KR20170064289A - 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법 - Google Patents

제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘을 함유하는 폐슬러지를 정제하여 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 오일을 포함하는 폐슬러지를 공급하는 폐슬러지 공급단계와, 상기 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 제거하는 오일 제거단계 및 상기 오일 제거단계를 통해 상기 폐슬러지로부터 상기 오일을 제거하여 획득한 Si-SiC 함유체에 바인더(binder)를 추가하고 교반한 후 브리켓(briquette)으로 성형하는 브리켓 성형단계를 포함하고, 상기 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 메디안 지름(volume median diameter, Dv50)은 1㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 산화를 최소화하면서 폐슬러지에 포함된 오일을 적정 수준으로 제거할 수 있고, 폐슬러지 재처리 과정에서 실리콘 미분 성분과 산소의 반응으로 인한 발화의 가능성을 방지할 수 있고, 실리콘 표면적에 비례하는 경향을 갖는 실리콘 산화를 효과적으로 억제할 수 있고, 후속 공정인 브리켓 성형 공정에서 덩어리 형태의 성형품인 브리켓의 강도 저하로 인하여, 성형된 브리켓이 부스러지는 현상을 방지할 수 있다.

Description

제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF HEAT INCREASING AND COMPONENT CONTROLLING BRIQUETTE USED IN STEEL MANUFACTURING PROCESS}
본 발명은 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브(microwave) 건조 방식으로 짧은 시간 내에 제거함으로써, 실리콘 산화를 최소화하면서 폐슬러지에 포함된 오일을 적정 수준으로 제거할 수 있고, 브리켓 제조 과정에서의 화재의 발생을 방지하고, 덩어리 형상의 브리켓 성형을 용이하게 수행할 수 있게 하는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 제강공정에서 용광로 내의 온도를 높이기 위해 발열량이 우수한 실리콘(Si)이 승열제로 이용되고 있다. 제강공정의 특성상 막대한 양의 실리콘이 요구되지만, 승열제로 이용되는 실리콘의 가격이 높기 때문에, 전체적인 제강 비용이 높아지게 된다는 문제점이 있다.
또한, 제강공정에서는, 1500℃ 내외의 용강 온도에서 선철중의 탄소를 비롯한 불순물을 산화시키고, 이 산화물은 슬래그로 제거되는 과정이 수행된다. 제강공정에서는 산소취입 개시후 일정시간 후에 출강하는데, 이 과정에서, 성분조절과 탈산을 위하여 망간철, 규소철 등을 첨가하게 된다. 이때 첨가하는 규소철을 제조하기 위하여 많은 양의 실리콘이 필요하지만 대부분 수입에 의존하는 실리콘의 가격이 높기 때문에, 전체적인 제강공정 비용이 높아지는 문제점이 있다.
한편, 실리콘은 반도체 산업의 주재료로 사용되고 있으며, 반도체 공정의 부산물로 다량의 실리콘을 함유하는 폐슬러지가 배출된다.
즉, 실리콘 웨이퍼를 획득하기 위하여 와이어쏘(wire saw)를 사용하여 실리콘 잉곳(ingot)을 얇게 절삭하는 슬라이싱(slicing) 공정과 슬라이싱된 실리콘 웨이퍼의 표면 평탄화를 위한 표면 연마공정을 거치는 과정에서, 실리콘, 연마재, 냉각 오일 및 와이어쏘 마모성분을 포함하는 다량의 부산물이 폐슬러지 형태로 배출된다. 여기서, 일반적으로 연마재로는 실리콘 카바이드(SiC)가 사용되고, 냉각 오일로는 PEG, DEG와 같은 수용성 오일이 사용된다. 와이어쏘 마모성분은 와이어쏘의 구성 물질에 따라 다를 수 있으나, 일반적으로 철(Fe)과 같은 금속 성분들을 포함한다.
이러한 폐슬러지를 소각하거나 토양에 매립하게 되면 심각한 대기오염과 토양오염을 유발하므로, 종래에는, 폐슬러지를 시멘트로 고형화하여 보관하거나 매립하는 방법이 적용되었다.
그러나 종래의 방식에 따르면, 제강공정에서 승열제 등의 용도로 재활용할 수 있는 고가의 실리콘이 폐기된다는 문제점이 있다.
따라서, 종래에 폐기되던 실리콘 함유 폐슬러지를 효과적으로 정제하여 제강공정에서 재활용할 수 있도록 하는 방안이 요구된다.
한편, 실리콘 함유 폐슬러지는 다양한 직경을 갖는 입자군들로 구성되는데, 미분 성분의 함량이 높으면 제강공정용으로 재활용하는 과정에서 다음과 같은 문제점들이 발생할 수 있다.
첫째, 실리콘 함유 폐슬러지를 재활용하기 위한 건조 과정에서, 실리콘 미분 성분과 수분의 반응으로 인한 발화의 가능성이 있다는 문제점이 있다.
둘째, 실리콘의 전체적인 표면적이 증가하여 산소와의 접촉면적이 커지기 때문에 실리콘 산화량이 증가하는 문제점이 있다.
셋째, 덩어리 형태의 성형품인 브리켓(briquette)의 강도가 저하되어, 성형된 브리켓이 쉽게 부스러진다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2006-0028191호(공개일자: 2006년 03월 29일, 명칭: 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생 장치 및 방법) 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0059539호공개일자: 2006년 06월 02일, 명칭: 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러지의 재생 장치) 대한민국 등록특허공보 제10-0776966호(등록일자 2007년 11월 09일, 명칭: 명칭: 반도체 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러리의 재생장치)
본 발명은 반도체 혹은 태양전지 웨이퍼 제조시 발생하는 실리콘을 함유하는 폐슬러지를 정제하여 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓을 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 짧은 시간 내에 제거함으로써, 실리콘 산화를 최소화하면서 폐슬러지에 포함된 오일을 적정 수준으로 제거할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 마이크로웨이브 건조 방식을 적용함으로써, 폐슬러지에 포함된 오일을 제거하기 위해 요구되는 공정을 단순화하고 장치 구축비용을 저감시킬 뿐만 아니라, 공정 수행시간을 단축할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 실리콘 함유 폐슬러지를 재처리하는 과정에서 발생할 수 있는 실리콘 미분 성분과 산소의 반응으로 인한 발화의 가능성을 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 실리콘 함유 폐슬러지를 재처리하는 과정에서 실리콘 산화를 효과적으로 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 덩어리 형태의 성형품인 브리켓의 강도 저하로 인하여, 성형된 브리켓이 부스러지는 현상을 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 환경오염의 요소가 되는 실리콘 함유 폐슬러지를 소각 또는 매립하지 않고, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓으로 재생하여 사용함으로써, 폐기물 처리 비용을 감소시키고 원가 절감에 의한 가격 경쟁력을 확보하는 동시에, 제강 과정에서 발생할 수도 있는 환경오염을 최소화하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 실리콘을 함유하는 폐슬러지를 정제하여 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓을 제조하는 방법으로서, 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 오일을 포함하는 폐슬러지를 공급하는 폐슬러지 공급단계와, 상기 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 제거하는 오일 제거단계 및 상기 오일 제거단계를 통해 상기 폐슬러지로부터 상기 오일을 제거하여 획득한 Si-SiC 함유체에 바인더(binder)를 추가하고 교반한 후 브리켓(briquette)으로 성형하는 브리켓 성형단계를 포함하고, 상기 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 메디안 지름(volume median diameter, Dv50)은 1㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 오일 제거단계는 불활성 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 브리켓 성형 단계에서, 철 성분(Fe source)을 상기 Si-SiC 함유체에 추가로 첨가하고, 상기 브리켓의 중량을 기준으로, 상기 Si-SiC 함유체가 30wt% 이상이고, 상기 철 성분이 30wt% 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 브리켓 성형단계 이전에, 상기 Si-SiC 함유체를 분쇄하는 분쇄단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 분쇄단계에서는, 상기 Si-SiC 함유체를 직경 5㎝ 이하의 분말로 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체 혹은 태양전지 웨이퍼 제조시 발생하는 실리콘을 함유하는 폐슬러지를 정제하여 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓을 효율적으로 제조할 수 있는 방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 짧은 시간 내에 제거함으로써, 실리콘 산화를 최소화하면서 폐슬러지에 포함된 오일을 적정 수준으로 제거할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 마이크로웨이브 건조 방식을 적용함으로써, 폐슬러지에 포함된 오일을 제거하기 위해 요구되는 공정을 단순화하고 장치 구축비용을 저감시킬 뿐만 아니라, 공정 수행시간을 단축할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 실리콘 함유 폐슬러지를 재처리하는 과정에서 발생할 수 있는 실리콘 미분 성분과 산소의 반응으로 인한 발화의 가능성을 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 실리콘 함유 폐슬러지를 재처리하는 과정에서 실리콘 산화를 효과적으로 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 덩어리 형태의 성형품인 브리켓의 강도 저하로 인하여, 성형된 브리켓이 부스러지는 현상을 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 환경오염의 요소가 되는 실리콘 함유 폐슬러지를 소각 또는 매립하지 않고, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓으로 재생하여 사용함으로써, 폐기물 처리 비용을 감소시키고 원가 절감에 의한 가격 경쟁력을 확보하는 동시에, 제강 과정에서 발생할 수도 있는 환경오염을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예가 적용되는 장치 구성의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 사용될 수 있는 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 기준 입도 분포 그래프와 체적 기준 누적 입도 분포 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성과 같은 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예가 적용되는 장치 구성의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법은 폐슬러지 공급단계(S10), 오일 제거단계(S20), 분쇄단계(S30) 및 브리켓 성형단계(S40)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시 예를 구성하는 각 단계들을 설명하기에 앞서, 정제 처리의 대상이 되는 물질인 폐슬러지에 대하여 설명한다.
폐슬러지는 반도체 또는 태양전지 제조공정 등과 같이 실리콘을 가공하는 과정에서 배출되는 물질이다. 보다 구체적으로, 실리콘 웨이퍼를 획득하기 위하여 와이어쏘(wire saw)를 사용하여 실리콘 잉곳(ingot)을 얇게 절삭하는 슬라이싱(slicing) 공정과 슬라이싱된 실리콘 웨이퍼의 표면 평탄화를 위한 표면 연마공정을 거치는 과정 등에서, 실리콘(Si), 연마재, 냉각 오일 및 와이어쏘 마모성분 등을 포함하는 다량의 부산물이 폐슬러지 형태로 배출된다. 여기서, 일반적으로 연마재로는 실리콘 카바이드(SiC)가 사용될 수 있고, 냉각 오일로는 PEG, DEG 등과 같은 수용성 오일이 사용되거나 지용성 오일이 사용될 수도 있다. 와이어쏘 마모성분은 와이어쏘의 구성 물질에 따라 다를 수 있으나, 일반적으로 철(Fe)과 같은 금속 성분들을 포함한다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따라 정제 처리의 대상이 되는 물질인 폐슬러지는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 오일, 철(Fe)과 같은 금속 성분들을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 정제 처리 과정이 수행되기 이전의 폐슬러지는 다양한 직경을 갖는 입자군들로 구성되는데, 미분 성분의 함량이 높으면 제강공정용으로 재활용하는 과정에서 다음과 같은 문제점들이 발생할 수 있다. 즉, 폐슬러지에 포함된 오일 성분을 마이크로웨이브(microwave) 건조 방식으로 제거하는 과정에서, 실리콘 미분 성분과 산소의 반응으로 인한 발화의 가능성이 있다는 문제점이 있다. 또한, 실리콘 미분 함량의 증가는 실리콘의 전체적인 표면적 증가를 유발하여, 실리콘과 산소와의 접촉면적이 커지기 때문에, 실리콘 산화량이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라 정제 처리된 실리콘 함유 분말은 제강공정에서 사용하기 위해 덩어리 형태의 성형품인 브리켓(briquette)으로 가공되는데, 실리콘 미분 함량이 높을수록, 브리켓의 강도가 저하되기 때문에, 성형된 브리켓이 쉽게 부스러진다는 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예는, 다양한 입자 분포를 갖는 폐슬러지 시료들에 대한 실험에 기초하여, 구성 입자군의 체적 메디안 지름(volume median diameter, Dv50)이 1㎛ 이상인 폐슬러지를 제시한다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 사용되는 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 메디안 지름은 1㎛ 이상으로 한정된다.
폐슬러지를 구성하는 입자군의 사이즈를 이와 같이 한정하면, 실리콘 미분 성분과 산소의 반응으로 인한 발화의 가능성을 방지할 수 있고, 실리콘 표면적에 비례하는 경향을 갖는 실리콘 산화를 효과적으로 억제할 수 있고, 후속 공정인 브리켓 성형 공정에서 덩어리 형태의 성형품인 브리켓의 강도 저하로 인하여, 성형된 브리켓이 부스러지는 현상을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 체적 메디안 지름(Dv50)을 정의한다.
도 3은 본 발명의 실시 예들에 사용될 수 있는 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 기준 입도 분포 그래프와 체적 기준 누적 입도 분포 그래프이다. 입도 분석은 레이저 회절 및 산란 방식의 입도분석기를 이용하여 수행될 수 있다.
도 3의 도면부호 A는 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 기준 입도 분포 그래프이다. 체적 기준 입도 분포 그래프의 가로축은 입자군의 입도(Particle Diameter, ㎛)이고, 세로축은 특정 입도를 가진 입자군이 전체 체적에서 차지하는 비율이다. 체적 기준 입도 분포 그래프는 특정 입도를 갖는 입자군이 전체 체적에서 차지하는 비율을 나타낸다.
도 3의 도면부호 B는 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 기준 누적 입도 분포 그래프이다. 체적 기준 누적 입도 분포 그래프의 가로축은 입자군의 입도(Particle Diameter, ㎛)이고, 세로축은 큰 입도를 갖는 입자군의 체적 비율부터 누적한 누적 체적 비율이다. 체적 기준 누적 입도 분포 그래프는 특정 누적 체적 비율을 갖는 입자군에 속하는 입자들 중에서 가장 작은 입자의 입도를 나타낸다.
누적 체적 비율이 50%인 입자군에 속하는 입자들 중에서 가장 작은 입자의 입도는 7.425㎛이며, 이 값이 체적 메디안 지름(Dv50)이다.
한편, 누적 체적 비율이 10%인 입자군에 속하는 입자들 중에서 가장 작은 입자의 입도는 9.698㎛이며, 이 값은 Dv10으로 명명된다.
또한, 누적 체적 비율이 90%인 입자군에 속하는 입자들 중에서 가장 작은 입자의 입도는 3.974㎛이며, 이 값은 Dv90으로 명명된다.
이하에서는, 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 메디안 지름(Dv50)이 1㎛ 이상이라는 전제하에, 본 발명의 일 실시 예를 구성하는 각 단계들을 구체적으로 설명한다.
폐슬러지 공급단계(S10)에서는, 폐슬러지 공급기(10)가 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 오일 등을 포함하는 폐슬러지를 마이크로웨이브 건조기(20)로 공급하는 과정이 수행된다. 앞서 설명한 바 있지만, 폐슬러지는 반도체 웨이퍼 또는 태양전지 웨이퍼 제조과정에서 와이어 소잉(wire sawing) 공정 등의 부산물로 발생하는 실리콘 등을 포함하는 물질일 수 있다. 반도체 웨이퍼 또는 태양전지 웨이퍼 제조과정이 수행되면, 이 폐슬러지에 포함되는 실리콘 카바이드(SiC)의 사이즈는 그 크기에 있어서 어느 정도의 편차를 갖게 된다. 따라서, 본 실시 예의 폐슬러지 공급단계(S10)를 수행하기 이전에, 원심 분리 공정 등을 통해 상대적으로 사이즈가 큰 실리콘 카바이드(SiC)를 별도로 분리해 내는 공정이 수행될 수도 있다.
오일 제거단계(S20)에서는, 폐슬러지 공급기(10)로부터 공급받은 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 제거하는 과정이 수행된다.
와이어 소잉 공정 등의 부산물인 폐슬러지에는 냉각 오일로 사용된 PEG, DEG 등과 같은 수용성 오일 성분이 10wt% 내지 30wt%까지 함유될 수 있다. 수용성 오일에 비하여 가격이 상대적으로 높기는 하지만, 냉각 오일로 지용성 오일이 사용될 수도 있다. 따라서 폐슬러지를 제강 공정에서 승열 및 성분조절용 실리콘계 원료로 사용하기 위해서는 이 오일을 일정수준 이하로 제거하여야 한다. 수용성 오일을 제거하기 위해서는, 물을 이용한 세정 방식 또는 대기압하에서 고온을 이용하여 연소시키는 방식이 적용될 수 있으며, 지용성 오일을 제거하기 위해서는, 예를 들어, 트리클로로에틸렌(TriChloroEthylene, TCE), 메틸렌 클로라이드(Methylene Chloride, MC) 등의 유기용제를 이용한 세정 방식 또는 대기압하에서 고온을 이용하여 연소시키는 방식이 적용될 수 있다. 그러나 폐슬러지에 다량 함유된 수용성 오일을 물을 이용한 세정으로 제거하는 방식에 따르면, 폐수 처리 비용이 발생한다는 문제점이 있다. 또한, 지용성 오일을 유기용제를 이용한 세정으로 제거하는 방식에 따르면, 유기용제 처리 비용이 발생한다는 문제점이 있다. 또한, 고온을 이용하여 수용성 또는 지용성 오일을 연소시키는 방법에 따르면, 대기오염 및 고온으로 인하여 실리콘의 산화량이 크게 증가한다는 문제점이 있다.
이러한 제반 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예는 오일 제거단계(S20)를 통하여 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 제거하도록 구성된다.
이러한 구성에 따르면, 오일 제거를 위해 요구되는 시간을 크게 단축할 수 있고, 오일 연소에 따른 대기오염과 실리콘 산화를 방지할 수 있다. 또한, 증발된 오일은 재사용할 수 있어 경제성 측면에서도 이점이 있다. 뿐만 아니라, 오일 제거를 위해 물을 사용하지 않기 때문에, 폐수 처리 비용이 발생하지 않는다는 이점이 있다.
오일 제거단계(S20)의 구체적인 구성의 예를 설명하면 다음과 같다.
오일 제거단계(S20)에서는, 마이크로웨이브 건조기(20)가 폐슬러지 공급기(10)로부터 공급받은 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 제거하는 과정이 수행된다.
예를 들어, 오일 제거단계(S20)는 불활성 분위기에서 수행되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 오일 제거과정이 수행되는 마이크로웨이브 건조기(20)의 내부가 불활성 분위기를 유지하도록 구성하면, 마이크로웨이브 건조 과정에서, 실리콘 산화 및 화재 발생을 방지할 수 있다. 도면상 도시하지는 않았으나, 본 실시 예는 불활성 가스 공급수단을 포함하여 구성되며, 예를 들어, 불활성 가스는 네온, 아르곤, 질소 가스 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
마이크로웨이브 건조 방식의 원리를 설명하면 다음과 같다.
특정 방향의 전기장이 형성되면, 이 전기장의 영향을 받는 분자들은 분극(polarization) 현상에 따라 전기장의 방향에 대응하여 배열되며, 전기장의 방향이 변화하면, 이에 대응하여 분자들이 회전하여 배열 상태가 변화하게 된다. 만약, 전기장의 변화속도가 매우 빠르다면, 이에 대응하여 분자들의 회전 속도도 빨라지며, 이 과정에서 분자들 간의 마찰 또는 충돌 등으로 인하여 열이 발생하게 된다. 마이크로웨이브 건조 방식은 이러한 원리를 응용한 건조 방식으로서, 일반 가정에서 흔히 사용되는 전자레인지도 이러한 원리를 응용한 것이다. 예를 들어, 본 실시 예에 있어서, 마이크로웨이브 건조기(20)에서 이용되는 마이크로웨이브는 L 대역(주파수: 915 ± 25 ㎒), S 대역(주파수: 2,450 ± 50 ㎒), C 대역(주파수: 5,800 ± 75 ㎒),K 대역(주파수: 22,125 ± 125 ㎒) 대역일 수 있으며, 상용성이 우수한 L 대역과 S 대역의 마이크로웨이브가 적합하다.
오일 제거단계(S20)를 거쳐 오일이 마이크로웨이브 건조 방식에 따라 일정 수준 제거된 폐슬러지를 Si-SiC 함유체로 명명한다. 이 Si-SiC 함유체는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 일정 수준 이하로 함량이 낮아진 오일을 포함하는 물질이다. 또한, Si-SiC 함유체에는 와이어쏘 마모성분인 철(Fe)과 같은 금속 성분들이 추가적으로 포함될 수 있다.
본 실시 예에 따라 제조되는 중간물인 Si-SiC 함유체는 발열량이 상당히 높기 때문에, 전로(converter, 轉爐)에 분말을 투입하는 경우, 화재 발생의 위험이 있다. 따라서, 실제 제강 과정에서는, Si-SiC 함유체를 압착하여 일정 사이즈와 형상을 갖는 덩어리 형태의 제강용 승열 및 성분조절체 브리켓(briquette)으로 가공하여 사용한다.
분쇄단계(S30)에서는, 오일 제거단계(S20)를 통해 오일이 일정 수준 제거되면서 건조된 덩어리 형태의 Si-SiC 함유체를 분쇄기(30)로 공급하여 분쇄하는 과정이 수행된다. 이러한 분쇄단계(S30)는 필요에 따라 선택적으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 분쇄단계(S30)는, 건조된 Si-SiC 함유체를 직경 5㎝ 이하의 분말로 분쇄하도록 구성될 수 있으며, 이러한 분쇄단계(S30)를 거치고 나면, Si-SiC 함유체가 분말 형태로 획득된다. 실제 제강소에서는, Si-SiC 함유체가 일정 사이즈와 형상을 갖는 덩어리 형태의 브리켓(briquette)으로 가공되어 사용되기 때문에, Si-SiC 함유체 분말의 형상은 규칙적 또는 불규칙적인 임의의 형상을 가져도 무방하다.
다음으로, 브리켓 성형단계(S40)에서는, 분쇄단계(S30)를 통해 획득한 Si-SiC 함유 분말에 바인더(binder)를 추가하고, 교반한 후, 브리켓 성형기(40)를 이용하여 브리켓(briquette)으로 성형하는 과정이 수행된다.
브리켓 성형단계(S40)의 구체적인 구성의 예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 분쇄단계(S30)를 통해 획득한 Si-SiC 함유 분말에 철 성분(Fe source)과 바인더(binder)를 첨가하는 과정이 수행된다.
철 성분의 추가는 선택적인 사항이며, 철 성분을 추가하는 이유 중의 하나는 최종적으로 제조되는 브리켓의 비중을 조절하기 위한 것이다. 즉, 본 실시 예에 따라 제조되는 최종물인 승열 및 성분조절 용도의 브리켓은 제강공정의 용강 제조과정에서 전로에 투입되는데, 이 브리켓의 비중(specific gravity, 比重)이 너무 낮으면, 브리켓이 용융 상태의 용강 내부로 침투되지 못하고 그 표면에 부유하게 되어, 승열 및 성분조절의 효율이 떨어진다.
본 실시 예는 이를 방지하기 위하여, Si-SiC 함유 분말에 철 성분을 첨가하며, 본 실시 예에 있어서, 철 성분의 첨가는 선택적이다.
예를 들어, 브리켓 성형단계(S40)에서, 철 성분을 Si-SiC 함유체에 추가로 첨가하는 경우, 브리켓의 중량을 기준으로, Si-SiC 함유체가 30wt% 이상이고, 철 성분이 30wt% 이하가 되도록 설정되는 것이 바람직하다.
철 성분이 첨가되는 경우와 첨가되지 않는 경우를 포함하는 경우에 대한 구체적인 중량 조성비의 예는 다음과 같다.
즉 예를 들어, 브리켓의 중량을 기준으로, Si-SiC 함유 슬러리가 30wt% 이상이고, 철 성분이 50wt% 이하이고, 바인더를 포함하는 기타 성분이 3wt% 이상 15wt% 이하가 되도록 설정될 수 있다. 제강 공정에서의 사용 용도에 따라 철 성분을 첨가하지 않고 Si-SiC 함유 슬러리만을 사용할 수도 있으나, 이 경우에도 브리켓 제조를 위하여 바인더가 사용되기 때문에 Si-SiC 함유 슬러리의 최대 중량 조성비는 대략 97%로 설정될 수 있다.
또한, 추가되는 바인더는 브리켓 성형을 위해 Si-SiC 함유 분말 또는 Si-SiC-Fe 함유 분말이 일정 정도의 점성을 갖도록 하기 위한 것으로서, 당밀, 전분, 벤토나이트(bentonite) 및 소석회로 이루어진 일군에서 선택된 하나 이상과 물과 수용성 오일로 이루어진 제2군에서 선택된 하나 이상을 포함하도록 구성될 수 있다.
바인더를 구성하는 재료 성분들 간의 혼합비는 상황에 따라 변동될 수 있으며, 이 바인더에는 물이 혼합되거나, 수용성 오일이 혼합되거나, 물과 함께 수용성 오일이 혼합될 수 있다.
다음으로, 바인더가 첨가된 Si-SiC 함유 분말 또는 Si-SiC-Fe 함유 분말의 구성 성분들이 적절히 혼합되도록 교반하는 과정이 수행된다. 물론 이 교반을 위해, 브리켓 성형기(40)는 자체 교반 기능을 지원하도록 구성되거나, 별도의 교반기를 이용하여 교반할 수도 있다.
다음으로, 바인더가 첨가되어 교반된 Si-SiC 함유 분말 또는 Si-SiC-Fe 함유 분말을 브리켓 성형기(40)를 이용하여 특정 형상을 갖는 브리켓으로 성형하는 과정이 수행된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 반도체 혹은 태양전지 웨이퍼 제조시 발생하는 실리콘을 함유하는 폐슬러지를 정제하여 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓을 효율적으로 제조할 수 있는 방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브 건조 방식으로 짧은 시간 내에 제거함으로써, 실리콘 산화를 최소화하면서 폐슬러지에 포함된 오일을 적정 수준으로 제거할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 마이크로웨이브 건조 방식을 적용함으로써, 폐슬러지에 포함된 오일을 제거하기 위해 요구되는 공정을 단순화하고 장치 구축비용을 저감시킬 뿐만 아니라, 공정 수행시간을 단축할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 실리콘 함유 폐슬러지를 재처리하는 과정에서 발생할 수 있는 실리콘 미분 성분과 산소의 반응으로 인한 발화의 가능성을 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 실리콘 함유 폐슬러지를 재처리하는 과정에서 실리콘 산화를 효과적으로 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 덩어리 형태의 성형품인 브리켓의 강도 저하로 인하여, 성형된 브리켓이 부스러지는 현상을 방지할 수 있는 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조방법이 제공되는 효과가 있다.
또한, 환경오염의 요소가 되는 실리콘 함유 폐슬러지를 소각 또는 매립하지 않고, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓으로 재생하여 사용함으로써, 폐기물 처리 비용을 감소시키고 원가 절감에 의한 가격 경쟁력을 확보하는 동시에, 제강 과정에서 발생할 수도 있는 환경오염을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
10: 폐슬러지 공급기
20: 마이크로웨이브 건조기
30: 분쇄기
40: 브리켓 성형기
S10: 폐슬러지 공급단계
S20: 오일 제거단계
S30: 분쇄단계
S40: 브리켓 성형단계

Claims (5)

  1. 실리콘을 함유하는 폐슬러지를 정제하여 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓을 제조하는 방법에 있어서,
    실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 오일을 포함하는 폐슬러지를 공급하는 폐슬러지 공급단계;
    상기 폐슬러지에 포함된 오일을 마이크로웨이브(microwave) 건조 방식으로 제거하는 오일 제거단계; 및
    상기 오일 제거단계를 통해 상기 폐슬러지로부터 상기 오일을 제거하여 획득한 Si-SiC 함유체에 바인더(binder)를 추가하고 교반한 후 브리켓(briquette)으로 성형하는 브리켓 성형단계를 포함하고,
    상기 폐슬러지를 구성하는 입자군의 체적 메디안 지름(volume median diameter, Dv50)은 1㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오일 제거단계는 불활성 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 브리켓 성형 단계에서, 철 성분(Fe source)을 상기 Si-SiC 함유체에 추가로 첨가하고,
    상기 브리켓의 중량을 기준으로, 상기 Si-SiC 함유체가 30wt% 이상이고, 상기 철 성분이 30wt% 이하인 것을 특징으로 하는, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 브리켓 성형단계 이전에, 상기 Si-SiC 함유체를 분쇄하는 분쇄단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분쇄단계에서는, 상기 Si-SiC 함유체를 직경 5㎝ 이하의 분말로 분쇄하는 것을 특징으로 하는, 제강공정에서 이용되는 승열 및 성분조절용 브리켓 제조 방법.
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