[논문]승온 소성법을 이용한 균일 발포 특성을 갖는 인공경량골재의 제조

강민아; 강승구; 이기강; 김유택

doi:10.4191/kcers.2012.49.2.161

승온 소성법을 이용한 균일 발포 특성을 갖는 인공경량골재의 제조
Fabrication of Artificial Light-weight Aggregates of Uniform Bloating Properties Using a Temperature-raising Sintering Method 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.2, 2012년, pp.161 - 166

강민아 (경기대학교 신소재공학과) , 강승구 (경기대학교 신소재공학과) , 이기강 (경기대학교 신소재공학과) , 김유택 (경기대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The temperature-rasing sintering method was used in this study to fabricate the aggregates of uniform pore size and distribution containing reject ash occurred in the thermal power plant. The spheric green aggregates made of reject ash were put into the box furnace of 800~$1000^{\circ}C$, heated with a heating rate of 5~$15^{\circ}C$/min to 1200~$1275^{\circ}C$, sintered for 10 min and then discharged out of the furnace to the room temperature. The input temperature, heating rate and sintering temperature increased the bloating phenomenon of the specimen, and the sintering temperature among them was the most effective factor. The aggregate manufactured at $1275^{\circ}C$ had the specific gravity of about 1.0 and water absorption of 1~2%, and the pores of 500~1,000 ${\mu}m$ were uniformly distributed across the whole specimen. Especially, the aggregates fabricated using the temperature-rasing sintering method in this study showed an excellent bloating properties and uniform microstructure without black core phenomenon which is typical for the bloated ceramics synthesized by direct sintering method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해 골재 제조시 별도의 발포제 및 융제를 첨가하지 않고도 낮은 값의 비중 및 흡수율을 나타내는 우수한 경량 특성을 갖도록 승온 소성법을 사용하였으며 투입온도, 가열속도 그리고 소성온도에 따른 골재의 물성 및 미세구조를 측정, 평가하였다. 또한 승온 소성법과 직화 소성법으로 제조된 골재들의 비교를 통하여 경량화 및 균일한 기공크기 분포를 나타내는 원인에 대해 고찰하였다.
본 연구에서는 잔사회 100%를 이용하여 인공경량골재를 제조함으로서 그동안 거의 재활용되지 못한 잔사회의 활용에 일조를 하고자 한다. 이를 위해 골재 제조시 별도의 발포제 및 융제를 첨가하지 않고도 낮은 값의 비중 및 흡수율을 나타내는 우수한 경량 특성을 갖도록 승온 소성법을 사용하였으며 투입온도, 가열속도 그리고 소성온도에 따른 골재의 물성 및 미세구조를 측정, 평가하였다.

가설 설정

^8,9) 이때 산화철의 환원을 촉진하는 것은 탄소의 산화반응이며 이로 인해 발생된 CO₂ 가스가 시편발포를 촉진한다. ¹⁰⁾ 반면 승온소성법으로 제조된 시편은 액상이 형성되는 전에 가스가 생성되어 시편 밖으로 빠져나가므로 내부의 철산화물이 환원되지 못하여 블랙코어가 형성되지 않는 것이다.

제안 방법

또한 기존의 세라믹 발포골재의 제조방법인 직화 소성법으로도 잔사회 100% 골재를 제조하여 그 물성값을 본 기술에 의해 제조된 시편과 비교 분석하였다. 직화 소성법은 소성 온도로 가열된 소성로에 시편을 넣고 일정시간 유지한 뒤 즉시 배출하는 방법이다.
직화 소성법은 소성 온도로 가열된 소성로에 시편을 넣고 일정시간 유지한 뒤 즉시 배출하는 방법이다. 본 비교 실험에서는 직화소성(direct sintering) 온도를 1200~1275℃, 소성시간은 10분으로 하여 인공경량골재를 제조하였다.
본 연구에서 사용된 잔사회의 화학조성을 XRF로 분석한 결과를 Table 1에 나타내었다. 여기서 조성 산화물들을 전통적인 세라믹 분류법에 의거하여 골격(frame)을 이루는 산성산화물, 중성산화물 그리고 액상을 생성하는 융제(flux) 산화물로 나누었다. 산성산화물은 비금속 산화물로 RO₂ 그룹에 속하며 SiO₂가 대표적이고, 중성산화물은 양쪽성 원소산화물로서 R₂O₃ 그룹에 속하며 Al₂O₃가 대표적인 산화물이다.
원료의 화학조성 분석을 위하여 XRF(ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용하였으며, 강열감량(Ig. loss) 값은 1050℃에서 측정하였다. 소성체 절단면의 미세구조를 관찰하기 위하여 광학현미경(DCS-105, Sometech Vision, Korea)을 사용하였다.
본 연구에서는 잔사회 100%를 이용하여 인공경량골재를 제조함으로서 그동안 거의 재활용되지 못한 잔사회의 활용에 일조를 하고자 한다. 이를 위해 골재 제조시 별도의 발포제 및 융제를 첨가하지 않고도 낮은 값의 비중 및 흡수율을 나타내는 우수한 경량 특성을 갖도록 승온 소성법을 사용하였으며 투입온도, 가열속도 그리고 소성온도에 따른 골재의 물성 및 미세구조를 측정, 평가하였다. 또한 승온 소성법과 직화 소성법으로 제조된 골재들의 비교를 통하여 경량화 및 균일한 기공크기 분포를 나타내는 원인에 대해 고찰하였다.
본 연구에 사용된 석탄 잔사회(coal reject ash)는 국내 ‘Y’ 화력발전소에서 발생한 것을 사용하였다. 잔사회의 성형능력을 향상시키기 위하여 PVA 1% 수용액을 15~20 wt% 첨가하고, 이로부터 직경 8 mm의 구형 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 110℃에서 24시간 동안 건조 후, 승온 소성법으로 소성하였다.
화력발전소에서 발생된 잔사회로 부터 골재를 승온소성법으로 제조함에 있어 성형체 투입온도, 승온속도 그리고 최종 소성온도를 실험인자로 하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 석탄 잔사회(coal reject ash)는 국내 ‘Y’ 화력발전소에서 발생한 것을 사용하였다.

이론/모형

The input temperature is 800℃. The aggregates shown at the end of the right row were fabricated using the direct sintering method. The white bar indicates 5 mm.
4. The water absorption of aggregates fabricated using the temperature-raising and direct sintering ( ▼ ) methods as a function of heating rate and sintering temperature. The input temperature was 800℃.
또한 소성체의 온도변화에 따른 비중 및 흡수율 측정은 ‘KS F 2503’의 실험방법을 적용하였다.
loss) 값은 1050℃에서 측정하였다. 소성체 절단면의 미세구조를 관찰하기 위하여 광학현미경(DCS-105, Sometech Vision, Korea)을 사용하였다. 또한 소성체의 온도변화에 따른 비중 및 흡수율 측정은 ‘KS F 2503’의 실험방법을 적용하였다.

성능/효과

1) 석탄회는 성상에 따라 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되는데, 비산재는 684만톤 그리고 바닥재는 151만톤이 발생되고 있다. ²⁾ 비산재는 입도가 미세하고 조성이 우수하여 대부분 재활용되고 있으나, 이 중 탄소함량이 많고 입도가 커서 재활용되지 못하는 것을 잔사회(reject ash)라고 하는데 이는 거의 재활용되지 못하고 매립되고 있는 실정이다.
1200~1275℃ 범위에서 소성온도가 증가하면 시편은 발포되어 비중이 낮아졌으며, 승온속도가 높을수록 발포경향이 높고 비중이 낮아졌다. 발포가 되지 않은 시편은 비 중이 1.
0 이하의 경량 세라믹 골재를 제조하기 위해서는 원료 내에 적절한 기포 형성 및 액상 발생 성분들이 존재하여야 한다고 알려져 있다. ⁴⁾ 또한 소성온도로 가열된 로에 직접 넣는 방식의 직화법을 사용하는 것이 일반적이며, 이로부터 제조된 골재의 단면 구조는 내부에는 검은색의 소위 블랙코어(black core)가 존재하고 이를 둘러싸고 있는 붉은색의 외피(shell)로 구성되는 것이 전형적인 형태이다. 그런데 블랙코어 내의 기공과 외피에 존재하는 기공의 크기가 서로 달라 시편 전체적으로 기공크기 분포가 균일하지 않다.
7) 본 실험에서 직화 소성법으로 제조된 골재의 경우, Fig. 3의 단면 구조를 보면 1200℃ 소성온도에서 이미 블랙코어가 형성되었고 따라서 발포가 된 것을 알 수 있다. 이로 인해 같은 소성온도일지라도 승온소성 골재에 비해 직화소성 골재의 비중값이 더 낮았다.
직화 소성법으로 제조된 시편은 소성온도 1200~127℃ 에서 모두 발포되었다. 소성온도 증가와 함께 발포현상이 약간 증가하였으나 비중 감소율이 크지 않았으며, 흡수율은 모든 시편이 22% 이상으로 높게 나타났다. 또한 블랙코어와 표피(shell)의 경계에 큰 기공이 많이 존재하고 시편 전체적으로 기공 크기 분포가 균일하지 않았다.
2에 800℃로 예열된 소성로에 투입하여 여러 승온 속도로 가열한 뒤 최종소성온도에서 10분간 소성된 인공골재의 비중을 나타내었다. 승온속도에 따라 약간의 비중 차이는 있었으나, 승온 속도에 관계없이 1225℃에서 비중이 가장 높고, 그 이상의 소성온도에서는 비중이 급격히 감소하는 경향은 모두 같았다. 최종 소성온도가 1200~1225℃인 시편의 비중이 높은 이유는 승온 과정에서 미연탄소 및 유기화합물들이 연소하여 발생된 가스들 이 시편 밖으로 충분히 빠져나갈 수 있었고 또한 산화물 입자들은 승온 및 소성과정을 거치면서 치밀화(densification) 되었기 때문으로 생각된다.
4)은 승온소성법에 비하여 전반적으로 높은 값을 보였다. 최종 소성온도가 1200℃ 및 1225℃인 골재의 경우, 흡수율이 22%였으나 소성온도가 1250℃ 일 때의 흡수율은 28%로 증가하였으며, 1275℃에서는 약간 감소되어 25%를 나타내었다.

후속연구

또한 블랙코어와 표피(shell)의 경계에 큰 기공이 많이 존재하고 시편 전체적으로 기공 크기 분포가 균일하지 않았다. 본 연구 방법으로 제조된 잔사회 100% 조성 골재는 우수한 경량성 및 구조 균일성을 나타내었고 따라서 경량 콘크리트, 오염토양 및 물 정화용 바이오 담체, 스마트 경작용골재 등에 다양하게 쓰일 것으로 기대된다.
6 및 7의 결과로 부터, 800~1000℃ 범위 내에서 투입온도 변화는 인공골재의 비중 및 흡수율의 특성에 큰 영향을 주지 못함을 알 수 있다. 이것은 표면 기공을 메워 주는 액상의 형성 온도인 1225℃ 이하에서 투입온도 변화는 중요한 실험 인자가 아님을 나타내는 것으로 향후 추가 실험을 통하여 확실히 밝혀야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잔사회란 무엇인가?	1) 석탄회는 성상에 따라 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되는데, 비산재는 684만톤 그리고 바닥재는 151만톤이 발생되고 있다. 2) 비산재는 입도가 미세하고 조성이 우수하여 대부분 재활용되고 있으나, 이 중 탄소함량이 많고 입도가 커서 재활용되지 못하는 것을 잔사회(reject ash)라고 하는데 이는 거의 재활용되지 못하고 매립되고 있는 실정이다.3)
	석탄회는 어떻게 구분되며 얼마나 발생하는가?	우리나라 화력 발전소는 연간 7,378톤의 수입석탄을 사용하여 국내에 사용되는 전기량 중 37%를 생산하고 있는데, 이 과정에서 연간 835만톤의 석탄회가 발생되고 있다. 1) 석탄회는 성상에 따라 크게 비산재(fly ash)와 바닥재(bottom ash)로 구분되는데, 비산재는 684만톤 그리고 바닥재는 151만톤이 발생되고 있다. 2) 비산재는 입도가 미세하고 조성이 우수하여 대부분 재활용되고 있으나, 이 중 탄소함량이 많고 입도가 커서 재활용되지 못하는 것을 잔사회(reject ash)라고 하는데 이는 거의 재활용되지 못하고 매립되고 있는 실정이다.
	잔사회 100%를 이용하여 인공경량골재를 제조하기 위해 본 연구에서 무엇을 하였는가?	본 연구에서는 잔사회 100%를 이용하여 인공경량골재를 제조함으로서 그동안 거의 재활용 되지 못한 잔사회의 활용에 일조를 하고자 한다. 이를 위해 골재 제조시 별도의 발포제 및 융제를 첨가하지 않고도 낮은 값의 비중 및 흡수율을 나타내는 우수한 경량 특성을 갖도록 승온 소성법을 사용하였으며 투입온도, 가열속도 그리고 소성온도에 따른 골재의 물성 및 미세구조를 측정, 평가하였다. 또한 승온 소성법과 직화 소성법으로 제조된 골재들의 비교를 통하여 경량화 및 균일한 기공크기 분포를 나타내는 원인에 대해 고찰하였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
Y. P. Kareev, "Sandwich Structure in the Etruscan-Padan Type Pottery," Appl. Clay Sci., 27 119-28 (2004).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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