KR102398913B1 - 성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체 - Google Patents

성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체에 관한 것으로, 슬래그를 마련하는 과정; 플라스틱을 마련하는 과정; 상기 슬래그의 적어도 일부에 상기 플라스틱을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정; 상기 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱의 혼합물을 압출하여 성형체를 제조하는 과정;을 포함하고, 압출 시 설비 손상을 억제할 수 있고, 성형체의 품질 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체{Manufacturing apparatus for molded articles, method thereof and molded articles}
본 발명은 성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제철소에서 발생하는 부산물과 폐플라스틱을 활용하여 기계적 물성이 우수한 성형체를 제조할 수 있는 성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체에 관한 것이다.
제철 공정은 철강 제품을 제조하면서 여러 가지 종류의 부산물을 다량 발생시키고 있다. 이러한 부산물 중에 하나의 예로, 슬래그를 들 수 있으며 슬래그는 크게 고로 슬래그, 제강 슬래그 및 페로니켈 슬래그로 구분될 수 있다. 고로 슬래그는 고로에 장입된 철광석, 코크스 및 석회석 등에 포함된 비철성분이 용융된 것으로, 다량의 CaO와 SiO2을 함유하고 있다. 이러한 고로 슬래그는 시멘트 원료, 비료, 도료, 및 토목용 골재 등에 활용되어 주로 건축용 소재로 활용이 되고 있다. 제강 슬래그도 고로 슬래그처럼 다량의 CaO와 SiO2을 함유하는데, 고로 슬래그와 유사하게 건축용 소재로 재활용되고 있다. 그런데 고로 슬래그와 제강 슬래그의 경우, CaO의 함량이 높아 수분 흡수율이 높기 때문에 이들을 이용하여 건설된 구조체는 강도, 내마모성 등 기계적인 물성이 낮은 문제가 있다. 또한, 고로 슬래그와 제강 슬래그의 대부분은 매립 처분되고 있는 실정으로 다양하게 활용할 수 있는 방안이 요구된다.
한편, 페로 니켈 슬래그는 페로니켈 용강을 생산하는 과정에서 발생하며, SiO2와 MgO를 다량 함유하고 있다. 페로 니켈 슬래그는 고로 슬래그 및 제강 슬래그와는 달리 CaO 함량이 매우 적어 수분 흡수율이 낮고 경도가 높아, 이를 이용하여 건설된 구조체의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 그러나 페로 니켈 슬래그를 성형하여 건축용 소재를 형성하는 경우, 페로 니켈 슬래그의 경도가 높아 성형 설비를 쉽게 마모시켜 성형 설비의 수명을 저하시키는 문제가 있다.
KR 10-1998-044182 A
본 발명은 설비의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체를 제공한다.
본 발명은 기계적인 물성이 우수한 성형체를 제조할 수 있는 성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체를 제공한다.
본 발명은 제조 비용을 절감할 수 있고, 환경 오염을 저감시킬 수 있는 성형체 제조설비, 성형체 제조방법 및 성형체를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 성형체 제조방법은, 슬래그를 마련하는 과정; 플라스틱을 마련하는 과정; 상기 슬래그의 적어도 일부에 상기 플라스틱을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정; 상기 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱의 혼합물을 압출하여 성형체를 제조하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 슬래그를 마련하는 과정은 슬래그의 CaO 함량을 조정하는 성분 조정 과정을 포함할 수 있다.
상기 플라스틱을 마련하는 과정은, 폐플라스틱을 수집하는 과정; 및 상기 폐플라스틱을 파쇄하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은, 상기 플라스틱의 융점 이상의 온도를 갖도록 상기 슬래그를 가열하는 과정; 가열된 슬래그에 상기 플라스틱을 투입하는 과정; 및 상기 가열된 슬래그의 표면에 플라스틱을 부착시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 가열된 슬래그에 상기 플라스틱을 투입하는 과정은, 상기 가열된 슬래그와 상기 플라스틱을 합한 전체에 대해서, 5 내지 10중량%의 플라스틱을 투입하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은, 상기 가열된 슬래그의 온도를 상기 플라스틱의 융점 이상의 온도로 유지하는 과정; 상기 가열된 슬래그와 상기 플라스틱을 교반하여 상기 가열된 슬래그에 상기 플라스틱을 접촉시키고, 상기 가열된 슬래그의 열을 이용하여 상기 플라스틱을 용융시키는 과정; 및 상기 가열된 슬래그의 표면에 용융된 플라스틱을 부착시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은, 상기 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키는 과정을 포함하고, 상기 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키는 과정을 상기 가열된 슬래그의 표면에 플라스틱을 부착시키는 과정과 다른 용기에서 수행할 수 있다.
상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은 상기 슬래그-플라스틱 복합체를 파쇄하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 성형체를 제조하는 과정은, 상기 슬래그-플라스틱 복합체와 상기 플라스틱을 합한 전체에 대해서, 30 내지 80중량%의 슬래그-플라스틱 복합체를 마련하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 성형체를 제조하는 과정은, 상기 성형체 전체를 1이라 할 때, 0.01 내지 0.05 중량부의 첨가제를 마련하는 과정을 포함하고, 상기 첨가제는 착색제와 자외선 안정제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 성형체를 제조하는 과정은, 상기 플라스틱의 용융 온도 이상의 온도에서 상기 혼합물을 압출하는 과정을 포함하고, 상기 압출하는 과정은 상기 혼합물이 주입되는 쪽보다 상기 혼합물이 압출되는 쪽의 온도를 더 높게 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 슬래그를 마련하는 과정은 페로니켈 용강을 제조하는 과정에서 발생하는 페로니켈 슬래그를 마련하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 성형체 제조 설비는, 슬래그의 표면에 플라스틱의 용융물을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 제조할 수 있는 코팅부; 상기 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱의 혼합물을 용융 압출하여 성형체를 제조하기 위한 성형부; 및 상기 성형부의 온도를 제어하기 위한 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 코팅부는, 회전 가능하고, 내부에 상기 슬래그를 수용할 수 있는 공간을 형성하는 코팅 용기; 및 상기 슬래그를 가열하도록 상기 코팅 용기에 형성되는 제1가열 수단;을 포함할 수 있다.
상기 코팅부는, 회전 가능하고, 내부에 상기 슬래그-플라스틱 복합체를 수용할 수 있는 공간을 형성하는 냉각 용기; 및 상기 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키도록, 상기 냉각 용기에 형성되는 냉각수단;을 포함할 수 있다.
상기 슬래그-플라스틱 복합체를 파쇄하기 위한 파쇄기를 더 포함할 수 있다.
상기 성형부는, 내부에 공간을 형성하고, 주입구와 배출구가 형성되는 압출기 몸체; 상기 혼합물을 상기 주입구 쪽에서 상기 배출구 쪽으로 이동시키도록 상기 압출기 몸체에 형성되는 스크류; 상기 압출기 몸체의 내경보다 작은 내경을 갖도록 형성되고, 상기 배출구에 연결되는 다이; 및 상기 압출기 몸체에 형성되는 제2가열수단;을 포함하고, 상기 제어부는 상기 압출기 몸체에서 상기 주입구 쪽 온도와 상기 배출구 쪽의 온도를 서로 다르게 조절하도록 상기 제2가열수단을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 성형체는, 플라스틱; 및 상기 플라스틱 내에 입자 형태로 분산되도록 배치되는 슬래그;를 포함하고, 상기 슬래그는 상기 슬래그 전체에 대해서 10중량% 이하의 CaO를 함유할 수 있다.
상기 슬래그는 고로 슬래그, 제강 슬래그 및 페로니켈 슬래그 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 플라스틱은 폐플라스틱을 포함할 수 있다.
상기 슬래그의 입자 크기는 0.01 내지 0.15㎜일 수 있다.
상기 슬래그는 각이 진 다면체 입자를 포함할 수 있다.
상기 플라스틱은 폴리에틸렌(PolyEthylene, PE), 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP), 폴리스타이렌(PolyStyrene, PS) 및 폴리카보네이트(PolyCarbonate, PC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 슬래그와 상기 플라스틱을 합한 전체에 대해서, 상기 슬래그를 27 내지 76중량% 포함하고, 굴곡 강도가 25 내지 50MPa일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 제철공정에서 발생하는 슬래그와 폐플라스틱을 이용하여 기계적인 물성이 우수한 성형체를 제조할 수 있다. 이러한 성형체는 건축용 자재, 토목용 자재 등으로 사용될 수 있고, 강도, 내식성 등이 우수하여, 이를 이용하여 건설된 구조체의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있다. 게다가 슬래그가 폐플라스틱에 의해 둘러싸여져 외부 또는 주변 환경과 차단되기 때문에 슬래그로부터 유해성분의 유출을 방지하고, 주변 환경이 오염되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 성형체를 제조하기 위해 슬래그와 폐플라스틱의 혼합물을 압출하는 경우, 슬래그가 스크류와 압출기 몸체의 내면에 직접 접촉하여 스크류와 압출기 몸체를 마모시키는 현상을 억제할 수 있다. 따라서 스크류와 압출기 몸체의 수명을 연장하여 교체 또는 보수 기간을 연장할 수 있으므로, 설비를 보수하거나 교체하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
그리고 폐기물을 이용하여 고부가가치 제품을 제조하기 때문에 폐기물을 처리하는 비용과 제품을 제조하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조설비를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법으로 성형체를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법에서 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법으로 제조된 성형체의 내부 구조를 개념적으로 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법으로 제조된 제품의 일예를 보여주는 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 제철공정에서 발생하는 슬래그와, 생활 폐기물, 산업 폐기물 등으로부터 수집된 폐플라스틱을 이용하여, 기계적인 물성이 우수한 제품을 제조하는 기술에 관한 것이다. 이하에서는 슬래그와, 폐플라스틱으로 건축 자재, 토목 자재 등으로 사용되는 성형체를 제조하는 예에 대해서 설명한다. 여기에서 슬래그는 슬래그 전체 중량에 대해서 CaO 성분을 10중량% 이하로 함유할 수 있으며, 폐플라스틱은 열을 가하면 용융되고, 냉각시키면 다시 고체 상태로 변화하는 열가소성 플라스틱을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조설비를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조설비는, 슬래그의 표면에 플라스틱 코팅층을 형성하여 슬래그-플라스틱 복합체를 형성할 수 있는 코팅부(100), 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 압출하여 성형체(E)를 형성하기 위한 성형부(300) 및 성형부(300)의 온도를 제어하기 위한 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조설비는 성형체를 절단하기 위한 절단부(400)를 포함할 수 있다.
코팅부(100)는 슬래그의 표면에 플라스틱, 예컨대 폐플라스틱을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 형성할 수 있다.
코팅부(100)는 슬래그를 가열하고, 가열된 슬래그의 표면에 플라스틱을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 형성할 수 있는 코팅기(110)와, 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시킬 수 있는 냉각기(120)를 포함할 수 있다. 또한, 코팅부(100)는 필요에 따라 슬래그-플라스틱 복합체를 파쇄할 수 있는 파쇄기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
코팅기(110)는 내부에 슬래그와 플라스틱을 수용할 수 있는 공간을 형성하는 코팅 용기(112)와, 코팅 용기(112) 내부의 공간을 가열할 수 있는 제1가열 수단(114)을 포함할 수 있다. 이때, 코팅 용기(112)는 내부에 수용되는 슬래그와 플라스틱을 혼합 또는 교반시킬 수 있도록 회전 가능하게 형성될 수 있다. 예컨대 코팅 용기(112)는 일측으로 기울어져 회전할 수 있는 드럼 믹서를 포함할 수 있다. 제1가열 수단(114)은 코팅 용기(112)에 형성되어, 코팅 용기(112)를 가열할 수 있다. 이때, 제1가열 수단(114)은 코팅 용기(112) 내부에 수용되는 슬래그가 플라스틱의 융점 이상의 온도로 가열될 수 있도록 코팅 용기(112)를 가열할 수 있다. 이러한 구성을 통해 코팅 용기(112)에 슬래그가 투입되면, 코팅 용기(112)를 회전시키면서 제1가열 수단(114)을 이용하여 슬래그를 플라스틱의 융점 이상의 온도로 가열시킬 수 있다. 그리고 코팅 용기(112)에 플라스틱이 투입되면 가열된 슬래그의 열에 의해 플라스틱이 용해되면서 슬래그의 표면에 부착되어 슬래그-플라스틱 복합체가 형성될 수 있다.
냉각기(120)는 코팅 용기(112)에서 형성된 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시킬 수 있다. 냉각기(120)는 슬래그-플라스틱 복합체를 수용할 수 있는 공간을 형성하는 냉각 용기(122)와, 냉각 용기(122) 내부의 공간을 냉각시킬 수 있는 냉각 수단(124)을 포함할 수 있다. 냉각 용기(122)는 내부에 수용되는 슬래그-플라스틱 복합체를 유동시킬 수 있도록 회전 가능하게 형성될 수 있다. 예컨대 냉각 용기(122)는 코팅 용기(112)처럼 일측으로 기울어져 회전할 수 있는 드럼 믹서를 포함할 수 있다. 그리고 냉각 수단(124)은 냉각 용기(122)에 형성되어, 냉각 용기(122)를 냉각시킬 수 있다. 이러한 구성을 통해 코팅 용기(112)에서 냉각 용기(122)로 슬래그-플라스틱 복합체가 배출되면, 냉각 용기(122)를 회전시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 유동시킬 수 있다. 이에 슬래그-플라스틱 복합체가 냉각 용기(122)의 내벽에 접촉되면서 균일하게 냉각될 수 있다.
한편, 슬래그-플라스틱 복합체는 슬래그의 표면에 플라스틱, 예컨대 코팅용 플라스틱을 용융시켜 부착시킴으로써 형성될 수 있다. 이에 슬래그-플라스틱 복합체가 입자 형태로 형성되지 않고 용융된 플라스틱에 의해 슬래그-플라스틱 복합체 입자가 서로 엉겨 붙어 덩어리를 형성할 수 있다. 다만, 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키는 과정에서 슬래그-플라스틱 복합체끼리 충돌하면서 슬래그-플라스틱 복합체 덩어리가 부서져 슬래그-플라스틱 복합체 입자로 형성될 수도 있다. 그러나 슬래그-플라스틱 복합체 덩어리가 슬래그-플라스틱 복합체 입자로 분리되지 않을 수도 있다. 따라서 슬래그-플라스틱 복합체가 냉각되면, 필요에 따라 파쇄기를 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체 덩어리를 파쇄하여 입자 형태로 분리시킬 수도 있다.
성형부(300)는 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱, 예컨대 충진용 플라스틱을 압출하여 성형체(E)를 제조할 수 있다. 성형부(300)는 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 수용할 수 있는 공간을 형성하는 압출기 몸체(312)와, 압출기 몸체(312) 내부에 회전 가능하도록 형성되는 스크류(330) 및 압출기 몸체(312)에 연결되는 다이(320)를 포함할 수 있다. 또한, 성형부(300)는 압출기 몸체(312)에 수용되는 슬래그-플라스틱 복합체 및 플라스틱을 가열하도록 압출기 몸체(312)에 형성되는 제2가열 수단(340)를 포함할 수 있다. 그리고 성형부(300)는 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 압출기 몸체(312)에 투입하기 이전에 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 균일하게 혼합하기 위한 혼합 용기(미도시)를 포함할 수 있다.
압출기 몸체(312)는 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱 또는 슬래그-플라스틱 복합체 및 플라스틱을 포함하는 혼합물을 수용할 수 있는 공간이 형성되고, 일방향, 예컨대 수평방향으로 연장되는 중공형으로 형성될 수 있다. 압출기 몸체(312)는 양쪽이 개방된 대략 원통형으로 형성될 수 있으며, 일측 상부에는 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 포함하는 혼합물을 주입하기 위한 주입구(314)가 형성될 수 있다. 혼합물을 압출기 몸체(312)에 쉽게 주입할 수 있도록 주입구(314)는 깔때기 형상으로 형성되거나, 호퍼 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 압출기 몸체(312)에서 주입구(314)와 이격된 타측은 개방되어 혼합물을 배출할 수 있는 배출구(316)로 사용될 수 있다.
다이(320)는 압출기 몸체(312)의 배출구(316)에 연결될 수 있고, 압출기 몸체(312)의 내경보다 작은 내경을 가지며, 양쪽이 개방된 중공형으로 형성될 수 있다. 다이(320)는 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱의 혼합물을 원하는 형상을 갖는 성형체(E)로 형성할 수 있도록, 다이(320)의 내부 공간은 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예컨대 성형체(E)를 직사각형 판재 형상을 갖도록 형성하는 경우, 다이(320)의 내부 공간은 직사각형 슬릿 형상의 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 또는 성형체(E)를 원통형 바형상을 갖도록 형성하는 경우, 다이(320)의 내부 공간은 원형의 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
스크류(330)는 압출기 몸체(312)의 내부에 압출기 몸체(312)가 연장되는 방향을 따라 배치될 수 있다. 이때, 스크류(330)의 일측은 베어링 등과 같은 연결수단(331)을 통해 압출기 몸체(312)의 개방된 일측에 회전 가능하도록 연결될 수 있다. 그리고 스크류(330)의 타측은 압출기 몸체(312)와 다이(320)의 연결 부위까지 연장되도록 배치될 수 있다. 스크류(330)에는 스크류(330)를 회전시키기 위한 동력을 제공하는 구동기(332)가 연결될 수 있다. 구동기(332)는 압출기 몸체(321)의 타측에서 외부로 노출된 스크류(330)의 일측에 연결될 수 있다. 스크류(330)는 구동기(332)의 구동에 의해 회전하며, 압출기 몸체(312) 내부로 주입된 혼합물을 배출구(316)쪽으로 이동시켜 다이(320)를 통해 압출기 몸체(312)의 외부로 압출시킬 수 있다.
제2가열 수단(340)은 압출기 몸체(312)를 가열하도록 압출기 몸체(312)에 형성될 수 있다. 제2가열 수단(340)은 플라스틱을 융점 이상의 온도로 가열할 수 있고, 압출기 몸체(312) 내부에서 플라스틱이 융점 이상의 온도를 유지할 수 있도록 압출기 몸체(312)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다.
제어부는 압출기 몸체(312)가 연장되는 방향 또는 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱의 혼합물이 압출되는 방향으로 압출기 몸체(312)의 온도를 조절하도록 제2가열 수단(340)을 제어할 수 있다. 즉, 슬래그-플라스틱 복합체를 압출기 몸체(312)에 주입했을 때, 주입구(314)쪽 온도가 지나치게 높으면, 복합체 표면의 플라스틱이 빠르게 용융될 수 있다. 이 경우, 슬래그-플라스틱 복합체를 형성하고 있는 슬래그가 노출되고, 스크류(330)가 회전함에 따라 스크류(330) 및 압출기 몸체(312)와 접촉할 수 있다. 이로 인해 스크류(330) 및 압출기 몸체(312)의 내면이 마모될 수 있다. 또한, 슬래그-플라스틱 복합체를 형성하고 있는 슬래그가 노출되면, 슬래그와 플라스틱 간의 비중차이로 인해 슬래그와 용융된 플라스틱이 고액분리되어, 용융된 플라스틱 중에 슬래그가 균일하게 분산되지 못할 수도 있다. 따라서 제어부는 압출기 몸체(312)에서 혼합물이 주입되는 주입구(314) 쪽의 온도보다 혼합물이 압출되는 배출구(316) 쪽 온도를 더 높게 조절할 수 있도록 제2가열 수단(340)을 제어할 수 있다. 또는, 제어부는 압출기 몸체(312)에서 혼합물이 주입되는 주입구(314) 쪽에서 혼합물이 압출되는 배출구(316) 쪽으로 갈수록 온도가 높아지도록 제2가열 수단(340)을 제어할 수 있다. 이를 통해 슬래그-플라스틱 복합체를 구성하는 플라스틱이 용융되는 시점을 지연시킬 수 있다. 따라서 슬래그-플라스틱 복합체의 슬래그가 스크류(330) 및 압출기 몸체(312)의 내면과 접촉하는 시간이 단축되어 스크류(330) 및 압출기 몸체(312)의 내면이 마모되는 현상을 저감시킬 수 있다. 또한, 용융된 플라스틱 중에 슬래그 또는 슬래그-플라스틱 복합체가 균일하게 분산되도록 하여, 제조되는 성형체의 품질을 향상시킬 수 있다.
이러한 구성을 통해 혼합물은 압출기 몸체(312) 내부에 주입된 후 스크류(330)의 회전에 의해 압출기 몸체(312) 내부를 따라 이동하여 다이(320)를 통해 압출기 몸체(312) 외부로 압출되어 성형체(E)로 제조될 수 있다. 이때, 혼합물은 제2가열 수단(340)에 의해 플라스틱의 융점 이상의 온도로 가열될 수 있다. 이렇게 혼합물이 가열되면, 혼합물 중 플라스틱 성분이 용해되어 플라스틱 용융물을 형성하게 되고, 용융된 플라스틱, 예컨대 충진용 플라스틱의 용융물 내에 슬래그가 균일하게 분산될 수 있다.
성형부(300)는 혼합물을 압출하여 성형체(E)를 연속적으로 형성할 수 있다. 이렇게 형성되는 성형체(E)는 절단부(400)에 의해 일정한 길이 또는 원하는 길이를 갖도록 절단될 수 있다. 이러한 절단부(400)는 성형체가 배출되는 방향으로 압출기 몸체(312)의 전방, 또는 다이(320)의 전방에 압출기 몸체(312)와 이격되도록 배치될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법에 대해서 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법으로 성형체를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법에서 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정을 순차적으로 보여주는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법으로 제조된 성형체의 내부 구조를 개념적으로 보여주는 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법으로 제조된 성형체의 일예를 보여주는 사진이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법은, 슬래그를 마련하는 과정(S110)과, 플라스틱을 마련하는 과정(S120)과, 슬래그와 플라스틱을 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정(S130) 및 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 압출하여 성형체를 제조하는 과정(S140)을 포함할 수 있다.
슬래그-플라스틱 복합체를 제조하기 위해 슬래그를 마련할 수 있다. 이때, 슬래그는 제철공정에서 발생하는 다양한 슬래그를 포함할 수 있으며, CaO를 10중량% 이하로 포함할 수 있다. 또는 슬래그는 CaO를 0 중량% 내지 5중량%, 또는 0.01 내지 2.0중량% 정도로 포함할 수 있다. 이러한 슬래그는 페로 니켈 용강을 제조하는 과정에서 발생하는 페로 니켈 슬래그를 포함할 수 있다. 또는, 슬래그는 페로 니켈 슬래그, 고로 슬래그, 전로 슬래그 및 전기로 슬래그 등을 혼합하거나, 상기 슬래그들에 별도의 부원료를 혼합하여, 10중량% 이하의 CaO를 함유하도록 성분이 조정된 슬래그를 포함할 수도 있다. 이 경우, 슬래그에 함유되는 CaO 함량은 적을수록 좋다.
아래의 표 1은 슬래그의 종류에 따른 주요 성분의 함량을 나타내고 있다.
고로 슬래그 제강 슬래그 전기로 슬래그(산화) 전기로 슬래그(환원) 페로니켈 슬래그
CaO(wt%) 41.8 46.1 13.85 44.96 0.28
SiO2(wt%) 33.50 41.8 17.57 23.21 54.7
Al2O3(wt%) 13.6 1.5 7.45 12.98 1.93
MgO(wt%) 6.4 6.3 5.15 9.90 33.1
기타(wt%) 4.7 4.3 55.98 8.95 9.99
상기 표 1에 나타난 바와 같이 페로니켈 슬래그는 고로 슬래그, 제강 슬래그 및 전기로 슬래그에 비해 CaO의 함량이 매우 적은 것을 알 수 있다. CaO는 수분을 흡수하는 성질이 있기 때문에 CaO를 다량 함유하는 고로 슬래그, 제강 슬래그 및 전기로 슬래그를 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하거나, 성형체를 제조하는 경우, 100℃ 이상의 온도에서 슬래그에 흡수된 수분이 증발하는 현상이 발생하게 된다. 이렇게 증발된 수분은 슬래그-플라스틱 복합체나 성형체 내에 기포를 발생시켜 슬래그-플라스틱 복합체나 성형체의 강도를 저하시키는 문제가 있다. 따라서 다른 슬래그들에 비해 CaO 성분을 적게 함유하는 페로니켈 슬래그를 단독으로 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 이를 이용하여 고강도의 성형체를 제조할 수 있다. 또는, 슬래그 전체 중량에 대해서 10중량% 이하의 CaO를 함유하도록, 페로니켈 슬래그, 고로 슬래그, 전로 슬래그 및 전기로 슬래그들을 혼합하여 슬래그의 성분을 조절한 후 성형체를 제조하는데 사용할 수 있다. 또는, 슬래그 전체 중량에 대해서 10중량% 이하의 CaO를 함유하도록, 페로니켈 슬래그, 고로 슬래그, 전로 슬래그 및 전기로 슬래그 중 적어도 하나의 슬래그에 별도의 부원료를 혼합하여, 슬래그의 성분을 조절한 후 성형체를 제조하는데 사용할 수도 있다. 다시 말해서 CaO의 함량이 서로 다른 슬래그를 서로 혼합함으로써 성형체에 사용되는 슬래그를 마련할 수 있다. 이때, CaO 함량이 높은 슬래그와 CaO 함량이 낮은 슬래그를 혼합하여, CaO 함량을 10중량% 이하로 조정할 수 있다. 또는, CaO 함량이 10중량%를 초과하는 슬래그와 SiO2를 다량 함유하는 부원료를 혼합하여, CaO 함량이 10중량% 이하로 조정된 슬래그를 성형체 제조에 사용할 수 있다. 예컨대, 고로 슬래그와 페로니켈 슬래그를 합한 전체 중량에 대해서 10중량%의 고로 슬래그와 페로니켈 슬래그 90중량%의 페로니켈 슬래그를 혼합하고, 이를 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조할 수 있다. 또는, 전기로 슬래그(산화)와 페로니켈 슬래그를 합한 전체 중량에 대해서 15중량%의 전기로 슬래그(산화)와 85중량%의 페로니켈 슬래그를 혼합하고, 이를 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조할 수 있다. 이때, 고로 슬래그나 제강 슬래그에 비해 CaO 함량이 적은 전기로 슬래그(산화)를 페로니켈 슬래그와 혼합하여 사용하는 것이 CaO 함량을 쉽게 조절할 수 있다. 이와 같이 제철공정에서 발생하는 다양한 슬래그들을 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 제조된 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 압출하여 성형체를 제조할 수 있다. 이하에서는 페로니켈 슬래그를 이용하여 성형체를 제조하는 예에 대해서 설명한다.
페로니켈 슬래그는 다른 슬래그들에 비해 CaO의 함량이 매우 적으며, 경도(모스 경도)가 7 내지 7.5Mohs 정도로 매우 높다. 또한, 페로니켈 슬래그는 도 4에 도시된 것처럼, 모가 지고 각이진 다면체 입자로, 입자 형상이 매우 불규칙하다. 이러한 페로니켈 슬래그를 이용하여 성형체를 제조하면, 구형 입자 형상을 갖는 슬래그에 비해 슬래그 입자 간의 접촉 면적이 증가하게 되어 슬래그 입자 간 결합력을 높여줄 수 있다. 이를 통해 성형체 내에 페로니켈 슬래그의 밀도가 높아지게 되어, 기계적인 물성이 우수한 고강도의 성형체를 제조할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 성형체의 원료로 사용되는 슬래그로서, 페로니켈 슬래그를 사용하는 예에 대해서 설명하며, 이하에서는 페로니켈 슬래그를 슬래그라 명명한다.
슬래그-플라스틱 복합체를 제조하기 위해 슬래그의 입자 크기를 선별할 수 있다. 페로니켈 용탕을 제조하는 과정에서 발생한 슬래그를 파쇄할 수 있다. 슬래그가 파쇄되면 90% 이상의 슬래그는 6㎜ 이하의 입자 크기를 갖는데, 그 중에서 0.01 내지 0.15㎜ 또는 0.05 내지 0.1㎜ 정도의 입자 크기를 갖는 슬래그를 선별하여 슬래그-플라스틱 복합체의 원료로 사용할 수 있다. 이때, 슬래그의 입자 크기는 작을수록 좋으나, 슬래그의 입자 크기를 지나치게 작게 가공하면, 슬래그를 파쇄하는데 소요되는 비용이 증가할 수 있다. 반면, 슬래그의 입자 크기가 0.15㎜를 초과하면, 슬래그와 플라스틱 간의 접촉 면적을 충분하게 확보하기 어려우므로, 이를 이용하여 제조되는 성형체의 강도를 충분하게 향상시키기 어려운 문제가 있다.
성형체의 원료로 사용되는 플라스틱, 예컨대 코팅용 플라스틱과 충진용 플라스틱을 마련할 수 있다. 플라스틱은 열을 가하면 용융되고, 냉각시키면 다시 고체 상태로 변화하는 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리스타이렌(Polystyrene, PS), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 등과 같은 열가소성 플라스틱을 포함할 수 있다. 여기에서 폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE)와 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyethylene, LDPE)를 포함할 수 있으며, 여기에서는 비교적 높은 강도를 구현할 수 있는 고밀도 폴리에틸렌이 사용될 수 있다. 이때, 플라스틱은 생활 폐기물, 산업 폐기물로부터 수집된 폐플라스틱을 포함할 수 있다. 수집된 플라스틱, 예컨대 폐플라스틱은 세척하여 불순물을 제거한 다음, 5㎜ 이하 또는 1 내지 4㎜정도의 크기를 갖거나, 2 내지 3㎜ 정도의 크기를 갖도록 파쇄된 후 성형체의 원료로 사용될 수 있다. 플라스틱의 크기는 가로, 세로 및 두께 중 가장 큰 부분이 5㎜ 이하일 수 있다. 플라스틱의 크기가 지나치게 작으면, 플라스틱을 코팅 용기(112)나 압출기 몸체(312)에 투입할 때 비산하거나 슬래그와의 무게 또는 비중 차이가 증가하여 슬래그 또는 슬래그-플라스틱 복합체와 쉽게 혼합되지 않을 수 있다. 반면, 플라스틱의 크기가 지나치게 큰 경우, 슬래그나 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱이 균일하게 혼합되지 않을 수 있다. 게다가 슬래그-플라스틱 복합체를 제조 시 쉽게 용융되지 않고, 슬래그와 플라스틱의 접촉 빈도나 접촉 면적이 저감되어 슬래그의 표면을 충분하게 코팅하기 어려운 문제가 있다. 따라서 플라스틱을 적절한 크기로 파쇄하여, 슬래그와 균일하게 혼합될 수 있도록 하고, 슬래그와의 접촉 빈도나 접촉 면적을 증가시킴으로써 슬래그가 플라스틱으로 원활하게 코팅되도록 할 수 있다.
슬래그와 플라스틱이 마련되면, 이들을 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조할 수 있다.
도 3을 참조하면, 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은, 슬래그를 가열하는 과정(S131)과, 가열된 슬래그에 플라스틱을 투입하고, 혼합하는 과정(S132)과, 슬래그 표면에 플라스틱을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정(S133) 및 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키는 과정(S134)을 포함할 수 있다. 또한, 필요에 따라 냉각된 슬래그-플라스틱 복합체를 파쇄하는 과정(S135)을 수행할 수도 있다.
먼저, 슬래그를 코팅 용기(112)에 투입하고, 제1가열 수단(114)를 이용하여 슬래그를 가열(S131)할 수 있다. 슬래그를 가열하는 동안 코팅 용기(112)를 회전시켜 슬래그를 코팅 용기(112)의 내벽에 골고루 접촉시켜 슬래그를 균일하게 가열할 수 있다. 이때, 슬래그는 플라스틱의 용융 온도 이상이고, 플라스틱이 연소되는 온도보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 슬래그-플라스틱 복합체를 제조할 때 사용되는 플라스틱의 종류에 따라 슬래그의 가열 온도는 달라질 수 있으나, 슬래그는 200℃ 이하 또는 150 내지 180℃ 정도로 가열될 수 있다. 슬래그의 가열 온도가 지나치게 낮으면 플라스틱이 용융되지 않아 슬래그의 표면에 부착되지 않을 수 있다. 이 경우, 슬래그의 표면 일부에만 플라스틱이 부착되거나, 슬래그의 표면에 플라스틱이 아예 부착되지 않아 슬래그-플라스틱 복합체의 제조 효율이 낮아지는 문제가 있다. 반면, 슬래그의 가열 온도가 지나치게 높으면 플라스틱이 연소 또는 탄화되어 슬래그-플라스틱 복합체를 제조할 수 없는 문제가 있다.
슬래그가 플라스틱의 융점 이상의 온도로 가열되면, 코팅 용기(112)에 플라스틱, 즉 코팅용 플라스틱을 투입하여 슬래그와 혼합(S132)할 수 있다. 코팅용 플라스틱은 앞서 마련한 플라스틱 중 일부를 의미할 수 있다. 이때, 슬래그와 코팅용 플라스틱을 합한 전체 중량에 대해서, 슬래그는 90 내지 95중량% 정도로 투입되고, 코팅용 플라스틱은 5 내지 10중량% 정도로 투입될 수 있다. 코팅용 플라스틱의 투입량이 지나치게 적으면 슬래그의 표면을 충분하게 코팅할 수 없다. 이에 슬래그-플라스틱 복합체를 압출하는 과정에서 슬래그가 압출기 몸체(312)의 내면과 스크류(330)와 직접 접촉되어 압출기 몸체(312)의 내면과 스크류(330)를 마모시키는 문제가 있다. 반면, 코팅용 플라스틱의 투입량이 지나치게 많으면 슬래그-플라스틱 복합체 제조 후 코팅용 플라스틱이 덩어리로 남거나 슬래그-플라스틱 복합체를 서로 엉겨 붙게 만들 수 있다. 이 경우, 성형체 제조 시 슬래그-플라스틱 복합체가 성형체 내에 균일하게 분산되지 않기 때문에, 슬래그-플라스틱 복합체를 입자 형태로 만들기 위해 별도의 파쇄 공정을 수행(S135)해야 하므로 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
이와 같이 코팅 용기(112)에 코팅용 플라스틱이 투입되면, 코팅 용기(112)를 회전시켜 가열된 슬래그와 코팅용 플라스틱을 상호 접촉시킬 수 있다. 이에 가열된 슬래그의 열에 의해 코팅용 플라스틱이 용융되면서 슬래그의 표면에 부착됨으로써 슬래그-플라스틱 복합체가 제조(S133)될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 것처럼 슬래그(S)의 표면에 플라스틱 코팅층(C)이 형성된 슬래그-플라스틱 복합체가 제조될 수 있다.
슬래그-플라스틱 복합체가 제조되면, 고온의 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각 용기(122)에 투입하여 냉각(S134)시킬 수 있다. 이때, 냉각 용기(122)를 회전시키면, 고온의 슬래그-플라스틱 복합체가 냉각 수단(124)에 의해 냉각된 냉각 용기(122)의 내면에 접촉하면서 균일하게 냉각될 수 있다. 또한, 냉각 용기(122)가 회전함에 따라 슬래그-플라스틱 복합체가 서로 충돌하기 때문에 서로 부착되어 있던 슬래그-플라스틱 복합체가 부서지면서 슬래그-플라스틱 복합체가 입자 형태로 만들어질 수 있다.
이후, 냉각된 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱, 즉 충진용 플라스틱을 압출하여 성형체를 제조(S140)할 수 있다.
성형체를 제조하기 위해 성형체의 원료인 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱을 정해진 양으로 준비할 수 있다. 이때, 충진용 플라스틱은 앞서 플라스틱을 마련하는 과정에서 마련된 플라스틱 중 일부를 의미할 수 있다. 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱을 합한 전체 중량에 대해서, 슬래그-플라스틱 복합체는 30 내지 80중량%, 충진용 플라스틱은 20 내지 70중량%로 준비할 수 있다. 또는 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱을 합한 전체 중량에 대해서, 슬래그-플라스틱 복합체는 40 내지 60중량, 충진용 플라스틱은 40 내지 60중량%로 준비할 수 있다. 이 경우, 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱을 합한 전체 중량에 대해서, 슬래그는 27 내지 76중량%, 충진용 플라스틱은 14 내지 73중량% 포함될 수 있다. 슬래그의 함량이 지나치게 적으면, 슬래그에 비해 강도가 낮은 충진용 플라스틱의 함량이 상대적으로 증가하게 되어, 이를 이용하여 제조되는 성형체의 기계적인 강도를 충분하게 확보할 수 없다. 반면, 슬래그의 함량이 지나치게 많으면, 슬래그를 결합시키는 충진용 플라스틱의 함량이 상대적으로 감소하여 슬래그 간의 결합력이 저하될 수 있다. 이로 인해 성형체의 기계적인 강도를 충분하게 확보할 수 없다. 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱의 함량은 제조하고자 하는 성형체의 용도에 따라 달라질 수 있다. 예컨대 성형체가 높은 충격 강도를 요구하는 용도에 사용되면, 슬래그-플라스틱 복합체의 함량보다 충진용 플라스틱의 함량을 높게 조절할 수 있다. 반면, 성형체가 높은 굴곡 강도를 요구하는 용도에 사용되면, 슬래그-플라스틱 복합체의 함량을 충진용 플라스틱의 함량보다 높게 조절할 수 있다. 또한, 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱 이외에 성형체의 용도에 따라 착색제나 자외선 안정제 등의 첨가제를 추가로 사용할 수도 있다. 예컨대 미관을 위해 성형체에 색상을 부여하는 경우, 착색제를 더 사용할 수 있고, 성형체가 햇빛에 노출되는 부분에 사용되는 경우 자외선 안정제를 더 사용할 수도 있다. 이때, 첨가제는 성형체 전체를 1이라 할 때 0.01 내지 0.05중량부로 사용될 수 있다. 첨가제의 함량이 지나치게 적으면, 첨가제에 의한 효과를 충분하게 발휘할 수 없다. 반면, 첨가제의 함량이 지나치게 많으면, 첨가제 사용에 의한 비용이 증가하게 되고, 성형체 중 첨가제의 함량이 증가하여 성형체의 강도가 저하될 수 있다.
한편, 슬래그의 비중은 2 내지 3 정도이고, 플라스틱, 예컨대 코팅용 플라스틱 또는 충진용 플라스틱의 비중은 0.8 내지 0.95 정도이다. 그리고 슬래그와 플라스틱을 이용하여 제조되는 성형체는 슬래그의 비중보다 작고, 플라스틱의 비중보다 큰 비중, 예컨대 1 내지 2 정도의 비중을 가질 수 있다. 따라서 성형체의 사용 용도에 따라 슬래그와 플라스틱의 혼합 비율을 적절하게 조절할 수 있다. 예컨대 성형체를 습식 바닥재로 사용하는 경우, 슬래그의 함량을 증가시켜 성형체의 비중을 높임으로써 우천으로 인한 부력의 영향을 저감시킬 수 있다.
이와 같이 성형체의 원료가 준비되면, 준비된 원료, 즉 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱 또는 슬래그-플라스틱 복합체, 충진용 플라스틱 및 첨가제를 압출기 몸체(312)에 주입할 수 있다. 이때, 원료를 압출기 몸체(312)에 주입하기 이전에 별도의 혼합 용기에서 혼합한 다음, 그 혼합물을 압출기 몸체(312)에 주입할 수도 있고, 각각의 원료를 압출기 몸체(312)에 독립적으로 주입할 수도 있다.
압출기 몸체(312)에 원료 또는 혼합물이 주입되면, 스크류(330)를 동작시켜 원료를 압출함으로써 성형체를 제조할 수 있다. 이때, 스크류(330)는 압출기 몸체(312)에 원료가 주입되기 이전부터 동작시킬 수도 있고, 압출기 몸체(312)에 원료가 주입됨과 동시에 동작시킬 수도 있다. 이와 같이 압출기 몸체(312)에 원료를 주입할 때, 원료 중 슬래그를 사전에 코팅용 플라스틱으로 코팅하여 주입함으로써 원료 압출 시 슬래그가 압출기 몸체(312)의 내면 및 스크류(330)와 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 슬래그, 예컨대 페로니켈 슬래그는 경도가 매우 높은 물질로 압출기 몸체(312) 및 스크류(330)와 직접 접촉하면, 압출기 몸체(312) 및 스크류(330)를 마모시키는 문제가 있다. 따라서 슬래그의 표면을 코팅용 플라스틱으로 코팅하여 슬래그-플라스틱 복합체 상태로 압출기 몸체(312)에 주입하면 슬래그가 압출기 몸체(312) 및 스크류(330)를 마모시키는 현상을 억제 혹은 방지할 수 있다. 이에 압출기 몸체(312) 및 스크류(330)의 내구성을 향상시켜 이들의 보수 또는 교체 기간을 연장할 수 있다. 또한, 슬래그의 표면을 코팅용 플라스틱으로 코팅 또는 피복하여 충진용 플라스틱과 함께 압출하면, 코팅용 플라스틱과 충진용 플라스틱이 용융되면서 서로 쉽게 결합하게 된다. 이에 슬래그와 플라스틱 간의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있다. 게다가 슬래그와 충진용 플라스틱 간의 비중 차이를 저감시켜 압출시 슬래그와 충진용 플라스틱이 분리되는 현상을 억제할 수 있고, 슬래그를 충진용 플라스틱 내에 균일하게 분산시킬 수 있다.
압출기 몸체(312)에 원료를 지속적으로 주입하고, 압출기 몸체(312)에 연결된 다이(320)를 통과시켜 성형체를 연속적으로 제조할 수 있다. 이때, 원료는 압출기 몸체(312) 내부에서 충분하게 혼합되면서 다이(320)쪽으로 이동하게 된다. 원료는 압출기 몸체(312) 내부에서 이동하면서 원료 중 플라스틱이 제2가열 수단(340)에 의해 용융될 수 있다. 이때, 압출기 몸체(312)에서 원료가 주입되는 주입구(314) 쪽은 약 170 내지 190℃ 정도로 가열될 수 있고, 원료가 압출되는 쪽은 200 내지 230℃ 정도로 가열될 수 있다. 이는 주입구(314) 쪽 온도가 지나치게 높으면 슬래그-플라스틱 복합체에서 코팅용 플라스틱이 쉽게 용융되기 때문이다. 이렇게 코팅용 플라스틱이 쉽게 또는 빨리 용융되면 슬래그가 노출되서 압출기 몸체(312)와 스크류(330)와 직접 접촉하게 되고, 이로 인해 압출기 몸체(312)와 스크류(330)가 마모될 수 있다. 따라서 원료의 이동방향을 따라 압출기 몸체(312)의 온도를 증가시켜 코팅용 플라스틱이 용해되는 것을 지연시킴으로써 슬래그가 압출기 몸체(312) 및 스크류(330)를 마모시키는 것을 방지할 수 있다.
다이(320)를 통해 성형체가 압출되면, 성형체를 냉각시킨 후 절단부(400)를 이용하여 성형체를 일정한 길이 또는 목표로 하는 길이로 절단하여 도 5의 (a)에 에 도시된 바와 같은 제품을 제조할 수 있다. 이때, 성형체 또는 제품의 형상은 다이(320)의 내부 형상에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 이러한 방법으로 슬래그와 플라스틱을 이용하여 성형체를 대량으로 제조할 수 있다.
여기에서는 다이(320)를 통해 원료를 압출하여 성형체를 제조하는 방법에 대해서 설명하였으나, 다이(320)에 별도의 금형(미도시)을 연결하고, 압출된 원료, 예컨대 압출물을 금형에 주입하여 도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 성형체 또는 제품을 제조할 수도 있다.
이와 같은 방법으로 성형체를 제조하면, 슬래그에 의해 압출기 몸체(312)와 스크류(330)가 마모되는 것을 방지하여 압출기 몸체(312)와 스크류(330)의 내구성 및 사용 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 폐기물인 슬래그, 폐플라스틱을 이용하여 건축 소재, 토목 소재 등과 같은 고부가가치 제품을 제조함으로써 폐기물에 의한 환경 오염을 저감시킬 수 있고, 건설 비용을 절감할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 성형체 제조방법으로 제조된 성형체의 기계적인 물성을 검증하기 위한 실험 예에 대해서 설명한다.
성형체를 제조하기 위해 페로니켈 슬래그, 고로 슬래그 및 폐플라스틱을 마련하였다. 이때, 페로니켈 슬래그와 고로 슬래그는 평균 입자 크기가 0.15㎜ 이하를 갖도록 마련하였고, 폐플라스틱은 폐비닐을 파쇄하여 두께가 100 내지 200㎛이고, 길이 또는 폭이 2㎜ 이하가 되도록 마련하였다. 여기에서 폐플라스틱은 고밀도폴리에틸렌을 함유하는 폐비닐과 폴리프로필렌 수지를 함유하는 폐비닐을 각각 파쇄하여 준비하였다.
실험 예1
페로니켈 슬래그 190g을 코팅 용기에 투입하여 170 내지 180℃ 정도로 가열한 후, 코팅 용기에 고밀도폴리에틸렌 10g을 투입하였다. 그리고 페로니켈 슬래그에 고밀도폴리에틸렌이 균일하게 부착되도록 10분간 교반하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조한 후, 냉각시켰다.
이후, 슬래그-플라스틱 복합체 200g과, 고밀도폴리에틸렌 200g을 압출기 몸체에 주입하고, 압출시켜 성형체를 제조하였다. 이때, 압출기 몸체의 주입구 측 온도는 170 내지 190℃로 유지하고, 다이 쪽 온도는 200 내지 230℃로 유지하였다. 그리고 제조된 성형체는 강도 측정에 알맞은 크기로 가공하였다.
실험 예2
실험 예1과 동일한 방법으로 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 압출기 몸체에 슬래그-플라스틱 복합체 200g과, 고밀도폴리에틸렌 300g을 주입하였다. 그리고 실험 예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.
실험 예3
실험 예1과 동일한 방법으로 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 압출기 몸체에 슬래그-플라스틱 복합체 200g과, 고밀도폴리에틸렌 400g을 주입하였다. 그리고 실험 예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.
실험 예4
페로니켈 슬래그 190g을 코팅 용기에 투입하여 170 내지 180℃ 정도로 가열한 후, 코팅 용기에 폴리프로필렌 수지 10g을 투입하였다. 그리고 페로니켈 슬래그에 폴리프로필렌이 균일하게 부착되도록 10분간 교반하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조한 후, 냉각시켰다.
이후, 슬래그-플라스틱 복합체 200g과, 폴리프로필렌 200g을 압출기 몸체에 주입하고, 압출시켜 성형체를 제조하였다. 이때, 압출기 몸체의 주입구 측 온도는 170 내지 190℃로 유지하고, 다이 쪽 온도는 200 내지 230℃로 유지하였다. 그리고 제조된 성형체는 강도 측정에 알맞은 크기로 가공하였다.
실험 예5
실험 예1과 동일한 방법으로 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 압출기 몸체에 슬래그-플라스틱 복합체 200g과, 고밀도폴리에틸렌 60g을 주입하였다. 그리고 실험 예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.
실험 예6
실험 예1과 동일한 방법으로 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 압출기 몸체에 슬래그-플라스틱 복합체 200g과, 고밀도폴리에틸렌 500g을 주입하였다. 그리고 실험 예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.
실험 예 7
고로 슬래그 190g을 코팅 용기에 투입하여 170 내지 180℃ 정도로 가열한 후, 코팅 용기에 고밀도폴리에틸렌 10g을 투입하였다. 그리고 고로 슬래그에 고밀도폴리에틸렌이 균일하게 부착되도록 10분간 교반하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조한 후, 냉각시켰다.
이후, 슬래그-플라스틱 복합체 200g과, 고밀도폴리에틸렌 200g을 압출기 몸체에 주입하고, 압출시켜 성형체를 제조하였다. 이때, 압출기 몸체의 주입구 측 온도는 170 내지 190℃로 유지하고, 다이 쪽 온도는 200 내지 230℃로 유지하였다. 그리고 제조된 성형체는 강도 측정에 알맞은 크기로 가공하였다.
실험 예8
페로니켈 슬래그 190g과 고밀도폴리에틸렌 210g을 압출기 몸체에 직접 주입하고, 실험 예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.
실험 예9
고로 슬래그 190g과 고밀도폴리에틸렌 210g을 압출기 몸체에 직접 주입하고, 실험 예1과 동일한 방법으로 성형체를 제조하였다.
상기 실험 예1 내지 9에 의해 제조된 성형체 각각의 굴곡 강도 및 충격 강도를 측정하였다. 굴곡 강도는 KS M ISO 178에 의해 측정하였고, 충격 강도는 KS M ISO 179-1에 의해 측정하였다. 아래의 표 2는 각 성형체의 굴곡 강도 및 충격 강도를 측정한 결과를 보여주고 있다.
슬래그 함량
(g)		 플라스틱함량
(g)		 복합체
형성		 굴곡강도
(MPa)		 충격강도
(kj/㎡)
실험 예1 페로니켈 슬래그 190 210 ○ 45.8 4.3
실험 예2 페로니켈 슬래그 190 310 ○ 43.5 4.9
실험 예3 페로니켈 슬래그 190 410 ○ 40.1 5.4
실험 예4 페로니켈 슬래그 190 210 ○ 45.2 4.6
실험 예5 페로니켈 슬래그 190 70 ○ 47.1 3.5
실험 예6 페로니켈 슬래그 190 510 ○ 37 5.6
실험 예7 고로 슬래그190 210 ○ 23.6 2.7
실험 예8 페로니켈 슬래그190 210 × 20.5 2.1
실험 예9 고로 슬래그 190 210 × 14.5 1.1
상기 표 2를 살펴보면, 슬래그와 플라스틱을 이용하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 이를 이용하여 성형체를 제조한 실험 예1 내지 7은 슬래그를 플라스틱으로 코팅하지 않고 성형체를 제조한 실험 예8 및 9에 비해, 성형체의 굴곡 강도 및 충격 강도가 현저하게 높게 측정된 것을 알 수 있다. 이는 실험 예1 내지 7의 경우, 슬래그의 표면에 플라스틱을 부착시켜 코팅층을 형성하였기 때문이다. 즉, 이러한 슬래그-플라스틱 복합체와 충진용 플라스틱을 압출하면, 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱이 서로 분리되지 않고 혼합된 상태를 잘 유지하게 된다. 또한, 플라스틱이 용융되면서 플라스틱끼리 결합력이 촉진될 수 있다. 이러한 이유로 실험 예1 내지 7에 의해 제조된 성형체는 실험 예8 및 9에 의해 제조된 성형체에 비해 높은 굴곡 강도 및 충격 강도를 발현한 것으로 판단된다. 그러나 실험 예8 및 9의 경우, 성분이 다르고 비중 차이를 갖는 슬래그와 플라스틱이 압출되면서 서로 분리되거나 쉽게 결합하지 못해 충분한 굴곡 강도 및 충격 강도를 나타내지 못한 것으로 판단된다. 특히, 동일한 조성으로 성형체를 제조한 실험 예1과 실험 예8을 비교해보면, 슬래그-플라스틱 복합체를 이용하여 성형체를 제조한 실험 예1이 슬래그-플라스틱 복합체를 형성하지 않고 성형체를 제조한 실험 예8에 비해 굴곡강도 및 충격강도가 2배 이상 높게 측정된 것을 알 수 있다.
한편, 실험 예1 내지 6는 실험 예7에 비해 성형체의 굴곡 강도 및 충격 강도가 높게 측정되었다. 이는 페로니켈 슬래그는 고로 슬래그에 비해 경도가 높고 CaO 함량이 낮기 때문인 것으로 파악된다. 또한, 실험 예1 내지 6은 페로니켈 슬래그를 이용하여 성형체를 제조하였지만, 실험 예5와 실험 예6에 의해 제조된 성형체는 실험 예1 내지 4에 의해 제조된 성형체에 비해 상대적으로 낮은 굴곡 강도나 충격 강도가 낮게 측정되었다. 이는 실험 예5와 6의 경우, 실험 예1 내지 4에 비해 압출 시 사용된 충진용 플라스틱의 함량이 적게 사용되거나, 많이 사용되었기 때문인 것으로 판단된다.
실험 예7과 실험 예9를 비교해보면, 동일하게 고로 슬래그를 이용하여 성형체를 제조하였는데, 슬래그-플라스틱 복합체를 이용하여 성형체를 제조한 실험 예7이 슬래그-플라스틱 복합체를 사용하지 않은 실험 예 9에 비해 성형체의 굴곡 강도 및 충격 강도가 높게 측정된 것을 알 수 있다. 이로부터 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 압출하여 성형체를 제조하면, 슬래그와 플라스틱을 압출하여 성형체를 제조할 때보다 성형체의 기계적인 물성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
그리고 실험 예7는 페로니켈 슬래그보다 경도가 낮고, CaO 함량이 많은 고로 슬래그를 이용하여 성형체를 제조하였음에도, 페로니켈 슬래그를 이용하여 성형체를 제조한 실험 예8에 비해 성형체의 굴곡 강도와 충격 강도가 높게 측정되었다. 이는 성형체 제조 시 슬래그-플라스틱 복합체의 사용 여부가 성형체의 기계적인 물성에 영향을 크게 미친다는 것을 나타낸다.
또한, 실험 예8 및 9는 슬래그-플라스틱 복합체를 형성하지 않고, 성형체를 제조하였는데, 실험 예8에 의해 제조된 성형체가 실험 예9에 의해 제조된 성형체보다 높은 굴곡 강도 및 충격 강도를 갖는 것으로 측정되었다. 이는 고로 슬래그에 비해 경도가 높고 CaO 함량이 적은 페로니켈 슬래그를 이용하여 성형체를 제조하면, 성형체의 기계적인 강도를 높여 줄 수 있음을 보여준다.
상기한 결과를 종합하면, 슬래그를 플라스틱으로 코팅하여 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하고, 이를 이용하여 성형체를 제조하면 성형체의 굴곡 강도 및 충격 강도 등과 같은 기계적인 물성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 상기 표 2에서는 나타내지 않았지만, 본 발명의 실시 예에 의해 제조된 성형체는 23MPa 이상, 또는 25 내지 50MPa 정도의 굴곡 강도를 갖는 것으로 측정되었다. 또한, 경도가 높고, CaO 함량이 상대적으로 적은 슬래그를 이용하여 성형체를 제조하면, 기계적인 물성이 우수한 고품질의 성형체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술 되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100: 코팅부 110: 코팅기
120: 냉각기 300: 성형부
312: 압출기 몸체 320:다이
330: 스크류 340: 제2가열 수단
400: 절단부

Claims (23)

  1. 슬래그를 마련하는 과정;
    플라스틱을 마련하는 과정;
    상기 슬래그의 표면에 상기 플라스틱을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정;
    압출기에 상기 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱을 주입하고, 상기 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱의 혼합물을 이동시키면서 압출하여 성형체를 제조하는 과정;을 포함하고,
    상기 성형체를 제조하는 과정은 상기 슬래그의 표면에 부착된 플라스틱이 용융되는 것을 지연시켜 슬래그가 상기 압출기에 직접 접촉되는 것을 방지하도록 상기 혼합물이 주입되는 쪽보다 상기 혼합물이 압출되는 쪽의 온도를 더 높게 조절하는 과정을 포함하는 성형체 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬래그를 마련하는 과정은 슬래그의 CaO 함량을 조정하는 성분 조정 과정을 포함하는 성형체 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 플라스틱을 마련하는 과정은,
    폐플라스틱을 수집하는 과정; 및
    상기 폐플라스틱을 파쇄하는 과정;을 포함하는 성형체 제조방법.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은,
    상기 플라스틱의 융점 이상의 온도를 갖도록 상기 슬래그를 가열하는 과정;
    가열된 슬래그에 상기 플라스틱을 투입하는 과정; 및
    상기 가열된 슬래그의 표면에 플라스틱을 부착시키는 과정;을 포함하는 성형체 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가열된 슬래그에 상기 플라스틱을 투입하는 과정은,
    상기 가열된 슬래그와 상기 플라스틱을 합한 전체에 대해서, 5 내지 10중량%의 플라스틱을 투입하는 과정을 포함하는 성형체 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은,
    상기 가열된 슬래그의 온도를 상기 플라스틱의 융점 이상의 온도로 유지하는 과정;
    상기 가열된 슬래그와 상기 플라스틱을 교반하여 상기 가열된 슬래그에 상기 플라스틱을 접촉시키고, 상기 가열된 슬래그의 열을 이용하여 상기 플라스틱을 용융시키는 과정; 및
    상기 가열된 슬래그의 표면에 용융된 플라스틱을 부착시키는 과정;을 포함하는 성형체 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키는 과정을 포함하고,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키는 과정을 상기 가열된 슬래그의 표면에 플라스틱을 부착시키는 과정과 다른 용기에서 수행하는 성형체 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 제조하는 과정은 상기 슬래그-플라스틱 복합체를 파쇄하는 과정을 더 포함하는 성형체 제조방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 성형체를 제조하는 과정은,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체와 상기 플라스틱을 합한 전체에 대해서, 30 내지 80중량%의 슬래그-플라스틱 복합체를 마련하는 과정을 포함하는 성형체 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 성형체를 제조하는 과정은,
    상기 성형체 전체를 1이라 할 때, 0.01 내지 0.05 중량부의 첨가제를 마련하는 과정을 포함하고,
    상기 첨가제는 착색제와 자외선 안정제 중 적어도 하나를 포함하는 성형체 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 성형체를 제조하는 과정은,
    상기 플라스틱의 용융 온도 이상의 온도에서 상기 혼합물을 압출하는 과정을 포함하는 성형체 제조방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬래그를 마련하는 과정은 페로니켈 용강을 제조하는 과정에서 발생하는 페로니켈 슬래그를 마련하는 과정을 포함하는 성형체 제조방법.
  13. 슬래그의 표면에 플라스틱의 용융물을 부착시켜 슬래그-플라스틱 복합체를 제조할 수 있는 코팅부;
    상기 슬래그-플라스틱 복합체와 플라스틱의 혼합물을 이동시키면서 용융 압출하여 성형체를 제조하기 위한 성형부; 및
    상기 슬래그의 표면에 부착된 플라스틱이 용융되는 것을 지연시키기 위해 상기 혼합물의 이동 방향을 따라 상기 성형부의 온도를 증가시키도록 상기 성형부의 온도를 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 성형체 제조설비.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 코팅부는,
    회전 가능하고, 내부에 상기 슬래그를 수용할 수 있는 공간을 형성하는 코팅 용기; 및
    상기 슬래그를 가열하도록 상기 코팅 용기에 형성되는 제1가열 수단;을 포함하는 성형체 제조설비.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 코팅부는,
    회전 가능하고, 내부에 상기 슬래그-플라스틱 복합체를 수용할 수 있는 공간을 형성하는 냉각 용기; 및
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 냉각시키도록, 상기 냉각 용기에 형성되는 냉각수단;을 포함하는 성형체 제조설비.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 슬래그-플라스틱 복합체를 파쇄하기 위한 파쇄기를 더 포함하는 성형체 제조설비.
  17. 청구항 13 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성형부는,
    내부에 공간을 형성하고, 주입구와 배출구가 형성되는 압출기 몸체;
    상기 혼합물을 상기 주입구 쪽에서 상기 배출구 쪽으로 이동시키도록 상기 압출기 몸체에 형성되는 스크류;
    상기 압출기 몸체의 내경보다 작은 내경을 갖도록 형성되고, 상기 배출구에 연결되는 다이; 및
    상기 압출기 몸체에 형성되는 제2가열수단;을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 압출기 몸체에서 상기 배출구 쪽이 상기 주입구 쪽보다 높은 온도를 갖도록 상기 제2가열수단을 제어할 수 있는 성형체 제조설비.
  18. 플라스틱; 및
    상기 플라스틱 내에 입자 형태로 분산되도록 배치되고, 경도 모스가 7 내지 7.5Mohs이며, 각이 진 다면체 입자를 포함하는 슬래그;를 포함하고,
    상기 슬래그는 상기 슬래그 전체에 대해서 10중량% 이하의 CaO를 함유하는 성형체.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 슬래그는 페로니켈 슬래그를 포함하고,
    상기 플라스틱은 폐플라스틱을 포함하는 성형체.
  20. 청구항 18 또는 19에 있어서,
    상기 슬래그의 입자 크기는 0.01 내지 0.15㎜인 성형체.
  21. 삭제
  22. 청구항 18 또는 19에 있어서,
    상기 플라스틱은 폴리에틸렌(PolyEthylene, PE), 폴리프로필렌(PolyPropylene, PP), 폴리스타이렌(PolyStyrene, PS) 및 폴리카보네이트(PolyCarbonate, PC) 중 적어도 하나를 포함하는 성형체.
  23. 청구항 18에 있어서,
    상기 슬래그와 상기 플라스틱을 합한 전체에 대해서, 상기 슬래그를 27 내지 76중량% 포함하고,
    굴곡 강도가 25 내지 50MPa인 성형체.
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