KR101546039B1 - 흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법에 관한 것으로서, 용선을 수용하기 위한 용해로와, 용해로의 상부에서 용선 내부로 적어도 일부가 침지 가능하고, 용선 탕면을 커버하는 커버 공간을 형성하는 침지튜브, 침지튜브에 연결되어 용해로 내부로 가스를 공급하는 가스 공급기 및 침지튜브의 외측에 연결되어 커버 공간과 연통되는 포집기를 포함하여, 용선이 수용된 용해로 내부에 침지튜브를 하강시켜 침지시킨 뒤, 침지튜브 내부로 가스를 공급하여 용선으로부터 흑연을 석출하여 회수함으로써, 용선으로부터 흑연(탄소 함량이 99% 이상인 고순도의 키쉬 흑연)의 회수량을 증가시키며 용이하게 회수할 수 있다.
이와 같이 회수되는 흑연은 종래에 비해 회수 단계가 축소됨으로써 공정의 수율을 증가시킬 수 있다.
또한, 종래에 흑연 회수 후 발생하는 폐기 슬래그나 폐기 용액 등과 같은 부산물이 발생하지 않아, 부산물을 처리하기 위한 비용과 시간을 절약할 수 있다.

Description

흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법 {Method for recovering graphite from molten pig-iron}
본 발명은 흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용선으로부터 고순도의 흑연을 용이하게 분리 및 회수할 수 있는 흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고로에서 출선되는 용선은 예비처리 공정, 전로 공정, 2차 정련 공정 등의 제강 공정을 거쳐 용강(鎔鋼)으로 제조되고, 이러한 용강은 연속주조 공정을 거쳐 슬라브, 블룸, 빌릿, 빔 블랭크 등의 주편으로 제조된다.
고로에서 제조되는 용선은 선철이 용해된 것으로서, 즉, 원료인 철광석과 연료인 코크스 외에 부원료인 석회석의 용해에 의해 제조된다. 이때, 용선에는 철의 5대 원소인 탄소, 규소, 망간, 인 및 황이 다량 함유되어, 원하는 강종에 따른 용강을 제조하기 위해 탈황, 탈린, 탈탄 및 탈산 등의 공정을 순차적으로 수행하여 용선 내 불순물을 제거하는 1차 정련 과정을 수행한다. 이때, 용선 내 탄소 함유량이 공정 성분 이상으로 함유되는 경우, 용선 탕면에는 흑연이 석출되어 부유하며, 이를 키쉬 흑연(Kish graphite)라고 한다.
이와 같은 키쉬 흑연이 고순도(즉, 탄소가 90% 이상 함유된)로 분리되는 경우, 이는 결정성이 우수한 흑연이므로 고급 내화물이나 고급 탄소용 재료로 재활용 할 수 있는 이점이 있다. 이에, 상기 용선 중에서 고순도의 키쉬 흑연을 분리하기 위한 과정이 수행된다.
이에, 종래에는 용선 처리 부산물(슬래그 및 키쉬흑연 함유)을 1400 내지 1500℃에서 용해한 뒤, 슬래그 상에 키쉬 흑연을 석출시킨다. 이후, 이를 냉각하여 고상화시킨 후 파쇄한 다음, 파쇄물의 비중 차이로 인해 슬래그와 키쉬 흑연을 분리시킨다. 이때, 키쉬 흑연으로 순도를 증가시키기 위해 키쉬 흑연을 왕수 용액에 장입하여 철 성분을 용출시킨 후, 필터와 진공펌프를 이용해 용액을 감압 필터링 함으로써 순수흑연(탄소 함량이 99% 이상인 고순도의 키쉬 흑연)을 회수하는 과정을 수행한다.
그러나, 상기와 같은 방법으로 흑연을 회수할 경우, 흑연 회수 후 폐기 슬래그와 폐기 용액과 같은 부산물이 발생하게 되며, 이를 처리해야 하는 비용이 소모되는 문제점이 발생하고, 키쉬 흑연으로부터 Fe를 회수하기 위해 왕수와 같은 강산성액을 사용하기 때문에 환경적인 문제를 야기한다.
또한, 부산물로부터 흑연을 분리하기 위해 여러 가지 단계를 거쳐야 하기 때문에 결과적으로 회수되는 순수 흑연의 회수율이 낮은 현상이 발생한다.
따라서, 용탕으로부터 용이하게 고순도의 키쉬 흑연(즉, 흑연)을 회수하기 위한 장치 및 방법이 고안이 요구되는 실정이다.
KR 1121852 B
본 발명은 용선으로부터 흑연을 직접 회수할 수 있는 흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법을 제공한다.
본 발명은 종래의 흑연 회수 과정에서 발생하는 부산물(폐기 슬래그 및 폐기용액)의 발생을 방지하여, 부산물을 처리하기 위한 비용과 시간을 절약할 수 있는 흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법을 제공한다.
본 발명은 흑연의 회수량을 증가시킬 수 있는 흑연 회수 장치 및 이를 이용한 흑연 회수 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 장치는 용선으로부터 흑연을 회수하는 장치로서, 상기 용선을 수용하기 위한 용해로와, 상기 용해로의 상부에서 상기 용선 내부로 적어도 일부가 침지 가능하고, 상기 용선 탕면을 커버하는 커버 공간을 형성하는 침지튜브, 상기 침지튜브에 연결되어 상기 용해로 내부로 가스를 공급하는 가스 공급기 및 상기 침지튜브의 외측에 연결되어 상기 커버 공간과 연통되는 포집기를 포함한다.
상기 침지튜브의 내경은 상기 침지튜브의 상측에서 하측으로 진행될수록 넓어지도록 형성될 수 있다.
상기 침지튜브는 탄소재질로 형성될 수 있다.
상기 가스 공급기는 상기 침지튜브 및 상기 용해로의 외측에 배치되고, 상기 가스를 수용하는 가스 저장기와, 상기 침지튜브의 상측을 관통하며 배치되고, 상기 침지튜브 내부에 적어도 일부가 배치되는 가스 공급관 및 상기 가스 저장기에 일단이 연결되고 상기 가스 공급관에 타단이 연결되어 상기 가스 저장기로부터 상기 가스 공급관까지 가스가 이동하는 경로를 형성하는 가스 경유관을 포함할 수 있다.
상기 포집기는 상기 침지튜브 및 상기 용기의 외측에 배치되고, 상기 커버 공간으로부터 배출된 가스 및 흑연을 수용하는 저장용기와, 상기 침지튜브의 외측을 관통하며 연결되어, 상기 저장용기와 상기 커버 공간을 연통시키는 포집관을 포함할 수 있다.
상기 포집관은 상기 침지튜브가 상기 용선에 침지된 경우, 상기 용선의 탕면 근상부에 배치될 수 있다.
상기 포집관에는 상기 커버 공간의 가스를 흡입하여, 상기 커버 공간의 압력을 감소시키는 압력조절기가 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 방법은, 용선이 수용된 용해로를 마련하는 단계와, 상기 용해로 내부로 침지튜브를 하강시켜, 상기 용선에 상기 침지튜브를 침지시키는 단계, 상기 침지튜브 내부로 가스를 공급하는 단계 및 상기 용선으로부터 석출된 흑연을 회수하는 단계를 포함한다.
상기 침지튜브 내부로 가스를 공급하는 단계는, 상기 침지튜브가 커버하는 상기 용선 탕면의 온도를 상기 공급되는 가스에 의해 국부적으로 감소시켜 상기 용선으로부터 상기 흑연의 석출을 유도할 수 있다.
상기 침지튜브 내부로 가스를 공급하는 단계는, 상기 용선 탕면에 석출된 흑연을 상기 용선으로부터 분리시켜 상기 침지튜브 외부로 이동시킬 수 있다.
상기 용선으로부터 석출된 흑연을 회수하는 단계는 상기 용선의 탕면에 석출된 흑연을 상기 침지튜브 내부로 공급된 가스와 함께 상기 용해로로부터 배출시킨 뒤, 상기 배출된 가스와 흑연 중 흑연만 분리하여 회수할 수 있다.
상기 용선으로부터 석출된 흑연은 상기 용선의 하락 온도에 따른 탄소포화농도에 상당하는 양만큼 석출될 수 있다.
상기 회수된 흑연은 99% 이상이 탄소로 구성되며, 평균 입경 1㎜이하일 수 있다.
상기 가스는 불활성 가스일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 장치 및 흑연 회수 방법은, 용선으로부터 흑연(탄소 함량이 99% 이상인 고순도의 키쉬 흑연)을 용이하게 회수할 수 있다. 즉, 용선 탕면에 가스를 분사하여 용선의 온도를 국부적으로 낮춤으로써 탕면에 석출되는 흑연을 분사된 가스와 함께 직접 회수함으로써 고순도의 흑연을 용이하게 회수할 수 있다.
이때, 용선 탕면에 가스를 분사하기 위해 탄소 재질로 형성된 튜브를 침지시킴으로써, 튜브를 구성하는 탄소가 용선 내로 손실된다. 이에, 결과적으로 회수되는 흑연의 양을 증가시킬 수 있으며, 흑연이 재활용되는 내화물이나 탄소용 재료를 제작하기 위한 비용을 절감할 수 있다.
이와 같이 회수되는 흑연은 종래에 슬래그로부터 흑연을 회수하기 위해 수행되는 공정에 비해 축소된 단계가 수행됨으로써 공정의 수율을 증가시킬 수 있다. 그리고, 슬래그로부터 흑연을 회수하는 과정이 아니므로 고순도의 흑연을 얻을 수 있다.
또한, 종래에 흑연 회수 후 발생하는 폐기 슬래그나 폐기 용액 등과 같은 부산물이 발생하지 않아, 부산물을 처리하기 위한 비용과 시간을 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 장치를 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3a ~ 도 3e는 도 1의 흑연 회수 장치를 이용한 흑연 회수 방법을 나타내는 공정도이다.
도 4는 도 2의 흑연 회수 방법에 의해 회수된 키쉬 흑연을 나타내는 광학현미경 및 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예와 종래의 흑연 회수 방법을 비교하는 비교도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 장치는 용기 내 수용된 용액으로부터 석출되는 석출물을 회수하기 위한 장치로서, 더욱 상세하게는 용액의 탕면 온도 감소로 인해 석출된 석출물을 용이하게 회수할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 용기로는 선철을 녹여 용선을 제조하는 용해로일 수 있고, 석출물은 용선으로부터 석출된 키쉬 흑연일 수 있다. 이때, 본 발명에서의 키쉬 흑연은 99% 이상이 탄소로 구성된 고순도 키쉬 흑연으로써 이하에서 흑연이라고 기재되면 이는 고순도의 키쉬 흑연을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 장치를 나타내는 도면이다. 여기서, 도 1의 (a)는 흑연 회수 장치의 분리사시도이고, 도 1의 (b)는 흑연 회수 장치의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 방법을 나타내는 순서도이다. 도 3은 도 1의 흑연 회수 장치를 이용한 흑연 회수 방법을 나타내는 공정도이다. 여기서, 도 3a ~ 도 3e는 공정 순서에 따른 흑연 회수 장치의 작동 상태를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 장치(1)는 용선(M)으로부터 흑연(C)을 회수하는 장치로서, 용선(M)을 용융상태로 수용하는 용해로(10)와, 용해로(10)와 상부에서 용선(M) 내부로 침지 가능하며, 용선(M) 탕면을 커버하는 커버 공간(35)을 형성하는 침지튜브(30), 침지튜브(30)에 연결되어, 용해로(10) 내부로 가스를 분사하는 가스 공급기(50) 및 침지튜브(30)의 외측에 연결되어, 커버 공간(35)과 연통하는 포집기(70)를 포함한다.
여기서, 흑연 회수 장치(1)를 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시 예의 용선(M)을 구성하는 선철 및 흑연(C)에 대해 간략하게 설명하기로 한다.
선철 ( pig - iron )
선철은 철광석에서 직접 제조되는 철의 일종으로서, 고로(高爐)와 용광로에서 철을 제조하기 위한 것이다. 즉, 로(瀘)에 철광석과 코크스 및 석회석을 녹여 만든 철로서, 약 4%의 탄소 외에, 규소, 망가니즈, 인 및 황 등을 다량 함유한다. 이와 같은 선철은 탄소를 다량 함유하고 있어, 인성과 가단성을 상실하고 있어 주형에 부어서 주물을 만들 수는 있으나, 압력을 가해 늘리거나 얇게 하기는 용이하지 않다. 따라서, 제강 공정에서는 상기 탄소 외의 규소, 망가니즈, 인 및 황을 제거하는 과정을 통해 강을 제조하는데 사용된다. 따라서, 선철은 고로에 수용되어 용선으로 제조된다. 이때, 용융 상태의 용선을 제조하기 위해 용해로에 수용되는 것은 탄소의 함량에 높은 선철이다.
키쉬 흑연 ( Kish graphite )
키쉬 흑연은 용선 온도의 저하에 의해 과포화 탄소가 비늘 상태인 흑연으로 발생한 것으로서, 융체에서 액상선을 따라 정출한 흑연, 1차 흑연(primary graphite)라고도 한다. 이때, 키쉬 흑연은 일반적으로 조각 모양이며 편상 흑연이라고도 한다. 이때, 본 발명에서의 키쉬 흑연은 탄소를 99%이상 함유하는 고 순도의 키쉬 흑연을 뜻하며, 이하에서는 흑연이라고 칭한다.
용해로(10)는 금속을 용해시키는 데 사용되는 것으로서, 본 발명의 실시 예에서는 탄소를 다량 함유하는 선철을 수용하여 용해하기 위해 구비된다. 이에, 용해로(10)는 선철을 수용하기 위한 공간을 형성하는 도가니(11)와, 도가니(11)의 외측에 배치되어 도가니(11)를 가열하는 가열유닛(13)를 포함할 수 있다.
도가니(11)는 상부가 개방되고 내부에 공간을 형성하는 것으로서, 내부 공간은 선철을 수용하기 위한 공간이 형성될 수 있다. 이때, 도가니(11)는 흑연이나 주철로 만들어질 수 있으며, 이에, 외부에서 가열 용해에 의한 금속의 용융 시, 금속 산화를 억제할 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
가열유닛(13)는 도가니(11)의 외측에 이격되어 구비되어, 도가니(11)를 가열하기 위해 구비되는 것으로서, 본 발명에서는 전류가 공급되었을 때 유도 전기장을 발생시키는 RF 코일이 사용될 수 있다. 이에, 도가니(11)는 가열유닛(13)로부터 발생하는 전기장을 인가받아 발열되어, 도가니(11)에 수용되는 선철을 약 1350℃에서 가열함으로써 선철을 용선으로 용해할 수 있다. 이때, 가열유닛(13)는 도가니(11)의 외측에서 도가니(11)를 감싸며 상하부로 소정길이 연장된다. 즉, 원통형의 도가니(11)의 외부 전체 영역이 커버될 수 있도록 상하방향으로 감쌀 수 있다. 이에, 도 1의 (b)에 도시된 것처럼 단면도로는 원의 형태를 나타낼 수 있다. 한편, 가열유닛(13)는 전원공급기(미도시)를 포함하여 코일로 고주파 전류를 공급할 수 있다. 이때, 전원공급기는 전류를 공급하는 것뿐만 아니라, 도가니(11)가 가열되어야 하는 온도에 맞춰 가열유닛(13)가 도가니(11)로 전기장을 유도할 수 있도록 전류의 공급량을 제어하는 역할도 수행할 수 있다.
침지튜브(30)는 용해로(10)의 상부에서 용해된 용선 내부로 침지되어, 용선 탕면을 적어도 일부 커버하며 커버 공간(35)을 형성한다. 즉, 침지튜브(30)는 내부에 가스가 공급되어 하부로 배출가능한 관의 형상을 가지며, 하부가 개방된 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 커버 공간(35)은 침지튜브(30)가 용선에 침지 시, 용선(M)의 탕면의 적어도 일부를 커버하며 형성된 공간일 수 있다. 즉, 침지튜브(30)가 커버하는 용선(M) 탕면과 침지튜브(30)가 연통되는 공간일 수 있다.
이때, 침지튜브(30)는 내부공간으로 가스를 공급받아, 공급된 가스가 침지튜브(30)가 커버하는 용선(M)의 탕면과 접촉할 수 있도록 할 수 있다. 이에, 침지튜브(30)는 전체 길이를 기준으로 하단부로부터 상측으로의 소정영역은 용선(M) 내로 침지되어 용선(M)과 중첩된 상태일 수 있다. 또한, 침지튜브(30)는 용선(M)을 커버할 수 있는 영역을 증가시키기 위해 상측에서 하측으로 진행될수록 내경이 넓어지도록 형성될 수 있다. 즉, 침지튜브(30) 내부로 주입되는 가스가 침지튜브(30)의 상부에 잔류하지 않고 용이하게 용선(M) 탕면으로 진행하도록 도 1의 (b)에 도시된 것처럼 그 상측보다 하측의 외경 및 내경이 넓어지도록 할 수 있다.
한편, 침지튜브(30)는 상측에 가스 공급홀(31)이 형성되어 후술하는 가스 공급기(50)와 연결되어 침지튜브(30) 내부로 가스가 공급될 수 있다. 이때, 본 발명에서는 침지튜브(30)의 상단에 가스 공급홀(31)이 형성되는 것으로 나타나 있으나, 침지튜브(30)와 가스 공급기(50)가 연결되는 곳은 이에 한정되지 않으며, 침지튜브(30)의 내부로 가스를 공급할 수 있는 곳이면 어느 곳에 연결되어도 무방하다. 하지만, 용선(M)의 탕면으로 용이하게 가스를 분사하기 위해 본 발명에서는 침지튜브(30)의 상측에 가스 공급기(50)와 연통 가능한 가스 공급홀(31)을 형성한다.
또한, 침지튜브(30)의 외측면에는 후술하는 포집기(70)와 연결되어 커버 공간(35) 내에 잔류하는 가스 및 흑연(C)이 배출될 수 있도록 배출홀(33)이 형성된다. 배출홀(33)은 침지튜브(30)가 용선에 침지된 경우, 용선의 탕면에 근접한 상부에 배치된다. 이때, 배출홀(33)은 본 발명의 실시 예와 같이 하나가 형성되어 용선 탕면에 석출되는 흑연(C)을 하나의 배출홀(33)로부터 포집기(70)로 배출시킬 수도 있으며, 적어도 하나 이상이 형성되어 침지튜브(30)로부터 배출시킬 수 있다. 이와 같은 배출홀(33)은 포집기(70)로 배출되는 석출된 흑연(C)의 크기보다 큰 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 입경이 1㎜를 초과하는 크기로 형성되는 것이 좋다.
그리고, 침지튜브(30)는 내화물 재료를 사용하는 것도 가능하나, 탄소 재질로 형성되는 것이 좋다. 침지튜브(30)가 내화물로 조성되는 경우, 침지튜브(30)가 용선에 침지되어 용손되는 경우, 내화물의 구성이 흑연과 혼합되어 흑연의 순도를 감소시키는 문제점이 발생할 수 있다. 그러나, 침지튜브(30)가 탄소 재질로 형성되는 경우, 침지튜브(30)가 용선에 침지되어 일부가 용손될 경우, 침지튜브(30)를 구성하는 탄소가 용선에 포함되어 용선 내로 탄소를 공급하는 역할을 할 수 있다. 이는 이후에 흑연 회수 방법에 의해 회수되는 흑연(C)의 양을 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 따라서, 침지튜브(30)는 탄소 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
가스 공급기(50)는 침지튜브(30) 및 용해로(10)의 외측에 배치되어, 도가니(11) 내부로 가스를 분사하기 위한 장치로서, 더욱 상세하게는 도가니(11) 내에 용해된 용선 탕면에 가스를 분사하기 위한 장치이다. 가스 공급기(50)는 공급되는 가스를 수용하고 있는 가스 저장기(51)와, 침지튜브(30)의 상측에서 관통하며 배치되고, 침지튜브(30) 내부에 적어도 일부가 배치되는 가스 공급관(53) 및 가스 저장기(51)에 일단이 연결되고, 가스 공급관(53)에 타단이 연결되어 가스의 경로를 형성하는 가스 경유관(55)을 포함한다.
가스 저장기(51)는 침지튜브(30) 내부로 공급되는 가스를 수용하기 위해 구비되며, 일정한 양의 가스를 일정시간 동안 공급할 수 있는 장치가 사용될 수 있다. 이때, 가스 저장기(51) 내에 수용되는 가스는 용선(M)의 탕면으로 분사할 때에 용선(M)과의 반응이 발생하지 않는 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 예컨대 질소 및 아르곤 가스와 같은 불활성 가스가 수용될 수 있다.
가스 공급관(53)은 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 침지튜브(30)의 상측에 형성된 가스 공급홀(31)에 삽입되어 배치될 수 있다. 즉, 가스 공급관(53)은 일부가 침지튜브(30)의 가스 공급홀(31)에 삽입되어 가스가 배출되는 일단이 침지튜브(30) 내에 배치될 수 있다. 이때, 가스 공급관(53)의 일단이 배치되는 위치는 침지튜브(30)가 용선 내에 침지될 경우, 용탕 상에 배치될 수 있다. 더욱 자세하게는, 가스 공급관(53)의 일단은 침지튜브(30) 내부로 가스를 공급할 때, 가스가 용선을 튀게 하여 가스 공급관(53)에 용선이 부착되어 응고되는 현상이 발생하지 않는 높이에 배치시키는 것이 바람직하다.
가스 경유관(55)은 일단이 가스 저장기(51)에 연결되고 타단이 가스 공급관(53)에 연결되어 가스 저장기(51)로부터 공급되는 가스가 가스 공급관(53)으로 이동하는 이동경로를 형성한다. 이때, 가스 경유관(55)은 가스 공급관(53)에 탈부착 가능하게 구비될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 가스 공급관(53)을 구비하여 가스 공급관(53)이 침지튜브(30)에 삽입된 상태에서 가스를 침지튜브(30) 내부로 공급하나, 가스 공급기(50)에는 가스 경유관(55)만 구비되어, 가스 경유관(55)이 침지튜브(30)에 바로 연결되어 가스를 침지튜브(30)로 바로 공급할 수 있다.
포집기(70)는 침지튜브(30)의 커버 공간(35)과 연통되어 커버 공간(35)으로부터 배출된 가스 및 흑연(C)을 저장하는 저장용기(71)와, 저장용기(71)에 일단이 연결되고, 타단은 침지튜브(30)에 연결되는 포집관(73)을 포함한다.
저장용기(71)는 내부에 가스 및 흑연(C)을 수용하기 위한 내부공간을 형성하여 침지튜브(30)로부터 배출되는 가스 및 흑연(C)이 저장될 수 있다. 이때, 저장용기(71)는 전술한 용해로(10) 및 침지튜브(30)보다 낮은 높이에 배치되어 침지튜브(30)로부터 배출되는 가스 및 흑연(C)이 용이하게 저장용기(71)로 배출될 수 있도록 할 수 있다. 한편, 저장용기(71)에는 내부에 가스 및 흑연(C)이 배출되어 수용될 때에, 흑연(C)을 제외한 가스가 저장용기(71) 외부로 배출되기 위한 가스 흡입기(미도시)가 추가로 구비될 수 있다. 이에, 저장용기(71)로부터 가스는 분리해내어 배출함으로써 저장용기(71) 내에는 흑연(C)만 수용될 수 있도록 할 수 있다.
포집관(73)은 저장용기(71)와 침지튜브(30)를 연결하여 침지튜브(30)로부터 배출된 가스 및 흑연(C)이 저장용기(71)로 가기까지 이동하는 경로를 형성한다. 이때, 포집관(73)은 침지튜브(30)의 외측을 관통하며 연결되며, 전술한 침지튜브(30)에서 설명한 바와 같이 포집관(73)의 단부는 침지튜브(30)의 외측에 형성된 배출홀(33)과 연통될 수 있다. 이에, 포집관은 침지튜브(30)의 커버 공간(35)과 저장용기(71)를 연통시킬 수 있다. 또한, 포집관(73)은 배출홀(33)과 마찬가지로 침지튜브(30)가 용선에 침지된 경우, 용선 탕면 근접 상부에 배치되어, 용선(M) 탕면에 석출된 흑연(C)이 가스와 함께 용이하게 저장용기(71)로 배출될 수 있도록 할 수 있다.
한편, 전술한 포집기(70)의 포집관(73)에는 커버 공간(35)의 압력을 감소시키기 위한 압력조절기(미도시)가 추가로 구비될 수도 있다. 즉, 압력조절기는 가스의 공급으로 인해 압력이 증가된 커버 공간(35)으로부터 포집관(73)으로 용이하게 가스 및 흑연(C)의 배출을 유도하기 위해서 포집관(73)이 커버 공간(35)의 가스 및 흑연(C)을 흡입할 수 있도록 할 수 있다. 이때, 포집관(73)에는 가스의 흡입이 가능한 흡입기가 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이 형성된 흑연 회수 장치(1)를 이용한 흑연 회수 방법에 대해서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 흑연 회수 방법은 선철로부터 제조된 용선으로부터 흑연을 직접 회수하는 방법으로서, 용선(M)이 수용된 용해로(10)를 마련하는 단계와, 용해로(10) 내부로 침지튜브(30)를 하강시켜 용선(M)에 침지튜브(30)를 침지시키는 단계, 침지튜브(30) 내부로 가스를 공급하는 단계 및 용선(M)으로부터 석출된 흑연을 회수하는 단계를 포함한다.
먼저, 용선을 제조하기 위해 일반적으로 탄소 함유량이 1.7% 이상인 선철을 도가니(11) 내에 마련한다(S100). 이후, 도가니(11)를 가열하는 가열유닛(13)을 작동하여 도가니(11) 내에 수용된 선철을 용해하여 용선으로 제조한다(S200). 이때, 선철의 용해온도는 1350℃이며, 이는 종래에 용선 제련 부산물을 용해하여 흑연을 석출시키는 온도인 1400 내지 1600℃의 온도에 비해 낮은 온도를 통해 흑연을 석출할 수 있기 때문에 종래에 비해 소모되는 열원에 의한 비용을 절감할 수 있다.
도가니(11) 내 용선을 마련한 뒤, 용선 내부에 침지튜브(30)를 하강시켜 침지튜브(30)의 하부 일부를 용선(M)에 침지시키고, 침지튜브(30)의 내부공간이 용선의 탕면을 커버하여 커버 공간(35)을 형성하도록 한다(S300). 침지튜브(30)가 용선(M)에 일부 침지된 후, 커버 공간(35) 내에 배치되는 용선(M)의 온도는 T1이며, 커버 공간(35) 내부 압력은 P1이다.
침지튜브(30)를 용선(M)에 침지시킨 뒤, 침지튜브(30) 내부로 가스를 공급한다(S400). 여기서, 공급되는 가스는 질소 및 아르곤과 같은 불활성 가스이며, 공급된 가스는 침지튜브(30) 상측에서 하측으로 이동함으로써 용선의 탕면과 접촉한다. 가스가 침지튜브(30) 내부로 공급되어 용선 탕면 상으로 배출되면, 커버 공간(35)의 압력은 P2로 높아지며 커버 공간(35) 내의 용선(M)의 온도는 공급되는 가스와의 접촉에 의해 국부적으로 온도가 감소하며, T1의 온도보다 낮은 T2의 온도를 나타낸다.
이와 같이 침지튜브(30) 내부로 가스를 공급하는 것은, 침지튜브(30)가 커버하는 용선(M)의 온도를 공급되는 가스에 의해 국부적으로 감소시킴으로써 용선(M)으로부터 흑연의 석출을 유도할 수 있다(S500). 즉, 용선 중에 포화 된 탄소는 용선의 온도가 감소하면 용선 표면으로 석출되는 현상을 이용하여, 침지튜브(30)를 통해 공급되는 가스는 용선(M) 탕면의 온도보다 낮은 온도를 가지며, 가스의 온도에 의해 용선(M) 탕면의 온도가 낮아짐으로써 용선 내의 탄소가 흑연으로 석출될 수 있다. 이때, 용선으로부터 석출되는 흑연(C)은 하기의 수학식 1에 의해 구해지는 탄소포화농도에 상당하는 양만큼 석출될 수 있다.
Figure 112013108145557-pat00001
여기서, T는 용선의 하락 온도를 섭씨온도(℃)로 나타내며, 탄소포화농도는 용선의 하락 온도에 따라 중량%로 구해진다. 이때, 석출되는 흑연은 탄소포화농도의 값만큼 용선으로부터 석출될 수 있다. 예컨대, 용해로(10)에 100㎏의 선철을 용해하여 용선을 제조한 뒤 가열유닛(13)의 작동을 중단한다. 이때, 용선의 온도는 50℃정도 하락하게 되는데, 이로부터 탄소포화농도는 1.43 wt% 내지 감소하고, 용선 탕면에 석출되는 흑연은 탄소포화농도 값에 상당하는 1.43㎏의 양이 석출될 수 있다.
한편, 침지튜브(30) 내부로 가스를 공급하는 것은, 흑연의 석출을 유도할 뿐만 아니라, 용선으로부터 흑연을 분리시키는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 도 3의 (c) 및 (d)에 도시된 것처럼, 가스의 공급에 의해 커버 공간(35) 내의 압력이 높아짐으로써, 압력이 낮아지기 위해 커버 공간(35) 내의 가스는 침지튜브(30) 외측에 형성된 배출홀(33)을 통해 외부로 배출되려고 이동하게 된다. 이때, 가스의 이동에 의해 용선 탕면에 석출된 흑연(C)은 가스에 의해 밀려나며 용선(M) 상으로부터 분리되어 침지튜브(30) 외부로 이동하여 포집관(73)을 통해 저장용기(71)로 배출된다.
이와 같이 용선으로부터 흑연이 석출되면(S500), 용선(M)의 탕면에 석출된 흑열을 침지튜브(30) 내부로 공급된 가스와 함께 용해로(10)로부터 배출시키고, 배출된 가스와 흑연 중 흑연만 분리하여 회수한다(S600). 즉, 전술한 바와 같이 침지튜브(30)를 통해 커버 공간(35) 내로 공급된 가스와 흑연을 함께 용해로 외부로 배출시킨 뒤, 가스와 흑연(C)이 저장된 저장용기(71)로부터 가스만 배출시키는 작업을 수행함으로써 저장용기(71) 내에 흑연(C)만 수용될 수 있도록 할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 흑연 회수 방법을 표1을 통해 설명하면 하기와 같다. 표 1은 본 발명의 실시 예의 흑연 회수 장치를 이용한 흑연 회수 방법의 일례를 나타내는 공정조건이다.
선철량(㎏) 용해 온도(℃) 침지튜브 가스공급기
내경(㎜) 두께(㎜) 분사량(ℓ/min) 분사 시간(min)
150 1350 160 15 15 3
여기서, 용해로(10)의 도가니(11) 내에 선철을 150㎏ 수용한 뒤, 1350℃에서 선철을 용해하여 용선을 제조한다. 이때, 침지튜브(30)는 내경과 두께가 각각 160㎜ 및 15㎜를 갖는 것이 준비된다. 침지튜브(30)를 용선(M) 내에 일부 침지시킨 후, 가스 공급기(50)를 작동하여 침지튜브(30) 내부로 분당 15ℓ를 3분간 공급하였다. 즉, 침지튜브(30)에 공급되는 가스와 용선 탕면이 접촉하는 시간은 총 3분이며, 공급되는 가스는 총 45ℓ가 공급된다.
이와 같이 공급되는 가스에 의해 용선의 탕면 온도는 국부적으로 하락하며 용선 탕면에 석출된 흑연은 포집기(70)에 의해 회수된다. 이때, 회수된 흑연은 도 4를 통해 살펴볼 수 있다. 이때, 도 4는 도 2의 흑연 회수 방법에 의해 회수된 키쉬 흑연을 나타내는 광학현미경 및 전자현미경 사진이다. 여기서, 도 4의 (a)는 회수된 흑연을 나타내는 광학현미경 사진이며 도 4의 (b)는 회수된 흑연을 나타내는 전자 현미경 사진이다. 도 4를 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 의해 회수된 흑연(C)은 판상의 형태로 회수되며, 크기는 평균 입도가 1㎜를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이때, 회수된 흑연(C)은 성분 중 99% 이상이 탄소로 이루어진 고 순도의 키쉬 흑연이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 개선점이 도 5에 제시되어 있다. 도 5는 본 발명의 실시 예와 종래의 흑연 회수 방법을 비교하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 종래의 흑연 회수 방법은 부산물인 슬래그로부터 키쉬 흑연을 선별한 뒤, 키쉬 흑연으로부터 순수 흑연을 회수하는 과정을 수행한다. 이때, 키쉬 흑연으로부터 순수 흑연을 회수하기 위해서, 키쉬 흑연을 왕수 용액에 장입하여 철 성분을 용출시킨 후, 필터와 진공펌프를 이용한 감압 필터링을 실시하여 왕수 용액을 흑연과 분리하는 여러 단계의 공정을 통해 순수 흑연을 회수한다.
반면, 본 발명의 흑연 회수 방법은 용선을 제조하기 위한 재료인 선철을 용해한 뒤 용선 탕면으로 불활성 가스를 분사하여, 용선 탕면의 온도를 국부적으로 낮춤으로써 용선 탕면에 흑연을 석출시킨다. 이때, 용탕면에 석출된 흑연을 분사된 가스와 함께 포집기로 포집한 뒤, 가스와 흑연을 분리시킴으로써 흑연을 회수할 수 있다.
따라서, 본 발명의 흑연 회수 방법은 종래의 방법에 비해 흑연을 회수하기 위한 세부 단계(슬래그 표면에 석출된 키쉬 흑연을 회수하기 위해 석출된 상태에서 냉각하여 파쇄한 후 비중차 혹은 자력선별에 의해 슬래그와 키쉬 흑연을 분리하는 과정 및 키쉬 흑연으로부터 Fe를 용출한 뒤 감압 필터링하는 과정)를 수행하지 않아도 됨으로써 처리단계를 감소시킬 수 있어 공정의 소요시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 슬래그로부터 흑연을 회수하는 과정이 아니므로 종래에 흑연 회수 후 발생하는 폐기 슬래그나 폐용액과 같은 부산물이 발생하지 않아, 부산물을 처리하기 위한 비용과 시간을 절약할 수 있다.
그리고, 용선 탕면으로 가스를 공급하기 위해 침지튜브가 용선 내로 침지되는 경우, 침지튜브가 용선 내에 손실됨으로써 침지튜브를 구성하는 탄소 성분이 용선으로 공급됨으로써 결과적으로 회수되는 흑연의 양을 증가시킬 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
M : 용선 C : 흑연
10 : 용해로 11 : 도가니
13 : 가열유닛 30 : 침지튜브
31 : 가스 공급홀 35 : 커버 공간
33 : 배출홀 50 : 가스 공급기
51 : 가스 저장기 53 : 가스 공급관
55 : 가스 경유관 70 : 포집기
71 : 저장용기 73 : 포집관

Claims (14)

  1. 용선으로부터 흑연을 회수하는 장치로서,
    상기 용선을 수용하기 위한 용해로와;,
    상기 용해로의 상부에서 상기 용선 내부로 적어도 일부가 침지 가능하고, 상기 용선 탕면을 커버하는 커버 공간을 형성하는 침지튜브;
    상기 침지튜브에 연결되어 상기 용해로 내부로 가스를 공급하는 가스 공급기; 및
    상기 침지튜브의 외측에 연결되어 상기 커버 공간과 연통되는 포집기;를 포함하는 흑연 회수 장치.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 침지튜브의 내경은,
    상기 침지튜브의 상측에서 하측으로 진행될수록 넓어지도록 형성되는 흑연 회수 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
    상기 침지튜브는 탄소재질로 형성되는 흑연 회수 장치.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 가스 공급기는
    상기 침지튜브 및 상기 용해로의 외측에 배치되고, 상기 가스를 수용하는 가스 저장기와;,
    상기 침지튜브의 상측을 관통하며 배치되고, 상기 침지튜브 내부에 적어도 일부가 배치되는 가스 공급관; 및
    상기 가스 저장기에 일단이 연결되고 상기 가스 공급관에 타단이 연결되어 상기 가스 저장기로부터 상기 가스 공급관까지 가스가 이동하는 경로를 형성하는 가스 경유관;을 포함하는 흑연 회수 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4 에 있어서,
    상기 포집기는
    상기 침지튜브 및 상기 용해로의 외측에 배치되고, 상기 커버 공간으로부터 배출된 가스 및 흑연을 수용하는 저장용기와;,
    상기 침지튜브의 외측을 관통하며 연결되어, 상기 저장용기와 상기 커버 공간을 연통시키는 포집관;을 포함하는 흑연 회수 장치.
  6. 청구항 5 에 있어서,
    상기 포집관은 상기 침지튜브가 상기 용선에 침지된 경우, 상기 용선의 탕면 근상부에 배치되는 흑연 회수 장치.
  7. 청구항 6 에 있어서,
    상기 포집관에는 상기 커버 공간의 가스를 흡입하여, 상기 커버 공간의 압력을 감소시키는 압력조절기가 연결되는 흑연 회수 장치.
  8. 흑연을 회수하는 방법으로서,
    용선이 수용된 용해로를 마련하는 단계;
    상기 용해로 내부로 침지튜브를 하강시켜, 상기 용선에 상기 침지튜브를 침지시키는 단계;
    상기 침지튜브 내부로 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 용선으로부터 석출된 흑연을 회수하는 단계;를 포함하는 흑연 회수 방법.
  9. 청구항 8 에 있어서,
    상기 침지튜브 내부로 가스를 공급하는 단계는
    상기 침지튜브가 커버하는 상기 용선 탕면의 온도를 상기 공급되는 가스에 의해 국부적으로 감소시켜, 상기 용선으로부터 상기 흑연의 석출을 유도하는 흑연 회수 방법.
  10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 침지튜브 내부로 가스를 공급하는 단계는
    상기 용선 탕면에 석출된 흑연을 상기 용선으로부터 분리시켜, 상기 침지튜브 외부로 이동시키는 흑연 회수 방법.
  11. 청구항 8 에 있어서,
    상기 용선으로부터 석출된 흑연을 회수하는 단계는
    상기 용선의 탕면에 석출된 흑연을 상기 침지튜브 내부로 공급된 가스와 함께 상기 용해로로부터 배출시킨 뒤, 상기 배출된 가스와 흑연 중 흑연만 분리하여 회수하는 흑연 회수 방법.
  12. 청구항 8 에 있어서,
    상기 용선으로부터 석출된 흑연은 상기 용선의 하락 온도에 따른 탄소포화농도에 상당하는 양만큼 석출되는 흑연 회수 방법.
  13. 청구항 12 에 있어서,
    상기 회수된 흑연은 99% 이상이 탄소로 구성되며, 평균 입경 1㎜이하인 흑연 회수 방법.
  14. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스는 불활성 가스인 흑연 회수 방법.
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