KR100334129B1 - 전기분해에 의한 철 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기분해에 의한 철 제조방법에 관한 것으로서, 이온 용액 상태의 용융 칼슘 페라이트 복합산화물을 전해질로 사용하여 전기분해하는 단계 및 상기 칼슘 페라이트 복합산화물에 함유되어 있는 철이온이 캐소드에서 고체철로 환원되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 전기분해에 의해 철을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 칼슘 페라이트(calcium-ferrite)계 용융 복합산화물을 전기분해하여 철을 제조하는 방법에 관한 것이다.
철은 지구상에서 금속으로서는 알루미늄 다음으로 다량 존재하는 원소로서 화합물 형태로 토양, 암석, 광물 속에 예외없이 들어 있는 원소이다. 주요 광물로는 적철광, 자철광, 황철광, 능철광이 있다. 적철광과 자철광은 그대로, 황철광은 배소한 다음 코크스 및 석회석과 함께 용광로에 넣고 열풍을 보내어 코크스를 연소시켜 철을 뽑아낸다. 이렇게 하여 얻어지는 고탄소철인 선철은 적당한 조작에 의해강철 및 단철로 만들어진다.
한편, 순 철은 백색, 광택있는 금속으로서 전성 및 연성이 풍부하고 강자성을 가지며, 전기분해에 의하거나 또는 순산화철을 수소로써 환원시키거나 또는 철카보닐을 분해하여 얻을 수 있다.
그러나, 철강을 생산하는 제철산업은 다량의 에너지를 소비하는 산업임과 동시에 탄산가스를 대량으로 배출하는 산업이다. 따라서 지구온난화의 방지와 에너지 절약의 관점에서 보다 개선된 철 제조방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 칼슘 페라이트를 주성분으로 하는 용융복합산화물을 철의 융점보다 낮은 온도에서 전기분해하여 철을 제조함으로써, 에너지 소비량과 탄산가스 발생량을 현격히 감소시킬 수 있는 공정으로, 연속적인 철괴의 제조가 가능한 철 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 칼슘-페라이트계 복합산화물(CaO-FeO-Fe2O3)의 평형 상태도이다.
도 2는 FeO의 전기분해에 필요한 분해전압을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 방법을 실시하기 위한 장치의 일실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 이온 용액 상태의 용융 칼슘 페라이트 복합산화물을 전해질로 사용하여 전기분해하는 단계 및 상기 칼슘 페라이트 복합산화물에 함유되어 있는 철이온이 캐소드에서 철로 환원되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해에 의한 철 제조방법을 제공한다.
상기 칼슘 페라이트 복합산화물은 CaO-FeO-Fe2O3인 것이 바람직하다.
상기 전기 분해반응은 1200℃ 내지 1535℃(철의 융점)에서 실시되어 고체 철이 제조되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전기분해반응에 의하여 생성되는 고체 철을 캐소드 재료로 하여 괴상의 고체 철을 연속적으로 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전기 분해반응의 애노드 재료로서 우스타이트(FeO) 또는 페라이트(Fe2O3)를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전기 분해반응의 애노드 재료로서 탄소를 사용할 수 있다.
상기 전해질은 Al2O3, SiO2, MgO, TiO2또는 MnO를 불순물 또는 첨가물로서 더 포함할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
칼슘-페라이트계 복합산화물(CaO-FeO-Fe2O3)은 이온용액으로서, 1200 내지 1300℃에서 넓은 액상 영역을 가지며, 도 1에 도시된 바와 같이 산소포텐샬을 충분히 낮추면 고체 철이 석출하는 2상 공존영역이 존재한다(도 1의 A).
산소 포텐샬을 낮추는 공정, 즉 환원 공정은 탄소, 수소 등 환원제를 사용하는 화학적 방법과 전기분해에 의한 전기화학적 방법을 생각할 수 있다. 본 발명에서는 이온용액으로 존재하는 철함유 칼슘-페라이트계 용융 복합 산화물을 전해질로하여 전기분해함으로써 철을 생산하는 방법을 제공한다.
철을 함유하는 용융복합 산화물의 이온용액을 전기분해하면 환원반응과 산화반응이 각각 하기 반응식 1 및 2와 같이 진행된다.
전기분해 반응온도를 1200℃ 내지 1535℃(철의 융점)로 하여, 상기 반응식 1에서 생성되는 고체 철을 환원반응 전극, 즉 캐소드로 이용하게 되면 고체 철을 철괴의 형태로 연속적으로 얻는 것도 가능하다.
따라서, 상기 반응식 1 및 2의 반응식에 의해 진행되는 전기화학적 환원반응 및 산화반응을 총괄적으로 나타내면 하기 반응식 3과 같다.
△G°= 263,700 - 64.35T (joules)
상기 반응식 3의 분해반응에 필요한 열역학적 평형 포텐샬(E)는 네른스트식(Nernst equation)에 의해 구할 수 있으며, 이를 FeO의 활동도 및 온도의 함수로서 표시하면 도 2의 그래프로 나타낼 수 있다. 즉, 도 2는 온도 및 FeO의 활동도에 따른 FeO 전기분해에 필요한 전압(V)의 변화를 나타낸다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, FeO를 반응식 1 및 2, 또는 반응식 3에 따라 분해하여 철을 생산하는데 필요한 분해전압은 칼슘-페라이트 내의 FeO 활동도 및 온도에 따라 변하지만, 분해전압의 범위 0.8 내지 1.2V로 1,200 내지 1,500℃의 온도범위와 0.01 내지 1(즉, log값은 -2 내지 0)의 FeO 활동도 범위를 커버할 수있다.
반면, FeO와 공존하는 CaO는 하기 반응식 4로부터 알 수 있는 바와 같이 분해 가능성이 거의 없다.
△G°= 640,000 - 108.6T (joules)
E°= 2.3 내지 2.5V(온도범위 1200-1500℃)
전기 분해 반응의 생산성은 전류밀도에 비례한다. 한편, 전류밀도는 전해질 내에서 전기분해에 관여하는 이온의 농도에 비례한다. 즉, 전류밀도는 전해질의 농도에 비례하게 된다. 그러므로, 본 발명의 경우 철의 생산성은 용융 칼슘 페라이트내의 FeO 의 농도에 비례하게 된다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 칼슘 페라이트 용액과 고체철이 공존하는 영역(A)에서는 FeO 농도가 60% 이상으로 높기 때문에 전류밀도를 높일 수 있어 생산성이 향상될 수 있다.
도 3은 칼슘 페라이트를 전기분해하여 고체 철을 생산하는 본 발명의 방법을 실시하기 위한 장치의 개략적인 구조를 도시한다.
도 3의 장치에 의하면, 칼슘-페라이트계 전해질(10)은 내화물 용기(20)내에 담기며, 전력공급장치(30)에 연결되어 전압을 인가하는 애노드(40)와 캐소드(50)는 용기(20)내의 전해질과 접촉된다.
전력공급장치(30)에 의해 애노드(40) 및 캐소드(50)에 전압을 인가하면, 캐소드(50)에서는 상기 반응식 1과 같은 환원반응이 일어나 철이 생산되고,애노드(40)에서 반응식 2에 의해 산소가스가 발생하게 된다.
도 3에서 철광석(60)은 반응이 진해됨에 따라 전해질로 용융되어 들어가 연속적인 고체 철의 제조가 가능하게 한다.
산화반응의 전극(즉, 애노드)으로 우스타이트(FeO) 또는 페라이트(Fe2O3)와 같은 불활성 전극을 사용하는 경우에는 CO 및 CO2와 같은 산화탄소의 발생을 완전히 방지할 수 있다. 우스타이트(FeO) 또는 페라이트(Fe2O3)는 용해되더라도 해가 되지 않으며, 또한 고온에서 전기전도도가 크기 때문에 불활성 전극으로 사용하는 것이 가능하다. 특히, 우스타이트는 1,300℃에서 약 80Ω-1㎝-1의 전기전도도를 가진다.
만일, 산화반응이 일어나는 애노드 전극의 재질이 탄소인 경우에는 하기 반응식 5 및 6과 같은 산화반응이 일어난다.
그러나, 산화반응의 전극(애노드)으로 탄소를 사용하면 불활성 전극을 사용할 때보다 분해전압을 더욱 낮추는 것이 가능하다는 장점이 있다. 즉, 상기 반응식 1과 5로부터 하기 반응식 7을 얻을 수 있다.
△G°= 149,300 - 150.12T (joules)
E°= (-0.37) 내지 (-0.61)V(온도범위 1200-1500℃)
상기 식에서는 표준 구동력(E°)이 음수이므로 반응식 7의 반응은 외부 구동력 없이, 즉 분해전압이 인가되지 않더라도 저절로 진행되는 반응이다. 따라서, 애노드 재료를 탄소로 하는 경우에는 불활성 전극에 비해 반응 촉진을 위한 분해전압을 낮출 수 있는 장점 즉, 전기에너지 소요량을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
환원반응에 의해 고체철이 생성되는 캐소드(50)에 있어서, 생성되는 고체 철 자체를 캐소드로 사용하게 되면 환원반응에 의해 석출되는 철 성분이 캐소드로 사용된 고체철에 흡착되어 고체 철을 괴상으로 얻을 수 있다.
본 발명의 방법에 의하면, 에너지 소비량과 탄산가스 발생량을 현격히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 용융 칼슘 페라이트계 전해질내의 FeO 농도가 60%이상으로 높기 때문에 전류밀도가 상승되므로 철의 생산성이 향상되며, 전기분해반응을 철의 융점이하에서 실시하여 제조되는 고체 철을 캐소드로 사용하면 철괴의 연속적인 제조가 가능하다는 장점이 있다.
Claims (7)
- 이온 용액 상태의 용융 칼슘 페라이트 복합산화물을 전해질로 사용하여 전기분해하는 단계 및 상기 칼슘 페라이트 복합산화물에 함유되어 있는 철이온이 캐소드에서 철로 환원되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해에 의한 철 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 칼슘-페라이트계 복합산화물이 CaO-FeO-Fe2O3인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전기 분해반응이 1200℃ 내지 1535℃(철의 융점)에서 실시되어 고체 철이 제조되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 전기분해반응에 의하여 생성되는 고체 철을 캐소드 재료로 하여 괴상의 고체 철을 연속적으로 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 분해반응의 애노드 재료로서 우스타이트(FeO) 또는 페라이트(Fe2O3)를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 분해반응의 애노드 재료로서 탄소를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질이 Al2O3, SiO2, MgO,TiO2또는 MnO를 첨가물로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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