Utilization of Induction-Furnace Slag as a Partial Silica-Sand Replacement in CO 2 –Sodium Silicate Molding: Effects on Mold Properties and Casting Quality
본 연구는 CO₂-규산나트륨 조형 시 규사 중 25~30%를 유도용해로그 슬래그로 대체하는 것이 산업 폐기물을 가치화하는 동시에, 수용 가능한 수준의 금형 특성과 주조 품질을 유지하면서도 실행 가능하고 비용 효율적인 해결책임을 입증한다.
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매년 철강 주조 공장들은 이중의 부담에 직면합니다. 한쪽에서는 용융 금속을 붓는 틀을 만드는 데 쓰이는 거칠고 하얀 물질인 고순도 규사(silica sand)의 상승하는 비용을 지불해야 합니다. 다른 한쪽에서는 저철강을 녹인 후 남은 무겁고 암석 같은 폐기물인 슬래그(slag)를 처리하는 비용을 지불해야 합니다. 보통 이 슬래그는 매립지로 운반되는데, 이는 비용이 많이 들고 환경에 부담을 주는 과정입니다. 한편, 세계의 규사 공급량이 다른 산업으로 전용됨에 따라 규사 수요는 점점 더 타이트해지고 있으며, 규사 먼지를 흡입할 때의 건강 위험 또한 공장들이 더 안전한 대안을 찾도록 몰아넣고 있습니다. 엔지니어들이 직면한 질문은 단순하지만 어렵습니다. 이 두 가지 문제를 폐기물인 슬래그를 유용한 틀의 일부로 만듦으로써 동시에 해결할 수 있을 것인가 하는 점입니다.
이를 확인하기 위해 연구진은 중소 규모 공장에서 흔히 쓰이는 특정 형태의 몰드 제작 공정에 주목했습니다. 이 방식에서는 모래와 규산나트륨(sodium silicate)이라 불리는 액체 결합제를 혼합하여 패턴 주위에 단단히 채워 넣은 뒤 중공 형태를 만듭니다. 그 다음 이산화탄소 가스를 혼합물에 불어 넣어 화학 반응을 일으킴으로써, 액체 결합제를 몇 초 만에 딱딱하고 끈적한 네트워크 구조로 변화시켜 틀을 경화시킵니다. 이러한 빠른 경화 덕분에 강철 부품을 빠르게 생산할 수 있습니다. 문제는 사용되는 모래가 형태를 유지할 만큼 충분히 강해야 하며, 용융 금속이 닿았을 때 가스가 빠져나갈 수 있을 만큼 충분히 다공성(porous)이어야 한다는 것입니다. 만약 모래가 너무 약하면 틀이 깨지고, 다공성이 부족하면 금속이 가스를 가두어 최종 제품에 기포나 구멍을 형성하게 됩니다.
연구팀은 값비싼 규사의 일부를 특정 저합금강을 녹일 때 발생하는 유도 용해로 슬래그(induction-furnace slag)로 대체할 수 있는지 테스트하기로 했습니다. 그들은 단순히 짐작만 한 것이 아니라, 슬래그가 전체 무게의 작은 비율부터 거의 절반에 이르기까지 점진적으로 증가하도록 구성된 일련의 테스트용 몰드를 제작했습니다. 각 혼합물에 대해 모래를 실린더에 채우고 가스로 경화시킨 후, 일련의 표준 테스트를 실시했습니다. 연구진은 채워진 재료를 통해 공기가 얼마나 쉽게 통과하는지, 충격을 주거나 눌렀을 때 틀이 얼마나 잘 견디는지, 그리고 표면 경도가 어느 정도인지를 측정했습니다. 또한 실제 강철 부품을 이 몰드들에 주조하여, 모래 혼합물의 변화가 금속 표면에 눈에 띄는 결함을 유발하는지 확인했습니다.
결과는 명확하고 일관적이었습니다. 연구진이 슬래그를 더 많이 첨가할수록 몰드의 성능은 꾸준히 떨어졌습니다. 가스를 배출하는 능력은 감소했고, 몰드가 부서지지 않고 견딜 수 있는 힘인 강도는 현저히 낮아졌습니다. 혼합물에 슬래그가 40%에 달했을 때, 몰드는 순수 모사 버전보다 눈에 띄게 약해졌고 다공성도 낮아졌습니다. 연구진은 이러한 저하의 원인을 두 가지로 추적했습니다. 첫째, 슬래그의 화학적 조성이 달랐습니다. 슬래그는 순수 규사에 비해 규소 함량은 적고 철, 망간 및 기타 금속 함량은 훨씬 높았기 때문에, 액체 결합제가 슬래그 입자에 효과적으로 달라붙지 못했습니다. 둘째, 슬래그 입자의 물리적 크기가 문제였습니다. 연구진이 슬래그를 모래와 비슷하게 분쇄했음에도 불구하고, 최종 재료는 훨씬 더 미세했으며 먼지 같은 아주 작은 입자들이 훨씬 더 많았습니다. 이 미세한 입자들은 너무 빽빽하게 뭉쳐 가스가 빠져나가는 작은 틈새를 막아버렸고, 표면을 코팅하는 데 더 많은 액체 결합제를 요구함으로써 큰 알갱이들을 잡아줄 결합제가 부족하게 만들었습니다.
이러한 강도와 다공성의 저하에도 불구하고, 연구는 실용적인 절충점을 찾아냈습니다. 슬래그가 혼합물의 25%에서 30% 사이일 때, 몰드는 생산 공정의 혹독함을 견딜 만큼 충분히 강하며 가스를 안전하게 배출할 수 있을 만큼 충분히 다공성을 유지했습니다. 이를 확인하기 위해 연구팀은 슬래그 함량을 전혀 포함하지 않은 것부터 가장 높은 수준까지 다양하게 조절하여, 섭씨 1600도의 용융 강철을 몰드에 부었습니다. 금속이 식고 몰드를 제거한 후, 결과물인 강철 부품들을 검사했습니다. 놀랍게도, 몰드에 포함된 슬래그의 양에 관계없이 어떠한 주조물에서도 핀홀(pinholes)이나 균열 같은 표면 결함이 발견되지 않았습니다. 금속의 표면 질감은 모든 테스트에서 매끄럽고 일관되게 유지되었으며, 슬래그 함량이 증가함에 따라 악화되는 경향도 보이지 않았습니다.
이 연구는 철강 주조 공장이 품질 저하 없이 이 특정 유형의 철강 슬래그를 사용하여 규사의 상당 부분을 안전하게 대체할 수 있음을 시사합니다. 슬래그를 25~30% 사용함으로써, 공장은 값비싸고 희귀한 모사에 대한 의존도를 줄이는 동시에 폐기물 처리 비용을 절감할 수 있습니다. 이 연구는 이 방법이 모든 종류의 슬래그나 모든 금속에 적용된다고 주장하는 것은 아닙니다. 왜냐나 폐기물의 화학적 조성은 매우 다양하기 때문입니다. 하지만 테스트한 철강의 경우, 이 해결책은 실행 가능합니다. 이는 폐기물을 자원으로 바꾸는 직접적인 경로를 제시하며, 세심한 테스트를 통해 산업 부산물이 그것을 만들어낸 바로 그 공정 속에서 새로운 생명을 얻을 수 있음을 증명합니다.
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