고로슬래그의 화학성분 및 특성

1. 서론

고로슬래그(Blast-furnace Slag)는 고로(용광로)에서 선철을 만들 때 함께 생성되는 부산물이다. 고로슬래그는 철광성, 코크스, 석회석 등의 원료를 상부에서투입하고, 하부의 풍구를 통해 열풍을 주입함으로서,로내에서 코크스를 연소시켜, 발생하는 환원성 가스(CO)에 의해 철광석을 환원하고 용융시켜, 용철(선철)과 용융슬래그를 분리시켜 얻는다. 용융슬래그는 저점성, 저융점으로서 탈황산 성능이 높은 것이 필요하며, 고로의 안정조업에는 슬래그 관리가 필수적이

다. 고로슬래그는 선철 1톤당 약 300kg이 생성된다.<그림1 참조>.

<그림1> 수쇄슬래그

 

 

2. 슬래그의 화학성분

슬래그의 주요 화학성분은 철광석, 코크스의 회분, 석회석 등에서 SiO , Al O , CaO, MgO의 4

성분이 약 96%를 차지하고 있으며, 기타 소량으로 MnO, FeO, FeO, TiO , 유황분 및 알카리

(Na O, K O) 등을 함유하고 있다.

<표 1>에서 고로슬래그 및 보통 포틀랜드시멘트의 화학성분을 나타내었다.

 

<표 1> 슬래그와 보통 포틀랜드시멘트의 화학성분 비교 (단위 :%)

구분	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	TiO2	FeO	Fe2O3	MnO	T.S.	SO3	Na2O	K2O
슬래그	33.08	13.93	42.28	6.90	1.25	0.65	-	0.39	0.83	-	0.20	0.31
1종 시멘트	21.6	5.1	63.7	1.7	0.34	-	3.0	-	-	2.0	-	-

 

3. 슬래그의 냉각방법과 성질

고로에서 생성되는 고로슬래그는 1,500℃ 이상의 고로 용융상태이므로 그 냉각방벙의 차이에

따라 매우 다른 성질을 갖는 고로슬래그가 된다. 서서히 냉각시킨 슬래그, 즉 서냉슬래그는 괴

상 및 결정질로 되며, 화학적으로 안정한 구조이다. 따라서 서냉슬래그는 수경성이 전혀 없다.

반면, 용융슬래그를 다량의 물로 급냉하면, 급격한 점성의 상승에 의해 결정으로의 원자배열이

이루어지지 않고 고결되어 glass질(비정질)이 된다. 이것은 수쇄(급냉)슬래그라고 부르며, 모래

와 같은 입상으로 된다. 수쇄슬래그는 서냉슬래그에 비해 그 구조가 불안정하다. 이것은 화학

적으로 반응성이 풍부한 것을 의미하며, 이점이 수쇄슬래그와 서냉슬래그의 커다란 차이점이

다. 서냉슬래그와 수쇄슬래그의 X선 회절차트의 예를 <그림2>에서 보여주고 있다. 

  

 

2θ˚(Cu, Kα)

<그림 2> 고로슬래그의 X선 회절

 

4. 잠재수경성

포틀랜드시멘트 클링커 광물은 물과 접촉하면 수화반을 일으키며 경화한다. 수쇄슬래그는 물

과 접촉하여도 수경성을 나타내지 않지만, 매우 미약하게 알칼리 자극제로서 소량의 소석회와

황산염 등이 존재하면, 현저한 수경성을 나타내어 마치 수경성이 있는 것과 같은 거동을 나타

낸다. 이와같은 성질을 잠재 수경성이라고 한다.

수쇄슬래그의 glass를 구성하는 망상구조체를 형성하는 SiO2의 사슬결합이 강알칼리에 의해

절단되면 이 망상구조체내에 있는 CaO, MgO, Al2O3등이 용출된다. 일단 반응이 시작되면 수

쇄슬래그 자신이 용출하는 성분에 의해 높은 pH를 유지함으로써 슬래그 중에 함유되어 있는

CaO와 SiO2 가 용출되어, 액상에서 포들랜드 시멘트의 수화와 같은 수화반응이 일어나, CaO-

SiO2 -H2O계의 수화물을 생성하기 때문에 경화현상이 일어난다. 고로시멘트는 수쇄슬래그의

이와 같은 성질을 이용한 것이다.

고로슬래그의 원료로서 수쇄슬래그의 품질평가 방법으로서 슬래그 화학성분 값으로부터 계산

에 의해 구한 염기도(b)와, 현미경법 및 X선법에 의해 결정화율을 측정, 계산함으로써 유리화

율을 구하여 판단하는 방법이다.

 

                (CaO + MgO + Al2O3)

       b =    -------------------

               SiO2 

                          유리화율 = (1-결정화율) × 100%

 

수쇄슬래그는 염기도, 유리화율이 높은 것이 수화활성도가 높고, 고로시멘트용으로서 적당한

것이지만, 수쇄슬래그의 잠재수경성의 평가를 위해 2가지 인자로서의 완전히 설명할 수 없다.

일본의 수쇄 슬래그의 염기도는 1.8%이상(KS F 2563, 1.6%이상), 유리화율은 98%이상으로

서, 고로시멘트 원료로서 적당한 품질 범위권에 있는 것이다.

 

 

5. 슬래그의 용도

고로슬래그의 냉각방법 및 그 후의 가공방법에 따라 각종 제품이 달라지며, 대략적인 물성을

<그림2>에 나타내었다. 국내에서는 혼합시멘트로 사용되기 시작했으며, 최근에는 콘크리트용

혼화재료로서 고로슬래그 미분말의 사용이 증가하고 있는 추세이다.

 

<그림 2> 슬래그의 냉각방법의 종류와 그 주요 용도

 

종래에 수쇄슬래그는 주로 고로슬래그 원료로서 사용되었지만, 최근 고로슬래그 분말을 콘크

리트 혼화재로서 사용하는 연구가 진행되고 있다. 고로슬래그 분말은 수쇄슬래그를 건조, 분쇄

시킨것으로서 분말도(비표면적)는 3,500~4,500cm2/g정도로서 적정의 석고와 함께 콘크리트

수화발열 억제,알카리 골재반응 억제,내해수성과 염소이온 침투억제 등의 목적으로사용된다.