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목차

논문개요 11

제1장 서론 13

제1절 인공경량 세골재 제조를 위한 유동층로 13

제2절 유동층로에서 제조된 인공경량 세골재의 특성 16

제2장 이론적 배경 17

제1절 인공경량골재 17

제1항 경량골재의 분류 17

제2절 발포기구 22

제1항 경량화 이론 22

제2항 블랙코어 (black core) 현상 24

제3장 실험 및 방법 27

제1절 인공경량 세골재 제조를 위한 유동층로 27

제1항 Cold fluidized bed system 27

제2항 유동층로의 원리 29

제3항 최소 유동화 속도 30

제2절 유동층로에서 제조된 인공경량 세골재의 특성 34

제1항 유동층로의 작업온도 설정 34

제2항 골재의 재료 및 성형 36

제3항 골재의 건조 및 소성 38

제4항 골재의 물성 측정 40

제4장 결과 및 고찰 41

제1절 인공경량 세골재 제조를 위한 유동층로 41

제1항 Cold fluidized bed system 41

제2항 유동층로의 구성 47

제3항 재료와 시편의 물성 52

제2절 유동층로에서 제조된 인공경량 세골재의 특성 54

제1항 원료의 기초 물성 54

제2항 인공경량 세골재의 물리적 특성 (공정 ①) 58

제3항 인공경량 세골재의 물리적 특성 (공정 ②) 61

4.2.3.1. 비중 61

4.2.3.2. 흡수율 64

4.2.3.3. 표면 및 절단면 미세구조 관찰 67

제5장 결론 73

제1절 인공경량 세골재 제조를 위한 유동층로 73

제2절 유동층로에서 제조된 인공경량 세골재의 특성 74

참고문헌 75

Abstract 77

List of Tables

〈표 1〉 Specific gravity of lightweight aggregates. 19

〈표 2〉 Quality of lightweight aggregates. 20

〈표 3〉 Size of lightweight aggregates. 21

〈표 4〉 Chemical composition of raw materials (wt％) 37

〈표 5〉 Design basis of fluidized vertical furnace 53

List of Figures

〈그림 1〉 Photograph of rotary kiln 15

〈그림 2〉 The range of chemical composition for bloating of ceramic bodies 23

〈그림 3〉 Black core and shell of sintered aggregates 26

〈그림 4〉 Cold fluidized bed system 28

〈그림 5〉 Pressure within layer of fluidized bed 32

〈그림 6〉 (a) The layer expansion behavior with fluidization velocity (b) Pressure drop in layer of fluidized bed with flow velocity 33

〈그림 7〉 Working temperature calibration of fluidized vertical furnace 35

〈그림 8〉 Experimental procedure for preparing the fine artificial lightweight aggregates 39

〈그림 9〉 Pressure drop with flow velocity of cold fluidized bed system 44

〈그림 10〉 Minimum fluidizing velocity and flow volume change with particle size 45

〈그림 11〉 Minimum fluidizing velocity and flow volume change with particle density 46

〈그림 12〉 Drawing of fluidized vertical furnace 49

〈그림 13〉 Photograph of fluidized vertical furnace 50

〈그림 14〉 Drawing of distributor of fluidized vertical furnace 51

〈그림 15〉 Particle size distribution of raw materias 55

〈그림 16〉 TG/DTA curve of raw materials (a) clay, (b) stone sludge, and (c) spent bleaching clay 56

〈그림 17〉 XRD data of raw materials (a) clay, (b) stone sludge, and (c) spent bleaching clay 57

〈그림 18〉 Specific Gravity of artificial fine aggregates fabricated by using processing ① 59

〈그림 19〉 Water Absorption of artificial fine aggregates fabricated by using processing ① 60

〈그림 20〉 Specific Gravity of artificial fine aggregates fabricated by using processing ② 63

〈그림 21〉 Water Absorption of artificial fine aggregates fabricated by using processing ② 66

〈그림 22〉 Surface and cross sectional images obtained by a camscope of artificial fine aggregates fabricated in a fluidized vertical furnace at various sintering conditions 70

〈그림 23〉 Microstructure of cross section of fine artificial lightweight aggregates sintered at 1130 ℃ for 60min (a) shell, and (b) black core 71

〈그림 24〉 (a) Mass of fine aggregates stuck together sintered at over 1160 ℃ due to an excessive liquid formation (b) View of inside of fluidized bed furnace 72

초록보기

 기존의 로터리 킬른으로는 융착 현상 때문에 5 ㎜ 이하의 세골재를 제조하기 어려웠다. 이를 해결하기 위하여, 본 연구에서는 유동층 원리를 이용한 수직의 원통형 로를 설계 및 제작하였다. 실증 라인의 유동층로를 제작하기 전에 먼저 cold fluidized bed system을 제작하여 최소 유동화 속도 및 유동층의 유동거동을 확인하였다. 세골재를 유동화시키기 위한 최소 유동화 속도는 1.12 m/s로 계산되었지만 실험에서는 0.7 m/s로 확인되었다. 또한 최소 유동화 속도 및 최소 유량은 세골재 입자의 크기 및 밀도가 클수록 함께 증가하였다.

cold bed system에서 확보된 최소 유동화 속도 데이터를 기초로 하여, 5 mm 크기 이하의 인공경량 세골재를 융착 현상없이 제조할 수 있는, 기존의 로타리 킬른(rotary kiln)과는 차별화 된 수직형태의 유동층 로를 설계 및 제작하였다. 유동층로는 골재의 유동, 소성 그리고 발포가 이루어지는 본체 부분, 연료를 점화하여 고온 가스를 생성하는 버너 부, 고온 가스를 균일하게 분산시켜 본체로 전달하는 분산판, 원료 투입 및 배출부, 열 회수 라인 등으로 구성되었다. 투입된 골재 성형체들이 유동층을 형성할 수 있도록, 연료가스 및 공기 투입량을 조절할 수 있도록 설계하였고, 소성된 골재 중 발포가 일어나 가벼워진 골재는 유동층의 상단으로 부유하여, 상단에 설치된 배출구로 빠져 나오도록 하였다. 따라서, 원료투입과 소성체 배출이 연속적으로 이루어질 수 있어, 골재 생산효율을 높일 수 있었다.

점토:석분슬러지:폐백토=60:30:10(wt%) 조성의 성형체를 소성하여 비중 1.1~1.7, 흡수율 11~19 %의 다양한 특성을 갖는 경량 세골재를 제조하였다. 골재를 발포시키기 위한 최소 소성온도는 1130 ℃이었다. 1140 ℃ 이상으로 소성된 시편은 전형적인 발포 경량골재 특성을 보였으며, 표면에 균열이 크게 벌어져서 내부 층이 드러나 보였다.

그러나 표면에 발생된 균열은 black core 내부로 진행되지 않았기 때문에 흡수율에 영향을 주지 않았다. 소성온도가 증가하면 골재의 shell 두께는 감소하고 black core 영역은 넓어졌으나 유지시간은 미세구조에 큰 영향을 주지 않았다. 소성온도가 증가되면 표면에 액상 발생량이 증가하여 골재의 흡수율은 감소하였다. 또한 소성시간도 골재 흡수율에 큰 영향을 주었는데, 이는 액상을 형성하고 또 생성된 액상이 표면의 개기공을 막아 폐기공으로 변화시키는데 시간이 필요하기 때문인 것으로 생각된다.

본 연구에서는 설계·제작된 유동층 로를 이용하여 기존의 로터리 킬른에서 제조하기 어려웠던 세골재를 연속공정으로 제조가 가능하였으며, 따라서 본 연구에서 개발된 유동층로는 입자들을 유동시키면서 고온으로 소성하는 제품에 다양하게 적용될 것으로 기대된다.

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