KR100223719B1 - 벽돌 원료로서의 전기 아크로 분진 - Google Patents

벽돌 원료로서의 전기 아크로 분진 Download PDF

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Abstract

벽돌 제조 공정에는 전기 아크로 분진을 소성한 다음 이 분진을 벽돌 원료와 혼합하고 이어서 이 혼합물을 벽돌로 성형하고 굽는 단계가 포함된다. EAF 분진을 미리 소성기키면 미리 소성시키지 않은 분진 자체를 통합시킨 벽돌과 비교할때 분진의 체적 밀도가 상당히 증가하고 훨씬 높은 압축강도를 갖는 벽돌을 제공하게 된다. 소성 고정시 생성된 휘발성의 재응축 중금속을 수집하고 정제한다. 소성 공정시 휘발성 중금속을 분리 및 수집한 결과 벽돌을 굽는 과정에서 실질적으로 중금속이 휘발되지 않는다.

Description

벽돌 원료로서의 전기 아크로 분진
제 1도는 벽돌 제조를 위한 본 발명의 구체예에 따른 공정을 나타내는 플로우 다이아그램,
제 2도는 소성시 EAF 분진 시료의 온도에 따른 중량% 변화를 나타내는 그래프,
본 발명은 벽돌 제조시 원료로서 전기 아크로 분진을 사용하는 것에 관한 것이다.
전기 아크로(EAF) 분진은 제철공정에서 폐기물을 용해시키기 위하여 전기 아크로로부터 수집된 분진을 말하는데, EAF 분진은 환경보호협호에 의해 위험한 폐기물로 분류되며 K061로 표시된다. EAF 분진은 중금속, 특히 납 함량이 커서 위험한 물질로 분류되는 주된 이유가 되고 있다.
다음의 표 I과 II는 탄소강(표 I)과 스테인레스강(표 II)의 제조시 4개월이상 생성된 EAF 분진을 화학분석한 것을 나타낸다.
[표 I ]
[표 II]
다음의 표 Ⅲ과 Ⅳ는 상기 표 Ⅰ의 탄소강 시료의 삼출액(leachate)과 상기 표Ⅱ의 스테린레스강 시료의 삼출액에서 발견된 다른 성분의 중량부를 나타낸다. 표 Ⅲ과 Ⅳ에서 6가 크롬은 Cr(6)로 표시한다.
[표 Ⅲ]
[표 Ⅳ]
표 Ⅲ과 Ⅳ는 분진내의 납과 기타 금속이 상당량 용해도기 쉬움을 의미하며 이러한 이유때문에 EAF 분진은 폐기를 위해 땅에 묻을 수 없다. 대신에 최근에 몇가지 방법에서는 분진을 증강(heavy steel) 물질과 결합시켜 용해되지 않는 폐기물을 생성시키는 것을 필요로 하고 있다. 이 방법에서 EAF 분진을 제거하는 데는 비용이 많이 들 뿐만 아니라 EAF 분진은 공중에 떠다니는 중금속 오염으로 인해 건강을 해칠 위험성을 갖는다.
전형적인 제철공정에서 EAF 분진은 생성되는 철의 전체량에 대해 0.7-1.6%로 생성되므로, 저렴하면서도 안전한 중금속 분진 제거방법이 필요하다.
일본 공고 소 53-127511호에는 벽돌제조시 EAF 분진을 사용하는 방법이 개시되어 있는데, 분진을 벽돌 원료와 혼합하고 벽돌을 제조한 후 구워서 위험한 분진을 벽돌에 포함시키는 것이다. 이러한 일본 공고에 의하면 벽돌을 굽는 과정에서 발생된 휘발성의 재응축 금속은 가마 폐기시 백하우스(baghouse)에서 수집된다.
상기 일본 공고에 따르면, EAF 분진 원료를 통상이 점토 벽돌 혼합물에 30-50중량%의 양으로 첨가하고 통상의 방법으로 630-830℃의 터널가마에서 구우며, 휘발성의 재응축 중금속을 가마 폐기시 백하우스에 수집한다. 상기 공고에 개시된 공정의 재생성시 EAF 분진을 통상의 벽돌에체 40중량% 첨가하고 상기 방법과 유사하게 구운 결과 벽돌은 평균 690psi 정도의 압축 강도를 나타내며 매우 부숴지기 쉬웠다. 다음의 표 Ⅴ는 재생성 방법에 따라 제조된 5가지 샘플에 대한 압축강도 실험의 결과를 나타낸다. 미국에서의 ASTM 등급 벽돌은 최소한 1500psi의 압축강도를 가져야 하므로 일본 공고의 공정에서의 재생성은 U.S.표준벽동강도를 나타내지 못할 뿐만 아니라 상당량의 중금속이 이러한 약한 벽돌로부터 용해될 수 있을음 예측할 수 있다.
[표 Ⅴ]
따라서 EAF 분진을 벽돌 원료 물질에 통합시키고 고압축강도와 중급속의 용해가 심하지 않은 벽돌을 제조하는 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전기 아크로 분진을 가열하여 구운 다음, 통상의 점토 및/또는 혈암 혼합물등의 벽돌 원료와 혼합하여, 이 물질을 벽돌로 성형시키고 굽는 방법을 제공함로써 종래 기술상의 문제점을 극복할 수 있다. EAF 분진을 미리 굽는 것은 분진의 체적 밀도를 증가시키고 상기 일본 공고의 방법에 따른 분진 자체의 통합에 비해 더 높은 압축강도를 갖는 벽동를 제공하게 된다. 본 발명에서는 소성 공정시 생성된 휘발설의 재응축 중금속을 수집하여 정제한다. 소성 공정시 휘발성 중금속 분진을 수집한 결과 벽돌의 소성 과정에서 실질적으로 중금속이 휘발되지 않는다. 따라서, 벽돌의 소성 과정에서 생성되어 존재하는 고온의 가스는 휘발된 성분을 제거하기 위한 가스 제거 단계 없이 벽돌 제조 공정시 다른 가열 요건을 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 벽돌은 고압축강도를 나타내고 중금속의 뚜렷한 용해를 보이지 않는다. 이 방법은 위험함 폐기물질로부터 해롭지 않은 제품을 제조하는 안전하고 저렴한 방법이다.
본 발명의 구체예에 따르면 전기 아크로 분진을 1040℃이상의 온도에서 굽능 단계와 이렇게 소성기킨 분진을 변곧원료와 혼합하여 소성 분진이 약 60중량%까지, 바람직하게는 20-60중량%까지 포함된 혼합물을 형성시키는 단계 이 혼합물을 블럭으로 성형시키는 단계 및 이 블럭을 약 900-1370℃의 온도에서 굽는 단계로 이루어진 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 소성 저에 할로겐이나 환원제를 전기 아크로에 대해 20중량%까지 첨가시킨다. 할로겐이나 화원제는 화학적으로 중금속, 특히 납과 혼합되어 새로운 금속화합물을 형성하므로 저온에서 가열하므로써 벽돌 최종 생산물로부터 납이 거의 전체적으로 제거될 수 있도록 하는 더 낮은 휘발 온도를 갖는 납화합물이 형성된다.
본 바령은 벽돌 제조공정시 첨가제로서 전기 아크로 분진을 이용한다. EAF 분진은 우선 1040℃ 이상의 온도로 가열하여 소성시킨 다음 통상의 점토 및/또는 혈암혼합물등의 벽돌 원료와 혼합한다. 이 혼합물에는 소성 EAF 분진이 약 60중량%까지 포함될 수 있으며, 바라직하게는 벽돌 원료가 약 40-80중량%까지 존재하게 된다. 그 다음에 소성 EAF 분진이 통합된 원료를 실질적으로 표준방법에 의해 가공기키는데, 본 발명에 따른 벽돌 제조 방법의 일예는 제 1 도에 기재되어 있다. 제 1도에 나타낸 방법에서 EAF 분진은 환원제와 혼합하여 소성시킨다. 소성 과정에서 나온 폐기물은 오염 조절 및 회수공정을 통해 보내진다. 소성 분진을 파쇄기 내에서 혈암과 함께 혼합시킨 수 벽돌 제조 공정의 나머지 공정을 점선으로 표시한 표준공정에 의해 행한다. 이로부터 제조된 블럭은 모두 ASTM 압축 및 흡수 테스트와 EP 독성과 TCLP를 포함하는 모든 EPA 침출액 테스트를 통과하였다.
바람직한 예에서는 회전식 간접 소광로가 사용되고, EAF 분진을 미리 소성시키므로써 연소 생성물이 벽돌원료와 접촉하지 않게 되는 대신에 상기와 같이 냉각하여 연소생성물내의 중금속이 특정형태로 응축될 수 있도록 한다.
EAF 분진은 약 1040℃ 이상의 온도에서 구워서 분진의 체적 밀도를 실질적으로 증가시켜 소성 EAF 분진을 생산하게 된다. 하나의 바람직한 구체예에서 분진은 1120℃ 이상의 온도에서 소성시킨다. 분진의 거의 완전한 소성이 약 1175-1205℃의 온도에서 일어나므로 1260℃ 이상의 온도일 필요는 없다.
EAF 분진의 소성 고정시 연소 생성물과 휘발 중금속을 약 200℃로 냉각시킨다. 이 온도에서 또는 이 온도 이상에서 중금속은 백하우스에 쉽게 포집되는 특정 형태로 응축된다. 포집된 중금속과 그의 산화물은 자동차 밧데리용 납과 같이이용 가능한 원소로 좀 더 가공하기 위해 2차 금속 정련소로 보내어 진다.
소성 분진을 표준 블럭원료와 혼합한 후 이 혼합물을 블럭으로 성형하고 주로 사용된 블럭 원료와 노에 따라 약 6048시간동안 약900-1370℃의 온도에서 굽는다. 벽돌을 굽는데 더욱 바람직한 온도 범위는 약 980-1100℃이며, 더욱 바람직한 굽는 시간은 적어도 8시간이다.
본 발명에 따라 블럭의 원료에 첨가하기 전에 EAF 분진을 미리 소성하는 것은 굽는동안 여러가지 중요한 잇점을 나타내는 블럭을 제조하도록 한다. 본 발명은 미국에서 매년 800,000톤 이상 생산되는 위험한 폐기물을 재생 이용하는 환경적으로 안전하고 경제적인 방법을 제공한다. 또한 이 공정은 점토 및 혈압 원료를 쓸모없는 EAF 분진으로 대체하므로서 천연자원을 보호한다. 그리고 본 발명은 블럭의 밀도를 증가시켜서 제조하므로 블럭의 질을 향상시키고 블럭표면이 아니라 블럭 전체를 통해 실질적으로 균일한 독특하고 바람직한 색깔을 얻을 수 있다. 산화조건에서 황금빛 갈색 블럭을 생산할 수 있으며, 환원조건하에서 어두운 초코렛 빛 갈색 블럭을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 블럭은 압축강도, 냉수 및 끓는 물 흡수 및 포화계수에 대한 ASTM 요건을 만족시킨다.
표 Ⅵa-Ⅵb에 나타내었듯이 소성 EAF 분진을 30-60중량% 함유하고 있는 본 바령에 따라 제조된 벽들은 우수한 강 도 및 흡수 특성을 나타낸다.
[표 Ⅵa]
[표 Ⅵb]
[표 Ⅵc]
[표 Ⅵd]
제 2도와 표 Ⅶ에 나타낸 열적중량분석(TGA)과 실험로 소성 테스트는 1120℃까지 가열할때 EAF 분진이 그 중량의 약 17%를 잃게 된다는 것을 나타낸다. 또한 분진은 그 체적 밀도가 4배이산 증가되도록 수축하거나 덩어리로 된다. EAF 분진의 수축은 상기 일본 공고의 방법에 따라 제조된 블럭에서 높은 공극률과 극히 낮은 압축강도의 원인이 된다. EAF 분진 자체가 포함된 2가지 샘플을 점토 도가니(샘플 깊이가 1.2인치)에 넣고, 이 도가니를 1121℃(2050°F)로 예열시킨 전기로에놓은 다음 한 도가니는 0.5시간 후에 다른 도가니는 1.0시간 후에 꺼내었다. 파우더는 상당히 수축성이있었고 작은 원뿔체로 반융합되었다. 이러한 분진의 특성은 다음의 표 Ⅶ에 나타내었다.
[표 Ⅶ]
상기로 부터 알 수 있듯이, 체적 밀도는 1.0시간 샘플에서 4배이상 증가하였다. 샘플이 원뿔체로 덩어리졌지만 여전히 막대기로 깨뜨릴 수 있다. 모든 분말을 140메쉬의 스크린을 통과시켰다. 눕힌 각도는 약 35°였다. 일반적으로 소성시간은 약 0.5-1시간이며, 바람직하게는 적어도 0.5시간 소성시키는 것이다.
중량감소는 25-240℃에서 유리수 감소에, 240-440℃에서 탄소산화에, 그리고 540-850℃에서 ZnCO3감소에 기여한다. 920-1120℃에서의 중량감소는 알려져 있지 않으나 휘발된 납 화하물로 인한 것으로 여겨진다.
납은 EAF 분진에 있는 현저한 중금속 오염물질로서 납원소는 1751℃에서 끓으며 산화납(Pb0)는 약 1472℃에서 끓는다. 이 온도는 블럭의 전형적인 소성 온도인 1100℃ 보다 훨씬 높다. 상기 일본 공고에 기재된 방법에 의해 제조된 벽돌내의 납은 벽돌 생산물에 남아 있고 제공시 용해될 수 있다.
본 발명의 구체예에 따르면 EAF 분진내의 납은 약 1100℃의 저온에서 휘발되고 어떤 조건하에서 납은 이러한 저온에서 벽돌의 최종 생성물로부터 거의 전체적으로 제거될 수 있다. 이러한 온도 및 1040℃ 같은 심지어 더 낮은 온도에서 납을 휘발시키기 위하여 소량의 환원제나 할로겐을 납에 첨가하여 염화납과 같은 더 낮은 끓는 점을 갖는 납화합물을 제조하게 된다. 신규한 저 융점의 납화합물을 제조하기 위해서는 단지 극소량의 환원제 또는 할로겐이 필요하다. 구체예에 따르면 할로겐을 약 6중량%까지 소성전에 분진에 첨가시킨다.
본 발명의 하나의 구체예에 따르면, 환원제를 분진을 소성시키기 전에 전기 아크로의 전중량에 대해 약 20중량%까지 첨가시킨다. 환원제는 그 자체가 중금속을 함유할 수 있는 작은 조각이거나 기타 칩 물질인 것이 바람직하고 하나의 예로서 EAF 분진같이 처리하기 비싼 작은 조각의 전선 절연체가 있다. 또 다른 사용할 수 있는 환원제로는 석탄, 코크, 톱밥 및 폐유에 한정되는 것은 아니지만 이를 포함한다. 1%같이 소량의 환원제도 EAF 분진으로부터 납을 휘발시키는데 상당한 영향을 주는 바, 실제로 다음의 표 Ⅷ에서 나타낸 바와 같이 1%의 석탄을 첨가하여도 2 또는 4%의석탄을 첨가한 것 보다 심지어 더 좋은 결과를 나타낸다. EAF 분진에 1%의 석탄을 첨가하므로써 분진내의 납의 중량%는 7.408중량%에서 단지 0.802중량%로 극적으로 감소하였다. 실질적으로 환원제는 완성된 블럭에는 존재하지 않는다.
[표 Ⅷ]
환원제와 유사한 효과를 나타내기 위해 어떠한 할로겐도 첨가할 수 있고 바람직한 할로겐은 가장 저렴한 것, 예를 들어 염화나트륨으로부터의 염소이다. 표 Ⅷ에 나타내었듯이 전기 아크로 원료 분진 전량에 대해 2중량%의 염화나트륨을 첨가하여 소성 제품의 전체 납에 있어서 가장 큰 감소, 특히 92.4%의 감소를 얻게 된다. 할로겐 함유 첨가제의 조성에 따라 약 1-6중량%의 양이 바람직하며 완성된 블럭내에 단지 미량의 할로겐이 남게 된다. 소성온도범위가 1037-1260℃인 것이 바람직한 반면, 더 많은 칼슘을 함유하는 EAF 분진의 경우 이보다 더 높은 온도범위를 필요로 한다.
본 발명에 따라 제조돈 블럭은 최소한의 중금속 용해를 나타내어 이 블럭은 용ㅇ해를 위한 TCLP 요건을 쉽게 통과한다. 하나의 예에서 4%의 석탄을 첨가한 EAF 분진을 약 1120℃에서 소성하였다. 이를 분쇄하여 EAF의 용지의 TCLP 테스트에 따라 용해를 테스트하였다. 환원된 소성품으로부터 ℓ당 0.18㎎의 납만이 용해되었다. 본 발명에 따라 제조된 소성품 어느것에서든 약 0.2% 이하의 용해율을 나타내는 것으로 여겨진다. 미국에서 허용가능한 최대 용해율은 5.0㎎/1 이다.
낮은 값의 용해는 환경으로 용해될 위험없이 소성품을 저장할 수 있어서 벽돌 제조시 운영상 뚜렷한 잇점을 제공한다. EAF 분진을 저장하는 동안 다른 비-EAF 분진 벽돌도 공장에서 제조할 수 있다. 한편 종래 기술에서는 분진을 저장하지 않고 벽돌 원료에 직접 투입해야하므로 공장에서 다른 유형의 블럭을 제조하는 경우 제한을 받았다.
본 발명에 따른 벽돌은 환결보호협회의 모든 요건을 통과하는 압축강도와 용해 성질을 나타낸다. 또한 이 공정은 천연자원을 보호하는 동시에 다른 한편으로 폐기물을 이용하는 잇점을 갖는다.
본 발명이 바람직한 예와 관련지어 설명되었지만 당업자에 의해 특별히 기재되지 않는 추가나 변경, 치환 및 삭제가 첨부된 특허청구의 범위에 한정한 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 가능할 수 있다고 여겨진다.

Claims (24)

  1. 전기 아크로 분진을 약 1040℃이상의 온도까지 가열하여 분진의 체적 밀도를 실질적으로 증가시키고 소성 전기 아크로 분진을 형성시키는 전기 아크로 분진의 소성 단계와 상기 소성분진을 벽돌원료와 혼합하여 상기 소성 분진이 약 60중량%까지 존재하는 혼합물을 형성하는 혼합단계 및 이 혼합물을 벽돌로 성형하고 이 성형 벽돌을 약 900-1370℃의 온도에서 굽는 단계로 이루어진 제철공정에서 작은 조각을 용해시키기 위해 적용되는 전기 아크로에서 생성된 전기 아크로 분진이 함유된 벽돌을 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합물에는 소성 분진이 약 20-60중량% 함유됨을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전기 아크로 분진은 1260℃ 까지의 온도에서 소성됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전기 아크로 분진은 1120℃ 까지의 온도에서 소성됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전기 아크로 분진은 약 1175-1205℃의 온도에서 소성됨을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 분진을 소성시키기 전에 적어도 하나의 환원제를 상기 전기 아크로 분지의 전체 중량을 기준으로 하여 약 20중략%까지 상기 전기 아크로 분진에 첨가하는 부가적인 단계를 포함시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 환원제는 석탄과 코크, 톱밥, 폐유 및 작은 조각의 전선 절연에로 이루어진 군중에서 선택되는 적어도 하나임을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 환원제는 상기 분진을 소성하기 전에 석탄을 전기 아크로 분진을 기준으로 하여 약 1중량%로 첨가됨을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 분진을 소성하기 전에 적어도 하나의 할로겐을 상기 전기 아크로 분진의 전체 중량을 기준으로 하여 약 6중량%까지 상기 전기 아크로 분진에 첨가시키는 부가적인 단계가 포함됨을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 할로겐은 염소임을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 할로겐은 전기 아크로 분진의 양을 기준으로 하여 약 2중량%의 염소인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 소성된 전기 아크로 분진의 체적 밀도는 적어도 129.3 lb/ft3임을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 소성된 전기 아크로 분진의 체적 밀도는 적어도 139.5 lb/ft3임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 소성 전기 아크로 분진의 체적 밀도는 소성전의 분진의 체적 밀도보다 적어도 4배 더 큼을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 벽돌은 약 980-1100℃의 온도에서 소성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 분진은 적어도 0.5시간 소성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 블럭은 적어도 8시간 동안 소성시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1항에 있어서, 실질적으로 어떠한 가스 제거 단계가 없는 부가적인 가열 요건을 위해 가열된 가스를 재순환시키는 단계가 더욱 포함되어 가열단계시 분진을 가열하는 기체가 분진과 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 전기 아크로 분진을 약 1040℃ 이상의 온도에서 미리 소성시키고 체적 밀도가 적도 약 129.3 lb/ft3인 것을 특징으로 하는 벽돌 원료 40-80중량%와 전기 아크로 분진 20-60중량%로 이루어진 벽돌.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 전기 아크로 분진은 소성전의 분진의 체적 밀도보다 적어도 4배 이상인 체적 밀도를 가짐을 특지으로 하는 벽돌.
  21. 제 19항에 있어서, 적어도 하나의 할로겐이 미량으로 더욱 포함됨을 특징으로 하는 벽돌.
  22. 제 19항에 있어서, 적어도 1500psi의 압축강도를 가짐을 특징으로 하는 벽돌.
  23. 제 19항에 있어서, 약 0.2㎎/L 이하의 용해율을 가짐을 특징으로 하는 벽돌.
  24. 제 23항에 있어서, 적어도 1500psi의 압축강도를 가짐을 특징으로 하는 벽돌.
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