KR20160075982A

KR20160075982A - 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20160075982A
Application number: KR1020140184820A
Authority: KR
Inventors: 박영구; 김윤채; 조영민
Original assignee: 에프알이엔지(주)
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-30

Abstract

본 발명은 페로망간(ferromangane) 제조공정 중에 부산물로 발생하는 산화망간(Mn₃O₄) 분진으로부터, 유용금속인 고순도 페로망간을 추출하기 위해 사용하는 고가의 알루미늄(Al) 분말을 대체하여, 산화망간(Mn₃O₄) 분진과의 테르밋 반응성이 순수 알루미늄(Al) 분말과 동일 수준에 이르는 알루미늄 합금분말 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말 및 이의 제조방법{Thermally stable aluminum alloy powder for extraction of valuable metals from electric arc furnace dust and process for production of aluminum alloy powder}

상기 알루미늄 합금분말은 열안정성이 뛰어나고, 산화망간(Mn₃O₄) 분진에 함유되어 있는 망간성분의 추출효율과 순도를 향상시킬 수 있는 진보된 테르밋 반응 이 가능하다는 효과를 갖는다.

페로망간은 철과 망간의 합금으로 제강과정 중에 환원제 역할을 함과 동시에 불순물을 제거하는 필수요소다. 페로망간을 용강에 가하면 철 중의 산소와 결합해 산화망간(MnO)이 되며, 또한 황(S)과 화합해 황화망간(MnS)이 되어 찌꺼기로 배출된다.

페로망간 제조공정 중에 부산물로 발생하는 산화망간(Mn₃O₄) 분진으로부터 금속망간을 제조하기 위하여 Al 테르밋법을 적용한 결과 Mn 함유율이 93% 이상이고 KS D3712 규격 이하의 낮은 불순물을 함유한 고순도 페로망간의 제조가 가능하였다.

또한 Al 테르밋법보다 제조 코스트가 매우 낮을 것으로 사료되는 Si 테르밋법, 즉 Al 분말 대신에 Si 분말을 산화망간(Mn₃O₄) 분진의 테르밋 반응의 환원제로 검토한 결과, Si 분말과 Al 분말을 동시에 첨가할 경우는 Mn 함유율 약 87%이고 C, P, S 등의 불순물이 비교적 적은 페로망간을 얻을 수 있었으나, Si 분말을 단독으로 첨가할 경우는 착화가 불안정하여 테르밋 반응을 기대할 수 없었다.

따라서, Al 테르밋법에 의해 산화망간(Mn₃O₄) 분진으로부터 고순도 페로망간 제조시 고가의 Al분말을 대체할 수 있는 새로운 Al 합금분말 및 이를 제조하기 위한 기술이 요구되는 실정이다.

대한민국 공개특허 10-2014-00166(공개일자 2014.02.10) 대한민국 등록특허 10-0570551(등록일자 2006.04.06)

본 발명은 상기한 바와 같이, 산화망간(Mn₃O₄) 분진으로부터 고순도 페로망간 추출시에 사용되는 고가의 알루미늄 분말을 대체하면서도, 산화망간(Mn₃O₄) 분진과의 테르밋 반응성이 순수 알루미늄 분말과 동일하여 산화망간(Mn₃O₄) 분진에 함유되어 있는 망간성분의 추출효율과 순도 향상을 갖는 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 이루기 위하여,

본 발명은 알루미늄 50~85wt%와 망간 15~50wt%의 배합으로 조성된 Al-Mn 합금분말로서, 산화망간(Mn₃O₄) 분진의 테르밋 반응용 환원제로 사용되는 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말을 제공한다.

그리고 상기 알루미늄 합금분말의 제조공정으로서,

고주파 유도로에서 7kHz~40kHz의 고주파를 이용하여 1,000~1,500℃로 망간 금속을 용해하는 단계와,

상기 용해시킨 망간 금속에 알루미늄 금속을 첨가하여 용융상의 Al-Mn 합금을 제조하는 단계와,

상기 용융상의 Al-Mn 합금을 틀에 주입하여 상온, 상압에서 응고시켜 합금괴를 제조하는 단계와,

상기 합금괴를 10~20mm로 분쇄하는 단계와,

상기 분쇄 합금괴를 로드 밀(Rod Mill)에서 60~100rpm으로 10~30분 동안 분쇄하여 미분으로 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말 제조방법.를 포함하여 이루어지는 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말 제조방법을 제공한다.

Mn₃O₄ 분진의 테르밋 반응용 환원제로 사용되는, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 고가의 순수 알루미늄을 대체하기 위한 것으로서, Al 금속에 Mn 금속을 첨가하면, 취성이 큰 Al-Mn계의 금속간화합물이 형성되기 때문에 용이하게 분말을 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 합금분말의 Mn₃O₄ 분진과의 테르밋 반응성도 Al 분말 수준으로 양호하기 때문에, Mn₃O₄ 분진으로부터 고순도 페로망간을 회수하는 데 있어, 제조 비용을 낮출 수 있다는 장점을 갖는다.

이하, 상기의 기술 구성에 대해 구체적인 내용을 살펴보고자 한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금분말은 산화망간(Mn₃O₄) 분진으로부터 페로망간 추출시에 사용되는 고가의 순수 알루미늄 분말을 대체하여, 산화망간(Mn₃O₄) 분진의 테르밋 반응용 환원제로 사용된다.

상기한 바와 같이,

상기 알루미늄 합금분말은 순도 99% 이상의 알루미늄 50~95wt%와 순도 80% 이상의 페로망간(ferromangane) 5~50wt%의 배합으로 조성된 것으로서,

이때 순도 99% 이상의 알루미늄의 사용량이 50wt% 미만인 경우에는 테르밋 반응용 환원제로서의 기능성이 떨어질 수 있고, 95wt%를 초과하게 되는 경우에는 고가의 순수 알루미늄 분말을 대체하고자 하는 본 발명의 목적에 부합되지 않으므로, 상기 순도 99% 이상의 알루미늄의 사용량은 알루미늄 합금분말의 전체 양에 대해 50~95wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

또한 상기 순도 80% 이상의 페로망간(ferromangane)의 사용량이 5wt% 미만인 경우에는 상대적으로 상기 순도 99% 이상의 알루미늄의 사용량이 증가하여 본 발명의 목적에 부합하지 않는 문제가 있고, 50wt%를 초과하게 되는 경우에는 고순도 페로망간 추출에 부적합할 수 있으므로, 상기 순도 80% 이상의 페로망간(ferromangane)의 사용량은 알루미늄 합금분말의 전체 양에 대해 5~50wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 페로망간(Ferromangnaese, FeMn)은 철강제조 과정에서 사용되는 대표적인 합금철로서, 탄소함량에 따라 고탄소(High carbon), 중탄소(Midium carbon) 및 저탄소(Low carbon) FeMn 합금철과 전해 망간(Electrolytic Mn)으로 구분된다.

본 발명에서는 중탄소 및 고탄소의 페로망간을 사용하며, 구체적인 예로서 탄소함량이 1%를 초과하는 페로망간을 사용한다.

즉, 망간(Mn) 79~82wt%, 철(Fe) 15~18wt%, 탄소(C) 1.2~2wt%, 황(S) 0.003~0.01wt%, 산소(O) 0.01~1.11wt%, 질소(N) 0.07~0.14wt%, 인(P) 0.16~0.18wt%, 알루미늄(Al) 0.03~0.06wt%, 규소(Si) 0.04~0.12wt%, 크롬(Cr) 0.06~0.09wt%의 배합비로 조성된 것을 사용한다.

더욱 구체적으로는, 망간(Mn) 81.7wt%, 철(Fe) 15.99wt%, 탄소(C) 1.92wt%, 황(S) 0.01wt%, 산소(O) 0.01wt%, 질소(N) 0.07wt%, 인(P) 0.16wt%, 알루미늄(Al) 0.03wt%, 규소(Si) 0.04wt%, 크롬(Cr) 0.07wt%의 배합비로 조성된 페로망간을 사용한다.

상기 알루미늄 합금분말의 구체적인 배합비를 살펴보면 다음의 실시예 1과 같다.

상기 알루미늄 합금분말은 순도 99%의 알루미늄 87wt%와 순도 80%의 페로망간(ferromangane) 13wt%의 성분 배합비로 조성된다.

다음으로, 상기 알루미늄 합금분말의 제조방법에 대한 구체적인 내용을 살펴보도록 한다.

상기 알루미늄 합금분말은 고주파 유도로에서 1,000~1,500℃로 망간 금속을 용해한 후, 상기 용해시킨 망간 금속에 알루미늄 금속을 첨가하여 용융상의 Al-Mn 합금을 제조한다.

다음으로 상기 용융상의 Al-Mn 합금을 틀에 주입하여 상온, 상압에서 응고시켜 합금괴를 제조한 후, 상기 합금괴를 조크러셔를 이용하여 평균입도 20mm로 분쇄한다.

그리고 상기 분쇄 합금괴를 로드 밀(Rod Mill)에서 100rpm으로 10분 동안 분쇄하여 알루미늄 합금 분말을 제조한다.

상기 Al-Mn 합금괴는 조크러셔(Jaw Crusher)에서 10~20mm로 분쇄한 다음, 이것을 로드 밀(Rod Mill)의 드럼에 장입하여 60~100rpm으로 10~30분간 분쇄하여 -200mesh 이하의 미분을 얻는다.

Al 금속은 연성이 매우 높고 산화성이 큰 재료이기 때문에 통상 그 분말 제조법으로 Gas Atomizing Process가 채용되고 있으나, 고가의 불활성 가스를 사용할 뿐만 아니라 미분 회수율이 매우 낮기 때문에 생산 코스트가 높은 것이 일반적이다.

금속분말 제조에는 많은 방법들이 고려될 수 있으나, 경제성 및 생산성 측면에서 "기계적 파쇄법"이 가장 유리하다. Al 분말을 기계적 파쇄법으로 제조하기 위해서는 먼저 Al 금속의 취성을 극대화할 필요가 있어 Mn 첨가가 검토되었다. Al의 합금원소로 특별히 Mn을 선정한 것은 페로망간의 주원소일 뿐만 아니라 Mn 첨가한 Al-Mn 합금은 취성이 큰 Al₁₂Mn, Al₆Mn, Al₄Mn, Al₃Mn 등의 금속간화합물을 형성하며. 더욱이 Mn은 대기 중에서는 제습붕괴 특성이 있기 때문에 Al 금속의 분말화가 기대되는 원소이기 때문이다.

철강재료의 주요 부원료인 페로망간 제조공정 중에 발생하는 Mn₃O₄ 분진으로부터 금속망간을 회수하기 위한 Al 테르밋법의 환원제로서, 본 발명에 따른 알루미늄 합금분말의 제조결과 다음의 결과를 얻었다.

첫째. Mn 함유율이 50wt% 이하인 Al-Mn계 합금은 다종의 금속간화합물이 형성되며, 용이하게 -200mesh의 분말을 얻을 수 있다.

둘째. Al-Mn 합금괴의 분말화 경향은 Mn함유율이 높을수록 현저하였으나, 그 함유율이 낮은 경우도 로드 밀(Rod Mill) 등의 기계적 파쇄법에 의해 용이하게 분말을 얻을 수 있다.

셋째. Mn₃O₄ 분진에 환원제로 Al-15%Mn 합금분말을 첨가한 테르밋 반응에 의해 생성된 페로망간은 환원제로 Al 첨가한 경우의 그것과 동등한 고순도 폐로망간을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 페로망간 제조를 위한 산화망간 분진의 테르밋 반응용 환원제로 사용되는 Al-Mn 합금분말은 합금분말의 Mn₃O₄ 분진과의 테르밋 반응성도 Al 분말 수준으로 양호하기 때문에, Mn₃O₄ 분진으로부터 고순도 페로망간을 회수하는 데 있어, 제조 비용을 낮출 수 있다는 장점을 갖기 때문에 산업상 이용가능성이 크다.

Claims

산화망간(Mn₃O₄) 분진으로부터 고순도 페로망간을 추출하기 위한 테르밋 반응용 환원제로서,
알루미늄(Al) 99~99.4wt%, 철(Fe) 0.4~0.6wt%, 규소(Si) 0.2~0.4wt%의 배합비로 조성된 알루미늄 50~95wt%;와
망간(Mn) 80~82wt%, 철(Fe) 15~18wt%, 탄소(C) 1.2~2wt%, 황(S) 0.003~0.01wt%, 산소(O) 0.01~1.11wt%, 질소(N) 0.07~0.14wt%, 인(P) 0.16~0.18wt%, 알루미늄(Al) 0.03~0.06wt%, 규소(Si) 0.04~0.12wt%, 크롬(Cr) 0.06~0.09wt%의 배합비로 조성된 페로망간(ferromangane) 5~50wt%;의 배합으로 조성된 Al-Mn 합금분말임을 특징으로 하는 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말.
청구항 1에 있어서,
Al-Mn 합금분말은 Al-Mn 합금괴를 파쇄기에서 10~20mm로 분쇄한 다음,
로드밀(Rod Mill)의 드럼에 장입하여 60~100rpm으로 10~30분 동안 분쇄하여 -200 mesh 이하의 미분으로 제조된 것임을 특징으로 하는 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말.
청구항 2에 있어서,
Al-Mn 합금괴는 고주파 유도로에서 7kHz~40kHz의 고주파를 이용하여, 1,000~1,500℃로 망간 금속을 용해한 후,
상기 용해시킨 망간 금속에 알루미늄 금속을 첨가하여 용융상의 Al-Mn 합금을 틀에 주입하여 상온, 상압에서 응고시켜 제조된 것임을 특징으로 하는 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말.
고주파 유도로에서 1,000~1,500℃로 망간 금속을 용해하는 단계와,
상기 용해시킨 망간 금속에 알루미늄 금속을 첨가하여 용융상의 Al-Mn 합금을 제조하는 단계와,
상기 용융상의 Al-Mn 합금을 틀에 주입하여 상온, 상압에서 응고시켜 합금괴를 제조하는 단계와,
상기 합금괴를 10~20mm로 분쇄하는 단계와,
상기 분쇄 합금괴를 로드 밀(Rod Mill)에서 60~100rpm으로 10~30분 동안 분쇄하여 미분으로 제조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 전기로 분진으로부터 유용금속 추출을 위한 열안정적 알루미늄 합금분말 제조방법.