허남석 前(주)한길 삼현타일제조 부사장

롤러 킬른(또는 롤러 허스 킬른-ROLLER HEARTH KILN)의 도입
대형 타일의 인기와 거의 완전하게 소결된 고밀도 타일의 요구는 신속한 소성을 필요로 하게 되었고 또한 킬른 내 타일의 이동 수단으로서 세라믹 또는 금속제 롤러를 사용함에 따라 기존 터널 킬른에서의 대차 상에 미소성 타일(GREEN TILE) 적재를 위해 사용되는 내화갑 때문에 이루어지지 않던 적재 공정의 자동화와 부수적으로 내화갑을 사용하지 않음에 의한 불필요한 에너지 절감을 가능하게 하는 롤러 킬른이 1970년도 중반에 이태리에서 개발되었고 국내에는 80년대 초에 최초로 도입이 시작되어 이제는 국내 모든 타일 회사들이 이 타입의 킬른을 100% 적용하게 되었다.
1970년도 당시에 이태리에서 개발된 이 킬른의 적재와 킬른 운전의 측면에서 유연성은 타일 제조자들이 타일 규격과 두께 및 유약 타입에 적합한 소성 곡선을 수정하는 것을 가능하도록 하였다.
킬른의 크기는 과거(80~90년도 초반) 경우 소성되는 타일의 크기가 최대 30×30cm 정도의 것이었기에 유효 소성폭 기준 1200~1600mm 그리고 길이는 60~80m 대의 소형 규격의 킬른이 대부분이었다.
하지만 90년도 초반에 도입되기 시작한 대형 킬른(유효 소성폭 1800~2100mm, 길이 80~90m)은 IMF가 터진 1997년도 이후에 국내 시장의 대형 및 초대형 타일로의 전환에 힘입어 많은 타일 회사들이 대형 킬른의 도입을 서두르게 되었고 근자에 이르러서 타일 회사들의 새로 도입하는 킬른들은 이보다 큰 초대형 킬른(유효 소성폭 2000~2400mm, 길이 100m 이상)으로 대부분 적용하기에 이르렀다.
롤러 킬른의 배치
일반적으로 롤러 킬른은 크게는 소성 공정 기준 예열대(HEATING ZONE), 소성대(FIRING ZONE), 냉각대(COOLING ZONE)로 좀 더 세분해서는 전면 킬른(PRE-KILN), 예열대(HEATING ZONE), 소성대(FIRING ZONE), 급냉대(FAST COOLING ZONE), 서냉대(SLOW COOLING ZONE), 최종 냉각대(FINAL COOLING ZONE)로 배치된다. 롤러 킬른의 설계 시에 기본적으로 구분하는 것이 가열대(예열대 및 소성대)와 냉각대(급냉대, 서냉대 및 최종 냉각대)의 비율이다. 과거 중소형 타일(30×30mm)의 소성 경우에는 이 비율이 대략적으로 60%: 40%였지만 근래의 초대형 타일(40×40cm 이상)의 소성 경우에는 이 비율이 50%: 50% 내지는 다소 역전이 되는 추세로 가고 있다. 이렇게 가는 이유는 대형 타일의 경우 두께도 함께 두꺼워지므로 타일의 냉각에 충분한 시간을 주지 않을 경우 냉파가 발생되기 때문이다.
하지만 가열대의 감소는 킬른 생산성의 감소와 맞물려 있다. 이것은 가열 시에 두꺼워진 타일 두께는 유기물질의 분해와 탄산염류의 분해로 인해 발생되는 가스를 적절하게 배출시키기 위해 보다 긴 예열 구간을 요구하게 되며 이 공정이 제대로 이행되지 않을 경우 소성 구간에서까지 분해가 이루어져서 블랙 코어를 야기 시키기 때문이다. 하지만 100m가 넘는 긴 길이의 킬른에서는 가열대의 비율이 줄고 냉각대의 비율이 증가되더라도 이 문제의 해소가 가능하다.

킬른 각 구간별 길이 점유율 예 및 구간별 소성 목적
전면 킬른(PRE-KILN) : 총 킬른 길이의 10% … 그린 타일 내 수분 건조 목적
예열대(PREHEATING ZONE) :  총 킬른 길이의 31% … 그린 타일 내 유기물질 및 탄산염, 황산염 분해 목적
소성대(FIRING ZONE) : 총 킬른 길이의 19% … 그린 타일의 소결 목적
급냉대(FAST COOLING ZONE) : 총 킬른 길이의 6% … 소결된 타일의 냉각 목적
서냉대(SLOW COOLING ZONE) : 총 킬른 길이의 20% … 소결된 타일의 냉각 목적
최종냉각대(FINAL COOLING ZONE) : 총 킬른 길이의 14% … 소결된 타일의 냉각 목적
에너지 절약형 킬른
킬른은 에너지 다소비 장치이기 때문에 많은 에너지를 소비하는 설비이다. 따라서 고유가 시대는 당연히 에너지 절약형 킬른의 개발을 요구하게 되었다.
과거에는 킬른 연돌을 통해 대기 중으로 배출되는 폐열(대략 40% 이상) 중 냉각대에서 발생되는 폐열은 동절기 시설 난방용으로의 재활용이 대부분이었지만 근자에는 버너 연소용 공기를 예열 시키는데 냉각대에서 발생되는 폐가스를 혼용하여 에너지를 절약 시키는 방법이 적용된 킬른이 보급되기 시작하였다. 하지만 이 방법의 경우 질소 산화물(NOx)의 발생이 증가 되므로 배출 가스에 대한 환경 보존법 저촉 여부에 대해 유의하여야 한다.
아래 데이터는 킬른 폭 2.5m, 길이 110m, 송차시간 47분, 최고대 온도 1,220도, 수축률 8%, 20kg/m2, 6,400m2/day(시간당 5,350kg 소성) 규모인 포슬레인 타일 생산 킬른의 단위 열소비를 나타낸 것이다. 아래 표 상의 데이터를 보면 연소 공기의 온도가 올라갈수록 단위열소비량은 감소되는 것을 볼 수가 있다.
킬른 내의 공기 흐름에 있어 만일 냉각대에서 부분적인 냉각공기의 배출이 있는 경우 아래 그림의 위쪽 그림과 같은 공기 흐름이 형성되고 냉각대에서의 부분적인 냉각공기의 배출이 없는 경우 아래쪽 그림처럼 공기 흐름은 형성된다.

개략적인 킬른 각 구간별 노압 분포 예
킬른 노압은 낮은 노압보다는 높은 노압의 유지가 치수 안정 및 에너지 절약 측면에서 도움을 주지만 높은 노압은 킬른 내 폐열 순환이 그만큼 느려지기 때문에 킬른의 예열대 폐가스 농도가 높아져서 블랙코어 측면에서는 불리하다. 또한 노압은 생각과는 달리 소성 결과(예: 완제품 흡수율)들에 대해서는 중요한 영향을 주지 않는다(타일 밴딩 제외).
아래의 그림에서 보는 바와 같이 예열대 구간은 - 노압이 걸리고 소성구간은 + 노압이 걸리며 냉각대는 + 노압과 - 노압이 교차되어 형성된다. 최고대에서 급냉대 쪽으로 열이 흐르지 않게 하기 위해서는 0.3mm/H2O 한계를 초과 해서는 안된다는 자료가 있고 이것은 에너지 절감 측면에서 의미가 있겠으나 실제로 킬른의 운용 측면에서 상기 수치의 준수는 어렵다. 왜냐하면 킬른 내에 형성되는 노압은 인위적으로 100% 조정이 가능하지 않기 때문이다. 노압에 영향을 주는 인자로 스모크 팬 덕트의 개폐정도, 제품 송차시간, 요입되는 제품의 크기(두께) 및 소성온도(버너 가스 및 연소공기압 의미) 등이 있으며 이들 중 일반적으로 킬른 관리자가 조치 할 수 있는 것은 스모크 팬 덕트의 개폐 뿐이다. 나머지 인자들은  제품의 품질 및 생산성에 관련이 있기 때문에 인위적인 관리를 할 수가 없다. 일반적으로 스모크 팬 덕트를 닫을수록, 송차시간이 빠를수록, 제품의 크기(두께)가 클수록 그리고 소성온도가 높을수록 킬른 내 노압은 높게 형성 된다.

킬른의 구간 별 관리방법
아래에 언급되는 내용들은 국내 타일 회사에 종사하는 소성 담당자 또는 관리자들이라면 모두 알고 있는 내용이지만 소성 중에 타일에 결함이 발생될 경우 킬른의 어느 구간이 결함 발생의 원인을 제공하는 가를 판단하기 위해 반드시 먼저 검토해야 하기 때문에 본 원고에 수록하였다.

전면 킬른(PREKILN)
킬른의 입구부를 의미하며 미소성 타일(GREEN BODY) 내에 함유되어 있는 수분(건조기 통과 후 잔류수분, 시유 시 유약 중에 함유된 수분, 작업장 내 수분 등)의 제거가 목적이다. 일반적으로 이 구간의 온도는 200~500도로 높아 지나치게 많은 수분이 미소성 타일 내에 들어 있는 경우 급격한 수분 팽창에 의해 폭발되거나 소성 후에 미세 균열을 야기시킬 수 있다. 따라서 두께가 두꺼운 초대형 타일들의 시유 직후 요입은 그만큼 위험 부담이 크다고 할 수 있다.

예열대
이 구간은 부풀음, 유약 및 바디의 기포 및 분화구 현상 그리고 색차의 방지를 위해 없어서는 안되는 미소성 바디의 가스 방출이다. 해당 온도 범위는 소성되어질 제품 및 이보다 중요한 사용되는 유약의 타입에 의해 결정된다. 이 구간 내에서 개념적인 유약의 용융이 시작되는 그리고 타일의 표면 기공이 폐쇄되기 시작하면 소지의 투과성이 나빠짐에 의한 미소성 바디에서의 가스 방출이 급격히 저하된다. 또한 이 구간은 알파 석영의 베타 석영으로의 미묘한 동소체 전이가 일어나는 곳으로 균열 발생의 원인이 되기도 한다. 그래서 이 구간의 온도 상승 곡선은 완만하게 그리고 길게 유지하는 것이 좋다.

소성대
이 구간은 대략 1000도~ 최고온도 사이의 온도를 유지한다. 이 구간에서 소지와 유약은 소결되며 완제품 물성(광택, 강도, 칫수 및 밴딩)이 결정된다. 따라서 통상적인 킬른 관리는 대부분 이 구간에서 행해진다(칫수, 밴딩 및 색상 차이 관리 등. 일부 무광택 또는 반광택 제품 경우 광택 차이 관리).
앞서 서두에서 언급한 바와 같이 킬른이 대형화 되고 제품 또한 대형화 되었다는 것은 그만큼 킬른에서의 소성이 어려워진다는 것을 의미한다. 특히 넓어진 킬른 폭은 킬른에 요입되는 열들에서 킬른 좌우 측면 열들과 중앙 열들 간의 칫수 편차 및 색상 편차의 발생이 심해지고 소지에서의 변화가 클 경우 길어진 송차 시간은 요입 시간별 제품 칫수의 편차 발생을 크게 할 것이다. 광폭화된 킬른에서 발생되는 칫수 편차 및 색상 편차를 억제하기 위해 버너 연소 공기압을 좌우 대칭적으로 공급한다던지 구간별로 스윙 시켜 공급한다던지 하는 방법들이 있지만 그 효과는 미미하다. 다행히도 광폭 킬른의 경우 소성 후 완제품의 커팅을 통해 칫수 편차를 해소 시키는 방법이 있지만 이것은 생산 비용의 증가 즉 완제품 단가의 상승을 수반하나 이런 제품 경우 가격이 고가인 포슬레인 제품들 경우에는 완제품 커팅 작업이 가능하지만 일반 플로어 타일 경우에는 적용이 어렵게 된다. 일반적으로 길이가 긴 대형 킬른의 최고대 구간은 8~10구간 정도로 길이가 짧은 킬른의 5~6 구간에 비해 길게 설정하며 대신 최고대 온도는 길이가 짧은 킬른의 최고대 온도에 비해 10~20도 정도 낮게 설정하도록 한다. 이렇게 최고대 온도를 낮게 설정하는 경우 이점은 최고대 온도가 낮은 만큼 가스 사용량이 줄게 되고 아울러서 킬른 내화벽 및 롤러의 손상이 적게 되며(특히 벽 타일 소성 경우 소지 원료의 하나인 납석에 들어 있는 황화물은 킬른 내벽 및 철제 구조물 그리고 롤러에 심각한 부식을 야기시킴) 소지 내 유기물질 및 탄산염의 분해에 의해 발생된 가스의 소지로부터의 방출(전체적으로 킬른의 소성 온도가 낮아짐에 따른)이 보다 용이해지기 때문에 그만큼 블랙 코어 발생이 줄어들어 송차시간의 단축이 가능하게 된다. 또한 최고대 온도의 하향 설정 및 긴 구간 설정은 서서히 소지를 수축시키기 때문에 보다 높은 최고대 온도 경우에 비해 칫수 편차를 덜 발생 시키고 아울러서 색상 편차 발생 또한 다소 줄이게 될 것이다.

급냉대 관리
이 구간은 최고대와 약 600도 사이의 구간에 해당된다. 이 구간은 가능한 한 빨리 타일을 냉각시키도록 설계되어 있지만 베타 석영의 알파 석영으로의 동소체 전이가 일어나는 지점(573도)으로 절대로 연결되어서는 안된다. 이 단계는 가파른 온도하강을 포함하고 있기 때문에 소지와 유약 모두 고상(固相: SOLID STATE)으로 복귀되므로 이것은 의심할 여지가 없이 소성공정 중 위험한 공정 중의 하나이다. 경험적으로 볼 때 이 구간에 대한 설정온도는 공장마다 공통적으로 적용할 수는 없고 냉파가 발생될 때의 상황에 따라 온도를 올리거나 내리는 조정과 함께 급냉대의 냉각공기 공급 담파들 또는 밸브들의 닫힘 정도를 조정하는 것 밖에 해결 방법이 없다.

서냉대 관리
타일에서 체적(體積)으로 급격한 수축이 일어난 이후 아주 미묘한 석영의 동소체 전이가 일어나는 구간이다. 하지만 이 전이는 필히 천천히 그리고 점진적으로 일어나야 한다. 그렇지 않을 경우 이미 경화된 세라믹 타일에 발생되는 응력으로 인해 매끄럽고 광택이 나며 사선 모양을 보이는 예리한 단면을 만드는 중상 정도의 자화가 되는 “균열”을 쉽게 만들기 때문이다. 어떤 의미에서 보면 대형 또는 초대형 타일의 냉파는 이 구간에서 일어나는 경우가 많이 있어 소성공정 중 가장 위험한 구간이라고 할 수 있다. 그래서 냉각공기는 직접 타일에 부딪치지 않고 파이프를 통해 공급되며 냉각된 파이프들이 킬른 내 열기를 식히고 이로 인해 타일 또한 온도가 하강되는 간접 냉각 방식이 채택된다. 이 구간 역시 냉파 해결 방법은 냉각공기가 통과 하는 파이프들에 장착된 담파 또는 밸브들을 열고 닫는 방법만이 유일한 해결책이다. 중요한 것은 완만한 온도의 하강이 중요하다는 것이다.

최종 냉각대 관리
이 시점에서 타일은 위험한 석영의 동소체 전이과정을 마치게 되며 이후에는 비교적 냉파의 위험이 없
 때문에 최종 냉각은 가능한 한 충분히 타일의 온도가 내려가도록 설계된다. 따라서 서냉대와는 달리 냉각공기가 직접 타일을 향해 분사된다. 일반적으로 이 구간에서의 냉파 발생은 없다고 보아도 무방하지만 아주 두꺼운 초대형 타일 경우 킬른 길이가 짧고 송차시간이 빠른 경우 이 구간에서도 냉파가 발생되는 수가 있다. 이때에는 급냉대 및 서냉대의 경우처럼 담파 또는 밸브들을 닫는 수 밖에 없다. 하지만 부작용으로 타일이 덜 식혀지기 때문에 킬른 출구를 통과 하는 타일들은 덜 식은 만큼 뜨겁게 통과될 것이다.
냉각대에서 발생되는 냉파의 다른 해결방법으로는 송차시간을 늦추는 것이지만 이것은 생산성 저하와 직결되므로 쉽게 선택하기가 어려운 방법이다.

이상적인 킬른 관리
소성 중에 킬른 내에서 발생되는 타일의 결함은  복합적으로 발생되기 때문에 어떤 구간에서 발생 결함에 대한 원인을 제공하고 있는가에 대한 결론을 내리기가 어려운 것이 현실이다.
킬른 제조회사에서 제작되는 킬른들은 성능에 있어서는 거의 동일하다고 간주하여도 무방할 것이다. 하지만 동일한 킬른이라도 이를 운영하는 타일 제조회사에서는 소성 결과가 다르게 나오게 된다. 그 이유는 사용하는 소지 및 유약의 조성 그리고 생산되는 타일의 규격들이 다르기 때문이다. 이것은 킬른의 관리에서 하드웨어적인 관리는 표준화가 가능하지만 위에 언급된 각 구간별 관리와 같은 소프트웨어적인 관리는 표준화가 불가능하다는 것을 의미한다. 그러므로 킬른 각각의 구간들이 가지는 고유 특성을 기초로 하여 조치를 하여야 한다. 그러기 위해서는 소성 담당자 또는 관리자는 소성에 사용되는 소지 및 유약 그리고 선행 공정(제토, 성형 및 시유)들에 대해서도 깊은 지식을 함께 갖지 않으면 소성 중에 발생되는 결함들에 대해 즉각적이고도 정확한 조치를 하기가 어렵게 된다. 왜냐하면 발생되는 결함들이 부적합한 킬른의 운전 조건들보다는 이들 선행 공정에서의 부정확한 작업들이 원인 제공을 하는 경우가 많기 때문이다. 특히 초대형화 되고 있는 제품들과 킬른들은 더욱 더 문제 해결을 힘들게 한다. 결론적으로 이상에 언급된 각 구간들의 역할에 대한 충분한 인식과 선행 공정에 대한 충분한 이해를 병행 한다면 소성 중에 발생되는 제반 문제들의 해결을 위한 접근은 그만큼 쉬워질 것이다.

그림 1. 이단 롤러 킬른
그림 2. 킬른의 구간대별 명칭 및 구조 단면도

 그림 3. 부분적인 냉각공기 배출이 있는 경우의 공기순환

그림 4. 주 연돌 쪽으로 이동하는 경우의 공기순환

그림 5. 킬른 내 노압 분포도

허남석
대한잉크페인트제조(주) 근무
현대차량 근무
대우중공업 철도차량사업부 근무
주식회사한길 삼현타일제조 부사장
현재 대림힐스세차타운 대표

< 본 사이트에는 일부내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2010년 7월호를 참조바랍니다.>