지를 말하고, 현재 많은 부분의 배출 에너지는 그 회수 기술이 개발되어 경제적인 효과를 상당히 나타내고 있으나, 아직도 회수하여 재활용할 수 있는 많은 에너지가 버려지고 있다.
상기 혼합기(100)는 제1, 제2, 및 제3 사이로(110, 120, 130), 호퍼 스케일(140), 라인 믹서(150), 및 제1 이송 컨베이어(160)를 포함한다. 제1, 제2, 및 제3 사이로(110, 120, 130)는 상기 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 각각 저장한다.
호퍼 스케일(140)은 상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 계량한다. 라인 믹서(150)는 상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료로 혼합한다. 제1 이송 컨베이어(160)는 상기 호퍼 스케일(140)로부터의 상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 상기 라인 믹서(150)로 이송한다.
플라즈마 용융로(200)는 상기 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 미네랄 울 용융물을 얻는다.
플라즈마란 고체, 액체, 기체에 더하여 이온화된 제4 물질 상태로서 기체보다 더 뜨거운 물질을 구성한다. 수천 ℃ 이상의 초 고온을 용이하게 얻을 수 있고, 태양, 번개, 오로라 등이 대표적인 플라즈마이고 형광등, 네온, PDP TV 등도 플라즈마에 해당한다. 플라즈마의 종류에는 고온 플라즈마 및 저온 플라즈마가 있다. 상기 고온 플라즈마에서는 이온과 전자가 완전 분리되고, 1억℃의 온도를 갖고 핵융합 발전 연구에 응용 가능하다. 상기 저온 플라즈마에서는 이온과 전자로 <1% 분리되고 대부분의 산업용 플라즈마로서 적용되고 냉 플라즈마(수백 ℃) 및 열 플라즈마(수만 ℃)로 분류된다.
플라즈마 용용로(200)는 버킷 엘리베이터(210), 저장 탱크(220), 제2 이송 컨베이어(230), 및 제3 이송 컨베이어(240)를 포함한다.
버킷 엘리베이터(210)는 상기 혼합기(100)의 라인 믹서(150)로부터의 상기 미네랄 울 원료를 상향으로 올린다. 저장 탱크(220)는 상기 버킷 엘리베이터(210)로부터의 상기 미네랄 울 원료를 저장한다.
제2 이송 컨베이어(230)는 상기 혼합기(100)의 라인 믹서(150)로부터의 상기 미네랄 울 원료를 상기 버킷 엘리베이터(210)로 이송한다. 제3 이송 컨베이어(240)는 상기 저장 탱크(220)에 저장된 상기 미네랄 울 원료를 플라즈마 용용로(200)로 이송한다.
송풍기(300)는 상기 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화한다. 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 다음 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산되며 미네랄 울과 슬래그 울을 구분하는 지표로서 사용되고 있다. 산도 계수(Mk)가 1.6 미만이면 슬래그 울이고, 1.6 이상이면 미네랄 울(암면)로 규정하고 있다. 통상적으로 미네랄 울을 생산하는 회사들은 Mk>1.8으로 카타로그에 기재하고 있는데 그 이유는 Mk 지수에 의해 규정된 슬래그 울의 내열 온도가 650℃이고, 미네랄 울의 내열 온도는 850℃로 내화도가 훨씬 높아 화재 발생시 유지시간이 길어 인명의 대피시간을 더 많이 확보할 수 있다는 이점이 있다. 미네랄 울의 결정화 존은 CS-C2AS-C2S(wollastonie-aluminum bersyl-calcium feldspar) 으로 pH가 4 이하가 되어 내수성이 슬래그 울보다 강하다. 슬래그 울의 결정화존은 CS-C2AS-CAS2(wollastonite-aluminum cistobalite-dicalcium silicate)으로 pH가 5이상이며, 심지어는 6까지 나와 내수성이 미네랄 울에 비하여 많이 떨어지게 된다. 도 2 내지 5는 본 발명의 실시예에 산도 계수가 결정화 온도와의 관계를 나타내는 그래프들이다(The effect of Acidity Coefficient Crysallization Bheavior of blast furnace furnace Fibers. High Temp. Mater. Proc. 2018.37(1): 33-37 참조).
산도 계수가 2.0 이상의 높은 제품이 필요하게 되었다. 높은 산도계수를 얻기 위하여는 SiO2와 Al2O3의 함량이 높은 배합비를 개발하여야 하며 이는 생산성과 원가에 미치는 영향까지 고려한 배합비이어야 한다. Si2O 및 Al2O3 함량이 높아 산도게수가 3.0 이상이 되면 용융 점도가 높아 유동성이 떨어지는 현상이 발생하고 점도가 높아져 섬유화가 어렵고, 생상된 섬유도 섬유 굵기가 커서 기준치인 7㎛ 이상이 되고 섬유가 되지 못한 미섬유 입자 함량이 높아 품질이 떨어지게 되므로 이론적인 배합비와 용융 시험을 거친 이상적인 배합비는 산도 계수가 2 내지 3이 되어야 한다. 도 6은 산도 계수가 3일 경우 용융 상태인데도 점도가 높고 유동성이 낮아 용융물의 유동성이 없는 예를 나타낸 도면이다. 도 7은 산도 계수가 2.8일 경우 용융물은 유동성이 확보되어 잘 흘러내리는 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제섬 조건에서 검사한 산도 계수를 나타낸 표이다.
도 8를 참조하면, 제섬 조건으로 가열 용융 온도가 1550℃ 내지 1600℃이고 송풍기의 송풍 속도는 10m/초 내지 100m/초이고 공기 압력은 3400mmAq인 조건에서 얻은 산도 계수로서 본 발명의 실시예에 따른 미네랄 울에서는 석탄재인 바닥재, 백운석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 32.32 중량 %, Al2O3 30.99 중량 %, CaO 15.91 중량 %, 및 MgO 7.32 중량 %, 그리고 불순물을 함유한 경우 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 적용하면, 산도 비율(계수) = (30.99+32.32)/(7.32+15.91) = 2.73, 즉 2 내지 3 범위의 산도 계수는 가져 용융 온도를 감소하고 미네랄 울 용융물의 유동성을 증가하는 배합으로 할 수 있다.
이에 반해, 상기한 함유 범위를 벗어난 종래 기술의 경우는 산도 계수가 3.51 또는 1.97로 2 내지 3 범위의 산도 계수를 벗어난다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유 판상체 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유 판상체 제조 장치는 제섬기(1000), 집면기(400), 및 성형기(2000)를 포함한다.
제섬기(1000)는 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 얻은 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울(암면)로 섬유화한다. 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 다음 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산된다.
표 1는 양면 보호판의 성능표이다.
| 번호 | 종류 | 단위 | KS L 9102 | 결과 | 비고 |
| 1 | 보온판 1호 | kg/m3 | 75, 80, 90 | 75 | |
| 허용치 | +규제없음- 15% |
±10 | |||
| 2 | 열전도율(w/m ℃) | 20℃ | 0.037 이하 | 0.033 | |
| 70℃ | 0.044 이하 | 0.040 | |||
| 3 | 열간 수축 온도 | ℃ | 600℃ | 693℃ | |
| 4 | 섬유의 평균 굵기 | μm | 7μm 이하 | 5.8μm | |
| 5 | 입자 함유율 | 35메쉬이상(0.54mm) | 4% 이하 | 2.80% | |
| 6 | 흡수율 | % | 1% 이하 | 0.90% |
표 2는 산면의 성능표이다.
| 번호 | 종류 | 단위 | KS L 9102 | 결과 | 비고 |
| 1 | 미네랑 울-산면 | kg/m3 | 150 | 149 | |
| 허용치 | |||||
| 2 | 열전도율(w/m ℃) | 20℃ | 0.037 이하 | 0.033 | |
| 70℃ | 0.044 이하 | 0.040 | |||
| 3 | 열간 수축 온도 | ℃ | 600℃ | 690℃ | |
| 4 | 섬유의 평균 굵기 | μm | 7μm 이하 | 5.8μm | |
| 5 | 입자 함유율 | 35메쉬이상(0.54mm) | 4% 이하 | 1.90% | |
| 6 | 흡수율 | % | 1% 이하 | 0.90% |
집면기(400)는 상기 제섬기(1000)로부터 상기 미네랄 울을 일정 두께로 집면한다. 상기 일정 두께는 30 mm 내지 40 mm의 범위인 것이 바람직하다.
성형기(2000)는 상기 집면기로부터의 상기 일정 두께의 미네랄 울을 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울(700)로 이루어진 초기 섬유체로 적층하고 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 압축 강도를 증가시키고 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체(3000)를 얻는다. 상기 초기 섬유체의 두께는 상기 섬유 판상체의 두께 보다 두껍다.
상기 성형기(2000)는 한쌍의 진자(2100), 성형 컨베이어(2200), 클림핑 유닛(2300), 경화 오븐(2500), 진입 컨베이어(2550), 및 냉각부(2600)를 포함한다.
도 10는 도 9에 도시된 진자 및 성형 컨베이어의 동작을 설명하는 도면이다.도 10를 참조하면, 한쌍의 진자(2100)는 상호 일정 거리 이격되어 대향 수직으로 설치되어 상기 일정 두께의 미네랄 울이 사이를 통과하는 동안 진자 운동에 의해 진자 운동에 의해 일정 회수(8.5회 내지 11.4회) 적층하여 다수겹의 미네랄 울(700)로 적층한다. 성형 컨베이어(2200)는 상기 한쌍의 진자(2100)의 동작에 연동하여 동작하여 상기 한쌍의 진자(2100)로부터의 상기 다수의 미네랄 울을 초기 섬유체로 성형한다.
클림핑 유닛(2300)은 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 상하 일정거리 이격되어 상기 한쌍의 진자로부터의 상기 초기 섬유체를 1:3의 비율로 상이한 속도로 이송시키는 상하 한쌍의 컨베이어 사이로 통과시켜 상기 초기 섬유체의 압축 강도를 증가시킨다. 도 11은 도 9에 도시된 클림핑 유닛을 이용하는 경우의 섬유 배열을 나타낸 도면이다. 도 12은 클림핑 유닛을 이용하지 않은 경우의 섬유 배열을 나타낸 도면이다.
프리 압착 롤러(2400)는 상기 클림핑 유닛(2300)으로부터의 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체(3000)를 이송한다.
경화 오븐(2500)은 상기 프리 압착 롤러(2400)로부터의 상기 섬유 판상체(3000)를 고온으로 가열하여 경화한다. 상기 경화 오븐(2500)은 열기를 발생하는 적어도 하나의 버너(2510); 및 상기 적어도 하나의 버너(2510는 상기 섬유 판상체(3000)의 하부 전단 및 후단, 및 상부 전단 및 후단 상부 및 하부에 각각 설치되고, 상기 버너(2510)에 의해 발생된 열기를 상기 섬유 판상체(3000)로 송풍하는 적어도 하나의 송풍기(2520)를 포함한다. 상기 적어도 하나의 송풍기(2520)는 상기 하부 전단 및 후단 버너(2510)의 하향에 각각 하나씩 설치되고, 상기 하부 전단 및 상기 하부 후단 버너(2510) 사이에 적어도 하나의 버너(2510)가 설치되고 인접 송풍기들(2520) 간의 송풍 방향이 반대인 것이 바람직하다.
진입 컨베이어(2550)는 상기 프리 압착 롤러(2400)로부터의 상기 섬유 판상체를 상기 경화 오븐(2500)으로 진입시킨다. 냉각부(2600)는 상기 경화 오븐(2500)에 의해 경화된 상기 섬유 판상체(3000)를 냉각한다.
100: 혼합기
110: 제1 사이로
120: 제2 사이로
130: 제3 사이로
140: 호퍼 스케일
150: 라인 믹서
160: 제1 이송 컨베이어
200: 플라즈마 용융로
210: 저장 탱크
220: 제2 이송 컨베이어
230: 제3 이송 컨베이어
300: 송풍기
310: 용액 버켓
400: 집면기
500: 성형부
1000: 제섬기
2000: 성형기
2100: 진자
2200: 성형 컨베이어
2300: 클림핑 유닛
2400: 프리 압착 롤러
2500: 경화 오븐
2510: 버너
2520: 송풍기
2550: 진입 컨베이어
2600: 냉각부
110: 제1 사이로
120: 제2 사이로
130: 제3 사이로
140: 호퍼 스케일
150: 라인 믹서
160: 제1 이송 컨베이어
200: 플라즈마 용융로
210: 저장 탱크
220: 제2 이송 컨베이어
230: 제3 이송 컨베이어
300: 송풍기
310: 용액 버켓
400: 집면기
500: 성형부
1000: 제섬기
2000: 성형기
2100: 진자
2200: 성형 컨베이어
2300: 클림핑 유닛
2400: 프리 압착 롤러
2500: 경화 오븐
2510: 버너
2520: 송풍기
2550: 진입 컨베이어
2600: 냉각부
Claims (8)
- 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료로 혼합하는 혼합기;
상기 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 미네랄 울 용융물을 얻는 플라즈마 용융로; 및
상기 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화하는 송풍기를 포함하며, 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산되는 광물성 섬유 제조 장치. - 제1 항에 있어서, 상기 혼합기는
상기 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 각각 저장하는 제1, 제2, 및 제3 사이로;
상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 계량하는 호퍼 스케일;
상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 혼합하여 미네랄 울 원료를 생성하는 라인 믹서; 및
상기 호퍼 스케일로부터의 상기 석탄재, 상기 백운석 또는 상기 석회석, 및 상기 철강 슬래그를 상기 라인 믹서로 이송하는 제1 이송 컨베이어를 포함하며,
플라즈마 용용로는
상기 혼합기의 라인 믹서로부터의 상기 미네랄 울 원료를 상향으로 올리는 버킷 엘리베이터;
상기 버킷 엘리베이터로부터의 상기 미네랄 울 원료를 저장하는 저장 탱크;
상기 혼합기의 라인 믹서로부터의 상기 미네랄 울 원료를 상기 버킷 엘리베이터로 이송하는 제2 이송 컨베이어;
상기 저장 탱크에 저장된 상기 미네랄 울 원료를 플라즈마 용용로로 이송하는 제3 이송 컨베이어를 포함하고,
상기 송풍기는 상기 플라즈마 용융로에 용융된 미네랄 울 용융물을 상기 송풍기로 일정하게 공급하기 위한 완충 역할을 하는 용액 버켓을 포함하는 광물성 섬유 제조 장치. - 미네랄 울을 일정 두께로 집면하는 집면기; 및
상기 집면기로부터의 상기 일정 두께의 미네랄 울을 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 이루어진 초기 섬유체로 생성하고 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 압축 강도를 증가시키고 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체를 얻는 성형기를 포함하는 섬유 판상체 제조 장치. - 제3 항에 있어서, 상기 일정 두께는 30 mm 내지 40 mm의 범위이고, 상기 초기 섬유체의 두께는 상기 섬유 판상체의 두께 보다 두꺼운 섬유 판상체 제조 장치.
- 제3 항에 있어서,
상기 성형기는 상호 일정 거리 이격되어 대향 수직으로 설치되어 상기 일정 두께의 미네랄 울이 사이를 통과하는 동안 진자 운동에 의해 진자 운동에 의해 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 적층하는 한쌍의 진자;
상기 한쌍의 진자의 동작에 연동하여 동작하여 상기 한쌍의 진자로부터의 상기 다수의 미네랄 울을 초기 섬유체로 성형하는 성형 컨베이어;
상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 상하 일정거리 이격되어 상기 한쌍의 진자로부터의 상기 초기 섬유체를 1:3의 비율로 상이한 속도로 이송시키는 상하 한쌍의 컨베이어 사이로 통과시켜 상기 초기 섬유체의 압축 강도를 증가시키는 클림핑 유닛;
상기 클림핑 유닛으로부터의 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체를 이송하는 프리 압착 롤러;
상기 프리 압착 롤러로부터의 상기 섬유 판상체를 고온으로 가열하여 경화하는 경화 오븐;
상기 프리 압착 롤러로부터의 상기 섬유 판상체를 상기 경화 오븐으로 진입시키는 진입 컨베이어; 및
상기 경화 오븐에 의해 경화된 상기 섬유 판상체를 냉각하는 냉각부를 포함하는 섬유 판상체 제조 장치. - 제5 항에 있어서, 상기 경화 오븐은 열기를 발생하는 적어도 하나의 버너; 및 상기 적어도 하나의 버너는 상기 섬유 판상체의 하부 전단 및 후단, 및 상부 전단 및 후단 상부 및 하부에 각각 설치되고,
상기 버너에 의해 발생된 열기를 상기 섬유 판상체로 송풍하는 적어도 하나의 송풍기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 송풍기는 상기 하부 전단 및 후단 버너의 하향에 각각 하나씩 설치되고, 상기 하부 전단 및 상기 하부 후단 버너 사이에 적어도 하나의 버너가 설치되고 인접 송풍기들 간의 송풍 방향이 반대인 섬유 판상체 제조 장치. - 제3 항 내지 제6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 얻은 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 상기 미네랄 울로서 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화하는 제섬기(1000)를 더 포함하고, 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산되는 섬유 판상체 제조 장치.
- 화력 발전소에서 배출되는 석탄재, 상기 석탄재의 용해를 촉진하는 백운석 또는 석회석, 및 철강 슬래그를 8:1:1의 배합비로 하고 Si2O 29 내지 33 중량 %, Al2O3 27 내지 32 중량 %, CaO 14.5 내지 16 중량 %, 및 MgO 7 내지 8 중량 %의 조성을 함유한 미네랄 울 원료를 플라즈마에 의해 1500℃ 내지 1700℃로 가열 용융 처리하여 얻은 미네랄 울 용융물에 공기를 송풍하여 2 내지 3의 산도 비율을 갖는 미네랄 울로 섬유화하는 단계; 및
상기 제섬기로부터 상기 미네랄 울을 일정 두께로 집면하는 단계; 및
상기 일정 두께의 미네랄 울을 일정 회수 적층하여 다수겹의 미네랄 울로 이루어진 초기 섬유체로 생성하고 상기 초기 섬유체가 수직 구조에 가깝게 랜덤하게 배열되도록 조절함으로써 압축 강도를 증가시키고 상기 초기 섬유체의 두께를 원하는 두께로 압착하여 섬유 판상체를 얻는 단계를 포함하며, 상기 미네랄 울 원료의 산도 비율은 산도 비율 = (Al2O3+Si2O)/(MgO+CaO)에 의해 계산되는 섬유 판상체 제조 방법.
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