KR102143008B1 - 메탈 몰리브덴 스크랩을 이용한 몰리브덴 합금철 제조방법 - Google Patents

메탈 몰리브덴 스크랩을 이용한 몰리브덴 합금철 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 몰리브덴 합금철 제조방법에 관한 것으로서, 몰리브덴 원료로서 재활용된 메탈 몰리브덴 스크랩을 단독 사용함으로써, 환경 친화적이고 경제적 이익이 우수하면서도, 작업이 용이하며, 단위 공정당 생산량의 증대가 가능하여 합금철의 수율이 향상된 몰리브덴 합금철 제조방법을 제공한다.

Description

메탈 몰리브덴 스크랩을 이용한 몰리브덴 합금철 제조방법{Method for Manufacturing Ferro Molybdenum Alloy Using Metal Molybdenum Scrap}
본 발명은 메탈 몰리브덴 스크랩을 이용한 몰리브덴 합금철 제조방법에 관한 것이다.
Mo(몰리브덴)은 제강 공정 시 합금 원소로 첨가되어 고용강화 효과를 유발하기 때문에 여타 합금 원소에 비하여 소량 첨가로서도 강도를 현저하게 높이고 또한 강 중의 탄소와 결합하여 탄화물을 형성함으로써 고온 강도를 향상시켜 내열 특성을 갖게 하는 중요한 원소이다. 일반적으로 Mo함유의 강은 제강 공정 중에 Mo산화물을 첨가하거나 주로 합금철인 FeMo형태로 투입하여 고내식성 및 고온 특성을 부여한 다양한 강종을 제조하고 있다.
이를 테면 오스테나이트(Austenite)계인 STS316, STS317, 마르텐사이트(Martensite)계의 STS420, STS422, 페라이트(Ferrite)계인 STS434, STS436, 그리고 압력 용기에 사용되는 저합금 내열강(ASME P5) 등의 제조 시에 사용되고 있는 등 특수강 제조에는 필수적인 원소로서 제강 업체에서는 FeMo수급의 안정화 여부가 중요한 생산관리 요소로 작용하고 있다.
또한, 최근 원자재 가격의 상승에 따라 합금강의 제조를 위한 부자재 가격이 점점 높아지고, 특히 Mo 함유 합금강의 제조에 이용되는 FeMo의 가격상승 폭이 매우 높기 때문에, 합금강의 제조원가 절감을 위하여 저가로 FeMo을 제조 할 수 있는 새로운 공정 확립이 요구되고 있다.
몰리브덴이 첨가된 특수강의 제강 조업에서는 몰리브덴을 합금시키는 방법으로서 몰리브덴 산화물을 이용하여 전기로 공정을 거치거나, 테르밋 반응을 거쳐 이를 다시 환원시키는 방법을 활용하고 있다. 이는 금속상의 몰리브덴이 매우 고가이기 때문에 상대적으로 저렴한 MoO2 또는 MoO3와 같은 몰리브덴 산화물을 이용하기 위함이다.
그러나 상기 몰리브덴 산화물에는 구리 등과 같은 불순물이 다량 함유되어 있기 때문에, 이를 제거하지 않으면 제강의 열간 압연 공정 등에서 구리가 강 표면에 크랙을 발생시킬 수 있는 문제가 있다. 따라서, Mo 품위를 향상시키기 위해 황산, 물 등의 용액이 수용된 침출(리칭, leaching) 용기에 침지시켜 몰리브덴 산화물 내에 함유된 불순물을 제거하는 침출 공정을 도입해야 하는데, 이 경우 환경에 매우 유해한 침출수가 발생하므로 이들을 제거하기 위한 별도의 처리 시설 및 처리 공정이 요구되는 단점이 있다.
최근의 다른 종래기술(국내 특허 공개공보: 10-2013-0030349)에는 전술한 문제점을 보완하여 선광 처리된 MoS2를 진공 중의 고온에서 열분해시켜 Mo금속으로 만든 후에 Fe2O3와 코크스 등의 탄재를 첨가하여 FeMo을 제조하는 방법을 개시하고 있으나 원료로써 선광 처리된 MoS2를 사용하고 있고 또한 진공 전기로 공법을 사용하고 있어서 FeMo 생산 비용을 저감하는 데는 한계가 있으며 CO2를 다량 배출하는 에너지 다소비 공정이라는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 환경 친화적이고 경제적 이익이 우수하면서도 종래의 제조방법 대비 작업이 용이하며, 단위 공정당 생산량의 증대가 가능하여 합금철의 수율이 향상된 몰리브덴 합금철 제조방법을 제공하고자 한다.
국내 특허 공개공보 10-2013-0030349
본 발명은 몰리브덴 원료로서 재활용된 몰리브덴 스크랩을 단독 사용함으로써, 환경 친화적이고 경제적 이익이 우수하면서도 고품질의 고강도, 고내열성의 몰리브덴 합금철을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명은 종래의 제조방법 대비 작업이 용이하며, 단위 공정당 생산량의 증대가 가능하여 합금철의 수율이 향상된 몰리브덴 합금철 제조방법을 제공한다.
본 발명은,
1) 몰리브덴 원료 및 철의 원료를 혼합함에 있어서, 몰리브덴 원료로서 순도가 98% 이상인 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 단독 사용 및 철의 원료로서 철의 함량이 65% 이상인 산화철 분말을 단독 사용하는 단계;
2) 환원제로서 알루미늄 순도가 98% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 알루미늄 분말 및 규소 함량이 75% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 규소 합금철(ferro silicon)을 혼합하는 단계;
3) 이전 배치(batch)에서 집진기 또는 사이클론으로 포집한 분진을 혼합하는 단계;
4) 상기 혼합 원료를 반응 용기에 투입하여 테르밋 반응을 수행시켜 합금철 용탕을 제조하는 단계; 및
5) 제조된 합금철 용탕을 냉각시키고 냉각된 용탕으로부터 합금철과 슬래그를 분리시키는 단계를 포함하는 몰리브덴 합금철의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 몰리브덴 원료로서 희귀 금속의 회수 또는 산업 폐기물을 이용해 재활용한 고순도의 메탈 몰리브덴 스크랩을 단독으로 사용함으로써, 테르밋 반응의 열량 제어가 용이하여 생산 수율이 높고, 고순도 및 고품질의 몰리브덴 합금철을 제조할 수 있다.
또한, 공정 중 폐산과 같은 침출수의 발생을 방지할 수 있어 환경 오염 발생의 우려가 없어 환경 친화적이며, 이들을 처리하기 위한 별도의 공정이나 설비를 필요로 하지 않아 생산 비용도 절감할 수 있다.
또한, 철의 원료로서 철이 고순도로 함유된 산화철을 단독으로 사용함으로써, 테르밋 반응의 Fe ballancing 및 필요한 열량을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 환원제로서 고순도의 미립 분말의 알루미늄과 규소 합금철(ferro silicon, Fe-Si)을 혼합 사용함으로써, 테르밋 반응의 반응성을 높이고, 슬래그의 유동성을 증가시키며, 환원제 비용을 절감할 수 있어 제조비 절감 및 몰리브덴 합금철의 생산 수율을 증가시킬 수 있다.
또한, 이전 배치(batch)에서 집진기 또는 사이클론으로 포집한 분진을 원료로 재사용함으로써, 몰리브덴 합금철의 생산 수율을 보다 더 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰리브덴 합금철의 제조과정을 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 테르밋 반응 전후의 반응 용기를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 1) 몰리브덴 원료 및 철의 원료를 혼합함에 있어서, 몰리브덴 원료로서 순도가 98% 이상인 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 단독 사용 및 철의 원료로서 철의 함량이 65% 이상인 산화철 분말을 단독 사용하는 단계;
2) 환원제로서 알루미늄 순도가 98% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 알루미늄 분말 및 규소 함량이 75% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 규소 합금철(ferro silicon)을 혼합하는 단계;
3) 이전 배치(batch)에서 집진기 또는 사이클론으로 포집한 분진을 혼합하는 단계;
4) 상기 혼합 원료를 반응 용기에 투입하여 테르밋 반응을 수행시켜 합금철 용탕을 제조하는 단계; 및
5) 제조된 합금철 용탕을 냉각시키고 냉각된 용탕으로부터 합금철과 슬래그를 분리시키는 단계를 포함하는 몰리브덴 합금철의 제조 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 몰리브덴 합금철의 제조 방법을 자세히 검토한다.
1) 메탈 몰리브덴 스크랩 분말 및 산화철 분말을 혼합하는 단계
본 발명은, 몰리브덴 원료 및 철의 원료를 혼합함에 있어서, 몰리브덴 원료로서 순도가 98% 이상인 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 단독으로 사용하고, 철의 원료로서 철의 함량이 65% 이상인 산화철 분말을 단독으로 사용하는 것을 특징으로 하고, 몰리브덴 원료로서 몰리브덴 옥사이드(MoO2 또는 MoO3) 및 철의 원료로서 철(Fe)은 사용하지 않는 것을 특징으로 한다.
종래의 몰리브덴 합금철 제조방법은 금속상의 몰리브덴이 매우 고가의 원료이기 때문에 상대적으로 저렴한 MoO2 또는 MoO3의 몰리브덴 산화물을 이용하였다. 그러나 몰리브덴 산화물, 즉 MoO3 는 단독으로 존재할 경우 800℃ 이상에서 매우 높은 증기압을 갖고 있고, 몰리브덴 산화물의 또 다른 형태인 MoO2 는 500℃ 부근에서 산소와 결합하여 전량 MoO3 화 하여 800℃ 이상에서 높은 증기압으로 증발하여 몰리브덴 회수율을 저해하는 문제가 있었다.
또한, 상기 몰리브덴 산화물에는 구리 등과 같은 불순물이 다량 함유되어 있기 때문에, Mo 품위를 향상시키기 위해 몰리브덴 산화물 내에 함유된 불순물을 제거하는 침출 공정을 도입해야 하는데, 이 경우 환경에 매우 유해한 침출수가 발생하므로 이들을 제거하기 위한 별도의 처리 시설 및 처리 공정이 요구되는 단점이 있었다.
이에, 본 발명의 제조방법은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 몰리브덴 원료로서, 산업 부산물 또는 폐기물에서 나온 몰리브덴을 재활용하여 다시 사용 가능하게 제조한 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 단독으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해 희귀 금속 회수 등 자원 순환 및 산업 폐기물의 재활용으로 환경 오염 방지, 제강의 경제적 부가가치를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 순도 98% 이상의 고순도의 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 사용함으로써, 금속 몰리브덴을 사용하는 것 대비 제조단가는 높이지 않으면서, 몰리브덴 산화물 사용 시 불순물 제거를 위해 필수적으로 요구되었던 침출 공정 및 산업 폐기물의 후처리 공정 등의 추가 공정이 불필요하여 친환경적이다.
한편, 종래에는 합금철 제조 반응 시, 몰리브덴 산화물이 환원되는 과정에서 몰리브덴 산화물 분말이 쉽게 비산되어 98% 이상의 몰리브덴 합금철 생산 수율 달성에 어려움이 많았다.
그러나 본 발명은 몰리브덴 원료로 몰리브덴 산화물이 아닌 메탈 몰리브덴 스크랩을 사용하므로 몰리브덴 원료의 비산률이 낮고, 테르밋 반응의 열량 제어가 용이하여 99% 이상의 몰리브덴 합금철 생산 수율을 달성할 수 있게 되었다.
또한, 메탈 몰리브덴 스크랩은 몰리브덴 산화물에 비해 몰리브덴 순도가 일정하므로, 균질한 조성의 합금철 제조에 대한 재현성 문제로부터 자유로울 수 있다.
또한, 상기 메탈 몰리브덴 스크랩 분말은 평균 입경이 0.1 내지 4 mm 인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 평균 입경이 0.1 mm 미만이면, 충전성이 매우 나빠 충분한 밀도의 강도가 향상된 합금을 얻을 수 없으며, 4 mm 초과이면, 원료들의 균일한 혼합이 어려워 분산 상태가 좋지 않고, 국소적인 밀도 저하를 효과적으로 방지할 수 없는 문제가 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법은 철의 원료로서, 철 분말 또는 고철 대신에 산업 부산물인 산화철(Fe2O3, Fe3O4) 분말을 단독으로 사용할 수 있다.
따라서, 원료비를 절감할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 버려지고 있는 철강 제조 공정의 산화철 분말을 고부가가치화 할 수 있는 녹색기술로서 산업 부산물을 재활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 철 원료를 괴상화하지 않고도 분말 형태로 투입이 가능하여 괴상화 공정을 생략할 수 있고, 환원 속도가 빨라 공정 시간을 단축하여 생산성을 증대시킬 수 있으며, 분말 상태의 균일한 혼합으로 최종 제품인 몰리브덴 합금철 품질의 균일성을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명과 같이 철 원료로서 산화철만을 단독으로 사용하는 경우, 원하는 품질(grade)의 몰리브덴 합금철을 제조하기 어렵고, Fe ballancing이 원활하지 못할 수 있으며, 몰리브덴의 환원 반응을 이용하지 않는 경우 몰리브덴 합금철을 제조하기 위한 충분한 에너지원을 확보하기 어렵다는 문제가 예상되었다.
본 발명은 철의 함량이 65% 이상인 고순도의 산화철을 종래 제법에 비해 과량 사용함으로써, 상기 예상되는 문제점을 해결하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 상기 산화철 분말은 평균 입경이 0.1 내지 4 mm 인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 평균 입경이 0.1 mm 미만이면, 충전성이 매우 나빠 충분한 밀도의 강도가 향상된 합금을 얻을 수 없으며, 4 mm 초과이면, 원료들의 균일한 혼합이 어려워 분산 상태가 좋지 않고, 국소적인 밀도 저하를 효과적으로 방지할 수 없는 문제가 있을 수 있다.
2) 환원제로서 알루미늄 분말 및 규소 합금철 분말을 혼합하는 단계
본 발명은, 환원제로서 알루미늄 순도가 98% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 알루미늄 분말 및 규소 함량이 75% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 규소 합금철(ferro silicon)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 몰리브덴 합금철은 테르밋(Thermit reaction) 반응에 의해 제조된다.
테르밋 반응이란 금속 산화물이 알루미늄에 의해 탈산되며 강렬한 반응열을 발생하는 반응을 의미한다. 예를 들어, 하기 반응식을 참고할 수 있다.
3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3
Fe2O3 + 2Al → 2Fe+ Al2O3
3FeO + 2Al → 3Fe + Al2O3
본 발명에서는 산화철이 연료에 산소를 공급하는 산화제 역할을, 이온화 에너지가 철보다 낮아 전자를 잃기 쉬운(산화가 용이한) 알루미늄 또는 규소 합금철이 환원제, 연료 역할을 하여 이 반응 원료에 점화하면 알루미늄 또는 규소 합금철이 산화철 중의 산소를 제거하는 환원 반응을 발생하게 하며, 이때 엔탈피가 감소하며 생기는 강한 반응열에 의해 고융점의 산화철을 용융-환원시켜 몰리브덴 합금철이 제조되는 것이다.
종래의 제조방법은 환원제로 주로 알루미늄 그래뉼(granule)을 사용하는 것이 일반적이었다.
그러나, 본 발명의 제조방법은 몰리브덴의 환원 반응을 이용하지 않고, 산화철의 환원 반응만을 이용하는 바, 몰리브덴 합금철을 제조하기 위한 충분한 에너지원을 확보하기 어려운 문제가 예상되었는 바, 테르밋 반응의 반응성을 높이기 위하여 순도가 98% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 고순도의 알루미늄 분말을 사용하여 반응성을 증가시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 슬래그의 유동성을 확보하는 역할만 할 뿐 환원제의 역할은 하지 못하고 제조비의 상승만을 가져오는 CaO(생석회)를 사용하지 않는 대신에, 두 가지 역할을 동시에 수행할 수 있는 규소 합금철을 사용함으로써, 슬래그의 유동성을 확보하고 고가의 환원제인 알루미늄의 사용량도 줄일 수 있어 몰리브덴 합금철의 생산 수율 증대 및 제조비 절감을 이룰 수 있게 되었다.
한편, 본 발명의 규소 합금철(ferro silicon)은 테르밋 반응의 충분한 반응열 확보 및 슬래그의 유동성을 효과적으로 확보하기 위하여, 규소 함량이 75% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 고순도의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 사용되는 환원제의 총 중량 대비 10 내지 20 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 경우, 몰리브덴 원료로서 몰리브덴 산화물이 아닌 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 사용하는 바, 합금철 제조를 위해 환원시킬 총 량이 적어지므로, 종래의 제조방법에 비해 알루미늄 및 규소 합금철의 사용을 현저하게 줄일 수 있고, 이를 통해 제조 단가를 30 % 이상 낮출 수 있다.
본 발명은 이와 같이 알루미늄 및 규소 합금철의 사용을 현저하게 줄일 수 있는 바, 종래의 제조방법의 한계로 여겨지던 고가의 부재료 사용에 따른 제조단가 증가 문제를 해결할 수 있다.
또한, 슬래그층의 생성 및 합금철과의 분리가 용이하여 작업자들의 작업환경을 쾌적하게 하면서도 생산성 및 공정 효율이 높은 효과가 있다.
3) 이전 배치(batch)의 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 포함하는 분진을 혼합하는 단계
본 발명은, 단계 1) 및 2)의 혼합 원료에 전 배치(batch)에서 집진기 또는 사이클론으로 포집한 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 포함하는 분진을 혼합하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계에서 혼합되는 분진은 단계 1)에서 혼합되는 메탈 몰리브덴 스크랩 분말 함량 대비 5 내지 10 중량%이고, 분진 내 포함된 몰리브덴 함량은 10 내지 15 중량%인 것을 특징으로 한다.
테르밋 반응은 고온 고압의 폭발적인 반응이므로, 폭발에 따른 원료들이 반응 용기에서 사방으로 비산되어 합금의 수율이 현저하게 저하됨에 따라 생산성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 반응로 안에 집진기 또는 사이클론을 설치하여 반응 용기에서 비산되는 몰리브덴을 포함한 원료 분말을 회수하여 다음 batch에서 추가 사용함으로써, 합금 수율을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
한편 상기 혼합은 원료 별로 입도, 비중이 각각 상이하므로 원료 부위별 편차가 발생하지 않도록 혼합기에서 충분한 혼합 시간을 부여하는 것이 바람직하다. 본 발명에서의 혼합은 믹서에서 약 15분 이상 수행되는 것을 특징으로 한다. 15분 미만일 경우 균일한 혼합이 이루어지기 어렵고, 15분을 초과하면 시간 증가에 따른 이익이 없다.
4) 상기 혼합 원료를 반응 용기에 투입하여 테르밋 반응을 수행시켜 합금철 용탕을 제조하는 단계
상기 혼합 원료를 반응 용기에 투입하고 염소산칼륨(KClO3) 또는 마그네슘(Mg) 리본 등에 불꽃을 점화하여 테르밋 반응이 수행되도록 유도한다.
한편, 상기 테르밋 반응은 추가적인 에너지 공급 없이 자발적으로 통상 5분 내외의 시간 동안 진행되며, 폭발 반응에 따라 반응 간 다량의 흄이 발생하고, 용탕 형성을 위한 다량의 반응물이 외부로 비산되므로 집진기 또는 사이클론과 같은 집진시설과 안전펜스가 구축된 반응장에서 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이와 같은 테르밋 반응을 통해 몰리브덴 합금철을 제조함으로써, 열원을 외부에서 가하지 않고 반응열을 이용하기 때문에 생산 비용의 절감이 가능하다.
그러나 테르밋 반응은 고온 고압의 폭발적인 반응이 이루어지므로, 폭발에 따른 원료들이 반응 용기에서 사방으로 비산되어 합금의 수율이 현저하게 저하됨에 따라 생산성이 저하되는 문제가 있으며, 반응 후에도 불필요한 슬래그층이 두껍게 형성됨에 따라 합금이 냉각되는데 오랜 시간이 소요되어 생산성 및 공정 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 합금철의 생산 수율을 최대한 높일 수 있을 뿐만 아니라 반응 직후 단 시간 내에 냉각이 이루어질 수 있도록 반응부(110) 및 슬래그 수집부(120)를 포함하는 원통형의 반응 용기(100)를 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조방법은 안정적으로 합금철의 수율을 증가시킬 수 있다.
상기 반응부(100)는 원료 물질을 수용하고 테르밋 반응이 직접 일어나는 공간으로서, 반응부 내벽에 내화제 및 SiO2가 채워져 있는 것을 특징으로 한다.
슬래그 수집부(120)는 테르밋 반응 후 합금철보다 밀도가 가벼워 합금철 상부에 형성되는 슬래그층을 수집하기 위하여 반응부 상단에 연결되어 있는 공간으로서, 슬래그층이 합금철 상부에 넓게 퍼져 얇게 형성되어 빠른 냉각 후 합금철과 용이하게 분리되도록 반응부보다 넓은 지름인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬래그 수집부 둘레의 벽면은 고온 고압의 폭발적인 테르밋 반응에 의해 원료 물질이 비산을 통해 유실되어 합금철의 수율을 낮추는 것을 방지하기 위한 역할을 할 수 있으며, 비산된 원료 물질은 반응 용기 내부에 흘러 내려 반응부로 재포집될 수 있다. 이를 위하여 원료 물질이 용이하게 흘러 내리도록 상기 슬래그 수집부의 둘레 벽면은 각도가 조절 가능하도록 제조될 수 있다.
또한, 반응이 완료된 뒤, 슬래그의 분리 단계에서 슬래그층의 분리가 용이하도록 슬래그 수집부의 둘레 벽면은 개폐식일 수 있다. 즉, 반응 동안에는 원료 물질의 비산을 방지하기 위하여 벽면을 닫아 사용하고, 슬래그 분리 단계에서는 벽면을 열어 작업이 용이하도록 할 수 있다.
한편, 상기 반응부 및 슬래그 수집부의 높이는 투입되는 원료 물질의 비율 및 반응 후 형성되는 합금철과 슬래그층의 부피를 비교하여 합금철과 슬래그층이 구획되는 높이를 고려하여 적절히 조절하여 제조될 수 있다.
5) 제조된 합금철 용탕을 냉각시키고 냉각된 용탕으로부터 합금철과 슬래그를 분리시키는 단계
용탕이 냉각되어 어느 정도 고상화가 되기 전까지는 공기 중에 방치하거나 바람을 이용하여 냉각시키는 공냉법을 적용하고, 고상화가 된 이후에는 빠른 냉각을 위해 수냉법을 적용해 공정시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 슬래그는 산화환원 반응 시 형성 또는 잔류된 Al2O3, SiO2 등과 같은 부산물을 의미한다. 슬래그는 합금철과의 밀도 차에 의해 용탕 표면에 떠오르기 때문에 냉각 후 고형화된 용탕으로부터 슬래그를 용이하게 분리시킬 수 있다.
본 발명의 경우 반응부와 슬래그 수집부로 나뉘어진 반응 용기를 사용하고 상기 슬래그 수집부의 벽면은 각도 조절 및 개폐가 가능한 구조인 바, 충격, 진동 등의 약한 물리적인 처리를 통하여 합금철과 슬래그를 종래의 방법에 비해 비교적 용이하게 분리시킬 수 있다.
본 발명의 제조방법은 몰리브덴 원료로 고순도의 메탈 몰리브덴 스크랩을 사용하는 바, Mo≥55.00%, Cu≤0.10%, C≤0.01%, S≤0.01%, P≤0.02%, 및 Si≤1.00% 의 순도를 갖는 고품질의 몰리브덴 합금철을 제조할 수 있으며, 생산 수율 역시 99% 이상, 바람직하게는 99.5% 이상을 달성할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1
몰리브덴 순도가 98 % 이상인 평균 입경 0.1 내지 4 mm의 메탈 몰리브덴 스크랩 분말 300 kg 및 철이 67% 이상 함유된 평균 입경 0.1 내지 4 mm의 산화철(Fe2O3) 분말 288 kg을 혼합하고, 여기에 순도가 98% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 알루미늄 90 kg, 규소 함량이 75% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 규소 합금철 10 kg를 혼합하였다.
여기에 이전 배치에서 집진기 또는 사이클론으로 포집된 몰리브덴을 포함하는 분말 15kg를 혼합 설비로 약 15 분 혼합한 후, 내화제 및 SiO2가 내면에 부착된 반응부 및 슬래그 수집부를 포함하는 반응 용기에 투입하여 테르밋 반응을 5분 동안 수행하였다. 고온의 용탕을 대형 선풍기를 이용하고 물 속에 침수시키는 공냉 및 수냉법으로 순차적으로 빠른 속도로 냉각시킨 뒤, 합금 및 슬래그를 꺼낸 후, 합금과 슬래그가 접한 부분에 물리적인 충격을 가하여 슬래그를 분리하여 비교적 단 시간 내에 몰리브덴 합금철을 수득할 수 있었다. 최종적으로 몰리브덴 스크랩 분말 300 kg 로 몰리브덴이 60% 함유된 몰리브덴 합금철(Fe-Mo) 486 kg를 제조할 수 있었다. 또한, 슬래그 가장자리 표면에서 회수한 몰리브덴 합금철은 3kg 였다.
비교예 1
몰리브덴이 63 % 함유된 0.1 내지 4 mm의 분말 형태의 몰리브덴 산화물(MoO3) 500 kg과 철(Fe) 140 kg, 산화철(Fe2O3) 100 kg, 알루미늄 100 kg, 규소 합금철(Fe-Si) 100 kg을 혼합 설비로 약 15 분 혼합한 후, 반응 용기에 내화제(모래)를 담아 중앙에 일정 깊이의 충진 홈을 파고 반응 원료를 충진시켜 반응 탱크에 투입하여 테르밋 반응을 수행하였으며, 용탕이 고상화될 때까지 대기 중에 방치한 후, 냉각 후 강한 물리적인 충격을 수차례 가하여 합금철과 슬래그를 분리하였다. 최종적으로 몰리브덴 산화물 500 kg 로 몰리브덴 합금철 516 kg를 제조할 수 있었다. 또한, 슬래그 가장자리 표면에서 회수한 몰리브덴 합금철은 2kg 였다.
실험예 1: 몰리브덴 합금철의 수율 향상 효과 확인
상기 실시예 1과 비교예 1의 몰리브덴 합금철 제조방법에 따라 제조한 몰리브덴 합금철의 최종 수율을 아래와 같이 비교하여 보았다.
1) 실시예 1
- 몰리브덴 원료 = 메탈 몰리브덴 스크랩 300 kg x 98 % (메탈 몰리브덴 스크랩 중 Mo 함량) = Mo 294 kg
- 최종 수율 = {Fe-Mo 489 kg x 60 % (Fe-Mo 중 Mo 함량)} ÷ Mo 294 kg
= 99.79%
2) 비교예 1
- 몰리브덴 원료 = 몰리브덴 산화물(MoO3) 500 kg x 63 % (몰리브덴 산화물 중 Mo 함량) = Mo 315 kg
- 최종 수율 = {Fe-Mo 518 kg x 60 % (Fe-Mo 중 Mo 함량)} ÷ Mo 315 kg
= 98.66%
3) 합금철의 최종 수율 비교
실시예 1의 제조방법에 따라 제조된 몰리브덴 합금철의 최종 수율은 99.79 %인 반면, 비교예 1의 제조방법에 따라 제조된 몰리브덴 합금철의 최종 수율은 98.66%으로 나타나 실시예 1의 제조방법이 비교예 1의 제조방법에 비해 최종 수율이 1.13% 향상된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 수율 향상의 경제적 효과 확인
상기 실시예 1과 비교예 1의 수율 차이의 경제적 효과를 종래 제조방법으로 몰리브덴 합금철 20,000kg, 1LOT 을 제조하는 경우를 가정하여 몰리브덴 생산 비용(원료비 및 가공비) 절감의 관점에서 아래와 같이 확인하였다(2020.01.15. Fe-Mo 가격 기준).
1) 몰리브덴 생산 비용(원료비 및 가공비) 차이
(① 9.650 USD/lb × ② 2.20462 lb/kg × ③ 0.0113) + ④ 1.5 USD/kg = 0.24 USD/kg Mo
[참고]
① 2020.01.15. PLATTS Mo-Oxide Daily Price (단위:lb)
② 2.20462 lb(파운드) → 1 kg(킬로그램)
③ 실시예 1과 비교예 1의 수율 차이 1.13%
④ 몰리브덴 1kg 당 가공비(Al, Fe-Si, 고철, 내화제, 소모품 등 Mo함량 100% 기준)
2) Fe-Mo(Mo 60%) 1 LOT(20,000 kg) 생산에 필요한 몰리브덴 생산 비용 차이
⑤ 0.24 USD/kg × ⑥ Mo 60% × ⑦ ￦1,154 원/USD × ⑧ 20,000 kg/LOT = 3,323,520 원/LOT
[참고]
⑤ 몰리브덴 100% kg당 가격(USD)
⑥ Fe-Mo(제품)의 몰리브덴 함량
⑦ 2020.01.15. 매매기준환율
⑧ Fe-Mo의 1LOT 당 kg수
3) 경제적 효과 확인
상기 보는 바와 같이, 최종 수율이 1.13% 낮은 비교예 1이 실시예 1에 비해 몰리브덴 1 kg 당 생산 비용(원료비 및 가공비)이 0.24 USD 높고, Fe-Mo(Mo 60%) 1 LOT(20,000 kg) 생산에 필요한 몰리브덴 생산 비용 역시 3,323,520 원 높은 것을 확인할 수 있었다. 위와 같이 실시예 1의 최종 수율 1.13 % 의 향상은 현저한 경제적 이익을 가져올 수 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 3: 합금철 제조 비용 절감 효과 확인
상기 실시예 1과 비교예 1의 몰리브덴 합금철 제조방법의 합금철 제조 비용을 아래와 같이 비교하여 보았다(몰리브덴 생산 비용 제외).
1) 실시예 1
- 산화철 : 288 kg x 185 원/kg = 53,280 원
- Al : 90 kg x 1,980 원/kg = 178,200 원
- Fe-Si : 10 kg x 1,350 원/kg = 13,500 원
- SiO2 : 150 kg x 66 원/kg = 9,900 원
→ 총 비용 : 254,880 원
→ 합금철 1 kg 당 제조 비용 : 254,880 원 ÷ 489 kg = 521.22 원/kg
2) 비교예 1
- 철 : 140 kg x 460 원/kg = 64,400 원
- 산화철 : 100 kg x 185 원/kg = 18,500 원
- Al : 100 kg x 1,980 원/kg = 198,000 원
- Fe-Si : 100 kg x 1,350 원/kg = 135,000 원
- SiO2 : 150 kg x 66 원/kg = 9,900 원
→ 총 비용 : 425,800 원
→ 합금철 1 kg 당 제조 비용 : 425,800 원 ÷ 518 kg = 822.00 원/kg
3) 합금철 제조 비용 비교
실시예 1의 제조방법의 경우 합금철 1 kg 당 제조 비용이 521.22 원인 반면, 비교예 1의 제조방법의 경우 합금철 1 kg 당 제조 비용이 822 원으로 나타나 실시예 1은 비교예 1에 비해 합금철 1 kg 당 제조 비용을 30 % 이상 현저히 절감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 반응 용기
110: 반응부
111: 혼합 원료
112: 내화제
113: SiO2
120: 슬래그 수집부
130: Fe-Mo
140: SLAG (SiO2 + Al2O3)

Claims (7)

1) 몰리브덴 원료 및 철의 원료를 혼합함에 있어서, 몰리브덴 원료로서 순도가 98% 이상인 메탈 몰리브덴 스크랩 분말을 단독 사용 및 철의 원료로서 철의 함량이 65% 이상인 산화철 분말을 단독 사용하는 단계;
2) 환원제로서 알루미늄 순도가 98% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 알루미늄 분말 및 규소 함량이 75% 이상이고 평균 입경이 50 메쉬(mesh)이하인 규소 합금철(ferro silicon)을 혼합하는 단계;
3) 이전 배치(batch)에서 집진기 또는 사이클론으로 포집한 분진을 혼합하는 단계;
4) 상기 혼합 원료를 반응 용기에 투입하여 테르밋 반응을 수행시켜 합금철 용탕을 제조하는 단계; 및
5) 제조된 합금철 용탕을 냉각시키고 냉각된 용탕으로부터 합금철과 슬래그를 분리시키는 단계를 포함하는 몰리브덴 합금철의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1)에서 몰리브덴 원료로서 몰리브덴 옥사이드 및 철의 원료로서 철(Fe)은 사용하지 않는 것인 몰리브덴 합금철의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1)의 메탈 몰리브덴 스크랩 분말 및 산화철 분말의 평균 입경은 0.1 내지 4 mm 인 것인 몰리브덴 합금철의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2)의 규소 합금철(ferro silicon)은 사용되는 환원제의 총 중량 대비 10 내지 20 중량%를 사용하는 것인 몰리브덴 합금철의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3)에서 혼합되는 분진은 단계 1)에서 혼합되는 메탈 몰리브덴 스크랩 분말 함량 대비 5 내지 10 중량%이고, 분진 내 포함된 몰리브덴 함량은 10 내지 15 중량%인 것인 몰리브덴 합금철의 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제조방법은 몰리브덴 합금철 생산 수율이 99% 이상인 것인 몰리브덴 합금철의 제조 방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009263723A (ja) * 2008-04-25 2009-11-12 Kobe Steel Ltd フェロモリブデンの製造方法
KR20130030349A (ko) 2011-09-17 2013-03-27 주식회사 포스코 합금철의 제조방법
KR101665467B1 (ko) * 2015-10-23 2016-10-12 주식회사 에너텍 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법

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