세라믹스 공정

건조 공정의 최적화

편집부(외신)

1. 서론
세라믹 바디를 건조하는 공정은 세라믹 제조 산업에서 매우 중요한 공정이다. 성형공정이 슬립 캐스팅과 테이프 캐스팅에 의해 이루어지면, 세라믹 바디는 10%에서 12%의 수분이 함유된 상태로 여전히 젖어있다.
그렇기 때문에 제품이 깨지지 않게 하기 위해서 열처리 전에 수분을 제거하는 것이 필수적인 공정이 아닐 수 없다. 높은 수분 함량은 슬러리를 석고 몰드에 넣는 전통적인 기술이나, 레진 몰드에 넣고 중/고압[0.4-2.0 N/mm]을 가해 성형하는 방법, 두껍게 타일을 만드는 혁신적인 기술[전형적인 모식도가 그림 1에 나타나 있다]인 테이프 캐스팅 [즉 테이프 형성]과 같은 현대 기술이나 수분함량이 많은 것은 마찬가지이다.
건조공정은 여러 가지 방법으로 행해질 수 있으나, 공장에서는, 로(爐)에서 나오는 방출 열의 대류를 이용한 큰 터널 드라이어에 넣고 건조 공정을 진행하는 것이 일반적이다. 다시 말해서 이 공정은 새로 유입되는 공기 없이 내부 공기의 순환을 이용하는 것이다. 물이 증발을 하면 압력을 높이게 되어 증기가 뿜어져 나가게 된다.
이러한 시스템은 160℃의 수증기를 사용한다. 건조 속도는 제품이 열을 얼마나 잘 견디는가에 따라 달라진다. 이 공정은 물의 점도 m와 표면 장력 s을 동시에 감소시키고, 물의 제거를 촉진시킨다. 이 방법의 장점은 가스를 통해 증기를 강제적으로 움직이지 않고 벌크로 움직이게 하여 습도의 구배가 작게하여 수축으로 인한 스트레스를 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
많은 양의 재료들이 가공되는 세라믹 제품에서, 연속 건조(터널) 방법이 타일, 스피드 드라이어, 캐스팅에 의해 얻어지는 제품들의 경우에 사용되고 있다. 후자의 경우에는, 조각들이 캐스팅 후에 재료를 옮기는데 사용되는 베슬(vessel)에 위치하게 된다. 그러나 모든 형태의 세라믹 제조에서 녹색 염료의 처리를 연장하는 것을 막는 것은 필수적인 공정이다.
보통, 모든 형태의 드라이어는 로의 냉각 부분에서부터 오는 뜨거운 증기의 건조력을 사용하고 있는데 이 증기에는 약간의 외부 공기가 섞여 있게 마련이다. 첫번째 단계에서, 드라이어는 뜨겁고 습도가 높은 공기(>85%)로 포화되어 있다. 이러한 조건에서, 표면 근처에서의 증발은 거의 일어나지 않는다. 그러나 반대로, 열이 벌크에서 확산을 할 수 있게 된다. 이러한 열이 벌크 내부에서 표면으로 물이 잘 확산해 나갈 수 있도록 도와주게 되는 것이다.
모든 제조 공정에서, 건조는 근본적으로 열 대류에 의한 것이다. 따라서 가장 중요한 요소는 온도와 상대 습도 그리고 공기 유속과 함께 제품의 두께가 된다.
이번 연구에서는, 건조 공정에 대한 문제를 제품의 크기가 크고 테이프 캐스팅 공정을 사용하기 용이한 공산품을 통해 연구하였다.

2. 실험 방법
재료
15×15cm 크기의 시편들을 표준 공정을 따라 실험실에서 제작하였다. 파우더는 원료를 실험실 볼밀로 밀링하여 평균 결정립계 크기를 65mm 이하로 만들었다. 파우더는 석고 몰딩을 사용하여 슬립 캐스팅을 하였고, 슬러리 점도를 유체역학적으로 조절을 하였다. 환기가 잘 되는 실험실 오븐에서 샘플에 대한 건조 테스트를 실시 하였다. 시편의 조성은 실제 산업적으로 사용되고 있는 조성을 사용하였으며, 그 내용은 표 1과 같다.
방법
세라믹 바디의 건조 공정 변화를 보기 위해, 주어진 온도에서 습도와 관련되어 있는 무게 값의 손실이 수축률(%)의 함수로 표현되는 표(Bigot 다이어그램)를 사용하는 것이 유용하다.  이 공정은 평형상태에 이를 때(무게 변화가 없을 때)까지 계속해서 수행되었다. 시스템이 평형상태에 이르렀을 때, 상응하는 습도 값을 ‘임계 습도’라고 부르며, 이 임계 습도는, 낮은 습도 함량에서, 위험한 장력과 금이 가는 일 없이 급격한 열 구배가 가능한 값을 나타내기 때문에 건조 공정에서 매우 중요한 의미를 가진다.
보다 정련된 다이어그램은 Bigot-Bourry 커브를 그림으로써 얻을 수 있는데 Bigot-Bourry 커브는 수축과 무게 손실을 시간, 시편의 선형 크기, 질량, 잔류 습도의 함수로 보여준다. 건조 과정을 시간의 함수로 관찰하여 수축 속도, 즉 [Δ수축 %/Δ시간]으로 정의되는 변수를 결정할 수 있게 하였다. 이 비율이 선형적이지 않은 모든 경우에는 가장 큰 기울기 값을 선택하였다.
일정한 온도(30。, 40。, 60。, 70℃)에서 일정한 무게까지 건조하거나 이중 온도 커브, 즉 30。~70℃와 40。~60℃ 온도의 두 경우의 시편 모두 오븐에서 처리를 한 후에 측정을 실시하였다.
2단계 실험에서, 오븐에서의 처리시간은 45분으로 고정하였고 그보다 높은 온도에 대해서는 일정한 무게를 더하였다. 매 15분 마다, 시편을 오븐에서 제거하였고, 잠깐 동안 측정(무게와 크기)하고 재빨리 안에 집어 넣었다. 각 열 사이클 마다 6개의 시편을 테스트하였고 최종 데이터는 최고, 최저 값을 제외한 4개 값의 평균으로 정하였다.
실험 데이터를 그림 3-5에 나타내었다. 표 2는 수축 속도의 값을 나타낸 것이다.