KR100307693B1

KR100307693B1 - 폐주물사를이용한시멘트제조방법

Info

Publication number: KR100307693B1
Application number: KR1019980034911A
Authority: KR
Inventors: 차춘수; 김희찬; 김종대; 윤한용; 권우택; 이호창; 임정렬
Original assignee: 명호근; 쌍용양회공업(주)
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2001-11-14
Also published as: KR20000015160A

Abstract

본 발명은 폐주물사(waste foundry sand)를 이용한 시멘트 제조방법에 관한 것으로서, 폐주물사의 혼재폐기물을 제거하고 분쇄한 후 분쇄된 폐주물사를 시멘트 총원료의 0.5 내지 10 중량%의 범위로 시멘트 제조공정중에 투입하여 소성 및 냉각시켜 시멘트를 제조함으로써, 폐주물사를 안정적이고 경제적으로 재활용하여 폐주물사의 매립에 의한 중금속 유출을 방지하고 매립지의 부족현상을 해결할 수 있으며, 추가 설비개조 없이 시멘트 제조공정설비를 그대로 이용하여 시멘트의 규석자원을 절약할 수 있다.

Description

폐주물사를 이용한 시멘트 제조방법{METHOD OF PREPARING A CEMENT USING WASTE FOUNDRY SAND}

본 발명은 폐주물사를 이용한 시멘트 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 주물공장에서 발생하는 폐주물사를 전처리한 후 시멘트 제조원료로 사용함으로써 폐주물사를 안정적이고 경제적으로 재활용하여 환경오염을 방지함과 동시에 시멘트 원료비를 절약하는 방법에 관한 것이다.

국내 주물공장에서 발생되는 폐주물사의 발생량은 연간 70만톤으로 추산되고있으며, 최근 국내 주물공업의 발달로 폐주물사의 발생량은 연간 4 내지 5% 정도씩 꾸준히 증가하고 있다. 그러나, 폐주물사의 처리방법 및 재활용량은 극히 미비하여 현재 폐주물사의 90% 이상이 단순히 매립처분되고 있어, 매립지의 부족 및 중금속 유출로 인한 2차 환경오염 등이 우려되고 있다.

기존의 폐주물사의 재생이용방법으로는, 회수된 폐수물사를 재생설비에 적용하여 재사용가능한 신사로 제조하거나, 또는 토목공사의 성토재나 도로기층재 또는 콘크리트 2차 제품(벽돌 또는 블록)용 세골재로 재활용하는 방법 등을 들 수 있다. 폐주물사를 재생하여 신사로 제조하는 방법은 건식, 습식 또는 열처리법 등 다양하게 연구가 진행되어 왔으나(대한민국 특허공고공보 제82-1841호, 제90-782호 및 제95-14482호, 및 특허공개공보 제97-706090호 참조), 재생사의 품질저하와 재생설비 및 운영관리비의 고가로 재생사의 구입비용이 신사의 구입비용보다 높아 재생사의 사용이 기피되고 있다. 또한, 폐주물사에는 철스크랩, 폐주물 및 폐목재 등이 혼재되어 있고, 주물공장에서 사용하는 조형방법(예: 생형, 푸란형, CO₂형 등)에 따라 종류가 상이한 점결제(예: 점토분, 푸란수지, 물유리 등)와 첨가제(예: 씨콜(석탄분의 일종), H₃PO₄, 에스테르 등)가 폐주물사에 포함되어져 있어 콘크리트 2차 제품의 품질저하를 초래하고 함유된 중금속의 용출로 토양오염을 유발하기 때문에 생형 주물사만이 일부 도로기층제나 성토재 등으로 사용되고 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 주물공장에서 발생하는 폐주물사를 전처리한 후 시멘트 원료로 사용함으로써 경제적인 전처리를 통해 폐주물사의 혼재폐기물을 제거하고 시멘트 제조공정중 폐주물사에 포함된 점결제 및 첨가제는 연소시키고 중금속은 시멘트 클링커내에 고용시켜 폐주물사를 안정적이고 경제적으로 재활용할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 폐주물사를 안정적이고 경제적으로 재활용하여 환경오염을 방지함과 동시에 시멘트 규석자원을 절약할 수 있는, 폐주물사를 이용한 시멘트 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 폐주물사를 전처리한 후 전처리된 폐주물사를 시멘트의 원료로서 사용하여 소성공정을 거쳐 클링커(clinker)를 생산하기까지의 공정을 도식화한 도이다.

도 2는 폐주물사의 혼재폐기물을 제거하고 분쇄한 후 입도를 조절하는, 폐주물사의 전처리공정을 도식화한 도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 폐주물사의 혼재폐기물을 제거하고 분쇄한 후 분쇄된 폐주물사를 시멘트 총원료의 0.5 내지 10 중량%의 범위로 시멘트 제조공정중에 투입하여 소성 및 냉각시켜 시멘트를 제조하는 것을 포함하는, 폐주물사를 이용한 시멘트 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르면, 폐주물사를 주물공장에서 사용하는 조형방법(예: 생형, 푸란형, CO₂형 등)에 따라 구별할 필요없이 경제적으로 전처리하여 시멘트 원료로 적합하게 만들 수 있다.

도 2는 폐주물사의 혼재폐기물(예: 철스크랩, 폐주물, 폐목재 등)을 제거하고 분쇄한 후 입도를 조절하는, 폐주물사의 전처리공정을 도식화한 도로서, 그 전처리공정을 상세히 살펴보면 하기와 같다.

적재되어 운반된 폐주물사는 호퍼(hopper)(1)에 담겨진 후, 호퍼(1) 아래의 벨트 콘베이어(2)에 의해 공정중으로 투입된다. 이때, 폐주물사에 혼재되어 있는 철편류는 자기 분리기(magnetic separator)(3)에 의해 분리되고, 철편류가 제거된 폐주물사는 벨트 콘베이어(4)를 통해 트롬멜(trommel)(5)로 이송된다. 트롬멜(5)에서 150mm 이상의 크기를 갖는 이물질은 걸러져 벨트 콘베이어(6)를 통해 배출되고 150mm 이하의 크기를 갖는 폐주물사는 벨트 콘베이어(8)를 통해 분쇄기(crusher)(9)로 투입된다. 분리된 철편류 및 이물질은 저장소(7)에 저장되었다가 재활용되거나 버려진다.

상기 분쇄기(9)에서 폐주물사는 20mm 이하의 크기로 분쇄되어 일정량씩 그리즐 공급기(grizzle feeder)(10)를 통해 진동 스크린(vibrating screen)(11)으로 공급된다. 진동 스크린(11)의 시이브(sieve)에 의해 상단 스크린을 통과하지 못한 폐주물사는 벨트 콘베이어(13)를 통해 저장소(14)에 저장되었다가 다시 벨트 콘베이어(15)를 타고 분쇄기(9)로 공급되며, 하단 스크린을 통과한 폐주물사는 벨트 콘베이어(12)를 통해 저장 호퍼(16)로 이송되어 저장된다.

하기 표 1은 10개 회사의 폐주물사를 채취하여, 상기 전처리공정을 실시하기 전과 후의 폐주물사의 품질특성을 나타낸 것이다. 분석 결과, 혼재폐기물의 제거와 입도의 조절로 규산성분(평균값)이 증가하고 규산성분의 품질산포(편차)가 줄어들어 시멘트 원료로서 적합하게 되었음을 알 수 있다.

	규산성분(%)	규산성분 품질산포(%)
전처리 전 폐주물사	73.9	11.2
전처리 후 폐주물사	83.6	6.6

본 발명에 따르면, 상기 전처리된 폐주물사는 슬라이드 게이트(slide gate)(17)와 회전 공급기(rotary feeder)(18)를 거쳐 최종적으로 칭량 공급기(weighing feeder)에서 필요한 양만큼씩 계량되어 벨트 콘베이어(20)를 통해 외부로 배출되어 시멘트 원료로서 시멘트 제조공정중에 투입될 수 있으며, 바람직하게는 시멘트 총원료의 0.5 내지 10 중량%의 범위로 원료분쇄기(raw mill) 또는 예열기(preheater)에 투입된다.

일반적으로, 포틀랜트 시멘트는 석회석을 주원료로 하여 점토, 규석 및 산화철 등을 분쇄, 배합 및 소성시켜 만드는데, 시멘트 공장내 품질 규격치에 따라 여러 원료물질을 일정량 원료분쇄기에 투입하여 분쇄하면서 배합을 수행한다. 본 발명의 폐주물사는 다른 원료들과 함께 원료분쇄기에 투입되어 또 다시 분쇄될 수도 있고, 전처리시 이미 분쇄공정을 거쳤기 때문에 예열기에 바로 투입될 수도 있다.

본 발명에 따른 폐주물사가 혼합된 원료혼합물은 사일로에 담겨졌다가 예열기, 칼시너(calciner) 및 킬른을 거쳐 소성되고 냉각되어 클링커(시멘트 반제품)로제조된다. 여러 단계의 예열기에 의해 300 내지 350℃, 500℃, 750℃ 및 500 내지 850℃로 순차적으로 예열된 혼합물은 800 내지 900℃의 온도범위를 갖는 칼시너를 지나 킬른이라는 경사진 연속식 소결로에서 800 내지 1450℃ 조건하에 소성되고, 냉각기에서 200 내지 250℃로 냉각시켜 클링커로 제조되는데, 이러한 시멘트 제조공정, 즉 분쇄, 예열, 소성 및 냉각 공정은 폐주물사를 가열(연소)하여 신사화하는 기존의 재생이용방법과 매우 유사하나, 본 발명의 소성공정의 온도가 높아 불완전 연소에 의한 배출가스의 대기오염을 유발하지 않는다는 점에서 기존의 재생이용방법과 차이가 있다.

또한, 기존의 재생이용방법에서 장애요인이 되고 있는, 폐주물사에 함유된 점결제 성분(예: 점토분, 푸란수지, 물유리 등)과 첨가제 성분(예: 씨콜, H₃PO₄, 에스테르 등) 중 점토분은 시멘트의 점토질 원료로 사용되고, 푸란수지 및 물유리와 같은 유기물과 상기 첨가제 성분은 800 내지 1450℃ 범위의 온도에서 연소되어 무해화되며, 씨콜의 회분은 시멘트 원료로 이용된다. 또한, 상기 공정중 액상이 수반되면서 고상되는 과정에서 폐주물사에 함유된 중금속들은 융해되어 클링커내에 고용되기 때문에 물리화학적으로 안정한 상태로 존재하게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 조형방법이 상이한 폐주물사를 단독으로 또는 1종 이상 혼합된 상태로 모두 처리할 수 있다.

제조된 클링커는 CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃및 SiO₂로 이루어진 화합물인 C3S(3CaO·SiO₂), C2S(2CaO·SiO₂), C3A(3CaO·Al₂O₃) 및 C4AF(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)로구성되며, 이 클링커를 시멘트 분쇄기에서 석고 및 슬래그와 혼합 및 분쇄함으로써 시멘트를 제조할 수 있다.

본 발명에 따르면, 폐주물사를 안정적이고 경제적으로 재활용하여 폐주물사의 매립처리에 의한 중금속 유출을 방지하고 매립지의 부족현상을 해결할 수 있으며, 추가 설비개조 없이 시멘트 제조공정설비를 그대로 이용하여 시멘트의 규석자원을 절약할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 만으로 제한되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 6

국내 M 회사에서 발생되는 폐주물사의 혼재폐기물을 제거하고 폐주물사를 약 200mm 이하의 크기로 분쇄하여 전처리하였다. 전처리된 폐주물사의 화학성분 및 미량성분 분석값(단위: ppm)은 하기 표 2와 같았다(KSL5120: 포틀랜트 시멘트의 화학분석 방법). 이 폐주물사를 하기 표 3과 같은 비율로 석회질, 점토질, 철질 및 규석질원료와 배합하여 통상적인 방법으로 시멘트를 제조하였다. 제조된 시멘트의 압축강도 및 응결시간을 측정하고(각각의 테스트 규격: KSL5105 및 KSL5103), 시멘트의 용출시험을 실시하여 각각 표 4 및 5에 나타내었다.

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	Cl	Cr	Mn	Cu	Zn	As	Cd	Pb	연소시 손실량
85.5	5.4	1.1	0.5	0.1	0.95	1.27	158.8	4.7	125.3	30.4	26.3	4.6	1.1	75.5	5.1

비교예

폐주물사를 총원료의 12 중량% 사용하여 하기 표 3의 배합비율에 따라 배합한 후, 상기 실시예와 동일한 반응을 수행하여 시멘트를 제조하였다. 제조된 시멘트의 압축강도 및 응결시간을 측정하고, 시멘트의 용출시험을 실시하여 각각 표 4 및 5에 나타내었다.

참고예

폐주물사를 사용하지 않고 하기 표 3의 배합비율에 따라 배합한 후, 상기 실시예와 동일한 반응을 수행하여 시멘트를 제조하였다. 제조된 시멘트의 압축강도 및 응결시간을 측정하여 표 4에 나타내었다.

구 분	원료 배합비(%)
구 분	석회질	점토질1	점토질2	철질	규석질	폐주물사
실시예 1	84.9	0.9	6.2	2.4	5.1	0.5
실시예 2	84.9	0.5	6.5	2.4	3.7	2.0
실시예 3	84.7	0.5	6.1	2.5	2.2	4.0
실시예 4	84.5	0.8	5.1	2.7	0.9	6.0
실시예 5	84.0	2.4	2.4	3.2	.	8.0
실시예 6	83.1	2.2	.	4.7	.	10.0
비교예	81.5	0.7	.	5.8	.	12.0
참고예	84.9	0.9	6.4	2.4	5.4	.

시멘트의 압축강도 및 응결시간 측정결과

1) 흐름성(flow)

상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 시멘트와 표준사(KSL5100(시멘트 강도 시험용))를 1:2.45의 중량비로 혼합하고, 여기에 시멘트 중량의 48.5%의 물을 첨가하여 모르타르를 혼합반죽하였다. 제조된 모르타르를 흐름성 측정용 틀에 채운 후 틀을 들어올리고 15초 동안에 25회, 1.27cm의 높이로 낙하시켰다. 흐름성은, 모르타르 평균 밑지름 증가를 적어도 거의 같은 간격으로 4개의 지름을 측정하여 원지름의 백분율로 표시하였다.

2) 압축강도

상기 흐름성 측정이 끝난 모르타르를 입방체 칸에 넣고 모르타르 찧기를 실시하여 시험체를 제조하였다. 제조된 시험체를 20 내지 24시간동안 습기함 또는 습기실에 보관하였다가 꺼내어 유압형 또는 스크류형의 시험기에 넣고 하중을 가하여 시험체를 파괴하였다. 이때 시험기가 나타낸 최대 총 하중을 측정하고 그 압축강도를 계산하였다.

3) 응결시간

상기 흐름성 측정시 제조된 모르타르를 반죽하여 밑면지름 약 7.5cm, 윗면지름 약 5.0cm, 중앙면의 두께 약 1.3cm인 시험체를 성형한 후, 습기함에 정치해 두었다. 습기함으로부터 꺼낸 시험체 표면에 대해 길모어(응결시간 측정용 기계)에 장착된 침을 수직 위치에서 가볍게 놓는 것을 수시로 반복하였다. 길모어에는 작고 가벼운 초결 침과 상대적으로 크고 무거운 종결 침이 장착되어 있으며, 시험체가 초결 침을 받치게 되었을 때 소요된 시간을 초결 시간으로 하고, 종결 침을 받치게 되었을 때 소요된 시간을 종결 시간으로 하였다.

구 분	압축강도(kg/cm²)	응결시간	흐름성(%)
구 분	1일	3일	흐름성(%)	7일	28일	초결(분)	종결(시:분)
실시예 1	85	210	285	385	265	8:00	108
실시예 2	105	190	298	412	275	7:55	110
실시예 3	94	205	310	400	270	7:45	115
실시예 4	90	195	300	415	270	7:50	109
실시예 5	100	180	304	403	280	7:35	103
실시예 6	88	215	307	388	255	8:00	100
비교예	91	172	245	336	295	8:10	102
참고예	95	200	292	390	260	7:40	105

시멘트 및 폐주물사의 용출시험 결과

항목	납 화합물	구리 화합물	비소 화합물	수은 화합물	카드뮴 화합물	6가 크롬	시안화합물	유기인화합물	테트라클로로에틸렌	트리클로로에틸렌
기준	3.0	3.0	1.5	0.005	0.3	1.5	1.0	1.0	0.1	0.3
폐주물사	1.34	1.28	0.1	0.07	0.03	.	.	.	.	0.02
실시예 1-6 및 비교예	.	.	.	.	.	.	.	.	.	.

상기 표 4로부터 알 수 있듯이, 폐주물사를 총원료의 0.5 내지 10.0 중량% 범위내에서 배합한 실시예 1 내지 6의 시멘트의 압축강도, 응결시간 및 흐름성은, 폐주물사를 배합하지 않은 통상적인 시멘트의 경우(참고예)와 동등이상 수준의 결과를 나타내었으며, 이 수치는 포틀랜트 시멘트 기준(KSL5201)을 모두 만족하였다. 그러나, 폐주물사를 총원료의 12 중량% 배합한 비교예의 경우는 압축강도 저하 및 응결 지연을 나타낼 뿐만 아니라 제품의 색상이 짙은 회색을 띠는 등 품질이 저하되는 경향을 보였다.

또한, 상기 표 5로부터 알 수 있듯이, 폐주물사 자체는 중금속을 함유하고 있으나, 실시예 1 내지 6 및 비교예로부터 제조된 시멘트에서 중금속은 전혀 검출되지 않았다.

본 발명에 따른 폐주물사를 이용한 시멘트 제조방법에 의하면, 시멘트 제조시 적절히 전처리된 폐주물사를 0.5 내지 10 중량%의 범위로 시멘트 제조공정에 투입함으로써 폐주물사를 안정적이고 경제적으로 재활용하여 폐주물사의 매립에 의한 중금속 유출을 방지하고 매립지의 부족현상을 해결할 수 있으며, 추가 설비개조 없이 시멘트 제조공정설비를 그대로 이용하여 시멘트의 규석자원을 절약할 수 있다.

Claims

폐주물사(waste foundry sand)의 혼재폐기물을 제거하고 분쇄한 후, 시멘트 원료중 규석질의 일부 또는 전량을 대체하도록 상기 분쇄된 폐주물사를 시멘트 총원료의 0.5 내지 10 중량%의 범위로 시멘트 제조공정중의 원료분쇄기(raw mill) 또는 예열기(preheater)에 투입하고 800 내지 1450℃ 범위의 온도에서 소성한 후 냉각시켜 시멘트를 제조하는 것을 포함하는, 폐주물사를 이용한 시멘트 제조방법.
제 1 항에 있어서,

자기 분리기(magnetic separator) 및 트롬멜(trommel)을 사용하여 폐주물사의 혼재폐기물을 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

분쇄된 폐주물사가, 분쇄기(crusher)를 사용하여 20mm 이하의 크기로 분쇄된 후 진동 스크린(vibrating screen)으로 입도 조절된 것임을 특징으로 하는 방법.