KR20100032966A - 페로니켈의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

페로니켈 제조 방법에서, 제1 함량을 갖는 니켈과 철을 포함하는 고품위 광석 중 기준 입도 이상인 조립분을 로터리 킬른에서 소성시켜 소성 칼사인으로 변화시킨다. 그리고 소성 칼사인을 전기로에서 용해하여 제1 예비 페로니켈을 수득한다. 이어서 i) 제1 함량 이하인 제2 함량을 갖는 니켈과 철을 포함하는 저품위 광석 중 기준 입도 미만인 미립분 또는 ii) 고품위 광석 중 기준 입도 미만인 미립분을 사용하여 형상물을 제조한다. 여기서 상기 물질들은 단독 또는 혼합으로 사용될 수 있다. 그 후, 형상물을 회전 노상식 환원로에서 예비 환원한다. 이어서 예비 환원된 형상물을 전기로에서 용해하여 제2 예비 페로니켈을 수득한다. 그리고 제1 및 2 예비 페로니켈들을 혼합 및 주조하여 페로니켈을 수득한다. 본 발명에 따르면, 페로니켈 제조시 분발생량을 낮추며 에너지 비용을 낮출 수 있으며 최종적으로 제조된 페노니켈은 알루미늄 제조에 유리하게 사용될 수 있다.

고품위 광석, 저품위 광석, 입도, 페로니켈

Description

페로니켈의 제조 방법{METHOD OF FORMING A FERRONIKEL}

본 발명은 페로니켈의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 각종 소재의 원료로 사용되는 페로니켈의 제조 방법에 관한 것이다.

니켈은 철강의 합금원소로서 가장 중요한 금속 중의 하나이다. 흔히 '은백색의 마술'이라고 불리 울 만큼 기계산업의 발전과 더불어 비철합금, 스테인리스강, 도금, 내식, 내열재, 자성재료 등 그 수요가 날로 급증하고 있는 금속이기도 하다.

니켈과 철의 합금을 페로니켈이라하며 페로니켈은 현재 합금 철강 재료의 국제적 수요의 증가로 인해서 페로니켈의 수요 역시 증가하고 있다. 그러나 기존의 페로니켈 제조 공정에서는 부산물 발생이 상대적으로 많으며 에너지가 과하게 소비된다는 문제점이 있었다. 따라서 새로운 페로니켈 제조 공정에 대한 연구가 다각도로 진행되고 있다.

이상 "배경 기술"에서 설명된 사항들은 본 발명의 배경의 이해를 돕기 위한 것으로서 이 부분에서 설명된 사항들 중에서는 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 기술이 포함되어 있을 수 있다.

본 발명의 목적은 분발생량이 낮고 에너지 비용을 낮출 수 있는 페로니켈 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 함량을 갖는 니켈과 철을 포함하는 고품위 광석 중 기준 입도 이상인 조립분을 로터리 킬른에서 소성시켜 소성 칼사인으로 변화시킨다. 그리고 소성 칼사인을 전기로에서 용해하여 제1 예비 페로니켈을 수득한다. 이어서 i) 제1 함량 이하인 제2 함량을 갖는 니켈과 철을 포함하는 저품위 광석 중 기준 입도 미만인 미립분 또는 ii) 고품위 광석 중 기준 입도 미만인 미립분을 사용하여 형상물을 제조한다. 여기서 상기 물질들은 단독 또는 혼합으로 사용될 수 있다. 그 후, 형상물을 회전 노상식 환원로에서 예비 환원한다. 이어서 예비 환원된 형상물을 전기로에서 용해하여 제2 예비 페로니켈을 수득한다. 그리고 제1 및 2 예비 페로니켈들을 혼합 및 주조하여 페로니켈을 수득한다.

제1 함량 및 제2 함량은 각각 약 1.5~2.3wt% 및 약 1.0~1.5wt%일 수 있다. 그리고 고품위 광석 및 저품위 광석에 포함된 철의 함량은 각각 약 10~25wt% 및 약 25~45wt%일 수 있다.

기준 입도는 약 0.5~3mm의 범위에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 기준 입도는 1mm일 수 있다. 소성 칼사인으로 변화시키기 위해 로터리 킬른에서는 약 90~150 분 동안 약 700~1000℃의 온도로 소성이 진행될 수 있다.

제1 예비 페로니켈을 수득하기 위해 소성 칼사인은 상기 전기로에서는 1400~1700℃로 용해될 수 있다. 그리고 제1 예비 페로니켈은 약 15~30wt%의 니켈을 포함할 수 있다.

형상물을 제조할 때 로터리 킬른에서 발생한 더스트를 더 사용할 수 있다. 형상물을 제조할 때 저품위 광석의 미립분이 갖는 입도는 저품위 광석 중 기준 입도 이상의 것과 미만의 것이 혼합된 상태에서 분쇄를 통해 기준 입도 미만으로 제어될 수 있다. 이와 다르게 저품위 광석의 미립분이 갖는 입도는 저품위 광석 중 기준 입도 이상의 것을 선택적으로 분리하여 분쇄함으로써 기준 입도 미만으로 제어될 수 있다.

형상물로 제조하기 위하여 i) 저품위 광석 중 기준 입도 미만인 미립분 또는 ii) 고품위 광석 중 기준 입도 미만인 미립분 중 적어도 하나를 포함하는 물질에 석탄 및 바인더를 혼합한 후 펠렛 성형법, 압출 성형법 또는 브리켓 성형법이 적용될 수 있다. 그리고 형상물의 입도는 약 7~25mm일 수 있다.

형상물은 회전 노상식 환원로에서 약 7~25분 동안 약 1100~1400℃의 온도에서 예비 환원될 수 있다.

제2 예비 페로니켈을 수득하기 위해서 예비 환원된 형상물은 전기로에서 약 1400~1700℃로 용해될 수 있다. 여기서 제2 예비 페로니켈은 약 4~8wt%의 니켈을 포함할 수 있다.

제1 및 2 예비 페로니켈들을 혼합 및 주조하여 수득된 페로니켈은 약 6~15wt%의 니켈을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 광석의 입도와 광석의 품위 별로 광석의 특성에 맞는 예비 환원 공정을 구성하여 페로니켈을 제조하기 때문에 분발생률을 낮추고 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한, 최종적으로 수득된 페로니켈이 알루미늄 제조시 요구되는 범위인 약 6~15wt%의 니켈을 포함하기 때문에 알루미늄 제조에 매우 유리하게 사용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하겠지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 상대적으로 많은 제1 함량의 니켈(Ni)을 포함하는 고품위 광석 중 입도가 기준 입도 이상인 조립분은 로터리 킬른(rotary kiln; R/K)에서 약 90~150분 동안 약 700~1000℃의 온도로 소성되어 부착수와 결합수가 제거됨으로써 소성 칼사인(calcine)으로 변화된다. 상기 고품위 광석의 입도 상한은 약 300mm일 수 있으나 장비 성능 등 외부 조건에 따라서 상한은 변경될 수 있다.

여기서 고품위 광석이라 함은 상대적으로 많은 양의 니켈을 포함하는 광석을 의미하며 제1 함량은 약 1.5~2.3wt%일 수 있다. 예를 들어, 고품위 광석으로 약 1.5~2.3wt%의 니켈 및 약 10~25wt%의 철(Fe)을 포함하는 고품위 샤프로라이트(saprolite)가 사용될 수 있다.

그리고 기준 입도는 약 0.5~3mm의 범위에서 선택될 수 있다. 이는 기준 입도가 0.5mm 미만으로 설정되는 경우 기준 입도 미만인 미립분을 수집하거나 미립분이 되도록 입도를 제어하는 것이 난해하다는 문제점이 있고, 반면에 기준 입도가 3mm를 초과하여 설정되는 경우 조립분의 입도가 상대적으로 크기 때문에 후속 공정에서 제조되는 형상물의 강도 내지 표면 균일도가 저하되는 문제가 있기 때문이다. 보다 구체적으로 기준 입도는 약 1mm로 설정되는 것이 유리한데 조립분으로 제조되는 형상물의 강도 및 표면 균일도를 높게 유지하면서 미립분의 수집 및 입도 제어에 가장 효과적이기 때문이다.

로터리 킬른에서 소성되는 시간이 약 90분 미만인 경우, 체류 시간이 짧아 소성 품질이 저하된다는 문제점이 있다. 반면에 약 150분을 초과하는 경우, 체류 시간이 길어 생산성이 저하된다는 문제점이 있다. 따라서 로터리 킬른에서 소성되는 시간은 약 90~150분일 수 있다.

로터리 킬른에서 소성 온도가 700℃ 미만인 경우, 소성 효율이 저하된다는 문제점이 있다. 반면에 900℃를 초과하는 경우, 더스트가 로터리 킬른에 부착되어 부착층(dam ring)을 형성시킬 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 로터리 킬른에서의 소성 온도는 약 700~1000℃일 수 있다.

상기 소성 칼사인은 전기로(submurged arc furnace; SAF)에서 약 1400~1700℃에서 용해되어 약 15~30wt%의 니켈을 포함하는 제1 예비 페로니켈(FeNi)이 수득된다.

전기로에서의 용해 온도가 약 1400℃ 미만인 경우, 용융되기에는 상대적으로 낮은 온도로서 효율이 저하된다는 문제가 있다. 반면에 약 1700℃를 초과하는 경우, 과도한 전력이 소비될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 전기로에서의 용해 온도는 약 1400~1700℃일 수 있다.

i) 분쇄를 통해 입도가 기준 입도 미만으로 제어된 제1 함량 이하인 제2 함량의 니켈을 포함하는 저품위 광석의 미립분 또는 ii) 상기 고품위 광석 중 기준 입도 미만인 미립분을 별도의 저장소로 이송한 후 석탄 및 바인더(binder)와 혼합하고 펠렛 성형법, 압출 성형법 또는 브리켓 성형법을 적용하여 입도가 약 7~25mm인 형상물을 제조한다. 저품위 광석의 미립분 또는 고품위 광석의 미립분은 단독 또는 혼합으로 사용될 수 있다.

여기서 저품위 광석이라 함은 상대적으로 적은 양의 니켈을 포함하는 광석을 의미하며 제2 함량은 약 1.0~1.5wt%일 수 있다. 예를 들어, 저품위 광석으로는 약 1.0~1.5wt%의 니켈 및 약 25~45wt%의 철을 포함하는 저품위 리모나이트(limonite)가 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 로터리 킬른에서 발생한 더스트(dust)도 일 반적으로 입도 상한이 약 3mm 이하인 바 이들과 함께 형상물 제조에 첨부되어 사용될 수 있다.

저품위 광석의 미립분 및 고품위 광석의 미립분의 입도 하한은 약 0.0001mm 일 수 있으며 더스트의 경우 입도 하한이 약 0.0000001mm 이하까지 축소될 수 있다.

상기 형상물의 입도가 약 7mm 미만인 경우, 성형법으로 효과적인 제조가 용이하지 않다는 문제점이 있다. 반면에 약 25mm를 초과하는 경우, 후속되는 예비 환원시 환원율이 저하될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 상기 형상물의 입도는 약 7~25mm일 수 있다.

상기 형상물은 회전 노상식 환원로(rotary hearth furnace; RHF)에서 약 7~25분 동안 약 1100~1400℃의 온도로 예비 환원된 후 전기로(SAF)에서 약 1400~1700℃에서 용해되어 약 4~8wt%의 니켈을 포함하는 제2 예비 페로니켈이 수득된다.

회전 노상식 환원로에서 예비 환원되는 시간이 약 7분 미만인 경우, 체류 시간이 짧아 환원율이 저하된다는 문제점이 있다. 반면에 약 25분을 초과하는 경우, 체류 시간이 길어져 생산성이 저하된다는 문제점이 있다. 따라서 회전 노상식 환원로에서 환원되는 시간은 약 7~25분일 수 있다.

회전 노상식 환원로에서 환원 온도가 1100℃ 미만인 경우, 환원율이 저하된다는 문제점이 있다. 반면에 1400℃를 초과하는 경우, 상기 성형체가 녹아 로벽에 부착될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 회전 노상식 환원로에서 환원 온도는 약 1100~1400℃일 수 있다.

전기로에서의 용해 온도가 약 1400℃ 미만인 경우, 용융되기에는 상대적으로 낮은 온도로서 효율이 저하된다는 문제가 있다. 반면에 약 1700℃를 초과하는 경우, 과도한 전력이 소비될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 전기로에서의 용해 온도는 약 1400~1700℃일 수 있다.

상술한 바와 같은 공정들을 통해 수득된 i)약 15~30wt%의 니켈을 포함하는 제1 예비 페로니켈 및 ii)약 4~8wt%의 니켈을 포함하는 제2 예비 페로니켈은 혼합 및 주조되어 약 6~15wt%의 니켈을 포함하는 페로니켈로 제조된다.

실시예 2

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 실시예에 따른 페로니켈 제조 방법은 저품위 광물에 대하여 입자 크기 별로 선택적인 분쇄가 수행되는 것을 제외하고 도 1에서 설명된 페로니켈 제조 방법과 실질적으로 동일하다. 따라서 반복되는 설명은 제외한다.

도 2를 참조하면, 저품위 광물 중 입도가 기준 입도 미만인 것은 성형 공정으로 직접 투입된다. 반면에, 저품위 광물 중 입도가 기준 입도 이상인 것은 분쇄를 통하여 입도가 기준 입도 미만으로 제어된 후 성형 공정으로 투입된다.

실험예 1

도 3은 석탄과 니켈 광석을 성형 한 후 약 1250℃에서 약 10분간 유지한 경우 광석 중 철 함량에 따른 환원율을 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 니켈 광석 중 철 함량이 약 15wt% 이하로 낮게 되면 실리콘 산화물(SiO₂), 마그네슘 산화물(MgO) 등 맥석 성분이 많기 때문에 석탄과 철, 니켈 성분의 접촉 기회가 부족하게 되어 석탄에 의한 직접 환원율은 낮아지게 된다.

따라서 철이 20wt% 이상의 경우는 회전 노상식 환원로(RHF)에서 충분히 예비 환원을 시키고 나머지 전기로 용융 환원을 실시하는 것이 전체 에너지 측면에서 유리하고, 철 20wt% 이하의 경우는 회전 노상식 환원로(RHF) 간접 환원보다는 전기로 용융 환원을 시키는 것이 유리하다.

실험예 2

도 4는 니켈 광석 입도에 따른 광석 중 철, 니켈 함량 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 약 1mm 미만의 미립에서 철은 약 20wt% 존재하므로 분발생 및 환원율 측면에서 회전 노상식 환원로(RHF) 및 전기로(SAF) 프로세스가 유리하고, 약 1mm 이상의 대립에서 철은 약 10wt% 수준이므로 성형하지 않고 로터리 킬른(R/K)에 직접 장입하여 전기로에서 용융 환원하는 것이 유리하다. 또한, 리모나이트는 평균 입도가 샤프로라이트가 약 30mm인 것에 반해 약 10mm 수준으로 낮고, 철 함량이 약 45wt%로 높기 때문에 회전 노상식 환원로(RHF) 및 전기로(SAF) 프로 세스가 적합하다.

실험예 3

비교예로서 기존 공정 기술을 사용하여 페로니켈을 제조하였으며 본 발명의 실시예에 기재된 방법을 사용하여 페로니켈을 제조하여 비교하는 실험을 하였으며 그 결과를 하기의 [표 1]에 나타내었다.

[표 1]

		비교예	본 발명
Saprolite (Ni 2.3, Fe 11wt%)	입도 1mm 미만	R/K + SAF	RHF + SAF
	입도 1mm 이상	R/K + SAF	R/K + SAF
Limonite(Ni 1.0, Fe 40%)		R/K + SAF	RHF + SAF
최종 제품		20wt% FeNi	5wt% FeNi
분발생량(%)		광석 중 30% 이상	2% 미만
전력비(kWh/Calcine)		500kWh/Calcine(High)	400kWh/Calcine(Low)

[표 1]을 참조하면, 비교예의 경우 분발생량이 약 30%로 높고 전력소모량이 500kWh/Calcine으로 높은 반면, 본 발명의 경우 분발생량이 약 2%로 낮고 전력소모량은 400kWh/Calcine으로 매우 낮게 나타났다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로니켈 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3은 석탄과 니켈 광석을 성형 한 후 약 1250℃에서 약 10분간 유지한 경우 광석 중 철 함량에 따른 환원율을 나타내는 그래프이다.

도 4는 니켈 광석 입도에 따른 광석 중 철, 니켈 함량 변화를 나타내는 그래프이다.

Claims (16)

1. 제1 함량을 갖는 니켈과 철을 포함하는 고품위 광석 중 기준 입도 이상인 조립분을 로터리 킬른에서 소성시켜 소성 칼사인으로 변화시키는 단계;

   상기 소성 칼사인을 전기로에서 용해하여 제1 예비 페로니켈을 수득하는 단계;

   i) 상기 제1 함량 이하인 제2 함량을 갖는 니켈과 철을 포함하는 저품위 광석 중 상기 기준 입도 미만인 미립분 및 ii) 상기 고품위 광석 중 상기 기준 입도 미만인 미립분으로 이루어지는 그룹에 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하여 형상물을 제조하는 단계;

   상기 형상물을 회전 노상식 환원로에서 예비 환원하는 단계;

   예비 환원된 상기 형상물을 전기로에서 용해하여 제2 예비 페로니켈을 수득하는 단계; 및

   상기 제1 및 2 예비 페로니켈들을 혼합 및 주조하여 페로니켈을 수득하는 단계를 포함하는 페로니켈 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소성 칼사인으로 변화시키는 단계에서, 상기 제1 함량은 1.5~2.3wt%이고,

   상기 예비 환원하는 단계에서, 상기 제2 함량은 1.0~1.5wt%인 페로니켈 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 입도는 0.5~3mm의 범위에서 선택되는 페로니켈 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 기준 입도는 1mm인 페로니켈 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 소성 칼사인으로 변화시키는 단계에서, 상기 로터리 킬른에서는 90~150분 동안 700~1000℃의 온도로 소성이 진행되는 페로니켈 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 예비 페로니켈을 수득하는 단계에서, 상기 소성 칼사인은 상기 전기로에서는 1400~1700℃로 용해되는 페로니켈 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 예비 페로니켈을 수득하는 단계에서, 상기 제1 예비 페로니켈은 15~30wt%의 니켈을 포함하는 페로니켈 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 형상물을 제조하는 단계에서, 상기 로터리 킬른에서 발생한 더스트를 더 사용하는 페로니켈 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 형상물을 제조하는 단계에서, 상기 저품위 광석의 상기 미립분이 갖는 입도는 상기 저품위 광석 중 상기 기준 입도 이상의 것과 미만의 것이 혼합된 상태에서 분쇄를 통해 상기 기준 입도 미만으로 제어되는 페로니켈 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 형상물을 제조하는 단계에서, 상기 저품위 광석의 상기 미립분이 갖는 입도는 상기 저품위 광석 중 상기 기준 입도 이상의 것을 선택적으로 분리하여 분쇄함으로써 상기 기준 입도 미만으로 제어되는 페로니켈 제조 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 형상물로 제조하는 단계에서, 상기 형상물은 상기 물질에 석탄 및 바인더를 혼합한 후 펠렛 성형법, 압출 성형법 또는 브리켓 성형법을 적용하여 제조되는 페로니켈 제조 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 형상물로 제조하는 단계에서, 상기 형상물의 입도는 7~25mm인 페로니켈 제조 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 예비 환원하는 단계에서, 상기 형상물은 상기 회전 노상식 환원로에서 7~25분 동안 1100~1400℃의 온도에서 예비 환원되는 페로니켈 제조 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 예비 페로니켈을 수득하는 단계에서, 상기 형상물은 상기 전기로에서 1400~1700℃로 용해되는 페로니켈 제조 방법.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 예비 페로니켈을 수득하는 단계에서, 상기 제2 예비 페로니켈은 4~8wt%의 니켈을 포함하는 페로니켈 제조 방법.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 페로니켈을 수득하는 단계에서, 상기 페로니켈은 6~15wt%의 니켈을 포함하는 페로니켈 제조 방법.

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