KR101658887B1 - 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법 - Google Patents

금광미를 이용한 경량골재 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법에 관한 것으로, 금광미, 적니 및 폐석회석을 혼합하여 혼합물을 얻는 단계와; 상기 혼합물을 펠렛형태로 제조하는 단계와; 상기 펠렛을 1000℃ 내지 1250℃에서 열처리하여 경량골재를 얻는 단계를 포함한다.

Description

금광미를 이용한 경량골재 제조 방법{Method of preparing light weight aggregate using gold mine tail}
본 발명은 금광미를 이용한 경량골재의 제조 방법에 관한 것이다.
광미는 광석에서 필요한 성분을 골라내는 선광공정에서 발생되는 부산물을 말하며, 회수되는 유용광물에 비해 그 양이 매우 많다. 현재 발생된 광미는 광산 근처의 야적장에 방치하고 있는데, 야적장 부지확보 문제 및 주변환경 오염 문제 등을 야기하고 있다.
금광미의 경우, 대부분 실리카로 이루어져 있으며 이 외에 알루미나 등을 포함하고 있다. 종래에 금광미를 시멘트 원료로 활용, 콘크리트 혼합제로 첨가, 녹생토 제조 등의 다양한 광미활용 연구 및 제품개발 시도가 있었으나, 현재 상업화되어 있는 기술은 없는 상태이다.
이는 원천적으로 금광미의 높은 실리카 함량 때문에 제품의 소성 및 가공이 쉽지 않고 미세한 입자사이즈로 인한 낮은 기공율 탓에 소결 또한 잘 이루어지지 않는 것에 기인한다고 볼 수 있다.
한편 금광미를 다른 폐자원과 혼합 후 용융 및 분사시켜 볼 형태로 만드는 기술이 있으나, 이 방법은 용융에 과도한 에너지가 소모되는 문제가 있다.
한국 공개 제2013-0031426호(2013년 3월 29일 공개)
따라서 본 발명의 목적은 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 금광미, 적니 및 폐석회석을 혼합하여 혼합물을 얻는 단계와; 상기 혼합물을 펠렛형태로 제조하는 단계와; 상기 펠렛을 1000℃ 내지 1250℃에서 열처리하여 경량골재를 얻는 단계를 포함하는 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법에 의해 달성된다.
상기 혼합물은 실리카 50 내지 60중량%, 산화칼슘 15 내지 25중량%, 산화철 8 내지 15 중량% 및 알루미나 10 내지 15 중량%와 잔부 3 내지 10중량%를 포함할 수 있다.
상기 잔부는 산화마그네슘, 산화나트륨, 산화칼륨 및 산화티타늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 열처리온도는 1100℃ 내지 1200℃일 수 있다.
상기 펠렛 제조 후 상기 펠렛을 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금광미는 실리카를 80중량% 내지 95중량% 포함하고, 상기 적니는 알루미나를 23중량% 내지 33중량% 및 산화철을 30중량% 내지 40중량% 포함하고, 상기 폐석회석은 실리카를 15중량% 내지 35중량% 및 산화칼슘을 63중량% 내지 73중량% 포함할 수 있다.
상기 열처리 시간은 10분 내지 1시간일 수 있다.
상기 경량골재의 압축강도는 2000N/펠렛 이상일 수 있다.
상기 본 발명의 목적은 1300℃ 이하에서 용융소결이 가능한 실리카, 산화칼슘, 산화철 및 알루미나의 조성비가 되도록 금광미, 적니 및 폐석회석을 혼합하여 혼합물을 얻는 단계와; 상기 혼합물을 펠렛형태로 제조하는 단계와; 상기 펠렛을 용융소결시켜 경량골재를 얻는 단계를 포함하는 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법에 의하여 달성된다.
상기 용융소결은 1000℃ 내지 1250℃일 수 있다.
상기 열처리온도는 1100℃ 내지 1200℃일 수 있다.
상기 혼합물은 실리카 50 내지 60중량%, 산화칼슘 15 내지 25중량%, 산화철 8 내지 15 중량% 및 알루미나 10 내지 15 중량%와 잔부 3 내지 10중량%를 포함할 수 있다.
상기 잔부는 산화마그네슘, 산화나트륨, 산화칼륨 및 산화티타늄 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금광미는 실리카를 80중량% 내지 95중량% 포함하고, 상기 적니는 알루미나를 23중량% 내지 33중량% 및 산화철을 30중량% 내지 40중량% 포함하고, 상기 폐석회석은 실리카를 15중량% 내지 35중량% 및 산화칼슘을 63중량% 내지 73중량% 포함할 수 있다.
상기 용융소결 시간은 10분 내지 1시간일 수 있다.
본 발명에 따르면 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 경량골재 제조방법의 공정도이고,
도 2는 본 발명에 따른 혼합물의 조성에 따른 상태도를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 실험예를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 실험예에서 소결온도에 따른 상태를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명에 따른 실험예에서 얻어진 경량골재를 나타낸 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 경량골재 제조방법의 공정도이다.
먼저 금광미, 적니 및 폐석회석을 준비한다(S100).
금광미의 경우 실리카(SiO2)의 함량이 85중량% 내지 95중량%이며, 알루미나(Al2O3)를 대략 6중량% 내지 7중량% 정도 함유하고 있다. 선광공정의 마지막 단계인 필터 프레스를 통과한 후에 얻어지는 금광미의 경우 대략 20 중량%의 높은 수분함량을 가지며 완전 건조될 경우 대략 25μｍ 이하의 미세한 입자구성을 가진다.
적니의 경우 산화철(Fe2O3)을 30중량% 내지 40중량% 포함하고, 알루미나(Al2O3)를 23중량% 내지 33중량%정도 포함한다. 베이어 프로세스에서 첨가되는 수산화나트륨(NaOH)으로 인해 Na2O를 대략 10 중량% 정도 포함하고 있다. 적니를 제철 공정의 철원으로 활용하기에는 철 함량이 낮고 알칼리 화합물로 인한 내화물 (Refractory) 침식 우려가 있어, 고온 공정용으로 부적합한 것으로 알려져 있다.
폐석회석의 경우 Ignition loss가 35중량% 이상이며, 이를 제외하면 산화칼슘(CaO) 함량이 63중량% 내지 73중량%이며 실리카의 함량이 약 20중량% 정도이다.
다음으로 이들 3가지 물질을 혼합하여 혼합물을 얻는다(S200).
본 발명은 상대적으로 공정온도가 낮은 프로세스를 통해 금광미, 적니, 폐석회석 각각의 부산물로써 활용이 어려운 부분을 상쇄시키고 고온 물성을 활용하여 물리화학적으로 안정한 제품을 생산하는 것에 관한 것이다.
혼합단계에서, 혼합물은 1300℃ 이하, 1250℃ 이하 또는 1200℃이하에서 소결(용융소결)이 가능한 조성이 되도록 한다. 더 자세하게는 1000℃ 내지 1250℃ 또는 1100℃ 내지 1200℃에서 소결 가능한 소성이 되도록 한다. 경량골재 제조에서 가장 중요한 요소로는 원재료의 조성, 소결온도, 반응시간 등이 있다. 최대한 낮은 융점을 갖도록 원재료의 조성을 선택하는 것이 중요하다. 이는 소결에 필요한 고온을 얻기 위해 투입되는 석탄 또는 LNG가 원가의 가장 큰 부분을 차지하기 때문이다.
앞서 살펴 본 금광미, 적니 및 폐석회석의 주요성분을 보면, 혼합물의 주요 성분은 실리카, 알루미나, 산화철 및 산화칼슘의 4가지 성분이 될 것으로 예상된다. 즉 4가지 성분의 산화물계 시스템이 되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 혼합물의 조성에 따른 상태도를 나타낸 것이다. 상태도로부터 아래의 표 1과 같은 조성을 가질 경우, 혼합물이 1300℃ 이하의 저융점 영역을 가질 것으로 예상된다.
주요성분 SiO 2 CaO Fe 2 O 3 Al 2 O 3
범위 50 ~ 60% 15 ~ 25% 8 ~ 15 % 10 ~ 15%
즉, 혼합물에서 실리카, 산화칼슘, 산화철 및 알루미나의 함량이 표 1과 같이 되도록 금광미, 적니 및 폐석회석을 혼합하면 혼합물은 1300℃ 이하에서 용융소결이 가능하게 된다.
혼합물은 4가지 성분 외에 3중량% 내지 10중량%의 잔부를 가지며, 잔부는 산화마그네슘, 산화나트륨, 산화칼륨 및 산화티타늄 중 어느 하나 이상일 수 있다.
이후 혼합물을 펠렛형태로 성형하고(S300) 건조한다(S400).
펠렛은 통상의 방법으로 직경 5mm 내지 20mm이 되도록 만들 수 있으며, 건조는 100℃ 내지 250℃에서 10분 내지 1시간 정도 수행될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 건조는 수분이 실질적으로 제거되는 적절한 조건에서 수행될 수 있다.
이후, 건조된 펠렛을 소결하여 경량골재로 제조한다(S500).
소결, 즉 열처리는 1000℃ 내지 1250℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1100℃ 내지 1200℃ 또는 1150℃ 내지 1200℃에서 수행될 수 있다. 소결온도가 너무 높으면 에너지 비용이 추가되면서 혼합물의 과도하게 용융되어 원하는 경량골재를 얻을 수 없으며, 소결온도가 너무 낮으면 실질적인 소결이 진행되지 않아 원하는 물성을 얻을 수 없다.
본 연구를 통해 얻은 조성의 범위를 이용하면 완전 용융하는 공정에 비해 낮은 온도에서 처리가 가능하며 이 공정온도는 소성벽돌의 일반적인 제조온도와 일치하여 기술적인 어려움이 없다고 할 수 있다.
이하 실험예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 실험예를 나타낸 것이다.
먼저 도 3의 (a)와 같이 금광미, 적니 및 석회석을 마련하였으며 성분은 다음 표 2와 같다. 성분분석은 XRF를 통해 진행하였으며, 수분, ignition loss를 제외하고 표시하였다.
조성 금광미 적니 폐석회석
SiO2 91.4 14.1 20.2
Al2O3 6.3 28.3 3.6
Fe2O3 1.0 35.1 1.6
CaO 　 4.9 68.8
MgO 　 4.2
Na2O 　 9.7
K2O 1.3 1.6
TiO2 　 7.9
다음으로 도 3의 (b)와 같이 금광미, 적니 및 석회석을 중량기준으로 주요 4가지 성분이 표 1과 같이 되도록 2:1:1로 혼합하여 혼합물을 마련하였다.
혼합물의 성분비는 다음 표 3과 같다.
경량골재 배합 (광미2 : 적니1 : 석회석1) 1톤 기준, 단위 kg
조성 광미 적니 석회석 total wt%
SiO2 457.0 35.3 50.5 542.8 54.3
Al2O3 31.5 70.8 9.0 111.3 11.1
Fe2O3 5.0 87.8 4.0 96.8 9.7
CaO 　 12.3 172.0 184.3 18.4
MgO 　 10.5 10.5 1.1
Na2O 　 24.3 24.3 2.4
K2O 6.5 4.0 10.5 1.1
TiO2 　 19.8 19.8 2.0
SUM 500.00 250.00 250.00 1000.00 100.00
다음으로 도 3의 (c)와 같이 직경 8 ~ 15mm 의 크기의 펠렛 형태로 제조한 후 200℃의 오븐에서 48시간 건조 시켜 수분을 완전히 제거하였다.
이후 도 3의 (d) 및 (e)와 같이 온도범위 1050℃ ~ 1250℃에서 30분간 열처리를 진행한 후 상온에서 냉각시켰다.
도 4는 본 발명에 따른 실험예에서 소결온도에 따른 상태를 나타낸 것이고,
상온(25℃)에서는 전혀 소결이 진행되지 않았으며, 30분간 고온열처리를 한 결과 온도에 따라 다른 형태의 결과물을 보였다. 1100℃ 이하의 온도에서 열처리를 한 결과물의 경우 쉽게 부스러질 정도로 충분한 소결이 이루어지지 않았다.
저융점 조성설계로 인해 1200℃ 이상의 온도에서는 내용물이 완전히 녹은 것을 확인할 수 있었고, 이때는 30분 이하의 짧은 소결시간이 유지되어야 함을 알 수 있다.
1150℃에서는 높은 압축강도(2000N / pellet 이상)를 갖는 매우 단단한 결과물이 만들어졌다. 도 5는 본 발명에 따른 실험예에서 얻어진 경량골재를 나타낸 것이다.
SEM과 XRD를 통해 분석한 결과 fayalite (Fe2SiO4)의 형성에 의해 샘플 내부에서 용융소결 (liquid phase sintering) 이 진행된 것을 확인할 수 있었다.
전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 금광미, 적니 및 폐석회석을 혼합하여 혼합물을 얻는 단계와;
    상기 혼합물을 펠렛형태로 제조하는 단계와;
    상기 펠렛을 1100℃ 내지 1200℃에서 열처리하여 경량골재를 얻는 단계를 포함하며,
    상기 혼합물은 실리카 50 내지 60중량%, 산화칼슘 15 내지 25중량%, 산화철 8 내지 15 중량% 및 알루미나 10 내지 15 중량%와 잔부 3 내지 10중량%를 포함하며,
    상기 잔부는 산화마그네슘, 산화나트륨, 산화칼륨 및 산화티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 펠렛 제조 후 상기 펠렛을 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금광미를 이용한 경량골재 제조 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 금광미는 실리카를 80중량% 내지 95중량% 포함하고, 상기 적니는 알루미나를 23중량% 내지 33중량% 및 산화철을 30중량% 내지 40중량% 포함하고, 상기 폐석회석은 실리카를 15중량% 내지 35중량% 및 산화칼슘을 63중량% 내지 73중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 금광미를 이용한 경량골재 제조방법.
  7. 제1항에서,
    상기 열처리 시간은 10분 내지 1시간인 것을 특징으로 하는 금광미를 이용한 경량골재 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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