KR101175422B1 - 슬래그의 유가금속 회수방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 슬래그의 유가금속 회수방법에 관한 것이다. 본 발명은 파쇄한 슬래그에 자장을 단계적으로 부여하여 슬래그에 포함된 자성체를 분리하는 단계와; 상기 분리된 자성체에 환원제를 투입하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 자장을 이용하여 슬래그에 포함된 철을 50% 이상 회수하므로 매립되는 슬래그양을 감소시킬 뿐 아니라 유가금속인 Fe을 재사용할 수 있어 비용측면에서 효율적인 이점이 있다.
슬래그, 유가금속, 자성

Description

슬래그의 유가금속 회수방법{Method for recovering valuable metals from slag}
본 발명은 슬래그의 유가금속 회수방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전로 또는 전기로 등 제강공정에서 발생하는 슬래그에 포함된 유가금속을 자성에 의해 회수하는 슬래그의 유가금속 회수방법에 관한 것이다.
슬래그는 철강제련공정에서 필연적으로 발생하는 생성물이다. 슬래그는 제선과정에서 철광석이나 코크스의 맥석 성분에서, 제강과정에서는 용선 또는 용강의 산화와 탈산시 생성되는 산화물 또는 정련을 목적으로 첨가되는 부원료 등에 의해 필연적으로 생성된다.
슬래그는 SiO2와 CaO를 기본계로 하여 정련반응의 종류에 따라 SiO2, Al2O3, FeO, MgO, P2O5 및 CaS 등을 포함한다.
제선 슬래그는 CaO-SiO2-Al2O3를 기본계로 하고 있고, 용선 또는 용강의 산화반응에 기초하는 제강슬래그는 CaO-SiO2-FeO를 기본계로 하고 있다.
본 발명의 목적은 자성의 특성을 이용하여 철강제련공정에서 필연적으로 발생하는 생성물인 슬래그에 포함된 철과 같은 유가금속을 효율적으로 분리할 수 있도록 한 슬래그의 유가금속 회수방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 파쇄한 슬래그에 자장을 단계적으로 부여하여 슬래그에 포함된 자성체를 분리하는 단계와; 상기 분리된 자성체에 환원제를 투입하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함한다.
환원기 조업전 전로 또는 전기로의 용융 슬래그를 슬래그 포트 내로 배출하고 환원제를 투입하여 상기 용융 슬래그에 포함된 유가금속을 회수하는 단계와, 상기 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 냉각하여 고상 슬래그로 형성한 후 파쇄하는 단계와, 파쇄한 슬래그에 자장을 단계적으로 부여하여 슬래그에 포함된 자성체를 분리하는 단계와, 상기 분리된 자성체에 환원제를 투입하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함한다.
상기 자성체는 Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4를 포함한다.
상기 자장은 100G~1000G 범위로 부여한다.
상기 환원제는 탄소, 알루미늄, 실리콘, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, CO가스 중 선택된 1종 이상이다.
상기 파쇄한 슬래그의 입도는 100mm이하이다.
상기 냉각은 5~50℃/sec의 냉각속도로 수행한다.
본 발명에 의하면, 파쇄한 슬래그에 자장을 부여하여 Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4를 단계적으로 분리하고 회수함에 의해 유가금속인 Fe을 회수한다. 이는 매립으로 폐기되는 슬래그 중의 유가금속을 효율적으로 회수할 수 있는 효과가 있다.
특히, 회수된 Fe은 순도가 95% 이상이므로 재사용시 제강원료로 재활용이 가능하다. 따라서 비용 측면에서 효율적이고 자연환경을 보전하는 효과도 있다.
이하 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 슬래그의 유가금속 회수방법은, 파쇄한 슬래그에 자장을 단계적으로 부여하여 슬래그에 포함된 자성체를 분리한 후, 분리된 자성체에 환원제를 투입하여 유가금속을 회수하는 방법이다.
전로 또는 전기로 등에서 생성되는 슬래그는 FeO와 같은 유가금속 산화물을 다량 함유하고 있다.
제강공정 중 분석한 제강 슬래그의 화학조성은 아래의 표 1과 같다.
(단위: wt%)
구분 SiO2 AL2O3 T.Fe CaO MgO MnO P2O5 T/S CaO/SiO2
전기로
용락		 18.30 11.11 22.36 20.12 8.41 5.81 0.241 0.123 1.11
전기로
산화정련 말기		 19.29 11.39 19.02 22.12 8.61 6.28 0.213 0.100 1.14
LF도착 26.59 8.03 1.88 37.95 16.18 4.64 0.033 0.332 1.44
LF출강 26.44 6.92 0.58 48.05 13.18 0.84 0.024 0.785 1.83
전로 또는 전기로에서 발생되는 제강 슬래그에는 20% 이상의 유가금속 산화물이 함유되어 있고, 그 중에서도 전기로의 초기 슬래그에는 30% 이상의 유가금속 산화물이 함유되어 있다.
그럼에도 불구하고, 현재까지 슬래그는 별도의 재활용 용도를 찾기 어려워 단순 매립하거나 도로용 노반재 등의 저부가가치 제품으로만 활용되고 있다.
이에, 전로 또는 전기로 등에서 발생하는 슬래그에 포함된 유가금속을 회수하는 방법을 제공한다.
설명의 편의를 위해 전기로에서 생성되는 슬래그를 예로 들어 설명하기로 한다.
전기로의 슬래그의 배출은 산화정련이 완료되고 환원정련이 진행되기 전 즉, 환원기 조업전 전극을 상승시켜 통전을 중지하고 수행한다. 슬래그는 전기로를 기울이거나, 도어(Door)가 있는 경우 도어를 개방하여 슬래그 포트 내로 배출한다.
환원정련이 진행되면 슬래그 중 금속 산화물이 감소되면서 슬래그의 유동성이 악화되므로 슬래그 배출이 곤란하다. 따라서 슬래그 배출시기의 선택이 중요하다.
슬래그 포트 내로 배출된 슬래그는 야적장에서 수냉 또는 공냉 처리하여 고상의 슬래그로 만든 후 파쇄한다. 파쇄는 굵은 입자에서 가는 입자로 단계적으로 파쇄한다.
파쇄한 슬래그는 입도가 작을수록 자선이 용이하나 비용 문제를 고려하여 입도 범위를 결정해야 한다. 선별된 슬래그에 자장을 단계적으로 부여한다. 자장은 100G ~ 1000G 범위로 부여한다. G(Gauss)는 자장의 세기를 나타내는 단위이다.
자장은 슬래그에 포함된 자성체인 Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4를 단계적으로 분리하기 위한 것이다.
Fe의 경우 100G의 자장에 회수되고, 자장의 세기를 점차적으로 증가시키면 FeO, Fe2O3, Fe3O4의 금속화합물이 단계적으로 회수된다. 하지만 자장이 더욱 강해지면 상술한 자성체 이외에 CaAl2SiO7, CaMgSiO4 등의 화합물 혼입이 많아지므로 회수된 자성체의 품위를 낮추게 된다. 이에 따라 자장이 1000G를 초과하지 않도록 한다. 그리고, 100G는 자성체를 분리할 수 있는 최소 자장 세기에 해당된다.
이때, 회수된 자성체는 입도가 100mm이하이므로 일부 비자성체 원소가 포함되어도 큰 문제가 되지는 않는다.
회수된 자성체(Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4)는 각각 용융시킨 후 환원제를 투입하여 유가금속 즉, Fe을 회수한다. 환원제는 탄소, 알루미늄, 실리콘, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, CO가스 중 선택된 1종 이상일 수 있다. 환원제는 이동가스(공기)를 이용해서 투입 가능하다.
Al의 경우 슬래그 1ton당 10~50kg이 투입될 수 있다. Al의 투입량은 조업 조건에 따라 Al 실수율을 50~100%로 설정한 값이다.
Al의 투입량은 아래의 반응식에 의해 산출할 수 있다.
<반응식> 3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3---187.1kcal
그리고, 용융 자성체(Fe2O3)의 경우는 <반응식> Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 반응식에 의해 Al의 투입량을 산출할 수 있다.
한편, 본 발명의 슬래그의 유가금속 회수방법의 다른 실시예를 제공한다.
이는 슬래그는 Fe의 함량이 높으면 입자가 조립이라도 강도와 전성이 커 파쇄가 용이하지 않은 점을 보완하기 위한 것이다.
슬래그의 유가금속 회수방법은 환원기 조업전 전로 또는 전기로의 용융 슬래그를 슬래그 포트 내로 배출하고 환원제를 투입하여 상기 용융 슬래그에 포함된 유가금속을 회수한 후, 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 냉각하여 고상 슬래그로 형성한 후 파쇄한다.
이 후, 파쇄한 슬래그에 자장을 단계적으로 부여하여 슬래그에 포함된 자성체를 분리한다. 그리고, 분리된 자성체에 환원제를 투입하여 유가금속을 회수한다.
슬래그 포트 내로 투입되는 환원제는 용융 슬래그의 유가금속 산화물 중 특히 Fe 산화물을 환원시키기 위한 것이다.
환원제로는 산소와의 친화력이 큰 C와 Al 등이 사용된다. C는 슬래그 포트로부터 공급되고, Al은 슬래그 포트 내의 용융 슬래그에 직접 투입한다. Al은 반응력을 높이기 위해 가스와 함께 투입될 수도 있다.
가스는 공기(air) 또는 불활성 기체 즉, 질소와 아르곤 가스일 수 있다. 그리고 슬래그 포트의 내피는 열전도율이 높은 동판 또는 철판으로 구성한다.
C, Al은 Fe 산화물의 강력한 환원을 위해 투입된다.
용융 슬래그에 함유된 Fe의 환원은 용융 슬래그의 온도가 높고 반응속도가 높을수록 유리하다. 그런데, C에 의한 Fe의 환원반응은 흡열반응이므로 용융 슬래그의 온도를 낮춘다.
용융 슬래그는 배출시 온도가 1600℃ 정도이나 C에 의한 Fe의 환원반응과 열방산 등의 요인에 의해 배출된 후에는 용융 슬래그의 온도가 1시간당 200~300℃정도 떨어진다.
용융 슬래그를 고온으로 유지하기 위해 Al이 투입된다. Al에 의한 Fe의 환원반응식은 3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3---187.1kcal로 발열반응이다. 이 반응은 환원되면서 열을 발생하므로 테르밋 반응(Thermit reaction)이라고 한다.
Al의 투입량은 용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃로 유지하는 범위로 제어한다. 용융 슬래그의 온도는 고온일수록 Fe의 환원에 유리하나 1600℃를 초과하면 슬래그 포트의 과도한 침식이 발생할 수 있고, 1300℃ 미만이면 환원반응이 급격히 저하된다.
구체적으로 그 과정을 살펴보면, 전기로의 용융 슬래그가 슬래그 포트 내로 배출되면 슬래그 포트의 구멍을 통해 공급된 C가 환원제 역할을 하여 FeO + C → Fe + CO의 환원반응이 진행된다.
이 과정에서 용융 슬래그의 온도가 낮아질 수 있으나 이후, Al을 투입하면 3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3---187.1kcal의 발열반응에 의해 용융 슬래그의 온도가 고온으로 유지되어 환원반응이 촉진된다.
용융 슬래그의 온도를 1300~1600℃로 유지하기 위한 Al의 투입량은 슬래그 1ton당 10~50kg이다.
Al의 투입량은 조업 조건에 따라 Al 실수율을 50~100%로 설정한 값이다.
환원제 투입을 위한 용융 슬래그 중 FeO의 함량 측정은 분광계(spectro meter)를 이용하거나 습식 등의 방법을 이용할 수 있다.
환원이 완료되면 비중이 높은 Fe이 슬래그 포트 하부로 분리되고 그 상부에 용융 슬래그가 위치된다. 그러면 상부의 용융 슬래그를 별도의 포트로 배출하고 슬래그 포트에 남은 Fe은 회수한다.
이에 따라, 파쇄가 어려운 Fe이 1차적으로 회수되며, 회수율은 슬래그 중량의 20% 수준으로 높다.
이후, 포트로 배출된 용융 슬래그를 제어 냉각하여 다공질 구조의 고상 슬래그로 만든다. 다공질 구조의 고상 슬래그는 Fe의 함량이 낮아 그 구조상 큰 힘을 가하지 않고도 쉽게 파쇄될 수 있다.
제어 냉각은 용융 슬래그 내로 스팀과 가스의 혼합기체를 분사하여 이루어진다. 가스는 공기가 사용될 수 있다.
비중과 융점이 낮아진 슬래그 내로 스팀과 가스의 혼합기체를 분사하면 용융 슬래그는 내부에 기포가 생성된 상태에서 냉각되어 다공질 구조의 고상 슬래그로 된다.
스팀은 슬래그의 냉각을 위해 주입되고 가스는 스팀의 슬래그 내에 분사를 위해 주입된다. 스팀은 슬래그의 온도를 낮추면서 팽창력이 적어 냉각효율이 우수하다. 참고로 물은 팽창력이 커 폭발의 위험이 있으므로 고온의 용융 슬래그 냉각에 적용하지 않도록 한다.
냉각은 상온까지 1~50℃/sec의 냉각속도로 냉각할 수 있다. 냉각속도는 상온의 가스 및 스팀의 주입양과 압력조절에 따라 최대 최소값을 가지게 되며, 이 냉각속도에 따라 고상 슬래그의 형상, 강도, 조직 치밀도에 차이가 난다.
따라서, 냉각속도가 5~50℃/sec로 유지되게 상온의 가스 및 스팀의 주입양과 압력조절을 조절한다. 이는 고상 슬래그의 파쇄효율을 높이기 위한 것으로 냉각속도가 5℃/sec 이상일 경우 슬래그 평균입도가 50mm 이하로 파쇄효율이 높다. 그리고, 냉각속도의 상한값은 상온의 가스 및 스팀의 주입량과 압력조절에 따른 최대값을 적용한다.
제어 냉각에 의해 용융 슬래그가 다공질 구조의 고상 슬래그로 되면 파쇄, 분쇄한다. 다공질 구조의 고상 슬래그는 유가금속인 Fe의 함량이 낮고 다공질 구조로 인해 파쇄 및 분쇄가 용이하다.
파쇄 및 분쇄된 고상 슬래그의 평균입도는 50mm 이하로 균일하다.
파쇄 및 분쇄된 고상 슬래그는 입도 100mm이하만 분리하여 자장을 단계적으로 부여한다. 자장은 100G~1000G 범위로 부여한다.
자장의 세기에 따라 슬래그에 포함된 자성체인 Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4가 단계적으로 분리된다. 분리 회수된 자성체는 입도가 100mm이하이므로 일부 비자성체 원소가 포함되어도 큰 문제가 되지는 않는다.
회수된 자성체(Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4)는 환원제를 투입하여 Fe 등의 유가 금속을 회수한다. 환원제는 탄소, 알루미늄, 실리콘, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, CO가스 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
상술한 방법은 전로에서 배출된 슬래그에도 동일하게 적용될 수 있다.
아래의 표 2는 슬래그의 유가금속 회수방법에 의한 Fe의 회수율을 나타낸 것이다.
구분 슬래그
함량		 슬래그 중
FeO함량		 Fe 회수방법
 Fe 회수율 Fe순도 비고
1 1ton 100kg 파쇄(100mm)+
자장부여(100G~340G단계적 부여)
 62% 96% 발명예
2 1ton 100kg 파쇄(100mm)+
자장부여(100G부여)		 17% 98% 비교예
3 1ton 100kg 파쇄(100mm)+
자장부여(90G부여)		 0% 0% 비교예
4 1ton 100kg 파쇄(100mm)+
자장부여(100G~2000G단계적 부여)		 60% 72% 비교예
5 1ton 100kg 환원 21% 99% 비교예
6 1ton 100kg 환원+제어냉각+파쇄+자장부여 78% 97% 발명예
표 2에 도시된 바에 의하면 파쇄한 슬래그에 자장을 단계적으로 부여하는 것에서 유가금속인 Fe의 회수율이 50%를 상회함을 알 수 있다.
하지만 자장의 세기가 340G를 초과하는 경우에는 Fe의 순도가 낮아졌다. 이는 CaAl2SiO7, CaMgSiO4 등의 화합물 혼입이 많아진 때문으로 보인다. 그리고, 자장의 세기가 100G 미만인 경우에는 Fe을 회수할 수 없었다.
그리고, 환원을 통해 1차로 Fe을 회수하고 제어냉각을 통해 다공질의 고상 슬래그로 만든 후, 파쇄하고 자장을 단계적으로 부여하는 경우에는 유가금속인 Fe의 회수율이 더 높아짐을 알 수 있다.
이를 통해 매립으로 폐기되는 슬래그 중의 유가금속을 자장을 이용할 경우 효율적으로 회수할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 환원기 조업전 전로 또는 전기로의 용융 슬래그를 슬래그 포트 내로 배출하고 환원제를 투입하고, 상기 용융 슬래그의 물리화학적 조성을 제어하여 상기 용융 슬래그에 포함된 유가금속을 회수하는 단계와,
    상기 유가금속이 회수된 용융 슬래그를 냉각하여 다공질 구조의 고상 슬래그로 형성한 후 파쇄하는 단계와,
    파쇄한 슬래그에 자장을 단계적으로 부여하여 슬래그에 포함된 자성체를 분리하는 단계와,
    상기 분리된 자성체에 환원제를 투입하여 유가금속을 회수하는 단계를 포함하며,
    상기 냉각은 가스 및 스팀을 상기 유가금속이 회수된 용융 슬래그에 주입하여 5~50℃/sec의 냉각속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 슬래그의 유가금속 회수방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 자성체는 Fe, FeO, Fe2O3, Fe3O4를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그의 유가금속 회수방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 자장은 100G~1000G 범위로 부여하는 것을 특징으로 하는 슬래그의 유가금속 회수방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 환원제는 탄소, 알루미늄, 실리콘, 나트륨, 칼슘, 마그네슘, CO가스 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 슬래그의 유가금속 회수방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 파쇄한 슬래그의 입도는 100mm이하인 것을 특징으로 하는 슬래그의 유가금속 회수방법.
  7. 삭제
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