KR100435917B1 - 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 산업분야에서 발생하는 폐산화철의 재활용방안에 관한 것으로, 그 목적은 분말상인 폐산화철을 시멘트와 함께 일정 배합비로 고화하여 높은 압축강도를 발현하고 고비중을 갖는 성형체와 그 제조방법 그리고, 성형체를 제철소의 용광로에 적용하여 폐산화철을 철원으로 재활용하는 방안 및 고비중 건축자재 예를 들어 벽돌로 활용하는 방안을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

제철원료 및 건축재료로 이용되는 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법에 있어서,

청구1항에 의한 폐산화철 분말에서 이물질을 제거하는 단계; 이물질을 제거한 폐산화철 분말 100중량부와, 시멘트 10 내지 40 중량부 및 물 3 내지 50 중량부를 배합하여 혼합하는 단계; 상기 혼합물을 성형한 다음 양생하는 단계;를 포함하여 이루어지는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체 및 그 제조방법{Cement formed body having superior compressive strength and high specific gravity by recycling waste iron oxide, Method for producing the same}

본 발명은 각종 산업분야에서 발생하는 폐산화철의 재활용방안에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐산화철을 시멘트와 함께 고형화하여 폐산화철을 유효하게 이용할 수 있는 성형체와 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 철판 및 철강제품의 표면에 발생된 녹을 제거하기 위한 쇼트 블라스트 공정, 열간 단조공정, 열간 압연공정, 열처리 후공정 등의 각종 산업분야에서는 연간 수십만톤의 산화철이 부산물로서 발생한다. 이들 폐산화철은 산업폐기물 중에서 높은 비중을 차지하고 있으나 대부분 매립되고 있어 매립을 위한 막대한 운반비용이 소모될 뿐 아니라, 매립지의 부족과 2차 환경오염의 우려가 높아지고 있다.

따라서, 단순 매립되고 있는 폐산화철의 재활용에 대한 관심도 커지고 있으나, 재활용과 관련한 기술개발실적은 전무한 실정이다. 다만, 본 발명자가 대한민국 특허등록 제242820호(1999. 11. 13) 그리고, 특허출원번호 10-1999-29650호(1999. 7. 1)에 폐산화철을 산소분압조절 열처리를 통해 Fe 단상철, FeO 단상산화철, Fe₃O₄단상산화철, Fe₂O₃단상산화철, Fe-FeO복합산화철, FeO-Fe₃O₄의 복합산화철로서 제조하는 기술을 개시한 바 있다. 이들 기술은 폐산화철을 고도의 정련과정을 거쳐 고부가가치 사업에 이용하고자 하는 것이다. 본 발명자는 이러한 선행기술에서 나아가 별다른 정련과정을 거치지 않고서도 폐산화철의 활용방안을 보다 넓히기 위한 연구과정에서 본 발명을 완성하게 이르렀다.

본 발명은 분말상인 폐산화철을 시멘트와 함께 일정 배합비로 고화하여 높은 압축강도를 발현하고 고비중을 갖는 성형체와 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다. 나아가 본 발명에서는 이러한 성형체를 제철소의 용광로에 적용하여 폐산화철을 철원으로 재활용하는 방안과 3.5kg/cm²이상의 고비중 건축자재 예를 들어 벽돌로 활용하는 방안을 제공하는데도 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 성형체 제조공정의 일례를 나타낸 순서도이다.

도 2는 본 발명에 따라 제조한 성형체의 X-ray 회절 분석도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 성형체는,

폐산화철과,

이 폐산화철 100중량부 기준으로 시멘트 10~40중량부 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

또한, 본 발명에 따라 제철원료로 이용되는 폐산화철 재활용 성형체는,

폐산화철과,

이 폐산화철 100중량부를 기준으로 시멘트 10~25중량부 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 압축강도가 20~40kg/cm²으로 이루어진다.

또한, 본 발명에 따라 건축재료로 이용되는 폐산화철 재활용 성형체는,

폐산화철과,

이 폐산화철 100중량부를 기준으로 시멘트 20~40중량부로 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 압축강도 80~100kg/cm²으로 이루어진다.

또한, 본 발명의 성형체 제조방법은,

폐산화철 분말에서 이물질을 제거하는 단계,

이물질이 제거된 폐산화철 분말 100중량부를 기준으로 시멘트를 10~50중량부와 물을 3~50중량부 배합하여 혼합하는 단계,

이 혼합물을 성형한 다음 양생하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명자는 철판, 철강이 산화되어 발생하는 복합형 산화철로 구성되는 폐산화철은 표 1에서 알 수 있듯이, 다량의 철성분이 함유되어 있어 제철소에서 철원으로서 유효하게 이용할 수 있다는 점 그리고, 철의 비중이 높이므로 고비중을 요하는 건축재료 예를 들어 원자력발전소에서 방사선 투과를 방지하는 고비중의 벽돌로도 유효하게 이용할 수 있다는 점에 주목하였다.

화학성분(중량%)
Al	Si	Mn	Fe	잔부
0.24	1.15	0.94	97.67	C, O, Au 등

그런데, 폐산화철(Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃)은 철판이나 철강의 표면에 형성된 녹을 쇼트 블라스트법(Shot blast Method), 열간 단조공정, 열간 압연공정, 열처리 후공정, 이들 공정과 관련된 집진시설에서 포집되나 그 크기가 수백㎛ 이하여서 취급이 어렵기 때문에 다른 용도로 사용하기가 쉽지 않다. 특히, 폐산화철 분말은 미분이여서 제철소의 용광로(고로)에 직접 투입하게 되면 용광로내 열에 의한 난류로 인하여 고로 상부로 배출되어 투입에 의미가 없다.

따라서, 본 발명자는 폐산화철분을 시멘트와 물을 배합하여 고화시켜 성형체를 만드는 연구과정에서, 성형체의 적정강도를 확보하면서 철원의 특성과 고비중의 특성을 유효하게 이용할 수 있는 폐산화철과 시멘트의 배합비 그리고, 성형조건을 도출하게 된 것이다.

본 발명에서 폐산화철분말은 상기한 제조공정에서 발생한 것이면 어느 것이든 사용 가능하나, 바람직하게는 도금강판에서 발생한 폐산화철을 사용하지 않는 것이다. 도금강판은 도금층이 저융점원소(Zn, Pb 등)로 구성되므로 제철소의 용광로에서 불순물로 작용한다. 폐산화철로는 물론, 본 발명자가 대한민국 특허등록 제242820호(1999. 11. 13) 및 특허출원 제99-29650호(1999. 7. 1)에 따라 폐산화철을 열처리하여 전환한 Fe 단상철, FeO 단상산화철, Fe₃O₄단상산화철, Fe₂O₃단상산화철, Fe-FeO복합산화철, FeO-Fe₃O₄의 복합산화철 등의 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.

본 발명의 폐산화철 재활용 성형체는, 상기한 폐산화철과 시멘트 그리고 물을 배합하여 고화시킨 것으로, 이들의 배합비, 성형조건과 양생조건에 따라 압축강도와 밀도를 조절할 수 있다. 상기 시멘트는 1-5종 어느 것이든 간에 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 물과 수화반응하여 폐산화철 성형체를 고형시킴과 동시에 성형체에 강도를 부여하는 작용을 한다.

본 발명에 따르면, 고화처리하여 얻어진 성형체는 폐산화철 100중량을 기준으로 시멘트 10~40중량부로 조성된 것이다. 이 조성물에는 폐산화철에서 유입된 Mn, Si, Al 등의 불순물이 미량 함유되어 있다. 상기 시멘트가 10중량부 미만으로 조성되는 경우에는 양생된 폐산화철 성형체의 강도가 약하여 부서지기 쉬워 좋지 않으며, 또한 40중량부를 초과하면 성형체의 밀도가 낮아지고 사용되는 시멘트로 인한 비용이 증가하여 경제성이 떨어져서 바람직하지 않다.

본 발명에 따라 상기 성형체를 제철소의 용광로에서 철원으로 이용할 경우에는 폐산화철 100중량부를 기준으로 시멘트가 10~25중량부 포함되어 조성되고, 압축강도가 20~40kg/cm²으로 이루어지는 것이 바람직하다. 시멘트의 양이 10중량부 미만의 경우에는 성형체의 강도가 너무 낮아 용광로의 투입이 어려우며, 25중량부를 넘는 경우에는 용융후에 시멘트로 인하여 발생되는 슬래그의 발생량이 너무 많아 바람직하지 못하다. 보다 바람직하게는 제철원료로 이용하는 용도의 특성(강도와 철원의 다량 확보차원) 측면에서 볼 때 시멘트의 조성범위를 12~20 중량부로 하는 것이 좋다. 그리고, 이 경우에 사용하는 시멘트는 S의 함량이 낮을 것을 사용하는 것이 좋은데, 이는 제철소에 S을 불순물로서 관리하기 때문이다.

본 발명에 따라 상기 성형체를 벽돌 등과 같은 건축재료로 이용할 경우에는 폐산화철 100중량부 기준으로 시멘트를 20~40중량부 포함하여 조성되고, 압축강도 80~100kg/cm²으로 이루어진다. 이러한 고비중, 고강도의 성형체는 원자력발소에서 방사선 투과를 차단하는 벽돌로서 유효하게 이용될 수 있다. 건축재료용 성형체에서 시멘트의 양이 20중량부 미만의 경우에는 목적하는 강도발현이 어려우며, 40중량부를 넘는 경우에는 성형체의 비중이 낮아져 바람직하지 못하다. 방사선 투과를 방지하는 고비중의 건축재료로 성형체를 이용하는 측면에서 볼 때 시멘트의 조성범위는 25~35중량부로 하는 것이 가장 바람직하다.

상기한 성형체를 제조하는 방법은, 먼저 폐산화철분말에서 이물질을 제거한다. 폐산화철 분말에는 목분 등이 여러 이물질이 존재하므로 이를 폐산화철 분말과 분리해내는데, 대표적인 방법이 체질공정이다. 상기 체질 전후에 폐산화철 분말의 건조와 함께 수분, 목질, 유기중합체 등의 이물질을 제거하기 위하여 열처리한다. 열처리는 50-500℃에서 1-48시간 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 열처리 온도가 50℃미만(1시간 미만)의 경우에는 건조시간이 오래 걸리며, 목질과 유기중합체의 제거효과 낮게 되고, 500℃를 초과(48시간 초과)하면 처리효과에 비하여 비용이 많이 소요되어 바람직하지 않다.

상기와 같이 이물질이 제거된 폐산화철을 시멘트와 물과 함께 혼합한다. 이들의 혼합순서는 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 폐산화철과 시멘트를 먼저 혼합하고, 여기에 물을 혼합하는 것이다. 물은 폐산화철과 시멘트을 혼합하는 도중에 붓거나 분무하는 방식이나 어느 것이든 좋다. 물은 일차적으로 분말상의 폐산화철과 시멘트가 성형이 가능하도록 작용하며, 이차적으로 양생시 시멘트와 수화반응에 의한 결합수 역할을 한다. 그 첨가량은 폐산화철 100중량부를 기준으로 3-50중량부인 것이 바람직한데, 3중량부 미만에서는 성형체의 점성이 떨어져서 성형이 어려워지고 쉽게 부서져서 좋지 않게 되며, 50중량부를 초과하면 성형시 물이 빠져나오고 성형이 어려워지므로 바람직하지 않다. 성형체를 제철소의 철원으로 이용하고자 하는 경우에 물은 폐산화철 100중량부 기준으로 3-30중량부로 혼합하고, 건축재료로 이용하고자 하는 경우에는 10-50중량부 혼합하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 혼합한 다음에, 이들을 성형하고 양생한다. 성형은 소정의 형상의 금형속에 혼합물을 주입하고 일정압력으로 가압한다. 성형공정에서의 압력과 양생조건에 따라 성형체의 강도는 변한다. 바람직하게는 1-500kgf/cm²의 압력을 가하고 또는 진동을 이용하여 성형한다. 압력이 1kgf/cm²미만이면 성형력이 약하여 성형이 어려우며 성형물이 쉽게 부서져 좋지 않게 되며, 압력이 500kgf/cm²초과하면 성형효과는 비슷하나 장치비나 운전비가 많이 소요되어 바람직하지 못하다.

상기와 같이 가압하면서 성형한후 금형에서 분리한다. 또는 혼합물을 특정한 형상의 금형틀을 통과시키면서 금형틀의 후단에서 필요한 크기로 절단하여 성형할 수도 있다.

성형한 다음에는 일정온도에서 양생한다. 바람직하게는 성형물을 10-300℃에서 10-100시간동안 양생한다. 양생온도가 10℃미만의 경우에는 오랜 양생시간이 요구되고 양생이 완전치 못할 뿐 아니라, 성형체의 강도가 낮아 바람직하지 않으며, 300℃를 초과하면 전력비가 많이 소요되므로 바람직하지 않다. 또한 양생시간이 10시간미만이면 양생이 완전치 못하고, 성형체의 강도가 낮아 바람직하지 않으며, 100시간을 초과하면 생산성이 떨어지므로 바람직하지 않다.

본 발명은 폐산화철 분말을 적정한 강도를 갖는 성형체로 제조하여 제철소의 철원과 건축재료(벽돌)로 사용될 수 있는 특징적인 관점에서 기술되었지만, 이 기술분야의 당업자에 의해 쉽게 다른 용도로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 성형체가 갖는 고강도 고비중의 특성을 활용하여 다른 용도로 사용하는 실시가 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 것으로 해석되는 것은 당연하다

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시 예 1]

쇼트 블라스트 공정에서 발생한 상기 표 1의 조성을 갖는 폐산화철(Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃) 분말을 체질공정을 통해 이물질을 제거한 다음 200℃에서 24시간동안 건조 및 열처리시켰다. 그런 다음, 폐산화철 분말 100중량부를 기준으로 시멘트(쌍용양회) 8중량부를 배합하여 1차 혼합하였다. 1차 혼합된 페산화철과 시멘트의 혼합물에 폐산화철 분말 100중량부를 기준으로 물을 13.5중량부 첨가하면서 2차 혼합한 다음, 190㎜×90㎜×57㎜의 직육면체 금형속에 주입하여 100kgf/cm²으로 가압 및 진동성형한 후 금형에서 분리하여 폐산화철 성형물을 제조하였다. 그런 다음 성형물을 20℃에서 100시간동안 양생하여 폐산화철 재활용을 위한 성형체를 제조하였다.

이와 같이 제조한 성형체의 성분을 조사하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

화학성분(중량%)
Al	Mg	Si	Mn	K	Ca	Fe
1.00	0.68	6.01	0.76	2.21	18.32	71.02

도 2에는 제조한 성형체의 X-ray 회절분석결과를 나타낸 것으로, 도 2와 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 제조한 성형체에는 제철소에서 유해원소(Ni, Cr, Cu 등)로 제한하는 불순물이 거의 존재하지 않기 때문에 제철소의 철원으로 유효하게 이용할 수 있는 것이다.

[실시예2]

쇼트 블라스트 공정에서 발생된 혼합상의 폐산화철(Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃) 분말을 체질공정을 통해 이물질을 제거한 다음 200℃에서 24시간동안 건조 및 열처리시켰다. 그런 다음, 폐산화철 분말 100중량부를 기준으로 표 3과 같이 시멘트 그다음 물을 혼합하고, 190㎜×90㎜×57㎜의 직육면체 금형속에 주입하여 100kgf/cm²으로 가압 및 진동성형한 후 금형에서 분리하여 폐산화철 성형물을 제조하였다. 그런 다음 성형물을 표 3의 조건으로 양생하였다. 양생된 성형체의 압축강도를 표 3에 함께 나타내었다.

구분	혼합비(중량부)	양생조건	압축강도(kg/cm2)
	폐산화철	시멘트		물	양생온도(℃)	양생시간(hr)
비교예1	100		0	-	-	-
발명예 1	100	5	15	5	5	8
발명예 2	100	10	15	10	5	13
발명예 3	100	20	20	20	100	35
발명예 4	100	40	20	50	100	57
발명예 5	100	60	20	100	100	63
발명예 6	100	80	25	200	100	72
발명예 7	100	100	25	250	100	81
발명예 8	100	120	30	300	150	87
발명예 9	100	140	35	350	150	92
발명예 10	100	160	40	400	100	97

상기 표에서 알 수 있듯이, 폐산화철 분말은 시멘트의 배합비가 높을수록 압축강도가 커지는 것을 알 수 있다. 물론, 발명예 1, 2의 경우에는 제철소에서 철원으로 이용하는 경우에 요구되는 압축강도 기준값(20kg/cm²) 보다 낮으나, 성형공정에서의 성형압력과 양생조건을 조절하면 압축강도 기준값을 만족할 수 있다.

본 발명에서는 폐산화철 분말을 고강도 고비중의 성형체로 만들어 제철소의 철원과 건축재료로 재활용함으로써 자원재활용과 함께 폐산화철의 매립으로 인한환경오염의 문제를 해결하고 폐기비용의 절감 그리고 매립지 부족난을 해소할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (15)

1. 제철원료 및 건축재료로 이용되는 폐산화철 재활용 성형체에 있어서,

   철제품의 쇼트 블라스트법(Shot Blast Method), 열간단조공정, 열간압연공정, 열처리공정, 이들 공정의 집진기에서 발생되는 폐산화철분말, 이 폐산화철분말을 열처리하여 전환된 Fe단상철, FeO단상산화철, Fe₃O₄단상산화철, Fe₂O₃단상산화철, Fe-FeO복합산화철, FeO-Fe₃O₄의 복합산화철, 이들 중 2이상이 혼합된 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 분말상태의 폐산화철 100중량부와;

   시멘트 10 내지 40중량부;가 포함되어 구성됨을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제철원료에 이용되는 폐산화철 재활용 성형체에 있어서,

   청구1항에 의한 폐산화철 100중량부와;

   시멘트 10 내지 25 중량부를 혼합한 조성물을 고화하여 압축강도 20 내지 40kg/cm2으로 이루어지게 함을 특징으로 하는 제철원료로 이용되는 폐산화철 재활용 성형체.
5. 삭제
6. 건축재료에 이용되는 폐산화철 재활용 성형체에 있어서,

   청구1항에 의한 폐산화철 100중량부와;

   시멘트 20 내지 40 중량부를 혼합한 조성물을 고화하여 압축강도 80 내지 100kg/cm2으로 이루어지게 함을 특징으로 하는 건축재료에 이용되는 폐산화철 재활용 성형체.
7. 삭제
8. 제철원료 및 건축재료로 이용되는 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법에 있어서,

   청구1항에 의한 폐산화철 분말에서 이물질을 제거하는 단계;

   이물질을 제거한 폐산화철 분말 100중량부와, 시멘트 10 내지 40 중량부 및 물 3 내지 50 중량부를 배합하여 혼합하는 단계;

   상기 혼합물을 성형한 다음 양생하는 단계;를 포함하여 이루어지는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 이물질이 제거된 폐산화철 분말을 50-500℃에서 1-48시간 동안 건조열처리하는 단계가 추가로 행해지는 것을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.
10. 제 8항에 있어서, 상기 폐산화철 분말은 철제품의 쇼트 블라스트법(Shot Blast Method), 열간 단조공정, 열간압연공정, 열처리공정, 이들 공정의 집진기에서 발생되는 폐산화철의 그룹에서 선택된 1종 또는 2종이상임을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.
11. 제 8항에 있어서, 상기 공정에서 발생하는 폐산화철 분말을 열처리하여 Fe 단상철, FeO 단상산화철, Fe₃O₄단상산화철, Fe₂O₃단상산화철, Fe-FeO복합산화철, FeO-Fe₃O₄의 복합산화철로 전환하고, 이중에서 선택된 1종 또는 2종이상을 폐산화철분말로 이용함을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.
12. 제 8항에 있어서,

    상기 혼합은, 폐산화철 분말 100중량부와, 시멘트 10 내지 25중량부 및 물 3 내지 30 중량부를 혼합하여 제철원료로 이용되는 것을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.
13. 제 8항에 있어서,

    상기 혼합은, 폐산화철 분말 100중량부와, 시멘트 20 내지 40중량부 및 물 10 내지 50 중량부를 혼합하여 건축재료로 이용되는 것을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.
14. 제 8항에 있어서, 상기 성형은 1-500kgf/cm²로 가압함을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.
15. 제 8항에 있어서, 상기 양생은 10-300℃에서 10-100시간동안 행하는 것을 특징으로 하는 고비중 고강도의 폐산화철 재활용 성형체의 제조방법.