KR101136919B1 - 탄소함량이 저감된 탈황슬래그를 포함하는 콘크리트용 혼화재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 0.3mm 이하의 입도를 갖는 탈황슬래그를 분리하여 분말도 4,000 cm2/g 이상으로 미분말화시킴으로써, 보통 포틀랜드 시멘트를 활용한 경우와 동등한 이상의 압축강도를 발현하고 콘크리트 타설시 우려되는 콘크리트 표면 블리딩수에 C 성분이 뜨는 현상을 방지할 수 있는 효과를 갖는 콘크리트용 혼화재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탈황슬래그, 콘크리트, 입도, 탄소

Description

탄소함량이 저감된 탈황슬래그를 포함하는 콘크리트용 혼화재 및 그 제조방법{Additive for concrete comprising desulfurized slag with low carbon content and preparation method thereof}
본 발명은 탈황슬래그를 활용한 콘크리트용 고기능성 혼화재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제강공정 중 쇳물에 포함된 불순물 중 황(S)을 제거하는 용선예비처리 단계에서 발생하는 탈황슬래그를 전량 수거하여 자원으로 재활용할 수 있도록 한 탈황슬래그 재활용방법에 관한 것이다.
탈황슬래그는 고염기도로 에이징시 분화되어 기존 제강슬래그의 물성을 저하시키는 반면, CaO성분이 50% 이상 함유되어 있어 콘크리트용 시멘트 혼화재로 활용이 가능하다. 그러나, 현재까지는 탈황슬래그에 대한 재활용 기술 및 수요가 개발되어 있지 않다.
또한, 종래의 관련 특허로서 용선탈황슬래그 중 황 제거기법, 배재효율 향상, 탈황슬래그를 이용한 탈황재 개발 등에 관한 특허는 등록되어 있으나, 탈황슬 래그를 활용한 콘크리트용 혼화재 개발에 관한 특허는 없다.
특히, 탈황슬래그에 함유된 카본(C) 성분을 제거하는 공정에 관한 것과 C 성분이 제거 또는 저감된 용선 탈황슬래그를 이용한 콘크리트용 혼화재에 관한 특허는 없다.
본 발명은 탈황슬래그를 활용한 콘크리트용 혼화재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 탈황슬래그에 함유된 철금속 성분과 C 성분 및 비자착 성질의 슬래그를 각각 분리하는 공정과 비자착의 탈황슬래그 분말을 이용하여 콘크리트용 혼화재 제조방법에 관한 것이다. 탈황슬래그중 C 성분을 제거 또는 저감한 슬래그 미분말을 활용함으로써, 보통 포클랜드 시멘트를 활용한 경우에 비하여 압축강도를 동등이상의 수준까지 향상시키고, 콘크리트 타설시 콘크리트 표면 블리딩수에 C 성분이 뜨는 현상을 사전에 방지할 수 있는 콘크리트용 혼화재로서 탈황슬래그의 재활용 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에서는 0.3mm 이하의 입도를 갖는 탈황슬래그를 분리하여 분말도 4,000 cm2/g 이상으로 미분말화시킴으로써, 보통 포틀랜드 시멘트를 활용한 경우와 동등한 이상의 압축강도를 발현하고 콘크리트 타설시 우려되는 콘크리트 표면 블리딩수에 C 성분이 뜨는 현상을 방지할 수 있는 효과를 갖는 콘크리트용 혼화재를 제공한다.
현재 전량 폐기되고 있는 비자착 탈황슬래그를 콘크리트용 혼화재로 이용함으로써 산업부산물의 고부가 유효자원화를 도모하고 시멘트 생산 시 발생하는 대량의 CO2 저감에 의한 환경부하 저감에 기여할 수 있다는 측면에 본 발명의 효과가 있다. 보다 구체적으로는 보통 포틀랜드 시멘트를 활용한 경우와 동등한 이상의 압축강도를 발현할 수 있고, 탈황슬래그중에 함유된 C 성분을 제거 또는 저감함으로써, 비자착분의 탈황슬래그 미분말을 콘크리트용 혼화재로 재활용시 콘크리트 타설시 우려되는 콘크리트 표면 블리딩수에 C 성분이 뜨는 현상을 방지할 수 있는 환경부하 저감형 고기능성 혼화재를 개발하는 데 발명의 효과가 있다.
본 발명은 분말도 4,000 cm2/g 이상으로 미분말화된 탈황슬래그를 포함하는 콘크리트용 혼화재에 관한 것이다. 본 발명의 콘트리트용 혼화재는 분말도가 4,000 cm2/g 이상으로 미분말화된 탈황슬래그를 포함하면 되며, 10,000 cm2/g을 초과할 경우 분쇄비 과다로 비경제적일 수 있기는 하나, 분말도가 높은 경우 압축강도 발현에 도움이 될 수 있으므로, 상한에는 제한이 없다.
상기 탈황슬래그는 0.3mm 이하의 입도를 갖는 탈황슬래그를 미분말화하여 제조되며, 보다 구체적으로는 0.15mm 이하의 입도를 갖는 탈황슬래그를 미분말화하여 제조할 수 있다.
상기 탈황슬래그 중 C 함량은 1.5중량% 이하이며, 탈황슬래그는 비자착 탈황 슬래그이다.
본 발명의 탈황슬래그는 제강(製鋼)공정 중 쇳물에 포함된 불순물 중 황(S)을 제거하는 용선예비처리에서 발생하는 슬래그 부산물이며, 탈황슬래그는 CaO 40~70 중량부, SiO2 10~30 중량부, Al2O3 0.5~5 중량부, MgO 0.5~5 중량부, T-Fe 0.5~5 중량부 및 S 0.5~5 중량부를 포함하는 슬래그를 원료로 한다.
본 발명은 (a) 탈황슬래그를 건조시키는 단계; (b) 상기 건조된 탈황슬래그를 자력선별 및 입도 분리하여 비자착 탈황슬래그를 수득하는 단계; 및 (c) 상기 탈황슬래그를 4,000cm2/g 이상으로 미분말화하는 단계를 포함하는, 콘크리트용 혼화재의 제조방법에 관한 것이다.
상기 단계 (b)에서 수득된 비자착 탈황슬래그의 입도는 0.3mm 이하, 보다 구체적으로는 0.15mm 이하이다.
상기 입도 분리시에는 정전선별, 체, 공기분급 또는 부유선별법과 같은 입도 분리방법을 사용할 수 있다.
본 발명은 용선예비처리 단계에서 발생하는 용융탈황슬래그를 냉각 및 건조하는 단계; 건조시 발생되는 미분의 슬래그 및 C 성분을 집진하는 단계; 집진된 슬래그 및 C 성분이 혼합된 분말을 분급기를 통하여 슬래그 성분과 C성분이 각각 농축된 미분말을 분리하는 단계, 즉, 집진기에 혼입된 분말중에서 C 성분을 분리해 내는 단계; 상기 건조된 슬래그를 파쇄, 정제, 자력 선별하는 단계; 자력선별시 자착분의 철금속을 저장하는 단계; 및 자력선별시 비자착 슬래그를 분쇄하여 분말도 4,000cm2/g이상으로 미분말(微粉末)화 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 미분말은 분말도 4,000cm2/g이상이라면 콘크리트용 혼화재로 바로 활용해도 그 성능이 발현되며, 비자착 탈황슬래그를 미분말화하기 이전에 슬래그에 함유된 C 성분을 사전에 제거 또는 저감시키고 미분말화 후 콘크리트용 혼화재로 배합하면 기능성을 보다 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 기존의 탈황슬래그 처리공정을 나타낸 플로우차트이다. 종래의 공정에서는 도시된 바와 같이 탈황슬래그를 수거하여 냉각한다(A100). 냉각된 슬래그는 유가금속회수를 위하여 크러셔와 로드밀 등의 파쇄기에 의해 파쇄된다(A101). 이와 같이 파쇄된 슬래그는 자력선별(A102)과정을 거치게 되면서 슬래그 중 유가금속을 회수한 후 비자착(A103)과 자착(A200)으로 구분되어 처리된다. 비자착(A103)의 슬래그는 현재 용도가 개발되어 있지 않으므로 전량 폐기되며, 자착(A200) 의 경우에는 소결원료화(A201)공정을 거친 후 제강공정으로 재투입(A202)되고 있다.
본 발명은 건조시 발생되는 미분의 슬래그 및 C 성분을 집진하는 단계; 용융상태의 탈황슬래그를 냉각하기 위해 슬래그 포트(pot)로 배출되어 살수 처리에 의해 냉각된 탈황슬래그(B101)을 건조기(B102)를 통해 건조처리한다. 이때 발생되는 미립자의 슬래그 성분과 C 성분은 싸이클론(B103)과 백필터 집진기(B104)를 통하여 포집하는 단계를 포함한다. 또한 중간 가공처리시 햄머크러셔에서 발생되는 미립자 의 슬래그 성분과 C 성분은 집진기(B116 및 B111)에 포집된다.
집진된 슬래그 및 C 성분이 혼합된 분말을 분급기(B105)를 통하여 슬래그 성분과 C성분이 각각 농축된 미분말을 분리하는 단계, 즉, 집진기에 혼입된 분말중에서 C 성분을 분리해 내는 단계; 집진기(B104, B111 및 B116)에서 포집된 슬래그 및 C성분이 혼합된 분말을 분급기(B105)를 통하여 C 성분이 농축된 분말과 슬래그 성분이 농축된 분말을 각각 분리하는 단계를 포함한다. 이때 사용되는 분급기는 마찰하전 또는 정전기를 이용한 정전선별 방법이거나, 또는 체(sieve)나 분별기(classifier)를 통한 입도분급 등의 건식 방법을 통한 C 성분을 제거 또는 저감하는 방법 중 어느 하나라도 바람직하다. 또한 분급방법으로서 액체를 통한 부유선별법등의 습식방법에 의한 C 성분 제거 또는 저감하는 방법을 택할 수 있다.
상기 건조된 슬래그를 파쇄, 입도분급, 자력선별 및 자착성분을 저장하는 단계; 건조기(B102)를 통해 건조된 슬래그를 Jaw Crusher(B107)를 이용하여 조파쇄하고 선별기(B108)을 통해 입도가 큰 것과 작은 것으로 입도구분 한다. 이때 [도 2]에는 8mm를 기준으로 실시한 것을 나타내고 있다. 입도가 큰 것은 햄머크려서(B115)를 이용하여 2차 파쇄를 실시한다. 햄머크려서는 철금속의 표면에 묻어 있는 슬래그등을 분리해내는 즉, 철금속의 정제과정의 하나이다. 그 후 자선기(B117)로 자착성분을 선별하고 입도가 굵은 것은 선별기(B118)로 선별한 후 저장(B119)한다. 입도가 굵은 비자착 슬래그는 선별기(B108) 앞공정으로 이송한다. 입도가 가는 것은 자선기(B109) 앞공정으로 이송한다.
한편, 선별기(B108)를 거친 후 입도가 가는 것(8mm 이하)은 자선기(B109)를 통하여 자력선별하고 자착성분은 선별기(B120)를 통하여 입도별로 저장(B121)하는 공정을 포함한다.
본 발명은, 자력선별시 비자착 슬래그를 분쇄하여 분말도 4,000cm2/g 이상으로 미분말(微粉末)화 하는 단계; 자선기(B109 및 B112)를 통과한 비자착 슬래그는 분쇄기(B113)를 통하여 분말도가 4000cm2/g 이상으로 분쇄한 후 저장(B114)하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실험예 1> 분말도에 따른 압축강도 측정
본 발명에서는 이와 같이 전량 폐기되고 있는 탈황슬래그의 경우 고염기도로서 에이징시 분화되어 기존 제강슬래그의 물성을 저하시키는 반면, CaO성분이 50% 이상 함유되어 있어 콘크리트용 시멘트 혼화재로 활용이 가능할 것으로 판단하고, 종래에 폐기되고 있던 비자착 탈황슬래그를 활용하여 콘크리트용 고기능성 혼화재를 개발하기 위하여 먼저 적정 분말도 수준을 검토하기 위해서 비자착 그대로의 탈황슬래그를 분말도 (3,000, 3,500, 4,000, 5,000, 6,000cm2/g 급) 별로 시멘트 중량 10%로 대체하여 압축강도를 측정하였다.
이를 위해 Water:Binder:Sand = 0.5:1:2.45 배합의 모르타르를 제작하였으며, 이때 Sand는 표준사를 활용하였고, Binder에 대하여 소정의 비율까지 탈황슬래그를 중량 대체하여 혼합하였다. 모르타르의 비빔은「KS L 5109(수경성 시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합방법)」에 준하였고, 28일 압축강도 평가는「KS L 5105(수경성 시멘트 모르타르의 압축강도 시험방법)」에 준하여 평가하였다.
하기 표 1에 탈황슬래그의 분말도 별 28일 압축강도 평가결과를 나타내었다.
[표 1]
NO. 탈황슬래그 분말도
(cm2/g)		 28일 압축강도
(N/mm2)		 비 고
비교예1 - *28.68 (기준값) 보통 포틀랜드 시멘트만을 활용
비교예2 3,000 24.08 (↓) 보통 포틀랜드 시멘트에 대하여 탈황슬래그를 10% 중량 대체
비교예3 3,500 25.54 (↓)
실시예1 4,000 28.91 (≒)
실시예2 5,000 31.71 (↑)
실시예3 6,000 32.60 (↑)
그 결과, 탈황슬래그의 분말도가 4,000 cm2/g 이상 인 경우 보통포틀랜드 시멘트 만을 활용했을 경우와 비교하여 동등 이상 수준의 압축강도를 발현하였다.
<실험예 2> 비자착 탈황슬래그의 입도별 C 함량 측정
용선 탈황슬래그중에 함유된 C 성분을 제거 또는 저감시키기 위하여 2mm 이하의 비자착 성분의 탈황슬래그를 대상으로 입도별 C 성분 함량을 측정하였다. 이는 입도 분급에 의해 C 성분의 제거 또는 저감여부를 확인하기 위함이다.
비자착 탈황슬래그의 입도별 C 함량을 측정한 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
[표 2]
Figure 112009081388911-pat00001
용선 탈황슬래그의 비자착 분말은 약 4~5중량%의 C 성분을 함유하고 있으며, 납작한 꽃잎 모양의 형상으로 슬래그중 단독으로 존재한다. 또한 자착물의 표면에 C성분이 많이 석출되어 있는 형태를 취하고 있다.
본 발명에서는 비자착 탈황슬래그중 입도분리를 통해 입도별 함유된 C성분의 량이 다르다는 것에 착안하고, 입도분리를 통해 탈황슬래그중 C 성분을 저감하는 것이 가능하다는 것을 착안하였다.
상기 표 2의 결과와 같이 탈황슬래그를 0.3mm 체로 입도분리를 할 경우, 0.3mm 이하의 탈황슬래그 중에는 C함량이 1.42 중량%인 것으로 나타났다.
<실험예 3>
탈황슬래그 미분말을 콘크리트용 혼화재로 활용시 탈황슬래그에 함유된 C 성분이 콘크리트 혼합시 배합수면 블리딩수 위로 떠 오르는 현상이 나타나지 않는 범위를 찾기 위한 시험을 실시하였다.
시험방법은 Water:Binder:Sand = 0.5:1:2.45 배합의 모르타르를 제작하였으며, 이때 Sand는 표준사를 활용하였고, Binder에 대하여 소정의 비율까지 탈황슬래그를 중량 대체하여 혼합하였다. 모르타르의 비빔은「KS L 5109(수경성 시멘트 페이스트 및 모르타르의 기계적 혼합방법)」에 준하였고, 모르타르 배합후 표면 블리딩 표면수에 C 성분이 떠 오르는지를 육안 관찰하여 판단하였다.
시험결과, 탈황슬래그의 입도가 0.3mm 이하인 슬래그를 활용하여 4000cm2/g으로 미분말화하였을 경우, 바람직하게는 0.15mm 이하의 슬래그를 활용하여 미분말화하였을 경우에 불리딩 표면수에 C 성분이 떠오르는 것을 막을 수 있다는 것을 알았다.
한편, 도 2는 탈황슬래그를 폐기하고 있었던 기존 탈황슬래그의 배출공정(도 1)을 개선하여 탈황슬래그중 C을 제거 또는 저감한 후 콘크리트용 고기능성 혼화재 및 그 제조를 위한 개선공정의 플로우챠트를 나타낸 것이다.
도 1은 탈황슬래그를 처리하는 기존 공정을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 2는 본 발명에 따른 공정의 모식도로서 탈황슬래그 중 C함량 저감을 통한 콘크리트용 고기능성 혼화재를 제조하는 방법을 나타내는 플로우 챠트이다.

Claims (10)

  1. 분말도 4,000 cm2/g 이상으로 미분말화된 비자착 탈황슬래그를 포함하는 콘크리트용 혼화재.
  2. 제1항에 있어서
    상기 혼화재가 0.3mm 이하의 입도를 갖는 탈황슬래그를 미분말화한 탈황슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 혼화재.
  3. 제1항에 있어서
    상기 혼화재가 0.15mm 이하의 입도를 갖는 탈황슬래그를 미분말화한 탈황슬래그를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 혼화재.
  4. 제1항에 있어서
    상기 탈황슬래그 중 C 함량이 1.5중량% 이하인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 혼화재.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서
    상기 탈황슬래그가 CaO 40~70 중량부, SiO2 10~30 중량부, Al2O3 0.5~5 중량부, MgO 0.5~5 중량부, T-Fe 0.5~5 중량부 및 S 0.5~5 중량부를 포함하는 슬래그를 원료로 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 혼화재.
  7. (a) 탈황슬래그를 건조시키는 단계;
    (b) 상기 건조된 탈황슬래그를 자력선별 및 입도 분리하여 비자착 탈황슬래그를 수득하는 단계; 및
    (c) 상기 탈황슬래그를 4,000cm2/g 이상으로 미분말화하는 단계를 포함하는, 콘크리트용 혼화재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서
    단계 (b)에서 수득된 비자착 탈황슬래그의 입도가 0.3mm 이하인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 혼화재의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서
    단계 (b)에서 수득된 비자착 탈황슬래그의 입도가 0.15mm 이하인 것을 특징으로 하는 콘크리트용 혼화재의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서
    상기 입도 분리가 정전선별, 체, 공기분급 및 부유선별법으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 입도 분리방법을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘크리트용 혼화재의 제조방법.
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