철광석 잔재물로 벽돌 만들기

철 광미는 복합 광물 원료로, 철광석의 가공 및 자력 선별 과정을 거친 후 슬러리 형태로 배출되는 광물 폐기물입니다. 그 조성에는 화학적 성분과 광물학적 성분이 모두 포함됩니다. 주성분은 석영이며, 주로 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO 등을 함유하고 있으며, 소량의 K₂O, Na₂O, S, P 및 기타 원소도 포함되어 있습니다. 대부분의 철 광미에서 주성분은 SiO₂입니다. 건축 자재 원료로 사용되는 광미의 경우, Ca(OH)₂ 용액에서의 화학적 반응성이 핵심 특성입니다. 철 광미 자체는 수경성 시멘트 특성을 거의 가지고 있지 않지만, 물과 혼합된 철 광미 분말이 상온 또는 열수 경화 조건에서 Ca(OH)₂와 반응하면 우수한 수경성 시멘트 특성을 지닌 화합물이 형성될 수 있습니다. 또한, 입자 보강 복합 재료의 계층적 구조 이론에 따르면, 광물 혼합제의 주된 역할은 시멘트질 재료와 반응하여 겔이나 미세 결정질 광물을 형성함으로써 시멘트질 상의 양을 증가시키는 것입니다. 이 원리는 수합성 방식으로 생산된 광미 건축 자재의 원리와 유사합니다.

5.1.1.1 비소성 벽돌 및 오토클레이브 처리 벽돌의 생산

비증기·비소성 벽돌은 시멘트화 광미 건축 자재의 일종입니다. 이는 실온 또는 100°C 이하에서 시멘트화 재료를 사용하여 광미 입자를 결합해 일체형으로 만들고, 사용 요건을 충족하는 규칙적인 형태를 갖춘 건축 자재 또는 제품을 말합니다. 이러한 재료에서 광미는 주로 골재 역할을 하며, 일반적으로 재료 형성에 관여하는 화학 반응에는 참여하지 않습니다. 그러나 광미 자체의 형태, 입도 분포, 표면 상태, 기계적 강도 및 화학적 안정성은 재료의 기술적 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 주요 원리는 원료가 혼합 시 물과 반응하여 칼슘 실리케이트 수화물(CSH) 및 칼슘 알루미나이트 수화물(CAH)과 같은 물질을 형성한다는 것이다(여기서 C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃). 이 두 가지 수화 생성물은 철 광미 입자들을 서로 결합시키며, 철 광미 벽돌의 강도를 결정하는 주요 원천이기도 합니다.

마안산 광업연구소는 치다산 및 와이토우산 철광산의 광미(광산 폐기물)를 활용해 무소성 벽돌을 성공적으로 생산했다. 이 유형의 무소성 벽돌은 미세 광미 모래(SiO₂ > 70%)를 주원료로 하며, 소량의 골재, 석회질 시멘트질 재료 및 혼합제를 혼합하여 제조됩니다. 적정량의 물을 첨가하고 균일하게 혼합한 후, 60t 프레스에서 19.6–114.7 MPa의 압력으로 성형합니다. 탈형 후, 벽돌은 표준 조건(자연 양생)에서 28일간 양생되어 완제품이 됩니다. 공정 흐름도는 그림 5-1에 나와 있다. 치다산(Qidashan)과 와이토우산(Waitoushan)에서 생산된 광미 벽돌을 시험한 결과, 모든 지표가 구 국가건축자재국이 제정한 “비소결 점토 벽돌 기술 조건”에 명시된 100등급 표준 벽돌의 요구 사항을 충족했다.

다롄공과대학은 앙강 다구산 철광산과 협력하여 철 광미와 석회를 주원료로 하고, 적정량의 개질재와 혼합재를 첨가하여 증기 경화식 광미 벽돌을 개발했다. 이 벽돌은 우수한 물리적·기계적 특성을 보였으며, 100등급 이상의 표준 벽돌 요건을 충족했다.

펑 슈위안(Feng Xueyuan) 등은 장자커우시 치청현 롱관 지역에서 채취한 전형적인 특성을 지닌 고규소 철광 찌꺼기를 사용하여 증기 처리 및 소성 과정을 거치지 않은 벽돌을 제조하였다. 이 벽돌은 압축 강도와 굽힘 강도 측면에서 MU10에 대한 국가 표준 요건을 충족했다. 최적의 배합 비율에서 광미 활용률은 50%에 육박했다. 장진루이, 자칭메이 등은 탕산 시룽구 철광산의 광미에 일부 굵은 골재와 시멘트를 첨가하여 실험 연구를 진행했고, 강도 등급이 MU10 및 MU15인 광미 벽돌을 생산했다. 원료 혼합물 내 광미 함량은 최대 70%에 달했다.

철광 찌꺼기로 오토클레이브 처리 벽돌을 제조하는 공정은 기본적으로 증기 처리 및 소성 과정을 거치지 않는 벽돌의 제조 공정과 동일하며, 주요 차이점은 양생 조건에 있다. Jia Qingmei, Zhang Jinrui 등은 또한 탕산 시룽구 철광산의 고규소 철광 잔재물을 이용한 오토클레이브 벽돌 제조에 대한 연구를 수행하여 좋은 결과를 얻었다. 보정 재료를 첨가하고, 배합을 조정하며, 배치를 준비한 후 진동 성형 과정을 거친 철 광미는 11시간 동안 오토클레이브 처리되었다. 그 결과로 만들어진 오토클레이브 처리된 광미 벽돌은 압축 강도 및 굽힘 강도 측면에서 관련 기준을 충족했으며, 특히 원료 혼합물에서 철 광미의 평균 활용률이 50%로 매우 높았다.

그림 5-1 비소성 광미 벽돌의 생산 공정 흐름도

벽과 바닥용 장식용 벽돌 만들기

철광 찌꺼기를 이용한 장식용 외장 벽돌의 생산은 공정이 간단하고, 원자재 비용이 저렴하며, 물리적 특성이 우수하고, 표면이 매끄럽고 미관상 뛰어나며, 다른 종류의 장식용 외장 벽돌(예: 시멘트 바닥 벽돌, 세라믹 유약 타일)에 필적하는 장식 효과를 지닌다는 특징이 있다. Chen Jichun 등은 저규소 철광 찌꺼기(우한 철강 광업 회사 청차오 철광산의 체 선별 과대 찌꺼기)를 사용하여 압축 성형된 유색 포장 벽돌을 성공적으로 생산했다. 최적의 배합 비율은 시멘트 : 플라이애시 : 광미 모래 = 25 : 10 : 65로 결정되었으며, 물-시멘트 비율은 8%였다. 이후 연구진은 다양한 혼합제가 제품 성능에 미치는 영향을 연구했다. 활용이 어려운 저규소 철광 광미와 습식 배출 플라이애시, 425# 일반 포틀랜드 시멘트, 그리고 혼합제 TN, TH, TB, FN, TNC(시중에서 구할 수 있는 화학적으로 순수한 시약)를 사용하여 포장용 벽돌을 생산했다. 혼합제가 벽돌의 강도 및 기타 특성에 미치는 강화 효과의 순서는 FN > TNC > TN > TB > TH로 확인되었다. 장이(Zhang Yi) 등은 안후이성 황메이산(Huangmeishan)의 철광 찌꺼기를 주원료로 사용하여 역진동 성형 공정과 압축 공정을 통해 유색 바닥 벽돌을 생산하였다. 이 벽돌의 압축 강도는 국가 표준을 초과하여 도로 건설 요건을 충족했다. 배합 비율 및 관련 데이터는 표 5-1에 제시되어 있다. 역진동 공법으로 생산된 유색 바닥용 벽돌은 외관이 미려하고, 강도가 높으며, 미끄럼 방지 및 내마모성이 우수하다. 이 공정은 투자 비용이 적게 들고, 빠른 수익을 창출하며, 다양한 종류의 고품질 제품을 생산하고 높은 부가가치를 제공한다. 그러나 수요와 운송 비용이 높다. 압축 공정은 높은 자동화 수준, 대규모 단위 생산량, 간단한 공정 흐름, 높은 생산 효율을 특징으로 한다. 이 공정은 미끄럼 방지, 내마모성, 동결-해동 저항성, 배수성, 시공 용이성, 제거 용이성, 보강 용이성, 수리 용이성 등 많은 장점을 제공한다. 이러한 벽돌은 공원, 도로, 광장 등에서 널리 사용되며, 수요가 막대하고 발전 전망이 매우 밝다.

마안산 광업연구소는 치다산 및 와이토우산 철광산에서 나온 미세 광미에 소량의 무기질 시멘트질 재료, 일반 포틀랜드 시멘트, 백색 포틀랜드 시멘트, 그리고 적정량의 물을 첨가한 후 균일하게 혼합 및 교반하여, 2층 구조(기층 및 표면층) 방식으로 장식용 외장 벽돌을 생산하였다. 생산 공정은 그림 5-2에 제시되어 있다. 제품에 대한 시험 결과, 압축 강도는…

표 5-1 배합 비율 및 압축 강도 시험 결과

그림 5-2 장식용 외장 벽돌 생산 공정 흐름도

평균 압축 강도는 19.6 MPa이고, 굽힘 강도는 5.0 MPa이며, 내알칼리성과 내식성이 비교적 우수합니다. 철 광미로 장식용 외장 벽돌을 생산하는 공정은 공정이 간단하고, 원자재 비용이 저렴하며, 물리적 특성이 우수하고, 표면이 매끄럽고 미관상 뛰어나며, 다른 유형의 장식용 외장 벽돌(예: 시멘트 바닥 벽돌, 세라믹 유약 타일)에 필적하는 장식 효과를 나타냅니다.

동제대학교는 마안산 철강 유한공사의 구산 철광산과 협력하여, 입자 크기가 0.15mm 미만인 광미 분말을 주원료로 사용하고, 10%–15% 생석회 분말을 혼합하여 다양한 규격과 형태의 벽돌 및 바닥용 벽돌로 성형하였다. 생산된 벽돌은 안료를 첨가하지 않았음에도 갈색을 띠며, 색상이 균일하고 퇴색하지 않아 노출 마감용 벽돌로 적합하다. 포틀랜드 시멘트를 결합제로 사용하면 결과가 더욱 우수해지고 공정이 한층 간소화된다. 생산된 장식용 외장 벽돌은 특히 외벽 마감에 적합하다. 또는 완성된 벽돌의 표면을 다양한 색상의 안료를 혼합한 불포화 폴리에스터 수지로 처리하여 단색 또는 천연 대리석 무늬의 광택 있는 외장 벽돌을 생산할 수도 있다. 또한 안료를 전혀 사용하지 않고 수지나 기타 코팅제만을 사용하여 짙은 갈색의 광택 벽돌을 제조할 수 있으며, 이는 실내 장식용 일반 세라믹 타일이나 인조 대리석을 대체할 수 있습니다. 대기압 증기 양생 처리를 거친 광미 벽돌은 압축 강도 12.4 MPa, 굽힘 강도 3.0 MPa를 나타냅니다. 혼합물에 적정량의 플라이애시와 소량의 석고를 첨가하면 강도를 20.0 MPa 이상으로 높일 수 있다. 또한, 시험 결과 이 유형의 광미 벽돌은 대기 작용에 대한 내성도 뛰어난 것으로 나타났다.

 기계 압축 방식의 석회-모래 벽돌 생산

진링 철광산의 선광 공장은 광산의 특성을 고려하여 광미로 기계 압축 석회-모래 벽돌을 생산하고 있다. 이 벽돌은 주로 철 광미에 적정량의 시멘트를 혼합하여 균일하게 건식 혼합한 후, 소량의 결합재를 첨가하고 표면 활성을 높이기 위해 분쇄하여 제조됩니다. 프레스에서 성형된 후 자연 경화됩니다. 이 공정은 간단합니다. 소성이나 증기 경화 과정이 없어 에너지를 절약하고(점토 벽돌에 비해 벽돌 10,000개당 표준 석탄 약 0.16t을 절약), 오염을 유발하지 않습니다. 생산된 석회-모래 벽돌은 치수가 정확하고 모서리가 날카로우며 외관이 깔끔하고 몸체가 곧아, 필요한 미장 모르타르의 양을 줄이고 작업 효율을 높이며 건설 비용을 절감합니다. 이 광산은 1989년 10월에 생산 라인을 구축했습니다. 시험 결과, 석회-모래 벽돌의 모든 물리적 성능 지표가 100등급 기계 압축 석회-모래 벽돌 표준의 기술적 요건을 충족하는 것으로 나타났습니다.

5.1.1.4 탄산 처리된 광미 벽돌의 제조

유콴링 철광산은 1986년부터 광미로 탄산화 벽돌을 생산하는 연구를 시작하여 성과를 거두었다. 탄산화 광미 벽돌은 광미 모래와 석회를 원료로 한 벽돌 재료입니다. 반죽을 준비하고 압축 성형한 후, 석회 가마 배기가스에서 추출한 이산화탄소(CO₂)를 이용해 탄산화 과정을 거칩니다.

A. 원칙

반제품인 탄산 처리된 석회-모래 벽돌은 먼저 생석회의 수화 및 경화를 통해 수산화칼슘 결정이 형성됩니다. 그 후, 석회 가마 배기가스에서 얻은 CO₂를 이용하여 탄산화 과정을 거치면 탄산칼슘 결정(CaCO₃)이 생성됩니다. 수화물에서 화학적으로 결합된 물이 증발하면, 제품은 최종 탄산화 강도를 얻게 됩니다. 화학 반응은 다음과 같습니다:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂
Ca(OH)₂ + nH₂O + CO₂ → CaCO₃ + (n+1)H₂O

B. 절차

80%–85% 광미 모래와 15%–20% 석회 분말을 적정 비율로 배합하여 약 9%의 물과 혼합하고 교반한 뒤, 8구형 벽돌 프레스에서 성형합니다. 벽돌은 가마에 투입되기 전에 수분 함량이 4% 미만이 될 때까지 건조기에서 건조하거나 자연 건조됩니다. 그런 다음 CO₂ 함량 20%–40%, 탄산화 깊이 60% 이상의 터널 가마에서 탄산화 처리됩니다. 가마에서 나온 후, 완제품이 얻어집니다.

이 유형의 벽돌 제조 공정은 간단하며, 첨단 설비나 기초 설비 모두를 사용하여 수행할 수 있고, 까다로운 기술적 문제도 없습니다. 광미 모래와 석회석이 확보되는 곳이라면 어디서나 대량 생산이 가능합니다.

5.1.1.5 세르펜타인 유약 타일 및 벽돌의 생산

웨이하이 철광산에서 배출되는 광미는 주로 사문석 슬래그이며, 연간 배출량은 10만~15만 톤에 달한다. 서펜타인 슬래그를 종합적으로 활용하기 위해, 1987년 5월부터 7월까지 서펜타인 슬래그 유약 타일 생산 공정에 대한 타당성 시험이 수행되었습니다. 서펜타인 슬래그의 주요 광물 성분은 서펜타인, 올리빈, 디옵사이드, 트레몰라이트, 혼블렌드와 같은 규산염 광물입니다. 분쇄 입자 크기는 미세하고 균일하며, 일반적으로 85% < 0.256 mm이다. 이 슬래그는 물리화학적 특성(광물 조성, 화학 조성, 입자 크기 등)을 바탕으로 벽돌 및 타일과 같은 일반 민간 건축 외장재 생산의 주원료로 직접 사용될 수 있다.

A. 사문석 슬래그 유약 타일 및 벽돌 제조 원리

이 원리는 주로 광물의 용융-결정화 특성에 기반을 두고 있습니다. 고체 상에서 고체-액체 상으로 전환되는 고온 용융 과정 동안, 물질 내 분자 간의 반발력은 증가하고 분자 결합 간의 결합력은 감소합니다. 고체-액체 상에서 고체 상으로의 결정화 과정 중에는 분자 간의 인력이 증가하고, 분자 결합 간의 결합력이 증가한다. SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO 및 Fe₃O₄가 풍부한 화학적 특성을 지닌 서펜타인 슬래그 타일/벽돌 블랭크는 고온 용융 및 결정화를 거쳐 고체상 → 고체-액체상 → 고체상의 물리적·화학적 반응 과정을 완료합니다. 이를 통해 분자 간의 결합력이 강화되어 소성된 벽돌/타일의 경도, 강도, 내식성, 수분 흡수율 및 기타 특성이 변화하며, 결과적으로 다양한 원래의 물리적 특성이 개선됩니다.

B. 생산 공정

서펜타인 슬래그 유약 벽돌 및 타일의 주요 생산 공정은 원료 준비, 반제품 성형, 유약 도포, 열풍 건조, 용융-결정화 단계로 구성됩니다.

(1) 원료 준비. 슬래그의 화학 조성 및 물리적 특성을 바탕으로, 일반 벽돌/타일보다 내화성과 입도 면에서 더 우수한 반제재를 준비한다. 이 반제품은 일반적으로 다음 요건을 충족해야 한다: 화학 조성 – SiO₂ 60%–70%, Al₂O₃ 10%–25%, CaO+MgO 0%–25%, Fe₂O₃ 3%–15%; 입도 – >0.25 mm: 2%, 0.25–0.05 mm: 40%, 0.05–0.005 mm: 45%, <0.005 mm: 12%; 가소성 지수 <7 (액한 및 가소한 기준); 건조 수축률 <12%; 소성 선형 수축률 <8%.

(2) 블랭크 성형. 준비된 원료는 믹서에서 가소화될 때까지 혼합된 후, 블랭크로 절단되며, 이 블랭크들은 금형으로 이송되어 프레스에서 압축되어 조형 블랭크로 만들어진 뒤, 건조실에서 건조됩니다.

(3) 유리 마감. 거의 건조된 거친 반제품은 표면 처리를 거친 후 필요에 따라 유약(기유약, 유색 유약 등)을 분사합니다. 건조실에서 열풍 건조를 통해 수분 함량을 1% 미만으로 낮춘 뒤, 가마로 보내집니다.

(4) 용융-결정화. 건조된 반제품은 가마(일반적으로 내화 재료로 만들어진 특수 제작된 다공성 가마 또는 터널 가마)에 넣습니다. 처음 0~14시간 동안은 시간당 평균 50°C씩 온도를 올리고, 14~20시간 동안은 시간당 평균 30°C씩 온도를 올립니다. 그 후 25~28시간 동안 온도를 일정하게 유지하며, 가마 온도는 1000~1050°C에 도달합니다. 재료가 고체 용액 상태가 되면, 4~6시간 동안 소성을 중단하고 온도를 낮춰 결정화를 진행합니다.

이 유약 타일 생산 공정은 간단하고, 널리 구할 수 있는 원자재를 사용하며, 비용도 저렴하여 활용 가능성이 매우 높습니다.

5.1.1.6 “3가지 무(無)” 광미 벽돌 생산

앙강(안산철강그룹)은 철광석 광미 분말을 주원료로 사용하여 “3무(압축 없음, 증기 처리 없음, 소성 없음)” 광미 벽돌을 생산했다. 시험 결과, 이 벽돌은 JC153-75 MU10 표준의 요건을 완전히 충족하는 것으로 나타났으며, 해당 제품은 성급 기술 심사를 통과했다.

A. 주요 원자재 및 품질 요건

이 벽돌은 철광석 찌꺼기 분말을 주원료로, 석회를 경화제로, 시멘트를 결합제로 사용합니다.

(1) 철 광미 분말: 안산 지역 산샤오 선광 공장에서 배출된 철 광미. 이들의 화학 조성, 물리적 특성 및 입도 분포는 표 5-2와 5-3에 제시되어 있다. 밀도: 2.85 g/cm³; 겉부피 밀도: 1480 kg/m³; 점토 함량 ≤3%; 수분 함량 ≤2%.

표 5‑2 철 광미 분말의 화학 성분

표 5‑3 철 광미 분말의 입도 분포

(2) 라임: 경화제로 사용되는 생석회. CaO 함량(질량 기준) ≥65%; 겉부피 밀도 1100 kg/m³. 입도 분포는 표 5‑4에 나와 있다. 적정 첨가량은 10%–20%이다.

표 5‑4 생석회 분말의 입도 분포

(3) 혼합물 – 플라이 애시: 플라이애시는 널리 구할 수 있는 산업 폐기물 잔류물입니다. 밀도: 2.2 g/cm³; 겉부피 밀도: 1000 kg/m³; 입도: 0.08 mm 체에 남는 잔류물 ≤8%; 소각 손실 ≤7%; SO₃ 함량 ≤3%. 화학 조성은 표 5‑5에 나와 있다. 적절한 첨가량은 약 15%이다.

표 5‑5 플라이애시의 화학 성분

(4) 활성제 및 복합 혼화제: 활성화제는 반수화 석고(CaSO₄·0.5H₂O)이며, 복합 혼화제는 자체 제조한 K-제제이다. 적정 첨가량은 0.5%–1.0%이다.

(5) 시멘트: 325급 또는 425급 일반 포틀랜드 시멘트 또는 고로 슬래그 포틀랜드 시멘트. 사용량은 비용에 따라 결정되며, 일반적으로 15%를 초과하지 않는다.

B. 작용 기전

광미 분말 벽돌에서 “3가지 없음”(압축 없음, 증기 처리 없음, 소성 없음)을 달성하려면 원료가 실리케이트, 알루미나이트 및 수화 황산알루미나이트를 실온에서 형성해야 합니다. X선 회절 분석 결과, 미경화 벽돌에는 상당량의 C-S-H 토버모라이트 겔 또는 결정과 소량의 수화 칼슘 설포알루미나이트 침상 결정이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 벽돌에 첨가된 복합 혼합물은 매우 효과적인 계면활성제입니다. 이 혼합물의 분산 및 흡착 효과는 시멘트의 수화점을 높이고, 시멘트, 석회, 광미 분말 및 플라이애시 입자 간의 계면 조건을 개선하며, 수화 반응을 가속화하여 상온에서도 상당한 강도를 발휘하게 합니다.

“3-no” 벽돌을 제조하는 주요 수화 반응은 다음과 같습니다(반응식에서 C = CaO, S = SiO₂, A = Al₂O₃, F = Fe₂O₃):

2C₃S + 6H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + 3Ca(OH)₂
2C₂S + 4H₂O = 3CaO·2SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂
C₃A + 6H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O
C₄AF + 7H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O + CaO·Fe₂O₃·H₂O
3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄·2H₂O + 20H₂O = C₃A·3CaSO₄·3H₂O
xCa(OH)₂ + Al₂O₃ + mH₂O = xCaO·Al₂O₃·mH₂O
yCa(OH)₂ + SiO₂ + nH₂O = yCaO·SiO₂·nH₂O

시멘트 수화 반응으로 생성된 Ca(OH)₂는 광미 분말과 비산재에 포함된 활성 Al₂O₃ 및 SiO₂와 추가로 반응하여 알칼리도가 낮은 규산염 및 알루미네이트 수화물을 형성하며, 이로 인해 벽돌 구조가 치밀해지고 강도가 향상되며, 우수한 내동결성, 내수성 및 기타 뛰어난 특성을 갖게 됩니다.

C. 절차

이 공정은 주로 배합, 혼합, 숙성, 성형 및 양생으로 구성됩니다. 원료는 광미 분말 : 시멘트 : 플라이애시 : 석회 = 6:1.5:1.5:1 또는 7:1:1:1의 비율로 배합하고, 활성화제(석고)를 첨가한 후 균일하게 건식 혼합합니다. 물과 K-제제를 첨가하고 손으로 균일하게 혼합합니다. 첨가되는 물의 양은 일반적으로 광미 분말 질량의 20%–30%입니다. 혼합 후, 혼합물을 20–30분 동안 방치한 다음 숙성시키고, 틀에 넣은 후 표면을 매끄럽게 다듬습니다. 24시간 후 틀을 제거하고, 벽돌을 공기 중 또는 물 속에서 1개월간 양생시킨다. 수중 강도는 공기 중 강도보다 약 20%–30% 더 높다.

이 벽돌 제조 공정은 대량의 산업 폐기물을 활용할 수 있어, 자원을 개발하고 에너지를 절약하며 생산 비용을 절감하는 데 기여합니다.

5.1.1.7 유리질 벽돌의 제조

유리질 벽돌을 생산하려면 원광석에 SiO₂와 Al₂O₃의 질량 분율이 높아야 할 뿐만 아니라, K₂O, Na₂O, CaO, MgO와 같은 저융점 물질도 일정량 포함되어야 한다. 국내외 세라믹 유리질 벽돌의 화학 성분을 중국의 대표적인 철광석 광미 몇 가지와 비교해 보면, 안산형 철광석 광미는 기본적으로 성분 요건을 충족할 수 있으며, 일부 철광석 광미는 석영 모래를 첨가함으로써 요건을 충족할 수 있는 것으로 나타났습니다. 특히, 철광석 광미에는 일정량의 Fe₂O₃가 포함되어 있어, 다양한 가공 처리를 거치면 소결체에 갈색, 노란색, 빨간색, 검은색 등 다양한 색상을 부여할 수 있다. 이로 인해 철광석 광미는 유색 세라믹 유리질 벽돌 생산을 위한 천연 착색제로 활용될 수 있다.

중국은 이미 20세기 말부터 철광석 광미로 세라믹 유리화 벽돌을 생산하는 것의 타당성을 탐구하기 시작했습니다. 1997년, 베이징 과학기술대학교(USTB)의 Ni Wen 등은 다미아오(Damiao) 철광석 광미만을 사용하거나 일정량의 점토를 첨가하여 세라믹 유리화 벽돌을 최초로 생산했습니다. 이 벽돌의 압축 강도는 162 MPa, 굽힘 강도는 62 MPa, 수분 흡수율은 0.1% 미만이었습니다. 최근 몇 년 동안 광미 자원 활용에 대한 관심이 높아지고 건축 자재에 대한 시장 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 철광미로 유리화 벽돌을 생산하는 연구가 활발해졌습니다. 2007년, 후난 비철금속 연구소는 벤시 철강 광미를 원료로 사용하여 유리화 벽돌을 생산했습니다. 이 제품은 회색을 띠었으며, 수분 흡수율은 0.68%, 압축 강도는 65.3 MPa로 건축 자재 산업 표준을 충족했습니다. 2012년, 징더전 도자기 연구소의 시치(Shi Qi)는 판저화 철강 광미를 사용하여 수분 흡수율 0.1%–0.4%, 압축 강도 46.2–48.7 MPa, 내마모성 146–155 mm인 검은색 유리질 벽돌을 생산했습니다. 2013년, USTB의 자오 쥔(Jiao Juan) 등은 청차오(Chengchao) 철광 미광을 이용하여 균질 타일과 세라믹 유리화 벽돌을 생산하는 실험을 수행했으며, 그 결과 청차오 철광 미광을 사용하여 검은색 세라믹 유리화 벽돌을 생산할 수 있음을 보여주었다.

USTB가 점토를 첨가한 다미아오 바나듐-티타늄 마그네타이트 광미로 유리질 벽돌을 제조하는 것에 관한 실험적 연구

A. 원자재

다미아오 철광산 광미의 주요 광물은 플라지오클라제, 피로젠, 클로라이트, 에피도트와 같은 맥석 광물이다. 광미를 미세하게 분쇄한 후 화학 분석을 실시하였으며, 그 결과는 표 5-6에 제시되어 있다.

표 5‑6 광미(%)의 화학 분석 결과

이 점토의 주성분은 몬트모릴로나이트이며, 화학 조성은 다음과 같습니다: SiO₂ 68.04%, Al₂O₃ 16.46%, K₂O 0.22%, Na₂O 2.31%, CaO 0.29%, MgO 6.20%, Fe₂O₃ 미량, 소각 손실 5.92%입니다. 점토 첨가량은 10%입니다.

B. 절차

광미는 점토와 일정 비율로 혼합된 후, 98% < 0.043 mm가 되도록 분쇄됩니다. 건조된 재료는 5%의 물을 첨가하여 과립화한 뒤, 38 MPa의 압력으로 압축하여 습식 벽돌을 만듭니다. 그 후 벽돌을 1145–1150°C에서 소성한다. 연마 과정을 거친 소성 시편은 커피색의 유리질 벽돌이 된다. 시험 결과, 모든 성능 지표가 상용 유리질 벽돌의 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났다. 환원 분위기에서 소성할 경우(즉, 벽돌 반제품을 숯 가루와 함께 사거에 넣고 밀봉하되, 벽돌과 숯이 직접 접촉하지 않도록 하는 경우—직접 접촉하면 마그네타이트가 산화철과 금속성 철로 환원되어 용융을 유발함), 검은색의 벽체가 생성되며, 연마 후 광택이 나는 검은색으로 변합니다.

다미아오 철광산의 원광 찌꺼기는 상업용 유리질 벽돌 품질 기준을 충족하는 커피색 및 검은색 유리질 벽돌을 생산하는 데 활용될 수 있다. 초기 강도와 소성 온도 범위 측면에서 볼 때, 생산 규모 확대 및 산업용 시험 생산이 가능하다.

중국에서는 철광석 광미로 세라믹 유리화 벽돌을 생산하는 연구가 일찍부터 시작되었으나, 아직까지 철광석 광미를 원료로 한 세라믹 유리화 벽돌의 대규모 산업 생산은 실현되지 못했다. 산업 규모 생산을 실현하기 위해서는 기술적 문제 해결은 물론, 제품 홍보 및 시장 개척도 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다.

5.1.1.8 소성 벽돌의 생산

소성 벽돌은 오랜 역사를 지닌 건축 자재로, 소비량도 매우 많습니다. 중국은 소성 벽돌을 생산하기 위해 매년 막대한 양의 점토를 소비하며, 점토 채취로 인해 많은 농경지가 훼손되고 있습니다. 따라서 중국 정부는 고체 점토 소성 벽돌의 생산을 명시적으로 금지했습니다. 소성 벽돌은 고품질의 원자재를 필요로 하지는 않지만, 대량의 원자재가 필요합니다. 생산량은 많지만 활용도가 낮은 폐기물인 철광석 잔재물은 이러한 용도로 사용하기에 전망이 밝습니다. 점토의 일부를 철광석 잔재물로 대체하고 적절한 양의 가소제를 첨가하면 일반 점토 벽돌을 성공적으로 소성할 수 있습니다. 또한, 첨가되는 철 광미의 양을 조절함으로써 다양한 강도 등급의 광미 벽돌을 생산할 수 있습니다. 철 광미를 이용하여 소성 벽돌을 생산하면 기존 공장 설비를 활용할 수 있어 투자 비용이 적게 들고 빠른 수익을 얻을 수 있습니다. 이는 또한 철 광미의 종합적 활용, 에너지 절약, 폐기물 활용 및 환경 보호를 위한 새로운 길을 열어줍니다.

왕진중은 벤시(Benxi)의 와이토우산(Waitoushan) 철광산에서 나온 광미로 소성 벽돌을 성공적으로 개발했다. 철광미는 성분이 복잡하고 응집력이 없기 때문에, 소성 벽돌에 너무 많이 사용하면 가소성이 떨어지고, 너무 적게 사용하면 대규모 종합 활용이라는 목표를 달성할 수 없다. 따라서 실험에서는 점토와 적정량의 자체 제조 가소제와 함께 철 광미 30%, 40%, 50%, 60%를 첨가하였다. 그 결과, 일반 점토 벽돌을 성공적으로 소성할 수 있었으며, 철 광미의 양을 조절함으로써 다양한 강도 등급의 광미 벽돌을 생산할 수 있음이 확인되었다. 공정 흐름도는 그림 5-3에 제시되어 있다.

그림 5-3 철광석 광미로부터 소결 벽체를 생산하는 공정 흐름도

철광 찌꺼기를 이용해 소결 벽체를 생산하는 분야에서 메이산 철광산은 대표적인 사례입니다. 메이산 철광은 시안 건축기술대학, 산동 산업 세라믹 연구설계원 등 여러 기관과 협력하여 메이산 철광의 광미로 실험실 시험, 파일럿 규모 시험, 산업 시험을 포함한 체계적인 연구를 수행했다. 광미 활용률은 80%–100%에 달했다. 공정 연구를 통해 광미 소결 벽돌의 소성 온도 범위는 1050–1150°C로 결정되었다. 소성 시 실벽돌은 수직으로 적재할 수 있는 반면, 천공 벽돌과 대구경 벽돌은 수평으로 적재해야 한다. 산화 분위기 하에서 색상이 균일한 적색 제품을 소성할 수 있다. 생산된 실심 벽돌과 천공 벽돌은 건축용 소성 벽돌 MU10 표준을 충족하는 압축 강도를 달성했다. 동결-해동 시험, 백화 시험 및 석회 파열 저항 시험이 완료되었다. 동결-해동 저항성과 수분 흡수율은 건축용 소성 벽돌의 표준을 충족했다. 2005년 4월, 광미가 공식적으로 벽돌 제조 원료로 사용되기 시작했으며, 생산된 소성 벽돌은 고층 상업용 주택에 적용되었다.