본 실험에서는 로터리 킬른으로 제조되는 인공경량골재의 실험실적 제어 가능성을 찾고자 여러 가지 소성조건에서 석탄 화력발전소에서 발생되는 바닥재와 준설토를 이용하여 인공경량골재를 제조하였다. 인공경량골재 조성은 바닥재 70 wt%와 준설토 30 wt%의 무게비로 성형하였고, 산화 분위기, 불활성 분위기, 환원 분위기에서 각각 $1150^{\circ}C$, $1200^{\circ}C$에서 소성하여 제조된 인공경량골재는 산화 분위기에서 명확한 블랙코어와 껍질(shell)간의 경계를 보이나, 불활성 분위기에서는 질소량이 증가할수록 그리고 소성온도가 증가할수록 경계가 없어지는 경향을 보이며, 환원 분위기에서는 단면 전체가 진회색을 띄게 된다. 로터리 킬른의 분위기와 가장 근접한 소성 분위기는 불활성분위기였으며 밀도나 흡수율 또한 그것과 유사하였다. 이러한 결과로 소형 전기로에서 로터리 킬른의 환경과 유사하게 조건을 제어할 수 있고, 물성을 예측할 수 있는 실험이 가능할 것으로 생각된다.
본 실험에서는 로터리 킬른으로 제조되는 인공경량골재의 실험실적 제어 가능성을 찾고자 여러 가지 소성조건에서 석탄 화력발전소에서 발생되는 바닥재와 준설토를 이용하여 인공경량골재를 제조하였다. 인공경량골재 조성은 바닥재 70 wt%와 준설토 30 wt%의 무게비로 성형하였고, 산화 분위기, 불활성 분위기, 환원 분위기에서 각각 $1150^{\circ}C$, $1200^{\circ}C$에서 소성하여 제조된 인공경량골재는 산화 분위기에서 명확한 블랙코어와 껍질(shell)간의 경계를 보이나, 불활성 분위기에서는 질소량이 증가할수록 그리고 소성온도가 증가할수록 경계가 없어지는 경향을 보이며, 환원 분위기에서는 단면 전체가 진회색을 띄게 된다. 로터리 킬른의 분위기와 가장 근접한 소성 분위기는 불활성분위기였으며 밀도나 흡수율 또한 그것과 유사하였다. 이러한 결과로 소형 전기로에서 로터리 킬른의 환경과 유사하게 조건을 제어할 수 있고, 물성을 예측할 수 있는 실험이 가능할 것으로 생각된다.
The lightweight aggregates made of bottom ash (70 wt%) and dredged soil (30 wt%) were prepared to investigate the property differences at various sintering atmospheres. The green aggregates were sintered at $1150^{\circ}C$ and $1200^{\circ}C$ with oxidized, neutralized and redu...
The lightweight aggregates made of bottom ash (70 wt%) and dredged soil (30 wt%) were prepared to investigate the property differences at various sintering atmospheres. The green aggregates were sintered at $1150^{\circ}C$ and $1200^{\circ}C$ with oxidized, neutralized and reduced atmospheres. The aggregates sintered with oxidized atmosphere showed a clear border between shell and black core area. However, the aggregates sintered with a reduced atmosphere showed only black core area in the entire cross-section of the aggregates. The black core area of the aggregates sintered with a neutralized atmosphere increased with increasing $N_2$ gas flow rates. It was determined that the sintering atmosphere was similar to that of rotary kiln when the CO gas flow was 100 cc/min to make a reduced atmosphere in tube furnace. The water absorption rates of both aggregates from tube furnace with reduced atmosphere and rotary kiln were very similar to each other.
The lightweight aggregates made of bottom ash (70 wt%) and dredged soil (30 wt%) were prepared to investigate the property differences at various sintering atmospheres. The green aggregates were sintered at $1150^{\circ}C$ and $1200^{\circ}C$ with oxidized, neutralized and reduced atmospheres. The aggregates sintered with oxidized atmosphere showed a clear border between shell and black core area. However, the aggregates sintered with a reduced atmosphere showed only black core area in the entire cross-section of the aggregates. The black core area of the aggregates sintered with a neutralized atmosphere increased with increasing $N_2$ gas flow rates. It was determined that the sintering atmosphere was similar to that of rotary kiln when the CO gas flow was 100 cc/min to make a reduced atmosphere in tube furnace. The water absorption rates of both aggregates from tube furnace with reduced atmosphere and rotary kiln were very similar to each other.
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문제 정의
또한 근래에 들어 폐기물의 처리와 재활용을 위한 석탄회를 이용한 인공경량골재의 경우 기본적으로 점토 또는 점토를 주성분으로 하는 재질의 원료와 그 조성이 유사하지만 이를 기본으로 한 연구는 찾아보기 힘들다. 본 연구에서는 석탄회를 이용한 인공경량 골재의 실제 생산에 사용되는 로터리 킬른의 환경을 실험실적으로 구현하기 위해 전기 튜브(tube)로를 이용하여 소성온도와 분위기 조건을 제어하였고, 이때 얻어지는 골재의 블랙코어 생성과 물성변화를 확인하여 로터리 킬른의 실제 조건과 가장 근사한 공정조건을 제시하고자 하였다.
제안 방법
각 원료를 핀밀(pin mill)을 이용하여 100 µm 이하로 분쇄하여 사용하였으며, 건식 혼합 후 조립기(pelletizer)를 이용하여 지름 7~8 mm 크기의 구형 골재를 성형하였다.
측정 개수는 조건별로 7개의 시편을 이용하여 평균을 내었다. 또한 광학 현미경을 이용하여 골재의 표면 및 단면을 관찰하고, 각 조건에 따른 블랙코어 형성 정도를 관찰하였다.
본 연구에 사용된 석탄회의 바닥재와 준설토에 대한 화학성분은 Table 1에 나타내었으며, XRF(ZSR-100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였다. 바닥재는 국내 유연탄 화력발전소에서 배출되는 석탄 바닥재를 이용하였고, 준설토는 발전소 건설시 발생한 것을 이용하였다.
불활성 분위기 소성이 골재의 블랙코어 형성과 골재 색상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 소성시 질소를 분당 각각 50 cc, 100 cc, 250 cc를 소성로 내에 흘려주어 불활성 분위기를 유지하게 하였다. 소성된 시편의 상태를 알아보기 위하여 소성 골재를 다이아몬드 커터로 절단한 후 캠스코프(camscope)로 접사관찰 하여 Fig.
5와 Table 2에 각각 나타내었다. 산화 분위기는 대기 분위기 소성으로 시현하였고 일산화탄소를 분당 100 cc 주입으로, 질소가스를 분당 250 cc 주입하여 각각 환원 분위기와 불활성 분위기를 형성하였다. Fig.
석탄회의 바닥재 70 %와 준설토 30 %를 사용하여 제조된 인공경량골재를 기본 원료로 하여 산화, 불활성, 환원 분위기에 대한 블랙코어의 현상과 물성 변화를 비교 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
불활성 분위기 소성이 골재의 블랙코어 형성과 골재 색상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 소성시 질소를 분당 각각 50 cc, 100 cc, 250 cc를 소성로 내에 흘려주어 불활성 분위기를 유지하게 하였다. 소성된 시편의 상태를 알아보기 위하여 소성 골재를 다이아몬드 커터로 절단한 후 캠스코프(camscope)로 접사관찰 하여 Fig. 1에 나타내었다. Fig.
이렇게 제조된 골재는 소성온도 1150°C와 1200°C의 조건으로 설정하였으며, 소성 분위기는 전기 튜브로 내에 어떤 가스도 흘려주지 않은 상태에서 골재가 공기와 직접 접하는 상태인 산화 분위기와 불활성 분위기는 질소가스를 전기로내에 흘려 불활성화 조건을 제어하였고 마지막으로 환원 분위기는 일산화 탄소 가스를 전기로내에 흘려서 분위기를 제어하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 석탄회의 바닥재와 준설토에 대한 화학성분은 Table 1에 나타내었으며, XRF(ZSR-100e, Rigaku, Japan)를 이용하여 분석하였다. 바닥재는 국내 유연탄 화력발전소에서 배출되는 석탄 바닥재를 이용하였고, 준설토는 발전소 건설시 발생한 것을 이용하였다. 본 연구에서는 바닥재 70 wt%와 준설토 30 wt%의 무게비로 인공경량골재를 제조하였다.
바닥재는 국내 유연탄 화력발전소에서 배출되는 석탄 바닥재를 이용하였고, 준설토는 발전소 건설시 발생한 것을 이용하였다. 본 연구에서는 바닥재 70 wt%와 준설토 30 wt%의 무게비로 인공경량골재를 제조하였다.
석탄회를 이용한 인공경량골재를 기본 원료로 하여 소성 분위기에 대한 블랙코어 및 물성 변화를 고찰하기 위하여 소성된 시편을 KS F 2503(굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험방법)에 따라 부피비중 및 흡수율을 측정하였다. 측정 개수는 조건별로 7개의 시편을 이용하여 평균을 내었다. 또한 광학 현미경을 이용하여 골재의 표면 및 단면을 관찰하고, 각 조건에 따른 블랙코어 형성 정도를 관찰하였다.
이론/모형
석탄회를 이용한 인공경량골재를 기본 원료로 하여 소성 분위기에 대한 블랙코어 및 물성 변화를 고찰하기 위하여 소성된 시편을 KS F 2503(굵은 골재의 비중 및 흡수율 시험방법)에 따라 부피비중 및 흡수율을 측정하였다. 측정 개수는 조건별로 7개의 시편을 이용하여 평균을 내었다.
성능/효과
소성온도가 1150°C일때 보다 1200°C에서 색상변화가 가속되는 것을 알 수있으며, 분당 100 cc의 같은 양의 질소를 주입하였을 때 1150°C에서는 일부 표면에 붉은 색의 산화물질이 존재하지만 1200°C에서는 표면 대부분이 연한 고동색으로 변화되어짐을 관찰 할 수 있다. 골재의 단면을 비교 관찰하여 보면 산화 분위기에서는 뚜렷하게 블랙코어의 경계가 나타나지만 질소 주입에 따른 불활성 분위기가 형성되면서 그 경계가 옅어짐을 볼 수 있으며 질소 주입량이 증가 할수록, 그리고 소성온도가 증가 할수록 정도는 더욱 심화됨을 알 수 있다. 일반적으로 카본 함유 물질의 불완전한 산화는 블랙코어 형성을 가져 다 준다[1-3].
로터리 킬른 분위기와 중성 분위기의 경우 치밀한 껍질과 다공성의 블랙코어 경계는 뚜렷하게 구분되어지나 산화철의 환원 반응으로 인해 껍질의 색은 산화 반응에 의해 생성된 붉은색 껍질과는 다른 색을 띄고 있다. 반면에 환원 분위기에서 소성한 골재의 단면을 관찰한 결과 껍질과 블랙코어의 경계가 뚜렷하지 않으며 골재 단면 대부분에 블랙코어가 형성되었다. 이는 CO 가스 공급으로 인한 환원 분위기에 의해 골재의 껍질 부분에서도 산화철의 환원반응이 활발히 일어난 것으로 사료된다.
분위기에서는 질소주입량이 증가할수록 산소 부족으로 골재 껍질의 색이 블랙코어 색과 비슷해져 그 경계가 옅어지고, 소성온도가 증가할 경우 표면의 빠른 액상화로 인해 충분한 산소가 골재내부로 침투 하지 못하여 블랙코어 면적이 넓어짐과 동시에 껍질의 두께가 얇아지게 된다. 실험 결과 질소가스 250 cc를 주입한 불활성 분위기에서 소성한 골재의 물성 및 단면이 로터리 킬른에서 생산된 골재와 가장 비슷하였다. 환원 분위기에서 소성한 골재는 껍질과 블랙코어의 경계가 불분명하고 골재 단면 전체에 블랙코어가 생성되었다.
흡수율은 산화 분위기에서 가장 높고 로터리 킬른, 환원 분위기, 불활성 분위기는 모두 유사한 특성을 보인다. 위의 결과로 판단 할 때, 골재의 표면에 치밀한 유리상이 형성된 후 골재 껍질 부분의 탄소가 직접 산소와 반응하는 산화 분위기에서 발포되는 경우가 산화철의 환원반응에 의해 발포되는 환원 분위기, 불활성 분위기에 비해 개기공(open pore)이 더 많이 형성됨을 알 수 있다.
후속연구
이는 불완전 연소에 의한 CO 가스로 인해 골재내부 및 표면 전체에 산화철의 환원반응이 시작되어 CO2에 의한 발포현상이 골재 내부뿐만 아니라 껍질 부분에서도 일어나 골제 전체에 미세기공이 형성되기 때문인 것으로 사료되어 진다. 비중과 흡수율을 측정결과 인공경량골재의 물성 측면으로는 환원 분위기 소성이 가장 경량골재 특성에 부합하는 결과를 얻을 수 있으나, 상업적으로 사용되는 로터리 킬른과 유사한 성상을 갖는 소성 분위기는 불활성 분위기로 볼 수 있으며, 이러한 결과는 소형로에서 로터리 킬른의 환경과 유사하게 조건을 제어 할 수 있고, 물성을 예측할 수 있는 실험이 가능할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
블랙코어란?
근래에 와서 폐기물 처리와 재활용을 위한 석탄회를 사용한 인공경량골재 연구가 활발히 진행되고 있다. 점토 또는 점토를 주성분으로 하는 재질의 원료를 기본 원료로 하여 성형한 골재를 소성할 때 골재의 중앙 부분에 검은색을 띠는 블랙코어(black core)는 골재 내에 함유된 탄소의 불완전한 산화가 블랙코어의 형성을 가져 다 준다고 알려져 왔다[1]. 이 블랙코어는 재료 내에 포함된 유기물질이 산소와 미쳐 반응(산화)하지 못해 내부에서 환원반응이 일어나게 되어 형성되며[1-3], 이것이 산소와의 반응이 이루어진 골재의 껍질과 구분되어 블랙코어와 껍질 사이에 경계가 생기게 된다[1, 2].
블랙코어에 주요한 인자로 작용하는 것은?
이 블랙코어는 재료 내에 포함된 유기물질이 산소와 미쳐 반응(산화)하지 못해 내부에서 환원반응이 일어나게 되어 형성되며[1-3], 이것이 산소와의 반응이 이루어진 골재의 껍질과 구분되어 블랙코어와 껍질 사이에 경계가 생기게 된다[1, 2]. 이 블랙코어는 다양한 요인으로 생성, 제어되지만 특히, 초기 유기물의 양, 입자크기, 산소분압이 주요한 인자로 작용한다. 블랙코어 부분은 기공이 많이 존재하지만 골재 표면의 유리화로 인하여 내부에서 생성된 기포가 외부로 방출되지 못하고 내부에 갇혀 발포되므로 골재는 경량화하게 된다[5].
black core 부분은 기공이 많이 존재하나 골재가 경량화되는 이유는?
이 블랙코어는 다양한 요인으로 생성, 제어되지만 특히, 초기 유기물의 양, 입자크기, 산소분압이 주요한 인자로 작용한다. 블랙코어 부분은 기공이 많이 존재하지만 골재 표면의 유리화로 인하여 내부에서 생성된 기포가 외부로 방출되지 못하고 내부에 갇혀 발포되므로 골재는 경량화하게 된다[5]. 블랙코어는 점토 또는 점토를 주성분으로 하는 제품의 근본 문제 중의 하나로 탄소의 산화에 대해서는 실험실적으로 확립되었지만, 산업적인 측면에서는 아직 정립이 되지 않고 있다.
참고문헌 (8)
A. Escardino, A. Barba, A. Blasco and F. Negre, "Oxidation of black core during firing of ceramic ware; 4 Relationship between effective diffusity of oxygen through oxidised layer and properties characterising its porous structure", British Ceramic Transactions 94(3) (1995)
Jon Pacini, "Bloating and black coring", Laguna Clay Co, January (1999)
F. NNegre, A. Barba, J.L. Amoros and A. Escarkino, "Oxidation of black coring during the firing of ceramic ware-2. process kinetics", Br. Ceram. Trans. J. 91 (1992) 5
Y.J. Joo and M.S. Oh, "Unburnt carbon combution in the production of light weight sintered fly ash", Proceeding of KSEE conference (2002) 91
A. Barba, A.F. Negre, M.J. Orts and A. Escardino, "Oxidation of black core during firing of ceramic ware-3; influence of the thickness of the piece and the compositionof the black core", Br. Ceram. Trans. J. 91 (1992) 36
J.Y. Park and Y.T. Kim, "Microstructual observation of artificial aggregate at various sintering atmosphere", J. Kor. Crystal Technology 16 (2006) 71
B.K. Kara-sal, D.Kh. Sat, Yu.D. Kaminskii and A.P. Ochur-ool, "Effect of organic substances in clay Rocks on formation of a black core in ceramics", Glass and Ceramics 65, Nos. 3-4 (2008) 84
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