1. 슬래그 분말 활성 저하의 원인
슬래그 분말의 낮은 활성에는 여러 요인이 작용합니다. 결정상 함량이 높고 완전한 결정 구조를 갖는 것이 주요 원인입니다. 또한, SiO2와 같은 산성 산화물 함량이 높고 CaO와 같은 염기성 산화물 함량이 낮으면 활성이 더욱 저하됩니다. 슬래그 분말 분쇄 효율 저하의 원인을 분석할 때, 화학적인 작곡이 첫 번째 관문입니다.
둘째, 비표면적, 입자 형태 및 입자 크기 입자 분포는 매우 중요한 역할을 합니다. 비표면적은 활성에 필수적인 조건입니다. 그러나 비표면적이 높다고 해서 항상 활성이 높은 것은 아닙니다. 분쇄 장비와 공정은 입자 모양을 변화시켜 활성에 영향을 미칩니다. 최적의 강도를 위해서는 슬래그 입자의 80%~85% 값이 0~12μm 범위에 있어야 합니다. 또한, 95% 이상의 입자는 30μm보다 작아야 합니다.
2. 연삭 장비 및 연삭 공정
현재 중국에서 슬래그 분말 생산에 주로 사용되는 분쇄 장비는 볼밀과 수직 롤러밀입니다. 분쇄 장비와 분쇄 공정은 슬래그 분말의 미세도, 입자 형태 및 입자 크기 분포에 직접적인 영향을 미칩니다. 이에 대한 예비 분석은 다음과 같습니다.
2.1 볼밀
볼밀링을 이용한 슬래그 분말 생산 공정은 폐쇄회로 분쇄 시스템과 개방회로 분쇄 시스템으로 나뉜다.
폐쇄 회로 연삭 시스템
폐쇄 회로의 전력 소비량 볼밀 슬래그 분쇄 시스템은 개방 회로 시스템보다 효율이 낮습니다. 제품의 미세도를 매우 미세한 수준까지 제어할 수 있지만, 음압 기류의 작용으로 인해 크기가 큰 슬래그 분말 입자가 완제품에 쉽게 혼입됩니다. 슬래그 분말의 입자 크기가 유사하기 때문에 입자 크기 분포가 불균일해집니다. 분류 원리는 중력 분류에 기반하며, 즉 입자의 무게에 따라 잔류하거나 제거됩니다. 30μm 이상의 입자가 비교적 많이 완제품에 혼입되는데, 이러한 입자는 강도 발달에 상대적으로 기여도가 낮습니다.
개방 회로 연삭 시스템
대부분의 국내 슬래그 분말 생산업체는 여전히 개방형 회로 분쇄 시스템을 갖춘 볼밀을 사용하고 있습니다. 볼밀로 처리된 슬래그 분말은 입자 크기 분포가 넓은 미세 입자의 비율이 높고, 슬래그 분말 활성 지수도 비교적 높습니다. 슬래그를 480 m²/kg으로 분쇄하여 입자 크기 분포가 비교적 균일하게 되면, 대부분의 입자는 0~30 μm 범위에 분포하게 됩니다. 동일한 품질의 슬래그를 기준으로 할 때, 볼밀 개방형 회로 시스템으로 분쇄하면 활성 지수가 상대적으로 더 높아집니다.
예비 분쇄 장비가 없는 개방 회로형 볼밀 시스템에서는 전력 소비량이 비교적 높습니다. 표면적이 420m²/kg에 도달할 때 일반적으로 톤당 65~95kWh를 유지합니다. 볼밀의 내부 구조는 매우 중요합니다. 챔버 길이 분포 및 다이어프램 플레이트 형상과 같은 요소는 제품에 직접적인 영향을 미칩니다. 또한, 분쇄 매체의 입도 분포는 비표면적과 입자 크기 분포에 영향을 줍니다. 이러한 요소들이 종합적으로 슬래그 분말의 최종 활성 지수를 결정합니다.
조사 결과, 한 슬래그 분말 제조업체가 분쇄 보조제를 사용한 개방형 회로 볼밀을 사용하고 있었음에도 불구하고 슬래그 분말의 활성도가 극히 낮고 비표면적이 450 m²/kg에 불과한 것으로 나타났습니다. 해당 볼밀은 3개의 챔버로 구성되어 있었는데, 세 번째 챔버에는 홈이 파인 라이너가 있는 소형 강철 세그먼트가 사용되었습니다. 이 세 번째 챔버는 분쇄 챔버로서 비표면적을 증가시키고 활성도를 향상시키는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 이 챔버에 홈이 파인 라이너가 있는 소형 강철 세그먼트를 설치하는 것은 일반적인 관행과는 다릅니다. 이러한 분쇄 방식을 통해 어떻게 비표면적을 증가시키고, 적절한 입자 크기 분포를 확보하며, 슬래그 분말의 활성도를 향상시킬 수 있을까요?
2.2 수직 롤러 밀
수직으로 사용할 때 롤러 밀 (VRM)은 슬래그 분말을 약 420m²/kg의 비표면적으로 분쇄하며, 높은 생산량과 약 40kWh/t의 전력 소비량을 자랑합니다. 분쇄에 필요한 전력 소비량이 비교적 낮아 사용자들에게 인기가 높습니다.
실제 실험 결과에 따르면, 동일한 클링커와 동일한 비표면적을 가진 시멘트의 경우, 수직 밀로 분쇄한 시멘트의 3일 압축 강도가 볼 밀로 분쇄한 시멘트보다 약 3 MPa 낮습니다. 그렇다면 수직 밀로 분쇄한 슬래그 분말에서도 동일한 결함이 나타날까요?
폐쇄 회로 볼 밀 시스템과 유사하게, 수직 밀에는 미세 분말 수집을 위한 분류기가 장착되어 있습니다. 만약 작동이 부적절하거나 시스템 매개변수를 적절하게 제어하지 못하면, 30μm보다 큰 입자가 상당수 최종 제품으로 수집될 수 있습니다. 이는 입자 크기 분포 범위를 좁히고 슬래그 분말의 활성을 저하시킵니다. 둘째로, 수직 밀의 분쇄 메커니즘은 전단 기반이며, 입자 형태 또한 강도 발달에 영향을 미쳐 활성 지수를 낮춥니다.
자주 간과되는 또 다른 문제는 고온 가스를 이용하여 제련소 내부에서 슬래그를 직접 건조하는 공정입니다. 즉, 0~12μm 크기의 미세 슬래그 입자는 완제품 사일로에 들어가기 전에 약 250°C의 고온 가스를 통과해야 합니다. 이는 수냉식 슬래그를 고온 열처리하는 것과 동일하며, 결정 성장을 촉진하고 슬래그 내 결함을 줄여 활성도를 저하시킵니다.
수직형 분쇄기의 작동 및 관리가 온도, 공기압, 공기 유량 등을 적절히 조절하여 잘 제어된다면 슬래그 분말 활성도 감소를 비교적 최소화할 수 있습니다. 그러나 제어가 제대로 이루어지지 않으면 활성도 감소가 더욱 심화됩니다.
2.3 수평 롤러 밀
수평 롤러 밀은 공정 및 내부 구조가 간단하여 슬래그 분말의 활성을 저해하는 요소가 적습니다. 분쇄 후 재료는 이상적인 입자 형태와 입자 크기 분포를 나타내며 제품 품질이 안정적입니다. 수평 롤러 밀로 분쇄된 시멘트는 비교적 높은 강도를 가집니다. 제강 슬래그 분말을 약 460m²/kg의 비표면적으로 분쇄할 때 주 모터의 전력 소비량은 33~35kWh/t에 불과하여 슬래그 분말 분쇄에 가장 적합한 장비 중 하나입니다.
수평 롤러 밀로 생산된 시멘트 입자의 형태는 볼 밀로 생산된 시멘트 입자의 형태와 매우 유사합니다(아래 그림 참조).
3. 슬래그 분말 활성도 향상 방법
슬래그 미세분말의 낮은 활성도의 주요 원인
위의 분석을 통해 슬래그 미세분말의 낮은 활성도의 주요 원인은 슬래그의 수냉 처리 결과, 화학적 조성, 입자 형태, 입자 크기 분포 및 공정의 운영 측면과 관련이 있음을 알 수 있습니다.
슬래그 미세분말의 활성을 향상시키기 위해 적절한 공정 조치를 어떻게 합리적으로 채택할 수 있을까요?
비표면적 및 입자 특성이 활성에 미치는 종합적인 영향
이론적으로 슬래그 분말의 활성을 최대한 발휘하려면 비표면적이 480m²/kg 이상이어야 합니다. 그러나 슬래그 염기도가 약 85%인 경우, 비표면적을 더 높여도 효과가 미미할 수 있습니다. 개방 회로 볼밀을 사용하여 500m²/kg 이상의 비표면적을 확보하더라도 활성이 크게 향상되는 경우는 드뭅니다. 이는 활성 지표가 비표면적 외에도 여러 요인에 의해 좌우되기 때문입니다. 입자 형태와 입도 분포의 합리성 또한 중요한 요소이며, 이러한 요소들은 특정 분쇄 공정 및 장비에 의해 직접적으로 결정됩니다. 따라서 슬래그 미분말의 활성을 향상시키기 위해서는 종합적인 기술적 대책이 필요합니다.
물리적 및 화학적 이중 활성화가 활성 향상의 핵심입니다.
슬래그 미세분말의 활성을 향상시키기 위해서는 물리적 및 화학적 활성화의 이중 작용을 통해 슬래그 미세분말의 표면 화학 조성을 조절하여 활성을 증가시켜야 합니다.
화학적 및 물리적 조정을 결합하면 활성을 향상시킬 수 있습니다. 먼저 산성 슬래그 미분말을 약알칼리성 또는 알칼리성 상태로 조정해야 합니다. 다음으로, 입자 크기를 미세하게 하기 위해 슬래그 미분말을 적절하게 분쇄해야 합니다. 이 과정을 통해 이상적인 입자 분포 범위를 넓힐 수 있습니다. 이러한 단계를 따르면 슬래그 미분말의 활성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
사이핑 시멘트의 활성제 기술 실무
사이핑 시멘트는 산성 슬래그의 낮은 활성도 문제를 해결하기 위한 방법을 연구해 왔습니다. 또한 부적절한 슬래그 분말 분쇄 공정으로 인해 발생하는 문제점에도 집중했습니다. 활성도 향상을 위해 외부 액상 활성제와 분말 활성제를 병용 적용했으며, 물리화학적 복합 활성화 방법도 활용했습니다. 이러한 복합적인 전략을 통해 슬래그 미세 분말의 성능 향상에 있어 초기 성과를 거두었습니다.
슬래그 분말 분쇄 과정에서 활성제를 첨가하면 생성되는 슬래그 미세 분말의 화학적 조성에 약간의 변화가 발생합니다(표 1 참조).
| 여기 방법 | 이산화규소(SiO2) | 알루미늄2오세 | Fe2O3 | 높은 | MgO | pH 값 | 품질 요소 |
| 슬래그(활성제 미첨가) | 39.18 | 14.02 | 1.39 | 39.23 | 6.75 | 0.86 | 1.53 |
| 액체 활성제 | 37.26 | 12.02 | 1.92 | 40.71 | 6.35 | 0.95 | 1.58 |
| 액상 활성제 + 분말 활성제 | 35.14 | 10.42 | 1.32 | 40.24 | 7.23 | 1.04 | 1.65 |
표 1: 활성제를 첨가하여 분쇄한 슬래그 미분말(%)의 화학적 조성의 미미한 변화.
(참고: 원문에는 표에 대한 구체적인 데이터가 제공되지 않으므로, 원문의 설명을 그대로 유지했습니다.)
산성 슬래그는 주로 높은 SiO₂ 함량을 특징으로 하며, 이는 안정적인 구조적 성능으로 이어져 낮은 품질 계수의 주요 원인이 됩니다.
활성제가 화학적 조성 및 염기도에 미치는 개선 효과
0.1%의 액상 활성제를 슬래그와 혼합하여 슬래그 분말을 분쇄한 결과, 원래 슬래그의 화학 조성에서 SiO₂ 함량이 39.18%였던 것이 생성된 슬래그 미세 분말에서는 37.26%로 감소했고, 염기도는 0.86에서 0.95로 증가했다.
슬래그 분말 분쇄 시 액상 활성제와 분말 활성제를 동시에 사용했을 때, 원래 39.18%였던 슬래그 미세 분말의 SiO₂ 함량이 35.14%로 감소하여 염기도가 1.04로 상승하고 알칼리성 슬래그 지표를 충족하게 되었다.
이 "알칼리성 슬래그"는 적절한 슬래그 분말 분쇄를 통해 특정 비표면적으로 분쇄되고 비교적 합리적인 입자 크기 분포를 갖게 되면 향상된 활성 지수를 나타낼 것입니다.
활동 지수 개선에 대한 실제 데이터
볼밀 슬래그 분말 분쇄 시 슬래그 액상 활성제 0.1%를 첨가한 산성 슬래그의 경우, 7일 활성 지수는 67.4%에서 88.8%로 31.75% 증가했으며, 28일 활성 지수는 89.5%에서 110.7%로 23.7% 증가했다.
현지 원자재 및 생산 공정의 차이에 따라 화학적 활성화 방법은 슬래그 미세 분말 활성 지수를 개별적으로 약 15~25%까지 증가시킬 수 있는 반면, 복합 활성화 방법은 약 50%까지 증가시킬 수 있습니다.
상기 기술적 조치를 이용하면 초기 7일 활성도 지수가 약 55%인 슬래그 미세분말을 75% 이상으로, 초기 7일 활성도 지수가 약 70%인 슬래그 미세분말을 95% 이상으로 높일 수 있다.
실제 적용 권장 사항
슬래그 미세분말의 낮은 활성도 문제를 해결하기 위해서는 맞춤형 접근 방식이 필수적입니다. 엔지니어는 현장의 특정 장비와 원자재를 기반으로 여러 기술 방안을 수립해야 합니다. 이 계획 단계에서는 다른 지역적 조건도 고려해야 합니다. 실험실 테스트는 다음 단계에서 매우 중요합니다. 최적의 기술 방안은 7일 및 28일 테스트 결과를 얻은 후에야 선정할 수 있습니다. 이러한 선정 과정을 통해 활성도 지수를 크게 향상시킬 수 있으며, 동시에 생산 비용과 자본 투자를 낮출 수 있습니다.
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— 게시자 에밀리 첸