KR20020074035A

KR20020074035A - 철강공장 폐수처리슬러지와 밀스케일을 이용한 축열 벽돌제조

Info

Publication number: KR20020074035A
Application number: KR1020010014738A
Authority: KR
Inventors: 반봉찬; 반봉식; 이환노; 권영배
Original assignee: 반봉찬; 반봉식; 이환노
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-28

Abstract

본 발명은 공구강 및 스테인레스강등 특수강 제조시에 발생하여 폐기되고 있는 폐수처리 슬러지와 철원으로, 별도의 용도가 없는 밀스케일이나 연마분진을 이용하여 심야전기이용 축열 벽돌을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히 전량 폐기되는 폐수 슬러지와 자체 부산되는 저가의 밀스케일을 이용하여 고가의 축열재를 대체하는 축열 벽돌과 같은 고부가 소재를 제조하는 것으로 자원 재활용, 환경오염 방지 및 폐기물 고부가화를 이룩하는 것이다.

Description

철강공장 폐수처리슬러지와 밀스케일을 이용한 축열 벽돌 제조{Manufacture of heat reserving materials using millscale and sewage sludges from steel-making plant.}

본 발명은 공구강 및 스테인레스강 제조공정의 폐수처리슬러지와 밀스케일등의 폐기물을 이용하여 많은 열을 축적하고 서서히 방출하는 열용량이 큰 축열 벽돌을 제조하기 위한 난방용 축열 벽돌 조성물에 관한 것이다. 종래 쓰이는 것으로는 알루미나질의 블록이 사용되고 있으나 열용량이 비교적 적어 많은 양의 열을 축적하고, 장시간 방출하는 기능을 발휘할 수 없었다. 또한 이들 알루미나 벽돌의 경우, 고가의 재료로서 값싸게 구입할 수가 없었다. 또한 이들 알루미나질이 고가인관계로 보다 값싼 원료를 찾기 위한 방법으로 제철공정의 밀스케일을 사용하는 연구가 있었다. 그러나 이것 또한 축열등이 비교적 낮고 보다 열용량이 큰 중량이 큰 소재가 필요하다. 한편 스테인레스강등의 특수강 제조시 발생하는 폐수처리과정 중에서 발생하는 슬러지는 발생량이 막대하여 단순 매립되고 있으나 매립지 등의 문제로 인해 날로 그 처리비가 상승하고 있다. 한편 특수강 제조공정중에 발생하는 밀스케일은 거의 용도가 없어 철원으로 저가에 판매되고 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 폐기물이 한 장소에서 발생하고 이동으로 인한 물류비용 증가를 없앨 수 있는점에 착안하여 이를 혼합하여 사용하는 축열벽돌을 제조하게 되었다. 또한 제조 공정 측면에서 보면 슬러지나 밀스케일등을 사용하는 경우, 이를 일정크기로 분쇄하여 에너지가 소비되는 번거로움이 없어, 이들 폐기물의 경우 축열벽돌 제조시 별다른 분쇄공정이 필요하지 않다. 특히, 적점토나 황토를 이용하는 경우, 밀스케일등을 수송하는 경우가 생겨 물류비가 크게 든다는 점에서 한 사업장에서 나오는 2가지 폐기물을 동시에 해결할 수 있는 방법이다.

따라서 본 발명은 이와 같은 점에 착안하여, 상기와 같은 처리의 단점을 배격하고 특수강 밀스케일과 폐수처리슬러지 등의 전량 폐기되는 폐기물을 원료로, 심야전기축열용의 비교적 무겁고 열용량이 비교적 큰 (1.4J/g ·℃이상)의 축열 벽돌을 제조하여 원가절감 및 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 폐수처리슬러지의 화학적 조성은 표1과 같이 산화칼슘(CaO) 7∼15%, 산화마그네슘(MgO)0∼0.5%, 산화규소(SiO₂) 5.5∼7.5%, 산화크롬(Cr₂O₃) 0.25∼1.5%, 산화철(FeO) 6.01∼6.45%, 수분 55∼70%로 구성되어 있어, 실제 유가금속이 없는 상태이다. 밀스케일을 혼합교반하게 되면, 폐수슬러지의 함수율을 25∼35%로 낮추는 역할을 하게되어, 바로 건조성형을 할 수 있는 조건이 된다. 특히 폐수처리슬러지의 경우, 유기물의 연소로 인한 기공성을 확보하여 보다 좋은 축열재를 제조할 수 있다.

제 1도는 축열 벽돌 제조 공정

표 1은 특수강 제조 폐수처리 슬러지의 화학적 조성(중량%)

표 2는 원료배합비

표 3은 소성수축율 시험결과

표 4는 항절력 시험결과

이하 본 발명을 실시 예에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

＜실시 예＞

본 발명에 의한 특수강 밀스케일과 폐수처리슬러지를 사용할 때와 일반강 밀스케일 및 적점토 사용시의 벽돌의 물리적 성질을 조사하기 위해 아래와 같은 순서로 실시 하였으며, 그의 기계적 강도인 항절력, 소성수축율, 열용량등을 측정 비교하였다.

(1) 원료혼합

특수강 밀스케일 30∼70중량%, 철강공장 폐수처리슬러지 30∼70중량%, 물유리(5∼10%)의 조성으로 혼련, 숙성공정 배합비율에 따라 원료별, 입도별로 혼합하고 혼련시킨 다음, 수분발산을 방지하기 위해 비닐등을 이용하여 이를 포장한 후 1∼7일간 방치하여 숙성시킨다. 이때 숙성시의 수분량을 5∼25%로 조절한다.

(2) 성형공정

이들 혼합숙성된 원료의 축열벽돌의 성형은 크랭크 프레스(crank press), 오일프레스(oil press)등의 기계적 성형기를 이용하여 성형시키며 축열 원료의 수분량이 5∼25%가 되도록 조정한다.

(3) 건조, 소성공정

성형된 축열벽돌을 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해서 터널식 킬른에서 약 50∼90℃의 분위기에서 서서히 건조하였다. 터널킬른을 이용하여 소성온도 750∼1,150℃에서 약 15∼30시간 정도 소성하였다.

상기의 실시예와 같이 제조되는 본 발명에서 사용되는 철강 건식분진의 경우, 철강공정에서 발생하는 형상이 조대한 밀스케일과 기본적으로 함수율이 50∼70%를 차지하는 혼련상태가 대단히 좋다. 성형결합재로는 일반적인 규산소다 성분인 물유리로서 소성온도와 성형성을 향상시켜 연료비를 절감시킬 수 있다.

원료로는 비교를 위해 특수강 밀스케일과 페수처리슬러지와, 국내에서 생산되는 정제되지 않은 적점토와 국내 일반강 열연 밀스케일을 사용하였다. 물유리는 소결조제로서 첨가하였다. 밀스케일의 함량이 증가할수록 성형성이 나쁘기 때문에 가소성 성분인 폐수처리슬러지의 비율을 적절히 배합하고자 하였다. 소결조제로 첨가한 물유리는 주성분이 Na₂O-SiO₂로서 소성온도를 낮춰 줌으로써 블록의 생산단가를 낮추고 블록 성형시, 성형성을 향상시키기 위해 사용하였으며, 특수강 밀스케일과 폐수처리슬러지를 표2와 같이 여러 비율로 배합하여, 혼합하였다.

혼합원료는 폭 15mm×길이 40mm×높이 9mm 크기의 사각 기둥형태로 전제 4톤 하중으로 성형하였다. 성형체는 약 70∼100℃에서 1일간 건조시킨 후 700℃∼1300℃범위에서 2시간씩 소성하였다. 소성은 대부분 공기중에서 수행하였고 소성 후 체적수축률, 항절력을 조사하였다. 항절력은 4점굽힘시험으로 측정하였고, 재료의 열용량은 시료를 분쇄한 후 열시차분석기를 이용하여 측정하였다.

표3에 나타낸 바와 같은 여러 조성의 시료들을 1300℃까지 소성하였을 때의 체적수축률을 대부분 상온∼1150℃까지는 0.25∼5%이며 1150∼1300℃에서는 20∼40%의 수축율을 나타내었다. 300℃까지의 초기단계에서는 모든 시료에서 소성후의 시료체적이 소성 전의 시료체적보다 감소하였다. 이 초기단계의 수축은 원료배합 과정에서 첨가된 부분, 물유리의 수분 및 결정수가 건조됨으로써 나타난다. 산화철의 상변화에 기인하는 것으로 판단된다. Fe₂O₃, Fe₃O₄등은 밀스케일의 주 구성 산화물이며, 적점토 내의 불순물로 함유되어 있다. 온도증가에 따라 이들 산화물들의 상변화에 의해 방출되는 가스에 의해 시료가 팽창하는 것으로 판단된다. 또한 열연 밀스케일 내에 잔류하는 금속철 성분의 산화에 의해서도 체적 팽창이 야기되는 것으로 보인다. 도자기의 소성 과정에서 Fe₂O₃성분의 상분해에 의해 산소가 방출되는 것과 같이 이들 산화철들의 상변화에 따른 가스방출에 의해 시료가 팽창하는 것으로 판단된다. 폐수처리슬러지만 사용한 시료I와 폐수처리슬러지의 비가 비교적 큰 시료들(밀스케일:폐수처리슬러지=1:3(A), 1:1(B,C,D))은 700℃이상부터 수축이 증가하여 1150℃에서 가장 큰 수축율을 나타낸다. 폐수처리슬러지의 양이 많을수록 체적수축율이 크게 나타났다. 시료의 성분비에 따라 소결수축현상이 상이한 것은 밀스케일 성분은 소결이 되지 않는 반면 적점토는 소결이 용이하기 때문이다. 반면, 밀스케일과 폐수처리슬러지의 비가 2:1인 시료(E,F)와 3:1인 시료(G,H,J)에서는 1150℃까지 대체로 일정 체적을 유지하거나, 소량팽창을 하고, 1200℃ 이상에서 체적이 급격히 팽창한다. 1200℃ 이상에서 소성된 시료는 다공질화된 형상을 갖는다. 동일조성의 시료(1:1 시료)에서 물유리 첨가여부에 따른 체적수축률(B, C, D 시료)을 비교하면 1150℃까지는 물유리 첨가량이 증가할수록 수축율도 증가하였다. 반면, 1150℃이상에서는 소성분위기 및 물유리 첨가량에 따라 영향을 받으나, 전체적으로 물유리 첨가시료가 팽창이 큰 것으로 나타났다.

1150℃와 1200℃에서 소성한 시료들의 항절력을 4점굽힘시험으로 측정하였다. 표4에서 소성온도가 표기되지 않은 시료들은 1200℃에서 소성한 것이다. 각 시료에 대해 3개씩 시료를 제작하여 테스트한 후 평균하였다. 항절력은 폐수처리슬러지의 비율이 클수록, 소성온도가 높을수록 증가하였다. 또한, 물유리 첨가로 항절력이 증대되었다. 표4의 결과와 같이 대부분의 시료가 1200℃부터 급격한 팽창을 시작하지만, 항절력은 오히려 1200℃에서 증가하는 경향이었다. 이것은 구형 기포의 성장으로 시료가 팽창하여도, 기지상들은 부분적으로 소결이 촉진되어 강도가증가한 것으로 보인다. 밀스케일의 혼합비율이 높은 시료보다는 폐수처리슬러지의 비율이 높은 시료에서 열용량이 전체적으로 높게 나타났다. 이와 같이 축열재들의 소성특성, 항절력, 비열 등의 특성만을 고려할 때는 밀스케일의 혼합은 축열재 성능에 부정적인 영향을 나타낸다. 그러나 난방용 축열재에서 요구되는 중요한 특성중의 하나는 축열 후 축열된 열량을 방출하는 속도가 느려야한다는 것이다. 이러한 낮은 열방출속도는 축열재를 다공질화함으로써 얻을 수 있다. 폐수처리슬러지와 밀스케일의 첨가는 시료의 다공질화를 촉진시키며, 따라서 단열재의 냉각속도 측면에서 볼 때는 밀스케일의 첨가가 중요한 역할을 한다고 판단된다.

또한 A∼H까지의 시료의 경우, 시차열분석에 의한 열용량측정결과 400℃에서1.1∼1.45J/g ·℃ 열용량을 나타내었다.

상술한 바와 같이 본 발명의 축열벽돌은 폐기되는 스테인레스강 등의 특수강 밀스케일, 철강공장 폐수처리슬러지를 사용하기 때문에 알루미나를 쓴 축열벽돌에 비해 축열용량이 보다 커서 (1.4J/g℃이상), 전기 히터에서 발생하는 열을 효율적으로 축열하여 서서히 축적된 열을 방출하는 효과가 있으며, 재료의 특성상, 일반적 열 충격 온도 범위인 500∼700℃의 경우에서의 열충격에 대한 저항성이 큰 것이특징이다. 또한 한 공장에서 발생하는 두가지 폐기물을 동시에 이용하여 고부가의 축열용 벽돌을 생산하는 환경친화적 효과를 가져올 수 있다.

Claims

특수강 제조시 발생 밀스케일, 철강공장 폐수처리슬러지 및 결합제인 물유리를 혼합하여 축열벽돌을 제조함을 특징으로 하는 축열벽돌 조성물.
제1항에 있어서 밀스케일의 량이 30∼70 중량%인 축열벽돌 조성물
제 1항에 있어서 슬러지가 철강공장 폐수처리시 발생하는 슬러지로서 화학적 조성이 중량 퍼센트로 산화칼슘(CaO) 7∼15%, 산화마그네슘(MgO) 0∼0.5%, 산화규소(SiO₂) 5.5∼7.5%, 산화크롬(Cr₂O₃) 0.25∼1.5%, 산화철(FeO) 6.01∼6.45%, 수분 55∼70%이며 30∼70% 인 것을 특징으로 하는 축열벽돌조성물.
제 1항에 있어서 첨가제로 물유리 5∼10중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 축열벽돌 조성물.