KR101623873B1 - 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 환원제 - Google Patents

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 환원제 Download PDF

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Abstract

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 환원제를 제공한다. 본 발명에 따르면, SiO2(규석광 또는 규암)에 혼합되어 실리콘 또는 페로실리콘을 제조하기 위한 환원제 제조 방법에 있어서, 탄소(C)를 함유하는 제1 환원제를 준비하는 제1 환원제 준비 단계, 상기 제1 환원제와 다른 종류의 탄소를 함유하는 제2 환원제를 준비하는 제2 환원제 준비 단계, 상기 제1, 제2 환원제와 다른 종류의 제3 환원제로서 탄소를 함유하는 커피 부산물을 준비하는 커피 부산물 준비 단계, 및 상기 제1, 제2 환원제와 상기 커피 부산물을 고정탄소 기준 소정의 배합비율로 배합하는 배합 단계를 포함한다.

Description

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 환원제{METHOD FOR MANUFACTURING reductant for Production of Silicon or Ferrosilicon, and reductant MANUFACTURED BY THE METHOD}
본 발명은 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 환원제에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제로 반응성이 우수하면서 가격이 저렴한 원료를 사용하여 고품질 저원가 생산이 가능한 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 환원제에 관한 것이다.
실리콘(silicon) 및 페로실리콘(ferrosilicon) 소재는 반도체, 태양광, 철강 합금원소 등에 사용되는 원소로, 일반적으로 규석광과 탄소 환원제를 고온의 아크로(arc furnace)에서 환원 반응시켜 얻는 것이 일반적이며 그 반응식은 아래와 같다.
SiO2 + 2C → Si + 2CO
실리콘 및 페로실리콘을 제조하기 위해 아크로에 투입되는 원료는 규석광이 기본적이며 탄소를 함유하는 환원제는 차콜(charcoal), 저회분 석탄(low ash coal), 석유 코크스(petroleum coke), 우드칩(woodchip) 등의 다양한 원료가 사용 가능하다. 일반적으로 남미, 유럽 등에서는 차콜(charcoal)과 저회분 석탄(low ash coal)을 사용하고 우드칩(woodchip)을 함께 적용하는 것이 일반적이며 중국의 경우에는 석유 코크스(petroleum coke)을 적용하여 페로실리콘을 생산하고 있다.
그러나, 실리콘 및 페로실리콘의 환원제로 차콜(charcoal)이 가장 우수하고 반응성이 뛰어나지만 다른 환원제에 비해서 고가인 문제가 있다. 또한, 환원제로 우드칩(woodchip)도 동일한 특성을 나타내고 있어 이를 활용하는 경우도 있지만 역시 고가인 문제가 있다. 또한, 저가의 환원제인 석유 코크스(petroleum coke)는 석유 산업 부산물로 순도는 우수하나 반응성이 낮은 편으로 아크로 조업에서 대량 투입이 어려운 문제점이 있다.
이에 따라 대부분의 실리콘 및 페로실리콘 생산 현장에서는 3~4종류의 환원제를 배합하여 사용하는 것이 일반적이며 반응성이 유지되면서 가격이 낮은 원료를 사용하는 것이 기본적이 원료 배합의 원칙이다.
따라서, 반응성이 우수하면서 가격도 저렴한 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 적용하는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제로 반응성이 우수하면서 가격이 저렴한 원료를 사용하여 고품질 저원가 생산이 가능한 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 환원제를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, SiO2(규석광 또는 규암)에 혼합되어 실리콘 또는 페로실리콘을 제조하기 위한 환원제 제조 방법에 있어서,
탄소(C)를 함유하는 제1 환원제를 준비하는 제1 환원제 준비 단계,
상기 제1 환원제와 다른 종류의 탄소를 함유하는 제2 환원제를 준비하는 제2 환원제 준비 단계,
상기 제1, 제2 환원제와 다른 종류의 제3 환원제로서 탄소를 함유하는 커피 부산물을 준비하는 커피 부산물 준비 단계, 및
상기 제1, 제2 환원제와 상기 커피 부산물을 고정탄소 기준 소정의 배합비율로 배합하는 배합 단계를 포함하는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 커피 부산물 준비 단계는 상기 커피 부산물의 수분 함량을 측정하여 고정탄소의 값이 일정하게 유지되도록 수분 함량을 조절하는 수분 함량 조절 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 환원제는 석유 코크스(petroleum coke)로 이루어지며,
또한, 상기 제2 환원제는 저회분 석탄(low ash coal)으로 이루어질 수 있다.
상기 커피 부산물은 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~50wt%를 차지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법에 의하여 제조된 환원제에 있어서,
탄소(C)를 함유하는 제1 환원제,
상기 제1 환원제와 다른 종류의 탄소를 함유하는 제2 환원제, 및
상기 제1, 제2 환원제와 다른 종류의 제3 환원제로서 탄소를 함유하는 커피 부산물을 포함하고,
상기 제1, 제2 환원제와 상기 커피 부산물는 고정탄소 기준 소정의 배합비율로 배합되는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법에 의하여 제조된 환원제가 제공될 수 있다.
상기 커피 부산물의 수분 함량을 측정하여 상기 커피 부산물의 고정탄소의 값이 일정하게 유지되도록 상기 커피 부산물의 수분 함량이 조절될 수 있다.
상기 제1 환원제는 석유 코크스(petroleum coke)로 이루어지며,
또한, 상기 제2 환원제는 저회분 석탄(low ash coal)으로 이루어질 수 있다.
상기 커피 부산물은 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~50wt%를 차지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제로 반응성이 우수하면서 가격이 저렴한 커피 부산물을 사용함으로써, 환원제인 차콜(charcoal)과 우드칩(woodchip)의 사용을 줄여 실리콘 및 페로실리콘의 생산 원가를 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법은, SiO2(규석광 또는 규암)에 혼합되는 탄소를 함유하는 환원제를 제조하기 위한 방법에 있어서,
탄소(C)를 함유하는 제1 환원제를 준비하는 제1 환원제 준비 단계(S10),
상기 제1 환원제와 다른 종류의 탄소를 함유하는 제2 환원제를 준비하는 제2 환원제 준비 단계(S20),
상기 제1, 제2 환원제와 다른 종류의 제3 환원제로서 탄소를 함유하는 커피 부산물을 준비하는 커피 부산물 준비 단계(S30), 및
상기 제1, 제2 환원제와 상기 커피 부산물을 고정탄소 기준 소정의 배합비율로 배합하는 배합 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 커피 부산물 준비 단계(S30)는 상기 커피 부산물의 수분 함량을 측정하여 상기 커피 부산물의 고정탄소의 값이 일정하게 유지되도록 수분 함량을 조절하는 수분 함량 조절 단계(S31)를 포함할 수 있다.
상기 제1 환원제는 석유 코크스(petroleum coke)로 이루어질 수 있으며,
또한, 상기 제2 환원제는 저회분 석탄(low ash coal)으로 이루어질 수 있다.
상기 커피 부산물은 환원제로서 반응성을 유지함과 아울러 차콜과 우드칩의 사용량을 줄이면서 생산 원가를 저감할 수 있도록 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~50wt%를 차지할 수 있으며, 특히 30~40wt%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 제1 환원제는 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~90wt%를 차지할 수 있다.
상기 제2 환원제는 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~90wt%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 커피 부산물의 구성 성분은 예컨대, 건조물 기준으로, 고정 탄소(Fixed Carbon) 16~20wt%, 휘발 성분(Volatile Matter) 75~82wt%, 회분(Ash) 1~3wt%을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법에 의하여 제조된 환원제는,
탄소(C)를 함유하는 제1 환원제,
상기 제1 환원제와 다른 종류의 탄소를 함유하는 제2 환원제, 및
상기 제1, 제2 환원제와 다른 종류의 제3 환원제로서 탄소를 함유하는 커피 부산물을 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 환원제와 상기 커피 부산물는 고정탄소 기준 소정의 배합비율로 배합될 수 있다.
상기 커피 부산물의 수분 함량을 측정하여 상기 커피 부산물의 고정탄소의 값이 일정하게 유지되도록 수분 함량 조절부(미도시)에 의하여 상기 커피 부산물의 수분 함량이 조절될 수 있다.
상기 제1 환원제는 석유 코크스(petroleum coke)로 이루어질 수 있으며,
또한, 상기 제2 환원제는 저회분 석탄(low ash coal)으로 이루어질 수 있다.
상기 커피 부산물은 환원제로서 반응성을 유지함과 아울러 차콜과 우드칩의 사용량을 줄이면서 생산 원가를 저감할 수 있도록 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~50wt%를 차지할 수 있으며, 특히 30~40wt%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 제1 환원제는 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~90wt%를 차지할 수 있다.
상기 제2 환원제는 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~90wt%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 커피 부산물의 구성 성분은 예컨대, 건조물 기준으로, 고정 탄소(Fixed Carbon) 16~20wt%, 휘발 성분(Volatile Matter) 75~82wt%, 회분(Ash) 1~3wt%을 함유할 수 있다.
[본 발명의 환원제 제조 원리]
커피 부산물(Coffee Reisude)과 우드칩(woodchip)의 구성성분을 비교하면 아래 표 1과 같다. 대부분 성분의 함량이 일치하고 있어 대체 원료로 적용하기 적합하다.
성분 우드칩(Woodchip) 커피 부산물
수분 (wt%) 38.0 11.5
휘발성분 (wt%) 50.5 69.5
회분 (wt%) 0.6 0.7
고정탄소 (wt%) 10.9 18.3
페로실리콘 중 실리콘 함량이 75%인 FeSi75 제품을 생산하기 위해서는 이론적으로 SiO2 광석이 1.6톤이 필요하나 일반적으로 수율을 고려하면 1.8톤 내외로 투입하는 것이 바람직하다. 여기에 탄소의 양은 0.73톤 내외로 투입하는 것이 일반적이며 이는 고정탄소 기준이다.
일반적으로 차콜(charcoal)은 80% 내외의 고정탄소를 함유하고, 석유 코크스(petroleum coke)는 90% 내외 고정탄소를 함유하며, 저회분 석탄(low ash coal)은 60% 내외의 고정탄소를 함유하고, 우드칩(woodchip)은 10~20%의 고정탄소를 함유하고 있다. 이러한 원료를 배합하여 대체적으로 고정탄소의 값이 당량 대비 95%선으로 유지하여 생산하는 것이 바람직한 조업법으로 알려져 있다.
원료 배합에 있어 고정탄소가 많고 저원가인 석유 코크스(petroleum coke)를 조업에 나쁜 영향이 없는 30%까지 사용하고 나머지 원료의 일부를 저원가 커피 부산물로 대체한다. 커피 부산물을 투입하는 대신 고가인 차콜(charcoal)과 우드칩(woodchip)을 투입하지 않는 원료 배합이 가능하다.
[제조공정]
규석광과 환원제 배합원료(제1 환원제, 제2 환원제, 및 커피 부산물을 배합)를 일정하게 혼합하여 아크로에 주기적으로 투입하고 로체 하부에서 용탕이 발생하면 출탕하는 방식으로 연속 조업한다. 커피 부산물의 수분 함량은 기후에 따라 변화하므로 일단위로 수분량을 측정하여 고정 탄소의 값이 일정하게 유지되도록 한다.
[실시예]
1) 발명예
하기 표 2에 명시된 환원제를 배합하고 규석광 61kg에 대응하도록 철스크랩을 다시 배합하여 5회에 나누어서 투입한다. 직류형 아크로에 투입하여 생성되는 70kW 수준에서 운전하고 대략 10시간 내외로 반응시켜 최종 결과물을 얻는다.
구 분 배합성분
비교1 비교2 발명1 발명2
배합
비율
(고정
탄소
기준)		 Petroleum Coke 30 30 30 30
Low Ash Coal 40 40 40 30
Charcoal 20 0 - -
Woodchip 10 30 - -
Coffee Reisude - - 30 40
페로실리콘의 양을 측정하고, 이 때 kg당 투입되는 전력의 양을 계산하여 실리콘 회수율 및 실리콘 1kg에 필요한 값을 얻는다. 각 예에 대한 실리콘 회수량 및 kg당 투입 전력량은 아래 표 3에 나타내었다.
구 분 비교1 비교2 발명1 발명2
실리콘 회수량 (kg) 21.7 23.4 17.5 16.7
전략량(kWh/kg) 30.5 31.3 30.5 31.4
먼지 및 흄 발생량(kg) 0.3 0.7 0.9 0.9
위의 결과와 같이 실리콘이 회수되는 양은 비교1과 2의 경우보다 낮은 편이었으나 전체적으로 kg당 투입된 전력비는 거의 유사함을 확인할 수 있다. 또한, 먼지나 흄의 발생이 비교보다 다소 증가하는 양상을 보이고 있으나 투입시 브리켓이나 펠렛 형태로 투입하면 개선될 수 있다.
2) 비교예
앞에서 기술된 바와 같이 일반적으로 차콜(charcoal)과 우드칩(woodchip)을 적용한 경우로 비교1은 차콜(charcoal)과 우드칩(woodchip)을 배합한 경우이고 비교2는 우드칩(woodchip)만 사용한 경우이다.
S10: 제1 환원제 준비 단계 S20: 제2 환원제 준비 단계
S30: 커피 부산물 준비 단계 S40: 배합 단계

Claims (8)

  1. SiO2에 혼합되어 실리콘 또는 페로실리콘을 제조하기 위한 환원제 제조 방법에 있어서,
    탄소(C)를 함유하는 제1 환원제를 준비하는 제1 환원제 준비 단계,
    상기 제1 환원제와 다른 종류의 탄소를 함유하는 제2 환원제를 준비하는 제2 환원제 준비 단계,
    상기 제1, 제2 환원제와 다른 종류의 제3 환원제로서 탄소를 함유하는 커피 부산물을 준비하는 커피 부산물 준비 단계, 및
    상기 제1, 제2 환원제와 상기 커피 부산물을 고정탄소 기준 일정한 배합비율로 배합하는 배합 단계
    를 포함하고,
    상기 커피 부산물의 구성 성분은 건조물 기준으로, 고정 탄소(Fixed Carbon) 16~20wt%, 휘발 성분(Volatile Matter) 75~82wt%, 회분(Ash) 1~3wt%을 함유하고,
    상기 제1 환원제 또는 상기 제2 환원제는 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~90wt%를 차지하고,
    상기 커피 부산물은 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~50wt%를 차지하는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커피 부산물 준비 단계는 상기 커피 부산물의 수분 함량을 측정하여 고정탄소의 값이 일정하게 유지되도록 수분 함량을 조절하는 수분 함량 조절 단계를 포함하는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 환원제는 석유 코크스(petroleum coke)로 이루어지며,
    또한, 상기 제2 환원제는 저회분 석탄(low ash coal)으로 이루어지는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법에 의하여 제조된 환원제에 있어서,
    탄소(C)를 함유하는 제1 환원제,
    상기 제1 환원제와 다른 종류의 탄소를 함유하는 제2 환원제, 및
    상기 제1, 제2 환원제와 다른 종류의 제3 환원제로서 탄소를 함유하는 커피 부산물을 포함하고,
    상기 제1, 제2 환원제와 상기 커피 부산물는 고정탄소 기준 일정한 배합비율로 배합되고,
    상기 커피 부산물의 구성 성분은 건조물 기준으로, 고정 탄소(Fixed Carbon) 16~20wt%, 휘발 성분(Volatile Matter) 75~82wt%, 회분(Ash) 1~3wt%을 함유하고,
    상기 제1 환원제 또는 상기 제2 환원제는 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~90wt%를 차지하고,
    상기 커피 부산물은 환원제 전체 중량 대비 고정탄소 기준 10~50wt%를 차지하는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법에 의하여 제조된 환원제.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 커피 부산물의 수분 함량을 측정하여 상기 커피 부산물의 고정탄소의 값이 일정하게 유지되도록 상기 커피 부산물의 수분 함량이 조절되는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법에 의하여 제조된 환원제.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 환원제는 석유 코크스(petroleum coke)로 이루어지며,
    또한, 상기 제2 환원제는 저회분 석탄(low ash coal)으로 이루어지는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조 방법에 의하여 제조된 환원제.
  8. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006078023A1 (ja) * 2005-01-24 2006-07-27 Osaka Industrial Promotion Organization バイオマス固形物及びその製造方法

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