KR101540535B1 - 철 질산염과 이산화규소를 이용하여 제조한 페로실리콘 및 그 제조방법 - Google Patents

철 질산염과 이산화규소를 이용하여 제조한 페로실리콘 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 단계에서 제조된 슬러리를 건조한 후 분쇄하는 단계; 및
상기 단계에서 분쇄된 분말을 전기로에서 가열하는 단계를 포함하는 페로실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

철 질산염과 이산화규소를 이용하여 제조한 페로실리콘 및 그 제조방법{The ferrosilicon which it manufactures by using the iron nitrate and SiO2, and manufacturing method thereof}
본 발명은 철 질산염과 이산화규소를 이용한 페로실리콘의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조된 페로실리콘에 관한 것이다.
제철소에서 제조되는 선철 속에는 많은 산소가 포함된다. 상기 선철을 이용하여 제강사에서 철판, 형강 및 철근 등을 제조할 때, 상기 선철에 포함된 산소는 제품에 나쁜 영향을 끼치게 되므로, 이러한 산소를 제거하기 위하여 탈산제가 사용된다.
탈산제는 알루미늄(Al)을 원료로 하는 페로알루미늄, 망간(Mn)을 원료로 하는 페로망간 및 규소(Si)를 원료로 하는 페로실리콘 등이 있다. 제조하는 제품 내에 산소가 전혀 없는 킬드강을 제조할 때에는, 산화력이 가장 높은 페로알루미늄을 사용할 수 있고, 세미킬드강과 같이 약간의 산소가 있어도 되는 제품의 제조할 때에는, 1차 탈산제로 페로알루미늄 또는 페로망간을 사용할 수 있으며, 2차 탈산제로 페로실리콘을 사용할 수 있다.
일반적인 페로실리콘의 제조 방법은 실리콘의 원료가 되는 실리콘마그네슘(MgSi)을 염산(HCl)과 반응시켜 순수 실리콘(Si)을 정제하고, 상기 실리콘(Si)에 생석회 또는 철분 등을 혼합하여 고온의 용융로에서 가열하는 방법을 이용한다. 이때, 용융로에서는 코크스를 이용하여 고온을 유지하면서 환원성 분위기에서 철분에 존재하는 산소 및 불순물을 제거할 수 있으며, 페로실리콘은 융용된 덩어리 상태로 제조된 용융물로 얻어진다. 상기 용융물은 분쇄기를 이용하여 10 내지 80 mm 정도의 입도로 분쇄하여 괴탄형 페로실리콘으로 사용할 수 있다.
상기 제조방법에서는 자체 보유 수분울이 5% 미만이고, 페로실리콘 중의 실리콘(Si) 성분이 약 70%로 유지된 페로실리콘을 얻기 위해서, 복잡한 실리콘(Si) 분리공정이 수행되고, 고온의 열 용융 및 고온의 환원성 분위기가 유지되어야 하므로, 많은 열에너지를 소요하게 되어 제품이 비싸다는 단점이 있다.
1. 한국공개특허공보 제10-2013-0034752호
본 발명은 종래의 전기로 제련법이 가지고 있던 전기에너지 과소비 문제 및 코크스를 환원제로 사용함에 따른 고탄소 함유문제를 해결하고, 또한, 테르밋 제련법이 안고 있는 고가의 분말(Al, Si 분말 등) 사용에 따른 비용문제 및 노동 생산성이 낮고 환원회수율이 낮은 문제점을 해결하기 위해, 철 질산염과 저급의 이산화규소를 사용하여 페로실리콘을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에서는 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 단계에서 제조된 슬러리를 건조한 후 분쇄하는 단계; 및
상기 단계에서 분쇄된 분말을 전기로에서 가열하는 단계를 포함하는 페로실리콘의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 전술한 페로실리콘의 제조 방법에 의해 제조된 페로실리콘을 제공한다.
본 발명에 따른 페로실리콘의 제조 방법에서는 종래 전기로 제련법이 가지고 있는 전기에너지 과소비 문제 및 코크스를 환원제로 사용함에 따른 고탄소 함유 문제를 해결할 수 있다. 또한, 테르밋 제련법이 가지고 있는 고가의 분말(Al 및 Si 분말) 사용에 따른 비용문제 및 노동 생산성이 낮고 환원회수율이 낮은 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일례에 따른 페로실리콘의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 페로실리콘의 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 페로실리콘의 결정상 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 페로실리콘의 미세구조 및 성분분석 결과를 나타내는 사진이다.
본 발명은 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 단계에서 제조된 슬러리를 건조한 후 분쇄하는 단계; 및
상기 단계에서 분쇄된 분말을 전기로에서 가열하는 단계를 포함하는 페로실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 페로실리콘의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 페로실리콘의 제조 방법은 전술한 바와 같이, 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 단계에서 제조된 슬러리를 건조한 후 분쇄하는 단계; 및
상기 단계에서 분쇄된 분말을 전기로에서 가열하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 슬러리를 제조하는 단계는 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 넣고 교반하는 단계; 및
유성밀(planetary mill) 또는 볼 밀(ball mill)을 이용하여 혼합하는 단계로 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 구체예에 따른 페로실리콘의 제조 방법은 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 넣고 교반하는 제 1 단계;
상기 제 1 단계의 교반물을 유성밀(planetary mill) 또는 볼 밀(ball mill)을 이용하여 혼합하여 슬러리를 제조하는 제 2 단계;
상기 제 2 단계에서 제조된 슬러리를 건조한 후 분쇄하는 제 3 단계; 및
상기 제 3 단계에서 분쇄된 분말을 전기로에서 가열하는 제 4 단계로 구성될 수 있다.
본 발명에서 제 1 단계는 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 넣고 교반하는 단계이다.
상기 용매는 철 질산염이 용해될 수 있고, 후술할 슬러리의 건조 시 단시간에 제거 가능하다면, 그 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 에틸알코올, 아세톤, 증류수 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 철 질산염 및 이산화규소는 페로실리콘의 전구물질로서 사용된다. 종래 일반적인 페로실리콘의 제조에서는 실리콘의 원료가 되는 실리콘마그네슘(MgSi)을 염산과 반응시켜 순수 실리콘을 정제한 후, 생석회 및 철분과 혼합하고 고온의 환원성 분위기에서 가열하여 상기 페로실리콘을 제조하였다. 그러나, 상기와 같은 방법에서는, 실리콘마그네슘(MgSi)에서의 실리콘 분리가 복잡하며, 고온을 유지하기에 많은 에너지를 소비하는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 페로실리콘의 전구물질로 철 질산염 및 저가의 이산화규소를 사용하여 간단한 공정으로 페로실리콘을 제조할 수 있으며, 짧은 반응시간과 낮은 반응온도로 인해 에너지의 소모를 줄일 수 있다.
상기 철 질산염의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 질산철 구수화물(Fe(NO3)3·9H2O) 또는 질산철 육수화물(Fe(NO3)3·6H2O)을 사용할 수 있으며, 다수의 염기성 철질산염을 사용할 수도 있다. 상기 이산화규소는 분말형태일 수 있으며, 그 입경은 0.5 내지 1.0 ㎛일 수 있다. 상기 입경 범위에서 페로실리콘의 제조가 용이하다.
상기 철 질산염 및 이산화규소의 질량비는 특별히 제한되지 않는다. 본 발명에서는 환원제로서의 효능을 높이기 위해, 철 질산염 및 이산화규소 100 질량%에 대하여, 철 질산염을 87 내지 97 중량%로 사용할 수 있으며, 이산화규소를 3 내지 13 중량%로 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 철 질산염을 92 내지 97 중량%로 사용할 수 있으며, 이산화규소를 3 내지 8 중량%로 사용할 수 있다.
또한, 상기 철 질산염 및 이산화규소는 용매 100 중량부에 대하여, 각각 철 질산염 20 내지 35 중량부 및 이산화규소 0.5 내지 3 중량부로 혼합될 수 있으며, 구체적으로 철 질산염 25 내지 30 중량부 및 이산화규소 1 내지 2 중량부로 혼합될 수 있다. 여기소, 중량부란 통상의 의미 구체적으로, 특정 성분의 질량을 기준으로 다른 성분의 질량을 대비하여 표시하는 값을 의미한다.
일 구체예에서, 용매에 철 질산염 및 이산화규소 분말을 순차적으로 투입하여 교반할 수 있다. 상기 철 질산염은 용매에 용해되며, 이산화규소 분말을 상기 철 질산염이 용해된 용매에 분산된다.
본 발명에서 제 2 단계는 상기 제 1 단계의 교반물을 유성밀(planetary mill) 또는 볼 밀(ball mill)을 이용하여 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계이다.
본 발명에서는 이산화규소의 분말의 균일한 분산, 즉, 용매에 용해된 철 질산염과 이산화규소 분말이 균일하게 혼합될 수 있도록, 밀(mill)을 사용하여 혼합하는 과정을 수행할 수 있다. 이러한 밀(mill)로는 유성밀(planetary mill) 또는 볼밀(ball mill)을 이용할 수 있다. 상기 혼합은 예를 들어, 100 내지 500 rpm으로 1 내지 5시간 동안 수행할 수 있다. 상기 과정을 통해 철 질산염이 용해된 용매 내에서 이산화규소의 균일한 혼합이 가능하며, 슬러리가 제조된다.
또한, 본 발명에서 제 3 단계는 상기 제 2 단계에서 제조된 슬러리를 건조한 후 분쇄하는 단계이다.
상기 건조는 제 2 단계에서 제조된 슬러리 상태의 용액을 분말화하기 위해 수행할 수 있다. 이러한 건조는 내지 60 내지 100℃에서 10 내지 30 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 온도 및 시간 범위에서 용매의 제거가 용이하다. 일 구체예에서는 건조오븐을 이용하여 건조를 수행할 수 있다.
건조된 슬러리는 덩어리진 분말 형태를 지니므로, 분쇄하는 과정을 추가로 수행할 수 있다. 상기 분쇄는 당업계에서 일반적으로 사용되는 분쇄기구를 이용하여 수행할 수 있으며, 예를 들면, 유발을 이용하여 수행할 수 있다. 유발을 이용하면 덩어리진 분말을 미세하게 분쇄할 수 있다. 상기 분쇄에 의해 분쇄된 분말의 입경은 1 내지 2 ㎛일 수 있다.
본 발명에서 제 4 단계는 제 3 단계에서 분쇄된 분말을 전기로에서 가열하는 단계이다.
상기 단계에서 가열은 아크전기로에서 수행할 수 있으며, 상기 아크전기로에서는 아크방전을 통해 페로실리콘을 제조할 수 있다.
아크방전을 이용할 경우, 전기로 내에서는 테르밋 반응이 유도되며, 이산화규소의 산소원자는 환원되고, 실리콘(규소, Si)은 철과 반응하여 페로실리콘(Fe-Si)으로 제조된다.
상기 전기로에서의 온도는 1000 내지 1200℃일 수 있으며, 가열 시간은 30 내지 60 분 일 수 있다. 상기 온도 및 시간에서 페로실리콘이 용이하게 제조될 수 있다. 이때, 상기 전기로의 온도는 도가니의 측면부의 온도를 의미할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 페로실리콘의 전구물질로 철 질산염 및 이산화규소를 사용하므로, 전기로에서의 가열 시 종래 페로실리콘의 제조 방법에서보다 낮은 온도에서 제조가 가능하고, 코크스 등의 환원제를 필요로 하지 않으므로, 페로실리콘이 탄소 등의 불순물을 함유하지 않으며, 에너지, 즉 전기에너지의 소비를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 제조 방법에 의해 제조된 페로실리콘에 관한 것이다.
본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 페로실리콘은 강의 제조에서 환원제로서 용이하게 사용될 수 있다.
상기 페로실리콘의 입경은 특별히 제한되지 않으며, 10 내지 100 ㎛ 일 수 있다.
또한, 상기 페로실리콘에서 실리콘 원소의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 10 내지 20 atomic%일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일례에 따른 페로실리콘의 제조 방법을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에서 도 1은 발명의 한 구체예에 따른 페로실리콘의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
상기 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 페로실리콘의 제조 방법은 용매(에틸 알코올) 200 ml에 철 질산염(질산철 구수화물)을 용해시킨 후 이산화규소 분말을 투입하는 단계;
유성밀을 이용하여 200 rpm으로 2시간 동안 혼합하는 단계;
건조오븐을 사용하여 80℃에서 하룻동안 건조 후 응집된 분말을 유발을 사용하여 분쇄하는 단계; 및
그라파이트 도가니에 분쇄된 분말을 넣은 후, 아크전기로를 이용하여 페로실리콘(FeSi)을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예의 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1.
에틸 알코올 200 ml에 질산철 구수화물(Fe(NO3)3·9H2O) 57 g을 용해시킨 후, 평균입경이 0.5 내지 1.0 ㎛인 이산화규소 분말 3 g을 넣고, 유성밀(planetary mill)을 사용하여 200 rpm에서 2시간 동안 혼합하여 슬러리를 제조하였다.
상기 제조된 슬러리를 건조오븐을 이용하여 80℃에서 하루 동안 건조시킨 후, 유발을 이용하여 30 분 동안 분쇄하여 평균 입경이 1 내지 2 ㎛인 분말을 얻었다.
상기 분말을 그라파이트 도가니에 넣은 후, 아크전기로를 이용하여 아크방전하여 페로실리콘 합금을 최종 제조하였다.
상기 실시예 1에서 제조된 페로실리콘의 평균 입경은 10 내지 100 ㎛였다.
본 발명에서 도 2는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 페로실리콘의 사진이다. 또한, 도 3은 실시예 1에 의해 제조된 페로실리콘의 결정상 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
상기 도 2 및 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 FexSi(x=1.3-3)의 조성을 가지는 페로실리콘이 제조되었음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에서 도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 페로실리콘의 미세구조 및 성분분석 결과를 나타내는 사진이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 제조된 페로실리콘은 실리콘 성분이 9.90 중량% 및 17.92 atomic%이고, 철 성분이 90.10 중량% 및 82.08 atomic%인 것을 확인할 수 있다.

Claims (13)

  1. 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 단계에서 제조된 슬러리를 건조한 후 분쇄하는 단계; 및
    상기 단계에서 분쇄된 분말을 전기로에서 가열하는 단계를 포함하며,
    상기 철 질산염은 질산철 육수화물(Fe(NO3)3·6H2O) 또는 질산철 구수화물(Fe(NO3)3·9H2O)인 페로실리콘의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    슬러리를 제조하는 단계는 용매에 철 질산염 및 이산화규소를 넣고 교반하는 단계; 및
    유성밀 또는 볼밀을 이용하여 혼합하는 단계를 포함하는 페로실리콘의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    용매는 에틸알코올, 아세톤, 증류수 또는 이들의 혼합물인 페로실리콘의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    이산화규소의 입경은 0.5 내지 1 ㎛인 페로실리콘의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    철 질산염 및 이산화규소의 중량비는 각각 87 내지 97 중량% 및 3 내지 13 중량%인 페로실리콘의 제조 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    유성밀 또는 볼밀을 이용한 혼합은 100 내지 500 rpm으로 1 내지 5시간 동안 수행하는 페로실리콘의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    슬러리의 건조는 60 내지 100℃에서 10 내지 30 시간 동안 수행하는 페로실리콘의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    분쇄된 슬러리의 입경은 1 내지 2 ㎛인 페로실리콘의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전기로는 아크전기로인 페로실리콘의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    전기로에서의 가열은 1000 내지 1200℃에서 30 내지 60 분 동안 수행하는 페로실리콘의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
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