제조공정

개요

시멘트의 제조공정은 4개의 단계로 나누어진다.

첫단계는 원료를 분쇄·제분하고, 2단계는 원료를 알맞은 비율로 혼합하고, 3단계는 혼합된 재료를 회전가마에서 소성하고, 4단계는 시멘트 클링커로 알려진 소성된 혼합재를 시멘트의 응결시간을 조절하기 위해 넣는 5％의 석고와 함께 제분한다. 시멘트 제조법은 건식·반건식·습식으로 나누어지는데, 제조법의 구별은 원료가 젖어 있는 상태에서 제분하여 이장(泥漿)으로서 가마에 공급하느냐, 건조상태에서 제분하여 건조분말 상태로 공급하느냐, 또는 건조상태에서 제분한 후 습기 있게 만들어 가마에 공급하느냐에 따라 정해진다.

1단계(원료의 분쇄 및 제분)

처음에 연질재료를 제외한 모든 원료가 최초로 분쇄되고(종종 2단계에서 행해짐) 회전하는 원통형 공 또는 강으로 만든 연마구가 들어 있는 튜브 밀(tube mill)이란 장치 안에서 제분된다.

제분방법은 제조법에 따라 건식 또는 습식으로 행해지나, 건식 제분에서는 원료를 최초에 원통형 회전 제분기에서 건조시킬 필요가 있다. 연질원료는 워시 밀(wash mill)이란 기계에서 물과 함께 강하게 휘저어져 고운 이장이 만들어진다. 그리고 이 이장은 체를 통해 조대(粗大)한 입자가 제거된다.

2단계(혼합)

원하는 화학적 조성은 선택적 채석, 분쇄, 제분장치로 공급되는 원료의 제어로써 얻어진다.

건식법의 조성과 약간 다른 혼합원료를 저장하는 사일로와 습식법의 이장 탱크로부터 제분된 물질을 뽑아내면 좀더 좋은 조성제어가 얻어진다. 건식법에서는 압축공기에 의해 유도되는 교반과 강한 순환에 의해 원료의 완전한 혼합이 일어난다. 습식법에서 이장 탱크는 기계적 수단 또는 압축공기에 의해, 또는 이 2가지 수단에 의해 휘저어진다. 35~45％의 수분을 포함하고 있는 이장은 가끔 여과되어 수분함량이 20~30％로 줄어든다.

그리고 필터 케이크(filter cake)는 가마에 공급된다. 이렇게 하면 소성하는 데 필요한 연료소모를 줄일 수 있다.

3단계(소성)

시멘트가 소성하는 데 사용된 최초의 가마는 병 모양 가마이고 후에 챔버(chamber) 가마, 그리고 후에 선가마가 등장했다.

선가마는 아직까지도 여러 나라에서 사용되는 현대적인 형태의 것이지만 지배적으로 많이 사용되고 있는 것은 회전가마이다. 습식법에서 사용되는 회전가마는 길이 200m, 직경 7m이고, 건식법의 경우 길이가 습식법보다 작다. 이 가마는 내화물질이 피복되어 있는 강제의 원통형 외판으로 만들어진다. 회전가마는 수평에서 약간 기울어진 축 위에서 느리게 회전한다. 공급되는 원료는 가마의 상층부 꼭대기에서 장입하여 기저부, 즉 시멘트가 소성되는 끝부분으로 천천히 내려간다.

소성에 필요한 연료로는 제분된 석탄, 기름, 또는 파이프를 통해 분사되는 천연 가스 등이 있다. 시멘트가 소성되는 가마의 기저부의 온도는 소성되는 원료에 따라 1,300~1,500℃에 이른다. 몇몇 형태의 열교환기가 가마 뒤쪽 끝에 장치되어 들어오는 원료로 열전달을 증가시켜 소비되는 가스에서의 열손실을 감소시킨다.

소성된 재료는 주입된 공기가 가열되면서 재료를 냉각시키는 냉각실을 통과한 클링커의 단괴 형상으로 가마에서 나온다. 반건식법에서 10~15％의 수분을 함유한 단괴 형태의 원료는 회전가마로 가기 전에 체인식 가동성 화상(火床)을 거친다. 가마에서 나오는 고온의 가스는 화상 위에서 단괴 형상의 원료에 흡수되어 예열작용을 한다. 가마에서 나오는 먼지는 상당히 문제가 되는데, 인구밀도가 높은 지역에서는 사이클론 집진기, 백필터(bag-filter) 장치, 전기집진기 등을 가마의 배출구와 굴 사이에 설치하는 것이 보통이며, 의무적으로 설치하기도 한다.

현대의 시멘트 공장은 소성공정의 제어를 위한 정교한 장치를 갖추고 있다.

몇몇 공장에서 원료는 자동적으로 품질검사가 되고 컴퓨터가 원료의 혼합비를 계산및 제어한다. 대형 가마는 하루에 3,000t의 시멘트를 생산할 수 있다. 클링커는 즉시 제분되어 나중에 사용하기 위해 저장한다.

4단계(제분)

원료를 제분할 때 사용되는 것과 비슷한 수평 제분기에서 클링커와 원하는 양의 석고가 제분되어 고운 분말로 만들어진다.

그 재료는 직접 제분기를 지나가거나(개방회로 제분) 또는 입자가 거친 것이 있으면 후에 1번 더 제분하기 위해 거친 입자는 분리되어 제분기로 되돌아간다(폐회로 제분). 가끔 미분쇄를 돕는 첨가제를 원료에 첨가하는 경우도 있고, AE 시멘트(air-entraining cement)의 경우 공기연행제(空氣連行劑)를 첨가한다. 완성된 시멘트는 공기작용에 의해 저장창고로 옮겨진 후 종이자루에 포장되거나 운송을 위해 대형 용기에 저장된다.