KR20190061324A - Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법 및 이에 사용되는 환원제 - Google Patents

Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법 및 이에 사용되는 환원제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제강 슬래그 내의 Fe를 환원제를 이용하여 효율적으로 회수하는 방법에 관한 것으로, 고온의 용융 상태 슬래그 내에 환원제를 공급하는 단계; 및 상기 환원제와 슬래그의 반응을 통해 슬래그 내의 FeO를 Fe로 환원시켜 회수하는 단계를 포함하며, 상기 환원제가 탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제이고, 탄소와 함께 첨가물을 첨가하여 밀도를 3.0~3.4g/cm3 범위로 조절한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 Fe의 회수 방법에 의하면, 탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제의 밀도를 높임으로써, 탄소 펠릿 환원제가 제강 슬래그에 부유하지 않고 안쪽에 위치하도록 하여 탄소 펠릿 환원제가 완전히 반응하여 제강 슬래그로부터 Fe를 회수하는 효율을 높일 수 있다.
이때, 탄소 펠릿 환원제의 밀도를 높이기 위한 물질로 레드 머드를 사용하면, 레드 머드에 포함된 FeO에서도 Fe를 회수함으로써 골재 등으로만 재활용되던 레드 머드에서 Fe를 회수할 수 있으며, 레드 머드에 포함된 Al2O3에 의한 플럭스 효과로 인하여 제강 슬래그로부터 Fe를 회수하는 효율이 더욱 향상되는 효과가 있다.

Description

Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법 및 이에 사용되는 환원제{METHOD FOR RECOVERING Fe FROM CONVERTER SLAG CONTAINING Fe AND REDUCING AGENT FOR THE METHOD}
본 발명은 제강 슬래그 내의 유가원소 회수에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 제강 슬래그 내의 Fe를 환원제를 이용하여 효율적으로 회수하는 방법에 관한 것이다.
제철 제강 공정에서는 필연적으로 슬래그가 발생된다. 슬래그는 부산물이지만 유용 성분이 다량 포함되어 있어, 이를 활용하기 위한 연구가 계속되고 있다.
그러나 제철 공정에서 유래하는 고로 슬래그가 시멘트 원료로 활발히 재활용 되고 있는 반면, 제강 슬래그는 성분 중 높은 산화철(FeO) 함량으로 인하여 시멘트 혹은 건축 골재로의 재활용이 어려움이 있고, 발생량의 50% 가량이 단순히 성토용 골재로 매립되고 있는 실정이다.
제강 슬래그에서 유가금속(Fe또는 Fe-P)이 회수되면 산화철 함량이 낮은 슬래그 조성을 얻게 되므로, 기존 성토용 골재가 아니라 시멘트의 원료로서 사용할 수 있어 슬래그 재활용의 부가가치를 높일 수 있다.
또 제강슬래그부터 회수된 Fe를 사용하여 Fe-P 합금을 생산하면 주조 공정과 연계하여 고급주물용 소재로 사용할 수 있다.
제강슬래그에서 Fe를 회수하는 방법으로 제강 슬래그에 환원제를 넣어서 FeO를 Fe로 환원하여 사용하는 방법이 사용되고 있으나, 효율이 낮은 문제가 있다.
대한민국 등록특허 10-1361991
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제강 슬래그로부터 Fe를 회수하는 효율을 높이는 방법 및 이에 사용되는 환원제를 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법은, 고온의 용융 상태 슬래그 내에 환원제를 공급하는 단계; 및 상기 환원제와 슬래그의 반응을 통해 슬래그 내의 FeO를 Fe로 환원시켜 회수하는 단계를 포함하며, 상기 환원제가 탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제이고, 탄소와 함께 첨가물을 첨가하여 밀도를 3.0~3.6g/cm3 범위로 조절한 것을 특징으로 한다.
제강슬래그는 고온의 열에너지(450MJ/ton-steel)를 내재하고 있으나, 냉각과정을 거쳐 열에너지는 소모되어 버린다. 본 발명에서는 용융 상태에서 환원 공정을 실시하여 산화철 성분을 환원시킨다. 즉 슬래그가 포함하고 있는 현열을 활용하므로 추가 에너지 투입을 최소화할 수 있다.
탄소 펠릿(pellet)은 탄소 분말을 뭉쳐서 형성한 조립물로서, 분말보다 크기가 커서 사용에 유리하고 반응성을 향상시키며 반응 물질들이 비산되는 것을 방지할 수 있다. 하지만 탄소의 경우는 밀도가 낮아서, 제강 슬래그에 투입한 경우에 위쪽에 부유하여 반응이 불완전하게 진행되는 단점이 있었다.
본 발명은 탄소 펠릿을 형성하는 과정에서 밀도를 높일 수 있는 첨가물을 첨가하여 밀도를 3.0~3.6g/cm3 범위로 조절함으로써 환원제가 제강 슬래그에 부유하지 않도록 구성하여 환원제의 반응을 높일 수 있도록 구성하였다.
본 발명의 환원제는 밀도가 3.0cm3부터 FeO 회수율이 증가하며 3.6cm3을 넘으면 용탕 내에서 가라앉기 시작하여 반응율이 낮아지므로, 이 값을 밀도의 상한으로 함이 바람직하다.
한편, 환원제 밀도가 3.2~3.5g/cm3일 때 회수율이 특히 높아지며, 3.3~3.5g/cm3일 때 환원율이 특히 높아진다.
이때, 첨가물로서 폐기물인 레드 머드(red mud)를 사용한다.
레드 머드는 알루미늄 제련에 있어서 Bayer법에 의해서 보크사이트로부터 알루미나를 채취한 잔사를 지칭하며, 자체가 강한 염기성 슬러지 상태로서 단순 폐기가 불가능하며, 이를 중화시킨 뒤에 재활용하는 경우에도 시멘트 등에 사용되는 것과 같이 골재로서 사용되는 것이 일반적이다.
레드 머드는 Al2O3와 FeO가 주성분이기 때문에, 탄소 펠릿에 첨가하는 경우에 탄소 펠릿의 밀도를 높일 수 있다. 또한, 레드 머드에 포함된 FeO는 제강 슬래그와 같이 Fe의 소스가 되기 때문에 단순히 골재 등에 사용되는 것에 비하여 가치가 높은 재활용 방법이다.
나아가 레드 머드에 포함된 Al2O3는 플럭스의 기능을 하며, 그에 따라서 열역학적 혼합 효과에 따라 융점이 낮아지고, 액상 유지 온도 범위를 넓히며, 반응 참여율이 높아지는 효과가 있다.
본 발명의 다른 형태에 의한 환원제는, 제강 슬래그에 포함된 FeO를 Fe로 회수하기 위하여 사용되는 환원제로서, 탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제이며, 밀도를 높이기 위한 첨가물이 첨가되어 밀도가 3.0~3.6g/cm3 범위인 것을 특징으로 한다.
이때, 펠렛에는 첨가물로서 알루미늄 제련 과정에서 발생한 폐기물인 레드 머드를 사용하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 Fe의 회수 방법에 의하면, 탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제의 밀도를 높임으로써, 탄소 펠릿 환원제가 제강 슬래그에 부유하지 않고 안쪽에 위치하도록 하여 탄소 펠릿 환원제가 완전히 반응하여 제강 슬래그로부터 Fe를 회수하는 효율을 높일 수 있다.
이때, 탄소 펠릿 환원제의 밀도를 높이기 위한 물질로 레드 머드를 사용하면, 레드 머드에 포함된 FeO에서도 Fe를 회수함으로써 골재 등으로만 재활용 되던 레드 머드에서 Fe를 회수할 수 있는 효과가 있다.
나아가 레드 머드에 포함된 Al2O3에 의한 플럭스 효과로 인하여 제강 슬래그로부터 Fe를 회수하는 효율이 더욱 향상되는 효과가 있다.
최종적으로 제강 슬래그로부터 고부가가치 주조용 소재인 Fe-P 합금을 생산할 수 있다.
도 1은 다양한 조성의 탄소 펠릿 환원제를 사용하여 전기로 슬래그에 대하여 Fe 회수 실험을 수행하면서 시간에 따른 FeO의 변화를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 다양한 조성으로 구성된 탄소 펠릿 환원제의 Fe 회수율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 다양한 조성의 탄소 펠릿 환원제를 사용하여 전기로 슬래그에 대하여 Fe 회수 실험을 수행한 이후의 도가니를 촬영한 사진이다.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 장점, 특징 및 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
탄소 펠릿 환원제의 제조
제강 슬래그에 포함된 FeO의 회수를 위한 환원제로서 탄소를 사용한 탄소 펠릿 환원제를 제조하였다.
본 발명은 탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제를 제조하는 과정에서, 환원제의 밀도를 높이기 위하여 첨가물을 첨가하였으며, 구체적으로 레드 머드를 첨가하였다.
표 1은 탄소 성분과 레드 머드를 혼합한 탄소 펠릿 환원제를 구성한 다양한 조성을 나타낸 표이다.
탄소(g) 레드 머드(g) 탄소:레드 머드 혼합 무게 밀도(g/cm3)
3.36 0 10:0 3.36 2.9
3.39 0.34 9:1 3.73 3.0
3.43 0.67 8:2 4.10 3.1
3.50 1.34 7:3 4.84 3.2
3.56 2.02 6:4 5.58 3.3
3.70 3.36 5:5 7.06 3.4
탄소의 양을 비슷하게 유지하면서, 혼합하여 제조된 탄소 펠릿 환원제의 밀도가 2.9~3.4g/cm3 범위가 되도록 탄소와 레드 머드의 양을 조절하였다.
표 2는 탄소 펠릿 환원제에 사용된 레드 머드의 조성(wt%)을 나타낸다.
FeO Al2O3 SiO2 TiO2 CaO Na2O ZrO2 total 밀도
47.03 22.01 10.41 8.73 6.55 4.84 0.43 100.0 3.4g/cm3
탄소 펠릿 환원제를 사용한 Fe 회수 실험
표 1의 조성으로 구성된 탄소 펠릿 환원제를 사용하여 전기로 슬래그에 대하여 Fe 회수에 대한 실험을 수행하였다. 표 3은 Fe 회수 실험을 수행한 전기로 슬래그의 조성(wt%)을 나타낸다.
FeO Al2O3 SiO2 CaO MgO MnO total 밀도
19.97 15.60 23.06 25.75 9.54 6.08 100.0 3.5g/cm3
도 1은 다양한 조성의 탄소 펠릿 환원제를 사용하여 전기로 슬래그에 대하여 Fe 회수 실험을 수행하면서 시간에 따른 FeO의 변화를 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 즉 도 1은 FeO의 환원율을 나타낸다.
표 3의 전기로 슬래그에 대하여 표 1의 탄소 펠릿 환원제를 사용하여 Fe회수를 수행하면서, 시간의 흐름에 따른 FeO의 함량을 측정하여 표 4에 나타내었다.
밀도(g/cm3) 0분 5분 10분 30분 60분
2.9 19.94 16.6 15.9 14.4 9.2
3.0 20.06 19.4 20.8 17.4 11.7
3.1 20.15 19.9 20.3 13.8 9
3.2 20.33 19.4 16.5 14.9 8.8
3.3 20.50 18.4 17 10.5 7.9
3.4 20.85 19 14 5.8 5.1
10분이 경과한 시점에서 일부 FeO가 증가하는 결과가 나타났으나, 이는 레드 머드에 포함된 FeO가 용출된 결과로 생각되며, 30분을 경과한 시점에서 FeO가 모두 감소한 것을 확인할 수 있다.
밀도가 3.3인 경우와 3.4인 경우에 더욱 빠른 속도로 FeO가 감소하는 것, 즉 환원율이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 초기에 탄소 펠릿 환원제에 포함된 레드 머드가 용출되면서 펠릿의 분산효과가 증대되면서 반응속도가 빨라진 것으로 보인다.
도 2는 다양한 밀도로 구성된 탄소 펠릿 환원제의 Fe 회수율을 나타낸 그래프이며, 표 5는 이를 수치로 나타낸다.
밀도(g/cm3) 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4
회수율(%) 12 32.1 31.3 48.7 43.9 41.8
앞선 도 1과 표 4에서는 밀도가 3.3 내지 3.4인 경우 FeO의 감소 속도, 즉 환원율이 가장 높은 것으로 나타났지만, 최종적인 회수율에서는 밀도가 3.2인 경우에 가장 높은 회수율을 보였다.
환원율과 회수율은 다소 차이가 나는데, 환원된 Fe 중 일부는 가라앉지 않고 용탕 중을 부유하는 영향이 있기 때문이다. 또 밀도가 3.3 이상인 경우에 반응 속도가 너무 빨라서, CO 가스로 인한 슬래그 포밍(slag foaming)이 발생하고, 결과로 탄소와의 반응 효율이 떨어져 최종 회수율이 다소 낮아진 것으로 보인다.
따라서 환원율 관점에서는 환원제의 밀도가 3.3 이상인 것이 특히 바람직하나, 회수율의 관점에서는 3.2 이상인 것이 특히 바람직하다.
도 3은 다양한 조성의 탄소 펠릿 환원제를 사용하여 전기로 슬래그에 대하여 Fe 회수 실험을 수행한 이후의 도가니를 촬영한 사진이다.
도시된 것과 같이, 레드 머드의 함량이 높아서 밀도가 높아질수록 슬래그가 넓게 퍼진 것을 확인할 수 있고, 이는 레드 머드의 함량이 높을수록 반응성이 증가한 것을 나타낸다. 이러한 내용으로부터 레드 머드의 함량이 증가하는 경우에 과도한 반응으로 인하여 회수율이 감소했음을 알 수 있다.
표 6은 다양한 종류의 다양한 조성의 탄소 펠릿 환원제를 사용한 경우에 슬래그의 점도(viscosity)를 측정한 결과이다.
밀도(g/cm3) 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4
viscosity 0.070 0.079 0.079 0.078 0.078 0.077
레드 머드를 첨가하지 않은 탄소 펠릿 환원제에 비하여, 레드 머드를 첨가한 탄소 펠릿 환원제의 경우는 레드 머드에 포함된 Al2O3에 의한 플럭스 효과로 인하여 점도에 변화가 생긴 것을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 고온의 용융 상태 슬래그 내에 환원제를 공급하는 단계; 및
    상기 환원제와 슬래그의 반응을 통해 슬래그 내의 FeO를 Fe로 환원시켜 회수하는 단계를 포함하며,
    상기 환원제가 탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제이고, 탄소와 함께 첨가물을 첨가하여 밀도를 3.0~3.6g/cm3 범위로 조절한 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 첨가물이 알루미늄 제련 과정에서 발생한 폐기물인 레드 머드인 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 밀도가 3.2~3.5g/cm3인 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 밀도가 3.3~3.5g/cm3인 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그 중 Fe의 회수 방법.
  5. Fe 함유 슬래그에서 Fe를 회수하기 위한 환원제로서,
    탄소 분말을 펠릿화한 탄소 펠릿 환원제이며,
    밀도를 높이기 위한 첨가물이 첨가되어 밀도가 3.0~3.4g/cm3 범위인 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그에서 Fe를 회수하기 위한 환원제.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 첨가물이 알루미늄 제련 과정에서 발생한 폐기물인 레드 머드인 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그에서 Fe를 회수하기 위한 환원제.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 밀도가 3.2~3.5g/cm3 범위인 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그에서 Fe를 회수하기 위한 환원제.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 밀도가 3.3~3.5g/cm3 범위인 것을 특징으로 하는 Fe 함유 슬래그에서 Fe를 회수하기 위한 환원제.
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