KR20090125511A - 바인더 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바인더 및 그 제조방법에 관한 것으로, 패각, 벤토나이트, 당밀이 각각 7:2:1의 중량비로 혼합 성형되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 기존의 제철소 및 금속 제련소에서 발생하는 더스트와 슬러지의 재활용 성형시 사용되는 바인더의 경우 성형물로부터 기준치 이상의 유황 함량이 내포되어 있어 공급철강제품 등을 제조할 때 유해한 단점이 있으나, 본 발명의 바인더를 사용한 성형물의 유황함량은 기준치보다 현저하게 적은 함량을 구비하므로 기존의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 성형물의 압축강도 역시 기존보다 월등하게 상승시킬 수 있으므로 본 발명의 바인더를 사용하여 공정을 진행할 경우 비산먼지 발생도 획기적으로 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.

바인더, 유황, 패각, 벤토나이트, 당밀

Description

바인더 및 그 제조방법{Binder and manufacturing method thereof}

본 발명은 친환경 바인더 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 제철소나 금속제련소에서 발생하는 더스트와 슬러지를 재활용하는 경우 또는 일반 산업체에서 분말 상태의 원료를 제조 공정에 투입하거나 그 제품 생산과정에서 발생하는 부산물을 재활용하는 경우에 이들의 운반, 취급이 용이하도록 사전에 일정한 크기와 강도를 가진 형태로 성형하는데 있어 필수적으로 혼합하는 바인더 및 그 제조방법에 관한 것이다.

제철소나 금속 제련소 등에서는 금속의 제련 과정에서 금속성분을 함유하고 있는 더스트와 슬러지가 다량 발생한다. 이렇게 발생된 더스트 및 슬러지는 폐기물로서 막대한 비용을 들여 매립 처리하였으나, 경제적인 면과 환경 오염면 등에서 여러 가지 문제가 발생하였다.

따라서, 이러한 더스트와 슬러지를 재활용하기 위해서 일반 산업체에서의 분말 원료사용 및 부산물 재활용의 경우 바인더가 혼합되어 또 다른 성형물을 제조하 고 있다.

이와 같이 일반 산업체에서의 분말 원료사용 및 부산물 재활용의 경우 혼합되는 바인더는 그로 인하여 만들어진 성형물이 제품 생산 공정에 투입되는 과정에서 깨지거나 비산먼지가 발생하지 않도록 일정 이상의 크기와 강도가 필요하고, 생산된 제품에 혼합되는 바인더가 제품의 품질에 영향을 미치지 않도록 하며, 또한 2차적인 환경 오염을 유발하지 않는 친환경적인 바인더가 요구된다.

이러한 점을 감안하여 제철소나 금속 제련소에서 발생하는 더스트나 슬러지를 재활용하기 위한 성형에 있어 당밀이 주원료인 식물성 바인더가 널리 사용되고 있다.

그런데, 이러한 바인더는 순수 식물성이라는 이점 때문에 널리 사용되어 왔으나, 유황 성분이 비교적 다량 함유되어 있어 금속 성분에 유해한 단점이 있다.

최근에는 자동차 강판 등 고급철강제품과 일반 금속재료의 개발로 인하여 금속제품의 품질에 가장 유해성분인 유황과 인에 대한 규제가 대폭 강화되고 있으며, 이에 따라 본 발명은 저유황 및 고강도를 충족시킬 수 있는 바인더 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 패각, 벤토나이트, 당밀이 각각 7:2:1의 중량비로 혼합 성형되는 바인더가 제공된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 기존의 제철소 및 금속 제련소에서 발생하는 더스트와 슬러지의 재활용 성형시 사용되는 바인더의 경우 성형물로부터 기준치 이상의 유황 함량이 내포되어 있어 고급철강제품 등을 제조할 때 유해한 단점이 있으나, 본 발명의 바인더를 사용한 성형물의 유황함량은 기준치보다 현저하게 적은 함량을 구비하므로 기존의 단점을 보완할 수 있다. 또한, 성형물의 압축강도 역시 기존보다 월등하게 상승시킬 수 있으므로 본 발명의 바인더를 사용하여 공정을 진행할 경우 비산먼지 발생도 획기적으로 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 바인더 제조방법을 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 바인더는 패각, 벤토나이트, 당밀을 포함한다.

이에 따르면, 본 발명은 고강도, 고품질의 성형물 제조에 혼합되는 바인더 개발을 위해 유황성분이 낮고 접착성이 강한 물질들에 대한 기초조사와 시험을 통해 패각, 벤토나이트, 당밀을 기본물질로 선정하고 또한 이들 3가지 기본물질의 상호 배합비율을 변화시킨 혼합 바인더를 만들어 이에 대한 강도 및 유황분 등 유해물질 정도를 시험분석한 결과 패각 65∼75중량비, 벤토나이트 18∼25중량비, 당밀 7∼17중량비로 혼합된 바인더가 우수한 결과를 나타내고 있으며, 더욱 바람직하게는 패각 70중량비, 벤토나이트 20중량비, 당밀 10중량비가 가장 우수한 결과를 나타내고 있다.

패각은 바다 속에서 굴이 성장하면서 생성된 것으로, 탄산칼슘(CaCO₃)이 주성분이고 인산칼슘[Ca₃(PO₄)₂]이나 탄산마그네슘(MgCO₃) 등이 소량 들어 있다. 무기물의 함량비는 종에 따라 다른데 탄산칼슘은 89∼99%, 인산칼슘은 1∼2%이다. 탄산칼슘의 가열시 산화칼슘(CaO)과 이산화탄소(CO_{2 )} 가스가 발생하는데, 그 중 산화칼슘은 수분과 접촉시 고온의 열을 발생시키면서 패각 분말 자신은 물론 기타 물질의 접합점을 급속히 상승시키는 작용을 하게 된다.

벤토나이트는 점토광물의 일종인 몬모릴로나이트[montmorillonite, (Al,Mg)₂Si₄O₁₀(OH)₂ㆍ4H₂O]를 주성분으로 하는 극히 미세한 입자로 된 점토이다. 주 구성물질은 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등 점토 물질들이며, 시추 및 관정용 이수, 조형 주물의 주물사의 재료, 철광석 등의 펠레타이징시 교결제로 널리 사용되고 있으며, 패각 분말이나 당밀, 물 등과 혼합 가열시킬 경우 강한 결합제 기능을 하게 된다.

벤토나이트는 굳기 1∼1.5, 비중 2∼2.5, 굴절률 1.48∼1.6이 성질을 가지며, 수분을 흡수하여 원래 부피의 7∼10배로 팽윤하는 성질이 있고, 이온 교환성이 높다. 함수량 150%에서 점착력(粘着力)이 생기고 약 500%의 함수량에서 점착력을 잃으며, 내부 마찰저항이 작은 점 등 특수한 성질을 가진 점토이다.

벤토나이트의 이용 원리는 주성분광물인 몬모릴로나이트의 광물학적 특성에 기초하는 것이다. 이 몬모릴로나이트는 나노 단위의 콜로이드에서부터 수 미크론에 이르는 미립의 크기를 가지는 층상규산염광물로서 이온교환성, 현탁성, 흡착성, 팽윤성 등의 많은 물리화학적 특성을 가지고 있다. 따라서 벤토나이트의 효율적 이용 및 새로운 용도개발을 위해서는 광물학적 측면에서의 검토 및 연구가 필수적이다.

벤토나이트가 물에 분산된 현탁액은 높은 점도를 나타내며, 물이나 기름과는 다르게 유동 속도가 변하면 점도도 같이 변하여 낮은 유동속도에서는 높은 점도를, 높은 유동속도에서는 낮은 점도를 나타내는 성질이 있다. 이러한 현상을 요변성(搖 變性, thixotropy)라고 한다. 이 현상은 유동이 없는 안정된 상태에서는 겔(gel) 상태가 되고, 급격한 이동이 일어날 때는 액상의 졸(sol) 상태로 변하게 되는 것인데, 몬모릴로나이트의 현탁액은 이 현상의 상태 변화가 특히 예민하다. 이러한 성질 때문에 시추 및 굴착시에 벤토나이트의 현탁액을 주입한다.

당밀(糖蜜, molasses)은 사탕수수나 사탕무에서 설탕을 제조하는 과정에서 얻어지는 부산물로서 갈색 점조의 당액이다. 그 조성은 고형분이 76∼81%, 설탕분 30∼40%, 환원당분 20∼25%, 회분 10% 정도이며 점성이 강하며 특히 가열시 점성이 급격하게 상승하여 적정 점도를 유지하기 위해 5∼10% 정도의 물과 혼합하여 사용하고 있으며, 패각, 벤토나이트 등 기타 물질과 혼합 사용시 접합기능이 매우 높아진다.

따라서, 본 발명에 의한 바인더는 크게 패각 제조단계, 벤토나이트 제조단계, 당밀 제조단계를 거쳐 제조되며, 각 제조단계는 아래의 실시예에서 자세하게 설명한다.

[실시예]

1. 패각 제조단계

패각이란 바다에 서식하는 굴(Oyster) 껍질을 일컫는 것으로서, 자연산과 양식산 모두를 대상으로 하여 수집된 원자재를 원료창고에 적치하여 보관한다.

도 1에서와 같이, 원료창고에 적치된 원자재를 원료호퍼에 투입하여 벨트컨베이어에 의해 세척시설로 이송하고 여기에서 패각을 세척한다.

패각 세척 후 패각 표면에 붙어 있는 불순물을 제거하기 위해 가열기에 투입하여 200℃의 수온으로 가열하면 표면에 붙은 불순물이 불순물제거 장치를 통해 분리, 제거된다.

불순물 제거 후 패각을 적정한 크기로 분쇄하게 되는데, 여기에 앞서 패각 표면에 묻은 수분을 증발시켜야 하기 때문에 300℃의 건조기에서 수분을 완전히 제거하여 이를 분쇄기에 넣어 2mm 이하로 분쇄하여 1톤 백에 포장하여 바인더 제조공장으로 운반한다.

2. 벤토나이트 제조단계

도 2에서와 같이, 벤토나이트는 원자재를 이용하여 제조하는 방법과 완제품을 구입하는 방법이 있는데, 전자는 벤토나이트 광산에서 생산되는 벤토나이트 원광석을 구입하여 원광석 저장고에 적치한 후 벨트컨베이어에 의해 이를 건조기에 투입시켜 100℃ 정도로 가열하여 그 표면에 함유된 수분을 완전히 제거하는 공정을 거친다.

그 후, 수분이 제거된 원광석을 1차 파쇄하기 위해 파쇄기에 투입시켜 125m/m 이하의 크기로 파쇄하며, 125m/m 이상의 것은 분급기에서 선별하여 이를 다시 파쇄기에 투입하여 파쇄한다.

125m/m 이하로 파쇄된 원광석은 건조기에서 150℃ 정도로 가열하여 분말 속 에 잔존하는 수분을 완전 제거한 후 이를 분쇄기에 넣어 200메쉬의 미분말 상태로 만들어 포장기에서 40∼50㎏씩 포장한 후 바인더 제조공장으로 운반한다.

3. 바인더 제조단계

바인더의 혼합비율은 패각 70중량비, 벤토나이트 20중량비, 당밀 10중량비이며, 제철소 및 금속 제련소의 더스트와 슬러지 재활용인 경우 성형제품 톤당 80㎏의 바인더를 혼합하였을 때 성형 효율이 가장 높은 것으로 나타났으며, 이때 혼합되는 각 물질의 중량은 각각 56㎏, 벤토나이트 16㎏, 당밀 8㎏으로 만들어진다.

도 3에서와 같이, 우선 패각 분말과 벤토나이트 분말을 혼합하는 단계를 거친다. 즉, 패각 분말은 패각 창고에서 원료호퍼에 투입한 후 벨트컨베이어에 의해 계획된 혼합비율에 의한 일정량이 믹서에 투입되고 동시에 벤토나이트 분말은 벤토나이트 원료창고에서 원료호퍼에 투입한 후 벨트컨베이어에 의해 역시 설정된 혼합 비율에 의한 일정량이 믹서에 동시에 투입되면 이 2가지 물질이 혼합되어 버킷 엘리베이터를 거쳐 사일로에 저장된다.

다음으로, 액상의 당밀과 물을 혼합하여 성형할 물질에 분사 혼합하는 단계를 거친다. 즉, 당밀은 탱크로리에 의해 운반되어 당밀탱크에 보관되며, 여기서 설정된 혼합 비율에 의한 일정량의 당밀이 혼합탱크에 주입되면 이때 물탱크에서 80℃의 8∼10㎏의 물이 혼합탱크에 주입되어 패각, 벤토나이트 및 당밀을 혼합한 후 분사기에 의해 믹서에 분사되어 성형물질과 최종 혼합 성형된다.

4. 성형단계

제철소 및 금속 제련소에서 발생한 더스트와 슬러지를 혼합탱크에서 혼합하여 이를 3∼4일간 숙성시킨 후 성형호퍼에 투입하여 건조기에서 45분간 400℃로 건조하여 수분을 약 3%로 유지시켜 냉각기에서 온도를 낮추는 동시에 스크린에 의해 불순물을 제거하고 버킷 엘리베이터에 의해 사일로에 이를 저장한다.

사일로에 저장된 재활용 물질은 서지 빈(Surge Bin)에서 일정량이 믹서에 투입되면 분사기를 통해 분사된 바인더와 혼합되어 성형기에서 일정한 형태와 사이즈로 성형된 성형물이 배출되면 스크린에서 분말 등을 제거하여 성형제품으로 출하된다.

기존의 제철소 및 금속 제련소 발생 더스트와 슬러지의 재활용 성형시 사용한 바인더인 당밀의 경우 성형물의 유황 함량이 0.056%에 달하였으나, 본 실시예의 바인더를 사용한 성형물의 유황 함량은 0.01∼0.02%를 나타내고 있어 제철소 및 금속 제련소에서 제시하는 유황성분 기준치 0.02% 이하에 맞는 바인더임을 알 수 있으며, 성형물의 압축강도 역시 기존의 경우 150㎏/㎤ 정도 수준이던 것이 본 실시예에 의해 성형된 성형물은 294∼394.5㎏/㎤를 나타내고 있어 본 실시예의 바인더를 사용시 비산먼지 발생도 획기적으로 저감할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 패각 준비단계를 도시한 블록도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 벤토나이트 준비단계를 도시한 블록도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 바인더 제조방법을 도시한 블록도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 바인더 조성물을 보인 표.

Claims (6)

1. 패각, 벤토나이트, 당밀이 혼합 성형되는 것을 특징으로 하는 바인더.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 패각, 벤토나이트, 당밀은 65∼75:18∼25:7∼17의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 바인더.
3. 물질의 접합점을 급속히 상승시키는 패각 분말을 제조하는 단계;

   결합제 기능을 하는 벤토나이트 분말을 제조하는 단계;

   물질의 접합력을 증가시키는 당밀 분말을 제조하는 단계;

   패각 분말과 벤토나이트 분말을 혼합하는 제1 혼합단계;

   상기 혼합 분말에 당밀과 물을 혼합하는 제2 혼합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더의 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 패각 분말의 제조단계는 패각을 세척한 후 가열하여 불순물을 제거하는 가열단계, 패각에 함유된 수분을 제거하는 건조단계, 건조된 패각을 분쇄하는 분쇄단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더의 제조방법.
5. 청구항 3 또는 4에 있어서,

   상기 벤토나이트 분말의 제조단계는 원광석에 함유된 수분을 건조하는 건조단계, 건조된 원광석을 파쇄하는 파쇄단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 파쇄단계 이후에 분급기에서 선별하는 분급단계, 선별된 원광석을 분쇄하는 분쇄단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바인더의 제조방법.

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