KR100277169B1

KR100277169B1 - 부정형 폐스프레이재의 재활용방법

Info

Publication number: KR100277169B1
Application number: KR1019980047864A
Authority: KR
Inventors: 김종성
Original assignee: 김종성; 최종은; 윤형구
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2001-01-15
Anticipated expiration: 2018-11-09
Also published as: KR19990014438A

Abstract

본 발명은 부정형 폐스프레이재의 재활용방법에 관한 것으로, 용융금속용기의 내화재로 사용되는 부정형 스프레이재의 미부착물 또는 잔여물을 폐기시키지 않고 적절한 처리를 통하여 용융금속용기의 내화재를 보호하기 위한 부원료로 재활용하 는 데에 목적이 있다.

위의 목적을 달성하기 위해, 부정형 폐스프레이재를 분리수거하는 단계와; 수거된 부정형 폐스프레이재를 함수율 5wt% 이하로 자연건조 또는 열풍건조하는 단계와; 자석을 이용하여 Fe함유 불순물을 제거하는 단계와; 방습포장을 하는 단계와; 포장을 해제하여 야금조업의 초기에 용융금속용기로 투입하는 단계로 이루어진다.

따라서, 기존의 경소돌로마이트 및 돌로마이트를 대체함으로써 용융금속용기 내벽의 보호를 위한 부원료 비용과 투입량을 절감할 수 있고, 슬래그중의 MgO농도를 효과적으로 높여 우수한 노체보호효과를 가지며, 래들슬래그 라인부위의 연와보호용으로 사용시 용강중에 수소픽업현상이 일어나지 않을 뿐만 아니라 온도하락폭이 적어서 에너지절감에 유효하다.

Description

부정형 폐스프레이재의 재활용방법

본 발명은 부정형 폐스프레이재의 재활용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제강로와 같은 용융금속용기의 내화재로 사용되는 부정형 스프레이재의 미부착물 또는 잔여물을 폐기시키지 않고 적절한 처리를 통하여 용융금속용기의 내화재를 보호하기 위한 부원료로 재활용할 수 있도록 하는 부정형 폐스프레이재의 재활용방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제강로와 같은 용융금속 취급설비에는 고온에서 용융되기 어려운 물질인 내화물로 내벽을 보강하거나 일정시기마다 보수를 실시하게 된다.

이러한 내화물은 사용시의 형상에 따라 특정한 형태를 갖는 정형 내화물과 불특정한 형태를 갖는 부정형 내화물로 나뉜다.

특히, 상기 부정형 내화물은 사용방식에 따라서, 적정수분 및 오일이 함유되어 제조되며 공기 항타시공기(Air Rammer)를 사용하여 시공하는 플라스틱재(Plastic Material)와, 사용현장에 따라 수분첨가 여부를 결정할 수 있으며 공기 항타시공기를 사용하는 스탬프재(Stamping Material)와, 사용현장에서 물을 직접 첨가하여 일정한 틀에 유입시켜 시공하는 캐스터블재(Castable Material) 및, 기체를 이송매체로 하며 물과 재료가 동시에 분사될 수 있는 기기를 사용하여 기계적으로 분사시공하는 스프레이재(Spray Material) 등으로 분류된다.

한편, 상기 스프레이재는 내화물의 부착방식이 기체를 통하여 분사되는 특징을 가지고 있으므로, 기체압력 및 유량, 물압력 및 유량, 재료의 크기 및 공급량 등에 따라서 시공부위에 부착되는 확율이 유동적이며, 특히 제강공정중 진공탈가스설비(RH설비)의 침적관 및 환류관의 보수에 사용되는 RH용 스프레이재는 설비특성상 고온(1000℃ 이상)에서 부착작업이 이루어지기 때문에, 부착율(부착된 스프레이량/사용된 스프레이량)이 대단히 적은 상태(통상적으로 60∼70%)를 나타내게 된다.

이에 따라, 미부착 내화물에 의한 분진발생으로 현장을 오염시키고, 낮은 부착율에 의한 비용의 증가를 초래하며, 미부착 내화물의 폐기에 따른 처리비용의 부담이라는 문제점을 갖게 되어, 스프레이재 내화물의 부착율을 향상시키기 위한 많은 연구가 행하여져 왔으나, 만족할만한 부착율을 갖는 스프레이재는 아직까지 개발되지 못하고 있는 실정이다.

또한, 상기 RH용 스프레이재는 주로 강의 품질에 영향을 적게 주는 MgO가 주원료로서, 사용중 수분과의 혼련이 이루어진 뒤, 보수부위에 순간적으로 접촉후 일부가 탈락되는 양상을 보이므로, 미부착된 스프레이재(이하 폐스프레이재)에는 수분 및 각종 바인더가 다량으로 함유되어 있다.

특히, MgO가 수분과 반응하여 수화반응을 일으켜 계속적인 부피팽창(약 2.2배)이 일어나고, 각종 바인더가 MgO골재의 표면에 잔존함으로써, 새로운 내화원료로 재활용하고자 할 때 많은 비용이 추가적으로 소요되는 문제점이 있는 바, 이로 인해 아직까지 폐스프레이재를 재활용하지 못하고 있는 실정이다.

한편, 용강을 정련하는 노체에는 고온에서 용강 및 슬래그에 의하여 쉽게 침식되지 않고, 화학적인 반응이 적으며, 강품질에 영향을 주는 개재물의 발생이 적은 내화물이 요구됨에 따라, 정련용 노체의 슬래그와 반응이 주로 일어나는 부위에는 융점이 높은 화합물인 MgO계 내화물 및 슬래그와의 반응성이 적은 MgO-C계의 내화물이 주로 사용되고 있는 추세이다.

그리고, 전로(Converter)에서는 MgO-C연와의 침식을 감소시키기 위하여 여러가지 방법이 사용되어 왔는데, 그 가운데 슬래그코팅법은 가장 보편적인 방법이다.

즉, 슬래그코팅법은 연와내부의 MgO가 슬래그중으로 용출되는 것을 막거나, 저감시키기 위하여 용선 또는 용강 처리전에 슬래그중의 MgO농도를 높게 유지하기 위하여 슬래그중에 경소돌로마이트 및 돌로마이트를 추가로 투입하여 슬래그의 점성을 높인 후, 노체를 경동하여 슬래그를 내화물에 고착시킴으로써, 내화물중의 MgO가 용출되는 것을 감소시키는 방법이다.

그러나, 이 방법은 경소돌로마이트 및 돌로마이트라는 부원료의 소요비용을 상승시키며, 운송 및 저장중 분화되어 노내 투입시 가시분진을 일으킴으로써 작업환경의 오염을 지속적으로 유발시키는 단점을 가지고 있고, CO₂성분을 다량으로 함유하고 있어 슬래그코팅 효율이 상대적으로 저하되는 문제점이 있다.

또, 제강로에서 출강된 용강을 수강하는 래들에서도 위와 유사한 목적으로 경소돌로마이트를 투입하고 있는데, 앞서 말한 바와 같이 경소돌로마이트에 함유된 CO₂성분이 용강의 열을 흡수하여 기화됨으로써, 용강의 온도를 하락시키는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 제반 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 용융금속용기의 내화재로 사용되는 부정형 스프레이재의 미부착물 또는 잔여물을 폐기시키지 않고 적절한 처리를 통하여 용융금속용기의 내화재를 보호하기 위한 부원료로 재활용할 수 있도록 하는 부정형 폐스프레이재의 재활용방법을 제공하는 데에 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 부정형 폐스프레이재의 재활용방법은, 부정형 폐스프레이재를 분리수거하는 단계와; 수거된 부정형 폐스프레이재를 함수율 5wt% 이하로 자연건조 또는 열풍건조하는 단계와; 자석을 이용하여 부정형 폐스프레이재중의 Fe함유 불순물을 제거하는 단계와; 방습포장을 하는 단계와; 포장을 해제하여 야금조업의 초기에 용융금속용기로 투입하는 단계로 이루어지되, 필요에 따라 상기 건조단계이후, 부정형 폐스프레이재를 입경 2∼20mm로 파쇄하는 단계를 거치는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 부정형 폐스프레이재를 용융금속용기의 내벽을 슬래그로부터 보호할 수 있도록 재활용하기 위한 방법으로서, 먼저 종래에 용융금속용기의 내벽을 슬래그로부터 보호하기 위해 투입되던 돌로마이트 및 경소돌로마이트와 관련된 사항을 설명한다.

화학적으로 순수한 돌로마이트는 CaCO₃·MgCO₃의 화학식을 가지나, 산업적으로 사용되는 돌로마이트에는 다양한 불순물이 미량으로 존재하며, 이론적으로 돌로마이트를 소성시키면 650℃부근에서 CaCO₃로부터 CO₂가 기화되고, 950℃부근에서 MgCO₃로부터 CO₂가 기화되는데, 이 때 CO₂의 기화반응은 흡열반응으로 진행된다.

산업현장에서는 상기 돌로마이트(CaCO₃·MgCO₃)를 100%소성한 소성돌로마이트(CaO·MgO)를 제조하여 사용하기가 경제적 여건상 어렵기 때문에 돌로마이트를 약1000∼1100℃에서 3∼8시간 소성로에서 소성한 경소돌로마이트를 사용한다.

통상적으로, 상기 경소돌로마이트를 제조하기 위해 투입하는 돌로마이트는 입경이 50∼100mm로서 소성공정이 완료되더라도 내부에는 CO₂가 잔류하며, 작열감량(Ignition Loss)은 대부분 CO₂와 수분으로서 평균 20wt%이다.

본 발명은 상기 경소돌로마이트 및 돌로마이트를 대체하여 부정형 폐스프레이재를 재활용하기 위한 것으로서, 경소돌로마이트 및 돌로마이트와 부정형 폐스프레이재의 화학성분과 작열감량을 비교하면 표1과 같다.

돌로마이트광석 및 부정형 폐스프레이재(RH용)의 화학성분과 작열감량

	CaO	MgO	SiO₂	Fe₂O₃	Al₂O₃	작열감량
돌로마이트	29∼32	19∼23	-	-	-	45∼48
경소돌로마이트	44∼47	30∼34	1.14	0.68	0.40	19∼23
부정형 폐스프레이재	6∼7	80∼83	2.9	1.3	0.6	80∼83

본 발명은 전술한 부정형 폐스프레이재를 분리수거하는 단계와; 수거된 부정형 폐스프레이재를 함수율 5wt% 이하로 자연건조 또는 열풍건조하는 단계와; 부정형 폐스프레이재의 입경을 2∼20mm로 파쇄하는 단계와; 자석을 이용하여 부정형 폐스프레이재중의 Fe함유 불순물을 제거하는 단계와; 방습포장을 하는 단계와; 포장을 해제하여 야금조업의 초기에 용융금속용기로 투입하는 단계로 이루어진다.

상기 단계들중, 부정형 폐스프레이재를 함수율 5wt%이하로 건조하여야 하는 이유를 설명하면 다음과 같다.

부정형 폐스프레이재는 최초 사용시 스프레이재의 약10∼20wt%에 해당되는 수분이 혼련시 첨가되고, 고온의 표면에 접촉되면서 혼련중 투입된 수분이 증발되거나 자연상태에서 증발되므로, 부정형 폐스프레이재에 포함되는 수분은 일정치 않으나 통상적으로는 10wt%이하이다.

이와 같이, 부정형 폐스프레이재는 얼마간의 수분을 포함하고 있으므로, 적절한 건조과정을 거치지 않고 사용하게 되면 즉, 고온의 용강에 직접 접촉하게 되면 잔류수분이 7wt%이상일 경우 수증기의 급격한 기화에 의해 용강의 폭발현상이 발생한다.

또한, 잔류수분이 5wt%이상일 경우, 적절히 건조되지 않은 상태에서 사용되면 수증기중의 수소가 용강내로 침입하는 현상 즉, 수소 픽업(Pick Up)이 발생할 수 있으므로, 부정형 폐스프레이재는 적절하게 건조시킬 필요가 있다.

한편, 부정형 폐스프레이재의 입도조정은 필요에 따라서 생략이 가능하나, 수분 및 폐스프레이재의 각종 바인더가 상호작용을 일으켜 입자끼리 뭉치게 되는 경우가 있으며, 그 입경이 약40mm이상이 될 경우에는 경소돌로마이트에 비하여 반응속도가 저하될 수도 있는 문제점이 있기 때문에 각종 파쇄기를 이용하여 조정함이 바람직한 바, 입경이 2mm이하일 경우에는 사용시 가시분진을 유발시킬 수 있고, 입경이 20mm이상일 때는 반응성이 저하되므로, 2∼20mm범위가 적당하다.

그리고, 자석을 이용하여 Fe함유 불순물을 제거하는 단계는 분리수거시 혼입된 이물질인 Fe와 FeO 및 지금(地金)을 제거하는 과정으로서, 상기 건조단계 이전에 실시해도 무관하다.

한편, 본 발명에서 부정형 폐스프레이재가 경소돌로마이트 및 돌로마이트의 대체재로서 용융금속용기의 내벽에 포설된 내화물을 보호하게 되는 노체보호의 이론적 배경을 설명하면 다음과 같다.

= K*[(%MgO)sat-(%MgO)] ----- 식1

(%MgO)sat = 0.01773T-0.589(%CaO)/(%SiO2)+0.018(%Total Fe)-21.3 ----- 식2

d(%MgO)/dt : 내화물 침식속도 (%MgO)sat : 슬래그중 MgO포화농도

(%MgO) : 슬래그중 MgO농도 (%Total Fe) : 슬래그중 총Fe농도

T : 용강온도 K : 내화물중 MgO침식계수

위와 같이, 내화물 침식속도가 확산층을 통한 MgO확산율속이라고 가정한다면, 내화물 침식속도는 식1과 같이 정량화될 수 있으며, 식1의 좌항은 시간에 따른 슬래그중 MgO농도변화를 나타내는 것으로서 실제적으로는 내화물속의 MgO성분이 슬래그속으로 용출되는 속도 즉, 내화물 침식속도를 의미하고, 우항의 K는 내화물중 MgO침식계수로서 조업조건이 일정하다면 동일한 값을 갖는다.

여기서, 내화물중 MgO침식계수 K는 현실적으로 조정하기 힘든 요소인 반면, 슬래그중 MgO포화농도 및 슬래그중 MgO농도는 조정이 가능하기 때문에, 식1로부터 슬래그에 의한 내화물의 침식을 저감시키기 위해서는 슬래그중 MgO포화농도가 낮거나, 슬래그중 MgO농도를 높게 유지할 필요가 있으며, 슬래그중 MgO포화농도는 식2와 같은 경험식으로 알려져 있는 바, 결과적으로 식1 및 식2로부터 내화물의 침식을 저감시키려면 MgO 및 CaO가 많이 함유된 부원료를 추가로 투입하여야 한다는 결론을 얻을 수 있다.

종래에는 전술한 바와 같은 이유로 인하여 전로에서 노체보호용으로 경소돌로마이트 및 돌로마이트를 슬래그코팅전이나 취련중에 투입하였는데, 본 발명에서는 이를 대신하여 부정형 폐스프레이재를 활용함으로써 적은량으로도 만족할 만한 노체보호효과를 얻을 수 있다.

즉, 부정형 폐스프레이재 조성물은 동일한 중량이 투입될 경우, 경소돌로마이트 및 돌로마이트와 대비하여 CaO성분이 적어서 포화용해도는 높아지나, 그 정도가 적은 반면, MgO성분이 종래의 경소돌로마이트보다 2.5배, 돌로마이트보다 3.5배 수준으로서 투입량을 줄이고도 효과적인 노체보호가 가능하다.

한편, 부정형 폐스프레이재를 활용한 전로 슬래그중의 MgO농도의 변화와 침식두께를 실험을 통해 측정하였는데, 먼저 표2는 슬래그의 조성으로서 전로 슬래그 3kg을 전로용 연와가 내장된 회전침식기에 투입한 후, 내부온도를 프로판가스로 가열하여 1650∼1700℃로 유지함으로써 슬래그를 용융시켰다.

전로용 연와는 MgO 78wt%, C 17wt%, 금속Al 4wt%인 연와를 사용하였고, 종래의 노체보호 방법에서 제시된 방식으로 경소돌로마이트 및 돌로마이트를 일정비율로 혼합한 물질과, 본 발명에서 제시한 RH용 부정형 폐스프레이재 분쇄물을 경소돌로마이트 및 돌로마이트와 일정비율로 혼합한 물질을 각각 300g씩(단, 제13안의 경우 RH용 부정형 폐스프레이재 분쇄물 230g) 슬래그에 용융시키고, 20분 후 슬래그중의 MgO농도를 형광X-ray방식으로 측정하여 2시간 후 전로용 내장연와의 침식두께를 측정하였다.

	CaO	SiO₂	Fe총량	MgO	MnO	P₂O₅	Al₂O₃	TiO₂	CO₂	S
전로슬래그	43.9	12.5	22.5	7.85	4.3	1.3	2.3	1.5	-	-
래들슬래그	48.15	6.90	3.66	7.77	2.98	0.21	30.05	0.40	-	0.12

위 실험의 결과로서 표3에 나타난 바와 같이, 종래의 방법보다 본 발명에 의해 제시된 방법이 슬래그중의 MgO농도를 향상시키고, 슬래그의 전로용 연와 침식을 완화시키는 데에 보다 효과적이라는 것을 알 수 있는데, 종래 제1안의 MgO농도를 기준으로 하면, 본 발명에서 제시한 안은 8.8∼39.8%까지 MgO농도가 향상되며, 전로용 연와의 침식은 5.2∼15.7%까지 완화되고, RH용 부정형 폐스프레이재를 100%적용할 경우 투입량을 약20%(1-[230g/300g])정도 줄여도 종래재보다 우수한 효과를 나타낸다.

RH용 부정형 폐스프레이재를 활용한 전로슬래그중 MgO농도변화 및 침식두께비교

	종래재	발명재(단, 제13안은 투입물량 230g)
	제1안	제2안	제3안	제4안	제5안	제6안	제7안	제8안	제9안	제10안	제11안	제12안	제13안
혼합비	경소돌로마이트	1	2	1	1	-	-	2	-	1	-	1	-	-
	돌로마이트	-	1	1	2	1	2	-	1	-	1	-	-	-
	RH용 부정형 폐스프레이재	-	-	-	-	-	1	1	1	1	2	2	1	1
슬래그중 MgO농도(wt%)	11.03	10.80	10.59	10.35	10.20	12.00	12.55	12.88	13.29	13.75	14.01	15.42	12.65
농도비	1.000	0.979	0.960	0.938	0.925	1.088	1.138	1.168	1.205	1.247	1.270	1.398	1.147
전로연와 침식두께	15.3	15.4	15.8	15.8	16.9	14.5	13.9	14.1	13.5	13.5	13.2	12.9	14.1
침식두께비교	1.000	1.007	1.033	1.033	1.105	0.948	0.908	0.922	0.882	0.882	0.863	0.843	0.922

한편, RH용 부정형 폐스프레이재를 래들에 적용할 경우, 경소돌로마이트를 이용할 때보다 슬래그중의 MgO농도를 향상시킬 수 있고, 투입량을 절감할 수 있음은 물론, 용강의 온도하락을 방지할 수가 있다.

즉, 경소돌로마이트 성분중의 CO₂는 용강의 열을 흡수하여 기화함으로써 용강의 온도를 하락시키는 반면, RH용 부정형 폐스프레이재는 입도가 작기 때문에 반응성이 우수하고 CO₂성분이 거의 없기 때문에 용강의 온도하락이 적다.

이를 실험을 통하여 확인하였는데, 표2에 나타낸 래들슬래그 3kg을 래들용 슬래그 라인 연와(MgO-C연와)가 내장된 회전침식기에 투입한 후, 내부온도를 프로판가스로 1650±30℃에서 유지하여 슬래그를 용융시키고서, 경소돌로마이트를 투입한 경우와, RH용 부정형 폐스프레이재 분쇄물을 적정량 투입한 경우에 대하여 투입후 시간대별로 슬래그온도와 최종 슬래그성분을 분석하였다.

표4는 위 실험의 결과로서, 종래의 경소돌로마이트를 투입하는 경우보다 본 발명에 따라 부정형 폐스프레이재를 투입하는 경우, 실시예1,2는 공통적으로 MgO성분이 높아 효과적인 노체보호가 가능한 반면, 실시예3은 종래방법보다 MgO성분이 일부 하락하였고, 실시예2는 실시예1보다 부원료 투입량이 적은 반면에 슬래그중의 MgO성분은 유사한데, 이것은 실시예1의 경우 과다한 MgO가 투입되어 완전히 슬래그화되지 않고, 상당부분이 미립의 고체상태로 남아 있다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명에서 제공하는 RH용 부정형 폐스프레이재는 종래의 경소돌로마이트 투입량대비 1/2수준으로도 효과적인 노체보호가 가능하다는 것을 알 수 있으며, 온도의 하락폭도 본 발명에 따른 실시예가 대체로 낮아서 용강 및 슬래그 온도의 하락폭이 적은 것을 확인할 수 있다.

RH용 부정형 폐스프레이재를 활용한 래들슬래그중의 MgO농도 및 온도변화 비교

	비교예	실시예1	실시예2	실시예3
투입물	경소돌로마이트	RH용폐스프레이재	RH용폐스프레이재	RH용폐스프레이재
투입량	300kg	300kg	150kg	75kg
래들슬래그화학성분(wt%)	CaO	48.09	47.22	47.29	47.58	47.92
	Al₂O₃	29.68	29.70	29.54	29.52	29.53
	MgO	7.77	9.89	10.43	10.42	9.90
	SiO₂	6.94	6.58	6.91	6.78	6.77
	FeO	3.56	3.11	2.47	2.46	2.44
	MnO	2.96	2.75	2.95	2.88	2.87
	TiO₂	0.42	0.38	0.42	0.41	0.41
	S	0.133	0.123	-	-	-
슬래그온도(℃)	초기온도	1680∼1695	1685∼1705	1680∼1695	1685∼1705
	1분	1611∼1625	1645∼1665	1646∼1675	1650∼1675
	3분	1575∼1603	1606∼1638	1625∼1648	1635∼1650
	5분	1507∼1528	1540∼1603	1567∼1588	1580∼1615
	7분	1455∼1479	1501∼1525	1555∼1579	1565∼1590

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 부정형 폐스프레이재의 재활용방법에 의하면, 기존의 경소돌로마이트 및 돌로마이트를 대체함으로써 용융금속용기 내벽의 보호를 위한 부원료 비용과 투입량을 절감할 수 있고, 슬래그중의 MgO농도를 효과적으로 높여 우수한 노체보호효과를 가지며, 래들슬래그 라인부위의 연와보호용으로 사용시 용강중에 수소픽업현상이 일어나지 않을 뿐만 아니라 온도하락폭이 적어서 에너지절감에 유효하다.

Claims

부정형 폐스프레이재를 분리수거하는 단계와;

수거된 부정형 폐스프레이재를 함수율 5wt% 이하로 자연건조 또는 열풍건조하는 단계와;

자석을 이용하여 Fe함유 불순물을 제거하는 단계와;

방습포장을 하는 단계와;

포장을 해제하여 야금조업의 초기에 용융금속용기로 투입하는 단계로 이루어지는 부정형 폐스프레이재의 재활용방법.
제1항에 있어서, 상기 수거된 부정형 폐스프레이재를 함수율 5wt% 이하로 자연건조 또는 열풍건조하는 단계이후, 부정형 폐스프레이재를 입경 2∼20mm로 파쇄하는 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 부정형 폐스프레이재의 재활용방법.
제1항에 있어서, 상기 부정형 폐스프레이재를 야금조업의 초기에 용융금속용기로 투입할 때, 경소돌로마이트 또는 돌로마이트와 혼합하여 투입하는 것을 특징으로 하는 부정형 폐스프레이재의 재활용방법.