KR101477256B1

KR101477256B1 - 제강슬래그의 팽창성 저감 방법

Info

Publication number: KR101477256B1
Application number: KR1020130061285A
Authority: KR
Inventors: 손석규; 오현영
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2014-12-30
Also published as: KR20140140432A

Abstract

제강슬래그의 팽창성 저감 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제강공정에서 발생되는 제강슬래그를 파쇄하는 파쇄단계; 상기 제강슬래그에 염화암모늄 용액을 반응시켜, 상기 제강슬래그에 포함되어 있는 칼슘 성분을 추출하여 유리석회(free-CaO)의 함량을 낮추는 추출단계; 및 상기 제강슬래그에서 칼슘 추출액을 분리하는 탈수단계를 포함하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법이 제공된다.

Description

제강슬래그의 팽창성 저감 방법{METHODS FOR DECREASING EXPANSIBILITY OF STEEL MAKING SLAG}

본 발명은 제강슬래그의 팽창성 저감 방법에 관한 것이다.

철광석은 제선, 제강 및 압연공정을 거쳐 철강 제품으로 성형된다. 그 과정에서 다량의 폐 부산물이 발생하는데, 특히 슬래그는 부산물 중 약 80%를 차지한다. 슬래그는 고로슬래그와 제강슬래그로 분류된다. 고로슬래그는 시멘트 원료로서 재활용되는 반면, 제강슬래그는 다량의 유리석회(free-CaO)를 함유하고 있기 때문에 재활용이 제한된다. 구체적으로는, 제강슬래그에 포함되어 있는 유리석회(free-CaO)는 공기 중의 물과 반응하면 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 변환되면서 체적변화를 일으키기 때문에, 제강슬래그를 그대로 골재로 사용하는 경우에는 균열을 일으킬 수 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0000374호(2011.01.03, 전기로 산화 슬래그를 콘크리트용 골재로 사용하기 위한 처리 방법 및 처리장치)에 개시되어 있다.

본 발명의 실시예들은 제강슬래그에 포함되어 있는 칼슘 성분을 추출하여 유리석회(free-CaO)의 함량을 낮출 수 있는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제강공정에서 발생되는 제강슬래그를 파쇄하는 파쇄단계; 상기 제강슬래그에 염화암모늄 용액을 반응시켜, 상기 제강슬래그에 포함되어 있는 칼슘 성분을 추출하여 유리석회(free-CaO)의 함량을 낮추는 추출단계; 및 상기 제강슬래그에서 칼슘 추출액을 분리하는 탈수단계를 포함하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법이 제공된다.

상기 염화암모늄 용액은 1mol/ℓ ~ 3mol/ℓ의 농도를 가질 수 있다.

상기 염화암모늄 용액은 상기 제강슬래그와 비교하여 3배 ~ 10배의 부피 비율로 상기 제강슬래그에 투입될 수 있다.

상기 추출단계는, 상기 제강슬래그에 상기 염화암모늄 용액을 투입한 상태에서 1시간 ~ 3시간 동안 상온 상압 하에서 교반함으로써, 상기 제강슬래그에서 칼슘을 추출할 수 있다.

상기 탈수단계 이후에, 상기 칼슘 추출액에서 염화암모늄을 회수하는 회수단계를 더 포함하고, 상기 회수단계에서 회수한 염화암모늄을 상기 추출단계에 투입되는 염화암모늄 용액으로 재 사용할 수 있다.

상기 회수단계는, 상기 칼슘 추출액을 전기분해조에서 전기 분해하여 염화암모늄을 회수할 수 있다.

상기 전기분해조는 티타늄 전극을 양극으로, 흑연 전극을 음극으로 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 제강슬래그에 포함되어 있는 칼슘 성분을 추출하여 유리석회(free-CaO)의 함량을 낮춤으로써, 제강슬래그의 팽창성을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제강슬래그의 팽창성 저감 방법을 도시한 순서도.
도 2는 제강슬래그의 팽창성 저감 장치를 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 제강슬래그의 팽창성 저감 방법의 다양한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제강슬래그의 팽창성 저감 방법을 도시한 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제강슬래그의 팽창성 저감 방법은 파쇄단계(S100), 자력선별단계(S110), 입도조절단계(S120), 추출단계(S130), 탈수단계(S140), 회수단계(S150)를 포함한다.

먼저, 제강공정에서 발생되는 제강슬래그를 파쇄한다(S100).

제강공정에서 발생되는 제강슬래그는 지금 성분 회수, 칼슘 성분 추출 등의 효율을 높일 수 있도록 적정 입도로 파쇄된다. 파쇄단계는 조크러셔, 콘크로셔, 로드밀, 크러싱밀 등의 파쇄기를 입도에 따라 적절히 이용하여 수행될 수 있다.

다음으로, 파쇄된 제강슬래그는 자력 선별하여 지금 성분을 회수한다(S110).

제강슬래그에 포함되어 있는 지금 성분, 즉 자성을 띄는 철 등은 자력선별기를 이용하여 회수할 수 있다.

다음으로, 파쇄된 제강슬래그는 골재 용도에 따라 적정한 입도 범위로 조정한다(S120).

입도조정단계(S120)는 탈수단계(S140) 이후의 제강슬래그를 대상으로 수행될 수도 있다.

다음으로, 제강슬래그에 염화암묘늄(NH₄Cl) 수용액을 반응시켜, 제강슬래그에 포함되어 있는 칼슘(Ca) 성분을 추출한다(S130).

자력선별단계(S110)에서 지금 성분이 제거된 상태의 제강슬래그의 성분 함량은 하기 표 1과 같다.

성분	T-Fe	SiO2	MnO2	Al2O3	MgO	CaO	TiO2
함량 (중량부)	16	18.2	3.2	1.3	9.7	44.7	0.9

상기 표 1에서와 같이, 제강슬래그는 다량의 산화칼슘(CaO)을 포함하고 있다. 산화칼슘(CaO) 중에서 결정상으로 안정화되지 못하고 제강슬래그 내에서 유리상으로 존재하는 유리석회(free-CaO)는 물과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 변환되면서, 제강슬래그의 체적변화를 일으킨다. 그 결과, 유리석회(free-CaO)는 제강슬래그로부터 제조되는 슬래그 골재의 균열을 야기하는 원인이 된다.

제강슬래그를 염화암모늄(NH₄Cl) 수용액과 함께 추출조에 투입하여, 임펠라를 이용하여 교반하면, 제강슬래그에 포함되어 있는 산화칼슘(CaO) 또는 칼슘(Ca)은 염화암모늄(NH₄Cl)과 반응하여, 제강슬래그로부터 추출될 수 있다. 하기 반응식 1과 반응식 2는 산화칼슘(CaO) 또는 칼슘(Ca)의 추출 반응식의 일 예시를 나타낸 것이다.

[반응식 1]

CaO + 2NH₄Cl → Ca(NH₃)₂Cl₂ + H₂O

[반응식 2]

Ca + 2NH₄Cl → Ca(NH₃)₂Cl₂ + H₂

대부분의 칼슘(Ca)은 제강슬래그 내에서 산화칼슘(CaO) 상태로 존재하기 때문에, 상기 반응식 1의 반응은 상기 반응식 2의 반응에 비해 높은 비율로 발생할 수 있다. 즉, 염화암모늄(NH₄Cl)은 제강슬래그에서 유리석회(free-CaO)의 함량을 낮추는데 기여하는 추출제로서 사용될 수 있다.

염화암모늄(NH₄Cl)은 아세트산, 염산 등의 산성 추출제와 비교하여 pH에 거의 변동이 없기 때문에, pH를 조절하기 위한 추가 공정이 요구되지 않는다. 또한, 염화암모늄(NH₄Cl)은 다른 추출제와 비교하여 칼슘(Ca)의 추출 선택성이 매우 우수하다. 하기 표 2는 염화암모늄(NH₄Cl)과 아세트산을 추출제로 사용한 경우에 추출액의 성분 함량을 나타낸 것이다.

구분	Ca	Mg	Si	Fe	Al
아세트산	5.37	1.93	3.01	0.66	1.98
염화암모늄	2.54	0.1	검출안됨	검출안됨	검출안됨

상기 표 2에서와 같이, 아세트산은 칼슘(Ca) 이외에도 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 철(Fe), 알루미늄(Al) 등을 추출하지만, 염화암모늄(NH₄Cl)은 칼슘(Ca) 이외에 극소량의 마그네슘(Mg)만을 추출하는 것을 확인할 수 있다. 상기 표 2에서 성분 함량의 단위는 중량부로 표시된다.

염화암모늄(NH₄Cl)은 1mol/ℓ ~ 3mol/ℓ의 농도의 수용액으로 준비되고, 제강슬래그 대비 3배 ~ 10배의 부피 비율로 투입될 수 있다. 염화암모늄(NH₄Cl)의 농도가 1mol/ℓ 미만이거나 부피 비율이 3배 미만인 경우, 칼슘(Ca) 추출율이 급격히 저하된다. 염화암모늄(NH₄Cl)의 농도가 3mol/ℓ를 초과하거나 부피 비율이 10배를 초과하는 경우, 칼슘(Ca) 추출율이 거의 증가하지 않는다. 따라서, 칼슘(Ca) 추출율과 추출제 준비에 따른 비용적 측면을 고려하면, 염화암모늄(NH₄Cl)은 1mol/ℓ ~ 3mol/ℓ의 농도의 수용액으로 준비되고, 제강슬래그 대비 3배 ~ 10배의 부피 비율로 투입되는 것이 바람직하다.

염화암모늄(NH₄Cl)은 제강슬래그에 투입된 상태에서 1시간 ~ 3시간 동안 상온 상압 하에서 교반할 수 있다. 상온 상압 하에서 교반하면, 교반 환경 조성에 따른 처리 비용을 절감할 수 있다. 염화암모늄(NH₄Cl)의 교반 시간이 1시간 미만인 경우, 칼슘(Ca)의 추출율이 급격히 저하되고, 염화암모늄(NH₄Cl)의 교반 시간이 3시간을 초과하는 경우, 칼슘(Ca) 추출율이 거의 증가하지 않는다. 따라서, 칼슘(Ca) 추출율과 공정 시간을 고려하면, 염화암모늄(NH₄Cl)의 교반 시간은 상온 상압 하에서 1시간 ~ 3시간인 것이 바람직하다.

다음으로, 제강슬래그에서 칼슘 추출액을 분리한다(S140).

추출단계(S130)를 거치면, 제강슬래그는 칼슘 추출액과 혼합되어 있는 상태가 된다. 칼슘 추출액은 상기 반응식 1 및 2에서와 같이 Ca(NH₃)₂Cl₂을 포함할 수 있다. 제강슬래그와 칼슘 추출액은 원심 탈수기로 이송되고, 원심 탈수기에서 원심력을 이용하여 제강슬래그와 칼슘 추출액으로 분리된다. 칼슘 추출액과 분리된 제강슬래그는 유리석회(free-CaO)의 함량이 줄어든 상태로서 슬래그 골재로 활용될 수 있다.

다음으로, 제강슬래그에서 분리된 칼슘 추출액에서 염화암모늄을 회수할 수 있다(S150).

칼슘 추출액은 전기분해조로 이송되어, 칼슘(Ca) 성분이 석출되고 염화암모늄(NH₄Cl) 수용액으로 회수된다. 전기분해조는 티타늄 전극을 양극으로, 흑연 전극을 음극으로 사용할 수 있다. 하기 반응식 3은 전기분해조의 양극에서의 반응식, 하기 반응식 4는 전기분해조의 음극에서의 반응식, 하기 반응식 5는 전기분해조의 양극과 음극에서의 전체 반응식의 일 예시를 나타낸 것이다.

[반응식 3]

2Cl^- + ⅔NH₃ → 2HCl + ⅓N₂ + 2e

[반응식 4]

Ca(NH₃)₂ ²⁺ + 2e → Ca + 2NH₃

[반응식 5]

Ca(NH₃)₂Cl₂ + ⅔NH₃ → Ca + 2NH₄Cl + ⅓N₂

상기 반응식 3에서와 같이, 전기분해조의 양극에서는 질소(N₂) 가스가 발생하고, 상기 반응식 4에서와 같이, 전기분해조의 음극에서는 칼슘(Ca)이 석출된다. 그 결과, 상기 반응식 5에서와 같이, 칼슘 추출액에서 질소(N₂) 가스와 칼슘(Ca)을 추출함으로써, 칼슘 추출액에서 염화암모늄(NH₄Cl)을 회수할 수 있다. 상기 반응식 3과 상기 반응식 4에서 e는 전자(electron)를 의미하고, 상기 반응식 3과 상기 반응식 5에서 NH₃는 Ca(NH₃)₂Cl₂에서 나온다. 상기 반응식 3과 상기 반응식 5에서 ⅓과 ⅔는 분수를 표시한 것이다.

칼슘 추출액에서 회수된 염화암모늄(NH₄Cl) 수용액은 추출단계(S130)에 재 사용될 수 있다. 칼슘 추출액에서 회수된 염화암모늄(NH₄Cl) 수용액은 추출단계(S130)에 재 사용되기 전에, 1mol/ℓ ~ 3mol/ℓ의 농도로 조정될 수 있다.

도 2는 제강슬래그의 팽창성 저감 장치를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 제강슬래그의 팽창성 저감 장치는 추출조(100), 원심탈수기(200) 및 전기분해조(300)를 포함한다.

추출조(100)는 제강슬래그와 추출제를 투입하여 임펠라를 통해 교반할 수 있다. 원심탈수기(200)는 원심력을 이용하여 슬래그 골재와 칼슘 추출액을 분리할 수 있다. 전기분해조(300)는 양극(310)과 음극(320)을 포함하고, 칼슘 추출액에서 염화암모늄 용액을 회수할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100: 추출조
200: 원심탈수기
300: 전기분해조
310: 양극
320: 음극

Claims

제강공정에서 발생되는 제강슬래그를 파쇄하는 파쇄단계;
상기 제강슬래그에 염화암모늄 용액을 반응시켜, 상기 제강슬래그에 포함되어 있는 칼슘 성분을 추출하여 유리석회(free-CaO)의 함량을 낮추는 추출단계; 및
상기 제강슬래그에서 칼슘 추출액을 분리하는 탈수단계를 포함하고,
상기 염화암모늄 용액은 1mol/ℓ ~ 3mol/ℓ의 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 염화암모늄 용액은 상기 제강슬래그와 비교하여 3배 ~ 10배의 부피 비율로 상기 제강슬래그에 투입되는 것을 특징으로 하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법.
제3항에 있어서,
상기 추출단계는,
상기 제강슬래그에 상기 염화암모늄 용액을 투입한 상태에서 1시간 ~ 3시간 동안 상온 상압 하에서 교반함으로써, 상기 제강슬래그에서 칼슘을 추출하는 것을 특징으로 하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법.
제1항에 있어서,
상기 탈수단계 이후에,
상기 칼슘 추출액에서 염화암모늄을 회수하는 회수단계를 더 포함하고,
상기 회수단계에서 회수한 염화암모늄을 상기 추출단계에 투입되는 염화암모늄 용액으로 재 사용하는 것을 특징으로 하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법.
제5항에 있어서,
상기 회수단계는,
상기 칼슘 추출액을 전기분해조에서 전기 분해하여 염화암모늄을 회수하는 것을 특징으로 하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법.
제6항에 있어서,
상기 전기분해조는 티타늄 전극을 양극으로, 흑연 전극을 음극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 제강슬래그의 팽창성 저감 방법.