KR20150106661A - 페로실리콘 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 페로실리콘 제조방법에 관한 것으로서, 페로니켈 슬래그를 용융로에 장입하여 광석을 환원하는 단계와, 용융로로부터 환원로로 페로실리콘 용액을 회수하는 단계, 페로실리콘 용액에 정련제를 투입하여 용융물을 마련하는 단계 및 용융물에 환원제를 투입하여 페로 실리콘으로 환원하는 단계를 포함함으로써 산업 폐기물을 처리하기 위한 시간 및 비용을 절감시킬 수 있다.
즉, 페로니켈 슬래그 매립으로 인한 환경문제를 개선시킬 수 있으며, 슬래그의 재활용에 따른 원료비용, 물류비용, 설비투자비용 및 폐기물처리비용을 감소시키면서 페로실리콘 제조에 소모되는 제조비용을 절감시킬 수 있어 페로실리콘의 제조원가를 감소시킬 수 있다.

Description

페로실리콘 제조 방법 {Manufacturing method of Fe-Si from Fe-Ni slag}
본 발명은 페로실리콘 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 페로니켈 제조시 발생하는 부산물인 페로니켈 슬래그로부터 페로실리콘을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 들어 니켈 가격의 급변동에 따른 경제적, 안정적 니켈의 확보를 위해 페로니켈(Fe-Ni) 제련소를 준공하여 연간 3만 톤(ton)의 페로니켈이 생산되고 있다. 이때, 페로니켈을 제련할 때에 원료, 제선, 제강 등의 복잡한 생산 공정을 거치면서 원류 품위나 낮은 관계로 약 100만톤에 이르는 페로니켈 슬래그(Slag)가 제강 부산물로 발생한다.
통상적으로 부산물인 페로니켈 슬래그는 일본 및 캐나다와 같은 선진국에서는 시멘트 제조용 원료, 토목용 재료, 콘크리트용 세골재, 활주로용 골재, 사문암 대체재 등으로 페로니켈 슬래그를 다양하게 재활용되고 있다.
반면, 국내에서는 기술 부족 및 발명부족으로 인하여 페로니켈 슬래그의 일부만이 콘크리트용 잔골재 등으로 사용되며, 나머지는 그대로 매립되어 처리됨으로써 고부가화 또는 소재로서의 용도 창출은 잘 되지 않는 실정이다.
이처럼 매립되는 페로니켈 슬래그는 페로니켈 제련소 인근의 토양에 매립되면서 해양 오염을 유발하고 있으며, 그 처리량이 상당하여 매립 처리에 소요되는 시간 및 비용이 갈수록 증가하는 문제가 발생한다.
따라서, 페로니켈 슬래그의 재활용을 통해 폐자원을 자원화할 수 있는 방안의 모색이 요구된다.
KR 1987-0011260 A1 KR 2010-0085626 A1 KR 2012-0043216 A1
본 발명은 페로니켈 제조시 발생하는 페로니켈 슬래그로부터 용이하게 페로실리콘을 제조할 수 있는 페로실리콘 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 페로니켈 슬래그를 매립하기 위해 소요되는 시간 및 비용을 절감시킬 수 있는 페로실리콘 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 페로니켈 슬래그의 매립양을 절감하여 환경오염을 억제할 수 있는 페로실리콘 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 페로실리콘 제조 방법은 페로니켈 슬래그를 용융로에 장입하여 광석을 환원하는 단계와, 상기 용융로로부터 환원로로 페로실리콘 용액을 회수하는 단계, 상기 페로실리콘 용액에 정련제를 투입하여 용융물을 마련하는 단계 및 상기 용융물에 환원제를 투입하여 페로 실리콘으로 환원하는 단계를 포함한다.
상기 정련제는 규석, 사문암, 생석회 및 밀스케일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 환원제는 탄소함유 물질이며, 코크스를 포함할 수 있다.
상기 용융물을 마련하는 단계에서 상기 용융물을 교반하는 과정을 추가로 수행하며, 상기 교반 과정은 초기단계, 중간단계 및 말기단계로 구분하고, 상기 용융물의 1톤당 7N㎥/℃ 이하로 산화성 가스를 취입시킴과 동시에 상기 초기단계 및 말기 단계의 교반속도는 상기 중간단계의 교반속도에 대해 낮은 rpm 값을 가질 수 있다.
상기 중간 단계에서 교반방향을 변경하는 과정을 수행하고, 상기 중간 단계의 교반시간을 기준으로 상기 교반방향이 변경되는 구간의 교반속도(rpm)은, 상기 중간 단계의 총 교반 시간을 기준으로 30% 이내 구간의 교반속도보다 낮고, 상기 초기 단계의 교반속도보다는 큰 값을 가질 수 있다.
상기 용융로는 전기로이며, 상기 환원로는 래들일 수 있다.
본 발명의 페로실리콘 제조 방법에 의하면, 페로니켈 제조 과정에서 발생하는 페로니켈 슬래그로부터 페로실리콘을 제조함을써 산업 폐기물을 처리하기 위한 시간 및 비용을 절감시킬 수 있다.
따라서, 페로니켈 슬래그를 매립으로 인한 환경문제를 개선시킬 수 있으며, 슬래그의 재활용에 따른 원료비용, 물류비용, 설비투자비용 및 폐기물처리비용을 감소시키면서 페로실리콘 제조에 소모되는 제조비용을 절감시킬 수 있어 페로실리콘의 제조원가를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 페로실리콘 제조 방법을 순차적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 용융물을 교반하기 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를‘포함’한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구송요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 예에 따른 페로실리콘 제조 방법은, 페로니켈 제강 공정에서 발생하는 페로니켈 슬래그로부터 페로실리콘을 회수하기 위한 방법으로서, 페로니켈 슬래그를 용융로에 장입하여 광석을 환원하는 단계와, 용융로로부터 환원로로 페로실리콘 용액을 회수하는 단계, 페로실리콘 용액에 정련제를 투입하여 용융물을 마련하는 단계 및 용융물에 환원제를 투입하여 페로 실리콘으로 환원하는 단계를 포함한다.
먼저, 페로실리콘을 제조하기 위해, 페로니켈 슬래그를 마련한다(S100).
페로니켈 슬래그(Fe-Ni Slag)는 철과 니켈의 합금 제조 공정인 페로니켈 제조 과정에서 발생하는 부산물로서, 니켈 광석을 건조 및 파쇄 회여 환원한 뒤 전기로에서 정련/및 주조되어 페로니켈 추출 후의 부산물로 하기의 표1의 성분(중량%)으로 구성된다. 이때, 페로니켈 슬래그는 용융을 용이하게 하기 위해 소정 입도로 분쇄된 후 용융로에 수용될 수 있다. 즉, 페로니켈 슬래그는 페로니켈 제조 공정에서 배재되어 일정 크기의 덩어리로 존재하기 때문에 덩어리 채 용융로에 수용될 경우 용융이 단시간에 이루어질 수 없다. 따라서, 덩어리로 존재하는 페로니켈 슬래그는 일정 파우더 및 입자 크기를 갖도록 분쇄되어 용융로에서 용융시킬 수 있다.
SiO2 MgO T.Fe Al2O3 CaO 기타
페로니켈 슬래그 54.53 33.5 4.6 1.45 0.65 4.45
페로니켈 슬래그는 용융로에 수용되어 용융되는데, 페로니켈 슬래그를 용융시키기 위한 용융로는 전기로로 구현될 수 있는데, 이는 규소성분이 높은 제품의 제조시에는 용융온도가 높아져 전기로 조업을 제외하고는 사실상 제조가 용이하지 않다. 따라서, 용융로는 전기로로 구현될 수 있다. 이처럼 전기로에는 페로니켈 슬래그와 철광석이 원료로 투입되어 1600 내지 1650℃까지 가열되어 용융되고, 탄소로 환원하여 페로니켈 슬래그 속에 포함된 규석과 철광석을 페로실리콘 페로실리콘 용액으로 제조한다. 이를 위해 전기로에는 미분탄 공급을 위한 투입장치가 구비될 수 있다.
용융로에서 제조된 페로실리콘 용액 및 페로실리콘 슬래그는 환원로로 배출(S300)되며, 배출된 페로실리콘 용액은 정련(S300, S400) 및 환원(S500) 과정을 통해 페로실리콘으로 회수(S600)될 수 있다. 이때 환원로는 래들일 수 있으며, 래들로 배출된 페로실리콘 용액으로부터 페로실리콘을 회수하는 과정을 설명하면 하기와 같다.
래들로 배출된 페로실리콘 용액에서 고순도의 페로실리콘을 환원시키기 위해, 페로실리콘 용액 내의 불순물을 제거하는 것이 요구된다. 이에, 페로실리콘 용액에 정련제를 투입하고 교반(S400)하여 불순물을 제거할 수 있다. 이때, 본 발명에서 사용되는 정련제는 규석(SiO2), 사문석(Mg3Si2O5(OH)4), 생석회(CaO), 밀스케일 중 적어도 하나 이상이 혼합되어 래들 내에 투입될 수 있다(S300).
정련제는 페로실리콘 용액에 투입된 후 생성되는 슬래그의 유동성과 불순물을 흡수력을 조절할 수 있는 것으로, 본 발명의 정련제는 규석 : 45 ~ 75%, 생석회 : 20 ~ 35%, 산화철 : 0 ~ 15% 및 사문석 : 5 ~ 15%의 조성을 나타낼 수 있다. 정련제에 의해 상기와 같은 조성을 갖는 슬래그는 융점이 1250℃ 이하로 정련하는 동안 액상을 유지하기가 충분하고 유동성이 양호하여 정련후에 페로실리콘 용액으로부터 용이하게 분리되어 제거될 수 있다. 이때, 투입되는 정련제는 페로실리콘 용액과 용이하게 반응할 수 있도록 7㎜의 입도를 갖도록 마련되어 페로실리콘 용액에 투입될 수 있다.
상기의 조성을 갖는 정련제를 전기로로부터 래들에 출탕된 페로실리콘 용액을 총량을 기준으로 15% 이하를 첨가시킨 후, 임펠러를 용융물에 침지시켜 임펠러의 회전에 의하여 교반시킨다(S400). 이때, 임펠러 또는 래들을 통해 용융물 내에 산화성 가스를 취입하여 불순물을 산화 제어시킨다. 이때, 페로실리콘 용탕 중의 불순물인 Al, Ca, C 등은 정련제와의 반응에 의해 Al2O3, CaO등으로 산화물과 CO가스로 산화되며, 산화 생성물은 용탕의 교반력에 의하여 신속하여 탕면 상으로 부상하여 표면의 슬라그에 흡수되므로 Fe-Si 용탕 내의 불순물이 최대 95% 이상 제거될 수 있다.
여기서, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 페로실리콘 용탕과 정련제의 용융물의 교반 방법을 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서 용융물에 투입되는 산화성가스는 산소와 질소의 혼합 가스로서, 취입되는 가스 유량은 페로실리콘 용액의 1톤에 대하여 7N㎥/℃ 이하의 산화성 가스가 취입될 수 있다. 이때, 취입되는 가스는 공기를 취입시켜 정련할 수도 있으나, 적정 산소 및 질소 비율을 유지하여 시간에 따라 정련이 균일하게 진행될 수 있도록 할 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명의 교반 과정은 총 교반시간을 기준으로 초기단계, 중간단계 및 말기단계로 3단계로 구분되며, 중간단계의 분당 회전수인 회전력은 초기단계 및 말기단계의 회전력에 비해 큰 rpm 값을 같고 교반이 진행할 수 있다. 즉, 도 2의 (a)를 살펴보면, 초기단계, 중간단계 및 말기단계 각각의 평균 교반속도는 각각 50 ~ 100rpm, 100 ~ 150 rpm 및 30~60 rpm으로 중간단계의 분당 회전수는 초기단계 및 말기단계의 분당회전수에 비해 높은값을 가지며, 중간단계에서는 교반이 더욱 활발하게 진행되는 것을 알 수 있다.
더욱이 중간단계에서는 일정시점에서 교반 방향을 변경하는 과정이 진행될 수 있다. 즉, 용융물을 회전시키는 임펠러의 회전방향을 변경함으로써 페로실리콘 용액과 정련제가 교반율을 더욱 증가시킬 수 있다. 이때, 임펠러의 회전 방향이 변경되는 변경 시간 동안, 임펠러의 회전속도는 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이 일정 속도로 낮아질 수 있으며, 회전방향이 변경된 후 회전 속도가 서서히 증가할 수 있다. 보다 구체적으로 임펠러의 회전방향이 변경되는 시점에서의 임펠러의 회전속도는 중간 단계의 교반시간을 기준으로 30% 이내의 회전속력보다 낮으며 초기 단계의 회전속도보다는 큰 회전력을 갖는 값으로 임펠러가 회전될 수 있다. 이처럼 회전속도가 변화하는 이유로는 임펠러의 회전 방향이 변경되기 전에 용융물이 가지는 기존 회전방향으로의 흐름력이 존재하는데, 회전 속도를 감소시키기 않고 임펠러의 회전방향을 변경시키는 경우, 기존의 용융물 흐름력과 임펠러의 회전력의 충돌에 의해서 용융물이 래들 밖으로 비산하는 문제점이 발생될 수 있어, 급격한 와류의 발생에 의해서 용탕 상부에 생성되는 슬래그가 다시 용탕 내로 유입될 수 있기 때문에 전술한 방법에 따라 임펠러의 회전방향을 변경시킬 수 있다.
한편, 초기단계 및 말기단계에서 교반속도를 증가시키는 것은 도 2의 (b)의 점선으로 표시된 것과 같이 단계적으로 교반속도를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 교반속도를 단계적으로 증가시킴으로써 용융물 상에 생성되는 슬래그의 유입을 억제하거나 방지할 수 있으며 용용물이 환원로 밖으로 비산되는 문제점을 해소할 수 있다.
교반작업에 의해 페로실리콘 용융물 내의 불순물이 흡수된 페로실리콘 슬래그를 배재하고, 페로실리콘 용액으로부터 페로실리콘을 환원시키기 위해 환원제를 투입한다(S500). 이때, 환원제는 탄소 함유 물질이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 코크스를 사용하였으나 기재한 바와 같이 탄소를 함유하여 하기의 화학식 1의 반응을 이끌어낼 수 있는 다양한 환원제가 사용될 수 있다.
정련 후의 페로실리콘 용액과 환원제의 반응에 의한 페로실리콘 환원반응을 보면 다음과 같다.
[화학식1]
SiO2 + xFe + C = Fe-Si + CO2↑
즉, 페로실리콘 용액에 포함된 산화규소와 철 그리고 투입된 환원제의 탄소와의 반응에 의해서 산화규소를 규소로 환원시켜 페로실리콘으로 회수되며(S600) 산화규소 중 산소와 탄소의 반응에 의해 이산화탄소가 형성되어 환원과정이 완료된다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술 되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (6)

  1. 페로니켈 슬래그를 용융로에 장입하여 광석을 환원하는 단계와;,
    상기 용융로로부터 환원로로 페로실리콘 용액을 회수하는 단계;
    상기 페로실리콘 용액에 정련제를 투입하여 용융물을 마련하는 단계;
    상기 용융물에 환원제를 투입하여 페로 실리콘으로 환원하는 단계;를 포함하는 페로실리콘 제조방법.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 정련제는 규석, 사문암, 생석회 및 밀스케일 중 적어도 하나 이상을 포함하는 페로실리콘 제조방법.
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 환원제는 탄소함유 물질이며, 코크스를 포함하는 페로실리콘 제조방법.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 용융물을 마련하는 단계에서 상기 용융물을 교반하는 과정을 추가로 수행하며,
    상기 교반 과정은 초기단계, 중간단계 및 말기단계로 구분하고, 상기 용융물의 1톤당 7N㎥/℃ 이하로 산화성 가스를 취입시킴과 동시에 상기 초기단계 및 말기 단계의 교반속도는 상기 중간단계의 교반속도에 대해 낮은 rpm 값을 갖는 페로실리콘 제조방법.
  5. 청구항 4 에 있어서,
    상기 중간 단계에서 교반방향을 변경하는 과정을 수행하고,
    상기 중간 단계의 교반시간을 기준으로 상기 교반방향이 변경되는 구간의 교반속도(rpm)은, 상기 중간 단계의 총 교반 시간을 기준으로 30% 이내 구간의 교반속도보다 낮고, 상기 초기 단계의 교반속도보다는 큰 값을 갖는 페로실리콘 제조방법.
  6. 청구항 1 에 있어서,
    상기 용융로는 전기로이며, 상기 환원로는 래들인 페로실리콘 제조방법.
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