KR20230163596A - 비-철 금속 제조로부터 개선된 슬래그 - Google Patents

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KR20230163596A
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마티아스 친틴느
샤를 게에넨
더크 고리스
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오루비스 비어스
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Abstract

슬래그로서, 상기 슬래그는,
건조량 기준으로, 원소 금속으로서 존재하는 금속 및 산화 상태로 존재하는 금속의 총 합으로서 금속의 존재를 표시하여,
a) 7 중량% 이상 및 49 중량% 이하의 철, Fe,
b) 1.3 중량% 이하의 구리, Cu,
c) 24 중량% 이상 및 44 중량% 이하의 이산화실리콘, SiO2, 및
d) 2.0 중량% 이상 및 20 중량% 이하의 산화칼슘, CaO
을 포함하고,
상기 슬래그는, 동일 기준으로,
e) 0.10 중량% 이상 및 1.00 중량% 이하의 아연, Zn,
f) 0.10 중량% 이상 및 2.5 중량% 이하의 산화마그네슘, MgO, 및
g) 0.100 중량% 이하의 납, Pb
을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그가 개시된다.
상기 슬래그를 포함하는 물품, 상기 슬래그의 제조 방법, 및 상기 슬래그의 다수의 용도가 추가로 개시되며, 상기 슬래그는 1.50중량% 이하의 아연 및 1.0중량% 이상의 CaO를 포함할 수 있다.

Description

비-철 금속 제조로부터 개선된 슬래그{IMPROVED SLAG FROM NON-FERROUS METAL PRODUCTION}
본 발명은 1차 공급원, 즉 새로운 광석으로부터, 재활용가능한 물질로도 알려진 2차 공급 원료로부터, 또는 이의 조합으로부터, 구리와 같은 비-철 금속의 제조에 관한 것이다. 재활용가능한 물질은 예를 들어 부산물, 폐기물 및 사용기한이 다한 물질일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명은 그러한 비-철 금속 제조로부터 부산물(coproduct)로서 개선된 슬래그에 관한 것이다.
상기 구리(Cu) 제조로부터 슬래그 부산물은 특히 조성 측면에서 특별하다. 구리 용광로의 작업 온도는 대개 다른 용광로들의 작업 온도들보다 상당히 낮다. 상기 슬래그가 더 낮은 온도에서 충분히 유동되기 위해서는, 특정 성분들이 요구되는데, 이들은 때때로 특정 농도 범위에서 상기 슬래그 용융 온도를 억제하며 따라서 초고온을 도입하지 않고 상기 공정을 작업할 수 있도록 하는 경향을 가질 수 있으며, 이는 에너지 소비 측면에서 및 따라서 작업 비용 측면에서 매우 요구되기 때문이다.
비-철 금속 제조를 위한 공급 원료로서 이용가능한 물질은 전형적으로 다수의 금속들을 함유한다. 대부분의 다량 적용에서 상기 비-철 금속의 고순도 요건으로 인하여, 다른 금속들이 제조 공정에서 서로로부터 분리될 필요가 있다. 상기 비-철 금속 제조 공정은 전형적으로 적어도 하나 및 대개 복수의 고온야금(pyrometallurgical) 공정 단계들을 포함하고, 여기서 금속 및 금속 산화물 모두 액체 용융 상태로 존재하며, 금속 산화물은 용융 금속상으로부터 분리된 액체 슬래그 상으로서 중력에 의하여 분리될 수 있다. 상기 슬래그 상은 대개 공정으로부터 분리된 스트림으로서 회수되고, 이러한 분리는 금속 제조로부터 부산물로서 슬래그의 제조를 초래할 수 있다.
상기 비-철 금속은 일차 공급원으로도 불리우는 출발 물질로서 새로운 광석으로부터, 또는 이차 공급 원료로서 알려진 재활용 물질로부터, 또는 이의 조합으로부터 제조될 수 있다.
이차 공급 원료로부터 비-철 금속의 회수는 수년간 다른 무엇보다도 중요한 활동이 되어 왔다. 비-철 금속의 사용 후 재활용은 그러한 금속에 대한 지속적인 강한 요구 및 고품질의 새로운 금속 광석의 입수가능성 감소로 인하여, 산업에서 주요한 기여자가 되어 왔다. 또한, 이차 공급 원료의 가공은 전형적으로, 부산물로서 슬래그를 생성하는, 용광로와 같은 고온야금 공정 단계들의 이용을 수반한다.
슬래그는 고온에서 액체인 금속 산화물을 주로 함유한다. 비-철 금속 용광로, 예를 들어 구리, 납 또는 아연 용광로 내에, 상기 금속 산화물은 액체 상태로 존재하고 액체 용융 금속보다 낮은 밀도를 가진다. 상기 금속 산화물은 그렇다면 중력에 의하여 상기 금속으로부터 분리될 수 있다. 상기 슬래그는 전형적으로 냉각 및 파쇄/사이징되고, 도로 건설에서 응집체로서, 암석(rock) 및 역(gravel)의 대체물로서, 콘크리트 제조에 사용될 수 있고, 분쇄되면 그들의 특이한 경도 덕분에 블라스팅 샌드 또는 블라스팅 그릿으로서 사용을 위한 이익이 또한 있다.
당업계에 공지된 슬래그 제품 내에 발견될 수 있는 물질들 중 일부는 환경에 잠재적으로 해로운 것으로 간주된다. 주로 납, 그러나 어느 정도 아연 또한, 그러한 원치 않는 물질의 주된 예이다. 아연 및 납 모두 대개 슬래그로부터 침출가능한 형태로 존재하는 금속이고, 그 상당 수준의 존재는 특히 경제적으로 더 매력적인 용도에서 슬래그 제품의 사용을 불가능하게 하며, 전형적으로 "유해 폐기물"로서 간주되어야 하므로 그러한 슬래그의 쓰레기 매립지 내에 처분을 훨씬 더 복잡하고 어렵게 할 수 있다. 특정 용도에서 사용의 승인은 종종 슬래그의 침출 거동을 시험함으로써 결정된다. 전형적으로, Pb 및 Zn과 같은 요소들은 침출하기 쉬우며, 특정 슬래그가 그러한 승인 시험에 실패하게 할 수 있다.
또한, 납은 가능성 있는 재생 독신으로서 우려를 야기하여 왔으므로, 제품 또는 조성물의 Pb 함량은 그 사용에 한계를 부과할 수 있다. 일부 관할 구역 내에서, 해당 CLP (Classification, Labeling, Packaging) 규제를 위한 분류 한계가 Pb 및 Pb-함유 화합물에 대한 특정 분류 한계(SCL) 설정을 목표로 하여 현재 조사 중이다. 상기 한계는 0.03 중량% Pb 만큼 낮게 설정될 가능성이 있다. 비-철 금속 생산으로부터 상용가능한 슬래그는 훨씬 더 높은 수준인 0.3 중량% 보다 대개 상당히 더 높은 Pb 함량을 가진다. 이러한 CLP 규제가 시행되는 경우, 이러한 비-철 금속 생산으로부터 현재 슬래그는 추가적인 라벨링 요건의 대상이 되어, 이들 슬래그의 상업화 및 많은 현재 적용에 있어서 승인을 불가능한 것은 아니지만 더욱 어렵게 할 것이며, 이는 쓰레기 매립지와 같은 선택된 처분 경로의 부담을 증가시킬 것이다. 이와 관련하여, 블라스팅 샌드로서 슬래그의 용도와 같은 특정 최종 용도는 상기 슬래그를 포함하는 블라스팅 작업으로부터의 폐 부산물이 전형적으로 쓰레기 매립으로서 폐기됨을 의미하는 것으로 지적된다. 상기 슬래그의 납 함량은 따라서, 일부 형태의 샌드 블라스팅과 같은 현재 가치 있는 일부 최종 용도 적용에서 슬래그의 사용을 심각하게 저해할 수 있다.
3rd CANMET/ACI International Symposium on Sustainable Development of Cement and Concrete, 2001에서 발표된, S.Monosi et al, "Non Ferrous Slag as Cementitious Material and Fine Aggregate for Concrete"은 포틀랜드 시멘트 및/또는 천연 모래를 대체하는, 콘크리트용 성분으로서 시험된, 4.77 중량%의 Zn 및 2.03%의 Pb를 함유하는 슬래그에 대하여 보고하였다. 상기 슬래그는 또한 14.65중량%의 SiO2를 함유하였다. 침출 시험은 아연 및 납의 배출을 보였으나, 1998 이탈리아 법적 기준 아래로 유지되는 값이었다.
그러나, 본 발명자들은, Monosi 작업에서 사용되었던 수준의 슬래그 내에 아연의 존재가 콘크리트 및 시멘트와 같은 기타 구성 조성물의 경화를 상당히 늦춤을 발견하였다. 이러한 경화 속도에 대한 영향은 상당량의 Zn을 함유하는 슬래그의 시멘트질 물질로서 및/또는 콘크리트 또는 시멘트 내 응집체로서 용도에 대한 장애를 나타낸다.
따라서, 금속의 침출에 대한 더 낮은 침출 위험을 나타내는 비-철 금속 생산으로부터 슬래그, 특히, 슬래그가 경제적으로 매력적인 최종 용도 적용에 있어서 그의 사용이 승인되고 이에 의하여 업그레이드될 수 있도록, 침출 우려를 야기하지 않을 만큼 충분히 낮은 납 함량 및/또는 아연 함량을 가지는 슬래그에 대한 요구가 남아 있다.
또한, 0.03중량% 이하의 Pb 함량을 가지고, 따라서 일부 관할 구역 내에서 잠재적으로 다가오는 CLP 규제 하에 추가적인 라벨링 요건으로부터 면제되는 이점을 가져올 비-철 금속 생산으로부터 슬래그에 대한 요구가 남아 있다.
나아가, 그러한 슬래그를 시멘트질 물질로서 또는 응집체로서 함유하는 콘크리트 또는 시멘트의 경화 속도를 늦추는 단점을 초래하지 않는 비-철 금속 생산으로부터 슬래그에 대한 요구가 남아 있다.
US 5749962는 "본질적으로 FeO·SiO2"로서 기재되는, 니켈 광석으로부터 니켈 제조로부터의 슬래그 부산물, 및 블렌딩된 시멘트를 생산하기 위한, 예를 들어 콘크리트를 생산하기 위한 타입 3 고 초기 강도 포틀랜드 시멘트와의 믹스 내 바인더로서, 분쇄 후, 그의 용도를 기재한다. 상기 슬래그는 Zn 및 Pb를 함유하지 않는데, 이는 니켈 생산을 위한 광석 또한 이들 물질들을 함유하지 않기 때문이다.
US　4,571,260은 출발 물질을 Kaldo 컨버터 내에서 환원제로서 코크스 및 융제로서 다량의 석회암 및 산화철과 함께 가열 및 제련함으로써, 특히 납을 포함하는 물질로부터 주석 및/또는 아연을 함유하는 물질의 금속 가치를 회복하는 공정을 개시하며, 이는 연속 배치 공정 순서에서 산화 단계와 함께 시작한다. 하나 이상의 후속 환원 단계에서, 아연 및 존재한다면 주석이 퓨밍되고 노 배기 가스로부터 회수될 수 있다. 특히 환원 기간의 후반부에 코크스가 강한 교반 하에 슬래그 내 현탁액 내에 유지될 수 있도록, 선택된 환원 온도에서 슬래그에 슬러그와 같은 조도를 부여하기 위하여, 다량의 융제가 요구된다. US　4,571,260의 유일한 실시예에서 잔사로서 남아 있는 8 톤의 슬래그는 1.5% Pb 및 1.0% Zn을 함유하였다. 이러한 슬래그는 여전히 금속 침출에 대한 우려가 있을 수 있는 양의 아연 및 납을 함유한다. US　4,571,260에서 최종 슬래그는 버려진다.
E.Hecker, B.Friedrich 및 J.Bohlke - "Treatement of lead and zinc slabs in hollow electrode DC-EAF in consideration of calculated phase equilibria and thermodynamics"는 "VII International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts, 2004, The South African Institute of Mining and Metallurgy, pp. 377-384에서, 납 또는 아연 산업으로부터의 슬래그, 더 구체적으로 아연을 얻기 위한 Imperial Smelting(IS) 공정으로부터 납 및 슬래그를 얻기 위한 QSL 공정으로부터의 슬래그의 처리를 개시한다. 납 및 아연을 얻기 위한 고온야금 공정은 구리를 얻기 위한 공정보다 더 높은 작업 온도를 요하는 것으로 알려져 있다. 상기 문헌은 전형적인 슬래그 퓨밍 또는 Ausmelt 또는 Isasmelt 공정으로 알려진 그의 변형 공정에 비하여 개선된 슬래그 처리를 제안한다. 저자는 리그나이트 코크스를 슬래그 내로 충전하기 위한 기밀 중공 흑연 캐소드 시스템을 이용하여 파일럿 규모로 DC 전기 아크 로(DC-EAF)를 가동하였다. 단지 낮은 기체 흐름의 질소만이 슬래그와 내부 전극 표면 사이의 모세관 힘을 상쇄하기 위하여 사용된다. 따라서, 배기 가스는 주입된 탄소의 산화 대신 금속 산화물 환원 반응에 의하여 생성되는 기체인 CO2가 풍부하다. 배기 가스 내 휘발 Zn의 ZnO로 산화를 위한, 및 임의의 잔존 CO의 더 많은 CO2로 재연소를 위한 배스 위에 충분한 산소를 가져오기 위하여, 상당량의 3차 공기가 도입된다. DC-EAF의 외부 열 투입은 두 전극 사이의 슬래그 배스 내 풀링되는 전기 아크에 의한 직접 가열이다. 상기 문헌에서 표 I 및 II는 CJFL 전후 슬래그 조성에 대한 정보를 제공한다. 처리후 정보가 없는 경우, 그 값은 Fe 총 농도의 농축 계수로부터 계산될 수 있다. 모든 슬래그는 구리 값이 없다. 또한, QSL 슬래그는 처리 후 0.11중량% Pb를 함유하고, 따라서 여전히 허용불가한 Pb 침출에 대한 우려를 나타낸다. 상기 IS 슬래그는 처리 후 5.0중량%의 MgO를 함유한다. 앞서 설명한 바와 같이, 고농도의 MgO는 슬래그의 융점이 더 높고, 이는 공정 온도 측면에서 추가적인 부담을 가져오며, 추가의 투자 및 에너지 투입을 요한다는 결점을 초래한다.
US　8088192는 AC 전기 아크 로 내 저온 충전된 Cu-Fe-Ni 슬래그의 프로세싱을 개시한다. 출발 슬래그는 여전히 구리가 8중량%로 풍부하고 5중량%의 MgO를 함유하였다. 처리 전에, 고농축(97.7중량%) 구리가 또한 노 내로 충전된다. 1450℃로 가열, N2 교반, 슬래그 및 유리 석회 CaO의 추가 첨가는 균질한 슬래그를 생산하였다. 미세 안트라사이트를 주입하여 연이은 환원을 수행하였다. 상의 침강은 3% MgO를 함유하는 슬래그 상을 분리하였다. 어떠한 알칼리 금속 산화물도 US 8088192의 슬래그 내에 존재하는 것으로 보고되지 않았다.
K.Koch 및 D. Janke "Schlacken in der Metallurgie", ISBN 3-514-00254-1는 157면에서 "dezinked" 슬래그를 개시한다. 상기 슬래그는 구리 함유 슬래그의 환원 조건 하에 퓨밍의 결과이며, 그동안 납 및 아연이 환원되고 휘발되고, 일단 반응기 밖으로 산화되고 분진으로서 침전된다. 상기 문헌은 상기 슬래그 내 산화마그네슘의 존재에 대하여 침묵한다.
JP 2001 040431 A는 CaO, SiO2 및 Fe를 슬래그에 첨가함으로써 구리 제조로부터의 슬래그 부산물의 이동성이 어떻게 개선될 수 있는지에 대하여 개시한다. 표 1에 개시되는 바와 같이 매우 다양한 슬래그들이 출발 물질로서 고려되었으며, 이들 모두 ZnO가 적어도 2.4중량%로 풍부하고, 이는 1.9중량% Zn 및 Cu2O로 표시하여 적어도 6.8중량% (적어도 6.04% 구리에 상응) 구리에 상응한다. 표 1로부터 선택된 슬래그들을 그 Cu2O 함량을 감소시키고 더 많은 구리를 회수하기 위하여, 철 및 선택적으로 공기를 첨가함으로써 추가적인 환원 단계를 가하였다. 이 단계는 표 2에 개시되는 슬래그 조성을 초래하였으며, 이는 상당히 더 많은 FeO를 함유하였으며 그 중 SiO2 함량은 최대 20.8중량% SiO2로 희석되었다. JP 2001 040431 A의 유일한 작업 실시예에서, 표 1로부터의 슬래그 15에 공기를 주입하면서 환원 단계 동안 철을 이용하여 후속 양의 SiO2가 첨가된 경우, 세 개의 슬래그 조성이 개시되며, 이 중 하나는 0.7중량% Cu2O, 0.9중량% ZnO 및 단지 21.5중량% SiO2를 함유하였다.
WO　2014/046593　A1은 고 에너지 고온 플라즈마 기체의 수중 분사를 이용함으로써, 증발성 금속 및/또는 금속 화합물을 용융 슬래그로부터 회수하는 방법을 개시한다. 그 이점은 이전에 요구된 평균 슬래그 온도 훨씬 아래에서 높은 퓨밍 속도가 달성가능하다는 것이다. 이는 감소된 에너지 요구, 슬래그 포머 또는 융제 요구 감소, 및 따라서 또한 슬래그 최종양 감소, 및 장비 마모 감소의 이점을 가져온다. 실시예에서, 1000 kg의 전기 아크 로(EAF) 분진, 100 kg의 코크스 및 100 kg의 샌드의 혼합물을 처리하여, 1.04중량%의 Zn 및 최대 26.0중량% SiO2에 상응하는 단지 1.3중량% ZnO를 함유하는 슬래그를 생산한다. 상기 WO　2014/046593　A1에서 생산된 슬래그는 여전히 금속 침출에 대한 우려가 있기에 충분한 아연을 함유한다. WO　2014/046593　A1는 또한 특정 최종 용도 적용에 사용시 그의 슬래그의 가능성 있는 유리한 효과에 대하여 알지 못한다.
A.F.S.Schoukens, L.R.Nelson 및 N.A.Barcza, "Plasma-Arc treatment of steel-plant dust and zinc-containing slag -Theoretical and Practical Considerations", Mintek Paper 8128은 The International Lead and Zinc Study Group Conference in Rome, June 11-13, 1991에서 철강 공장 분진 및 납-용광로 슬래그의 처리를 위한 "Mintek" 플라즈마 아크 공정을 개시하였다. 상기 납-용광로 슬래그는 14중량% ZnO 및 2.8중량% PbO를 함유하였다. 목탄이 환원제로서 사용되었으며, 철을 산화물로서 슬래그 내에 남기면서, 산화 납 및 아연을 선택적으로 감소시키도록 투여되었다. 납-용광로 슬래그 처리로부터 태핑된 슬래그는 1500℃의 온도를 가졌으며, 이는 분진 내 아연 및 납 산화물의 감소에 필요한 것으로 기재된다(point 4, 두번째 문단). 상기 납-용광로 슬래그로부터 생산된 슬래그는 단지 20% FeO를 함유하였으나, 26중량% CaO 및 8중량% MgO만큼 많이 함유하였다. 상기 슬래그는 비교적 높은 융점을 가져, 그 액체 프로세싱을 위한 높은 에너지 요구의 결점을 초래한다.
WO 2013/156676 A1은 비-철 야금 슬래그를 덤핑 이외의 기타 용도에 적합한 분쇄 물질로 전환시키기 위한 가공 방법을 개시한다. 상기 공정은 금속상이 금속상을 자성으로 하기에 충분한 철을 함유할 정도로 슬래그 내 철이 환원되어야 하는 환원 단계를 포함한다. 상기 방법은 금속 액적을 용융 슬래그 내에 유지시키고 상기 액적이 노의 바닥으로 침강되지 않도록 하기 위한 충분한 혼합을 수반한다. 상기 방법은 상기 혼합물로부터 아연, 납, 비소 및 카드뮴의 증발을 추가로 수반한다. 생성되고 환원 노 내에 남는 슬래그-금속 혼합물을 태핑하고 냉각한다. 상기 냉각된 혼합물을 20 ㎛ - 15 ㎛의 입자 크기로 파쇄 및 분쇄한다. 금속 및 가능한 황화물을 예를 들어 자력 선광에 의하여 슬래그로부터 분리한다. 4% Zn 또는 2.4% Zn을 함유하는 슬래그의 가공이 예시된다. 출발 슬래그를 환원제로서 탄화규소(실시예 1 또는 2) 또는 탄소(실시예 3)로 처리한다. 실시예 3에서, 질소를 환원 후 혼합물을 통하여 버블링한다. 결과 생성되는 금속 합금 및 슬래그의 혼합물은 높은 수준의 Fe, 1.00중량% 미만의 Zn, 단지 0.08중량% 이하의 Pb, 및 적어도 45중량%의 SiO2 또는 최대 1.3중량% CaO를 함유하였다. 상기 슬래그는 구리 및 철을 모두 함유하는 금속 개재물을 포함하는 것으로 보고되었다. 실시예 1 및 3의 슬래그-금속 혼합물을 분쇄하고, 자력 분리하여 금속을 분리하였다. 실시예 3에 대해서만 잔류 비-자성 최종 슬래그의 조성이 보고되었으며, 이러한 조성은 놀랍게도 금속상 분리 전에 금속 합금 및 슬래그 혼합물에 대하여 보고된 조성과 유사하였다. 상기 최종 슬래그는 SiO2가 풍부하고 1.4% 이하의 CaO를 함유하였다. WO 2013/156676은 잔류 슬래그를 도로 건설, 쓰레기 매립 용도에, 또는 콘크리트 및 시멘트 구성 성분으로서 사용할 것을 제안한다. WO 2013/156676은 건설 산업에서 및/또는 무기 폴리머를 위한 슬래그의 잠재적으로 활성인 기능에 대하여 알지 못한다.
용이하고 단순한 공정을 이용하여, 일차 및/또는 이차 공급 원료 가공시 부산물로서 생산되는, 비-철 금속 제조로부터의 슬래그 부산물을, 잠재적 금속 침출 측면에서 허용가능하고, 앞서 설명한 결점없이 슬래그의 다운스트림 사용에 적극적으로, 기술적으로 및 따라서 경제적으로 기여할 수 있는 품질로 업그레이드하는 것에 대한 요구가 남아 있다.
본 발명은 상기 문제점을 제거 또는 적어도 완화시키고 및/또는 일반적으로 개선을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 개요
본 발명에 따르면, 슬래그, 상기 슬래그의 제조 방법, 첨부 청구항들 중 임의의 청구항에 정의되는 슬래그의 용도가 제공된다.
일 구현예에서, 본 발명은 건조량 기준으로, 금속의 존재를 원소 금속으로서 존재하는 금속 및 산화 상태 금속의 존재의 총 합으로서 표시하여,
a) 적어도 7 중량% 및 최대 49 중량%의 철, Fe,
b) 최대 1.3 중량%의 구리, Cu,
c) 적어도 24 중량% 및 최대 44 중량%의 이산화실리콘, SiO2, 및
d) 적어도 2.0 중량% 및 최대 20 중량%의 산화칼슘, CaO
을 포함하는 슬래그로서,
상기 슬래그는, 동일 기준으로,
e) 적어도 0.10 중량% 및 최대 1.00 중량%의 아연, Zn,
f) 적어도 0.10 중량% 및 최대 2.5 중량%의 산화마그네슘, MgO, 및
g) 최대 0.100 중량%의 납, Pb
을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그를 제공한다.
일 구현예에서, 본 발명은 바인더로서 및/또는 응집체로서 본 발명에 따른 슬래그를 포함하는 물품으로서, 상기 슬래그는 최대 1.50중량%의 아연, Zn을 포함하는 물품을 제공한다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 슬래그가 지오폴리머(geopolymer) 시스템 내에서 바인더로서 작용할 수 있음을 발견하였다. 본 발명자들은 또한, 본 발명에 따른 슬래그가 그러한 지오폴리머 시스템 내 사용에 매우 적합한 응집체일 수 있으며, 그의 응집체로서의 용도는 그러한 지오폴리머 시스템으로 제조되는 제품의 극히 우수한 특성에 더 기여함을 발견하였다.
US 5749962와 비교하여, 본 발명은 아연-함유 공급 원료 또한 용광로 내에서 프로세싱될 수 있다는 이점을 가져온다. 본 발명에 따른 슬래그의 제조 방법은 공급 원료 내에 존재하고, 0.10중량%과 같이 허용가능하고 건강, 산업적 위생 및 환경 측면에서 우려가 거의 없거나 없으나 여전히 적절한 분석 기법에서 주목되기에 충분한 수준으로 슬래그 내에 있는 Zn을 제거한다.
본 발명에 따른 슬래그는 명시되는 최소량 및 최대량의 MgO를 함유한다. 마그네슘은 그의 공정 공급 원료 내 존재로 인하여 슬래그 내로 들어갈 수 있으나, 침출될 수도 있다. 출원인은 슬래그 내 최소량의 MgO의 존재가 슬래그의 용융 온도를 상당히 감소시킬 수 있음을 발견하였다. 출원인은 그러나, 더 많은 양의 MgO가 반면 슬래그의 점도를 다시 상당히 증가시켜, 관찰되는 효과를 감소시키거나 없앨 수 있으며, 심지어 결국 MgO가 없는 것보다 높은 점도를 가지는 슬래그를 초래할 수 있음을 또한 발견하였다. 이러한 이론에 구애되고자 하지 않으나, 출원인은 이러한 효과가 용액에서 나오는 MgO가 가능하게 스피넬 형태를 형성하여, 슬래그에 두꺼운 면을 부여함으로 인한 것으로 믿는다. 용액에서 나오는 비교적 적은 MgO의 존재가 슬래그 점도를 쉽게 상당히 증가시켜, 액체 가공을 매우 어렵게 하는 것으로 믿어진다. 본 발명에 따른 슬래그는 따라서 최대 상한의 MgO를 함유하는 것으로 명시된다. 명시 범위 내의 MgO의 존재로 인하여, 슬래그는 슬래그가 플라즈마 처리되기 전에 형성되는 노 내에서 비교적 낮은 온도에서 더 유동성이다. 이는 슬래그 내 성분들과 액체 금속상 내 것들 사이에 더 나은 분리가 달성되어, 두 상들에 대한 원하는 성분들 측면에서 더 농축된 금속상과 동시에 더 농축된 슬래그 상이 얻어질 수 있다는 이점을 가져온다. 이는 한편으로 금속상 내 원하는 금속의 더 높은 회수, 금속상 내 원하는 금속의 더 높은 농도, 및 다른 한편으로 슬래그 상 내 더 낮은 농도의 귀금속을 초래한다. 명시되는 바와 같은 MgO의 존재는 또한, 다운스트림 공정 요건, 본 발명의 경우 최종 슬래그 생산을 위한 슬래그의 플라즈마 처리 가공 단계가 감소된다는 이점을 가져온다. 상기 플라즈마 처리 단계는 더 낮은 온도에서 일어날 수 있으면서도, 슬래그의 더 나은 유동성, 예를 들어 더 낮은 점도로 인하여, 적어도 원하는 퓨밍 활성, 훨씬 더 중요하게, 상이한 상들, 증기-액체뿐 아니라 액체-액체의 개선된 분리를 누릴 수 있어, 슬래그로부터 아연 및/또는 납의 퓨밍 및 본 발명에 따른 슬래그의 수득 측면에서 적어도 원하는 가공 속도를 달성할 수 있다. 본 발명에 따른 슬래그의 MgO 함량은 따라서 본 발명의 중요한 요소이다.
본 발명에 따른 슬래그는 명시되는 최소량의 MgO를 함유한다. K.Koch 및 D. Janke, "Schlacken in der Metallurgie" ISBN 3-514-00254-1의 제157면 및 앞서 인용된 개시와 비교한, 그의 이점 및 유리한 점들은 본원의 어딘가에 이미 논의되었다.
본 발명에 따른 슬래그는, 앞서 인용된 E.Hecker, B.Friedrich 및 J.Bohlke에 의한 논문의 처리된 QSL 슬래그와 비교하여, 그의 적용시 Pb 침출에 대한 더 낮은 우려의 이점을 가져오며, 따라서 건강, 산업적 위생 및 환경 측면에서 우려가 거의 없거나 없다.
본 발명에 따른 슬래그는, 앞서 인용된 E.Hecker, B.Friedrich 및 J.Bohlke에 의한 논문의 처리된 IS-슬래그와 비교하여, MgO가 낮다는 이점을 가져온다. 이는 슬래그의 융점이 감소되고, 그 결과 슬래그의 유동성이 동일 온도에서 개선된다는 이점을 가져온다. 이는 작업 온도, 및 따라서 에너지 요구 감소, 및/또는 슬래그 및 금속이 중력에 의하여 서로로부터 분리되는 공정 단계에서 액체 슬래그상 및 액체 금속상 간의 개선된 분리, 바람직하게는 두 이점들 모두를 허용한다. 낮은 MgO의 존재로 인하여, 상기 슬래그는 슬래그가 플라즈마 처리되기 전에 형성되는 노 내 비교적 저온에서 더 유동성이다. 이는 슬래그 내 성분들과 액체 금속상 내 것들 간의 더 나은 분리가 달성되어, 두 상들에 대한 원하는 성분들 측면에서 더 농축된 금속상 및 동시에 더 농축된 슬래그 상이 얻어질 수 있다는 이점을 가져온다. 이는 한편으로 금속상 내 원하는 금속의 더 높은 회수, 금속상 내 원하는 금속의 더 높은 농도, 및 다른 한편으로 슬래그 상 내 더 낮은 농도의 귀금속을 초래한다. 적은 MgO의 존재는 또한, 다운스트림 공정 요건, 본 발명의 경우 최종 슬래그 생산을 위한 슬래그의 플라즈마 처리 가공 단계가 감소된다는 이점을 가져온다. 상기 플라즈마 처리 단계는 더 낮은 온도에서 일어날 수 있으면서도, 슬래그의 더 나은 유동성, 예를 들어 더 낮은 점도로 인하여, 적어도 원하는 퓨밍 활성을 누릴 수 있어, 슬래그로부터 아연 및/또는 납의 퓨밍 및 본 발명에 따른 슬래그의 수득 측면에서 적어도 원하는 가공 속도를 달성할 수 있다. 본 발명에 따른 슬래그의 적은 MgO 함량은 따라서 본 발명의 중요한 요소이다.
본 발명자들은 나아가, 전형적으로 상당히 높은 농도의 철을 그 산화물 형태로 함유하는 슬래그가 스스로 우수한 유동성을 제공하고, 따라서 슬래그 및 금속상 간의 동일한 원하는 분리 성능을 달성하기 위하여 더 적은 칼슘, 및 따라서 슬래그 내 원하는 낮은 함량의 Pb 및/또는 Zn을 필요로 할 뿐 아니라, Cu 및/또는 Sn과 같은 슬래그 내 기타 귀금속 함량을 감소시킴 발견하였다. 본 발명자들은 따라서, 적어도 8중량% Fe, 바람직하게는 적어도 10중량%, 더 바람직하게는 적어도 15중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 20중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 25중량%, 바람직하게는 적어도 30중량%, 더 바람직하게는 적어도 35중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 37중량%의 Fe를 함유하는 슬래그를 생산하는 것을 선호한다. FeO로 전환하면, 본 발명자들은 따라서, FeO로 표시되고 본원 어딘가에 설명하는 바와 같이 계산되는 산화철을 적어도 9중량% 함유하는 슬래그를 생산하는 것을 선호한다. 바람직하게, 상기 슬래그는 적어도 10중량% FeO, 바람직하게는 적어도 12중량%, 더 바람직하게는 적어도 15중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 20중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 30중량%, 바람직하게는 적어도 40중량%, 더 바람직하게는 적어도 45중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 50중량%의 FeO로 표시되는 산화철을 함유한다. 출원인은 이러한 특징이 CaO가 덜 풍부하고, 따라서 원하는 우수한 유동성, 낮은 융점 및 따라서 더 낮은 온도에서 우수한 작업성 및 분리를 얻기 위하여 더 적은 양의 CaCO3가 첨가될 것을 요하는 슬래그의 생산을 허용함을 발견하였다. 본 발명자들은 따라서, 슬래그가 최대 18중량%의 CaO, 바람직하게는 최대 15중량%, 더 바람직하게는 최대 12중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 10중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 8.0중량%의 CaO를 함유하는 것을 선호한다.
다른 구현예에서, 본 발명은 본 발명에 따른 제2 슬래그의 제조 방법으로서, 상기 제2 슬래그는 최대 1.50중량%의 아연, Zn 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하고, 상기 방법은
아연, 납 및 이의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 함유하는 제1 슬래그를 제공하는 단계,
상기 제1 슬래그를 퓨머(fumer) 내로 도입하는 단계,
상당한 양의 아연, 납 및 이의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 하나 이상의 플라즈마 토치를 사용하여 상기 제1 슬래그로부터 퓨밍하여, 제2 슬래그를 수득하는 단계, 및
상기 퓨머로부터 상기 제2 슬래그를 제거하는 단계
를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 슬래그가 본 발명에 따른 방법에 의하여 쉽게 제조될 수 있으며, 특히 상기 방법은 단일의 비교적 단순한 공정 단계로 원하는 낮은 수준의 Pb 및 Zn을 쉽게 달성할 수 있음을 발견하였다. 본 발명자들은 이 방법이 전기 노 내에서 제1 환원 단계에 이은 물질의 미세 분쇄 및 잔류 슬래그로부터 금속 입자의 자력 분리를 포함하는 WO 2013/156676 A1의 공정과 같은 종래 기술에 공지된 공정들에 비하여 상당한 이점을 가져오는 것으로 믿는다. 본 발명자들은 나아가, 본 발명에 따른 방법은 슬래그가 건설 산업에서 바인더로서 사용이 가능케 되는 기술적 기여를 희석시키고 가능하게는 심지어 억제할 물질인 융제를 종래 기술에 공지된 다른 방법들에서 요구되는 높은 양으로 필요로 하지 않음을 발견하였다.
본 발명자들은 나아가, 본 발명에 따른 슬래그는 금속 침출 우려를 나타내지 않을 정도로 아연 및/또는 납 함량이 충분히 낮아, 경제적으로 더욱 매력적인 최종 용도 적용에서 허용가능한 것으로 간주될 수 있음을 발견하였다.
본 발명자들은 나아가, 본 발명에 따른 방법으로, 매우 낮은 Pb 함량을 가지며, 따라서 특정 관할권 하에 제조시 CLP 규제에 의하여 부과될 가능성이 있는 추가적인 라벨링 요건을 피할 수 있을 슬래그를 제조할 수 있음을 발견하였다. 상기 슬래그는 따라서, 통상적인 슬래그들이 허용불가하거나 원치 않게 될 위험이 있는 많은 현재 적용에서 사용이 쉽게 허용가능하게 유지될 수 있다. 또한, 그 상업적 요구에 비하여 슬래그의 과잉 입수가능성이 있는 경우, 그러한 과잉의 본 발명에 따른 슬래그의 쓰레기 매립 부담 및 비용이 제한되게 유지된다.
본 발명자들은 나아가, 본 발명에 따른 슬래그는, 특히 본 발명에 따른 방법을 사용할 때, 특히 낮은 아연 함량을 가짐을 발견하였다. 본 발명자들은 본 발명에 따른 슬래그를 콘크리트 및/또는 시멘트 내에 사용시, 더 높은 Zn 함유 슬래그의 경우에서와 같이 조성물의 경화 속도가 더 이상 상당히 감소되지 않음을 발견하였다.
또 다른 구현예에서, 본 발명은 다수의 용도 청구항들에 명시되는 바와 같은, 본 발명에 따른 슬래그의 다양한 용도를 제공한다.
본 발명자들은 최대 1.50 중량%의 아연 Zn, 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하는 본 발명에 따른 슬래그는 건설 산업에서 활성 바인더로서 사용될 수 있음을 발견하였다. 그러한 활성은 "포졸란(pozzolanic) 활성"으로 불리우며, 이는 시간 경과에 따른 반응 정도 또는 물의 존재 하에 포졸란와 Ca2+ 또는 Ca(OH2)의 반응 속도에 대한 척도로서 정의된다. 상기 포졸란 반응 속도는 비표면적, 화학적 조성 및 활성상 함량과 같은 포졸란의 고유 특징에 따른다. 물리적 표면 흡착은 비가역적 분자 결합이 이 공정에서 형성되지 않으므로 포졸란 활성의 일부로 간주되지 않는다. 본 발명자들은 예를 들어, 본 발명에 따른 슬래그를 포틀랜드 시멘트의 약 30% 대체 양으로 첨가하여, 30% 더 적은 포틀랜드 시멘트를 사용하면서, 100% 시멘트로 제조된 동일 제품의 압축 강도보다 단지 6% 아래인 압축 강도를 보이는 콘크리트 제품을 이러한 혼합물로부터 제조할 수 있음을 발견하였다. 이러한 이론에 구애되고자 하지 않으나, 본 발명자들은 이러한 능력이 슬래그 활성을 방해하는 오염물 또는 독으로서 작용하는 수준 아래의 낮은 아연의 존재에 의하여 가능케 되는 것으로 믿는다. 본 발명자들은 약 8중량%의 아연을 함유하는 유사한 슬래그는 이러한 활성을 나타낼 수 없음을 발견하였다.
또 다른 구현예에서, 본 발명은 따라서, 건설 산업에서 충전제, 바인더 및 이의 조합으로 이루어지는 목록으로부터 선택되는 성분으로서 본 발명에 따른 슬래그의 용도를 제공한다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 슬래그가, 특히 분쇄되어, 이러한 제2 슬래그가 조성물 내 바인더로서 포틀랜드 시멘트의 부분 대체물로서 사용될 때, 약 8중량%의 아연 Zn 및 0.3-0.5중량%의 납 Pb을 함유하고, 본 발명에 따른 방법을 적용하여 본 발명에 따른 슬래그가 유도되는 제1 슬래그로부터 유도되는 균등물보다 상당히 더 나은 성능을 가짐을 발견하였다. 본 발명자들은 아연이 통상적인 시멘트의 활성을 늦춘다는 관찰에 근거하여, 이러한 성능 차이가 더 낮은 아연 함량으로 인한 것으로 믿는다. 본 발명자들은 이러한 성능 차이가 최대 1.50중량%의 아연 Zn 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하는 슬래그로 이미 상당함을 발견하였다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 슬래그가 또한 다수의 기타 기술적 효과를 제공하기 위하여 사용될 수 있음을 발견하였다.
일 구현예에서, 최대 1.50중량%의 아연 Zn 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하는 본 발명에 따른 슬래그는 마모층 및/또는 루핑 타일 또는 루핑 슁글용 코팅의 제공, 블라스팅 샌드 또는 블라스팅 그릿 성분으로서, 바람직하게는 건설 제품 내에, 더 바람직하게는 흑색 타일 내에 발포 타일 성분으로서, 바람직하게는 장식 목적을 위한 흑색 하드 청크로서, 및 바람직하게는 수중 적용을 위한, 더 바람직하게는 수력 공학용 고밀도 밸러스트로서, 및 이의 조합으로부터 선택되는 최종 용도에 사용될 수 있다.
슬래그가 최대 1.50중량%의 아연 Zn 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하는 또 다른 구현예에서, 본 발명은 벽돌 또는 진흙 벽돌의 소성 온도 감소, 차음(sound insulation), X-선 차폐, 및 이의 조합으로부터 선택되는 효과를 제공한다.
본 발명자들은 상기 슬래그가 2.9-4.0 톤/m3 범위의 높은 물질 밀도를 가짐을 발견하였다. 나아가, 상기 슬래그는 비-다공성인 것으로 밝혀졌다. 따라서, 상기 슬래그는 우수한 차음 효과를 가져올 수 있다. 본 발명자들은 나아가, 특히 높은 물질 밀도가 상기 슬래그를 X-선 차폐에 적합하고 이례적으로 유리하게 함을 발견하였다.
본 발명자들은 상기 슬래그가 매우 어두운 흑색을 가짐을 발견하였다. 흑색은 철감람석(fayalatic) 슬래그에 있어서 상당히 통상적이나, 본 발명자들은 본 발명에 따른 슬래그 내 이러한 색상이 특히 많은 대안적 착색제와 비교하여 극히 안정함을 발견하였다. 낮은 아연 및 낮은 납 함량으로 인하여, 본 발명에 따른 슬래그는 현재 매우 인기있고, 산화철 FeO가 이를 위하여 현재 사용되나 이는 더 희소적이고 다소 비용이 드는 원료 물질인, 흑색 바닥 타일과 같은 흑색 건설 제품 제조에 적합한 착색제로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 비-철 금속 제조로부터 부산물로서 개선된 슬래그가 제공된다.
본 발명을 이하 특정 구현예들에 대하여 기재할 것이나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 청구항들에 의해서만 제한된다.
나아가, 본원 명세서 및 청구범위에서 용어 제1, 제2, 제3 등은 유사한 요소들을 구분하기 위하여 사용되며, 순서 또는 연대순을 반드시 기재하지는 않는다. 상기 용어들은 적절한 상황에서 상호교환가능하며 본 발명의 구현예들은 본원에 기재되거나 예시되는 순서 이외의 다른 순서들로 실행가능하다.
또한, 본원 명세서 및 청구범위에서 용어 상부, 하부, 위, 아래 등은 기술적(descriptive) 목적으로 사용되며, 상대적 위치를 반드시 기재하지는 않는다. 이와 같이 사용되는 상기 용어들은 적절한 상황에서 상호교환가능하며 본 발명의 구현예들은 본원에 기재되거나 예시되는 방향 이외의 다른 방향들로 실행가능하다.
청구항에 사용되는 용어 "포함하는"은 그 후에 열거되는 수단에 제한되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 기타 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는다. 이는 기재된 특징, 정수, 언급되는 단계 또는 성분들의 존재를 명시하는 것으로 해석될 필요가 있으나, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 성분들, 또는 이의 군의 존재 또는 첨가를 배제하지 않는다. 따라서, 표현 "수단 A 및 B를 포함하는 장치"의 범위는 성분들 A 및 B로만 구성되는 장치로 제한되지 않아야 한다. 이는 본 발명과 관련하여, 장치의 유일한 적절한 성분들이 A 및 B임을 의미한다. 따라서, 용어 "포함하는(comprising) (including)"은 더 제한적 용어 "실질적으로 구성되는" 및 "구성되는"을 포함한다.
본원에서 달리 명시하지 않으면, 금속 및 산화물의 양은 고온야금에서 전형적인 관례에 따라 표시된다. 각각의 금속의 존재는 전형적으로, 그 금속이 원소 형태로(산화 상태 = 0) 또는 화학적으로 결합된 형태로, 전형적으로 산화된 형태로(산화 상태 > 0) 존재하는지와 무관하게 그의 총 존재로 표시된다. 비교적 용이하게 그의 원소 형태로 환원될 수 있고 고온야금 공정에서 융용 금속으로 존재할 수 있는 금속의 경우, 다수의 그러한 금속들이 산화 형태로 실제 존재할 수 있는 슬래그 조성이 주어진 경우에도, 그들의 원소 금속 형태 측면에서 그들의 존재를 표시하는 것이 상당히 통상적이다. 따라서, 본 발명에 따른 슬래그와 같은 슬래그의 조성은 Fe, Zn, Pb, Cu, Sb, Bi의 함량을 원소 금속으로서 명시한다. 귀금속이 아닌 금속은 비-철 고온야금 조건 하에 환원되기 어려우며 대부분 산화 형태로 존재한다. 이러한 금속들은 전형적으로 그들의 가장 통상적인 산화 형태로 표시된다. 따라서, 슬래그 조성은 전형적으로, 각각 SiO2, CaO, Al2O3, Na2O로 표시되는 Si, Ca, Al, Na의 함량을 제공한다.
US　4,571,260 및 WO　2013/156676　A1에 사용되는 Kaldo 공정은 더 무거운 상으로서 용융 금속 및 더 가벼운 상으로서 용융 슬래그상이 동시에 존재할 수 있는, 탑 블로운 회전식 컨버터(TBRC - Kaldo 노 또는 Kaldo 컨버터)를 사용하는 전형적인 고온야금 공정이다. 이 공정에서 열이 산소-연료 플레임의 보조 하에 및 추후 코크스 또는 몇몇 기타 적합한 환원제를 이미 용융된 액체(들) 내로 도입함으로써 제공된다. 본 발명에 따른 플라즈마 공정은 일부 금속을 슬래그로부터 퓨밍하기 위하여 플라즈마 토치를 이용한다. 본 발명에 따른 공정은 1500℃ 보다 상당히 위, 쉽게 적어도 3000℃, 및 심지어 5000℃의 온도로 매우 고온 플라즈마가 흐르기 때문에 성능이 더 좋고, 멜트 내 평균 온도보다 훨씬 더 높은 부분적 온도를 야기할 수 있으며, 산소 전위를 발생되는 열의 양과 거의 무관하게 조절하는 것을 허용하므로 통상적인 버너 시스템과 비교하여 더 유연성이 있다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 적어도 8중량%의 Fe, 바람직하게는 적어도 10중량%, 더 바람직하게는 적어도 15중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 20중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 25중량%, 바람직하게는 적어도 30 중량%, 더 바람직하게는 적어도 35중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 37중량% Fe를 포함한다. 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 48중량%의 Fe, 바람직하게는 최대 47중량%, 더 바람직하게는 최대 45중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 43중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 41중량%의 Fe를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 Fe의 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 11885에기재된 방법에 따라 결정된다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 적어도 22중량% SiO2, 바람직하게는 적어도 24중량%, 더 바람직하게는 적어도 25중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 26중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 27중량%, 바람직하게는 적어도 28중량%, 더 바람직하게는 적어도 29%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 30.0중량% SiO2를 포함한다. 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 42중량%의 SiO2, 바람직하게는 최대 40중량%, 더 바람직하게는 최대 37중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 33중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 32중량% SiO2를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 SiO2의 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 12677에 기재된 방법에 따라 결정된다. 상기 SiO2 함량은 또한, DIN EN ISO 11885에 따른 방법을 이용하여 실리콘 Si의 함량을 먼저 결정한 다음, 이 결과를 산화물 SiO2로 변환시킴으로써 간접적으로 결정될 수 있다.
본 발명자들은, 청구항에 명시되는 바와 같은, 본 발명에 따른 슬래그 내에 상당한 양의 SiO2의 존재가 상기 슬래그를 물로 퀀칭할 때 용융 슬래그를 그 용기로부터 부은 후 폭발을 피하는 강력한 요인임을 발견하였다. 상기 슬래그는 불가피하게 FeO로서 철이 풍부하다. 충분히 높은 온도에서, FeO는 물의 O2 기체 및 H2 기체로 분해 반응을 위한 촉매로서 작용할 수 있다. 공기 및 확실히 산소와 혼합물 내 수소 기체는 매우 넓은 폭발 범위를 가지므로, 발화원의 존재 하에 공기 또는 산소와 혼합물 내에서 쉽게 폭발한다. 출원인은 슬래그 내 충분한 SiO2의 존재가 퀀칭 단계에서 물을 폭발성 혼합물로 분해하기 위한 슬래그 내 존재하는 철의 촉매 작용을 억제할 수 있음을 발견하였다. 더 많은 SiO2의 존재의 추가적 이점은, 동일한 정도 및 용이성의 용융 슬래그 및 용융 금속상의 분리를 달성하기 위하여 및 따라서 두 상들의 원하는 금속 함량 측면에서 우수한 분리를 달성하기 위하여 더 낮은 온도로 충분할 정도로, 슬래그의 유동성을 개선시킨다는 것이다.
한편, 슬래그의 SiO2 함량을 명시되는 상한 아래로 유지시키는 것은 상기 슬래그 용융 온도를 더 낮게 유지시키는 이점을 가져온다. 더 높은 SiO2 함량에서, 본 발명자들은 슬래그 용융 온도가 증가함을 발견하였다. 상기 슬래그 용융 온도는 종종 슬래그 "액상선 온도"로도 불리운다. 이러한 이론에 구애되고자 하지 않으나, 출원인은 고농도에서 일부 SiO2가 분리된 상으로서 나올 수 있으며 이는 고점도를 가질 수 있는 것으로 믿는다. 높은 SiO2 함량에서 프로세싱 문제에 책임이 있는 것은 이러한 분리된 고 점성 상이다. 슬래그의 SiO2 함량을 명시된 하한 아래로 유지하는 것은 동일한 양의 생산된 주요 금속에 대하여 슬래그 부산물의 양이 감소된다는 이점을 가져온다. 이는 본 발명에 따른 방법을 이용하는 것과 같이, 상기 슬래그를 업그레이드시키기 위한 프로세싱 부담을 감소시킨다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 적어도 1.0중량% CaO, 바람직하게는 적어도 1.2중량%,더 바람직하게는 적어도 1.4중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 1.75중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 2.0중량%, 바람직하게는 적어도 2.25중량%, 더 바람직하게는 적어도 2.50중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 3.00중량% CaO를 포함한다. 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 18중량%의 CaO, 바람직하게는 최대 15중량%, 더 바람직하게는 최대 12중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 10중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 8.0중량% CaO를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 CaO 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다.
출원인들은 명시되는 CaO 수준이 한편으로는 더 낮은 수준에 의하여 슬래그 유동성을 개선시키고 슬래그의 융점("액상선 온도")을 감소시키는 이점을 가져옴을 발견하였다. 이는 용융 형태로 슬래그 프로세싱의 작업성 측면에서 이점을 가져오며, 더 낮은 온도에서 용융 금속상으로부터 개선된 분리를 허용한다. 슬래그 내 CaO 수준은 주로 CaCO3와 같은 첨가되는 융제로부터 온다. 출원인은 CaCO3를 첨가한 다음 CaO로 전환시키는 것과 같은 CaO의 공정 내 첨가가 업스트림 금속 회수 공정 단계에서 슬래그로부터 금속의 회수를 개선시키고, 낮은 Pb 수준의 달성을 용이하게 하며, 슬래그 유동성을 개선시킴을 발견하였다. 출원인들은 또한, 슬래그 제품이 지오폴리머 내 사용될 때 CaO가 추가적 이점들을 가져옴을 발견하였다. 명시된 수준, 특히 상한은 따라서, 과량의 첨가되는 융제가 수득되고 도입될 필요가 없다는 이점을 가져온다. 또한, 이러한 수준은 생산되는 슬래그 부산물을 감소시켜, 관련된 폐기물 스트림 처분 부담을 포함하는 슬래그 프로세싱 부담을 감소시킨다.
출원인들은 나아가, 슬래그 내 특정 수준의 CaO에 도달하기 위한 욕구가, 업스트림 금속 회수 공정 단계에서, 다양한 유형의 금속들을 함유하나 방해가 되는 Ca 화합물이 풍부할 수 있는 공급 원료의 신중하고 부분적인 허용을 가능케함을 발견하였다. 이러한 공급 원료는 대개 다른 공정들로부터의 폐기물 스트림이고, 전형적으로 그 오퍼레이터에 높은 처분 부담이 된다. 그러한 물질의 예는 석고(CaSO4)를 함유하는 폐수 처리 슬러지이다.
CaO 함량에 대한 상한 설정은 CaO를 용액 내 유지시키기 위하여 더 적은 SiO2가 요구될 수 있으며 슬래그 양이 더 적게 유지될 수 있다는 이점을 가져온다. 슬래그 내 더 적은 CaO에 대한 요구는 더 적은 CaCO3 및/또는 CaSO4가 도입될 수 있으며, 이는 이들 칼슘 공급원의 제련 및 분해가 매우 에너지 집약적이므로 공정의 에너지 요구를 상당히 감소시킨다는 추가적 이점을 가져온다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 1.50중량%의 Zn, 바람직하게는 최대 1.40중량%, 더 바람직하게는 최대 1.30중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 1.20중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 1.10중량%, 바람직하게는 최대 1.00중량%, 더 바람직하게는 최대 0.90중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.80중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.70중량%의 Zn을 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 Zn의 함량은 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 0.10중량%의 Zn, 바람직하게는 적어도 0.15중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.20중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.25중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 0.30중량%, 바람직하게는 적어도 0.35중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.40중량% 및 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.50중량%의 Zn을 포함한다. 한편으로, 출원인들은 아연 함량 수준을 명시되는 상한 아래로 하는 것을 선호하며 이는 침출 위험 감소 및 슬래그가 유해한 분류의 대상이 될 위험이 없다는 이점이 있으나, 다른 한편으로 출원인들은 아연 함량 수준을 특정 하한 위로 유지하는 것을 선호하며 이는 슬래그로부터 아연 제거 부담 및 비용이 허용가능하게 유지되기 때문이다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 0.30중량%의 Pb, 바람직하게는 최대 0.25중량%, 더 바람직하게는 최대 0.20중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.15중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.100중량%, 바람직하게는 최대 0.050중량%, 더 바람직하게는 최대 0.040중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.030중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.026중량% Pb를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 Pb 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 0.005중량%의 Pb, 바람직하게는 적어도 0.010중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.015중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.020중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 0.025중량%, 바람직하게는 적어도 0.030중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.035중량% 및 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.040중량% Pb를 포함한다. 한편으로, 출원인은 납 함량은 명시된 상한 아래로 하는 것을 선호하며 이는 침출 위험 감소 및 슬래그가 유해한 분류의 대상이 될 위험이 없다는 이점이 있으나, 다른 한편으로 출원인들은 납 함량 수준을 또한 특정 하한 위로 유지하는 것을 선호하며 이는 슬래그로부터 납 제거 부담 및 비용이 허용가능하게 유지되기 때문이다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 1.30중량%의 구리 Cu, 바람직하게는 최대 1.10중량%, 더 바람직하게는 최대 1.00중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.90중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.80중량%, 바람직하게는 최대 0.75중량%, 더 바람직하게는 최대 0.70중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.60 중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.40중량% Cu를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 Cu 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 100 ppm wt의 Cu, 바람직하게는 적어도 0.05중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.10중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.15중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 0.20중량% Cu를 포함한다. 바람직하게, 상기 슬래그는 적어도 0.30중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.35중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.40중량%의 Cu를 포함한다.
청구항에 명시되는 바와 같은 소량의 그러나 측정가능한 양의 구리의 존재는 본 발명에 따른 슬래그 제조에서 구리 함유 원료 물질의 프로세싱을 허용한다. 출원인들은 원료 물질 내 가능한 한 많은 구리를 더 가치있는 금속 형태로 회수하기 위하여 슬래그의 구리 함량을 상한 아래로 유지하는 것을 선호한다. 또한, 구리는 슬래그로부터 침출될 수 있는 형태로 종종 존재하는 금속이다. 구리는 수성 환경에서 조류의 수명에 영향을 미친다. 구리 침출은 따라서, 본 발명에 따른 슬래그의 일부 잠재적 적용에서 환경독성 우려를 야기할 수 있다. 한편으로, 출원인들은 슬래그 내 구리 함량을 하한 위로 유지하는 것을 선호하며 이는 추가적인 양의 구리를 슬래그로부터 제거하기 위한 노력과 관련 비용이 점점 증가하기 때문이다. 구리 수준을 명시되는 바와 같이 하한 위로 유지하는 것은 따라서, 공급 원료 프로세싱 부담 및 관련 작업 비용을 단순화한다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 2.5 중량%의 산화마그네슘, MgO, 바람직하게는 최대 2.00 중량%, 더 바람직하게는 최대 1.50중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 1.3중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 1.20중량%, 바람직하게는 최대 1.10중량%, 더 바람직하게는 최대 1.00중량% MgO를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 MgO 함량은 마그네슘 Mg에 대한 분석 결과를 MgO로 변환시킴으로써 결정될 수 있다. 그러한 슬래그의 마그네슘 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 0.10중량% of MgO, 바람직하게는 적어도 0.20중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.30중량%의 MgO를 포함한다. 바람직하게, 상기 슬래그는 적어도 0.40중량%의 MgO, 바람직하게는 적어도 0.50중량%, 더 바람직하게는 적어도 0.60중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 0.70중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 0.75중량%를 포함한다.
본 발명에 따른 슬래그 내 명시된 MgO 수준의 이점은 본원의 어딘가에 대체적으로 설명되었다.
DIN EN ISO 11885에 기재된 방법은 유도 결합 플라즈마 광학 발광 분석법(ICP-OES)로도 언급되는 유도 결합 플라즈마 원자 발광 분석법(ICP-AES)를 이용한다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 2.0중량%의 황 S, 바람직하게는 최대 2.00중량%, 더 바람직하게는 최대 1.50중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 1.25중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 1.00중량%, 바람직하게는 최대 0.50중량%, 더 바람직하게는 최대 0.40중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.30 중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.20중량%를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 S 함량은 바람직하게는 주요한 정도로 ISO 15350에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 0.05중량%의 S를 포함한다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 적어도 9중량% 및 최대 63중량%의 FeO로 표시되는 산화철을 추가로 포함한다. 이 함량은 다시 청구항 1에서 동일 기준으로, 즉 건조량 기준으로 표시된다. 상기 FeO 함량은 원소 Fe 함량을 FeO로 전환함으로써 쉽게 얻을 수 있다. 이와 관련하여, 상기 Fe 함량은 존재하는 원소 금속 및 사노하 형태 금속의 존재의 총 합으로서 표시된다. 일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 적어도 10중량%의 FeO, 바람직하게는 적어도 12중량%, 더 바람직하게는 적어도 15중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 20중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 30중량%, 바람직하게는 적어도 40중량%, 더 바람직하게는 적어도 45중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 50중량%를 포함한다. 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 60중량%의 FeO, 바람직하게는 최대 58중량%, 더 바람직하게는 최대 56중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 54중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 53중량%를 포함한다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 5.0중량%의 산화나트륨, Na2O, 바람직하게는 최대 4.50중량%, 더 바람직하게는 최대 4.00중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 3.75중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 3.50중량%, 바람직하게는 최대 3.25중량%, 더 바람직하게는 최대 3.10중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 3.00 중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 2.90중량%를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 Na2O의 함량은 나트륨 Na의 분석 결과를 Na2O로 전환함으로써 결정될 수 있다. 그러한 슬래그의 나트륨 함량은 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 1.00중량%의 Na2O를 포함한다.
출원인들은 슬래그 제조 공정의 공급 원료 내 나트륨의 존재가 본 발명에 따른 슬래그 내 Na2O 함량에 대하여 적어도 부분적으로 책임이 있음을 발견하였다. 출원인들은 나아가, Na2O의 존재가 슬래그의 용융 온도를 상당히 감소시킬 수 있음을 발견하였다. Na2O의 존재로 인하여, 상기 슬래그는 슬래그가 플라즈마 처리되기 전에 형성되는 노 내에서 비교적 낮은 온도에서 더 유동적이다. 이는 슬래그 내 성분들과 액체 금속상 내 성분들 간의 더 나은 분리가 달성되어, 두 상들의 원하는 성분들 측면에서 더 농축된 금속상 및 동시에 더 농축된 슬래그상이 얻어질 수 있다는 이점을 가져온다. 이는 한편으로는 금속상 내 원하는 금속의 더 높은 회수, 금속상 내 원하는 금속의 더 높은 농도를 초래하며, 다른 한편으로는, 슬래그상 내 귀금속의 더 낮은 농도를 초래한다. Na2O의 존재는 또한, 다운스트림 공정 요건, 본 발명의 경우 최종 슬래그 생산을 위한 슬래그의 플라즈마 처리 프로세싱 단계가 감소된다는 이점을 가져온다. 상기 플라즈마 처리 단계는 더 낮은 온도에서 일어날 수 있으면서도, 슬래그의 더 나은 유동성, 예를 들어 더 낮은 점도로 인하여, 적어도 원하는 퓨밍 활성 및 상분리 속도를 누릴 수 있으며, 따라서 슬래그로부터 아연 및/또는 납의 퓨밍 및 본 발명에 따른 슬래그의 수득 측면에서 적어도 원하는 프로세싱 속도를 달성할 수 있다. 본 발명에 따른 슬래그 내 Na2O 함량은 따라서, 본 발명에 있어서 추가적으로 적절한 요소이다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 동일 기준으로, 적어도 3중량% 및 최대 12중량%의 산화알루미늄, Al2O3을 추가로 포함한다. 바람직하게, 상기 슬래그는 적어도 3중량% Al2O3, 더 바람직하게는 적어도 4.0중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 5.0중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 6.0중량%, 바람직하게는 적어도 7.0중량%, 더 바람직하게는 적어도 7.5중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 8.0중량%를 포함한다. 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 11.5중량%의 Al2O3, 바람직하게는 최대 11.0중량%, 더 바람직하게는 최대 11.0중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 10.5중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 10.0중량%를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 Al2O3의 함량은 바람직하게, 알루미늄 함량을 결정하고 그 결과를 산화알루미늄 Al2O3으로 전환시키기 위하여 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다.
출원인들은 본 발명에 따른 방법의 원료는 청동을 공정 내로 도입함에 의해서와 같이, Al을 도입할 수 있음을 발견하였다. Al은 또한 금속으로서 의도적으로, 예를 들어 환원제로서 도입될 수 있다, 즉, 산화하여 Al2O3를 형성함으로써, 알루미늄은 예를 들어 귀금속의 산화물의 그 원소 금속 형태로 환원을 보조할 수 있다. 출원인들은 환원제로서 알루미늄 금속이 비교적 다량의 에너지를 공정 내로 가져올 수 있음을 발견하였다. 출원인들은 명시된 양의 알루미늄의 존재가 본원의 어딘가에 이미 논의된 모든 관련 이점들과 함께 슬래그의 용융 온도의 감소의 이점을 가져올 수 있음을 발견하였다. 출원인은 나아가, 명시된 양의 Al2O3의 존재가 지오폴리머로서 슬래그의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 믿는다.
한편으로, 출원인들은 Al2O3에 대하여 명시되는 바와 같이 상한을 설정하는 것을 선호하며, 이는 과도한 수준의 Al2O3이 슬래그 점도를 증가시켜 프로세싱 장애를 가져올 수 있음을 발견하였기 때문이다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 1.50중량%의 산화아연, ZnO, 바람직하게는 최대 1.40중량%, 더 바람직하게는 최대 1.30중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 1.20중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 1.10중량%, 바람직하게는 최대 1.05중량%, 더 바람직하게는 최대 1.00중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.95 중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.90중량%를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 ZnO의 함량은 아연 Zn에 대한 분석 결과를 ZnO로 전환함으로써 결정될 수 있다. 그러한 슬래그의 아연 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 0.25중량%의 ZnO를 포함한다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 최대 0.323중량%의 산화납, PbO, 바람직하게는 최대 0.300중량%, 더 바람직하게는 최대 0.250중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.200중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.100중량%, 바람직하게는 최대 0.050중량%, 더 바람직하게는 최대 0.030중량%, 더욱 더 바람직하게는 최대 0.028 중량%, 훨씬 더 바람직하게는 최대 0.020중량%를 포함한다. 비-철 금속 제조로부터 슬래그 내 PbO의 함량은 납 Pb에 대한 분석 결과를 PbO로 전환함으로써 결정될 수 있다. 그러한 슬래그의 납 함량은 바람직하게는 DIN EN ISO 11885에 기재된 방법에 따라 결정된다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 0.005중량%의 PbO를 포함한다.
본 발명에 따른 슬래그의 일 구현예에서, 상기 슬래그 내 존재하는 철은 철 귀감람석(chrysolite)로도 불리우는 감람석(fayalitic) 구조 Fe2SiO4로 주로 존재한다.
본 발명에 따른 슬래그의 일 구현예에서, 상기 슬래그는 Topas Academic Software V5를 사용하고 Al2O3를 내부 표준으로서 사용하는 정량적 X-선 회절법(XRD)에 의하여 결정되는, 적어도 30중량%, 바람직하게는 적어도 50중량%, 더 바람직하게는 적어도 70중량%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 80중량%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 85중량% 비정질 함량을 가진다. 더 높은 비정질 함량의 슬래그는 슬래그가 더 나은 분쇄성을 가진다는 이점을 슬래그에 제공한다. 이러한 특성은 슬래그를 바인더로 사용하고자 할 때와 같이, 작은 입자들이 요구될 때 특히 이롭다. 다른 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 30% 결정성, 바람직하게는 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 70%와 같이 적어도 상당히 결정성이다. 높은 결정화도는 갑옷 스톤으로서 및 기타 장식 목적을 위한 것과 같은 다른 최종 용도에서 특히 이로운, 고경도 및 고강도, 및 또한 매우 어두운 흑색의 이점을 제공한다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 적어도 0.5 mm 및 최대 5.0 mm, 바람직하게는 적어도 0.7 mm, 더 바람직하게는 적어도 0.9 mm, 및 선택적으로 최대 3.0 mm, 바람직하게는 최대 2.0 mm의 평균 입경(d50, 중량 기준으로 계산 및 체질을 통하여 얻을 수 있음)을 가지는 과립 형태를 가진다. 분쇄 슬래그의 미세도는 또한, 시멘트 분쇄(특정 표면)의 미세도를 나타내는데 통상적으로 사용되는 값인, "Blaine 값"에 의하여 표시된다. 분쇄 미세도는 DIN 1164 파트 4에 따라 공기 투과도[cm2/g]를 측정함으로써 결정된다. 본 발명에 따른 일 구현예에서 상기 슬래그의 Blaine 값은 1800-6000 범위, 바람직하게는 적어도 2000, 더 바람직하게는 적어도 2200, 더욱더 바람직하게는 적어도 2500, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 3000이어야 한다. 일 구현예에서, 상기 슬래그의 Blaine 값은 최대 5500, 바람직하게는 최대 5000, 더 바람직하게는 최대 4500, 더욱 더 바람직하게는 최대 4000이다. 이러한 Blaine 값은 슬래그가 바인더로서 사용될 때 특히 유리하다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 습식 체질에 의하여 결정되는, 따라서 중량 기준으로 계산되는, 적어도 10 ㎛ 및 최대 500 ㎛, 바람직하게는 적어도 20 ㎛, 더 바람직하게는 적어도 30 ㎛, 및 선택적으로 최대 200 ㎛, 바람직하게는 최대 100 ㎛, 더 바람직하게는 최대 50 ㎛의 평균 입경(d50)을 가지는 분말 형태를 가진다. 이는 슬래그가 바인더로서 사용될 때 특히 이점을 가져온다.
본 발명에 따른 슬래그의 일 구현예에서, 입자의 적어도 90중량%(d90)가, 습식 체질에 의하여 결정되는, 최대 200 ㎛, 바람직하게는 최대 150 ㎛, 더 바람직하게는 최대 100 ㎛의 직경을 가진다. 이는 슬래그가 매우 관리하기 쉽고 슬래그가 바인더로서 사용될 때 평활한 페이스트를 제공하도록, 더 큰 입자의 양이 매우 제한된다는 이점을 가져온다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 슬래그는 적어도 4 mm 및 최대 200 mm의 평균 입경(d50, 중량 기준으로 계산)을 가지는 청크 형태를 가진다. 특정 구현예에서, 상기 슬래그는 4-20 mm 범위의 평균 입경을 가진다. 이러한 슬래그 형태는 응집체와 같은 다른 적용에 매우 적합하다. 다른 특정 구현예에서, 상기 슬래그는 50-200 mm 범위의 평균 입경을 가진다. 이러한 슬래그 형태는 예를 들어 갑옷 스톤과 같은 장식 요소로서 적합할 수 있다.
본 발명에 따른 물품의 일 구현예에서, 상기 물품은 바람직하게는 모래 및/또는 본 발명에 따른 슬래그를 포함하는 응집체를 추가로 포함하고, 상기 슬래그는 최대 1.50중량%의 아연, Zn을 포함한다. 출원인들은 상기 슬래그가 건설 산업에서 응집체로서, 단독으로 또는 모래와 같은 기타 응집체와 조합하여 매우 적합함을 발견하였다. 상기 슬래그는 강도 개선을 가져올 수 있으며, 또한 최종 제품의 미를 개선시킬 수 있다.
본 발명에 따른 물품의 일 구현예에서, 상기 슬래그는 적어도 1.0% CaO를 포함하고, 상기 슬래그는 바인더로서 존재하고, 상기 물품은 활성화제를 추가로 포함한다. 출원인들은 본 발명에 따른 슬래그가 적합한 활성화제와 반응함으로써 응집체를 위한 강한 결합 특성을 나타낼 수 있는, 활성 바인더로서 작용할 수 있음을 발견하였다. 상기 슬래그는 따라서, 포틀랜드 시멘트 대신 사용되거나, 또는 예를 들어, 코팅, 접착제, 복합체 등에 내화성 및 내열성을 제공하는, "지오폴리머"로 간주되는 물품 내 유일한 바인더로서 사용될 수 있다.
지오폴리머는 전형적으로 반복 단위를 가지는 프레임워크 구조를 가지는 비정질 물질이며, 이 경우 공유 산호 원자에 의하여 결합되는 Fe 및 Si를 포함한다. 지오폴리머의 적용은 광범위하며, 이들 중 많은 것이 물질의 내화성 및 내열성에 의한 것이다.
활성화제를 포함하는 구현예에서, 상기 활성화제는 수산화나트륨 NaOH, 수산화칼륨 KOH, 규산나트륨 Na2SiO3, 규산칼륨 K2SiO3, 및 이의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 바람직하게는 상기 활성화제는 NaOH이다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 물품은 건설 자재, 바람직하게는 타일, 포장 재료, 블록, 콘크리트 블록, 및 이의 조합으로 이루어지는 목록으로부터 선택되는 요소이다.
본 발명에 따른 물품은 가능하게 소성될 수 있으며, 이는 불그스름한 색상이 되는 것과 같은 색상 변화의 이점을 가져올 수 있다. 또한, 경화 단계를 소성보다 더 낮은 온도에서, 예를 들어 120-250℃ 범위 온도에서 적용할 수 있으며, 이는 물품의 미적 측면뿐 아니라 기계적 특성에도 쉽게 기여할 수 있다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 물품은 발포 구조를 가진다. 이는 물품이 단열 및/또는 차음 특성을 나타내고, 이러한 특성이 바람직하거나 요구되는 적용에서 증가된 허용성을 찾을 수 있도록, 열 및 소리에 대한 전도성이 감소되는 이점을 가져온다.
본 발명에 따른 방법은 플라즈마 토치를 이용한다. 플라즈마 토치 내에서, 그 사이에 공기 또는 불활성 기체와 같은 기체 스트림이 통과하는 두 전극 사이에 전기 노가 발생한다. 상기 전기 노는 기체 스트림을 매우 높은 온도로 가열하고, 천연 가스와 같은 환원제와 임의 혼합 후, 상기 고온 기체 스트림은 용융 슬래그 배스 내로 주입된다. 슬래그 배스를 가열하는 것은 슬래그 배스를 통과하는 고온 기체 스트림이다. 표면으로 가는 도중에, 기체 스트림은 Zn 및/또는 Pb와 같은 퓨밍가능한 금속을 픽업한다. 대안적으로, 고체 탄소 또는 탄소-함유 물질, 바람직하게는 석유코크스(petcokes) 형태와 같은, 환원제가 슬래그 배스에 첨가될 수 있다. 이 경우, 플라즈마 토치는 에너지를 제공하며, 환원을 가능케 하는 것은 배스 내 환원제이다.
앞서 논의한 DC-EAF 공정에 비하여, 플라즈마 토치를 이용한 퓨밍 공정의 중요한 이점은 공정 장치에 대한 훨씬 더 낮은 투자 및 유지 비용이다. 특히, 전기 장치 및 아크 발생 장치는 훨씬 더 간단하고, 상기 슬래그 배스를 함유하는 노는 전기 아크 발생을 위한 전기 회로의 일부가 아니다. 추가적인 이점은 플라즈마 토치 공정이 상당량의 기체를 슬래그 배스를 통과시키는 것을 본질적으로 포함하여 집중적인 배스 교반을 초래하므로, 퓨밍에 훨씬 더 적합하다는 것이다. DC-EAF 공정에서, 용융 슬래그 밑에 용융 금속상에 의하여 애노드가 형성된다. 상기 공정은 두 개의 액상들이 분명히 분리되고 연속적으로 유지될 것을 요하며, 따라서 플라즈마 토치 공정에서와 동일한 정도의 액체 배스 내 교반을 허용할 수 없다. 상기 플러즈마 토치 공정은 따라서, DC-EAF 공정보다 슬래그로부터 아연 및/또는 납을 퓨밍하는데 훨씬 더 효율적이다.
A.F.S.Schoukens, L.R.Nelson 및 N.A.Barcza, "Plasma-Arc treatment of steel-plant dust and zinc-containing slag - Theoretical and Practical Considerations"에 의하여 개시된 플라즈마-아크 처리 공정뿐 아니라, 앞서 인용된 E.Hecker, B.Friedrich 및 J.Bohlke에 의한 문헌에 기재된 DC-EAF 공정 또한, 따라서, 본 발명에 따른 아연 및/또는 납의 퓨밍에 훨씬 덜 적합하다.
본 발명에 적합한 공정은 K.Verschuere et al, "Continuous Fuming of Zinc-Bearing Residues: Part II, The Submerged-Plasma Zinc-Fuming Process", Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 38B, February 2007, pp.21-33에 논의된다. 저자는 많은 작업 변수들의 배스 온도, 열 손실, 슬래그 내 Zn 농도 및 함량, 매트(matte) 내 Cu 농도 및 함량에 대한 잠재적 영향을 조사하기 위한 모델을 사용하였다. 기본적인 경우에 생산되는 슬래그는 0.78중량% ZnS 외에 3.25중량% ZnO를 함유하며, 이들은 함께 슬래그 내에 3.13중량%의 Zn 함량을 나타낸다. 모든 경우에 있어서, 잔류 슬래그 내 Zn 농도는 적어도 1.3중량% Zn이다. 피드 내 MgO의 양에 대하여, 상기 문헌은 도 12에서 슬래그의 Zn 함량을 감소시키기 위하여 적어도 3%의 MgO/피드 투입(중량%)으로 작업할 것을 교시한다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 제 1 슬래그가 액체로서 퓨머 내로 도입된다. 이는 공급 물질이 퓨머 내에서 용융될 필요가 없어, 퓨머 내로의 열 투입량이 제한되게 유지된다는 이점을 가져온다. 본 발명에 따른 방법을 동일 현장에서 다른 고온야금 공정과 조합하는 것은 액체 형태의 제1 슬래그를 생산할 수 있고 이는 본 발명에 따른 퓨머 내로와 같이 쉽게 공급될 수 있으므로 매우 유리하다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 상기 제1 슬래그는 바람직하게는 플라즈마 토치에 의하여 퓨머 내에서 가열된다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 상기 제1 슬래그의 적어도 일부가 퓨머 내에서 플라즈마 토치에 의하여 용융된다. 이는 고체 제1 슬래그 또한 본 발명에 따른 방법에서 프로세싱될 수 있다는 이점을 가져온다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 퓨밍 중에, 플라즈마 토치가 퓨머 내 존재하는 용융 슬래그 내로 침지된다. 이는 고온 플라즈마 유체의 흐름에 의한 용융 슬래그의 고도 교반, 상기 슬래그와 고온 플라즈마 유체의 집중적 접촉, 및 아연 및 납과 같은 퓨밍되기 쉬운 금속의 매우 효과적인 퓨밍의 이점을 가져온다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, CaO, Al2O3, 및 이의 조합으로부터 선택되는 산화물이, 바람직하게는 적어도 1000℃, 바람직하게는 약 1050℃, 더 바람직하게는 약 1150℃의 온도에서, 상기 퓨머 내 상기 슬래그에 첨가된다. 이는 퓨밍 후 제2 슬래그의 최종 조성이 더욱 최적화 및 안정화될 수 있어, 잠재적으로 광물학에 영향을 미침으로써 슬래그를 특정 최종 용도에 더욱 적합하게 한다는 이점을 가져온다. 출원인들은 명시되는 고온에서 및 용융 상태로 첨가가 원하는 효과를 얻는데 더 효과적임을 발견하였다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 상기 제2 슬래그가 냉각되어 고체가 되고, 바람직하게는 상기 제2 슬래그가 액체로서 상기 퓨머로부터 제거된다. 그 이점은 제2 슬래그가 냉각되는 동안 퓨머가 추가적인 슬래그 처리를 위하여 배출될 수 있다는 것이다. 상기 슬래그는 공기, 가능하게 주변 공기와 접촉에 의하여 냉각 및/또는 고화될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 상기 냉각은 상기 액체 제2 슬래그를 물과 접촉시킴으로써 수행된다. 출원인들은 물을 이용한 냉각이 매우 효과적이고 다양한 방식으로 적용되어 비교적 잘 조절된 냉각 속도를 초래할 수 있음을 발견하였다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 상기 제2 슬래그는 초당 적어도 섭씨 40도, 바람직하게는 초당 적어도 섭씨 50도, 더 바람직하게는 초당 적어도 섭씨 60도 속도로 냉각된다. 출원인들은 명시되는 바와 같은 더 높은 냉각 속도로, 슬래그의 더 높은 비정질 함량을 얻을 수 있으며, 이는 슬래그가 바인더로서 사용이 의도될 때와 같이 특정 최종 용도를 위하여 이로움을 발견하였다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 상기 방법은 상기 고체 제2 슬래그를 분쇄하는, 바람직하게는 상기 슬래그를 분말로 분쇄하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 구현예에서, 상기 제2 슬래그는 초당 섭씨 30도 미만, 바람직하게는 초당 최대 섭씨 30도, 더 바람직하게는 초당 최대 섭씨 20도의 속도로 냉각된다. 출원인들은 명시되는 바와 같은 더 낮은 냉각 속도로, 슬래그의 더 낮은 비정질 함량, 및 따라서 더 높은 결정화도를 얻을 수 있으며, 이는 슬래그가 응집체로서 또는 장식 목적으로 사용이 의도될 때와 같이 특정 최종 용도를 위하여 이롭다.
본 발명의 구현예에서, 상기 슬래그는 최대 1.50중량%의 아연, Zn, 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하고, 상기 슬래그는 응집체용 바인더로서, 바람직하게는 활성 바인더로서, 바람직하게는 포졸란 활성을 가지는 바인더로서 사용된다. 출원인들은 상기 슬래그가 포틀랜드 시멘트와 같은 시멘트를 부분적으로 대체할 때와 같이, 시멘트를 대신하여 바인더로서 작용할 수 있을 뿐 아니라, 지오폴리머 조성물 제조를 위한 바인더로서도 작용할 수 있음을 발견하였다.
슬래그가 응집체를 위한 바인더로서 사용되는 본 발명의 구현예에서, 상기 슬래그는 포틀랜드 시멘트의 대체물로서, 바람직하게는 포틀랜드 시멘트의 부분 대체물로서 사용된다.
슬래그가 응집체를 위한 바인더로서 사용되는 본 발명의 구현예에서, 상기 슬래그는 최대 1.50중량%의 아연, Zn, 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하고, 상기 슬래그는, 무기 폴리머 조성물 내 바인더로서, 바람직하게는 염기와 조합하여, 더 바람직하게는 무기 폴리머 조성물 내 주요 바인더로서, 더 바람직하게는 무기 폴리머 조성물 내 유일한 바인더로서 사용된다.
본 발명의 구현예에서, 그 사용은 추가로 무기 폴리머 조성물을 발포시키는 단계를 포함한다. 그 결과는 단열 및/또는 차음 특성을 위하여 바람직할 수 있는 발포된 조성물이다.
발포를 수반하는 구현예에서, 상기 슬래그는 단열 및/또는 차음을 개선시키기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 용도들 중 하나의 구현예에서, 상기 슬래그는 최대 1.50중량%의 아연, Zn, 및 적어도 1.0중량%의 CaO를 포함하고, 상기 슬래그는 산화칼슘 CaO, 산화알루미늄 Al2O3, 수산화칼슘 Ca(OH)2, 탄산칼슘 CaCO3, 황산칼슘 CaSO4으로부터 선택되는 부가적인 산화물, 또는 이의 전구체와 조합하여 사용되고, 바람직하게는 상기 슬래그 및 부가적인 산화물 또는 전구체는 사용 전에 함께 혼합된다.
출원인들은 부가적인 산화물 또는 그 전구체가 블래스트 노 슬래그로서, 적합한 비-철 슬래그로서, 석고-함유 잔사로서, 따라서 CaSO4.2H2O를 포함하여, 적합한 필터 분진, 석회(Ca(OH)2), 또는 석회암(CaCO3)으로서와 같이 석회 함유 조성물로서 도입될 수 있음을 발견하였다. 출원인들은 나아가, 부가적인 산화물 또는 그 전구체가 액체 용융 슬래그 내로 그것이 고화되기 전에 도입될 수 있음을 발견되었다. 이러한 액체 내로의 도입의 이점은 부가적인 산화물 또는 그 전구체가 본 발명에 따른 슬래그와 긴밀하게 혼합될 수 있다는 것이다.
물질의 플라즈마 처리 기법은 종래 기술에 공지되어 있다. WO　2011/136727 A1은 액체 및 슬러리, 및 특히 원자력 발전소로부터 증발기 농축물과 같이, 실온에서 유동가능한 폐기물의 플라즈마 처리 방법을 개시한다. 상기 처리의 목적은 처리되는 폐기물의 부피를 최소화하는 것이다. 산화된 기체가 플라즈마 발생기 내로 공급되고, 강하게 가열된 고온 엔탈피 플라즈마 기체가 혼합 구역 내에서 상기 폐기물과 혼합된다. 출발 물질은 약 15% 유기 및 무기 물질 및 약 25% 염을 포함한다. 처리시, 물이 휘발되고, 유기 성분들이 완전히 분해되고 부분적으로 연소되고, 무기 물질들이 용융 및 산화된다. 상기 혼합 구역 후에, 세퍼레이터가 제공되며 그 안에서 액체 무기 물질이 기체 스트림으로부터 분리된다. 수득되는 유리 매트릭스/슬래그 제품은 금속 및 산화물을 포함하고, 바람직하게는 침출에 견딜 수 있는 실리케이트 슬래그 내에 결합되고, 침출에 견디는 유리 매트릭스/슬래그의 형성을 개선하기 위하여 파쇄 유리, 모래/석영 등과 같은 적합한 슬래그 형성 물질이 상기 혼합 구역 또는 유동가능한 폐기물에 첨가될 수 있다. 상기 유리/슬래그는 다음, 가능하게 추가 처리없이 최종 저장소로 이송될 수 있다.
또한, WO　2014/046593는, 앞서 논의한 바와 같이, 슬래그 처리를 위한 3000℃ 이상 또는 심지어 4000℃ 이상의 온도를 가지는 고온 기체 생산을 위한 플라즈마 토치의 용도를 기재한다. GB　2448556 및 GB　2445420은 핵 폐기물의 유리화를 위한 플라즈마 공정을 개시한다.
실시예 1: 플라즈마 퓨밍에 의한 슬래그 제조
파일럿 시험을 3 메트릭톤 규모로 수행하여, 침지형 플라즈마 시스템을 이용하여 제2 슬래그가 제1 슬래그로부터 제조되었음을 입증하였다.
시험을 Scanarc Plasma Technologies의 설비에서 수행하였다. 반응기를 액체 슬래그 레벨 아래 침지된 1 MW 플라즈마 토치로 가동시켰다. 상기 토치를 통하여 천연 가스를 주입하고 및/또는 반응기 상부의 공급 홀을 통하여 석유코크스를 주입함으로써 슬래그 퓨밍을 수행하였다. 상기 슬래그 조성을 샘플링 홀을 통하여 샘플링함으로써 일정한 간격으로 모니터링하였다. 상기 슬래그 조성은 표 1에 나타내는 바와 같이 시간 경과에 따라 진화하였으며, 표 1에서 데이터는 총 슬래그 조성물에 대한 중량%으로 표시된다.
샘플시간(분) 15 104 151 207
Fe 40.0 40.9 41.2 40.5
SiO2 28.2 30.2 30.6 31.9
Zn 7.5 4.1 2.7 0.7
Pb 0.25 0.064 0.029 0.024
최종 슬래그를 더 철저히 분석하였으며, 표 2에 나타내는 바와 같이 추가로 농도를 나타냈다.
성분 중량%
CaO 3.0
FeO 52.1
Na2O 2.7
Al2O3 9.0
ZnO 0.9
PbO 0.026
최종 슬래그를 냉수 내 과립화에 의하여 신속히 냉각시켰으며, 이는 XRD에 의하여 결정되는 72중량%의 비정질 함량을 제공하였다. 동일 슬래그의 일부를 금속판 위에 부어 서서히 냉각하였으며, 이는 XRD에 의하여 결정되는 44중량%의 비정질 함량을 제공하였다. 사용된 XRD 기법은 Al2O3을 내부 표준으로 사용하는, Topas Academic Software V5를 이용한 정량적 X-선 회절 분석법이었다.
상기 슬래그의 Zn 함량이 플라즈마 처리 동안 분명히 감소하였다. Pb 함량 또한 상기 처리 동안 추가로 감소되었다. 약 200 분 후, 1% 이하의 Zn 함량 및 0.03% 이하의 Pb 함량에 도달하였다.
실시예 2: 슬래그로부터 타일의 제조
실시예 1로부터의 신속히 냉각된 슬래그를 바인더로서 사용하고, 실시예 1로부터의 서서히 냉각된 슬래그를 응집체로서 사용하여, 압축 무기 폴리머 샘플을 제조하였다. 바인더를 위하여, 상기 슬래그 일부를 미분하였으며, 결과 형성되는 슬래그 분말은 90중량%의 입자가 50 내지 70㎛ 범위의 입경을 가지는 입자 크기 분포를 가졌다. 상기 슬래그를 80㎛의 체눈을 이용하여 원심밀(Retsch ZM100) 내에서 밀링하엿다. 입자 크기 분포(PSD)를 습식 레이저 산란 분석법(Malvern Mastersizer S)을 이용하여 측정하였으며, d90 ≤ 70 ㎛를 가지는 것으로 밝혀졌다. 응집체로서, 슬래그의 다른 부분을 분쇄하고, 체질 및 재혼합의 결과, 산업 표준 EN 196-1에 따른 Normsand 또는 Norm Sand의 것과 근접하는 입자 크기 분포를 가지는 혼합물이 생성되었다. Norm sand (EN 196-1)과 유사한 슬래그 응집체의 입자 크기를 달성하기 위하여, 상기 서서히 냉각된 슬래그를 디스크 밀(Retsch® DM200) 내에서 서서히 밀링하였다. 다음, 파쇄된 입자를 0.08 mm - 0.16 mm, 0.16 mm - 0.5 mm, 0.5 mm - 1 mm, 1 mm - 1.6 mm and 1.6 mm - 2 mm 분획들로 구분하였다. 이는 진동식 체 진동기 (Retsch® AS 200 basic) 상에서 앞서 언급한 메쉬 크기의 체(Retsch® type)의 컬럼을 사용하여 수행되었다. 수득된 분획을 EN 196-1에 명시되는 백분율로 혼합함으로써 원하는 양의 각각의 분획의 슬래그 응집체 배치를 제조하였다. 규산나트륨, 물유리, 물 내 39-40% 규산염으로서, company abcr GmbH, Karlsruhe (DE)로부터 획득한 상업적 물유리(Na2SiO3)와 물 내 NaOH의 6N(6 몰/리터) 용액을 50/50 wt/wt 비로 혼합함으로써 제조된 활성화 용액을 추가로 사용하였다. 다음 혼합비가 적용되었다:
· 활성화 용액/바인더: 0.48/1.0
· 응집체/바인더: 4.7/1.0
무기 폴리머 샘플 제조를 위하여, 먼저 교반 하에 상기 바인더를 상기 활성화 용액에 서서히 첨가하고, 그 결과 생성물을 추가 30 초의 기간 동안 혼합하였다. 다음, 혼합을 계속하면서, 상기 응집체를 약 1 분의 시간 동안 서서히 첨가하였다. 그 후, 혼합을 추가로 총 3 분의 기간 동안 지속하였다. 자동 믹서(Dispermat AE)를 600 rpm의 일정한 혼합 속도로 사용하였다.
결과 형성되는 건조 혼합물을 50 x 50 x 27 mm3 (길이 x 폭 x 높이) 몰드 내에서 약 15 초 동안 ~ 75 MPa 압축력으로 실험용 유압 프레스(MIGNON SSN/EA)를 사용하여 압축하였다. 최종 제품의 크기는 50 x 50 x 22 mm3 (길이 x 폭 x 높이)였다. 이와 같이 하여 압축된 타일을 대략 10 bar 게이지 압력에서 고압 오토클레이트 내에서 24 시간 동안 180℃ 온도에서 먼저 경화한 다음, 20℃ 온도 및 90% 상대 습도에서 조절된 공기 환경에서 27일의 기간 동안 경화하였다.
실시예 3: 타일의 성능 시험
실시예 2로부터의 타일은 성능 시험 동안 다음 결과를 제공하였다.
압축 강도를 Schenck-RM100 압축 시험기 (1 mm/분 압축 속도)에 의하여 최고 샘플 크기 방향으로 측정하였다. 네 개의 샘플을 시험하였다. 28일째에 압축 강도는 102.4 ± 4.4 MPA로 밝혀졌다. 이러한 압축 강도는 첫번째 경화일 후에 이미 달성되었던 것으로 밝혀졌다. 상기 압축 강도는 추가적인 27일 경화 기간 후에 동일하게 유지되었다.
비교를 위하여, Normensand GmbH, Germany로부터 획득한 Norm sand를 응집체로서 사용하여 유사한 타일을 제조하였다. Normsand로 슬래그 응집체 대체를 동일 부피 기준으로 수행하여 동일 크기를 유지하였다. 상기 Normsand-기재의 타일은 단지 35 ± 1 MPa의 압축 강도를 달성하였다.
상기 슬래그-기재 타일의 수분 흡수를 ISO 10545-3:1995에 따라 측정하였으며, 이는 약 4.8중량%인 것으로 밝혀졌다. 28일의 경화 후, 타일의 육안 검사에 의하여 어떠한 백화(efflorescence)도 관찰되지 않았다.
이제 본 발명을 충분히 기재하였으나, 본 발명은 청구항에 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위로부터 이탈됨이 없이 청구범위 내에 다양한 변수 내에서 수행될 수 있는 것으로 당업자에 의하여 이해될 것이다.

Claims (38)

  1. 슬래그로서, 상기 슬래그는,
    건조량 기준으로, 원소 금속으로서 존재하는 금속 및 산화 상태로 존재하는 금속의 총 합으로서 금속의 존재를 표시하여,
    a) 7 중량% 이상 및 49 중량% 이하의 철, Fe,
    b) 1.3 중량% 이하의 구리, Cu,
    c) 24 중량% 이상 및 44 중량% 이하의 이산화실리콘, SiO2, 및
    d) 2.0 중량% 이상 및 20 중량% 이하의 산화칼슘, CaO
    을 포함하고,
    상기 슬래그는, 동일 기준으로,
    e) 0.10 중량% 이상 및 1.00 중량% 이하의 아연, Zn,
    f) 0.10 중량% 이상 및 2.5 중량% 이하의 산화마그네슘, MgO, 및
    g) 0.100 중량% 이하의 납, Pb
    을 포함하는, 슬래그.
  2. 제1항에 있어서,
    동일 기준으로, 9 중량% 이상 및 63 중량% 이하의 산화철, FeO을 추가로 포함하는, 슬래그.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    동일 기준으로, 5 중량% 이하의 산화나트륨, Na2O을 추가로 포함하는, 슬래그.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    동일 기준으로, 3 중량% 이상 및 12 중량% 이하의 산화알루미늄, Al2O3을 추가로 포함하는, 슬래그.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    동일 기준으로, 1.5 중량% 이하의 산화아연, ZnO을 추가로 포함하는, 슬래그.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    건조량 기준으로, 0.323 중량% 이하의 산화납, PbO을 추가로 포함하는, 슬래그.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래그 내에 존재하는 철은 주로 철감람석(fayalite) 구조 Fe2SiO4로 존재하는, 슬래그.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    X-선 회절법(XRD)에 의하여 결정되는, 30중량% 이상의 비정질 함량, 바람직하게는 50중량% 이상, 더 바람직하게는 70중량% 이상, 더욱 더 바람직하게는 80중량% 이상, 훨씬 더 바람직하게는 85중량% 이상의 비정질 함량을 가지는, 슬래그.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.5 mm 이상 및 5.0 mm 이하, 바람직하게는 0.7 mm 이상, 더 바람직하게는 0.9 mm 이상, 및 선택적으로 3.0 mm 이하, 바람직하게는 2.0 mm 이하의 평균 입경(d50, 중량 기준으로 계산)을 가지는 과립 형태를 가지는, 슬래그.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    습식 체질에 의하여 결정되는, 따라서 중량 기준으로 계산되는, 10 ㎛ 이상 및 500 ㎛ 이하, 바람직하게는 20 ㎛ 이상, 더 바람직하게는 30 ㎛ 이상, 및 선택적으로 200 ㎛ 이하, 바람직하게는 100 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 50 ㎛ 이하의 평균 입경(d50)을 가지는 분말 형태를 가지는, 슬래그.
  11. 제10항에 있어서,
    입자의 90중량%(d90) 이상이, 습식 체질에 의하여 결정되는, 200 ㎛ 이하, 바람직하게는 150 ㎛ 이하, 더 바람직하게는 100 ㎛ 이하의 직경을 가지는, 슬래그.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    50 mm 이상 및 200 mm 이하의 평균 입경(d50, 중량 기준으로 계산)을 가지는 청크 형태를 가지는, 슬래그.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 슬래그를 바인더로서 및/또는 응집체로서 포함하는 물품으로서, 상기 슬래그는 1.50중량% 이하의 아연, Zn을 포함하는, 물품.
  14. 제13항에 있어서,
    바람직하게는 모래 및/또는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 슬래그를 포함하는 응집체를 추가로 포함하고, 상기 슬래그는 1.50중량% 이하의 아연, Zn을 포함하는, 물품.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 슬래그는 1.0% 이상의 CaO를 포함하고, 상기 슬래그는 바인더로서 존재하고, 상기 물품은 활성화제를 추가로 포함하는, 물품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 활성화제는 수산화나트륨 NaOH, 수산화칼륨 KOH, 규산나트륨 Na2SiO3, 규산칼륨 K2SiO3, 및 이의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 바람직하게는 상기 활성화제는 NaOH인, 물품.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 건설 자재, 바람직하게는 타일, 포장 재료, 블록, 콘크리트 블록, 및 이의 조합으로 이루어지는 목록으로부터 선택되는 건설 자재인, 물품.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물품은 발포 구조를 가지는, 물품.
  19. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 제2 슬래그의 제조 방법으로서,
    상기 제2 슬래그는 1.50중량% 이하의 아연, Zn 및 1.0중량% 이상의 CaO를 포함하고, 상기 방법은
    아연, 납 및 이의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 함유하는 제1 슬래그를 제공하는 단계,
    상기 제1 슬래그를 퓨머(fumer) 내로 도입하는 단계,
    상당한 양의 아연, 납 및 이의 조합으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 하나 이상의 플라즈마 토치를 사용하여 상기 제1 슬래그로부터 퓨밍하여, 제2 슬래그를 수득하는 단계, 및
    상기 퓨머로부터 상기 제2 슬래그를 제거하는 단계
    를 포함하는, 슬래그의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 슬래그는 액체로서 상기 퓨머 내로 도입되는, 슬래그의 제조 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 제1 슬래그를, 바람직하게는 상기 플라즈마 토치에 의하여, 상기 퓨머 내에서 가열하는, 슬래그의 제조 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 슬래그의 일부가 상기 플라즈마 토치에 의하여 용융되는, 슬래그의 제조 방법.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퓨밍 중, 상기 플라즈마 토치가 상기 퓨머 내에 존재하는 용융 슬래그내에 침지되는, 슬래그의 제조 방법.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    CaO, Al2O3, 및 이의 조합으로부터 선택되는 산화물이, 바람직하게는 1000℃ 이상, 바람직하게는 약 1150℃의 온도에서, 상기 퓨머 내 상기 슬래그에 첨가되는, 슬래그의 제조 방법.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 슬래그가 냉각되어 고체가 되고, 바람직하게는 상기 제2 슬래그가 액체로서 상기 퓨머로부터 제거되는, 슬래그의 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 냉각은 상기 액체 제2 슬래그를 물과 접촉시킴으로써 수행되는, 슬래그의 제조 방법.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 제2 슬래그는 초당 섭씨 40도 이상, 바람직하게는 초당 섭씨 50도 이상, 더 바람직하게는 초당 섭씨 60도 이상의 속도로 냉각되는, 슬래그의 제조 방법.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 제2 슬래그를 분쇄하는, 바람직하게는 상기 슬래그를 분말로 분쇄하는 단계를 추가로 포함하는, 슬래그의 제조 방법.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 슬래그는 초당 섭씨 30도 미만, 바람직하게는 초당 섭씨 30도 이하, 더 바람직하게는 초당 섭씨 20도 이하의 속도로 냉각되는, 슬래그의 제조 방법.
  30. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 슬래그의 용도로서,
    건설 산업에서, 충전제, 바인더 및 이의 조합으로 이루어지는 목록으로부터 선택되는 성분으로서, 슬래그의 용도.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 슬래그는 1.50중량% 이하의 아연, Zn 및 1.0중량% 이상의 CaO를 포함하고, 상기 슬래그는 응집체용 바인더로서, 바람직하게는 활성 바인더로서, 바람직하게는 포졸란 활성을 가지는 바인더로서 사용되는, 슬래그의 용도.
  32. 제31항에 있어서,
    포틀랜드 시멘트 대체물로서, 바람직하게는 포틀랜드 시멘트의 부분 대체물로서, 슬래그의 용도.
  33. 제30항 내지 제32항 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래그는, 무기 폴리머 조성물 내 바인더로서, 바람직하게는 염기와 조합하여, 더 바람직하게는 무기 폴리머 조성물 내 주요 바인더로서, 더욱 더 바람직하게는 무기 폴리머 조성물 내 유일한 바인더로서, 1.50중량% 이하의 아연, Zn 및 1.0중량% 이상의 CaO를 포함하는, 슬래그의 용도.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 무기 폴리머 조성물을 발포시키는 단계를 포함하는, 슬래그의 용도.
  35. 제34항에 있어서,
    개선된 단열 및/또는 차음을 위한, 슬래그의 용도.
  36. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 슬래그의 용도로서,
    마모층 및/또는 루핑 타일 또는 루핑 슁글용 코팅의 제공, 블라스팅 샌드 또는 블라스팅 그릿 성분으로서, 바람직하게는 건설 제품 내에, 더 바람직하게는 흑색 타일 내에 흑색 착색제로서 발포 타일 성분으로서, 바람직하게는 장식 목적을 위한 흑색 하드 청크로서, 및 바람직하게는 수중 적용을 위한, 더 바람직하게는 수력 공학용 고밀도 밸러스트로서, 및 이의 조합으로부터 선택되는 최종 용도에서의 용도로서, 상기 슬래그는 1.50중량% 이하의 아연, Zn 및 1.0중량% 이상의 CaO를 포함하는, 슬래그의 용도.
  37. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 슬래그의 용도로서,
    벽돌 또는 진흙 벽돌의 소성 온도 감소, 차음, X-선 차폐, 및 이의 조합으로부터 선택되는 효과를 위한 용도로서, 상기 슬래그는 1.50중량% 이하의 아연, Zn 및 1.0중량% 이상의 CaO를 포함하는, 슬래그의 용도.
  38. 제30항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래그는 산화칼슘 CaO, 산화알루미늄 Al2O3, 수산화칼슘 Ca(OH)2, 탄산칼슘 CaCO3, 황산칼슘 CaSO4으로부터 선택되는 부가적인 산화물 또는 이의 전구체와 조합하여, 상기 슬래그의 1.50중량% 이하의 아연, Zn 및 1.0중량% 이상의 CaO를 포함하고, 바람직하게는 상기 슬래그 및 부가적인 산화물 또는 전구체는 사용 전에 함께 혼합되는, 슬래그의 용도.
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