KR101586741B1 - 금속 산화물 회수방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 산화물 회수방법에 관한 것으로서, 티타늄(Ti)과 철(Fe)를 함유하는 원료를 마련하는 과정; 상기 원료를 정련 용기에 투입하는 과정; 상기 정련 용기에 용선을 장입하는 과정; 상기 정련 용기에 산소를 포함하는 가스를 취입하는 과정;을 포함하고, 상기 가스를 취입하는 과정에서 상기 원료에 함유된 티타늄을 상기 용선이 정련되면서 발생하는 슬래그에 TiO2 형태로 포함시키는 것을 특징으로 하고, 용선을 정련하는 과정에서 철원에 함유된 유가 금속을 용이하게 회수할 수 있다.
Description
본 발명은 금속 산화물 회수방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철광석에 함유된 Ti, V 등의 유가 금속을 산화물 형태로 회수할 수 있는 금속 산화물 회수방법에 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 출선되는 용선은 철광석을 소결시킨 소결광과, 코크스 등을 고로에 장입시켜 가열하는 제선 공정을 통해 제조된다. 즉, 고로에서 출선되는 용선은 철원(鐵源)으로서 철광석을 사용하는데, 국내 및 국외의 제강 시장에서 철광석의 원가가 상승되고, 이로 인해 철광석의 원활한 수급이 이루어지지 않아 철광석 이외의 철원을 확보하기 위한 방안들이 강구되어 왔다. 이에 따라 최근에는 철원을 확보하기 위한 방안들 중에서 고철을 재활용하거나 철함량이 비교적 낮은 저급 철광석을 이용하는 방안이 적용되고 있다.
한편, 저급 철광석에는 철(Fe) 성분 이외에도 티타늄(Ti)이나 바나듐(V) 등과 같은 유가 금속을 다량 함유하고 있는 경우가 많다. 이와 같은 유가 금속은 매우 고가로서 저급 철광석으로부터 추출하여 제강 공정 등에 적용하는 경우 합금철 등의 제조 비용을 절감할 수 있다. 따라서 이와 같은 유가 금속을 다량 함유하는 저급 철광석으로부터 유가 금속을 효율적으로 추출할 수 있는 다양한 방법이 요구된다.
본 발명은 저급 철광석에 함유된 유가 금속을 용이하게 회수할 수 있는 금속 산화물 회수방법을 제공한다.
본 발명은 합금철 등의 제조 비용을 절감할 수 있는 금속 산화물 회수방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 금속 산화물 회수방법은, 티타늄(Ti)과 철(Fe)이 화합물 형태로 존재하는 원료를 마련하는 과정; 상기 원료와, 스크랩을 정련 용기에 투입하는 과정; 상기 정련 용기에 용선을 장입하는 과정; 상기 정련 용기에 산소를 포함하는 가스를 취입하는 과정; 상기 용선 중에 탄소를 함유하는 환원제를 투입하는 과정;을 포함하고, 상기 용선 중에 함유되는 탄소 성분과 상기 환원제가 상기 원료 중의 산소 성분과 반응하여 발생하는 일산화탄소를 상기 산소를 포함하는 가스와 반응시켜 상기 용선의 온도를 상승시킴으로써 상기 원료에 화합물 형태로 존재하는 티타늄을 상기 용선이 정련되면서 발생하는 슬래그에 TiO2 형태로 환원시켜 포함시킨 후 상기 슬래그에 함유되는 TiO2를 금속 티타늄으로 환원시키기 위해 상기 슬래그를 배재하는 것을 특징으로 한다.
상기 원료는 티탄철석(iluminite), 루틸, 소렐 슬래그(sorel slag) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 탄소를 함유하는 환원제는 코크스, 제강 더스트, 미분탄 및 무연탄 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
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상기 산소를 포함하는 가스를 취입하는 과정에서 상기 용선 중에 함유되는 탄소 성분과 상기 가스 중의 산소 및 상기 원료 중에 함유되는 산소와 반응하여 일산화탄소를 포함하는 배가스를 생성하고, 상기 용선의 탈탄이 이루어질 수 있다.
삭제
상기 TiO2는 1100℃ 이상의 온도에서 형성될 수 있다.
상기 배가스 중 상기 일산화탄소는 상기 산소를 포함하는 가스와 반응하여 이산화탄소를 생성하는 연소 반응을 일으킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 회수방법은, 용선을 정련하는 과정에서 철원에 함유된 유가 금속을 용이하게 회수할 수 있다. 티타늄, 바나듐 등과 같은 유가 금속을 함유하는 철광석을 철원으로 사용하는 경우, 전로정련 시 용선을 정련하는 과정에서 금속 산화물 형태로 슬래그에 포함시켜 회수할 수 있다. 따라서 합금철을 제조하는데 사용되는 고가의 유가 금속을 별도로 구매할 필요가 없어 합금철의 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물을 회수하기 위한 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 회수방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 3 및 도 4는 티타늄 산화물이 회수되는 메카니즘을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 회수방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
도 3 및 도 4는 티타늄 산화물이 회수되는 메카니즘을 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 티타늄(Ti)이나 바나듐(V) 등과 같은 유가 금속을 회수하는 방법에 관한 것이다. 즉, 철원으로 사용되는 저급 철광석이나 부산물 등에 함유된 티타늄이나 바나듐 등과 같은 유가 금속을 용선 제조 시 산화물 형태로 슬래그에 농축시켜 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물을 회수하기 위한 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 금속 산화물을 회수하기 위한 장치는, 공지의 전로 정련 조업에 적용되는 장치와 유사하다. 즉, 용선이 수용되는 내부 공간이 형성되는 정련용기와, 정련용기 상부에 구비되어 정련용기 내부로 가스를 취입하는 랜스를 포함한다. 또한, 정련용기 내부로 환원제 및 교반가스를 공급하는 저취노즐을 포함할 수 있다. 여기에서 정련용기는 전로일 수 있다.
정련 용기(100)는 내부에 용융물, 예컨대 용선(10)이 수용되는 공간이 형성되고, 상부에는 용선(10)을 장입할 수 있는 노구(110)가 형성된다(도 1에서 20은 슬래그, 30은 스크랩, 40은 티타늄 함유 철광석임). 그리고 정련 용기(100)의 상부 일측에는 용선(10)을 정련하여 제조된 용강을 출강하는 출강구(120)가 형성되고, 정련 용기(100)의 저부에는 용선을 교반하기 위한 교반 가스, 예컨대 아르곤(Ar), 질소(N2) 등의 불활성 가스를 취입할 수 있는 저취 노즐(130)이 형성될 수 있다. 저취 노즐(130)로는 산소 및 천연가스 등의 연료가스와 탄소를 함유하는 환원제가 공급될 수 있다. 이에 저취 노즐(130)에는 산소를 저장하는 저장기, 천연가스를 저장하는 저장기, 불활성 가스를 저장하는 저장기 및 환원제를 저장하는 저장기가 연결될 수 있다. 이때, 환원제는 코크스, 제강 더스트, 미분탄, 무연탄 등이 사용될 수 있으며, 분체 상태로 산소가스와 혼합되어 천연가스 및 불활성 가스와 함께 저취 노즐(130)을 통해 정련용기(100) 내부로 공급될 수 있다.
랜스(200)는 용선을 정련하기 위하여 정련 용기(100) 내부에 산소를 포함하는 가스를 취입하는 구성으로 공지의 랜스(200)와 거의 동일하다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 회수방법을 순차적으로 보여주는 순서도이고, 도 3 및 도 4는 티타늄 산화물이 회수되는 메카니즘을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 산화물 회수방법은, 티타늄 함유 철광석을 마련하는 과정, 용선을 마련하는 과정(S100), 정련용기에 티타늄 함유 철광석을 장입하는 과정(S102), 정련용기에 용선을 장입하는 과정(S104), 정련용기에 산소를 함유하는 가스를 취입하는 과정(S106) 및 용선과 티타늄 산화물을 포함하는 슬래그를 제조하는 과정(S108)을 포함한다.
티타늄 함유 철광석은 일반적인 철광석보다 티타늄을 다량 함유하는 철광석으로서, 티탄철석(iluminite), 루틸 등이 사용될 수 있다. 또한, 철광석은 아니지만 소렐 슬래그(sorel slag)가 사용될 수도 있다. 티타늄 함유 철광석에는 티타늄이 Fe-Ti-O 화합물 형태, 예컨대 Fe3 - xTixO4 화합물 형태로 존재할 수 있다. 티타늄 함유 철광석은 정련용기(100)에 투입되기 전 예열하여 공정 시 용선의 온도가 저하되는 것을 억제할 수도 있다.
용선은 고로나 전기로 등에서 제조된 용선으로서, 용선예비처리를 거친 용선 또는 용선예비처리를 거치지 않은 상태로 사용될 수 있다.
이와 같이 티타늄 함유 철광석과 용선이 마련되면, 티타늄 함유 철광석을 정련용기(100)에 투입한 다음, 용선을 장입한다. 이때, 티타늄 함유 철광석을 정련용기(100)에 투입할 때 스크랩이나 직접 환원철 등을 함께 투입할 수도 있다.
여기에서는 티타늄 함유 철광석을 정련용기(100)에 투입한 후 용선을 장입하는 것으로 설명하고 있지만, 정련용기(100)에 용선을 장입한 다음, 티타늄 함유 철광석을 투입할 수도 있다.
정련용기(100)에 용선이 장입되면, 정련용기(100)의 상부에 구비되는 랜스(200)를 하강시켜 랜스(200)의 단부를 정련용기(100) 내부에 배치시키고 정련용기(100) 내부로 산소를 함유하는 가스를 취입한다. 이때, 산소를 함유하는 가스는 공기를 가열한 열풍이나 순산소 가스일 수 있다.
또한, 저취 노즐(130)을 통해 산소, 천연가스, 불활성 가스 및 환원제를 취입한다. 여기에서 환원제는 탄소를 함유하는 물질로서, 코크스, 제강 더스트, 미분탄, 무연탄 등이 사용될 수 있으며, 분체 상태로 산소, 천연가스 및 불활성 가스와 함께 정련용기(100) 내 용선 중으로 공급된다. 환원제는 저취 노즐(130)을 통해 공급되는 산소, 천연가스 및 불활성 가스에 의한 교반력으로 용선 중에 균일하게 공급될 수 있다.
정련용기(100) 내부로 산소를 함유하는 가스가 취입되면, 용선 중에 함유된 탄소 성분이 취입되는 가스 중 산소와 반응하여 일산화탄소를 포함하는 배가스를 생성한다. 이에 용선 중에 함유된 탄소가 제거됨으로써 용선의 탈탄이 이루어진다. 또한, 용선 중 탄소와 취입되는 가스 중 산소가 반응하면서 반응열이 발생하는데 이렇게 발생하는 반응열은 용선에 투입된 스크랩과 티타늄 함유 철광석을 용해시키는 열원으로 작용한다. 그리고 배가스 중 일산화탄소는 취입되는 가스에 함유된 산소와 다시 반응하여 이산화탄소(CO2)를 발생시키며, 이러한 반응, 즉 2차 연소반응을 통해 스크랩과 티타늄 함유 철광석을 용해시키는 열원이 확보되게 된다.
한편, 정련용기(100)로 가스가 취입됨에 따라 용선의 온도가 상승하게 되는데, 이때 용선에 투입된 티타늄 함유 철광석은 용해되고 티타늄 함유 철광석에 함유된 철(Fe) 및 티타늄 성분이 환원된다.
즉, 도 3을 참조하면 티타늄 함유 광석에는 철과 티타늄이 Fe3 - xTixO4 화합물형태로 존재하는데, 탈탄 반응 및 일산화탄소와 산소 간의 2차 연소 반응에 의해 용선의 온도가 상승함에 따라 철은 단계적으로 환원되어 용선이 된다. 그리고 티타늄은 온도가 상승함에 따라 Fe3 - xTixO4 화합물 형태에서 Fe2TiO4, FeTiO3, FeTi2O5 형태를 거쳐 이산화티탄(TiO2)으로 환원되어 슬래그를 형성한다. 이와 같은 환원과정은 약 620 내지 1520℃ 정도의 온도에서 이루어지며, 이산화티탄은 1100℃ 이상의 온도에서 형성되게 된다.
도 4를 참조하면, 티타늄 함유 철광석에 함유된 산소 성분은 용선 중 탄소 성분과 반응하여 일산화탄소(CO)를 발생시켜 배가스로 배출되고, 화합물 형태로 존재하던 철(Fe)은 환원되어 용선으로 되며, 티타늄은 이산화티탄(TiO2)로 환원되어 슬래그를 형성하게 된다. 이때, 용선 중에 함유된 탄소의 양이 매우 제한적이므로, 철과 이산화티탄의 환원율을 높이기 위해 탄소 성분을 포함하는 환원제가 저취 노즐(130)을 통해 용선 중으로 투입되는 것이다.
이와 같은 방법으로 티타늄 함유 철광석으로부터 유가 금속인 티타늄을 이산화티탄 형태로 환원시켜 이산화티탄이 농축된 슬래그를 제조할 수 있다.
용선 및 이산화티탄을 포함하는 슬래그의 제조가 완료되면, 랜스(200)를 통한 산소를 함유하는 가스의 취입 및 저취 노즐(130)을 통한 환원제, 산소, 천연가스 및 불활성 가스의 취입을 중단한다.
이후, 정련용기(100)를 경동시켜 정련용기(100)의 출강구(120)를 통해 용선을 수강 레이들로 출강하여 후속 공정으로 이동시킨다. 그리고 정련용기(100)에 잔류하는 슬래그, 즉 이산화티탄이 농축된 슬래그를 배재한다. 배재된 슬래그는 냉각시킨 후 별도의 처리 공정을 통해 티타늄 스펀지를 제조하거나, 금속 티타늄(Ti)으로 환원하여 제강공정 등에 사용할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술 되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 용선 20: 슬래그
30: 스크랩 100: 티타늄 함유 철광석
110: 노구 120: 출강구
130: 저취 노즐 200: 랜스
30: 스크랩 100: 티타늄 함유 철광석
110: 노구 120: 출강구
130: 저취 노즐 200: 랜스
Claims (9)
- 티타늄(Ti)과 철(Fe)이 화합물 형태로 존재하는 원료를 마련하는 과정;
상기 원료와, 스크랩을 정련 용기에 투입하는 과정;
상기 정련 용기에 용선을 장입하는 과정;
상기 정련 용기에 산소를 포함하는 가스를 취입하는 과정;
상기 용선 중에 탄소를 함유하는 환원제를 투입하는 과정;
을 포함하고,
상기 용선 중에 함유되는 탄소 성분과 상기 환원제가 상기 원료 중의 산소 성분과 반응하여 발생하는 일산화탄소를 상기 산소를 포함하는 가스와 반응시켜 상기 용선의 온도를 상승시킴으로써 상기 원료에 화합물 형태로 존재하는 티타늄을 상기 용선이 정련되면서 발생하는 슬래그에 TiO2 형태로 환원시켜 포함시킨 후 상기 슬래그에 함유되는 TiO2를 금속 티타늄으로 환원시키기 위해 상기 슬래그를 배재하는 금속 산화물 회수방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 원료는 티탄철석(iluminite), 루틸, 소렐 슬래그(sorel slag) 중 어느 하나인 금속 산화물 회수방법. - 삭제
- 청구항 3에 있어서,
상기 탄소를 함유하는 환원제는 코크스, 제강 더스트, 미분탄 및 무연탄 중 적어도 어느 하나인 금속 산화물 회수방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 산소를 포함하는 가스를 취입하는 과정에서 상기 용선 중에 함유되는 탄소 성분과 상기 가스 중의 산소 및 상기 원료 중에 함유되는 산소와 반응하여 일산화탄소를 포함하는 배가스를 생성하는 상기 용선의 탈탄이 이루어지는 금속 산화물 회수방법. - 삭제
- 청구항 6에 있어서,
상기 TiO2는 1100℃ 이상의 온도에서 형성되는 금속 산화물 회수방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 배가스 중 상기 일산화탄소는 상기 산소를 포함하는 가스와 반응하여 이산화탄소를 생성하는 연소 반응을 일으키는 금속 산화물 회수방법.
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