[논문]전기로 산화슬래그의 특성 및 국내외 연구동향

민태범; 김하영; 임희섭

doi:10.14190/mrcr.2019.14.2.040

[국내논문] 전기로 산화슬래그의 특성 및 국내외 연구동향
Characteristics of Electric Arc Furnace Oxidized Slag and Domestic and International Research Trend 원문보기

민태범 (성신양회(주) 기술연구소) , 김하영 (성신양회(주) 기술연구소) , 임희섭 (한남대학교 건설시스템공학과)

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문제 정의

연구내용은 전기로 산화슬래그의 물성에 대하여 평가하였으며 2가지 종류의 전기로 산화슬래그를 대상으로 콘크리트의 기계적 성능을 검증하였다. 검증 결과로는 압축강도 증진효과가 크게 나타났으며, 골재의 물리적 성능 평가를 통하여 콘크리트의 골재 대체재료 로서 충분한 가능성에 대해 설명하였다.¹⁴⁾
따라서 본고에서는 제강슬래그 부산물중 재활용이 되고 있는 전기로 산화슬래그에 대하여 특성 및 재활용 현황에 대해 알아보고자 한다.
또한 이에 대한 품질 성능을 검증하였으며 각 전기로산화슬래그의 사이즈별에 따른 입도를 결정하여 콘크리트 배합을 결정하였다. 또한 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 콘크리트는 압축강도 및 휨강도 증진에 대해 기술하였다.¹⁵⁾
전기로산화슬래그의 특성 및 국내·외 연구현황 및 이용사례에 대해 간략히 살펴보았다.

제안 방법

Flora Faleschini는 전기로 산화슬래그의 내구성 평가에 관한 연구로 염화물 침투 실험을 진행하였으며, 고강도 콘크리트로서의 적용성을 검토하였다. 실험 결과로는 전기로 산화슬래그 콘크리트의 물시멘트비를 높였지만, 무기 첨가제를 사용하지 않고도 고강도 콘크리트로서 생산이 가능하였다고 나타냈으며, 이에 대해 고밀도 콘크리트 용도에 적합하도고 나타냈다.
전기로 산화슬래그의 발생을 통한 파쇄 공정에 의한 골재의 입도분포가 고르지 못한 점을 지적하였다. 또한 이에 대한 품질 성능을 검증하였으며 각 전기로산화슬래그의 사이즈별에 따른 입도를 결정하여 콘크리트 배합을 결정하였다. 또한 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 콘크리트는 압축강도 및 휨강도 증진에 대해 기술하였다.
San-Jose는 스페인에서 생산되고 있는 전기로 산화슬래그 골재를 대상으로 실험을 진행하였다. 연구내용은 전기로 산화슬래그의 물성에 대하여 평가하였으며 2가지 종류의 전기로 산화슬래그를 대상으로 콘크리트의 기계적 성능을 검증하였다. 검증 결과로는 압축강도 증진효과가 크게 나타났으며, 골재의 물리적 성능 평가를 통하여 콘크리트의 골재 대체재료 로서 충분한 가능성에 대해 설명하였다.
Maslehuddin은 전기로 산화슬래그 콘크리트의 내구성 실험을 진행하였다. 전기로 산화슬래그 골재를 45~65 %까지 치환하여 실험을 진행하여 내구성 실험, 건조수축 및 팽창성 실험, 압축강도 실험을 진행하였다. 내구성 실험으로는 일반 콘크리트에 비해 전기로 산화슬래그 콘크리트에서 우수한 성능을 나타냈으며, 건조수축 및 팽창성 실험에서는 일반 콘크리트에 비해 전기로 산화슬래그 콘크리트에서 팽창이 진행 되었으나, ASTM 규격 기준 내에 만족하였다.
Santamaria는 전기로 산화슬래그의 혼입양을 조절하여 콘크리트의 기계적 성능을 검증하였다. 전기로 산화슬래그의 발생을 통한 파쇄 공정에 의한 골재의 입도분포가 고르지 못한 점을 지적하였다. 또한 이에 대한 품질 성능을 검증하였으며 각 전기로산화슬래그의 사이즈별에 따른 입도를 결정하여 콘크리트 배합을 결정하였다.

대상 데이터

대부분의 국외 연구는 전기로 산화슬래그를 천연 골재 대체재로서의 가능성을 확인하는 연구가 진행되어 왔으며 대부분의 국외 국가에서는 전기로 산화슬래그를 도로용으로 사용되었다. 먼저, Jose T. San-Jose는 스페인에서 생산되고 있는 전기로 산화슬래그 골재를 대상으로 실험을 진행하였다. 연구내용은 전기로 산화슬래그의 물성에 대하여 평가하였으며 2가지 종류의 전기로 산화슬래그를 대상으로 콘크리트의 기계적 성능을 검증하였다.

성능/효과

1)산업 폐기물을 고부가가치로 재활용하는 것으로 효율적 자원 재활용 효과, 2)대부분의 도로용이나 성토용으로 사용되는 전기로산화슬래그를 콘크리트용 골재로 사용할 수 있도록 하여 전기로산화슬래그의 시장확대, 3)골재 자원에 대한 천연 자원의 고갈에 대응할 뿐만 아니라 천연 자원 개발에 따른 환경 파괴에 대한 환경부하저감형 원자재의 공급 기술 확보를 통한 지속적인 콘크리트용 골재 보급 방안 제시 등 다양한 효과를 기대 할 수 있다.
굵은골재 대체율별 슬럼프의 변화에 있어서는 굵은골재 대체율이 증가할수록 슬럼프는 다소 증가하는 경향이 있으며 공기량 발현성능에 있어서도, 골재 대체율이 증가할수록 공기량도 증가한다. 공기량의 증가는 골재의 입형이 거칠고 다공성의 입형특성에 따라 공기량이 증가하는 현상을 나타난다.
전기로 산화슬래그 골재를 45~65 %까지 치환하여 실험을 진행하여 내구성 실험, 건조수축 및 팽창성 실험, 압축강도 실험을 진행하였다. 내구성 실험으로는 일반 콘크리트에 비해 전기로 산화슬래그 콘크리트에서 우수한 성능을 나타냈으며, 건조수축 및 팽창성 실험에서는 일반 콘크리트에 비해 전기로 산화슬래그 콘크리트에서 팽창이 진행 되었으나, ASTM 규격 기준 내에 만족하였다. 최종 실험 결과로는 전기로 산화슬래그를 잔골재 50 %, 굵은 골재 50 %로 대체함에 따라 가장 효과적인 내구성능이 나타났다.
대체율 30 % 이내에서는 일반골재와 동일하게 취급이 가능하지만, 50 % 이상에서는 단위용적질량이 증가하고 시공성을 확인하여야 한다고 나타나 있다. 단, 전기로 산화슬래그 잔골재와 전기로 산화슬래그 굵은 골재를 각각 단독으로 이용한 경우, 콘크리트의 단위용적질량은 보통골재 콘크리트 보다 약 700 kg/m³ 크게 됨에 따라, 방파제 콘크리트블록, 앵커리지, 사방댐, 중력식옹벽, 방사선 차폐 콘크리트 등에 유리할 것으로 나타냈다. 하지만, 전기로 환원슬래그는 Free CaO, MgO가 다량 함유함에 따라 팽창 파괴의 우려가 있어 혼입이 일부 되더라도 콘크리트에 팽창에 우려가 있다고 나타나 있다.
또한 과 같이 염기도가 JIS A 5011-4 규격 범위 내일 때 콘크리트의 길이변화율이 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 염기도를 2.0 이하로 하는 것에 의해 유리석회의 함유량을 미량으로 하여 콘크리트의 길이 변화율 도 0.05% 이하로 하는 것이 가능하며, 염기도가 2.0 이상일 경우 콘크리트가 팽창하여 콘크리트용 골재로 활용할 수 없 다는 것을 알 수 있다.
또한 과 같이 염기도가 JIS A 5011-4 규격 범위 내일 때 콘크리트의 길이변화율이 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 염기도를 2.0 이하로 하는 것에 의해 유리석회의 함유량을 미량으로 하여 콘크리트의 길이 변화율 도 0.05% 이하로 하는 것이 가능하며, 염기도가 2.0 이상일 경우 콘크리트가 팽창하여 콘크리트용 골재로 활용할 수 없 다는 것을 알 수 있다.
Alan Sekaran은 전기로 산화슬래그 골재에 플라이애시를 첨가하여 천연골재 콘크리트와 비교 실험을 진행하였다. 비교 실험으로는 압축강도 실험, 휨강도 실험, 인장강도 실험, 내구성 실험을 진행하였고, 모든 결과에서 전기로 산화슬래그를 사용한 콘크리트에서 증진효과가 나타났다.¹⁷⁾
Flora Faleschini는 전기로 산화슬래그의 내구성 평가에 관한 연구로 염화물 침투 실험을 진행하였으며, 고강도 콘크리트로서의 적용성을 검토하였다. 실험 결과로는 전기로 산화슬래그 콘크리트의 물시멘트비를 높였지만, 무기 첨가제를 사용하지 않고도 고강도 콘크리트로서 생산이 가능하였다고 나타냈으며, 이에 대해 고밀도 콘크리트 용도에 적합하도고 나타냈다. 또한 염화물 침투 실험 결과 염화물 확산 계수가 낮아 염화물 노출 환경 콘크리트로서 뛰어날 것으로 나타냈다.
전기로 산화슬래그 골재를 사용한 콘크리트의 응결특성의 경우, 잔골재를 대체한 경우에 있어서는 대체율이 증가할수록 응결시간은 단축되는 것으로 나타났으며, 굵은 골재를 대체한 경우에서는 대체율과 상관없이 거의 유사한 것으로 나타났다. 이는 응결시험 진행시 시료 상면에 부유되는 블리딩수를 제거하는 과정에 있어서 전기로 산화슬래그 잔골재의 경우 굵은 골재에 비해 대체율이 증가할수록 블리딩수가 많이 상승하기 때문에 시료 내부의 잉여수는 상대적으로 감소하여 시료 내부의 실질적인 물결합재비 감소효과로 인한 수화 촉진이 진행된 것으로 보고되고 있다.
내구성 실험으로는 일반 콘크리트에 비해 전기로 산화슬래그 콘크리트에서 우수한 성능을 나타냈으며, 건조수축 및 팽창성 실험에서는 일반 콘크리트에 비해 전기로 산화슬래그 콘크리트에서 팽창이 진행 되었으나, ASTM 규격 기준 내에 만족하였다. 최종 실험 결과로는 전기로 산화슬래그를 잔골재 50 %, 굵은 골재 50 %로 대체함에 따라 가장 효과적인 내구성능이 나타났다.¹⁶⁾
Luca Rondi는 이탈리아에서 생산되고 있는 전기로 산화슬래그를 대상으로 콘크리트의 기계적 성능 실험을 진행하였다. 콘크리트 골재 대체 재료로서 충분한 성능을 나타내었고, 장기 강도 실험결과에서 모두 안정적으로 나타났다. 또한 전기로 산화슬래그 콘크리트가 인산염, 암모니움 이온 제거 능력이 높다는 연구결과를 보고하였다.

후속연구

일본에서는 전기로산화슬래그에 대한 품질관리 기준인 JIS가 확립되어 있으며 콘크리트용 골재로서 활용을 위한 시방서가 있으며 국내에서도 2년전 KS규격이 제정됨으로 인해 전기로 산화슬래그의 재활용은 시작단계라 할 수 있다. 따라서 산업부산물의 재활용을 통한 자원화를 적극적으로 도모하기 위해 다양한 연구 활동 및 실용화 기술보급이 요구되어야지만 향후 전기로 산화슬래그 골재의 활용 범위가 확대될 것으로 사료된다.
또한 류득현 등은 전기로 산화슬래그 골재를 사용한 콘크리트의 기초 물성에 관한 실험적 연구에서는 전기로 산화슬래그 골재에 대한 천연골재 대체에 따른 콘크리트의 품질 특성 검토 결과, 높은 밀도와 낮은 흡수율에 의해 적정 대체율에서는 작업성 개선 및 강도 증진, 탄성계수 증진 등의 품질 개선 효과가 있는 것으로 나타나지만, 콘크리트용 골재로서 활용을 위한 골재의 안정성 및 장기 재령에서의 내구특성에 대한 다양한 접근과 연구가 필요하다고 나타나 있다. 그리고 김남욱 등은 급냉 제강슬래그의 대체율에 따른 콘크리트의 특성에 관한 기초적 연구에서는 급냉시킨 전기로 산화슬래그를 대상으로 잔골재 대체율에 따른 압축강도가 증진되고 있으며, 길이변화시험 결과 대체율이 증가할수록 수축제어에 효과적이라 하였다.
실험 결과로는 전기로 산화슬래그 콘크리트의 물시멘트비를 높였지만, 무기 첨가제를 사용하지 않고도 고강도 콘크리트로서 생산이 가능하였다고 나타냈으며, 이에 대해 고밀도 콘크리트 용도에 적합하도고 나타냈다. 또한 염화물 침투 실험 결과 염화물 확산 계수가 낮아 염화물 노출 환경 콘크리트로서 뛰어날 것으로 나타냈다.²⁰⁾
강완협 등은 전기로슬래그를 대상으로 팽창성에 영향을 미칠 것으로 생각되는 화학성분에 대하여 에이징 전·후 X선 형광분석을 분석하고, 전기로슬래그 자체의 중금속류 오염물질 총량과 중금속 용해도와 pH의 관계를 평가한 결과 에이징 전·후에 따른 중금속 용출농도는 큰 차이가 없었다. 전기로 슬래그의 환경 안정적 재활용 시 중금속류 오염물질 총량의 고려가 필요하며, 최적의 에이징에 의한 팽창성 물질인 유리석회의 제거와 함께 용출 가능한 유해 중금속의 제거에 대한 지속적 연구가 필요하다는 결론을 내렸다.¹⁰⁾

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Aging 처리의 문제점을 해결할 수 있는 방안은 무엇인가?

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 제강회사들은 전기로 제강법에서 [그림4]와 같이 생산성과 용강 품질향상 목적으로 전기로의 정련공정에 있어서 산화 및 환원 공정을 분화시킴으로 인해 전기로 슬래그중 환원슬래그가 혼입되지 않은 안정화된 전기로산화슬래그의 분급이 가능하게 되었다. 분급공정의 발전을 토대로 전기로슬래그 활용을 위한 가장 중요한 문제점인 Free CaO, MgO에 의한 팽창 반응성의 억제화가 어느 정도 가능하게 되었으며 전기로산화슬래그 골재화를 통한 콘크리트용 골재로의 활용기술에 대한 연구가 전기로 제강업체를 중심으로 진행되고 있으며 현재는 아스팔트 골재용, 성토용으로 재활용 되고 있다.

고로슬래그란 무엇인가?

고로슬래그는 제철소 고로에서 선철을 제조하는 과정에서 발생하는 생성물을 말하는 것 으로 주원료(철광석)와 부원료(코크스, 석회석)의 회분에 존재하는 SiO2와 Al2O3등이 고온에서 석회와 반응하여 생성되며 구성 원소는 일반 암석과 같고 성분은 시멘트와 유사하다. 발생량은 1톤 조강 생산시 약 300 kg 가량 발생하며 냉각 방식에 따라 급냉슬래그(수재슬래그)와 서냉슬래그(괴재슬래그) 구분된다.

제강슬래그가 재활용에 많은 제약을 받는 이유는 무엇인가?

그러나 철강슬래그 중 제강슬래그는 free CaO에 의한 팽창 붕괴성으로 인하여 재활용에 많은 제약을 받고 있다. 제강슬래그는 고로슬래그와 달이 Free CaO를 적게는 0.

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