KR101209710B1 - 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법 - Google Patents

실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경적으로 재활용이 가능하고, 경제성도 향상될 수 있는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법은 중량%로 MnO : 5~30, SiO2 : 30~60, Al2O3 : 10~30, CaO : 10~30, MgO : 5~20 및 나머지는 Fe(철) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 조성을 가지고 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그 및 MnO 환원제가 전기로 제강공정 중 전기로 출강시 용강에 투입되어 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그에 포함된 Mn 및 Si를 포함하는 합금원소가 상기 용강에 환원 회수되도록 한다.

Description

실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법{steelmaking method recycling of SiMn slag}
본 발명은 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 친환경적으로 재활용이 가능하고, 경제성도 향상될 수 있는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법에 관한 것이다.
일반적으로, 제강과 주강(鑄鋼)시에는 강 내의 불순물에 작용해서 이러한 불순물들을 강에서 분리, 또는 무해한 것으로 만드는 청정용(탈유, 탈산 및 탈가스용 등)의 기능을 위한 합금철이 사용되고 있다.
그리고, 이러한 합금철로는 페로망간, 실리콘망간, 페로실리콘을 들 수 있다.
그러나, 이러한 합금철의 특성은 고가인데다가 가격 변동폭이 크기 때문에, 철강산업이 호황일 때는 가격도 높아지게 되면서 공급에 어려움을 겪게 되고, 이에 따라 생산에도 차질이 생기는 문제점이 있다.
더욱이, 이러한 이유로 선진 철강국들은 합금철 공장을 자체운영하고 있으나 우리나라는 철강업체와 독립적인 관계로 상호 발전하여 왔기 때문에, 이러한 문제점이 단기간에 극복되기는 어려울 것으로 예상된다.
한편, 실리콘망간 합금철의 제조시에 발생되는 슬래그는 성토(盛土) 및 복토(覆土)용 등으로 사용되거나 폐기되고 있다.
그러나, 이러한 실리콘망간 합금철의 제조시에 발생되는 슬래그에는 철강재의 함유 성분으로 사용될 수 있는 성분이 함유되어 있다.
따라서, 상기 실리콘망간 합금철의 제조시에 발생되는 슬래그를 제강공정 중에, 특히, 전기로 제강공정에 재활용하여 유가금속을 회수함으로써 봉?형강류 탄소강을 제조하는데 활용할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 친환경적으로 재활용이 가능하고, 경제성도 향상될 수 있는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 중량%로 MnO : 5~30, SiO2 : 30~60, Al2O3 : 10~30, CaO : 10~30, MgO : 5~20 및 나머지는 Fe(철) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 조성을 가지고 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그 및 MnO 환원제가 전기로 제강공정 중 전기로 출강시 용강에 투입되어 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그에 포함된 Mn 및 Si를 포함하는 합금원소가 상기 용강에 환원 회수되도록 하는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법을 제공한다.
여기서, 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그는 상기 전기로 출강시 또는 레이들로(ladle furnace) 정련시에 용강에 투입됨이 바람직하다.
그리고, 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그는 상기 용강 대비 중량비로 0.01~5.00%가 투입됨이 바람직하다.
또한, 상기 MnO 환원제로는 알루미늄 드로스(Dross), FeSi 및 SiC가 하나 이상이 사용됨이 바람직하다.
그리고, 상기 MnO 환원제는 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그 사용량 대비 중량비로 1~30%가 사용됨이 바람직하다.
또한, 상기 전기로의 출강시 생성되는 슬래그는 중량%로 SiO2 : 20~40, Al2O3 : 10~30, CaO : 20~40, MgO : 5~20%및 나머지는 Fe 및 불순물로 구성되는 조성을 가지도록 제조됨이 바람직하다.
본 발명에 따른 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 전기로 제강공정 중에 재활용함으로써 고가의 페로망간을 포함하는 망간 합금철을 대체할 수 있기 때문에, 가격인상 및 수급여건 악화시에 이러한 망간 합금철 사용량의 일부를 대체함으로써 경제성이 향상될 수 있다.
둘째, 성토 및 복토용으로 사용되거나 폐기 처리되고 있는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하여 희소금속 및 유가금속을 회수함으로써 강을 제조할 수 있기 때문에 친환경적이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법의 공정을 나타낸 공정흐름도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법에서 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그의 CaO-MnOx-SiO2 상태도.
상기의 기술적 과제를 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법의 공정을 나타낸 공정흐름도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법에서는 고철인 철스크랩(10)이 전기로(20)로 옮겨지게 되면, 상기 전기로(20)에서는 전기를 이용해 상기 철스크랩(10)을 녹이는 제강이 이루어지게 된다.
그리고, 상기 전기로(20)에서 용해된 쇳물은 출강되어 레이들로(ladle furnace)(30)로 옮겨지게 되는데, 여기서 상기 쇳물의 화학성분이 조절되고 유황 등과 같은 불순원소가 제거되는 정련이 이루어지게 된다.
이후, 상기 레이들로(30)에서 정련된 쇳물은 연속주조(40)를 통해 판재, 형강 및 봉강 등으로 만들어지게 된다.
여기서, 상기 전기로(20)의 출강시 또는 상기 레이들로(30)의 정련시에는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50)가 투입됨이 바람직하다.
즉, 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50)는 상기 전기로(20)의 출강시 또는 상기 레이들로(30)의 정련시 중 어느 한 시기에 선택적으로 투입될 수 있으며, 이러한 투입은 현장 공정 등의 상황 및 조건 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
여기서, 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50)는 중량%로 MnO : 5~30, SiO2 : 30~60, Al2O3 : 10~30, CaO : 10~30, MgO : 5~20 및 나머지는 Fe(철) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 조성을 가지고 이루어짐이 바람직하다.
한편, 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50)를 전기로 제강공정 중에 재활용하기 위해서는 상기 전기로 출강시 제조되는 슬래그의 조성을 적정하게 맞추는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 전기로 출강시 생성되는 슬래그는 중량%로 SiO2 : 20~40, Al2O3 : 10~30, CaO : 20~40, MgO : 5~20% 및 나머지는 Fe 및 불순물로 구성되는 조성을 가지도록 제조됨이 바람직하다.
이를 통해, 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50)를 투입하였을 경우 혼합된 슬래그의 용융과 적정한 유동성이 확보될 수 있고, 상기 레이들로(30)의 정련과정에서 탈황 반응의 효율과 속도가 저해되지 않을 수 된다.
뿐만 아니라, 투입된 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50) 중 P 및 S 등의 불순물이 쇳물로 유입되는 정도가 낮아질 수 있으며, 동시에 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50) 중의 MnO 및 SiO2와 같은 합금원소가 충분히 환원될 수 있게 된다.
그리고 이때, 상기 전기로(20) 출강시 또는 상기 레이들로(30) 정련시에 투입되는 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50)는 상기 전기로(20) 출강시 또는 상기 레이들로(30) 정련시 용강(molten steel) 대비 중량비로 0.01~5.00% 범위로 투입됨이 바람직하다.
그리고, 상기 전기로(20) 출강시 또는 상기 레이들로(30) 정련시에 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(50)가 투입될 때, MnO 환원제가 더 투입됨이 바람직하다.
여기서, 상기 MnO 환원제로는 Mn보다 산소친화도가 높은 저가 알루미늄 드로스(dross), FeSi 및 SiC가 하나 이상이 사용될 수 있다.
또한, 상기 MnO 환원제는 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그의 사용량 대비 중량비로 1~30%가 사용됨이 바람직하다.
그리고, 상기 레이들로(30)의 온도는 1500~1680℃로 승온되고, 아르곤 또는 질소와 같은 교반가스가 저부에서 취입됨이 바람직하다.
이를 통해, 상기 레이들로(30)에서 환원반응의 촉진이 유도될 수 있게 된다.
상기와 같은 공정 중 Mn 및 Si 등이 회수되는 주된 반응식은 환원제 Al 1mole 기준으로 다음과 같다.
(3/2)(MnO) + [Al] = (3/2)[Mn] + (1/2)(Al2O3) --------- (1)
3(SiO2) + [Al] = (3/2)[Si] + (1/2)(Al2O3) --------- (2)
위 반응과 같은 MnO의 환원반응이 진행되기 위해서는 전술한 바와 같이 전기로 출강시 생성되는 슬래그의 조성은 중량%로 SiO2 : 20~40, Al2O3 : 10~30, CaO : 20~40, MgO : 5~20 및 나머지는 Fe 및 불순물로 구성되도록 조성이 제어됨이 바람직하다.
그리고, 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그가 용강 대비 중량비로 0.01~5.00% 투입되고, 이때, 염기도는 0.5~2.0을 갖도록 함이 바람직하다.
또한, 상기 MnO 환원제로서 저가 알루미늄 드로스, FeSi 및 SiC가 하나 이상이 실리콘망간 합금철 슬래그 사용량 대비 중량비로 1~30% 사용됨이 바람직하다.
그리고, 상기 레이들로의 온도를 1500~1680℃로 승온 시키면서 교반 가스가 취입되도록 함이 바람직하며, 이를 통해, MnO의 환원반응 효율이 더욱 향상될 수 있다.
[실시예]
이하에서는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 전기로 제강공정 중에 재활용시 Mn, Si 환원 회수 효과를 검증하기 위해 실시된 실시예를 설명한다.
먼저, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 전기로 제강공정 중에 재활용시 Mn, Si 환원 회수 효과를 검증하기 위하여 Metal(금속)/Slag(슬래그)간 평형 반응 실험과 Metal 및 Slag의 성분변화 분석을 통해 효과를 검증하였다.
그리고, 전기로 출강시 제조된 슬래그의 조성, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그의 조성 및 레이들로 출강시 제조되는 슬래그(실험 후 형성된 슬래그)를 채취하여 XRF로 분석하였으며, 그 결과를 표 1에 정리하였다.
이때, 실험은 Al65와 Al17을 MnO 환원제로 사용하였으며, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그 대비 중량비로 Al65는 5%와 10%, Al17은 중량비로 10%, 20%를 투입하여 실험하였다.
그리고, 도 2는 발명의 일실시예에 따른 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법에서 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그의 CaO-MnOx-SiO2 상태도인데, 도 2에서 보는 바와 같이, 실험에 사용된 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그의 융점은 1300~1450℃ 이였으며, 실험온도는 1560℃ 조건으로 동일하게 실시하였다.
(단위:중량%)
성분 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그 전기로 출강시 제조되는 슬래그 레이들로 출강시 제조되는 슬래그
SiO2 41.11 32.52 33.57
Al2O3 19.25 14.29 15.71
CaO 17.80 26.96 27.25
MnO 10.68 8.44 7.58
MgO 4.92 14.13 12.99
Fe2O3 0.71 2.02 1.03
C/S 0.43 0.82 0.81
표 1에서 보는 바와 같이, 레이들로 출강시 제조되는 슬래그 중의 SiO2, Al2O3 및 CaO와 같은 합금원소는 전기로 출강시 제조되는 슬래그 중의 SiO2, Al2O3 및 CaO와 같은 합금원소보다 증가되었다.
또한, 전기로 출강시 제조되는 슬래그와 레이들로 출강시 제조되는 슬래그에서의 C/S(CaO/SiO2)값의 변화가 0.82에서 0.81로 거의 변화가 없었다.
이를 통해, 전기로 출강시 제조되는 슬래그에 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그가 투입되더라도 염기도 변화가 거의 없음을 알 수 있으며, 이로부터, 침식이 적게 발생될 수 있게 된다.
그리고, Al65와 Al17을 환원제로 사용하여 실험 종료 후 금속시편을 채취하여 분광 분석하였으며, 그 결과를 표 2와 표 3에 각각 나타내었다.
(단위:중량%)
구분 C Si Mn P S Al 비고
비교예 0.23~0.26 0.16~0.19 0.50~0.51 0.0210 0.0300 0.0020 실험전
실시예1 0.33 0.442 0.681 0.0226 0.0467 0.0019
Al65 10%
실시예2 0.42 0.544 0.751 0.0225 0.0435 0.0020
실시예3 0.35 0.521 0.725 0.0223 0.0445 0.0018
실시예4 0.48 0.367 0.671 0.0257 0.0322 0.0022
Al65 5%
실시예5 0.37 0.392 0.670 0.0228 0.0388 0.0019
실시예6 0.38 0.365 0.685 0.0230 0.0354 0.0020
표 2에서 보는 바와 같이, Al65를 환원제로 사용하였을 때, 실시예 1 내지 6에와 같이 용강으로 회수된 Mn 및 Si의 양은 비교예(실험전)의 Mn 및 Si의 양보다 각각 증가했음을 알 수 있다.
이를 통해, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그로부터 Mn 및 Si가 용강으로 환원 회수되었음을 알 수 있다.
(단위:중량%)
구분 C Si Mn P S Al 비고
비교예 0.23~0.26 0.16~0.19 0.50~0.51 0.0200 0.0290 0.0020 실험전
실시예1 0.44 0.381 0.640 0.0201 0.0397 0.0016
Al17 20%
실시예2 0.40 0.365 0.695 0.0221 0.0402 0.0018
실시예3 0.38 0.361 0.675 0.0198 0.0415 0.0018
실시예4 0.33 0.264 0.619 0.0201 0.0281 0.0016
Al17 10%
실시예5 0.32 0.302 0.630 0.0223 0.0312 0.0019
실시예6 0.35 0.315 0.675 0.0216 0.0330 0.0020
또한, 표 3에서 보는 바와 같이, Al17을 환원제로 사용하였을 때에도, 실시예 1 내지 6에와 같이 용강으로 회수된 Mn 및 Si의 양은 비교예(실험전)의 Mn 및 Si의 양보다 각각 증가했음을 알 수 있다.
이를 통해, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그로부터 Mn 및 Si가 용강으로 환원 회수되었음을 알 수 있다.
그리고, 실험 후 레이들로 출강시 제조되는 슬래그를 채취하여 XRF 분석하였으며, 그 결과를 표 4와 표 5에 각각 나타내었다.
(단위:중량%)
성분 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(실험전) 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
SiO2 41.11 33.63 34.14 33.14 33.26 32.12 32.21
Al2O3 19.25 17.30 18.68 17.28 16.04 17.10 16.83
CaO 17.80 27.39 26.02 25.02 28.69 24.65 23.21
MnO 10.68 1.85 2.17 2.17 2.49 1.06 1.06
MgO 4.92 9.49 9.72 10.72 9.67 10.08 9.28
Fe2O3 0.71 1.05 1.00 1.00 0.48 0.64 0.64
환원제 사용량 Al65 10% Al65 5%
표 4에서 보는 바와 같이, Al65 10%의 환원제를 사용하였을 때, 실시예 1 내지 6에와 같이 실험후 레이들로 출강시 제조되는 슬래그의 SiO2, Al2O3 및 MnO의 양은 실험전 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그의 SiO2, Al2O3 및 MnO의 양보다 적음을 알 수 있다.
(단위:중량%)
성분 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그(실험전) 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
SiO2 41.11 31.85 30.99 33.85 34.43 29.97 32.43
Al2O3 19.25 16.70 16.80 17.53 14.25 15.68 16.25
CaO 17.80 24.15 24.39 23.34 29.13 26.75 27.13
MnO 10.68 1.63 1.77 1.63 2.38 2.69 2.38
MgO 4.92 8.17 8.58 9.17 9.48 9.47 10.54
Fe2O3 0.71 0.27 0.22 0.27 0.26 0.27 0.26
환원제 사용량 Al17 20% Al17 10%
그리고, 표 4에서 보는 바와 같이, Al65 10%의 환원제를 사용하였을 때에도, 실시예 1 내지 6에와 같이 실험후 레이들로 출강시 제조되는 슬래그의 SiO2, Al2O3 및 MnO의 양은 실험전 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그의 SiO2, Al2O3 및 MnO의 양보다 적음을 알 수 있다.
이를 통해, 실험전 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그에 함유된 Mn 및 Si가 용강 중으로 충분히 환원 회수되었음을 알 수 있다.
이처럼, 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 전기로 제강공정 중에 재활용함으로써 망간 합금철의 가격인상 및 수급여건 악화시 망간 합금철 사용량의 일부를 대체할 수 있어 경제성이 향상될 수 있으며, 폐기 처리되고 있는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용할 수 있어 친환경 공정기술로도 가치가 크다고 하겠다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
20: 전기로 30: 레이들로
50: 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그

Claims (6)

  1. 중량%로 MnO : 5~30, SiO2 : 30~60, Al2O3 : 10~30, CaO : 10~30, MgO : 5~20 및 나머지는 Fe(철) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 조성을 가지고 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그 및 MnO 환원제가 전기로 제강공정 중 전기로 출강시 용강에 투입되어 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그에 포함된 Mn 및 Si를 포함하는 합금원소가 상기 용강에 환원 회수되도록 하는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그는 상기 전기로 출강시 또는 레이들로(ladle furnace) 정련시에 용강에 투입됨을 특징으로 하는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그는 상기 용강 대비 중량비로 0.01~5.00%가 투입됨을 특징으로 하는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 MnO 환원제로는 알루미늄 드로스(Dross), FeSi 및 SiC가 하나 이상이 사용됨을 특징으로 하는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 MnO 환원제는 상기 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그 사용량 대비 중량비로 1~30%가 사용됨을 특징으로 하는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기로의 출강시 생성되는 슬래그는 중량%로 SiO2 : 20~40, Al2O3 : 10~30, CaO : 20~40, MgO : 5~20%및 나머지는 Fe 및 불순물로 구성되는 조성을 가지도록 제조됨을 특징으로 하는 실리콘망간 합금철 제조시 발생된 슬래그를 재활용하는 제강방법.
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