KR101815977B1 - 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법으로서, 니켈 광석에 함유된 니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 금속화율을 증가시키기 위하여 니켈 광석과 함께 탄산나트륨을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시키는 단계와, 예비 환원된 결과물을 전기로에서 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시키고, 상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 페로니켈 공정에서 금속화율을 높여 페로니켈 제조 공정 중의 전기로에서 사용되는 에너지를 저감할 수 있고 부산물로 발생하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 감소시킬 수 있다.

Description

페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법{Method for reducing nikel content in ferronikel slag}
본 발명은 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법에 관한 것이다.
철강의 합금원료로 가장 중요한 금속 중의 하나인 니켈은 기계산업의 발전과 더불어 비철합금, 스테인레스강, 도금, 내식, 내열재 및 자성재료 등으로 사용되고 있다. 일반적으로 니켈과 철의 합금을 페로니켈이라고 하며, 합금철강의 수요 증가로 페로니켈 수요도 증가하는 추세이다. 기존 페로니켈 제조공정에서는 다량의 열원을 소모하며, 니켈원광의 니켈 함량이 매우 낮아 부산물인 페로니켈 슬래그 역시 다량 발생하고 있다.
국내 유일의 페로니켈 제조공장인 SNNC에서는 페로니켈의 원료가 되는 니켈광으로서 광석 내 니켈 함량이 2% 정도의 사포나이트(saponite)를 원료로 사용하고 있으며, 대부분의 원료는 남태평양의 뉴칼레도니아에서 수입하고 있다.
페로니켈 제조공정을 살펴보면 다음과 같다.
(1) 원료 처리 공정
뉴칼레도니아에서 수입한 니켈 광석이 입고되면, 원료 성분을 균일하게 유지하기 위하여 분출기(Reclaimer)를 이용하여 여러 종류의 광석을 적정한 비율로 혼합하고 건조기(Dryer)를 이용하여 니켈 광석 내 부착 수분을 제거하는 공정이다.
(2) 예비 환원 공정
예비 환원로 내에 공급되는 석탄의 연소에 의해 니켈 광석 중의 잔류수분을 제거하고, 니켈 산화물 및 산화철 내 산소 중 일부를 제거하는 공정이다.
(3) 전기로 공정
주 에너지로 전기를 사용하는 밀폐형 전기로에 예비 환원 공정을 거친 결과물을 용융 환원하여 약 20% 니켈 금속을 함유하는 쇳물을 생산하는 공정이며, 이때 부산물로 발생하는 페로니켈 슬래그는 별도의 처리과정을 거치게 된다.
(4) 정련 및 주조 공정
전기로 공정에서 생산된 약 1500℃의 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후, 주조 공정에서 입철 형태의 페로니켈 제품을 생산한다.
페로니켈 슬래그는 년간 발생량이 200만톤에 이르고, 대부분 토양의 성토용 골재로 활용되거나 활용이 예정되어 있다. 그러나, 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량이 600~700 ㎎/㎏이며, 이는 토양오염 공정법상 니켈 함량 기준 1지역 100㎎/㎏, 2지역 200㎎/㎏, 3지역 500㎎/㎏을 초과하고 있어 환경법상 문제를 가지고 있다. 따라서, 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 저감하는 것이 향후 페로니켈 슬래그 재활용 측면에서 중요한 문제이다.
상기 과정 중 예비 환원로(예컨대, 로터리킬른(Rotary Kiln))에서는 니켈 산화물의 일부를 니켈 금속으로 환원하며, 이때 금속화율(니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 비율)이 높을수록 전기로 에너지 사용량과 부산물인 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 감소시킬 수 있다.
금속화율을 높이기 위해서는 좀 더 낮은 온도에서 니켈 산화물을 니켈 금속으로 변화시키거나 또는 동일 온도에서 니켈 금속으로 변화되는 양이 증가해야 한다. 환원온도를 낮추고 금속화율을 증진시키기 위해 일부 플럭스류가 사용될 수 있으나, 플럭스 성분들은 종류에 따라 내화물을 부식시키거나 혹은 금속 특성을 불량하게 만들 수 있다. 또한, 대기 환경에 좋지 못한 영향을 미칠 수도 있다. 특히, 황화물들은 내화물 부식을 촉진하며, 플로오르 계열은 대표적 휘발규제 물질이기도 하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1009034호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 탄산나트륨을 이용하거나 탄산나트륨과 석회석을 혼합한 성형품을 이용하여 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은, 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법으로서, 니켈 광석에 함유된 니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 금속화율을 증가시키기 위하여 니켈 광석과 함께 탄산나트륨을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시키는 단계와, 예비 환원된 결과물을 전기로에서 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시키고, 상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법을 제공한다.
상기 탄산나트륨은 상기 니켈 광석 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 예비 환원로에 투입하는 것이 바람직하다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
상기 제강 정련 슬래그는 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법으로서, (a) 탄산나트륨과 석회석을 혼합하고 성형하여 성형품을 제조하는 단계와, (b) 니켈 광석을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시키는 단계 및 (c) 페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 예비 환원된 결과물과 함께 상기 성형품을 전기로에 투입하고 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시키고, 상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법을 제공한다.
상기 (b) 단계에서 상기 예비 환원로에 탄산나트륨을 더 투입할 수도 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 탄산나트륨은 상기 니켈 광석 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 예비 환원로에 투입하는 것이 바람직하다.
상기 석회석은 상기 탄산나트륨 100중량부에 대하여 50∼250중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 성형품은 상기 예비 환원 결과물 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 전기로에 투입하는 것이 바람직하다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
상기 제강 정련 슬래그는 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 탄산나트륨을 이용하거나 탄산나트륨과 석회석을 혼합한 성형품을 이용하여 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시킬 수 있다.
상기 탄산나트륨을 니켈 광석과 함께 예비 환원로에 투입하여 예비 환원시키게 되면, 금속화율(니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 비율)을 높일 수가 있다. 니켈 산화물의 환원율을 높여 페로니켈 제조 공정 중의 전기로에 사용되는 에너지를 저감할 수 있고, 부산물로 발생하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 감소시킬 수 있다. 금속화율이 높아짐으로써 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도하고, 그 결과 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 토양환경기준치 이내로 감소시켜 페로니켈 슬래그의 환경성을 개선하여 성토용 골재 등으로 활용할 수가 있다.
전기로에 탄산나트륨과 석회석의 성형품을 투입하여 페로니켈 슬래그 유동도를 개선하여 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도하고, 그 결과 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 토양환경기준치 이내로 감소시켜 페로니켈 슬래그의 환경성을 개선하여 성토용 골재 등으로 활용할 수가 있다.
도 1은 실험예 1에서 Na2CO3 첨가량에 따른 니켈 광석의 금속화율을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
페로니켈 슬래그는 년간 발생량이 200만톤에 이르고, 대부분 토양의 성토용 골재로 활용되거나 활용이 예정되어 있다. 그러나, 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량이 600~700 ㎎/㎏이며, 이는 토양오염 공정법상 니켈 함량 기준 1지역 100㎎/㎏, 2지역 200㎎/㎏, 3지역 500㎎/㎏을 초과하고 있어 환경법상 문제를 가지고 있다. 따라서, 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 저감하는 것이 향후 페로니켈 슬래그 재활용 측면에서 중요한 문제이다.
본 발명은 탄산나트륨을 이용하거나 탄산나트륨과 석회석을 혼합한 성형품을 이용하여 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법을 제시한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법은, 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법으로서, 니켈 광석에 함유된 니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 금속화율을 증가시키기 위하여 니켈 광석과 함께 탄산나트륨을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시키는 단계와, 예비 환원된 결과물을 전기로에서 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시키고, 상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조하는 단계를 포함한다.
상기 탄산나트륨은 상기 니켈 광석 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 예비 환원로에 투입하는 것이 바람직하다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
상기 제강 정련 슬래그는 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법은, 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법으로서, (a) 탄산나트륨과 석회석을 혼합하고 성형하여 성형품을 제조하는 단계와, (b) 니켈 광석을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시키는 단계 및 (c) 페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 예비 환원된 결과물과 함께 상기 성형품을 전기로에 투입하고 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시키고, 상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법을 제공한다.
상기 (b) 단계에서 상기 예비 환원로에 탄산나트륨을 더 투입할 수도 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 탄산나트륨은 상기 니켈 광석 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 예비 환원로에 투입하는 것이 바람직하다.
상기 석회석은 상기 탄산나트륨 100중량부에 대하여 50∼250중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 성형품은 상기 예비 환원 결과물 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 전기로에 투입하는 것이 바람직하다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다.
상기 제강 정련 슬래그는 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
일반적인 페로니켈 제조공정을 살펴보면 다음과 같다.
(1) 원료 처리 공정
니켈 광석이 입고되면, 원료 성분을 균일하게 유지하기 위하여 분출기(Reclaimer)를 이용하여 여러 종류의 광석을 적정한 비율로 혼합하고 건조기(Dryer)를 이용하여 니켈 광석 내 부착 수분을 제거하는 공정이다.
(2) 예비 환원 공정
예비 환원로 내에 공급되는 석탄의 연소에 의해 니켈 광석 중의 잔류수분을 제거하고, 니켈 산화물 및 산화철 내 산소 중 일부를 제거하는 공정이다.
(3) 전기로 공정
주 에너지로 전기를 사용하는 밀폐형 전기로에 예비 환원 공정을 거친 결과물을 용융 환원하여 약 20% 니켈 금속을 함유하는 쇳물을 생산하는 공정이며, 이때 부산물로 페로니켈 슬래그가 발생한다.
(4) 정련 및 주조 공정
전기로 공정에서 생산된 약 1500℃의 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후, 주조 공정에서 입철 형태의 페로니켈 제품을 생산하는 공정이다.
본 발명은 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법을 제시한다.
<실시예 1>
니켈 광석에 함유된 니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 비율(금속화율)을 증가시키기 위하여 니켈 광석과 함께 탄산나트륨을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시킨다.
상기 예비 환원로에 투입하기 위한 니켈 광석은 상기 원료 처리 공정을 통해 니켈 광석에 함유된 수분이 일부 제거된 광석일 수 있다.
탄산나트륨의 밀도는 2.54 g/cm3 이고, 녹는점은 851℃로 이며, 예비 환원로(예컨대, 로터리킬른(Rotary Kiln)) 내 투입시 예비 환원로 내 온도가 약 1,200℃ 전후 이므로 용융이 가능하다.
상기 탄산나트륨은 상기 니켈 광석 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 예비 환원로에 투입하는 것이 바람직하다. 상기 탄산나트륨을 니켈 광석과 함께 예비 환원로에 투입하여 예비 환원시키게 되면, 금속화율(니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 비율)을 높일 수가 있다. 니켈 산화물의 환원율을 높여 페로니켈 제조 공정 중의 전기로에 사용되는 에너지를 저감할 수 있고, 부산물로 발생하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 감소시킬 수 있다. 금속화율(또는 니켈 산화물의 환원율)이 높아짐으써 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도하고, 그 결과 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 토양환경기준치 이내로 감소시켜 페로니켈 슬래그의 환경성을 개선하여 성토용 골재 등으로 활용할 수가 있다.
상기 예비 환원로는 로터리킬른(Rotary kiln) 등일 수 있으며, 이에 한정되는 것이 아니다. 상기 예비 환원을 위한 환원제는 석탄, 미분탄 등일 수 있다. 상기 예비 환원은 1150∼1250℃ 정도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 예비 환원은 30분∼12시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
예비 환원된 결과물을 전기로에서 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시킨다. 상기 용융 환원을 위한 전기로 내의 온도는 1400∼1600℃ 정도일 수 있다. 상기 예비 환원에 의하여 금속화율이 높아질 수 있고, 니켈 산화물의 환원율이 높아짐으로써 상기 전기로에 사용되는 에너지를 저감할 수 있다. 이렇게 제조된 페로니켈 슬래그는 탄소나트륨을 사용하지 않고 예비 환원 공정과 전기로 공정을 거친 페로니켈 슬래그에 비하여 니켈 함량이 저감된다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 비중이 높은 니켈의 분리를 증가시키기 위하여 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다. 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 투입하여 페로니켈 슬래그 유동도를 개선하여 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도할 수가 있다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 비중이 높은 니켈의 분리를 증가시키기 위하여 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다. 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 투입하여 페로니켈 슬래그 유동도를 개선하여 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도할 수가 있다. 상기 제강 정련 슬래그는 제강 공정에서 발생하는 부산물로서 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함할 수 있다.
상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조한다. 상기 정련과 상기 주조는 페로니켈을 제조하는 일반적인 방법을 이용할 수 있으며, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
<실시예 2>
니켈 광석을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시킨다. 상기 예비 환원로에 투입하기 위한 니켈 광석은 상기 원료 처리 공정을 통해 니켈 광석에 함유된 수분이 일부 제거된 광석일 수 있다. 상기 예비 환원로는 로터리킬른(Rotary kiln) 등일 수 있으며, 이에 한정되는 것이 아니다. 상기 예비 환원을 위한 환원제는 석탄, 미분탄 등일 수 있다. 상기 예비 환원은 1150∼1250℃ 정도에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 예비 환원은 30분∼12시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 예비 환원로에 탄산나트륨을 더 투입할 수도 있다. 상기 탄산나트륨은 상기 니켈 광석 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 예비 환원로에 투입하는 것이 바람직하다. 상기 탄산나트륨을 니켈 광석과 함께 예비 환원로에 투입하여 예비 환원시키게 되면, 금속화율(니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 비율)을 높일 수가 있다. 니켈 산화물의 환원율을 높여 페로니켈 제조 공정 중의 전기로에 사용되는 에너지를 저감할 수 있고, 부산물로 발생하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 감소시킬 수 있다. 금속화율이 높아짐으써 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도하고, 그 결과 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 토양환경기준치 이내로 감소시켜 페로니켈 슬래그의 환경성을 개선하여 성토용 골재 등으로 활용할 수가 있다.
탄산나트륨과 석회석을 혼합하고 성형하여 성형품을 제조한다.
탄산나트륨의 밀도는 2.54 g/cm3 이고, 녹는점은 851℃로 이며, 전기로 내 투입시 전기로 내 온도가 약 1,500℃ 전후 이므로 전기로 내 용융이 가능하여 페로니켈 슬래그 유동성 개선을 통한 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감이 가능하다.
탄산나트륨은 분말로 전기로에 투입시 열풍에 의해 누출되거나 소실될 우려가 있어 어느 정도 비중을 가지고 있는 알갱이 형태로 투입이 필요하다.
그러나, 탄산나트륨 자체만 가지고는 성형이 어려울 수 있고, 성형이 가능하다 하더라도 고가의 바인더와 고압의 압축이 가능한 성형설비가 필요함에 따라 5㎜ 이하의 미분 석회석을 혼합하여 성형하는 것이 바람직하다. 석회석을 혼합재로 선택한 이유는 석회석 역시 고온(900℃ 이상)에서 생석회로 전환되어 페로니켈 슬래그 유동성 개선에 도움을 주기 때문이다.
성형품의 용이한 가공성을 위하여 상기 석회석은 상기 탄산나트륨 100중량부에 대하여 50∼250중량부, 더욱 바람직하게는 80∼120중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 비중이 높은 니켈의 분리를 증가시키기 위하여 예비 환원된 결과물과 함께 상기 성형품을 전기로에 투입하고 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시킨다. 상기 용융 환원을 위한 전기로 내의 온도는 1400∼1600℃ 정도일 수 있다. 이렇게 제조된 페로니켈 슬래그는 탄소나트륨을 사용하지 않고 예비 환원 공정과 전기로 공정을 거친 페로니켈 슬래그에 비하여 니켈 함량이 저감된다. 전기로에 탄산나트륨과 석회석의 성형품을 투입하여 페로니켈 슬래그 유동도를 개선하여 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도하고, 그 결과 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 토양환경기준치 이내로 감소시켜 페로니켈 슬래그의 환경성을 개선하여 성토용 골재 등으로 활용할 수가 있다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 비중이 높은 니켈의 분리를 증가시키기 위하여 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다. 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 투입하여 페로니켈 슬래그 유동도를 개선하여 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도할 수가 있다.
페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 비중이 높은 니켈의 분리를 증가시키기 위하여 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 더 투입할 수도 있다. 제강 정련 슬래그를 상기 전기로에 투입하여 페로니켈 슬래그 유동도를 개선하여 페로니켈 슬래그로 유출되는 니켈의 함량 저감을 유도할 수가 있다. 상기 제강 정련 슬래그는 제강 공정에서 발생하는 부산물로서 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함할 수 있다.
상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조한다. 상기 정련과 상기 주조는 페로니켈을 제조하는 일반적인 방법을 이용할 수 있으며, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
본 실험예에서는 예비 환원로에 투입되는 니켈 광석에 탄산나트륨(Na2CO3)을 혼합하여 예비 환원 공정에서 금속화율을 증가시킬 수 있는 지 여부를 실험하였다.
니켈 광석을 1mm 미만 분말로 분쇄하여 미분화 하였다.
니켈 광석의 미분 원료와 상기 니켈 광석의 미분 원료 100중량부에 대하여 0.5중량부, 1.0중량부, 1.5중량부 및 2.0중량부의 Na2CO3를 각각 혼합하여 혼합 분말을 형성하고, 상기 혼합 분말과 상기 혼합 분말 100중량부에 대하여 혼합수 20중량부를 혼합하여 지름 10mm 성구로 제조하였다.
제조된 성구는 100℃에서 항량 건조한 후, 1200℃의 예비 환원로(로터리킬른(Rotary Kiln))에서 예비 환원하였다. 이때, 환원제로 미분탄을 사용하였으며, 알루미나 도가니 바닥에 1차로 미분탄(100중량부)을 깔고, 상기 미분탄 위에 건조 성구(100중량부)를 얹고, 다시 미분탄(100중량부)을 쌓아 알루미나 도가니를 채웠다. 이와 같이 채워진 알루미나 도가니를 예비 환원로(로터리킬른)에 장입하고, 1200℃의 예비 환원로에서 2시간 동안 소성한 후(예비 환원한 후) 로출하였다.
로출된 예비 환원 결과물을 미분쇄하여 총 니켈 함량과 금속 니켈 함량을 분석하였다.
최초 니켈 광석(Ref.)에 함유된 총 니켈(Total-Ni) 함량은 3중량% 이었으며, 이중 금속 니켈(Metal-Ni) 함량은 0.06중량% 이었다. 아래의 표 1 및 도 1에 Na2CO3 첨가량에 따른 니켈 광석의 금속화율을 나타내었다. 표 1에서 NC 0.0은 Na2CO3를 첨가하지 않고 1200℃에서 2시간 소성하여 수득한 예비 환원 결과물이다. NC 0,5는 Na2CO3 0.5중량부를 첨가하여 1200℃에서 2시간 소성하여 수득한 예비 환원 결과물을 의미하고, NC 1.0은 Na2CO3 1.0중량부를 첨가하여 1200℃에서 2시간 소성하여 수득한 예비 환원 결과물을 의미하며, NC 1,5는 Na2CO3 1.5중량부를 첨가하여 1200℃에서 2시간 소성하여 수득한 예비 환원 결과물을 의미하고, NC 2.0은 Na2CO3 2.0중량부를 첨가하여 1200℃에서 2시간 소성하여 수득한 예비 환원 결과물을 의미한다.
구분 Na2CO3(중량%) Total-Ni(중량%) Metal-Ni(중량%) 금속화율(%)
Ref Raw 3.00 0.06 -
NC 0.0 0.0 2.98 0.74 24.83
NC 0.5 0.5 3.13 1.03 32.91
NC 1.0 1.0 3.14 1.2 38.22
NC 1.5 1.5 3.53 1.31 37.11
NC 2.0 2.0 3.29 1.69 51.37
표 1 및 도 1을 참조하면, Na2CO3를 첨가하지 않지 않고 수득한 예비 환원 결과물은 24.83%의 금속화율을 나타내었으며, Na2CO3를 첨가하여 수득한 예비 환원 결과물은 금속화율이 24.83% 보다 높게 나타났다. Na2CO3 첨가량이 증가할수록 금속화율은 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, Na2CO3 2.0중량부 첨가시에는 금속화율이 51.37%까지 상승하는 경향을 나타내었다.
따라서, Na2CO3는 니켈 광석의 예비 환원 과정에서 금속화율 증대를 위한 첨가제로 충분히 사용 가능하다는 결과를 도출할 수 있었다.
<실험예 2>
탄산나트륨과 미분 석회석을 혼합하여 성형품(Briquetting)을 제조하고, 이를 예비 환원된 니켈 광석과 함께 전기로에 투입하여 페로니켈 슬래그 유동성 개선을 통하여 비중이 높은 니켈 분리를 증대시켜 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 토양환경기준치 이내로 저감시킬 수 있는지 여부를 실험하였다.
탄산나트륨의 밀도는 2.54 g/cm3 이고, 녹는점은 851℃로 이며, 전기로 내 투입시 전기로 내 온도가 약 1,500℃ 전후 이므로 전기로 내 용융이 가능하여 페로니켈 슬래그 유동성 개선을 통한 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감이 가능하다.
탄산나트륨은 분말로 전기로에 투입시 열풍에 의해 누출되거나 소실될 우려가 있어 어느 정도 비중을 가지고 있는 알갱이 형태로 투입이 필요하다.
그러나, 탄산나트륨 자체만 가지고는 성형이 어려울 수 있고, 성형이 가능하다 하더라도 고가의 바인더와 고압의 압축이 가능한 성형설비가 필요함에 따라 5㎜ 이하의 미분 석회석을 혼합하여 성형하는 것이 바람직하다. 석회석을 혼합재로 선택한 이유는 석회석 역시 고온(900℃ 이상)에서 생석회로 전환되어 페로니켈 슬래그 유동성 개선에 도움을 주기 때문이다.
본 실험에서는 탄산나트륨 50중량%와 석회석 50중량%를 혼합하여 성형한 시료(성형품)를 예비 환원된 니켈 광석에 0.5~2 중량부 혼합하여 1500℃의 전기로에서 용융한 후, 비중분리를 통하여 페로니켈 슬래그와 니켈 함유 쇳물을 분리하고, 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량을 분석하였으며, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
구 분 0중량부 0.5중량부 1.0중량부 1.5중량부 2.0중량부
니켈 함량
(㎎/㎏)		 753 685 580 515 433
표 2를 참조하면, 예비 환원된 광석에 탄산나트륨과 석회석을 투입함에 따라 페로니켈 슬래그 내 니켈 함유량이 감소하는 것을 알 수 있다.
물론 상기 실험은 소규모 실험실에서 실시한 실험으로 투입량이나 효과는 실 조업과 상이할 수 있으나, 탄산나트륨과 석회석을 플럭스(flux)로 투입시 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량이 감소하는 효과는 동일할 것으로 보여진다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (9)

  1. 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법으로서,
    니켈 광석에 함유된 니켈 산화물이 니켈 금속으로 환원되는 금속화율을 증가시키기 위하여 니켈 광석과 함께 탄산나트륨을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시키는 단계; 및
    예비 환원된 결과물과 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 전기로에 투입하고 상기 전기로에서 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시키고, 상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조하는 단계를 포함하며,
    상기 제강 정련 슬래그는 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함하고,
    상기 예비 환원시키는 단계는,
    도가니 바닥에 환원제를 깔고, 상기 환원제 위에 상기 니켈 광석과 함께 탄산나트륨을 얹고, 상기 니켈 광석과 상기 탄산나트륨의 혼합물 위에 상기 환원제를 쌓는 단계;
    상기 도가니를 상기 예비 환원로에 장입하는 단계; 및
    상기 예비 환원로에서 1150∼1250℃의 온도로 예비 환원시키는 단계를 포함하고,
    상기 환원제로 석탄 또는 미분탄을 사용하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법.
  2. 페로니켈 제조 공정에서 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그 내에 함유되는 니켈의 함량을 저감시키는 방법으로서,
    (a) 탄산나트륨과 석회석을 혼합하고 성형하여 성형품을 제조하는 단계;
    (b) 니켈 광석을 예비 환원로에 투입하고 예비 환원시키는 단계; 및
    (c) 페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 예비 환원된 결과물과 함께 상기 성형품과 제강 공정에서 발생하는 부산물인 제강 정련 슬래그를 전기로에 투입하고 용융 환원하여 니켈 금속을 함유하는 쇳물과 페로니켈 슬래그로 분리시키고, 상기 쇳물을 정련하여 불순물을 제거한 후 주조하여 입철 형태의 페로니켈을 제조하는 단계를 포함하며,
    상기 제강 정련 슬래그는 CaO 45∼60 중량%, Al2O3 20∼45 중량%, Fe2O3 1∼10 중량%, MgO 1∼12 중량% 및 SiO2 0.1∼5 중량%를 포함하고,
    상기 석회석은 상기 탄산나트륨 100중량부에 대하여 50∼250중량부를 혼합하며,
    상기 예비 환원시키는 단계는,
    도가니 바닥에 환원제를 깔고, 상기 환원제 위에 상기 니켈 광석과 함께 탄산나트륨을 얹고, 상기 니켈 광석과 상기 탄산나트륨의 혼합물 위에 상기 환원제를 쌓는 단계;
    상기 도가니를 상기 예비 환원로에 장입하는 단계; 및
    상기 예비 환원로에서 1150∼1250℃의 온도로 예비 환원시키는 단계를 포함하고,
    상기 환원제로 석탄 또는 미분탄을 사용하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄산나트륨은 상기 니켈 광석 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 예비 환원로에 투입하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서, 상기 성형품은 상기 예비 환원 결과물 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부를 상기 전기로에 투입하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 페로니켈 슬래그의 유동성을 개선하여 니켈 분리를 증가시키기 위하여 망초(Na2SO4)를 상기 전기로에 더 투입하는 것을 특징으로 하는 페로니켈 슬래그 내 니켈 함량 저감방법.
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