KR20030061766A - 조장석을 이용한 고급 내화단열 벽돌의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조장석을 이용한 제강용 소둔로, 침탄로, 아연 도금로, 석유 가열로, 도자기 가마 등의 내·외장재로 사용하는 고급내화단열 벽돌의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 단열내화 벽돌의 제조방법 또는 이의 소재 제조방법으로서는 조장석을 이용한 것은 없고 이의 대용으로 여러 가지 공법이 공지된바 있으나, 이 가운데 있어 특허공고 91-5025호의 세라믹 경량 벽돌 제조방법은 이에 사용된 원료가 점토 등의 천연원료에 고가품인 알루미나와 이온성 및 비이온성 합성수지를 사용하였기 때문에 원료의 수급이나 제품생산 면에 있어 불리한 결점이 있었고, 또한 특허공고 97-441호의 폐기물을 이용한 다공실 세라믹 재료의 제조방법이 공지된바 있으나 이는 결합제로서 펄프폐액 가공매체로서는 폐펄프와 폐합성수지 등이 사용되었기 때문에 소성공정에서 고가품인 탈취제 및 청정설비를 필요로 생산원가가 높아 산업상 활용도가 낮고 또한 특허 제 153376호의 제지 슬러지와 소각재를 이용한 내화벽돌의 제조방법이 공지된바 있으나 이는 주원료를 제지 슬러지 및 소각재가 사용되므로 환경보호 및 산업 폐기물 재활용 면에서는 그 뜻이 있다고 하였으나, 원재료의 수급조건이 안정적인 공급을 할 수 없는 결점이 있었던 것이다.

본 발명은 이상의 문제점을 해결하고자 발명한 것으로, 이의 발명 요지는 상기와 같은 종래의 내화단열 벽돌의 주원료와 부원료인 고가품 및 고품위인 알루미나 납석, 혈암 벤토나이트, 규조토 등을 대체됨에 있어 주원료와 부원료의 조성비로서는조장석 40∼45중량%와 알루미나 2∼5중량%, 고령도 10∼15중량%, 점토 8∼15중량% 범위로 하고, 부원료로서는 질석 8∼10중량%, 목분 4∼6중량%, 물유리 15∼30중량% 범위로 용도에 따라 이를 가감할 수 있게 하고, 이의 제조공정에 있어서는 주원료 투입공정, 분쇄공정, 건조공정, 부원료 투입공정, 교반공정, 성형공정, 건조공정, 소성공정, 후가공공정을 결합시킴으로서 획기적인 고품질의 산업용 내화단열 벽돌을 얻을 수 있게 한 것이다.

Description

조장석을 이용한 고급 내화단열 벽돌의 제조방법{A preparation method of high grade insulating firebrick using albite}

본 발명은 조장석(曹長石)을 이용한 고급 내화단열 벽돌을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 경량성, 단열성, 내화성 등이 우수한 제강용 소둔로, 침탄로, 아연 도금로, 석유 가열로, 도자기 가마 등 각종 산업용 요로(窯爐)의 내장용 및 외장용 단열재로서 사용할 수 있게 한 조장석을 사용한 고급 내화단열 벽돌의 제조방법에 관한 것이다.

특허 본 발명에서는 전품위의 조장석을 이용하여 각종 공업용 요로의 내·외장용 단열재로 사용하는 고급 내화단열 벽돌을 저렴한 가격으로 제작할 수 있는 방법에 관한 것이다.

상기 조장석은 조암(粗岩)광물 중 가장 흔한 광물의 하나로, 대부분의 패그마타이트(pegma tite) 암석 속에 함유되어 있으며, 그 중요 구성성분은 K, Na, Ca의 함유량에 따라 칼리장석(orthoclase, K₂O, Al₂O₃, 6SiO₂), 조장석(albiee, K₂O, Al₂O₃, 6SiO₂), 석회장석(arorthte, CaO, Al₂O₃, 2SiO₂) 등으로 분류되고 있다.

장석의 품위는 Fe₂O₃, K₂O＋Na₂O 함량에 따라 좌우되고 있는데 통상 Fe₂O₃0.2% 이하, K₂O＋Na₂O 12% 이상의 경우는 고품위 장석이고, Fe₂O₃0.6% 이상, K₂O＋Na₂O 7% 이하일 경우는 저품위 장석으로 구분된다.

장석의 용도는 광물학적 특성에 따라 달라질 수 있지만 일반적으로 물리적 특성으로는 낮은 용융온도(1100∼1200℃) 때문에 도자기의 소지나 유약의 용재(tlax) 등으로 사용되며 화학적 특성으로는 알루미나, 알칼리 및 규산 성분의 조절용으로 여러 공업에 사용되고 있다.

분쇄처리 후의 조장석의 입도분포는 325메쉬(mesh) 이하의 것이 99.9중량%(평균 입자지름 5∼6㎛)로서 매우 미세하여 세라믹 공업의 원료로 우수하게 사용될 수 있다.

(표 - 1) 조장석의 화학적 조성비

상기 (표 - 1)에서 보는 바와 같이 조장석은 SiO₂의 함량이 약 4.87중량%, Al₂O₃의 함량이 약 13.21중량% 정도로서 일반적인 무기공업계에 사용되는 무기원료의 화학조성을 가지고 있으며, 용융온도(용점 1122℃)는 낮으나 1400℃까지 가열하여도 용융상태에는 변화가 없음으로 고중급의 내화단열 벽돌을 제조하기에 매우 적합하다.

종래(현재까지)의 국내에서 조장석을 이용하여 고급 내화단열 벽돌(A류)을 제조한 예는 없고, 다만 유사광물인 벤토나이트(bentornite), 진주암(perliee), 규조토, 납석 및 알루미나 등을 이용한 예는 많이 있으나, 대부분 저 부가가치의 벽돌이나 단열재 등으로 사용되었다. 예컨데, 특허공고 91-5025호의 세라믹 경량 벽돌의 제조방법이 공지된바 있으나 이는 사용원료가 점토 등의 천연원료 외에 고가품의 알루미나분말 뿐만 아니라 이온성 및 비이온성 발포제와 합성수지를 사용하였기 때문에 원료의 수급이나 제품생산 면에서 불리한 결점이 있었고, 또한 특허공고 97-441호의 폐기물을 이용한 다공질 세라믹 재료의 제조방법이 공지된바 있으나 이는 결합제로서 펄프폐액, 가공매체로서는 폐펄프와 폐합성수지 등이 사용되기 때문에 소성공정에서 고가품의 탈취제 및 청정설비를 필요로 하여 생산원가가 높아, 산업상 활용도가 낮은 결점이 있었고, 또한 특허 제 153376호의 제지 슬러지와 소각재를 사용한 내화벽돌의 제조방법이 공지된바 있으나 이는 주원료로 제지 슬러지 및 소각제가 사용되므로 환경보호 및 산업폐기물 재활용 면에서는 뜻이 크지만 원재료재의 수급조건인 안정적인 공급이 될수 있는 여건을 충족시킬 수 없는 결점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 발명한 것으로 이의 발명 요지는 종래의 내화단열 등의 주원료인 고가품 및 고품위인 알루미나, 납석, 혈암, 벤토나이트, 규조토 등을 대체함에 있어 주원료로서는 조장석 40∼45중량%, 알루미나 2∼5중량%, 고령토 10∼15중량%, 점토 8∼15중량%로 하고, 부원료로서는 질석 8∼10중량%, 목분 4∼6중량%, 물유리 15∼30중량%를 첨가하고, 이의 제조공정으로서는 주원료 투입공정, 분쇄공정, 건조공정, 부원료 투입공정, 교반공정, 성형공정, 건조공정, 소성공정, 후 가공공정 및 포장공정으로 결합할 수 있게 한 것으로, 이는 고체상에의 전환점을 거쳐 세공의 크기 및 기공의 분포에도 대혁신을 가하여 실용성에 걸맞는 강도와 내화성, 단열성, 방음성 등을 강화하여 사용자의 요구와 만족도를 충족시키는데 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 공정표시도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100-주재료 투입공정101-분쇄공정 101a-집진기

102-건조공정102a-토타리 킬른 103-부원료 투입공정

103a-목분104-교반공정104a-물유리

105-성형공정105a-벨트 컨베이어106-건조공정

106a-체인 컨베이어106b-배기가스107-소성공정

107a-소성로108-후처리공정108a-집진기

109-포장공정109a-출하

먼저 본 발명의 조성비를 설명하면 주원료와 부원료를 함께 조성함에 있어 조장석 40∼45중량%, 알루미나 2∼5중량%, 고령토 10∼15중량%, 점토 8∼15중량% 범위로 조성하고, 부원료로서는 질석 8∼10중량%, 목분 4∼6중량%, 물유리 15∼30중량%로 하되, 용도에 따라 가감할 수 있게 하고 제조공정 및 이의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1. 제1공정 - 이는 주원료의 투입공정(100)으로서 조장석 43중량%와 알루미나 3중량%, 고령토 10중량%, 점토 10중량%를 분쇄통에 투입한다.

2. 제2공정 - 이는 분쇄공정(101)으로서 제1공정에서 투입된 주원료를 분쇄기를 이용하여 5∼6㎛ 범위로 미분쇄한다. 이때 발생된 분진은 집진기(101a)를 이용하여 집진 수거한다.

3. 제3공정 - 이는 건조공정(102)으로서 제2공정에서 분쇄된 미분말을 로타리 킬른(102a)을 이용하여 건조시킨다.

4. 제4공정 - 이는 부원료 투입공정(103)으로서 제1공정에서 선택되어 투입되지 않고 있는 부원료인 질석 9중량%와 목분 5중량%를 투입한다.

5. 제5공정 - 이는 교반공정(104)으로서 제4공정에서 얻어진 주·부원료에 물유리 20중량%를 투입하여 통상의 고성능 교반기로서 교질상으로 혼련한다.

6. 제6공정 - 이는 성형공정(105)으로서 제5공정에서 교반된 혼련액을 벨트 컨베이어(105a)를 이용하여 성형기(105)에 투입하여 일정크기(230×114×65mm)의 벽돌을 성형한다.

7. 제7공정 - 이는 건조공정(106)으로서 제6공정에서 얻어진 성형물을 체인 컨베이어(106a)를 이용하여 이송하는 과정 배기열가스(130℃)(106a)을 이용하여 건조시킨다.

8. 제8공정 - 이는 소성공정(107)으로서 제7공정에서 건조된 성형물을 다수의 소성로(107)에 투입하여 1200∼1400℃의 고열로서 소성한다. 이때 소성온도는 초기단계는 1000℃ 범위로 20분 가열하고, 후기단계는 1200∼1350℃에서 200분 가열하며 이때 발생된 배기가스는 제7공정의 건조공정에 사용한다.

9. 제9공정 - 이는 후 가공공정(108)으로서 성형재료 가운데 부착된 협착물 등의 부착물을 제거 가공하여 완제품이 되게 한다. 이때 생성된 분진등은 집진기(108a)를 통해 수거한다.

10. 제10공정 - 이는 포장공정(109)으로서 제9공정에서 가공된 완성제품을 일정량씩 포장하여 출하(109a)함으로서 완성한다.

이상과 같이 본 발명은 조장석, 고령토, 알루미나, 점토를 주원료로 하고, 부원료로서는 질석, 목분, 물유리를 첨가하되 물과 물유리를 결합제하여 혼련한 후 성형 건조하여 1000℃의 환원 분리기에서 20분간 소성한 다음 1350℃의 산화 분리기에서 20분간 소성하여 발포(vodc)창시킨 것을 특징으로 하는 고급 내화단열 벽돌이고, 이에 사용된 원료는 결합제를 제외한 모든 원료는 저품위 광물 및 산업부산물을 사용하여 유휴자원의 용도창출과 환경보호에 일익을 담당하였을 뿐만 아니라 제조원가를 현격하게 낮출수 있는 장점이 있으며, 또한 주원료의 하나인 조장석으로서는 산지에 따라 이의 성분조성과 결정성이 상이하나 이의 주된 결정상태는 실리카(SiO₂)를 근간으로 하는 석영(quartz)으로 이루어져 있고 내화단열 벽돌 제조에 있어서 조장석은 용제 역할을 하여 소성온도를 낮추어주며, 1200℃이상에서 고온가스의 방출이 유도되어 고온발포제 역할을 한다.

여기에서 말하는 고온가스는 조장석에 포함되어 있는 탄소가 공기 중의 산소와 반응하여 생성되는 탄산가스(CO₂)와 산화철(Fe₂O₃)이 내부의 환원 분리기에서 환원이 되면서 생성되는 산소가스(O₂)를 말한다.

그리고 본 발명의 다른 주원료인 고령토(kaolinite)와 점토(clay)는 가소성재료로서 성형후는 소지의 강도를 보완하여 주는 역할을 한다.

(표 - 2) 고령토의 화학적 조성

(표 - 3) 점토의 화학적 조성

부원료로서는 장석(rermiculiee)과 목분이 사용되고 있는바, 이는 고온소성시 팽창하거나 유기물도 증발하면서 단열벽돌에 다공성을 부여하여 비중을 낮추어 주는 역할을 한다.

아울러 본 발명에서는 상기 원료물을 상온에서 안전하게 결합시킬 수 있는 무기계의 결합체가 필요한바, 이것은 상온에서 직4면체의 벽돌형태로 만들어 소성해야 하는 공정상 필요한 것으로 벽돌형태로 제조 후, 소성로에 투입된 결합력이 충분치 못하면 벽돌이 파쇄 될 우려가 있으므로 반드시 첨가되어야 한다.

여기에서 결합체를 무기물로 사용한 이유는 고온에서 결합제 역할을 수행하기 위해서는 유기물보다 무기물이 바람직하기 때문이다.

그리고 본 발명에서 사용된 무기계 결합제로서는 물유리(nater glass)로서 이 물유리는 비결정 실리카와 가성소다가 결합된 형태로 존재하는 액상의 알카리 규산염의 일종이다. 이것은 Na₂O 물비에 대한 SiO₂의 물비에 따라 1종, 2종, 3종으로 구분되는 바, 본 발명에서는 과량의 Na₂O의 투입을 방지하기 위하여 3종 물유리를 사용하였다.

(표 - 4) 물유리의 화학적 조성

그리고 상기한 물유리는 상기 원료물질의 전체 중량에 대하여 15∼30중량%인 것이 바람직하다. 또한 상기한 벽돌의 성형은 압축가압식 유압 프레스에 의한 80kg/cmz의 압력으로 행하여지는 것이 바람직하다.

이와 같이 성형된 시편은 150℃의 건조로에서 충분히 건조한 후 1000∼1350℃의 고온에서 소성하는데 셔틀식 롤러 터널식로에서 0.5℃/min의 승온속도로 소성을 실시하여 서서히 자연냉각시킨 후 단열벽돌의 규격인 230×114×65mm로 가공하여 내화단열 벽돌을 제조한 것이다.

본 발명의 특징은 모든 재료를 5∼6㎛dmfh 분쇄한 후 교반하여 슬러리를 제조하였으며 성형후 150℃ 온도에서 충분히 건조된 후 1000℃∼1350℃로서 소성시에는 그 중간마다 20분간 환원 분위기를 갖는 것과 재가열 시에는 온도점에서 하강시키는 분위기 조절 또한 특수기술인 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실험예는 다음과 같다.

하기된 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 나타낸 것이나, 이는 한정된 것은 아니다.

(실시예 1) 시각 내화단열 벽돌의 특성분석 결과

이상과 같이 본 발명은 내화단열 벽돌의 고급품(A류)은 그 국내기술이 매우 저조한 관계로 이의 제품은 전량 수입에 의존하고 있는 실정을 감안할 때 본 발명은 그 품질이 특출하여 수입대체는 물론 산업발전과 국제적 경쟁력 강화에 크게 기여할 수 있어 매우 유용한 발명이다.

Claims (1)

1. 조장석을 이용한 고급 내화단열을 얻음에 있어서 이의 주원료와 부원료로 구성하여 주원료에 있어서는 조장석 40∼45중량%, 고령토 10∼15중량%, 알루미나 2∼5중량%, 점토 8∼15중량% 범위로 하고, 부원료로서는 질석 8∼10중량%, 목분 4∼6중량%, 물유리 15∼30중량% 범위로 하고, 이의 제조고정에 있어서는 주원료 투입공정(100), 분쇄공정(101), 건조공정(102), 부원료 투입공정(103), 교반공정(104), 성형공정(105), 건조공정(106), 소성공정(107), 후 가공공정(108)과 포장공정(109)으로 결합함을 특징으로 한 조장석을 이용한 고급 내화단열 벽돌의 제조방법.