[논문]고로(高爐)슬래그로 부터 제조(製造)된 용융(溶融)클링커의 광물조성(鑛物組成)과 색도특성(色度特性)

추용식; 서성관; 임두혁; 송훈; 이종규; 이승호

doi:10.7844/kirr.2011.20.6.071

고로(高爐)슬래그로 부터 제조(製造)된 용융(溶融)클링커의 광물조성(鑛物組成)과 색도특성(色度特性)
Mineral Composition and Color Properties of Molten Clinker made from Blast Furnace Slag 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.20 no.6, 2011년, pp.71 - 77

추용식 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부) , 서성관 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부) , 임두혁 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부) , 송훈 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부) , 이종규 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부) , 이승호 (한국세라믹기술원 그린세라믹본부)

초록
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용융클링커 제조용 혼합원료 중의 하나로 고로슬래그를 사용하였다. 고로슬래그를 사용한 혼합원료는 용융클링커 제조를 위해 1620에서 용융하였다. 냉각된 클링커는 XRD 패턴으로 클링커 광물의 생성여부를, 색도분석기로 색도를 분석하였다. 용융클링커는 XRD 분석을 통해 OPC 광물과 동등의 클링커 광물을 포함하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 용융시멘트는 OPC보다 백색도가 높아, 색상이 OPC보다 옅게 관찰되었다. 용융시멘트의 LSF 및 SM이 높아짐에 따라 백색도는 낮아졌다. 또한 슬래그를 용융시켜 제조한 시멘트 클링커는 고로 슬래그시멘트보다 백색도가 높았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Raw mix of molten clinker was fabricated using blast furnace slag as starting material. Raw mix was melted at 1620 for molten clinker fabrication. Color and mineral composition of molten clinker was investigated by XRD and colorimeter. It was found that the molten clinker contains alite and belite equivalent to OPC clinker mineral and shows higher whiteness value than that of OPC. Whiteness of the molten clinker decreased with LSF and SM. Also the whiteness value of the slag cement using molten clinker was higher than that of common slag cement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고로슬래그를 용융클링커 제조용 주원료로 하여, 시멘트 클링커를 제조하고자 하였다. 이때 용융클링커 내부에도 OPC 클링커에 존재하는 4대 광물이 생성되는지를 검토하였으며, 용융클링커를 사용한 용융시멘트의 색도도 분석하고자 하였다.
또한 X-선 회절분석기 (D5005D, 지멘스사, 독일)를 사용하여 광물 생성 여부·특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 용융 냉각된 클링커의 XRD 분석과 미세구조 관찰을 통해 OPC 광물과 동등의 클링커 광물이 생성됨을 확인하였다. 또한 용융클링커의 LSF 상승에 따라 alite 광물 함량도 증가함을 알 수 있었다.
고로슬래그를 용융클링커 제조용 주원료로 하여, 시멘트 클링커를 제조하고자 하였다. 이때 용융클링커 내부에도 OPC 클링커에 존재하는 4대 광물이 생성되는지를 검토하였으며, 용융클링커를 사용한 용융시멘트의 색도도 분석하고자 하였다.
특히 혼합원료를 용융 · 냉각하여 클링커화한 후, OPC (Ordianry Portland Cement) 클링커 광물인 alite와 belite 등의 생성 여부 및 색도를 측정하여, OPC 클링커로서의 사용가능성을 검토해 보고자 하였다.

제안 방법

Komukai 등은 MgO 함량 및 냉각조건이 클링커 색도에 영향을 준다고 발표하였으며, 특히 MgO 함량이 높을수록 b값이 감소한다고 하였다.(Fig. 2 참조) 또한 로내 분위기에 따라, 즉 환원분위기(질소가스 투입)에서는 냉각온도에 따라 MgO가 함유된 클링커에서 b값이 급격히 증가하는 현상을 관찰하였다. 이러한 현상은 클링커 화학성분 중 FeO 함량 증가와 밀접한 관련이 있는 것으로 추정하고 있으며, 이는 환원분위기에서 Fe₂O₃가 점차 Fe₃O₄, FeO로 변환되기 때문이다.
클링커 광물의 생성여부 및 색도를 검토하기 위해 LSF와 SM을 Table 2와 같이 변화시켰다. LSF 변화에 따른 특성을 검토하기 위해 SM을 1.6으로 고정하고, LSF는 85, 90 및 95로 변화시켰다. 또한 LSF를 88로 고정한 후 SM을 1.
5로 변화시켜 클링커 특성을 관찰하였다. LSF, SM 및 IM 변동에 따른 혼합원료 (500g)는 혼합수 함량을 분말 대비 25% (125g)로 혼합하여 단광을 제조하였으며, 단광 1개의 무게는 25g으로 하였다. 이후 100℃ 조건에서 항량 건조하였다.
그러므로 본 연구에서는 고로슬래그를 출발원료로 사용하여, 용융클링커를 제조하였다. 이때 혼합원료로 사용되는 고로슬래그 함량을 증대시키기 위해서, 기존 OPC 공정 클링커 품질계수를 벗어난 혼합원료 배합비를 설계하였다.
Komukai 등의 MgO 함량이 감소할수록 b가 상승한다는 주장과 유사한 결과이기도 하다. 더불어 C 용융시멘트와 슬래그를 각각 50%씩 혼합하여 제조한 혼합시멘트의 색도를 분석하였으며, 비교대상은 시중판매 슬래그시멘트로 하였다. Table 6에서와 같이 슬래그시멘트류의 L과 백색도는 OPC 및 용융시멘트보다 증가하였으나, a와 b는 감소하는 경향을 나타내었다.
6으로 고정하고, LSF는 85, 90 및 95로 변화시켰다. 또한 LSF를 88로 고정한 후 SM을 1.5와 2.0으로, 더불어 IM을 2.0과 2.5로 변화시켜 클링커 특성을 관찰하였다. LSF, SM 및 IM 변동에 따른 혼합원료 (500g)는 혼합수 함량을 분말 대비 25% (125g)로 혼합하여 단광을 제조하였으며, 단광 1개의 무게는 25g으로 하였다.
상기 3.2에서와 같이 용융법으로 제조한 클링커에서도 4대 광물이 충분히 생성된다는 것을 확인한 후, 용융시멘트를 제조하여 색도를 분석하였다. OPC와 동일한 Hunter L, a, b 값을 측정하였으며, 대표적 색도 일례를 Fig.
용융클링커의 광물상을 관찰하기 위해, 약 1 cm 전후의 클링커를 에폭시수지와 경화제를 혼합 · 성형한 후 24시간 유지시켜 고화하였다.
그러므로 본 연구에서는 고로슬래그를 출발원료로 사용하여, 용융클링커를 제조하였다. 이때 혼합원료로 사용되는 고로슬래그 함량을 증대시키기 위해서, 기존 OPC 공정 클링커 품질계수를 벗어난 혼합원료 배합비를 설계하였다. 특히 혼합원료를 용융 · 냉각하여 클링커화한 후, OPC (Ordianry Portland Cement) 클링커 광물인 alite와 belite 등의 생성 여부 및 색도를 측정하여, OPC 클링커로서의 사용가능성을 검토해 보고자 하였다.
용융클링커 90%와 탈황석고 10%를 혼합 · 분쇄하여 분말도 4500 ± 200 cm²/g인 용융시멘트를 제조하였다. 이후 색도계 (Color-Eye 3100, Gretag Macbeth사, 미국)를 사용하여 용융시멘트의 색도를 분석하였다. 본 연구에서 사용한 색도계는 Fig.
고화가 종료된 클링커는 표면을 연마하고 1% NH4Cl 용액으로 약 5초 동안 에 칭하였다. 이후 주사전자현미경 (SM300, 탑콘사, 일본)을 사용하여 미세구조를 관찰하였다. 또한 X-선 회절분석기 (D5005D, 지멘스사, 독일)를 사용하여 광물 생성 여부·특성을 파악하고자 하였다.

대상 데이터

고로 슬래그를 사용한 시멘트 클링커를 제조하기 위해, 출발원료로는 고로슬래그, 석회석, 규석 및 함철 더스트 등을 사용하였으며, 출발원료는 90 보다 큰 입자의 중량백분율이 10±1%가 되도록 분쇄하여 사용하였다.
용융클링커 90%와 탈황석고 10%를 혼합 · 분쇄하여 분말도 4500 ± 200 cm2/g인 용융시멘트를 제조하였다.

성능/효과

4에서와 같이 OPC 클링커에서 일반적으로 관찰되는 alite, belite 및 간극상 등의 광물을, 또한 alite에 함유된 belite, 미세균열 특징 등도 관찰할 수 있었다.¹²⁾ 즉 용융법으로 제조한 클링커에서도 XRD 패턴과 미세구조 관찰을 통하여 OPC 클링커와 동등의 결정들이 생성될 수 있음을 확인하였다.
5) 그러나 원료로서 혼합 · 사용될 수 있는 슬래그 함량은 5% 전후로 매우 적은 수준이다.
이중 약 58%만을 콘크리트 혼합재, 시멘트 원료 등으로 재활용하고 있으나, 나머지는 해안 및 육상매립에 의존하고 있다.⁶⁾ 상기의 현상들로 인하여 고로슬래그 발생량은 증가하나, 사용량은 점차 감소할 것으로 예측되고 있다. 따라서 고로 슬래그 활용 증대를 위한 다양한 방안이 도출되어야 하며, 이중 한 방법으로 시멘트 원료로의 사용량 확대를 들 수 있다.
대표적으로 용융클링커에서는 로 내부산소가 용융클링커로 침투하기 어려워 환원분위기가 유지되기 때문이다. LSF가 증가할수록 (A, B, C 클링커) L과 백색도가 감소하였으며, SM이 증가하는 D와 E 클링커에서도 유사한 결과가 도출되었다. 이는 고로슬래그 함량 감소에 따른 상대적 액상생성의 어려움으로, 환원분위기가 일부 산화분위기로 전환되기 때문으로 사료된다.
19%로 감소한다. MgO 함량 감소폭이 상대적으로 큰 (LSF 변동시 0.1%, SM 변동시 0.31%), SM 변화조건에서 b 값의 상승폭 (LSF 변동시 0.5, SM 변동시 2.98)도 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Y.
용융시멘트를 사용한 슬래그시멘트는 시중유통 슬래그시멘트보다 L 및 백색도가 크게 증가하기도 하였다. 결과적으로 흰색에 가까운 슬래그 미분말의 색상이 제조시멘트의 색도에 많은 영향을 미친 것으로 판단된다.
분말 원료의 화학분석 결과는 Table 1에 나타내었다. 고로 슬래그의 주요 성분인 CaO 함량은 45.72%, SiO2 34.48% 및 Al₂O₃ 18.50%로 구성되어 있으며, 석회석의 CaO 함량은 49.93%이었다.
^9-10) 즉 로내 분위기가 클링커의 색도 변화에 충분히 영향을 줄 수 있음을 확인한 것이다. 그러므로 본 연구에서도 클링커 용융 및 성분의 변화가 관찰되므로, Y. Komukai 및 Lea 등과 유사한 특징을 발현할 것으로 추정된다.
또한 LSF가 85인 A 클링커보다 LSF가 95인 C 클링커에서 32.2°부근의 alite 광물피크 강도가 높게 나타나는 일반적 특징을 발현하였다.
본 연구에서는 용융 냉각된 클링커의 XRD 분석과 미세구조 관찰을 통해 OPC 광물과 동등의 클링커 광물이 생성됨을 확인하였다. 또한 용융클링커의 LSF 상승에 따라 alite 광물 함량도 증가함을 알 수 있었다. 이러한 현상은 OPC 클링커에서도 관찰되는 대표적 특징이기도 하다.
LSF의 증가에 따라서 L과 백색도는 감소하였으며, SM의 증가에 따라서도 유사한 경향이 발견되었다. 상기의 현상들은 환원분위기에 의해 좌우되며, 더불어 MgO 함량에 의해서도 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 용융 클링커를 사용하여 제조된 혼합시멘트는 시중유통 슬래그시멘트 및 용융클링커 자체보다 L과 백색도가 증가하는 특성도 발현하였다.
상기의 현상들은 환원분위기에 의해 좌우되며, 더불어 MgO 함량에 의해서도 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 용융 클링커를 사용하여 제조된 혼합시멘트는 시중유통 슬래그시멘트 및 용융클링커 자체보다 L과 백색도가 증가하는 특성도 발현하였다.
이러한 현상은 OPC 클링커에서도 관찰되는 대표적 특징이기도 하다. 용융클링커의 색상은 OPC보다 L과 백색도가 높았으며, b도 높아지는 현상이 관찰되었다. LSF의 증가에 따라서 L과 백색도는 감소하였으며, SM의 증가에 따라서도 유사한 경향이 발견되었다.
A, B, C는 LSF를 변화시킨 클링커이며, D와 E는 SM을 변화시킨 클링커이다. 주요 성분인 CaO와 SiO₂ 함량을 비교해보면, LSF의 증가에 따라 즉 C 클링커로 갈수록 CaO 함량은 증가하며, SiO₂ 함량은 소폭 감소하는 경향을 나나내었다. SM의 증가에 따라서는 SiO₂는 1.

후속연구

국내 제철소의 고로슬래그 발생량은 매년 증가하여 약 800만톤 이상이며, 향후에도 고로의 증설에 따라 계속적으로 증가할 것으로 예상된다.^1-2) 그러나 최근 건설 경기는 하강하여 고로슬래그 사용량도 감소할 것으로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시멘트 클링커에 원료로서 혼합·사용될 수 있는 슬래그 함량이 5% 전후로 매우 적은 수준인 이유는 무엇인가?	5) 그러나 원료로서 혼합·사용될 수 있는 슬래그 함량은 5% 전후로 매우 적은 수준이다. 이는 슬래그에 존재하는 성분 함량으로 인하여, 기존 시멘트 클링커용 혼합원료 제조가 용이하지 못하기 때문이다. 즉 기존 시멘트 클링커 제조를 위한 품질계수 (LSF(Lime Saturation Factor) 92, SM(Silica Mojulus) 2.5, IM(Iron Modulus) 1.6 수준)를 만족시키기 어렵기 때문이다. 더불어 고로슬래그 활용처와 동일한 시멘트·콘크리트용 플라이애쉬 발생량도 증가하는 추세이다.
	고온의 용융슬래그를 클링커 제조에 이용하는 것은 어떠한 장점이 있는가?	또한 고로슬래그는 고로에서 배출시 용융상태를 유지하고 있으며, 이때 용융슬래그의 온도는 약 1500℃에 이른다. 즉 고온의 용융슬래그를 클링커 제조에 이용할 수 있다면 고온의 열원과 슬래그를 동시에 활용할 수 있는 장점을 갖는다. 고로 슬래그에는 석회석을 일정부분 대체할 수 있는 CaO가 약 45% 정도 함유되어 있는 특징도 갖는다.
	고로슬래그가 시멘트 클링커의 일부 원료로 사용되는 이유는 무엇인가?	고로슬래그는 대부분 시멘트 및 콘크리트용 혼합재, 콘크리트용 골재 또는 로반재 등으로 사용되고 있다.3-4)이외에도 시멘트 클링커의 일부 원료로 사용되고 있으며, 이는 슬래그가 원료로 혼합되어 소성이 용이해지는 특성을 발현하기 때문이다.5) 그러나 원료로서 혼합·사용될 수 있는 슬래그 함량은 5% 전후로 매우 적은 수준이다.

참고문헌 (12)

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J Hill, J.H Sharp, 2002: The mineralogy and microstructure of three composite cements with high replacement levels, Cem. Concr. Comp., 24, pp. 191-199.

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M. Ichikawa and Y. Komukai, 1993: Effect of Burning Condition and Minor Components on the Color of Portland Cement Clinker, Cem. Concr. Res., 23, pp. 933-938.

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Frederick M Lea, 1970: The Chemistry of Cement and Concrete, Third edition, pp. 152-153.
日本セメント協會編輯部, 1996: C&C エンサイクロペデア, 日本セメント協會, pp. 69-71.
Donald H. Campbell, 1986: Microscopical examination and interpretation of portland cement and clinker, pp. 55-97.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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