KR0169528B1 - 제강 슬래그를 이용한 벽돌의 제조 방법 및 이로부터 제조된 벽돌 - Google Patents
제강 슬래그를 이용한 벽돌의 제조 방법 및 이로부터 제조된 벽돌 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 칼슘실리케이트 벽돌 제조시에 필요한 모래와 석회를 사용하지 않고 별도의 첨가제 부가 없이 제강 슬래그를 원료로 하는 압축 강도가 높고 내구성이 우수한 건축용 벽돌 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 제강 슬래그를 4메시 통과분부터 325메시 통과분으로 분급·조합하여 물을 혼합하고, 150-300kg/㎠의 압력으로 벽돌형상으로 가압·성현한 후에, 110-220℃의 포화 수증기 압력하에서 2-10시간 동안 양생·경화시켜 이루어지는 300kg/㎠ 이상의 압축 강도를 가지는 벽돌을 그 특징으로 한다.
Description
[기술 분야]
본 발명은 제공 공정에서 부산물로 발생되는 제강 슬래그를 이용한 벽돌의 제조방법, 및 이로부터 제조되는 벽돌에 관한 것이며, 특히 고온·고압의 수열 합성 반응에 의해 제강 슬래그로부터 고강도의 건축용 벽돌을 제조하는 방법, 및 이로부터 제조되는 벽돌에 관한 것이다.
[종래 기술]
고로에서 철광석을 제련하여 얻어지는 선철은, 다시 제강로에서 정련 공정을 통해 제강된다. 이와 같은 제강 공정에서는 슬래그가 부산물로 발생되며, 이 제강 슬래그는 산업 폐기물의 일종으로서 환경 오염과 자원 재활용의 관점에서 그 처리와 이용이 문제가 되고 있다.
제선 공정에서 발생되는 고로 슬래그는 도로용 기반재, 콘크리트용 골재, 고로 시멘트 또는 규산질 비료 등 다양한 용도로 널리 사용되고 있으나, 제강 슬래그는 그 성분의 부적합성으로 인해 대부분이 매립용으로 사용되며, 일부만이 철도용 자갈이나 도로용 골재와 같은 도로 기반재 또는 고로 용제로 사용되고 있을 뿐이다.
매립지의 확보가 어려운 상황하에서, 제강 슬래그의 매립 처리는 그 한계가 있음으로, 제강 슬래그의 효과적인 재활용은 환경 오염 방지와 자원 재활용의 측면에서뿐만 아니라 폐기물 처리 비용의 경감에 기여할 것이다. 따라서, 보다 효율적인 제강 슬래그의 재활용 방법의 개발이 필요시 된다.
제강공정에 있어서, 조강 1톤당 약 100-150kg의 슬래그가 발생되며, 본 발명은 이들 제강 슬래그를 단순한 매립용이나 건축용 골재가 아닌 고부가가치의 건축 자재로 활용하는 방법을 연구한 끝에 완성된 것이다.
본 발명의 목적은 제강 슬래그를 재활용하는 방법으로서, 제강 슬래그를 원료로 하는 건축용 벽돌을 제조하는 방법 및 이로부터 제조되는 벽돌을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 일반적인 칼슘 실리케이트 벽돌(시멘트 벽돌)의 제조시에 필요한 모래와 석회를 사용하지 않고, 별도의 첨가제 없이 제강 슬래그를 원료로 하는 강도가 높고 내구성이 우수한 건축용 벽돌 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 4메시(mesh) 통과분부터 325메시 통과분으로 분급·조합한 제강 슬래그에 물을 혼합하여 벽돌 형상으로 가압·성형한 후, 고온·고압의 수열 합성 반응으로 양생·경화시키는 것으로 이루어지는 건축용 벽돌의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 4메시(mesh) 통과분부터 325메시 통과분으로 분급·조합한 제강 슬래그에 물을 혼합하여 벽돌 형상으로 가압·성형한 후, 고온·고압의 수열 합성 반응으로 양생·경화시키는 것으로 이루어지는 300kg/㎠ 이상의 압축 강도를 가지는 건축용 벽돌을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 중량비로 CaO; 20-40%, SiO2; 10-40%, FeO; 5-30%, Al2O3; 1-15%, MgO; 1-15%, MnO; 1-15%, 및 잔부의 기타 성분을 포함하는 제강 슬래그를 4메시 통과분부터 325메시 통과분으로 분급·조합하고 물를 혼합한 후, 150-300kg/㎠의 성형 압력으로 벽돌 형상으로 가압·성형한 다음, 110℃-220℃의 포화 수증기 압력하에서 2 내지 10시간 동안 양생·경화시키는 것을 특징으로 하는 고강도 벽돌의 제조 방법을 제공하는 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
일반적으로 건축용 벽돌인 칼슘실리케이트 벽돌은 모래와 석회의 배합물에 물을 혼합하여 일정한 벽돌 모양으로 성형한 후, 65℃ 이하에서 4000도시(온도×시간)이상 양생하는 방법에 의해 제조되며, 이렇게 제조된 벽돌은 약 80kg/㎠을 약간 상회하는 정도의 압축 강도를 나타낸다.(KS규격은 50kg/㎠의 압축 강도를 요한다)
칼슘실리케이트 벽돌은 모래를 골재로 하고 포틀랜드시멘트의 수화로 생성되는 수산화칼슘에 의해 경화되는 것이므로, 원료로서 모래와 시멘트를 반듯이 필요로 한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 별도의 첨가제 없이 제강 슬래그를 이용하여 벽돌을 제조할 수 있다.
본 발명에 사용되는 제강 슬래그의 X선 회절 분석 결과에 따르면, 제강 슬래그는 천연 방지 상태에서는 FeO성분인 웨스타이트(wuestite)와 Ca2SiO4성분인 라아나이트(larnite)가 주성분을 이루지만, 수열 합성 반응을 시키면, 수화 생성물의 강도에 영향을 미치고 제강 슬래그를 경화시킬 수 있는 수산화칼슘(Ca(OH)2) 성분의 포틀랜다이트(portlandite)가 생성됨을 알 수 있었다. 본 발명은 기본적으로 이와 같은 반응을 이용한 것이다.
본 발명에 사용되는 제강 슬래그로는 각종 전기로 제강 슬래그, 전로 제강 슬래그 또는 평로 제강 슬래그가 사용될 수 있다. 제강 슬래그의 성분과 조성은 제강법 및 제강조건 등에 따라 약간의 차이가 있으나, CaO-실리케이트를 기본으로 한다. 본 발명에 사용되는 제강 슬래그는 구체적으로, CaO, SiO2, FeO, Al2O3, MgO, 및 MnO를 포함하며, 기타 Cr2O3, P2O5등도 포함될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 벽돌 제조에는 중량비로, CaO; 20-40%, SiO2; 10-40%, FeO; 5-30%, Al2O3; 1-15%, MgO; 1-15%, MnO; 1-15% 및 기타 잔부 성분으로 이루어지는 제강 슬래그가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따라 제강 슬래그를 이용하여 벽돌을 제조하는 방법에 대해 상술한다.
먼저, 조 크로셔(jaw crusher) 또는 롤 크러셔(roll crusher)를 사용하여 제강로로부터 발생된 제강 슬래그를 분쇄 및 분급한다. 거친 입자와 중간 입자의 슬래그는 그대로 사용하고, 미세 입자의 조달을 위해 볼밀(ball mill)을 사용해 일부 슬래그는 미분쇄한다.
본 발명자가 실험한 바에 의하면, 파쇄 처리 비용의 감소 및 최종 벽돌의 바람직한 물성을 위해서는, 슬래그를 325메시(Tyler 메시 기준)를 통과하는 미세 분말의 슬래그만을 사용하는 것보다, 4메시를 통과하고 100메시에 걸리는 거친 입자 20-30wt%, 100메시를 통과하고 325메시에 걸리는 중간 입자 30-40wt%, 및 325메시를 통과하는 미세 입자의 잔부로 분급·조합된 제강 슬래그를 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 분급·조합된 슬래그에 적당한 양의 물을 첨가하여 잘 혼합한 후, 벽돌 형상으로 가압·성형한다. 혼합 수량은 슬래그 중량을 기준으로 약 10-15wt%가 사용될 수 있으며, 12-13wt%가 바람직하다. 벽돌의 성형 압력은 15-300kg/㎠이며, 150-250kg/㎠이 바람직하다.
마지막으로, 압축·성형된 벽돌을 수열 합성 반응시켜 양생·경화한다. 본 발명의 벽돌 및 그의 제조 방법의 특징은, 제강 슬래그를 원료로 사용한다는 것과 함께, 성형된 벽돌을 고온·고압의 수열 합성 반응의 조건하에서 양생하여 경화시킨다는 것이다. 상기 양생·경화에는 고온·고압의 수열 합성 반응 조건을 가할 수 있는 가마(실험실 수준에서는 오토클레이브)가 사용되며, 적용되는 반응 조건은 110-220℃의 포화 수증기 압력을 2-10시간 동안 가하는 것이다. 제강 슬래그로 이루어진 성형 벽돌은 수열 합성 반응을 받음에 따라 Ca(OH)2성분인 포틀랜다이트가 생성되어 양생·경화된다.
이상과 같은 본 발명의 벽돌에 제조방법에 따라, 제강 슬래그를 이용하여 고강도의 건축용 벽돌을 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 벽돌은 300kg/㎠ 이상에 이르는 높은 압축강도를 가지며, 이는 일반적인 칼슘실리케이트 벽돌의 압축 강도인 80kg/㎠ 보다 3배 이상 강력한 것이고, 검토를 600-1100℃로 구어서 제조하는 점토 벽돌(붉은 벽돌)의 강도에 버금가는 강도를 나타내는 것이다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 벽돌은 백화 현상과 결로 현상이 전혀 나타나지 않고 동결 해동 저항성이 우수하여 동파에 견딜 수 있는 효과가 있다.
[실시예]
이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명한다.
이하의 실시예는 본 발명의 예시적인 실시 태양을 나타내는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다. 이하에 사용되는 퍼센트는 별도의 언급이 없는 한 중량 퍼센트를 의미한다.
[실시예 1]
중량비로 CaO; 31%, SiO2; 28%, FeO; 18%, Al2O3; 8%, MgO; 5%, MnO; 7%, 및 잔부로 이루어지는 제강 슬래그를, 4메시를 통과하고 100메시에 걸리는 거친 입자 25%, 100메시를 통과하고 325메시에 걸리는 중간 입자 35%, 및 325메시를 통과하는 미세 입자 40%로 분급·조합하였다. 이렇게 분급, 조합된 슬래그 50kg에 6.5ℓ(6.5kg)의 물(13 wt%)을 가하여 잘 배합한 후, 200kg/㎠의 성형·압력으로 190×90×57(mm3)크기의 벽돌을 성형하였다.
상기 성형된 벽돌을 고압 증기 양생기인 오트클레이브(autoclave)에 넣고, 190℃의 포화 수증기 압력하에서 6시간 동안 양생시켜 벽돌을 제조하였다.(표1 참조)
이렇게 제조된 벽돌의 압축강도, 겉보기 비중, 함수율, 및 동결 해동 저항성을 측정하였다. 상기 동결 해동 저항성은 사계절의 온도 변화에 대한 벽돌의 장기적인 내구성을 측정하기 위한 것으로, ASTM C 666-84의 방법에 준하여, 공기중의 동결과 수중의 해동을 4시간 간격으로 행하는 것을 1사이클로 하여 반복하였으며, 30사이클마다 벽돌의 외관을 관찰하였다.
실시예1에 따라 제조된 벽돌의 압축 강도, 겉보기 비중, 함수율 및 동결 해동 저항의 측정 결과는 표2에 나타낸 바와 같다.
[실시예 2 및 실시예 3]
성분이 다른 제강 슬래그를 사용하고, 분급 조성비, 성형 압력, 및 반응 조건 등을 달리하여 실시예 1과 동일한 방법으로 벽돌을 제조하였으며(표1 참조), 결과로 제작된 벽돌의 압축 강도, 겉보기 비중, 함수율 및 동결 해동 저항성을 각각 측정하였다(표2 참조).
주 * : 거친 입자 : 4메시를 통과하고 100메시에 걸리는 입자.
중간 입자 : 100메시를 통과하고 325 메시에 걸리는 입자.
미세 입자 ; 325메시를 통과하는 입자.
주 * : ASTM C 666-84 방법기준
공기중 동결과 수중 해동을 4시간 간격으로 행하는 것을 1사이클로 하여 벽돌이 파손되는 사이클을 관찰함.
상기 표2로부터 알 수 있는 바와 같이, 제강 슬래그를 수열 합성 반응시켜 제조한 본 발명의 벽돌은 300kg/㎠ 이상의 높은 압축 강도를 나타내었으며, 동결 해동 저항성 테스트에서는 300사이클 이상에도 파손되지 아니하였다. 반면, 시판 중인 칼슘실리케이트 벽돌은 압축 강도가 약 100kg/㎠이었고, 동결 해동 저항 테스트에서 30사이클 후에 파손되었다.
또한, 본 발명에 따른 벽돌은 상기 동결 해동 저항 테스트 동안에 백화나 결로 현상을 전혀 나타내지 않았다.
이와 같이, 골재(모래)와 시멘트를 사용하지 않고 별도의 첨가제의 부가없이, 제강 슬래그를 원료로 하여, 수열 합성 반응에 의해 벽돌을 제조하는 본 발명에 따르면, 300kg/㎠ 이상의 높은 압축 강도와, 온도 변화에 따른 동파에 우수한 내구성을 가지며, 또한 백화나 결로 현상이 발생되지 않는 고품질의 벽돌을 제공할 수 있다. 이로써 지금까지 단지 매립재나 도로용 기반재로 사용되었던 제강 슬래그를 보다 고부가적으로 재활용할 수 있다. 따라서 환경 오염의 방지 및 자원 재활용에 기여할 뿐만 아니라, 폐기물 처리에 따른 비용을 절감할 수 있다.
Claims (4)
- 제강 슬래그를 4메시 통과분부터 324메시 통과분으로 분급·조합하여 물을 혼합하고, 150-300kg/㎠의 압력으로 벽돌 형상으로 가압·성형한 후에, 110-220℃의 포화 수증기 압력하에서 2-10시간 동안 양생하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 벽돌의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 분급 조합된 상기 제강 슬래그는 4메시를 통과하고 100메시에 걸리는 거친 입자 20-30wt%, 100메시를 통과하고 325 메시에 걸리는 중간 입자 30-40wt%, 및 325메시를 통과하는 미세 입자의 잔부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벽돌의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제강 슬래그는 중량비로 20-40%의 CaO, 10-40%의 SiO2, 5-30%의 FeO, 1-15%의 Al2O3, 1-15%의 MgO, 1-15%의 MnO 및 기타 잔부 성분을 포함하는 것을 특징으로하는 벽돌의 제조 방법.
- 제강 슬래그를 4메시 통과분부터 324메시 통과분으로 분급·조합하여 물을 홉합하고, 150-300kg/㎠의 압력으로 벽돌 형상으로 가압·성형한 후에, 110-220℃의 포화 수증기 압력하에서 2-10시간 동안 양생·경화시켜 이루어지고, 300kg/㎠ 이상의 압축 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 건축용 벽돌.
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