KR101105159B1 - 도자기 제조를 위한 석탄회 함유 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적인 도자기 소지 원료에 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물로서, 도자기 제조용 조성물 전체 중량을 기준으로 하여, 5 내지 30중량%의 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물에 관한 것이다.

Description

도자기 제조를 위한 석탄회 함유 조성물{FLY ASH CONTAINING COMPOSITION FOR PREPARING CHINAWARE}

본 발명은 도자기를 제조하기 위한 석탄회 함유 조성물, 및 그러한 조성물로부터 제조된 도자기에 관한 것이다.

도자기(陶磁器)는 일상생활에서 사용되는 세라믹스의 대표적인 제품으로 그 역사는 매우 길다. 고분 등에서 발견되는 옛날의 토기(土器)나, 현재 우리들이 사용하고 있는 도자기는 모두 지구 표면에 있는 암석과 광물이 분쇄 및 분해된 점토와 그 밖의 것을 원료로 하고, 그것을 소고(燒固)하여 만든 것이다.

도자기라고 하는 것은 세라믹스의 일부로 건축물을 조립하거나 장식하는데 사용하는 연와류와 타일류의 것으로부터 일상 생활의 식탁 용품인 자기까지 넓은 범위에 걸친 제품이나 재료를 말하고 있다.

이러한 도자기의 제조 과정에서 고려하지 않으면 안되는 사항들은 원료의 특성, 성형성, 밀도와 기공률, 흡수율, 팽창 계수, 기계적 특성들과 그 외에도 여러 항목들이 있으나 그 중 원료의 선택은 가장 중요하며 원료의 물리, 화학적 특성으로부터 제품의 특성과 소성 조건 등을 유추하게 된다. 그러므로 어떤 물질을 원료로 사용하느냐에 따라 제조 공정과 제품의 물성을 좌우하게 된다.

도자기에 관한 많은 연구 보고서는 도자기 제조 전반에 걸친 제조 과정에서의 물성에 관한 자세한 연구 보고서는 없고 도자기의 특정 물성 변화에 관한 것이며, 연구의 대부분은 도자기의 치밀화와 강도에 집중적인 관심을 가지고 있다.

그러나 치밀화와 반대로 도자기를 다공질로 만들면 강도는 떨어지나 경량화, 단열성, 흡음성 등에서 우수한 특성을 가지게 될 것이나 그에 관한 연구는 별로 많지 않다.

도자기를 다공질로 만드는 방법에 관한 한 가지 연구논문으로는 세라믹스 중공체로 석탄회(fly ash)와 Shirasu­ballon 이라고 하는 미립 중공체를 도자기 원료에 첨가하여 소성된 물체의 물성등을 조사한 것이 있다. [참조: Y.Kolayashi, O.Ohira, Y.Okashi, E.Kato J.Ceramic Society JAPAN 99[6] 495-502 (1991); Okutani Nishikawa, T.Tanaka, KMiyatani, J.ceramic Soc Japan 110[7]688-692 (2002); 및 K.Sodeyama, Y.Sakka, Y.Kamino, K.Hamaishi, J.Ceram.Soc, Japan 106[3] 333-338 (1998)].

이들은 재료의 경량화와 고강도를 동시에 실현할 목적으로 석탄회와 Shirasu­ballon 의 입자의 크기가 강도에 미치는 효과도 검토하였다.

Kumar등은 도자기 원료에 기공이 많은 석탄회를 첨가하여 기계적 강도와 밀도 등의 물성에 관한 조사를 한 바 있다. [참조: S.Kumar, K.K.Singh, P.Rachandrarao, Journal of Materials Science 36. 5917-5922 (2001); Jeong, Doo-young. Lee, Byung-Suk, Lee Kwang-Joon, 한국지반공학회 논문집 제 17권 제2호 59~172 (2001); Y.Kolayashi, E.Kato, J.Ceramic Society. Japan 106[9]938-941 (1998); 및 K.Dana. S.Das, S,Kumar, J.European Ceramic Society 24.3169-3175 (2004)].

Miyatani 등은 석탄회를 도자기 소지에 첨가하여 폐기공 도입을 시도하였다.[참조: E.Okutani, T.Tanaka, T.Nishikawa, K.Miyatani, Y.Sadaoka, J.Ceramic society. Japan III [5] 333-338 (2003)].

Kausik 등은 석탁회와 용광로 용제를 전통 자기 타일에 첨가하여 강도, 기공률, 밀도 등을 조사하여 경량화와 강도 변화를 검토하였다. [참조: K.Dana, S.Kumar DAS Bull.Mater.Sci., Vol.27 No.2. 183-188 April (2004); 및 K,Dana, J.Dey, S.Kumur DAS, Ceramics International 31. 147-152 (2005)].

Kobayashi 등은 가열 온도에 의한 기공 및 미세 조직의 변화에 의한 재료의 경량화를 검토하였다. [참조: Y.Kolayashi, E.Kato, J.Ceramic Society. Japan 106[9]938-941 (1998); 및 S.Bharim, S.S.Amritphale, N.Chandra, British Ceramic Transaction Vol.102. No.2 83 (2003)].

Kobayash 등은 알루미나를 자기 재료에 첨가하여 자기의 강도를 가능한 한 유지시키면서 도자기를 경량화 하기 위하여 소지 중에 미세한 독립 기공을 형성시키는 것을 검토 하였다. [참조: Okutani Nishikawa, T.Tanaka, KMiyatani, J.ceramic Soc Japan 110[7]688-692 (2002); 및 T.Kurita. M.Fujiwara, N.Otsuka,, K.Asaga, H.Fujimoto, J.Ceramic Soc Japan 106[12] 1206-1209 (1998)].

H.M.shah 등은 석탄회 첨가에 의한 도자기의 수축률, 흡수성 등의 도자기 물성 변화에 대하여 검토 하였다. [참조: 문종수, 최태현, 도자기 공학(1), 斗暘私(2003)].

이 경우 기공 형성제로는 친수성이며, 물에 녹고 연소 과정에서 연소되어 없어지는 전분을 사용하였다.

전분은 세라믹스의 성형시 결합제로 쓰면서 소성 과정에서 기포를 생성시켜 도자기를 경량화 시킬 수 있음을 보고하였다.

석탄회는 석탄 연소로의 연도에서 포집된 화력 발전소의 부산물이다. 그러한 석탄회의 주 성분인 SiO₂와 Al₂O₃등은 도자기의 주성분과 동일하여 제조되는 도자기에 나쁜 영향을 주지 않지만, 석탄회에 소량으로 함유되어 있는 미연 탄소분과 철분은 도자기에 나쁜 영향을 주는 성분들이므로 이들 성분 함량을 각각 1% 이하로 정제하면 도자기 원료로 충분히 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

또한 석탄회의 진비중은 1.9 내지 2.3 정도로 입자가 다공성인 가벼운 재료이므로 도자기 원료에 첨가한 재료는 도자기의 경량화와 단열성을 크게 향상시켜 줄 것으로 판단된다.

미연소 탄소와 철분을 제거하면 석탄회의 색상은 회백색의 밝은 색상으로 되어 백색 도자기 원료로 사용도 가능하다.

석탄회를 이용한 도자기 제조는 M·S Hermandez 등이 새로운 자기화 토기 재 료 제조에서 검토되었다. [참조: M.S. Hernandez-Crespo, J.Ma, Rincon, Ceramics International 27. 713-720 (2001)].

기존 생산 원료에 석탄회를 첨가한 새로운 도자기 제조에는 석탄회의 첨가량에 따른 성형강도, 수분 요구량, 색상, 소성 온도, 소성 시간, 굴곡 강도, 유약 선택, 마찰계수 등 외에 여러 가지 조사 검토 사항이 필요하나 Eiji Okutani 등은 기존 도자기 소지에 석탄회를 첨가하여 개기공과 폐기공의 기공을 도입하여 소지의 경량화만을 시도하였다. [참조: Okutani Nishikawa, T.Tanaka, KMiyatani, J.ceramic Soc Japan 110[7]688-692 (2002)].

Kausik Dana 은 일반적인 Kaolin-quartz-feldspar 을 기본으로 한 타일 재료에 석탄회를 첨가하여 수축율, 겉보기 밀도, 흡수율, 굴곡강도 등을 조사하여 새로운 재료의 경량화에 따른 물성 변화를 조사하였다. [참조: K.Dana. S.Das, S,Kumar, J.European Ceramic Society 24.3169-3175 (2004)]

Kumam 등은 도자기 재료에 석탄회를 첨가하여 MOR 강도, 굴곡강도, 마모저항 등에 관한 변화를 조사하였다. [참조: Y.Kolayashi, E.Kato, J.Ceramic Society. Japan 106[9]938-941 (1998)]

그 외에도 많은 연구자들이 석탄회를 도자기에 첨가하여 경량화와 함께 굴곡강도, 수축률, 흡수율 등 도자기 물성에 관계된 기초 조사를 하였다. 그러나 기존 제품의 생산 원료에 석탄회를 첨가한 식탁 도자기 제품을 제조하기 위한 종합적인 연구는 아직 발표된 바 없다.

석탄회가 훌륭한 산업 자원임에도 불구하고 산업 폐기물로 취급되고 있으며, 그 일부만이 값싼 산업 자원으로 이용되고 있으나 이를 정제하면 고가의 산업 자원으로 활용할 수 있으므로 석탄회를 도자기 원료로 활용하면 원료비용을 크게 절감 시킬 수 있다.

본 발명에서는 정제한 석탄회를 현재생산, 시판되고 있는 도자기 제품 원료배합물에 첨가하여 성형강도, 소성온도, 흡습성, 수축률 등 도자기 물성에 미치는 여러 항목들을 조절함으로써 가볍고 보온성이 높은 새로운 도자기 개발하였다.

본 발명은 도자기의 다른 특성에는 영향을 주지 않으면서 가볍고 보온성이 우수한 도자기를 제조하기 위한 조성물 및 그러한 조성물로부터 제조된 도자기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명에서는 석탄회를 정제하고 이러한 정제된 다공성 석탄회를 특정된 양으로 도자기의 주된 원료인 도자기 소지 원료에 첨가하고, 특정의 온도에서 소성시킴으로써 상기된 목적을 달성하고 있다.

본 발명에 따르면, 도자기 제조를 위한 도자기 소지 원료에 특정된 양의 다공성 석탄회를 첨가하여 도자기 제조용 조성물을 제공함으로써 그로부터 제조되는 도자기의 다른 특성에는 영향을 주지 않으면서 가볍고 보온성이 우수한 도자기를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면, 산업 폐기물로 취급되고 있는 석탄회를 정제하여 도자기 원료로 활용함으로써 도자기를 제조하는데 있어서 원료비용을 크게 절감시킬 수 있다.

본 발명에서는 도자기 소지 원료에, 도자기 제조용 조성물의 전체 중량을 기준으로 하여, 5중량% 내지 30중량%의 정제된 다공성 석탄회를 첨가하여 도자기 제조용 조성물을 제조함으로써 가볍고 보온성이 큰 도자기를 제조할 수 있음을 발견 하였다.

본 발명은 일반적인 도자기 소지 원료에 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물로서, 도자기 제조용 조성물 전체 중량을 기준으로 하여, 5 내지 30중량%의 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물을 제공하고 있다.

바람직하게는, 본 발명은 일반적인 도자기 소지 원료인 S/S 배토 성분에 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물로서, 도자기 제조용 조성물 전체 중량을 기준으로 하여, 5 내지 30중량%의 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물을 제공하고 있다. 여기에서 배토라 함은 여러가지 원료가 조절된 도자기용 조합물을 의미하며, S/S 배토는 본 발명에서 사용되는 기본 배토를 의미한다.

더욱 바람직하게는, 본 발명은 10 내지 12중량%의 일승도석, 20 내지 24중량%의 인도네시아규석, 10 내지 15중량%의 부여장석, 10 내지 26중량%의 국내 알루미나, 10 내지 20중량%의 영국점토, 1 내지 3중량%의 영국골회(bone ash), 1 내지 3중량%의 중국활석, 및 5 내지 30중량%의 국내석탄회를 함유하는 도자기 제조용 조성물을 제공하고 있다.

본 발명은 또한 본 발명의 도자기 제조용 조성물과 물을 중량비로 1:1의 비로 혼합 및 교반하고, 성형 및 건조시키고, 공기중에서 1210℃ 내지 1220℃의 온도로 가열하여 소성시킴을 포함하여, 석탄회가 함유된 도자기를 제조하는 방법을 제공하고 있다.

본 발명은 또한 상기 본 발명의 방법에 따라 그림1과 같은 공정으로 제조되어 다공성을 지니는 도자기를 제공하고 있다.

본 발명의 도자기 제조용 조성물에 함유되는 석탄회와 관련하여, 본 발명에 서는 석탄 발전소로부터 얻은 석탄회를 상기된 방법중 연소법에 따라서 볼밀(ball mill)로 분쇄하고 연소시켜 미연탄소분이 0.5중량% 이하인 정제된 다공성 석탄회를 수득하여 이를 본 발명의 도자기 제조용 조성물에 함유시키고 있다. 이러한 정제된 다공성 석탄회는, 도자기 제조용 조성물의 전체 중량을 기준으로 하여, 5중량% 내지 30중량%의 양으로 도자기 제조용 조성물에 함유된다.

본 발명의 도자기 제조용 조성물에 함유되는 석탄회는 조성물의 전체 중량을 기준으로 하여 5 내지 30 중량%가 바람직한데, 석탄회의 양이 5중량% 미만인 경우에는 도자기 제조용 조성물로부터 제조되는 도자기에서 기공성이 너무 낮은 문제가 발생되고, 30중량% 초과인 경우에는 도자기 제조용 조성물로부터 제조되는 도자기의 강도가 너무 약하다는 문제가 발생된다.

본 발명의 도자기를 제조하는데 있어서, 본 발명의 도자기 제조용 조성물과 물은 중량비로 1:1의 비로 혼합되며, 그러한 비율은 본 기술분야에서 통상적인 비율이다.

본 발명의 도자기를 제조하는데 있어서, 소성온도는 1210℃ 내지 1220℃가 적합하다. 소성온도가 1210℃ 미만인 경우에는 도자기의 표면에 큰 기공이 남아있어서 소성이 완전하게 이루어지지 않음을 보이며, 소성온도가 1220℃ 초과인 경우에는 다시 기공이 증가하여 과소성되는 경향을 보인다.

본 발명의 도자기 제조용 조성물에 함유되는 일반적인 도자기 소지 원료의 성분 및 그 특성을 이하 기재한다.

일반적으로, 도자기 소지 원료는 골격 재료인 규석 광물과 융제 또는 접착재료인 장석 광물과 가소성 재료인 점토 광물로 이루어져 있는데, 특히 물레 성형을 위주로 하는 식기의 경우에는 성형에 필요한 적절한 가소성을 가질 것이 요구된다. 이 가소성은 주로 점토, 카올린, 세리사이트, 도석, 벤토나이트, 납석 등 점토 광물에서 얻을 수가 있다.

원료 정제 처리 기술의 발전에 따라 식기의 소재로 사용하는 원료도 유색성분이 거의 없는 아주 순수한 것이 요구되고 있다.

도자기의 모든 원료는 먼저 분쇄하여 사용하지만, 천연에서 분체의 상태로 산출되는 것과 괴상(塊狀)으로 채취하지 않으면 안 되기 때문에 분쇄하여 사용하여야 하는 것이 있다.

일반적으로 분체의 상태로 산출하는 원료를 가소성 원료라 부르고, 분쇄하지 않으면 안 되는 원료를 비가소성 원료라 부르고 있다. 도자기 소지를 만들 때에는 여러 가지 재료를 균질하게 혼합한다. 이때의 혼합비율은 조합 비율에 따라 정해진다. 최종적으로는 조합물, 즉 배토는 성형이 가능하게 되어야만 한다. 그래서 소성물이 희망하는 성질을 가지고 있어도 성형이 되지 않으면 이것은 배토라고 할 수 없다.

이와 같은 도자기 소지 원료를 구성하는 가소성 원료와 비가소성 원료의 각 성분들의 특성은 다음과 같다.

<도자기 소지 원료>

1. 가소성 원료

1) 점토질 원료

(1) 점토(Clay)

점토(粘土, Clay)는 가소성이 우수한 원료이다. 카오리나이트 Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O의 이론화학성분은 H₂O 13,9%, SiO₂ 41.54%, Al₂O₃ 39.3%이며, 열간변화는 300 내지 800℃에서 결정수를 방출하고 뮬라이트 3Al₂O₃·2SiO₂를 생성하며, 950℃이상에서는 3Al₂O₃·2SiO₂와 유리(遊離) 4SiO₂로 전이한다.

점토를 식기용 소지에 과량 사용했을 때는 색상의 악화, 건조 시 균열이 심하게 발생하며, 투광도의 불량을 초래하며, 수축이 증대하는 결점을 가진다. 그래서 적당한 사용량은 10 내지 20% 정도이다.

(2) 가소성 점토(Plastic clay, Ball clay)

가소성 점토(可塑性粘土)는 가소성이 내우 큰 이차 점토로 건조 강도가 큰 미립자이며 유기물을 많이 함유하고 있으므로 소성색상은 보통 누른 빛을 띠며, 엷은 노란색에서 부터 흰색 까지의 색상을 나타낸다.

(3) 벤토나이트(Bentonite)

화산재, 또는 응회암이 변성(變成)한 몬모릴로나이트(montmorillonite) Al₂O₃·4SiO₂·2H₂O를 주성분 광물로 하는 점토 물질을 통틀어 벤토나이트라 하고 입자가 미세한 점토이다.

소지체의 가소성 및 강도 부여재로 사용하며 건조강도가 증가되며, 철분이 많고 콜로이드성이 크므로 도자기 원료에 2%이상 첨가가 불가능하다.

2) 엽납석(獵蠟石, pyrophillite)

납석의 주 구성 광물을 이루는 광물로 이론식은 Al₂O₃·4SiO₂·H₂O(Al₂Si₄O₁₀(OH)₂)로 표시되며 백색, 담황색, 담록색, 담청색 등의 색을 띤 촉감이 치밀한 덩어리이다.

보통 미세한 인편상 결정(鱗片狀結晶)으로 이루어지고, 가소성은 작아도 가열했을 때 수축이 적고, 소결이 잘되며, 비틀림 및 수화팽창이 적고 가압 성형이 쉽다

3) 견운모(絹雲母, Sericite)

미세한 백운모족의 광물로 표면이 명주와 같은 광택(光澤)을 가지고 있다. 백운모(白雲母, muscovite)의 이론식은 K₂A₁₄(Si₆Al₂)O₂₀(OH)₄이다.

견운모의 도자기 원료로서의 성질은 가소성이 커서 건조강도가 크며, 장석의 역할을 겸비하고 있으며, 그리고 철분 특히 황화철을 포함하지 않고 입자가 미세 하다는 것이다.

4) 활석(滑石, Talc)

활석(3MgO·4SiO₂·H₂O)은 엽납석과 마찬가지로 수산기가 적으므로 흡착성이 작고 가소성도 모자란다. 수순한 것은 무색 또는 백색, 불순한 것은 담청색, 갈색, 녹색을 띠고 있다. 촉감은 연하고 매끄러운 느낌을 준다.

매용제, 또는 활석 유약으로 사용되며 소성 수축이나 수화 팽창이 작은 것이 특징이다.

2. 비가소성 원료

도자기의 원료로서 사용되고 있는 비 가소성 원료에는 많은 종류가 있고, 이 비 가소성 원료의 이용 방법에 따라 여러 가지 성질이 다른 제품이 얻어 지기도 한다.

1) 실리카 원료

실리카는 화학적으로는 SiO₂로 지각을 구성하는 산화물 중 약 60%를 차지하며, 공업적으로 덩어리 상태인 것을 규석, 또는 석영이라 한다. 규석의 화학조성(화학조성)은 SiO₂가 99.60% 이상이며, (Na₂O+K₂O)등이 미량으로 들어있다. 실리카 원료로는 규사, 규암, 석영 플린트(flint)가 있으며, 석영을 하소하여 분쇄한 것을 플린트라고 한다. 석영을 하소했을 때의 효과로는 도자기 소지의 조직이나 상태가 양호하게 되고, 유약으로 사용하면 광택이 좋아지나 핀 홀(pin hole)의 발생이 자주 보이므로 사용하지 않고, 소지에만 사용하고 있다.

석영은 제품의 백색도를 좋게하고 투광도 및 강도가 높아지며, 첨가량에 따라서는 팽창률(係數)을 용이하게 바꿀 수 있다.

2) 장석( Feldspar)질 원료

도자기 공업에서 소성 중에 액상이 생성되는 온도를 낮추기 위하여 소지에 용제를 가하는 경우가 많다. 이 액체가 냉각되면 유리(glass)로 되어 소지내의 입자를 결합한다. 용제가 있기 때문에 도기나 자기는 1100 내지 1300℃에서 소성하여 도 단단히 강고하게 되어 불 투과성으로 될 수 있다.

장석류는 모두 비슷한 화학식을 가지는 광물로 도자기 공업에서 가장 중요한 것은 칼륨 장석, 나트륨 장석, 회장석, 휘석, 백운모, 흑운모, 인운모 등이 있다.

보통 자기 제조의 3가지 주원료는 점토, 규석 그리고 장석이라 할 수 있는데, 점토는 성형에 필요한 가소성을 주어 건조 강도를 내고 고온에서 뮬라이트를 생성하고, 규석은 백색도를 높이고 강도를 증가시켜 소지의 골격을 이루는 역할을 하며, 장석은 용제로 소지의 조직 구조를 양호하게 한다.

3) 석회석 원료

순수한 석회석의 화학조성은 CaO 56%, CO₂ 44%이며 또한 가열분해에 의하여 900℃정도에서 이하와 같이 분해된다:

CaCO₃ -> CaO + CO₂ (핀 홀 형성)

도자기 제조에서 3% 이하의 석회석을 도자기의 소지에 사용하면, 수축 및 기계적 강도를 증대시키며, 기공률을 저하시키거나 투광성을 높이는 역할을 한다.

4) 도석(陶石, Pottrey stone)

광물명이 아니고 단미(單味)소성에 의하여 도자기를 만들 수 있는 원료를 말하며, 즉 자연이 만든 조합석(調合石)을 의미한다.

일반적으로 석영 70%이고, 점토광물은 주로 견운모이며, 카올린을 30% 함유한 백색의 치밀한 암석으로 조성, 조직, 화학성분, 내화물 등 물리적 성질이 주 함유 광물의 종류에 따라 달라진다.

5) 골회(骨灰, Bone ash)

골회자기(bone china)의 중요한 원료이며, 소뼈를 하소시켜 만든 것이다. 원료 뼈로는 여러가지 동물의 뼈를 사용하였지만, 현재는 산화철이 적고 백색으로 소성할 수 있기 때문에 소뼈(牛骨)가 사용되고 있다.

골회는 골회자기의 원료로서 대부분 사용되지만, 융제로서 작용하여 소지의 백색도와 투광성을 증가시킨다.

또한, 도자기의 제조에서 알루미나가 사용될 수 있다. 알루미나를 첨가하는 경우, 도자가는 내화성이 크고 어느 온도에서나 화학작용에 저항성이 강하고 기계적 강도가 크며 마모에 대한 저항성이 강하고 경도가 높으며, 열 충격에 대한 저항이 매우 우수하다. 도자기가 상기된 바와 같은 성질을 지니게 하는데 요구되는 알루미나의 적합한 양은 전체 도자기 제조용 조성물을 기준으로 하여 10 내지 26중량%이다.

본 발명의 도자기 제조용 조성물에 함유되는 도자기 소지 원료는 그외 보조재료로서 해교제, 응고제, 윤활제, 건조촉진제 등이 배합원료의 특성과 공정에 따라 약간 포함하는 경우가 있다.

본 발명의 도자기 제조용 조성물에 함유되는 정제된 다공성 석탄회는 석탄 발전소에서 에너지를 얻고자 사용하고 남는 물질을 정제함으로써 생성되는 정제된 다공성 석탄회이다.

이와 같은 석탄회의 특성 및 그 정제 방법은 이하와 같다:

<석탄회의 특성 및 그 정제 방법>

1. 석탄회의 특성

1) 석탄회 발생과정

석탄 발전소에서는 석탄을 미분기로 분쇄(200Mesh체 70 내지 80%통과)하여 뜨거운 공기와 함께 고속으로 노내로 주입하면 석탄에 함유된 대부분 광물질의 용융점 이상인 1,500±200℃ 온도 범위에서 부유(浮游)상태에서 순간적으로 연소하게 된다. 이때 연소하고 난 후 남는 물질을 석탄회(Ash)라고 하며, 무연탄의 경우는 26 내지 50%, 역청탄은 8 내지 15% 정도가 발생되고 연소 후 모이는 장소에 따라 bottom ash, fly ash 등으로 구분한다.

바닥회(Bottom Ash)는 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착되어 있다가 자중(自重)에 의해 보일러 바닥으로 떨어지며 입경(粒經)은 1 내지 25㎜ 정도로 발전소별로 약간의 차이가 있으나 보통 회 발생량의 15 내지 20% 정도가 된다.

석탄회는 절탄기나 공기 예열기 아래 호퍼(Hopper)에 모이는 것과 집진기 하부 호퍼에 모이는 회(ash)를 말하며, 절탄기나 공기예열기 아래에 있는 호퍼에 모이는 회의 입경은 0.3 내지 10㎜로 발생회의 약 5% 정도이다. 전기집진기에 의해서 집진되어 집진기 하부 호퍼에 모이는 회의 입경은 탄종이나 연소 조건에 따라 다르나 보통 10 내지 30㎛이며 발생회의 75 내지 80% 정도로서 대부분 이 석탄회가 재활용되고 있으며, 재활용을 위해서 공기 이송설비(Pneumatic system)에 의해 석탄회저장고(fly ash silo)로 이송된다.

2) 석탄회의 화학적 특성

미정제 석탄회 시료 중 미연탄소분 함량을 알아보고자 제공된 석탄회의 화학 적 특성은 하기 표 1과 같다.

표 1. 서천 화력 발전소로부터 구입한 석탄회 샘플의 화학적 조성(중량%)

성분	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	Ig. Loss
함량(중량%)	51.32	29.2	3.30	4.08	1.03	3.41	0.22	7.44

3) 석탄회의 광물학적 특성

일반적으로 석탄을 연소 전에 광물학적으로 분석하여 보면, 단소분외에 주로 석영, 장석, 고령토, 운모, 산화철, 유화철 등으로 구성되어 있으나, 석탄을 강한 열로 연소 시킨 후에는 대부분 뮬라이트화 상태이고, 그 밖에 석영 및 자철석으로 되여 있다.

4) 석탄회의 입도분포

석탄회의 입도구성은 주로 1 내지 100㎛ 범위로 나타나 있으나, 제공된 석탄회 시료의 입도분포 특성을 알아보기 위하여, 실험실용 타일러표준체(Tyler standard sieves)중 170mesh(90㎛), 325mesh(43㎛) 체와 회전체 쉐이커(Rotary Sieve Shaker)를 사용하여 제공된 시료를 일정량 취하여 사분 실험을 실시하여 그 결과는 하기 표 2와 같다.

표 2. 석탄회 샘플의 입자 크기 분포

크기(mesh)	Wt.(%)	미연 LOI 탄소 (wt.%)	미연 탄소의 분포 (wt.% of LOI)
+170	15.1	22.3	51.70
-170 +325	12.8	4.3	8.45
-325	72.1	3.6	39.85
Total	100.0	-	100.0

5) 색상

회백색의 것이 많으나 담황색에서 암갈색에 이르기까지 다양하며, 탄소, 철 분, 습분의 함량에 따라 다르다.

6) 비중 및 밀도

석탄회의 진비중은 1.9 내지 2.3 로서 아역청탄의 경우 1.9정도, 철분이 많은 역청탄은 2.96까지 되는 것도 있으며, 시멘트 비중의 약 2/3 정도에 해당된다.

2. 석탄회 중 미연탄소의 정제

석탄회 중 미연탄소의 정제기술은 매우 광범위하게 활발히 연구되고 있으며, 대표적으로 습식법과 건식법으로 나눌 수 있다. 습식법의 경우 부유선별법이 대표적이며, 건식법으로는 공기분급법, 연소법 및 정전분리법이 있다.

1)부유 선별법

부유 선별법은 소수성(Hydrophobic)을 갖는 미연 탄소와 친수성(Hydrophilic)을 갖는 석탄회의 가용성(Wettability) 차이를 이용한다. 부선 효율을 높이기 위하여 불용성 오일이나 계면 활성제와 같은 포수제(Collector)와 기포제(Frother)를 이용하는데, 이들은 미연 탄소 입자의 소수성을 증가시키고 미립 기포의 생성을 원활하게 된다. 이때 생성된 미립의 기포는 소수성을 띤 미연 탄소 입자에만 선택적으로 부착하여, 미연 탄소 입자는 수중에서 공기층으로 이동되어 Over flow시켜 회수하며, 석탄회들은 수중에 분산된 상태로 남게 되어 하부로 배출, 분리한다. 이러한 부유 선별법은 오래된 기술로 광물처리 및 폐기물처리 분야에 많이 이용되고 있으며 최근 석탄회 중 미연 탄소 제거 방법으로 이용 가능성에 대한 관심이 증폭되고 있다.

2) 공기 분급법

공기 분급법은 공기 혹은 기계 장치 등의 회전에 의해 발생되는 원심력을 이용하여 석탄회와 미연 탄소를 분리하는 방법으로, 이 방법은 분체들의 입도, 형태, 밀도 등의 차이가 큰 경우와 분리하고자 하는 가는 분체들이 화합물이 아니라 별도의 물질로 존재할 때 유리하다. 석탄회 중 미연 탄소 분리의 경우, 큰 입자들이 미연 탄소를 다량 함유하고 있으므로 이를 제거하기 위한 분체 입도분리 방법으로 가장 오랫동안 추진되어 왔으며, 다른 방법과는 달리 분리된 분체의 입도가 균일하여 진다는 2차적인 장점이 있다.

3) 연소법

연소법은 먼저 석탄회를 분쇄한 후, 석탄회 중에 잔존하는 미연탄소를 가열시켜 제거하는 방법으로서, 낮은 열량, 낮은 운동성 그리고 휘발성이 없기 때문에 보충연료 없이 석탄회를 연소시키기 위해서는 긴 체류시간과 과잉의 공기량이 요구된다.

4) 정전 분리법

정전 분리 기술은 정제 효율이 건식 분리기술 중 가장 우수한 편이나, 대부분 석탄정제 분야의 이론적 연구를 위한 실험실적 소량 처리 기술로 연구되고 있다.

본 발명에서는 상기된 바와 같은 조성 및 특성을 지니는 도자기 소지 원료에 상기된 바와 같은 석탄회를 첨가하여 도자기 제조용 조성물을 제조하고 있다.

이하 본 발명을 실시예를 참조로 구체적으로 설명한다.

실시예

실시예 1

<도자기 제조용 조성물의 제조>

1. 도자기 소지 원료

도자기 소지 원료로 사용된 S/S 배토의 성분은 점토류, 카올린류, 도석류, 장석, 규석류 등의 여러 원료를 배합하여 만들어진 것이며, 화학적 성분은 하기 표 3과 같다.

표 3. S/S 배토의 화학적 조성

성분	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	Na2O	K2O	Ig Loss	P2O	미량의 불순물l
중량%	61.3	27	0.15	0.08	1.59	0.85	1.07	1.05	5.82	0.87	0.22

이들 입자의 분포 곡선은 도 2와 같다. 도 2의 분포 곡선으로부터 50%에서의 직경은 4.88 mu이며, 평균 입도가 8.03mu 로서 도자기 배토로 적절한 입도임을 확인하였다. 또한 분포 곡선으로부터 보여주는 바는 입자의 분포가 평균입자 크기에 집합되어 있음을 보여 주고 있다. 그러므로 주원료 S/S 배토에 첨가될 석탄회의 입자의 분포 및 평균 입자 크기도 주원료 S/S 배토와 유사한 값을 가져야 할 기준값을 알려준다.

2. 정제된 다공성 석탄회의 준비

본 실험에서 사용한 석탄회는 충남 서천 화력 발전소에서 국내 무연탄을 연소하여 얻은 석탄회를 석탄회 공급업체에서 연소법에 의한 1차 정제한 석탄회를 실험에 사용하였다.

1차 정제한 석탄회에는 미연 탄소분이 6.55%나 함유되어 있어 도자기 원료로 그대로 사용될 경우 검은색의 미연탄소분에 의하여 제품 표면에 검은 반점이 나타나 제품의 불량을 일으킬 수 있다. 또한 도자기 원료들이 무기 화합물 성분으로 이루어져 있으며 이들이 소성에 의하여 결합을 이루는데 유기물인 미연 탄소분(unburned carbon)이 도자기 원료 가운데 많이 포함되어 있으면 무기물인 도자기 원료들과 유기물인 미연 탄소분과는 결합이 이루어지지 않으므로 미연탄소분이 있는 곳의 결합력이 약하게 되여 강도가 떨어지게 되며 도자기 제품이 사용 중에 받게 되는 충격, 마찰, 열 또는 기타의 원인에 의하여 크랙이 일어날 가능성이 높다.

그러므로 미연탄소분의 함량을 대략 0.5% 정도까지 정제되지 않으면 석탄회를 도자기 원료로 사용하기에는 적당치 못 할 것으로 본다.

본 실험에서는 연소법으로 일부 정제된 것을 구입하였으며 이를 더 정제하기 위하여 먼저 미분쇄한 후, 석탄회 중에 잔존하는 미연 탄소분을 연소시켜 미연탄소분을 크게 감소시킨 석탄회를 실험에 사용하였다. 이 방법은 비용이 적게 들면서 정제정도가 높은 석탄회를 얻을 수 있을 것으로 기대되어 이 방법에 의하여 석탄회를 정제하였다.

국내 무연탄 연소시 발생되는 석탄회 내의 미연 탄소분은 수입 연탄인 역청탄의 연소에서 생성된 석탄회의 미연 탄소분에 비하여 3 내지 4배 정도 높게 포함되어있다. 국내 무연탄을 사용하는 서천 화력 발전소의 석탄회를 업체에서 일차로 정제하여 레미콘 혼화제로 공급되는 석탄회를 KSL 4007-2001에 따라 원소분석기(model : CS2000)를 이용하여 성분을 분석한 결과는 상기 표 1과 같다.

또한 기체비중병(Gas pycnometer:모델 Accupyc 1330, Micrometer)를 이용하 여 KSM 004에 의하여 비중과 미연탄소분은 표 4와 같다.

표 4. 서천 화력 발전소에서 구입한 석탄회의 미연 탄소 함량 및 비중

미연탄소( wt% )	비중
6.553	2.315

연소법에 의하여 1차로 정제된 석탄회에는 아직도 약 6 내지 7%정도로 많은 미연 탄소분을 함유하고 있다. 석탄회를 도자기 원료로 사용하기 위해서는 석탄회에 포함되어 있는 미연탄소분이 0.5% 이하 이어야 한다. 그러므로 미연 탄소분을 0.5% 이하로 정제하기 위하여 석탄회를 먼저 미분쇄하여 석탄회 입자 내부에 들어있는 미연 탄소분을 밖으로 노출시켜 이것을 연소로에서 연소하면 미연 탄소분은 연소되어 제거될 수 있다. 또한 석탄회를 S/S 배토에 첨가시켜 가볍고 보온성 기능을 갖는 도자기를 만들기 위하여 석탄회는 S/S 배토의 입도분포와 유사한 값을 가져야 한다. 그러므로 석탄회는 첫째로는 미연 탄소분을 제거하기 위하고, 둘째로는 주원료 S/S 배토와 유사한 입도 분포를 갖는 미립자로 분쇄하여야 한다. 도자기 원료로 사용되는 입자의 분포도는 소성 강도, 성형 강도, 충격 강도, 소성 온도 등 도자기 여러 물성에 많은 영향을 미치므로 석탄회 분체의 입도 분포는 중요하다. 석탄회를 일차로 연소법에 의한 대략적 정제된 것의 분포는 표 5와 같으며 10% 평균입도는 7.38mu, 50%의 평균입도는 32.43mu, 90%의 평균입도는 77.71mu이고 전체 평균은 38.28mu로서 1차연소법에 의하여 정제된 석탄회의 입도분포는 S/S 배토의 평균입도 8.03mu보다 너무 크고 미연소탄소분의 함량도 너무 많이 들어있으므로, 1차 정제한 석탄회는 그대로 도자기 원료로 사용할 수 없음을 확인하였다.

도자기와 같은 세라믹 소결물에서 원료 입자가 크면 성형 강도, 소성 강도, 충격 강도 등에 나쁜 영향을 주게 되므로 1차 정제 석탄회는 2차 정제 공정에서 S/S 배토와 비슷한 입도 분포 값을 갖도록 분쇄하였다.

표 5. 1차 정제한 석탄회의 직경 대 누적값(하위치 부피안에서의 표준범위 )

X	0.30	0.50	0.70	1.00	1.40	2.00	2.60	3.20	4.00	5.00
Q3	1.20	2.14	2.43	2.61	2.89	3.70	4.58	5.33	6.17	7.17
q3	0.65	0.40	0.19	0.11	0.18	0.50	0.74	0.79	0.83	0.98
X	6.00	8.00	1.00	12.00	15.00	20.00	25.00	32.00	36.00	45.00
Q3	8.25	10.68	13.41	16.35	21.03	29.34	37.87	49.32	55.30	66.96
q3	1.30	1.85	2.68	3.54	4.60	6.34	8.38	10.17	11.14	11.46
X	56.00	63.00	90.00	112.0	140.0	180.0	224.0	280.0	315.0	400.0
Q3	77.92	83.23	94.74	98.31	99.76	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00
q3	10.99	9.89	7.08	3.58	1.43	0.21	0.00	0.00	0.00	0.00

X: 직경/mu, Q3: 누적값/%, q3: 밀도/%

<도자기의 제조>

상기된 바와 같은 기본 배토인 S/S 배토 9.5kg에 정제된 석탄회 0.5kg을 첨가하고 혼련하여 성형, 건조 과정을 거친 후에 성형물을 다양한 소성온도(1140 내지 1250℃: 표 7 참조)에서 소성하여 도자기를 제조하였다.

S/S 배토 각각 9, 8, 및 7kg에 정제된 석탄회 1, 2, 및 3kg을 첨가함을 제외하고는 상기된 바와 동일한 과정으로 도자기를 제조하였다.

<제조한 도자기에 대한 물성 시험>

1. 열전도도

도자기의 열전도도 측정은 시료를 직경 35mm, 두께 3mm 로 만들어 열전도도 측정장치(Thermal conductivity measuring apparatus 세원기연 TD-TCA40)에서 k=k_R*(T_R/_△t)*(L/L_R) 식에 의하여 열전도도 K 값을 측정하였다.

K : 시편의 열전도도( cal/cm·sec·℃ )

L : 시편의 두께 (mm)

K_R : 표준 열전도체서의 열전도율 (구리:320 Kcal/m·h·℃)

L_R :표준 열전도체서의 길이 (30mm)

_△T_R :표준 열전도체서 평균 온도차

_△T : 시편 접촉에서 온도차 (△t ℃)

배토에 석탄회의 첨가량에 따른 도자기 기재의 열전도도는 표 6과 같이 석탄회의 첨가량에 비례하여 열 전도도가 감소하는 경향을 보여주나 그 변화의 정도는 놀라운 정도로 작아지지는 아니하였다. 그러나 석탄회를 30% 첨가 시에는 열전도 값이 배토에 비하여 15% 정도의 감소를 보여주는 바는 석탄회 첨가가 도자기의 보온성에 도움을 주고 있음을 알려 주고 있다.

표 6 . 열전도도(cal/cmㆍsecㆍ℃)

	A	B	C	D	E	F
T1	116.4	116.9	116.9	116.4	116.4	116.7
T2	116.1	116.6	116.5	116.1	116.1	116.4
T3	115.7	116.3	116.1	115.7	115.5	115.8
T4	115.3	116.0	115.8	115.4	115.5	115.8
T5	24.5	22.6	25.3	30.5	29.0	24.7
T6	24.2	22.3	25.0	30.2	28.7	24.4
L	0.0043	0.0040	0.0041	0.0040	0.0043	0.0043
△T	90.5	93.1	90.2	84.6	86.2	90.8
K	1.77483	1.37487	1.69697	1.63909	1.57773	1.51542

A :S/S배토 B :석탄회 C :S/S배토 95%+석탄회 5% D :S/S배토 90%+석탄회 10% E :S/S배토 80%+석탄회 20% F :S/S배토 70%+석탄회 30% T : 온도 측정점

2. 겉보기 기공율

도자기는 소지 자체와 공극 부분으로 구성되어 있으므로, 그 양적 비율을 알면 도자기 제품의 물성을 대략 추측 할 수 있다.

겉보기 기공율 = 개공부분의 부피/(물질부분+폐기공부분+개기공부분)의 부피 X 100

이며 측정을 포수중량, 건조중량, 수중중량을 측정하여 계산하였다.

겉보기기공률 = (포수중량-건조중량)/(포수중량-수중중량) X 100

표 7. 첨가된 석탄회의 비율에 따른 겉보기 기공율 변화

샘플 온도(℃)	S/S	5중량%	10중량%	20중량%	30중량%
1250	0.60	0.00	6.00	0.60	0.00
1245	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
1240	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
1230	0.00	0.00	0.00	0.00	0.12
1220	0.00	0.00	0.00	0.25	1.22
1215	0.00	0.00	0.18	0.50	1.60
1210	0.00	0.17	0.37	0.64	3.14
1205	0.26	0.17	0.48	1.69	4.44
1200	0.49	0.63	1.35	2.75	4.84
1190	1.09	1.39	2.47	4.08	6.96
1175	2.40	2.63	4.11	5.61	7.80
1160	3.70	4.54	5.83	7.27	10.68
1140	6.50	6.22	7.84	9.67	12.20

도 3과 표 7에서 보여주는 바와 같이 기본배토의 겉보기 기공률은 소성온도를 1140℃부터 조금씩 높여갈 때 1210℃부근에서 거의 0의 값을 가지기 시작한다. 이들 온도에서부터 흡수율은 거의 0에 이르며 그 이상의 온도에서는 모두 0의 값을 가지므로 겉보기 기공률(A_p) 값으로 볼 때 0에 값이 시작하는 온도 1210℃ 부근이 최적 소성 온도로 볼 수 있다.

도 4, 도 5, 도 6, 및 도 7에서 보여주는 바와 같이 기본 배토에 석탄회를 5, 10, 20, 30% 첨가 시 겉보기 기공률을 나타낸 것이다. 겉보기 기공률 (A_P)값이 0이 시작하는 온도는 5% 첨가 시에는 기본 배토보다 5℃ 정도 올라가고 10% 증가 시는 10℃씩 높아진 온도에서 A_p 값이 0시 되기 시작한다. 그러나 석탄회를 30% 첨가 시는 겉보기 기공률이 0이 되는 온도는 실험 온도 1240℃에서 겉보기 기공률이 0이 되고 있다. 즉, 석탄회의 첨가는 적정 소성온도의 상승과 함께 기공률이 높아짐을 알려준다. 이 같은 소성온도 상승 현상의 원인은 첨가된 석탄회가 다공성 입자이 므로 이들의 첨가로 배합된 소지는 기공을 더 많이 갖게 되며 이 과정에서 생성되어진 유리질이 이들 기공들을 폐쇄하여 겉보기 기공율(A_P) 값을 0으로 만들기 위해서는 더 높은 소성온도가 필요하게 된 것으로 볼 수 있다.

3. 폐기공율 시험

표 8은 기본 배토인 S/S 배토에 석탄회 첨가량에 따른 폐 기공률(C_p) 변화에 관한 실험 결과이며 도 8은 S/S 배토이고, 도 9, 도 10, 도 11 및 도 12는 S/S 배토에 석탄회를 5, 10, 20, 30% 첨가시의 온도에 따른 폐 기공률(C_p) 값의 변화이다.

소성온도가 낮은 1140℃ 부근에서 배토의 폐기공률(Cp) 값은 11.59의 작은 값을 가지나 소성온도가 올라가 겉보기 기공률(A_p) 값이 0이 되는 온도인 1210℃ 부근에서 폐 기공률(C_p) 값은 14.71로 되고 그 이상의 온도에서도 이 값에 근접한 값을 계속 유지한다. 기본 배토에 석탄회를 첨가하면 첨가량에 따라 조금씩 더 높은 소성 온도에서도 14.7 정도의 일정한 값을 가진다. 석탄회 첨가량이 많아질수록 폐기공률(Cp)가 커지며, 첨가량의의 증가에 따라 더 낮은 온도에서부터 폐기공률(Cp)값이 커지고 있다. 이 같은 현상은 석탄회의 첨가량이 많아질수록 기공률이 큰 석탄회 첨가로 기공률이 높아지는 것으로 볼 수 있으며, 더 낮은 온도로 부터 폐기공이 커지는 현상은 겉보기 기공률(Ap)은 점점 작아지고 대신 이들 기공에 작은 입자 의 이동과 소성과정에서 생성된 유리질에 의하여 개기공들이 폐기공으로 변한 것으로 추정된다.

석탄회의 첨가량과 폐기공률(C_p) 값의 관계에서 첨가량이 20%까지는 배토의 폐기공률(C_p) 값과 거의 같은 값을 가지며, 석탄회 첨가량을 30%까지도 폐기공률(C_p) 값이 배토의 값과 비슷한 값을 가지는 것으로 보아 폐기공률(C_p) 값 하나의 물성 값으로 보면 석탄회 첨가량을 30%까지 넣어도 될 것으로 보이나 도자기의 중요한 물성인 흡수율이 높아짐으로 석탄회의 30% 첨가는 어려울 것으로 판단된다.

표 8. 석탄회의 비율에 따른 폐기공율 변화

샘플 온도(℃)	S/S	5중량%	10중량%	20중량%	30중량%
1250	14.65	15.43	15.94	15.95	15.85
1245	14.48	15.49	15.79	16.03	15.92
1240	14.47	15.46	15.76	16.01	15.96
1230	14.53	15.33	15.77	15.93	15.86
1220	14.40	14.90	15.66	15.75	15.45
1215	14.45	14.71	15.44	15.78	15.00
1210	14.71	14.68	15.16	15.59	14.73
1205	14.81	14.77	15.14	15.04	14.63
1200	14.97	14.88	14.88	14.59	13.94
1190	14.75	14.50	14.34	14.02	13.00
1175	14.00	13.97	13.27	13.33	13.27
1160	13.43	12.46	12.61	12.62	11.76
1140	11.59	11.41	11.47	11.19	10.91

4. 소성온도와 기공형태의 변화

석탄회를 첨가한 소성체의 표면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 조사하여 소성온도와 석탄회 첨가량에 따른 기공의 크기와 분포상태를 조사하여 기공률이 높은 석탄회가 참가된 도자기 표면의 기공 형태의 특이성이 발생 됐는지를 확인하고 이 를 토대로 적정 소성온도의 대략적인 값을 추정하는 도구로 활용 가능성을 조사하였다.

도 13은 기본 배토인 S/S배토 소성체를 1220℃ 부근의 온도에서 기공의 분포와 크기를 조사하기 위하여 500배로 확대한 사진이며, 도 14, 도 15 및 도 16은 배토에 석탄회를 각각 10%, 20%, 30% 첨가한 소성체를 기본 배토인 S/S배토의 적정온도인 1220℃ 부근의 온도에서 기공의 분포와 크기를 조사하기 위하여 500배로 확대한 사진이다.

도 13의 기본배토는 1200℃에는 많은 기공이 있으며 1210℃에서는 기포가 적어졌고, 1220℃에서 기포가 없는 평활한 면이 되어 있으므로 이것을 토대로 S/S배토의 적정 소성온도는 1210 내지 1220℃인 것으로 볼 수 있다. 1240℃에서는 많은 기포가 다시 생긴 것으로 보아 과소성 된 것으로 추정된다.

석탄회가 10% 첨가된 도 14에서도 1200℃에서 큰 기공이 있는 것으로 보아 소성이 덜 된 미소성 상태이고, 1210℃에서는 작은 기공이 아직 남아 있고, 1220℃에서는 거의 평활하게 되어 이 온도가 적정소성온도 부근이라 추정되며 1240℃에서는 많은 기공이 생겨 과소성이 시작하는 것으로 볼 수 있다.

석탄회를 20% 첨가됨 도 15에서는 1210℃ 내지 1220℃에서 소성이 되어 면이 평활하고 기공이 별로 없다. 그러나 1240℃에서는 면이 1210℃ 내지 1220℃ 보다 약간 덜 평활하고 기공도 일부 발생하고 있다. 도 16의 석탄회 30% 첨가된 것도 석탄회를 10%, 20% 첨가된 것과 비슷하나 낮은 온도 1200℃와 높은 온도 인 1240℃이상에서는 석탄회를 적게 넣은 것들에 비하여 기공이 큰 기공을 여럿 보여줌으로 소 성의 적정온도 범위가 좁아진 것으로 보여진다.

또한 표면에 나타난 기공의 형태는 석탄회를 첨가하지 않은 것이나 첨가된 것이나 비슷하여 특이점은 발견할 수 없었다.

SEM 사진만으로 적정 소성온도를 판정하기는 어려우나 대략적인 소성온도 범위를 결정하는데 도움을 줄 수 있는 도구로 활용 가능성이 있다.

상기 시험 및 그 결과로부터 입증되는 바와 같이, 주성분이 도자기 원료와 동일한 석탄회는 다공성의 미립자이므로, 가볍고 보온성이 높은 도자기의 제조에 사용될 수 있다. 또한, 이러한 석탄회는 도자기 소지 원료에, 도자기 제조용 조성물 전체 중량을 기준으로 하여, 5 내지 30중량%의 양으로 첨가되는 경우에, 열전도도가 현저히 저하되고 보온성이 향상됨이 입증되고 있다.

실시예 2

시중에서 구입이 가능한 재료로서, 1.1kg의 일승도석, 2.2kg의 인도네시아규석, 1.3kg의 부여장석, 1.8kg의 국내 알루미나, 1.5kg의 영국점토, 0.2kg의 영국골회(bone ash) 및 0.2kg의 중국활석의 혼합물에 1.7kg의 국내석탄회를 첨가하고 혼련하여 상기 실시예 1에서와 유사한 방법으로 성형, 건조 과정을 거친 후에 성형물을 다양한 소성온도에서 소성하여 도자기를 제조하였다.

상기된 바와 같이 제조된 도자기에 대해서 열전도도, 겉보기 기공율, 폐기공율, 및 소성 온도와 기공형태의 변화에 대해서 상기 실시예 1에서와 같이 시험한 결과 S/S 배토를 사용한 실시예 1에서의 결과와 유사한 결과를 얻었다.

상기된 바와 같이, 본 발명을 실시예를 참조로 하여 구체적으로 설명하고 있 지만, 본 발명은 이러한 실시예로 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 변화가 가능하다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 석탄회가 첨가된 S/S 배토를 포함하는 본 발명에 따른 도자기 제조용 조성물의 제조 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 도자기 제조용 조성물에 함유되는 S/S 배토의 입자 분포 곡선이다.

도 3은 석탄회가 첨가되지 않은 조성물에 의해서 제조된 도자기의 소성 온도에 따른 겉보기 기공율을 나타내며, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 도자기 제조용 조성물에 의해서 제조된 도자기의 온도에 따른 겉보기 기공율을 도시하는 도면이다.

도 8은 석탄회가 첨가되지 않은 조성물에 의해서 제조된 도자기의 소성 온도에 따른 폐기공율을 나타내며, 도 9 내지 도 12는 본 발명의 도자기 제조용 조성물에 의해서 제조된 도자기의 온도에 따른 폐기공율을 도시하는 도면이다.

도 13은 기본 배토인 S/S배토의 소성체를 1220℃ 부근의 온도에서 기공의 분포와 크기를 조사하기 위하여 500배로 확대한 사진이며, 도 14, 도 15 및 도 16은 배토에 석탄회를 각각 10%, 20%, 30% 첨가한 소성체를 기본 배토인 S/S배토의 적정온도인 1220℃ 부근의 온도에서 기공의 분포와 크기를 조사하기 위하여 500배로 확대한 사진이다.

Claims (5)

1. 하기 표 1에 나타낸 조성물 지닌 S/S 배토의 도자기 소지 원료에 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물로서, 도자기 제조용 조성물 전체 중량을 기준으로 하여, 5 내지 30중량%의 석탄회가 첨가된 도자기 제조용 조성물.

   <표 1>

   성분 SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ TiO₂ CaO MgO Na₂O K₂O Ig Loss P₂O 미량의 불순물l 중량% 61.3 27 0.15 0.08 1.59 0.85 1.07 1.05 5.82 0.87 0.22
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 따른 도자기 제조용 조성물과 물을 중량비로 1:1의 비로 혼합 및 교반하고, 성형 및 건조시키고, 공기중에서 1210℃ 내지 1220℃의 온도로 가열하여 소성시킴을 포함하여, 석탄회가 함유된 도자기를 제조하는 방법.
5. 제 4항에 따른 방법에 의해서 제조되어 다공성을 지니는 도자기.

Images