슬래그

Slag
이 기사는 금속 가공 부산물에 관한 것입니다.난잡한 여성을 뜻하는 영국 속어는 슬럿을 참조하십시오.
용융 슬래그는 외부로 운반되어 폐기장에 쏟아집니다.

슬래그는 제련(피로메탈러지컬) 광석과 사용된 [1]금속의 부산물입니다.일반적으로 철(철 및 강철 가공 부산물), 철합금(철 합금 생산 부산물) 또는 비철/기금속(구리, 니켈, 아연 및 [2]인과 같은 비철 물질을 회수하는 부산물)로 분류할 수 있다.이러한 일반적인 범주 내에서 슬래그는 전구체 및 처리 조건(예: 고로(BF) 슬래그, 공랭식 고로(ACBF) 슬래그, 기본 산소 용해로(BOF) 슬래그 및 전기 아크로(EAF) 슬래그)에 따라 더욱 분류할 수 있습니다.

USGS에 [3]따르면 1942년부터 2018년까지 전 세계 철강 생산량.

이러한 재료에 대한 수요가 많기 때문에, 재활용(특히 제철 및 철강 산업)과 업사이클링 노력에도 불구하고 슬래그 생산도 수년간 크게 증가했습니다.세계철강협회(WSA)는 생산된 강철 톤당 600kg(90 중량%는 슬래그)의 부산물이 생성되는 것으로 추정하고 있습니다.[4]

환경에 미치는 영향

아르셀로미탈 인디애나 항 제강 시설의 제강 슬래그 더미.

슬래그는 슬래그 미행과 함께 "슬래그 덤프"로 운반되며, 이곳에서 풍화에 노출되어 토양과 물에 독성 요소와 과알칼린 유출이 유출되어 지역 생태계가 위험에 처할 수 있습니다.침출 문제는 일반적으로 비철 또는 비금속 슬래그 주변에 있으며, 이 슬래그에는 유독성 원소의 농도가 높은 경향이 있습니다.그러나 철 및 철 합금 슬래그에도 이러한 슬래그가 있을 수 있어 풍화 슬래그 덤프 및 업사이클링된 [5][6]재료에 대한 우려가 제기되고 있습니다.

슬래그를 용해하면 pH 값이 [7]12 이상인 고알칼리성 지하수가 생성될 수 있습니다.슬래그에 있는 규산칼슘(CaSiO4)은 물과 반응하여 지하수에 수산화칼슘(OH-)의 농도가 높아집니다.이 알칼리성은 (대기 중) 용해된2 CO의 광화를 촉진하여 최대 20cm 두께까지 축적될 수 있는 칼사이트(CaCO3)를 생성한다.이는 또한 철(Fe), 망간(Mg), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 등 물에 용해되지 않고 입자상 물질로 이동하게 되는 슬래그에 용해될 수 있다.알칼리성 지하수 방출을 해독하는 가장 효과적인 방법은 에어 [7]스파링이다.

제분 슬래그에서 발생한 미세 슬래그 및 슬래그 분진은 제련 공정에 재활용되거나 다른 산업에서 업사이클링될 경우 바람에 의해 운반되어 더 큰 생태계에 영향을 미칠 수 있습니다.그것은 섭취될 수 있으며, 공장, 광산 및 폐기장 [5][6]근처의 지역사회에 직접적인 건강상의 위험을 초래할 수 있다.

2019년 국제에너지기구(IEA) 보고서에 따르면 철강업계는 전 세계2 CO 배출에 2.6Gt를 직접 기여했으며 전 세계 에너지 [8]수요의 7%를 차지했다.IEA 보고서와 WSA는 향후 몇 년 동안 순환경제로의 이동을 촉진하는 지속적인 수요 증가를 전망하고 있다.

광석 제련

철의 제조 – 1873년 목판화인 Scorié(슬래그)를 운반

자연에서, 철, 구리, 납, 니켈, 그리고 다른 금속들은 종종 산화되어 다른 금속의 규산염과 섞이는 불순한 상태로 발견됩니다.제련 중에 광석이 고온에 노출되면 이러한 불순물이 용융 금속에서 분리되어 제거될 수 있습니다.슬래그는 제거되는 화합물의 집합체입니다.많은 제련 공정에서 산화물은 슬래그 화학을 제어하기 위해 도입되어 불순물을 제거하고 노내 내화 라이닝을 과도한 마모로부터 보호합니다.이 경우 슬래그를 합성 슬래그라고 합니다.좋은 예로는 제강 슬래그: 내화물 보호를 위해 퀵 석회(CaO) 및 마그네사이트3(MgCO)를 도입하여 금속에서 분리된 알루미나와 실리카를 중화시키고 [citation needed]강철에서 황과 인을 제거하는 데 도움이 됩니다.

슬래그는 제강의 공동 생산물로서 일반적으로 고로 - 산소 변환기 경로 또는 전기 아크로 - 레이들로 경로를 [9]통해 생산됩니다.제강 중에 생성되는 실리카를 플럭스하기 위해 석회암 및/또는 돌로마이트와 알루민산칼슘 또는 플루오르파 등의 다른 유형의 슬래그 촉진제를 첨가한다.

구성

슬래그는 보통 금속 산화물과 이산화 규소의 혼합물입니다.그러나 슬래그에는 금속 황화물 및 원소 금속이 포함될 수 있습니다.

이러한 슬래그의 주요 구성 요소에는 칼슘, 마그네슘, 실리콘, 철 및 알루미늄의 산화물이 포함되며 사용되는 원재료에 따라 망간, 인 등의 양이 줄어듭니다.또한 슬래그는 다른 주요 [10]성분 중 철의 함량에 따라 분류할 수 있습니다.

분류

1941년 11월 오하이오주 영스타운의 리퍼블릭 스틸에 있는 제철소의 노천로 중 하나에서 슬래그가 흘러나오고 있습니다.슬래그는 용해된 강철이 주입을 위해 레이들에 쏟아지기 직전에 용해로에서 끌어냅니다.

슬래그에는 철, 철 합금, 비철 슬래그의 세 가지 유형이 있으며, 이들은 서로 다른 제련 공정을 통해 생산됩니다.

철 슬래그

철 슬래그는 제철 및 제강 공정의 다른 단계에서 생성되며, 그 결과 다양한 물리 화학적 특성이 발생합니다.또한 슬래그 재료의 냉각속도는 그 결정도에 영향을 미쳐 그 성질을 더욱 다양화한다.예를 들어, 느리게 냉각된 BF 슬래그(또는 공랭식 슬래그)는 급랭된 BF 슬래그(분쇄된 고로 슬래그)보다 결정상이 더 많은 경향이 있으므로 밀도가 높고 골재로서 더 적합합니다.또한 과도한 체적 팽창이 바람직하지 않을 경우 종종 수화 형태로 전환되는 유리 CaO 및 MgO 함량이 높을 수 있습니다.반면, 급랭된 BF 슬래그는 포틀랜드 [11]시멘트와 유사한 잠재적 유압 특성(162년 Emil Langen에 의해 발견됨)을 제공하는 비정질 상(amorphous phase)이 더 크다.

철을 제련하는 과정에서 철 슬래그가 생성되지만 칼슘과 실리콘 조성물이 대부분을 차지합니다.이 프로세스를 통해 철 슬래그는 고로 슬래그(용융된 철의 산화철에서 생산됨)와 강철 슬래그(강철 스크랩과 용융된 철이 결합되었을 때 형성됨)로 분해될 수 있습니다.철 슬래그의 주요 상은 칼슘이 풍부한 올리빈-기 규산염과 멜릴라이트-기 규산염입니다.

철 제련소에서 나오는 슬래그는 철 손실을 최소화하도록 설계되어 칼슘, 실리콘, 마그네슘 및 알루미늄 산화물에 이어 상당한 양의 철을 배출합니다.슬래그가 물에 의해 냉각됨에 따라 [10]슬래그 내부에서 약 2,600°F(1,430°C)의 온도에서 여러 가지 화학 반응이 발생했습니다(예: 산화).

애리조나주 클락데일의 슬래그 더미를 통과하는 길. 이를 유지하는 녹슨 골판지 시트의 줄무늬를 보여줍니다.

미국 펜실베니아 주 버크 및 체스터 카운티에 있는 Hopewell National Historical Site의 사례 연구에 따르면, 철 슬래그는 보통 비철 슬래그보다 다양한 유형의 미량 원소의 농도가 낮습니다.그러나 비소(As), 철, 망간 등 일부는 지하수나 지표수에 환경지침을 [10]초과하는 수준으로 축적될 수 있다.

비철 슬래그

비철 슬래그는 천연 광석의 비철 금속에서 생산됩니다.비철 슬래그는 광석의 조성으로 인해 구리, 납 및 아연 슬래그로 분류될 수 있으며, 철 슬래그보다 환경에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 더 큽니다.예를 들어, 비철 제련에서 구리, 납 및 보크사이트의 제련은 이러한 광석에서 자주 발생하는 철과 실리카를 제거하고 철 규산염 기반 슬래그로 [10]분리하도록 설계되었습니다.

구리 광석을 제련할 때 발생하는 폐기물인 구리 슬래그는 미국 캘리포니아의 한 폐광산에서 연구됐다.이 지역은 매년 6~8개월 동안 홍수가 나 식수와 관개용 저수지가 된다.저장소에서 채취한 시료에서 카드뮴(Cd)과 납(Pb) 농도가 규제 [10]지침을 초과한 것으로 나타났다.

적용들

슬래그는 용해된 금속이 용해로에서 제거되어 고체 금속을 만들기 위해 사용되기 전에 용융의 온도 제어를 돕고 최종 액체 금속 제품의 재산화 작업을 최소화하는 등의 다른 용도로 사용될 수 있습니다.이산화티타늄을 생산하기 위한 일메나이트 제련과 같은 일부 제련 공정에서는 슬래그가 [12]귀중한 제품이 될 수 있습니다.

덴마크 초기 슬래그, c. 200-500 CE

고대 용법

지중해 지역의 청동기 시대에는 수많은 미분 야금 공정이 사용되었습니다.이러한 작업의 슬래그 부산물은 고대 구리 주조 공장의 슬래그 표면에서 발견된 화려하고 유리질인 유리질 물질이었습니다.그것은 주로 파란색 또는 녹색이었고 이전에는 유리제품과 주얼리를 만들기 위해 조각내고 녹여졌다.그것은 또한 도자기에 사용하기 위해 유약에 첨가하기 위해 가루로 분쇄되었다.슬래그의 부산물에 대한 그러한 최초의 용도는 고대 [13]이집트에서 발견되었다.

역사적으로, 철광석 슬래그의 재용융은 일반적인 관행이었습니다. 향상된 제련 기술이 철 생산량을 증가시켰기 때문입니다. 경우에 따라서는 원래 달성한 것보다 더 많은 철 생산량을 산출할 수 있었습니다.20세기 초, 철광석 슬래그는 또한 분쇄되어 슬래그 유리라고도 알려진 마그네이트 유리를 만드는 데 사용되었다.

최신 용도

건설

건설업계에서 슬래그의 사용은 1800년대 BF 슬래그가 도로를 건설하고 철도 밸러스트를 만들 때 사용되었던 것으로 거슬러 올라간다.이 기간 동안 골재로도 사용되었고, 지질 중합체로서 시멘트 산업에 통합되기 시작했습니다.[14]

오늘날 GGBFS는 Portland 시멘트(PC)와 함께 사용되어 "슬래그 시멘트"를 생성합니다. GGBFS는 시멘트 수화 중에 생성된 Portlandite(Ca(OH)2와 반응하여 콘크리트의 나중에 강도를 높이는 데 주로 기여하는 시멘트 특성을 생성합니다.이를 통해 투과성이 저하되고 내구성이 향상됩니다.CaO 및 MgO 함량이 높으면 콘크리트의 [15]부피팽창 및 균열로 이어질 수 있으므로 슬래그 종류에 대한 신중한 검토가 필요하다.

이러한 유압 특성은 도로 및 철도 [16]건설의 토양 안정에도 사용되어 왔다.

슬래그는 고성능 콘크리트, 특히 교량 및 해안 시설 건설에 사용되는 콘크리트 제조에 사용됩니다. 슬래그는 낮은 투과성과 염화물 및 황산염에 대한 높은 내성을 통해 구조물의 [17]부식 작용 및 열화를 줄일 수 있습니다.슬래그는 슬래그 울이라고 하는 단열재로 사용되는 섬유를 만드는 데도 사용될 수 있습니다.

폐수처리 및 농업

슬래그의 용해는 금속, 황산염 및 폐수 처리에서 여분의 영양소(질소와 인)를 침전시키는 데 사용할 수 있는 알칼리성을 생성합니다.마찬가지로, 철 슬래그는 칼슘과 [18]마그네슘의 공급원으로서 토양 pH와 비료의 균형을 재조정하는 토양 촉진제로 사용되어 왔다.

인 함유 슬래그 중 인산염 함량이 느리고, 그 제한 효과로 인해 제강소 내 정원이나 농장의 비료로 평가되고 있다.하지만 가장 중요한 응용 분야는 [19]건설입니다.

새로운 응용 프로그램

슬래그는 높은 CaO 및 MgO 함량 때문에 산업용 알칼리성 폐기물 중 탄산화 잠재력이 가장 높기 때문에 CO 포획 및 저장(CCS) 방법(예: 직접 수성 격리, 건조 가스 고화 탄산화)[20][21]에 대한2 실현 가능성을 테스트하기 위한 추가 연구에 영감을 줍니다.이러한 CCS 방법을 통해 슬래그는 플라스틱에 사용되는 침전탄산칼슘, 전자산업에 [22]사용되는 콘크리트 산업 및 침출물로 변환될 수 있다.

그러나 여러 유형의 슬래그에 걸쳐 물리적 및 화학적 변동이 크면 성능이 저하되고 일관성이 [23]없어집니다.또한 탄산화전위를 화학량학적으로 계산하면 재료의 실제 [24]잠재력이 더욱 흐려질 수 있는 과대평가를 초래할 수 있다.이를 위해 일부에서는 특정 슬래그 물질의 반응성 테스트(즉, 용해)를 수행하거나 복잡한 화학 [25]네트워크를 설명하기 위해 위상 제약 이론(TCT)을 활용할 것을 제안했다.

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레퍼런스

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추가 정보

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