KR100504164B1 - 폐기 동슬래그를 이용한 축열재 제조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동제련시에 발생하여 시멘트 및 골재용 외에는 별도의 용도가 없어 폐기되고 있는, 동제련 슬래그를 이용하여 심야전기용 등의 축열용 벽돌을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히 많은 양이 폐기되는 동슬래그를 사용하여 고가의 축열재를 대체하는 축열 벽돌과 같은 고부가 소재를 제조하는 것으로 자원 재활용, 환경오염 방지 및 폐기물 고부가화를 이룩하는 것이다.

Description

폐기 동슬래그를 이용한 축열재 제조{Manufacture of heat reserving materials using Cu-making slag}

본 발명은 동(Cu)제련공정에서 발생하는 동슬래그 등의 폐기물을 사용하여 많은 열을 축적하고 서서히 방출하는 열용량이 큰 축열재를 제조하기 위한 난방용 축열재 조성물에 관한 것이다. 종래 쓰이는 것으로는 알루미나질의 블록이 사용되고 있으나 열용량이 적어, 많은 양의 열을 축열하고 장시간 방출하는 기능을 발휘할 수 없었다. 또한 이들 알루미나 벽돌의 경우 고가이기에 경쟁력이 없었고. 이를 대체하는 방법으로 제철공정의 밀스케일을 사용하는 연구가 있었다. 그러나 이것 또한 축열능력이 비교적 적어 열용량이 큰 중량이 큰 소재가 필요하다.

한편 동제련 공정시 발생하는 동슬래그는 건축용으로 사용되고 있으나 그 사용량이 발생량에 비해 너무 적어 그 용도 개발이 절실히 요구되었다. 다만 본 발명에서는 발생장소에서 물류비용의 증가 없이 동슬래그를 소비하기위해 축열벽돌을 제조를 고려하였다. 한편 일반적으로 이용되는 자용로공법 동제련은 광석을 이용하여 구리를 제련하고 남는 슬래그를 수쇄하여 작은 입자상을 만드는 것이 일반적인 제조방법이다. 그러나 이러한 공정에서 발생하는 동(Cu)입자는 미세하고 입자가 구형을 유지하고 있기 때문에 샌드블라스팅용 골재로 직접 이용되고 있다. 그러나 최근에 건설된 연속 동제련슬래그는 그의 조성이 일반 자용로공법 동슬래그와 조성이 다르고, 슬래그처리과정에서 일반 동슬래그 처리과정에서 나오는 입자보다 입도분포가 상향조정되어 있어 건축 자재 외에는 별다른 용도가 없는 실정이다.

본 특허에서는 이런 동제련시에 발생하는 동슬래그 입자가 수쇄공정을 통해 이미 입도가 적어 졌으며, 특히 전철분(T-Fe)이 36∼48%까지 이르며 균일하게 분포되어 있는 것에 착안하여 이를 축열 재료의 원료로 사용하고자 하였다.

현재 동제련공정 중에 발생되는 폐 동슬래그는 정광 용융 후 마트(matte)용해 후나 부분배소 후 용융상 용해로부터, 또는 배소반응 후 동 직접용융시, 슬래그나 슬래그 선광후에 발생된다.

특히 동슬래그는 <표1>과 같이 자용로공법 및 연속제련공법의 2종류의 공법에 의해 생산되나 자용로공법으로 생산되는 슬래그는 하기의 <표2>와 같이 입도분포가 하향 조정되어 있어 현재까지 샌드브라스팅용골재로만 사용이 되어왔다. 그러나 최근 도입된 연속동제련슬래그는 <표2>에서와 같이 입도가 보다 상향 조정이 되어 있으나 그 종류 슬래그 모두다 입상화 되어 있고, 전철분이 높아 본 특허에서 이에 착안하여 동제련 슬래그를 직접 또는 가공하여 축열 원료로 사용하고자 하였다.

<표 1> 동슬래그의 화학성분

<중량퍼센트>

<표 2> 동슬래그의 입도분포

<표3>의 경우 동슬래그의 물리적 특성을 나타내는 바, 일반건축용 골재로의 특성을 충족시키고 있다.

<표3> 동슬래그의 물리적 특성

따라서 본 발명은 이와 같은 점에 착안하여, 동슬래그 등의 다량 폐기되는 폐기물을 원료로, 심야전기 축열용의 비교적 무겁고 열용량이 비교적 큰(1.4J/g ·℃이상)의 축열재를 제조하여 원가절감 및 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 동 슬래그의 화학적 조성은 표1과 같이 구성되어 있어 있는 상태이다. 동 슬래그를 혼합교반하게 되면, 바로 건조성형을 할 수 있는 조건이 된다. 특히 동 슬래그의 경우, 제조공정중에 상기 <표3>과 같이 기공성을 확보하여 보다 좋은 축열재를 제조할 수 있다.

이하 본 발명을 실시 예에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

<실시 예1>

본 발명에 의한 동슬래그 사용할 때와 적점토 사용시의 벽돌의 물리적 성질을 조사하기 위해 아래와 같은 순서로 실시하였으며, 그의 기계적 강도인 항절력, 소성수축율, 열용량 등을 측정 비교하였다.

(1) 원료혼합

동슬래그 30∼70 중량%, 점토 및 황토 20∼65 중량%, 물유리％5∼10%)의 조성으로 혼련, 숙성공정 배합비율에 따라 원료별, 입도별로 혼합하고 혼련시킨 다음, 수분발산을 방지하기 위해 비닐등을 이용하여 이를 포장한 후, 1∼7일간 방치하여 숙성시킨다. 이때 숙성시의 수분량을 5∼25%로 조절한다.

<표 4> 원료배합비

(2) 성형공정

이들 혼합숙성된 원료의 축열벽돌의 성형은 크랭크 프레스(crank press), 오일프레스(oil press)등의 기계적 성형기를 이용하여 성형시키며 축열 원료의 수분량이 5∼25%가 되도록 조정한다.

(3) 건조, 소성공정

성형된 축열벽돌을 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해 터널식 킬른에서 약 50∼90℃로 서서히 건조시켰다. 그리고, 터널식 킬른을 이용하여 750∼1,150℃에서 약 15∼30시간 정도 소성하였다.

상기의 실시예와 같이 제조되는 본 발명에서 사용되는 동제련 슬래그의 경우, 형상이 조대하고 기본적으로 함수율이 50∼70%를 차지하는 혼련상태가 대단히 좋다. 성형결합재로는 소성온도와 성형성을 향상시켜 연료비를 절감시키는 일반적인 규산소다 성분인 물유리를 사용하였으며, 동 슬래그와 적점토를 <표 4>와 같이 여러 비율로 배합하여, 혼합하였다.

혼합원료는 폭 15mm ×길이 40mm × 높이 9mm 크기의 사각 기둥형태로 전제 4톤 하중으로 성형하였다. 성형체는 약 70∼100℃에서 1일간 건조시킨 후 700℃∼1300℃범위에서 2시간씩 소성하였다. 소성은 대부분 공기중에서 수행하였고 소성 후 체적수축률, 항절력을 조사하였다. 항절력은 4점굽힘시험으로 측정하였고, 재료의 열용량은 시료를 분쇄한 후 열시차분석기를 이용하여 측정하였다.

표 5에 나타낸 바와 같은 여러 조성의 시료들을 1300℃가지 소성하였을 때의 체적수축률을 대부분 상온∼1150℃까지는 0.25∼5%이며 1150∼1300℃에서는 20∼40%의 수축율을 나타내었다.

<표 5> 소성 수축율 시험결과

(중량퍼센트)

1150℃와 1200℃에서 소성한 시료들의 항절력을 4점굽힘시험으로 측정하였다. 표4에서 소성온도가 표기되지 않은 시료들은 1200℃에서 소성한 것이다.

항절력은 적점토의 비율이 클수록, 소성온도가 높을수록 증가하였다. 또한, 물유리 첨가로 항절력이 증대되었다. 표 6의 결과와 같이 대부분의 시료가 1200℃부터 급격한 팽창을 시작하지만, 항절력은 오히려 1200℃에서 증가하는 경향이었다. 동슬래그의 혼합 비율이 높은 시료보다는 적점토의 비율이 높은 시료에서 열용량이 전체적으로 높게 나타났다. 이와 같이 축열재들의 소성특성, 항절력, 비열 등의 특성만을 고려할 때는 동슬래그의 혼합은 축열재 성능에 부정적인 영향을 나타낸다. 그러나 난방용 축열재에서 요구되는 중요한 특성중의 하나는 축열 후 축열된 열량을 방출하는 속도가 느려야한다는 것이다. 이러한 낮은 열방출속도는 축열재를 다공질화함으로써 얻을 수 있다. 동슬래그의 첨가는 시료의 다공질화를 촉진시킨다.

<표 6> 항절력(MPa) 시험결과

또한 A∼H까지의 시료의 경우, 시차열분석에 의한 열용량측정결과 400℃에서 1.1∼1.45J/g ·℃ 열용량을 나타내었다.

<표 7> 열용량 (J·/g ·℃)

상술한 바와 같이 본 발명의 축열벽돌은 폐기되는 동슬래그, 황토 등을 사용하기 때문에 알루미나를 쓴 축열벽돌에 비해 축열용량이 보다 커서 (1.4J/g℃이상), 전기 히터에서 발생하는 열을 효율적으로 축열하여 서서히 축적된 열을 방출하는 효과가 있으며, 재료의 특성상, 일반적 열 충격 온도 범위인 500∼700℃의 경우에서의 열충격에 대한 저항성이 큰 것이 특징이다. 또한 동제련공정에서 발생하는 슬래그를 이용하여 고부가의 축열용 벽돌을 생산하는 환경친화적 효과를 가져올 수 있다.

제 1도는 축열 벽돌 제조 공정

표 1은 폐기 동슬래그의 화학적 조성(중량%)

표 2는 원료배합비

표 3은 소성수축율 시험결과

표 4는 항절력 시험결과

표 5는 소성 수축율 시험결과

표 6은 항절력(MPa) 시험결과

표 7은 열용량 (J ·/g·℃)

Claims (5)

1. 동 제련시 화학적 조성이 중량 퍼센트로 구리(Cu)0.7∼1.1%, 전철분(T-Fe)36.0∼48.0%,산화칼슘(CaO)0.7∼5.0%,산화마그네슘(MgO)0.7∼1.2%,이산화규소(SiO₂)27.0∼34.0%,산화알루미늄(Al₂O₃)2.5∼5.5%,산화철(Fe₃O₄)3∼10%인 동슬래그를 축열벽돌을 제조하는 것을 특징으로 하는 축열벽돌 조성물.
2. 제1항에 있어서 동슬래그의 량이 50∼90 %인 축열벽돌 조성물
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 첨가제로 점토 및 황토 20∼65중량％, 물유리 5∼10중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 축열벽돌 조성물.
5. 제 1항에 있어서, 물유리의 조성은 Na₂O와 SiO₂(몰비는 1:1∼1:4)로 나타내며, 점성질의 알칼리성을 나타내는 투명한 용액이라는 것을 특징으로 하는 축열벽돌 조성물.