KR20170062930A - 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20170062930A
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Abstract

실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 석유 코크스(Petroleum coke) 60중량% 이상, 및 90중량% 이하; 및 저회분 석탄(Low ash coal), 숯(Charcoal), 탄화 커피박, 및 탄화 톱밥 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료 10중량% 이상, 및 40중량%이하;를 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법{REDUCTANT FOR PRODUCING SILICON OR FERROSILICON, AND METHOD FOR MANIFACTURING THE SAME}
실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 및 페로실리콘을 제조하기 위해서 규석광(SiO2)과 탄소성분의 환원제(C)를 반응시키는 공정을 이용한다. 탄소성분의 환원제에 의한 규석광의 환원에 관한 반응식은 하기 반응식 1로 나타낼 수 있다.
[반응식 1] SiO2 + 2C → Si + 2CO
일반적으로, 실리콘 및 페로실리콘 제조에 있어 환원제인 탄소 성분은 일반적으로 우드칩(woodchip), 석유 코크스(petroleum coke), 금속 코크스(metallurgical coke) 등 다양한 원료로부터 공급한다.
페로실리콘은 주로 제강용, 또는 주물용으로 널리 활용되고 있으며 제품의 등급은 불순물의 함량에 따라 결정된다. 주로 실리콘 75%를 포함하고 있는 FeSi75 제품이 가장 널리 사용되고 있다. 이 중에서 알루미늄 불순물의 함량을 기준으로 제품의 등급이 다시 분류된다.
일반 제품의 경우 페로실리콘 총량 100중량%에 대하여, 1중량% 이상, 및 3중량% 이하의 알루미늄을 포함하고 있다. 반면 고순도 제품의 경우에는 0.1중량% 이상, 및 0.2중량% 이하의 알루미늄을 포함하고 있다.
탄소 함량도 일반 제품은 0.03중량% 이상, 및 0.2중량% 이하를 포함하고 있으나 고순도 제품은 0.05중량% 내외로 포함하고 있는 것이 일반적이다.
또한 고순도 제품을 만들기 위해서는 티타늄의 함량도 0.03중량% 이하로 제어되어야 하는 것으로 알려져 있다.
고순도 실리콘, 또는 페로실리콘을 제조하기 위해서는, 불순물의 함량이 제한된 원료를 사용하거나, 생산 된 제품에 정련 공정을 실시하는 방법을 사용할 수 있다. 이 중, 고순도 제품을 생산하기 위한 가장 적합한 방법은 불순물이 적은 원료를 사용하는 것이다. 일반적으로 고순도 제품을 생산하기 위해서는 불순물이 적은 규석광을 사용하고, 환원제도 회분 성분이 적은 석유 코크스(petroleum coke), 우드칩(woodchip) 등을 적용하고 있다.
이러한 불순물이 적은 원료는 가격이 높아 일반 제품 대비 원가가 상승하는 문제점이 있다. 이에, 원료 가격은 낮으면서 고순도 제품을 만들 수 있는 환원제의 필요성이 증가하고 있다.
고순도의 실리콘, 또는 페로실리콘의 제조가 가능하면서도, 경제성 있는 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예는, 석유 코크스(Petroleum coke) 60중량% 이상, 및 90중량% 이하; 및 저회분 석탄(Low ash coal), 숯(Charcoal), 탄화 커피박, 및 탄화 톱밥 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료 10중량% 이상, 및 40중량%이하;를 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공한다.
상기 부산물 원료에는, 상기 탄화 커피박, 또는 상기 탄화 톱밥이 포함되는 것일 수 있다.
상기 탄화 커피박은, 상기 탄화 커피박 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄화 톱밥은, 상기 탄화 톱밥 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50 중량% 이상 포함하는 것일 수 있다.
상기 환원제는 결합제를 더 포함하되, 상기 결합제는 상기 환원제 100중량부에 대하여, 5중량부 초과, 및 15중량부 이하 포함되는 것일 수 있다.
상기 결합제는, 콜타르(Coal Tar), 당밀, 물유리, 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
상기 환원제의 형상은, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는, 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계; 상기 부산물 원료 및 석유 코크스 분말을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 성형하는 단계;를 포함하는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법을 제공한다.
상기 부산물 원료에는, 상기 탄화 커피박 분말, 또는 상기 탄화 톱밥 분말이 포함되는 것일 수 있다.
상기 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계;에서 상기 탄화 커피박 분말, 또는 상기 탄화 톱밥 분말을 준비하는 과정은, 커피박 분말, 또는 톱밥 분말을 무산소 분위기에서 열처리하는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.
상기 열처리 온도는 700℃ 이상, 및 900℃ 이하인 것일 수 있다.
상기 혼합물을 성형하는 단계; 이후에, 성형된 성형체를 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 열처리는 400℃ 이상, 및 1000℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계;에서, 상기 부산물 원료 및 코크스 분말의 총량 100중량%에 대하여, 석유 코크스(Petroleum coke) 60중량% 이상, 및 90중량% 이하; 및 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료 10중량% 이상, 및 40중량%이하;를 준비하는 것일 수 있다.
상기 탄화 커피박 분말은, 상기 탄화 커피박 분말 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄화 톱밥 분말은, 상기 탄화 톱밥 분말 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것일 수 있다.
상기 부산물 원료 및 석유 코크스 분말을 혼합하는 단계;에서, 결합제를 더 혼합하는 것일 수 있다.
상기 결합제는 상기 부산물 원료 및 코크스 분말의 100중량부에 대하여, 5중량부 초과, 및 15중량부 이하 혼합되는 것일 수 있다.
상기 결합제는, 콜타르(Coal Tar), 당밀, 물유리, 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
상기 혼합물을 성형하는 단계;에서, 혼합물이 성형되는 형상은, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
고순도의 실리콘, 또는 페로실리콘의 제조가 가능하면서도, 경제성 있는 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제, 및 이의 제조방법을 제공한다.
도 1은, 본 발명의 일 구현예에 따른 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제 제조방법의 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 발명재 1의 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 사진이다.
도 3은, 본 발명의 발명재 2의 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 사진이다.
도 4는, 본 발명의 발명재 3의 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 사진이다.
도 5는, 본 발명의 발명재 4의 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 사진이다.
도 6은, 본 발명의 발명재 5의 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
앞서 언급한 바와 같이, 페로실리콘은 주로 제강용, 또는 주물용으로 널리 활용되고 있으며 제품의 등급은 불순물의 함량에 따라 결정된다. 주로 실리콘 75%를 포함하고 있는 FeSi75 제품이 가장 널리 사용되고 있다. 이 중에서 알루미늄 불순물의 함량을 기준으로 제품의 등급이 다시 분류된다.
일반 제품의 경우 페로실리콘 총량 100중량%에 대하여, 1중량% 이상, 및 3중량% 이하의 알루미늄을 포함하고 있다. 반면 고순도 제품의 경우에는 0.1중량% 이상, 및 0.2중량% 이하의 알루미늄을 포함하고 있다.
탄소 함량도 일반 제품은 0.03중량% 이상, 및 0.2중량% 이하를 포함하고 있으나 고순도 제품은 0.05중량% 내외로 포함하고 있는 것이 일반적이다.
또한 고순도 제품을 만들기 위해서는 티타늄의 함량도 0.03중량% 이하로 제어되어야 하는 것으로 알려져 있다.
고순도 제품을 생산하기 위한 가장 적합한 방법은 불순물이 적은 원료를 사용하는 것이다. 일반적으로 고순도 제품을 생산하기 위해서는 불순물이 적은 규석광을 사용하고, 환원제도 회분 성분이 적은 석유 코크스(petroleum coke), 우드칩(woodchip) 등을 적용하고 있다.
그러나, 이러한 불순물이 적은 원료는 가격이 높아 일반 제품 대비 원가가 상승하는 문제점이 있다. 이에, 원료 가격은 낮으면서 고순도 제품을 만들 수 있는 환원제의 필요성이 증가하고 있다.
여러 산업 분야에서 커피박, 톱밥 및 숯(charcoal), 저회분 석탄(low ash coal)의 미분이 부산물로 발생하고 있으며, 이들은 불순물의 함량이 적어 환원제로 적용 가능성이 높다. 이러한 부산물 원료를 탄소 함량이 높은 석유 코크스(petroleum coke)과 결합하여 환원제로 제조하는 경우 실리콘 제조 공정에 활용이 가능하고, 본 발명의 일 구현예는 상기와 같은 부산물 원료를 이용한 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공하고자 한다.
구체적으로 본 발명의 일 구현예는, 석유 코크스(Petroleum coke) 60중량% 이상, 및 90중량% 이하; 및 저회분 석탄(Low ash coal), 숯(Charcoal), 탄화 커피박, 및 탄화 톱밥 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료 10중량% 이상, 및 40중량%이하;를 포함하는, 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제를 제공한다.
상기 부산물 원료에는, 상기 탄화 커피박, 또는 상기 탄화 톱밥이 포함되는 것일 수 있다.
상기 환원제는 결합제를 더 포함할 수 있다. 결합제는 혼합 원료가 서로 결합하여 일정 강도를 유지하는 역할을 한다.
이하, 상기 환원제에 포함되는 각 성분 대해 설명한다.
1. 탄화 커피박, 또는 탄화 톱밥
커피박, 및 톱밥은 목재 성분과 유사한 성분을 갖고 있으며, 커피박, 또는 톱밥의 총량 100중량%에 대하여 탄소함량은 15중량% 수준이고 회분의 성분은 1중량% 이하로, 불순물의 함량이 적은 원료이다. 다만, 수분이 10중량% 이상으로 포함되어 있고 변형이 쉽게 발생하여, 별도의 처리 없이 석유 코크스(petroleum coke)와의 결합을 시도하게 되면 충분한 결합력이 생기지 않는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해서 약 700℃ 이상, 및 900℃ 이하에서 산소를 차단하여 열처리 하면, 수분과 휘발성분이 제거되어 석유코크스(petroleum coke)와의 결합에 적합한 형태로 변형된다. 탄화 커피박이나 탄화 톱밥 원료는 원료의 통기도를 확보하고, 탄소 공급원으로 사용하기 위하여 환원제 총량 100중량% 에 대하여 10중량% 이상, 및 40중량% 이하로 배합하는 것이 좋다. 보다 구체적으로는 10중량% 이상, 및 20중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 탄화 커피박은, 상기 탄화 커피박 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 고정 탄소를 50 중량% 이상, 및 90중량% 이하; 50중량% 이상, 및 80중량% 이하; 50중량% 이상, 및 70중량% 이하;, 또는 50중량% 이상, 및 60중량% 이하 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄화 톱밥은, 상기 탄화 톱밥 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 고정 탄소를 50 중량% 이상, 및 90중량% 이하; 50중량% 이상, 및 80중량% 이하; 50중량% 이상, 및 70중량% 이하;, 또는 50중량% 이상, 및 60중량% 이하 포함하는 것일 수 있다.
고정 탄소란, 환원제가 포함하고 있는 탄소 중에서 환원반응에 참여할 수 있는 탄소를 의미한다.
2. 숯(Charcoal), 또는 저회분 석탄(Low Ash Coal)
숯(Charcoal), 또는 저회분 석탄(Low Ash Coal)은 일정 입도의 재료만을 실리콘 및 페로실리콘 제조 원료로 적용하고 있다. 제조, 운송, 보관 중에 발생하는 미분 원료는 아크로에 투입하는 경우 집진장치로 흡입되어 탄소 손실로 작용하는 경우가 많고 원료 통기도를 떨어뜨려 조업성을 악화시키기 때문에 원료로 적용하지 않는다. 이렇게 발생한 부산물도 입도만 작고 성분에서는 문제가 없으므로 원료로 활용이 가능하다. 다만 미분의 형태가 아닌 결합된 형태로 투입하는 것이 필요하다. 숯(Charcoal)의 경우 탄화 커피박과 유사하고 저회분 석탄(low ash coal)의 경우에는 고정 탄소 함량은 다소 50중량%대로 낮아지나 거의 동일한 특성을 나타내고 있으므로 원료 활용이 가능하다. 적정 함량은 원료의 통기도를 확보하고, 탄소 공급원으로 사용하기 위하여 환원제 총량 100중량% 에 대하여 10중량% 이상, 및 40중량% 이하로 배합하는 것이 좋다.
3. 석유 코크스(Petroleum Coke)
석유 코크스(Petroleum coke)는 실리콘 및 페로실리콘 제조 원료 중 고정 탄소 함량을 고려하면 가장 저가인 원료이다. 그러나 원료의 형태가 분말이나 작은 구형으로 되어 있으며 서로 응집되는 특성이 강하여 아크로에 투입하면 조업성이 떨어지는 문제점을 일으킨다.
대부분 생산 공정에서는 석유 코크스(Petroleum coke)를 고정 탄소 비율로 30중량%이상 투입하지 않는 것이 일반적인데 이러한 이유 때문이다.
본 발명에서는 환원제 총량 100중량%에 대하여, 60중량% 이상, 및 90중량% 이하를 적용하여 원료를 제조하고, 최종적으로 실리콘 및 페로실리콘 제조에 있어서는 고정 탄소 비율로 50중량%까지 적용하는 것이 바람직하다.
4. 결합제
위의 주성분 이외에 통상적으로 첨가될 수 있는 결합제를 사용할 수 있으며 콜타르, 물유리, 당밀이 적정하다. 결합제의 선정 기준은 불순물의 함유 정도에 따라 결정해야 하며 되도록 회분의 발생이 적은 원료를 사용하는 것이 바람직하다. 함유량은 환원제 100중량부에 대하여 5중량부 이상, 및 15중량부 이하를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 환원제의 형상은, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 또는 이들의 조합인 것일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니고 환원 반응이 일어나는 전기로의 크기에 맞추어 결정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예는, 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계; 상기 부산물 원료 및 석유 코크스 분말을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 성형하는 단계;를 포함하는 실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법을 제공한다.
상기 부산물 원료에는, 상기 탄화 커피박 분말, 또는 상기 탄화 톱밥 분말이 포함되는 것일 수 있다.
상기 부산물 원료 및 석유 코크스 분말을 혼합하는 단계;에서, 결합제를 더 혼합하는 것일 수 있다.
상기 각 부산물 원료, 석유 코크스, 및 결합제에 관한 설명은 상술하였으므로 생략한다.
상기 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계;에서 상기 탄화 커피박 분말, 또는 상기 탄화 톱밥 분말을 준비하는 과정은, 커피박 분말, 또는 톱밥 분말을 무산소 분위기에서 열처리하는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있다.
커피박 원료 및 톱밥 분말에는, 수분이 10중량% 이상으로 포함되어 있고 변형이 쉽게 발생하여, 별도의 처리 없이 석유 코크스(petroleum coke)와의 결합을 시도하게 되면 충분한 결합력이 생기지 않는 문제가 있다. 이에, 수분 및 휘발성분을 제거하기 위해 탄화 과정이 필요할 수 있다.
탄화 과정은, 무산소 분위기에서 수행된다. 이는 공기중 산소와 반응하여 이산화탄소 형태로 손실되는 것을 방지하기 위한 이유 때문이다.
상기 열처리 온도는 700℃ 이상, 및 900℃ 이하인 것일 수 있다. 탄화 과정의 열처리 온도가 너무 낮은 경우 휘발 성분이 충분히 제거되지 않아 성형과정에서 부숴지는 문제가 발생할 수 있다. 탄화 과정의 열처리 온도가 너무 높은 경우 동일한 소재를 제조하는데 초과 에너지가 들어가는 문제가 발생할 수 있다.
탄화 시간은, 탄화 장치의 크기, 및 커피막 원료 또는 톱밥 원료의 양에 따라 적절히 조절될 수 있다.
상기 혼합물을 성형하는 단계; 이후에, 성형된 성형체를 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다. 원료 배합에 따라, 성형된 환원제의 강도가 충분하지 않을 수 있는데, 이러한 경우 열처리를 통해 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 열처리는 400℃ 이상, 및 1000℃ 이하의 온도에서 수행되는 것일 수 있다. 열처리 온도가 너무 낮은 경우 원료간 결합을 충분히 유도하지 못하여 적정 강도를 확보하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 열처리 온도가 너무 높은 경우 환원제 및 결합제 사이의 반응이 일어나고 강도가 급격히 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 혼합물을 성형하는 단계;에서, 혼합물이 성형되는 형상은, 펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.
다만, 이에 한정하는 것은 아니고 환원 반응이 일어나는 전기로의 크기에 맞추어 결정할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1 : 탄화 커피박, 및 탄화 톱밥의 제조
커피박, 및 톱밥은 목재 성분과 유사한 성분을 갖고 있으며, 커피박, 또는 톱밥의 총량 100중량%에 대하여 탄소함량은 15중량% 수준이고 회분의 성분은 1중량% 이하로, 불순물의 함량이 적은 원료이다. 다만, 수분이 10중량% 이상으로 포함되어 있고 변형이 쉽게 발생하여, 별도의 처리 없이 석유 코크스(petroleum coke)와의 결합을 시도하게 되면 충분한 결합력이 생기지 않는 문제가 있다.
이에 커피박, 또는 톱밥 내 수분 및 휘발성분을 제거하고, 탄소의 비율을 증가시키는 탄화 과정이 필요하다.
본 제조예에서는, 커피박 및 톱밥의 산소가 차단된 질소 분위기에서 800℃로 5시간 동안 열처리하여 탄화 커피박 및 탄화 톱밥을 제조하였다. 다만, 열처리 시간은 상기 탄화 열처리로 장치의 크기 및 시료의 양 등에 따라 달라질 수 있다.
커피박 원료 및 탄화 커피박의 성분을 ASTM D5142에 의거한 LECO사 TGA701 분석장치를 활용하여 분석하였고, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
단위 : 중량%
휘발성분(Volatile) 회분(Ash) 고정 탄소
(Fixed Carbon)
탄화 커피박 39.04 1.34 59.62
커피박 원료 93 0.18 6.82
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 탄화 과정을 통해, 커피 박 내의 고정 탄소의 비율이 현저히 증가하였다. 고정 탄소란, 환원제가 포함하고 있는 탄소 중에서 환원반응에 참여할 수 있는 탄소를 의미한다
약 60중량%의 고정 탄소를 함유함으로써 실리콘, 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 원료로 사용되기에 충분한 탄소함량을 확보할 수 있었다.
제조예 2 : 환원제의 제조
하기 표 2의 조성을 갖도록 석유 코크스 분말과 저회분 석탄 분말, 숯 분말, 상기 제조예 1의 탄화 커피박 분말, 및 상기 제조예 1의 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 부산물 원료 분말을 준비 및 혼합하였다.(발명재 1 내지 발명재 5)
비교재 1은, 현재 판매되고 있는 R&D Carbon 사의 Carbosil 브리켓 원료의 조성을 나타낸다.
단위 : 중량부
구 분 성분
비교재1 발명재1 발명재2 발명재3 발명재4 발명재5
조성 SiO2 50 0 0 0 0 0
석유 코크스 25 90 90 90 80 60
저회분 석탄 25 10 10
숯 0 10 10 10
탄화 커피박/톱밥 0 10 10 20
결합제 콜타르 15 콜타르
5		 당밀
5		 물유리
5		 물유리
15		 물유리
15
이 후, 발명재 1 내지 발명재 5의 혼합물을 각각 발명재 1 : 500Kgf/cm2 , 발명재 2 : 500Kgf/cm2, 발명재 3 : 300Kgf/cm2 , 발명재 4 : 300Kgf/cm2, 발명재 5 : 300Kgf/cm2의 하중을 가하여 브리켓 형상으로 성형하여, 환원제를 수득하였다.
이 후, 발명재 4, 및 발명재 5의 환원제에 대해서 1000℃ 에서 5시간 동안 추가 열처리 하였다.
도 2 내지 도 6은 순서대로, 발명재 1 내지 발명재 5에서 제조된 환원제의 사진이다.
결합제로 물유리(발명재 3, 도 4)와 콜타르(발명재 1, 도 2)을 사용한 경우 성형체의 형상이 잘 유지되고 있어, 충분한 강도가 확보된 것으로 확인 되었다. 반면, 결합제로 당밀(발명재 2, 도 3)을 사용한 경우 강도가 약하여 추가적인 열처리 과정이 필요한 것을 확인할 수 있었다.
발명재 4 및 발명재 5에 대하여 ASTM D5142에 의거한 LECO사 TGA701 분석장치를 활용하여 하여 성분 분석을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
단위 : 중량%
휘발성분(Volatile) 회분(Ash) 고정 탄소
(Fixed Carbon)
발명재4 31.29 13.78 54.92
발명재5 41.79 14.21 43.99
발명재 4 및 발명재 5의 환원제는, 40중량% 이상의 고정 탄소를 포함함으로써, 실리콘 또는, 페로실리콘 제조용 탄소 함유 환원제로 사용되기에 적합함을 확인할 수 있었다.
특히, 석유 코크스를 60중량% 함유하고, 탄화 커피박 및 탄화 톱밥 부산물을 20중량% 함유하고 있는 발명재 5의 경우, 브리켓 형태로 제조하여 실리콘 및 페로실리콘 원료에 투입하기에 적합한 형태의 크기로 만들 수 있었다. 또한 발명재 5의 강도가 충분히 확보되어 원료 이송 및 투입에서도 문제가 없는 적합한 강도를 확보할 수 있음을 확인하였다.
제조예 3 : 페로실리콘의 제조
상기 발명재 5의 환원제를 사용하여 270kW급 직류 아크로를 이용하여 페로실리콘을 제조하였다.
실험에 사용한 배합원료로 규석광 61.4kg, 철스크랩 6.6kg, 저회분 석탄(low ash coal) 18.6kg, 발명재 5의 환원제 21.6kg, 숯(charcoal) 3.4kg, 우드칩(woodchip) 10kg을 투입하였다.
이때 투입한 전력은 770kWh이며 페로실리콘 생성량은 22.1kg이었다. 전력비로 계산하면 페로실리콘 kg당 34.8 kWh의 전력이 소비됨을 확인할 수 있었다.
결과적으로 제조된 페로실리콘 제품의 순도를 하기 표 4에 나타내었다. 표 4에서 확인할 수 있듯이 극히 낮은, 0.1중량% 수준의 알루미늄 함량 및 0.03중량% 이하의 티타늄 함량을 갖는 고순도 페로실리콘 제품을 제조할 수 있었다.
단위 : 중량%
성분 Si Al Ca Ti Mn P S Zr Pb V
제품성분 72.81 0.1115 0.1974 0.0258 0.0028 0.066 0.0047 0.0018 0 0.0386
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 석유 코크스(Petroleum coke) 60중량% 이상, 및 90중량% 이하; 및
    저회분 석탄(Low ash coal), 숯(Charcoal), 탄화 커피박, 및 탄화 톱밥 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료 10중량% 이상, 및 40중량%이하;를 포함하는,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  2. 제 1항에서,
    상기 부산물 원료에는,
    상기 탄화 커피박, 또는 상기 탄화 톱밥이 포함되는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  3. 제 2항에서,
    상기 탄화 커피박은,
    상기 탄화 커피박 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  4. 제 3항에서,
    상기 탄화 톱밥은,
    상기 탄화 톱밥 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  5. 제 4항에서,
    상기 환원제는 결합제를 더 포함하되,
    상기 결합제는 상기 환원제 100중량부에 대하여, 5중량부 초과, 및 15중량부 이하 포함되는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  6. 제 5항에서,
    상기 결합제는,
    콜타르(Coal Tar), 당밀, 물유리, 또는 이들의 조합인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  7. 제 6항에서,
    상기 환원제의 형상은,
    펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 또는 이들의 조합인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제.
  8. 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계;
    상기 부산물 원료 및 석유 코크스 분말을 혼합하는 단계; 및
    상기 혼합물을 성형하는 단계;를 포함하는
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  9. 제 8항에서,
    상기 부산물 원료에는,
    상기 탄화 커피박 분말, 또는 상기 탄화 톱밥 분말이 포함되는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  10. 제 9항에서,
    상기 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계;에서
    상기 탄화 커피박 분말, 또는 상기 탄화 톱밥 분말을 준비하는 과정은,
    커피박 분말, 또는 톱밥 분말을 무산소 분위기에서 열처리하는 방법에 의해 수행되는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  11. 제 10항에서,
    상기 커피박 분말, 또는 톱밥 분말을 무산소 분위기에서 열처리하는 방법에서,
    상기 열처리 온도는 700℃ 이상, 및 900℃ 이하인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  12. 제 8항에서,
    상기 혼합물을 성형하는 단계; 이후에,
    성형된 성형체를 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  13. 제 12항에서,
    상기 성형된 성형체를 열처리하는 단계;에서,
    상기 열처리는 400℃ 이상, 및 1000℃ 이하의 온도에서 수행되는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  14. 제 13항에서,
    상기 저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료, 및 석유 코크스(Petroleum coke) 분말을 준비하는 단계;에서,
    상기 부산물 원료 및 코크스 분말의 총량 100중량%에 대하여,
    석유 코크스(Petroleum coke) 60중량% 이상, 및 90중량% 이하; 및
    저회분 석탄(Low ash coal) 분말, 숯(Charcoal) 분말, 탄화 커피박 분말, 및 탄화 톱밥 분말 중 1종 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 부산물 원료 10중량% 이상, 및 40중량%이하;를 준비하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  15. 제 14항에서,
    상기 탄화 커피박 분말은,
    상기 탄화 커피박 분말 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  16. 제 15항에서,
    상기 탄화 톱밥 분말은,
    상기 탄화 톱밥 분말 총량 100중량%에 대하여, 고정 탄소를 50중량% 이상 포함하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  17. 제 16항에서,
    상기 부산물 원료 및 석유 코크스 분말을 혼합하는 단계;에서,
    결합제를 더 혼합하는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  18. 제 17항에서,
    상기 결합제는 상기 부산물 원료 및 코크스 분말의 100중량부에 대하여,
    5중량부 초과, 및 15중량부 이하 혼합되는 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  19. 제 18항에서,
    상기 결합제는,
    콜타르(Coal Tar), 당밀, 물유리, 또는 이들의 조합인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.
  20. 제 19항에서,
    상기 혼합물을 성형하는 단계;에서,
    혼합물이 성형되는 형상은,
    펠렛(pellet), 브리켓(briquette), 브릭(brick), 또는 이들의 조합인 것인,
    실리콘 또는 페로실리콘 제조용 환원제의 제조방법.

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