KR101630995B1 - 페로니켈의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환원제 및 에너지의 사용을 절감하고 제조 시간을 단축할 수 있는 페로니켈의 제조 방법에 관한 것으로, 니켈광석을 건조 및 소성하여 소성광석을 제조하는 단계; 니켈광석을 습식 제련하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하는 니켈 케이크를 제조하는 단계; 상기 니켈 케이크를 배소로에서 건조 및 배소 처리 후, 단광법 (Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체 (Pellet)을 제조하는 단계; 전기로에 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 교차하여 층을 이루도록 장입한 후, 용융 환원을 통하여 15~20중량%의 Ni을 포함하는 페로니켈을 얻는 단계를 포함하는 페로니켈의 제조 방법을 제공한다.

Description

페로니켈의 제조 방법 {METHOD OF FORMING A FERRONIKEL}

본 발명은 특수강 등의 제조 시에 첨가될 수 있는 페로니켈의 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 환원제 및 에너지의 사용을 절감하고 제조 시간을 단축할 수 있는 페로니켈의 제조 방법에 관한 것이다.

종래에 페로니켈 (Fe-Ni)을 생산하는 대표적인 방법으로는 건식 방법인 RKEF법이 있는데, 이는 Ni을 2중량% 이상 포함하는 고품위 광석인 사프로라이트 (Saprolite) 광석을 건조 및 소성 과정을 통하여 수분을 제거하고, 1200℃ 이상 고온의 로타리 킬른 (Rotary Kiln)에서 예비환원을 거치고, 광석 내 맥석 등의 불순물 제거를 위해 환원제와 혼합하여 전기로에 투입 후 용융 환원을 거쳐 페로니켈을 제조하는 방법이다.

그러나, 상기와 같이 Ni의 함량이 낮은 사프로라이트 (Saprolite) 광석 내의 수분 (30~35%)만을 제거한 원료 전체를 환원제와 혼합 후, 전기로에 투입하여 용융하고 있어, Ni 환원에 필요한 환원제의 투입량도 많을 뿐 아니라, 불필요한 다량의 맥석류(MgO, SiO₂ 등)들도 함께 전기로 용융 작업을 하기 때문에 상당히 많은 전력을 필요로 한다는 문제가 있다.

본 발명은 환원제 및 에너지의 사용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 시간도 단축할 수 있는 페로니켈의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일태양은 니켈광석을 건조 및 소성하여 소성광석을 제조하는 단계; 니켈광석을 습식 제련하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하는 니켈 케이크를 제조하는 단계; 상기 니켈 케이크를 배소로에서 건조 및 배소 처리 후, 단광법 (Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체를 제조하는 단계; 전기로에 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 교차하여 층을 이루도록 장입한 후, 용융 환원을 통하여 15~20중량%의 Ni을 포함하는 페로니켈을 얻는 단계를 포함하는 페로니켈의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일태양은 니켈광석을 건조 및 소성하여 소성광석을 제조하는 단계; 니켈광석을 습식 제련하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하는 니켈 케이크를 제조하는 단계; 상기 니켈 케이크를 배소로에서 건조 및 배소 처리 후, 단광법 (cold or Hot Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체 (Pellet)을 제조하는 단계; 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 혼합하여, 3~5중량%의 Ni을 포함하는 혼합 소성광을 제조하는 단계; 전기로의 전극봉 방면에는 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체가 교차하여 층을 이루도록 장입하고, 상기 전기로의 내벽 방면에는 상기 혼합 소성광을 장입한 후, 용융 환원을 통하여 15~20중량%의 Ni을 포함하는 페로니켈을 얻는 단계를 포함하는 페로니켈의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 의하여 전기로 용융환원을 위하여 첨가되는 환원제 및 스크랩 등의 투입양을 줄일 수 있고, 전기로에서의 전력의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 전기로에서의 용융환원의 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 환원제 및 에너지의 사용을 절감하고 제조 시간을 단축할 수 있는 페로니켈을 제조하는 방법에 관한 것으로, 이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 일태양의 페로니켈의 제조 방법은 니켈광석을 건조 및 소성하여 소성광석을 제조하는 단계; 니켈광석을 습식 제련하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하는 니켈 케이크를 제조하는 단계; 상기 니켈 케이크를 배소로에서 건조 및 배소 처리 후, 단광법 (Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체 (Pellet)를 제조하는 단계; 전기로에 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 교차하여 층을 이루도록 장입한 후, 용융 환원을 통하여 15~20중량%의 Ni을 포함하는 페로니켈을 얻는 단계를 포함한다.

상기 소성광석 및 니켈 케이크를 제조하기 위하여, 본 발명에서 사용될 수 있는 니켈 광석으로는 고품위 니켈광석인 사프로라이트 (Saprolite) 광석을 사용할 수도 있으나, 저품위 니켈광석인 리모나이트 (limonite) 광석을 사용하여도 제조 가능하다. 리모나이트 (limonite) 광석의 성분은 Ni 0.8~1.7%, Fe 35~47%, Si 5~20% 범위를 가진다. 사프로라이트 또는 리모나이트 광석의 수분을 제거하기 위해서 Flash type dry & Calcine 설비 또는 Rotary kiln 설비를 활용하여 30~45% 수준의 수분을 제거하고, Flash type은 고온의 가스를 1mm이하로 파쇄된 리모나이트 광석과 유동을 시켜 700℃ 이상 고온에서 건조 및 소성시키고, Rotary kiln 방식은 직/간접 가열을 통하여 건조 및 소성시킴으로써, 니켈광석으로부터 상기 소성광석을 제조할 수 있다.

상기 니켈 케이크는 니켈광석을 습식제련을 통하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하도록 제조된 것이다. 상기 니켈 케이크를 제조하는 바람직한 일 예는 다음과 같다. 사프로라이트 또는 리모나이트 등의 니켈광석 내의 수분을 제거한 후, 수소 환원로 (Rotary kiln)에 장입 후 수소를 통해 Ni, Fe 등 금속성분을 60~90%까지 환원을 시키고, 환원된 광석을 물이 담긴 급냉조 (Quenching Tank)에서 물과 환원 광석이 1:1.5 비율로 혼합된 슬러리 (slurry)를 만든다. 상기 슬러리 (slurry)를 염산을 이용해 Fe²⁺, Ni²⁺ 등으로 이온화 시킨 후, 약 0~0.5 정도의 pH를 가지는 이온화 슬러리를 소석회 또는 MgO, Fe(OH)₂ 등과 같은 중화제 성분으로 pH 2.6~3.5로까지 중화를 시킨다. 상기 중화 후, 중화된 슬러리는 필터 프레스 (Filter press)를 통해 고체와 액체를 분리되고, 중화 후 고체와 액체 분리공정을 실시함으로써, 슬러리 (Slurry) 내 맥석류(MgO, SiO₂ 등)가 잘 분리될 수 있다. 상기 고액 분리 (고체와 액체 분리) 후, 액체는 석출공정을 거치는데 이때 석출을 용이하게 하기 위해 상기 급냉조 (Quenching Tank) 내의 환원광석을 시드 (Seed)로서 10~15% 로 투입할 수 있다. 상기 석출 공정 이후 필터 프레스 (Filter press)를 통해 다시 한번 고액 분리가 되고, 여기서 고체는 수분을 10~25중량%, Ni을 7~12% 포함되도록 농축되며, 상기 분리된 고체의 탈염기를 위하여 750~900℃ 온도의 Rotary kiln type의 배소로로 투입되어 배소공정을 거친다. 상기 분리된 고체를 배소공정 후, 750℃ 이상의 온도에서 열간성형(Hot briquetting)을 실시하여 니켈 케이크가 제조될 수 있으며, 상기 열간성형을 실시하지 않고 당밀 등 바인더(Binder)를 10%정도 혼합하여 냉간성형으로 고농축 니켈 케이크를 제조할 수도 있다.

상기 니켈 케이크는 단광법 (Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체를 제조할 수 있다. 여기에서 단광법은 열간 또는 냉간 어느 것으로도 실시할 수 있으며, 제조된 니켈 케이크 성형체는 8~200cm³의 부피를 갖는 것이 바람직하다. 상기 니켈 케이크 성형체의 모양에는 제한이 없으나, 상기 부피로 크기에 제한을 두는 것은 전기로 내 용융 작업 시 내부 통기성 확보할 수 있는 크기이며, 소성광석과 혼합하여 전기로에 장입 시 적합한 크기의 비율을 가질 수 있는 바람직한 부피 범위를 나타내는 것이다.

상기 전기로에서 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 교차하여 층을 이루도록 장입할 시에, 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 장입하는 부피비율은 1:1 ~ 1:5인 것이 바람직하다. 혼합 비율은 혼합되는 상기 소성광석의 Ni 품위와 니켈 케이크 성형체의 Ni 품위를 고려하여 혼합비를 조절할 수 있으며, 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 장입 비율이 1:1 미만으로 니켈 케이크 성형체가 더 적게 장입될 경우에는 최종 생산되는 페로니켈의 니켈 함유 수준을 만족할 수 없고, 1:5를 초과하여 케이크 성형체가 더 많게 장입될 경우에는 니켈 케이크 성형체의 생산량을 충족하는데 어려움이 있기 때문에, 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 장입하는 비율을 1:1 ~ 1:5의 비율로 장입하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전기로에 층을 이루어 장입되는 상기 소성 광석 또는 상기 니켈 케이크 성형체의 두께는 각각의 생산량에 따라 달라지나 그 두께의 비는 1:1 ~ 1:5가 바람직하며, 상기 소성광석의 두께는 범위 없이 무관하나 상기 니켈 케이크 성형체는 5cm 이상의 두께를 확보되어야 Ni 품위 및 광석 용융을 위한 통기성에 효과적이어서 전기로 내부 가스 폭발과 같은 사고를 방지할 수 있으므로, 상기 니켈 케이크 성형체는 5cm 이상의 두께로 장입되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 일태양의 페로니켈의 제조 방법은 니켈광석을 건조 및 소성하여 소성광석을 제조하는 단계; 니켈광석을 습식 제련하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하는 니켈 케이크를 제조하는 단계; 상기 니켈 케이크를 배소로에서 건조 및 배소 처리 후, 단광법 (Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체를 제조하는 단계; 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 혼합하여, 3~5중량%의 Ni을 포함하는 혼합 소성광을 제조하는 단계; 전기로의 전극봉 방면에는 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체가 교차하여 층을 이루도록 장입하고, 상기 전기로의 내벽 방면에는 상기 혼합 소성광을 장입한 후, 용융 환원을 통하여 15~20중량%의 Ni을 포함하는 페로니켈을 얻는 단계를 포함한다.

상기 혼합 소성광을 제조하는 단계에서 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 2:1의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체의 Ni 품위 상이점을 고려하여 혼합 원료의 Ni 품위를 약 5% 내외 수준으로 높이기 위함이다. 기존 조업 노하우 및 전극봉 주변부와의 Ni 품위 변화량을 적정 수준으로 가져가기 위하여 이에 제한되지 않고 최적 혼합비율로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 전기로 내 전극봉 방면에는 전극에 의한 아크열의 영향을 크게 받을 수 있는 고열 부분으로 맥석류가 많은 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 혼합하여 장입하지 않더라도 용융환원 반응이 용이하게 이루어 질 수 있으나, 전기로 내벽 방면으로는 거대한 내부용적으로 인해 전극봉 주변부보다는 아크열의 영향도가 낮을 수 있으므로, 전기로의 내벽 방면에는 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체가 2:1의 적정한 비율로 혼합된 상기 혼합 소성광 상태로 투입이 되어야 원료의 Ni 품위 상이점(소성광석 약 2%, 니켈 케이크 성형체 5~10%)을 상쇄시킬 수 있으며 용융환원도 쉽게 이루어 질 수 있다.

또한, 상기 전기로의 전극봉 방면에 층을 이루어 장입되는 상기 니켈 케이크 성형체의 두께는 5cm 이상의 두께로 장입되는 것이 바람직하다. 상기 소성광석의 두께는 범위 없이 무관하나 상기 니켈 케이크 성형체는 5cm 이상의 두께를 확보되어야 Ni 품위 및 광석 용융을 위한 통기성에 효과적이어서 전기로 내부 가스 폭발과 같은 사고를 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

[ 실시예 ]

표 1에서는 종래의 건식 제련 공정 중에서 가장 높은 효율을 가지는 에스엔엔씨 (SNNC) 사에서의 공정인 비교예와 본 발명에 따라 니켈 케이크 성형체를 혼합 투입하는 공정인 발명예를 비교하여 나타내고 있다. 표 1에서 비교예와 발명예의 용융환원 시 사용되는 전력사용량과 용융환원에 투입되는 니켈 품위 그리고 용융환원 대상량 비를 나타내었다. 표 1의 수치들은 Pilot 고주파유도로 설비를 통한 실험 데이터와 성분에 따른 Factsage 열역학 계산값에 의해 산출 및 예측된 수치들이다.

구 분	비교예	발명예	비 고
전력사용 원단위	0.5MW/ton	0.45MW/ton	종래대비 10% 저감
Ni 품위	2.0~2.3%	2.3%±0.5%	용융환원 원료의 Ni 품위
용융환원 대상량 비	100%	80~90%	종래 기술 100% 기준

표 1을 살펴보면, 비교예에서는 전력사용 원단위로 광석 톤당 0.5MW가 소요되며, 이때 대상 원료의 Ni 품위는 2.3% 수준이며 용융환원량은 소성광 기준 Ni 톤당 47.4톤이 필요하다.

반면, 발명예에서는 니켈 케이크 성형체를 혼합 투입함으로써 원료 평균 Ni 품위를 0.5% 이상 올릴 수 있어 용융환원 절대량은 기존 대비 80~90% 수준으로 낮출 수 있고, 전극봉의 용융 효율을 고려해 기존 대비 용융환원에 사용되는 전력 원단위를 10% 절감할 수 있다.

이와 같이, 발명예는 혼합 소성광의 용융환원 대상량이 종래 사프로라이트 (saprolite) 대비 Ni 품위 상승으로 적을 뿐 아니라, 전극봉의 용융 효율이 향상되어 비교예보다 전력 필요량을 저감할 수 있다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 니켈광석을 건조 및 소성하여 소성광석을 제조하는 단계;
   니켈광석을 습식 제련하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하는 니켈 케이크를 제조하는 단계;
   상기 니켈 케이크를 배소로에서 건조 및 배소 처리 후, 단광법 (Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체를 8~200cm³의 부피를 갖도록 제조하는 단계;
   전기로에 상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 교차하여 층을 이루도록 장입한 후, 용융 환원을 통하여 15~20중량%의 Ni을 포함하는 페로니켈을 얻는 단계를 포함하고,
   상기 전기로에 층을 이루어 장입되는 상기 니켈 케이크 성형체의 두께는 5cm 이상인 페로니켈의 제조 방법.
   
2. 니켈광석을 건조 및 소성하여 소성광석을 제조하는 단계;
   니켈광석을 습식 제련하여 Ni: 5~10중량% 및 Fe: 40~50중량%을 포함하는 니켈 케이크를 8~200cm³의 부피를 갖도록 제조하는 단계;
   상기 니켈 케이크를 배소로에서 건조 및 배소 처리 후, 단광법 (Briquetting) 또는 펠레타이징 (Pelletzing)을 통하여 니켈 케이크 성형체를 제조하는 단계;
   상기 소성광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 혼합하여, 3~5중량%의 Ni을 포함하는 혼합 소성광을 제조하는 단계;
   전기로의 전극봉 방면에는 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체가 교차하여 층을 이루도록 장입하고, 상기 전기로의 내벽 방면에는 상기 혼합 소성광을 장입한 후, 용융 환원을 통하여 15~20중량%의 Ni을 포함하는 페로니켈을 얻는 단계를 포함하고,
   상기 전기로의 전극봉 방면에층을 이루어 장입되는 상기 니켈 케이크 성형체의 두께는 5cm 이상인 페로니켈의 제조 방법.
   
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전기로에 장입되는 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 장입하는 부피비율은 1:1 ~ 1:5인 페로니켈의 제조 방법.
   
5. 삭제
6. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합 소성광을 제조하는 단계에서 상기 소성 광석과 상기 니켈 케이크 성형체를 2:1의 부피비율로 혼합하는 페로니켈의 제조 방법.
   
7. 삭제