KR101275148B1 - 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼, 그 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼, 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테인레스강의 원료가 되는 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키고, 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계를 통해, 미세하게 분리된 용융 니켈슬래그 액적을 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급랭시키는 단계를 이용하여 경도가 우수한 친환경 니켈슬래그볼(일명 LS Ball), 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.

Description

고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼, 그 제조방법 및 제조장치{omitted}
본 발명은 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼, 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테인레스강의 원료가 되는 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키고, 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계를 통해, 미세하게 분리된 용융 니켈슬래그 액적을 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급랭시키는 단계를 이용하여 경도가 우수한 친환경 니켈슬래그볼(일명 LS Ball), 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
니켈(Nickel)은 클라크 수가 0.01로서 지각(地殼)에는 구리와 같은 정도의 존재량을 보이지만, 지구중심부에는 철과 함께 다량 존재하는 것으로 알려져 있고, 바닷물 속에 존재하는 양은 5g/ℓ이며, 운철(隕鐵)에도 8% 정도 함유되어 있다.
니켈의 성질은 철과 유사한 화학적 특성을 지닌 은백색의 금속으로서 우수한 내부식성과 가공용이성으로 스테인레스강의 원료로 사용되고 있으며, 단조 및 단접이 가능하고, 전성·연성이 풍부하며 연마가공도 가능하다. 강한 자성을 지니고 있으나, 철보다는 약하고 전기전도도는 구리의 14.9%이며, 공기 및 습기에 대해 철보다도 안정하여 잘 산화되지 않으며, 또한 알칼리에도 잘 침식되지 않는다. 묽은 질산에 쉽게 녹지만, 진한 질산에는 철과 마찬가지로 부동상태로 되어 침식되지 않으며, 염소 및 브롬 등과는 격렬하게 반응한다.
세계 니켈 총산출량의 40% 이상은 캐나다에서 산출되며, 이 밖에 러시아 연방, 뉴칼레도니아섬, 아프리카의 짐바브웨에서 많이 산출된다. 한국에서는 전라북도 남원시 산내광산과 경상북도 성주군 금성광산에서 산출된다.
니켈을 함유한 주요 자연광물로서는 황화광물로 산출되는 펜틀란다이트(pentlandite)와 밀러라이트(millerite)가 있으며, 그 외에 니켈린(nickeline)과 가니에라이트(garnierite)가 있다. 펜틀란다이트는 등축정계이며 괴상 또는 등립질 집합체로서 초염기성 암석에서 자류철석 또는 황동석과 수반되어 산출된다. 굳기는 3.5~4이며 비중은 4.6~5이다. 이쇄성이며 금속광택을 갖고 황갈색이다.
밀러라이트는 육방정계에 속하고 흔히 다른 함니켈광물의 저온 변질산물로서 공극에서 형성된다. 니켈린은 육방정계이며 흔히 괴상이나 신장상(腎臟狀)으로 산출된다. 굳기는 5~5.5이며, 비중은 7.78이다. 적동색으로 쉽게 구별된다. 가니에라이트는 함니켈-마그네슘규산염광물로서 Ni:Mg 비의 변화폭이 크고 녹색을 띠며, 염기성 규산염광물인 감람석의 풍화산물로 산출된다
상기 니켈(Nickel)은 스텐레스강 제조 원료인 페로니켈(Ferronickel)의 원료로서, 니켈광석을 이용하여 전기로 형식의 로에서 코크스 등으로 니켈광석을 환원처리하여 페로니켈을 제조하게 되며, 이때 발생되는 슬래그가 니켈슬래그(페로니켈 슬래그)이다.
한편, 최근 스테인레스강에 대한 중국의 폭발적인 수요급증으로 스테인레스강의 주원료인 니켈가격이 급등함으로써 국내에서는 니켈의 안정적인 확보대책이 시급하게 되었으며, 또한, 정부에서 니켈을 유연탄, 우라늄, 철, 동, 아연과 함께 6대 전략광물중 하나로 지정함에 따라 니켈의 안정적인 확보를 위해 최근 국내에서도 페로니켈 제련소가 설립되어 연산 15만톤(순니켈 3만톤)의 생산체재를 갖추게 됨에 따라 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 니켈슬래그량도 2010년 약 100만톤에 이르기 때문에 이러한 니켈슬래그를 유효하게 이용하는 것이 자원 재활용과 니켈의 안정적인 공급을 위하여 매우 중요한 과제로 대두되고 있다.
상기 니켈 슬래그는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 수쇄 및 서냉방식에 의하여 배출되고 있는데, 수쇄방식은 1일당, 적게는 약 500ton에서 많게는 1,500ton 가량이 배출되며, 배출즉시 살수 시설에 의해 살수되어 슬래그 온도를 100℃ 이하로 냉각된 후 처리업체로 운송되어 파쇄처리되며, 서냉방식에 의해 배출되는 니켈 슬래그는 발생형태가 괴상(塊狀)이며, 1500℃이상의 고온용융단계를 거쳐 생성되기 때문에 환경적으로 유해성이 없으므로 골재로서의 활용가능성이 매우 높게 평가되고 있다.
그러나, 상기 수쇄 및 서냉방식의 페로니켈 슬래그는 SiO2 40 내지 70중량%, MgO 20 내지 40중량%, CaO 0.01 내지 5중량%, Al2O3 0.01 내지 5중량%, FeO 1 내지 10중량%를 구성성분으로 마모율이 70~75%로 수준으로, 골재 경도가 매우 낮아 골재로서의 기준물성에 미치지 못하는 문제가 있다.
또한, 상기 니켈 슬래그는 물리화학적으로 안정되어 있기 때문에 그 활용가능성이 매우 다양하지만, 국내에서는 이러한 니켈슬래그의 효용성 또는 재활용 용도에 관한 연구는 전무한 실정이고, 관련표준 또는 용도별 품질에 대한 분석결과가 전혀 없어 재활용이 극히 미미한 실정이며, 또한, 상기와 같이 산화마그네(MgO)과 실리카성분(SiO2)이 높기 때문에 철강제련용 슬래그로도 사용하기 어려워 현재는 대부분 매립하고 있으며 발생량도 많기 때문에 계속 매립에 의존하기 어려운 것이 현실정이다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 한국공개특허 10-2011-0076395에 공지된 바와 같이, 강도가 약한 니켈슬래그를 강도가 강한 전로슬래그와 혼합하여 로반재로 활용하기 위하여 물 100중량부를 기준으로, 전로슬래그 50중량부 내지 99.99중량부 및 페로니켈 슬래그 0.01 내지 50중량부를 포함하는 페로니켈 슬래그를 사용한 로반재 골재 조성물 및 그 제조방법이 제시되어 있다.
또한, 한국공개특허 10-2011-0076703에는 페로니켈 슬래그를 대기 하에서 냉각시키는 단계; 및 상기 냉각된 슬래그를 파쇄하는 단계를 포함하는 로반재용 골재의 제조방법 및 우수한 내마모성을 가지는 페로니켈 슬래그 함유 로반재용 골재를제조하는 방법이 공지되어 있다.
그러나, 상기 특허들은 여전히 니켈슬래그의 경도가 약하여 경도가 강한 전로슬래그와 혼합사용하여야 할 뿐만 아니라, 서냉식에 의한 니켈슬래그는 괴상으로서 후공정에서 파쇄하여야 하는 공정이 추가되고, 서냉을 위한 야적장이 필요하며,경도 역시 낮은 문제점이 여전히 남아 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키고, 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속의 가스를 분사하여 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계를 통해 미세하게 분리된 용융 니켈슬래그 액적을 분사된 가스와 주위 분위기에 의해 급랭시키는 단계를 이용하여 경도가 우수한 친환경 니켈슬래그볼(일명 LS Ball)을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기존 무정형의 수쇄 또는 서냉 페로니켈슬래그 볼에 비하여 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 니켈슬래그볼 입자들은 녹색, 흑녹색, 회녹색, 녹갈색, 회갈색, 흑갈색, 흑회색 또는 흑색 색상을 띠거나 상기 색상중 2종 이상의 색상이 혼합된 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 니켈슬래그 볼은 주물사, 연마재, 건자재, 레미콘, 아스콘, 폴리머콘크리트용 소재, 토양오염복원재, 수처리여재, 보수보강몰탈재, 콘크리트2차 제품, 미끄럼방지재, 자전거도로용 바닥재, 산책로 및 체육시설 바닥재, 복토재, 샌드매트재, 로반재 또는 건축용 소재로 사용되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 본 발명은 스테인레스강의 원료가 되는 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 1,500~1,600℃의 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키는 단계; 상기 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 상기 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계; 상기 분리된 미세한 액적을 상기 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급냉시켜 니켈슬래그볼을 생성하는 단계;를 통해 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 니켈슬래그볼을 제조하는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조방법을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조방법에 사용되는 장치로서, 용융 니켈슬래그가 공급되어 일정량씩 출탕되게 하면서 낙하되도록 하는 턴디시와; 상기 턴디시로부터 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 용융 니켈슬래그를 미세한 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼로 비산시키는 고속가스분사노즐과; 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼로부터 발생되는 고온의 열을 회수하여 재사용 가능하도록 천정에 설치되는 폐열회수시스템;을 포함하여 구성되어, 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 니켈슬래그볼을 제조하는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 고속가스분사노즐 전방에는 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그 볼이 비산되는 방향 및 낙하 거리를 조절하여 일정한 궤적으로 비산시키는 플로우가이드를 더 포함하여 구성하되, 상기 플로우가이드 외부에는 냉각수 자켓이 형성되고, 그 내부에는 냉각수 분사부가 설치되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 고속가스분사노즐에서 분사되는 공기의 양과 속도를 조절하여 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼의 비산궤적과 냉각속도를 조절할 수 있도록 하는 라미나플로우챔버를 더 포함하여 구성하되, 상기 라미나플로우챔버는 입구와 출구를 갖는 통체로 형성되고, 가운데에 축을 중심으로 회전, 가변됨으로써 밸브역할을 하여 공기의 양과 속도를 조절하는 댐퍼가 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 상기 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치의 폐열회수시스템은 폐회로로 구성되어 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 고온으로 유지되고 고온의 공기가 회수되어 열회수효율을 높일 수 있도록, 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 특정온도까지 상승하도록 열을 폐회로에 가두어 순환시키고 일정온도가 넘으면 이러한 고온의 공기를 폐열회수장치로 보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명은 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키고, 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계를 통해, 미세하게 분리된 용융 니켈슬래그 액적을 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급랭시키는 단계를 이용하여 기존 무정형의 수쇄 또는 서냉 페로니켈슬래그 볼에 비하여 구형이고 경도가 우수한 친환경 니켈슬래그볼(일명 LS Ball)을 제조함으로써 니켈슬래그볼을 각종 건자재 및 토목재로 재활용할 수 있는 획기적인 효과가 있다.
도 1은 종래의 니켈슬래그의 수쇄 처리 과정을 나타낸 도면
도 2는 종래의 니켈슬래그의 서냉 처리 과정을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 고속가스를 분사하여 니켈슬래그볼을 제조하는 모식도
도 4는 본 발명의 니켈슬래그볼 입자 형상 사진
도 5는 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 전체 구성도
도 6은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 전체 평면 구성도
도 7은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 폐열회수시스템의 폐회로 구성도
도 8은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 턴디시의 구성도
도 9는 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 라미나플로우챔버의 구성도
도 10 및 도 11은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 플로우가이드 구성도
본 발명은 기존 무정형의 수쇄 또는 서냉 페로니켈슬래그 볼에 비하여 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 니켈슬래그볼 입자들은 녹색, 흑녹색, 회녹색, 녹갈색, 회갈색, 흑갈색, 흑회색 또는 흑색 색상을 띠거나 상기 색상중 2종 이상의 색상이 혼합된 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 니켈슬래그 볼은 주물사, 연마재, 건자재, 레미콘, 아스콘, 폴리머콘크리트용 소재, 토양오염복원재, 수처리여재, 보수보강몰탈재, 콘크리트2차 제품, 미끄럼방지재, 자전거도로용 바닥재, 산책로 및 체육시설 바닥재, 복토재, 샌드매트재, 로반재 또는 건축용 소재로 사용되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스테인레스강의 원료가 되는 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 1,500~1,600℃의 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키는 단계; 상기 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 상기 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계; 상기 분리된 미세한 액적을 상기 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급냉시켜 니켈슬래그볼을 생성하는 단계;를 통해 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 니켈슬래그볼을 제조하는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조방법을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조방법에 사용되는 장치로서, 용융 니켈슬래그가 공급되어 일정량씩 출탕되게 하면서 낙하되도록 하는 턴디시와; 상기 턴디시로부터 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 용융 니켈슬래그를 미세한 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼로 비산시키는 고속가스분사노즐과; 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼로부터 발생되는 고온의 열을 회수하여 재사용 가능하도록 천정에 설치되는 폐열회수시스템;을 포함하여 구성되어, 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 니켈슬래그볼을 제조하는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 고속가스분사노즐 전방에는 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그 볼이 비산되는 방향 및 낙하 거리를 조절하여 일정한 궤적으로 비산시키는 플로우가이드를 더 포함하여 구성하되, 상기 플로우가이드 외부에는 냉각수 자켓이 형성되고, 그 내부에는 냉각수 분사부가 설치되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 고속가스분사노즐에서 분사되는 공기의 양과 속도를 조절하여 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼의 비산궤적과 냉각속도를 조절할 수 있도록 하는 라미나플로우챔버를 더 포함하여 구성하되, 상기 라미나플로우챔버는 입구와 출구를 갖는 통체로 형성되고, 가운데에 축을 중심으로 회전, 가변됨으로써 밸브역할을 하여 공기의 양과 속도를 조절하는 댐퍼가 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 상기 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치의 폐열회수시스템은 폐회로로 구성되어 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 고온으로 유지되고 고온의 공기가 회수되어 열회수효율을 높일 수 있도록, 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 특정온도까지 상승하도록 열을 폐회로에 가두어 순환시키고 일정온도가 넘으면 이러한 고온의 공기를 폐열회수장치로 보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치를 기술구성의 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
종래 용융 니켈슬래그는 다음 그림과 같이, 용융 니켈슬래그를 처리장으로 배출시켜 다량의 물을 살포하여 냉각시켜 고화(수쇄슬래그)시키거나, 공기중에서 서냉(서냉슬래그)시키는 방법이 일반적이었다.
출탕 ⇒ 덤핑 ⇒ 살수 or 공냉
Figure 112011085524189-pat00001
Figure 112011085524189-pat00002
Figure 112011085524189-pat00003
굴삭, 이송 ⇒ 1차 야적 ⇒ 파쇄, 선별
Figure 112011085524189-pat00004
Figure 112011085524189-pat00005
Figure 112011085524189-pat00006

그러나, 상기 수냉 또는 서냉방식에 의한 니켈슬래그는 괴상으로서 후공정에서 파쇄하여야 하는 공정이 추가되고, 서냉을 위한 야적장이 필요하며, 니켈슬래그의 경도가 낮아 재활용하기에는 한계가 있었다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 다음 그림과 같이, 스테인레스강의 원료가 되는 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 1,500~1,600℃의 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키는 단계; 상기 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 상기 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계; 상기 분리된 미세한 액적을 상기 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급냉시켜 니켈슬래그볼을 생성하는 단계;를 통해 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 니켈슬래그볼(일명 LS Ball)을 제조하여 다양한 용도로 재활용할 수 있도록 하기 위하여 본 발명을 완성하였다.
출탕 ⇒ 낙하 ⇒ 고속분사(급냉)
Figure 112011085524189-pat00007
Figure 112011085524189-pat00008
Figure 112011085524189-pat00009
LS Ball ⇒ 선별, 포장
Figure 112011085524189-pat00010
Figure 112011085524189-pat00011

도 1은 종래의 니켈슬래그의 수쇄 처리 과정을 나타낸 도면, 도 2는 종래의 니켈슬래그의 서냉 처리 과정을 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 고속가스를 분사하여 니켈슬래그볼을 제조하는 모식도, 도 4는 본 발명의 니켈슬래그볼 입자 형상 사진, 도 5는 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 전체 구성도, 도 6은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 전체 평면 구성도, 도 7은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 폐열회수시스템의 폐회로 구성도, 도 8은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 턴디시의 구성도, 도 9는 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 라미나플로우챔버의 구성도, 도 10 및 도 11은 본 발명의 니켈슬래그볼 제조장치의 플로우가이드 구성도이다.
우선, 본 발명은 도 3에 도시한 바와 같이, 스테인레스강의 원료가 되는 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 1,500~1,600℃의 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키고, 상기 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 상기 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하고, 상기 분리된 미세한 액적을 상기 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급냉시켜 니켈슬래그볼을 생성함으로써, 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 물성이 획기적으로 향상된 니켈슬래그볼(일명 LS볼)을 제조하게 된다.
여기서, 단위용적질량이라 함은 단위 용적에 들어가는 재료의 질량을 말하는 것으로 실적률과 밀접한 관계를 가지며, 골재의 품질을 좌우하는 주요 인자로 작용하며, 단위용적질량 및 실적률이 크다는 것은 그 만큼 골재의 조직이 치밀해지고 경도가 높아 골재의 품질이 우수하다는 것을 나타낸다.
특히, 모래의 품질기준인 절건밀도 2.4 이상 g/㎤, 흡수율 4% 이하와 대비해 볼 때, 본 발명의 급냉 니켈슬래그볼은 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 흡수율 0.1~2.0%로서 물성이 우수함을 알 수 있다.
상기와 같은 고속가스분사 과정에서 출탕되어 구형액적으로 비산되는 니켈슬래그는 냉각되면서 응고되며, 동시에 슬래그 입자와 고속의 가스가 마찰하게 되어, 그 결과 도 4에 도시된 바와 같이 구형액적 비산과 마찰력에 의해 니켈슬래그 입자는 구형 또는 타원형을 띄게 되며, 입자들의 표면 색상이 녹색, 흑녹색, 회녹색, 녹갈색, 회갈색, 흑갈색, 흑회색 또는 흑색 색상을 띠거나 상기 색상중 2종 이상의 색상이 혼합되고, 매끈한 형태의 니켈슬래그 입자를 얻을 수 있으며, 기존의 수쇄 또는 서냉에 의한 무정형의 니켈슬래그의 형상과 대비되는 구형 또는 타원형 형상을 나타낸다.
한편, 상기 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조방법에 사용되는 장치로서 도 5 내지 도 11에는 본 발명에 따른 니켈슬래그볼 제조장치가 도시되어 있는데, 상기 니켈슬래그볼 제조장치는 용융 니켈슬래그 포트(1), 턴디시(2), 라미나플로우챔버(3), 가스분사노즐(4), 플로우가이드(5), 폐열회수시스템(7)을 포함하여 구성된다.
상기 용융 니켈슬래그 포트(1)는 용융 니켈슬래그를 턴디시(2)로 흘려보내며, 적당한 각도로 기울여져 턴디시(2)로 용융 니켈슬래그가 배출되게 하며, 상기 턴디시(tundish)(2)는 도 8에 도시한 바와 같이, 용융 니켈슬래그 포트(1)에서 배출된 용융 니켈슬래그(2a)가 유동적으로 흐르게 된다.
상기 턴디시에서는 용융 니켈슬래그(2a)의 출탕량을 카메라(C1)와 카메라(C2)에서 실시간으로 측정하여 MCC(PLC)(M)와 연결된 컴퓨터(P)에 피드백 해줌으로써, 용융 니켈슬래그(2a)의 토출량 조절 및 공정의 이상 유무를 판단하게 되며, 상기 컴퓨터(P)에서 측정값을 계산하여 최대값, 최소값, 평균값을 종합관리 컴퓨터에 전송하여 장치를 자동으로 제어할 수 있으며, 상기 용융 니켈슬래그의 출탕양은 카메라에서 실시간으로 턴디시의 단면에서 슬래그가 얼마나 차지하고 있는가를 측정하고, 이를 기초로 용융슬래그의 부피와 비중을 반영하여 상기 컴퓨터(P)에서 계산될 수 있다.
또한, 상기 턴디시(2)는 용융 니켈슬래그(2a)가 체류할 수 있음과 동시에 원활하게 배출될 수 있도록 수평방향 아래쪽으로 10-60°각도로 기울어져 있는데, 턴디시(2)의 용융 니켈슬래그(2a)는 일정량씩 배출되어 상기 가스분사노즐(4)로 낙하하게 된다.
상기 가스분사노즐(4)은 낙하되는 용융 니켈슬래그(2a)를 미세한 액적으로 비산함과 동시에 용융 니켈슬래그를 급냉하기 위한 것으로, 가스분사노즐(4) 앞에는 플로우가이드(5)가 설치되고, 뒤에는 라미나플로우챔버(3)가 연결 설치된다.
상기 라미나플로우챔버(laminar flow chamber)(3)는 도 9에 도시된 바와 같이 입구와 출구를 갖는 통체로 형성되고, 가운데에 축을 중심으로 회전, 가변됨으로써 밸브역할을 하여 공기의 양과 속도를 조절하는 댐퍼(3a)가 다수개 설치되어 용융 니켈슬래그 미세 구형액적화시 가스분사노즐(4)에서 분사되는 공기의 양과 속도 및 분포를 다양하게 조정하여 생성된 니켈슬래그 볼의 비행 궤적(흐름) 및 냉각속도를 조절하게 된다.
상기 플로우가이드(flow guide)(5)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 외부에는 냉각수 자켓(5a)이 형성되고, 그 내부에는 냉각수 분사부(5b)가 설치된다. 이 때 도 10은 상부 플로우가이드를, 도 11은 플로우가이드 측부를 나타낸다.
상기 플로우가이드(5)는 니켈슬래그 미세 구형 액적화시 상방향 및 좌, 우로 비산되는 고온의 니켈슬래그볼의 비행 궤적을 조절한다. 내부는 냉각수 재킷(water jacket)으로 구성되며, 외부에는 분사식 물분사 노즐이 구성되어 있다. 이러한 구성을 사용하여 플로우가이드의 표면과 가스 분사된 니켈슬래그의 접촉에 의하여 플로우가이드의 면마모 및 니켈슬래그 축적현상(accumulation)에 의한 가스분사의 흐름 방해를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치에서 폐열회수시스템(7)는 니켈슬래그볼 제조장치의 천정에 설치되는 한편, 니켈슬래그 미세 구형액적화시 발생되는 고온의 열을 회수하여 2차 에너지로 재활용되게 한다. 상기 회수된 고온의 열은 드라이어 등에 사용되면 케이크, 조개탄 등의 건조에 활용되고 폐열 회수 보일러에 사용되면 전기를 생산하게 된다. 또한, 스팀 생산이나 난방 등에도 활용될 수 있어 에너지 절감효과도 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치의 니켈슬래그 처리과정을 살펴 보면, 먼저, 턴디시(2)로 용융 니켈슬래그(2a)가 일정량 출탕되는데, 이때 용융 니켈슬래그(2a)의 양을 카메라(C1)(C2)에 의해 실시간으로 측정한다. 그 후, 턴디시(2) 하부의 가스분사노즐(4)을 통해 용융 니켈슬래그(2a)를 미세한 구형 액적상태의 니켈슬래그볼로 비산시키며, 이때 플로우가이드(5)에 의해 니켈슬래그 볼이 상하좌우로 불규칙하게 비산되는 것을 방지하고, 일정한 비산 궤적이 유도되게 한다.
여기서, 상기 플로우가이드(5)를 통과한 니켈슬래그 볼에서 발생되는 고온의 열(약 200℃ 이상)이 폐열회수시스템(7)을 통해 재활용될 수 있도록 회수되게 하는데, 상기 폐열회수시스템(7)은 도 7에 도시한 바와 같이, 폐회로 덕트(15)를 이용하여 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 고온으로 유지되고 고온의 공기가 회수되어 열회수효율을 높일 수 있도록 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 특정값까지 상승하도록 열을 폐회로에 가두어 순환시키고 일정온도가 넘으면 이러한 고온의 공기를 폐열회수장치로 보내도록 구성되어 있다.
다음의 단위시간당 용융 니켈슬래그의 유출량 계산식 및 고속의 가스분사속도 계산식에 따라 단위시간당 용융 니켈슬래그의 유출량는 50kg/sec, 고속의 가스분사속도는 100m/sec로 하여 용융 니켈슬래그를 분사, 급냉시켜 니켈슬래그볼(LS Ball)를 제조하였다.
① 단위시간당 용융 니켈슬래그의 유출량 V = a × p ×
Figure 112011085524189-pat00012
V : 단위 시간당 용융 니켈슬래그의 유출량 (g/sec),
a : nozzle 단면적(cm2)
p : 용융 니켈슬래그의 평균비중
g : 중력가속도(980cm/sec2)
h : nozzle 내 용융 니켈슬래그의 높이(cm )
② 고속가스분사량 Q = A ×S
A : 토출구 면적 m2
S : 풍속 m/sec
③ 고속가스 혼합비 = 공기 : 이산화탄소(CO2) = 50 : 50
실시예 1에서 제조한 니켈슬래그볼(LS Ball)에 대한 구형입자특성을 나타내는 광학현미경 사진 및 주사전자현미경사진을 도 4에 나타내었고, 입도별 절건밀도, 흡수율, 비커스 경도 및 단위용적질량과 실적률(KS F 2505 골재의 단위 용적 질량 및 실적률 시험방법)을 계산하여 다음 [표 1]에 나타내었다.
<니켈슬래그볼(LS Ball)의 물리적 특성>
2.5mm 1.25mm 0.6mm 0.3mm 0.15mm Bulk
절건밀도 2.82 2.93 2.81 2.78 2.67 2.86
단위용적
중량		 1.81 1.85 1.81 1.70 - 1.95
실적율 64 63 64 61 - 68
흡수율 1.61 0.58 0.22 0.18 0.45 0.46
비커스 경도 1,418 1,354 1,290 1,212 1,150
* 단위: 절건밀도g/㎤, 단위용적질량kg/ℓ, 실적율 및 흡수율 %, 비커스경도HV 0.1
도 4의 사진에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 니켈슬래그볼은 균일한 구형또는 타원형이고, 이로 인하여 단위용적중량 및 실적률이 높아지는 것을 알 수 있으며, 니켈슬래그볼 입자들의 색상이 녹색, 흑녹색, 회녹색, 녹갈색, 회갈색, 흑갈색, 흑회색 또는 흑색 색상을 띠거나 상기 색상중 2종 이상의 색상이 혼합된 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명의 니켈슬래그볼의 단위용적질량과 실적률, 흡수율 및 경도가 양호하여 주물사, 연마재, 건자재, 레미콘, 아스콘, 폴리머콘크리트용 소재, 토양오염복원재, 수처리여재, 보수보강몰탈재, 콘크리트2차 제품, 미끄럼방지재, 자전거도로용 바닥재, 산책로 및 체육시설 바닥재, 복토재, 샌드매트재, 로반재 또는 건축용 소재 등 다양한 용도로 사용가능하여 부가가치가 높은 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 당해 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 첨부된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형가능함은 물론이다.
1 : 용융 니켈슬래그 포트 2 : 턴디시
3 : 라미나플로우챔버 4 : 가스분사노즐
5 : 플로우가이드 6 : 비산되는 니켈 슬래그 볼
7 : 폐열회수시스템

Claims (8)

  1. 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼
  2. 제1항에 있어서,
    상기 니켈슬래그볼 입자들은 녹색, 흑녹색, 회녹색, 녹갈색, 회갈색, 흑갈색, 흑회색 또는 흑색 색상을 띠거나 상기 색상중 2종 이상의 색상이 혼합된 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼
  3. 제1항에 있어서,
    상기 니켈슬래그 볼은 주물사, 연마재, 건자재, 레미콘, 아스콘, 폴리머콘크리트용 소재, 토양오염복원재, 수처리여재, 보수보강몰탈재, 콘크리트2차 제품, 미끄럼방지재, 자전거도로용 바닥재, 산책로 및 체육시설 바닥재, 복토재, 샌드매트재, 로반재 또는 건축용 소재로 사용되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼
  4. 스테인레스강의 원료인 페로니켈을 생산하는 과정에서 발생되는 1,500~1,600℃의 용융 니켈슬래그를 턴디시(tundish)를 통해 낙하시키는 단계; 상기 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 상기 용융 니켈슬래그를 미세한 액적으로 분리하는 단계; 상기 분리된 미세한 액적을 상기 분사된 고속가스와 주위 분위기에 의해 급냉시켜 니켈슬래그볼을 생성하는 단계;를 통해 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 니켈슬래그볼을 제조하는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조방법
  5. 제3항에 따른 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조방법에 사용되는 장치로서, 용융 니켈슬래그가 공급되어 일정량씩 출탕되어 낙하되도록 하는 턴디시와; 상기 턴디시로부터 낙하되는 용융 니켈슬래그에 고속가스를 분사하여 용융 니켈슬래그를 미세한 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼로 비산시키는 고속가스분사노즐과; 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼로부터 발생되는 고온의 열을 회수하여 재사용 가능하도록 천정에 설치되는 폐열회수시스템;을 포함하여 구성되어, 직경 5mm 이하의 크기의 구형 또는 타원형의 입자이고, 절건밀도 2.5~3.0 g/㎤, 단위용적질량 1.5~2.0 kg/ℓ, 실적율 60~65%, 흡수율 0.1~2.0%, 비커스 경도 1200~1400 HV 0.1인 니켈슬래그볼을 제조하는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고속가스분사노즐 앞에는 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그 볼이 비산되는 방향 및 낙하 거리를 조절하여 일정한 궤적으로 비산시키는 플로우가이드를 더 포함하여 구성하되, 상기 플로우가이드 외부에는 냉각수 자켓이 형성되고, 그 내부에는 냉각수 분사부가 설치되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치
  7. 제5항에 있어서,
    상기 고속가스분사노즐 뒤에는 상기 고속가스분사노즐에서 분사되는 공기의 양과 속도를 조절하여 상기 비산되는 구형 액적 상태의 니켈슬래그볼의 비산궤적과 냉각속도를 조절할 수 있도록 하는 라미나플로우챔버를 더 포함하여 구성하되, 상기 라미나플로우챔버는 입구와 출구를 갖는 통체로 형성되고, 가운데에 축을 중심으로 회전, 가변됨으로써 밸브역할을 하여 공기의 양과 속도를 조절하는 댐퍼가 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치
  8. 제5항에 있어서,
    상기 폐열회수시스템은 폐회로로 구성되어 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 고온으로 유지되고 고온의 공기가 회수되어 열회수효율을 높일 수 있도록, 니켈슬래그볼 제조장치 내의 온도가 특정온도까지 상승하도록 열을 폐회로에 가두어 순환시키고 특정온도가 넘으면 이러한 고온의 공기를 폐열회수장치로 보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고속가스를 이용한 급냉 친환경 니켈슬래그볼 제조장치
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