KR102463040B1 - 석탄 투입 방법 및 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법 - Google Patents

석탄 투입 방법 및 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법 Download PDF

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Abstract

석탄 투입 방법 및 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법은 니켈 광석 분체 및 석탄을 혼합하는 단계; 혼합물을 직류 전기로에서 환원·용융하는 단계; 및 환원·용융된 니켈 선철 금속과 슬래그를 분리 배출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 석탄 투입 방법은 석탄은 상기 니켈 광석 분체에 포함된 Fe2O3, NiO를 환원시키고, Si가 유입되지 않는 탄소의 함량에서 니켈 광석 분체에 포함된 탄소의 함량을 뺀 차이값 이하의 함량으로 혼합된다.

Description

석탄 투입 방법 및 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법{THE METHOD FOR INPUTTING COAL AND METHOD FOR MANUFACTURING NICKEL PIG IRON USING NICKEL ORE POWDER}
본 발명은 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페로니켈 제조 공정 중 예비환원 공정에서 발생하는 니켈 광석 분체를 직접 제련하여 니켈 선철을 제조하는 방법에 관한 것이다.
니켈 선철(Nickel Pig Iron)은 니켈의 함량이 1 내지 17%인 금속을 의미한다. 니켈 선철은 페로니켈(Ferro-nickel)의 니켈의 함량이 15 내지 45%인 것과 대비하여 니켈 함량이 낮은 편으로 스테인리스강 생산의 주 원료로 사용되고 있다.
니켈 선철을 제조하는 방법으로서, 용광로(Blast Furnace)를 이용한 방법이 있었으나, 불순물이 많이 생성되어 그 사용이 제한적이었다. 그러나, 최근 로타리 킬른-전기 용광로(Rotary Kiln-Electric Furnace, RKEF) 공법이 개발되면서 니켈 선철의 생산량이 급격하게 증가할 수 있었고, 그 품질도 개선되었다. 이에 따라 니켈 선철은 스테인리스를 생산하는데 있어서 핵심적인 원료로 사용되고 있다.
니켈 선철은 니켈 광석을 환원하여 제조되는데, 니켈 광석을 환원하기 위해서는 환원제로서 석탄을 사용하고 로타리 킬른(Rotary Kiln)에서 예비 환원 공정을 수행한 후 전기로(Electric Furnace)에서 본 환원 공정을 거쳐 정련 및 주조를 통해 제품화된다.
한편, 페로니켈을 제조하는데 사용되는 사프로라이트 광석은 수분을 다량 함유하고 있기 때문에 페로니켈 제조 시 건조 및 예비 환원 공정을 통한 광석의 괴상화 공정를 거치게된다. 이때, 예비 환원 공정에서 다량의 니켈 광석 분체가 발생하게 되고, 니켈 광석 분체는 분체집진기로 집진되어 유실되게 된다. 종래에는 이러한 니켈 광석 분체를 펠릿화 가공 및 재투입함으로써 재활용하였으나, 이때 니켈 광석 분체는 재분화되거나 성분 편차를 발생시키므로 조업의 어려움을 야기시켰다. 따라서, 이러한 집진기로 유실된 다량의 니켈 광석 분체를 재활용하면서 니켈 광석 분체를 활용하기에 적합한 공정 기술이 요구되고 있다.
한국 공개특허공보 10-2015-0030036 (2015.03.03)
본 발명의 일 측면은 페로니켈 제조 공정 중 예비환원 공정에서 발생하는 니켈 광석 분체를 직접 제련하여 니켈 선철을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법은 니켈 광석 분체 및 석탄을 혼합하여 혼합물을 조성하는 단계; 혼합물을 직류 전기로에서 환원·용융하는 단계; 및 환원·용융된 니켈 선철 금속과 슬래그를 분리 배출하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 니켈 광석 분체는 페로니켈 제조 공정 중 예비환원 공정에서 생성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 혼합물을 조성하는 단계에서, 니켈 광석 분체 100 중량부에 대하여 석탄의 함량은 2 내지 4 중량부일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 혼합물을 조성하는 단계에서, 니켈 광석 분체 100 중량부에 대하여 석탄의 함량은 2.9 중량부일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 혼합물을 조성하는 단계에서, 석탄은 니켈 광석 분체에 포함된 Fe2O3, NiO를 환원시키고, Si가 유입되지 않는 탄소의 함량에서 상기 니켈 광석 분체에 포함된 탄소의 함량을 뺀 차이값 이하의 함량으로 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 혼합물을 조성하는 단계에서, 니켈 광석 분체는 펠릿화하여 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펠릿의 직경은 3mm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펠릿의 함수율은 5wt% 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 환원·용융하는 단계는 1,400℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 니켈 선철 금속은 Ni을 8 내지 10wt%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 석탄 투입 방법은 석탄은 니켈 광석 분체에 포함된 Fe2O3, NiO를 환원시키고, Si가 유입되지 않는 탄소의 함량에서 니켈 광석 분체에 포함된 탄소의 함량을 뺀 차이값 이하의 함량으로 혼합된다.
본 발명의 실시 예에 따른 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법은 분체집진기에 집진되어 유실된 니켈 광석 분체의 손실을 줄일 수 있다.
또한, 니켈 광석 분체를 펠릿화하고 직류 아크로를 사용하여 환원하여 니켈 선철을 제조할 수 있다.
또한, 혼입되는 석탄의 함량을 제어함으로써 니켈 선철의 Si 함량을 조절할 수 있고, Si 함량이 높은 니켈 선철은 발열원으로 사용될 수 있다.
도1은 니켈 광석 분체로부터 니켈 선철을 제조하는 제조공정을 나타내는 도식도이다.
도2는 니켈 광석 분체에 탄소 투입량에 따라 제조되는 니켈 선철의 Fe, Ni 및 Si의 성분 변화를 나타낸 그래프이다.
도3은 본 발명에 따라 제조된 니켈 선철과 슬래그가 분리된 모습을 나타내는 사진이다.
본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시 예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 발명의 발명자들은 페로니켈(Ferro-Nickel) 제조 공정 중 예비 환원 공정에서 발생한 니켈 광석 분체는 사프로라이트(Saprolite) 광석 성분 대비 Fe 성분의 함량이 높으므로, 이를 페로니켈 제조 공정에 재투입하지 않고 별도의 제련 공정을 통해 니켈 선철을 제조할 수 있을 것으로 판단하고 본 발명을 제안하기에 이르렀다.
또한, 니켈 광석 분체는 기존 페로니켈 제조 공정에서 발생되는 것으로 니켈 광석뿐만 아니라 석탄도 일부 함유되어 있고, 일부는 환원된 상태이므로, 이를 고려하여 추가적인 석탄 투입량을 산정하였다. 이에 따라 Si함량이 낮고, 니켈의 함량이 9.5% 수준인 니켈 선철을 제조할 수 있었다.
또한, 종래 니켈 광석은 교류 전기로를 사용하여 제련하므로, 펠렛 등으로 괴상화된 원료를 투입하여야 통기성이 확보되어 제련이 가능하였다. 그러나 직류 전기로는 분체 또는 펠릿 형태로 조업이 가능하므로, 본 발명에서는 직류 전기로를 활용하여 니켈 광석 분체를 분체 형태 또는 펠릿 형태로 직접 제련하고자 하였다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법은 니켈 광석 분체 및 석탄을 혼합하여 혼합물을 조성하는 단계; 혼합물을 직류 전기로에서 환원·용융하는 단계; 및 환원·용융된 니켈 선철 금속과 슬래그를 분리 배출하는 단계;를 포함한다.
도1은 니켈 광석 분체로부터 니켈 선철을 제조하는 제조공정을 나타내는 도식도이다. 이하, 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법에 대하여 도1을 참조하여 자세히 설명한다.
먼저, 페로니켈 제조 공정 중 예비 환원 공정에서 발생한 니켈 광석 분체를 직경 3mm 내외의 펠릿으로 제조한다. 니켈 광석 분체는 45μm 평균 입도의 미분으로 구성되어 있고, 환원·용융시 직류 전기로를 이용하므로 펠릿화 공정을 생략하고 직접 제련할 수도 있다. 그러나, 펠릿 공정을 거치지 않을 경우 제련 공정에서 다시 분체로서 유실될 수 있으므로, 펠릿으로 제조하는 것이 바람직하다.
펠릿은 바인더로서 물을 사용하여 성형될 수 있고, 이때, 20wt% 내외의 수분을 포함할 수 있다. 이후, 펠릿은 전기로 투입을 위하여 자연건조 또는 열풍건조 되고, 이때 수분 함량은 5wt% 이하일 수 있다.
이어서, 펠릿화된 니켈 광석 분체와 석탄을 니켈 광석 분체 100 중량부에 대하여 석탄 2.9중량부 비율로 균일하게 혼합한다.
이하, 니켈 광석 분체와 석탄의 혼합비에 대하여 자세히 설명한다.
니켈 광석 분체는 일반적으로 사프로라이트 광물 대비 철의 함량이 높고, 조성 성분은 하기 표1에 나타낸 바와 같다.
구분 조성 성분(중량%)
C MgO Al2O3 SiO2 CaO Cr2O3 MnO Fe2O3 Co2O3 NiO
니켈 광석 분체 3.86 15.6 3.67 34.1 0.342 0.905 0.573 36 0.142 3.44
도2는 니켈 광석 분체 100g 당 석탄 투입량에 따른 니켈 선철의 Fe, Ni 및 Si의 성분 함량을 나타낸 그래프이다. 표1 및 도2를 참조하면, 니켈 광석 분체에 포함되어 있는 Fe2O3와 NiO를 충분히 환원시키고 Si가 추가 유입되지 않는 탄소의 함량은 8%인 것을 알 수 있다. 또한, 표1을 참조하면, 니켈 광석 분체는 3.86% 수준의 탄소를 포함하고 있으므로 석탄을 투입할 경우 이를 고려하여 이에 해당하는 만큼을 제외하고 투입하여야 한다. 즉, 부족분을 석탄에서 공급하는 방식으로 원료를 혼합한다.
다만, 석탄은 고정탄소(fixed carbon)와 휘발분(volatile matter)에서 모두 환원제 역할을 하는 탄소를 공급하므로 그 부족분의 양은 실험적인 방법을 통해 최적화하여 결정하여야 한다. 또한, 도1의 Si가 증가하는 양상을 고려하면, Si의 함량을 억제하기 위해서는 탄소의 필요량 보다 적게 투입하여 일부 Fe은 미환원 상태로 남겨두는 것이 바람직하다.
이러한 요소들을 종합적으로 고려하고, 실험결과를 바탕으로 연구한 끝에, 투입되어야 하는 석탄의 함량은 니켈 광석 분체에 포함된 Fe2O3, NiO를 모두 환원시키면서, Si가 유입되지 않는 탄소의 함량에서 니켈 광석 분체에 포함된 탄소의 함량을 뺀 차이값 이하로 혼합하는 것이 바람직하고, 니켈 광석 분체 100중량부에 대하여 석탄의 함량을 2.9중량부로 혼합하는 것이 적당하다는 것을 확인하였다.
이어서, 혼합된 펠릿 및 석탄을 직류 전기로에 투입하여 환원·용융한다. 혼합된 원료를 호퍼를 사용하여 직류 전기로에 투입하고, 아크열을 이용하여 환원 및 용융처리 한다. 이때, 환원된 금속 및 슬래그가 액체 상태로 유지되기 위해서는 1,400℃ 이상의 고온이 유지되어야 하며, 이를 위해 전압 및 전류를 조절하여 충분한 전력이 공급되도록 한다.
니켈 광석 분체와 석탄이 충분히 반응하여 니켈 선철 금속과 슬래그로 분리되면 전기로 배출구를 통해 니켈 선철 금속과 슬래그를 배출한다.
이후, 니켈 선철 금속은 정련 및 주조의 과정을 거쳐 니켈 선철로 제품화된다. 전기로의 니켈 선철 금속과 슬래그 출탕이 완료되면 다시 원료를 장입하고, 동일한 과정을 반복하여 니켈 선철 금속을 제조한다.
본 발명에 따라 제조된 니켈 선철 금속은 Ni을 8 내지 10wt%를 포함한다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
실시 예
하기 표2와 같이 니켈 광석 분체 및 석탄을 혼합하고, 하기 표3과 같은 직류 전기로 환원 조건에서 직접 제련을 수행하였다. 전기로는 280kW급 상하부 전극으로 구성되어 있는 직류 전기로를 사용하였다.
구분 배합비 실제 배합량(kg)
니켈 광석 분체 석탄 니켈 광석 분체
(kg)		 석탄
(kg)
발명예1 100 5.8 150 8.7
발명예2 100 2.9 150 4.35
구분 전력변수
전압
(V)		 전류
(A)		 평균 출력
(kW)		 반응시간
(hour)		 최종 투입전력
(kWh)
발명예1 55.5 ~1200 68.3 6.67 455.3
발명예2 57.6 ~1200 62.2 9.6 597.7
이후, 직류 전기로에서 니켈 광석 분체와 석탄이 충분히 반응하여 니켈 선철 금속과 슬래그로 분리되면, 발명예1 및 발명예2에 대하여 물질수지 및 전력비를 계산하고, 그 결과를 하기 표4에 나타내었다.
구분 물질수지 전력비 집진기 유실
(%)
니켈 선철(NPI) 생성량
(kg)		 슬래그(Slag) 생성량
(kg)		 Dust 발생량
(kg)		 제품당 전력비
(kWh/kg) 		Feed당 전력비
(kWh/kg)
발명예1 21.1 64.3 34.4 21.6 3.93 22.9
발명예2 28.4 75.1 8.8 21.05 4.08 5.9
발명예1 및 발명예2는 모두 평균 출력 60kW 수준에서 유지되었고, 니켈 선철을 제조하는데 소요되는 전력의 양은 제품당 21kWh/kg, Feed당 4.0kWh/kg 수준으로 나타났다.발명예1은 펠릿 공정을 거치지 않고 바로 니켈 광석 분체를 이용하여 조업하고, 니켈 광석 분체 100g 당 석탄을 5.8g 비율로 혼합한 경우로, 발명예1은 니켈광석 분체를 직접 제련하였기 때문에 다시 분체로 20% 이상이 유실되었고, 실제 투입 원료의 양보다 적은 양이 사용되어 반응시간이 6.67시간 및 최종 투입 전력이 597.7kWh로 발명예2보다 낮게 도출되었다.
발명예2는 니켈 광석 분체를 펠릿으로 제조하고 건조한 후 본 발명에 따른 배합비를 고려하여 니켈 광석 분체 100g 당 석탄을 2.9g 비율로 혼합한 경우로, 발명예2는 펠릿 형태로 원료를 투입하였기 때문에 집진기로 유실되는 양이 5.9%로 조업 상태가 양호하였다.
결론적으로, 발명예1은 펠릿화 및 건조 비용이 절감되는 효과가 있는 반면 발명예2는 니켈 광석 분체의 펠릿화를 통해 니켈 광석 분체의 손실을 줄일 수 있었다.
도3은 본 발명에 따라 제조된 니켈 선철과 슬래그가 분리된 모습을 나타내는 사진이다. 도3을 참조하면 발명예1 및 발명예2는 모두 니켈 선철 금속과 슬래그가 성공적으로 분리되었음을 확인할 수 있다. 전기로 조업에서는 금속과 슬래그의 분리성이 좋아야 원활한 연속 조업이 가능한데 추가적인 플럭스 투입 없이도 조업이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
이어서, 발명예1 및 발명예2의 분리된 니켈 선철 금속의 성분을 하기 표5에 나타내었다.
구분 합금 성분(중량%)
Ni Fe Si Cr Mn Co Al Ca V
발명예1 8.22 87.4 3.01 0.481 0.0562 0.413 0.0289 0.0186 0.0445
8.45 87.4 2.87 0.526 0.0593 0.398 0.0156 0.0110 0.0376
발명예2 9.64 87.9 0.697 0.474 0.0171 0.426 0.0219 0.0094 0.0157
9.44 88.2 0.695 0.471 0.0136 0.432 0.0184 0.01 0.0156
발명예1은 석탄을 과다로 투입한 경우로 니켈의 함량이 8wt% 수준이고, Fe의 함량은 87wt% 수준으로 나타났다. 다만, 실리콘의 함량이 3wt% 수준으로 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 발명예1은 추후 정련 공정에서 산소 투입을 통해 Si을 제거할 수 있고, 발열원으로 사용될 수 있다.발명예 2에서는 석탄이 적절히 투입되어 실리콘의 함량이 1wt%이하로 매우 낮으며 니켈의 함량이 9.5wt% 수준으로, 니켈 선철로 사용하기에 적합함을 확인할 수 있었다.
본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 니켈 광석 분체 및 석탄을 혼합하여 혼합물을 조성하는 단계로서;
    상기 석탄은 상기 니켈 광석 분체에 포함된 Fe2O3, NiO를 환원시키고, 상기 석탄의 탄소 함량은 Si가 유입되지 않는 탄소의 중량%에서 상기 니켈 광석 분체에 포함된 탄소의 중량%를 뺀 차이값 이하의 함량으로 혼합되고,
    상기 혼합물을 직류 전기로에서 환원·용융하는 단계; 및
    상기 환원·용융된 니켈 선철 금속과 슬래그를 분리 배출하는 단계;를 포함하는 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 광석 분체는,
    페로니켈 제조 공정 중 예비환원 공정에서 생성되는 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    혼합물을 조성하는 단계에서,
    상기 니켈 광석 분체 100중량부에 대하여 상기 석탄의 함량은 2 내지 4 중량부인 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    혼합물을 조성하는 단계에서,
    상기 니켈 광석 분체 100중량부에 대하여 상기 석탄의 함량은 2.9중량부인 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    혼합물을 조성하는 단계에서,
    상기 니켈 광석 분체는 펠릿화하여 마련되는 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펠릿의 직경은 3mm 이하인 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 펠릿의 함수율은 5wt% 이하인 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 환원·용융하는 단계는,
    1,400℃ 이상의 온도에서 수행되는 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 선철 금속은,
    Ni을 8 내지 10wt%를 포함하는 니켈 광석 분체를 이용한 니켈 선철 제조 방법.
  11. 석탄은 니켈 광석 분체에 포함된 Fe2O3, NiO를 환원시키고, 상기 석탄의 탄소 함량은 Si가 유입되지 않는 탄소의 중량%에서 상기 니켈 광석 분체에 포함된 탄소의 중량%를 뺀 차이값 이하의 함량으로 혼합되는 석탄 투입 방법.
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