1. 들어가며
철강 생산 공정은 사용하는 원료에 따라 철광석 사용공정과 고철 사용공정으로 크게 구분된
다.1)고로(용광로, Blast Furnace)는 철광석을 원료로 하여 선철을 제조하기 위한 제선공정에
사용되며, 전로(Converter Furnace)는 이 선철을 이용하여 강을 제조하기 위한 제강공정에 사 용된다. 전기로(Electric Arc Furnace) 역시 제강공정에 사용되는 것으로 고로로부터 얻은 선 철이 아닌 고철을 이용한다는 점이 전로와 다르다. 고로, 전로, 전기로 모두 주생산품인 철 이외 에 슬래그를 부산물로 배출하게 된다. 고로로부터 발생한 것을 고로슬래그라고 하며, 전로 및 전기로로부터 발생한 것을 제강슬래그라고 한다. 제강슬래그는 사용한 로에 따라 전로슬래그와 전기로슬래그로 분류하는데 전기로에서는 로 내 를 산화와 환원 분위기로 변화를 주게 된다. 그러므로 산화분위기에서 배출되는 슬래그를‘전 기로산화슬래그’, 환원분위기에서 배출되는 슬래그를‘전기로환원슬래그’로 구분한다. 그러나 최근에는 환원공정을 전기로에서 하지 않고 별도의 래들로(Ladle Furnace)를 사용하므로 전기
로환원슬래그는‘래들로슬래그(이하 LFS, Ladle Furnace Slag)’로 불리기도 한다.
고로슬래그를 냉각시 수쇄하여 분말화한 것이 고로슬래그 미분말인데 건설분야에서 시멘트의 대체재로 비교적 고부가가치적으로 활용되고 있다. 그러나 제강슬래그는 Fe 산화물의 함량이
공기급냉환원슬래그미분말을사용한
페이스트의특성
높아 수쇄공정을 채용하더라도 덩어리로 배출되므로 수쇄하지 않고 옥외에서 덤핑, 냉각 후 파 쇄하여 노반재, 매립재 등 비교적 부가가치가 낮은 골재상으로 사용되고 있다.2) 그러나 LFS는 유리석회의 함량이 높아 냉각 후 분화되어 일정한 시간이 지나면 분말상이 되는 자기붕괴적 특성을 지니고 있다. 최근까지 이런 분말상의 LFS를 벽돌이나 콘크리트 제품 등의 결합재로 활용하기 위한 연구가 진행되었으나, LFS의 수화활성도가 낮아 실용화되지 못했다.3) 한편 국내에서는 용융된 슬래그를 고압의 공기로 분사시키고 빠른 속도로 슬래그를 냉각시켜 슬래그 내 유리석회를 안정화시키는 기술이 전기로 산화슬래그 등에 적용되고 있다. 이 기술을 LFS에 적용하면 슬래그 내 유리 석회의 함량을 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라4) 유리질의 피 막을 형성하게 된다. 유리질 함량은 고온에 노출된 무기 재료의 반응성에 영향을 주는 중요한 인자이다. 일반적으로 유리질 함유량이 높을수록 수화반응성이 우수한 것으로 알려져 있다. 이 에 여기서는 공기 급냉 후 미분쇄한 LFS 분말을 대상으로 수화특성을 검토한 결과를 소개하고 자 한다.
2. 사용 재료 및 실험방법
2.1 사용 재료 급냉환원슬래그 분말의 수화특성을 검토하기 위한 비교군으로 <표 1>과 같이 분말도 3,500㎠/g 의 TypeⅠ 시멘트, 분말도 4,800㎠/g의 초속경시멘트(RSC), 분말도 5,960㎠/g의 초조강시멘트 (UHESC)를 사용하였다. 급냉 환원슬래그 분말(LFS)은 분말도 6,200㎠/g의 것을 사용하였다. 각 결합재들의 화학 조성에 근거하여 CaO, SiO2, Al2O3의 조성을 삼성분계로 표시하면 <그림 1>과 같다. 또한 급냉 환원슬래그의 광물 분석(X-RAY:DMAX2000, JAPAN) 결과 <그림 2>와 같이 Mayenite(C12A7,C11A7·CaF2)와 Periclase(MgO), Belite(β-C2S)가 존재하는 것으로 나타났다. 이런 광물로 인하여 물과 반응할 경우 경화가 빨리 일어날 것으로 예상된다.
<표 1> Physical properties of binders
Type Density (g/㎤) Fineness (㎠/g) Setting time Final (h:min) Initial (min) Compressive strength (MPa) OPC 3.15 3,300 59 6: 39 38.2 RSC 2.87 4,800 9 17 56.9 UHESC 3.08 5,960 110 3: 07 50.3 LFS 2.97 6,200 - -
-2.2 실험 방법 실험 방법은 다음과 같다. 결합재의 페이스트 상태에서의 배합 조건은 BS 4550의 3.4(1978) 기 준에 준하여 물시멘트비 40%로 제작하였다. 굳지 않은 성상에서의 플로우는 페이스트의 작업 성을 알아보기 위한 것으로 높이 50㎜의 직경 50Ø를 이용해 측정하였다. 응결 시험은 ASTM C 150-94에서 제시하고 있는 시험 방법에 준하였으며, 사용된 비카침은 ASTM C 191-92에 준한 시험 기구를 사용하였다. 수화열은 JIS R 5203에서 제시하고 있는 방법을 응용해 열전대 (K-Type)와 데이터 로거를 사용해 측정하였다. 경화 성상에서의 강도는 EN 196-1:1987에서 제시하고 있는 40×40×160㎜의 시편을 이용해 압축과 휨강도를 측정하였다. 안정성은 ASTM C151-93a에서 제시하고 있는 길이 250㎜, 25 ㎜의 정사각형인 시험체를 제작하여 최고온도 150℃에서 Autoclave 양생한 후 양생 전후의 길 이를 비교하는 방법을 사용하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 플로우 결합재에 따른 플로우 실험 결과는 <그림 3>과 같다. 실험 결과 OPC는 22.5㎝로 최 대 플로우를 가지는 것으로 나타났으며, 최소 플로우는 RSC와 LFS로 5㎝ 정도로 나타났다. 이러한 현상을 보이는 것은 RSC와 LFS가 빠른 응결에 의해 비빈 후 에 곧바로 유동성이 저하되기 때문인 것으 로 판단된다.<그림 1> Phase diagram of Ladle furnace slag made rapidly cooling method
<그림 2> X-ray of Ladle furnace slag made rapidly cooling method
3.2 응결시간 결합재에 따른 응결 시험 결과는 <표 2>와 같다. 실험 결과 가장 빠른 초결 이 일어난 결합재는 급냉 환원슬래그 로 나타났으며, 가장 늦게 초결이 일 어난 것은 보통 포틀랜드 시멘트로 나타났다. 또한 종결 실험 결과는 초 결과 동일하게 나타났다. 급냉 환원 슬래그가 가장 빠르게 나타난 이유는 속경성 특성을 보이는 C12A7을 다량으로 함유하고 있기 때 문으로 판단된다. 3.3 수화열 <그림 4>는 결합재 종류별 수화열을 측정한 것으로 혼합이 끝난 후부터 24시간 동안 측정한 것 이다. 실험 결과 급냉 환원슬래그가 매우 짧은 시간에 최고온도 110℃에 도달하는 것으로 나타났다. 수화 시간 10시간 이후부터는 보통 포틀랜드 시멘트와 거의 유사한 경향을 가지고 있으며, 10 시간 이후부터는 보통 포틀랜드 시멘트가 수화에 의해 발열하는 것을 알 수 있다. 이상의 실험 결과를 토대로 할 때 공기 급냉 환원슬래그는 물과 반응하여 발생하는 수화열이 지나치게 높은 경향이 있으므로 이를 감소시키기 위한 검토가 필요할 것으로 판단된다. <그림 5>는 초기 3시간에 대한 발열 온도에 대한 평균치를 계산한 것으로 최고 높은 발열을 보 이는 것은 급냉 환원슬래그이며, 초속경, 초조강 그리고 보통 포틀랜드 시멘트 순으로 나타났 다. 급냉 환원슬래그의 3시간 평균 발열온도 역시 76℃로 지나치게 높기 때문에 이를 저감하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
<그림 4> Hydration heat according type of binder
<그림 5> Average hydration heat according type of binder <표 2> Setting time of binder
Type Initial(min) Final(h:min)
OPC 59 6:39
RSC 9 0:17
UHESC 110 3:07
3.4 압축강도 <그림 6>은 결합재에 따른 재령별 압축강 도에 대한 실험결과이다. 재령별 압축강도 를 살펴보면, 재령 1일에서는 RSC가 가장 높은 43㎫를 보이고 있으며, 급냉 환원슬 래그는 25㎫로 일반보통 포틀랜드 시멘트 에 비해 약 2배 정도 높은 것으로 나타났 다. 재령 7일에서는 모든 결합재에서 강도 증진이 보이고 있으나, 가장 큰 증진을 보 이는 것은 보통 포틀랜드 시멘트로 나타났 다. 재령 56일의 강도 증진은 28일 강도와 거의 유사한 것으로 나타났다. 이상의 실험 결과를 토대로 급냉 환원슬래그의 초기 강도 발현이 일반 시멘트에 비해 높기 때문 에 초기 강도 발현이 필요한 곳에 사용이 가능할 것으로 판단된다. 3.5 휨강도 <그림 7>은 결합재에 따른 재령별 휨강도 에 대한 실험 결과이다. 재령별 휨강도를 살펴보면, 재령 1일에 가장 높은 휨강도를 갖는 것은 초조강시멘트로 4.2㎫로 나타 났으며, 그 다음으로 급냉 환원슬래그가 4.1㎫로 나타났다. 보통 포틀랜드 시멘트 와 초속경 시멘트의 휨강도는 3.1, 3.6㎫ 로 가장 낮은 강도 수준을 보이고 있다. 재 령 7일에 대한 휨강도는 급냉 환원슬래그 를 제외하고 모든 결합재에서 강도 변화 가 없거나 강도가 저하되는 현상이 나타 났고, 재령 56일에서는 모든 결합재에서 강도저하가 나타났다. 이러한 재령 증가에 따른 강도 저하는 초기에 생성된 에트링자이트로 인한 팽창이 과도하여 균열이 발생하였기 때문으로 판 단된다. 3.6 길이변화 <그림 8>은 결합재에 대한 안정성 실험 결과이다. 초속경시멘트는 오토클레이브 후 균열이 발 생하여 길이를 측정하지 못하였다. 길이 변화율로 보면, 초조강 시멘트가 가장 높은 길이 변화
<그림 6> Compressive strength according type of binder
<그림 7> Flexural strength according type of binder
율을 가지는 것으로 나타났다. 또한 급냉 환원슬래그 경우에는 길이가 팽 창하는 것이 아니라 수축하여 타 결합 재와는 상반된 현상을 보이고 있다. 이러한 현상이 발생된 이유는 아직 은 명확하지 않다. 따라서, 실제 활 용시 많은 주의가 필요할 것으로 판 단된다.
4. 결론
공기 급냉한 환원슬래그를 미분쇄한 분말의 광물조성을 검토한 결과, 급냉 환원슬래그는 Mayenite(C12A7, C11A7·CaF2)와 Periclase(MgO), Belite(β-C2S)를 함유하고 있고, 이러한 조성물에 의해 분말상에서 물과 빠른 반응을 보이고 있다. 다른 종류의 속경성 시멘트에 비하여 급냉 환원슬래그는 상대적으로 빠른 응결을 보이고, 수화 열도 매우 높은 것으로 나타났다. 압축강도는 초기 1일 강도에서 급냉 환원슬래그가 비교적 상 대적으로 높게 발현되었으나 장기 재령에 대해서는 가장 낮은 강도 발현으로 나타났고, 휨강도 발현 역시 압축강도와 거의 유사한 경향을 보였다. 이상의 실험적 검토의 결과 공기 급냉 환원슬래그 미분말은 물과 반응할 경우 짧은 시간에 발열 하고 응결이 매우 빠르므로 이러한 특성을 고려한 용도의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구는 환경부 글로벌탑 환경기술개발사업 중 폐금속유용자원재활용기술개발사업의 지원에 의하여 연구되었으며 이에 감사드립니다.(과제번호 : GT-11-C-01-210-0) <그림 8> Length change 참 고 문 헌 1.세계철강협회, 2010년 1월 2.김진만, 곽은구 : 급냉 전기로 산화슬래그의 콘크리트용 골재로서의 활용성, 대한건축학회구조논문집, Vol.26, No. 2, pp. 63-70(2010)
3.최상원, Kim Viktor, 김은영, 장우석, 조현재, Polatov Beysen: 전기로 환원슬래그의 수화 시멘트 특성에 관한 반응, 한국콘크리트학회지, Vol.19, No. 6, pp. 46-52(2007)
4.김진만, 곽은구, 조성현, 오상윤 : 아토마이징 공정에 의한 급냉 제강슬래그의 특성, 한국콘크리트학회지, Vol.19, No. 6, pp. 39-45(2007)
5.콘크리트표준시방서, 2011년 2월
6.J.H. Sprouse and R.B. Perrler, Setting time, ASTM, Sp. Tech. Publ. No. 169B, pp.105-21(1978)
7.RILEM National Committee of the USSR, Method of determination of the beginning of concrete setting time, U.S.S.R. Proposal to RILEM Committee CPC-14, pp.7(1979)
