KR20110088082A - 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치 - Google Patents
슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치는, 전로 또는 전기로로부터 배출된 용융 슬래그가 저장되는 슬래그 개질 처리 포트, 상기 용융 슬래그의 유가금속을 회수하기 위한 환원제를 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부로 유입시키는 환원제 유입부 및 상기 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 다공성 구조의 경량물로 형성하기 위한 버블 발생 및 제어냉각을 수행하는 냉각수단을 포함한다.
이에 따르면, 전로 또는 전기로에서 배출된 슬래그 중의 유가 금속(Fe, Mn)을 회수하고, 슬래그의 포밍과 제어냉각을 통해 저비중의 슬래그를 확보한 후 다기능 골재로 제조할 수 있는 이점이 있다. 이러한 다기능 골재는 조성을 시멘트(Cement) 조성으로 변경하여 시멘트를 제조하는데 적합하다. 또한, 시멘트 제조시 사용되는 연료의 사용량을 감소시킬 뿐 아니라 전력 소비량도 감소시키고, 이산화탄소 배출량을 약 40% 정도 낮추며, 화학저항성이 우수하고 염화물 이온에 대한 침투저항성이 우수하고, 내구성이 높은 콘크리트 구조물의 시멘트 원료로 활용가능하다.
이에 따르면, 전로 또는 전기로에서 배출된 슬래그 중의 유가 금속(Fe, Mn)을 회수하고, 슬래그의 포밍과 제어냉각을 통해 저비중의 슬래그를 확보한 후 다기능 골재로 제조할 수 있는 이점이 있다. 이러한 다기능 골재는 조성을 시멘트(Cement) 조성으로 변경하여 시멘트를 제조하는데 적합하다. 또한, 시멘트 제조시 사용되는 연료의 사용량을 감소시킬 뿐 아니라 전력 소비량도 감소시키고, 이산화탄소 배출량을 약 40% 정도 낮추며, 화학저항성이 우수하고 염화물 이온에 대한 침투저항성이 우수하고, 내구성이 높은 콘크리트 구조물의 시멘트 원료로 활용가능하다.
Description
본 발명은 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전로, 전기로 등 제강공정에서 발생하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치에 관한 것이다.
슬래그는 철강제련공정에서 필연적으로 발생하는 생성물이다. 슬래그는 제선과정에서 철광석이나 코크스의 맥석 성분에서, 제강과정에서는 용선 또는 용강의 산화와 탈산시 생성되는 산화물 또는 정련을 목적으로 첨가되는 부원료 등에 의해 필연적으로 생성된다.
슬래그는 SiO2와 CaO를 기본계로 하여 정련반응의 종류에 따라 Al2O3, FeO, MgO, P2O5 및 CaS 등을 포함한다.
제선 슬래그는 CaO-SiO2-Al2O3를 기본계로 하고 있고, 용선 또는 용강의 산화반응에 기초하는 제강슬래그는 CaO-SiO2-FeO를 기본계로 하고 있다.
본 발명의 목적은 제강 용융 슬래그 중의 유가금속(Fe, Mn)을 회수하고 슬래그의 개질을 통해 시멘트 및 혼화재료 및 특수용도 재료로 활용할 수 있도록 한, 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명의 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치는, 전로 또는 전기로로부터 배출된 용융 슬래그가 저장되는 슬래그 개질 처리 포트, 상기 용융 슬래그의 유가금속을 회수하기 위한 환원제를 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부로 유입시키는 환원제 유입부 및 상기 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 다공성 구조의 경량물로 형성하기 위한 버블 발생 및 제어냉각을 수행하는 냉각수단을 포함한다.
또한, 상기 환원제 유입부는, 상기 환원제를 저장하는 호퍼와, 상기 환원제를 상기 슬래그 개질 처리 포트로 분사하도록 상기 호퍼로부터 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부로 연장된 랜스 파이프 및 상기 랜스 파이프를 통해 상기 슬래그 개질 처리 포트로 유입되는 환원제의 유입량을 산출하는 유입량 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 환원제는, 탄소, 알루미늄, 실리콘, 나트륨, 칼슘, 마그네슘 및 CO 가스 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 환원제 유입부를 통해 상기 용융 슬래그의 개질 처리 및 슬래그의 융점과 비중을 낮추기 위한 접종제가 더 유입될 수 있다. 여기서, 상기 접종제는 알루미늄, 실리콘, 생석회 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 냉각수단은, 상기 용융 슬래그를 냉각하여 고상 슬래그를 제조하기 위한 스팀을 상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 유입시키는 스팀 공급부 및 상기 용융 슬래그와 상기 환원제의 반응을 극대화하기 위한 캐리어 가스를 상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 유입시키는 가스 공급부를 포함하고, 상기 용융 슬래그 내로 상기 스팀과 상기 캐리어 가스의 혼합기체를 주입하여 냉각이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부에서 감지된 용융슬래그의 정압에 근거하여, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 유입되는 상기 스팀과 상기 캐리어 가스의 유입압력을 조절함으로써, 상기 스팀 또는 상기 캐리어 가스가 상기 슬래그 개질 처리 포트 외부로 역류하는 것을 방지하는 압력조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스팀 공급부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 내벽 또는 바닥에 형성되어 상기 스팀이 분사되는 스팀 분사구와, 상기 스팀 분사구와 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽 사이에 형성된 스팀용 포러스 플러그(porous plug)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 내벽 또는 바닥에 형성되어 상기 캐리어 가스가 분사되는 가스 분사구와, 상기 가스 분사구와 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽 사이에 형성된 가스용 포러스 플러그(porous plug)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스팀 공급부와 상기 가스 공급부는 상기 슬래그 개질 처리 포트내로 각각 스팀과 캐리어 가스를 공급하기 위한 스팀 파이프와 가스 파이프를 구비하고, 상기 스팀 파이프와 상기 가스 파이프는 서로 연결되어 상기 캐리어 가스와 스팀이 혼합되어 슬래그 개질 처리 포트 내로 제어 공급될 수 있다.
또한, 상기 환원제 유입부는, 상기 가스 공급부 및 상기 가스 공급부를 통해 상기 슬래그 개질 처리 포트로 유입되는 환원제의 유입량을 산출하는 유입량 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유입량 제어부는, 상기 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃ 범위로 유지할 수 있는 환원제의 양을 산출할 수 있다.
또한, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 하부에 배치되어 상기 슬래그 개질 처리 포트 내의 용융 슬래그를 중량을 측정하는 계중장치를 더 포함하고, 상기 유입량 제어부는, 상기 계중장치로부터 측정된 용융 슬래그의 중량으로부터 상기 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃ 범위로 유지할 수 있는 환원제의 양을 산출할 수 있다.
또한, 상기 용융슬래그로부터 회수되어 상기 슬래그 개질 처리 포트 하부로 분리된 유가금속을 상기 슬래그 개질 처리 포트 외부로 배출하기 위한 배출구가 상기 슬래그 개질 처리 포트의 일측에 형성될 수 있다.
또한, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부에서 상기 용융슬래그를 냉각시킨 후 발생하는 고온의 스팀과, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부에서의 미반응 환원제 분체 및 상기 용융슬래그와 상기 환원제의 반응으로부터 발생하는 더스트를 회수하는 회수장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회수장치는 상기 스팀과 더스트를 선택적으로 회수할 수 있다.
또한, 상기 회수장치는, 상기 슬래그 개질 처리 포트 상부로부터 이격되어 상기 스팀과 더스트를 흡인하여 포집하는 집진 후드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전로 또는 전기로로부터 배출된 용융 슬래그가 상기 슬래그 개질 처리 포트로 유입되도록 상기 슬래그 개질 처리 포트의 상부를 개폐하는 포트커버를 더 포함하고, 상기 포트커버에 배치되어 상기 슬래그 개질 처리 포트 내의 용융 슬래그의 온도를 유지 또는 상승시키는 버너를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 버너는 LNG, 오일 및 산소를 연료로 하고, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 상기 LNG, 오일 및 산소를 공급하도록 상기 포트커버를 관통하여 형성된 연료공급관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 열변형을 방지하도록 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽 둘레에 배치되는 수냉라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내에서 제어냉각이 완료된 고상 슬래그를 외부로 배출하도록 상기 슬래그 개질 처리 포트를 경동시키는 경동장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내에서 제어냉각이 완료된 고상 슬래그가 상기 슬래그 개질 처리 포트 내벽에 용착되는 것을 방지하기 위해 상기 슬래그 개질 처리 포트 외부에 구비된 용착방지부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 용착방지부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외부에서 상기 슬래그 개질 처리 포트를 향해 고주파를 방사하는 고주파 가열기일 수 있다.
또한, 상기 용착방지부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 하부에 배치되어 상기 슬래그 개질 처리 포트에 미세한 진동을 전달하는 진동장치일 수 있다.
또한, 상기 용착방지부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽과 내벽 사이에 매입되는 열선일 수 있다.
본 발명에 의하면, 전로 또는 전기로에서 배출된 슬래그 중의 유가 금속(Fe, Mn)을 회수하고, 슬래그의 포밍과 제어냉각을 통해 저비중의 슬래그를 확보한 후 다기능 골재로 제조할 수 있는 이점이 있다. 이러한 다기능 골재는 성분 자체가 천연골재, 시멘트 등과 성분이 유사하고 팽창성이 낮아 건물 층간 소음 방지재 등의 특수 용도로 제조되는 다기능성 경량골재를 대체하기에 적합하고 조성을 시멘트(Cement) 조성으로 변경하여 시멘트를 제조하는데 적합하다.
또한, 이러한 다기능 골재는 별도의 소성과정을 요구하지 않으므로 시멘트 제조시 사용되는 연료의 사용량을 감소시킬 뿐 아니라 전력 소비량도 감소시킨다. 또한, 이 다기능 골재를 사용한 시멘트는 기존 시멘트를 생산할 시와 비교하면 이산화탄소 배출량을 약 40%정도 낮추는 이점이 있다.
또한, 이 다기능 골재는 화학저항성이 우수하고 염화물 이온에 대한 침투저항성이 우수하다. 또한, 내알칼리-실리카 반응(ASR, Alkali Silica Reaction)에 대한 억제효과가 있어 내구성이 높은 콘크리트 구조물의 시멘트 원료로 활용가능하다.
이와 같이, 본 발명은 고품질 시멘트, 경량 골재, 혼화재료로의 활용이 가능하고 친환경적이므로 건설 자재의 수급 불안정 해소에 기여할 수 있고, 슬래그에 포함된 유가금속을 회수할 수 있으므로 비용 측면에서 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 구성도,
도 2는 도 1의 용융 슬래그를 배출하는 전로 및 전기로의 구성도,
도 3은 도 1의 스팀용 포러스 플러그(porous plug)의 형상을 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 구성도,
도 5는 도 4의 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 환원제 유입부의 구성도,
도 6은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 회수장치의 일 실시예의 구성도,
도 7은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 회수장치의 다른 실시예의 구성도,
도 8은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 경동장치를 도시한 도,
도 9는 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제1 실시예를 도시한 구성도,
도 10은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제2 실시예를 도시한 구성도,
도 11은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제3 실시예를 도시한 구성도,
도 12는 다기능성 골재의 활용예를 보인 도이다.
도 2는 도 1의 용융 슬래그를 배출하는 전로 및 전기로의 구성도,
도 3은 도 1의 스팀용 포러스 플러그(porous plug)의 형상을 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 구성도,
도 5는 도 4의 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 환원제 유입부의 구성도,
도 6은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 회수장치의 일 실시예의 구성도,
도 7은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 회수장치의 다른 실시예의 구성도,
도 8은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 경동장치를 도시한 도,
도 9는 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제1 실시예를 도시한 구성도,
도 10은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제2 실시예를 도시한 구성도,
도 11은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제3 실시예를 도시한 구성도,
도 12는 다기능성 골재의 활용예를 보인 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 구성도이다. 도 2는 도 1의 용융 슬래그를 배출하는 전로 및 전기로의 구성도, 도 3은 도 1의 스팀용 포러스 플러그(porous plug)의 형상을 도시한 사시도이다.
본 발명의 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치(100)를 이용하여 유가금속을 회수하고, 다기능성 골재를 제조하는 방법은, 환원기 조업전 도 2에 도시된 전로, 전기로의 용융 슬래그를 도 1에 도시된 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 배출하고 환원제를 유입시켜 상기 용융 슬래그에 포함된 유가금속을 회수한다.
이 후, 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 다공성 구조의 경량물로 형성하기 위해 유가금속이 회수된 용융 슬래그에 버블을 발생시키고 제어냉각을 수행하여 다공질 구조의 고상 슬래그를 형성하고, 다공질 구조의 고상 슬래그를 분쇄 및 파쇄한 후 골재형상으로 성형하는 것이다. 이러한 다기능성 골재는 성분 자체가 천연골재, 시멘트와 유사하여 고품질 시멘트, 경량골재, 혼화재료로 활용이 가능하며, 특히 비중이 낮고 흡습성이 적어 다양한 용도의 특수 골재로 활용가능하다.
전술한 바와 같이 방법을 이용하여 유가금속을 회수하고, 다기능성 골재를 제조하는 본 프로세스를 'KH (Ki-Hwang) process'라 칭한다.
전기로제강공정 중 분석한 제강 슬래그의 화학조성은 아래의 표 1과 같다.
| 구분 | SiO2 | AL2O3 | T.Fe | CaO | MgO | MnO | P2O5 | T/S | CaO/SiO2 |
| 전기로 용락 |
18.30 | 11.11 | 22.36 | 20.12 | 8.41 | 5.81 | 0.241 | 0.123 | 1.11 |
| 전기로 산화정련 말기 |
19.29 | 11.39 | 19.02 | 22.12 | 8.61 | 6.28 | 0.213 | 0.100 | 1.14 |
| LF도착 | 26.59 | 8.03 | 1.88 | 37.95 | 16.18 | 4.64 | 0.033 | 0.332 | 1.44 |
| LF출강 | 26.44 | 6.92 | 0.58 | 48.05 | 13.18 | 0.84 | 0.024 | 0.785 | 1.83 |
전로, 전기로에서 발생되는 제강 슬래그에는 20% 이상의 유가금속 산화물이 함유되어 있고, 그 중에서도 전기로의 초기 슬래그에는 30% 이상의 유가금속 산화물이 함유되어 있다.
슬래그에 함유된 유가금속 산화물은 FeO가 대표적이며, FeO의 함량이 높으면 슬래그를 골재로 제조시 파쇄가 어렵고 시멘트 원료로 활용시 제약이 크다. 따라서, 슬래그에 포함된 유가금속을 회수한 후 제어 냉각을 통해 슬래그를 다공성 구조의 경량물로 형상을 변경한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 전기로에서 생성되는 슬래그를 예로 들어 본 발명의 일 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조장치(100)는, 슬래그 개질 처리 포트(10), 환원제 유입부(20) 및 냉각수단(30, 40)을 포함한다.
전기로 슬래그의 배출은 산화정련이 완료되고 환원정련이 진행되기 전 즉, 산화정련 중반 이후부터 시행한다. 산화 정련 말기로 진행되면 슬래그 중 금속 산화물이 감소되면서 슬래그의 유동성이 악화되므로 슬래그 배출이 곤란하다. 따라서 슬래그 배출시기의 선택이 중요하다.
슬래그는 도 2에 도시된 전기로를 기울이거나, 도어(Door)가 있는 경우 도어를 개방하여 별도의 슬래그 포트(미도시)로 슬래그를 먼저 배출한 후, 슬래그 개질 처리 포트(10)로 용융 슬래그를 장입시킨다.
하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 슬래그를 전기로로부터 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 직접 배출하는 것도 가능하다.
슬래그 개질 처리 포트(10)의 내벽은 열전도율이 높은 동판이나 철판으로 구성되고, 상기 전로 또는 전기로로부터 배출된 용융 슬래그가 슬래그 개질 처리 포트(10)로 유입되도록 슬래그 개질 처리 포트(10) 상부에는 슬래그 개질 처리 포트(10)의 상부를 개폐하는 포트커버(11)가 구비된다.
전로 또는 전기로로부터 배출된 용융 슬래그가 슬래그 개질 처리 포트(10)에 저장되면, 환원제 유입부(20)를 이용하여 상기 용융 슬래그의 유가금속을 회수하기 위한 환원제를 슬래그 개질 처리 포트(10)로 유입시킨다.
구체적으로, 환원제 유입부(20)는 환원제를 저장하는 호퍼(21)와, 환원제를 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부로 분사하도록 호퍼(21)로부터 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부로 연장된 랜스 파이프(22) 및 랜스 파이프(22)를 통해 슬래그 개질 처리 포트(10)로 유입되는 환원제의 유입량을 산출하는 유입량 제어부(23)를 포함한다.
슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 배출된 용융 슬래그에 환원제를 유입시키는 과정을 설명하면 다음과 같다.
환원제는 용융 슬래그의 유가금속 산화물 중 특히 FeO를 Fe로 환원시키기 위한 것이다. 환원제로는 산소와의 친화력이 큰 탄소(C), 알루미늄(Al) 등의 산소 친화력이 큰 물질이 사용되고, 그 밖에 실리콘(Si), 나트륨(Na), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 및 CO 가스 중 선택된 1종 이상도 사용될 수 있다.
탄소(C), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 나트륨(Na), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 및 CO 가스 중 선택된 1종 이상의 환원제는 환원제 유입부(20)를 통해 슬래그 개질 처리 포트(10)로 공급된다.
이 때 교반력을 높여 반응 속도를 증가시키기 위해 환원제와 함께 캐리어 가스(carrier gas)를 유입시킬 수도 있다. 상기 캐리어 가스는 공기(air), 질소 또는 아르곤 가스일 수 있으며, 후술할 가스 공급부(40)를 통해 슬래그 개질 처리 포트(10)로 공급된다.
알루미늄(Al)은 철(Fe)의 강력한 환원을 위해 유입된다.
용융 슬래그에 함유된 철(Fe)의 환원은 용융 슬래그의 온도가 높고 반응속도가 높을수록 유리하다. 그런데, 탄소(C)에 의한 철(Fe)의 환원반응은 흡열반응이므로 용융 슬래그의 온도를 낮추게 된다.
용융 슬래그는 배출시 온도가 1600℃ 정도이나 탄소(C)에 의한 철(Fe)의 환원반응과 외적인 요인 등에 의해 배출된 후에는 용융 슬래그의 온도가 1시간당 200~300℃정도 떨어진다.
용융 슬래그를 고온으로 유지하기 위해 별도의 열원이 필요하나 환원제로 알루미늄(Al)을 사용하면 알루미늄(Al) 산화에너지가 발생한다. 알루미늄(Al)에 의한 철(Fe)의 환원반응식은 3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3---187.1kcal로 발열반응이며, 이 반응은 환원되면서 열을 발생하므로 테르밋 반응(Thermit reaction)이라고 한다.
알루미늄(Al)의 유입량은 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃로 유지하는 범위로 제어한다. 용융 슬래그의 온도는 고온일수록 철(Fe)의 환원에 유리하나 1600℃를 초과하면 슬래그 포트의 과도한 침식이 발생할 수 있고, 1300℃ 미만이면 환원반응이 급격히 저하된다.
구체적으로 그 과정을 살펴보면, 전기로의 용융 슬래그가 슬래그 포트 내로 배출되면 유입된 탄소(C)가 환원제 역할을 하여 FeO + C → Fe + CO의 환원반응이 진행된다.
이 과정에서 용융 슬래그의 온도가 낮아질 수 있으나 이후, 알루미늄(Al)을 유입시키면 3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3---187.1kcal의 발열반응에 의해 용융 슬래그의 온도가 고온으로 유지되어 환원반응이 촉진된다. 여기서, 환원반응에 의해 생성된 Al2O3는 슬래그의 조성 변화를 일으키고, 융점을 낮춘다.
용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃로 유지하기 위한 알루미늄(Al)의 유입량은 슬래그 1ton당 10~50kg이다. 알루미늄(Al)의 유입량은 조업 조건에 따라 알루미늄(Al) 실수율을 50~100%로 설정한 값이다.
알루미늄(Al)의 유입량은 아래의 반응식 및 발열량 공식에 의해 산출한다.
<반응식> 3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3---187.1kcal
<발열량> Q=CMT
여기서, Q:발열량, C:슬래그 열용량, M:슬래그 중량, T:승온온도이다.
예를 들어, 슬래그 중량이 10ton, 슬래그 중 FeO 함량이 1ton이라 가정하면 알루미늄(Al)의 유입량은 251kg이 된다.
계산과정은 아래와 같다.
FeO 1mole과 반응하는 Al은 2/3mole
FeO 1mole=71.8g
FeO 1ton=1000000/71.8=13928mole
FeO 13928mole과 반응하는 Al은 9285mole
Al 9285mole → 9285moleㅧ27g/mole=251kg
용융 슬래그 중 FeO의 함량 측정은 분광계(spectro meter)를 이용하거나 습식 등의 방법을 이용할 수 있다.
살펴본 바와 같이, 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃로 유지하기 위한 알루미늄(Al)의 유입량은 슬래그 1ton당 10~50kg이며, 이와 같은 적정량의 환원제를 유입시키기 위하여, 상기 유입량 제어부(23)에서는 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃ 범위로 유지할 수 있는 환원제의 양을 산출한다.
그러기 위해서 유입량 제어부(23)는 슬래그 개질 처리 포트(10)의 하부에 배치되어 슬래그 개질 처리 포트(10) 내의 용융 슬래그를 중량을 측정하는 계중장치(후술할 도 5의 도면번호 50)로부터 측정된 용융 슬래그의 중량으로부터 상기 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃ 범위로 유지할 수 있는 환원제의 양을 산출한다.
예를 들어, 유입량 제어부(23)는 계중장치(후술할 도 5의 도면번호 50)로부터 측정된 용융 슬래그의 중량이 1ton 인 경우, 환원제인 알루미늄(Al)의 유입량을 10~50kg로 산출하여, 파이프 상의 제어밸브(24)를 조절함으로써, 산출된 환원제(알루미늄)의 양만큼 호퍼(21)로부터 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부로 랜스 파이프(22)를 통해 유입시키는 것이다.
한편, 환원제 유입부(20)를 통해 용융 슬래그의 융점과 비중을 낮추고 슬래그의 개질을 위한 접종제가 더 유입될 수 있다.
제어 냉각 전 용융 슬래그의 융점과 비중을 낮추고 슬래그의 개질을 위한 접종제를 유입시킬 수 있다. 접종제는 1300℃이상인 용융 슬래그의 포밍을 유도하여 융점과 비중을 낮추는 방향으로 용융 슬래그의 물리,화학적 조성을 변화시킨다.
용융 슬래그의 비중은 3.0 g/cm3 이하를 만족한다. 이때, 용융 슬래그의 비중은 접종제의 투입과 FeO가 Fe로 회수되는 요인이 복합적으로 작용하여 낮아진다.
그 원리는, 접종제를 유입시키면 산화반응에 의해 저융점 산화물이 형성되며 또한 스팀과 캐리어 가스(carrier gas)에 의해 냉각 되면서 용융 슬래그의 부피가 팽창되어 슬래그의 비중이 낮아진다. 그리고 저융점 산화물에 의해 용융 슬래그의 융점도 낮아지게 된다.
여기서, 접종제는 알루미늄, 실리콘, 생석회 등에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
알루미늄, 실리콘, 생석회 등은 슬래그 1ton당 400kg 이하로 유입된다. 알루미늄과 실리콘은 첨가량이 증가하면 용융 슬래그의 비중과 융점을 낮추는 역할을 한다. 하지만 과도하게 첨가되면 반응전 용융 슬래그의 열을 빼앗아 슬래그를 응고시키므로 슬래그 1ton당 400kg을 초과하지 않도록 한다. 왜냐하면 융점과 비중을 낮추기 위한 반응은 용융 슬래그 상태에서만 가능하기 때문이다.
본 발명의 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조장치(100)는, 용융 슬래그와 환원제 또는 접종제와의 효율적인 반응을 위하여 포트커버(11)에 배치되어 용융 슬래그의 온도를 유지 또는 상승시키는 버너(60)를 더 포함한다. 상기 버너(60)를 통해 용융 슬래그의 온도가 일정하게 유지시킴으로써 용융 슬래그와 환원제 또는 접종제와의 반응성을 일정수준 이상 유지시킬 수 있다.
여기서, 상기 버너(60)는 LNG, 오일(Oil) 및 산소를 연료로 하고, 본 발명의 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조장치(100)는, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 상기 LNG, 오일(Oil) 및 산소를 공급하도록 포트커버(11)를 관통하여 형성된 연료공급관(61, 62, 63)을 더 포함한다. 도 1을 참조하면, 도면번호 61은 LNG 공급관, 도면번호 62는 오일(Oil) 공급관, 도면번호 63은 산소 공급관이다.
환원은 알루미늄(Al) 유입 후 1~2시간 후면 완료된다.
환원이 완료되면 비중이 높은 철(Fe)이 슬래그 개질 처리 포트(10) 하부로 분리되고 그 상부에 용융 슬래그가 위치하게 된다.
환원 완료 후 용융 슬래그의 제어 냉각을 수행하기 전, 제어 냉각의 효율을 높이고, 용융 슬래그를 다공질 구조의 고상 슬래그로 만들기 위하여, 용융 슬래그로부터 회수되어 슬래그 개질 처리 포트(10) 하부로 분리된 유가금속(Fe)을 슬래그 개질 처리 포트(10) 외부로 배출할 필요가 있고, 이는 슬래그 개질 처리 포트(10) 일측에 형성된 배출구(12)를 통해 이루어지며, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 배출구(12)가 슬래그 개질 처리 포트(10)의 하부에 형성될 수도 있다.
본 발명의 냉각수단(30, 40)은 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 다공성 구조의 경량물로 형성하기 위하여, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내에서 용융 슬래그의 제어 냉각을 수행한다.
상기 냉각수단(30, 40)은, 용융 슬래그를 냉각하여 고상 슬래그를 제조하기 위한 스팀을 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 유입시키는 스팀 공급부(30) 및 용융 슬래그와 환원제의 반응을 극대화하기 위한 캐리어 가스를 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 유입시키는 가스 공급부(40)를 포함하고, 제어냉각은 상기 용융 슬래그 내로 상기 스팀과 상기 캐리어 가스의 혼합기체를 주입함으로써 이루어지게 된다.
구체적으로, 스팀 공급부(30)는 슬래그 개질 처리 포트(10)의 내벽 또는 바닥에 형성되어 스팀이 분사되는 스팀 분사구(33)와, 상기 스팀 분사구(33)와 슬래그 개질 처리 포트(10)의 외벽 사이에 형성된 스팀용 포러스 플러그(32, porous plug)와 스팀 파이프(31)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 슬래그 개질 처리 포트(10)의 내벽과 바닥에는 내부로 스팀을 분사하는 복수의 스팀 분사구(33)가 형성되고, 스팀 분사구(33)에 스팀 파이프(31)가 연통되어 연결된 구조를 갖는다. 스팀의 주입량과 주입 압력을 조절하기 위한 유량조절기(34)가 스팀 파이프(31) 상에 구비되어 있다. 또한, 도시되지는 않았지만 스팀 파이프(31)에는 스팀의 열 손실로 인해 생성된 응축수를 배출하는 배출관이 구비될 수 있다.
여기서, 스팀용 포러스 플러그(32, porous plug)는 산화 알미늄 등을 주성분으로 할 수 있는 다공성의 내화물로 이루어지고, 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 구멍(32a)들이 불규칙하게 배열되어 있다. 상기 구멍(32a)들은 스팀용 포러스 플러그(32)의 표면 뿐만 아니라, 포러스 플러그(32) 내부에도 불규칙하게 형성되어 있어, 스팀 파이프(31)로부터 전달되는 기상 또는 액상의 스팀은 상기 구멍(32a)을 통해 원활하게 통과되는 반면, 고상 또는 입자가 큰 알갱이의 전달은 방지된다.
도 3을 참조하면, 스팀용 포러스 플러그(32)의 외경은 슬래그 개질 처리 포트(10)의 외벽측에서 내벽측으로 갈수록 작아지도록 형성되는 것이 바람직하다(도 3을 참조하면, D1 > D2). 이에 따라, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내의 압력이 높아지는 경우라도, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 유입된 스팀이 스팀 파이프(31) 측으로 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다.
여기서, 상기와 같은 포러스 플러그와 같은 구성 뿐만 아니라, 각종 유입관 또는 쇠관 등을 이용하여 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 스팀을 유입시킬 수 있다.
또한, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부에서 감지된 용융슬래그의 정압에 근거하여, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 유입되는 상기 스팀과 상기 캐리어 가스의 유입압력을 조절함으로써, 상기 스팀 또는 상기 캐리어 가스가 슬래그 개질 처리 포트(10) 외부로 역류하는 것을 방지하는 압력조절부(13)가 더 구비될 수 있다.
압력조절부(13)는 슬래그 개질 처리 포트(10) 내의 용융 슬래그의 정압을 감지하는 센서와, 상기 정압에 근거하여 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 유입되는 스팀 또는 캐리어 가스의 유입압력을 제어하는 제어부로 구성된다.
구체적으로, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내의 용융 슬래그의 정압이 높아지면, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 유입된 스팀 또는 캐리어 가스가 스팀 파이프(31) 또는 가스 파이프(41) 측으로 역류할 수 있다. 이 경우, 역류를 방지하도록, 압력조절부(13)는 자동적으로 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 유입되는 스팀과 캐리어 가스의 유입압력을 조절하게 된다.
이를 위해서, 소정의 센서에 의해 슬래그 개질 처리 포트(10) 내의 용융슬래그의 정압을 감지하고, 감지된 정압이 소정 압력 이상인 경우 상기 정압을 극복하여 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 스팀과 캐리어 가스가 원활히 유입될 수 있도록, 압력조절부(13)의 소정의 제어부에서 스팀과 캐리어 가스의 유입압력을 상승시키도록 한다.
또한, 도시되지는 않았지만, 상기 스팀용 포러스 플러그(32)의 구멍(32a)을 이용하는 대신, 구리(Cu), 철(Fe), 스테인레스강 중 1종으로 구성된 복수의 미세관들을 스팀 파이프(31)와 연결하여, 상기 복수의 미세관들을 통해 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 스팀을 분사하는 구성도 채용할 수 있다.
가스 공급부(40)의 구조도 상기 스팀 공급부(30)의 구조와 기능이 거의 유사하다. 가스 공급부(40)는 슬래그 개질 처리 포트(10)의 내벽 또는 바닥에 형성되어 캐리어 가스가 분사되는 가스 분사구(43)와, 상기 가스 분사구(43)와 슬래그 개질 처리 포트(10)의 외벽 사이에 형성된 가스용 포러스 플러그(42, porous plug)와 가스 파이프(41)를 포함한다. 여기서, 상기 캐리어 가스는 공기(Air), 질소 또는 아르곤 가스가 사용될 수 있다.
슬래그 개질 처리 포트(10)의 내벽과 바닥에는 내부로 캐리어 가스를 분사하는 복수의 가스 분사구(43)가 형성되고, 가스 분사구(43)에 가스 파이프(41)가 연통되어 연결된 구조를 갖는다. 가스의 주입량과 주입 압력을 조절하기 위한 유량조절기(44)가 가스 파이프(41) 상에 구비되어 있다.
가스용 포러스 플러그(42)는 상기 스팀용 포러스 플러그(32)와 그 구조 및 기능이 유사하므로 설명을 생략한다.
상기 실시예와 같이, 스팀과 캐리어 가스가 각각 별개의 스팀 공급부(30)와 가스 공급부(40)를 통해 슬래그 개질 처리 포트(10) 내로 주입되는 경우에는 스팀과 캐리어 가스의 유량 및 주입압력을 개별적으로 제어할 수 있는 이점이 있다.
하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 슬래그 개질 처리 포트내로 스팀과 가스를 공급하기 위한 스팀 공급부의 스팀 파이프와 가스 공급부의 가스 파이프가 서로 연결되어 가스와 스팀이 혼합되어 슬래그 개질 처리 포트 내로 제어 공급되는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 구성도, 도 5는 도 4에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 환원제 유입부의 구성도이다.
도 1의 실시예에서는 환원제 유입부(20)가 호퍼(21), 랜스 파이프(22) 및 유입량 제어부(23)인 것으로 설명하였으나, 도 4의 실시예에서는 환원제 유입부(20)를 가스 공급부(40) 및 가스 공급부(40)를 통해 슬래그 개질 처리 포트(10)로 유입되는 환원제의 유입량을 산출하는 유입량 제어부(23)를 포함하는 것으로 구성할 수도 있다.
즉 도 1의 실시예와 달리, 가스 공급부(40)를 통해 환원제를 캐리어 가스와 함께 주입할 수 있다.
이 경우, 도 5를 참조하면, 유입량 제어부(23)는 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃로 유지할 수 있는 환원제의 양을 계중장치(50)로부터 측정된 용융 슬래그의 중량에 근거하여 산출하고, 가스 파이프(41) 상에 구비된 유량조절기(44)를 조절하여 산출된 환원제의 양만큼 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부로 환원제를 유입시킨다. 상기 계중장치(50)는 로드셀(Load Cell)로 구성된 전자저울 등이 이용될 수 있으며, 이 외에도 중량을 측정하기 위해서 사용되는 어떠한 형식의 저울이라도 적용 가능하다.
한편, 상기 스팀과 상기 캐리어 가스의 혼합기체를 용융 슬래그 내로 주입하여제어 냉각을 수행하면, 비중과 융점이 낮아진 용융 슬래그는 내부에 기포가 생성된 상태에서 냉각되어 다공질 구조의 고상 슬래그로 되고, 큰 힘을 가하지 않고도 쉽게 파쇄될 수 있게 된다.
만약 본 발명의 제어 냉각이 아닌, 용융 슬래그를 일반적인 수냉 또는 공냉 처리하면 Fe함량이 높아 파쇄가 어렵고, 3.5 g/cm3 이상의 높은 비중과 f-CaO와 f-MgO의 상변태에 의한 팽창성으로 인해 시멘트 원료로 사용이 불가능하게 되는 문제가 있게 된다.
환원 후 포밍과 제어 냉각에 의해 제조된 다공질 구조의 고상 슬래그는 0.6~3.0의 용적밀도(Bulk Density)를 갖는다. 용적밀도는 물질과 물질 사이의 부피(빈공간)을 고려한 밀도를 의미하며 가밀도라고도 한다.
용적밀도는 0.6 미만이면 건축물의 경량골재로 적용시 층간소음을 방지하는 효과가 미비하고, 3.0을 초과하면 시멘트 원료로 사용이 어렵다.
스팀은 슬래그의 냉각을 위해 주입되고 캐리어 가스는 용융슬래그와 환원제의 교반반응을 위해 주입된다. 스팀은 슬래그의 온도를 낮추면서 팽창력이 적어 냉각효율이 우수하다. 참고로 물은 팽창력이 커 폭발의 위험이 있으므로 고온의 용융 슬래그 냉각에 적용하지 않도록 한다.
냉각은 상온까지 1~50℃/sec의 냉각속도로 냉각할 수 있다. 냉각속도는 상온의 캐리어 가스 및 스팀의 주입양과 압력조절에 따라 최대 최소값을 가지게 되며, 이 냉각속도에 따라 고상 슬래그의 형상, 강도, 조직 치밀도에 차이가 난다.
따라서, 냉각속도가 5~50℃/sec로 유지되게 상온의 가스 및 스팀의 주입양과 압력조절을 조절한다. 이는 고상 슬래그의 파쇄효율을 높이기 위한 것으로 냉각속도가 5℃/sec 이상일 경우 슬래그 평균입도가 50mm 이하로 파쇄효율이 높다. 그리고, 냉각속도의 상한 값은 상온의 캐리어 가스 및 스팀의 주입량과 압력조절에 따른 최대값을 적용하기로 한다.
본 발명의 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조장치(100)는, 슬래그 개질 처리 포트(10)의 열변형을 방지하는 수냉라인(70)을 더 포함한다.
슬래그 개질 처리 포트(10) 내부에서는, 고온의 용융슬래그에 의한 반복적인 열충격이 가해지게 되고, 그로 인해 슬래그 개질 처리 포트(10)가 열변형을 일으킬 수 있다. 이를 방지하도록 슬래그 개질 처리 포트(10)의 외벽 둘레에 배치되는 수냉라인(70)을 통해 상온의 물을 유동시킴으로써 슬래그 개질 처리 포트(10)가 열변형되는 것이 방지될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 회수장치의 일 실시예의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조장치(100)는, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부에서 용융슬래그를 냉각시킨 후 발생하는 고온의 스팀, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부에서 미반응 환원제 분체 및 용융슬래그와 환원제의 반응으로부터 발생하는 더스트를 회수하는 회수장치(90)를 더 포함한다.
여기서, 상기 회수장치(90)는 상기 고온의 스팀과 더스트(미반응 환원제 분체를 포함)를 각각 회수하여 저장하는 스팀 저장부(91)와 더스트 회수부(92), 공통배관(93), 스팀배관(94), 더스트배관(95) 및 조절부(96)를 포함한다.
구체적으로, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부에서 용융슬래그를 냉각시킨 후에는 고온의 스팀이 발생하고, 상기 고온의 스팀은 공통배관(93)을 통해 슬래그 개질 처리 포트(10) 외부로 배출된다. 이와 유사하게, 용융슬래그와 환원제의 반응으로부터 더스트가 발생되면, 상기 더스트는 공통배관(93)을 통해 슬래그 개질 처리 포트(10) 외부로 배출된다.
도 6을 참조하면, 공통배관(93)으로 유입되는 상기 스팀과 더스트는 각각 스팀 저장부(91)와 더스트 회수부(92)로 안내된다.
구체적으로 설명하면, 고온의 스팀은 용융슬래그를 냉각시킬 때 발생하는 것이고, 더스트는 용융슬래그와 환원제의 반응시 발생하는 것이므로, 상기 스팀과 더스트가 발생하는 시점은 상이하다.
각 시점에 따라 설명하면, 용융슬래그와 환원제의 반응시에는 공통배관(93)을 통과한 더스트가 더스트 회수부(92)로 안내되도록 조절부(96)를 조절하여 더스트배관(95) 쪽으로 더스트를 안내하여 수집한다.
또한, 용융슬래그를 제어냉각할 때에는 공통배관(93)을 통과한 스팀이 스팀 회수부(91)로 안내되도록 조절부(96)를 조절하여 스팀배관(94) 쪽으로 고온의 스팀을 안내하여 수집한다. 여기서 상기 조절부(96)는 솔레노이드 밸브와 같은 방향전환 밸브 등을 이용할 수 있다.
즉, 상기 회수장치(90)는 조절부(96)를 이용하여 슬래그 개질 처리 포트(10) 내부에서 용융슬래그를 냉각시킨 후 발생하는 고온의 스팀과, 용융슬래그와 환원제의 반응으로부터 발생하는 더스트를 선택적으로 회수할 수 있게 된다.
이와 같이, 스팀 저장부(91)로 안내되어 회수된 고온의 스팀의 배열을 회수하여 재활용함으로써 효율을 높일 수 있고, 더스트 회수부(92)로 안내된 더스트를 집진처리하여 오염물질의 배출을 방지할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 회수장치의 다른 실시예의 구성도이다.
도 7에 도시된 회수장치(90)는, 슬래그 개질 처리 포트(10) 상부로부터 이격되어 상기 스팀과 더스트를 흡인하여 포집하는 집진 후드(97)를 포함할 수 있다.
따라서, 슬래그 개질 처리 포트(10) 상부로 배출되는 스팀 또는 더스트는 집진 후드(97)에 의해 포집되고, 집진 후드(97)로 포집된 스팀 또는 더스트는 공통배관(93)으로 배출되어 각각 선택적으로 스팀 저장부(91)와 더스트 회수부(92)로 안내되어 저장될 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 경동장치를 도시한 도이다.
본 발명의 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치(100)는, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내에서 제어냉각이 완료된 고상 슬래그를 외부로 배출하도록 슬래그 개질 처리 포트(10)를 경동시키는 경동장치(75)를 더 포함한다.
제어 냉각에 의해 용융 슬래그가 다공질 구조의 고상 슬래그로 되면 이를 파쇄, 분쇄하기 위하여 외부로 배출시킨다.
도 8을 참조하면, 경동장치(75)가 슬래그 개질 처리 포트(10)의 측면에 힌지결합되어, 소정의 동력원(미도시)으로부터 동력을 공급받아 슬래그 개질 처리 포트(10)를 경동시킴으로써 고상 슬래그를 외부로 배출시킨다.
도 8에서는 경동장치(75)가 슬래그 개질 처리 포트(10)의 측면에 고정되어 슬래그 개질 처리 포트(10)를 경동시키고 있으나, 경동장치(75)의 배치위치는 한정이 없으며, 경동장치(75)를 슬래그 개질 처리 포트(10)의 하부에 고정시켜 슬래그 개질 처리 포트(10)를 상하로 이동시키는 것도 가능하다.
또한, 도 8에서는 경동장치(75)로서 소정의 유압원(미도시)으로부터 유압을 공급받는 유압실린더를 이용하여 슬래그 개질 처리 포트(10)를 경동시키는 유압경동장치를 이용하는 실시예를 도시하고 있으나, 유압방식이 아니라 전원을 동력으로 하는 모터를 경동장치로 이용하는 것도 가능하다.
도 9는 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제1 실시예를 도시한 구성도, 도 10은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제2 실시예를 도시한 구성도, 도 11은 도 1에 도시된 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치의 용착방지부의 제3 실시예를 도시한 구성도이다.
본 발명의 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치(100)는, 슬래그 개질 처리 포트(10) 내에서 제어냉각이 완료된 고상 슬래그가 슬래그 개질 처리 포트(10) 내벽에 용착되는 것을 방지하기 위해 상기 슬래그 개질 처리 포트(10) 외부에 구비된 용착방지부(80)를 더 포함한다.
제어냉각이 슬래그 개질 처리 포트(10) 내에서 이루어지는 동안, 용융 슬래그가 냉각되면서 슬래그 개질 처리 포트(10)의 내벽에 용착될 수 있다. 이 경우, 경동장치(75)를 이용하여 슬래그 개질 처리 포트(10)를 경동시키더라도, 내벽에 용착된 슬래그는 슬래그 개질 처리 포트(10) 외부로 배출되지 못하는 문제가 있다. 따라서, 제어냉각이 완료된 고상 슬래그가 슬래그 개질 처리 포트(10) 내벽에 용착되지 않도록 하는 용착방지부(80)를 채용한다.
도 9를 참조하면, 상기 용착방지부(80)는, 슬래그 개질 처리 포트(10)의 외부에서 슬래그 개질 처리 포트(10)를 향해 고주파를 방사하는 고주파 가열기(81)일 수 있다. 금속가열에 이용되는 고주파가열(고주파유도가열)은, 고주파 전류를 이용한 전자유도작용에 의한 것으로, 고주파에 의해 슬래그 개질 처리 포트(10)의 외벽을 가열하고 내벽으로 전도된 열에 의해 슬래그 개질 처리 포트(10) 내벽의 슬래그에 일시적으로 열을 가함으로써 용착을 방지한다.
그 외에도, 도 10을 참조하면, 상기 용착방지부(80)는, 슬래그 개질 처리 포트(10)의 하부에 배치되어 슬래그 개질 처리 포트(10)에 미세한 진동을 전달하는 진동장치(82)일 수 있다. 또한, 도 11을 참조하면, 상기 용착방지부(80)는, 슬래그 개질 처리 포트(10)의 외벽과 내벽 사이에 매입되어, 슬래그 개질 처리 포트(10)의 내벽과 외벽 사이를 가열하는 열선(83)일 수도 있다.
제어 냉각에 의해 용융 슬래그가 다공질 구조의 고상 슬래그로 되면, 이를 경동장치(75)를 이용하여 외부로 배출시킨 후, 파쇄, 분쇄한다.
다공질 구조의 고상 슬래그는 유가금속인 Fe의 함량이 낮고 다공질 구조로 인해 파쇄 및 분쇄가 용이하다. 파쇄 및 분쇄된 고상 슬래그의 평균입도는 50mm 이하로 균일하게 된다.
도 12는 다기능성 골재의 활용예를 보인 도이다.
이와 같이 제조된 다기능 골재는 주성분은 CaO, Al2O3, SiO2로, 도 12에 도시된 바와 같은 활용예를 갖게 되며, 시멘트 원료로 활용시 별도의 소성과정을 요구하지 않는다. 따라서 시멘트 제조시 사용되는 연료의 사용량을 감소시킬 뿐아니라 전력 소비량도 감소시킨다.
또한, 다기능 골재를 사용한 시멘트는 기존 시멘트를 생산할 시와 비교하면 소성과정이 요구되지 않음에 따라 이산화탄소 배출량을 약 40% 정도 낮춘다.
또한, 다기능 골재는 화학저항성이 우수하고 염화물 이온에 대한 침투저항성이 우수하다. 또한, 내알칼리-실리카 반응(ASR, Alkali Silica Reaction)에 대한 억제효과가 있어 내구성이 높은 콘크리트 구조물에 활용가능하다.
상술한 방법 및 장치는 전로에서 배출된 슬래그에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 슬래그 개질 처리 포트 20: 환원제 유입부
30: 스팀 공급부 40: 가스 공급부
50: 계중장치 60: 버너
70: 수냉라인 80: 용착방지부
90: 회수장치
100: 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치
30: 스팀 공급부 40: 가스 공급부
50: 계중장치 60: 버너
70: 수냉라인 80: 용착방지부
90: 회수장치
100: 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치
Claims (25)
- 전로 또는 전기로로부터 배출된 용융 슬래그가 저장되는 슬래그 개질 처리 포트;
상기 용융 슬래그의 유가금속을 회수하기 위한 환원제를 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부로 유입시키는 환원제 유입부; 및
상기 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 다공성 구조의 경량물로 형성하기 위한 버블 발생 및 제어냉각을 수행하는 냉각수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 환원제 유입부는,
상기 환원제를 저장하는 호퍼와,
상기 환원제를 상기 슬래그 개질 처리 포트로 분사하도록 상기 호퍼로부터 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부로 연장된 랜스 파이프; 및
상기 랜스 파이프를 통해 상기 슬래그 개질 처리 포트로 유입되는 환원제의 유입량을 산출하는 유입량 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 환원제는,
탄소, 알루미늄, 실리콘, 나트륨, 칼슘, 마그네슘 및 CO 가스 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 환원제 유입부를 통해 상기 용융 슬래그의 개질 처리 및 슬래그의 융점과 비중을 낮추기 위한 접종제가 더 유입되는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 접종제는 알루미늄, 실리콘, 생석회 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 냉각수단은,
상기 용융 슬래그를 냉각하여 고상 슬래그를 제조하기 위한 스팀을 상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 유입시키는 스팀 공급부; 및
상기 용융 슬래그와 상기 환원제의 반응을 극대화하기 위한 캐리어 가스를 상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 유입시키는 가스 공급부를 포함하고,
상기 용융 슬래그 내로 상기 스팀과 상기 캐리어 가스의 혼합기체를 주입하여 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 슬래그 개질 처리 포트 내부에서 감지된 용융슬래그의 정압에 근거하여, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 유입되는 상기 스팀과 상기 캐리어 가스의 유입압력을 조절함으로써, 상기 스팀 또는 상기 캐리어 가스가 상기 슬래그 개질 처리 포트 외부로 역류하는 것을 방지하는 압력조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 스팀 공급부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 내벽 또는 바닥에 형성되어 상기 스팀이 분사되는 스팀 분사구와,
상기 스팀 분사구와 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽 사이에 형성된 스팀용 포러스 플러그(porous plug)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 가스 공급부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 내벽 또는 바닥에 형성되어 상기 캐리어 가스가 분사되는 가스 분사구와,
상기 가스 분사구와 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽 사이에 형성된 가스용 포러스 플러그(porous plug)를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 스팀 공급부와 상기 가스 공급부는 상기 슬래그 개질 처리 포트내로 각각 스팀과 캐리어 가스를 공급하기 위한 스팀 파이프와 가스 파이프를 구비하고,
상기 스팀 파이프와 상기 가스 파이프는 서로 연결되어 상기 캐리어 가스와 스팀이 혼합되어 슬래그 개질 처리 포트 내로 제어 공급되는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 6에 있어서,
상기 환원제 유입부는,
상기 가스 공급부; 및
상기 가스 공급부를 통해 상기 슬래그 개질 처리 포트로 유입되는 환원제의 유입량을 산출하는 유입량 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 2 또는 청구항 11에 있어서,
상기 유입량 제어부는, 상기 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃ 범위로 유지할 수 있는 환원제의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 12에 있어서,
상기 슬래그 개질 처리 포트의 하부에 배치되어 상기 슬래그 개질 처리 포트 내의 용융 슬래그를 중량을 측정하는 계중장치를 더 포함하고,
상기 유입량 제어부는, 상기 계중장치로부터 측정된 용융 슬래그의 중량으로부터 상기 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃ 범위로 유지할 수 있는 환원제의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 용융슬래그로부터 회수되어 상기 슬래그 개질 처리 포트 하부로 분리된 유가금속을 상기 슬래그 개질 처리 포트 외부로 배출하기 위한 배출구가 상기 슬래그 개질 처리 포트의 일측에 형성된 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 슬래그 개질 처리 포트 내부에서 상기 용융슬래그를 냉각시킨 후 발생하는 고온의 스팀과, 상기 슬래그 개질 처리 포트 내부에서의 미반응 환원제 분체 및 상기 용융슬래그와 상기 환원제의 반응으로부터 발생하는 더스트를 회수하는 회수장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 회수장치는 상기 스팀과 더스트를 선택적으로 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 회수장치는,
상기 슬래그 개질 처리 포트 상부로부터 이격되어 상기 스팀과 더스트를 흡인하여 포집하는 집진 후드를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전로 또는 전기로로부터 배출된 용융 슬래그가 상기 슬래그 개질 처리 포트로 유입되도록 상기 슬래그 개질 처리 포트의 상부를 개폐하는 포트커버를 더 포함하고,
상기 포트커버에 배치되어 상기 슬래그 개질 처리 포트 내의 용융 슬래그의 온도를 유지 또는 상승시키는 버너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 18에 있어서,
상기 버너는 LNG, 오일 및 산소를 연료로 하고,
상기 슬래그 개질 처리 포트 내로 상기 LNG, 오일 및 산소를 공급하도록 상기 포트커버를 관통하여 형성된 연료공급관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 슬래그 개질 처리 포트의 열변형을 방지하도록 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽 둘레에 배치되는 수냉라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 슬래그 개질 처리 포트 내에서 제어냉각이 완료된 고상 슬래그를 외부로 배출하도록 상기 슬래그 개질 처리 포트를 경동시키는 경동장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 슬래그 개질 처리 포트 내에서 제어냉각이 완료된 고상 슬래그가 상기 슬래그 개질 처리 포트 내벽에 용착되는 것을 방지하기 위해 상기 슬래그 개질 처리 포트 외부에 구비된 용착방지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 22에 있어서,
상기 용착방지부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외부에서 상기 슬래그 개질 처리 포트를 향해 고주파를 방사하는 고주파 가열기인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 22에 있어서,
상기 용착방지부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 하부에 배치되어 상기 슬래그 개질 처리 포트에 미세한 진동을 전달하는 진동장치인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치. - 청구항 22에 있어서,
상기 용착방지부는, 상기 슬래그 개질 처리 포트의 외벽과 내벽 사이에 매입되는 열선인 것을 특징으로 하는 슬래그를 이용한 유가금속 회수 및 다기능성 골재의 제조 장치.
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