KR101923386B1 - 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법 및 페로티타늄 제조용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 일메나이트, 알루미늄 함유물질, 발열제 및 칼슘 화합물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 혼합물을 환원용융 처리하고, 발생되는 슬래그와 합금을 분리하는 단계를 포함하는, 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법 및 페로티타늄 제조용 조성물을 제공한다.

Description

일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법 및 페로티타늄 제조용 조성물{MANUFACTURING METHOD OF FERROTITANIUM FROM ILMENITE AND COMPOSITION FOR MANUFACTURING FERROTITANIUM}

본 발명은 일메나이트로부터 고순도의 페로티타늄을 제조하는 방법 및 페로티타늄을 제조하기 위한 조성물에 관한 것이다.

페로티타늄은 철과 티타늄의 합금이며, 철은 10-65 wt%, 티타늄은 20-75 wt% 함유하고 있고, 때로는 소량의 탄소도 포함될 수 있다.

티타늄은 황, 탄소, 산소 및 질소와의 반응성이 높고, 불용성 화합물을 형성하며 슬래그로 격리되므로 탈산 및 탈황 및 탈질에 사용된다.

제강 공정에서 티타늄을 첨가하면 미세한 입자 구조의 금속을 얻을 수 있다.

통상 페로티타늄은 티타늄 스폰지, 스크랩 등을 철과 혼합하여 유도 가열로에서 함께 용융시켜 제조할 수 있다.

한편, 일메나이트는 FeTiO₃를 포함하는 광물이다. 약한 자성을 띄고, 흑색 또는 강철 회색을 나타낸다.

일메나이트는 페인트, 직물, 플라스틱, 종이, 자외선 차단제, 내화재, 식품 및 화장품에 사용되는 이산화티타늄의 주요 공급원이나, 이를 직접적으로 이용하여, 용융환원을 통한 고순도의 페로티타늄을 제조하는 방법에 대해서는 그 연구가 미흡한 실정이다.

관련 선행기술로, 한국 등록특허공보 제10-1740424호에 개시된 "일메나이트 원광을 이용한 금속 티타늄의 제조방법"이 있다.

한국 등록특허공보 제10-1740424호 (2017.05.26. 공고)

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 용융환원을 통해 일메나이트로부터 고순도의 페로티타늄을 제조하는 방법과 페로티타늄 제조용 조성물을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는 (a) 일메나이트, 알루미늄 함유물질, 발열제 및 칼슘 화합물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 혼합물을 환원용융 처리하고, 발생되는 슬래그와 합금을 분리하는 단계를 포함하는, 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법을 제공한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 또 다른 일 양태는 일메나이트 100 중량부 대비 알루미늄 함유물질 35.7 내지 46.5 중량부; 발열제 4.5 내지 11.2 중량부; 및 칼슘 화합물 8.2 내지 41.0 중량부를 포함하는, 일메나이트로부터 환원용융을 통한 페로티타늄 제조용 조성물을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 일메나이트를 알루미늄 함유물질, 발열제 및 칼슘 화합물 등과 함께 환원용융 처리하여, 고순도의 페로티타늄을 간소화된 공정을 통해 얻을 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법의 일례를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예 1에서 페로티타늄의 철 및 티타늄 회수율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 2에서 페로티타늄의 순도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실험예 3에서 각 실시예들의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 페로티타늄의 산소 및 질소 함량을 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 페로티타늄의 산소 및 질소 함량을 분석한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에서 제조된 페로티타늄의 산소 및 질소 함량을 분석한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

나아가, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일 양태는,

(a) 일메나이트, 알루미늄 함유물질, 발열제 및 칼슘 화합물을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계(S10); 및

(b) 상기 제조된 혼합물을 환원용융 처리하고, 발생되는 슬래그와 합금을 분리하는 단계(S20)를 포함하는, 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 일 양태에 따른 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법에 대하여 각 단계별로 설명한다.

본 발명의 일 양태에 따른 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 일메나이트, 알루미늄 함유물질, 발열제 및 칼슘 화합물을 포함하도록 혼합물을 마련한다.

상기 (a) 단계의 일메나이트는 이산화티타늄 함량이 40 wt% 내지 55 wt%인 것일 수 있다. 상기 일메나이트는 이산화티타늄뿐만 아니라 잔여 산화철로 구성되어 있는 철을 33 wt% 내지 45 wt% 포함할 수 있다. 상기 일메나이트는 직접적으로 사용되는 용도가 내화재, 페인트 원료 등으로 한정되어 있으나, 본 발명에서는 환원용융을 통한 페로티타늄 제조에 사용하고자 하였다. 상기 일메나이트는 소정 입도로 파분쇄 처리, 건조 처리를 수행하는 것이 후속 단계의 환원용융에 있어 좋다.

상기 (a) 단계의 알루미늄 함유물질은 알루미늄 분말, 1000계 알루미늄 합금, 4000계 알루미늄 합금, Al-Ti계 합금, 알루미늄 스크랩 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 1종을 포함할 수 있고, 바람직하게는 알루미늄 분말을 사용할 수 있다.

상기 (a) 단계의 발열제는 염소산나트륨(NaClO₃), 염소산칼륨(KClO₃), 염소산암모늄(NH₄ClO₃) 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 1종을 포함할 수 있다.

상기 (a) 단계의 칼슘 화합물은 산화칼슘(CaO), 수산화칼슘(Ca(OH)₂), 형석(CaF₂) 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 선택된 1종을 포함할 수 있고, 바람직하게는 산화칼슘일 수 있다.

상기 (a) 단계의 혼합물은,

일메나이트 100 중량부 대비

알루미늄 함유물질 35.7 내지 46.5 중량부;

발열제 4.5 내지 11.2 중량부; 및

칼슘 화합물 8.2 내지 41.0 중량부를 포함할 수 있다.

상기 (a) 단계의 혼합물은 알루미늄 함량이 35.7 중량부 미만이라면, 환원용융 처리 시 합금상으로 티타늄 회수율이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 알루미늄 함량이 46.5 중량부 초과라면, 환원용융 처리 후 제조되는 페로티타늄의 품위가 낮아질 우려가 있다.

상기 (a) 단계의 혼합물은 발열제 함량이 4.5 중량부 미만이라면, 후속 단계의 열원이 될수 있는 발열제 양이 부족하여 일메나이트를 충분히 환원용융시키지 못할 우려가 있고, 발열제 함량이 11.2 중량부 초과라면, 환원용융 단계에서 환원용융 온도가 증가하여 티타늄 등의 금속이 슬래그 상으로 다량 손실될 수 있는 문제가 발생할 우려가 있다.

상기 (a) 단계의 혼합물은 칼슘 화합물 함량이 8.2 중량부 미만이라면, 환원용융 처리 시 슬래그의 용융온도가 증가하여 티타늄 및 철 등의 금속이 슬래그 상으로 손실될 우려가 높고, 칼슘 화합물 함량이 41.0 중량부 초과라면, 그에 따른 알루미늄의 첨가량 증가되고 또한 알루미늄이 슬래그 상으로 손실될 우려가 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 (a) 단계에서 제조된 혼합물을 환원용융 처리하여, 이후 발생되는 슬래그와 합금을 분리한다.

상기 (b) 단계의 환원용융 처리는 유도가열로를 통해 수행될 수 있다.

상기 (b) 단계의 환원용융 처리는 1800 ℃ 내지 2300 ℃의 온도에서 2 분 내지 30 분 동안 수행될 수 있다. 상기 (b) 단계의 환원용융 처리 온도가 1800 ℃ 미만일 경우, 상기 제조된 혼합물의 환원이 완전히 이루어지지 못할 우려가 있고, 환원용융 처리 온도가 2300 ℃ 초과일 경우, 처리 시간이 더 이상 감소하지 않고 에너지 효율이 저하될 우려가 있다.

상기 (b) 단계의 환원용융 처리는 2 분 내지 30 분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기의 환원용융 처리 시간 범위에서 에너지 낭비를 최소화할 수 있고, 일메나이트 내 티타늄 및 철 산화물의 환원용융이 충분히 이루어질 수 있다.

상기 (b) 단계의 슬래그 및 합금의 분리는 상기 환원용융이 완료되고 곧바로 반응기에서 냉각하며 슬래그를 분리 배출시켜 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 일 양태는,

일메나이트 100 중량부 대비

알루미늄 함유물질 35.7 내지 46.5 중량부;

발열제 4.5 내지 11.2 중량부; 및

칼슘 화합물 8.2 내지 41.0 중량부를 포함하는, 일메나이트로부터 환원용융을 통한 페로티타늄 제조용 조성물을 제공한다.

상기 조성물 내 각 성분들의 중량비를 벗어날 시 발생하는 문제점은 상기 방법에서 설명한 바와 같을 수 있다.

상기 조성물은 상기 방법에서 설명한 환원용융 처리 조건 하에서 환원용융이 수행될 수 있고, 이에 고순도의 페로티타늄을 제조할 수 있다.

이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 일메나이트로부터 페로티타늄 제조 1

(a) 일메나이트를 1-10 mm 입도로 분쇄 처리하고 건조하였다. 건조된 일메나이트 100 g를 기준으로, 알루미늄 분말 44.4 중량부, 염소산나트륨 8.9 중량부 및 산화칼슘 29.8 중량부를 혼합한 혼합물을 제조하고, 교반기를 통해 균일하게 혼합되도록 하였고, 이를 유도가열로에 장입하였다.

(b) 2000 ℃ 온도에서 5 분 동안 환원용융 처리하였다. 이후 자연냉각하여 슬래그상을 분리 배출하였고, 페로티타늄을 제조하였다.

<실시예 2> 일메나이트로부터 페로티타늄 제조 2

상기 실시예 1의 혼합물에서, 알루미늄 분말 44.3 중량부, 염소산나트륨 8.2 중량부 및 산화칼슘 10.2 중량부로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 페로티타늄을 제조하였다.

<실시예 3> 일메나이트로부터 페로티타늄 제조 3

상기 실시예 1의 혼합물에서, 알루미늄 분말 42.9 중량부, 염소산나트륨 9.0 중량부 및 산화칼슘 28.8 중량부로 변경한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 페로티타늄을 제조하였다.

<실험예 1> 티타늄, 철의 회수율 분석

상기 실시예들의 티타늄, 철 회수율을 ICP 분석법을 통해 측정하였으며, 그 결과를 표 1 및 도 2, 3에 나타내었다.

구분	Ti 회수율	Fe 회수율
실시예 1	60.3	88.3
실시예 2	60.9	94.4
실시예 3	68.8	98.1

(단위 : wt%)

표 1을 참조하면, 일메나이트로부터 티타늄 회수율은 실시예 1 내지 3이 60 wt% 내지 70 wt%에 달하는 것을 알 수 있었고, 철 회수율은 88 wt% 내지 99 wt%인 것을 알 수 있었다. 실시예 1 내지 3의 중량비를 만족하는 조건에서 환원용융 처리하여 제조된 페로티타늄은, 금속의 회수율이 현저한 것을 확인하였다.

<실험예 2> 제조된 페로티타늄의 순도 분석

상기 실시예들의 티타늄, 철, 알루미늄, 산소 및 질소 품위를 측정하였으며, 그 결과를 표 2 및 도 7 내지 9에 나타내었다.

구분	Ti 품위	Fe 품위	Al 품위
실시예 1	28.8	54.0	12.8
실시예 2	30.1	60.8	9.0
실시예 3	30.7	57.0	13.3

표 2를 참조하면, 티타늄 및 철 품위가 적정치인 것을 알 수 있고, 소량의 Al 또한 함유하고 있는 것을 확인할 수 있다. 도 7 내지 9에서 알 수 있듯, 실시예 1 내지 3의 페로티타늄의 산소 함량은 0.3 wt% 미만, 질소 함량은 0.01 wt% 미만으로, 불순물 함량에 현저히 적어 제강공정 등에 용이하게 적용 가능한 것을 확인하였다.

<실험예 3> 제조된 페로티타늄의 XRD 분석

상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 페로티타늄을 X선 회절 분석하였으며, 그 결과를 도 4 내지 6에 나타내었다. 실시예 1 내지 3에서, Iron Titanium, Aluminum Iron Titanium 피크가 형성된 것을 확인할 수 있다.

지금까지 본 발명의 일 양태에 따른 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법 및 페로티타늄 제조용 조성물에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. (a) 일메나이트, 알루미늄 분말, 염소산나트륨 및 산화칼슘을 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 및
   (b) 상기 제조된 혼합물을 환원용융 처리하고, 발생되는 슬래그와 페로티타늄을 분리하는 단계를 포함하고,
   상기 (a) 단계의 일메나이트는 1-10 mm 입도로 분쇄 처리 및 건조된 것이고,
   상기 (a) 단계의 혼합물은 일메나이트 100 중량부 대비
   알루미늄 분말 42.9 내지 44.4 중량부;
   염소산나트륨 8.2 내지 9.0 중량부; 및
   산화칼슘 10.2 내지 29.8 중량부로 구성되고,
   상기 분리된 페로티타늄의 산소 함량은 0.195-0.255 wt%, 질소 함량은 0.02572-0.09381 wt%인 것을 특징으로 하는, 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 (a) 단계의 일메나이트는,
   이산화티타늄(TiO₂) 40 wt% 내지 55 wt%, 산화철 33 wt% 내지 45 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 (b) 단계의 환원용융 처리는,
   1800 ℃ 내지 2300 ℃의 온도에서 2 분 내지 30 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 일메나이트로부터 페로티타늄 제조방법.
   
8. 페로티타늄 제조용 조성물에 있어서,
   일메나이트 100 중량부 대비
   알루미늄 분말 42.9 내지 44.4 중량부;
   염소산나트륨 8.2 내지 9.0 중량부; 및
   산화칼슘 10.2 내지 29.8 중량부로 구성되고,
   상기 일메나이트는 1-10 mm 입도로 분쇄 처리 및 건조된 것이고,
   상기 페로티타늄의 산소 함량은 0.195-0.255 wt%, 질소 함량은 0.02572-0.09381 wt%인 것을 특징으로 하는, 일메나이트로부터 환원용융을 통한 페로티타늄 제조용 조성물.
   

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