[논문]저품위 석회석이 원료밀의 분쇄성과 시멘트 클링커 소성성에 미치는 영향

유동우; 박태균; 최상민; 이창현

doi:10.14190/jrcr.2021.9.1.20

저품위 석회석이 원료밀의 분쇄성과 시멘트 클링커 소성성에 미치는 영향
Effect of Low-grade Limestone on Raw Mill Grinding and Cement Clinker Sintering 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.9 no.1, 2021년, pp.20 - 25

유동우 (군산대학교 신소재공학과) , 박태균 (재단법인 영월산업진흥원) , 최상민 (군산대학교 신소재공학과) , 이창현 ((주)삼표시멘트 생산기술)

초록
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시멘트의 주 원료인 시멘트 클링커는 주원료로서 석회석을 사용하여 제조되며, 석회석의 품위에 따라 부원료의 사용이 변화되고, 시멘트 클링커의 생산에도 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 시멘트 클링커 원료인 석회석의 CaO 함량의 변화가 Raw Mill 분쇄성과 시멘트 클링커의 소성성에 미치는 영향성을 파악하기 위하여, 석회석 CaO 함량을 변화시킨 조합원료의 분쇄시간 측정으로 분쇄성을 비교 검토하였고, 분쇄된 조합원료를 1350~1500℃의 범위에서 소성하여 소성성 지수 계산에 의한 시멘트 클링커의 소성성을 파악하였다. 석회석의 품위가 낮을수록 조합원료의 분쇄성은 저하하였고, 석회석의 CaO 함량이 낮을수록 소성온도에 따른 F-CaO의 변화가 크게 나타났다. 그에 따라 높은 B.I. 값이 계산되어, 낮은 시멘트 클링커 소성성을 나타내었다. 또한, 시멘트 클링커의 광물분석 결과에서는 소성온도의 증가로 F-CaO 값이 저하하는 경우, Belite 함량의 감소와 그에 따른 Alite 함량의 증가가 관찰되었다. Alite의 경우 석회석 CaO 함량이 증가함에 따라 R형의 비율은 감소하고 M형의 비율이 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cement clinker, the main raw material of cement, is manufactured using limestone as the main material. Depending on the quality of limestone, the use of subsidiary materials changes, and has a great influence on the production of cement clinkers. In this study, the effect of CaO content of limestone, a cement clinker material, on Raw Mill grinding and sintering of cement clinker was investigated. The grinding time of the union materials changed in the content of limestone CaO was measured to identify the grinding properties. The raw material combination was cleaned within a range of 1,350-1,500℃. The sintering performance of cement clinker by Burnability index calculation was identified. The lower the grade of limestone, the lower the grinding quality of the raw material combination. The lower the CaO content of limestone, the greater the variation in F-CaO for sintering temperature. The lower the class of limestone, the higher B. I. value was calculated, indicating the lower cement clinker sintering. In addition, the mineral analysis results of cement clinker showed that if the F-CaO value was low due to the increase in sintering temperature, the Belite content decreased and the Alite content increased. In the case of Alite, the ratio of R-type decreased and that of M-type increased as the content of limestone CaO increased.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Chemical composition of raw materials.
표 Table 2. Mixing ratio and modulus of raw materials.
그림 Fig. 1. Experimental procedure
그림 Fig. 2. Sintering schedule of cement clinker
표 Table 3. XRD-Rietveld reference code
그림 Fig. 3. The method of measurement F-CaO
그림 Fig. 4. Grinding properties of raw mill materials
그림 Fig. 5. F-CaO of cement clinker
그림 Fig. 6. B.I. of cement clinker
그림 Fig. 7. Rietveld analysis of cement clinker

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 석회석의 품질에 따른 시멘트 클링커 소성 원료의 분쇄성 변화를 검토하고자 하였으며, 시멘트 클링커의 조합원료 변화에 따른 시멘트 클링커의 소성성을 평가하기 위하여, 1, 350∼1,500^oC의 범위에서 시멘트 클링커를 소성하여 광물 변화를 검토하고, 시멘트 클링커의 소성성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

17%가 되도록 시멘트 클링커 원료배합을 하였다. 그에 따라 낮은 품위의 석회석을 적용하는 경우 부족한 CaO 함량을 보충하기 위하여 Ca Sludge를 일부 적용하였다. 규석질 원료로서는 규사를 적용하였고, 철질 원료로서는 철광석을 적용하였다.
2014), 실제 시멘트 클링커의 소성공정에서도 중요한 공정관리 요인으로 사용하고 있다. 본 실험에서는 각 소성온도별 F-CaO의 변화량을 파악하고, 소성성 평가를 위한 B.I. 값을 계산하였다.
본 연구에서는 시멘트 클링커의 원료 중 석회석의 CaO 함량 44.4%, 43.7%, 43.0%을 사용하여 원료조합을 하고, 이들 시료의 분쇄성과 소성성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
분쇄하여 준비된 원재료를 혼합수와 25%의 비율로 혼합하고 일정 무게의 성구로 제조하였다. 제조된 성구는 102^oC에서 2시간 건조하였다.
시멘트 클링커의 소성성을 판단하기 위하여 Polysius 법을 사용하여 측정하였으며, 소성의 최고온도는 1, 350^oC, 1, 400^oC, 1, 450^oC, 1,500^oC의 온도로 15분간 유지하여 소성하였고, 승온속도를 10^oC/min으로 하였으며, 소성된 시료는 공기중에 급냉하여시멘트 클링커를 제조하였다. 제조된 시멘트 클링커는 F-CaO를 측정하여, 소성성 지수(B.
시멘트 클링커의 소성에 적합하도록 클링커 계수는 LSF는 ±0.02, SMe ±0.03, IMe ±0.01, HMe ±0.01의 범위로 하였으며, 총 CaO 함량은 42.10∼42.17%가 되도록 시멘트 클링커 원료배합을 하였다. 그에 따라 낮은 품위의 석회석을 적용하는 경우 부족한 CaO 함량을 보충하기 위하여 Ca Sludge를 일부 적용하였다.
각 원료는 건조 후, Jaw Crusher를 사용하여 조분쇄를 실시하고, 혼합하여 준비하였다. 이때의 각 시료별로 90㎛ 잔사 목표 수치에 이르는 시간을 측정하여 Raw Mill에서의 분쇄성을 판단하였다.

대상 데이터

사용 XRD는 PANALYTICAL Co. EMPYREAN의 기기를 사용하였다. XRD-Rietveld 분석을 위한 측정조건은 Generator 40kV, 30mA에서 측정각도(2θ)는 5∼75°이며, step size는 0.
그에 따라 낮은 품위의 석회석을 적용하는 경우 부족한 CaO 함량을 보충하기 위하여 Ca Sludge를 일부 적용하였다. 규석질 원료로서는 규사를 적용하였고, 철질 원료로서는 철광석을 적용하였다.
석회석의 경우 CaO 함량 44.4, 43.7, 43.0%의 3종으로 구분하여 실험하였다. 이들의 화학성분은 Table 1에 나타내었다.
시멘트 클링커 원료로서 석회석, 규석질, 철질원료와 알카리 제어를 위한 석고를 소량 사용하였으며, 점토질 원료로서 석탄재를 사용하였다. 석회석의 경우 CaO 함량 44.

데이터처리

026°, step scan speed는 2°/min으로 측정하였다. Rietveld 해석은 HighScore Plus(PANALYTICAL Co. ver 3.0c(3.0.3))를 사용하여 해석하였다. Goodness of fite 35 이하 기준으로 하였고, 신뢰도 기준인 Rwp는 6 이하로 설정하여 분석하였다.
클링커를 제조하였다. 제조된 시멘트 클링커는 F-CaO를 측정하여, 소성성 지수(B.I., Burnability Index, (5)값을 계산하였다. 이때 B.

이론/모형

시멘트 클링커의 광물 분석은 XRD분석 결과를 Rietveld 법으로 분석하여 정량 분석하였다. 사용 XRD는 PANALYTICAL Co.
제조된 시멘트 클링커의 소성성을 평가하기 위하여 유리 산화칼슘(F-CaO)을 Ethylene Glycol법(ASTM STP 985)에 의하여 측정하였으며, 시험 방법은 Fig. 3에 나타내었다. F-CaO는 시멘트 클링커의 소성성 판단의한 척도로 사용되고 있으며(Lee et al.

성능/효과

1.시멘트 클링커의 원료 중 석회석의 CaO 함량이 낮은 경우 조합원료에서 석회석과 부원료의 사용량이 감소하였다. 이는 석회석의 CaO 함량 저하에 따라 석회석 내의 소량성분인 SIO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃함량 증가가 발생하였고, 이에 따라 시멘트 클링커 소성에 필요한 시멘트 계수 확보를 위한 별도의 CaO 공급 원료도입 및 증가에 기인한 것이다.
2.석회석 품위가 낮을수록 시멘트 클링커 소성원료의 분쇄 시간이 증가하여, Raw Mill의 분쇄성이 저하 될 것으로 예상되며, 이는 시멘트 생산성 저하와 소성성 저하로 이어 질 것으로 예상된다.
3.원료 석회석의 CaO 함량이 높은 석회석을 사용한 시료가 낮은 B.I. 수치를 나타내어 시멘트 클링커의 소성성이 높은 것으로 나타났다.
4.F-CaO는 석회석의 CaO 함량이 낮을수록 소성온도에 대한 변화 크게 나타났고, 그에 따른 B.I.값이 높게 계산되어 소성 성이 낮은 것으로 검토되었다.
5.Alite는 소성온도가 상승할수록 R형 구조의 양은 감소하고, M 형 구조의 함량이 증가하는 것으로 나타났으며, 석회석의 CaO 함량이 높을수록 M형의 비율이 높았다.
6.석회석의 CaO 함량이 증가할수록 Belite의 양은 증가하고 Alite 의 양은 감소하였다. 이는 Belite와 F-CaO와의 반응으로 생성되는 Alite생성 반응에 기인하는 것으로 생각되며, 소성 온도상승에 따라 F-CaO가 감소하는 시료의 경우 소성온도 상승에 따른 Alite의 함량 증가가 나타났다.
시멘트 클링커의 4대 광물인 Alite(C₃S, 3CaO⋅SiO₂), Belite(C₂S, 2CaO⋅SiO₂), Aluminate(C₃A, 3CaO⋅Al₂O₃), Ferrite (C₄AF, 4CaO⋅Al₂O₃⋅Fe₂O₃)가 온도별로 변화되는 것을 확인 할 수 있다. 또한 원료 석회석의 CaO 함량이 높을수록 Blite 함량이 높았다. 이는 시멘트 클링커의 소성반응이 1, 100∼1, 200^oC 온도에서 간극 상인 Aluminate와 Ferite는 생성이 종료되고, Belite의 최대량이 생성된다.
본 실험에서도 석회석의 CaO 함량이 낮은 시료의 경우 소성 온도가 증가함에 따라 F-CaO의 감소와 같이 Belite의 양의 감소하고 Alite의 증가하는 경향을 나타내나, 석회석의 CaO 함량이 높은 시료의 경우, 낮은 소성 온도에서도 낮은 F-CaO 함량의 영향으로 소성 온도 변화에 따른 Alite와 Belite의 변화가 거의 나타나지 않았다. 반면, 석회석의 CaO 함량이 낮은 시료의 경우 원료 분쇄 성의 저하로 시멘트 클링커의 소성 반응성 저하가 나타나게 되며, 이에 의한 소성성 저하가 나타게 되는 것으로 예상된다.
형태를 나타낸다. 본 실험의 결과에서도 Alite의 경우 석회석의 CaO 함량이 높을수록 R형이 비율이 감소하고 M형의 비율이 증가하는 것이 나타났다.
석회석 품위가 낮아질수록 석회석의 배합량이 감소하였음에도 불구하고, 석회석 내의 소량 화학성분의 비율이 증가되어 클링커배합에서 규석, 철광석, 석탄재의 배합량이 감소하였다.
석회석의 CaO 함량별 소성 온도별 유리 산화칼슘(F-CaO)량을측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었으며, 소성온도가 증가 할 수록 F-CaO의 함량은 낮아지며, 석회석 내의 CaO 함량이 낮을수록 낮은 소성온도에서 F-CaO의 변동 폭이 크게 나타났다. 통상의 시멘트 제조공정에서 소성온도는 1, 450^oC 전⋅후에서 소성하여 시멘트 클링커를 생산한다.
7에 나타내었다. 시멘트 클링커의 4대 광물인 Alite(C₃S, 3CaO⋅SiO₂), Belite(C₂S, 2CaO⋅SiO₂), Aluminate(C₃A, 3CaO⋅Al₂O₃), Ferrite (C₄AF, 4CaO⋅Al₂O₃⋅Fe₂O₃)가 온도별로 변화되는 것을 확인 할 수 있다. 또한 원료 석회석의 CaO 함량이 높을수록 Blite 함량이 높았다.
실험 결과 목표 잔사율에 도달하는 시간이 석회석의 CaO 함량 44.4%의 시료는 1, 090초, 43.7%의 시료는 1, 150초, 43.0%의 시료는 1, 250초가 소모되어, 44.4%의 시료에 비하여 43.0%의 시료가 160초가량 더 필요하였고, 석회석의 CaO 함량이 낮은 저품위 석회석을 사용할 수록 분쇄시간이 더 소모되는 결과를 얻었다. 이는 석회석의 품위가 낮을수록 SIO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃양이 증가하고, 이들의 성분이 포함된 광물이 석회석내에 증가하기 때문인 것으로 판단되며, SIO₂는 대부분 석회석 내에서 Quarze 형태로 존재하고, Al₂O₃, Fe₂O₃는 소량의 알카리를 포함하는 장석류의 광물로서 존재하게 된다.
6에 나타내었다. 원료 석회석의 CaO 함량이 44.4%인 시료는 33.4, CaO 함량이 4.37%의 시료는 27.8, CaO 함량이 43.0%의 시료는 13.7의 소성성 지수를 나타내었다. 이는 소성온도별 F-CaO의 변화가 적은 44.
7의 소성성 지수를 나타내었다. 이는 소성온도별 F-CaO의 변화가 적은 44.4%의 시료가 낮은 소성 성 지수를 나타내고, 소성 온도별 F-CaO 변화가 큰 43.0%의 시료가 높은 소성성 지수를 나타내어, 원료 석회석의 CaO 함량이 높을수록 시멘트 클링커의 소성성이 높은 것을 확인하였다.

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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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