KR20010026230A - 제강 슬래그를 이용한 속경성 클링커 및 시멘트의 제조방법 - Google Patents

제강 슬래그를 이용한 속경성 클링커 및 시멘트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 속경성 클링커의 제조방법에 관한 것으로, CaO, Al2O3및 SiO2원으로 제철소의 제강공정에서 발생되는 슬래그 55∼95 중량 , SO3원으로 이수석고 (CaSO4·2H2O) 5∼40 중량 , 및 CaO원으로 석회석(CaCO3) 0∼30 중량 를 90 ㎛이상의 입경을 갖는 입자가 15 중량 이하로 되도록 분쇄한 후 이들 혼합물을 1050∼1350 ℃에서 소성하는 것을 특징으로 한다.

Description

제강 슬래그를 이용한 속경성 클링커 및 시멘트의 제조방법{Process for producing cement clinker using ironworks slag}
본 발명은 제철소의 제강공정에서 부산물로 발생되는 슬래그를 이용하여 토목, 건축 분야의 긴급보수공사, 그라우팅 공사, 겨울철 공사 등에 이용되고 특히 콘크리트의 팽창재나 오니 및 산업 폐기물의 고화재로도 활용되는 속경성 클링커를제조하는 방법 및 시멘트의 제조 방법에 관한 것이다.
보통 포틀랜드 시멘트는 응결 및 경화속도가 낮기 때문에 시멘트의 광물조성과 분말도를 조절하거나 경화촉진제를 사용하여 실용강도(200kg/cm2)를 향상시키고 있으나, 칼슘실리케이트(3CaO·SiO2)의 성분만으로는 실용강도를 촉진시키는데는 한계성이 있다. 그러나 칼슘알루미네이트계(CA-C12A7, CA-CA2계), 칼슘플로루알루미네이트계(C11A7·CaF2-C3S-C3A계), 칼슘설포알루미네이트계(CSA계; C3A3·CaSO4-C2S-CaSO4계), 비정질칼슘알루미네트계(C11A7·CaF2-C12A7계)로 대별되는 속경성 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트의 7 일 압축강도를 2∼3시간에서 발현하기 때문에 상술한 바와 같이 긴급을 요하는 토목 및 건축공사에 이용되고 특히 칼슘설포알루미네이트계 (C3A3·CaSO4-C2S-CaSO4계)는 수화반응으로 생성되는 ettringite( C3A3·CaSO4·32H2O)의 특성을 이용하여 콘크리트의 팽창재나 오니 및 폐기물의 고화 및 연약지반의 보강재 등으로 다양하게 활용된다.
속경성 시멘트의 제조에는 상술한 칼슘알루미네이트(CaO·Al2O3, 12CaO·7Al2O3), 칼슘플로오르알루미네이트(11CaO·7Al2O3·CaF2)), 비정질 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4)등의 클링커 광물을 이용하거나, 국내에서는 보통 포틀랜드 시멘트에 CaO·Al2O3나 12CaO·7Al2O3등의 칼슘알루미네이트 광물을 주광물로 하는 알루미나 시멘트와 무수석고 등과 혼합한 속경성 시멘트가 상품화되어 판매되고 있으며, 일본에서는 보통 포틀랜드 시멘트의 클링커를 제조할 때 중간생성물인 칼슘알루미네이트 광물을 칼슘플로오르알루미네이트 (11CaO·7Al2O3·CaF2)로 치환하여 제조된 칼슘플로르알루미네이트, 아릿트 (3CaO·SiO2), 무수석고(CaSO4)를 주광물한 속경성 시멘트가 판매되고 있다.
11CaO·7Al2O3·CaF2를 이용하는 속경성 시멘트는 보오크사이트(bauxite)와 석회석과 규석 그리고 소량의 형석(CaF2)의 조합물 소성하여 11CaO·7Al2O3·CaF2와 C3S가 주광물인 클링커를 제조한 후 이 클링커 분말에 무수석고(CaSO4)를 혼합하여 제조되며, 알루미나시멘트를 이용하는 속경성 시멘트는 보오크사이트와 석회석(또는 생석회)의 혼합물을 용융로(또는 회전로)에서 용융(또는 소성)하여 CaO·Al2O3나 12CaO·7Al2O3를 제조한 후에 포틀랜드시멘트와 무수석고 등을 혼합하여 제조된다.
따라서 CaO·Al2O3나 12CaO·7Al2O3그리고 11CaO·7Al2O3·CaF2의 알루미나원으로 국내에서 전혀 산출되지 않는 값비싼 보오크사이트(bauxite)가 이용되고, 특수한 소성장치 및 기술이 요구되며, 알루미나 시멘트의 경우, 초기에는 속경성을 발현하지만, 장기적으로는 안정성이 떨어지는 결함이 있다.
폐기물을 이용한 속경성 클링커의 제조방법에 대해서는 알루미늄 슬러지를 이용한 속경 클링커의 제조방법이 한국 공개특허공보 제 1998-031028 호에 게재되어 있다. 이 공개공보에서 사용한 알루미늄 슬러지는 콘덴서 기판용 알루미늄 포일 에칭액의 침전물이엇으나, 이 폐기물의 양은 한정적이고 알루미나 원료로서의 역활밖에 하지 못하므로 반드시 석회석 등이 부가되어야 하는 불편함이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 CaO, Al2O3그리고 SiO2등이 함유된 제철소의 제강공정에서 발생되는 슬래그를 이용하여 경제적으로 속경성 클링커 및 시멘트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 장기적으로 안정한 속경성 클링커 및 시멘트를 제공하는 것이다.
도 1은 전로슬래그 : 석회석 : 이수석고의 배합비에 따른 소성생성물의 X-선회절 분석도(소성온도: 1200도, 소성시간: 2시간).
도 2는 슬래그와 석고의 혼합비에 따른 소성 생성물의 X-선 회절 분석도(소성온도: 1200도, 소성시간: 2시간, H: 칼슘설퍼알루미네이트).
도 3은 소성온도에 따른 제조된 속경성 클링커의 X-선회절분석도
상기 본 발명의 목적은 CaO, Al2O3및 SiO2원으로 제철소의 제강공정에서 발생되는 슬래그 55∼95 중량 , SO3원으로 이수석고 (CaSO4·2H2O) 5∼40 중량 , 및 CaO원으로 석회석(CaCO3) 0∼30 중량 를 90 ㎛이상의 입경을 갖는 입자가 15 중량 이하로 되도록 분쇄한 후 이들 혼합물을 1050∼1350 ℃에서 소성하는 것을 특징으로 하는 속경 클링커의 제조방법에 의해 달성된다.
상기 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 속경성 클링커는 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4)와 칼슘실리케이트(2CaO·SiO2) 및 칼슘 알루미네이트(12CaO·7Al2O3)로 구성된다.
본 발명의 시멘트 조성물은 본 발명의 방법에 의해 제조된 속경 클링커를 소정의 입자로 분쇄한 분쇄물 40∼80 중량 , 무수석고 10∼43 중량 , 소석회 0∼14 중량 , 반수석고 0∼3 중량 로 구성된다.
통상 제강 공정에서 폐기물로 부산되는 슬래그는 CaO 31.0∼60.0 중량 , Al2O318.0∼45.0 중량 , SiO21.5∼15.0 중량 및 기타의 부성분 7.0∼25.0 중량 의 조성을 갖는다. 따라서, 속경성 클링커의 CaO, Al2O3및 SiO2원으로 활용할 수 있으며, 부산되는 양이 풍부하므로 원료공급을 원활하게 할 수 있다.
슬래그 중의 CaO, Al2O3, SiO2를 제외한 기타 부성분은 일반적으로 Fe, MnO , MgO , P2O5, TiO2, S 등이다. 기타 부성분의 함량은 전체 슬래그 중 7.0∼25.0 중량 이고 각각의 상분 함령 범위는 일반적으로 T.Fe 0.3∼8.5 중량 , MnO 0.2∼5.5 중량 , MgO 4.0∼8.0 중량 , P2O50.04∼11.3 중량 , TiO20.2∼0.5 중량 , S 0.1∼0.5 중량 이다.
제강 슬래그에 SO3원으로 이수석고 (CaSO4·2H2O)를 5∼40 중량 부가하는데, 이수석고의 양이 작으면, 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4) 성상이 형성되지 않고 칼슘실리케이트(2CaO·SiO2) 및 칼슘 알루미네이트(12CaO·7Al2O3) 만 형성되게 된다. 또, 무수석고의 양은 클링커 제조후 시멘트 제조시 더 첨가되므로 과량으로 첨가되어도 무방하나 고온의 소성과정을 거치면서 반응성이 약간 떨어지는 경향이 있으므로 과잉의 무수석고 성분이 남지 않도록 40중량이하의 양으로 첨가하는 것이 바람직하다.
CaO원으로 석회석(CaCO3)이 0∼30 중량부가된다. 슬래그의 조성에 따석회석의 양은 조절할 수 있다. 즉, 슬래그 중의 CaO 함량이 높은 경우에는 석회석을 첨가하지 않아도 무방하고, CaO 함량이 적을 경우에는 최대 30중량의 양으로 부가할 수 있다. 석회석 역시 시멘트 제조시 더 부가될 수 있으므로 양을 증가시켜도 최종 생성물의 성질에 영향을 주지는 않는다.
즉, 도 1의 전로슬래그 : 석회석 : 이수석고의 배합비에 따른 소성생성물의 XRD 분석도(소성온도: 1200도, 소성시간: 2시간)에서 알 수 있듯이, 석고의 양이 적을 경우에는 칼슘설포알루미네이트의 양이 적어지고 많아질 경우에는 최대로 칼슘설포알루미네이트가 생성되다가 초과로 혼합된 석고는 무수석고의 형태로 존재한다. 석회석도 마찬가지로 과잉으로 첨가할 경우에는 석회석의 열분해물인 f-CaO(생석회)로 존재한다.
도 2에는 슬래그와 석고의 혼합비에 따른 소성 생성물의 XRD 분석결과(소성온도: 1200도, 소성시간: 2시간, H: 칼슘설포알루미네이트)가 도시되어 있다. 슬래그: 석고의 혼합비가 100 : 15에서 100 : 40의 범위에서 칼슘설포알루미네이트가 안정되게 생성된다. 이때 석고의 양이 100 : 40의 범위를 초과하게 되면 이수석고(CaSO4·2H2O)는 탈수되어 클링커내에는 반응하지 않은 무수석고( CaSO4)의 형태도 남게 된다. 그러나 실제로 토목 건축용으로 사용할 경우에는 필요한 용도에 따라 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4) : 생석회(CaO) : 무수석고(CaSO4)의 양을 변화시킨 혼합물의 형태로 주로 사용된다. 그러나 생석회는 물과 반응으로 소석회[Ca(OH)2]로 변화되고 무수석고는 이수석고로 변화되기 때문에 생석회(CaO)와 무수석고(CaSO4)의 대용으로 소석회[Ca(OH)2]나 이수석고를 사용할 수도 있다.
제강 슬래그 55∼95 중량 , 이수석고 (CaSO4·2H2O) 5∼40 중량 , 및 석회석 0∼30 중량 를 90 ㎛이상의 입경을 갖는 입자가 15 중량 이하로 되도록 분쇄한 후 이들 혼합물을 1050∼1350 ℃에서 소성한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 소성 온도가 1000 ℃이하에서는 12CaO·7Al2O3와 β-2CaO·SiO2가 생성되며 무수석고(CaSO4)와 생석회(CaO)가 반응하지 않은 채로 남아 있다. 또, 1000℃ 이하에서는 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4) 성상이 형성되지 않으며, 속경성은 나타나지만 낮은 장기 강도를 가지게 된다. 또, 1350℃ 이상에서는 클링커가 용융됨에 따라 3CaO·3Al2O3·CaSO4의 회절강도가 낮아지는 현상을 보이고 칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4)가 형성되는 양이 줄어들게 되므로 소성온도는 1050∼1350 ℃로 한다. 1050∼1350℃에서는 3CaO·3Al2O3·CaSO4와 β-2CaO·SiO2가 안정되게 생성되는 것이 관찰된다.
이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
실시예 1
석회석(CaCO3) 720g, 제강 슬래그 7140g, 이수석고(CaSO4·2H2O) 2140g을 혼합한 후 90 ㎛이상의 입자가 15 중량 이하로 되도록 분쇄하였으며 원료조합물의 화학 성분은 표 1과 같다. 그리고 이들 혼합물에 2500g의 물을 가하여 지름이 약 20mm로 성구하였다. 성구된 시료를 나누어 1000℃, 1050℃, 1100℃, 1150℃, 1200℃, 1250℃, 1300℃, 1350 ℃로 각기 다른 온도에서 1 시간 소성하여 제조된 클링커를 X-선회절 분석하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
칼슘설포알루미네이트(3CaO·3Al2O3·CaSO4)와 칼슘실리케이트(2CaO·SiO2) 그리고 칼슘알루미네이트(12CaO·7Al2O3)가 주성분인 클링커가 제조되었다.
클링커의 화학성분을 표 1에 나타내었다.
표 1. 원료 혼합물과 제조된 클링커의 화학성분 ( Wt.).
CaO SiO2 Al2O3 MgO MnO P2O5 TiO2 Fe2O3 S SO3 Ig.loss total
혼합물 44.40 7.6 19.4 5.9 0.69 0.17 0.34 4.63 0.25 10.8 4.83 100.01
클링커 46.91 8.0 20.38 6.2 1.78 0.18 0.36 4.87 - 11.35 - 100.03
실시예 2
실시예 1의 1000℃와 1200 ℃에서 각각 제조된 클링커를 브레인 값으로 4,200cm2/g이 되도록 분쇄하고, 각각의 클링커 분쇄물 600g, 무수석고 350g, 소석회 30g, 시트르산 20g을 혼합하여 속경성 시멘트를 제조하였다. 이때 무수석고는 인산염 공업에서 부산물로 생성되는 분말상의 것을 그대로 이용하였으며, 소석회 및 반수석고도 각각 공업용으로 판매되는 분말상의 것을 이용하였고, 시트르산은 응결시간을 늦추어 작업시간을 확보하기 위해 사용하였다. KS L 5105에 준하여 압축강도를 조사하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
표 2. 각 온도에서 제조된 클링커의 압축강도
클링커의제조온도 압 축 강 도 ( kg/cm2 )
2시간 6시간 1일 3일 28일
1000℃ 25 298 383 432 510
1200℃ 210 320 473 598 720
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 1000℃이하에서는 속경성을 보이지만 낮은 장기 강도를 발현하고, 1200℃에서는 초속경성과 고강도성을 발현하였다.
실시예 3
실시 예 1의 1200 ℃에서 제조된 클링커를 브레인 값으로 4,200cm2/g이 되도록 분쇄하고, 클링커 분쇄물과 무수석고를 1 : 1의 중량비로 혼합하였다. 그리고 이들 혼합물을 보통 포틀랜드 시멘트에 10 중량 첨가한 후 이들 시멘트의 혼합물과 규사(조립률; 2.8)를 1:1의 중량비로 그리고 모르타르의 유동성을 증진시키고 함수비를 감소시키기 위해 시멘트 혼합물에 유동화제(나프탈렌계 축합물) 0.8 중량 를 첨가한후 혼합하여 건조 모르타르를 제조하였다. 그리고 제조된 건조 모르타르에 물을 각각 13.5, 15.5, 16.5 중량 를 첨가하여 혼련한 후 규브몰트(5cm×5cm×5cm)로 성형체를 만든 후 탈형한 경화체의 압축강도를 측정하였다.
표 3. 제조된 몰탈의 물리적 성질
측정품목 단위 물/건조몰탈 ( ) 측정방법
13.5 15.5 16.6
흐름 40 140 150이상 ASTM C 939
팽창율 1일28일 0.140.135 0.1350.13 0.120.12 ASTM C 1090
응결시간 초결종경 시간:분시간:분 2:104:50 3:006:30 3:306:50 ASTM C 191
압축강도 3일7일28일 kg/cm2kg/cm2kg/cm2 561699816 491594727 432536691 ASTM C 109
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 클링커를 사용한 몰탕은 초조강성과 팽창성, 고강도성을 나타내었다.
본 발명에서는 산업 부산물로 발생되고 수거가 용이한 제강 슬래그를 이용하고, 기존의 속경성 클링커 보다 비교적 낮은 온도에서도 3CaO·3Al2O3·CaSO4이 제조되며, 또한 제조된 클링커로 만든 시멘트가 속경성 및 안정적인 고강도성을 발현하므로 폐기되는 자원의 재활용, 알루미나질 광물의 수입대체효과, CO2(g) 발생량의감소 등의 효과가 있는 환경 친화적인 속경성 시멘트를 경제적으로 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 제강 슬래그 55∼95 중량 , 이수석고 (CaSO4·2H2O) 5∼40 중량 , 및 석회석(CaCO3) 0∼30 중량 를 90 ㎛이상의 입경을 갖는 입자가 15 중량 이하로 되도록 분쇄한 후 이들 혼합물을 1050∼1350 ℃에서 소성하는 것을 특징으로 하는 속경성 클링커의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제강 슬래그는 CaO 31.0∼60.0 중량 , Al2O318.0∼45.0 중량 , SiO21.5∼15.0 중량 및 기타의 부성분 7.0∼25.0 중량 로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법
  3. 제강 슬래그 55∼95 중량 , 이수석고 (CaSO4·2H2O) 5∼40 중량 , 및 석회석(CaCO3) 0∼30 중량 를 90 ㎛이상의 입경을 갖는 입자가 15 중량 이하로 되도록 분쇄한 후 이들 혼합물을 1050∼1350 ℃에서 소성한 속경성 클링커.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제강 슬래그는 CaO 31.0∼60.0 중량 , Al2O318.0∼45.0 중량 , SiO21.5∼15.0 중량 및 기타의 부성분 7.0∼25.0 중량 로 구성되는 것을 특징으로 하는 속경성 클링커
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 클링커는 칼슘설포알루미네이트 (3CaO·3Al2O3·CaSO4), 칼슘실리케이트(2CaO·SiO2) 및 칼슘 알루미네이트 (12CaO·7Al2O3)로 구성되는 것을 특징으로 하는 속경성 클링커.
  6. 제강 슬래그 55∼95 중량 , 이수석고 (CaSO4·2H2O) 5∼40 중량 , 및 석회석(CaCO3) 0∼30 중량 를 90 ㎛이상의 입경을 갖는 입자가 15 중량 이하로 되도록 분쇄한 후 이들 혼합물을 1050∼1350 ℃에서 소성한 속경성 클링커 분쇄물 40∼80.0 중량 , 무수석고 10∼43.0 중량 , 소석회 0∼14.0 중량 , 반수석고 0∼3 중량 로 구성되는 시멘트.
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