KR101536745B1

KR101536745B1 - 마그네슘 제련 원료

Info

Publication number: KR101536745B1
Application number: KR1020120157602A
Authority: KR
Inventors: 양재교
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2015-07-15
Also published as: KR20140087397A

Abstract

본 발명은 마그네슘 제련 원료에 관한 것으로, 소성백운석, 페로실리콘 및 촉매로 이루어지는 마그네슘 제련 원료에 백운석이 추가되어 소성율이 저하됨에도 환원율이 우수한 마그네슘 제련 원료가 개시된다.

Description

마그네슘 제련 원료{MATERIAL FOR SMELTING MAGNESIUM}

본 발명은 마그네슘 제련 원료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소성백운석에 백운석을 추가함으로써 소성율을 낮춤과 동시에 환원율을 유지하는 마그네슘 제련 원료에 관한 것이다.

마그네슘 금속을 제조하기 위한 방법으로 크게 열환원법과 전해제련법이 있다. 그 중에서 마그네슘 열환원 제련기술에서 사용되는 장비로는 수평형 리토르트(retort)가 일반적이다.

일반적으로 열환원법은 원통형 수평 리토르트에 브리켓을 장입하고 진공분위기(10^-2 torr) 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 Mg 크라운(crown)을 형성한다. 열환원 반응에 의해 더 이상 마그네슘 증기가 발생하지 않게 되면 Mg 크라운이 응축된 응축기는 리토르트 내부로부터 분리되어 수거된다. 이 Mg 크라운을 용해하여 Mg 잉곳을 제조하는 것으로 마그네슘 제련공정은 진행된다.

열환원법을 이용한 마그네슘 제련에서 사용되는 광석은 통상 백운석(CaCO3MgCO3)이며, 이를 950~1050℃의 고온으로 가열된 로터리 킬른 로(rotary kiln furnace) 안에서 CO2를 제거하여 소성백운석(CaOMgO)을 제조한다. 소성로의 종류는 대표적으로 로터리 킬른(rotary kiln)과 샤프트 킬른(shaft kiln)이 있으나, 마그네슘 제련에 있어서 소성공정을 수행하는 방식은 통상 rotary kiln이다.

마그네슘 제련의 소성공정에서 사용되는 로터리 킬른은 백운석의 투입과 소성백운석의 배출이 계속해서 이루어진다.

백운석(dolomite)은 방해석(Calcite; CaCO3) 및 아라고나이트(aragonite; CaCO3)와 함께 대표적인 탄산염 광물의 일종으로서 화학식은 CaMg(CO3)2 이다. 마그네슘 제련에 있어 원료광석의 품위는 매우 중요한 인자로 작용하고 있다. O'Drisccoll(1988)에 의하면, 고품위 백운석(high purity dolomite)는 MgO가 20%이상이거나 MgCO3를 40%이상 함유하면서 탄산염 성분 총 함량(CaCO3 + MgCO3)이 97% 이상에 이르는 백운석을 의미한다. 이러한 고품위 백운석은 마그네슘 제련공정에서 환원 효율과 생산성을 향상시킴으로 생산단가를 낮추는데 있어 중요한 역할을 한다.

마그네슘 열환원반응에 있어서 중요한 역할을 하는 성분은 MgO 외에도 CaO, SiO2 그리고 알칼리 성분인 K, Na이 있다. CaO와 SiO2는 환원반응에 있어서 환원율을 결정하는 매우 중요한 인자이며, K과 Na는 환원반응 종료 후 Mg 크라운을 분리시 극렬한 산화반응을 일으키는 물질로써 이들의 함량에 따라 작업의 용이성과 Mg 크라운의 회수율이 영향을 받을 수 있다.

소성백운석은 CaOMgO로 구성되어 있으며, 실리콘을 이용한 환원법에서는 통상 15~17%범위의 페로실리콘을 사용하여 열환원반응을 하는 것이 경제적인 측면에서 가장 효율적인 것으로 알려져 있다. 따라서 실리콘(혹은 페로실리콘)을 사용하는 열환원법에서의 배합비는 일부 변동폭은 있으나 통상적으로 82: 16: 2를 따른다.

한편, 마그네슘 환원에 있어 환원율을 높이기 위해서는 소성율을 낮춰야 하는 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 마그네슘 제련 원료인 소성백운석에 백운석을 추가함으로써 환원율이 향상되는 마그네슘 제련 원료를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 소성백운석(CaOMgO), 환원제 및 촉매를 포함하는 마그네슘 제련 원료에 있어서, 상기 소성백운석 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하의 백운석(CaCO₃-MgCO₃)을 더 포함하는 마그네슘 제련 원료가 제공될 수 있다.

상기 마그네슘 제련 원료로 마그네슘을 제련하는 경우, 상기 환원제는 페로실리콘이고, 상기 촉매는 형성인 것을 특징으로 한다.

상기 마그네슘 제련시의 소성율은 90%이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 소성백운석에 백운석을 추가하여 소성율을 낮춤으로써 환원율을 높게 유지할 수 있다.

슬래그 중 MgO 함량은 상대적으로 크게 감소하여 슬래그의 시멘트로의 재활용 가능성이 높아질 수 있으며, 환원을 위한 리토트의 직경이 대형화되더라도 소성율을 제어한 원료의 사용은 가스의 이동에 의한 대류작용에 의해 상대적으로 빠른 열전달을 이룰 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

일반적으로 환원반응의 촉진을 위해 통상 소성백운석은 99.5%이상의 소성율이 요구되며, 소성백운석의 수화율(slaking ratio)을 측정하여 30~32%의 활성도를 나타내는 것이 좋다. 본 발명에 따른 실시예에서는 소성율을 낮춤으로써 환원율을 향상시키고자 한다.

즉, 본 발명에 따른 실시예에서는 마그네슘 환원시의 소성율을 낮춤으로써 환원중에 CO₂(혹은 CO) 가스가 발생하여 리토트 내부로의 열전달이 잘 이루어지며, 이로 인해 상대적으로 다공질(porous) 구조의 단광을 형성하여 마그네슘 증기의 배출속도를 향상시키도록 하였다. 이때, CO₂의 분해온도는 마그네슘의 열환원 온도보다 낮은 1,000℃ 이하에서 이루어진다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 실시예에서는 소성백운석 100 중량부에 대하여 10중량부 이하의 백운석(CaCO₃-MgCO₃)를 추가한다. 만약, 10중량부를 초과하면 환원율이 저하될 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서는 백운석의 함량을 상기 범위로 한정한다.

이때, 본 발명에 따른 실시예에서는 열환원법에 의해 마그네슘을 제련할 수 있는데, 마그네슘 제련 원료로써 소성백운석, 환원제로써의 페로실리콘 및 촉매로써의 형석이 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

하기 표 1은 소성율과 환원율의 관계를 표로 나타낸 것인데, 표 1을 참조하면 백운석을 첨가함으로써 소성율을 제어하면, 환원율은 소성율 90% 까지는 동일하며, 보다 낮은 소성율에서는 환원율이 감소하는 것을 알 수 있다. 이로써 소성율을 90%이상으로 한정할 필요가 있음을 알 수 있다. 이때의 마그네슘 환원율은 85% 이상이다.

또한, 단광(브리켓) 장입량 대비 Mg 크라운(crown)의 회수량(생산율) 역시 동일한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 실시예에서의 마그네슘 제련시 단광 장입량 대비 마그네슘 크라운의 생산율은 17% 이상임을 알 수 있다.

이는 소성율을 10%정도 낮추는 것이 소성율 100%와 대비하여 목표로 환원율을 갖는 마그네슘 생산에 차질이 없다는 것을 의미한다.

만약, 마그네슘 환원 반응기 즉, 리토트(retort) 직경이 큰 경우 미소성된 백운석에서 발생하는 CO₂(혹은 CO) 가스에 의한 열전달 효과로 인해 환원율을 더 향상시킬 수 있다. 또한, 단광에 남아있는 슬래그 중 MgO 함량은 소성율을 10%정도 감소시킨 경우가 오히려 더 감소하는 것으로 나타났다.

소성율(%)	100	95	90	85	80
환원율(%)	89.34	87.98	89.61	84.24	83.83
브리켓 장입량 (g)	3,025	3161.9	3,078	3042	3,032
Mg Crown 생산량 (g)	534.45	550	545.3	506.6	502.6
브리켓 대비 Mg Crown 생산율(%)	17.7	17.4	17.7	16.7	16.6

이상 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

소성백운석(CaOMgO), 환원제 및 촉매를 포함하는 마그네슘 제련 원료에 있어서,
상기 소성백운석 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하(0 중량부를 포함하지 않음)의 백운석(CaCO₃-MgCO₃)을 더 포함하는 마그네슘 제련 원료이되,
마그네슘 제련시 상기 소성백운석 및 상기 백운석을 포함하는 마그네슘 제련 원료의 총 소성율이 90% 이상인,
마그네슘 제련 원료.
제1항에 있어서,
상기 마그네슘 제련 원료로 마그네슘을 제련하는 경우, 상기 환원제는 페로실리콘이고, 상기 촉매는 형석인 것을 특징으로 하는 마그네슘 제련 원료.
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