KR20220022270A - 폐내화물을가공 처리한 연마재, 그 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마재용 소결된 제철 폐내화물을가공 처리한알루미나볼, 이를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 블라스트크리닝(blast cleaning)에 사용되는 연마재로 제철소 제강공정에서 용강을 제조하기 위해 사용된폐내화물 중에서 최적의 물성을 가진 것들을 선별하여 적정 입도로 가공한 폐내화물알루미나볼를 이용하는 것과 상기 연마재용 폐내화물알루미나볼을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기의 목적을 달성하기 위한 볼 발명의 연마재는, 제철소 폐내화물을가공 처리하여 제조한 연마재로서, 입경은 연마 용도에 따라 조절이 가능하나 0.01mm~2.00mm, MOHS 경도 8.0 내지9.0인 것을 특징으로 한다.본 발명의 폐내화물을특수 가공한 연마재는 경도가 높으며, 균일한 입도를 가지고 있어 피연마재의 표면조도를 향상시킬 수 있으며, 제철산업에서 발생하는 폐기물을 획기적 자원으로 활용할 수 있는 기술로, 연마재용으로 우수한 특성을 가지고 있을 뿐 아니고, 제조원가 측면에서도 탁월한 것 외에도다양한 장점들을 가지고 있다.

Description

폐내화물을가공 처리한 연마재, 그 제조장치 및 제조방법{Abrasive material worked sludge}

본 발명은 연마재용 소결된 제철 폐내화물을 특수 가공 처리한연마재, 즉 알루미나볼, 이를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 블라스트크리닝(blast cleaning)에 사용되는 연마재로 제철소 제강공정에서 용강을 제조하기 위해 사용된 폐내화물 중에서 최적의 물성을 가진 것들을 선별하여 적정 입도로 가공한 폐내화물 볼을 이용하는 것과 상기 연마재용 폐내화물 볼을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

블라스트크리닝은 적정 입도의 연마재, 즉, 강구나 모래와 같은 연마재를 원심력이나 압축공기 등을 이용하여 소지면에 고속(50~80m/s)으로 분사해 소지의 오염물, 녹, 흑피등을 제거하는 방법으로 연마재의 종류와 연마재를 분사시키는 방식에 따라 여러 가지가 있다. 상기 블라스트크리닝은 분사방식에 따라 1) 파워 블라스트(고압공기를 분사), 2) 습식 블라스트(물과 연마재를 동시 사용), 3) 원심 블라스트(급속회전 차륜 원심력을 사용), 4) 진공 블라스트(연마 후 연마재 및 분진을 진공으로 회수)가 있다. 그리고, Blast Cleaning에 사용되는 연마재에는 연마재를재질별로구분하면크게 금속 연마재(Metallic Abrasive)와 비금속 연마재(Non-metallic Abrasive)로 나누어 진다. 작업 여건에 따라 연마재의 선택이 필요하며 주로연마재는 경도(Hardness), 밀도(Density), 모양(Shape), 크기(Size)에 따라 선택된다. 특히, Profile에 영향을 주는 요소는 연마재의 양, 종류, 분사속도, 연마 시간 등이다.관련 특허로는 쇼트 연마재는 스틸 쇼트(대한민국 특허등록번호 10-0420127), 스틸 볼(대한민국 특허공개번호 1983- 0001153), 형상이 조절된 스틸쇼트(대한민국 특허공개번호 2001-0020307), 희토류 금속(대한민국 특허공개번호 2003-0048032), 세륨계 금속(대한민국 특허공개번호 2004-0002949), 알파 알루미늄 금속(대한민국 특허공개번호 1997-0707253), 스틸그릿, 스틸 컷 와이어, SUS 쇼트, SUS 컷 와이어 및 알루미늄 컷 와이어 등이 있다.연마재별 특징은, 금속 연마재는 비금속재에 비해 연마효율이 뛰어나고, 내구성이 우수하나, 단점으로는 단가가 너무 고가(최대 100배)이고, 연마재 특성에 맞는 블라스트용 장치를 적용하여야 하므로, 특수한 표면가공이 요구되는 경우에 제한적으로 시용된다. 반면, 비금속 연마재는 다용성 모래(대한민국 특허공개번호 2000-0060632),가네트(대한민국 특허공개번호 2004-0050607), 실리콘 카바이드(대한민국 특허공개번 호 1999-0007593), 플라스틱 재질(대한민국 특허공개번호 1980-0001577), 샌딩사, 동(Cu) 슬래그, 금강사, 글래스비드(Glass Bead), 세라믹 비드(Ceramic Bead), 탄화규소 및 실리콘 카바이드 등이 제안되어 있다. 공개특허 10-2006-0057497,비금속 연마재 중 샌딩사 등의 광물류 연마재는 광산에서 채굴되어 지속적으로 자원의 고갈 및 환경 파괴 등의 문제가 있고, 용도의 제약, 고가의 원료비, 높은 제조비용으로 사용성 확대에 제약이 있다. 위에서 언급된 기존의 블라스트크리닝용 연마재의 단점을 극복하기 위해, 1) 적정 물성(경도 등) 보유, 2) 피사체의 조도 향상, 3) 피사체의 부식 방지, 4) 블라스팅시 연마재의 파괴로 인한 분진의 미발생, 5) 재사용 여부, 6) 환경 보호를 위해 폐기물의 Recycling으로 제조하는 것이 필요하다.

본 발명은 연마재 자체의 충분한 경도와 피사체의 조도를 확보할 수 있고, 연마효율은 금속 연마재와 유사하고, 피사체의 부식 방지, 작업 중 분진 발생 최소화, 그리고재사용이 가능한 비금속 연마재, 그 제조 장치와 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 연마재를 버려지는 제강 폐내화물을 이용하여 제조함으로써 환경보호에 큰 기여를 할 수 있는 연마재, 그 제조장치와 제조방법을 제공하는 것을 부가의 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 특정 블라스팅장비에구애받지않고 범용적으로 적용될 수 있는 균일한 입도의 연마재로 적용되는 것이 특징이다.

본 발명은 제철소 제강의 여러공정에서 발생한 소결된 Al2O3계 폐내화물로, 중량 백분율로, Al2O3: 90~95, 기타 불순물로 이루어진다.

본 발명은 제철소 제강의 여러공정에서 발생한 소결된 Al2O3계 폐내화물로가공하여 제조된 연마재로서, 입경이 0.01mm ~2.00mm, 모스 경도 8.0 ~9.0이다.

본 발명은 하기 식으로 표시되는 균등계수가 1.2 이하이다. *균등계수(U)=P60 /P10 (P60: 시료의 60%를 통과시킨 체눈의 크기, P10: 시료의 10%를 통과시킨 체 눈의 크기, 계수 1은 전체가 100% 균일한 상태를 의미함.)

상기한 바와 같이 본 발명의 제강 알루미나계폐내화물을특수가공한 연마재와 그 제조방법에 의하면, 소성 알루미나볼은탁월한 경도 및 강도, 그리고 균일한 입도를 가지고 있어 피연마재(피사체)의 표면조도를 향상시킬 수 있다. 특히, 제철공정에서 항상 문제가 되고 있는 산업폐기물을 부가가치가 있는 제품으로 전환시킬 수 있어, 연마재 제조단가의 최소화,제철공정의 폐내화물처리비용 절감, 환경오염의 최소화, 매립지부지난 해소 등의 이점도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연마재를 제조하는 Process를 나타낸 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연마재는, 제철소 제강의여러 공정에서 나오는 알루미나성폐내화물을 선별하여 수차례의 파쇄/분쇄, 수차례의자력 선별, 입도 선별, 필요시혼련 하여 제조된 연마재로서, 입경이 0.01mm~2.00mm, MOHS 경도8.0~9.0인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 알루미나 볼은 중량 백분율로, 소결Al2O3 90~95%로 기타 불순물로 구성되어 있다. 그리고 상기 연마재는, 하기 식으로 표시되는 균등계수((U)=P60 /P10: P60은 시료의 60%를 통과시킨 체 눈의 크기, P10은 시료의 10%를 통과시킨 체눈의 크기, 균등계수 (`1`인 경우는 입도가 전부 동일)가 1.2 이하로 다른 연마재와 달리 입도를 아주 균일하게 제조할 수 있고, 그리고 필요에 따라 입도의 크기를 조절할 수 있는 것이 특징이다.

상기와 같은 연마재를 제조하기 위한 장치는, 제철소에서, 특히 제강에서 사용 완료되어, 충분히 소결된알루미나(Al2O3)로 이루어진 폐내화물을 다른 성분의 내화물류와 분리 선별하여 연마재 제조 공정으로 이송한다. 이송된 알루니마계폐내화물은 Jaw Crusher 로 1차 파쇄하고, 이후 Hammer crusher 및 roller mill측으로 이송하여 2차 파쇄를 한다. 파쇄된 폐내화물은 1차 자력선별로 불순물을 제거하고, 이후 2차 자력선별기로 이송한 후에 불순물을 추가로 제거하여 제품 생산을 위한 중간 원료를 생산한다.

이후 공정은, 제품생산을 위한 1차분쇄를 50 hp 6p Hammer crusher로 하고, 최종 분쇄를 10 hp 4p Hammer Crusher로 하고 난 후, 필요한 Size별로 선별을 한다 그리고, 최종 포장 전에 3차 자력 선별로 최종 불순물을 제거하여 제품을 생산후,혼련과정을 통과하여 포장/출하를 하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 연마재는 제철 폐내화물을 원료로 사용한 것으로 화학조성이 Al2O3로, 내화물 제조시 1차 소성가공이 되고, 제철공정에서 사용 중 재가열되어 2차소결된 물질로, 조성은 Al2O3 90~95%, 나머지는 불순물로 Fe2O3 0.5~1.5%, MgO3~5%로 구성되어 있다.

대부분이 고경도 알루미나(AL2O3)로 이루어져, 알루미나볼로제조 후 모스경도 8.0~9.0, 비커스경도(HV) 1800~1900으로 매우 높은 경도 값을 나타내어, 알루미나볼을 피사체에 블라스팅할 경우에는 높은 경도로 인하여 피사체 표면을 연마하거나 피사체 표면에 존재하는 녹이나 페인트 층과 같은 불순물을 다른 연마재 대비 쉽게 제거할 수 있다.

상기와 같은 연마재를 피사체에 블라스팅할 경우, Profile에 영향을 주는 요소는 연마재의 경도, 입도, 밀도, 분사속도, 연마 시간 등이 있다. 즉, 연마재의 크기가 불균일할 경우에는 크기에 따른 피사체의 블라스팅된 표면이 울퉁불퉁해져피사체의 조도가 불량하게 된다.블라스팅 장치를사용할 경우에는 일정한 입도의 연마재가 적용되어야 하므로,알루미나 볼의 경우 균등계수(U)가 1.2 이하로 문제가 없고, 균등계수가 아주 낮아 연마후 표면은 아주 균일한 상태의 조도를 나타내게 된다. 또한, 밀도의 경우도, 적당한 힘을 갖고 피사체에 충돌되어 연마재의 역할을 하기 위하여는 적정치가 필요하고, 상기 알루니마의 경우는3.0~ 4.0g/cm3 이 적정하며, 직경도 0.01mm~2.00 mm 사이인 것이 바람직하다. 이때, 피사체의 종류에 따라 입도는 필요에 따라 0.3mm 구간으로 조정하여 제조될 수 있는 것이 특징이다. 상기의 조건으로 제조된 알루미나볼은 1) 높은 경도 2) 분진 발생 최소화 3) 재사용 가능 4) 균일한 입도에 의한 피사체의 표면 조도의 향상 5) 폐기물이 Recycling으로 제조되어 환경보호 및 제조원가 절감 측면에서 유리하다. 상기 알루미나볼연마재를 제조하기 위한 Process를 공정도 1에 근거하여 설명한다.

공정도 1에서 볼 수 있듯이, 제철소제강의 여러 공정에서 선별 회수된 소결알루미나(Al2O3)계 폐내화물은덤프카로알루미나볼 제조 공장으로 이송되어 원료 호퍼로 저장이 된다. 저장된 폐내화물 원료는 Jaw Crusher(75HP, 6P)로 1차 파쇄되고, 이후 분쇄 설비에 투입이 가능하도록 Hammer Crusher(75HP, 6P, Inverter제어)로 2차 파쇄가 진행된다. 2차 파쇄된 원료는 1차 자력선별, 2차 자력선별로 불순물을 대부분 제거시켜 분쇄를 위한 중간 산물로 되어 중간 호퍼에 저장이 된다. 중간 호퍼에 저장된 파쇄 원료는 Hammer Crusher(50HP, 6P, Inverter제어)로 1차 분쇄를 하고, 이후 최종 제품 Size로 Hammer Crusher(50HP, 6P, Inverter제어)로 분쇄가 진행된다.

2차 분쇄시는 1차 선별기를 사용하여 목표 Size이상은 2차 분쇄기로 회송처리하여재 분쇄를 하고, 목표Size이하의 원료는 2차 선별기로 보내어 목표 Size 이하재는 선별되어 다른미세 Size의 연마재 생산 원료로 사용하고, 목표Size는 제품 호퍼, 혹은 포장하여 제품화한다.

이때 목표 Size는 고객사의 피사체 물질에 적합한 입도로 맞추어 제품 생산을 하며, 다양한 입도를 생산할 수 있는 공정으로 구성되어 있다.

본 연마재의 균등계수는 1.20 이하로 최적의 범위내에 위치하고 있고, 성분 분석(X-선 회절:XRD)의 결과, 90% 이상의 Al2O3로 구성되어 있고, 완전 소결이 되어 있으므로 보관 중 원형이 그대로 유지가 되고, 장기간 보관에도 물성의 변화가 없는 것이 특징이다.

또한, 상기 연마재가 환경 오염(수질, 토양, 대기 등)을 발생시킬 수 있는지에 대해 확인하기 위해 중금속 용출 시험을 실시하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

규제물질	Pb	Cu	As	Hg	Cd	Cr	CN
허용기준치 (ppm)	3.0이하	3.0이하	1.5이하	0.005이하	0.3이하	1.5이하	1.0이하
시험결과 (ppm)	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출	미검출

상기 표 1에서 보듯이, 본 발명의 알루미나볼연마재는 분석결과 중금속이 전혀 검출되지 않아, 사용시 외부로 완전 용출되지 않음을 확인하였다.

하기 표 2에 본 발명과 종래의 연마재의 특성을 비교하였다.

구분	(본발명) 알루미나볼	슬라그볼	알루미나 (금강사 A)	가네트 (석류석)	스틸볼
진비중	3.60~3.70	3.54	3.80~3.92	4.2	7.2
모스경도	8.0~9.0	7.5	8.0~9.0	7.5	8.5
록웰경도(HRC)	72	43	72	40	43~60
조도(품질상태)	매우양호	매우양호	양호	양호	매우양호
제품단가(톤당)	30	80	100	60	100
재사용 가능성	불가	2~3회	불가	3~4회	10~12회
설비변경용이	용이	용이	용이	용이	어려움
폐기물 종류	일반	일반	지정	지정	지정

제품단가(톤당): 현재 사용 중인 제품 중에서스틸볼이 가장 고가이므로, 스틸볼의 가격을 '100'으로 하여, 다른 제품의 가격을 표 2에서 비교하였다. 표에서 보듯이, 현재 사용중인 제품 중에서 가장 가격이 낮음을 알 수가 있다.

표 2에 보듯이, 본 발명에 의한 알루미나 볼은 진비중이 약 7.2g/cm 3 인 스틸볼에 비해서는 낮지만,블라스트 재료로 많이 사용되고 있는 알루미나금강사A의 진비중,3.80~3.90과 비교시는 연마재로서 적용 가능한 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.특히, 경도는스틸볼과비교시매우 좋고, 다른 연마재 중에서도 가장 높은 수치를 나타내고 있다.폐기물의 처리 측면에서도, 표2에서와 같이 유해 중금속이 전혀 없으므로 일반 폐기물로 처리가 가능하여, 매립시에 어떤 제한도 없다. 그리고, 연마재는 종류별로 특정의 블라스팅 장치의 적용이 필요하여, 스틸볼이나쇼트볼용장비는샌드블라스트용으로 적용할 수가 없다. 즉, 상호 호환이 어렵고, 필요시 상당한 개조가 필요하나 본 발명의 알루미나 볼은입도가 균일한 관계로 어떤 블라스트 장치에도 사용이 가능한 장점이 있다.

특히, 상기 알루미나 연마재의 우수한 특성은, 동일한샌드블라스트 재료이면서 고가인 가네트와 비교를 하면알루미나 볼은 가네트에 비하여 비중은 약간 낮으나 경도가 높아 가공된 피사체의 표면조도를 매우 양호하게 한다. 블라스트 장치를 사용하여 다양한 투사연마재별로 크기에 따른 연마처리 특성을 평가하였는데, 모래, 슬래그 볼, 스틸볼을크기별로 0.1-0.4mm, 0.4-1.0mm, 1.0-2.0mm인 입도분포로 실험하였다. 실험은 슬라그볼 특허에서 사용된 방법으로 진행하였고, 동일한 강판을 대상으로 해서 분사거리 30cm에서 분사속도 70-80m/sec로 한번에 1000g씩을 분사하는 실험을 하였다. 실험결과(표 4)는 블라스팅에 의해 연삭된표면조도는, 연마재의 종류에 관계없이 입도가 작을수록 조도가 좋게 나옴을 확인하였다. 그리고 상기 표면조도를 연마재 종류별로 비교하여 보면, 스틸볼이 가장 우수하고, 그 외의제품 중에서는알루미나볼의 경우가 가장 우수함을 알 수 있다. 또한 연마처리 면적 역시 입자가 작을수록 효율이 큼을 알 수 있고, 스틸볼을 제외한 제품군 중에서는 가장 우수함을 알 수 있다. 특히, 블라스팅작업중 발생하는 분진은 환경, 즉, 비산 및 작업 환경 측면에서 중요한데, 그래서분진발생량을 블라스팅 작업장소에서 5m 지점에 분진계를 설치하여 측정하였고, 모래의 경우가 충돌후 파쇄에 의한 분진 발생이 가장 많았고, 다음은 슬라그 볼, 다음이 본 발명의 알루미나볼의 순서로 분진 발생이 감소하였다. 알루미나볼의 경우는 입자의 강도가 높아 충돌시 입자가 파쇄되는 량이 적어서 분진 발생이 적은 것으로 판단이 된다. 요약하면, 피사체의 표면조도는 연마재의 입도가 클수록 높고, 처리면적은 입도가 클수록 낮고, 분진발생은 입도가 클수록 많이 발생하는 일반적인 현상을 확인하였다. 알루미나 볼의 경우는 스틸볼을 제외하고는 다른 제품대비 전체적인 면에서 더 나은 결과를 나타내는 것을 확인하였다

구분	입도분포 (mm)	표면조도 (㎛)	연마처리면적 (m2/hr)	생성 분진량 (mg/m3)
알루미나볼-1	0.1~0.4	65	15.0	80
알루미나볼-2	0.4~1.0	85	9.0	100
모래A-1	0.1~0.4	35	9.0	250
모래A-2	0.4~1.0	50	5.0	350
모래A-3	1.0~2.0	70	2.0	460
슬래그 연마재-1	0.1~0.4	60	13.0	85
슬래그 연마재-2	0.4~1.0	80	8.0	110
슬래그 연마재-3	1.0~2.0	145	3.5	145
스틸볼-1	0.1~0.4	75	19.0	13
스틸볼-2	0.4~1.0	90	11.0	15
스틸볼-3	1.0~2.0	220	5.0	20
기타	-	-	-	-

Claims (3)

1. 제철소 제강의 여러공정에서 발생한 소결된 Al2O3계 폐내화물로, 중량 백분율로, Al2O3: 90~95, 기타 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 연마재.
   
2. 제철소 제강의 여러공정에서 발생한 소결된 Al2O3계 폐내화물로가공하여 제조된 연마재로서, 입경이 0.01mm ~2.00mm, 모스 경도 8.0 ~9.0인 것을 특징으로 하는 연마재.
   
3. 하기 식으로 표시되는 균등계수가 1.2 이하인 것을 특징으로 하는 연마재.
   *균등계수(U)=P60 /P10 (P60: 시료의 60%를 통과시킨 체눈의 크기, P10: 시료의 10%를 통과시킨 체 눈의 크기, 계수 1은 전체가 100% 균일한 상태를 의미함.)
   
   

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