KR100608287B1

KR100608287B1 - 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR100608287B1
Application number: KR20060006911A
Authority: KR
Inventors: 김병규; 이재훈; 장호종
Original assignee: 주식회사 대평세라믹스산업; 한국중부발전(주); 한국남동발전 주식회사; 한국서부발전 주식회사; 한국남부발전 주식회사; 한국동서발전(주)
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2006-08-02

Abstract

본 발명은 소성벽돌의 제조에 사용되는 천연 원료 중 30~90wt%를 무연탄 매립 석탄회와 비산회로 대체함으로써 소성 벽돌의 제조 원가 절감 및 강도 특성 향상뿐만 아니라 매립 석탄회 및 비산회를 재활용하고, 천연자원의 사용량 감소로 인한 자연환경 보호를 달성할 수 있는 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 주요구성은 상기 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌의 제조방법은 매립회 20~80wt%, 비산회 10~40wt%, 장석 10~70wt%으로 혼합하여 무연탄 석탄회 배합토를 제조하는 단계와; 상기 배합원료를 제토공정에서 3~4회 혼련하여 130~150시간 숙성한 뒤 성형벽돌로 진공 압출하여 성형하는 단계와; 상기 성형벽돌을 터널식 소성로에서 1000~1250℃ 온도범위로 승온한 후 1~4시간 동안 유지하여 소성하는 것을 특징으로 한다.

소성벽돌, 무연탄, 무연탄 매립 석탄회, 매립회, 무연탄 석탄회, 비산회, 바닥회, 고령토, 진공압출성형

Description

무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌 및 그의 제조 방법{Fired brick with high content of reclaimed anthracite coal ash and Preparation method thereof}

도 1은 소성벽돌의 일반적인 제조 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌의 제조 공정도.

도 3은 무연탄 매립 석탄회의 XRD 분석.

도 4는 무연탄 석탄회 80wt%(매립재 40%, 비산회 40%) 첨가 소성벽돌의 SEM 사진 (1,000배).

본 발명은 무연탄을 연료로 하는 화력발전소에서 발생되는 무연탄 매립 석탄회를 활용한 건축용 소성벽돌의 제조에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 무연탄 매립 석탄회, 비산회, 장석으로 구성되는 무연탄 매립 석탄회의 첨가량이 30~90wt%인 배합토를 제조하고, 무연탄 매립 석탄회에 의한 배합토의 가소성 저하 문제를 개선하기 위하여 배합토의 제토공정을 개선하여 진공압출 성형 후 터널식 소성로에서 1000~1250℃로 소성하는 무연탄 매립 석탄회 소성벽돌 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 건축용 소성벽돌의 종류는 적점토질 벽돌과 고령토질 벽돌로 구분할 수 있다. 적점토질 소성벽돌의 제조 원료에는 철분의 함량이 높은 적점토, 모래, 장석이고, 고령토질 벽돌의 제조 원료에는 고령토와 장석이 사용되고 있다. 이들 소성벽돌의 일반적인 제조공정을 보면, 우선 주원료인 적점토와 고령토는 천연자원으로 함수율이 높기 때문에 로타리 킬른에서 건조 공정을 거치게 되고, 건조된 원토는 모래, 장석 등과 같은 부원료와 1차 혼합 공정에 유입된다. 1차 배합토는 석별기에서 굵은 돌들이 제거되고 1차 분쇄 공정 및 2차 분쇄 공정에서 미립화가 이루어지며 다시 2차 혼합공정에서 균일하게 혼합된 배합토가 만들어진다. 이 배합토는 숙성을 위하여 저장고에 저장되고 필요에 따라 수분이 첨가되어 진공 압출 성형기에서 벽돌 모양으로 성형된다. 성형기에 의해 제조된 성형 벽돌은 건조실에서 건조된 후 적재 과정을 거쳐 터널식 소성로에서 소성된다.

소성벽돌의 주원료는 적점토와 고령토로 국내에 부존하는 천연자원이다. 최근 지구환경 보존 및 국토 보존이라는 환경정책의 강화로 국내에 부존하고 있는 천연자원의 개발이 억제되고 있으며, 이러한 정책은 더욱 강화될 것으로 전망되고 있다. 따라서 소성벽돌의 주원료인 적점토와 고령토의 확보가 점점 어려워지고 있으며, 이들 자원을 대체할 수 있는 물질의 개발이 시급한 실정이다. 대체물질로서는 석탄회, 폐석고, 더스트, 폐주물사와 같은 산업폐기물을 생각할 수 있다. 이 중에서 석탄회는 적점토 및 고령토와 같은 천연 광석과 성분이 유사하여 유력한 대체물 질로 평가되고 있다.

이에 따라 본 출원인은 등록특허 10-0415329에서는 석탄재 분말 30%, 카올린 분말, 점토, 장석을 혼합하여 소성벽돌 및 바닥재의 제조 방법을 제시하고 있고, 공개특허 2003-0083497에서는 석탄회 30~50%, 고령토, 장석, 및 점토를 혼합하여 저온에서 소성할 수 있는 소성벽돌의 제조방법을 제시하고 있다. 또한 등록특허 10-0534055에서는 석탄회 50~90%, 고령토, 장석을 혼합하여 소성벽돌의 제조하는 방법을 제시하였다.

그러나, 본 출원인의 선행특허는 고령토, 점토 등 기존의 소성벽돌에 사용되는 기본 물질들이 소량이라도 혼합되기 때문에 전술한 바와 같은 천연자원이 고갈되는 문제가 있다.

한편, 발전소의 발전과정에서 발생되는 석탄회는 바닥회(bottom ash)와 비산회(fly ash)로 대별되며, 비산회 위주로 재활용을 위한 정제 등 기술 개발이 이루어져 대부분이 재활용되고 있으나, 바닥회와 일부 미연탄소가 많이 함유된 비산회는 매립되고 있는 실정이며, 이를 매립회(reclaimed ash)라고 한다. 이러한 매립회, 즉 매립된 무연탄 석탄회에는 미연탄소분의 함량이 13% 이상 함유되어 있으며, 이 석탄회를 시멘트 혼화제로 사용할 경우 콘크리트의 강도를 저하시킬 뿐만 아니라 기포제 등 콘크리트 첨가제를 흡착하여 콘크리트의 품질을 저하시키고 콘크리트의 열팽창 강도를 저하시키는 문제점이 발생한다. 그러므로 무연탄 매립 석탄회는 벽돌용 잔골재, 노반재 등으로 일부가 사용되고 있는 실정이다. 건축용 소성벽돌 제조에 무연탄 매립 석탄회를 첨가하여 사용하게 되면, 석탄회 배합토의 가소성이 급격히 저하하여 성형 공정에서 진공 압출 성형이 불가능하고, 또한 프레스 방법에 의해 블릭을 성형하더라도, 소성 공정에서 균열이 발생하여 소성벽돌이 변형되는 문제점이 발생된다. 또한 미연탄소의 함량 과다 등의 문제로 종래의 기술로는 소성벽돌의 제조가 불가하였다.

따라서 무연탄 매립 석탄회, 비산회, 장석으로 구성되는 배합토를 제조하고 이 배합토의 가소성 저하 문제를 개선하기 위하여 제토공정을 개선하여 가소성을 향상시키고, 이를 통해 비산회의 첨가량이 10wt% 이상인 벽돌을 진공 압출 성형할 수 있다면, 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌의 공업적 생산이 가능하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 소성벽돌의 제조에 사용되는 천연 원료 중 30~90wt%를 무연탄 매립 석탄회와 비산회로 대체함으로써 소성 벽돌의 제조 원가 절감 및 강도 특성 향상뿐만 아니라 매립 석탄회 및 비산회를 재활용하고, 천연자원의 사용량 감소로 인한 자연환경 보호를 달성할 수 있는 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 무연탄 매립 석탄회 및 내화도가 우수한 비산회를 사용하고, 제토공정을 개선함으로써 혼합물의 가소성 저하 문제를 해결하고, 소성시간을 약 5배정도 단축하면서 소성벽돌로서의 높은 압축강도를 갖는 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌은, 매립회 20~80wt%, 비산회 10~40wt%, 장석 10~70wt%으로 혼합하여 진공압출시키고, 1000~1250℃ 고온으로 소성한 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌의 제조방법은 매립회 20~80wt%, 비산회 10~40wt%, 장석 10~70wt%으로 혼합하여 무연탄 석탄회 배합토를 제조하는 단계와; 상기 배합원료를 제토공정에서 3~4회 혼련하여 130~150시간 숙성한 뒤 성형벽돌로 진공 압출하여 성형하는 단계와; 상기 성형벽돌을 터널식 소성로에서 1000~1250℃ 온도범위로 승온한 후 1~4시간 동안 유지하여 소성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토에서 선택한 어느 하나의 무기 가소제가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 원료를 사용한 일반적인 소성벽돌의 제조 공정도이고, 도 3은 무연탄 매립 석탄회의 XRD 분석이며, 도 4는 무연탄 석탄회가 80wt%(매립재 40wt%, 비산회 40wt%) 첨가된 소성벽돌의 SEM 사진(1,000배)이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 소성벽돌의 주원료는 매립회와 비산회이며, 부원 료로는 장석이 사용된다. 고령토질 소성벽돌의 경우에는 주원료로는 저급 고령토가 사용되고 부원료로는 장석이 사용된다.

한편, 소성벽돌의 성형성을 개선하기 위해 무기 가소제를 첨가할 수가 있다. 이때, 무기 가소제에 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토 등이 사용된다.

표 1은 유연탄 석탄회와 무연탄 매립 석탄회 및 장석의 물리적 특성을 비교하여 나타낸 것으로, 무연탄 석탄회 중에는 Al₂O₃ 성분이 유연탄 석탄회 보다 더 높게 함유되어있다. 또한 장석은 SiO₂의 함유량이 고령토와 유사하여 기존 점토벽돌에서 고령토를 대체할 수가 있다.

	무연탄 석탄회	유연탄 석탄회	장석
평균입경(㎛)	20~35	15~20	11~25
SiO₂(%)	44~46	61~65	46~50
Al₂O₃(%)	28~29	18~25	28~32
Fe₂O₃(%)	4~5	3.5~7	1.2~5.0
CaO(%)	0.8~1.2	4~7	2.6~14.0
Loss of Ignition (%)	13~25	2~5	2.5~11.9
내화도	1300℃	1200℃	-
뮬라이트	대	소	대

또한, 무연탄 석탄회는 도 3의 무연탄 석탄회의 XRD 분석 결과를 나타난 바와 같이 우수한 고온 특성을 갖고 있는 뮬라이트 결정으로 되어 있어 결과적으로 무연탄 석탄회를 첨가한 벽돌은 내화도가 향상되어 고온 소성과정에서 발생될 수 있는 균열 등과 같은 심각한 변형을 억제할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 무연탄 석탄회 배합토의 제조 방법, 가소성 향상 방법, 진공 압출 성형 여부의 평가방법, 성형 및 소성 제품의 특성 평가방법은 다음과 같이 수행하였다.

전체 배합토를 기준으로 석탄회의 첨가량은 10~90wt%로 하며, 이중 무연탄 매립 석탄회의 첨가량은 20~80wt%, 비산회의 첨가량은 10~40wt%의 범위로 하였고, 장석의 첨가량은 10~70wt%의 범위로 하였다. 무기 가소제를 사용하는 경우 시료 전체 중량에 3~5wt%의 범위로 첨가되었는데, 무기 가소제를 첨가하는 만큼 장석의 첨가량을 감소시켰다.

무기 가소제에는 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토 등의 천연광물 중 하나 또는 두 가지 광물이 사용하였다.

무연탄 매립 석탄회, 비산회, 장석 및 가소제로 구성된 혼합물은 수분의 함량이 18±2%가 되도록 조절되면서 모르타르 혼합기에서 균질하게 혼합하여, 진공 압출 성형을 위한 배합토를 제조하였다.

무연탄 매립 석탄회 배합토의 진공 압출 성형의 가부는 350마력의 진공 압출 성형기로 실제 벽돌 생산 공정에서 확인하였고, 여기에서 성형된 벽돌은 105m의 터널식 소성로에서 100℃/hr의 승온속도로 최고 소성온도까지 가열하였으며, 최고 소성온도는 1000~1250℃로 하였다. 최고 소성온도에서의 유지시간은 30분~2시간으로 하였다. 소성 벽돌의 특성은 압축강도, 흡수율 및 중량의 비교로 평가하였다.

무연탄 석탄회의 첨가량이 90wt%(매립회80wt%, 비산회10wt%)의 경우에도 소량의 무기 가소제를 첨가하여 가소성이 증진되었고, 진공 압출 성형이 가능하였다. 무기 가소제의 첨가량이 부족할 경우에는 진공 압출 성형기에 배합토의 장입이 곤란하여 성형이 불가능하였고, 무기가소제의 첨가량이 과다할 경우에는 진공 압출 성형기로부터 성형벽돌의 토출이 곤란하여 성형이 불가능하였다.

진공 압출 성형에서 얻어진 성형벽돌은 터널식 소성로를 이용하여 소성하였다. 최고 소성온도까지는 100℃/hr의 승온속도로 가열하였으며, 이때 최고 소성온수 있다. 이러한 공정의 단순화는 에너지 절약을 가능하게 하고, 결과적으로 소성벽돌의 제조 원가를 낮출 수 있었다.

다음은 비교예 및 실시예를 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.

<비교예>

점토 30wt%, 고령토 60wt%, 장석 10wt%인 배합토를 이용하여 중량의 16~18wt%에 해당하는 수분 공급만으로 진공 압출 성형하고, 터널실 소성로에서 1180℃로 소성하여 제조된 소성벽돌의 특성을 표 2에 나타내었다.

표 1에 나타난 바와 같이 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 23.5 N/㎟ 이었다. 얻어진 소성 벽돌(크기 190×90×57mm) 한 장의 중량이 1.6kg이었다.

<실시예 1>

석탄회 60wt%, 고령토 30wt%, 장석 10wt%인 석탄회 배합토를 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형하여 터널실 소성로에서 1100℃로 소성하여 소성벽돌을 제작하였으며, 소성벽돌의 특성을 표 2에 나타내었다.

표 2에 도시된 바와 같이, 소성벽돌은 가소제의 첨가 없이 수분만으로 성형이 가능하였으며, 성형벽돌의 소성 후 압축강도가 28.5 N/㎟를 나타내었다. 얻어진 소성벽돌(크기 190×90×57mm) 한 장의 중량은 1.35~1.45kg이었다.

<실시예 2>

매립회 40wt%, 비산회 40wt%, 장석 20wt%인 석탄회 배합토를 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형하여 터널실 소성로에서 1040℃로 소성하여 소성벽돌을 제작하였으며, 성형벽돌의 특성을 표 2에 나타내었다.

표 2에 도시된 바와 같이, 소성벽돌은 가소제의 첨가 없이 수분만으로 성형이 가능하였으며, 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 30.5 N/㎟를 나타내었다. 얻어진 소성벽돌(크기 190×90×57mm) 한 장의 중량이 1.2~1.3kg이었다.

	비교예1	실시예1	실시예2
원 료	점토, 고령토, 장석	비산회, 고령토, 장석	매립회, 비산회, 장석
물 공급량 (원토 100kg당)	1kg미만	8∼9kg	5∼6kg
배합원료 숙성시간	96시간	120∼130시간	130∼150시간
제토공정 순환	1회	2∼3회	3∼4회
성형압력	200psi	250psi	230psi
수분율	18±1%	18±2%	18±2%
건조시간	48시간	40시간	36시간
건조온도	200±20℃	180±20℃	160±20℃
최고 소성온도	1,170∼1,190℃	1,100℃	1,040℃
흡수율	10%이하	9%이하	8%이하
압축강도(N/㎟)	21.00∼26.00	27.00∼30.00	28.00∼33.00
꺽임강도(N/㎟)	3.00	4.50∼5.50	4.50∼5.50
비중	2.0∼2.1	1.7	1.5
기공율	20	30	30
1장당 중량(kg)	1.6	1.35∼1.45	1.2∼1.3

<실시예 3>

매립회 20wt%, 비산회 20wt%, 장석 60wt% 인 석탄회 배합토의 경우에도 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 성형벽돌은 터널실 소성로에서 1040℃로 소성되었고, 이때 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 28.1 N/㎟, 흡수율 7.8%를 나타내었다.

<실시예 4>

매립회 30wt%, 비산회 30wt%, 장석 40wt%인 석탄회 배합토의 경우에도 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 성형벽돌은 터널실 소성로에서 1040℃로 소성되었고, 이때 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 31.2 N/㎟, 흡수율 7.6%를 나타내었다.

<실시예 5>

매립회 40wt%, 비산회 40wt%, 장석 20wt%인 석탄회 배합토의 경우에도 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 성형벽돌은 터널실 소성로에서 1040℃로 소성되었고, 이때 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 33.0 N/㎟, 흡수율 7.2%를 나타내었다.

<실시예 6>

매립회 50wt%, 비산회 30wt%, 장석 20wt%인 석탄회 배합토의 경우에도 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 성형벽돌은 터널실 소성로에서 1040℃로 소성되었고, 이때 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 30.8 N/㎟, 흡수율 7.9%를 나타내었다.

<실시예 7>

매립회 60wt%, 비산회 20wt%, 장석 20wt%인 석탄회 배합토의 경우에도 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 성형벽돌은 터널실 소성로에서 1040℃로 소성되었고, 이때 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 28.7 N/㎟, 흡수율 8.0%를 나타내었다.

<실시예 8>

매립회 80wt% 비산회 10wt%, 장석 10wt%인 석탄회 배합토의 경우에도 가소제의 첨가 없이 18wt%의 수분만으로 진공 압출 성형이 가능하였다. 성형벽돌은 터널실 소성로에서 1040℃로 소성되었고, 이때 성형벽돌의 소성 후 압축강도는 28.5 N/㎟, 흡수율 8.7%를 나타내었다.

구분	원 료 배 합 비	압축강도 (N/㎟)	흡수율(%)
실시예 3	매립회(20%), 비산회(20%), 장석(60%)	28.1	7.8
실시예 4	매립회(30%), 비산회(30%), 장석(40%)	31.2	7.6
실시예 5	매립회(40%), 비산회(40%), 장석(20%)	33.0	7.2
실시예 6	매립회(50%), 비산회(30%), 장석(20%)	30.8	7.9
실시예 7	매립회(60%), 비산회(20%), 장석(20%)	28.7	8.0
실시예 8	매립회(80%), 비산회(10%), 장석(10%)	28.5	8.7

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 건축용 소성벽돌은 석탄회와 비산회를 최대 90wt%까지 대체하면서 소성시간을 5배 단축할 수 있는 장점이 있다.

또한, 제조된 소성 벽돌의 중량은 1.2~1.3kg으로 기존 고령토 점토벽돌 1.6kg의 약 22wt%의 중량을 감소시켜 소성 벽돌의 경량화를 달성할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명으로 종래에 사용된 소성벽돌의 원료인 천연자원인 적점토와 고령토를 산업폐기물인 무연탄 석탄회로 대체할 수 있어 폐기물의 재활용 및 천연자원의 절약은 물론이고, 연료의 획기적인 절감으로 소성벽돌의 제조 원가를 크게 낮출 수 있으며, 소성벽돌의 경량화로 소성 벽돌의 운반 및 조적 작업을 용이하게 할 수 있다.

그리고, 소성 벽돌의 제조 과정에 있어서는 천연 광물의 사용량이 감소됨에 따라 로타리 킬른에서 광석을 건조하는 과정을 생략하고 분쇄과정을 2단계에서 1단계로 단순화시킬 수 있어 소성벽돌의 제조 원가를 더욱 낮출 수 있다.

Claims

매립회 20~80wt%, 비산회 10~40wt%, 장석 10~70wt%으로 혼합하여 진공압출시키고, 1000~1250℃ 고온으로 소성한 것을 특징으로 하는 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌.
제 1 항에 있어서, 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토에서 선택한 어느 하나의 무기 가소제가 더 포함된 것을 특징으로 하는 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌.
매립회 20~80wt%, 비산회 10~40wt%, 장석 10~70wt%으로 혼합하여 무연탄 석탄회 배합토를 제조하는 단계;

상기 배합원료를 제토공정에서 3~4회 혼련하여 130~150시간 숙성한 뒤 성형벽돌로 진공 압출하여 성형하는 단계;

상기 성형벽돌을 터널식 소성로에서 1000~1250℃ 온도범위로 승온한 후 1~4시간 동안 유지하여 소성하는 것을 특징으로 하는 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 도석, 세리사이트, 벤토나이트, 버미큐라이트, 폐백토에서 선택한 어느 하나의 무기 가소제가 더 포함된 것을 특징으로 하는 무연탄 매립 석탄회 함유 소성벽돌의 제조방법.