KR102020453B1 - 제강부산물로부터 유가금속 회수방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유가금속 함유 제강부산물을 준비하는 단계; 상기 유가금속함유 제강부산물에 조재제 함유 제강부산물을 혼합하여 혼합물을 제조하되, 상기 혼합물 내 조재제의 함량이 1 내지 10중량%가 되도록 제어하는 단계; 상기 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물에 환원제 및 바인더를 배합하고, 가압 성형하여 단광을 얻는 단계; 및 상기 단광을 고상 환원하는 단계를 포함하는 유가금속 회수방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 미활용 제강 부산물을 경제적으로 회수할 수 있고 또한, 제강부산물을 저융점 조재제로 사용함으로써, 저온에서 유가 금속을 회수할 수 있어, 조업 원가 절감 및 에너지 저감으로 유가 금속을 친환경적으로 회수할 수 있는 장점이 있다.

Description

제강부산물로부터 유가금속 회수방법 {METHOD FOR RECOVERING HIGH VALUE METALS FROM WASTE MATERIALS OF STEEL MAKING PROCESS}
본 발명은 제강부산물로부터 유가금속 회수방법에 관한 것이다.
현재 철강산업에서 발생하는 부산물(예컨대, 스케일, 슬러지 및 더스트)은 입자가 작고, 습윤상태이며, 부산물 형태에 맞는 적절한 재활용 방법이 없어, 대부분 매립으로 처리되고 있으며, 그 중 일부만이 로터리 킬른과 RHF(Rotary Hearth Furnace)에 의해 회수되고 있다. 철강 부산물에 함유된 유가 금속 회수에 관한 상용화된 공정은 크게 3가지가 있다.
첫째는, Waelz 공정으로, 이는 철강 부산물로부터 Zn을 회수하는 공정이다. 그런데, 상기 Waelz 공정은 철강 부산물의 Zn 농도가 상대적으로 높은 경우에 한하여만 가능한 공정으로, 철강산업에서 발생하는 부산물 중 Zn 농도가 높은 전기로 더스트와 슬러지의 회수에만 제한적으로 적용이 가능하여 그 적용 범위에 한계가 있으며, 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 다량 발생시키는 단점이 있다.
둘째는, FASTMET 공정으로, 이는 철강 부산물로부터 Fe를 회수하는 공정이다. 그러나, 상기 FASTMET 공정은 철강산업에서 발생하는 부산물 중 Fe 농도가 상대적으로 높은 더스트와 슬러지의 회수에만 제한적으로 적용이 가능하여 그 적용 범위에 한계가 있으며, 이 역시 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 다량 발생시키는 단점이 있다.
셋째는, 전기로 혹은 유도로와 같은 로에서 더스트와 슬러지를 액상으로 용융하여, Al, Mn 혹은 Si와 같은 환원제를 이용하여 산화물 형태의 금속을 환원하여 금속을 회수하고 있다. 이러한 방법은 대형 설비가 필요하고 유지 관리에 많은 비용이 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 금속 함유 제강 부산물의 환원온도를 저감하여 환원 효율을 증대시킬 수 있는 유가금속 환원방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유가금속 함유 제강부산물을 준비하는 단계; 상기 유가금속함유 제강부산물에 조재제 함유 제강부산물을 혼합하여 혼합물을 제조하되, 상기 혼합물 내 조재제의 함량이 1~10중량%가 되도록 제어하는 단계; 상기 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물에 환원제 및 바인더를 배합하고, 가압 성형하여 단광을 얻는 단계; 및 상기 단광을 고상 환원하는 단계를 포함하는 유가금속 회수방법이 제공된다.
상기 조재제 함유 제강부산물이 스케일, 슬러지 및 더스트 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 조재제가 CaF2, CaF2O3, Al2O3 및 NiO 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 조재제가 혼합된 유가금속 함유 제강부산물의 함수율이 1 내지 10%일 수 있다.
상기 유가 금속이 Cr, Ni, Zn 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 환원제가 탄소계 환원제, 실리콘계 환원제 및 알루미늄계 환원제 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 탄소계 환원제가 코크스, 석탄 및 그라파이트 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 실리콘계 환원제가 Ferro-Si 분말 및 Si 분말 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 알루미늄계 환원제가 Al-Si 합금 분말 및 Al 분말 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제강 부산물에 배합되는 환원제의 양(mol)이 0.5×[O] 내지 1.5×[O]일 수 있다.
(여기서, 상기 [O]는 상기 유가 금속 함유 제강 부산물에 함유된 산소의 양(mol)을 의미함)
상기 바인더가 물유리, 송진 가루 및 벤토나이트 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제강 부산물에 배합되는 바인더의 양이 상기 제강 부산물 함량 대비 0.5 내지 3중량%일 수 있다.
상기 단광의 평균 원상당 직경이 0.5 내지 3cm일 수 있다.
상기 단광을 고상 환원하는 단계가 1,200℃ 내지 1,270℃에서 수행될 수 있다.
상기 단광을 고상 환원하는 단계가 15 내지 30분 동안 수행될 수 있다.
상기 단광을 고상 환원하는 단계가 RHF(Rotary Hearth Furnace)를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 미활용 제강 부산물을 경제적으로 회수할 수 있고 또한, 제강부산물을 조재제로 사용함으로써, 저온에서 유가 금속을 회수할 수 있어, 조업 원가 절감 및 에너지 저감으로 유가 금속을 친환경적으로 회수할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 Fe, Ni 및 Cr의 환원 온도를 설명하기 위한 엘링감 도표이다.
도 2는 조재제의 함량을 5%로 제어한 경우의 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 조재제의 함량을 15%로 제어한 경우의 사진을 나타낸 것이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 제강부산물로부터 유가금속 회수방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유가금속 함유 제강부산물을 준비하는 단계; 상기 유가금속함유 제강부산물에 조재제 함유 제강부산물을 혼합하여 혼합물을 제조하되, 상기 혼합물 내 조재제의 함량이 1 내지 10중량%가 되도록 제어하는 단계; 상기 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물에 환원제 및 바인더를 배합하고, 가압 성형하여 단광을 얻는 단계; 및 상기 단광을 고상 환원하는 단계를 포함하는 유가금속 회수방법이 제공된다.
본 발명에서는 유가금속 함유 제강부산물의 구체적인 종류는 한정하지 않으며 예를 들면, 제강공정에서 발생되는 모든 종류의 더스트, 스케일, 폐 샷볼(waste shot ball), 산화 철 등을 포함한다. 상기 제강부산물은 주성분으로 철 성분을 포함하고 있으며, 그 외에도 Ni, Cr, Mn, Mo 등의 유가금속을 다량 포함하고 있다. 본 발명은 상기 제강 부산물에 포함된 유가금속을 회수하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 유가금속 함유 제강부산물에 조재제를 혼합하여 혼합물을 제조한다. 상기 조재제 또한 제강 공정에서 발생하는 제강부산물일 수 있고 예를 들어, 스케일, 슬러지 및 더스트 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 조재제는 CaF2, CaF2O3, Al2O3 및 NiO 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
한편, 후속 공정에 의해 유가금속 회수 효율을 극대화하기 위해서는 상기 유가금속함유 제강부산물에 조재제 함유 제강부산물을 혼합하여 제조된 혼합물 내의 조재제 함량을 1~10중량%가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 조재제의 총 함량이 10중량% 초과인 경우, 단광이 용융하여 RHF 내부 바닥에 융착이 일어나 조업에 어려움이 발생할 수 있다. 보다 상세하게는 CaF2 20% 이상 함유된 조재제를 이용하여 단광 배합에 10% 초과하여 배합할 경우 융점이 1,200℃로 떨어져 바닥면과의 융착이 발생한다.
도 2는 조재제의 함량을 5%로 제어한 경우, 도 3은 조재제의 함량을 15%로 제어한 경우의 사진을 나타낸 것이다. 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 바닥면에 융착 현상이 발생한 것을 확인할 수 있다.
상기 조재제가 혼합된 유가금속 함유 제강부산물의 함수율은 1 내지 10%인 것이 바람직하다. 함수율이 1% 미만이면 부산물 이송 및 관리 중 2차 분진이 발생할 수 있는 반면, 함수율이 10% 초과인 경우 조업 원료로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
다음으로, 상기 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물에 환원제 및 바인더를 배합하고, 가압 성형하여 단광을 얻는다.
상기 환원제는 탄소계 환원제, 실리콘계 환원제 및 알루미늄계 환원제 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
특별하게 한정하는 것은 아니나, 상기 탄소계 환원제로는 예를 들어, 상기 탄소계 환원제가 코크스, 석탄 및 그라파이트 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 상기 실리콘계 환원제는 Ferro-Si 분말 및 Si 분말 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 알루미늄계 환원제가 Al-Si 합금 분말 및 Al 분말 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 배합되는 환원제의 양(mol)은 0.5×[O] 이상 1.5×[O] 이하일 수 있다. 만약 상기 환원제의 양이 0.5×[O] 미만일 경우 산소 환원율이 낮아 양질의 유가 금속을 얻지 못할 우려가 있으며, 반면, 1.5×[O]을 초과할 경우 환원제 과다로 인해 고상 환원시 많은 에너지가 필요하고, 반응에 참여하지 못하고 남은 환원제가 서로 반응하여 금속 산화물의 환원을 방해할 우려가 있다. 여기서, [O]는 상기 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물에 함유된 산소의 양(mol)을 의미한다.
한편, 바인더는 물유리, 송진 가루 및 벤토나이트 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기와 같은 바인더를 사용할 경우, 2차 부산물 발생시 슬래그 플럭스로 재사용이 가능한 추가적인 장점이 있다.
또한, 상기 제강 부산물에 배합되는 바인더의 양은 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물 함량 대비 0.5 내지 3중량%인 것이 바람직하다. 상기 바인더의 양이 0.5중량% 미만일 경우 입도가 작은 슬러지 및 더스트 등이 단광 형태로 만들어지지 않거나, 조업 중 강도가 약해 파쇄될 우려가 있으며, 반면, 3중량%를 초과할 경우 고상 환원 중 매우 치밀한 조직을 만들게 되어 환원에 의해 발생하는 산소계 가스를 외부로 방출하지 못하고 단광 내부에 산소계 가스가 체류하게 될 우려가 있다.
이에 따라 제조된 단광의 평균 원상당 직경은 0.5 내지 3cm인 것이 바람직하다. 상기 단광의 평균 원상당 직경이 0.5cm 미만인 경우 단광 제조의 어려움과 더불어 조업 중 파쇄 우려가 있으며, 반면, 3cm를 초과하는 경우에는 고상 환원시 단광의 내부까지 환원에 필요한 에너지 전달이 되지 않아, 즉 단광 내부 온도가 낮아 환원이 충분히 일어나지 않을 우려가 있다.
다음으로, 상기 단광을 고상 환원한다. 상기 단광을 고상 환원하는 단계는 RHF(Rotary Hearth Furnace)를 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.
상기 고상환원 단계는 단광 내 유가 금속을 Fe-X(여기서, X는 유가 금속을 의미함)의 형태로 석출시키기 위하여 실시되는 단계로써, 본 단계에서는 환원 온도의 설정이 중요하며, 이는 단광 내 함유된 유가 금속의 종류에 따라 각기 달라질 수 있다. 크게 제강 부산물이 Fe 및 Ni를 함유하는 경우, 제강 부산물이 Fe 및 Cr을 함유하는 경우, 제강 부산물이 Fe, Ni 및 Cr을 함유하는 경우로 구분할 수 있는데, 이와 같이 구분하는 이유는 환원 온도의 차이 때문이다.
도 1은 Fe, Ni 및 Cr의 환원 온도를 설명하기 위한 엘링감 도표이다. 도 1을 참조할 때, Fe의 경우 환원 온도가 1000~1100이고, Ni의 경우 환원 온도가 200~400℃이며, Cr의 경우 환원 온도가 1200~1400℃인 것을 알 수 있다. 이렇게 환원 온도가 차이가 나는 까닭은 각 원소들의 산화도가 상이하기 때문이다.
본 발명에서는 상기 단광을 고상 환원하는 단계가 1,200 내지 1,270℃에서 수행될 수 있다. 일반적으로 RHF 조업 온도는 1,200~1,240℃이다. 여기에서 Cr과 같은 고온에서 환원하는 물질이 있는 경우 환원 효율이 떨어진다. 그러나 상술한 바와 같이 조재제를 혼합하는 경우에는 상기와 같은 온도에서도 Cr 또한 효율적으로 환원할 수 있게 되어, 환원 효율이 증가하는 장점이 있다. 본 발명에서 Cr과 같은 고온에서 환원되는 금속을 조재제 첨가로 1,200~1,270℃에서 환원할 수 있다.
한편, 상기 고상 환원 단계는 15 내지 30 분 동안 수행될 수 있다. 15분 미만이면 1차 환원이 일어나고 발생하는 CO 가스가 2차 환원이 되어야 하는데 시간이 짧아서 2차 환원이 일어나지 않아 환원 효율이 떨어진다. 30분 초과하면 RHF 내부에 단광이 장시간 체류하게 되어 단광의 강도가 저하될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (16)

  1. 유가금속 함유 제강부산물을 준비하는 단계;
    상기 유가금속함유 제강부산물에 조재제 함유 제강부산물을 혼합하여 혼합물을 제조하되, 상기 혼합물 내 조재제의 함량이 1 내지 10중량%가 되도록 제어하는 단계;
    상기 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물에 환원제 및 바인더를 배합하고, 가압 성형하여 단광을 얻는 단계; 및
    상기 단광을 1,200 내지 1,270℃에서 고상 환원하는 단계를 포함하며, 상기 조재제가 CaF2, CaF2O3, Al2O3 및 NiO 중에서 선택된 1종 이상인, 유가금속 회수방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조재제 함유 제강부산물이 스케일, 슬러지 및 더스트 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유가금속 회수방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조재제가 혼합된 유가금속 함유 제강부산물의 함수율이 1 내지 10%인 것을 특징으로 하는 유가금속 회수방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유가 금속이 Cr, Ni, Zn 및 Mn 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 환원제가 탄소계 환원제, 실리콘계 환원제 및 알루미늄계 환원제 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소계 환원제가 코크스, 석탄 및 그라파이트 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘계 환원제가 Ferro-Si 분말 및 Si 분말 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 알루미늄계 환원제가 Al-Si 합금 분말 및 Al 분말 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제강 부산물에 배합되는 환원제의 양(mol)이 0.5×[O] 내지 1.5×[O]인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수방법.
    (여기서, 상기 [O]는 상기 조재제가 혼합된 유가금속함유 제강부산물에 함유된 산소의 양(mol)을 의미함)
  11. 제1항에 있어서,
    상기 바인더가 물유리, 송진 가루 및 벤토나이트 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제강 부산물에 배합되는 바인더의 양이 상기 제강 부산물 함량 대비 0.5 내지 3중량%인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단광의 평균 원상당 직경이 0.5 내지 3cm인 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수방법.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단광을 고상 환원하는 단계가 15 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 단광을 고상 환원하는 단계가 RHF(Rotary Hearth Furnace)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 유가 금속 회수방법.
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