글+사진 김형태 _ 요업기술원 도자구조세라믹본부 소재팀장 도자기가마의 가동성을 고려하여 연속식과 불연속식으로 나눌 때 가마재임이 불을 끄고 이루어져야만 하는 불연속식 단가마를 셔틀Shuttle가마라고 부르며 사용하는 연료는 주로 가스나 중유 등의 기름 또는 전기를 사용한다. 개인적인 작업장 또는 중, 소규모 생산현장에서 사용하는 단가마는 해방 후 처음 도입되었고 70년대에 이르러 급속히 국내에 보급되었으며 초기에 연료로 기름을 사용하다가 근래에 들어 가스를 사용하는 경우가 대부분이 되었다. 연속식가마는 대표적인 것이 터널가마로 도자기제품의 대규모 생산에 적합하고 번조의 조건이 안정되며 열효율이 우수한 장점 등이 있다. 터널형태의 가마에서 대차를 사용하지 않고 상판 하부에 내화성이 있는 로울러를 설치하여 연속적인 이송이 이루어지게 한 가마를 로울러허스Roller hearth가마라고 하며 생활도자기, 내열자기의 번조 또는 3차 저온유약 처리에 이용되기도 하지만 주로 타일제조에 많이 사용하며 최대 30분 이내의 번조까지 가능한 신속번조 목적의 가마이다. 이러한 신형 연속가마들은 소규모작업자나 소량의 다품종생산 그리고 분위기제어를 통한 요변특성 발현에는 어려움이 있다. 본 글에서는 중소규모의 생산에 사용되는 단가마 형태의 가스가마를 위주로 언급하기로 한다. 일반적으로 가스가마는 장작가마보다 제품의 성공확률이 높으며 조작이 간편하고 비용이 저렴한 장점이 있다. 가스가마는 크게 몸체와 가열장치 그리고 제어장치로 구분지울 수 있다. 몸체는 대개 직육면체로 위쪽은 아치형 천정을 형성하며 겉재질은 대부분 철재판넬과 프레임을 사용하고 내화벽돌, 내화단열보드로 축로하며 열변화에 따른 가마의 팽창, 수축을 고려하여 완충 틈새를 형성하여 준다. 적재방식은 작업자가 직접 들어가서 성형품을 쌓아올리거나 미리 대차에 담아서 밀어 넣는다. 대차는 1개를 사용하기도 하지만 2개 이상을 사용하여 가마가 완전히 식기 전에 미리 제품을 적재해 둔 대차를 교체하여 밀어 넣고 가마의 잠열이 있는 상태에서 번조를 반복하므로 열효율을 높이기도 한다. 연소가스를 이용한 직접접촉 및 대류가열이 가스셔틀가마의 근본적인 원리이므로 가마의 구조는 도염식을 택하여 고열의 연소가스가 가마 내에 오래 머물고 균일하게 퍼지도록 한다. 도염식 구조에서 연소가스는 가마내부를 휘돈 후에 하부의 구멍을 통해 대차바닥의 불고래로 내려오게 되며 가마 뒤쪽의 연돌에 모여 댐퍼의 조절을 통해 굴뚝으로 배출된다. 대차의 바닥은 평면으로 하고 있으나 연소 가스의 흐름을 쉽게 하도록 하기 위하여 홈을 만들어 두기도 하고 열손실을 방지하기 위하여 대차 바닥과 가마벽 또는 천정에 추가로 단열재를 쓰기도 한다. 가마는 지하실 등을 피하고 통풍이 잘되는 곳에 설치하여서 흡, 배기가 잘되도록 하며 연료가스의 적체로 인한 폭발 및 유해연소가스 등으로 인한 인체위험을 방지한다. 굴뚝의 높이는 부근의 지형과 대기의 흐름을 고려하여 조절하며 높을 수록 잘 빨아들이기는 하지만 너무 높으면 온도의 상승 및 가마내 온도분포 균일화에 문제가 있으며 환원을 능동적으로 제어하기 어렵다. [그림 1] 가열장치는 벤츄리관을 응용한 금속제 버너를 사용하는데 그 구조 및 외관은 그림과 같다. 유체(연료가스)가 좁은 단면을 통과할 때 속도가 빨라지고 상대적으로 압력이 낮아지게 되며 주변의 공기를 흡입하게 된다. 이때 공기가 빨려 들어가며 ‘쉬익’ 소리가 나는데 그 흡입량은 조절판을 돌리거나 밀어서 개폐정도를 수동으로 조절한다. 벤츄리버너는 공업용으로 사용하는 고속버너보다 발열량이 작아서 목적온도에 따라서 보통 유효용적 1루베(M3)의 가마에 10개 이상 20개 까지도 설치해야한다. 연소실은 버너타일이라는 사각형 또는 원통형 내화재질로 만들어서 열충격에 견디도록 하며 특별히 금속제의 버너 끝단에 역화를 방지하는 장치를 삽입하기도 한다.[그림 2,3] 온도의 측정을 위해서는 열전대Thermocouple를 사용하는데 이는 성분이 다른 금속선(주로 백금선) 두 가닥을 끝만을 용접하여서 서로 닿지 않게 해놓은 것으로 열을 가하면 일종의 발전기역할을 하여 미세한 전류가 발생하면 그것을 디지털표시기에서 온도로 환산표시하는 장치이다. 육안으로 식별하는 것보다 정확하며 K type, R type 등의 종류를 잘 구분하여 사용하여야 한다. 벤츄리버너를 사용하는 가스가마의 온도 및 분위기 제어장치는 특별하지 않으며 인입 가스의 압력제어기(감압기, regulator)의 노브를 움직여 가스의 압력을 증감시키므로 온도를 조절하는데 이에 따라 공기는 흡입압력의 변화로 부수적으로 그 유입양이 조절되지만 공기흡입구면적을 변화시켜 추가로 충분하거나 부족하게 조절한다. 공기의 양이 공연비(이상적인 연소에 적합한 공기와 해당연료의 부피비율)보다 지나치게 많으면 온도의 상승이 더디게 되고, 적으면 역시온도의 상승이 어려우며 불완전연소를 하여 그을음이 발생한다. 환원번조를 위해서는 일부러 공연비를 낮게 하여 이론적인 공연비상태 근방 또는 그보다 약간 이하로 두며 배기 댐퍼Damper를 조절하여 가마의 압을 올려서 외부공기의 추가유입을 차단하므로 불완전연소가스(CO, NO, SO)를 발생시킨다. 벤추리버너를 사용하는 가스가마를 이용한 산화번조의 경우 배기가스 중의 산소의 농도는 7~11%에 이르다가, 환원번조시에는 2~3% 이하로 급감하고 상대적으로 일산화탄소(CO)의 농도가 증가하는데, 연구결과에 의하면 흔히 일컫는 중성분위기는 일산화탄소의 농도 1~2% 내외이고, 2~3%가 되면 약한 환원상태라고 보이며 3~4%의 일산화탄소농도를 나타낼 때 정상적인 환원분위기를 보여준다. 장작가마는 환원상태가 수시로 변하면서 일산화탄소의 농도가 7% 이상으로 급상승하기도 하는데 가스가마에서는 대체로 균일하게 유지할 수가 있다. 이러한 것이 장작가마와 가스가마의 번조결과에 요변효과 차이를 가져오는 것으로 판단된다. 가마의 온도가 1020~1030℃가 넘어서 환원을 개시하면 그 효과가 없는 것으로 보이고 약 920~950℃정도의 온도에서 공기량을 조절하며 환원을 개시하는 것이 적당하다. 환원의 매카니즘은 태토와 유약내의 산화철, 산화티탄 등 산화물 원료에 존재하는 산소의 결합원자수가 감소하여(예, Fe2O3→FeO, Fe3O4) 특이한 발색을 보이는 것으로서 고온에서 일산화탄소의 농도가 이를 좌우한다. 현재의 가스가마들은 대부분 밀폐식이 아니고 일부러 창구멍 등을 내어놓았으므로 댐퍼를 조절하여 가마내의 압력을 (+)상태로 유지해야만 추가공기의 유입을 막아서 환원을 가능하게 한다. 이때 지나친 환원소성은 번조시간만 길게 하고 연료의 과다 소모를 가져온다. 일부의 가마는 굴뚝 중간의 댐퍼이외에 하부댐퍼를 추가로 조절하여야 능동적인 제어가 가능한 것도 있다. 표에는 가스가마에 사용되는 연료의 종류에 따른 특성을 보여주고 있는데 가마에 사용하는 LPG는 보통 프로판과 부탄을 8:2정도로 혼합하여 판매하고 있다. 외기온도에 따라서 액상가스의 기화가 원활하지 못하여 정압을 유지하기 위한 장치를 부착하여 사용함이 원칙이다. 근래에 도시가스를 이용한 가마도 사용되고 있는데 일반적인 도시가스는 천연가스가 주원료이거나 LPG의 희석상태로서 편리하고 안전한 반면 발열량이 현저히 낮으므로 공연비를 잘 제어하여 효율을 극대화시킬 필요가 있다.[표 1] 표 1. 가스연료의 특성비교 프 로 판 부탄 도시가스 가스의 비중 1.56 2.01 0.6~0.7 발열량(kcal/㎥) 24,320 32,010 4,500 이론 공기량(㎥/㎥ 가스) 23.9 31 4.5~5.0 폭발 한계(공기중, %) 2 ~10 2~9 6~25 가스가마에 대한 한 연구에 따르면 사용에너지(입열) 대비 열효율은 번조대상기물에 대하여 7%, 요적도구 소요열 5%로 나타나고 있다. 그리고 가마축열이 18%, 나머지 배출열이 70%로 예상되어 두 가지의 합인 88%에 이르는 열이 절감의 대상이 된다. 가마의 축열은 단열성이 우수하고 열용량이 작은 재료를 사용하여서 감소시킬 수 있고 구조적 연구를 통해서 열흐름의 조절로 배출열을 절감할 수 있다. 여기에는 100여 년간 사용하여 온 벤츄리버너의 개선이 필요하며 연료와 공기의 인입방식이 반대로 위치한 아스피레이터Aspirator방식의 버너를 사용하므로서 쉽게 해결할 수 있는 아이디어도 있다. 이 방식은 가마본체를 바꾸지 않고도 버너부분의 교체 및 제어장치의 부착을 통해 가마온도의 자동제어가 가능하고 환원분위기의 제어도 댐퍼의 조작없이 스위치의 조절로 가능해질 수 있다 [그림 4] 지금 사용하고 있는 가스가마도 구조를 면밀히 살펴보고 버너상태를 점검한 후 연료의 특성을 잘 이해하여 번조를 한다면 보다 균일하고 안정된 작품을 얻을 수 있고 사용에너지도 절감할 수 있을 것이다. 참조 : 2002에너지 절약기술 개발사업 ‘에너지 절약형 고효율 정밀셔틀 가마제조 기술개발’ 그림 1 일반적인 도염식가스가마의 모식도 그림 2 벤츄리관(버너)의 원리 그림 3 상용벤츄리버너 그림 4 개선된 능동제어형 가스가마의 예 필자약력 공학박사, 책임연구원 요업기술원 도자구조세라믹본부 소재팀장