JP2015514875A - フェロニッケルスラグを利用したフェロシリコンとマグネシウムの製造方法及びそれに用いられる製造装置及び溶融還元炉 - Google Patents

フェロニッケルスラグを利用したフェロシリコンとマグネシウムの製造方法及びそれに用いられる製造装置及び溶融還元炉 Download PDF

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Abstract

【課題】 フェロニッケル製造過程の副産物であるフェロニッケルスラグ（Ｆｅｒｒｏ−Ｎｉｃｋｅｌ Ｓｌａｇ）を利用してマグネシウム及びフェロシリコンを製造する方法が開示される。【解決手段】 本発明はフェロニッケルスラグ、フェロシリコンスラグ、フェロシリコン及びマグネシウム還元触媒を含む第１原料を配合する段階と；前記配合された第１原料を熱還元炉の真空雰囲気で蒸気化する段階と；前記熱還元炉で気化されたマグネシウムを回収する段階と；を含むフェロニッケルスラグからマグネシウム製造方法を提供する。また、マグネシウム還元剤を製造するために、マグネシウム製造副産物であるマグネシウムスラグからフェロシリコン製造とフェロシリコン製造副産物であるフェロシリコンスラグを利用してマグネシウムを製造する方法を提供する。本発明によれば、エネルギー費用を減少し、一酸化炭素の排出を減少させて、環境問題を改善させることができ、工程の副産物として廃棄される資源をマグネシウム及びフェロシリコン製造に再利用することができる。【選択図】 図１

Description

本発明はマグネシウム製造装置に関するもので、より詳しくは、フェロニッケル製造過程の副産物であるフェロニッケルスラグ（Ｆｅｒｒｏ−Ｎｉｃｋｅｌ Ｓｌａｇ）を利用してマグネシウムを製造する方法に関するものである。
従来、マグネシウムの製造方法には、焼成ドロマイトに還元剤であるフェロシリコン及び触媒として蛍石を利用してマグネシウムを製造する方法が用いられて来た。
ドロマイトは、ＭｇＣａ（ＣＯ３）２で表れる炭酸石灰と炭酸マグネシウムからなる鉱物で、マグネシウムの回収のためには脱炭酸過程が必要となり、このように焼成された焼成ドロマイトがマグネシウムの製造原料として用いられる。従って、焼成ドロマイトの製造のための焼成費用が発生し、二酸化炭素が過量発生して、環境問題を誘発する虞がある。
一方、最近にはフェロニッケルスラグからマグネシウムを製造する方法が研究開発中である。しかし、フェロニッケルスラグは酸化カルシウム成分を含んでいないため、製造工程で生石灰を追加投入しなければならないという問題点がある。
また、前述した二つの方法はマグネシウムを製造した後、残りスラグが産業廃棄物として発生するという問題点を有する。
従って、フェロニッケルスラグからマグネシウムを回収する際に、製造過程で費用の増加問題が発生せず、製造副産物を発生させない環境に優しいマグネシウム製造方法に対する要求が切実である。
上述した従来の技術問題点を解決するために、本発明はフェロニッケルスラグを利用して、マグネシウムとフェロシリコンを含む有用な資源を製造する新規方法を提供することを目的とする。
また、本発明はマグネシウム製造過程の副産物を工程内でリサイクルすることができる新規マグネシウム及びフェロシリコン製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は上記マグネシウム製造方法に適用するのに適切なマグネシウム製造装置を提供することを目的とする。
また、本発明はフェロシリコンの製造に適合する溶融還元炉を提供することを目的とする。
上記技術的課題を達するために、本発明は、フェロニッケルスラグ、フェロシリコンスラグ、フェロシリコン及びマグネシウム還元触媒を含む第１原料を配合する段階と；上記配合された第１原料を熱還元炉の真空雰囲気で気化する段階と；上記熱還元炉で気化されたマグネシウムを回収する段階とを含むフェロニッケルスラグからマグネシウム製造方法を提供する。
本発明で上記フェロニッケルスラグはマグネシウム化合物及び鉄成分を含むものであってもよい。
また、本発明で上記フェロシリコンスラグは酸化カルシウムを含むものであってもよい。
また、本発明は上記熱還元炉から排出されるマグネシウムスラグ及び鉄鉱石を含む第２原料を配合する段階と；上記第２原料を溶融還元炉に投入して、上記マグネシウムスラグに含有された珪石と鉄成分を利用して、フェロシリコンに製造する段階と；上記溶融還元炉でフェロシリコンスラグを回収して、上記熱還元炉に循環させる段階とをさらに含むマグネシウム製造方法を提供する。
また、本発明は上記溶融還元炉でフェロシリコン溶液を回収する段階をさらに含むことができる。この時、上記回収されたフェロシリコン溶液の少なくとも一部を上記第１原料と混合して成形する段階をさらに含むことができる。
上記他の技術的課題を達するために、本発明は、フェロシリコン製造のための溶融還元炉及びマグネシウム酸化物を還元するための熱還元炉を含むマグネシウム製造装置において、上記熱還元炉は、フェロニッケルスラグからマグネシウムを蒸気化し、上記溶融還元炉のフェロシリコンスラグが上記熱還元炉の原料として投入されることを特徴とするマグネシウム製造装置を提供する。
本発明で上記フェロシリコンスラグは上記マグネシウム酸化物の還元のための酸化カルシウム成分の供給源として作用することができる。
本発明で上記溶融還元炉はコークス炉または電気炉であることができる。これと違って、上記溶融還元炉は溶融炉及び上記溶融炉と第１湯道が連結される還元炉を含むこともできる。
本発明で上記還元炉は微粉炭投入装置を備えることができる。
また、本発明で上記還元炉は底面から溶融されたフェロシリコンを回収するために高さの異なる少なくとも第２湯道及び第３湯道を備えることができる。
また、本発明で上記熱還元炉のマグネシウムスラグは上記溶融還元炉に循環されることができる。
上記また他の技術的課題を達するために、本発明は、マグネシウム製造副産物であるマグネシウムスラグと鉄鉱石を原料としてフェロシリコンを還元する溶融還元炉において、上記溶融還元炉は溶融炉及び還元炉を含み、上記溶融炉と還元炉はフェロシリコン溶液の移送のための第１湯道を通じて連結されることを特徴とする溶融還元炉を提供する。
本発明で上記還元炉はフェロシリコン溶液を排出するために、底面から位置の異なる第２湯道及び第３湯道を含むことができる。
本発明によれば、フェロニッケルスラグを利用してフェロシリコンとマグネシウムを製造することによって、焼成過程によるエネルギー費用を低減し、一酸化炭素の排出を減少させて、環境問題を改善させることができる。
また、本発明によれば、マグネシウムを製造する際に発生するスラグを利用してフェロシリコンを製造することができて、産業廃棄物であるスラグの発生量を最小化することができ、フェロシリコンの製造過程で発生するスラグをマグネシウムを製造するための還元補助剤として活用することによって、産業廃棄物であるスラグの発生量を最小化することができる。これによって、原料費、物流費、設備投資費、廃棄物処理費を低減しながら、既存の製造工法に比べて製造コストを大幅に減少してコスト競争力を向上させることができる。
本発明の好ましい実施例による製造工程を概念的に示した図面である。 本発明の他の実施例による製造工程を概念的に示した図面である。 本発明の好ましい実施例による溶融還元炉を模式的に示した図面である。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を有するものに本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡張されることができる。
フェロニッケルスラグはフェロニッケル製造過程で発生する副産物で、マグネシウム化合物及び鉄成分を含んでいる。例えば、ニューカレドニアニッケル鉱石からフェロニッケル抽出後のフェロニッケルスラグは次の成分（重量％）で構成される。
Figure 2015514875
本発明で上記フェロニッケルスラグに含まれたマグネシウム酸化物からマグネシウムを回収するための反応式は次の通りである。
（化学式１）
２ＭｇＯ ＋ ２ＣａＯ ＋ Ｓｉ ＝ ２Ｍｇ↑ ＋ ２ＣａＯ・ＳｉＯ２
即ち、上の反応式から分かるように、マグネシウム酸化物からマグネシウムを還元するためには酸化カルシウムとケイ素が供給されなければならない。また、上の反応式によるマグネシウム製造工程では副産物としてＣａＯとＳｉＯ２のような化合物を含むマグネシウムスラグが排出される。
一方、本発明で上記酸化カルシウムの供給源としてはフェロシリコンスラグが用いられることができる。上記フェロシリコンスラグはフェロシリコンの製造過程で排出される副産物で、例示的に次のような成分で構成される。
Figure 2015514875
また、後述するように、フェロシリコンスラグに含まれた酸化カルシウムは追加的な投入なしに本発明の製造工程で循環されることができる。
このために、本発明でマグネシウム回収工程とフェロシリコン製造工程は循環的に連関される。即ち、本発明でフェロシリコンは上記化学式１の副産物であるマグネシウムスラグを還元することによって製造されることができ、フェロシリコン製造工程の副産物であるフェロシリコンスラグは化学式１の酸化カルシウム供給源として用いられる。
本発明でマグネシウム製造工程の副産物としてのマグネシウムスラグは例示的に次のような成分で構成される。
Figure 2015514875
マグネシウムスラグからフェロシリコンを製造する反応式は次のように表現されることができる。
（化学式２）
ＳｉＯ２＋ ｘＦｅ ＋ Ｃ ＝ Ｆｅ−Ｓｉ ＋ ＣＯ２↑
従って、マグネシウムスラグに含まれたＣａＯなどの成分は、製造工程の副産物であるフェロシリコンスラグに含まれ、上記化学式１のＣａＯの供給源として作用する。
以上のように、本発明はマグネシウム回収工程とフェロシリコン製造工程を密接に連関させることによって、資源の追加投入を最小化しながら廃棄処理される各種スラグから有用な資源を回収することができる。
図１は本発明の好ましい実施例による製造工程を概念的に示した図面である。
図１を参照すれば、本発明のフェロシリコン及びマグネシウム製造装置は、溶融還元炉１００、破碎機１２０、成形機１３０、熱還元炉１４０、凝縮器１５０、真空ポンプ１６０、フェロシリコン鋳造機１７０を含むことができる。
上記溶融還元炉１００はマグネシウムスラグに含まれた珪石と鉄酸化物でフェロシリコンを製造する。このために、上記溶融還元炉１００にはマグネシウムスラグと鉄鉱石が原料として投入されることができる。上記溶融還元炉１００はコークス炉または電気炉で具現されることができる。上記コークス炉または電気炉はマグネシウムスラグと鉄鉱石を１４００℃〜１６００℃まで加熱、溶融、炭素に還元してスラグの中に含まれた珪石と鉄鉱石をフェロシリコン溶液に製造する。このために、上記コークス炉または電気炉には微粉炭供給のための投入装置が具備されることができる。
上記溶融還元炉１００のフェロシリコン溶液及びフェロシリコンスラグは取鍋１１０に排出され、排出されたフェロシリコン溶液はフェロシリコン鋳造機１７０のような成形手段に投入されて凝固され、所定の大きさに形状化されたフェロシリコン塊が得られる。一方、この工程の副産物であるフェロシリコンスラグは、後述するように、熱還元炉１４０の原料として用いられる。
次に、フェロニッケルスラグからマグネシウムを回収するために、破碎機１２０にフェロニッケルスラグ、フェロシリコンスラグ及び蛍石を含む原料が投入される。ここで、蛍石は還元触媒として作用する。本発明で、上記破碎機１２０ではスクリューミル、ボールミルなど何れの破鎖手段が用いられることができる。
次に、成形機１３０で破鎖された粉末をフェロシリコン溶液と混合し、成形機１２０で成形体を製造する。この時、上記フェロシリコン溶液は成形体の接着剤として作用する。本発明で上記フェロシリコン溶液は成形体全体重量の中５〜３０重量％含まれることができる。製造された成形体は熱還元炉１４０に装入される。
上記熱還元炉１４０は投入された成形体を加熱してマグネシウムを蒸気化する。このために、上記熱還元炉１４０は真空状態に保持される。このために、上記マグネシウム還元炉１４０は耐熱鋼の反応管１４１を含み、上記反応管１４１の内部を真空状態に保持することであることができる。上記熱還元炉１４０はマグネシウムの気化温度以上、例えば１１００℃〜１２５０℃の温度に保持されてマグネシウムを蒸気化する。
蒸気化された気体マグネシウムは、凝縮器１５０に収集及び凝縮されマグネシウム溶液に製造される。マグネシウムが還元され、残りマグネシウムスラグは再びフェロシリコンを製造するための原料として用いられることができる。
以上のように、本発明はフェロシリコン製造工程とマグネシウム製造工程の副産物を利用して、フェロニッケルスラグからマグネシウムを製造することができる。また、本発明では、二つの工程を連関させることで、マグネシウムの還元のための酸化カルシウムソースでスラグ内に含まれた酸化カルシウムを循環させて、資源の效率的な活用が可能である。また、本発明では、マグネシウム還元炉１４０の副産物である高温のマグネシウムスラグをコークス炉／電気炉１００で用いることができるので、エネルギーの費用の面でも效率的である。
図２は本発明の他の実施例による製造工程を概念的に示した図面である。
図２を参照すれば、上記溶融還元炉２００は溶融炉２１０と還元炉２２０とで構成されることができる。
上記溶融炉２１０はマグネシウムスラグ及び鉄鉱石を含む原料を溶融する。この時、上記溶融炉２１０には原料とともに無煙炭及び／または有煙炭を含む燃料が投入される。勿論、その他にも上記燃料としては重油と酸素が用いられることもできる。
上記還元炉２２０は上記溶融された原料を還元してフェロシリコン溶液を製造する。このために上記還元炉２２０は微粉炭のような還元剤の投入のための投入装置を備えることができる。
図３は本発明の好ましい実施例による溶融還元炉２００を模式的に示した図面である。
図３を参照すれば、溶融炉２１０は上部にある原料ホッパー２１１を通じてマグネシウムスラグ、鉄鉱石または石炭（無煙炭／有煙炭）を装入するようになっている。また、上記溶融炉２１０は重油バーナー２１２を通じて重油と酸素を供給し、投入された石炭などを利用して、１４００〜１６００℃まで原料を加熱して鉱物を溶解する。
溶融された鉱物は溶液湯道２１４を通じて溶融炉の下部の還元炉２２０に流れ、還元炉２２０の上部に設置された微粉炭ホッパー２２１を通じて微粉炭が還元炉２２０の中に投入される。投入された微粉炭によって鉱物は還元されて、フェロシリコン溶液に製造される。この時、微粉炭は微粉炭バルブ装置２２２によって投入量が調節され、還元炉２２０に外部空気の侵入を阻んで金属の酸化を防止する。
フェロシリコン溶液は一定量が還元炉２２０の中に集められると、還元炉の下部に設置された溶液湯道２２３、２２４を通じて排出される。本発明では、上記還元炉に還元炉の底面に対して高さの異なる少なくとも二つ以上の湯道が提供される。このように複数の湯道が提供される理由は次の通りである。
還元炉内の鉄とケイ素からなる溶融液の中で、鉄はケイ素に比べて比重が高く、溶融液の下層に集中され、上層に行くほどケイ素の含有量が高くなる。
その故、一般的には、フェロシリコン（ケイ素成分：７５ｗｔ％）を製造する際に、最下部の鉄溶液湯道２２３を通じてフェロシリコン溶融液を全部排出して、これを混合することによってフェロシリコンが製造されることができる。
しかし、フェロシリコンの中でケイ素成分の高い製品を製造する際には、鉄とケイ素の比重差を利用して、フェロシリコン溶液湯道２２４を通じて溶液を排出し、鉄溶液湯道２２４を通じて排出される溶融液は溶融炉２１０に再装入することによって、ケイ素成分比重の高いフェロシリコンを製造することができる。反対に、下層の鉄含有量の高いフェロシリコンのみを利用する場合、ケイ素の含有量が非常に低いフェロシリコンの製造が可能である。本発明では、このような方式でエネルギー費と原料費を節減させながら、製品の用途によってフェロシリコンのケイ素成分を１８〜９６％まで調整することができる。
さらに、通常のフェロシリコンの製造では、ケイ素成分が高いほど溶融温度が高くて、電気炉造業を除いて事実上製造が困難であるが、本発明の溶融還元炉２００は以上のような方法でケイ素成分の高いフェロシリコンを製造することができる。
本発明に添付された図面は本発明の技術的思想を限定するためのものではなく、説明するためのもので、このような添付された図面によって本発明の技術的思想の範囲が限定されるのではない。本発明の保護範囲は以下の請求範囲によって解釈されるべきであり、それと同等な範囲内にあるすべての技術的思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
１００ 溶融還元炉
１１０ 取鍋
１２０ 破碎機
１３０ 成形機
１４０ 熱還元炉
１５０ 凝縮器
１６０ 真空ポンプ
１７０ フェロシリコン鋳造機
２００ 溶融還元炉
２１０ 溶融炉
２１１ 原料ホッパー
２１２ 重油バーナー
２１３ 排気ガス排出口
２１４ 溶液湯道
２２０ 還元炉
２２１ 微粉炭ホッパー
２２２ 微粉炭バルブ装置
２２３ 鉄溶液湯道
２２４ フェロシリコン溶液湯道

Claims (15)

  1. フェロニッケルスラグ、フェロシリコンスラグ、フェロシリコン及びマグネシウム還元触媒を含む第１原料を配合する段階と；
    前記配合された第１原料を熱還元炉の真空雰囲気で気化する段階と；
    前記熱還元炉で気化されたマグネシウムを回収する段階と；
    前記マグネシウムスラグからフェロシリコン溶液を製造する段階と；
    を含むことを特徴とするフェロニッケルスラグからのマグネシウム製造方法。
  2. 前記フェロニッケルスラグはマグネシウム化合物及び鉄成分を含むことを特徴とする請求項１に記載のフェロニッケルスラグからのマグネシウム製造方法。
  3. 前記フェロシリコンスラグは酸化カルシウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のフェロニッケルスラグからのマグネシウム製造方法。
  4. 前記熱還元炉から排出されるマグネシウムスラグに鉄鉱石を含む第２原料を配合する段階と；
    前記第２原料を溶融還元炉に投入して、前記マグネシウムスラグに含有された珪石と鉄鉱石を溶融、フェロシリコンに還元する段階と；
    前記溶融還元炉でフェロシリコンスラグを回収して、前記熱還元炉に循環させる段階と；
    をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のフェロニッケルスラグからのマグネシウム製造方法。
  5. 前記溶融還元炉でフェロシリコン溶液を回収する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のフェロニッケルスラグからのマグネシウム製造方法。
  6. 前記回収されたフェロシリコン溶液の少なくとも一部を前記第１原料と混合して成形する段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のフェロニッケルスラグからのマグネシウム製造方法。
  7. フェロシリコン製造のための溶融還元炉及びマグネシウム酸化物を還元するための熱還元炉を含むマグネシウム製造装置において、
    前記熱還元炉はフェロニッケルスラグからマグネシウムを蒸気化し、前記溶融還元炉のフェロシリコンスラグが前記熱還元炉の還元補助剤として投入されることを特徴とするマグネシウム製造装置。
  8. 前記フェロシリコンスラグは前記マグネシウム酸化物の還元のための酸化カルシウム成分の供給源として作用することを特徴とする請求項７に記載のマグネシウム製造装置。
  9. 前記溶融還元炉はコークス炉または電気炉であることを特徴とする請求項７に記載のフェロシリコン製造装置。
  10. 前記溶融還元炉は溶融炉及び前記溶融炉と第１湯道が連結される還元炉を含むことを特徴とする請求項７に記載のフェロシリコン製造装置。
  11. 前記還元炉は微粉炭を投入するためのバルブ装置を備えることを特徴とする請求項７に記載のフェロシリコン製造装置。
  12. 前記還元炉は底面から溶融されたフェロシリコンを回収するために、高さの異なる少なくとも第２湯道及び第３湯道を備えることを特徴とする請求項７に記載のフェロシリコン製造装置。
  13. 前記熱還元炉のマグネシウムスラグが前記溶融還元炉に循環されることを特徴とする請求項７に記載のマグネシウム製造装置。
  14. マグネシウム製造の副産物であるマグネシウムスラグと鉄鉱石を原料としてフェロシリコンを還元する溶融還元炉において、
    前記溶融還元炉は溶融炉及び還元炉を含み、前記溶融炉と還元炉はフェロシリコン溶液を移送するための第１湯道を通じて連結されることを特徴とする溶融還元炉。
  15. 前記還元炉はフェロシリコン溶液の排出のために、底面から位置の異なる第２湯道及び第３湯道を含むことを特徴とする請求項１４に記載の溶融還元炉。
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