KR101659257B1 - 폐알루미늄 분진과 유동층상 보일러의 비산재를 이용한 아우인계 시멘트 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

폐알루미늄 분진과 유동층상 보일러의 비산재를 이용한 아우인계 시멘트 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 및 금속의 용융 및 제련 후 발생하는 알루미늄 분진과 유동층상 보일러 비산재를 이용하여, 전량 수입에 의존하고 있는 급경성, 조강성, 팽창성 등의 특성이 있어 다양한 용도로 사용될 수 있는 속경성 및 팽창성 클링커 화합물인 아우인(Hauyne)계 시멘트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로서
본 발명에 의한 아우인계 시멘트는 급경성 및 조강성, 팽창성 등의 특징으로 시멘트 및 콘크리트 건조수축에 의한 균열방지용 팽창재, 초속경 시멘트, 초조강 시멘트, 중금속 이온 고화제 등의 원료로 사용될 수 있으며, 특히 시멘트에 혼합 사용되어 우수한 팽창특성을 나타냄으로서 시멘트 콘크리트의 기본적인 특성인 건조수축에 의한 균열을 저감할 수 있기 때문에, 이러한 특성을 이용하여 공동주택 온돌바닥용 미장 모르터의 균열저감용 팽창재 또는 셀프 콤팩팅 콘크리트(self-compacting concrete)의 수축 저감재로 사용되어 우수한 균열저감 효과를 발휘할 수 있으며, 또한 오염 토양에 함유되어 있는 중금속 이온의 고정화 및 안정화에 대한 탁월한 효과가 있다.
[색인어]
유동층상 보일러, 알루미늄 분진, 아우인계 시멘트, 팽창성, 속경성, 고화재

Description

폐알루미늄 분진과 유동층상 보일러의 비산재를 이용한 아우인계 시멘트 조성물 및 그 제조방법{A Composite of Hauyne cement by using fly ash of fluidize-bed boiler and Waste Aluminium Powder and manufacturing method thereof}
본 발명은 급경성 및 조강성, 팽창성 등의 특징으로 시멘트 및 콘크리트 건조수축에 의한 균열방지용 팽창재, 초속경 시멘트, 초조강 시멘트, 중금속 이온 고화제 등의 원료로 사용될 수 있으며, 특히 시멘트에 혼합 사용되어 우수한 팽창특성을 나타냄으로서 시멘트 콘크리트의 기본적인 특성인 건조수축에 의한 균열을 저감할 수 있기 때문에, 이러한 특성을 이용하여 공동주택 온돌바닥용 미장 모르터의 균열저감용 팽창재 또는 셀프 콤팩팅 콘크리트(self-compacting concrete)의 수축 저감재로 사용되어 우수한 균열저감 효과를 발휘할 수 있으며, 또한 오염 토양에 함유되어 있는 중금속 이온의 고정화 및 안정화에 대한 탁월한 효과가 있는 속경성 및 팽창성 클링커 화합물인 아우인(Hauyne)계 시멘트 조성물을 제조하기 위하여 알루미늄의 용융 후, 제련 시 및 금속 가공 후 발생하는 폐 분진과 유동층상 보일러에서 발생하는 비산재를 이용하여, 전량 수입에 의존하고 있는 급경성, 조강성, 팽창성 등의 특성이 있어 다양한 용도로 사용될 수 있는 속경성 및 팽창성 클링커 화합물인 아우인(Hauyne)계 시멘트 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 팽창성 클링커인 아우인(Hauyne, 일명 Calcium Sulfo Aluminate-CSA 라 함)은 보오크사이트-석고-석회석의 재료로 약 섭씨 1300도 이상에서 제조한다. 또한 일부에서는 석유화학에서 사용되는 알루미나 촉매를 사용하여 제조하기도 한다. 일부 알루미나 함량이 높은 점토질 원료를 사용하여 제조하기도 하였으나 이는 실리카의 함량이 높아 아우인계 시멘트 본질의 특성인 팽창성의 발현에는 부족한 재료가 되어 불완전한 재료가 되어왔다. 또한 상기의 아우인계 시멘트 생성 조건에서는 고온으로 소성함으로 인하여, 아우인계 시멘트의 생성 조건 중 가장 중요한 아황산 성분이 분해되기 때문에 소성조건의 확립이 매우 어렵다. 또한 아황산가스의 방출로 인한 대기오염 및 제조장치의 부식 등으로 인하여 제조비용은 상승하게 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 알루미늄 금속의 용융 후 가공 시에, 또는 알루미늄 금속의 제련 후에 및 알루미늄 금속의 가공 후에 대량으로 발생되어 분진 폭발의 위험성이 있는 폐알루미나 분진과, 역시 대량으로 발생되나 재활용 가치가 거의 없는 국내의 유동층상 보일러에서 발생하는 비산재를 활용하여 전량 수입에 의존하고 있는 팽창성 클링커 화합물의 제조이다.
폐알루미늄 분진은 화학 조성상 산화 알루미늄 성분이 약 70 중량％ 이상을 함유하고 있으나, 미세한 먼지의 형태로 포집되고, 포집된 알루미늄 분진은 대기 중의 수부이나 기타 화학재료와의 반응에 의해 폭발의 위험성을 갖고 있기 때문에 재사용 가능성이 전혀 없는 위험 물질이라 할 수 있다. 한편, 유동층상 보일러 비산재는 그 광물조성 상 생석회 성분이 약 40 중량％ 이상, 무수석고 성분이 약 40％ 이상이 함유되어 있으며(그림1), 과잉의 생석회 성분으로 인하여 일반 보통 포틀랜드 시멘트의 치환용 재료로의 사용이 불가능할 뿐 아니라, 무수석고의 함량이 높아 보통 포틀랜드 시멘트 제조에도 사용할 수 없는 문제점이 있어 전량 폐기되고 있는 실정이다. 이러한 재활용 불가능 상태의 원료를 최적의 제조 조건을 확보하여 전량 수입에 의존하고 있는 재료를 제조하는 것은 산업자원의 안정적 확보뿐만 아니라 귀중한 천연자원을 유효하게 활용할 수 있도록 하는 중요한 과제이며 또한 건설시장 개방에 따른 토목, 건축산업에서의 대외 경쟁력 강화 및 각종 토목, 건축 공법개발의 밑거름 역할을 할 수 있을 것이다.
Figure 112013502724299-pat00001
따라서 본 발명은 상기와 같은 폐알루미늄 분진과 유동층상 보일러 비산재의 재활용에 대한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 알루미늄 금속의 용융 후 가공 시에, 또는 알루미늄 금속의 제련 후에 및 알루미늄 금속의 가공 후에 대량으로 발생되어 분진 폭발의 위험성이 있는 폐알루미나 분진과, 대량으로 발생되나 재활용 가치가 거의 없는 국내의 유동층상 보일러에서 발생하는 비산재를 활용하여 전량 수입에 의존하고 있는 아우인계 시멘트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 아우인계 시멘트 조성물 제조를 위하여 알루미나원으로써 상기의 폐알루미늄 분진과 유동층상 보일러에서 발생하는 비산재를 활용하여 기존의 시멘트 제조공정 온도보다 낮은 1,200℃ 내지 1,300℃ 범위의 저에너지원으로 아우인계 시멘트를 제조함으로써 전량 수입에 의존하고 있는 팽창성, 속경성 등의 물성을 갖는 특수 시멘트조성물을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적으로, 본 발명의 아우인계 시멘트 조성물을 사용하여 대규모 콘크리트 구조물인 셀프 콤팩팅 콘크리트의 수축저감용, 고강도 그라우트 모르타르의 수축보상용 등의 팽창 시멘트 조성물에 사용될 수 있는 아우인계 시멘트 조성물 뿐 아니라, 수은, 납과 같은 중금속 이온에 오염되어 있는 오염 토양의 중금속 고화재로 사용될 수 있으며, 함수율이 높은 하수 슬럿지 고화용으로 사용될 수 있는 특수 시멘트인 아우인계 시멘트 조성물을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 50 중량％ 이상이며 알루미늄 금속의 용융, 제련 가공 공정 후에 발생하는 폐알루미늄 분진 30 내지 70 중량％와 생석회(CaO) 성분이 30 내지 60 중량％, 무수석고(CaSO4) 성분이 30 내지 60 중량％ 함유되어 있는 유동층상 보일러 비산재 30 내지 70 중량％를 분체 상태로 혼합하는 단계; 혼합된 분체를 뚜껑이 있는 혼합기 내에서 1분 당 회전속도 10회 내지 60회의 속도로 회전시키면서 혼합분체 100중량부를 기준으로 150 중량부 내지 250 중량부의 물을 첨가하면서 30분 내지 60분 동안 혼합하는 단계; 혼합 및 반죽된 혼합물을 60분 내지 180분 동안 온도 섭씨 40내지 90도 범위에서 6시간 내지 18시간 동안 건조시키는 단계; 건조된 혼합물을 직경 5밀리미터 내지 50 밀리미터의 크기로 볼(ball) 형태로 펠렛을 만드는 단계; 볼 형태의 펠렛을 승온속도 섭씨 10도/분, 최고 온도 섭씨 1,000도 내지 1,400도, 소성 유지시간 30분 내지 90분 동안 소성하는 단계; 소성 후 소성된 혼합물을 비표면적 2,500cm2/g 내지 4,500 cm2/g 의범위로 분쇄하는 단계; 로 제조되는 것을 특징으로 하는 폐알루미늄 분진과 유동층상 보일러의 비산재를 이용한 아우인계 시멘트 클링커를 얻는다.
일 구현예에서, 상기 폐알루미늄 분진은 알루미늄 금속의 용융, 제련 가공 공정 후에 발생하는 폐알루미늄 분진으로써, 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 50 중량％ 이상인 것을 사용하나 바람직하게는 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 60 중량％ 내지 90 중량％ 함유되어 있는 것을 사용한다.
일 구현예에서, 상기 유동층상 보일러 비산재는 생석회(CaO) 성분이 30 내지 60 중량％, 무수석고(CaSO4) 성분이 30 내지 60 중량％ 함유되어 있는 것을 사용하나 바람직하게는 생석회(CaO) 성분이 40 내지 50 중량％, 무수석고(CaSO4) 성분이 40 내지 50 중량％ 함유되어 있는 것을 사용한다.
일 구현예에서, 폐알루미늄 분진 30 내지 70 중량％와 유동층상 보일러 비산재 30 내지 70 중량％를 분체 상태로 혼합하나 바람직하게는 폐알루미늄 분진40 내지 60 중량％와 유동층상 보일러 비산재 40 내지 60 중량％ 혼합하는 것으로 한다.
일 구현예에서, 혼합된 분체를 뚜껑이 있는 혼합기 내에서 1분 당 회전속도 10 내지 60 회전의 속도로 회전시키면서 10 내지 60분간 고르게 혼합하는 단계를 거치나, 바람직하게는 혼합기 내에서 1분 당 회전속도 30 내지 50 회전의 속도로 회전시키면서 30 내지 40분간 고르게 혼합하는 것이 바람직하다.
일 구현예에서, 고르게 혼합된 분체 혼합물에 분체 혼합물 100 중량부를 기준으로 150 내지 250 중량부의 물을 첨가하면서 30분 내지 60분 동안 혼합하는 단계를 거치나, 바람직하게는 분체 혼합물 100 중량부를 기준으로 180 내지 210 중량부의 물을 첨가하면서 40분 내지 50분 동안 혼합하는 것이 바람직하다.
일 구현예에서, 성구된 혼합물을 승온속도 섭씨 10도/분, 최고 온도 섭씨 1,000도 내지 1,400도, 소성 유지시간 30분 내지 90분 동안 소성하는 단계를 거치나, 바람직하게는 성구된 혼합물을 승온속도 섭씨 10도/분, 최고 온도 섭씨 1,200도 내지 1,300도, 소성 유지시간 50분 내지 70분 동안 소성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 급경성 및 조강성, 팽창성 등의 특징으로 시멘트 및 콘크리트 건조수축에 의한 균열방지용 팽창재, 초속경 시멘트, 초조강 시멘트, 중금속 이온 고화제 등의 원료로 사용될 수 있으며, 특히 시멘트에 혼합 사용되어 우수한 팽창특성을 나타냄으로서 시멘트 콘크리트의 기본적인 특성인 건조수축에 의한 균열을 저감할 수 있기 때문에, 이러한 특성을 이용하여 공동주택 온돌바닥용 미장 모르터의 균열저감용 팽창재 또는 셀프 콤팩팅 콘크리트(self- compacting concrete)의 수축 저감재로 사용되어 우수한 균열저감 효과를 발휘할 수 있으며, 또한 오염 토양에 함유되어 있는 수은, 납 등의 중금속 이온의 고정화 및 안정화에 대한 탁월한 효과가 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은, 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 50 중량％ 이상이며 알루미늄 금속의 용융, 제련 가공 공정 후에 발생 하는 폐알루미늄 분진 30 내지 70 중량％와 생석회(CaO) 성분이 30 내지 60 중량％, 무수석고(CaSO4) 성분이 30 내지 60 중량％ 함유되어 있는 유동층상 보일러 비산재 30 내지 70 중량％를 분체 상태로 혼합하는 단계; 혼합 된 분체를 뚜껑이 있는 혼합기 내에서 1분 당 회전속도 10 내지 60 회전의 속도로 회전시키면서 10 내지 60분간 고르게 혼합하는 단계; 고르게 혼합된 분체 혼합물에 분체 혼합물 100 중량부를 기준으로 150 내지 250 중량부의 물을 첨가하면서 30분 내지 60분 동안 혼합하는 단계; 혼합 및 반죽된 혼합물을 온도 섭씨 40내지 90도 범위에서 6시간 내지 18시간 동안 건조시키는 단계; 건조된 혼합물을 직경 5밀리미터 내지 50 밀리미터의 크기로 성구하는 단계; 성구된 혼합물을 승온속도 섭씨 10도/분, 최고 온도 섭씨 1,000도 내지 1,400도, 소성 유지시간 30분 내지 90분 동안 소성하는 단계; 소성 후 소성된 혼합물을 비표면적 2,500cm2/g 내지 4,500cm2/g 의 범위로 분쇄하는 단계; 로 본 발명의 아우인계 시멘트 클링커를 얻는다.
본 발명에 따른 알루미늄 및 금속의 용융 및 제련 후 발생하는 알루미늄 분진과 유동층상 보일러의 비산재를 이용한 아우인계 시멘트 조성물은, 화학 조성상 산화 알루미늄 성분이 약 70 중량％ 이상을 함유하고 있으나, 미세한 먼지의 형태로 포집되고, 포집된 알루미늄 분진은 대기 중의 수분이나 기타 화학재료와의 반응에 의해 폭발의 위험성을 갖고 있기 때문에 재사용 가능성이 전혀 없는 위험 물질이라 할 수 있는 폐알루미늄 분진과 생석회 성분 30 중량％ 이상, 무수석고 성분 30 중량％ 이상 함유하고 있으나 재활용되지 못하고 폐기 처분되는 유동층상 보일러 비산재를 구성재료로 하여, 최적의 분체 구성과 화학 양론에 의한 배합, 일반 시멘트보다는 제조 온도가 낮은 범위에서 제조되어, 급경성, 속경성, 팽창성이 발휘되어 시멘트 콘크리트의 기본적인 특성인 건조수축에 의한 균열을 저감할 수 있기 때문에, 이러한 특성을 이용하여 공동주택 온돌바닥용 미장 모르터의 균열저감용 팽창재 또는 셀프 콤팩팅 콘크리트(self- compacting concrete)의 수축 저감재로 사용되어 우수한 균열저감 효과를 발휘할 수 있으며, 또한 오염 토양에 함유되어 있는 수은, 납 등의 중금속 이온의 고정화 및 안정화 기능을 구현하는 아우인계 시멘트 조성물을 구성하게 된다.
본 발명에서 사용하는 알루미늄 및 금속의 용융 및 제련 후 발생하는 알루미늄 분진을 사용하는데 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 50 중량％ 이상의 것을 사용하는데, 50 중량％ 이하이면 충분한 아우인계시멘트의 구성을 이룰 수 없기 때문에 50 중량 ％ 이상의 것을 사용하는데 바람직하게는 60 중량％ 내지 90 중량％ 범위의 것을 사용한다.
또한, 유동층상 보일러 비산재에 의한 아우인 클링커의 팽창성 발현을 위하여 생석회(CaO) 성분이 30 내지 60 중량％함유되어 있는 것을 사용하는데, 생석회 성분이 30 중량％ 이하이면 아우인 클링커의 팽창성이 저하되고, 60 중량％ 이상의 것을 사용하면 과다한 팽창으로 오히려 시멘트 콘크리트의 균열을 야기할 수 있다. 바람직하게는 40내지 50 중량％의 것을 사용한다.
이와 같이 구성되고 제조되는 본 발명의 조성물은, 급경성, 속경성, 팽창성이 발휘되어 시멘트 콘크리트의 기본적인 특성인 건조수축에 의한 균열을 저감할 수 있기 때문에, 건조수축에 의한 균열의 발생이 심한 공동주택 온돌바닥용 미장 모르타르의 균열저감용 팽창재 또는 셀프 콤팩팅 콘크리트(self- compacting concrete)의 수축 저감재로 사용되어 우수한 균열저감 효과를 발휘할 수 있으며, 또한 오염 토양에 함유되어 있는 수은, 납 등의 중금속 이온을 고정화 및 안정화 시킴으로 인한 중금속 고화재, 함수율이 높은 하수 슬럿지 고화재 등으로의 사용이 용이하다.

Claims (8)

  1. 산화알루미늄(Al2O3) 성분이 50 중량% 이상이며 알루미늄 금속의 용융, 제련 가공 공정 후에 발생하는 폐알루미늄 분진 30 내지 70 중량%와 생석회(CaO) 성분이 30 내지 60 중량%, 무수석고(CaSO4) 성분이 30 내지 60 중량% 함유되어 있는 유동층상 보일러 비산재 30 내지 70 중량%를 분체 상태로 혼합하는 단계; 혼합된 분체를 뚜껑이 있는 혼합기 내에서 1분 당 회전속도 10회 내지 60회의 속도로 회전시키면서 10 내지 60분간 고르게 혼합하는 단계; 고르게 혼합된 분체 혼합물 100 중량부를 기준으로 150 중량부 내지 250 중량부의 물을 첨가하면서 30분 내지 60분 동안 혼합하는 단계; 혼합된 혼합물을 온도 섭씨 40내지 90도 범위에서 6시간 내지 18시간 동안 건조시키는 단계; 건조된 혼합물을 직경 5 밀리미터 내지 50 밀리미터의 크기로 볼(ball) 형태로 펠렛을 만드는 단계; 볼 형태의 펠렛을 승온속도 섭씨 10도/분, 최고 온도 섭씨 1,000도 내지 1,400도, 소성 유지시간 30분 내지 90분 동안 소성하는 단계; 소성 후 소성된 혼합물을 비표면적 2,500cm2/g 내지 4,500 cm2/g 의범위로 분쇄하는 단계; 로 제조되는 것을 특징으로 하는 폐알루미늄 분진과 유동층상 보일러의 비산재를 이용한 아우인계 시멘트 조성물 제조방법
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