KR101558932B1 - 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법 - Google Patents

고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융 제강 슬래그로부터 획득한 자착물을 정제한 후 발생하는 이차 부산물을 획득하는 단계; 상기 이차 부산물을 용융 제강슬래그와 혼합하여 용융하는 단계; 용융물에 산소를 취입하여 산화처리하는 단계; 및 상기 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계를 포함하는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재가 제공되어 종래 활용이 어려웠던 일반 콘크리트용 골재로서 제강슬래그를 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 고비중의 골재가 획득되므로, 고비중을 요구하는 콘크리트 분야에 대한 적용도 가능하다. 또한, S 또는 P 성분의 함량이 높아 활용성이 없었던 제강슬래그 자착물의 정제 후 부산물에 대한 자원화가 가능해진다.

Description

고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법{Method for manufacturing for steel slag aggregate with property of high specific gravity and low expansion}
본 발명은 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제강슬래그의 자착물 정제 후 발생되는 2차 부산물을 활용하여 고비중 저팽창성 재강슬래그 골재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
제철소의 제강 공정은 용선예비처리 과정과 전로에서의 제련 과정으로 구분되고, 이와 같은 과정에서 발생되는 슬래그를 제강슬래그라고 하며, 그 발생량은 150kg/t-steel 전후이다.
취련이 진행됨에 따라 생성된 SiO2, P2O5, Fe2O3 등의 산성 산화물을 제거하기 위하여 생석회가 투입되며, 그 결과 생석회가 반응하여 슬래그가 형성되는데, 이때 투입된 생석회의 일부는 슬래그가 되지 않고 용해되지 않은 상태인 자유 CaO로 남아 있는 경우가 있다. 한편, 완전히 슬래그로 용해되는 경우에도 슬래그 구성 광물 중 3 CaO·SiO2 등은 상전이 과정에서 CaO를 석출하게 된다.
제강슬래그는 로반재, 성토재, 시멘트 원료, 비료, 아스콘 골재, 소결 원료 등으로 다양하게 재이용되고 있으며, 천연 자원을 대체할 수 있는 우수한 자원으로 평가되고 있으나, 예를 들어 제강슬래그를 골재, 로반재 등으로 활용하는 경우에는 상기 자유 CaO가 물과 반응하여 Ca(OH)2를 형성하면서 제강슬래그의 부피 팽창을 야기하게 된다. 따라서, 제강슬래그를 활용하기 위해서는 이와 같은 자유 CaO를 안정화시켜 슬래그의 팽창율을 저감시켜야 한다.
상기 제강슬래그의 팽창율을 저감시키기 위한 종래의 기술로는 예를 들어 자연 에이징 처리 방법, 수증기 에이징 처리 방법, 온수 에이징 처리 방법 등이 있다.
먼저, 상기 자연 에이징 처리방법은 소정의 입도로 파쇄한 제강슬래그를 쌓아두고 대기 중의 수분, 우수 등에 의해서 자유 CaO를 Ca(OH)2로 안정화시키는 방법이나, 통상 1년 이상의 장시간이 소요되는 문제점이 있다. 상기 수증기 에이징 처리방법은 소정의 입도로 분쇄된 제강슬래그를 쌓아두고 고온의 증기를 48시간 이상 불어 넣으면서 자유 CaO를 Ca(OH)2로 안정화시키는 방법이나, 역시 48시간 이상의 처리가 필요하다는 문제점이 있다. 상기 온수 에이징 처리방법은 소정의 입도로 분쇄된 제강슬래그를 온수에 침적시켜서 자유 CaO를 Ca(OH)2로 안정화시키는 방법이나, 이 방법 역시 48시간 이상의 처리 시간이 필요하다는 문제점이 있다.
이와 같이, 제강슬래그를 로반재, 성토재 및 아스콘 골재용 등으로 재이용하기 위해서는 장기간의 자연 양생이나 고온의 스팀 양생 등을 실시하여 슬래그 중에 함유되어 있는 자유(free) CaO 또는 자유(free) MgO를 수화시켜 팽창 안정성을 확보한 후 사용하여야 한다. 이때 수침 팽창성 시험을 실시하여 팽창비가 1.5% 이하인 경우 이와 같은 상기의 용도로 재이용할 수 있도록 "도로용 철강슬래그(KS F 2535)"에서 규정하고 있다.
나아가, 제강슬래그 골재를 콘크리트용 골재로 활용하고자 할 경우에는 로반재나 성토재 경우보다 골재의 팽창 안정성이 더욱 요구되므로 현재 제강슬래그는 콘크리트용 골재로는 재이용되지 못하고 있는 실정이다.
한편, 냉각된 제강슬래그를 파쇄하여 슬래그 중에 함유된 철분을 제거하기 위해서 슬래그 자력 선별 과정을 거치게 되는데, 이와 같이 자력 선별에 의해 자착된 자착물은 직접 제철소 내의 공정에 재이용되거나, 정제 과정을 거쳐 정제된 자착물을 제철소의 스크랩 대체재로 이용될 수 있다.
그러나, 이와 같은 정제 과정에서 정제된 자착물 이외에 FeOx, S, P 등이 함유되어 제철 공정에 재이용되기 어려운 부산물인 이차 부산물이 다량 발생되며, 이들을 제철소 내에서 재이용할 경우 강의 품질을 저하시킬 뿐만 아니라 용강 중 S 및 P 성분이 증대되어 이를 제거하기 위한 부원료가 추가로 투입되어야 하는 문제가 있으므로, 이들은 현재 자원화 용도가 없어 폐기 처분되고 있는 실정이다.
따라서, 상술한 바와 같이 재활용되지 못하고 있는 2차 부산물을 이용하여 제강슬래그의 팽창을 억제할 수 있는 방법이 제공되는 경우, 관련 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 발명의 한 측면은 제강슬래그 자착물 정제 후 발생되는 2차 부산물을 활용하여 고비중 저팽창성 재강슬래그 골재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면 용융 제강 슬래그로부터 획득한 자착물을 정제한 후 발생하는 이차 부산물을 획득하는 단계; 상기 이차 부산물을 용융 제강슬래그와 혼합하여 용융하는 단계; 용융물에 산소를 취입하여 산화처리하는 단계; 및 상기 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계를 포함하는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법이 제공된다.
상기 이차 부산물을 획득하는 단계는, 용융 제강 슬래그를 냉각 및 파쇄하는 단계; 파쇄물을 자력으로 선별하여 비자착물을 제거하고, 금속 성분의 자착물을 획득하는 단계; 및 상기 자착물을 정제하여 이차 부산물을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이차 부산물은 Fe 40 내지 50 중량%; S 0.05 내지 4 중량%; P 1 내지 3 중량%; 및 CaO, SiO2, Al2O3, 및 MgO을 포함하는 기타 성분 43~53 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계는 물 또는 공기를 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.
상기 용융하는 단계는 용융 제강슬래그와 이차 부산물을 2:1 내지 5:1의 중량비로 혼합하여 수행되는 것이 바람직하다.
상기 용융하는 단계는 전기로를 이용하여 1300℃ 내지 1600℃에서 용융하여 수행되는 것이 바람직하다.
상기 정제는 자착물에 부착된 슬래그를 분쇄하여 분리하는 단계를 포함하여 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재가 제공되어 종래 활용이 어려웠던 일반 콘크리트용 골재로서 제강슬래그를 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 고비중의 골재가 획득되어 고비중을 요구하는 콘크리트 분야에 대한 적용도 가능하다. 또한, S 또는 P 성분의 함량이 높아 활용성이 없었던 제강슬래그 자착물의 정제 후 부산물에 대한 자원화가 가능해진다.
도 1은 본 발명에 의한 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재 제조방법의 예시적인 흐름을 플로우 차트로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 제강슬래그와 제강슬래그 자착물 정제 후 발생되는 이차 부산물을 이용하여 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재를 제조하는 방법이 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명의 제강슬래그 골재를 제조하는 방법은 용융 제강 슬래그로부터 획득한 자착물을 정제한 후 발생하는 이차 부산물을 획득하는 단계; 상기 이차 부산물을 용융 제강슬래그와 혼합하여 용융하는 단계; 용융물에 산소를 취입하여 산화처리하는 단계; 및 상기 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계를 포함한다.
본 발명과 같이 저팽창 및 고비중의 제강슬래그 골재를 제조하는데 사용되는 제강슬래그는 특히 제한되는 것은 아니나, 일반적으로 제강슬래를 받아서 이송하는 포트(pot) 상층부의 제강슬래그를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 포트의 하층부는 금속(metal) Fe 함량이 높고 상층부는 금속(metal) Fe 성분이 낮은 경향이 있으므로, 상층부의 제강슬래그를 이용하는 것이 하층부의 높은 금속(metal) Fe 성분을 포함하는 부분까지 사용하는 경우에 비하여 경제적으로 유리하다. 이때 상층부란 포트의 전체 높이를 기준으로 50% 이상인 위치를 의미하는 것이다.
상기 이차 부산물을 용융 제강슬래그와 혼합하여 용융하는 단계는 전기로에서 수행될 수 있으며, 1300℃ 내지 1600℃에서 용융하여 수행되는 것이 바람직하다. 상기 용융하는 단계의 온도가 1300℃ 미만인 경우에는 용융이 불충분하게 수행될 수 있는 문제가 있으며, 상기 용융하는 단계의 온도가 1600℃를 초과하는 경우에는 에너지 소모가 과도하여 바람직하지 않다.
상기 용융하는 단계는 용융 제강슬래그와 이차 부산물을 2:1 내지 5:1의 중량비로 혼합하여 수행되는 것이 바람직하며, 이차 부산물의 양이 본 발명의 범위를 초과하여 과량 포함되는 경우에는 용융 제강슬래그에 2차 부산물을 혼합 후 완전한 용해를 위해서는 보다 높은 온도의 적용이 요구되므로 바람직하지 않으며, 한편 이차 부산물의 양이 본 발명의 범위 미만으로 포함되는 경우에는 팽창을 저감시키는 효과가 불충분하여 바람직하지 않다.
이와 같은 이차 부산물과 용융 제강슬래그의 혼합에 의해 제강 슬래그의 융점이 낮아지며, 낮은 온도에서 더욱 높은 점도의 획득이 가능하게 된다.
이차 부산물과 용융 제강슬래그가 용융되면, 후속적으로 용융물에 산소를 취입하여 산화처리 하는 단계를 수행한다. 용융물에 산소를 취입하는 경우 용융 제강슬래그에 존재하는 금속(metal) Fe 및 Fe2 +가 Fe3 + 산화물로 산화되어 자유(free) CaO와 반응성이 향상되며, CaO-2Fe2O3상의 비율이 증대될 수 있다.
그 후, 상기 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계를 수행하여 고비중이면서도 팽창성이 현저하게 저감된 제강슬래그 골재를 제조할 수 있다. 이때 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계는 물 또는 공기를 이용하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 상온의 물을 이용하여 수냉하거나 상온의 공기를 블로우 하여 냉각을 실시할 수 있다.
이와 같은 급냉 과정을 통하여 냉각 과정에서의 자유(free) CaO 및 자유(free) MgO의 생성을 억제할 수 있다.
상기 이차 부산물은 Fe 40 내지 50 중량%; S 0.05 내지 4 중량%; P 1 내지 3 중량%; 및 CaO, SiO2, Al2O3, 및 MgO을 포함하는 기타 성분 43~53 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 이와 같은 이차 부산물을 획득하는 단계는, 용융 제강 슬래그를 냉각 및 파쇄하는 단계; 파쇄물을 자력으로 선별하여 비자착물을 제거하고, 금속 성분의 자착물을 획득하는 단계; 및 상기 자착물을 정제하여 이차 부산물을 획득하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
상기 용융 제강 슬래그를 냉각 및 파쇄하는 단계에 있어서, 냉각은 서냉 또는 급랭으로 수행될 수 있으며, 예를 들어 50℃/hr 내지 600℃/hr의 냉각 속도로 상온의 온도까지 냉각할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 파쇄하는 단계의 수행 방법은 특히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 죠크러셔와 같이 당업계에서 널리 이용되는 분쇄 방법을 이용하여 평균 최대 입경이 40mm 내지 25mm의 범위가 되도록 분쇄할 수 있다.
상기 파쇄물을 자력으로 선별하여 비자착물을 제거하고, 금속 성분의 자착물을 획득하는 단계는 당업계에서 널리 이용되는 자력 선별기를 이용하여 수행할 수 있다.
후속적으로 수행되는 상기 자착물을 정제하여 이차 부산물을 획득하는 단계에서의 정제는 자착물에 부착된 슬래그를 분쇄하여 분리하는 단계를 포함하여 수행되는 것이 바람직하며, 보다 상세하게는 분쇄(마쇄) 공정을 통해 자착물에 붙어 있는 슬래그의 입자를 분쇄하고, 이를 자착물인 금속과 분리하는 과정에 의해 수행될 수 있다.
상기 분쇄는 예를 들어 햄머 크러셔, 볼밀, 슈퍼밀 등의 마쇄 처리기(분쇄기)에 의해 수행될 수 있으며, 상기 분리는 예를 들어 싸이클론과 같은 분급기에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재 제조방법의 예시적인 흐름을 플로우 차트로 나타낸 것으로, 이를 참고하면, 먼저 제강 슬래그(101)를 획득하여, 냉각 및 파쇄 과정(102)을 거친 후 자력 선별(103)을 수행한다.
이때 제강슬래그는 서냉된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 자력 선별(103)에 의해 비자착물(104)이 제거되고, 자착물(105)이 획득되며, 획득된 자착물(105)을 정제(106)하여 정제물(107)과 함께 이차 부산물(108)을 획득한다.
이렇게 획득된 이차 부산물(108)을 제강슬래그(201)와 혼합하여 용융(202)한다. 이때 제강슬래그는 용융 상태인 것이 바람직하다. 그 결과 획득되는 용융물에 산소를 취입하고(203), 나아가 냉각(204)한다. 이때 냉각은 급냉으로 수행되는 것이 바람직하다.
그 후 파쇄(205) 등과 같은 적절한 추가의 과정을 거쳐 다양한 활용이 가능한 본 발명의 제강슬래그 골재(206)를 획득할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 저팽창 및 고비중의 제강슬래그 골재는 특히 고비중이 요구되는 방사선 차폐용 콘크리트, 카운트웨이트용 골재, 나아가 일반 콘크리트, 선박 등의 바라스트용 콘크리트 등으로 활용이 가능하며, 또한 고비중이 요구되는 해양 구조물 등에도 활용이 가능하다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 제강슬래그 골재의 제조
용융 제강 슬래그를 획득하여 물 및 공기를 복합적으로 이용한 복합 냉각 방법으로약 1600℃의 온도로부터 상온까지 냉각하고, 죠크러셔를 이용하여 평균 최대 입도가 40mm 내지 25mm가 되도록 파쇄하였다. 그 후 자력 선별기를 이용하여 비자착물을 제거하여 금속 성분의 자착물을 획득하였으며, 이렇게 획득된 자착물을 햄머 크러셔 및 공기 분급기의 조합으로 구성된 정제 장치를 이용하여 정제하여 이차 부산물을 획득하였다.
하기 표 1은 상기에서 획득한 비자착물의 화학 성분을 나타낸 것이다.
CaO MgO Al2O3 SiO2 P2O5 Fe2O3 MnO
36.9 5.3 3.1 12.8 2.2 35.0 2.7
한편, 하기 표 2는 상기에서 획득한 이차 부산물의 화학 성분을 나타낸 것이다.
CaO SiO2 Fe2O3 S
22.7 7.8 56.9 3
상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 일반적으로 획득되는 제강슬래그의 자착물 정제 후 발생되는 이차 부산물은 FeOx 의 함량이 많으나, 이와 같은 이차 부산물을 제철소 내에서 재이용하기 위해서는 S의 함량을 0.05 중량% 이하로 저감하여야 하는 문제가 있다.
본 발명에서는 실험실 규모의 전기로를 이용하여 카본 도가니에서 제강슬래그와 이차 부산물을 하기 표 3의 중량비에 따라 혼합하고 1600℃의 온도에서 완전하게 용해한 후, 1300℃까지 냉각하여 산소 분위기를 1시간 동안 유지하여 산화하였다.
구분 용융제강슬래그: 이차 부산물(중량비)
실시예1 5:1
실시예2 3.5:1
실시예3 2:1
비교예1 1:1
비교예2 6:1
그 후 고온의 제강슬래그를 상온의 물로 급냉하여 제강슬래그 골재를 획득하였다. 급랭 후 제강슬래그의 온도는 약 100℃ 이하였으며, 상온 정도까지 냉각을 수행한 후 이후 과정을 진행하였다.
2. 제강슬래그 골재의 특성 확인
상기 1.에서 획득하여 냉각된 제강슬래그 골재의 상태를 육안으로 관찰하였으며, 골재의 수침팽창률 및 비중을 측정하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
이때, 수침 팽차율은 "KS F 2535의 도로용 철강슬래그"에 기재된 방법에 준하여 측정하였고, 진비중 측정은 "KS F 2504 잔골재의 밀도 측정시험"에 준하여 측정하였다.
구분 수침팽창율(%) 진비중(g/cm3)
실시예1 0.5 3.55
실시예2 0.3 3.6
실시예3 0.2 3.7
비교예1 0.1 3.9
비교예2 1.6 3.5
본 실험에서 사용한 용융 제강슬래그는 자연 양생이나 고온의 스팀처리를 하지 않은 발생 초기의 슬래그를 이용하였으며, 이 슬래그의 수침팽창비는 1.9%였고, 진비중은 3.4g/cm3 이었다. 한편, 2차 부산물의 수침팽창비는 0.3% 였으며 진비중은 4.3g/cm3이었다.
상기 실시예 1 내지 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 방명에 의한 제강슬래그 골재는 자연 양생 또는 고온의 스팀 처리를 하지 않은 경우에도 수침팽창율이 0.5 내지 0.2% 수준으로 매우 낮은 수준을 나타내었으며, 또한 진비중도 개질전의 3.4g/cm3에 비하여 현저하게 증가한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의해 획득된 제강슬래그 골재는 장기간의 자연 양생처리나 고온 스팀처리와 같은 양생처리를 실시하지 않고 제조 직후 곧바로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 비중이 기존 제강슬래그에 비하여 높으므로 고비중의 특성을 필요로 하는 콘크리트용 골재로 활용이 가능하다.
반면, 비교예 1에서와 같이 이차 부산물의 양이 본 발명의 범위를 초과하여 과량 포함되는 경우에는, 용융 제강슬래그에 2차 부산물을 혼합 후 완전한 용해를 위해서는 보다 높은 온도의 적용이 요구되므로 바람직하지 않다.
비교예 2와 같이 이차 부산물의 양이 본 발명의 범위 미만으로 포함되는 경우에는 수침팽창비가 1.6% 수준으로 팽창을 저감시키는 효과가 불충분하여 바람직하지 않다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (7)

  1. 용융 제강 슬래그를 자력으로 선별하여 자착물을 획득하고, 상기 자착물을 정제하여 발생하는 이차 부산물을 획득하는 단계;
    상기 이차 부산물을 용융 제강슬래그와 혼합하여 용융하는 단계;
    용융물에 산소를 취입하여 산화처리하는 단계; 및
    상기 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계
    를 포함하는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이차 부산물을 획득하는 단계는,
    용융 제강 슬래그를 냉각 및 파쇄하는 단계;
    파쇄물을 자력으로 선별하여 비자착물을 제거하고, 금속 성분의 자착물을 획득하는 단계; 및
    상기 자착물을 정제하여 이차 부산물을 획득하는 단계
    를 포함하는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이차 부산물은 Fe 40 내지 50 중량%; S 0.05 내지 4 중량%; P 1 내지 3 중량%; 및 CaO, SiO2, Al2O3, 및 MgO을 포함하는 기타 성분 43~53 중량%를 포함하는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화처리된 용융물을 급냉하는 단계는 물 또는 공기를 이용하여 수행되는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용융하는 단계는 용융 제강슬래그와 이차 부산물을 2:1 내지 5:1의 중량비로 혼합하여 수행되는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용융하는 단계는 전기로를 이용하여 1300℃ 내지 1600℃에서 용융하여 수행되는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 정제는 자착물에 부착된 슬래그를 분쇄하여 분리하는 단계를 포함하여 수행되는 고비중 및 저팽창성 제강슬래그 골재의 제조방법.
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