KR101304230B1 - 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트 제조방법에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 부산물인 산업 폐부산물에 석회석과 석고를 각각 혼합하고 휘발물질 제거장치가 하부에 장착된 분쇄기에서 분쇄하여 얻어진 시멘트 원료(Raw Mix)를 소성 및 냉각하여 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 제조하는 방법에 있어서, 상기 분쇄된 시멘트 원료(Raw Mix)에 알루미나성분 함유량이 30중량% 이상 또는 30중량% 이하인 공정슬러지를 혼합하여 소성 및 냉각하여 얻어진 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 소성온도보다 100℃ 이하 낮은 소성온도에서 고순도(CSA함량이 50~90 중량%) 또는 저순도(CSA함량이 15~50 중량%)로 제조하는 위한 것이다.

Description

산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트 제조방법{Utilizing industrial waste byproduct energy for reducing high-end special cement aluminate-based cement manufacturing methods}

본 발명은 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트 제조방법에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 제조하기 위한 원재료는 혼합된 산업 폐부산물과 석회석과 석고를 분쇄기(Vertical Roller Mill or Ball mill)를 이용하여 균질하게 분쇄 후, 분쇄된 원료를 소성 및 냉각 후 칼슘설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃]시멘트를 생산하거나, 생산된 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃]시멘트에 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 석고를 일정비율로 혼합한 후, 분쇄기에서 분쇄하여 에너지 저감형 고기능 시멘트를 제조하는 것이다.

건축, 토목 기술의 발달에 따라 콘크리트에 요구되는 제반성능은 다양화, 고도화되고 있다.

콘크리트에 발생하는 수축균열을 방지하기 위해서 많은 연구가 행하여졌지만 근본적인 해결방법은 시멘트 페이스트 자체의 수축성을 개선하는 것이다. 현재는 시멘트에 팽창성 혼화재를 혼합하여 사용하는 방법이 가장 널리 이용되고 있으며, 이용목적은 첫째 콘크리트의 수축균열방지, 둘째 콘크리트 부재에 대한 chemical prestressing의 두 가지로 크게 구분된다. 그러나 팽창성 혼화제의 사용에는 시공조건, 양생조건 등 그 특징에 영향을 미치는 인자가 다양하여 실용상의 문제점으로 남아 있다.

그래서 최근 몇 개 국가에서는 칼슘 설포 알루미네이트계 광물을 주요 광물로 하는 새로운 개념의 시멘트(calcium Sulfo aluminate cement : CSA)가 개발되어 실용화에 이르고 있으며 이러한 칼슘설포알루미네이트계 시멘트는 조강성, 고강도성, 무수축성 등 우수한 특성을 가진 것으로 알려지고 있다.

이와 같이 급결성(急結性) 등 다양한 화학적 특성을 가진 CSA는 본래 황산염 환경에 대한 내구성의 향상을 목적으로 개발되었다. 70여 년이 지난 현재에는 CSA의 비용이 높기 때문에 포틀랜드 시멘트가 양호한 효과를 가지는 분야에서는 사용이 어렵지만 화학약품이나 마모 등의 영향이 큰 가혹한 환경에서의 특수용도로서의 응용 개발이 시장에서의 점유율을 확보하는 지름길이다.

그리고 상기 CSA가 가지고 있는 폭넓은 특성 특히 콘크리트의 유일한 수경성(水硬性)이면서도 시멘트 재료의 한 성분배합으로서도 이용할 수 있는 범용성의 특징을 활용하는 것에 의한 다양한 특수용도로 개발되고 있다. 즉, K. L. Scrivener 등은 CAC 콘크리트의 용도개발에 있어서 단순히 조강성(早强性)만을 이용하는 것이 아니라, 그 이외의 특성, 화학적 내침식성, 내마모성, 내충격성 등을 활용한 신규의 용도 개발이 비용대비 효과의 경쟁력을 갖출 수 있다.

상기와 같이 CSA는 보통 포틀랜드 시멘트를 이용한 콘크리트보다 조강성, 고강도성 및 무수축성 등 우수한 특성을 나타내고 있다.

첫째, CSA를 이용한 콘크리트는 보통포틀랜드 시멘트 콘크리트보다 빠른 응결시간을 나타내며 초결과 종결의 차이가 작으나 유동성 및 유동성 경시변화를 검토한 결과 보통포틀랜드시멘트에 비해 초기의 유동성 손실이 작아 충분한 작업성 및 작업시간을 확보할 수 있다.

둘째, 단위 시멘트량 350Kg/㎥의 CSA를 사용하여 재령 1일에 300kg/㎠이상의 초조강성을 발현하였으며, 재령 28일에서도 보통포틀랜드 시멘트에 비해 월등히 높은 고강도를 실현하고 있다.

셋째, 보통포틀랜드 시멘트에 팽창재를 혼합 사용한 콘크리트와는 전 재령에 걸쳐 길이변화가 매우 적으며 agitating 시간 및 양생 조건에 큰 영향을 받지 않고 무수축에 가까운 특성을 가지고 있다.

상기와 같은 특성을 갖는 CSA를 제조하기 위해서는 연간 수만톤으로 추정되는 알루미나 원광인 보크사이트를 수입해야하며, 그렇지 않을 경우에는 CSA를 직접 수입하여 사용하여야만 하는 문제점이 있다.

그리고 지구온난화 방지에 관한 Kyoto의정서가 발효됨에 따라 국내 시멘트 및 콘크리트 업계에서는 시멘트 클링커의 생산량은 절반 이하로 줄이면서 시멘트 공급량은 현 수준을 유지해야 하는 건설시장의 요구와 자연의 훼손을 최소화하면서 산업폐기물은 최대한 활용하라는 사회적 요구를 동시에 만족시키는 대책의 강구가 급선무이다. 이제까지는 시멘트 산업이 사회기반 시설을 구축하는 건설재료 산업으로 발전하여 왔지만 앞으로 21세기에는 한 차원 높은 환경정화산업의 주축이 되도록 특수 기능을 갖는 신규 시멘트의 개발에 전력해야 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 각종 산업체에서 발생되는 산업 폐부산물을 이용하여 칼슘 설포 알루미네이트계 특수시멘트(CSA)를 제조하기 위한 것으로, 각종 정수장 및 산업체 등에서 발생하는 정수슬러지, 공정슬러지, 부산물 등을 석회석과 석고와 혼합하여 분쇄기에서 균질하게 분쇄한 후, 시멘트 킬른을 이용하여 제조하고자 함을 목적으로 한다.

또한, 산업 폐부산물을 재활용함으로써 환경오염을 방지함과 동시에 기존의 수입원료인 보크사이트의 대체가 가능하도록 함을 목적을 한다.

그뿐만 아니라 국내에서 칼슘 설포 알루미네이트계 특수시멘트를 제조하기 위해서는 연간 수만톤으로 추정되는 알루미나 원광인 보크사이트를 수입해야하며, 그렇지 않을 경우에는 칼슘 설포 알루미네이트계 특수시멘트를 수입해야 하는데, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트 제조방법은, 부산물인 산업 폐부산물에 석회석과 석고를 각각 혼합하고 휘발물질 제거장치가 하부에 장착된 분쇄기에서 분쇄하여 얻어진 시멘트 원료(Raw Mix)를 소성 및 냉각하여 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 제조하는 방법에 있어서,
상기 분쇄된 시멘트 원료(Raw Mix)에 알루미나성분 함유량이 30중량% 이상 또는 30중량% 이하인 공정슬러지를 혼합하여 소성 및 냉각하여 얻어진 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 소성온도보다 100℃ 이하 낮은 소성온도에서 고순도(CSA함량이 50~90 중량%) 또는 저순도(CSA함량이 15~50 중량%)로 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트 7~14중량부에 1종 보통 포틀랜드 시멘트 80~90중량부와 석고 3~6중량부를 혼합 및 분쇄하여 제조하는 공정을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

삭제

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명은 산업 폐부산물 중 CaO, S0₃, Al₂O_3, MgO, SiO₂를 함유하고 있는 원료를 석회석과 석고와 같이 균질하게 혼합하여 칼슘설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 제조함으로써, 알루미나 원광인 보크사이트 및 칼슘설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 수입하지 않아도 됨으로써, 외화낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 산업 폐부산물을 재활용함으로써 자원의 절약은 물론 환경오염 방지와 경제적 이익뿐만 아니라 온실가스의 저감 효과를 가져 오게 된다.

그뿐만 아니라 본 발명은 1종 보통포틀랜트시멘트 대비 100℃ 이상의 낮은 온도에서 생산되는 에너지 절약형 시멘트임은 물론 속경성, 조강성, 무수축성 등의 특성을 나타내 여러 특수시멘트 분야 및 1종 보통포틀랜드시멘트의 결점을 보완할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트를 제조하기 위하여 나타낸 예열, 소성, 냉각과정 Flow Sheet이다.

이하 본 발명에 따른 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트 제조방법에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 알루민산 칼슘계 특수시멘트 개발을 위해 알루민산 칼슘계 특수시멘트의 주요 구성 광물인 칼슘설포알루미네이트 합성 연구를 행하였다.

특히, 칼슘 설포 알루미네이트는 초속경, 팽창 시멘트로 알려져 있으며, 응결시간 및 강도 발현속도가 다른 일반 시멘트보다 매우 빠르다는 특성이 있다.

그리고 사용 용도로는 터널, 교각 등에 요구되는 고강도 시멘트 및 긴급 공사, 숏크리트 및 2차 제품 등에 널리 사용되는 고부가가치가 매우 큰 특수시멘트라 할 수 있다.

그러나 국내에서는 알루미나원인 보크사이트 자원이 없어, 국내 사용되고 있는 칼슘 설포 알루미네이트 제품의 전량이 해외에 수입되어 사용되고 있다.

그리하여 본 발명은 수입으로 인한 외화낭비를 줄이고, 환경오염방지 및 온실가스 저감 효과뿐만 아니라 경제적 이익을 창출하기 위하여 산업 폐부산물을 이용해서 알루미네이트계 시멘트를 제조하기 위해 창안한 것이다.

또한, 상기 각종 산업체에서 발생하는 산업 폐부산물은 알루미나를 함유하고 있는 공정슬러지, 부산물 등을 사용하는 것이다.

그리고 상기 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트를 제조하기 위해서는, 1단계 공정으로, 원재료인 산업 폐부산물과 석회석, 석고를 이용하여 분쇄기(원료 밀)에서 분쇄하여 시멘트 원료(Raw Mix)를 얻는다. 이때 상기 산업 폐부산물과 석회석, 석고의 배합비는 산업폐부산물 10중량% ~ 60중량%와, 석회석 20중량% ~ 65중량%와, 석고 10중량% ~ 25중량%를 혼합하여 구성한 것이다. 2단계 공정으로 분쇄된 시멘트 원료(Raw Mix)를 소성, 냉각 후 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 생산하거나, 생산된 칼슘설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트에 1종 보통 포틀랜드시멘트와 석고를 일정비율로 혼합 후 분쇄기로 분쇄하여 에너지 저감형 고기능 시멘트를 제조하는 것이다. 이때 시멘트 클링커 제조시 휘발물질(Dulfurm Chiorine, Akali 등)이 다량 발생하여 코팅 트러블을 발생시킬 수 있으나, 이런 문제점을 해결하기 위하여 분쇄기의 하부에 휘발물질 제거장치를 형성하여 휘발물질을 제거하도록 구성한다. 이때 휘발물질 제거장치는 이미 인터넷 등에 공개되어 판매되고 있는 공지된 기술을 적용하면 된다.

그리고 본 발명에 따른 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트를 제조하기 위해서는,

1) 원료성분

CaO 原 : 석회석

Al₂O₃ 原 : 산업폐부산물 -> 알루미나성분을 함유하고 있는 공정슬러지, 부산물 등

SO₃ 原 : 석고(동부인산석고, 탈황석고, 천연무수석고 등)

SiO₂, Fe₂O₃ 原 : 석회석, 산업폐부산물 등 다른 원료에 함유

2) 원재료의 혼합 비율은 크게 2가지로 나뉜다.

첫째는 고순도 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 제조하는 배합으로 석회석과 석고(동부인산석고 또는 탈황석고, 무수석고)와 고순도 알루미나 산업 폐부산물(알루미나성분 함유량이 30중량%이상인 공정슬러지 등)을 혼합하는 것이고,

둘째는 저순도 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 제조하는 배합으로 석회석과 석고(동부인산석고, 탈황석고, 천연무수석고 등), 알루미나 산업 폐부산물(알루미나성분 함유량이 30중량% 이하인 공정슬러지 등)을 혼합하는 것이다.

그리고 고순도 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트의 CSA함량은 50 ~ 90중량%이고, 저순도 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트의 CSA함량은 15 ~ 50중량%이다.

또한, 상기 원료성분의 화학분석을 한 결과는 [표 1]과 같다.

상기와 같이 두 가지 방법으로 혼합된 원료를 분쇄기에서 분쇄한 후, 예열탑을 거쳐 소성로에서 소성한 후 냉각되어 진다.

그리고 도 1에 나타내는 바와 같이, 상기 예열, 소성, 냉각과정을 Flow Sheet로 도시하고 있고, 또 운전조건에 대한 온도, 압력은 하기의 [표 2]와 같다.

상기 [표 2]의 온도는 ℃이고, 압력은 mmH ₂ O 이다.

그리고 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트의 제조공정은 위 [표 2]에서 나타낸 것처럼 일반 보통 포틀랜드 시멘트보다 100℃이상 낮은 온도에서 소성되며, 생산된 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 석고를 활용하여 일정 비율로 혼합하여 에너지 저감형 고기능 특수시멘트를 생산하는 것이다. 이때 1종 보통 포틀랜드시멘트와 칼슘설포 알루미네이트계 시멘트 및 석고의 배합비는 [표 3]과 같다.

상기와 같이 제조된 알루미네이트계 시멘트는 속경성과 조강성, 무수축성 등의 특징을 나타내며, 여러 특수 시멘트 분야 및 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 결점을 보완할 수 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명이 비록 한정된 실시 예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.

Claims (9)

1. 부산물인 산업 폐부산물에 석회석과 석고를 각각 혼합하고 휘발물질 제거장치가 하부에 장착된 분쇄기에서 분쇄하여 얻어진 시멘트 원료(Raw Mix)를 소성 및 냉각하여 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트를 제조하는 방법에 있어서,
   상기 분쇄된 시멘트 원료(Raw Mix)에 알루미나성분 함유량이 30중량% 이상 또는 30중량% 이하인 공정슬러지를 혼합하여 소성 및 냉각하여 얻어진 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트의 소성온도보다 100℃ 이하 낮은 소성온도에서 고순도(CSA함량이 50~90 중량%) 또는 저순도(CSA함량이 15~50 중량%)로 제조하는 것을 특징으로 하는 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트의 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 칼슘 설포 알루미네이트계[CaO-SiO₂-Al₂O₃-SO₃-Fe₂O₃] 시멘트 7~14중량부에 1종 보통 포틀랜드 시멘트 80~90중량부와 석고 3~6중량부를 혼합 및 분쇄하여 제조하는 공정을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 산업 폐부산물을 활용한 알루미네이트계 시멘트의 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

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