KR101300181B1 - 소성백운석의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소성백운석 제조방법에 관한 것으로, 백운석 광석을 가열 킬른로에 장입하는 단계; 상기 가열 킬른로를 회전시키면서 가열하는 단계; 상기 가열 킬른로에서 가열된 백운석 광석을 냉각 킬른로에 이동시켜 상기 냉각 킬른로를 회전시키면서 냉각시키는 단계; 및 상기 냉각된 백운석 광석을 체로 걸러내는 단계; 를 포함하는 소성백운석 제조방법을 제공하여, 로터리 킬른로의 회전속도를 조절하고, 배출 단계에서 체로 스크리닝을 함으로써 소성백운석의 품위를 향상시키기 위한 별도의 선별공정 추가가 필요 없는 효과가 있다.

Description

소성백운석의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR CALCINED DOLOMITE}

본 발명은 소성백운석의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불순물을 함유한 백운석 광석을 킬른로에서 회전시킴으로써 분화하여 체로 불순물을 용이하게 제거하는 소성백운석의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 마그네슘 금속을 제조하기 위한 방법으로 크게 열환원법과 전해제련법이 있다. 그 중에서 열환원법은 원통형 수평 리토르트에 브리켓을 장입하고 진공분위기(10^-2torr) 1200℃에서 9시간 동안 유지하며 진행된다. 이때 브리켓은 소성백운석, 페로실리콘, 형석을 일정 비율로 혼합한 후 성형하여 제조한다. 브리켓으로부터 발생한 마그네슘 증기는 응축기 안에서 응축이 이루어져 마그네슘 크라운(Mg crown)을 형성한다. 열환원 반응에 의해 더 이상 마그네슘 증기가 발생하지 않게 되면 상기 마그네슘 크라운이 응축된 응축기는 리토르트 내부로부터 분리되어 수거된다. 이 마그네슘 크라운을 용해하여 마그네슘 잉곳(Mg ingot)을 제조하는 것으로 마그네슘 제련공정은 진행된다.

열환원법을 이용한 마그네슘 제련에서 사용되는 광석은 통상 백운석(CaCO₃MgCO₃)이며, 이를 고온으로 가열된 로터리 킬른로(rotary kiln furnace) 안에서 CO₂를 제거하여 소성백운석(CaOMgO)을 제조한다. 소성로는 대표적으로 로터리 킬른로(rotary kiln)와 샤프트 킬른로(shaft kiln)가 있으나, 마그네슘 제련에 있어서 소성공정을 수행하는 방식은 통상 로터리 킬른이 사용된다.

백운석은 CaMg(CO₃)₂ 광물과 그 광물로 구성된 암석 모두에 사용된다. 백운석(dolomite)은 방해석(Calcite; CaCO₃) 및 아라고나이트(aragonite; CaCO₃)와 함께 대표적인 탄산염 광물의 일종으로서 화학식은 CaMg(CO₃)₂ 이다. 보통 회백색을 띠며 이론적인 화학조성비는 CaO: 30.4%, MgO: 21.9%, CO₂: 47.4%(중량비)이고, 비중은 2.8~2.9이며, 모스(Mohs) 경도는 3.5~4.0이다. 석회암(Limestone)이 주로 방해석으로 구성되는데 반해 백운암(Dolostone)은 백운석으로 구성되며 석회암과 유사한 지질환경에서 형성되고 석회암을 교대하여 형성됨이 일반적이다.

일반적인 광석 중 불순물의 선별 방법 중에 색도차이를 이용한 색도선별법이 있다. 백운석의 경우도 백색, 회색, 황색, 갈색 등 다양한 색상을 나타내며, 광종에 따라 다르나 일부는 장석(feldspar)인 KAlSi₃O₈, NaAlSi₃O₈, CaAl₂Si₂O₈과 같은 형태의 불순물로 존재한다. 이러한 불순물은 마그네슘 열환원 반응에 있어 치명적인 SiO₂를 포함하고 있기 때문에 반드시 제거해야 하고, 알칼리 금속원소인 K, Na 역시 조업공정 중 발생하는 발화에 의한 마그네슘 크라운(Mg crown)의 산화손실을 최소화 하기 위해 반드시 제거되어야 한다. 그러나, 상기 백운석 중 불순물 광석의 색도 선별을 위해서는 색도 선별을 위한 고가의 설비추가 내지 수작업으로 분리선별 할 수 있는 작업자가 필요하다. 따라서, 수작업에 의한 선별은 많은 인력을 필요로 하며, 작업자의 숙련도에 의해 품질에 영향을 받게 될 소지가 다분하다. 더욱이 백운석은 Fe나 Mn과 같은 성분의 함유량에 따라 황색과 갈색의 색도를 나타내기 때문에 색도에 의한 분별시 손실되는 백운석도 발생하게 된다. 결국 백운석의 손실 없이, 별도의 복잡한 공정의 추가 없이, 백운석 중의 불순물 광석인 SiO₂를 분리 및 선별하는 기술이 필요하였다.

본 발명의 실시예들은 마그네슘 열환원 반응에 있어서 생산성을 저하시키는 백운석 광석 중 불순물을 별도의 선별 공정이 없이 킬른로의 회전속도를 조절함으로써 쉽게 분리 및 제거하는 소성백운석의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 백운석 광석을 가열 킬른로에 장입하는 단계; 상기 가열 킬른로를 회전시키면서 가열하는 단계; 상기 가열 킬른로에서 가열된 백운석 광석을 냉각 킬른로에 이동시켜 상기 냉각 킬른로를 회전시키면서 냉각시키는 단계; 및 상기 냉각된 백운석 광석을 체로 걸러내는 단계; 를 포함하는 소성백운석 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서의 가열 킬른로에서의 온도는 850~1350℃인 것을 특징으로 하고, 상기 체 눈의 크기는 4mm이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 체를 통과한 소성백운석에는 SiO₂의 함량이 1중량%이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로에서의 회전속도는 상기 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로의 직경, 길이 또는 광석의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 가열 킬른로에서는 슬럼핑이 일어나도록 회전시키고, 냉각 킬른로에서는 슬럼핑, 캐스캐이딩 또는 캐터랙팅이 일어나도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예들은 로터리 킬른로의 회전속도를 조절하고, 배출 단계에서 체로 스크리닝을 함으로써 소성백운석의 품위를 향상시키기 위한 별도의 선별공정 추가가 필요 없는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 킬른로에서의 백운석의 모습을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소성백운석의 제조방법의 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.

이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.

본 발명에 따른 실시예는 백운석의 불순물 중 마그네슘 생산에 악영향을 끼치는 것으로 알려진 SiO₂, Al₂O₃, 알칼리 금속(K, Na)을 포함한 장석(feldspar)을 별도의 복잡한 공정과 작업자의 숙련도에 관계없이 백운석에 포함된 불순물을 제거하여 소성백운석을 제조하는 방법을 제공한다.

마그네슘 제련에 있어 원료광석의 품위는 매우 중요한 인자로 작용하고 있다. O'Drisccoll에 의하면 고품위 백운석(high purity dolomite)은 MgO가 20%이상이거나 MgCO₃를 40%이상 함유하면서 탄산염 성분 총 함량(CaCO₃ + MgCO₃)이 97% 이상인 백운석을 의미한다. 이러한 고품위 백운석은 마그네슘 제련공정에서 환원 효율과 생산성을 향상시킴으로 생산단가를 낮추는데 있어 중요한 역할을 한다. 마그네슘 열환원 반응에 있어서 중요한 역할을 하는 성분은 MgO 외에도 CaO, SiO₂ 그리고 알칼리 성분인 K, Na이 있다. CaO와 SiO₂는 환원반응에 있어서 환원율을 결정하는 중요한 인자이며, K과 Na는 환원반응 종료 후 마그네슘 크라운을 분리시 극렬한 산화반응을 일으키는 물질로써 이들의 함량에 따라 작업의 용이성과 마그네슘 크라운의 회수율이 영향을 받을 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 소성백운석의 제조방법에 대하여 설명한다.

마그네슘 제련공정에서 백운석은 탄산염 광물 자체로 사용되지 않고, CO₂를 제거하는 소성공정을 거치게 되는데, 일반적으로 소성공정은 로터리 킬른로 안에서 수행되는데, 본 발명에 따른 실시예에서는 주로 가열 킬른로에서 이루어지며 850~1350℃ 이상에서 수행된다. 만약, 850℃ 보다 낮다면 소성이 제대로 이루어지지 않아 CO₂의 제거가 잘 일어나지 않으며, 1350℃ 보다 높다면 소성백운석이 딱딱해져 분화가 잘 일어나지 않게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 상기 로터리 킬른로(10)는 가열 킬른로와 냉각 킬른로가 가열 및 냉각의 연속 공정이 이루어지도록 연결되어 있으며 모두 원통 형상이다.

상기 CO₂가 제거된 백운석은 CaOMgO의 화학식을 나타내며, 소성백운석(Calcined dolomite, dolime)이라고 한다. 본 발명에 따른 실시예에서의 소성공정에 투입되는 백운석은 8~25mm의 초기 입도를 가지고 있으나 로터리 킬른의 크기, 즉 로터리 킬른의 직경 또는 길이와 같은 공정 변수에 따라 달라질 수 있다. 또한, 로터리 킬른의 회전속도는 상기 로터리 킬른로의 직경, 길이 또는 광석의 종류에 따라 달라질 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에서의 로터리 킬른로(10)는 가열 킬른로와 냉각 킬른로로 구별될 수 있는데, 가열 킬른로에서 대부분의 소성 공정이 수행된다. 상기 가열 킬른로에서 소성백운석의 입도를 대략 4mm이하가 되도록 회전시키는데, 이를 위하여 본 발명에 따른 실시예에서는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 슬럼핑(slumping)되도록 회전속도를 제어한다. 슬럼핑이란 킬른로(10) 내에 장입되어 있는 백운석 광석(20)이 킬른로의 전방에서는 중력에 의해 수평을 유지하려 하는 반면, 후방에서는 백운석 광석(20)과 킬른로(10) 내벽과의 마찰에 의해 다소 윗 부분에까지 이끌려 이동되면서 분화가 일어나는 현상을 의미한다.

또한, 도 1의 (b) 및 (c)는 각각 캐스캐이딩(cascading)과 캐터랙팅(cataracting)을 도시한 것인데, 상기 캐스캐이딩은 상기 슬럼핑의 경우보다 회전 속도를 더욱 크게 하였을 때 나타나는 형상으로 백운석 광석(20)이 파도의 물결 모양이고, 캐터랙팅은 상기 캐스캐이딩의 경우보다 킬른로(10)의 회전 속도를 더욱 크게 하였을 때 나타나는 형상으로 소성백운석을 더욱 작은 크기로 분쇄되도록 한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 가열 킬른로에서는 슬럼핑의 형상이 나타나도록 가열 킬른로를 회전시키는 반면, 냉각 킬른로에서는 슬럼핑 이외에도 캐스캐이딩 또는 캐터랙팅의 형상이 나타나도록 냉각 킬른로를 회전시킨다. 상기 냉각 킬른로에서도 슬럼핑 형상이 나타나는 이유는 냉각 중 소성백운석의 분쇄가 슬럼핑 단계에서도 충분히 발생할 수 있기 때문이다.

다만, 이에 한정할 것은 아니고 경우에 따라서는 가열 킬른로에서 캐스캐이딩 또는 캐터랙팅의 형상이 나타나도록 하는 경우도 있으며 그 반대의 경우도 있을 수 있는데, 이는 앞서 설명한 바와 같이 로터리 킬른로의 직경 또는 길이와 백운석 광석의 종류에 따라 달라질 수 있다.

본 발명에 따른 로터리 킬른에서의 소성공정은 도 2와 같으며, 소성 후 냉각 공정을 거치게 된다.

도 2를 참조하여 설명하면, 먼저 마그네슘 제련의 소성공정에서 사용되는 백운석의 투입과 소성백운석의 배출이 계속해서 이루어지는 연속식의 로터리 킬른로(10)에 백운석 광석(20)을 투입한다.(S10) 이때, 백운석의 균일한 소성과 원통형 킬른로 안에서의 원료의 유동을 위해 로터리 킬른로(10)는 계속해서 회전을 한다. CO₂를 제거하기 위하여 상기 투입된 백운석 광석을 가열 킬른로에서 고온으로 가열(S20)하여 소성시키는데, 상기 소성된 소성백운석은 높은 온도에서 바로 배출되지 않고, 냉각 킬른로에서 150~200℃ 정도의 온도까지 냉각(S30)시킨 후 배출된다.

일반적으로 로터리 킬른(또는 볼밀)안으로 공급된 원료는 원통의 회전운동에 따라 도 1에 도시된 바와 같은 입자운동이 발생한다. 본 발명에 따른 실시예에서는 로터리 킬른의 회전운동을 이용하여 백운석 중 불순물 광석을 선별할 수 있다. 즉, 백운석의 모스경도는 석회석과 비슷한 4 정도이며, 장석은 6, 그리고 석영은 7이다. 소성 후의 백운석의 경도는 소성 전보다 더 낮아져 쉽게 마모되어 광종에 따라 백운석의 결정입자가 큰 경우에는 소성 후 결정립계를 따라 분화가 되는 특성이 있다. 따라서, 로터리 킬른로 내에서 소성백운석이 경도가 보다 높은 불순물들과 충돌하면서 보다 작은 결정입자로 분화가 일어나게 된다.

본 발명에 따른 실시예에서의 백운석의 소성은 백운석의 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로에서 회전속도의 조절을 통해 소성백운석을 분화시키는 것에 의해 이루어진다. 이때, 상기 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로에서의 소성백운석의 최종 배출시에는 4mm 이하의 입도를 갖도록 하고, 상기 소성백운석이 배출되는 부위에 체(screen)를 설치하는 스크리닝(screening) 공정(S40)을 거치도록 한다. 소성 후 분화된 소성백운석 입자만 상기 체를 통과하게 되며, 불순물 광석은 분화가 발생하지 않기 때문에 초기에 장입된 8~25mm 크기에서 크게 입도감소가 발생하지 않아 체를 통과하지 못한다. 따라서 로터리 킬른 공정에서 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로의 회전속도의 조절만으로 미립화된 소성백운석을 제조(S50)할 수 있고, 체 눈의 크기가 4mm인 체의 설치만으로 소성백운석 중 불순물인 SiO₂의 함량을 1% 미만으로 최소화 할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 실시예에서는 백운석 중 불순물은 주로 실리카, 알루미나, 알칼리 금속이 포함된 장석(feldspar)으로 구성되어 있기 때문에 소성백운석과 다르게 분화가 되지 않는다. 또한, 소성공정 중 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로의 회전속도 조절을 통해 소성백운석의 최종 배출 입도를 4mm 이하로 한다. 분화된 소성백운석은 스크린을 통과하며 분화되지 않은 소성백운석 중 불순물과 미소성 백운석은 스크린을 통과하지 못하고 체에 의해 걸러진다. 본 발명에 따른 실시예는 소성백운석의 품위를 향상시키기 위한 별도의 선별공정 없이 소성백운석 배출 공정에 스크린의 설치와 로터리 킬른로의 조업공정(회전속도)의 조절만으로 소성백운석 중 불순물 함량을 최소화할 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 소성백운석 중 불순물인 SiO₂의 함량을 1%이하로 최소화 할 수 있어 마그네슘 크라운 금속회수율을 향상시킬 수 있으며, Al₂O₃와 같은 산화물계열의 다른 불순물 역시 분화되지 않기 때문에 동시에 선별이 가능하다. 또한, K, Na와 같은 알칼리 금속성분 역시 분리 선별이 가능하기 때문에 제련을 위한 열환원 반응 완료 후 마그네슘 크라운의 분리 배출시 발생하는 산화에 의한 마그네슘 크라운의 산화를 방지할 수 있다. 상기 K, Na과 같은 알칼리 성분은 마그네슘 열환원 반응 공정 중에 기화되어 마그네슘 크라운이 응축되는 응축기 안에서 함께 응축되는데, 상기 K, Na은 산화력이 마그네슘 보다 매우 우수하기 때문에 대기 중 상온에서도 산화가 발생하여 마그네슘 제련공정에 있어 알칼리 금속성분의 제어는 실제 조업에 있어 생산성과 조업성에 영향을 미치는 중요한 인자이다.

본 발명에 따른 실시예는 상기한 바와 같이 간단한 조업공정의 조절과 체의 설치만으로 마그네슘 제련공정에서 발생하는 다양한 문제를 해결할 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (7)

1. 백운석 광석을 가열 킬른로에 장입하는 단계;
   상기 가열 킬른로를 회전시키면서 상기 백운석 광석을 가열하여 소성하는 단계;
   상기 가열 킬른로에서 가열된 백운석 광석을 냉각 킬른로에 이동시키는 단계;
   상기 냉각 킬른로를 회전시키면서 가열된 상기 백운석 광석을 냉각시키는 단계; 및
   상기 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로에서의 소성 백운석의 배출되는 부위에서 냉각된 상기 백운석 광석을 체로 걸러내는 단계;
   를 포함하고,
   상기 가열 킬른로는 소성 백운석의 입도가 4mm 이하가 되도록 회전되고,
   상기 백운석의 소성은 백운석의 상기 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로에서의 회전속도의 조절을 통해 소성백운석을 분화시키는 것에 의해 이루어지고,
   상기 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로에서의 회전속도는 상기 가열 킬른로 또는 냉각 킬른로의 직경, 길이 또는 광석의 종류에 따라 달라지며,
   상기 가열 킬른로에서는 슬럼핑이 일어나도록 회전시키고,
   상기 냉각 킬른로에서는 슬럼핑, 캐스캐이딩 또는 캐터랙팅이 일어나도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 소성백운석 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가열 킬른로에서의 온도는 850~1350℃인 것을 특징으로 하는 소성백운석 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 체 눈의 크기는 4mm이하인 것을 특징으로 하는 소성백운석 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 체를 통과한 소성백운석에는 SiO₂의 함량이 1중량%이하인 것을 특징으로 하는 소성백운석 제조방법.
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