철강 산업은 생산 공정에 따라 부산물로 다양한 조성을 가지는 슬래그가 대량으로 발생하는 산업이다. 다양한 철강슬래그 중 전기로 환원슬래그는 전기로 공정 후 용강을 재정련하는 래들로에서 발생하며, 환원공정에서 탈산제로서 ...
철강 산업은 생산 공정에 따라 부산물로 다양한 조성을 가지는 슬래그가 대량으로 발생하는 산업이다. 다양한 철강슬래그 중 전기로 환원슬래그는 전기로 공정 후 용강을 재정련하는 래들로에서 발생하며, 환원공정에서 탈산제로서 Si 및 Al이 투입되며, 높은 SiO2 및 Al2O3의 조성을 갖는 환원슬래그가 발생된다. 환원슬래그 내에 존재하는 SiO2는 CaO와 결합하여 시멘트의 주요광물인 C2S로 존재한다. 그러나 에이징 과정을 거치며 공기 중에서 서서히 냉각되므로 고온에서 반응성을 갖는 β-C2S상을 유지하던 C2S는 γ-C2S로 서서히 전이되어 반응성을 상실하게 된다. 이러한 이유로 서냉 환원슬래그는 지금까지 결합재로서 사용은 한계를 가지고 있다. 그러나 C2S가 반응성이 상실되었다고 하더라도 Al2O3 성분이 존재하고 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 하지만 반응성이 상실된다는 측면에서 보았을 때 환원슬래그를 고온의 용융상태에서 급냉할 경우에는, 높은 열에너지가 반응에너지로서 잔재하게 되며, 급결성을 띄는 물질인 Mayenite(C12A7, C11A7·CaF2)를 다량으로 함유하게 되었으며, 보통 포틀랜드 시멘트에서 주요 수화특성을 갖는 Lanite(β-C2S)도 발견함으로서 속경성 재료로서 기대할 수 있는 결과를 보여 현재 환원슬래그를 이용한 속경성 시멘트를 개발하였다. 따라서 전기로 환원슬래그를 처리하는 방식에 따라 다른 특성을 보인다. 서냉 환원슬래그는 안정한 결정상을 서서히 형성하지만, 급냉 환원슬래그는 재배열이 가능한 비정질 상으로 존재하게 되어 두 개의 처리방식에 따른 환원슬래그는 반응성에서도 큰 차이를 보인다. 또한 용융상태의 슬래그는 차가운 공기 중에 노출될 때 슬래그가 가지는 열용량에 차이에 의해 냉각속도가 달라진다. 슬래그의 입도크기가 클수록 슬래그가 가지는 열용량은 커지며, 비표면적은 작아짐에 따라 냉각속도는 느려진다. 그와 반대로 입도가 작으면 내부에 열용량에 비해 비표면적이 커지기 때문에 냉각속도는 빨라진다. 따라서 이러한 이론을 바탕으로 용융상태의 슬래그를 공기 또는 물에 의해 냉각하게 되면 다양한 입도를 갖는 환원슬래그가 발생된다. 결국 입자의 크기와 냉각속도에 관계에서 안정한 결정화상 및 불안정한 비정질상이 나타남에 따라 반응성의 차이도 나타나는 것으로 보여 진다. 본 연구에서는 이러한 냉각속도의 개념을 두 가지로 정의하였다. 첫 번째는 크게 서냉공정과 급냉공정으로 처리된 슬래그의 반응성을 비교하였고, 두 번째는 슬래그의 입자의 비표면적이 다르면 슬래그가 받는 냉각속도가 다를 것이라 생각하여 슬래그의 각 입도에 따라 분류하여 반응성을 검토하였다. 따라서 이러한 이론을 바탕으로 전기로 환원슬래그는 냉각속도에 따라 다양한 입도를 가지며 이에 따른 다른 수화특성을 가질 것으로 생각된다. 따라서 냉각속도에 따른 품질특성을 분석하여 향후 전기로 환원슬래그의 처리방식에 따른 용도개발을 위한 기초 데이터로 사용할 수 있게 실험을 수행하였다. 본 연구는 5장으로 이루어졌으며 대략적인 연구의 구성은 다음과 같다. Chapter 1 : 서 론 Chapter 2 : 철강슬래그 및 환원슬래그의 특성에 관한 이론적 고찰 Chapter 3 : 서냉 환원슬래그의 재료특성 및 수화특성 Chapter 4 : 공기 급냉 환원슬래그 재료특성 및 수화특성 Chapter 5 : 결 론 본 연구의 결과는 다음과 같다. 1) CA계 전기로 환원슬래그의 냉각속도를 공기서냉, 살수서냉, 공기급냉으로 나누어 살펴보았을 때 비중과 산화물조성에서는 큰차이는 보이지 않았으나, 광물조성에서는 전제적으로 주요광물로 C12A7이 나타났다. 그러나 다른 주요 광물로는 공기서냉 환원슬래그는 γ-C2S가, 공기급냉 환원슬래그는 β-C2S로 나타난 것을 확인하였다. 특히, 살수서냉 환원슬래그는 처리과정에서 이미 물과 반응하여 CHA 수화물이 형성된 것을 확인하였다. 2) 비표면적에 따른 냉각속도에 기준을 두어 입자 크기별로 나누어 실험한 결과, 서냉 환원슬래그는 골재상이 자체분화 된 분말상보다 높은 비중과 Fe2O3의 함량을 가지고 있다. 급냉 환원슬래그는 입도별로 산화물의 조성은 크게 차이가 없으며, 광물조성 분석 결과는 입도가 작아질수록 비정질 상을 나타내어 Halo peak로 나타난 것을 확인하였다. 3) 공기서냉 환원슬래그와 살수서냉 환원슬래그는 냉각속도가 늦기 때문에 유리화율이 낮게 나타나 반응성이 떨어질 것으로 생각했으나, 공기 서냉 환원슬래그에 경우 응결특성에서는 빠른 반응성을 보였다. 이는 비록 광물에 γ-C2S가 존재하여 반응성이 떨어지지만 C12A7의 영향을 받은 것으로 사료된다. 그러나 살수서냉 환원슬래그의 경우 다소 늦은 응결을 보이는 것으로 나타났다. 4) 공기급냉 환원슬래그는 용융상태의 슬래그를 고속의 공기로 급냉시켜기 때문에 매우 높은 반응성을 기대할 수 있다. 따라서 유리화율을 측정해본 결과, 5mm over size를 제외한 나머지 입도에서는 약 90%이상의 유리화율을 가지고 있다. XRD에서 확인하였듯이, 입도가 작아질수록 유리화율이 더 높게 나타나, 가장 입도가 작은 1.2mm under size에서 매우 빠른 응결을 보이는 것을 확인하였다. 5) 강도 특성에서는 서냉 환원슬래그는 단독으로 사용하였을 때 매우낮은 강도발현을 보였으며, 석고를 혼입한 실험결과에서도 살수서냉환원슬래그는 매우낮은 강도발현을 보였다. 이는 SEM을 통해 분석한 결과를 보면 살수서냉 환원슬래그는 이미 처리과정에서 물과 반응하여 수화물이 형성되어 있기 때문에 강도 또한 발현되지 않은 것으로 사료된다. 공기서냉 환원슬래그는 석고랑 혼합하여 사용하였을 때 강도는 높게 발현되었다. 하지만 실제적으로는 대부분의 환원슬래그는 살수처리를 하여 서냉시키기 때문에 환원슬래그를 서냉 처리하여 사용하려면 물과 접촉하지 않는 조건이 필요하다고 생각된다. 6) 공기급냉 환원슬래그는 선행연구에서 이미 확인 되었듯이, 단독으로 사용하면 강도발현이 다소 낮은 경향을 보이지만 석고랑 혼합하여 사용하면 에트린가이트에 형성에 의해 강도발현이 높게 나타난 것을 알 수 있다. 입도의 차이에 따라서는 유리화율과 응결특성과 비례적으로 입도가 작을수록 더높은 강도를 발현하는 것으로 확인되었다. 따라서 공기급냉 환원슬래그의 입도의 크기 분포를 조절하여 분쇄하여 사용한다면, 더 높은 강도와 더 뛰어난 건설 재료를 얻을 수 있을 것이라 생각된다. CA계 전기로 환원슬래그는 이미 급냉공정을 통하여 새로운 속경성 시멘트로 많은 연구가 진행되고, 제품으로 개발하였다. 그러나 아직은 급냉 공정이 일부 슬래그에만 적용되고 있어, 일부는 서냉 공정을 적용하여 처리하고 있다. 따라서 두 개에 공정에 대해 냉각속도가 다른 점에 기준을 두어 본 연구를 진행하였다. 또한 각 공정에도 슬래그에 비표면적에 따른 냉각속도가 차이가 있기 때문에 그를 세분화하여 입도별로 나누어 실험을 진행하였다. 그 결과, 서냉 환원슬래그와 급냉 환원슬래그의 특성은 확연한 차이가 존재하였다. 서냉 환원슬래그는 크게 공기서냉과 살수서냉에서 차이를 보여 공기서냉 환원슬래그가 시멘트계 재료로서 가능성을 확인하였지만, 현실적으로는 대부분 살수하여 서냉하기 때문에 이를 사용하기 위해서는 더 많은 검토와 연구가 필요할 것이라 생각된다. 공기급냉 환원슬래그의 실험 결과에서는 초속경 시멘트와 매우 유사한 특성을 보이며, 실질적인 사용이 가능할 것이라 생각한다. 입도에 따라서는 입도가 작아질수록 비정질 형상을 띄며, 반응성이 매우 높게 나타났다. 따라서 공기급냉 환원슬래그를 바인더로 사용하기 위하여 분쇄할 때 사용자가 원하는 물성에 맞추어 입도를 조정하여 분쇄한다면, 최종제품에 대해서 더 뛰어난 결과를 얻을 수 있을 것이라 생각된다. 추후 더 정량적으로 서냉과 급냉 및 각 슬래그의 입도 차이에 대해 냉각속도를 비교하여 연구가 진행된다면, 더 많은 용도개발을 할 수 있을 것이라 생각된다.
철강 산업은 생산 공정에 따라 부산물로 다양한 조성을 가지는 슬래그가 대량으로 발생하는 산업이다. 다양한 철강슬래그 중 전기로 환원슬래그는 전기로 공정 후 용강을 재정련하는 래들로에서 발생하며, 환원공정에서 탈산제로서 Si 및 Al이 투입되며, 높은 SiO2 및 Al2O3의 조성을 갖는 환원슬래그가 발생된다. 환원슬래그 내에 존재하는 SiO2는 CaO와 결합하여 시멘트의 주요광물인 C2S로 존재한다. 그러나 에이징 과정을 거치며 공기 중에서 서서히 냉각되므로 고온에서 반응성을 갖는 β-C2S상을 유지하던 C2S는 γ-C2S로 서서히 전이되어 반응성을 상실하게 된다. 이러한 이유로 서냉 환원슬래그는 지금까지 결합재로서 사용은 한계를 가지고 있다. 그러나 C2S가 반응성이 상실되었다고 하더라도 Al2O3 성분이 존재하고 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 하지만 반응성이 상실된다는 측면에서 보았을 때 환원슬래그를 고온의 용융상태에서 급냉할 경우에는, 높은 열에너지가 반응에너지로서 잔재하게 되며, 급결성을 띄는 물질인 Mayenite(C12A7, C11A7·CaF2)를 다량으로 함유하게 되었으며, 보통 포틀랜드 시멘트에서 주요 수화특성을 갖는 Lanite(β-C2S)도 발견함으로서 속경성 재료로서 기대할 수 있는 결과를 보여 현재 환원슬래그를 이용한 속경성 시멘트를 개발하였다. 따라서 전기로 환원슬래그를 처리하는 방식에 따라 다른 특성을 보인다. 서냉 환원슬래그는 안정한 결정상을 서서히 형성하지만, 급냉 환원슬래그는 재배열이 가능한 비정질 상으로 존재하게 되어 두 개의 처리방식에 따른 환원슬래그는 반응성에서도 큰 차이를 보인다. 또한 용융상태의 슬래그는 차가운 공기 중에 노출될 때 슬래그가 가지는 열용량에 차이에 의해 냉각속도가 달라진다. 슬래그의 입도크기가 클수록 슬래그가 가지는 열용량은 커지며, 비표면적은 작아짐에 따라 냉각속도는 느려진다. 그와 반대로 입도가 작으면 내부에 열용량에 비해 비표면적이 커지기 때문에 냉각속도는 빨라진다. 따라서 이러한 이론을 바탕으로 용융상태의 슬래그를 공기 또는 물에 의해 냉각하게 되면 다양한 입도를 갖는 환원슬래그가 발생된다. 결국 입자의 크기와 냉각속도에 관계에서 안정한 결정화상 및 불안정한 비정질상이 나타남에 따라 반응성의 차이도 나타나는 것으로 보여 진다. 본 연구에서는 이러한 냉각속도의 개념을 두 가지로 정의하였다. 첫 번째는 크게 서냉공정과 급냉공정으로 처리된 슬래그의 반응성을 비교하였고, 두 번째는 슬래그의 입자의 비표면적이 다르면 슬래그가 받는 냉각속도가 다를 것이라 생각하여 슬래그의 각 입도에 따라 분류하여 반응성을 검토하였다. 따라서 이러한 이론을 바탕으로 전기로 환원슬래그는 냉각속도에 따라 다양한 입도를 가지며 이에 따른 다른 수화특성을 가질 것으로 생각된다. 따라서 냉각속도에 따른 품질특성을 분석하여 향후 전기로 환원슬래그의 처리방식에 따른 용도개발을 위한 기초 데이터로 사용할 수 있게 실험을 수행하였다. 본 연구는 5장으로 이루어졌으며 대략적인 연구의 구성은 다음과 같다. Chapter 1 : 서 론 Chapter 2 : 철강슬래그 및 환원슬래그의 특성에 관한 이론적 고찰 Chapter 3 : 서냉 환원슬래그의 재료특성 및 수화특성 Chapter 4 : 공기 급냉 환원슬래그 재료특성 및 수화특성 Chapter 5 : 결 론 본 연구의 결과는 다음과 같다. 1) CA계 전기로 환원슬래그의 냉각속도를 공기서냉, 살수서냉, 공기급냉으로 나누어 살펴보았을 때 비중과 산화물조성에서는 큰차이는 보이지 않았으나, 광물조성에서는 전제적으로 주요광물로 C12A7이 나타났다. 그러나 다른 주요 광물로는 공기서냉 환원슬래그는 γ-C2S가, 공기급냉 환원슬래그는 β-C2S로 나타난 것을 확인하였다. 특히, 살수서냉 환원슬래그는 처리과정에서 이미 물과 반응하여 CHA 수화물이 형성된 것을 확인하였다. 2) 비표면적에 따른 냉각속도에 기준을 두어 입자 크기별로 나누어 실험한 결과, 서냉 환원슬래그는 골재상이 자체분화 된 분말상보다 높은 비중과 Fe2O3의 함량을 가지고 있다. 급냉 환원슬래그는 입도별로 산화물의 조성은 크게 차이가 없으며, 광물조성 분석 결과는 입도가 작아질수록 비정질 상을 나타내어 Halo peak로 나타난 것을 확인하였다. 3) 공기서냉 환원슬래그와 살수서냉 환원슬래그는 냉각속도가 늦기 때문에 유리화율이 낮게 나타나 반응성이 떨어질 것으로 생각했으나, 공기 서냉 환원슬래그에 경우 응결특성에서는 빠른 반응성을 보였다. 이는 비록 광물에 γ-C2S가 존재하여 반응성이 떨어지지만 C12A7의 영향을 받은 것으로 사료된다. 그러나 살수서냉 환원슬래그의 경우 다소 늦은 응결을 보이는 것으로 나타났다. 4) 공기급냉 환원슬래그는 용융상태의 슬래그를 고속의 공기로 급냉시켜기 때문에 매우 높은 반응성을 기대할 수 있다. 따라서 유리화율을 측정해본 결과, 5mm over size를 제외한 나머지 입도에서는 약 90%이상의 유리화율을 가지고 있다. XRD에서 확인하였듯이, 입도가 작아질수록 유리화율이 더 높게 나타나, 가장 입도가 작은 1.2mm under size에서 매우 빠른 응결을 보이는 것을 확인하였다. 5) 강도 특성에서는 서냉 환원슬래그는 단독으로 사용하였을 때 매우낮은 강도발현을 보였으며, 석고를 혼입한 실험결과에서도 살수서냉환원슬래그는 매우낮은 강도발현을 보였다. 이는 SEM을 통해 분석한 결과를 보면 살수서냉 환원슬래그는 이미 처리과정에서 물과 반응하여 수화물이 형성되어 있기 때문에 강도 또한 발현되지 않은 것으로 사료된다. 공기서냉 환원슬래그는 석고랑 혼합하여 사용하였을 때 강도는 높게 발현되었다. 하지만 실제적으로는 대부분의 환원슬래그는 살수처리를 하여 서냉시키기 때문에 환원슬래그를 서냉 처리하여 사용하려면 물과 접촉하지 않는 조건이 필요하다고 생각된다. 6) 공기급냉 환원슬래그는 선행연구에서 이미 확인 되었듯이, 단독으로 사용하면 강도발현이 다소 낮은 경향을 보이지만 석고랑 혼합하여 사용하면 에트린가이트에 형성에 의해 강도발현이 높게 나타난 것을 알 수 있다. 입도의 차이에 따라서는 유리화율과 응결특성과 비례적으로 입도가 작을수록 더높은 강도를 발현하는 것으로 확인되었다. 따라서 공기급냉 환원슬래그의 입도의 크기 분포를 조절하여 분쇄하여 사용한다면, 더 높은 강도와 더 뛰어난 건설 재료를 얻을 수 있을 것이라 생각된다. CA계 전기로 환원슬래그는 이미 급냉공정을 통하여 새로운 속경성 시멘트로 많은 연구가 진행되고, 제품으로 개발하였다. 그러나 아직은 급냉 공정이 일부 슬래그에만 적용되고 있어, 일부는 서냉 공정을 적용하여 처리하고 있다. 따라서 두 개에 공정에 대해 냉각속도가 다른 점에 기준을 두어 본 연구를 진행하였다. 또한 각 공정에도 슬래그에 비표면적에 따른 냉각속도가 차이가 있기 때문에 그를 세분화하여 입도별로 나누어 실험을 진행하였다. 그 결과, 서냉 환원슬래그와 급냉 환원슬래그의 특성은 확연한 차이가 존재하였다. 서냉 환원슬래그는 크게 공기서냉과 살수서냉에서 차이를 보여 공기서냉 환원슬래그가 시멘트계 재료로서 가능성을 확인하였지만, 현실적으로는 대부분 살수하여 서냉하기 때문에 이를 사용하기 위해서는 더 많은 검토와 연구가 필요할 것이라 생각된다. 공기급냉 환원슬래그의 실험 결과에서는 초속경 시멘트와 매우 유사한 특성을 보이며, 실질적인 사용이 가능할 것이라 생각한다. 입도에 따라서는 입도가 작아질수록 비정질 형상을 띄며, 반응성이 매우 높게 나타났다. 따라서 공기급냉 환원슬래그를 바인더로 사용하기 위하여 분쇄할 때 사용자가 원하는 물성에 맞추어 입도를 조정하여 분쇄한다면, 최종제품에 대해서 더 뛰어난 결과를 얻을 수 있을 것이라 생각된다. 추후 더 정량적으로 서냉과 급냉 및 각 슬래그의 입도 차이에 대해 냉각속도를 비교하여 연구가 진행된다면, 더 많은 용도개발을 할 수 있을 것이라 생각된다.
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