KR20210080101A - 무기섬유 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

무기섬유 제조방법 및 그 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기섬유 제조방법 및 그 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조방법은, 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 준비하는 단계; 원료를 용해하는 단계; 및 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;를 포함한다.

Description

무기섬유 제조방법 및 그 제조장치{THE MANUFACTURING METHOD AND MANUFACTURING DEVICE OF THE INORGANIC FIBER}
본 발명은 무기섬유 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 가스분무 시스템을 이용하여 고내열특성을 갖는 무기섬유 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.
건축물 화재 시 발생하는 인명 피해의 가장 큰 원인은 유독가스에 의한 질식사이다. 특히 일반적으로 많이 사용되는 우레탄계 유기질 단열재가 불에 탈 경우에는 강한 폭발과 유독가스가 발생해 큰 인명 피해로 이어진다. 가격이 싸고 취급이 편리해 현재 국내 유기질 단열재의 비중은 80%에 육박한다. 이와 관련된 업계를 중심으로 더 이상 공사비 절감을 이유로 화재에 취약한 유기질 단열재 사용을 방치해선 안된다는 의견이 확산되고 있다. 건축산업에서 미네랄울을 이용한 단열재 적용법은 폴리우레탄이나 폴리스티렌에 비하여 연소의 우려가 없으므로 화재시 CO가스발생의 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다. 뿐만 아니라 단열성까지 뛰어나고 입자가 굵어 인체에 흡입이 어려운 비흡입성 섬유로 이루어져 있으며, 설사 흡입이 된다 하더라도 커피보다 안전한 그룹 3에 해당되어 그 건강안정성을 국제 암연구기관(IARC)에서도 인정받고 있다.
한편, 천연광석 또는 제철공정/산업공정에서 발생하는 부산물을 활용하여 내열성이 우수한 무기섬유 제조가 활발히 진행되고 있다. 이러한 부산물 또는 광석의 고부가 가치화를 위한 연구는 계속 진행되어 부산물의 고부가가치 기술로 인정받고 있다. 미네랄울은 2012년 기준 약 6조원 시장의 규모를 가지며 최근 아시아/태평양 지역의 개발 도상국의 공장건설, 선박 건조량 증가에 따른 성장률이 매우 크다고 전망되고 있다. 또한 사용온도의 범위가 넓고 다양한 용도에 맞춰 여러 형태로 생산되기 때문에 보온, 보냉, 단열, 내화, 흡음, 결로방지 등을 필요로 하는 모든 건축물은 물론 산업설비, 조선공업 등에 꼭 필요한 경제적인 단열재로 각광받고 있다.
종래의 미네랄울 제조방법은 규산칼슘계의 광석을 고온에서 용융한 후 여러 개의 구멍을 가진 회전기통 스피너가 고속회전력을 이용하여 구멍으로 원료를 고속분사하고 고온가스 제트스트림에 의해 섬유화한 뒤 바인더를 사용하여 일정한 형태로 성형한다. 도 1에는 종래의 원심공법(Spinning Process)를 활용한 섬유제조 공정도를 보여준다. 즉 높은 온도와 회전으로 용해하여 섬유를 제조하게 되는데 가장 범용적으로 사용되고 있는 기술은 고속회전 원심공법(Rapidly Centrifugal Spinning Process)으로써 용강이 회전하는 회전분사기에 투입되며 원심분리의 힘에 의해 수평으로 던져진다. 이때 공기분출기가 만들어지는 섬유를 수직으로 내려가게 하면서 섬유가 챔버에 쌓이게 된다. 이는 슬래그 및 폐재 등을 사용하고 있지만, 운반 및 재용융단계를 거치는 어려움이 있다. 또한 고속회전공법을 사용하므로 회전속도 또는 공정조건 등을 제어하므로 다른 단열재에 비하여 가격이 비싸며, 조절제어가 필수적으로 요구되는 등 섬유의 물리적 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 슬래그를 냉각 후 이동하여 고속회전 원심공법에 사용하기 위해 재용융되는 열도 원가 상승에 큰 요인이 된다. 섬유 제조시 슬래그 용융에 사용되는 열에너지를 절감하며 또한 섬유 제조 후 발생된 폐열을 효율적으로 회수하여 원가 절감형 슬래그의 고부가가치 및 폐열회수를 동시에 충족하는 신공정의 미네랄울 제조방법이 필요하다. 미네랄울 제조시 섬유굵기 제어를 좀더 용이하게 하여 단열특성을 향상시키고자 하며, 실제로 경제성을 향상시키기 위해서는 제조 원가 중 큰 비중을 차지하는 섬유제조공정을 효율적으로 디자인하는 것이 필요하다.
본 발명은 무기섬유 제조방법 및 그 제조장치를 제공한다. 보다 구체적으로, 가스분무 시스템을 이용하여 고내열특성을 갖는 무기섬유 제조방법 및 그 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조방법은, 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 준비하는 단계; 원료를 용해하는 단계; 및 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;를 포함한다.
용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;는, 가스분무시의 온도, 가스압, 가스유량, 노즐의 충돌각도, 노즐의 직경 중 어느 하나 이상을 제어하는 것일 수 있다.
이때, 가스분무시의 온도는 1450 내지 1600 ℃로 제어하는 것일 수 있다.
가스압은 4 내지 8 bar로 제어하는 것일 수 있다.
가스유량은 6 내지 12 Nm3/min로 제어하는 것일 수 있다.
노즐의 충돌각도는 5 내지 20 °로 제어하는 것일 수 있다.
노즐의 직경은 5 내지 12 mm로 제어하는 것일 수 있다.
용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;는, 가스분무된 무기섬유가 자유 낙하(free fall)하는 것일 수 있다.
산업 슬러지는 현무암 석분 슬러지, SiO2 슬러지, 및 철강공정 부산물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계; 이후, 무기섬유를 싸이클론에서 수득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조장치는, 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 용해하는 도가니; 용해된 원료를 담는 호퍼; 및 호퍼의 하부에 위치하며, 상기 용해된 원료를 가스분무하는 노즐;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조장치는, 가스분무시의 온도, 가스압, 가스유량, 노즐의 충돌각도, 노즐의 직경 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
제어부는, 상기 가스분무시의 온도는 1450 내지 1600 ℃로, 가스압은 4 내지 8 bar로, 가스유량은 6 내지 12 Nm3/min로, 노즐의 충돌각도는 5 내지 20 °로, 노즐의 직경은 5 내지 12 mm로 제어하는 것일 수 있다.
각각을 나열하자면, 가스분무시의 온도는 1450 내지 1600 ℃로 제어하는 것일 수 있다.
제어부는, 가스압은 4 내지 8 bar로 제어하는 것일 수 있다.
제어부는, 가스유량은 6 내지 12 Nm3/min로 제어하는 것일 수 있다.
제어부는, 노즐의 충돌각도는 5 내지 20 °로 제어하는 것일 수 있다.
제어부는, 노즐의 직경은 5 내지 12 mm로 제어하는 것일 수 있다.
제어부는, 도가니는 전기로 또는 유도가열 도가니일 수 있다.
무기섬유 제조장치는 자유 낙하 타입(free fall type)일 수 있다.
무기섬유를 수득하는 싸이클론을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조방법은 초기 천연광석 또는 산업 부산물로부터 무기섬유를 연속적으로 제조할 수 있다. 무기섬유를 연속적을 제조함으로써 기존 스피너휠의 끈적거려 달라붙는 현상(Sticky 현상)으로 발생되는 용융물의 부착을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조방법은 종래의 무기섬유 제조방법 대비, 생산 지속성이 높다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조방법은 내부 현열을 이용할 수 있으며, 따라서 현열 회수가 가능한 제조방법 또는 제조장치의 구현으로, 노즐 및 분사 공정을 자유롭게 제어하여 섬유의 굵기 및 길이 등 원하는 특성을 갖는 무기섬유를 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 원심공법(Spinning Process)를 활용한 섬유제조 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조장치의 개략도이다.
본 명세서에서, 제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서, 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에서, 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
본 발명의 일 실시예에서 추가 원소를 더 포함하는 것의 의미는 추가 원소의 추가량 만큼 잔부인 철(Fe)을 대체하여 포함하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조방법은, 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 준비하는 단계; 원료를 용해하는 단계; 및 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;를 포함한다.
먼저, 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 준비하는 단계를 거친다.
이때, 광석은 천연 광석일 수 있다. 산업 슬러지는 구체적으로 현무암 석분 슬러지, SiO2 슬러지 등의 산업 슬러지일 수 있으며, 철강 공정에 의해 나오는 부산물, 슬래그, 더스트(dust) 등일 수 있다.
이 단계에서의 원료는 내열 특성을 가지는 원료일 수 있으며, 내열 특성을 가지도록 재료를 배합한 것일 수 있다.
다음으로, 원료를 용해하는 단계를 거친다.
이 단계는, 원료의 녹는점 이상으로 원료를 용융하는 단계일 수 있다. 원료의 성분에 따라 다르겠지만, 구체적으로 1400 내지 1650 ℃ 일 수 있다.
원료의 용해는 전기로 또는 유도가열 도가니에서 실시할 수 있다.
원료가 용해된 용융물은 그 배합 원료가 완전히 혼합(fully mixing)된 것일 수 있다.
원료를 용해하는 단계 이후, 용융물을 안정화시키는 단계를 포함할 수 있다.
다음으로, 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계를 거친다.
가스분무는 노즐을 이용할 수 있으며, 노즐은 자유 낙하 타입(free fall type)일 수 있다.
구체적으로 이 단계는, 가스분무시의 온도, 가스압, 가스유량, 노즐의 충돌각도, 노즐의 직경 중 어느 하나 이상을 제어하는 것일 수 있다.
또한, 가스분무 속도, 또는 제트거리를 제어하는 것일 수 있다.
이때, 가스분무시의 온도는 1450 내지 1600 ℃로 제어하는 것일 수 있다.
가스압은 4 내지 8 bar로 제어하는 것일 수 있다.
가스유량은 6 내지 12 Nm3/min로 제어하는 것일 수 있다.
노즐의 충돌각도는 5 내지 20 °로 제어하는 것일 수 있다.
노즐의 직경은 5 내지 12 mm로 제어하는 것일 수 있다.
또한, 용융물 대비 가스의 양의 비를 제어할 수 있으며, 그 제어되는 수치는 0.5 내지 2.0일 수 있다. 이때의 용융물 대비 가스의 양의 비는 가스 분사시의 용해된 원료, 즉 용탕을 섬유화하는 데에 사용하는 가스 사용량의 비를 의미할 수 있다.
용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;는, 가스분무된 무기섬유가 자유 낙하(free fall)하는 것일 수 있다.
용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계; 이후, 무기섬유를 싸이클론에서 수득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
가스분무 후 제조되는 무기섬유의 내열수축온도는 625℃ 이상일 수 있다. 내열수축온도가 625℃ 이상이어야 하는 것은 KS 규격이기 때문이다.
제조되는 무기섬유는 내열 특성을 가지는 것일 수 있다. 또한, 내화 섬유일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조장치는, 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 용해하는 도가니; 용해된 원료를 담는 호퍼; 및 호퍼의 하부에 위치하며, 상기 용해된 원료를 가스분무하는 노즐;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조장치의 개략도를 도 2에 나타내었다.
이때, 광석은 천연 광석일 수 있다. 산업 슬러지는 구체적으로 현무암 석분 슬러지, SiO2 슬러지 등의 산업 슬러지일 수 있으며, 철강 공정에 의해 나오는 부산물, 슬래그, 더스트(dust) 등일 수 있다.
또한, 원료는 내열 특성을 가지는 원료일 수 있으며, 내열 특성을 가지도록 재료를 배합한 것일 수 있다.
도가니는 전기로 또는 유도가열 도가니일 수 있다. 도가니에서 원료가 용융될 수 있다. 구체적으로 1400 내지 1650℃의 온도에서 완전히 용융될 수 있다.
노즐은 용탕이 분사되기 위한 오리피스 상단에 위치할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 무기섬유 제조장치는, 가스분무시의 온도, 가스압, 가스유량, 노즐의 충돌각도, 노즐의 직경 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다. 제어부는 가스분무 속도, 또는 제트거리를 더 제어할 수 있다.
제어부는, 가스분무시의 온도는 1450 내지 1600 ℃로, 가스압은 4 내지 8 bar로, 가스유량은 6 내지 12 Nm3/min로, 노즐의 충돌각도는 5 내지 20 °로, 노즐의 직경은 5 내지 12 mm로 제어하는 것일 수 있다. 각각을 나열하자면, 가스분무시의 온도는 1450 내지 1600 ℃로 제어하는 것일 수 있다. 제어부는, 가스압은 4 내지 8 bar로 제어하는 것일 수 있다. 제어부는, 가스유량은 6 내지 12 Nm3/min로 제어하는 것일 수 있다. 제어부는, 노즐의 충돌각도는 5 내지 20 °로 제어하는 것일 수 있다. 제어부는, 노즐의 직경은 5 내지 12 mm로 제어하는 것일 수 있다. 제어부는, 도가니는 전기로 또는 유도가열 도가니일 수 있다.
또한, 제어부는, 용융물 대비 가스의 양의 비를 제어할 수 있으며, 그 제어되는 수치는 0.5 내지 2.0일 수 있다.
무기섬유 제조장치는 자유 낙하 타입(free fall type)일 수 있다. 보다 구체적으로, 무기섬유 제조장치의 노즐이 자유 낙하 타입일 수 있다.
무기섬유를 수득하는 싸이클론을 더 포함할 수 있다.
무기섬유 제조장치는 용융물 안정화 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 준비하는 단계;
    상기 원료를 용해하는 단계; 및
    상기 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;
    를 포함하는 무기섬유 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;는,
    가스분무시의 온도, 가스압, 가스유량, 노즐의 충돌각도, 노즐의 직경 중 어느 하나 이상을 제어하는 것인 무기섬유 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스분무시의 온도 제어는 1450 내지 1600 ℃로 제어하는 것인 무기섬유 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가스압의 제어는 4 내지 8 bar로 제어하는 것인 무기섬유 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 가스유량의 제어는 6 내지 12 Nm3/min로 제어하는 것인 무기섬유 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 노즐의 충돌각도의 제어는 5 내지 20 °로 제어하는 것인 무기섬유 제조방법.
  7. 제2항에 있어서
    상기 노즐의 직경의 제어는 5 내지 12 mm로 제어하는 것인 무기섬유 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계;는,
    상기 가스분무된 무기섬유가 자유 낙하(free fall)하는 것인 무기섬유 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산업 슬러지는 현무암 석분 슬러지, SiO2 슬러지, 및 철강공정 부산물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것인 무기섬유 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 용해된 원료를 가스분무하여 무기섬유를 제조하는 단계; 이후,
    상기 무기섬유를 싸이클론에서 수득하는 단계;
    를 더 포함하는 무기섬유 제조방법.
  11. 광석 및 산업 슬러지 중 어느 하나 이상을 포함하는 원료를 용해하는 도가니;
    상기 용해된 원료를 담는 호퍼; 및
    상기 호퍼의 하부에 위치하며, 상기 용해된 원료를 가스분무하는 노즐;
    을 포함하는 무기섬유 제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    가스분무시의 온도, 가스압, 가스유량, 노즐의 충돌각도, 노즐의 직경 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 무기섬유 제조장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가스분무시의 온도는 1450 내지 1600 ℃로,
    상기 가스압은 4 내지 8 bar로,
    상기 가스유량은 6 내지 12 Nm3/min로,
    상기 노즐의 충돌각도는 5 내지 20 °로,
    상기 노즐의 직경은 5 내지 12 mm로 제어하는 것인 무기섬유 제조장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 도가니는 전기로 또는 유도가열 도가니인 것인 무기섬유 제조장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 무기섬유 제조장치는 자유 낙하 타입(free fall type)인 무기섬유 제조장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 무기섬유를 수득하는 싸이클론을 더 포함하는 무기섬유 제조장치.
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