KR101602378B1 - 소성 ｋｒ 슬래그 제조 방법 및 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제강공정 중 쇳물에 포함된 불순물 중 인(P), 황(S) 등의 불순물을 제거하는 용선예비처리 단계의 일종인 KR방식으로부터 발생하는 탈황슬래그를 소성하여 활성도를 높인 소성 KR 슬래그 제조 방법 및 상기 소성 KR 슬래그를 함유한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「(a) 캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서 발생한 KR 슬래그로부터 특정 직경 이하의 슬래그를 선별하는 공정; (b) 선별된 KR 슬래그를 대상으로 철질원료를 자력선별하여 제거하는 공정; 및 (c) 철질원료가 제거된 KR 슬래그를 450~500℃로 소성(燒成)하는 공정; 을 포함하는 소성 KR 슬래그 제조 방법」을 제공한다.
또한, 본 발명은 「철강부산물을 이용한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로서, 전술한 방법으로 제조된 소성 KR 슬래그 8~10wt% 및 잔부 고로슬래그를 포함하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
본 발명은 「(a) 캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서 발생한 KR 슬래그로부터 특정 직경 이하의 슬래그를 선별하는 공정; (b) 선별된 KR 슬래그를 대상으로 철질원료를 자력선별하여 제거하는 공정; 및 (c) 철질원료가 제거된 KR 슬래그를 450~500℃로 소성(燒成)하는 공정; 을 포함하는 소성 KR 슬래그 제조 방법」을 제공한다.
또한, 본 발명은 「철강부산물을 이용한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로서, 전술한 방법으로 제조된 소성 KR 슬래그 8~10wt% 및 잔부 고로슬래그를 포함하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
Description
본 발명은 제강공정 중 쇳물에 포함된 불순물 중 인(P), 황(S) 등의 불순물을 제거하는 용선예비처리 단계의 일종인 KR방식으로부터 발생하는 탈황슬래그를 소성하여 활성도를 높인 소성 KR 슬래그 제조 방법 및 상기 소성 KR 슬래그를 함유한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물에 관한 것이다.
건설현장에서 연약지반의 보강을 위하여 파일 기초 공사를 진행한다. 2000년 이전의 파일 기초 공사에서는 주로 강관 파일을 사용하였으나, 최근에는 PHC파일의 점유율이 80% 이상으로 증가하고 있다. PHC 파일 기초 공사에서는 소음과 진동이 발생하지 않는 매입공법이 주로 사용되고 있는데, 파일의 자립 및 마찰력 증가를 위한 파일 충전재가 사용되고 있다. 이러한 파일 충전재로는 보통 포틀랜드 시멘트가 주로 사용되고 있으나, 파일 충전재는 구조적인 기능이 크게 요구되고 있지 않기 때문에 초기강도 발현율이 낮더라도, 장기강도가 우수하고 경제성이 높은 혼화재의 사용을 적극 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.
한편, 제강공정에서는 여러 가지 슬래그가 발생하는데, 산업부산물로 발생하는 제강 슬래그를 폐기 처분하지 않고 산업적으로 활용하는 방법이 지속적으로 연구되고 있다. 제강 슬래그는 주로 숙성 후 매립재로 활용하거나 콘크리트 결합재로 활용되는데, 학계 및 산업계에서는 제강공정별 발생 슬래그의 특성을 이용하여 가장 적합한 용처를 찾아내는 연구들이 진행되고 있다.
제강공정은 고로에 철광석을 넣고 코크스를 태워서 철광석중의 산소를 제거하고 용해시켜 선철로 만드는 제선공정, 선철의 불순물을 산화시키는 용선예비처리공정, 전로에 용선(쇳물)을 부은 후 고압, 고순도의 산소를 불어넣어 탄소를 태우고 불순물을 없애는 전로제강공정 및 최종제품 내부품질(성분, 재질 등) 요구조건에 맞게 제어하는 2차정련공정의 순서로 진행되며, 이후 주조, 압연 등의 공정을 거쳐 철강제품이 출하된다.
고로에서 생산된 용선(쇳물)은 탄소(C) 함유량이 많고 인(P), 유황(S)과 같은 불순물이 포함되어 있어 부스러지기 쉬운데, 이러한 쇳물을 강인한 강(鋼)으로 만들려면 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하는 공정을 용선예비처리공정이라 하며, 이 과정에서도 다량의 슬래그가 발생한다.
용선예비처리공정은 TDS(Torpedo Ladle Car desulfurization station), KR(Kanvara reactor), HMPS(Hot Metal Pretreatment Station) 방식이 있다. 이 중 KR방식은 교반봉을 용선 중에 담가 회전시키고 여기에 탈황제와 탈인제를 투입하여 용선과 혼합·교반함으로써 인과 유황을 제거하는 방법이다. 이하에서는 KR방식의 용선예비처리공정에 의해 발생하는 슬래그를 "KR 슬래그"라 칭한다.
[참고도 1]
본 발명은 위와 같은 KR 슬래그를 가공하여 파일 충전용 시멘트의 조성 성분으로 적용함으로써 산업부산물의 생산 원료화에 기여하고자 한 것이다.
본 발명은 캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서 발생한 KR 슬래그의 반응성을 향상시키기 위한 방법을 제공함을 목적으로 한다. 또한, 활성이 높아진 KR 슬래그를 이용한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 「(a) 캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서 발생한 KR 슬래그로부터 특정 직경 이하의 슬래그를 선별하는 공정; (b) 선별된 KR 슬래그를 대상으로 철질원료를 자력선별하여 제거하는 공정; 및 (c) 철질원료가 제거된 KR 슬래그를 450~500℃로 소성(燒成)하는 공정; 을 포함하는 소성 KR 슬래그 제조 방법」을 제공한다.
또한, 본 발명은 「철강부산물을 이용한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로서, 전술한 방법으로 제조된 소성 KR 슬래그 8~10wt% 및 잔부 고로슬래그를 포함하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
또한, 본 발명은 「상기 소성 KR 슬래그는 분말도가 3,000~8,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
또한, 본 발명은 「상기 소성 KR 슬래그는 강열감량(ignition loss, LOI)이 12.5~13.5wt%이고, Si02 6.3~6.5wt%, Al2O3 2.3~2.5wt%, Fe2O3 3.6~3.7wt%, CaO 50.0~51.0wt%, MgO 1.8~2.1wt%, Na2O 0.05~0.08wt% 및 K2O 0.15~0.2wt%를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
위와 같은 본 발명에 따라 KR 슬래그를 소성함으로써 반응성이 향상되고, 이에 따라 위의 소성 KR 슬래그가 적용된 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물의 재령 초기강도 및 장기강도가 향상된다. 또한, 소성 KR 슬래그가 적용된 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물의 내염해성이 증진되고, 중성화 및 건조수축이 저감된다.
본 발명은 「(a) 캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서 발생한 KR 슬래그로부터 특정 직경 이하의 슬래그를 선별하는 공정; (b) 선별된 KR 슬래그를 대상으로 철질원료를 자력선별하여 제거하는 공정; 및 (c) 철질원료가 제거된 KR 슬래그를 450~500℃로 소성(燒成)하는 공정; 을 포함하는 소성 KR 슬래그 제조 방법」을 제공한다.
상기 (a)공정은 스크린 필터를 통해 특정 직경 이하를 갖는 KR 슬래그만을 입도 분리하는 과정으로 수행할 수 있다. 본 (a)공정의 실시 전에는 필요에 따라 KR 슬래그에 대한 파쇄공정을 실시할 수 있다. 상기 (b)공정은 자성체를 이용한 자력 선별을 통해 철질원료와 비철질원료를 구분하고, 철질원료를 제거하는 과정으로 수행할 수 있다. 상기 (c)공정은 특정 직경 이하에서 철질원료가 제거된 KR 슬래그를 450~500℃로 소성(燒成)하는 공정이다.
캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서는 높은 염기성을 띈 KR 슬래그가 발생한다. 상기 KR 슬래그의 주 성분은 소석회(수산화칼슘[Ca(OH)2])인데, 상기 소석회는 강알칼리성이지만 산화칼슘에 비하여 매우 안정된 육방정계의 판상 또는 주상결정구조를 갖고 있다. 이러한 소석회를 가열하면 약 450℃에서 화합수가 분해되기 시작하여 활성이 매우 큰 생석회(CaO)가 된다. 또한, 생성되는 생석회(CaO)의 화학 반응성 인자인 비중, 비표면적, 기공률 등을 고려할 때 소성 온도는 450~500℃가 적정하다. 이러한 (c)공정을 통해 제조되는 소성 KR 슬래그는 칼슘 이온과 산소 이온의 충전이 불안정하여 화학적 반응성이 크게 된다.
본 발명은 (a)공정 내지 (c)공정을 통해 제조된 소성 KR 슬래그를 함유한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물을 함께 제공한다. 즉 본 발명은 「철강부산물을 이용한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로서, 전술한 방법으로 제조된 소성 KR 슬래그 8~10wt% 및 잔부 고로슬래그를 포함하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물」을 함께 제공한다.
고로슬래그는 보통 포틀랜드 시멘트에 비하여 경화과정에서 발생하는 수화열(水和熱)이 낮고, 내구성이 높으며, 화학저항성이 큰 한편, 투수(透水)가 적은 특징이 있어, 댐 등의 대규모 콘크리트 공사, 호안(護岸) ·배수구 ·터널 ·지하철 공사에 많이 사용되는 만큼 파일 충전용으로도 충분히 고려할 수 있다. 본 발명은 고로슬래그를 기반으로 고로슬래그의 일부를 상기 소성 KR 슬래그로 치환하여 적용한 조성물이라 할 수 있다.
아래의 [표 1]과 [그래프 1]은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 일반 고로슬래그 시멘트(S/C) 및 비소성 KR 슬래그를 포함(시멘트 조성물 총량 대비 2, 4, 6, 8, 10wt%)한 슬래그 시멘트로 각각 제작한 모르타르 경화체의 재령별 압축강도를 정리한 것이다.
[표 1]
[그래프 1]
위의 [표 1] 및 [그래프 2]를 통해 볼 때 비소성 KR 슬래그의 사용량이 증가할수록 압축강도는 저하됨을 알 수 있다.
아래의 [표 2]와 [그래프 2]는 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 일반 고로슬래그 시멘트(S/C) 및 500℃ 소성 KR 슬래그를 포함(시멘트 조성물 총량 대비 2, 4, 6, 8, 10wt%)한 슬래그 시멘트로 각각 제작한 모르타르 경화체의 재령별 압축강도를 정리한 것이다.
[표 2]
[그래프 2]
위의 [표 2] 및 [그래프 2]를 통해 볼 때 500℃ 소성 KR 슬래그의 사용량이 증가할수록 초기강도 및 장기재령에서의 압축강도 증진 효과가 커짐을 알 수 있었다. 특히, 500℃ 소성 KR 슬래그의 사용량이 8wt%인 경우 및 10wt%인 경우는 보통 포틀랜드 시멘트와 오차범위 내에서 동등하거나 우월한 초기강도와 장기강도가 발현됨을 알 수 있다.
아래의 [표 3]과 [그래프 3]은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC), 일반 고로슬래그 시멘트(S/C) 및 1,000℃ 소성 KR 슬래그를 포함(시멘트 조성물 총량 대비 2, 4, 6, 8, 10wt%)한 슬래그 시멘트로 각각 제작한 모르타르 경화체의 재령별 압축강도를 정리한 것이다.
[표 3]
[그래프 3]
위의 [표 3] 및 [그래프 3]를 통해 볼 때 1,000℃ 소성 KR 슬래그의 사용량이 증가할수록 초기강도는 커지나 장기강도는 저하됨을 알 수 있었다. 따라서 KR 슬래그의 소성온도는 수산화칼슘의 화합수가 분해되기 시작하는 450℃에서 500℃까지가 적정하다. KR 슬래그의 소성온도가 500℃를 초과하여 과도하게 높으면 생성되는 생석회의 비표면적과 기공률이 낮아져 반응성이 낮게 된다. 또한, 상기 소성 KR 슬래그는 시멘트 조성물 전체의 8~10wt%가 되도록 적용하고 나머지는 고로슬래그를 적용하는 것이 경제성 및 효율을 고려할 때 바람직하다.
또한 상기 소성 KR 슬래그는 분말도가 3,000~8,000㎠/g인 것이 반응성, 유동성 및 경제성을 두루 고려한 측면에서 바람직하고, 상기 소성 KR 슬래그는 강열감량(ignition loss, LOI)이 12.5~13.5wt%이고, Si02 6.3~6.5wt%, Al2O3 2.3~2.5wt%, Fe2O3 3.6~3.7wt%, CaO 50.0~51.0wt%, MgO 1.8~2.1wt%, Na2O 0.05~0.08wt% 및 K2O 0.15~0.2wt%를 각각 포함하도록 조성된다.
상기 소성 KR 슬래그를 조성하는 CaO의 대부분은 Free CaO로서 수화반응 과정에서 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 생성하여, 자경효과에 의해 초기강도를 발휘하게 한다. 또한 수산화칼슘에서 방출되는 Ca2 +이온은 고로슬래그에 포함되어 있는 규산염(SiO2)이나 알루민산염(Al2O3)과 반응하여 칼슘실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘알루미네이트 수화물(CAH) 등을 생성함으로써 경화되는 특징을 보여 시멘트와 유사한 수화반응 메커니즘을 나타낸다.
또한, 일반 고로슬래그 시멘트는 염해저항성이 매우 우수한 것으로 알려져 있는데, 본 발명이 제공하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물은 염해저항성이 더욱 우수하게 발현되어 해안 지역에 적극적인 사용이 가능하다.
아래의 [표 4]는 동일한 수준의 압축강도가 발현되도록 배합설계된 모르타르 경화체에 대한 염화물 확산 시험 결과를 정리한 것이다. 본 발명이 제공하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로 제작한 모르타르 경화체의 염화물 확산계수는 보통 포틀랜드 시멘트에 비해 57% 수준으로 낮아지고, 일반 고로슬래그 시멘트에 비해서는 88% 수준으로 낮아짐을 알 수 있다.
[표 4]
아래의 [그래프 4]는 기존의 일반 고로슬래그 시멘트와 본 발명이 제공하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로 제조한 모르타르에 대한 촉진 탄산화 시험을 통해 중성화 깊이(단위 : ㎜)를 측정한 결과를 정리한 것이다. 본 발명이 제공하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로 제작한 모르타르 경화체는 일반 고로슬래그 시멘트에 비해 중성화가 저감됨을 알 수 있다.
[그래프 4]
아래의 [그래프 5]는 보통 포틀랜드 시멘트, 일반 고로슬래그 시멘트 및 본 발명이 제공하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로 제조한 모르타르에 대한 건조수축길이 변화 측정값을 정리한 것이다. 본 발명이 제공하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물의 건조수축은 보통 포틀랜드 시멘트와 유사하게 나타나며, 일반 고로슬래그 시멘트 보다는 크게 저감됨을 알 수 있다.
[그래프 5]
본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 실험예와 함께 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 조건을 변경하거나 첨가물을 가감하여 적용할 수 있다.
Claims (4)
- (a) 캔버러리액터(Kanvara Reactor)를 이용한 용선예비처리공정에서 발생한 KR 슬래그로부터 특정 직경 이하의 슬래그를 선별하는 공정;
(b) 선별된 KR 슬래그를 대상으로 철질원료를 자력선별하여 제거하는 공정; 및
(c) 철질원료가 제거된 KR 슬래그를 450~500℃로 소성(燒成)하는 공정; 을 포함하는 소성 KR 슬래그 제조 방법.
- 철강부산물을 이용한 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물로서,
제1항의 방법으로 제조된 소성 KR 슬래그 8~10wt% 및 잔부 고로슬래그를 포함하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물.
- 제2항에서,
상기 소성 KR 슬래그는 분말도가 3,000~8,000㎠/g인 것을 특징으로 하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물.
- 제2항에서,
상기 소성 KR 슬래그는 강열감량(ignition loss, LOI)이 12.5~13.5wt%이고,
Si02 6.3~6.5wt%, Al2O3 2.3~2.5wt%, Fe2O3 3.6~3.7wt%, CaO 50.0~51.0wt%, MgO 1.8~2.1wt%, Na2O 0.05~0.08wt% 및 K2O 0.15~0.2wt%를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 파일 충전용 슬래그 시멘트 조성물.
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