화력발전소에서 배출된 석탄 바닥재(bottom ash, B/A)를 이용하여 결정화 유리를 제조하고 그 결정상, 미세구조 및 기계적 특성을 분석하였다. 먼저 바닥재의 용융점을 낮추기 위해 수식제로 $Li_2O$를 첨가하고 용융하여 유리를 제조하였다. 제조된 유리는 2단계 열처리 공정을 이용하여 결정화시켰다. 즉 핵형성을 위한 1차 열처리를 한 후 결정성장을 시키는 2차 열처리를 행함으로서 결정화도를 높이고자 하였다. 제조원 결정화유리에는 주 결정상으로 ${\beta}$-spodumene상이 그리고 부차적인 상으로 $Li_2SiO_3$이 생성되었다. 결정화된 시편의 결정화도는 2차 열처리 공정의 유지시간이 길수록 증가하였다. 유지시간이 3시간 이하일 때의 시편의 미세구조는 결정화가 완전히 일어나지 않았고 불균일한 형상을 보였으며 또한 9시간 이상이 되면 시편 내부에 균열이 발생하였으며, 이로 인하여 기계적 강도가 감소하였다. 결론적으로 시편의 결정화도가 우수하고, 미세구조가 균일하면서 기계적 강도값이 가장 높은 물성을 갖는 유리상의 제조가 가능한 조건을 얻을 수 있었다.
화력발전소에서 배출된 석탄 바닥재(bottom ash, B/A)를 이용하여 결정화 유리를 제조하고 그 결정상, 미세구조 및 기계적 특성을 분석하였다. 먼저 바닥재의 용융점을 낮추기 위해 수식제로 $Li_2O$를 첨가하고 용융하여 유리를 제조하였다. 제조된 유리는 2단계 열처리 공정을 이용하여 결정화시켰다. 즉 핵형성을 위한 1차 열처리를 한 후 결정성장을 시키는 2차 열처리를 행함으로서 결정화도를 높이고자 하였다. 제조원 결정화유리에는 주 결정상으로 ${\beta}$-spodumene상이 그리고 부차적인 상으로 $Li_2SiO_3$이 생성되었다. 결정화된 시편의 결정화도는 2차 열처리 공정의 유지시간이 길수록 증가하였다. 유지시간이 3시간 이하일 때의 시편의 미세구조는 결정화가 완전히 일어나지 않았고 불균일한 형상을 보였으며 또한 9시간 이상이 되면 시편 내부에 균열이 발생하였으며, 이로 인하여 기계적 강도가 감소하였다. 결론적으로 시편의 결정화도가 우수하고, 미세구조가 균일하면서 기계적 강도값이 가장 높은 물성을 갖는 유리상의 제조가 가능한 조건을 얻을 수 있었다.
The glass-ceramics containing bottom ash (B/A) which was a by-produced from an electrical power plant was fabricated and its crystalline phase, microstructure and mechanical properties were analyzed. At first, the glass was fabricated by adding modifier oxide $Li_2O$ to lower the melting ...
The glass-ceramics containing bottom ash (B/A) which was a by-produced from an electrical power plant was fabricated and its crystalline phase, microstructure and mechanical properties were analyzed. At first, the glass was fabricated by adding modifier oxide $Li_2O$ to lower the melting temperature of coal bottom ash. The glass obtained was heat-treated by using a 2-stage process to crystallize, that is to say, to increase the degree of crystallization in the glass-ceramics, the first heat treatment for nucleation was performed followed by the secondary one for the growth of nucleates. The main crystalline phase formed in the glass-ceramics was ${\beta}$-spodumene and the secondary phase was $L_2SiO_3$. It was recognized that the degree of crystallization of glass-ceramics was increased with a holding time of the secondary heat treatment stage. In the case of the specimens hold up to 3 hour, the crystallization was not completed and the microstructures and morphologies of crystalline phase were not uniform. In the specimens of holding time over 9 hours, the cracks were generated inside of it, so its compressive strength would decrease due them. In conclusion, it was able to obtain the optimum condition to fabriate the glass-ceramics having the properties of high crystallization degree, uniform microstructures and morphologies and the high mechanical strength.
The glass-ceramics containing bottom ash (B/A) which was a by-produced from an electrical power plant was fabricated and its crystalline phase, microstructure and mechanical properties were analyzed. At first, the glass was fabricated by adding modifier oxide $Li_2O$ to lower the melting temperature of coal bottom ash. The glass obtained was heat-treated by using a 2-stage process to crystallize, that is to say, to increase the degree of crystallization in the glass-ceramics, the first heat treatment for nucleation was performed followed by the secondary one for the growth of nucleates. The main crystalline phase formed in the glass-ceramics was ${\beta}$-spodumene and the secondary phase was $L_2SiO_3$. It was recognized that the degree of crystallization of glass-ceramics was increased with a holding time of the secondary heat treatment stage. In the case of the specimens hold up to 3 hour, the crystallization was not completed and the microstructures and morphologies of crystalline phase were not uniform. In the specimens of holding time over 9 hours, the cracks were generated inside of it, so its compressive strength would decrease due them. In conclusion, it was able to obtain the optimum condition to fabriate the glass-ceramics having the properties of high crystallization degree, uniform microstructures and morphologies and the high mechanical strength.
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문제 정의
본 연구의 목적은 바닥재에 수식산화물인 Li?。를 첨가하여 유리 및 결정화 유리를 제조하고, 이로부터 기계적 강도가 우수한 건축자재로서의 활용방안을 모색하고자 한다. 특히 결정화 유리는 결정화도에 따라 기계적 강도가 크게 변화하므로, 핵형성을 위한 1차 열처리를 한 뒤 결정성장을 위한 2차 열처리를 시키는 2단계 열처리 공정을 적용하였다.
따라서 본 연구에서는 표면 결정화가 우세하다고 예상되는 석탄바닥재-LiQ계 결정화 유리의 결정화도를 증진시키기 위해 2단계 열처리 공정을 선택하였다. 즉 최적의 핵형성온도에서 1차 열처리한 뒤, 최적의 결정성장온도에서 2차 열처리하여 결정성장이 극대화 되도록 유도하였다[Fig.
본 연구의 목적은 바닥재에 수식산화물인 Li?。를 첨가하여 유리 및 결정화 유리를 제조하고, 이로부터 기계적 강도가 우수한 건축자재로서의 활용방안을 모색하고자 한다. 특히 결정화 유리는 결정화도에 따라 기계적 강도가 크게 변화하므로, 핵형성을 위한 1차 열처리를 한 뒤 결정성장을 위한 2차 열처리를 시키는 2단계 열처리 공정을 적용하였다.
가설 설정
1. Heat treatment schedule for glass-ceramics, (a) 2-stees heat treatment consisting of nucleation and growth steps, (b) 1-stage heat treatment in which nucleation and growth steps are overlapped.
제안 방법
DTA로부터 얻어진 데이터로부터 핵형성 온도 및 결정성장 온도를 측정하여, 유리시편을 결정화시키기 2단계 열처리를 행하였다. 즉 핵형성을 위한 1차 열처리 및 결정성장을 위한 2차 열처리를 순차적으로 시행하였다.
각 온도(L:에서 핵형성 열처리된 시편들에 대해서 다시 DTA 분석을 하여, 결정화 피크(TJ를 측정한 뒤, 각시 편의 L 및 Tp 값을 좌표 상에 표시하여 Fig. 2에 나타내었다. Fig.
석탄 바다 재가 주성분이고 주 결정상이 月"Spodumene인 결정화 유리에서 균열이 자주 발생된다고 보고된 바 있다[10]. 기계적 특성을 분석하기 위하여 압축강도 실험을 하였다. Fig.
)로 분석하였다. 또한 결정화 유리의 미세구조는 시편을 2 % HF용액에서 1분간 처리한 뒤 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope; HSM-6500F, JEOL Co.)을 통하여 관찰하였다. 압축강도를 측정하기 위한 시편은 1X1X1 mm인 정육면체로 준비하였고 시편 3개의 값을 평균으로 압축강도를 나타내었다.
본 연구 전에 실시된 예비실험을 통하여 제조된 유리 시편에 대하여 여러 가열속도에 따른 DTA 분석을 행하였고 그로부터 얻어진 중요한 피크 온도를 측정하여 Table 2에 나타내었다. 가열속도가 증가할수록 발열 및흡열 피크 크기가 증가되며, 동시에 피크 온도가 더 높아지는 경향을 나타낸다.
Table 1에 나타내었다. 석탄 바닥재에는 미연 탄소가 약 18wt%가 존재하는데 이것을 제거하기 위하여 1000℃의 전기로에서 3시간 동안 하소처리를 하였다. 하소된 석탄바닥재는 45μm 크기의 미분만 걸러낸 후 Li, O> 15 wt% 혼합한 뒤 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 건식볼밀 하였다.
석탄바닥재에 1爲0를 15 wt% 첨가하여 제조된 유리에 대하여 핵형성온도에서 열처리한 뒤 결정성장온도에서 다시 열처리하는 2단계 열처리방법으로 결정화 유리를 제조하였다. DTA를 분석 및 예비열처리 실험으로부터 최적의 핵형성 및 결정성장 온도는 각각 620 및 640℃ 로 으로 나타났다.
1시간 유지된 시편을 보면 결정화가 충분히 일어나지 않고 미세구조가 불균일하다. 시편의 미세구조를 관찰하기 위해 2% HF용액에서 1분간 처리를 하였는데, 1시간 유지시편은 HF에 용줄된 흔적이 여러 곳 관찰되었다(흰색 원으로 표시). 유리상은 HF에 대해 내화학성이 결정질에 비하여 매우 낮으므로 이러한 용출 흔적은 1시간 시편이 완전히 결정화되지 못하고 비정질 상이 많이 잔존하였음을 보여준다.
1(a)]. 우선 최적의 핵형성온도를 구하기 위해 승온 속도 5℃/min로 분석된 DTA에서 측정된 Tg (506℃)와 TP1(668℃) 온도 구간을 7개로 나누어 각각의 온도(TQ에서 유리를 2시간 동안 핵형성 열처리를 하였다 [8].
즉 핵형성을 위한 1차 열처리 및 결정성장을 위한 2차 열처리를 순차적으로 시행하였다. 제조된 결정화 유리 시편의 결정 상은 XRD(X-ray Diffractometer; D/MA.X-C, Rigaku Co.)로 분석하였다. 또한 결정화 유리의 미세구조는 시편을 2 % HF용액에서 1분간 처리한 뒤 FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope; HSM-6500F, JEOL Co.
유리를 제조하였다. 제조된 유리 시편을 45|im로분쇄한 후 DTA(Dififerential Thermal Analysis; STA 409 C/CD, Netzsch Co.)를 통하여 열적 특성을 분석 하였斗.
위해 2단계 열처리 공정을 선택하였다. 즉 최적의 핵형성온도에서 1차 열처리한 뒤, 최적의 결정성장온도에서 2차 열처리하여 결정성장이 극대화 되도록 유도하였다[Fig. 1(a)]. 우선 최적의 핵형성온도를 구하기 위해 승온 속도 5℃/min로 분석된 DTA에서 측정된 Tg (506℃)와 TP1(668℃) 온도 구간을 7개로 나누어 각각의 온도(TQ에서 유리를 2시간 동안 핵형성 열처리를 하였다 [8].
행하였다. 즉 핵형성을 위한 1차 열처리 및 결정성장을 위한 2차 열처리를 순차적으로 시행하였다. 제조된 결정화 유리 시편의 결정 상은 XRD(X-ray Diffractometer; D/MA.
특히 결정화 유리는 결정화도에 따라 기계적 강도가 크게 변화하므로, 핵형성을 위한 1차 열처리를 한 뒤 결정성장을 위한 2차 열처리를 시키는 2단계 열처리 공정을 적용하였다. 특히 결정성장을 위한 2차 열처리 단계에서 유지 시간에 따른 결정화 유리의 결정화도, 미세구조, 기계적강도의 변화를 집중적으로 고찰하였다.
특히 결정화 유리는 결정화도에 따라 기계적 강도가 크게 변화하므로, 핵형성을 위한 1차 열처리를 한 뒤 결정성장을 위한 2차 열처리를 시키는 2단계 열처리 공정을 적용하였다. 특히 결정성장을 위한 2차 열처리 단계에서 유지 시간에 따른 결정화 유리의 결정화도, 미세구조, 기계적강도의 변화를 집중적으로 고찰하였다.
혼합된 분말을 알루미나 도가니에 넣어 1350℃의 전기로에서 20 min 동안 용융한 후 Tg(glass transition temperature)보다 약 10℃ 높은 온도인 약 516℃로 가열된 흑연 몰드에 부어 냉각시 발생하는 열응력을 제거하여 유리를 제조하였다. 제조된 유리 시편을 45|im로분쇄한 후 DTA(Dififerential Thermal Analysis; STA 409 C/CD, Netzsch Co.
대상 데이터
)을 통하여 관찰하였다. 압축강도를 측정하기 위한 시편은 1X1X1 mm인 정육면체로 준비하였고 시편 3개의 값을 평균으로 압축강도를 나타내었다.
성능/효과
유리상은 HF에 대해 내화학성이 결정질에 비하여 매우 낮으므로 이러한 용출 흔적은 1시간 시편이 완전히 결정화되지 못하고 비정질 상이 많이 잔존하였음을 보여준다. 3시간 유지 시편의 미세구조는 HF에 용출된 흔적이 관찰되지 않았으나 결정 모양이나 크기가 불균일하여 충분한 결정성장이 이루어지지 않은 것으로 나타났다. 그러나 유지 시간이 5시간인 시편에서는 미세구조가 균일하고, 결정 덩어리 내 침상다발의 배열이 매우 일정하였다.
DTA를 분석 및 예비열처리 실험으로부터 최적의 핵형성 및 결정성장 온도는 각각 620 및 640℃ 로 으로 나타났다. 핵형성 열처리된 시편을 결정성장 열처리한 결과, 주상으로 昌spodumene이 부차적인 상으로 LizSiQ가 나타났으며 유지시간이 증가할수록 결정화도가 증가하는 경향을 보였다.
1(b)]으로 제조된 시편의 주피크의 강도가 2단계 열처리 방법으로 제조된 시편과 비교해 확실히 낮은 것을 확인할 수 있었다. 결정화 열처리시 유지시간의 변화는 결정상의 종류에 거의 영향을 미치지 않았으나, 유지시간이 증가할수록 주 피크의 강도, 즉 결정화도가 증가함을 알 수 있었다. 그러나 유지시간이 9시간인 시편의 피크 강도는 7시간인 시편에 비해 감소되었기에 결정성장을 위한 2차 열처리 공정에서 최적의 유지시간은 7시간으로 나타났다.
또한 SEM으로 관찰된 미세구조는 2차 열처리시간이 1~3시간인 경우, 결정화가 충분히 이루어지지 않고 미세구조가 불균일하였으나, 5~7시간의 경우, 미세구조가 균일하고 결정 성장이 잘 이루어진 것을 확인하였다. 그러나 유지시간이 9시간인 시편에서 결정사이에 균열을 발견할 수 있었고, 이로 인해 기계적 특성이 낮아지는 현상을 초래하였다.
또한 결정화도가 증가할수록 압축강도가 증가하는 것은 XRD 분석의 결과(Fig. 3)로부터 결정화도가 증가한 것에 기인한 것임을 알 수 있었다. 결국 결정화도를 높이면서도 높은 기계적 특성을 나타내는 최적의 결정성장 열처리 시간은 7시간으로 분석되었다.
그러나 유지 시간이 5시간인 시편에서는 미세구조가 균일하고, 결정 덩어리 내 침상다발의 배열이 매우 일정하였다. 본 논문에는 나타내지 않았으나 시편을 고배율로 관찰한 결과 결정 덩어리는 한 방향으로 길게 자란 침상의 다발이었다. 7 시간 유지 시편 역시 비교적 균일한 크기의 결정 덩어리들이 배열된 미세구조를 나타내었다.
5은 결정성장을 위한 2차 열처리 시 유지 시간을 변수로 하여 제조된 시편의 압축강도 결과이다. 유지 시간이 증가할수록 강도가 증가하여 7시간 유지한 시편의 강도가 가장 높게 나타났다. 그러나 9시간 유지 시편의 강도는 오히려 7시간 유지의 경우에 비해 감소하였다.
그러나 유지시간이 9시간인 시편에서 결정사이에 균열을 발견할 수 있었고, 이로 인해 기계적 특성이 낮아지는 현상을 초래하였다. 이로부터 2차 열처리 시 유지시간이 7 시간인 시편이 높은 결정화도와 물성을 가진 시편인 것을 알 수 있었다.
DTA를 분석 및 예비열처리 실험으로부터 최적의 핵형성 및 결정성장 온도는 각각 620 및 640℃ 로 으로 나타났다. 핵형성 열처리된 시편을 결정성장 열처리한 결과, 주상으로 昌spodumene이 부차적인 상으로 LizSiQ가 나타났으며 유지시간이 증가할수록 결정화도가 증가하는 경향을 보였다.
참고문헌 (10)
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