KR101225288B1 - 환원철 중 Ｍ-Ｆｅ의 분석방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환원철 중 Ｍ-Ｆｅ의 분석방법에 관한 것으로, 반응조에 환원철이 포함된 시료를 장입하고 염화제이철(FeCl₃.6H₂O)용액을 주입하여 용해하는 1차 반응단계와, 상기 1차 반응단계 후, 상기 반응조에 황산용액을 주입하여 전체 용액의 산성도를 조절하고, 산성도가 조절된 상기 반응조의 용액에 과산화망간(0.1N-KMnO₄) 표준용액을 적정하며 상기 반응조의 용액이 분홍색을 띠는 시점에서 반응을 종료하는 2차 반응단계와, 상기 2차 반응단계에서 소모된 상기 과산화망간 양으로부터 상기 시료에 포함된 M-Fe 양(%)를 산출하는 산출단계를 포함한다.
본 발명은 실험실에서 간단하게 환원철 중의 M-Fe를 분석할 수 있고 이를 통해 제강 회수율을 향상시키는데 적용할 수 있어 제강 생산성을 향상시키는데 기여할 수 있는 이점이 있다.

Description

환원철 중 Ｍ-Ｆｅ의 분석방법{M-Fe analysis method in reduced iron}

본 발명은 환원철 중 M-Fe의 분석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환원철 및 입선 스크랩 중의 M-Fe로 존재하는 철을 정량 분석하는 환원철 중 M-Fe의 분석방법에 관한 것이다.

전기로 조업은 전기에너지를 이용하여 스크랩이나 환원철과 같은 원료를 용해, 정련하여 용강을 제조하는 것이다.

전기로에서 제조된 용강은 목적하는 성분 조성 및 온도로 처리된 후 연속주조설비를 통해 응고되고 반제품 형태인 주편으로 제조된다. 그리고 제조된 주편은 압연공정을 거쳐 최종 제품 강재로 제조된다.

이와 같이, 용강을 제조하는 원료인 스크랩이나 환원철은 대기에서 Fe 산화물이 혼합되어 존재하므로 원료 속에 포함하고 있는 M-Fe의 양을 정확히 분석하는 것이 중요하다.

M-Fe는 원료 속에 포함하고 있는 메탈 Fe의 %를 의미하며, 구체적으로 산소가 붙지 않는 순철의 %를 의미한다. 이와 관련된 선행기술로는 국내등록특허 공보 0211432호가 있다.

본 발명의 목적은 인체에 유해하지 않은 화학적인 방법을 적용하되, 환원철 및 입선 스크랩 중의 M-Fe로 존재하는 철의 정량 분석을 수행하도록 염화철을 이용하여 M-Fe를 분리해내는 환원철 중 M-Fe 분석방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 반응조에 환원철이 포함된 시료를 장입하고 염화제이철(FeCl₃.6H₂O)용액을 주입하여 용해하는 1차 반응단계와, 상기 1차 반응단계 후, 상기 반응조에 황산용액을 주입하여 전체 용액의 산성도를 조절하고, 산성도가 조절된 상기 반응조의 용액에 과산화망간(0.1N-KMnO₄) 표준용액을 적정하며 상기 반응조의 용액이 분홍색을 띠는 시점에서 반응을 종료하는 2차 반응단계와, 상기 2차 반응단계에서 소모된 상기 과산화망간 표준용액 양으로부터 상기 시료에 포함된 M-Fe 양(%)를 산출하는 산출단계를 포함한다.

상기 산출단계에서 상기 시료에 포함된 M-Fe 양(%)은

식

에 의해 산출된다.

[f:0.1N-KMnO₄의 역가, 3:Fe^{3 +}이온 원자가, 시료의 무게 단위:g, 0.5585:Fe의 원자가]

상기 1차 반응단계에서, 상기 환원철이 포함된 시료는 수분을 제거한 후 분쇄하여 상기 반응조에 장입한다.

상기 1차 반응단계에서, 상기 반응조의 온도는 60~70℃로 유지한다.

상기 2차 반응단계에서, 상기 반응조에 상기 황산용액을 주입하여 생성된 침전물을 여과하여 분리한다.

상기 2차 반응단계에서, 상기 황산용액은 황산 대 물의 비율이 1:4인 황산용액과 황산 대 물의 비율이 1:1인 황산용액을 순차적으로 사용한다.

본 발명은 환원철과 염화제이철용액을 반응시키고 이때 소모된 염화제이철용액의 양으로부터 환원철 중의 M-Fe를 산출한다. 따라서 실험실에서 간단하게 환원철 중의 M-Fe를 분석할 수 있고 이를 통해 제강 회수율을 향상시키는데 적용할 수 있어 제강 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 분석 데이타의 정밀성이 우수하고 환경적으로도 안전한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 환원철 중 M-Fe의 분석방법을 보인 과정도.

이하, 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 환원철 중 M-Fe의 분석방법은, 반응조에 환원철이 포함된 시료를 장입하고 염화제이철(FeCl₃.6H₂O)용액을 주입하여 용해하는 1차 반응단계(S1)와, 1차 반응단계 후 반응조에 황산용액을 주입하여 전체 용액의 산성도를 조절하고 산성도가 조절된 반응조의 용액에 과산화망간(0.1N-KMnO₄) 표준용액을 적정하며 반응조의 용액이 분홍색을 띠는 시점에서 반응을 종료하는 2차 반응단계(S2)와, 2차 반응단계 완료 후 소모된 과산화망간 양으로부터 시료에 포함된 M-Fe 양(%)를 산출하는 산출단계(S3)를 포함한다.

상술한 환원철 중 M-Fe의 분석방법은 환원철과 염화제이철용액을 반응시켜 환원된 염화제이철용액의 Fe^{2 +} 양으로부터 환원철 중의 M-Fe를 산출하는 것을 기본원리로 한다.

1차 반응단계는 환원철이 포함된 시료(이하, '시료'라 칭함)를 염화제이철용액과 반응시키는 단계이다. 1차 반응단계에서는 에너지 포텐셜(Potential) 차이에 의해 염화제이철이 시료 중의 M-Fe를 Fe^{2 +}로 산화시키고, 자신은 Fe^{3 +}에서 Fe^{2 +}로 환원된다. 이때, 염화제이철과 M-Fe는 당량 대 당량으로 반응한다.

1차 반응단계의 반응식은 아래의 반응식 1과 같다.

[반응식 1]

M-Fe + FeCl₃ → Fe^{2 +} + FeCl₂

염화제이철용액은 인체에 무해하고 환경적으로 안전하며 분석 데이타의 정밀성도 좋다. 브롬수를 사용할 수도 있으나 브롬수는 인체에 해로운 극약으로 환경에도 치명적이다. 또한 약산을 이용한 염산 분해법의 경우에는 오차가 많아 분석의 정확성이 떨어진다.

1차 반응단계에서, 시료는 수분을 제거한 후 분쇄하여 반응조에 장입한다. 시료는 가능한 작게 분쇄할수록 표면적이 넓어져 염화제이철용액과의 반응성이 좋고 적정시 오차가 적으며 M-Fe의 분석의 정확도가 높아진다. 반응조는 플라스크(Falsk)를 채용할 수 있다.

1차 반응단계에서 염화제이철(FeCl₃.6H₂O)용액의 주입 전 시료가 장입된 반응조에 불활성 가스를 주입한다. 불활성 가스는 공기 중에 있는 산소와 철이 반응하지 않도록 하기 위한 것이다. 불활성 가스로는 질소(N), 아르곤(Ar) 등이 사용될 수 있다.

1차 반응단계에서 반응조의 온도는 60~70℃로 유지한다. 반응조의 온도는 반응 온도를 의미하는 것으로 60℃ 이상에서 염화제이철과 M-Fe의 반응이 촉진되고, 70℃ 초과에서는 철의 가수분해가 일어나 용액 전체가 뿌옇게 되므로 과산화망간 표준용액을 이용한 적정시 종말점을 분간하기 어렵다.

2차 반응단계는 1차 반응에 소모된 염화제이철용액의 Fe^{3 +} 즉, Fe^{3 +}에서 Fe^{2 +}로 환원된 Fe^{2 +}의 양을 과산화망간 표준용액으로 산화시킨다.

2차 반응단계의 반응식은 아래의 반응식 2와 같다.

[반응식 2]

5Fe^{2 +} + MnO₄ + 8H+ →Mn^{2 +} + 5Fe^{3 +} 4H₂O

2차 반응단계는 황산 산성용액에서 안정적으로 반응한다.

따라서, 1차 반응단계 완료 후 반응조에 황산용액을 주입하여 전체 용액의 산성도를 조절한다. 산성도 조절은 황산 대 물의 비율이 1:4인 황산용액(황산과 물을 1:4의 비율로 희석시킨 황산희석액)과 황산 대 물의 비율이 1:1인 황산용액(황산과 물을 1:1의 비율로 희석시킨 황산희석액)을 순차적으로 사용하여 수행한다.

1차 반응단계 완료 후 황산 대 물의 비율이 1:4인 황산용액을 반응조에 주입하여 환원성기를 차단한다. 환원성기 차단은 용액 중의 환원철과 대기 중의 산소 결합을 방지하기 위한 것이다.

황산용액의 주입시 침전물(찌꺼기)이 생성되며, 황산용액을 주입하여 생성된 침전물은 여과하여 분리한다. 여과는 5A여지 또는 이하 동등한 여지를 사용한다. 침전물은 시료에 일부 포함된 산화철이고 산화물로 존재하는 성분이다. 침전물은 산화철 분석에 사용가능하다.

침전물이 분리되고 여과된 반응조의 용액에 황산 대 물의 비율이 1:1인 황산용액을 주입하고 교반한다. 황산 대 물의 비율이 1:1인 황산용액은 용액의 산성도를 맞추기 위한 것이다.

용액의 산성도가 맞춰지면 반응조의 용액에 과산화망간 표준용액을 적정하며 반응조의 용액이 분홍색을 띠는 시점에서 반응을 종료한다. 과산화망간 표준용액은 뷰렛을 이용하여 한 방울씩 적정하며 용액이 분홍색을 띠는 시점을 반응 종말점으로 한다. 뷰렛은 길쭉한 유리관 형상으로 일측 단부에 용액의 흐름을 조절하기 위한 밸브가 달려 있어 용액이 주입된 양을 쉽게 확인할 수 있는 실험기구이다.

용액이 분홍색을 띠는 것은 염화제이철용액의 환원된 Fe^{2 +}와 과산화망간 표준용액의 산화반응이 완료되어 더 이상 반응이 진행되지 않음을 의미한다.

과산화망간 표준용액은 정량분석으로 기준용액으로 사용하기 위한 것으로, KS M 2002 표준용액 조제방법에 의해 제조한다.

과산화망간(KMnO₄)에는 햇빛에 의해 분해되어 생성된 이산화망간(MnO₂)이 존재한다. MnO₂는 KMnO₄를 분해하는 촉매 역할을 하므로 과산화망간 표준용액의 제조시 목적하는 농도에 가까운 용액을 만들고 여과하여 MnO₂를 제거한 후 역가를 측정한다. 역가는 과산화망간 표준용액 1ml 당량으로 반응하는 피적정 물질의 양으로 나타내며, 용액 조제시의 농도 오차를 방지하기 위한 것이다.

과산망간 표준용액의 종말점은 과산화망간 표준용액이 Fe^{2 +}와 반응하여 산화망간으로 다 반응된 후 남게 되는 과산화망간의 색이 분홍색인 것으로 정한다.

종말점은 적정이 끝나는 시점으로, 실험자가 정량할 물질에 대하여 당량점에 도달한 양의 적정액이 가해졌다고 판단하고 적정을 멈추는 지점을 의미한다.

2차 반응단계에서 Fe^{2 +}를 산화시키는데 소모된 과산화망간 표준용액의 양으로부터 시료에 포함된 M-Fe 양(%)을 산출한다.

시료에 포함된 M-Fe 양(%)은

식

에 의해 산출된다.

여기서, 0.1N-KMnO₄cc수는 종말점을 끝으로 용액에 주입된 과산화망간 표준용액의 cc수이고, f는 0.1N-KMnO4의 역가이며, 3은 Fe^{3 +}이온 원자이고, 0.5585는 Fe의 원자가이며, 시료의 무게 단위는 g이다.

이로부터, 환원철 또는 철광석 중에 포함된 M-Fe 분석이 가능하다. M-Fe 분석은 제철공장에서 제강 회수율을 향상시키는데 효과적이다. 또한, 인체에 유해하지 않고 환경적으로도 안전하며 분석 데이타의 정밀성도 우수할 뿐 아니라 분석 방법도 간단하다.

이러한 환원철 중 M-Fe의 분석방법은 제철공장에서 주원료로 사용하는 해면철, 입선 스크랩, 파우더, 단강괴 등 유사 원료에 M-Fe로 존재하는 철의 정량 분석에도 적용가능하다.

이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 실험방법을 통해 설명한다.

우선, 환원철이 포함된 시료를 준비하고 M-Fe의 분석을 위한 시약을 조제한다.

<시약의 조제>

염화제이철(FeCl₃.6H₂O)용액의 조제는 염화제이철 200g을 정확히 칭량하고 증류수 또는 물에 녹여 1000ml로 정용한다.

황산 대 물의 비율이 1:4인 황산용액과 황산 대 물의 비율이 1:1인 황산용액은 황산을 증류수 또는 물에 희석시켜 준비한다.

과산화망간(0.1N-KMnO₄) 표준용액은 KS M 2002 표준용액 조제방법에 따른다.

<실험>

시료를 건조기에 장입하고 30분 이상 건조하여 수분을 제거한 후 시료가 건조상태를 유지하도록 데이케이터 내에서 항량한다. 항량은 측정의 정확성을 위해 상온에서 수행한다.

시료 중에 포함된 M-Fe의 예상 함량에 따라 시료를 0.1~0.5g 범위 내에서 칭량한 후 300ml 플라스크에 장입한다. 이 플라스크에 불활성 가스로 아르곤을 주입하고 조제한 염화제이철 수용액 50ml를 주입한다. 불활성 가스를 항상 주입하면 산소 접촉을 차단하여 실험의 정확성을 높이는데 유용하다.

다음으로, 상기 플라스크에 아르곤을 재주입하고 교반용 막대자석을 장입한 후 플라스크의 개구된 상부를 테이프로 실링하여 산소와의 반응을 차단한다.

이와 같이, 상부를 테이프로 실링한 플라스크를 반응 촉진을 위해 60~70℃로 유지되는 수온조에 장입하고 1시간 동안 교반하면서 시료를 용해한다. 수온조 대신 히터를 사용하고 플라스크에 온도계를 꽂아 실험할 수도 있다. 그리고 교반용 막대자석 대신 교반기를 이용할 수도 있다.

용해 후, 플라스크의 상부를 개구하여 황산 대 물의 비율이 1:4인 황산용액 10ml를 플라스크 내에 주입하여 환원철과 대기 중의 산소 결합을 차단한다. 용액에 침전물이 많은 경우에는 5A 여지 및 500ml 플라스크를 사용하여 여과한다. 침전물이 적은 경우에는 여과하지 않아도 무방하다.

침전물은 시료에 일부 포함된 산화철이므로 분리하여 산화철 분석에 이용한다.

여과된 용액에 황산 대 물의 비율이 1:1인 황산용액 10ml를 주입하고 교반용 막대자석을 장입한다. 다음으로 상기 용액에 증류수 또는 물을 주입하여 전체 용액 양을 100ml로 맞춘다.

이와 같이 맞춰진 용액에 뷰렛을 이용하여 제조된 과산화망간 표준용액을 1방울씩 떨어뜨리면서 적정한다. 적정 과정에서 용액이 분홍색을 띠면 적정을 종료하고 주입된 과산화망간 표준용액의 cc수를 확인한다.

확인된 과산화망간 표준용액의 cc수, 과산화망간 표준용액의 역가, 시료의 무게 등을 아래의 식

에 대입하여 시료에 포함된 M-Fe 양(%)을 산출한다.

이를 통해, 환원철 중 M-Fe의 분석이 용이함을 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 (6)

1. 반응조에 환원철이 포함된 시료를 장입하고 염화제이철(FeCl₃.6H₂O)용액을 주입하여 용해하는 1차 반응단계와;
   상기 1차 반응단계 후, 상기 반응조에 황산용액을 주입하여 전체 용액의 산성도를 조절하고, 산성도가 조절된 상기 반응조의 용액에 과산화망간(0.1N-KMnO₄) 표준용액을 적정하며 상기 반응조의 용액이 분홍색을 띠는 시점에서 반응을 종료하는 2차 반응단계와;
   상기 2차 반응단계에서 소모된 상기 과산화망간 표준용액의 양으로부터 상기 시료에 포함된 M-Fe 양(%)를 산출하는 산출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환원철 중 M-Fe의 분석방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 산출단계에서
   상기 시료에 포함된 M-Fe 양(%)은
   식

   

   에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 환원철 중 M-Fe의 분석방법.
   [f:0.1N-KMnO₄의 역가, 3:Fe^{3 +}이온 원자가, 시료의 무게 단위:g, 0.5585:Fe의 원자가]
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 1차 반응단계에서,
   상기 환원철이 포함된 시료는 수분을 제거한 후 분쇄하여 상기 반응조에 장입하는 것을 특징으로 하는 환원철 중 M-Fe의 분석방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 1차 반응단계에서,
   상기 반응조의 온도는 60~70℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 환원철 중 M-Fe의 분석방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 반응단계에서,
   상기 반응조에 상기 황산용액을 주입하여 생성된 침전물을 여과하여 분리하는 것을 특징으로 하는 환원철 중 M-Fe의 분석방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 반응단계에서,
   상기 황산용액은
   황산 대 물의 비율이 1:4인 황산용액과 황산 대 물의 비율이 1:1인 황산용액을 순차적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 환원철 중 M-Fe의 분석방법.

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