강슬래그를 사용하여 시멘트 클링커를 제조하는 방법 및 그 장치

[발명의 명칭]

강슬래그를 사용하여 시멘트 클링커를 제조하는 방법 및 그장치

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 기다란 회전가마에서 시멘트 클링커 제조에 관계한다. 더욱 특별히, 본 발명은 이송원료 및 강 슬래그 흐름이 가마의 단부에 있는 히터로 움직일 때 강슬래그가 요융되고 이송원료에 확산되어서 시멘트 클링커를 형성하도록 석회를 포함한 이송원료의 흐름과 함께 강슬래그가 가마의 입구단부에 첨가됨을 특징으로 하는 종래의 기다란 습식 또는 건식 회전가마에서 시멘트 클링커 제조방법 및 그 장치에 관계한다.

[배경기술]

미국 특허 제 5,156,676에는 시멘트 성분의 하소 및 클링커링이 수행되는 공정이 제시된다. 습식 또는 건식의 회전가마를 사용하는 전형적인 공정은 공지이다. 석회석, 점토, 및 모래 등의 시멘트원료가 미세하게 분쇄되고 혼합되어서 가마의 입력 또는 이송단부에 균질의 혼합물을 제공한다. 가마는 하향으로 경사져서 가마의 히터 단부가 이송단부 아래에 있다. 이 가마는 일반적으로 4개의 작업지대, 즉 사전하소지대, 하고지대, 클링커링지대, 및 냉각지대를 가진다. 종래의 연료는 예열된 공기와 혼합되어 히터 단부에서 가마로 주입된다. 천연가스, 오일, 또는 석탄 분말 등의 연료가 시멘트 제조공정에서 종래에 사용된다.

미세하게 분할된 시멘트 원료가 이송단부에서 회전가마를 통과할 때 사전하소지대에서 주변온도에서 약 1000℉까지 원료가 가열된다. 이 지대에서 원료의 온도를 상승시키는데 하소지대로 부터 나온 가스연소열이 사용된다. 또한, 가마에서 가스와 원료간의 열교환효율을 증대시키기 위해서 가마 내부에 부착될수 있는 체인시스템이 사용된다.

원료가 하소지대를 통과할 때 원료의 온도는 1000℉에서 2000℉로 상승하고 이 지대에서 CaCO ₃ 가 분해되어 CO ₂ 가 방출된다.

이후에 약 2000℉의 온도인 하사된 물질이 클링커링 또는 연소지대를 통과하여 온도가 약 1500℃(2732℉)까지 상승한다. 이 지대에서 대부분의 원료는 트리칼슘실리케이트, 디칼슘 실리케이트, 트리칼슘 알루미네이트, 및 테트라 칼슘 알루미노페라이트 등의 전형적인 시멘트 화합물로 전환된다. 이후에 시멘트 클링커는 클링커지대를 떠나서 냉각되며 이후에 분쇄 등에 의해 더욱 가공된다.

게다가, 분쇄된 시멘트성 재료로서 고로슬래그의 사용은 1774년까지 거슬러 올라간다. 철 제조에서 용광로는 상부에서 부터 연속으로 철산화물, 용제, 및 연료로 충전된다. 용광로에서 두가지 생성물이 얻어진다 : 용광로 바닥에 모이는 용융된 철과 철의 푸울상에 부유하는 액체철 고로슬래그. 둘다를 약 1500℃(2732℉)의 온도에서 용광로로 부터 주기적으로 받아낸다. 이 슬래그는 용제에서 나온 칼슘 및 마그네슘 산화물과 조합된 실리카와 알루미나로 주로 구성된다. 모르타르나 콘크리트에서 사용하기 위한 이 슬래그의 시멘트 활성도는 조성과 용광로에서 나올 때 용융물이 냉각되는 속도에 의해 결정된다.

게다가, 강제조에서 액체철슬래그가 강의 푸울상에 부유함을 특징으로하는 유사 공정이 발생된다. 또한, 이 강슬래그는 주로 칼슘 및 마그네슘 산화물과 조합된 실리카와 알루미나로 구성된다. 강슬래그와 고로슬래그 둘다의 처분은 제조자에게는 중대한 처분 문제를 부과한다.

강슬래그와 고로슬래그는 둘다 매우 단단한 입자로 구성된다. 강슬래그 입자는 유리를 자를 정도로 충분히 단단하다. 고로 슬래그가 사용될 때 고로슬래그는 항상 미세분말형태이며, 이것은 슬래그가 미세분말형태로 분쇄되는데 상당량의 에너지가 사용됨을 의미한다.이러한 공정은 미국특허 제 2,600,515호에 발표되는데 석회석과 미세분말 혼합물인 고로 슬래그가 회전 시멘트 가마에 이송되고 가마의 화염에 직접 도입된다. 이 슬래그 분말은 동시에 동일채널에 의해 분쇄된 석탄, 증류나 가스 등의 연료로 블로우잉 된다. 이 공정은 몇가지 결점을 가진다. 가장 중요한 결정중의 하나는 용광로로 블로우잉 될 수 있도록 물질을 분쇄하고 건조하는데 많은 양의 에너지가 필요하다는 점이다.

강슬래그 및 고로슬래그에 있는 많은 화합물은 시멘트 화합물과 공통적이며 이들의 형성열은 각 공정에서 이미 수행되었다. 강 슬래그의 X-선 회절 분석은 조성이 잘 흐르는 β디칼슘 실리케이트 2CaO. SiO ₂ (C ₂ S)임을 보여준다. CaO의 첨가로 이 화합물은 회전가마의 연소지대에서 3CaO. SiO ₂ (C ₃ S)로 전환가능하다.

강슬래그는 시멘트 회전가마의 작동에 유해한 영향은 미치지 않는다. 회전가마로 부터 휘발성 물질의 방출은 슬래그가 이전에 열처리되어 대개의 휘발성 물질, 즉 이산화탄소, 탄소, 휘발성 유기물등이 제거되었기 때문에 개선된다. 그러나, 서술된 바대로 슬래그의 미세한 분쇄가 필요하므로 시멘트 제조 공저에 값비싼 단계를 추가시키게 된다.

[발명의 상세한 설명]

강 슬래그에 있는 많은 화합물은 시멘트 화합물과 동일하며 강슬래그는 대량으로 구할수 있으며 중대한 처리문제를 제시하기 때문에 필요로 하는 분쇄상태보다 더 조잡한 상태로 상용될수 있고 히터 단부 대신에 가마의 이송단부에 이송원료를 이송될수 있다면 강슬래그를 사용할수 있는 잇점이 있을 것이다.

본 발명은 이러한 강슬래그의 용도를 제공하며, 성분의 직경이 2인치 까지인 조잡한 상태를 제공하기 위해서 분쇄되고 가려지는 다양한 강 공정 슬래그의 활용장치 및 방법을 제공하며, 조잡한 슬래그가 이송원료와 함께 가마의 입력단부에 이송되어서 슬랙의 미세한 분쇄작업없이 강 슬래그를 사용하는 모든 잇점을 얻는다.

이전에 기술된 바대로 강슬래그는 시멘트 회전가마의 작동에 유해한 영향을 미치지 않는다. 강슬래그는 사전에 가열 처리되어 대개의 휘발성 물질, 즉 이산화탄소, 탄소, 휘발성 유기물등이 제거되므로 회전가마로 부터 휘발성 물질의 방출은 개선된다. 강슬래그의 역사 때문에 필요한 강슬래그 화학은 이미 강제조공정 동안 확립되어서 시멘트 제조공정에서 에너지를 보존시킨다. 따라서 이슬래그의 사용은 수많은 잇점이 있다. 먼저, 슬래그의 미세한 분쇄작업이 불필요하다. 많은 양의 조잡한 슬래그(성분의 직경이 2인치 까지인 강 슬래그)가 단지 작은 약품의 변화가 있는 시메트 클링커 조성물에 포함되고 회전 가마에 이송된다. 분쇄 및 가려냄은 2인치 이상의 슬래그 입자만을 위해서 필요하다.

둘째, 슬래그 건조가 불필요하다. 고유수분함량은 보통 1~6%이다. 습식 공정 회전가마시스템에서 상당한 수분감소 및 절약이 실현된다. 건식공정회전가마시스템에서 강슬래그는 건조될 필요가 없다.

셋째, 진흙링이나 클링커 축적으로 인한 가마의 막힘 현상이 일어나지 않는다. 습식 및 건식 공정 회전 가마에서 조잡한 강 슬래그는 가마를 통과할 때 축적된 물질을 청소하는 효과를 가진다.

넷째, 조잡한 강 슬래그가 초기 원료의 일부로서 활용되어 가마의 이송단부에 도입된다. 강 슬래그와 젖은 이송원료가 별도로 회전 가마의 이송단부에 주입될수 있으며 사전 혼합없이 가마의 이송단부에 함께 주입될수 있다.

다섯째, 이송원료조성물에 사소한 화학적 변화만이 강슬래그를 수용하는데 보통의 이송원료에 필요하다. 이것은 이송원료가 석회함량이 더 풍부하다는 것을 의미한다.

여섯째, 조잡한 강슬랙의 화합물 구조는 확산에 의해 회전가마내의 열처리동안 비라는 시멘트 클링커 구조로 변환된다.

일곱째, 강슬래그가 용융하는 온도가 낮고 강슬래그의 분쇄도 불필요하므로 강슬래그가 사용될 때 상당한 에너지 절약이 실현된다.

여덟째, 사용된 슬래그 양에 비례해서 생산이 증대된다.

아홉째, 회전가마공정의 환경조건이 강슬랙의 휘발성 함량이 낮기 때문에 개선된다.

열째, 상당량의 강슬래그의 유용성을 제공하고 현재 강슬랙의 처리가 환경적 문제이기 때문에 강슬래그의 재활용은 환경을 개선한다.

또한, 에너지 절약 및 저가의 강슬랙의 풍부한 공급 때문에 시멘트제조 비용이 크게 감소된다. 따라서 강제조공정의 부산물인 조잡한 강슬래그를 사용하여 시멘트 클링커용 회전가마를 작동하는 개량된 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

조잡한 강슬래그를 시멘트제조 회전가마의 이송단부에 도입하는 것이 본 발명의 또다른 목적이다.

최대 2인치 직경 및 그 이하의 다양한 입자크기를 가지는 조잡한 강슬래그를 사용하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.

따라서 본 발명은 이송단부와 히터 단부를 가지는 기다란 회전 시멘트 가마를 사용하여 시멘트 클링커를 제조하는 방법에 관계하며, 가열단부는 이송단부에 대해서 하향으로 경사지며, 상기 방법은 가열원으로 부터의 열을 가마의 가열단부에 안내하는 단계, 석회를 함유한 이송원료 흐름을 가마의 이송단부에 도입하여 이송원료의 흐름이 가마의 가열단부쪽으로 이동되는 단계, 및 예정된 양의 분쇄되고 가려낸 강슬래그를 가마의 이송단부에서 이송원료의 흐름에 첨가하여 이송원료 및 강슬래그의 흐름이 가마의 가열단부쪽으로 이동되고 강슬래그가 용융되고 이송원료에 확산되어 시멘트 클링커를 형성하는 단계로 이루어진다.

본 발명은 가열단부와 이송단부를 가지는 회전 시멘트가마를 포함하는 시멘트 클링커 형성장치에 관계하며, 가열단부는 이송단부에 대해서 하향으로 경사지며, 회전가마의 내부를 가열하기 위해 가열단부에 가열원이 있으며, 석회를 함유하는 이송원료와 강슬래그의 흐름을 회전가마의 이송단부에 도입하여 이송원료와 강슬래그가 가마의 가열단부쪽으로 움직일 때 강슬래그가 열에 의해 이송원료로 확산되어서 시멘트 클링커를 형성시키는 전달수단이 있다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 이송원료와 강슬래그가 회전가마의 입력단부로 이송되며 시멘트 클링커를 형성하기 위한 본 발명의 회전가마시스템을 나타내는 다이아그램.

제2도는 이송원료와 강슬래그가 회전가마의 입구단부에 별도로 이송됨을 나타내는 다이아그램.

제3도는 이송원료와 강슬래그가 조합된 혼합물로 가마의 입력단부에 이송됨을 나타내는 공정도.

제4도는 이송원료와 강슬래그가 회전가마의 입력단부에 별도로 이송됨을 나타내는 또 다른 공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 시멘트 클링커 형성장치 12 : 회전가마

14 : 플랜지 16 : 이송단부

18 : 연소지대 20 : 연료원

22 : 화염 24, 46, 54, 62 : 컨베이어벨트

25 : 제어기 28 : 흐름

26 : 연삭기 28 : 흐름

30 : 시멘트 클링커 32, 34 : 오염제어장치

36, 38 : 폐기가스 40 : 폐기생성물

42, 55, 64 : 위치 44, 50 : 강슬래그

48, 58 : 이송원료 52, 60 : 호퍼

56 : 먼지호퍼

[실시예]

본 발명은 최대 2인치 직경까지 다양한 입자크기로 회전시멘트 가마의 이송단부에 별도의 성분으로 강슬래그가 가마에 첨가될수 있게 한다. 대개의 강슬래그는 2인치이하의 직경인 입자이므로 분쇄 및 가려냄 공정은 단지 바라는 최대 입자크기를 얻는데 필요하다. 본 발명에서는 강슬래그의 미세한 분쇄가 불필요하다. 본 발명은 이전에 회전 시멘트가마공정에서 허용된 것 보다 훨씬 조잡한 상태에 있는 다양한 강 슬래그 활용방법을 제공하며 C ₂ S 등의 강슬래그의 화합물의 원소가 시멘트 클링커와 일체가 된다. 이 분야 숙련자가 알수 있듯이 슬래그 화학이 시멘트 전체 성분의 일부로서 이해되고 제어되어야 하며 이송원료에 첨가될 강슬래그의 양은 이송원료 및 이들의 화합물과 균형이 맞어야 한다.

100%슬래그의 실험실 용광로 연소시험에서 강슬래그의 용융점이 측정되고 그것이 시멘트 가마에서 강슬래그 사용의 핵심이다. 표1에서 알수 있듯이 용융점은 2372℉/1300℃로 측정되었고 직경 2인치 까지의 꽤 큰 입자 크기로 가마의 이송단부에 슬래그가 첨가될수 있다.

[표 1]

강슬래그 실험실용광로 연소

시험은 각 온도에서 15분 수행

슬래그 크기-대략 3/8인치 조각

표1에 기재된 시험은 대략 3/8인치 크기인 슬래그로 각 온도에서 15분간 수행된다. 시험의 결과 입자크기 때문에 슬래그가 회전가마의 체인부위에 슬러리를 농축시키거나 진흙링을 야기시키거나 먼지손실을 증대시키지 않음이 판명되었다. 게다가 수분함량은 2.2%정도로 감소시킨다. 강슬래근 용융되어 회전가마의 하소지대와 연소지대 사이에 있는 다른 원료와 조합하기 시작한다. 저 용융점 때문에 80%의 물질이 다른 성분과 화학적 조합을 위해 200메쉬 스크린을 통과해야 하는 공지기술과는 달리 이 물질을 분쇄할 필요가 없다. C ₂ S형성은 이미 강슬래그에서 이루어졌고 C ₃ S형성은 같은 온도 지대에서 그것이 용융하는 회전가마에서 이루어진다. 강슬래그의 X-선 회절 분석은 조성이 고흐름성 β디칼슘 실리케이트 2CaO.SiO ₂ (C ₂ S)인 것을 보여준다. CaO의 첨가로 이 화합물은 회전가마의 연소지대에서 3CaO, SiO ₂ (C ₃ C)로 전환될수 있다. C ₃ S는 시멘트에서 주 강도유지 화합물이다.

본 발명의 장치는 제1도에 도시된다. 장치(10)는 가마와 함께 회전하는 플랜지(14)에 의해 잘 알려진 방식으로 지탱되는 회전가마(12)를 포함한다. 가마는 이송단부(16)와 가열단부 또는 연소지대(18)를 가진다. 가열단부(18)는 잘 알다시피 이송단부(16)에 의해 하향으로 경사진다. 연료원(20)은 회전가마(12)의 가열단부(18)에 화염(22)을 일으켜 대략 1500℃(2732℉)의 온도를 제공한다. 석회석, 점토, 모래 등의 시멘트 원료 또는 이송원료는 가변 컨베이어 벨트(24)에 의해 회전가마(12)에 운반된다. 이송원료는 회전가마(12)를 통해 화염(22)쪽으로 흐름(28)으로 움직인다. 공지화학공정이 가마(12)내에서 일어나며 시멘트 클링커(30)가 또다FMS가공을 위해 가마(12)의 가열단부(18)를 빠져나온다. 공지의 오염제어장치(32,34)가 가마(12)의 가열단부 및 이송단부에 있다. 가열단부(18)에서 오염제어장치(32)밖으로 폐가스(38)가 대기로 방출되며 재생폐기물(40)이 회수된다. 이송단부(16)에서 오염제어장치(34)는 폐가스(36)를 제거하여 방출시키고 (42)에서 폐기물을 재생한다.

본 발명에서 강슬래그(44)는 가변속도 컨베이어벨트 등의 전달장치(46)에 의해 회전가마(12)의 이송단부(10)에 있는 먼지호퍼(56,2도)를 통해 이송되는 원료(48)에 전달된다. 제어기(25)는 컨베이어벨트(24,46)의 속도를 제어하여 적당비율의 강슬래그(44)가 화학조성에 따라 원료에 공급되게 한다. 이러한 제어는 공지이므로 상세히 기술되지 않을 것이다.

제2도는 회전가마(12)의 입력단부에 강슬래그와 이송원료를 별도로 제공하는 장치의 다이아그램이다. 제2도에서 강슬래그(50)는 호퍼(52)에 떨어져 전달시스템(54)에 의해 상향으로 운반되어(55)에 퇴적되어 먼지호퍼(56)를 통과하여 회전가마(12)의 입력단부(16)에 이른다. 가마의 입력단부로 물질의 이송은 공지방식으로 수행될수 있다. 유사방식으로 이송원료(58)가 호퍼(60)에 떨어져 전달수단(62)에 의해 상향으로 운반되어 위치(64)에서 회전가마(12)의 입력단부(16)로 이송하기 위해 호퍼(56)로 떨어진다. 제1도나 제2도의 장치는 바라는 결과를 가져온다.

표 2는 강슬래그 원료에서 임의로 취해진 6개의 강슬래그 샘플의 화학분석의 결과이다. 물론 강슬래그의 화학분석은 슬래그에 따라 표 2와 다를수 있다.

[표 2]

강슬래그

강슬래그 조성은 매우 균일하여 시멘트 제조에 적합함을 알 수 있다. 평균 유리석회가 0.50%이고 평균 LOI(연소로 인한 손실)은 1.40이다. 유리수분은 1%이고 결합된 수분은 1%이다.

강슬래그의 X-선 회절 분석은 조성이 고흐름성β디칼슘 실리케이트 2CaO.SiO ₂ (C ₂ S)임을 보여준다. 이 화합물은 CaO를 추가하여 연소지대에서 트리칼슘 실리케이트 3CaO.2SiO ₂ (C ₃ S)로 전환될수 있다. 이 반응은 2CaO.SiO ₂ +CaO+열

₂ 이다. C

₃ S는 시멘트에서 주 강도유지 화합물이다.

테이블3은 0%강슬래그, 89.67%석회, 4.42%혈암, 4.92%모래, 및 099%혈암을 가진 이송원료 혼합물을 보여준다.

[표 3]

혼합물 조성 : 0%슬래그

표 4는 90.79%석회, 3,64%혈암, 5.36%모래, 0.21%광석으로된 이송원료에 5%슬래그를 첨가한 혼합물을 보여주며 표 5는 91.43%석회, 2,75%혈암, 5.82%모래, 0%광석으로 된 이송원료에 10%슬래그를 첨가한 혼합물을 보여준다.

[표 4]

[표 5]

표 3, 4 및 5로부터 슬래그 첨가는 시멘트 클링커 제조용 원료로서 적합함을 알수 있다.

제3도는 본 발명의 발명을 보여주는 것으로서 제1도에서 도시된 대로 이송원료와 강슬래그가 가마의 이송단부에 주입되기전에 조합된다. 단계(76)에서 이송원료가 공급되고 단계(78)에서 강슬래그와 조합되는데 강슬래그는 단계(80)에서 최대 2인치 직경을 얻기 위해서 분쇄되고 가려내었다. 이후에 조합된 물질은 단계(82)에서 회전가마의 이송단부에 이송된다.

제4도에서 강슬래그와 이송원료가 제2도에 도시된 대로 회전가마의 이송단부에 별도로 주입된다. 이경우에 단계(66)에서 이송원료가 공급되고 단계(68)에서 전달수단에 의해 회전가마의 입구나 이송단부에 전달된다. 강슬래그가 단계(72)에서 분쇄되고 가려내져 최대 2인치 직경을 얻는다. 그 결과의 생성물은 단계(74)에서 회전 가마의 입구나 이송단부에 전달된다. 단계(70)에서 이송원료와 강슬래그는 시멘트 클링커가 형성될 때 까지 가열된다.

따라서 이송원료가 회전가마의 이송단부에 도입되며 조잡하나 강슬래그를 첨가하여 시멘트 클링커를 형성하는 방법 및 장치가 발표되었다. 조잡한 강슬래그는 최대 2인치 직경으로 분쇄되고 가려내진 강슬래그이다. 많은 잇점이 본 발명에 의해 얻어진다. 슬래그의 미세한 분쇄공정이 불필요하다. 2인치 까지의 입자크기를 가진 많은 양의 조잡한 슬래그가 회전가마에 주입된 정규물질에 필요한 사소한 화학변화로 시멘트 클링커 조성물에 포함될수 있다.

슬래그 건조가 불필요하다. 고유수분 함량은 1~6%이다. 습식공정회전가마시스템에서 상당한 수분감소 및 절약이 실현된다. 건식공정회전가마시스템에서 강슬래그는 건조될수 있지만 불필요하다.

본 발명으로 조잡한 강슬래그가 회전가마를 수단으로 초기이송원료의 일부로서 시멘트 클링커 제조에 활용될수 있다. 강슬래그 및 젖은(혹은 건조한)이송원료가 별도로 회전가마의 이송단부에 주입된다. 또한 혼합에 앞서 가마의 이송 입구에서 이들이 함께 주입될수도 있다. 진흙링이나 클링커 축적으로 인한 가마의 막힘은 발생하지 않는다. 습식 및 건식공정회전가마에서 강슬래그는 가마를 움직일때 축적된 물질을 청소하는 효과를 준다.

보통의 이송원료가 강슬래그를 수용하는데 단지 사소한 화학변화가 필요하다. 이것은 이송원료가 석회함량에서 더 풍부해져야 한다는 것을 의미한다. 회전가마내에서 열처리동안 조잡한 강슬래그의 화합물 구조는 확산에 의해 바라는 시멘트 클링커 구조로 변형된다. 강슬래그의 분쇄가 불필요하므로 본발명을 사용하여 시멘트 클링커를 제조하는데 상당한 에너지 절약이 실현된다. 사용된 슬래그 양에 비례하여 생산률이 증대한다. 게다가 강슬래그의 재활용은 환경을 개선하며 강슬래그가 광대한 저장면적을 차지하게 하지 않고 강슬래그의 방출구 역할을 한다. 따라서 강슬래그의 재활용은 환경을 개선하고 시멘트 제조비용을 크게 감소시킨다.

본 발명이 선호된 구체예와 관련지어 기술될지라도 여기에 국한되지 않고 여러변형이 청구범위에 의해 한정된 대로 본 발명의 사상내에 포함된다.