KR101184595B1

KR101184595B1 - 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그를 이용한 시멘트 클링커의 제조방법

Info

Publication number: KR101184595B1
Application number: KR1020110132530A
Authority: KR
Inventors: 손성호
Original assignee: 동양시멘트 주식회사
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-09-21

Abstract

본 발명은 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그를 이용한 시멘트 클링커의 제조방법에 관한 것으로서, 73~85중량%의 석회질 원료; 5~21중량%의 점토질 원료; 및 1~3 중량%의 산화철질 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 상기 분쇄 혼합물을 800~900℃로 예열하는 단계; 및 상기 예열한 분쇄 혼합물 및 5~15 중량%의 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그를 혼합하여 1250~1400℃에서 소성하는 단계;를 포함하며, 이때 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하이다.

Description

수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그를 이용한 시멘트 클링커의 제조방법{METHOD FOR CEMENT CLINKER PRODUCTION USING GRANULATED BLAST FURNACE SLAG OR FINEX SLAG}

제철제강산업은 대량의 원료와 다량의 에너지를 소비하여 철강을 생산할 뿐만 아니라 다량의 부산물과 폐기물을 발생시켜 환경문제로 대두되고 있어 이의 재활용이 시급하다. 제철제강산업의 부산물로서 발생되는 슬래그, 특히 고로 슬래그는 고로에서 철을 제조할 때 철광석이나 코크스의 회분에 존재하는 SiO₂와 Al₂O₃ 등이 1350~1550℃의 고온에서 석회와 반응하여 생성된 것으로 그 비중이 철보다 낮아 선철과 분리된다. 고온에서 분리된 용융 슬래그를 서냉하면 열역학적으로 안정화된 결정이 생성되며 이를 괴재 슬래그라 한다. 반면, 고온 용융된 슬래그를 급냉하면 열역학적으로 불안정한 유리질의 슬래그가 생성되며, 이를 수쇄슬래그라 한다. 이 수쇄슬래그는 열역학적으로 불안정하기 때문에 알칼리 분위기 하에서 유리질의 미세구조가 파괴되어 SiO₂와 Al₂O₃가 용출되고 주위의 알칼리와 반응하는 특성을 가진다. 또한, 입자크기는 4.5㎜를 100% 통과하는 입도를 가지며, 글래스(glass)화율은 약 98% 정도인 비결정질로 구성되어 있다. 그리고 제철공정의 부산물 중에 파이넥스 슬래그가 있다. 파이넥스 슬래그는 첨단 제철기술의 하나로써 기존의 용광로 공법과 다르게 파이넥스 공법에 의해서 만들어지는 부산물로서 성분의 미세한 함량의 차이는 있지만 기존의 수쇄 슬래그와 비슷한 성질을 가지고 있어서 Kiln Inlet에 투입하여 동일한 기술로 사용할 수 있다.

이런 고로 슬래그 또는 파이넥스 슬래그는 주로 시멘트의 제조에 이용되고 있다. 일반적으로 시멘트는 석회석을 주원료로 하여 규석류, 점토류 및 철질류 등을 LSF(lime saturation factor), SM(silica modulus), IM(iron modulus) 등의 시멘트 클링커 모듈러스(cement clinker modulus)에 따라 첨가하여 제조한다.

특허문헌 1에서는 고로 슬래그 중 괴재 슬래그를 이용하여 시멘트 클링커를 제조하는 발명이 기재되어 있다. 상기 특허에 의하면, 괴재 슬래그를 지름 2인치(5.08㎝)로 분쇄하여 다른 원료와 함께 소성이 일어나는 킬른으로 투입하여 원료와 괴재 슬래그가 가열 단부쪽으로 이동함에 따라 슬래그가 용융되고 원료 중으로 확산되어 시멘트 클링커를 제조한다. 그러나, 지름이 2인치에 달하는 괴재 슬래그(용융온도=1400℃)를 용융시키고 이를 다른 원료와 소성 반응시키기 위해서는 킬른에서 열 처리를 해야 하는 시간이 상당히 길어지고 상당히 입도가 큰 슬래그의 용융 및 소성 반응에 필요한 열을 공급하기 위해서는 엄청난 에너지가 요구되는 단점이 있다. 또한, 전량의 괴재 슬래그가 용융되지 않는 경우 용융되지 않은 괴재 슬래그에서는 표면에서만 소성 반응이 일어나 슬래그 활용률도 낮으며 이렇게 생성된 시멘트 클링커의 품질도 열악한 단점이 있다.

한국등록특허 10-0252722

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명은 슬래그의 이용률을 높이고 시멘트 클링커 제조의 핵심 원료인 석회질 원료의 활용률도 높이면서 에너지도 절감할 수 있고 품질이 우수한 시멘트 클링커의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은 시멘트 클링커의 제조방법으로서, 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 수쇄 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 73~85중량%의 석회질 원료; 5~21중량%의 점토질 원료; 및 1~3 중량%의 산화철질 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 상기 분쇄 혼합물을 800~900℃로 예열하는 단계; 및 상기 예열한 분쇄 혼합물 및 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 수쇄 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 5~15 중량%의 수쇄 슬래그를 혼합하여 1250~1400℃에서 소성하는 단계;를 포함하며, 이때 수쇄 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하일 수 있다.

상기 시멘트 클링커의 모듈러스는 LSF(Lime saturation factor) 90~100, HM(hydraulic modulus) 2.0~2.2, SM(silica modulus) 2.0~2.5, IM(Iron modulus) 1.5~1.7일 수 있다.

또한, 상기 점토질 원료는 1.1~9.5 중량%의 고령토 및 3.9~11.5 중량%의 연소재(bottom ash) 또는 비산재(Fly ash)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 분쇄 혼합물을 예열하는 단계에서 탈탄산 반응이 일어날 수 있다.

또한, 상기 소성하는 단계에서, 상기 수쇄 슬래그는 600~800℃에서 용융되어 상기 분쇄 혼합물의 용융을 촉진시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 시멘트 클링커의 제조방법으로서, 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 파이넥스 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 73~85중량%의 석회질 원료; 5~21중량%의 점토질 원료; 및 1~3 중량%의 산화철질 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 상기 분쇄 혼합물을 800~900℃로 예열하는 단계; 및 상기 예열한 분쇄 혼합물 및 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 파이넥스 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 5~15 중량%의 파이넥스 슬래그를 혼합하여 1250~1400℃에서 소성하는 단계;를 포함하며, 이때 파이넥스 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하일 수 있다.

또한, 상기 소성하는 단계에서, 상기 파이넥스 슬래그는 600~800℃에서 용융되어 상기 분쇄 혼합물의 용융을 촉진시킬 수 있다.

본 발명에 따르면 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그의 입도를 제한하여 그 이용률을 높이고 또한 용융 온도가 낮은 수쇄 슬래그(600~800℃)를 클링커 제조 원료로 소성 단계에 투입하여 나머지 원료들의 용융을 촉진시켜 종래 기술과 달리 소성 온도를 1400℃가 넘게 상승시키지 않아서 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 또한, 소성 온도가 비교적 낮아서 환경 유해 물질이 NOx 생성을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 시멘트 클링커를 제조하는데 이용되는 킬른 시스템을 도시한다.

이하에서, 본 발명을 더 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면은 시멘트 클링커의 제조방법으로서, 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 수쇄 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 73~85중량%의 석회질 원료; 5~21중량%의 점토질 원료; 및 1~3 중량%의 산화철질 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 상기 분쇄 혼합물을 800~900℃로 예열하는 단계; 및 상기 예열한 분쇄 혼합물 및 상기 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 수쇄 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 5~15 중량%의 수쇄 슬래그를 혼합하여 1250~1400℃에서 소성하는 단계;를 포함하며, 이때 수쇄 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 시멘트 클링커의 제조방법으로서 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 파이넥스 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 73~85중량%의 석회질 원료; 5~21중량%의 점토질 원료; 및 1~3 중량%의 산화철질 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계; 상기 분쇄 혼합물을 800~900℃로 예열하는 단계; 및 상기 예열한 분쇄 혼합물 및 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 파이넥스 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 5~15 중량%의 파이넥스 슬래그를 혼합하여 1250~1400℃에서 소성하는 단계;를 포함하며, 이때 파이넥스 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하일 수 있다.

상기 석회질 원료는 시멘트 주원료로서 주성분은 탄산칼슘(CaCO₃)이지만 불순물로서 실리카, 알루미나, 산화철 및 마그네시아(MgCO₃) 등을 포함하고 있다. 본 발명에 이용되는 시멘트 클링커 제조용 석회질 원료는 CaCO₃함량이 약 82%(CaO 46%) 이상이면 사용할 수 있다. 또한 Na₂O를 기준으로 알칼리 총량(0.658K₂O+Na₂O)이 1% 이상으로 알칼리도가 높으면, 시멘트의 초기 수화를 지나치게 촉진시켜 유동성을 저하시킬 염려가 있으며 또한 비결정질 실리카를 함유한 골재와 화학반응을 하여 콘크리트 경화체를 균열시킬 수도 있다. 이런 석회질 원료는 73~85 중량%로 사용된다.

또한, 점토질 원료는 CaO를 제외한 SiO₂, Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 등의 성분을 공급한다. 일반적으로 점토질 원료로 천연광물인 고령토 등이 이용되며, 최근 화력발전소에서 발생하는 연소재(bottom ash) 또는 비산재(Fly ash)를 고령토의 일부로 대체하여 사용할 수 있다. 이런 점토질 원료는 5~21 중량%가 사용된다. 더 상세하게는 1.1~9.5 중량%의 고령토 및 3.9~11.5 중량%의 연소재(bottom ash) 또는 비산재(Fly ash)를 사용할 수 있다.

또한, 점토질 원료만으로 Fe₂O₃ 성분이 부족하므로 이의 보충을 위해 산화철 원료를 사용한다. Fe₂O₃ 성분은 시멘트 반제품인 클링커(clinker)를 소성할 때 Al₂O₃ 성분과 화합하여 소성반응을 용이하게 돕는 역할을 한다. 이런 산화철 원료로 소량의 철광석과 제철공장에서 발생되는 부산물인 제강 슬래그를 사용할 수 있다. 이런 산화철 원료는 1~3 중량% 사용될 수 있다.

또한, 상술한 석회질 원료만으로는 부족한 CaO를 비롯한 구성요소를 조정 내지 추가하기 위해 수쇄 슬래그를 소성단계에서 추가한다. 수쇄 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하인 것이 바람직하다. 표 1에 일반적인 수쇄 슬래그와 파이넥스 슬래그의 입도 분포를 나타내었다.

체치수	점유율(%)
10 이상	0
5~10	0.25
2.5~5	7.91
1.2~2.5	42.37
0.6~1.2	32.71
0.3~0.6	13.04
0.15~0.3	2.76
0.08~0.15	0.61
0.08이하	0.35
합계	100

상기 표 1에서 알 수 있듯이 수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그는 그 자체로 10㎜ 미만의 입도를 가지는 미세 분말의 형태를 가진다. 그러나, 본 발명에서는 에너지 절감 및 자원 활용율을 높이기 위해 수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그의 입도를 2.5㎜ 이하로 제한한다.

2.5㎜를 초과하는 입도를 가지는 수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그는 볼밀, 롤러밀 등 기술분야에서 공지된 방법으로 2.5㎜ 이하의 입도로 분쇄할 수 있다. 표 1에서 알 수 있듯이, 10㎜ 이상의 입도를 가지는 수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그가 없기 때문에 2.5㎜ 이하의 입도로 분쇄하는데 어려움이 적다.

또한, 2.5㎜ 이하의 입도를 가지는 수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그가 91% 이상을 차지하므로 간단하게 2.5㎜ 이하의 입도를 가지는 수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그를 분리하여 이용할 수도 있다.

수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그의 입도를 2.5㎜ 이하로 제한하는 이유는 수쇄 슬래그 및 파이넥스 슬래그의 비표면적을 크게 하여 일차적으로 다른 원료와의 반응성을 향상시키기 위함이며 이차적으로 본 발명에 따른 시멘트 클링커로 제조된 시멘트의 안정도를 향상시키기 위함이다.

상술한 본 발명의 시멘트 클링커 제조에 사용되는 원료의 구성성분의 일 예를 하기 표 2에 나타낸다.

원료의 구성성분(단위: 중량%)

구분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O
석회석	2.57	0.28	0.31	50.82	1.79	0.25	0.01
고령토	73.80	9.00	7.40	2.90	1.60	2.30	0.30
연소재	53.10	22.50	3.80	7.70	1.00	2.60	0.50
제강 슬래그	17.10	5.40	58.90	3.40	3.00	0.90	1.20
수쇄슬래그	36.85	17.25	0.61	41.31	3.31	0.49	0.20
파이넥스 슬래그	43.78	14.06	0.57	32.83	9.77	0.93	0.45

상기 표 2에서 알 수 있듯이, CaO의 주공급원으로서 석회질 원료(석회석) 및 수쇄 슬래그, 파이넥스 슬래그가 이용되며, 실리카(SiO₂)의 주공급원으로서 고령토 및 연소재가, 알루미나(Al₂O₃)의 주공급원으로서 연소재 및 수쇄 슬래그, 파이넥스 슬래그가, 산화철(Fe₂O₃)의 주공급원으로서 제강 슬래그 등이 이용될 수 있다.

이하에서, 본 발명의 시멘트 클링커의 제조방법을 더 상세히 살펴본다.

본 발명의 시멘트 클링커는 석회석, 고령토 및 철광석의 원료를 상술한 것처럼 배합하여 원료분쇄기(raw mill)에 공급하여 분쇄 및 건조를 통해 미분화하여, 혼합저장 silo에서 균일하게 혼합한 뒤, 예열단계를 거친 후, 입도 2.5㎜의 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그와 함께 직접 킬른에 공급하여 소성할 수 있다. 이하에서, 본 발명의 시멘트 클링커의 소성 과정을 도 1을 참조하여 더 상세히 설명한다.

도 1에 본 발명의 시멘트 클링커를 제조하는데 이용되는 킬른 시스템을 도시한다.

상술한 석회질 원료, 점토질 원료 및 산화철 원료를 정량으로 계량 혼합하여 분쇄(평균입경=40㎛)한다. 분쇄는 일반적으로 기술분야에서 사용되는 볼밀(Ball Mill)과 수직롤러밀(Vertical Roller Mill) 등의 원료분쇄기를 이용하여 이루어진다.

분쇄한 원료를 정량 측정하여 호퍼(1)를 통해 예열탑(2) 상단으로 공급한다. 각 원료의 배합비는 상술한 LSF(Lime saturation factor) 90~100, HM(hydraulic modulus) 2.0~2.2, SM(silica modulus) 2.0~2.5, IM(Iron modulus) 1.5~1.7의 조건을 만족하도록 조정된다. 예열탑(2)으로 공급된 원료를 제1 버너(3)로 가열하여 킬른(4)으로 투입되는 원료의 온도는 약 850~950℃에 이르게 한다. 이때 예열탑 내에서는 각 원료에 부착된 수분의 증발, 화학수의 증발, 탈탄산반응(CaCO₃ → CaO + CO₂↑) 등이 일어나며 통상 약 36~38%의 중량이 감량된다. 여기서 탈탄산 반응은 475Kcal/Kg의 열량이 요구되는 에너지 소모가 큰 단계에 해당합니다. 본 발명에서 이용되는 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그는 이미 그 제조단계에서 탈탄산 반응이 이루어져서 예열단계에서 일어나는 탈탄산 반응을 거칠 필요가 없다. 이를 통해 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

또한, 예열탑(2) 내에서도 일부 고체상(solid phase)끼리 간단한 반응을 걸쳐 CaO.Al₂O₃(CA), 2CaO.Fe₂O₃(C₂F), 2CaO.SiO₂(C₂S) 등의 중간 생성물이 형성된다.

예열된 원료는 킬른(4)의 공급부(A)로 투입된다. 도 1에 도시된 것처럼은 킬른(4)은 약 3~5° 경사각을 가지며 배출부(B) 쪽으로 하향되어 있다. 킬른(4)의 공급부(A)로 투입된 예열된 원료는 경사진 킬른(4)을 따라 이동하면서 열을 흡수하여 클링커 생성 반응이 일어나는데, 배출부(B) 쪽에 가까운 제2 버너(5)의 화염대(flame zone)는 최대 1400℃에 이르게 된다.

킬른(4)에 투입된 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그는 열을 흡수하여 약 600~800℃에서 용융이 일어난다. 종래 기술의 공냉 슬래그(용융온도= 약 1400℃)에 비하여 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그는 용융되는 온도가 상당히 낮아 킬른(4)의 공급부(A)에 인접한 영역에서부터 탈탄산 반응이 일어난 나머지 원료들의 용융을 촉진시키는 특유한 효과가 있다. 또한, 소성단계가 일어나기 전에 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그의 용융이 완료되어 종래기술과 달리 슬래그의 용융이 완료되지 않고 클링커가 제조될 수 있는 위험이 배제되고, 또한 투입되는 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그의 이용율이 100%에 달하게 된다.

석회질 원료에서 유래된 CaO와 점토, 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그에서 유래된 SiO₂가 1100℃ 정도로부터 활발하게 반응하여 C₂S를 생성하며, 1200℃정도에서 전체 SiO₂가 C₂S로 변환된다. 킬른(4)에서 생성된 C₂S는 1250~1400℃에서 CaO와 반응하여 C₃S를 생성한다. 1250℃ 부근에서 액상이 생성하기 시작하면 C₂S는 CaO와 빠르게 반응하여 C₃S의 양을 증대하고 1400℃에서 CaO가 최소량이 될 때까지 반응은 계속된다. 이때의 생성물은 고상에서는 알라이트(alite, 3CaOㆍSiO₂, C₃S)와 벨라이트(belite, 2CaOㆍSiO₂, C₂S), 액상에서는 CaO, Al₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂등이 용해되어 있지만 냉각됨에 따라 액상에서 알루미네이트(aluminate, 3CaOㆍAl₂O₃, C₃A) 및 페라이트(ferrite, 4CaOㆍ Al₂O₃ㆍFe₂O₃, C₄AF)가 석출되어 C₃S와 C₂S의 간극을 채우게 된다.

상술한 바와 같이, 시멘트 반제품인 클링커는 산화칼슘(CaO)이 주성분이며, 이외에 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃)의 4 성분으로 구성되어 있으며, 이와 같은 4 성분이 소성반응을 거쳐 알라이트(alite, 3CaOㆍSiO₂, C₃S), 벨라이트(belite, 2CaOㆍSiO₂, C₂S), 알루미네이트(aluminate, 3CaOㆍAl₂O₃, C₃A), 페라이트(ferrite, 4CaOㆍ Al₂O₃ㆍFe₂O₃, C₄AF) 등의 4가지 클링커 광물을 생성한다.

본 발명의 시멘트 클링커의 모듈러스는 LSF(Lime saturation factor) 90~100, HM(hydraulic modulus) 2.0~2.2, SM(silica modulus) 2.0~2.5, IM(Iron modulus) 1.5~1.7이다.

LSF, 석회포화도(lime saturation factor)는 CaO에 대한 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 의 비율을 계산한 것으로, LSF 값이 높으면 클링커의 소성이 어려워지고 미반응 CaO(free CaO)가 생기기 쉬우며, LSF 값이 너무 낮으면 클링커의 소성은 용이하나 클링커의 품질이 떨어지며 시멘트 광물 중 가장 중요한 강도발현 특성을 갖는 알라이트(C₃S광물) 함량이 감소하여 압축강도의 저하를 초래한다. 따라서, 본 발명의 시멘트 클링커의 LSF(Lime saturation factor)는 90~100으로 유지한다.

SM, 실리카율(silica modulus)은 점토분 중의 Al₂O₃와 Fe₂O₃의 함량에 대한 SiO₂ 성분의 비율로서, 클링커 반응의 주 고체 반응물인 SiO₂와 킬른 내부에서 액상으로 전환이 가능한 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃의 비율을 뜻한다. SM값이 커지면 상대적으로 소성반응이 일어나는 킬른 내에서 클링커 반응성을 증가시키는 액상량이 감소하여 소성열이 증가하고 소성 불량을 초래할 수 있다. 반면 SM값이 작아지면 시멘트의 장기강도가 떨어진다. 본 발명에 따른 시멘트 클링커의 SM(silica modulus)은 2.0~2.5로 유지한다.

IM, 철율(iron modulus)은 Al₂O₃ 성분에 대한 Fe₂O₃ 성분의 비로서, 소성성에 영향을 미치는 또 다른 인자중의 하나인 액상의 점성의 정도를 나타낸다. 액상량이 동일한 경우, 액상의 점성이 낮을수록 클링커의 반응성이 좋아지게 되는데 동일한 액상량에서 Fe₂O₃의 점성이 Al₂O₃의 점성에 비해 상대적으로 낮기 때문에 IM이 증가하게 되면 액상의 점성이 증가하게 되므로 많은 소성열이 필요하게 되어 소성불량의 원인이 될 수 있다. 또한 시멘트 물성 측면에서는 지나치게 IM이 높을 경우 수화열이 높은 aluminate(C₃A) 함량이 급격히 증가하게 되며 이로 인해 매스 콘크리트 구조물에 균열이 발생할 수 있다. 반면, IM 값이 낮으면 소성은 용이하나 지나칠 경우 공정에 문제를 야기시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 시멘트 클링커의 IM(Iron modulus)은 1.5~1.7로 유지한다.

클링커(clinker)는 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철 원료 및 수쇄 슬래그를 상기에서 정의한 비율로 혼합, 분쇄하여 고온(1400℃)에서 CaO, Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃ 등 4가지 성분이 반응하여 생성된 새로운 인조 광물이다. 시멘트 기본 물성을 갖는 4가지 새로운 광물은 알라이트(C₃S), 벨라이트(C₂S), 페라이트(C₄AF), 알루미네이트(C₃A)이다. 고온의 킬른(rotary kiln)에서의 반응은 충분한 반응시간과 온도의 유지가 중요한데 가장 이상적인 반응일수록 원료 중의 CaO 성분이 4가지 광물을 생성하는데 다 소진되고 "0"에 수렴하게 된다. 그러나 실제에서는 일부 CaO 성분이 화학반응에 참여하지 못하고 CaO 성분으로 잔존하게 되는데 이를 free-CaO(자유석회) 또는 free lime이라고 부르며 시멘트 소성 공정의 안정성을 평가하는 지표로 활용되고 있다. 또한 free-CaO는 물과 반응하여 부피팽창을 유발시키므로 시멘트의 내구성을 저하시키는 원인이 되기도 한다.

이와 같은 free-CaO의 양으로 소성도(Burnability Index; BI)를 산출할 수 있다. 본 발명에 따라 배합된 시멘트 원료의 BI는 45~60을 나타낸다. 참고로, 소성도는 하기 식(POLYSIUS Method)으로 계산하며, 하기 표 3과 같은 기준으로 평가한다. 하기 표 3으로부터, 본 발명에 따른 시멘트 클링커는 매우 양호한 소성도를 가짐을 알 수 있다.

[식 1]

소성도(BI)= 3.731×(FCaO₁₃₅₀ _℃ + FCaO₁₄₀₀ _℃ + 2×FCaO₁₄₅₀ _℃ + 3×FCaO₁₅₀₀ _℃) / (FCaO_1350℃ - FCaO₁₃₅₀ _℃)^0.25

60 이하	매우양호	100 ~ 120	다소불량
60 ~ 80	양 호	120 ~ 140	불 량
80 ~ 100	보 통	140 ~ 160	매우 불량

[실험예 1] 슬래그 배합에 따른 소성도 비교

하기 표 4와 같이 배합비의 시멘트 클링커 원료를 이용하여 시멘트 클링커를 제조하여 상기 식 1을 이용하여 소성도를 측정하여 나타내었다.

슬래그 배합에 따른 소성도

	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6
석회석	79.9%	77.9%	75.9%	73.9%	78.1%	76.3%	74.5%
고령토	7.0%	7.6%	8.2%	8.8%	6.1%	5.3%	4.5%
연소재	11.5%	7.7%	3.9%	0.1%	8.9%	6.2%	3.6%
철질	1.6%	1.8%	2.0%	2.2%	1.9%	2.2%	2.4%
수쇄슬래그	0%	5.0%	10.0%	15.0%	-	-	-
파이넥스 슬래그		-	-	-	5.0%	10.0%	15.0%
소성도(BI)	68.3	59.9	53.9	45.5	61.7	55.4	48.1

상기 표 4에서 알 수 있듯이, 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그를 포함한 클링커(실시예 1 내지 6)에 비하여 수쇄 슬래그 또는 파이넥스 슬래그를 포함하지 않은 비교예 1의 경우 소성도가 68.3으로 소성도가 좋지 않았다.

[실험예 2] 슬래그 배합에 따른 화학 성적 비교

상기 실시예 1 내지 6의 LSF(Lime saturation factor), HM(hydraulic modulus), SM(silica modulus), IM(Iron modulus)를 측정한 결과를 표 5에 나타냈다.

슬래그 배합에 따른 화학 성적

슬래그 배합비	LSF	HM	SM	IM
실시예 1	96.06	2.17	2.40	1.65
실시예 2	96.07	2.17	2.40	1.65
실시예 3	96.04	2.17	2.40	1.65
실시예 4	95.82	2.17	2.40	1.65
실시예 5	95.80	2.17	2.40	1.65
실시예 6	95.80	2.17	2.40	1.65

상기 표 5에서, 본 발명에서 정의한 배합비 내에서 LSF(Lime saturation factor) 90~100, HM(hydraulic modulus) 2.0~2.2, SM(silica modulus) 2.0~2.5, IM(Iron modulus) 1.5~1.7를 만족함을 알 수 있다.

[실험예 3] 슬래그 입경별 열량

본 발명에서 이용되는 입도 2.5㎜의 수쇄 슬래그, 입도 1㎝의 수쇄 슬래그, 입도 2.5㎜의 파이넥스 슬래그, 입도 1㎝의 파이넥스 슬래그 및 종래기술에서 이용되는 입도 5㎝의 괴재 슬래그를 각각 1℃ 올리는데 필요한 열용량을 계산하여, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.

슬래그 입경별 열용량

	열용량(Kcal/℃)
수쇄 슬래그(2.5)	0.09479
수쇄 슬래그(1)	1.5166
파이넥스 슬래그(2.5)	0.09479
파이넥스 슬래그(1)	1.5166
공냉 슬래그(5)	37.9155

상기 표 6에서 알 수 있듯이, 입도 크기에 따라 필요한 열량 차이가 현저함을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 수쇄 슬래그의 용융온도가 600~800℃이고, 공냉 슬래그의 용융 온도가 1400℃인 점을 감안하면, 입도가 2.5㎜인 본 발명의 수쇄 슬래그를 승온·용융시키데 필요한 열량은 입도가 5㎝의 괴재 슬래그를 승온·용융시키는데 필요한 열량에 비하여 현저히 적다는 것을 알 수 있다.

더 상세히, 본 발명의 입도가 2.5㎜인 수쇄 슬래그의 경우, 실온(20℃)의 수쇄 슬래그를 600~800℃에서 용융시키고 클링커 제조를 위한 소성 단계를 위해 1400℃까지 가열하는데 있어 130.81Kcal(0.09479Kcal/℃*(1400℃-20℃))가 필요하다.

또한, 본 발명의 입도가 2.5㎜인 파이넥스 슬래그의 경우도 수쇄 슬래그와 비슷한 효과를 가진다.

반면, 공냉 슬래그의 경우, 실온(20℃)의 공냉 슬래그 1Kg을 1400℃까지 올리는데 필요한 열량은52,323.39Kcal(37.9155Kcal/℃*(1400℃-20℃))이다.

따라서, 본 발명에 따른 시멘트 클링커 제조방법은 종래기술에 비하여 에너지 절감효과가 현저함을 알 수 있다.

Claims

석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 수쇄 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 73~85중량%의 석회질 원료; 5~21중량%의 점토질 원료; 및 1~3 중량%의 산화철질 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계;
상기 분쇄 혼합물을 800~900℃로 예열하는 단계; 및
상기 예열한 분쇄 혼합물 및 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 수쇄 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 5~15 중량%의 수쇄 슬래그를 혼합하여 1250~1400℃에서 소성하는 단계;를 포함하며,
상기 수쇄 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하인 시멘트 클링커의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 시멘트 클링커의 모듈러스는 LSF(Lime saturation factor) 90~100, HM(hydraulic modulus) 2.0~2.2, SM(silica modulus) 2.0~2.5, IM(Iron modulus) 1.5~1.7인 시멘트 클링커의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 점토질 원료는 1.1~9.5 중량%의 고령토 및 3.9~11.5 중량%의 연소재(bottom ash) 또는 비산재(Fly ash)를 포함하는 시멘트 클링커의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 분쇄 혼합물을 예열하는 단계에서 탈탄산 반응이 일어나는 시멘트 클링커의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 소성하는 단계에서, 상기 수쇄 슬래그는 600~800℃에서 용융되어 상기 분쇄 혼합물의 용융을 촉진시키는 시멘트 클링커의 제조방법.
석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 파이넥스 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 73~85중량%의 석회질 원료; 5~21중량%의 점토질 원료; 및 1~3 중량%의 산화철질 원료를 분쇄 및 혼합하는 단계;
상기 분쇄 혼합물을 800~900℃로 예열하는 단계; 및
상기 예열한 분쇄 혼합물 및 석회질 원료, 점토질 원료, 산화철질 원료 및 파이넥스 슬래그로 이루어진 시멘트 클링커의 원료 물질 100중량%에 대하여, 5~15 중량%의 파이넥스 슬래그를 혼합하여 1250~1400℃에서 소성하는 단계;를 포함하며,
상기 파이넥스 슬래그의 입도는 2.5㎜ 이하인 시멘트 클링커의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 시멘트 클링커의 모듈러스는 LSF(Lime saturation factor) 90~100, HM(hydraulic modulus) 2.0~2.2, SM(silica modulus) 2.0~2.5, IM(Iron modulus) 1.5~1.7인 시멘트 클링커의 제조방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 점토질 원료는 1.1~9.5 중량%의 고령토 및 3.9~11.5 중량%의 연소재(bottom ash) 또는 비산재(Fly ash)를 포함하는 시멘트 클링커의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 분쇄 혼합물을 예열하는 단계에서 탈탄산 반응이 일어나는 시멘트 클링커의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 소성하는 단계에서, 상기 파이넥스 슬래그는 600~800℃에서 용융되어 상기 분쇄 혼합물의 용융을 촉진시키는 시멘트 클링커의 제조방법.