KR101187245B1 - 슬래그를 재활용한 주물사의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슬래그를 재활용한 주물사의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업현장에서 부생하는 슬래그를 재활용할 수 있는 주물사의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 페로니켈공장에서 부생하며, SiO2 및 MgO을 주성분으로 하고 MgO/SiO2 중량비율이 0.55 내지 0.65인 페로니켈(ferronickel) 슬래그를 건조시키는 건조단계와, 메쉬망을 이용하여 상기 페로니켈 슬래그를 입자 크기별로 분류하는 제 1선별단계와, 선별단계에서 선별된 페로니켈 슬래그를 분쇄하는 분쇄단계와; 상기 페로니켈 슬래그를 연마하여 구상화시키는 연마단계와, 페로니켈 슬래그를 12 내지 140메쉬 범위에서 입자 크기별로 분류하는 제 2선별단계를 포함한다.
본 발명은 페로니켈공장에서 부생하며, SiO2 및 MgO을 주성분으로 하고 MgO/SiO2 중량비율이 0.55 내지 0.65인 페로니켈(ferronickel) 슬래그를 건조시키는 건조단계와, 메쉬망을 이용하여 상기 페로니켈 슬래그를 입자 크기별로 분류하는 제 1선별단계와, 선별단계에서 선별된 페로니켈 슬래그를 분쇄하는 분쇄단계와; 상기 페로니켈 슬래그를 연마하여 구상화시키는 연마단계와, 페로니켈 슬래그를 12 내지 140메쉬 범위에서 입자 크기별로 분류하는 제 2선별단계를 포함한다.
Description
본 발명은 주물사의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업현장에서 부생하는 슬래그를 재활용할 수 있는 주물사의 제조방법에 관한 것이다.
각종 산업에 있어서 원자재가 차지하는 비중은 그 산업의 시작과 동시에 끝이라고 할 수 있다. 특히, 우리나라와 같이 지하자원이 부족한 나라에서 원자재를 안정적으로 공급할 수 있는 물량 확보 문제는 제일 먼저 해결해야할 선결 과제이다.
규사는 우리나라 경제 발전의 견인차 역할을 담당하고 있는 반도체 산업, 철강산업, 자동차산업, 선박산업, 유리산업, 주강 및 주물산업뿐만 아니라 골프장이나 수돗물 정수 처리용, 건축 자재용으로 사용되는 기본원료로서, 천연 규사로만 많은 수요를 충족시키기는 어렵다.
따라서, 이러한 천연 규사의 부족을 보충하면서, 다양한 목적의 인조 규사가 사용되는 데, 인조 규사가 사용되는 대표적 분야 중 하나는 바로 주물사이다.
주물사는 석영입자가 대부분이며, 장석과 점토를 소량 포함하고 있다. 채취되는 장소에 따라 산모래, 개울모래, 해변모래라고 한다. 점토는 모래알을 결합하는 구실을 하는데, 산모래에 많으며 개울모래, 해변모래에는 적다. 석영을 포함한 것은 내화성이 풍부하다. 석영이 특히 많은 것을 규사라고 하며, 주로 주강에 사용한다.
주물사는 그 성질로 보아 내화성 ?통기성 ?성형성이 좋아야 한다. 입자가 미세하고 점토분이 많은 것을 사용했을 때 그 형의 강도가 크고, 입자의 모양이 둥근 것일수록 성형성이 좋다. 입자가 거칠고 입자의 모양이 둥글며 점토분이 적은 것은 통기성이 좋다. 천연적으로 채취할 수 있는 한 종류의 모래만으로는 적응성이 좋지 않기 때문에 보통 몇 가지의 모래를 섞어서 사용한다.
하지만 종래와 같이 산모래에 많으며 개울모래, 해변모래를 채취하여 주물사로 이용하는 경우 환경파괴라는 문제가 발생하며, 자원의 고갈이라는 측면에서 바람직하지 못하다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 산업현장에서 발생하는 슬래그를 이용하여 천연 규사를 대체할 수 있어 자원을 재활용할 수 있는 주물사의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 슬래그를 재활용한 주물사의 제조방법은 페로니켈공장에서 부생하며, MgO/SiO2 중량비율이 0.55 내지 0.65인 페로니켈(ferronickel) 슬래그를 건조시키는 건조단계와; 메쉬망을 이용하여 상기 페로니켈 슬래그를 입자 크기별로 분류하는 제 1선별단계와; 상기 선별단계에서 선별된 페로니켈 슬래그를 분쇄하는 분쇄단계와; 상기 페로니켈 슬래그를 연마하여 구상화시키는 연마단계와; 상기 페로니켈 슬래그를 12 내지 140메쉬 범위에서 입자 크기별로 분류하는 제 2선별단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 건조단계에서의 페로니켈 슬래그는 흐르는 물로 급랭시킨 수재슬래그인 것을 특징으로 한다.
상기 제 2선별단계에서 선별된 페로니켈 슬래그 중의 실리카 및 알루미나 함량을 조절하기 위해 상기 페로니켈 슬래그에 적석지로부터 추출된 실리카 및 알루미나를 첨가하는 함량조절단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2선별단계 완료 후 상기 주물사 전체 중량 중 첨가제 0.5 내지 2.5중량%를 첨가하는 첨가단계;를 더 포함하고, 상기 첨가제는 벤토나이트, 메틸메타크릴레이트, 과산화벤조일, 석탄분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 산업현장에서 발생하는 페로니켈 슬래그를 이용하여 천연 규사를 대체할 수 있어 자원을 재활용할 수 있는 주물사의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 슬래그를 재활용한 주물사의 제조방법에 대해서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 주물사의 제조방법은 크게 건조단계와, 제 1선별단계와, 분쇄단계와, 연마단계와, 제 2선별단계를 포함한다.
먼저, 건조단계에서 페로니켈공장에서 부생한 페로니켈(ferronickel) 슬래그를 건조시킨다.
본 발명에서 적용되는 슬래그는 페로니켈공장에서 부생하는 페로니켈 슬래그이다. 페로니켈(ferronickel) 슬래그는 페로니켈의 제조시 전기로의 용융환원과정에서 발생하는 슬래그이다. 이러한 페로니켈슬래그는 고로슬래그에 비해 실리카의 함량이 약 52 내지 56wt%로 높을 뿐만 아니라 불순물이 적다는 장점을 갖는다.
페로니켈 슬래그는 용융 슬래그의 냉각방법에 따라 공기 중에서 서서히 냉각시킨 괴재슬래그(palletized slag-air cooled)와 물을 분사하여 급랭시킨 수재슬래그(granulated slag-water cooled)로 구별된다.
이 중 수재슬래그는 냉각과정에서 미립화되어 괴재슬래그보다 분쇄공정이 매우 용이하다. 따라서, 본 발명에서 페로니켈 슬래그로 수재슬래그를 이용하는 것이 특히 바람직하다.
일 예로서, 광양제철소 페로니켈공장에서 배출된 수재슬래그의 조성은 하기 표 1과 같다.
| 성분 | SiO2 | MgO | CaO | Fe2O3 | Al2O3 | NiO | Cr2O3 | MgO/SiO2 |
| 함량(wt%) | 55.3 | 33.4 | 0.6 | 4.9 | 1.8 | 0.12 | 0.77 | 0.61 |
본 발명에 적용된 페로니켈 슬래그는 SiO2 및 MgO를 주성분으로 한다. 여기서 '주성분'이란 SiO2 및 MgO가 합계량으로 페로니켈 슬래그 전체 성분 중에 80중량% 이상 함유되어 있는 것을 말한다. 바람직하게 페로니켈 슬래그 전체 성분 중 85 내지 90중량%이다. 또한, MgO/SiO2 중량비율은 0.55 내지 0.65이다. 바람직하게 MgO/SiO2 중량비율은 0.60이다.
상술한 페로니켈 슬래그 외에도 제철소의 제철공정 또는 제강공정에서 발생되는 고로 슬래그, 제강슬래그를 이용할 수 있고, 또한 제강의 예비처리 공정에서 발생되는 예비처리 슬래그, 스테인레스 제강공정의 정련로 슬래그 등을 이용할 수 있으나, 상술한 바와 같이 페로니켈 슬래그를 이용하는 것이 바람직하다.
참고로, 광양제철소에서 배출된 고로 수재슬래그의 조성은 하기 표 2와 같다.
| SiO2 | CaO | Fe2O3 | Al2O3 | MgO | P2O5 | TiO2 | Zn |
| 33.45 wt% | 41.07 wt% | 0.55 wt% | 13.62 wt% | 6.78 wt% | 0.01 wt% | 0.62 wt% | 0.002 wt% |
상기 표 1과 표 2를 비교해보면, 실리카의 함량이 페로니켈 슬래그가 고로 슬래그에 비해 훨씬 높음을 알 수 있다.
준비된 페로니켈 슬래그는 냉각과정에서 수분이 포함되어 있으므로 건조단계에서 건조되는 것이다. 건조 공정은 페로니켈 슬래그를 건조로를 통과시켜 열풍건조시킨다. 이때 건조로의 내부 온도를 200 내지 400℃로 유지시키고 출구 온도는 80 내지 100℃로 유지한다. 그리고 건조로를 통과하는 시간은 20 내지 60분 정도 인것이 적당하다.
상기 건조단계를 거친 페로니켈 슬래그는 제 1선별단계에서 입자 크기별로 분류한다. 슬래그의 냉각공정에서 입자화된 페로니켈 슬래그는 입자 크기별로 분류하여 각 크기에 따른 분쇄단계의 공정을 달리 적용할 수 있다.
분쇄단계에서 입자가 큰 페로니켈 슬래그는 조 크라샤(jaw crusher)로 1차 분쇄를 하고, 다음으로 콘 크라샤(cone crusher), 샌드밀(sand mill)을 거쳐 분쇄된다. 그리고 입자가 비교적 작은 페로니켈 슬래그는 콘 크라샤(cone crusher), 샌드밀(sand mill)을 거쳐 분쇄된다. 또한, 분쇄단계는 생산하고자 하는 주물사의 입자 크기에 따라 분쇄하는 과정이 적절히 조절될 수 있다. 분쇄단계에서 수득된 페로니켈 슬래그는 10 내지 120메쉬 입도 크기를 갖는다.
분쇄단계에서 분쇄된 페로니켈 슬래그는 침상구조를 파괴하고 통기성 및 성형성을 증대시킬 수 있도록 연마하여 구상화시키는 연마단계를 수행한다. 분쇄된 페로니켈 슬래그를 연마장치에 투입하여 연마시킨다. 이러한 연마장치로 통상적인 회전드럼을 이용할 수 있다. 고속으로 회전하는 회전드럼의 원심력에 의하여 회전드럼 내에서 페로니켈 슬래그 입자의 마찰에 의해 침상구조를 파괴시킨다. 이때 연마효율을 높이기 위해 회전드럼 내에 연마제가 투입될 수 있다.
연마된 페로니켈 슬래그는 12 내지 140메쉬 범위에서 입자 크기별로 분류하는 제 2선별단계를 거쳐 주물사를 제조한다. 서로 다른 메쉬를 갖는 메쉬망을 이용하여 크기별로 분류한다. 가령, 12 내지 18메쉬를 갖는 메쉬망을 이용하여 12 내지 18메쉬 입도 크기의 주물사와, 20 내지 40메쉬를 갖는 메쉬망을 이용하여 20 내지 40메쉬 입도 크기의 주물사와, 40 내지 70메쉬를 갖는 메쉬망을 이용하여 40 내지 70메쉬 입도 크기의 주물사와, 70 내지 140메쉬를 갖는 메쉬망을 이용하여 70 내지 140메쉬 입도 크기의 주물사로 분류할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예로서, 제 2선별단계에서 선별된 페로니켈 슬래그 중의 실리카 및 알루미나 함량을 조절하기 위해 상기 페로니켈 슬래그에 적석지로부터 추출된 실리카 및 알루미나를 혼합하는 함량조절단계를 더 수행할 수 있다.
페로니켈 슬래그만으로 구성된 주물사는 표 1의 페로니켈 슬래그의 구성성분에서 알 수 있는 바와 같이 알루미나(Al2O3)의 함량이 낮다. 따라서 알루미나의 함량을 증대시켜 열적변화에 대해 변화율을 낮게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 열적변화에 대해 변화율을 낮게 함으로써 주물 공정 중 주물사의 체적변화와 균열, 깨짐 현상을 크게 감소시킬 수 있다. 한편, 알루미나 외에도 실리카를 더 첨가하여 주물사 중의 실리카 함량을 조절할 수 있다.
본 발명에 적용된 적석지(赤石脂)(Halloysitum Rubrum)는 주성분으로 할로이사이트(halloysite) 및 카올리나이트(kaolinite)를 함유한다. 적석지는 적어도 알루미나가 30중량%이상 함유된 것이 바람직하다.
적석지의 구성성분은 채광지역에 따라 조성이 다를 수 있으나, 본 발명에 적용된 적석지의 일 예로 SiO2 25.64중량%, Al2O3 34.45중량%, K2O 0.30중량%, Na2O 0.17중량%, CaO 0.40중량%, MgO 0.28중량%, Fe2O3 37.65중량%, MnO 0.13중량%, TiO2 0.37중량%, 기타 수분 및 미량의 불순물로 조성된다.
적석지로부터 알루미나를 추출하기 위해 잘게 분쇄된 알루미나를 산용액과 반응시켜 알루니마를 추출한다. 이때 산용액과 반응성을 높이기 위해 500 내지 700℃에서 하소하는 하소공정이 추가됨이 바람직하다.
상기 하소공정을 통해 할로이사이트(Al2O3?SiO2?4H2O) 및 카올리나이트(Al2O3?2SiO2?2H2O)는 하기와 같이 무수화물 형태로 변해 산과의 반응성을 높인다.
Al2O3?SiO2?nH2O → Al2O3?SiO2 + nH2O
Al2O3?2SiO2?nH2O → Al2O3?2SiO2 + nH2O
다음, 하소된 적석지를 산용액과 반응시켜 적석지에 함유되어 있는 알루미늄 성분을 추출한다. 이 경우 알루미늄은 산과 반응하여 용해되어 금속염의 형태로 존재하게 되고, 실리카는 산에 용해되지 않고 석출되어 고상의 형태로 존재한다.
산 용액으로는 질산(HNO3), 황산(H2SO4) 수용액을 이용할 수 있다. 적석지와 산과의 반응식은 하기와 같다.
Al2O3?2SiO2 + HNO3 → Al(NO3)n + SiO2↓
Al2O3?2SiO2 + HCl → Al(Cl)n + SiO2↓
산용액으로 30 내지 60%의 질산수용액 또는 염산수용액을 이용하는 것이 바람직하다. 농도가 30%미만인 경우 반응속도가 느리거나 거의 반응이 일어나지 않는다. 산용액은 적석지 무게에 대하여 2 내지 10배의 양을 가한다. 2배 미만일 경우 교반 및 반응이 잘 이루어지지 않고, 50배를 초과하는 경우 실리카의 회수가 어렵다는 문제점이 있다.
적석지와 산의 반응이 종결되면 여과기를 이용하여 알루미늄염이 혼합된 용액으로부터 석출된 고상의 실리카를 분리해낸다. 여과는 압력여과기나 원심분리기, 벨트프레스, 섬유상 여과기 등 다양한 고액분리기를 이용하여 실리카를 용액으로부터 분리해낼 수 있다. 이외에도 여과지를 이용해 간단하게 여과할 수 있다.
분리된 실리카는 탈이온수로 세척한다. 탈이온수는 증류수 등을 이용할 수 있다. 세척된 실리카는 건조시킨다.
그리고 실리카가 분리된 용액 중에는 철분이 주된 불순물로서 존재하므로 철분제거가 요구된다. 통상적인 용매추출법이나 이온교환법 등을 통해 철분을 제거한 후 공통이온효과나 증발결정법을 이용해서 수화물 형태의 알루미늄염(Al(Cl)3?6H2O) 결정을 얻는다. 이 결정을 500 내지 800℃에서 소성하여 알루미나를 얻는다.
상술한 바와 같이 적석지로부터 추출된 실리카 및 알루미나는 제 2분별단계에서 얻어진 페로니켈 슬래그에 적절하게 첨가함으로써 주물사 중에 함유된 실리카 및 알루미나의 함량을 조절할 수 있다. 바람직하게 주물사 중의 실리카 함량은 50 내지 80중량%, 알루미나 함량은 10 내지 14중량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시 예로서, 제 2선별단계 완료 후 주물사 전체 중량 중 0.5 내지 2.5중량%의 첨가제를 첨가하는 첨가단계를 더 수행할 수 있다.
첨가제는 벤토나이트, 메틸메타크릴레이트, 과산화벤조일, 석탄분으로 조성된다.
벤토나이트(bentonite)는 다른 물질과 혼합되어 다른 물질을 결합시키는 점결성질을 가지고 있고, 화학적으로 활성을 일으키기 않으므로 점착되는 재료의 화학적 특성에 영향을 주지않는다.
그리고 메틸메타크릴레이트[CH2C=C(CH3)CO2CH3, methyl methacrylate]와 과산화벤조일(C6H5-COO-OOC-C6H5, benzyl peroxide)은 벤토나이트와 함께 점결제로 작용한다. 탄소 이중결합(C=C)으로 이루어진 메틸메타크릴레이트가 과산화벤조일과 반응하여 메틸메타크릴레이트의 탄소 이중결합이 긴 단일결합(-C-C-C-) 고리화합물로 전환되어 외부의 작용기와의 반응성이 없어지므로 유동성, 성형성이 증대된다.
석탄분은 주물사의 통기성을 위해 첨가된다. 석탄분 대신에 곡분, 목분 등이 이용될 수 있다.
상술한 첨가제는 일 예로 벤토나이트 40중량%, 메틸메타크릴레이트 20중량%, 과산화벤조일 10중량%, 석탄분 30중량%로 조성된다. 이러한 첨가제는 높은 점결력으로 주물제품의 조형성을 증대시키고 표면 안정성을 향상시켜 주형의 팽창, 갈라짐, 벌어짐 등의 결함발생을 방지한다. 또한, 주형의 붕괴가 쉽고 탈사작업이 용이하도록 한다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 제조방법에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시 예1)
표 1에 기재된 조성을 갖는 페로니켈 수재슬래그를 열풍건조시킨 후 크기별로 분류한 후 분쇄기를 이용하여 분쇄하였다. 그리고 분쇄된 페로니켈 슬래그는 회전드럼에 투입하여 연마한 다음 체가름하여 20 내지 40메쉬 입도 크기를 갖는 주물사를 제조하였다. 그리고 벤토나이트 40중량%, 메틸메타크릴레이트 20중량%, 과산화벤조일 10중량%, 석탄분 30중량%로 이루어진 첨가제를 첨가하였다. 이때 첨가제는 주물사 전체 중량에서 1.5중량%을 함유하도록 첨가였다.
시험구로 상기 실시 예 1의 주물사를 이용하였고, 대조구로 대호광업의 5호사(24~50메쉬) 주물사를 이용하였다.
| 구분 | 수분함유량 | 충진도 | 통기도 |
| 시험구 | 3.84 | 40 | 249 |
| 대조구 | 3.71 | 35 | 203 |
상기 표 3의 결과를 살펴보면, 본 발명에 따른 주물사는 대조구에 비해 수분 함유량이 낮음을 알 수 있다. 충진도의 경우 본 발명에 따른 주물사가 대조구에 비해 더 높게 나타났다. 이는 주물사 입자가 연마과정을 통해 연마시킨 것 때문으로 보인다.
그리고 통기도 역시 본 발명에 따른 주물사가 대조구에 비해 더 높게 나타났는데, 이는 주물사 내부에 잔존하는 가스에 의한 홀과 같은 결함을 방지할 수 있어 불량률을 감소시키고 깨끗한 표면의 주물제품을 만들 수 있을 것으로 기대된다.
이상에서 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (4)
- 페로니켈공장에서 부생하며, MgO/SiO2 중량비율이 0.55 내지 0.65인 페로니켈(ferronickel) 슬래그를 건조시키는 건조단계와;
메쉬망을 이용하여 상기 페로니켈 슬래그를 입자 크기별로 분류하는 제 1선별단계와;
상기 선별단계에서 선별된 페로니켈 슬래그를 분쇄하는 분쇄단계와;
상기 페로니켈 슬래그를 연마하여 구상화시키는 연마단계와;
상기 페로니켈 슬래그를 12 내지 140메쉬 범위에서 입자 크기별로 분류하는 제 2선별단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주물사의 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 건조단계에서의 페로니켈 슬래그는 흐르는 물로 급랭시킨 수재슬래그인 것을 특징으로 하는 주물사의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2선별단계에서 선별된 페로니켈 슬래그 중의 실리카 및 알루미나 함량을 조절하기 위해 상기 페로니켈 슬래그에 적석지로부터 추출된 실리카 및 알루미나를 첨가하는 함량조절단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주물사의 제조방법.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2선별단계 완료 후 상기 주물사 전체 중량 중 첨가제 0.5 내지 2.5중량%를 첨가하는 첨가단계;를 더 포함하고,
상기 첨가제는 벤토나이트, 메틸메타크릴레이트, 과산화벤조일, 석탄분을 포함하는 것을 특징으로 하는 주물사의 제조방법.
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