KR20120110899A - 내열 시멘트의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내열 시멘트의 제조방법에 관한 것으로, (a)시멘트 재료 90~98 중량부, (b)KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 시멘트를 제조한다. 시멘트 재료는 일반 시멘트 재료 또는 고로 슬래그 또는 고로 슬래그 시멘트이다.
본 발명의 내열 시멘트는 일반 시멘트 대비 내열 특성이 우수하고 압축 강도도 일반 시멘트 기준인 80kg/㎠ 이상을 만족하므로 건축 재료로 적용시 연료비를 절감할 수 있고 CO2 절감에도 크게 기여할 수 있는 이점이 있다.

Description

내열 시멘트의 제조방법{Method for manufacturing of heat resistant cement}
본 발명은 내열 시멘트의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제철소의 부산물인 KR 슬래그 또는 고로 슬래그를 이용한 내열 시멘트의 제조방법에 관한 것이다.
제철소는 철광석으로부터 용선 및 용강을 생산하고, 최종 강판, 강관 등의 철제품을 생산하는 곳이다.
제선공정은 고로에 철광석, 코크스, 석회석을 장입하고 고로에 열풍을 불어넣어 코크스를 연소시킴으로써 철광석을 용해, 환원시켜 선철을 생산하는 공정이다. 제강공정은 탄소가 많은 용선에서 산소를 불어서 용강을 만드는 공정이며, 용선예비처리, 1차 정련(전로) 및 2차 정련으로 구성되어 있다.
본 발명의 목적은 일반 시멘트에 제철소의 부산물인 KR 슬래그 또는 고로 슬래그를 혼합하여 내열 시멘트를 제조함으로써 시멘트의 내열성을 향상시키고 제철소의 부산물도 재활용할 수 있도록 한 내열 시멘트의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 (a)시멘트 재료 90~98 중량부, (b)KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 시멘트를 제조한다.
상기 시멘트 재료는 CaO, SiO2, Al2O3를 포함하는 일반 시멘트 재료이다.
상기 시멘트 재료는 고로 슬래그 또는 상기 고로 슬래그로부터 제조된 고로 슬래그 시멘트이다.
상기 KR 슬래그는 키시흑연을 포함한다.
상기 KR 슬래그에 함유된 키시흑연은 0 초과 6% 이하 범위이다.
본 발명은 제철소의 부산물인 KR 슬래그, 또는 KR 슬래그와 고로 슬래그를 혼합한 슬래그를 이용하여 내열 시멘트를 제조한다. 제조된 내열 시멘트는 일반 시멘트 대비 내열 특성이 우수하고 압축 강도도 일반 시멘트 기준인 80kg/㎠ 이상을 만족한다.
따라서, 건축 재료로 적용시 우수한 내열 특성으로 인해 연료비를 절감할 수 있으며 CO2 절감에도 기여할 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1은 Fe-C 상태도 그림.
도 2는 시멘트의 수화반응을 보인 도.
도 3은 시멘트 내에 포함된 KR 슬래그 함유량에 따른 시멘트의 압축강도를 보인 그래프.
도 4는 일반 시멘트와 본 발명의 내열 시멘트(KR 슬래그 포함된 내열 시멘트, KR슬래그와 고로 슬래그가 포함된 내열 시멘트)의 온도 25℃까지 도달 시간을 측정한 그래프.
도 5는 일반 시멘트와 본 발명의 내열 시멘트의 시간에 따른 온도 변화를 측정한 그래프.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 내열 시멘트 제조방법은 제철소의 부산물인 KR 슬래그를 이용한다.
KR(Kanvara Reactor) 슬래그(이하, "KR 슬래그"라 칭함)는 용선예비처리공정에서 발생하는 부산물이다. 용선예비처리공정(KR공정)은 용선에 포함된 불순물인 인, 황, 규소 등의 성분을 제거하는 공정이며, 이러한 공정은 부산물로 KR 슬래그를 발생시킨다.
KR 슬래그 내에는 키시흑연(Kish Graphite,KG)이 포함되어 있고, 가벼워 분진을 발생시키고 제철공장 내 환경 공해를 야기하는 폐기물로 그에 대한 처리가 꼭 필요하다.
도 1의 상태도에 의하면, 용선 출선 후 용선 내 과포화 상태의 탄소가 용선예비처리공정에서 온도저하에 따라 키시흑연으로 석출된다. 키시흑연은 단독으로 존재하기보다 철 입자 또는 슬래그와 함께 부착되어 석출되므로 KR 슬래그에 키시흑연이 포함된다.
실험결과, KR 슬래그에 대략 6% 정도의 키시흑연이 포함되며, 그 외에 CaO, SiO2 성분이 포함된다. 보다 구체적으로는 KR 슬래그에 0 초과 6% 이하의 키시흑연성분이 포함되고, 나머지 대부분이 CaO, SiO2 성분이다.
키시흑연은 결정성이 매우 높은 인편상흑연으로 열전도도가 높고 내열특성이 우수하며 기계적 물성도 우수하다. 또한, KR 슬래그에는 시멘트의 성분을 구성하는 CaO, SiO2 성분이 다량 포함된다. 이에 제철소의 부산물인 KR 슬래그를 내열 시멘트 제조에 이용한다.
구체적으로, 내열 시멘트 제조방법은 (a)시멘트 재료 90~98 중량부, (b)KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 제조한다.
시멘트 재료는 일반 시멘트 재료이며, CaO, SiO2, Al2O3 성분을 포함한다.
아래의 표 1은 일반 시멘트 재료의 성분 예를 나타낸 것이다. 참고로 아래의 표 1의 시멘트 재료는 일반적으로 사용되는 시멘트 재료의 일 예를 나타낸 것일 뿐 본 발명의 시멘트 재료의 성분이 표 1에 한정되는 것은 아니다. 시멘트 재료는 시중에서 사용되는 모든 시멘트 재료가 사용가능하다.
(단위:중량%, 잔부:불순물)
CaO SiO2 T.Fe MgO Al2O3 S P2O5 MnO
64.3 22.0 - 1.5 5.5 2.0 - -
표 1과 같은 일반 시멘트 재료 90~98 중량부와 KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 내열 시멘트를 제조한다.
KR 슬래그는 별도의 전처리 공정 없이 일반 시멘트 재료와 혼합된다. 이는 KR 슬래그의 경우 키시흑연이 포함되기는 하나 그 함유량이 대략 6% 정도이므로 전처리를 하여 회수율을 높이기 위해서는 전처리 비용이 높아지므로 비용면에서 효율성이 낮기 때문이다.
KR 슬래그는 내열 시멘트 총 중량에 대하여 2 중량부 미만이면 내열성 향상 효과가 미비하고, 10 중량부를 초과하면 시멘트가 굳어지는 수화반응 자체가 방해를 받아 제조한 내열 시멘트의 경도가 급격하게 떨어진다. 이러한 임계적 의의는 전술한 KR 슬래그에 포함된 키시흑연의 함량에 근거하여, 0 초과 6% 이하의 키시흑연이 KR 슬래그에 포함되었을 때를 기준으로 적용된다.
수화반응은 시멘트에 물을 첨가하면 시멘트 중의 수경성 화합물이 물과 화학반응을 일으켜 열을 방출하면서 응결, 경화해 가는 과정을 의미하며 도 2에 도시된 바와 같이 진행된다.
이 과정에서 키시흑연이 시멘트 내부에 분포하여 본래 지니고 있는 열적 특성을 보여주게 되며, 그 양이 과하여 10 중량부를 초과하면 시멘트의 수화반응 자체를 방해하는 요소로 작용하게 된다.
또한, 내열 시멘트 제조방법은 제철소의 부산물인 고로 슬래그를 이용한다. 구체적으로, 내열 시멘트 제조방법은 (a)고로 슬래그 90~98 중량부, (b)KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 제조한다.
고로 슬래그는 고로에서 철광석으로부터 용선을 생산할 때 발생하는 슬래그로 철 이외의 불순물이 모인 것이다. 주요 성분은 CaO, SiO2, Al2O3이고, 미량의 Fe 성분을 포함한다.
아래의 표 2는 고로 슬래그의 성분 예를 나타낸 것이다. 참고로 아래의 표 2의 고로 슬래그는 일 예를 나타낸 것일 뿐 고로 슬래그의 성분이 표 1에 한정되는 것은 아니다.
(단위:중량%, 잔부:불순물)
CaO SiO2 T.Fe MgO Al2O3 S P2O5 MnO
41.7 33.8 0.4 7.4 13.4 0.8 <0.1 0.3
표 1과 같은 고로 슬래그 90~98 중량부와 KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 내열 시멘트를 제조한다.
고로 슬래그의 경우 고로 슬래그 시멘트로 제조한 후 KR 슬래그와 혼합하여 내열 시멘트로 제조할 수 있다. KR 슬래그는 별도의 전처리 공정 없이 고로 슬래그 또는 고로 슬래그 시멘트와 혼합된다.
또한, 내열 시멘트 제조방법은 (a)고로 슬래그와 일반 시멘트 재료의 혼합물 90~98 중량부, (b)KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 제조할 수 있다. KR 슬래그의 임계적 의의는 전술한 임계적 의의와 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
내열 시멘트를 제조하는 과정은 일반 시멘트를 제조하는 과정을 채용할 수 있다.
예를 들어, 일반 시멘트 재료, KR 슬래그 또는 고로 슬래그, KR 슬래그를 혼합한 후 원료 분쇄기를 이용하여 균일하게 분쇄 혼합한다. 1400~1500℃로 가열해 반 용융상태로 될 때까지 소성 가열한다. 이 후, 냉각시키고 석고를 넣어 다시 미분쇄를 해서 입자들을 고르게 분쇄할 수 있다.
이와 같이 제조된 내열 시멘트를 물과 혼합하면 수화과정을 통해 내열 콘크리트, 내열 벽돌, 내열 시멘트 패널 등으로 제조할 수 있다.
제조된 본 발명의 내열 시멘트, 내열 콘크리트, 내열 벽돌, 내열 시멘트 패널 등은 압축강도 80kg/㎠ 이상을 만족한다.
이하에서는 본 발명을 실험예를 통해 상세하게 설명하기로 한다.
(실험1)
내열 시멘트의 강도 확인을 위해 수화반응 시킨 다음 압축강도 측정을 위해 한국산업규격 KSL4201에 의한 압축시험을 실시하였다. 내열 시멘트는 KR 슬래그 0%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%, 12%(나머지성분은 일반 시멘트임)에 대하여 실험하였다.
표 3은 KR 슬래그 함량에 따른 압축강도와 내열성 효과를 나타낸 것이다.
시멘트 재료
(wt%)
100 98 96 94 92 90 88
KR 슬래그
(wt%)
0 2 4 6 8 10 12
압축강도
(kg/㎠)
84 83.5 83 82 81.2 80.2 75
내열성 없음 우수 우수 우수 우수 우수 우수
표 3과 도 3에 의하면, KR 슬래그가 2wt% 이상 범위로 함유되는 경우 내열성 향상 효과가 있었고, 압축강도에서는 KR 슬래그 10wt% 범위까지는 80kg/㎠ 이상을 만족했으나 더 첨가하였을 경우에는 급격하게 강도가 떨어졌다.
이는 키시흑연의 높은 농도가 시멘트의 수화반응을 방해하는 요인으로 작용했기 때문이다.
(실험2)
일반 시멘트, 일반 시멘트 90wt%와 KR 슬래그 10wt%를 혼합한 시멘트, 고로 슬래그 시멘트 90wt%와 KR 슬래그 10wt%를 혼합한 시멘트에 대한 내열 특성을 실험하였다.
1차적으로 온도가 0℃에서 25℃까지 상승하는 시간에 대해 측정하였고, 그 결과를 도 4에 도시하였다.
도 4에 도시된 바에 의하면, KR 슬래그가 포함된 내열 시멘트의 경우 일반 시멘트에 비해 목표 온도 도달까지 약 4배 이상 빠르게 도달하였다. 이를 통해 KR 슬래그가 포함된 내열 시멘트의 경우 일반 시멘트에 비해 적은 연료로도 시멘트의 온도 상승이 가능함을 알 수 있다.
(실험3)
또한, 실험3은 0℃에서 25℃까지 상승하는 시간에 대해 측정한 실험2와는 달리 25℃에서 0℃까지 온도가 하강하는 시간에 대해 측정하였고, 그 결과를 도 5에 도시하였다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 일반 시멘트의 경우 온도 하강이 KR 슬래그가 포함된 내열 시멘트에 비해 빠르게 진행되었다.
실험2와 실험3을 살펴보면, 고로 슬래그 90wt%와 KR 슬래그 10wt%를 혼합한 시멘트의 경우 일반 시멘트에 비해 목표 온도 도달시간이 빨랐다.
이는 시멘트의 CaO와 SiO2 의 비가 1:1에 가까울수록 CaO와 SiO2 의 수화반응에 의해 생성되는 C-S-H상이 치밀해지는데, 전술한 표 2와 같이 고로 슬래그의 CaO와 SiO2 의 비가 1:1에 가까워 C-S-H상이 생성되고 키시흑연 분포가 치밀하게 되어 열전달에 유리해진 때문이다. C-S-H상에서 C는 CaO, S는 SiO2, H는 H2O로부터 발생된 것이다.
또한, 일반 시멘트에는 포함되지 않는 철 성분(T.Fe)이 고로 슬래그에 포함되므로, 이 철 성분이 열의 전도체 역할을 하여 제조한 시멘트의 내열 특성을 향상시킨다.
이를 통해 KR 슬래그, 또는 KR 슬래그와 고로 슬래그를 포함하여 내열 시멘트를 제조하는 경우, 우수한 내열 특성을 가지고 압축 강도도 일반 시멘트 기준인 80kg/㎠ 이상을 만족함을 알 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.

Claims (5)

  1. (a)시멘트 재료 90~98 중량부,
    (b)KR 슬래그 2~10 중량부를 혼합하여 시멘트를 제조하는 것을 특징으로 하는 내열 시멘트의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시멘트 재료는 CaO, SiO2, Al2O3를 포함하는 일반 시멘트 재료인 것을 특징으로 하는 내열 시멘트의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 시멘트 재료는 고로 슬래그 또는 상기 고로 슬래그로부터 제조된 고로 슬래그 시멘트인 것을 특징으로 하는 내열 시멘트의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 KR 슬래그는 키시흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열 시멘트의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 KR 슬래그에 함유된 키시흑연은 0 초과 6% 이하 범위인 것을 특징으로 하는 내열 시멘트의 제조방법.
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