KR19990046196A

KR19990046196A - 비산회를 이용한 애쉬 섬유의 제조방법

Info

Publication number: KR19990046196A
Application number: KR1019980042421A
Authority: KR
Inventors: 양현수
Original assignee: 양현수
Priority date: 1998-10-10
Filing date: 1998-10-10
Publication date: 1999-07-05

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 화력 발전소 등에서 석탄을 연소시킬 때 발생되는 비산회(Fly Ash)로부터 광물 섬유를 제조하는 방법 특히, 자력 분리(Magnetic Separation)에 의하여 철분을 제거한 비산회와 정제하지 않은 석회석과 백운석으로부터 애쉬 섬유(Ash Fiber)를 제조하는 방법에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

본 발명의 목적은 시약급의 정제된 원료를 사용하지 않아 경제적이며, 비산회의 사용량이 많아 폐기물 처리효과도 높은, 비산회로부터 기존의 유리 섬유에 비하여 강도, 탄성 등의 물성이 뒤지지 않는 애쉬 섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

3. 발명의 해결방법의 요지

미연 탄소와 철분을 제거한 비산회와 융제인 석회석과 백운석를 비산회 : CaO : MgO의 중량비가 60∼90 : 30∼1 : 20∼1가 되도록 블렌딩하여 이를 용융 정제한 후, 이로부터 애쉬 섬유를 용융 방사시킨다.

4. 발명의 중요한 용도

비산회로부터 제조된 본 발명의 애쉬 섬유는 범용 유리 섬유급으로서 기존의 유리 섬유를 대체할 수 있으므로 의류 및 우주항공, 건축자재, 복합재 등 범용급 섬유 강화재 등으로 사용할 수 있다.

Description

비산회를 이용한 애쉬 섬유의 제조방법

비산회(Fly Ash)는 석탄의 가연 성분이 연소되고 남는 석탄재(Coal Ash)중 연소 가스에 동반되어 연소 영역 밖으로 배출되는 것을 말한다.

그 성상은 연소되는 석탄, 연소 조건 및 집진기 종류에 따라 다르나 일반적으로 그 크기가 1μm∼100μm정도이며 주성분이 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃등인 다공성 또는 단단한 구형 입자로 광물학적으로 매우 우수한 특성을 지니고 있다.

그러나 비산회는 광물학적으로 매우 우수함에도 불구하고 그 성분이 균일하지 않아서 자원으로서의 활용도가 매우 낮을 뿐만 아니라 공기중으로 비산되는 경우 대기 오염을, 집진기로 포집하여 매립하는 경우 지하수 및 토양 오염을 유발시키는 산업 폐기물로 문제가 되고 있다.

하기 표 1에 석탄별 발전소별 비산회의 구성성분을 예시하였다.

석탄 및 발전소별	미연탄소	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃	TiO₂	기타
무연탄	평균	14.3	55.13	30.72	4.28	0.88	0.73	0.38	4.32	0.31	1.68	1.56
	영동	10.49	55.80	31.54	4.18	0.62	0.72	0.22	4.91	0.20	1.80	0.01
	영원	12.95	56.42	29.76	3.81	0.86	0.71	0.50	3.66	0.06	1.65	2.57
	무산	24.64	48.34	33.65	7.77	1.70	1.04	0.88	4.09	0.40	1.13	1.01
	군산	27.58	50.21	27.33	4.84	2.16	0.72	0.77	2.83	1.65	1.24	8.25
유연탄	평균	4.36	56.42	23.99	7.22	3.54	1.11	0.43	0.78	2.24	1.01	3.27
	보령	3.94	56.14	26.22	6.75	2.57	1.05	0.48	10.4	3.08	1.31	1.36
	삼천포	5.56	57.82	22.10	8.33	2.57	0.91	0.34	0.45	0.73	0.64	6.13
	호남	3.36	51.72	18.97	7.85	12.67	2.09	0.74	1.20	2.99	0.73	1.04
	태안	3.85	56.45	24.24	5.62	4.03	1.21	0.31	0.54	2.83	1.13	3.64

그리하여 이러한 비산회를 활용하기 위한 여러 가지 시도가 이루어져 왔는데 현재로서는 콘크리트 혼화재, 시멘트 원료, 성토재 및 시멘트 2차 제품 등으로 활용되는 것이 고작이며, 유기질 비료, 경량 골재, 건축 재료, 유가 금속의 회수 그리고 유리 섬유화에 관한 연구 등이 진행되고 있다.

특히, 기존의 유리 섬유를 대체할 수 있는 애쉬 섬유의 제조에 관한 연구가 활발한데 종래의 비산회의 섬유화 공정과 문제점은 다음과 같다.

독일 오펜레궁스쉬리프트(German Offenlegungsschrift No. 1-529-288)에는 규산과 칼슘 규산염의 혼합물과, 비산회와, 물유리 혹은 기본 유리의 미세 분말에 점결제를 첨가하여 브리켓(briquets) 형태로 만든 후, 이를 용융 방사시켜 섬유화하는 방법이 기재되어 있다. 그러나 이 공정은 규산과 칼슘 규산염의 혼합물을 주성분으로 사용하고 있어서 비산회의 사용량이 적으므로 폐기물 처리의 측면에서 보면 비효율적이다.

영국 특허 제931-199호(British Patent Specification No. 931-199)에는 비산회와 스래그(Slag)를 용융시켜 직접 암면(Rock Wool) 혹은 록 펠트(Rock Felt)를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 그러나 이 공정은 고온에서 운전되기 때문에 운전이 까다롭다.

일본 북해도공업개발시험소의 보고서인 "플라이 애쉬의 섬유화 시험" (1985년 鶴江孝저 pp49-53)에는 석탄회의 섬유화에 대하여 기재되어 있는데 일본 구주산 화산재를 사용하는 것과 용융 온도 강하제(융제, Flux)로서 시약급의 Ca(OH)₂와 MgCO₃를 사용하는 것이 특징이다. 따라서 경제성에 의문이 있으며, 원료 정제 공정 및 제조된 섬유의 물성에 관한 언급은 없다.

미합중국 특허 제4,405,723호에는 화석 연료의 연소 결과 발생된 플라이 애쉬 또는 필터 애쉬로부터 융제로서 알카리 금속 혹은 알카리 토금속 화합물중 1개 이상의 무기 융제를 사용하여 섬유를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 석탄회에 함유된 철분 및 미연 탄소를 정제하지 않고 섬유화하는 것이 특징이며, 제조된 애쉬 섬유의 물성에 대한 언급은 없다.

이상과 같이 종래의 공정에 의하여 제조된 애쉬 섬유는 기존의 유리 섬유에 비하여 강도, 탄성 등의 물성이 떨어지거나, 시약급의 정제된 원료를 사용하기 때문에 경제성이 없어서 아직까지는 기존의 유리 섬유를 대체하기에는 미흡하다. 또한, 비산회 첨가량이 적기 때문에 폐기물 처리 효과가 미미하다.

본 발명의 목적은 기존의 유리 섬유에 비하여 강도, 탄성 등의 물성이 뒤지지 않고, 시약급의 정제된 원료를 사용하지 않아 경제적이며, 비산회의 사용량이 많아 폐기물로서의 비산회의 처리 효과도 높은 비산회로부터 애쉬 섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 각고의 노력을 한 결과, 비산회에 융제로서 정제 과정을 거치지 않은 석회석과 백운석을 블렌딩하여 애쉬 섬유를 용융 방사하는데 성공하였다.

본 발명은 연소와 자력 분리(Magnetic Separation)에 의하여 비산회로부터 미연 탄소분과 철분을 제거하는 비산회의 전처리 단계와, 애쉬 섬유 조성물이 낮은 용융 온도를 갖도록 전처리 단계를 거친 비산회와 융제인 석회석과 백운석과 점결제인 붕산을 블렌딩하는 단계와, 블렌딩된 조성물을 용융 정제하여 이로부터 애쉬 섬유를 용융 방사하는 단계로 이루어진다. 여기에서 용융 정제란 용융체에 포함된 기포 및 미연 탄소 등을 제거하는 것을 말한다.

이 때, 비산회와 석회석과 백운석의 블렌딩 비는 비산회 : CaO : MgO의 중량비가 60∼90 : 30∼1 : 20∼1가 되도록 한다.

바람직하게는, 비산회와 석회석과 백운석의 블렌딩 비를 비산회 : CaO : MgO의 중량비가 70∼90 : 25∼5 : 15∼5가 되도록 한다.

이 때, 제조되는 애쉬 섬유의 강도 개선을 위하여 비산회를 기준으로 1∼10중량%의 B₂O₃를 점결제로서 사용하는데, 이는 붕산(H₃BO₄)의 형태로 사용할 수도 있다.

본 발명은 용융 방사되는 애쉬 섬유의 물성(강도, 탄성등)을 향상시키기 위해서 미연 탄소와 철분을 비산회로부터 제거한다는 점과 섬유화에 사용되는 원료(석회석과 백운석)가 모두 국내 부존 광물로 정제 과정을 거치지 않고 그대로 사용한다는 점에 특징이 있다.

본 발명의 구성을 단계별로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

(1) 제1 단계 : 비산회의 전처리

비산회는 표 1에서 보는 바와 같이 연소되는 석탄의 종류 및 발전소의 가동 조건(연소 조건 및 집진 조건)에 따라 다르지만 미연 탄소가 5∼20중량%, 철분이 Fe₂O₃(FeO)의 형태로 0∼10중량% 포함되어 있다.

따라서 비산회로부터 미연 탄소와 철분이 제거되어야 하는데 왜냐하면 후술하는 실시예에서 알 수 있듯이 미연 탄소는 방사용 글래스 제조시 기포를 발생시키고, Fe₂O₃(FeO)는 섬유의 물성을 저하시키기 때문이다.

미연 탄소는 공기를 공급하면서 800∼1,000℃로 가열하여 연소시켜 제거하는데 이 때 발생되는 열은 애쉬 섬유 조성물 등을 예열하는데 사용할 수 있다.

철분은 영구 자석 등을 이용하여 통상의 자력 분리 방법에 의하여 제거하는데 이 방법에 의하여 적어도 70% 이상이 제거된다.

(2) 제2 단계 : 애쉬 섬유 조성물의 블렌딩

비산회는 표 1에서 보는 바와 같이 주로 SiO₂와 Al₂O₃로 구성되어 있기 때문에 융융 온도가 매우 높다. 따라서 용융 온도를 낮추기 위하여 융제(Flux)의 첨가가 필수적인데 본 발명에서는 융제로 석회석과 백운석을 사용하는 것이 특징이다.

그러나 주성분인 비산회를 비롯하여 석회석과 백운석은 하기 표 2에서 보는 바와 같이 용융 온도에 영향을 미치는 성분인 SiO₂, Al₂O₃, CaO 및 MgO의 함량 범위가 매우 넓다.

따라서 애쉬 섬유 블렌딩 조성물중 용융 온도가 낮은 블렌딩비를 찾기 위하여는 주요 성분의 함량을 달리하여 용융 온도를 직접 측정하는 일련의 실험을 하여 결정한다.

주요성분 원료광물	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	B₂O₃	Fe₂O₃
비산회(FLY ASH)	50-70	10-30	0-0.5	0-2.0	0	10.0이하
석회석(LIMESTONE)	50이상
백운석(DOLOMITE)			20-40	10-30
붕산(BORIC ACID)					60이상

보다 정교한 용융 온도 예측 방법으로는 우선은 주요 성분의 함량을 달리하여 용융 온도를 측정하고, 이들 데이터로부터 단계식 다중 회귀 분석에 의하여 예측식을 만들어 예측식에 의하는 방법이 있다.

(3) 제3 단계 : 블렌딩 조성물의 용융 정제 및 용융 방사

우선 미연 탄소와 철산화물을 분리제거한 비산회와 석회석, 백운석을 주어진 블렌딩 비율에 따라 블렌딩한 것을 방사(Spinning)용 글래스를 만들면서 용융 정제한다.

이 때, 점결제로서 B₂O₃을 사용한다.

실험실 규모에 있어서는 용융될 때 전기로에서 급격히 비산하거나 애쉬 용융체에 기포가 포함되는 것을 방지하기 위하여 저온(500∼700℃)에서 일정시간(30분∼5시간) 동안 유지시킨 후, 1,200∼1,400℃까지 1∼3시간에 걸쳐 천천히 승온시킨다. 충분히 용융된 글래스를 전기로에서 꺼내 약간 저어주고 다시 1,200∼1,400℃에서 30분∼1시간 유지시킨 후, 흑연(Graphite)판 위에 부어 서냉시켜 0.5㎝ 크기로 분쇄하여 방사용 글래스를 제조한다. 보다 균질의 글래스를 얻기 위하여 이상의 용융과 냉각 과정을 여러 차례 반복할 수도 있다.

실제 양산 규모의 섬유 제조에 있어서는 기존의 유리 섬유 제조 공정과 매우 유사하다.

용융 방사는 이상과 같은 과정을 거쳐 제조된 글래스를 용융시켜 30분∼2시간 정도 유지시킨 뒤, 1,200∼1,500℃의 온도에서 노즐을 통해 통상의 방법에 따라 이루어진다. 이 때, 노즐 끝의 온도는 중심부의 온도보다 100∼150℃정도 낮아야 섬유가 끊어지지 않고 방사가 이루어진다. 왜냐하면 노즐 끝의 온도가 높으면 방사된 섬유가 쉽게 끊어지기 때문이다.

본 발명의 구성은 하기 실시예에서 더욱 명확해질 것이다.

<실시예>

본 실시예에서는 다음의 표 3의 구성 성분으로 이루어지는 비산회(H), 비산회(B), 석회석 및 백운석을 시료로 사용하였다.

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	입수처
비산회(H)	56.75	23.75	3.70	12.61	1.29	무연탄 비산회:호남 화력발전소
비산회(B)	76.79	16.33	3.57	1.75	0.52	유연탄 비산회:보령 화력발전소
석회석	0.29	0.02	0.16	52.80	0.27	쌍용양회 동해공장
백운석	1.10	1.20	0.15	36.50	20.10	포항제철 광양제철소

여기에서 비산회(H) 및 비산회(B)는 각각 무연탄 및 유연탄이 연소되어 발생된 비산회로 미연 탄소가 제거된 것이고, 석회석은 쌍용양회 동해공장에서, 백운석은 포항제철 광양제철소에서 각각 입수한 것이다.

(1) 제1 단계 : 비산회의 전처리

비산회에 함유되어 있는 미연 탄소는 비산회를 75μm 이하로 체가름한 후, ASTM D-3174에 따라 800℃로 제어하고 2ℓ/min의 유량으로 공기를 공급하여 항량이 될 때까지 전기로에서 회화하여 얻었다.

철분은 영구 자석을 이용하여 분리하였는데 75%가 분리되었다.

(2) 제2 단계 : 애쉬 섬유 조성물의 블렌딩

본 단계에서는 우선 비산회와 석회석과 백운석의 최적 블렌딩 비를 찾기 위하여 석회석의 주성분인 CaO와 백운석의 주성분인 MgO를 표적 성분으로 하여 비산회와 CaO와 MgO의 중량 분율을 달리하여 용융 온도를 측정하였다.

블렌딩 조성물의 용융 온도는 ASTM D-1857에 따라 측정하였는데 우선 미리 준비된 회분에 소량의 덱스트린(Dextrine)용액을 섞어 회분 입자들이 서로 어느 정도의 응집성을 갖도록 하였다.

이렇게 준비된 회분을 다시 삼각추형의 틀속에 넣어 높이(H)가 19㎜, 밑변 길이(D)가 6.5㎜인 삼각추 형태의 시료를 제조하여 용융 온도 측정 장치 속에서 시작 온도 538℃, 최종 온도 1,600℃로 하여 온도 상승속도 8℃/min로 가열하면서 용융 온도를 초기 변형 온도(Initial Deformation temperature, IDT), 연화 온도(Softening Temperature, ST), 반구 온도 (Hemispherical Temperature, HT) 및 유동 온도(Fluid Temperature, FT)의 4 가지로 구분하여 측정하였다.

여기에서 IDT는 시료의 끝부분에 약간의 변형이 일어났을 때의 온도, ST는 시료의 높이(H)와 밑변길이(W)가 같아졌을 때(H=W)의 온도, HT는 시료의 높이가 밑변길이의 1/2이 되었을 때(H=1/2W)의 온도, FT는 시료가 용융되어 거의 평평하게 되었을 때(1/16 인치 이하)의 온도로 각각 정의된다.

측정에 사용한 장치의 모델은 SECOAF 600 Ash Fusion Determinator이며, 산화성 분위기와 환원성 분위기의 2가지 조건에서 측정하였는데 산화성 분위기에서는 공기를 사용하였고, 환원성 분위기에서는 H₂와 CO₂또는 CO를 50:50으로 혼합한 가스를 사용하였다.

표적성분 CaO와 MgO의 중량 분율을 달리한 비산회(H)와 비산회(B)의 용융 온도를 표 4와 표 5에 각각 나타내었다.

용 융 온 도(℃)	CaO wt%/MgO wt%
용 융 온 도(℃)	FA	5/5	10/10	5/15	15/5	10/20	20/10	5/25	25/5	15/15
IDT	1312	1232	1189	1191	1191	1199	1189	1208	1138	1186
ST	1329	1295	1207	1239	1233	1236	1195	1335	1191	1193
HT	1393	1319	1263	1269	1272	1272	1202	1450	1198	1208
FT	1550	1367	1289	1270	1314	1407	1375	1458	1222	1389

용 융 온 도(℃)	CaO wt%/MgO wt%
용 융 온 도(℃)	FA	5/5	10/10	5/15	15/5	10/20	20/10	5/25	25/5	15/15
IDT	1462	1196	1186	1202	1176	1203	1194	1218	1159	1196
ST	1488	1311	1223	1257	1211	1268	1208	1321	1176	1211
HT	1526	1385	1263	1276	1231	1282	1218	1333	1189	1221
FT	1558	1421	1422	1327	1368	1349	1234	1340	1213	1278

CaO와 MgO의 조성비를 달리하여 비산회(H)의 용융 온도를 측정한 결과(표 4), ST(연화 온도)는 CaO wt%/MgO wt%가 25/5일 때 1,191℃로 최저치를 보여주고 있어 CaO 또는 MgO의 단일 융제를 첨가할 때(본 명세서에는 기재하지 않았슴)보다 융점 강하 효과가 큰 것을 알 수 있다.

융점 강하 효과는 혼합 융제의 첨가량이 25/5 > 15/5 > 20/10 > 10/10 > 15/5의 순으로 큰 것으로 나타나 비산회(H)의 경우 CaO는 10%에서 25%로 첨가할 때 그리고, MgO는 5%에서 10%로 첨가할 때 융점 강하 효과가 크다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 단일 융제 사용시의 결과와 일치하는 것으로서 CaO의 첨가량은 30%, MgO는 15%를 넘지 않아야 최저의 용융 온도를 나타낸다는 것을 알 수 있다.

CaO와 MgO의 조성비를 달리하여 비산회(B)의 용융 온도를 측정한 결과(표 5), ST는 CaO wt%/MgO wt%가 5/25일 때 가장 높은 1,321℃를 타나내었고, 25/5일 때 가장 낮은 1,176℃를 보여주었다. 융점 강하 효과는 첨가량 25/5 > 20/10 > 15/5 = 15/15 > 10/10 > 5/15의 순으로 나타나 비산회(B)의 경우 CaO는 5%에서 25%로 첨가할 때 그리고, MgO는 5%에서 15%로 첨가할 때 융점 강하 효과가 크다는 것을 알 수 있다.

특히, CaO wt%/MgO wt%가 25/5인 경우는 CaO(단일 융제)만 30%로 하였을 때(본 명세서에는 기재하지 않았슴)의 용융 온도 1,226℃보다 용융 온도가 50℃ 더 낮아진다는 것을 알 수 있다.

애쉬 섬유 조성물을 블렌딩함에 있어서 비산회와 석회석과 백운석의 최적 중량비를 정하기 위하여는 비산회와 CaO와 MgO의 중량 분율에 따른 용융 온도 측정 결과 즉, 표 4와 표 5의 자료로부터 회귀 분석에 의하여 보다 정교한 용융 온도 예측식을 유도하여 이에 의할 수 있다.

용융 온도 예측식을 유도함에 있어서는 일차적으로 화학 조성과 용융 온도간의 상관성을 규명하기 위하여 이를 테면, ST(연화온도)를 종속 변수로 하고 각 성분의 조성비를 1차 독립변수, 산에 대한 염기의 비(=염기/산), 실리카/알루미나 등의 용융 온도 예측 지표 등을 2차 독립 변수로 취하여 단계식 다중 회귀 분석을 한다.

다중 회귀 분석 결과, 애쉬 섬유 조성물중 CaO와 MgO의 조성비(1차 독립 변수)의 R-squared가 각각 0,49와 0.54로 가장 상관성이 높았고, 용융 온도 예측 지표(2차 독립 변수) 중에서는 염기/산의 R-squared가 0.505로 가장 높았다. 반면, 알루미나에 대한 실리카의 중량비(=실리카/알루미나)와 K₂O는 용융 온도와 상관성이 없는 것으로 나타났다.

이와 같은 과정을 거쳐 융용 온도와 높은 상관성을 갖는 성분과 용융 온도 예측 지표를 선별하여 내림차분으로 단계적 회귀 분석을 수행하여 상관성이 높은 용융 온도 예측식을 얻을 수 있었다.

식 1은 무연탄을 연소시켜 발생된 비산회(H)를 주성분으로한 경우의 용융온도 예측식이고, 식 2는 유연탄을 연소시켜 발생된 비산회(B)를 주성분으로한 경우의 용융온도 예측식이다.

y = +145.012 + 0.082x₁ ²+ 246.522x₂+ 0.252x₄ ²+ 6.411x₄

R-squared=0.8410 ············(1)

y = -3867.903 + 0.591x₁ ²+ 192.079x₂ ²+ 0.398x₃ ²+ 85.073x₃

+ 0.235x₄ ²+ 102.938x₄- 1239.531x₅+ 0.386x₆ ²- 23.030x₆

R-squared=0.8798 ············(2)

여기에서, x₁=SiO₂, x₂=Fe₂O₃, x₃=CaO, x₄=MgO, x₅=Base/Acid, x₆=CaO/SiO₂이고, Base=Fe₂O₃+CaO+MgO+Na₂O+K₂O, Acid=SiO₂+Al₂O₃+TiO₂이다.

(3) 제3 단계 : 블렌딩 조성물의 용융 정제 및 용융 방사 단계

여기서는 각각의 애쉬 섬유 조성물을 용융 방사시켜 섬유의 직경, 인장 강도 및 탄성율을 측정하였다. 철분의 함량이 섬유의 물성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 철분이 제거되지 않은 비산회를 사용한 경우에 대하여도 측정하였다.

우선, 주어진 배합 비율에 따라 조제한 애쉬 섬유 조성물을 세라믹 밀(Ceramic Mill)로 30분간 혼합하여 500g씩 NABER 전기로에서 Pt-Rh 도가니속에서 1,550℃로 용융시켰다. 점결제로서 B₂O₃(실제로는 붕산을 이용)을 사용하였다.

방사(Spinning)용 글래스는 용융시킬 때 전기로에서 급격히 비산되거나 오염물질이 첨가되는 것을 방지하기 위해 500℃에서 3시간 동안 유지시킨 후, 2시간에 걸쳐 1,300℃까지 승온시켜 충분히 용융된 유리질을 전기로에서 꺼내 약간 저어주고, 다시 1,300℃에서 1시간 유지시킨 후, 이를 흑연(Graphite)판 위에 부어 서냉시켜 분쇄하고 다시 1,300℃에서 2시간 용융시키는 과정을 3 차례 반복하여 글래스 내에 기포가 거의 없는 상태로 제조하였다.

얻어진 글래스는 용융 방사로(직경 25㎜, 높이 45㎜, 용량 16cc)에 넣고, 백금으로 된 노즐을 용융 방사로에 알루미나 튜브(내경 25㎜, 높이 300㎜)를 이용하여 고정하였다. 용융 방사로는 용융성 실험 결과, 가장 높은 용융 온도를 갖는 비산회가 1,550℃ 이상에서 유동성을 갖기 때문에 최고 온도가 1,700℃인 발열체를 이용하여 구성하였다.

장치가 완료된 후 10℃/min의 승온 속도로 글래스가 완전히 녹을 수 있도록 가열하여 1,500℃에서 1∼2시간 유지시킨 뒤, 용융체를 인출하여 0∼200 m/s의 속도로 운전되는 권취기에 걸고 권취기 속도를 변화시키며 섬유를 얻었다.

용융 방사로는 애쉬 섬유 조성물의 용융 온도 이상이어야 하므로 1,500℃ 이상의 높은 온도에서 일정하게 유지시켰고, 노즐 끝의 온도는 이보다 100∼150℃정도 낮게 유지시켰다.

따라서 노즐 끝의 온도는 애쉬 섬유의 방사에 있어서 가장 큰 변수인데 이는 노즐 끝 부위에 냉각 장치를 설치하여 제어하였다.

섬유의 직경은 권취기 속도를 조절하여 제어하였고, 얻어진 섬유의 인장 강도는 Shimadzu AGS-500B를 이용하여 측정하였다.

조성물의 함량비를 달리한 애쉬 섬유의 물성치를 표 7과 표 8에 나타내었다.

표 7은 비산회(H)를 주성분으로 한 경우이고, 표 8은 비산회(B)를 주성분으로 한 경우이다. 그리고 물성치중 인장강도에서 괄호 안의 숫자는 비산회에서 철분을 제거한 경우이다.

중량비비산회(H)/CaO/MgO/(Fe₂O₃)	인발온도(℃)	직경(μm)	인장강도(㎏/㎟)	탄성율(㎏/㎟)
90/ 5/ 5/3.5	1367	21.3	80.5(112.3)	5121
		18.7	91.4(130.5)	5543
		12.3	118.1(145.2)	7615
80/15/ 5/3.5	1314	25.4	81.3(120.3)	5028
		15.1	112.1(150.8)	5423
		10.8	168.4(210.5)	6081
80/10/10/3.5	1289	17.3	96.1(143.2)	6020
		14.7	102.4(120.6)	6432
		14.6	126.2(156.9)	6725
70/25/ 5/3.5	1222	22.7	84.1(120.6)	5821
		13.5	108.7(130.9)	6434
		12.2	112.4(140.3)	6935
70/20/10/3.5	1375	25.8	86.5(110.8)	5123
		17.9	87.2(112.5)	5681
		17.5	90.5(130.8)	5817
70/15/15/3.5	1389	21.1	84.1(112.5)	5423
		20.9	91.4(132.2)	5441
		20.7	95.3(130.8)	5543

중량비비산회(H)/CaO/MgO/(Fe₂O₃)	인발온도(℃)	직경(μm)	인장강도(㎏/㎟)	탄성율(㎏/㎟)
90/ 5/ 5/3.5	1421	10	121.5(150.8)	5423
		15	130.7(174.5)	5116
		25	100.9(130.5)	4617
80/15/ 5/3.5	1368	17.2	142.3(177.8)	5919
		14.2	162.2(192.3)	6548
		13.4	180.4(220.5)	7120
80/10/10/3.5	1422	21.5	99.2(129.3)	4523
		20.8	98.4(130.4)	5460
		15.4	170.6(220.5)	7024
70/25/ 5/3.5	1213	11.5	250.4(277.3)	7967
		10.8	289.1(310.1)	8119
		10.4	292.3(300.2)	8017
70/20/10/3.5	1234	14.2	200.7(223.5)	6548
		12.7	241.3(276.5)	7852
		10.5	254.8(275.3)	7985
70/15/15/3.5	1278	24.3	123.4(156.5)	6123
		12.3	239.7(256.3)	7167
		11.8	290.3(310.4)	7816

비산회(H)를 주성분으로 한 경우, 인발 온도에 미치는 융제의 첨가 효과는 CaO의 경우 그 조성비가 증가할수록 인발 온도가 낮아졌지만, MgO의 경우는 그 조성비가 증가할수록 인발 온도가 높아졌다. 인장 강도와 탄성율에 미치는 CaO와 MgO의 효과는 그 조성비에 따르는 규칙성은 발견할 수 없었고 다만, 섬유의 직경이 작아질수록 인장 강도가 증가하였다.

비산회(B)를 주성분으로 한 경우도 비산회(H)의 경우와 동일한 결과를 나타내고 있으며 섬유 직경에 의한 물성 변화도 같았다.

그리고, 철분(Fe₂O₃)의 존재는 인장 강도에 큰 영향을 미쳤는데 철분이 제거된 경우의 인장 강도는 제거되지 않은 경우보다 약 20∼40%가량 증가하였다.

본 발명에 의하면 비산회를 대량 사용하 수 있기 때문에 비산회의 대량 폐기, 매립등에서 발생되는 환경 문제를 예방할 수 있고, 융제로써 국내에 풍부하게 매장되어 있는 석회석과 백운석을 그대로 사용하고 있어 원료의 수급이 원활하고 제조 가격면에서도 경제적이다.

Claims

연소와 자력 분리(Magnetic Separation)에 의하여 비산회로부터 미연 탄소와 철분을 제거하는 비산회의 전처리 단계와, 전처리 단계를 거친 비산회와 융제인 석회석과 백운석을 비산회 : CaO : MgO의 중량비가 60∼90 : 30∼1 : 20∼1가 되도록 블렌딩하는 단계와, 블렌딩된 조성물을 용융 정제하여 이로부터 애쉬 섬유를 용융 방사하는 단계로 이루어지는 비산회로부터 애쉬 섬유를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 전처리 단계를 거친 비산회와 융제인 석회석과 백운석을 블렌딩함에 있어 비산회 : CaO : MgO의 중량비가 70∼90 : 5∼25 : 5∼15가 되도록 블렌딩하는 것을 특징으로 하는 비산회로부터 애쉬 섬유를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 전처리 단계를 거친 비산회와 융제인 석회석과 백운석을 블렌딩할 때 비산회를 기준으로 1∼10중량%의 B₂O₃를 점결제로 사용하는 것을 특징으로 하는 비산회로부터 애쉬 섬유를 제조하는 방법.