KR20000066382A - 저 알칼리 시멘트의 제조방법 - Google Patents

저 알칼리 시멘트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 동일한 원료 조건하에서 보다 알칼리 함량이 낮은 시멘트를 생산할 수 있도록 하여 수출 경쟁력을 확보할 수 있도록 한 저 알칼리 시멘트의 제조방법에 대해 공개한다. 본 발명에 따른 저 알칼리 시멘트의 제조방법은, 원료를 혼합하여 만든 클링커를 분쇄하는 통상의 시멘트 제조공정에 있어서, 상기 클링커를 조분과 미분, 바람직하게는 입도 5㎜ 이하의 미분으로 스크린 분리한 후 미분의 클링커를 분쇄하여 시멘트를 제조하는 데에 특징이 있는 것으로, 상기 미분의 클링커와 스크린 하지 않은 클링커에 혼합하여 사용할 수도 있다.

Description

저 알칼리 시멘트의 제조방법 {Manufacturing method of low alkali cement}
본 발명은 저 알칼리 시멘트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동일한 원료 조건하에서 알칼리 함량이 보다 낮은 시멘트를 저렴한 비용으로 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.
세계 각국에서 사용되고 있는 시멘트는 그 지역에 따라 요구되는 특성이 다르다. 따라서 우리 나라에서 시멘트를 수입해 가는 해외 바이어 즉, 일본, 미국, 중동지역 등의 고객들은 그 지역에 맞는 특성의 시멘트를 요구하게 된다.
구체적으로 일본의 경우 시멘트의 총 알칼리 함량을 0.75 이하로 그리고 중동지역의 경우에는 0.80 이하로 요구하고 있다.
하지만 현재 우리 나라에서 생산하고 있는 시멘트 원료, 즉 석회석과 고령토는 다음의 표 1에 나타낸 바와 같이 MgO 및 K2O의 함량이 높아서 이들을 원료로 사용하는 경우에는 고객이 요구하는 시멘트의 알칼리 함량을 맞추는 데에 어려움이 있다.
따라서 일본, 중동 등 해외에 시멘트를 지속적으로 수출하기 위해서는 시멘트 원료의 MgO, K2O 함량과 총 알칼리 함량(T.A)이 중요한데, 우리 나라는 광산 사정은 점차 어려워지고 있기 때문에 품질이 좋은 원료를 별도로 구입하여 사용하거나 또는 값비싼 부원료를 사용해야 하는 등의 문제가 있어서 이러한 문제가 시멘트 원가 상승의 요인으로 작용하고 있다.
표 1. 98년 국내생산 석회석의 조성과 함량(wt%)
측정월 SiO2 Al23 Fe203 CaO MgO K2O LOI
1월2월3월4월5월6월7월8월9월10월 6.505.625.625.795.295.204.775.535.275.24 1.731.541.601.631.551.491.411.651.591.58 1.231.071.111.171.071.010.891.121.040.96 47.5448.0447.8847.7648.2048.2248.6347.8248.0647.94 2.262.232.272.242.192.342.362.422.492.68 0.430.460.460.460.440.440.450.460.470.47 ----------
따라서 본 발명의 목적은 동일한 원료 조건하에서 보다 알칼리 함량이 낮은 시멘트를 생산할 수 있도록 하여 수출 경쟁력을 확보할 수 있도록 한 저 알칼리 시멘트의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 저 알칼리 시멘트의 제조방법은, 통상의 시멘트 제조공정에 있어서 원료를 배합하여 만든 클링커를 입도에 따라 조분과 미분으로 분리한 후 미분의 클링커를 분쇄하여 시멘트를 제조하는 데에 특징이 있다.
본 발명에 있어서 클링커의 입도 분리는 시멘트 제조공정 상에 진동스크린(vibrating screen)을 설치하면 간단히 해결될 수 있으며, 조분과 미분의 구별은 설치하는 스크린의 메쉬에 의해 정해지는데 이러한 메쉬의 조정은 설치한 스크린의 교체에 의해 임의적으로 조정할 수 있다.
본 발명자는 우리 나라의 시멘트 원료 조건에서 보다 낮은 알칼리 함량을 갖는 시멘트 제조에 대해 계속 연구하면서, 1998년 3월부터 여러 차례에 걸쳐 시멘트 생산의 중간체인 클링커(clinker)의 입도별 화학 성적을 측정하여 관찰한 결과, 다른 화학 성분과는 달리 K2O의 경우 클링커 입자의 크기에 따라 일정한 경향성을 띠면서 변화하는 것을 알 수 있었다.
구체적으로 표 2에 나타난 바와 같이, 클링커의 입도가 작을수록 K2O의 함량이 낮아졌으며, 그 결과를 종합하면 5㎜ 이하의 크기에서 전체값 보다 알칼리 함량에서 0.13 정도 낮음을 알 수 있다. 참고로 기타 성분에서는 일정한 규칙성을 발견할 수 없었다.
표 2. 클링커의 입도별 알칼리 함량(wt%)
측정일자 40㎜R 30㎜R 20㎜R 10㎜R 5㎜R 1.4㎜R 1㎜R 1㎜P 전체값
98.03.1698.03.1998.05.0698.05.2198.07.07 0.810.98--0.98 0.700.900.83-0.85 0.690.880.73-0.83 0.640.830.870.88(8㎜R)0.83 0.580.750.790.70(8㎜P)0.68 -0.720.71-- 0.510.72--0.65 0.370.610.52-0.62 -0.750.810.780.79
이러한 사실을 근거로 하여 우리 회사에서 일본과 이집트 수출하는 제품에 대해 그 결과를 적용하였다. 구체적으로 클링커를 스크린 처리하여 5㎜ 이하의 입도를 갖는 클링커와 스크린 처리하지 않은 클링커를 일정한 비율로 혼합 분쇄하였더니 MgO와 알칼리 함량이 모두 만족할 만한 수준을 보여줬다.
일자별로 클링커 제조에 사용한 원료의 조성과 이들의 배합비율은 다음 표 3 내지 표 6에 나타냈다.
표 3. 석회석의 조성과 함량(wt%)
측정일자 LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O
98.10.3098.10.3198.11.0198.11.0298.11.0498.11.0598.11.0698.11.0898.11.09 41.1741.1740.8040.8041.2241.6741.6741.3340.92 5.315.315.745.745.094.444.444.995.51 1.571.571.761.761.551.341.341.471.63 0.940.941.091.090.950.800.800.981.08 48.0848.0847.6547.6548.2648.8648.8648.2947.78 2.462.462.482.482.462.442.442.482.62 0.470.470.480.480.470.450.450.460.46
평균 44.19 5.17 1.55 0.96 48.17 2.48 0.47
표 4. 고령토의 성분과 함량(wt%)
측정일자 LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O
98.10.3098.10.3198.11.0198.11.0298.11.0498.11.0598.11.0698.11.0898.11.09 0.811.732.611.721.461.391.761.791.01 69.0868.5867.9568.4067.1166.3166.9767.3867.94 13.3113.6913.6713.1713.7614.6713.9015.3816.56 8.908.307.937.938.447.627.368.107.84 3.022.663.053.674.124.854.902.722.08 2.602.572.392.742.863.012.812.452.40 2.282.472.402.372.252.152.302.182.17
평균 1.27 67.75 14.23 8.05 3.45 2.65 2.29
표 5. 부원료의 종류, 성분, 함량(wt%)
종류 LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O
규석철광석슬래그 0.750.880.65 95.3417.3535.3 2.734.6913.66 0.7553.060.95 0.221.6741.22 0.1321.937.55 0.560.460.47
표 6. 원료 배합비 변화에 따른 클링커의 MgO 함량 및 알칼리 함량
구 분 석회석 고령토 규석 철광석 슬래그 MgO함량 알칼리함량 원가
①표준배합② 6K 배합③ 7K 배합④설계배합⑤7K 5㎜이하②0.70+⑤0.30②0.83+⑤0.17 86.4785.7085.6685.16--- 13.0711.9012.5010.95--- -0.52-0.87--- 0.460.380.350.52--- -1.51.52.5--- 3.994.044.054.13--- 0.800.770.780.750.650.7340.75 3,3173,5843,4973,8133,8313,6583,626
상기 표 6에서 7K 배합 클링커를 입도 분리한 경우 5㎜ 이하 클링커의 수율은 35% 정도이었다.
표 6에 나타낸 바와 같이, 7K 배합 클링커를 5㎜ 이하로 스크린 하면 알칼리 함량 0.65를 기대할 수 있으며, 6K 클링커 83%와 7K 5㎜ 이하 입도의 클링커 17%를 혼합하면 알칼리 함량 0.735를 기대할 수 있다. 이 경우의 MgO 함량은 4.0wt% 이었다. 또한 원가 면에서도 3626원/ton으로 설계배합 상에서 얻은 원료비 3813원 보다 187원의 원료비 절감을 기대할 수 있다.
한편 5㎜ 이하의 미분 클링커 만을 사용할 경우의 시멘트밀 분쇄효율이 어느 정도 저하되는지 알아보기 위하여 우리 회사의 북평1호 밀과 삼척7호 밀을 사용하여 시험해 본 결과, 스크린을 거치지 않은 정상적인 클링커의 경우 148 ton/hr인데 반해 이보다 5 ton/hr 줄어든 143 ton/hr으로서 효율이 3.38% 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 미분 클링커를 스크린을 거치지 않은 정상적인 클링커에 30∼50wt%를 혼합 분쇄하는 경우의 분쇄 효율의 저하는 극히 미미할 것으로 예상된다.
실시예 1
각 일자별로 다음 표 7 및 표 8에 나타낸 6K 클링커 70wt%와 7K 클링커의 입도 5㎜ 이하의 것 30wt%를 혼합하여 분쇄하고, 상황에 따라 6K 클링커의 비율을 높이면서 시멘트를 생산하였다.
또한 각 일자별로 클링커를 조합하여 만든 시멘트의 평균 알칼리 함량과 그 성분함량은 표 9에 나타냈다. 이 표 9에 나타낸 시멘트는 실제로 일본과 중동 수출용 제품에 적용하고자 한 것이다.
표7. 6K 클링커의 조성과 알칼리 함량(wt%)
측정일자 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O F-CaO T.A
98.10.3098.10.3198.11.0198.11.0298.11.0398.11.0498.11.0598.11.0698.11.0798.11.0898.11.09 21.5421.6821.5521.5121.4121.3321.2721.3221.1221.5121.47 5.275.345.305.205.325.395.395.625.575.745.69 3.263.533.343.253.173.022.963.043.063.243.27 64.5665.0065.5265.1365.6065.1165.3165.2364.8864.4965.05 3.633.533.553.523.563.553.593.773.603.553.51 1.221.081.181.211.071.261.181.101.161.111.04 1.461.582.272.252.091.982.491.941.851.401.78 0.860.770.840.850.760.890.830.790.820.790.75
평균 21.43 5.44 3.19 65.03 3.58 1.15 1.92 0.81
표8. 7K 클링커의 조성과 알칼리 함량(wt%)
측정일자 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O F-CaO T.A
98.11.0498.11.0598.11.0698.11.0798.11.0898.11.09 21.4321.2321.3421.5721.7921.47 5.485.355.535.705.345.67 3.163.073.103.343.103.29 64.3464.7265.2264.4263.7664.87 3.953.573.513.493.653.46 1.371.151.191.151.271.21 1.342.162.011.270.922.16 0.970.810.840.810.890.86
평균 21.47 5.51 3.18 64.56 3.60 1.22 1.64 0.86
표 9. 시멘트 평균 성적
구분 MgO SO3 F-CaO T.A C3S C2S C3A C4F
A(일본수출용)B(이집트수출용) 3.783.87 2.562.49 1.771.79 0.700.72 53.9753.85 17.7018.00 9.019.16 9.669.65
상기 표 9에서 A는 6K 클링커 70wt%와 7K 5㎜ 입도 이하의 클링커 30wt%를 혼합한 것의 예상치이고, B는 6K 클링커 80wt%와 7K 5㎜ 입도 이하의 클링커 20wt%를 혼합한 것의 예상치이다. 그러나 실제로 공정에 적용한 결과는 위에서 예측했던 결과보다 더 양호한 것으로 나타났다.
실시예 2
미국에 수출하는 타입(Type) Ⅰ 및 Ⅱ 시멘트는 지역적인 특성상 즉, 그 지역에 알칼리와 반응성 골재가 많이 분포되어 있고 이로 인하여 알칼리 골재반응으로 콘크리트가 팽창을 일으켜 균열, 변형, 박리 등을 일으킬 수 있는 지역이기 때문에 알칼리 함량이 매우 적어야 한다.
이러한 타입 Ⅰ 및 Ⅱ 시멘트를 생산하기 위해서는 석회석과 고령토 등의 원료에서 일정 수준의 품질을 가져야 하며, 특히 우리 나라에서 생산되는 시멘트의 경우 원료의 MgO와 K2O가 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다.
따라서 본 발명에서는 타입 Ⅰ 및 Ⅱ 샘플 생산에서 원료배합 설계로부터 추정했던 저 알칼리 0.58을 기준으로 5㎜ 이하 입도의 클링커에서 알칼리 함량 0.60 이하인 클링커를 생산하는 것으로 목표로 시멘트를 시험 제조하였다.
사용한 원료의 조성은 표 10에 나타냈으며, 시제품 생산 결과는 표 11에 나타낸 바와 같은 결과를 얻었다.
표 10. 타입 Ⅰ 및 Ⅱ에 사용된 원료의 조성 및 함량(wt%)
구분 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O 합계 L0I
석회석혈암석영철광석슬래그 5.5167.0794.1215.4935.44 1.6316.553.084.7413.80 1.088.300.9055.381.00 47.782.180.221.8140.75 2.622.420.2020.277.23 ---0.11.07 0.462.210.500.430.47 0.010.330.050.230.21 59.0999.0699.0799.1499.97 40.910.940.930.860.03
상기 표 10에서 혈암(Shale)은 동해와 삼척에서 생산된 것을 6:4의 비율로 혼합한 것을 사용하였다.
표 11. 타입 Ⅰ 및 Ⅱ의 클링커 조성(wt%)
구 분 MgO K2O Na2O F-CaO T.A LSF HM SM IM
전체5㎜ 이하 클링커타입 Ⅰ 및 Ⅱ시멘트 3.823.913.74 1.090.880.85 0.060.060.07 1.621.441.52 0.780.640.62 94.6095.0894.16 2.162.152.18 2.472.392.37 1.711.581.58
표 12. 알칼리 함량에 따른 제조비용 비교
구 분 석회석 고령토 규석 철광석 슬래그 제조비용 HM SM IM T.A
CD 86.7081.88 10.303.62 1.093.11 0.411.38 1.5010.00 36495357 2.152.15 2.402.40 1.701.72 0.730.60
상기 표 12의 C는 5㎜ 이하 입도의 클링커에서 T.A 0.6을 전제로 한 배합 단가이고, D는 스크린하지 않은 클링커에서 T.A 0.6을 얻기 위한 배합 단가이다.
이것은 기존의 사용중인 원료를 그대로 사용하면 부원료를 추가 투입하는 것으로 타입 Ⅰ 및 Ⅱ 시멘트 생산이 충분히 가능하며, 이것은 스크린하지 않은 클링커를 사용하는 경우를 비교할 때 동일 계수치를 유지하기 위해서는 약 1708원/ton의 원가를 절약할 수 있음을 알 수가 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 저 알칼리 시멘트의 제조방법에 의하면 일정 입도 이하의 클링커를 혼합 사용함으로써 동일한 원료 조건하에서 보다 알칼리 함량이 낮은 시멘트를 생산할 수 있는 바, 원가를 절감하여 수출 경쟁력을 확보할 수 있게 된다.

Claims (3)

  1. 원료를 혼합하여 만든 클링커를 분쇄하는 통상의 시멘트 제조공정에 있어서, 상기 클링커를 조분과 미분으로 스크린 분리한 후 미분의 클링커를 분쇄하여 시멘트를 제조하는 것을 특징으로 하는 저 알칼리 시멘트의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 미분의 클링커와 스크린 하지 않은 클링커에 혼합 분쇄하는 것을 특징으로 하는 저 알칼리 시멘트의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 미분의 클링커는 입도 5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 저 알칼리 시멘트의 제조방법.
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