KR101565427B1

KR101565427B1 - 금속 성분 추출 장치

Info

Publication number: KR101565427B1
Application number: KR1020130161848A
Authority: KR
Inventors: 문기현; 유신; 최준; 현성윤
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-11-03
Also published as: KR20150073776A

Abstract

본 발명은 제철 공정시 발생하는 부산물로부터 금속 성분을 추출하기 위한 장치로서, 부산물을 수용하며, 상부가 개방된 도가니부; 도가니부의 상부에 위치하여, 도가니부로부터 부산물의 플라즈마를 수용하도록 밀폐된 반응로부; 반응로부 상부를 관통하여 삽입되며, 반응로부 내부로 열을 발생시키는 토치부; 및 도가니부는 양극, 토치부는 음극으로 접속하여, 도가니부와 토치부에 전기를 공급하는 전원부를 포함하여, 철강 제조 공정에서 발생하는 부산물로부터 금속 성분을 추출하는바, 처리해야할 부산물의 양을 50~60%로 현저히 감소시키는 효과를 제공한다.

Description

금속 성분 추출 장치{APPARATUS FOR EXTRACTING INGREDIENT OF METAL}

본 발명은 금속 성분 추출 장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 제철 슬래그를 비롯한 각종 부산물로부터 금속 성분만을 분리하여 연속적으로 추출하기 위한 장치에 관한 기술 분야이다.

제철, 제강 공정에서는 슬래그나 내화물 등의 기타 부산물이 다량으로 발생하는 문제점이 존재하였다.

건식 방법인 용광로법과 같은 공정에 있어서는 특정 광물에서 특정 금속만을 추출하는 방법, 예컨데, 철광석에서 철만을 환원 반응에 의해 생산하고 있으나, 다량의 CO2가 발생하여 대기 오염과 같은 문제점을 수반하고 있었으며, CO2 처리에서도 비용이 크게 발생하여 경제성이 없어, 산업에서 활용하기 힘든 실정이다.

불특정 폐기물로부터 금속 물질을 추출하는 기술에 대해서는 "유가금속을 함유한 유기성 폐기물로부터 고순도 금속산화물의 제조방법(출원 번호 제10-2012-0062888호)"이 존재하나, 이는 유가금속을 함유하는 유기성 폐기물로부터 고순도 금속산화물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 유가금속을 함유하는 유기성 폐기물을 유기용매로 희석시켜 희석액을 제조하는 공정; 희석액에 인계 추출제가 포함된 산성 수용액을 첨가 및 교반하여 침출반응을 시키는 산 침출 공정; 산 침출 반응이 완료된 수용액을 고온반응기에 투입하고, 알칼리 용매를 첨가 및 교반하여 유가금속 수산화물을 제조하는 공정; 및 유가금속 수산화물에 아민계 음이온 추출제를 가하여 용매추출한 후, 이를 세척·여과하고 건조 및 하소하는 공정;을 포함하는, 유가금속을 함유하는 유기성 폐기물로부터 고순도 금속산화물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 그러나 이는, 유기성 폐기물에 적합한 것으로서 철강 제조 공정에서의 응용은 적합하지 않은 것이며, 화학 반응을 위한 별도의 물질을 투입시켜야 하는바 이들 산화 환원에서 발생하는 별도의 폐기물을 제거해야하는 문제점까지 수반하고 있다.

또한, "폐산을 이용한 금속산화물 추출장치 및 그 방법(출원 번호 제10-1999-0000645호)"은 철강산세공정이나 도금공정등에서 부산물로 생성되는 폐산용액을 일정한 압력하에서 미스트 상태로 분사시키는 노즐, 노즐에서 분사된 미스트 상태의 폐산용액이 통과하는 튜브, 및 튜브의 내부를 고온의 분위기로 가열하여 미스트 상태의 폐산용액을 열분해시켜 가스와 분말로 분리시키는 가열수단을 포함하는 분무배소로; 분무배소로를 통과하면서 열분해된 가스분말 혼합기체를 선회시켜 분말을 분리하는 싸이클론; 싸이클론에서 분리되지 못한 분말을 포집한 후 가스만을 통과시키는 포집수단; 및 포집수단을 통과한 가스를 중화수에 의해 중화시킨 후 공기만을 외부로 배출하는 가스세정기를 포함하는 것이나, 이는 폐산 용액이 반드시 수반되어야 하며, 폐산 처리 과정에서 발생할 수 있는 각종 안전사고의 우려가 존재하는 문제점이 존재하였다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치는 상기한 바와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 철강 제조 공정에서 발생한 슬래그 등의 부산물을 처리 혹은 그 양을 감소시키도록 하는 장치를 제공하고자 한다.

둘째, 철강 제조 공정에서 발생하는 대량의 부산물로부터 금속 성분만을 추출하여 재활용할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

셋째, 산화 또는 환원 처리 공정을 위하여 별도의 물질의 유출입 없이, 철강 제조 공정에서 생산되는 산화 또는 환원 기체를 이용하여, 철강 제조시 발생하는 부산물의 무게를 감소시키고, 금속 성분을 추출할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치는 상기의 해결하고자 하는 과제를 위하여 다음과 같은 과제 해결 수단을 가진다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치는 제철 공정시 발생하는 부산물로부터 금속 성분을 추출하기 위한 장치로서, 상기 부산물을 수용하며, 상부가 개방된 도가니부; 상기 도가니부의 상부에 위치하여, 상기 도가니부로부터 부산물의 플라즈마를 수용하도록 밀폐된 반응로부; 상기 반응로부 상부를 관통하여 삽입되며, 상기 반응로부 내부로 열을 발생시키는 토치부; 및 상기 도가니부는 양극, 상기 토치부는 음극으로 접속하여, 상기 도가니부와 토치부에 전기를 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치의 상기 도가니부는, 재질이 흑연으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치의 상기 반응로부는, CO 주입구가 형성되어, 내부에 CO 가스로 채워져서, 상기 부산물의 환원 반응을 촉진하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치는, 상기 반응로부에서 생성된 CO₂ 가스를 회수하여, 저장하는 가스 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치는, 상기 반응로부 내부에 위치되어, 상기 반응로부 내부의 온도를 측정하고 제어하는 온도 제어부; 및 상기 반응로부의 외부에 위치되어, 상기 온도 제어부로부터 상기 반응로부 내부의 온도에 대한 정보를 수신하여, 상기 반응로부의 온도를 소정의 온도 범위로 유지하도록 상기 반응로부를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 철강 제조 공정에서 발생하는 부산물로부터 금속 성분을 추출하는바, 처리해야할 부산물의 양을 50~60%로 현저히 감소시키는 효과를 제공한다.

둘째, 철강 제조 공정에서 발생하는 부산물로부터 금속 성분을 추출하는바, 금속 성분을 재활용할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 금속 성분 추출 장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 각종 금속 산화물의 온도별 성분 분해 전압을 도시한 K-V 그래프이다.

본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 금속 성분 추출 장치를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명에 따른, 금속 성분 추출 장치는 제철 공정시 발생하는 부산물로부터 금속 성분을 추출하기 위한 장치로서, 도가니부(10); 반응로부(20); 토치부(30); 및 전원부(5)를 포함한다.

먼저, 도가니부(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 철강 제조시에 발생하는 각종 부산물, 즉 각종 산화물을 수용하는 구성으로서, 상부는 개방된 형태를 취한다.

도가니부(10)는 상술한 바와 같이, 슬래그를 비롯한 각종 산화물을 취하는 구성인바, 양극으로 사용되며, 이들 재질은 흑연으로 이루어지는 것이 바람직하다.

반응로부(20)는 도가니부(10)의 상부에 위치하여, 도가니부(10)의 부산물이 이온화되어 플라즈마 형태로 상 변형이 이루어지는 경우에, 이들 플라즈마를 수용하도록 밀폐되어 있다.

토치부(30)는 도 1에 도시된 바와 같이, 밀폐된 반응로부(20)의 상부에 관통하도록 삽입되어 위치되며, 반응로부(20) 내부로 열을 발생시키는 구성이다.

토치부(30)는 상술한 바와 같이, 도가니부(10)가 양극으로 활용되는 것에 반하여, 음극으로 활용되어, 아크 열을 발생시켜, 반응로부(20) 내부의 온도를 2000도씨 이상으로 가열하게 되는 구성이다. 이 때, 도가니부(10)에 수용된 부산물은 용해되면서 이온화되고, 환원 분위기에서 산화물인 부산물은 환원 되어 순수 금속 성분만이 도가니부(10)에 남게 된다.

양극으로 활용되는 도가니부(10)와 음극으로 활용되는 토치부(30)에는 전원부(5)가 전기를 공급하게 된다.

전원부(5)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전압 측정부(6)를 별도로 구비하여, 이들 전원을 제어할 수 있게 되는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 부산물에 포함되는 각 금속물질은 특정 온도에서 추출되는 인가되는 전원이 상이한바, 목적하는 물질의 추출을 위하여, 이들 전원부(5)의 출력 전원을 제어하게 된다.

예컨데, 2000K에서 금속 산화물 중에서 PbO가 가장 먼저 환원될 수 있는데, 이는 전압이 0.3V이면 족하다. 그 외 금속 물질을 추출하고자 하는 경우에는 2000K기준에서 전압을 올리면 목적하는 물질을 추출할 수 있게 된다. 따라서, WO₃는 0.7V에서, FeO는 0.9V에서 추출 가능하게 된다.

반응로부(20)의 내부는 그 환원 반응의 촉진을 위하여 환원 가스로 CO가 활용된다. 그리고 반응 온도를 변화시키면서, 산화물에서 금속이 환원될 수 있는 정도인 전기 화학 당량값에 따라 부산물에 함유된 금속 물질, 예컨데, Fe, Cr, Si, Ti, Mg, Zr, Al 또는 Ca 등을 순차적으로 회수할 수 있는 것이다.

토치부(30)는 상술한 부산물이 용융물질인바, 가급적 이송식 토치를 사용하는 것이 바람직하다.

산화물의 전기 분해에 의한 환원은 다음과 같은 수식으로 표현된다.

MxOy (액상) + xM (액상) = y/2 O2 (가스)

여기서 M은 메탈(metal)을 의미한다.

금속은 음극에서 석출되고, 산소는 양극으로부터 방출된다. 산화물의 분해에 표준 깁스 에너지는 열역학적인 데이터로부터의 온도 함수로 계산되므로, 순수 금속 산화물의 분해능은 다음 식으로 표현된다.

E^o = DG^o/(-nF)

여기서, E^o는 순수 금속산화물의 표준 분해전압 (Volts), DG^o는 금속산화물의 표준 깁스 자유에너지(J/Mole) 그리고 F는 Faraday 전기당량(96,467쿨롱/당량)을 의미한다.

아래 표 1과 같이, SiO₂, CaO, Al₂O₃, MgO, FeO 등을 포함하는 부산물은 상술한 바와 같은 이론을 적용하여, 특정 온도에서 전압을 조절(도 2 참조)하면, Fe, Si, Mg, Ca 순으로 분리되어 석출된다.

또한, 함유되어 있는 금속 성분을 전량 회수하고 산소를 CO₂화 하는 경우에는 산화물의 무게를 36~56%가지 감소시킬 수도 있다.

항목	부산물 성분			금속 성분
항목	고로 슬래그	제강 슬래그	Cr계 내화재	고로 슬래그	제강 슬래그	Cr계 내화재
SiO₂	35	9	1	16.3	4.2	0.5
CaO	42	46	1	30.0	32.9	0.7
Al₂O₃	14	2	0	3.7	0.5	0.0
Cr₂O₃	0	0	90	0.0	0.0	30.8
MgO	5	10	0	3.0	6.0	0.0
CaF₂	0	0	0	0.0	0.0	0.0
Fe₂O₃	2	8	0	0.7	10.5	0.0
ZrO₂	0	0	5	0.0	0.0	3.7
합계	98	97	97	53.7	54.1	35.7
금속성분비				54.8	55.8	36.8

본 발명은 가스 저장부(50)를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 분위기 가스는 CO가 사용되어, 이들 부산물의 환원 반응을 촉진시키는데, 이러한 환원 반응에 의해 생성된 산소(O₂)는 CO와 반응하여, CO2가 생성되는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같은, 가스 저장부(50)로 저장된 후, 토치부(30)의 가스로 재활용된다.

본 발명은 온도 제어부(40); 및 냉각부(60)를 더 포함할 수 있다.

먼저, 온도 제어부(40)는 도 1에 도시된 바와 같이, 반응로부(20) 내부에 위치하여 반응로부(20)의 내부 온도를 측정하고 제어한다.

그리고, 냉각부(60)는 온도 제어부(40)로부터 반응로부(20)의 온도 정보를 수신하여, 반응로부(20)의 온도 범위를 목적하고자 하는 소정의 범위로 유지하도록 반응로부(20)를 냉각시키는 구성이다.

일 실시예로서, 부산물은 제강 슬래그, 고로 슬래그 그리고 하이 크롬 내화물을 각각 100g 반응로에 투입하여 플라즈마 발생을 유도하였다.

이후, 추출되는 금속 성분은 아래 표 2와 같이, 제강 슬래그에서는 Fe와 Ca가 주로 석출되었으나, 회수율이 68% 수준이며, 고로 슬래그 역시 67% 수준에 해당하였다. 그리고, 분해능이 양호한 Cr₂O₃를 다량 포함한 내화재는 금속 회수율에 92%에 달하였다.

항목		제강 슬래그	고로 슬래그	Cr₂O₃ 내화재
플라즈마 전류(A)		175	175	175
분위기 온도(K, 계산치)		2000~3000	2000~3000	2000~3000
초기 산화물 함량(g)		100	100	100
금속 함량(g, 이론값)		56	55	60
석출금속무게(g)	Fe	10	0	0
	Si	3	15	0
	Al	0	2	0
	Ca	20	20	0
	Mg	5	0	0
	Cr	0	0	50
	Zr	0	0	5
	Total	38	37	55
잔류 산화물 무게(g)		29	28	5
금속 회수율		67.9	67.3	91.7

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 권리 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 결정되며, 특허 청구범위에 사용된 괄호는 선택적 한정을 위해 기재된 것이 아니라, 명확한 구성요소를 위해 사용되었으며, 괄호 내의 기재도 필수적 구성요소로 해석되어야 한다.

1: 이온화 물질
2: 부산물
5: 전원부
6: 전압 측정부
10: 도가니부
20: 반응로부
21: CO 주입구
30: 토치부
31: 토치 봉
40: 온도 제어부
50: 가스 저장부
51: CO₂ 회수 파이프
52: CO₂ 공급 파이프
60: 냉각부

Claims

제철 공정시 발생하는 부산물로부터 금속 성분을 추출하기 위한 장치에 있어서,
상기 부산물을 수용하며, 상부가 개방된 도가니부;
상기 도가니부의 상부에 위치하여, 상기 도가니부로부터 부산물의 플라즈마를 수용하도록 밀폐된 반응로부;
상기 반응로부 상부를 관통하여 삽입되어, 상기 반응로부 내부에 아크를 발생시켜, 상기 부산물을 2000도씨 이상으로 가열시켜, 상기 부산물을 플라즈마 상태로 상 변형을 일으키는 토치부; 및
상기 도가니부는 양극, 상기 토치부는 음극으로 접속하여, 상기 도가니부와 토치부에 전기를 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 성분 추출 장치.
제1항에 있어서, 상기 도가니부는,
재질이 흑연으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 성분 추출 장치.
제1항에 있어서, 상기 반응로부는,
CO 주입구가 형성되어, 내부에 CO 가스로 채워져서, 상기 부산물의 환원 반응을 촉진하는 것을 특징으로 하는 금속 성분 추출 장치.
제1항에 있어서, 상기 금속 성분 추출 장치는,
상기 반응로부에서 생성된 CO₂ 가스를 회수하여, 저장하는 가스 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 성분 추출 장치.
제1항에 있어서, 상기 금속 성분 추출 장치는,
상기 반응로부 내부에 위치되어, 상기 반응로부 내부의 온도를 측정하고 제어하는 온도 제어부; 및
상기 반응로부의 외부에 위치되어, 상기 온도 제어부로부터 상기 반응로부 내부의 온도에 대한 정보를 수신하여, 상기 반응로부의 온도를 소정의 온도 범위로 유지하도록 상기 반응로부를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 성분 추출 장치.