다양한 철강제조공정에서 부산되는 전기로 환원슬래그의 급경성 무기결합재로의 적용성 검토 Evaluation for Applicability as the Inorganic Binder with Rapid Setting Property for Construction Material of LFS Produced from Various Manufacturing Process원문보기
제강슬래그 중 15~20%를 차지하는 환원슬래그는 건설재료로서의 유익한 화학적 조성을 함유하고 있음에도 불구하고, 특별한 활용처가 없이 매립되어지고 있기 때문에 용도개발이 시급하다. 본 연구는 제강 환원슬래그를 고효율 재활용 용도 개발을 위한 연구로, 사전 연구결과 급냉을 통하여 분화가 없는 안정된 골재상 제조가 가능하고, 이를 분쇄하여 수화시 급결 특성과 자체 수화특성을 갖는 것을 확인하였다. 한편, 철강 제조 공정에서 부산되는 환원슬래그일지라도 생산 제품에 따라 슬래그의 특성도 큰 차이를 보이기 때문에, 각 생산 제품에 따른 10군데 플랜트에서 배출되는 환원슬래그를 채취하여 그 화학적 특성을 평가하였다. 분석된 화학적 특성을 바탕으로, 급냉 시 생성되어지는 광물을 예측하여 사전연구 되었던 급냉 환원슬래그와 같이 급결성 및 강도발현특성을 갖는 무기결합재로의 제조 가능성을 확인하고자 하였다. 그 결과 특수강 및 열연 제품 생산공정에서 배출되는 환원슬래그일수록 높은 $Al_2O_3$ 함량을 가짐에 따라, 급결성 광물인 $C_{12}A_7$을 다량 함유하고, 이로써 급냉을 통하여 특수용 무기결합재로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.
제강슬래그 중 15~20%를 차지하는 환원슬래그는 건설재료로서의 유익한 화학적 조성을 함유하고 있음에도 불구하고, 특별한 활용처가 없이 매립되어지고 있기 때문에 용도개발이 시급하다. 본 연구는 제강 환원슬래그를 고효율 재활용 용도 개발을 위한 연구로, 사전 연구결과 급냉을 통하여 분화가 없는 안정된 골재상 제조가 가능하고, 이를 분쇄하여 수화시 급결 특성과 자체 수화특성을 갖는 것을 확인하였다. 한편, 철강 제조 공정에서 부산되는 환원슬래그일지라도 생산 제품에 따라 슬래그의 특성도 큰 차이를 보이기 때문에, 각 생산 제품에 따른 10군데 플랜트에서 배출되는 환원슬래그를 채취하여 그 화학적 특성을 평가하였다. 분석된 화학적 특성을 바탕으로, 급냉 시 생성되어지는 광물을 예측하여 사전연구 되었던 급냉 환원슬래그와 같이 급결성 및 강도발현특성을 갖는 무기결합재로의 제조 가능성을 확인하고자 하였다. 그 결과 특수강 및 열연 제품 생산공정에서 배출되는 환원슬래그일수록 높은 $Al_2O_3$ 함량을 가짐에 따라, 급결성 광물인 $C_{12}A_7$을 다량 함유하고, 이로써 급냉을 통하여 특수용 무기결합재로서 적용이 가능할 것으로 판단된다.
The Ladle Furnace Slag, about 20% of the electric arc furnace slag, has high content of free CaO and free MgO, which generates the expansion collapse by hydration reaction. Although many researchers have been endeavoring to recycle the EAF reducing slag in construction fields, there is not found the...
The Ladle Furnace Slag, about 20% of the electric arc furnace slag, has high content of free CaO and free MgO, which generates the expansion collapse by hydration reaction. Although many researchers have been endeavoring to recycle the EAF reducing slag in construction fields, there is not found the effective recycling method up to now. However, the LFS(Ladle Furnace Slag) contains mineral composition of the system of calcium aluminate with high-reactivity. Therefore, it is possible to developed the quick setting property and the high strength at the early age by the rapid cooling. This study aimed to check the reactive minerals and predict the reactivity with water on the LFS discharged from different steel product plants. The test results show that many types of LFS has hydration reactivity and can use in construction field as a inorganic binder with the rapid setting property.
The Ladle Furnace Slag, about 20% of the electric arc furnace slag, has high content of free CaO and free MgO, which generates the expansion collapse by hydration reaction. Although many researchers have been endeavoring to recycle the EAF reducing slag in construction fields, there is not found the effective recycling method up to now. However, the LFS(Ladle Furnace Slag) contains mineral composition of the system of calcium aluminate with high-reactivity. Therefore, it is possible to developed the quick setting property and the high strength at the early age by the rapid cooling. This study aimed to check the reactive minerals and predict the reactivity with water on the LFS discharged from different steel product plants. The test results show that many types of LFS has hydration reactivity and can use in construction field as a inorganic binder with the rapid setting property.
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문제 정의
각 지점에서 배출되는 환원슬래그의 광물조성을 바탕으로, 공기급냉을 통하여 앞서 보여준 급냉 환원슬래그와 같은 급결특성 확보 가능성을 확인하여, 건설재료용 무기바인더로서의 가능성을 파악하고, 이를 저부가가치적으로 매립되어지는 환원슬래그의 고효율 재활용 용도 개발을 위한 기초자료로 사용하고자 한다.
본 연구에서는 국내 다수의 전기로 공정 철강제품 및 플랜트 별 부산되는 서냉 환원슬래그를 회수하여 각각의 화학적 특성을 분석하였다. 그 결과를 바탕으로 급결성 무기바인더로써 적정성을 평가하기 위하여 산화물 및 생성 광물을 예측하여 이를 환원슬래그 유효자원화를 위한 기초적 자료로써 제시하고자 한다.
S를 함유하고 있다. 때문에 건설재료용 무기 바인더로서의 적용이 가능할 것이라는 예상하에 무기바인더로써의 수화반응성을 평가하기 위하여 응결 시험 및 압축강도를 평가하였다.
본 연구에서는 국내 다수의 전기로 공정 철강제품 및 플랜트 별 부산되는 서냉 환원슬래그를 회수하여 각각의 화학적 특성을 분석하였다. 그 결과를 바탕으로 급결성 무기바인더로써 적정성을 평가하기 위하여 산화물 및 생성 광물을 예측하여 이를 환원슬래그 유효자원화를 위한 기초적 자료로써 제시하고자 한다.
Mayenite(C12A7 or C11A7 · CaF2)를 이용하여 급결제 및 급결성 혼화재로써 사용하는 연구는 1980년대 이후 주로 일본에서 연구되고 1990년대 이후 본격적으로 실용화되었으나, 현재까지 국내에서 일부 진행된 연구는 있으나 일반화되지는 못하였다. 이에 본 연구에서 진행된 급냉 환원슬래그 미분말을 초속경성 무기 바인더로써 활용하기 위하여, 초속경 시멘트와 응결시간 측정결과를 비교하였고, Fig. 2에 초속경 시멘트 및 급냉 환원슬래그 미분말의 응결시험 결과를 나타내었다.
제안 방법
Fig. 2에 나타난 것과 같이, 환원슬래그 미분말은 물과 반응하여 수초 내지 수십 초 내에 급격히 반응하여 이후의 성형 작업이 불가능함에 따라, 초속경 시멘트용 지연제로 사용되는 무수 구연산 지연제를 초속경 시멘트와 동일하게 바인더량 대비 0.5% 사용하여 측정하였다. 동일한 지연제량을 사용하였음에도, 초속경 시멘트보다도 빠른 응결 시간을 보였으며, 또한 지연제의 사용량 조절로 작업을 위한 응결시간 조절이 가능한 것을 확인하였다.
각 철강 생산 제품별 플랜트에서 채취한 서냉 환원슬래그를 바탕으로 형상을 비교하였고, 미분화하여 XRF를 통한 산화물 분석을 하였다. 분석된 산화물 값을 시멘트의 4대 광물량 예측을 위하여 사용되어지는 Bogue 식6∼7)을 참고하여 생성광물을 예측하였고, XRD 결과를 통하여 광물 생성을 확인하였다.
그러나 대상 형강제품 공정의 슬래그는 철근제품 생산 공정의 플랜트와 동일한 야적지를 사용하여 혼합하여 배출되어 단독채취가 불가능함에 따라 아래 Table 2와 같이 표시하였다. 각각의 슬래그를 대상으로 화학적 특성을 분석하고, 급냉을 통한 급결성 무기결합재로서의 적용 가능성을 확인하였다.
응결시험을 통하여 급결특성을 확인하였더라도, 건설재료용 바인더로 사용하기 위해서는 단독사용의 경우 강도발현성이 없거나 혹은 시멘트의 혼화재로 사용하더라도 주 결합재의 강도발현을 저해한다면 사용용도는 제한적일 수 밖에 없다. 그에 따라 급냉 환원슬래그의 강도발현 특성을 평가하고자 압축강도를 측정하였다. 측정된 강도 데이터를 Fig.
분석된 산화물 값을 시멘트의 4대 광물량 예측을 위하여 사용되어지는 Bogue 식6∼7)을 참고하여 생성광물을 예측하였고, XRD 결과를 통하여 광물 생성을 확인하였다.
채취된 환원슬래그의 산화물 분석 데이터를 바탕으로 Bogue 식에 적용하여 서냉 환원슬래그의 광물조성을 예측하고자 한다. 일반적인 Bogue식은 시멘트의 4대 광물량 예측을 위해 사용되어지나, 본 연구에서는 앞서 측정된 서냉 환원슬래그의 XRD에서 발견된 주 광물을 대상으로 하여 Bogue 식을 바탕으로, 몰비에 따른 각 광물량을 예측하였고 몰비에 따라 설정된 주요 광물별 계산식은 아래와 같다.
제품 공정별 발생되는 서냉 환원슬래그의 화학적 특성을 평가하기 위한 첫 번째 측정항목으로, XRF를 통한 산화물 분석을 실시하였다. 채취된 10개 시료의 산화물 분석 데이터는 아래 Table 3에 나타낸 것과 같다.
채취된 환원슬래그의 산화물 분석 데이터를 바탕으로 Bogue 식에 적용하여 서냉 환원슬래그의 광물조성을 예측하고자 한다. 일반적인 Bogue식은 시멘트의 4대 광물량 예측을 위해 사용되어지나, 본 연구에서는 앞서 측정된 서냉 환원슬래그의 XRD에서 발견된 주 광물을 대상으로 하여 Bogue 식을 바탕으로, 몰비에 따른 각 광물량을 예측하였고 몰비에 따라 설정된 주요 광물별 계산식은 아래와 같다.
환원슬래그를 용융상태에서 서냉하지 않고, 공기 급냉후 미분화하여 수화 특성을 평가하기 위하여, OPC 및 초속경 시멘트(이하 RSC : Regulated Set Cement)를 비교군으로 설정하여 특성 평가 실험을 하였으며, Table 1에 물리 화학적 특성을 비교하여 나타내었다. 또한 종래에는 전기로의 산화기 이후 탈황 및 탈산을 위하여 염기성의 환원슬래그를 동일한 로에서 분위기의 변화로 작업하였으나, 노외 정련기술이 일반화됨에 따라 주로 LF(Ladle Furnace)를 이용하여 별도로 환원정련을 실시한다.
대상 데이터
그러나, 일반적인 무기물의 광물생성은 속도에 차이가 있을 뿐, 생성되는 광물에 순서는 순차적이지 않기 때문에, 정확한 데이터라 할 수 없으며, 단순 예측을 위한 비교용으로만 사용하였다. XRD 결과 또한 생성된 광물의 정성적인 비교는 가능하나, 정량적인 데이터를 얻을 수 없기 때문에 이 또한 비교 및 광물생성의 확인만을 위한 데이터로 사용되었다.
대상으로 하는 서냉 환원슬래그는 국내의 철근제품 생산 플랜트 4곳, 형강제품 생산 플랜트 4곳, 특수강 1곳, 열연제품 1곳 총 10개 플랜트에서 배출되는 환원슬래그를 수집하여 연구하였다.
본 연구에서 사용된 급냉 환원슬래그는 용융상태로부터 수백℃/sec 의 속도로 공기 급냉되면서 융액 점도의 급상승으로 인하여 원자배열이 채 이루어지지 않은 채로 과냉각되기 때문에 냉각후의 조직은 비정질로 되며3), 결정화 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 내재한 것이 된다.
이론/모형
앞서 XRF의 산화물 조성을 바탕으로 Bogue 식에 따라 주요 광물을 예측하였다. 이 예측된 각 제품 공정별 서냉 환원슬래그의 광물 경향을 XRD를 이용하여 확인고자 하였으며, 측정된 결과를 Fig.
환원슬래그의 미분화를 위한 해결책으로, 본 연구에서는 용융상태의 슬래그에 공기급냉방식을 사용하였다. 이 방식은 용융상태의 고온의 슬래그를 고압의 공기에 의해 작은 입자로 공기중에 비산하면서 표면을 급속 냉각시키고, 내부에 잔류하는 높은 열을 이용하여 Self tempering 효과를 유도함으로써 표면과 내부의 조직을 다르게 제어 하여 고장력 특성을 얻게 되어, 이로써 견경한 골재로서의 형태를 유지할 수 있게 되었다8).
성능/효과
1) 본 실험 전 진행된 연구결과, 국내 전기로 제강 공정에서 발생하는 환원슬래그는 서냉 에이징 방식에 따라 미분화되어 처리가 곤란하였으나, 공기 급냉 방식에 의해서 분화하지 않는 골재상의 환원슬래그 제조가 가능한 것을 확인하였다.
2) 급냉된 환원슬래그를 분쇄하여 미분말로 사용할 경우, 급결성과 자체 수경성을 갖는 것으로 나타났다. 서냉에 의해 반응성이 떨어졌던 C12A7이 급냉을 통하여 급결성을 갖고, 또한 반응성이 없는 γ-C2S가 급냉을 통하여 반응성을 갖는 β-C2S 상을 유지하는 것에 기인된 것이다.
3) 이로써, 본 연구에서 다양한 공정에서 배출되는 환원 슬래그의 무기바인더로써의 적용성 평가를 위하여 화학적 특성을 분석한 결과, 철근 제품의 환원슬래그에서는 상대 적으로 Si의 비율이 높았으나, 좀 더 높은 철강의 순도와 강종을 요하는 제품일수록, 탈산제로 Al을 사용하여 Al2O3의 함량이 높아지는 것으로 나타났다.
4) 산화물 분석 결과를 토대로 생성광물을 정량적으로 예측해본 결과 특수강 및 열연제품 등이 높은 Al2O3 함량에 기인하여 급결성의 C12A7을 다량 생성할 것이라 예상하였으며, 그와 반대로 철근 제품 공정의 환원슬래그에서는 높은 SiO2 함량에 의하여 C2S가 지배적으로 생성될 것이라 기대된다.
5) XRD를 통하여 생성예측된 광물을 확인한 결과, Bogue 식에 의해 예상된 광물과 유사한 경향으로 특수 강 및 열연제품에서 급결성 광물인 C12A7의 피크가 뚜렷하게 나타내었다.
XRD 측정 결과, Bogue 식에 따른 예상광물과 유사한 경향으로, 철근제품의 슬래그에서는 대부분 다량의 γ-C2S 가 발견된 반면, 열연제품의 슬래그에서는 뚜렷한 Mayenite 피크를 확인하였다.
본 연구팀은 환원슬래그의 고효율 용도 개발을 위한 연구를 꾸준히 진행하였으며, 환원슬래그를 급냉하여 응고시키면 시간이 경과하여도 분화하지 않는 것을 확인하였다. 고온의 용융상태에서 급냉된 환원슬래그는 일부 열에너지를 높은 반응 에너지 상태로 유지하는 것으로 나타났다. 또한 급냉된 환원슬래그를 미분화하여 물과 반응시킨 결과, 급결성을 띄며 초기 수 시간내에 강도발현이 가능함에 따라, 건설재료용 무기바인더로써의 적용 가능성을 확인하였다.
그러나, 다른 시료들이 50±5% 정도의 CaO 함량을 보이고, 5% 미만의 매우 낮은 Fe 산화물을 함유하고 있는 것과는 다르게, A4 시료는 26% 정도의 타 시료 대비 낮은 CaO 함량과 8.6%의 높은 Fe 산화물을 함유하고 있는 것으로 나타났다.
그렇기 때문에 초기 1∼3시간 이내에도 탈형이 가능하다. 급냉 환원슬래그의 초기 3시간 강도 측정 결과 초속경 시멘트보다는 낮은 강도를 보이지만, 초기 3시간에도 탈형이 가능한 5MPa 이상의 강도를 보이고 있어 상용 시멘트의 초기 탈형을 위한 강도 발현용 혼화재로의 적용도 가능할 것이라 사료된다.
5% 사용하여 측정하였다. 동일한 지연제량을 사용하였음에도, 초속경 시멘트보다도 빠른 응결 시간을 보였으며, 또한 지연제의 사용량 조절로 작업을 위한 응결시간 조절이 가능한 것을 확인하였다.
고온의 용융상태에서 급냉된 환원슬래그는 일부 열에너지를 높은 반응 에너지 상태로 유지하는 것으로 나타났다. 또한 급냉된 환원슬래그를 미분화하여 물과 반응시킨 결과, 급결성을 띄며 초기 수 시간내에 강도발현이 가능함에 따라, 건설재료용 무기바인더로써의 적용 가능성을 확인하였다.
매립되는 서냉 환원슬래그 중 1곳의 산화물 조성을 분석한 결과 국내에서 상용화되는 초속경시멘트와 유사한 조성을 가지고 있는 것을 확인하였다.
본 연구팀은 환원슬래그의 고효율 용도 개발을 위한 연구를 꾸준히 진행하였으며, 환원슬래그를 급냉하여 응고시키면 시간이 경과하여도 분화하지 않는 것을 확인하였다. 고온의 용융상태에서 급냉된 환원슬래그는 일부 열에너지를 높은 반응 에너지 상태로 유지하는 것으로 나타났다.
이상의 결과를 바탕으로 철근 제품과 같은 저품질 철강 제품의 경우 급냉을 통하여 반응성 있는 β-C2S의 생성량이 높을 것이라 판단되며, 열연 제품등과 같은 높은 Al2O3를 갖는 환원슬래그일수록, 빠른 반응성의 Mayenite 생성량이 높음에 따라, 급냉을 통하여 속경성 무기결합재로서의 사용 가능성이 있는 것으로 판단된다.
장기재령인 28일 압축강도에서는 OPC의 70%의 수화활성도를 보여 자체 수경성 및 강도발현 특성을 갖는 것을 확인하였다. 그렇기 때문에 급결성 건설재료용 무기바인더로서 적용이 가능할 것이라 사료되며, 더욱 높은 강도 발현을 위해서는 단독으로 사용하기 보다는 혼화재 등의 사용을 통하여 OPC와 유사한 정도의 강도 발현도 가능할 것이라 사료된다.
후속연구
장기재령인 28일 압축강도에서는 OPC의 70%의 수화활성도를 보여 자체 수경성 및 강도발현 특성을 갖는 것을 확인하였다. 그렇기 때문에 급결성 건설재료용 무기바인더로서 적용이 가능할 것이라 사료되며, 더욱 높은 강도 발현을 위해서는 단독으로 사용하기 보다는 혼화재 등의 사용을 통하여 OPC와 유사한 정도의 강도 발현도 가능할 것이라 사료된다.
S 가 발견된 반면, 열연제품의 슬래그에서는 뚜렷한 Mayenite 피크를 확인하였다. 이로써, 다량의 Al2O3함량을 갖는 고강종 제품의 환원슬래그 일수록 급결성의 C12A7를 다량 함유할 것으로 기대됨에 따라, 급냉을 통하여 초기강도 발현이 가능한 특수시멘트의 원료로서 활용하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
이상의 결과대로, 급냉된 환원슬래그 미분말을 급결성 무기바인더로써 적용이 가능함이 확인됨에 따라, 현재 국내의 다양한 철강제품 제조공정에서 배출되는 서냉 환원 슬래그의 특성을 평가하여, 급냉 시 동일한 특성으로 건설 재료화가 가능할 것인지 확인할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
환원슬래그를 분화하지 않게 하는 법은?
본 연구팀은 환원슬래그의 고효율 용도 개발을 위한 연구를 꾸준히 진행하였으며, 환원슬래그를 급냉하여 응고시키면 시간이 경과하여도 분화하지 않는 것을 확인하였다. 고온의 용융상태에서 급냉된 환원슬래그는 일부 열에너지를 높은 반응 에너지 상태로 유지하는 것으로 나타났다.
서냉 환원슬래그를 대상으로 실시한 화학적 특성 분석 연구 결과는?
1) 본 실험 전 진행된 연구결과, 국내 전기로 제강 공정에서 발생하는 환원슬래그는 서냉 에이징 방식에 따라 미분화되어 처리가 곤란하였으나, 공기 급냉 방식에 의해서 분화하지 않는 골재상의 환원슬래그 제조가 가능한 것을 확인하였다.
2) 급냉된 환원슬래그를 분쇄하여 미분말로 사용할 경우, 급결성과 자체 수경성을 갖는 것으로 나타났다. 서냉에 의해 반응성이 떨어졌던 C12A7이 급냉을 통하여 급결성을 갖고, 또한 반응성이 없는 γ-C2S가 급냉을 통하여 반응성을 갖는 β-C2S 상을 유지하는 것에 기인된 것이다.
3) 이로써, 본 연구에서 다양한 공정에서 배출되는 환원 슬래그의 무기바인더로써의 적용성 평가를 위하여 화학적 특성을 분석한 결과, 철근 제품의 환원슬래그에서는 상대 적으로 Si의 비율이 높았으나, 좀 더 높은 철강의 순도와 강종을 요하는 제품일수록, 탈산제로 Al을 사용하여 Al2O3의 함량이 높아지는 것으로 나타났다.
4) 산화물 분석 결과를 토대로 생성광물을 정량적으로 예측해본 결과 특수강 및 열연제품 등이 높은 Al2O3 함량에 기인하여 급결성의 C12A7을 다량 생성할 것이라 예상하였으며, 그와 반대로 철근 제품 공정의 환원슬래그에서는 높은 SiO2 함량에 의하여 C2S가 지배적으로 생성될 것이라 기대된다.
5) XRD를 통하여 생성예측된 광물을 확인한 결과, Bogue 식에 의해 예상된 광물과 유사한 경향으로 특수 강 및 열연제품에서 급결성 광물인 C12A7의 피크가 뚜렷하게 나타내었다.
제강환원슬래그는 어떤 특성을 가지고 있는가?
전로슬래그와 전기로슬래그를 포함하는 제강슬래그에서 15∼20% 정도를 차지하는 제강환원슬래그는 수분을 접하여 분화되는 특성에 의해 건설산업용 골재로서의 사용이 불가능하다. 또한 분화에 따른 분진 발생 및 살수에 의한 침출수 발생 등으로 처리에 어려움을 겪고 있어, 철강업체의 골칫거리로 여겨지고 있다.
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