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KR20080112113A - 유리 용융로를 위한 내화성 조성물 - Google Patents

유리 용융로를 위한 내화성 조성물 Download PDF

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KR20080112113A
KR20080112113A KR1020080056623A KR20080056623A KR20080112113A KR 20080112113 A KR20080112113 A KR 20080112113A KR 1020080056623 A KR1020080056623 A KR 1020080056623A KR 20080056623 A KR20080056623 A KR 20080056623A KR 20080112113 A KR20080112113 A KR 20080112113A
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찰스 더블유. 코너스
마이클 더블유. 앤더슨
쉬리쉬 샤
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마그네코/메트렐 인코포레이티드
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Abstract

내화성 시스템은 제1 성분 세트(set) 및 콜로이드 실리카 결합제(binder)를 포함한다. 제1 성분 세트는 알루미나(almumina) 및 지르코니아(zirconia)를 포함한다. 콜로이드 실리카 결합제는 제1 성분 세트의 5중량% 내지 20중량%의 건조 중량에 있다. 내화성 조성물은 10중량% 내지 45중량%의 알루미나, 최소한 35중량%의 지르코니아 및 최소한 20중량%의 실리카를 포함한다.

Description

유리 용융로를 위한 내화성 조성물 {REFRACTORY COMPOSITION FOR GLASS MELTING FURNACES}
본 발명은 일반적으로 유리 용융로(melting furnace)에 특히 유용한 내화성 조성물에 관련이 있다. 더욱 특히, 본 발명은 유리 용융로의 라이닝(lining)을 위한 콜로이드 실리카 내화물에 관련이 있다.
유리 용융로는 유리를 용융하고 보유하기 위한 컨테이너로서의 모양을 갖는 내화물 라이닝된 용기이다. 용융 조작에서, 들어오는 유리 제조 물질은 약 2800℉(1550℃)까지 가열된다. 유리-제조 물질은 일반적으로 유리부스러기(cullet)와 회분 물질(batch material)의 혼합물을 포함한다. 유리부스러기는 제조 공정으로부터 부서진 유리이다. 회분 물질은 모래(실리카), 석회(석회암 또는 일산화 칼슘으로 환원된 탄산 칼슘), 소다회(일산화 나트륨), 및 때때로 장석, 조제 황산나트륨(salt cake) 및 금속 산화물과 같은 다른 물질들을 포함한다. 용융 조작 동안, 유리부스러기는 우선 녹아서 회분 물질로 열전달을 증가시키고 용융 시간을 감소시킨다.
유리 용융로는 포트로(pot furnace), 유리 탱크, 탱크로(tank furnace) 등을 포함한다. 포트로는 도가니 또는 사발 모양 형태를 갖고, 전형적으로 소량의 유리를 녹이는데 사용된다. 유리 탱크는 더 작은 일일 탱크(day tank)로부터 더 큰 연속 용융 탱크(melt tank)까지의 범위를 갖는다. 일일 탱크는 일반적으로 하룻밤 사이의 용융 동안 유리 제조 물질로 채워진다. 연속 용융 탱크는, 유리 제조 물질이 한쪽 끝에서 채워지고, 용융하고 및 제거하기 위해 다른 한쪽 끝으로 흐르는 커다란 로(large furnace)이다. 유리 탱크는 전형적으로 강철 프레임(steel frame) 내에 분리된 내화성 벽돌 또는 블럭(block)으로 구성된다. 블럭은 몰타르(mortar) 없이 끼워 맞춰지고 전형적으로 용융된 유리를 보유하기 위해 직사각형 모양으로 배열된다. 강철 프레임과 외부 블럭으로부터의 기계적 압력은 블록을 결합시킨다. 유리 탱크는 일반적으로 더 높은 불꽃 온도(flame temperature)를 위해 연소 공기(combustion air)를 예열하는 재생실(regenerative chamber)을 갖는다.
내화성 블럭은 일반적으로 유리 제조 물질의 충전과 용융된 물질로부터 상당한 마모를 받는다. 용융된 유리는 매우 부식성이 높다. 내화성 블럭은 일반적으로 알루미나, 지르코니아 및 실리카(AZS)를 갖는 복합 점토(composite clay)로 만들어진다. AZS 내화성 블럭은 틀에 넣어 주조된 용융된 물질로부터 만들어지는데, 용융된 물질은 경화한 후 가공된다.
연속 용융 탱크에서의 용융 조작은 본질적으로 탱크를 더 이상 이용할 수 없을 때까지 멈추지 않고(non-stop) 계속된다. 용융 조작 동안, 내화 블럭은 깊게 긁힌 자국이 남게 될 수 있고, 용융된 유리가 내화물을 부식시켰거나 용해시켰던 마모 지점 또는 부분을 발달시킬 수 있다. 마모 지점은 전형적으로 내화물이 용융된 유리를 보유하지 못할 때까지 커진다. 마모 지점은 유리 탱크의 사용 기간을 줄이고 종종 예측할 수 없어서, 용융된 유리의 제조를 중단시킨다.
하나의 양상에 있어서, 본 발명은 유리 용융로에 특히 유용한 내화성 조성물을 제공한다. 내화성 조성물은 우수한 내식성(corrosion resistance)을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 내화성 조성물은 실리카 결합제(binder)와 혼합된 제1 성분 세트(set)를 포함한다. 제1 성분 세트는 알루미나와 지르코니아를 포함한다. 콜로이드 실리카 결합제는 제1 성분 세트의 건조 중량(dry weight)의 5중량% 내지 20중량%이다. 내화성 조성물은 10중량% 내지 45중량%의 알루미나, 최소한 35중량%의 지르코니아 및 최소한 20중량%의 실리카를 포함한다.
또 다른 양상에 있어서, 유리 용융로를 위한 내화물을 제조하는 방법은 알루미나 및 지르코니아를 포함하는 제1 성분 세트를 제공하는 단계를 포함한다. 콜로이드 실리카 결합제는 제1 성분 세트의 건조 중량의 5중량% 내지 20중량%으로 제공되고 제1 성분 세트와 혼합되어 내화성 조성물을 형성한다. 내화성 조성물은 10중량% 내지 45중량%의 알루미나, 최소한 35중량%의 지르코니아 및 최소한 20중량%의 실리카를 포함한다. 내화성 조성물은 유리 용융로의 표면 위에 형성된다.
본 발명의 전술한 및 다른 특징들 및 이점들은 첨부한 예들과 관련하여 읽을 때, 현재 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 분명하게 될 것이다.
본 발명은 지금 더욱 기술될 것이다. 다음 구절들에서, 본 발명의 상이한 양상들은 더욱 자세히 한정된다. 이렇게 한정된 각각의 양상은, 만약 분명하게 반대로 나타내지 않는다면, 임의의 다른 양상 또는 양상들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하다고 또는 유익하다고 나타낸 특징은 바람직하다고 또는 유익하다고 나타낸 다른 특징 또는 특징들과 조합될 수 있다.
본 발명은 특히 유리 용융로에 유용한 콜로이드 실리카 내화성 조성물을 제공한다. 특히, 내화성 조성물은 놀랍게도 고온 부식 환경에 대해 좋은 내성이 제공되는 비교적 풍부한 양의 지르코니아를 포함한다. 본원에 기재된 내화성 조성물은 또한 다른 유형의 로(furnace)와 같은 다른 응용에 사용될 수 있다.
도 1은 내화성 시스템을 갖는 유리 용융로 또는 탱크(100)의 부분 투시도를 나타낸다. 유리 탱크(100)는 도시되지 않은, 용융 및 정제실, 축열기(regenerator), 연소기(burner) 기타 등등과 같은 추가적인 특징들 및 구성들을 가질 수 있다. 유리 탱크(100)는 화로(104) 및 측벽(106)을 지지하는 프레임(102)을 가진다. 프레임(102)은 강판과 빔(beam)으로 만들어지고, 유리 용융로에 적절한 다른 물질을 포함할 수 있다. 측벽(106)은 화로(104)로부터 수직으로 확장하여 유리를 용융하고 보유하기 위한 컨테이너 모양을 형성한다. 화로(104)는 내화성 물질의 하나 또는 그 이상의 화로 라이닝(108)을 가진다. 측벽(106)은 또한 내화성 물질의 하나 또는 그 이상의 측벽 라이닝을 가진다. 라이닝(linings)은 동일한 또는 상이한 내화성 물질을 가질 수 있다.
탱크(100)에서 사용되는 내화성 물질은 일반적으로 벽돌, 블럭(block) 또는 일체형(monolithic) 형태이다. 블럭은 일반적으로 알루미나, 지르코니아, 실리카, 이들의 조합물 또는 유리 용융로를 위한 또 다른 적절한 내화물을 포함한다. 본원에 기재된 콜로이드 실리카 내화성 조성물은 특히 탱크(100)의 표면을 라이닝하는데 유용하다. 하나의 실시예에서, 유리 탱크(100)는 화로(104)의 마모 부분 위에 형성된 패치 라이닝(110)을 가진다. 마모(wear) 부분은 화로(hearth) 및 측벽(sidewall)을 포함하는 유리 탱크의 내부를 따라서 및 용융 유리 위에 또는 아래에 어디든지 있을 수 있다. 화로(104) 및/또는 측벽(106) 위에 하나 또는 그 이상의 패치 라이닝이 있을 수 있다. 패치 라이닝(100)은 본원에 기재된 바와 같이 콜로이드 실리카 내화물을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 내화물은 실리카 결합제와 제1 성분 세트의 혼합물을 포함한다. 실리카 결합제는 제1 성분 세트의 건조 중량의 약 5중량% 내지 약 20중량%, 바람직하게는 제1 성분 세트의 건조 중량의 6중량%와 12중량% 사이의 범위에 있다. 하나의 실시예에서, 결합제는 콜로이드 실리카 결합제이다. 제1 성분 세트는 알루미나(Al203), 지르코니아(ZrO2) 및 실리카(SiO2)를 포함한다. 제1 성분 세트는 건조하거나 축축할 수 있고 또한 다른 광물질(mineral), 마그네시아(MgO)와 같은 경화제(setting agent) 및/또는 흐름 변형제(modifier)를 포함할 수 있다.
알루미나, 지르코니아 및 실리카는 강도(strength) 및 내식성(corrosion resistance)을 제공한다. 알루미나는 평판(tabular) 알루미나 또는 백색 용 융(white fused) 알루미나와 같은 고(high) 알루미늄 집합체(aggregate)에 의해 제공될 수 있다. 알루미나는 또한 반응성이거나 하소될 수 있다. 지르코니아는 지르콘 가루(zircon flour) 또는 지르코니아 베이링 물질에 의해 제공될 수 있다. 실리카는 퓸드 실리카(fumed silica), 멀라이트(알루미늄 실리케이트), 마이크로실리카, 콜로이드 실리카 등등에 의해 제공될 수 있다.
실리카 결합제는 일체형 형태로 제1 세트의 성분들을 함께 붙잡거나 결합시킨다. 하나의 실시예에서, 결합제는 콜로이드 실리카 결합제이다. 콜로이드 실리카 결합제는 물에 콜로이드 실리카를 포함하는데, 여기서 실리카는 약 15중량% 내지 약 70중량%의 범위에 있다. 하나의 실시예에서, 콜로이드 실리카는 약 4밀리미크론 내지 약 100밀리미크론의 범위의 평균 입자 직경을 가질 수 있다.
제1 성분 세트는 약 10중량% 내지 약 35중량%의 알루미나, 약 60중량% 내지 약 85중량%의 지르콘, 및 약 10중량%까지의 실리카를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 성분 세트는 약 15중량% 내지 약 30중량%의 알루미나, 더 바람직하게는 약 20중량% 내지 약 25중량%의 알루미나를 포함한다. 바람직하게는 제1 성분 세트는 약 65중량% 내지 약 80중량%의 지르콘, 더 바람직하게는 약 70중량% 내지 약 80중량%의 지르콘을 포함한다. 바람직하게는, 제1 성분 세트는 약 1중량% 내지 약 5중량%의 실리카, 더 바람직하게는 약 2중량%의 실리카를 포함한다.
제1 성분 세트는 메쉬(mesh) 크기 1/4×8의 약 5중량% 내지 약 12중량%의 알루미나, 메쉬 크기 8×14의 약 5중량% 내지 약 12중량%의 알루미나 및 메쉬 크기 -14M의 약 2중량% 내지 약 12중량%의 알루미나를 포함할 수 있다. 하나의 실시예에 서, 제1 성분 세트는 약 5중량%까지의 반응성 알루미나를 포함한다.
다른 비율의 제1 성분 세트가 사용될 수 있다. 제1 성분 세트는 약 0.1중량%의 마그네시아와 같은 다른 화합물을 포함할 수 있다. 마그네시아의 양은 콜로이드 시스템 내화물에 대한 경화 시간(setting time)을 증가시키거나 감소시키도록 조절될 수 있다. 제1 성분 세트는 또한 경화에 앞서 콜로이드 실리카 내화물을 형성하기 위해 흐름 성질을 강화하거나 바꾸는 흐름 변형제를 포함할 수 있다. 제1 성분 세트는 콜로이드 실리카 결합제의 첨가에 앞서 혼합될 수 있다.
생성된 내화성 조성물은 약 10중량% 내지 약 45중량%의 알루미나, 최소한 약 35중량%의 지르코니아 및 최소한 약 20중량%의 실리카를 포함한다. 내화성 조성물은 약 15중량% 내지 약 40중량%의 알루미나, 약 15중량% 내지 약 30중량%의 알루미나 또는 약 20중량% 내지 약 25중량%의 알루미나를 포함할 수 있다. 내화성 조성물은 약 40중량% 내지 약 60중량%의 지르코니아, 약 40중량% 내지 약 55중량%의 지르코니아 또는 최소한 약 40중량%, 45중량% 또는 50중량%의 지르코니아를 포함할 수 있다. 내화성 조성물은 약 20중량% 내지 약 40중량%의 실리카, 약 25중량% 내지 약 35중량%의 실리카 또는 최소한 약 20중량%, 25중량% 또는 30중량%의 실리카를 포함할 수 있다.
내화성 조성물은 유리 탱크에서 후속의 사용을 위해 블럭 안에 넣어 주조될 수 있거나 또는 도 1에 도시된 패치 라이닝(100)과 같이, 유리 탱크의 마모 부분 위에 직접적으로 형성될 수 있다. 내화성 조성물은 주조(casting), 펌핑(pumping) 또는 숏크레팅(shotcreting)[경화 촉진제를 갖는 무정형(formless) 펌핑]과 같은 하나 또는 그 이상의 내화물 형성 방법을 사용하여 마모 부분 위에 형성될 수 있다. 내화성 조성물은 측벽 또는 화로의 하나 또는 그 이상의 부분 위에 형성될 수 있다. 내화성 조성물은 유리 용융로에서 내화성 블럭의 교체 없이 마모 부분 위에 직접적으로 형성될 수 있다.
실시예
제한으로서가 아니라 실례의 목적을 위해, 표 1은 콜로이드 실리카 내화성 시스템에 대한 제1 성분 세트의 대표적인 유형과 성질을 제공한다.
원료 메쉬(mesh) 크기 대조군(중량%) 예 1(중량%) 예 2(중량%)
평판(tabular) 알루미나 1/4×8 0 8.7 8.7
평판 알루미나 8×14 37.7 8.7 8.7
평판 알루미나 -14M 4.7 8.7 4.4
반응성 알루미나 (예, CAR 120B) -325M 4.7 0 4.4
하소된 알루미나 (예, CAR 60RG) -325M 9.4 0 0
지르콘 가루 -325M 16.5 41.3 41.3
지르콘 모래 0 30.5 30.5
퓸드 실리카 2.4 2.2 2.2
백색 용융 멀레이트 23.5 0 0
Al 분말 0.9 0 0.9
계면 활성제 0.05 0.04 0.04
MgO 98% -200M 0.09 0.09 0.09
성분들은 상업적으로 알칸사(Alcan) 및 다른 공급자들로부터 이용할 수 있다. 각각의 예에 대해, 제1 성분 세트는 콜로이드 실리카 결합제와 혼합하기 전에 함께 혼합되었다. 콜로이드 실리카 결합제는 건조 성분들의 중량으로 약 7% 내지 약 10%의 중량%로 제공되었다. 혼합물은 콜로이드 실리카 내화물로 경화했다. 대조군은 약 75중량%의 알루미나, 약 11중량%의 지르코니아 및 약 14중량%의 실리카를 포함하는 내화물을 산출했다. 예 1 및 2의 공식들(formulas)은 약 25중량%의 알루미나, 약 47중량%의 지르코니아 및 약 28중량%의 실리카를 포함하는 내화물들을 산출했다. 따라서, 예 1 및 2의 내화물들은 대조군의 내화물보다 상당히 더 많은 양의 지르코니아를 가졌다.
유리 용융로에 엄격한 조건을 시뮬레이트(simulate)하기 위해서, 내화성 부식 테스트는 콜로이드 실리카 내화물에서 수행되어 헥사메타인산 나트륨에 대한 내화물의 내성을 평가했다. 얇은 컬럼(column)이나 펜슬(pencil)의 내화성 조성물이 제조되었다. 핑거(fingers)는 고온에서 헥사메타인산 나트륨에 담가 졌다. 테스트는 2000℉에서 36시간 동안 실행되었다. 테스트 후에, 샘플들은 엄격한 조건에 대한 내화성 조성물의 내성을 결정하도록 분석되었다. 대조군의 공식으로부터 제조된 펜슬은 완전히 부식되었다. 예 1 및 2의 조성물로부터 제조된 펜슬은 놀랍게도 부식에 대해 내성이 있었고, 주목할만한 부식 공격을 보이지 않았다. 예 1의 펜슬은 일부의 보다 작은 팽창(expansion)과 균열(cracking)을 보였다. 따라서 본원에 기재된 고 지르코니아 콜로이드 실리카 내화물은 저-지르코니아 내화물과 비교하여 엄격한 조건 하에서 우수한 내성을 보인다.
본 발명의 다양한 실시예들은 기재되었고 설명되었다. 그러나 기재와 설명은 오직 예로서 사용된다. 다른 실시예와 수행은 본 발명의 범위 내에서 가능하고 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 특정한 상세한 기술, 대표적인 실시예들 및 본 설명에서 예증된 예들에 대해 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 첨부하는 청구항 및 그들의 대응물에 의해 요청된 것을 제외하고 제한되지 않는다
본 발명은 다음의 도면 및 상세한 설명에 관하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면에 있는 구성들은 일정 비율에 맞게 도시된 것은 아니며, 본 발명의 원리를 설명하는데 중점을 두었다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예의 콜로이드 실리카 내화성 시스템을 갖는 유리 탱크의 부분적 투시도를 나타낸다.

Claims (20)

  1. 다음을 포함하는 내화성 조성물:
    알루미나 및 지르코니아를 포함하는 제1 성분 세트(set); 및
    제1 성분 세트의 건조 중량의 5중량% 내지 20중량%의 콜로이드 실리카 결합제(binder),
    여기서 내화성 조성물은 10중량% 내지 45중량%의 알루미나, 최소한 35중량%의 지르코니아 및 최소한 20중량%의 실리카를 포함함.
  2. 제 1항에 있어서, 내화성 조성물은 최소한 40중량%의 지르코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 내화성 조성물은 15중량% 내지 40중량%의 알루미나, 40중량% 내지 60중량%의 지르코니아 및 20중량% 내지 40중량%의 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 내화성 조성물은 15중량% 내지 30중량%의 알루미나, 40중량% 내지 55중량%의 지르코니아 및 25중량% 내지 35중량%의 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 제1 성분 세트는 메쉬(mesh) 크기 1/4×8의 5중량% 내지 12중량%의 알루미나, 메쉬 크기 8×14의 5중량% 내지 12중량%의 알루미나 및 메쉬 크기 -14M의 2중량% 내지 12중량%의 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 제1 성분 세트는 10중량% 내지 35중량%의 알루미나, 60중량% 내지 85중량%의 지르콘 및 10중량%까지의 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  7. 제 1항에 있어서, 제1 성분 세트는 15중량% 내지 30중량%의 알루미나 및 65중량% 내지 80중량%의 지르콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  8. 제 1항에 있어서, 콜로이드 실리카 결합제는 제1 성분 세트의 건조 중량의 6중량% 내지 12중량%임을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  9. 제 1항에 있어서, 경화제(setting agent)를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  10. 제 1항에 있어서, 내화성 조성물은 유리 용융로의 적어도 하나의 마모 부분 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  11. 다음을 포함하는 내화성 조성물:
    10중량% 내지 35중량%의 알루미나 및 60중량% 내지 85중량%의 지르콘을 포함하는 제1 성분 세트; 및
    제1 성분 세트의 건조 중량의 5중량% 내지 20중량%의 콜로이드 실리카 결합제.
  12. 제 11항에 있어서, 내화성 조성물은 10중량% 내지 45중량%의 알루미나, 최소한 35중량%의 지르코니아 및 최소한 20중량%의 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  13. 제 11항에 있어서, 제1 성분 세트는 15중량% 내지 30중량%의 알루미나 및 65중량% 내지 80중량%의 지르콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 내화성 조성물.
  14. 다음을 포함하는, 유리 용융로를 위한 내화물을 제조하는 방법:
    알루미나 및 지르코니아를 포함하는 제1 성분 세트를 제공하는 단계;
    제1 성분 세트의 건조 중량의 5중량% 내지 20중량%의 콜로이드 실리카 결합제를 제공하는 단계;
    제1 성분 세트를 콜로이드 실리카 결합제와 혼합하여 10중량% 내지 45중량%의 알루미나, 최소한 35중량%의 지르코니아 및 최소한 20중량%의 실리카를 포함하 는 내화성 조성물을 형성하는 단계; 및
    로(furnace) 표면 위에 내화성 조성물을 형성하는 단계.
  15. 제 14항에 있어서, 내화성 조성물은 15중량% 내지 40중량%의 알루미나, 40중량% 내지 60중량%의 지르코니아 및 20중량% 내지 40중량%의 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화물을 제조하는 방법.
  16. 제 14항에 있어서, 내화성 조성물은 15중량% 내지 30중량%의 알루미나, 40중량% 내지 55중량%의 지르코니아 및 25중량% 내지 35중량%의 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화물을 제조하는 방법.
  17. 제 14항에 있어서, 내화성 조성물은 최소한 40중량%의 지르코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화물을 제조하는 방법.
  18. 제 14항에 있어서, 제1 성분 세트는 10중량% 내지 35중량%의 알루미나, 60중량% 내지 85중량%의 지르콘 및 10중량%까지의 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 내화물을 제조하는 방법.
  19. 제 14항에 있어서, 실리카 결합제는 제1 성분 세트의 건조 중량의 6중량% 내지 12중량%임을 특징으로 하는 내화물을 제조하는 방법.
  20. 제 14항에 있어서, 내화성 조성물은 주조(casting), 펌핑(pumping) 및 숏크레팅(shotcreting)으로부터 선택된 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내화물을 제조하는 방법.
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