KR100740538B1

KR100740538B1 - 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법

Info

Publication number: KR100740538B1
Application number: KR1020060052879A
Authority: KR
Inventors: 박춘근; 이종필
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-08-10

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 규산칼슘의 제조를 위한 조합원료의 가열원으로 마이크로웨이브를 사용하여 규산칼슘의 제조에 소비되는 에너지를 절감하고, 규산칼슘의 품질을 높일 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 규산칼슘의 제조방법에 있어서, 상기 규산칼슘을 제조하기 위한 조합원료에 서셉터 물질을 혼합하여 단열용기에 채워 넣은 단계(S1); 및 상기 단계(S1)를 통해 조합원료가 채워진 단열용기를 마이크로웨이브 시스템에 구비된 캐비티의 턴테이블 상에 놓아 회전시킴과 더불어 마이크로웨이브를 단열용기에 조사하여 가열하는 단계(S2);를 포함하는 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

규산칼슘, 마이크로웨이브, 서셉터 물질, 단열용기, 에너지

Description

마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법{The Manufacturing method of Calcium Silicate Using by Microwave}

도 1 은 마이크로웨이브 시스템의 구성을 나타낸 구성도,

도 2 는 도 1에 도시된 마이크로웨이브 시스템의 캐비티 내의 규산칼슘 반응존의 상세도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(100) : 캐비티

(110) : 단열용기

본 발명은 규산칼슘의 제조방법에 관한 것으로, 특히 포틀랜드 시멘트를 구성하는 주요성분인 규산칼슘의 제조를 위한 원료물질의 가열을 마이크로웨이브를 이용함으로써 제조시 소비되는 에너지의 절감 및 우수한 품질의 규산칼슘을 확보하기위해 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 규산칼슘(calcium silicate)은 포틀랜드 시멘트를 구성하는 주요성분으로, 산화칼슘 또는 탄산칼슘과 이산화규소의 혼합물을 고온에서 소성하여 제조된다.

보다 구체적으로, 상기 규산칼슘의 제조는 석회석(calcite), 규석(quartzite), 혈암(shale) 및 철광석(iron ore) 등이 일정 비율로 혼합된 조합원료를 소성로에 넣고, 고온으로 소성하는 공정을 통해 제조된다. 즉 일정비율로 혼합된 조합원료는 프리히터를 통해 킬른으로 투입되어진다. 이 때 조합원료는 프리히터에서 탄산칼슘의 탈탄산 반응이 일부 일어난 후 킬른에서 투입되어져 1450℃에서 소성되어진다. 이 때 프리히터에서 탈탄산 반응에 의한 조합원료의 하소율은 킬른에서의 소성성에 영향을 미친다. 다시 말해서 하소율이 낮아지면 규산칼슘 형성 반응에서의 미반응 f-CaO의 함량이 증가하여 품질이 저하되어진다.

그러나, 상기와 같이 규산칼슘의 제조 공정은 열에너지가 대량 소비되는 공정인데 반해, 실제 규산칼슘의 제조에 소비되는 열에너지는 전체 소비되는 열에너지의 50% 정도 밖에 되지 않아 제조되는 규산칼슘에 비해 소비되는 에너지가 과도하게 많은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 규산칼슘의 제조를 위한 조합원료의 가열원으로 마이크로웨이브를 사용하여 규산칼슘의 제조에 소비되는 에너지를 절감하고, 마이크로웨이브를 이용한 우수한 품 질의 규산칼슘의 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 규산칼슘의 제조방법에 있어서,

상기 규산칼슘을 제조하기 위한 조합원료에 서셉터 물질을 혼합하여 단열용기에 채워 넣은 단계(S1); 및

상기 단계(S1)를 통해 조합원료가 채워진 단열용기를 마이크로웨이브 시스템에 구비된 캐비티의 턴테이블 상에 놓아 회전시킴과 더불어 마이크로웨이브를 단열용기에 조사하여 가열하는 단계(S2);를 포함하는 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법을 특징으로 한다.

한편, 상기 조합원료는 석회석(calcite)과 규석(quartzite)과 혈암(shale) 및 철광석(iron ore)으로 이루어진다.

또한, 상기 서셉터 물질로는 활성탄(activated carbon)과, 석유코크스(petroleum coke), 석탄(coal) 중 어느 하나의 것이 선택되어 사용될 수 있으며, 이처럼 선택된 하나의 서셉터 물질이 2.5~15wt.% 혼합된다. 이는 서셉터 물질이 2.5wt.% 미만일 경우, 서셉터에 의해 이온분극(ionic polarization)을 유발하는 온도까지 가열할 수 없는 문제점이 있고, 15wt.% 초과할 경우 서셉터물질의 연소에 의한 애쉬(ash)의 과다발생으로 품질에 영향을 미칠 수 있는 문제점이 있으므로 상기 서셉터 물질은 2.5~15wt.% 혼합될 수 있으며, 바람직하게는 15wt.% 혼합된다.

한편, 마이크로웨이브는 300㎒~300㎓의 주파수 범위를 가지며 수 ㎜~수 ㎝까지의 파장을 가지고 있는 전자기파로서, 이러한 마이크로웨이브는 유전체에 조사되어지면 1초당 주파수에 해당되는 횟수만큼 반복되어지는 분자배향에 의한 회전운동이 일어나게 되고 분자간의 마찰에 의해 열이 발생하게 된다.

또한 유전체가 아닌 물질을 가열할 경우, 서셉터(Susceptor, 마이크로웨이브를 흡수하면 열을 발생시키는 물질)가 일정온도까지는 마이크로웨이브를 흡수하여 발열하게 되며, 특정온도 이상으로 승온되어지면 피가열물은 마이크로웨이브에 의해 이온 분극(ionic polarization)이 일어나 급격한 온도상승을 유발시킨다. 이는 이온분극에 의해 전하의 이동방향이 반복적으로 변화됨에 따른 마찰에 의해 열이 발생되어지기 때문이다. 이와 같은 반응에 의해 마이크로웨이브에 의한 가열이 가능하게 되는 것이다.

상기 마이크로웨이브에 의한 가열방식은 기존의 가열방식과는 달리 마이크로웨이브가 시료내에 균일하게 침투함으로써 열원이 전체적으로 균일하게 분포되어 결과적으로 시료를 급속하게 가열하는 것이 가능해진다. 따라서 마이크로웨이브에 의한 가열은 물질의 내부에서 부터 단시간에 균일하게 가열될 뿐만 아니라 마이크로웨이브가 물질 내부에서 열로 변환됨으로 에너지 손실이 매우 낮으며, 가해진 전력의 90%가 열로 전환되어지는 특징이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같이 가열특성을 갖는 마이크로웨이브를 이용하여 조합원료와 서셉터 물질이 혼합된 혼합물을 가열함으로써 규산칼슘을 제조하도록 한 것으로, 본 발명은 2.45㎓의 주파수 특성을 갖는 마이크로웨이브가 적용되었다.

한편 상기 마이크로웨이브를 발생하는 시스템에 대한 구성은 도 1 및 도 2에 도시되어 있으며, 규산칼슘의 반응존을 형성하는 캐비티(cavity)(100)의 내부에는 회전가능한 턴테이블(110)이 구비되어 있다. 이러한 마이크로웨이브 시스템은 공지된 기술이므로 보다 상세한 설명은 생략하며, 도면 중 미설명부호 10은 콘트롤러, 20은 파워 서플라이, 30은 자성체, 40은 도파관, 50은 서큘레이터, 60은 더미로드, 70은 다이오드 디텍터, 80은 방향성 결합기, 90은 튜너이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시 예에 따라 규산칼슘의 제조하기 위해 SiO₂ 13.92wt.%, Al₂O₃ 3.16wt.%, Fe₂O₃ 2.19wt.%, CaO 42.05wt.%, LOI(Loss on ignition) 38.5wt.%의 화학조성을 갖는 조합원료가 사용되었으며, 서셉터 물질로는 아래의 표 1 및 표 2와 같이 활성탄(activated carbon)과, 석유코크스(petroleum coke), 석탄(coal)이 2.5~15wt.% 사용되었다.

상기와 같은 화학조성을 갖는 조합원료와 서셉터 물질을 단열용기(110)에 넣어 혼합한 뒤, 마이크로웨이브 시스템에 구비된 캐비티(100)에 넣어 마이크로웨이브를 조사함으로써 가열하게 된다. 이때 단열용기(110) 내의 시료가 보다 균일하게 가열될 수 있도록 캐비티(100)의 내부에 구비된 턴테이블(101)을 이용하여 단열용기를 5rpm으로 회전시키며 마이크로웨이브를 조사하였다. 한편 상기 단열용기(110)는 알루미나 도가니(111)가 단열재(112)에 의해 감싸여진 것으로 구성되며 상부에는 온도 측정을 위한 파이로미터(113)가 구비되어 있다.

한편 마이크로웨이브를 이용한 본 발명과 기존 소성로의 비교를 위해 950℃에서 10분간 유지하여 하소율(calcination degree)을 검토하였고, 1450℃에서 15분간 유지하여 소성된 규산칼슘의 특성을 비교하였다. 한편 기존 시스템의 경우 승온속도가 5℃/min 이었으나, 본 발명과 같이 마이크로웨이브를 이용할 경우 30℃/min의 승온속도를 나타내었다.

아래의 표 3은 하소율의 결과를 나타내고 있다.

상기 표 3에서 볼 수 있는 바와 같이 마이크로웨이브를 이용하여 가열된 시료의 경우, 90% 이상의 높은 하소율이 확보되어진 것을 확인할 수 있으며, 반면 기존 시스템의 경우 63%로서 다소 낮은 하소율이 보인 것을 확인할 수 있다. 이처럼 마이크로웨이브를 이용한 제조방법이 기존의 제조방법에 비해 현저하게 높은 효율을 나타냄을 알 수 있다.

다음으로 아래의 표 4는 소성 후, 규산칼슘의 f-CaO 분석결과를 나타내고 있다.

상기 표 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 마이크로웨이브를 이용하여 소성된 규산칼슘은 미반응 CaO의 함량이 1.5% 이하를 보이는데 반해, 기존 소성로의 경우 5%에 근접하는 높은 값을 보였다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같이 규산칼슘을 제조함에 있어 마이크로웨이브를 이용하여 원료물질을 가열함으로서 기존 소성로에 비해 우수한 품질의 규산칼슘의 제조가 가능하게 되었다. 더욱이 소성반응시간을 현저하게 단축시킬 수 있으므로 에너지 다소비 산업인 규산칼슘 산업의 에너지 소비를 감축시킬 수 있게 되었다.

Claims

삭제
규산칼슘을 제조하기 위한 석회석과 규석과 혈암 및 철광석으로 이루어진 조합원료에 석탄 또는 활성탄 또는 석유코크스 중 어느 하나의 서셉터 물질을 혼합하여 단열용기에 채워 넣은 단계(S1); 및

상기 단계(S1)를 통해 조합원료가 채워진 단열용기를 마이크로웨이브 시스템에 구비된 캐비티의 턴테이블 상에 놓아 회전시킴과 더불어 마이크로웨이브를 단열용기에 조사하여 가열하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법.
제 2 항에 있어서,

상기 단계(S1)는 조합원료에 서셉터 물질 2.5~15wt.%를 혼합하는 것을 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 규산칼슘의 제조방법.