KR20200113394A - 실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법은, 산업용 부산물 또는 폐슬러지로부터 회수한 실리콘 파우더 함유의 원료를 준비하는 단계와, 준비된 상기 원료의 비중 조절 및 탈황 효과를 위해 망간(Mn)을 배합하는 단계와, 밀링 공정을 진행하여 상기 원료와 상기 망간이 균일하게 혼합된 혼합물을 생성하는 단계와, 상기 원료와 상기 망간 간의 균질한 결합을 위한 결합제를 혼합하는 단계와, 상기 결합제가 혼합된 혼합물을 고압력으로 압착하여 단광화 및 펠렛화하는 단계와, 상기 단광화 및 펠렛화된 혼합물을 소정의 온도 조건에서 건조하는 단계와, 건조된 단광체에 산화방지제를 도포하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SILICONE ADDITIVES, DEOXIDIZER AND DESULFURIZER BY USING SILICONE POWDER}

본 발명은 제강 공정 등에 사용되는 가규제, 탈산 및 탈황제를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 웨이퍼 또는 반도체 웨이퍼의 제작(생산)을 위해 잉곳(Ingot)을 절단(Saw)할 때 발생(배출)하는 부산물인 실리콘 슬러지를 이용하여 가규제, 탈산 및 탈황제를 제조할 수 있는 실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 태양 전지 또는 반도체 산업의 웨이퍼는, 예컨대 절삭유와 함께 다이아몬드 소(diamond saw)를 이용하여 실리콘 잉곳을 절단(절삭)하는 방식으로 제작되는데, 이때 실리콘 절삭 후의 폴리싱 공정에서 실리콘 등의 슬러지가 발생하게 된다.

최근 들어, 태양광 웨이퍼 실리콘 산업이 새로운 에너지 산업으로 급속한 성장을 하고 있는 상황 등을 고려하면, 이러한 실리콘 슬러지의 발생량은 더욱 증가하게 될 것으로 예상되고 있다.

이러한 슬러지에서 회수된 실리콘은 실리콘 함량이 70 내지 97%로서, 예컨대 탈산제 및 실리콘 공급원, 고로, 전로의 에너지원 등으로 사용될 수 있으며, 주철과 주물에는 실리콘이 규소 성분을 높이는 첨가제로서 사용될 수 있다.

즉, 공정상의 슬러지는 기존 SiC 함유 슬러지에 비해 실리콘 함량이 상대적으로 높을 뿐만 아니라 용강의 실리콘 공급원, 탈산제, 탈유제로서의 반응력이 우수한 부자재이다.

이러한 실리콘을 사용하여 단광으로 생산 및 사용을 시도한 적이 있으나, 생산시 발화되거나 이송시 또는 저장고 보관시 화재가 발생하는 경우가 있어 사용성의 검토가 적극적으로 진행되지 않았으나, 실리콘 함량이 대략 70 내지 97%까지로 상대적으로 우수하고 태양광 에너지 산업이 지속적으로 발전함을 감안할 때 기존과 같이 매립 처리되는 것은 자원의 낭비가 아닌 대손실로써 단광화 및 펠렛화하여 사용하는 것이 절대적으로 요구되고 있다.

관련하여, 현재까지 유용성분의 분리 및 회수 방법에 대해서는 많은 연구가 진행되고 있고, 특히 와이어 소(Wire Saw)에서 발생한 실리콘 탄화물(SiC)의 회수 및 이의 단광화에 대해서는 다수의 연구가 있었으나, 예컨대 1500 내지 2400 ℃의 활성화에 있어서 실리콘 탄화물의 단광 제품은 고온의 용융점으로 인해 사용 효과가 극히 제한적이었기 때문에 실용성의 한계를 가질 수밖에 없었다.

한국등록특허 제10-1292001호(공고일: 2013. 08. 05.)

본 발명은 다이아몬드 소를 이용해 실리콘 웨이퍼를 생산할 때 발생하는 실리콘 슬러지를 이용하여 제공 공정 중의 용강과의 반응성을 향상시킬 수 있는 실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 다이아몬드 소를 이용해 실리콘 웨이퍼를 생산할 때 발생하는 실리콘 슬러지를 이용하여 이송, 수송, 사용성을 향상시킬 수 있는 실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은, 일 관점에 따라, 산업용 부산물 또는 폐슬러지로부터 회수한 실리콘 파우더 함유의 원료를 준비하는 단계와, 준비된 상기 원료의 비중 조절 및 탈황 효과를 위해 망간(Mn)을 배합하는 단계와, 밀링 공정을 진행하여 상기 원료와 상기 망간이 균일하게 혼합된 혼합물을 생성하는 단계와, 상기 원료와 상기 망간 간의 균질한 결합을 위한 결합제를 혼합하는 단계와, 상기 결합제가 혼합된 혼합물을 고압력으로 압착하여 단광화 및 펠렛화하는 단계와, 상기 단광화 및 펠렛화된 혼합물을 소정의 온도 조건에서 건조하는 단계와, 건조된 단광체에 산화방지제를 도포하는 단계를 포함하는 실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 상기 원료는, 실리콘 금속 파우더(Si Metal powder), 실리콘 금속 슬래그 파우더(Si Metal slag powder), 폐로 실리콘 파우더(FeSi powder), 실리콘 탄화물 파우더(SiC powder) 중 하나 이상을 포함하는 실리콘 공급원이 혼합된 혼합물일 수 있다.

본 발명의 상기 실리콘 공급원은, 5 내지 30wt%의 범위로 배합될 수 있다.

본 발명의 상기 실리콘 공급원은, 상기 실리콘 파우더의 산화반응을 최소화시키기 위한 산화안정제로서 기능할 수 있다.

본 발명의 상기 망간은, 망간 파우더(Mn powder), 실리콘망간 파우더(SiMn powder), 폐로망간(FeMn) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 망간은, 제강 공정 중에 발생될 수 있는 철강의 취성 및 기포 발생을 억제하도록 기능할 수 있다.

본 발명의 상기 결합제는, 무기바인더일 수 있다.

본 발명의 상기 무기바인더는, 1 내지 5wt%의 범위로 혼합될 수 있다.

본 발명의 상기 무기바인더는, 벤토나이트, 덱스트린, 옥수수 전분 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 건조하는 단계는, 80 내지 120℃ 온도 범위와 1 내지 2H 시간 범위의 공정 조건에서 수행될 수 있다.

본 발명의 상기 건조하는 단계는, 상기 단광화 및 펠렛화의 파괴 강도가 20Mpa 이상이 되도록 건조할 수 있다.

본 발명의 상기 산화방지제는, 0.05 내지 0.1mm의 두께 범위로 도포될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다이아몬드 소를 이용해 실리콘 웨이퍼를 생산할 때 발생하는 실리콘 슬러지를 이용해 제공 공정 중의 용강과의 반응성을 향상시킬 수 있는 가규제, 탈산 및 탈황제를 제조함으로써, 철강 부재로의 원가를 절감할 수 있으며, 매립 등을 위한 실리콘 슬러지의 처리 비용을 효과적으로 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 산업용 부산물 또는 폐슬러지로부터 회수한 실리콘 파우더를 이용하여 가규제, 탈산 및 탈황제를 제조하는 주요 공정을 도시한 순서도이다.

먼저, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어지는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기에서, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 명확하게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것이므로, 본 발명의 기술적 범위는 청구항들에 의해 정의되어야 할 것이다.

아울러, 아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서의 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 산업용 부산물 또는 폐슬러지로부터 회수한 실리콘 파우더를 이용하여 가규제, 탈산 및 탈황제를 제조하는 주요 공정을 도시한 순서도이다.

원료 준비 단계(단계 102)

단계(102)에서는 산업용 부산물 또는 폐슬러지로부터 회수한 실리콘 파우더 함유의 원료를 준비, 예컨대 태양 전지 또는 반도체용의 실리콘 웨이퍼를 생산할 때 배출되는 부산물인 실리콘 슬러지를 수집하여 원료로 준비한다. 여기에서, 실리콘 슬러지(원료)에는 다량의 실리콘(Si)과 수분 등이 함유되어 있다.

그리고, 이러한 원료는, 예컨대 실리콘 금속 파우더(Si Metal powder), 실리콘 금속 슬래그 파우더(Si Metal slag powder), 폐로 실리콘 파우더(FeSi powder), 실리콘 탄화물 파우더(SiC powder) 중 하나 이상을 포함하는 실리콘 공급원이 혼합된 혼합물일 수 있다.

여기에서, 실리콘 공급원은, 예컨대 5 내지 30wt%의 범위로 원료에 배합되는 것이 바람직한데, 이러한 실리콘 공급원은 실리콘 파우더의 산화반응을 최소화시키기 위한 산화안정제로서 기능할 수 있다.

즉, 기존의 태양광 웨이퍼 생산시 실리콘 웨이퍼 절단 공정에서 발생한 실리콘 슬러지는 SiC 와이어 소(Wire saw)를 사용함으로써 발생하는 것이고, 비교적 안정된 SiC를 함유하고 있었으나, 최근 들어 다이아몬드 소(Diamond Saw)를 사용함에 따라 실리콘 슬러지로 부터 70 내지 95%인 실리콘 파우더(분말)가 나오고, 절단된 웨이퍼를 폴리싱할 때 나오는 실리콘 파우더 역시 실리콘 함량이 고순도인 85 내지 95wt%이며, 또한 이때 회수된 실리콘의 평균 입도가 20㎛ 정도이다.

그러나, 순도가 높아 공기나 수분과 접촉시 산화 가능성이 높고 입도가 미세하여 단광화 및 펠렛화의 경우 결합력이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

이것을 해결하기 위해, 본 발명에서는 실리콘을 함유하고 있는 공기와 수분에 안정화되어 있는 실리콘 메탈이나 이의 슬래그, 부산물, 페로실리콘이나 이의 슬래그, 부산물, 실리콘 탄화물 등과 배합하여 Si 공급원으로 사용한다.

망간(Mn) 배합 단계(104)

단계(104)에서는 수집된 원료(실리콘 파우더 함유의 원료)에 비중 조절 및 탈황 효과를 위한 유가 금속, 즉 망간(Mn)을 배합할 수 있는데, 이러한 망간은, 예컨대 망간 파우더(Mn powder), 실리콘망간 파우더(SiMn powder), 폐로망간(FeMn) 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 기능적인 측면에서 볼 때, 배합된 망간은 제강 공정 중에 발생될 수 있는 철강의 취성 및 기포 발생을 억제하도록 기능할 수 있다.

즉, 실리콘 파우더는, 예컨대 비중이 0.8 내지 1.1mg/ml이므로 용강에 투입시 부유할 수 있어 용탕 상부에서만 반응이 발생하고, 심층부에서의 반응이 원활하지 않을 수 있으므로, 이를 보완하기 위해 본 발명에서는 비중이 높은 원료(망간)를 추가적으로 배합한다.

특히, 비중을 보완함과 동시에 제강 제철 공정에 많은 역할을 하는 망간을 보충하기 위해 망간분(예컨대, 망간 파우더, 실리콘망간 파우더, 폐로망간 등)을 첨가할 수 있다.

여기에서, 망간의 경우 최고의 실리콘 회수율 및 탈황제로써 독점적인 역할을 수행할 수 있고, 제강 공정의 수율을 증대시킴과 더불어 용제 소비량을 감소시키는 역할(기능)을 수행할 수 있다.

또한, 망간은 로 내화물의 부식을 막아 수명을 연장시키는 역할을 함으로써 비중 및 화학적 역할을 수행할 수 있고, 최종 철강 제품의 취성 및 기포 발생을 막아 철강 제품의 품질을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.

그리고, 회수된 실리콘의 평균 입도가, 예컨대 20㎛로 미세하여 입자간 결합력이 약하기 때문에 망간을 배합할 경우 입도를 0 내지 5mm로 조정하여 배합하는 것이 바람직하다.

균일한 혼합을 위한 밀링 단계(106)

단계(106)에서는 밀링 공정을 진행하여 원료(실리콘 파우더 함유의 원료)와 망간이 균일하게 혼합된 혼합물을 생성, 예컨대 비중 차이로 인한 혼합의 어려움이 해소될 수 있도록, 예컨대 상하 연동형 혼합기, 스크류 방식 혼합기, 이중주걱 혼합기 등을 이용하여 혼합한 후 밀링 공정을 수행하여 균일한 혼합물을 생성한다.

결합제(또는 접착제) 혼합 단계(108)

단계(108)에서는 원료(실리콘 파우더 함유의 원료)와 망간 간의 균질한 결합을 위한 결합제(또는 접착제)가 혼합(첨가)되는데, 여기에서 결합제는, 예컨대 무기바인더로서 1 내지 5wt%의 범위로 혼합될 수 있으며, 이러한 무기바인더는, 예컨대 벤토나이트, 덱스트린, 옥수수 전분 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

즉, 회수된 실리콘과 이에 배합되는 재료는, 예컨대 5배 이상의 비중 차이로 무기바인더(결합제)를 첨가하여 혼합할 경우 균일한 혼합이 이루어지지 않기 때문에, 균일한 혼합을 위해, 본 발명의 실시예에서는 예컨대 360도 회전 가능한 프로펠러식 혼합기에 상하로 움직일 수 있도록 하는 기능을 추가하여 비중과 관계없이 균일하게 혼합될 수 있도록 한다.

여기에서, 균일한 혼합은 단광과 펠렛의 품질에 중요한 요인이므로 매우 중요한 생산 공정이라고 할 수 있다.

그리고, 결합제(접착제)로는, 예컨대 벤토나이트, 덱스트린, 옥수수 전분 등을 사용할 수 있으나, 전로나 LF(Ladle Furnace)에 투입시는 스모그 현상을 최대한 저감시켜서 작업성을 좋게 해야 하므로 무기 바인더를 사용하여 스모그 발생을 감소시킬 수 있다.

이때, 후속하는 공정(예컨대, 단광화 및 펠렛화 공정)에서 발생할 수 있는 산화를 저감시키기 위해 산화방지제를 결합제와 함께 혼합할 수도 있다.

단광화 및 펠렛화 단계(110)

단계(110)에서는 결합제(또는 접착제)가 혼합된 혼합물을 고압력으로 압착하여 단광화 및 펠렛화하는데, 이러한 단광화 및 펠렛화 공정은 강도 증가 및 용탕 내에서의 신속한 반응을 위해서이다. 여기에서, 단광화 및 펠렛화는 유압 프레스 방식으로 진행될 수 있다.

즉, 원료의 주성분인 회수된 실리콘의 평균 입도가 20㎛로 미세하므로, 용탕에 직접 투입하면 부유할 수가 있기 때문에 성형하여 사용하는데, 이때 결합제(접착제)를 사용하더라도 입자간 결합력, 단광, 펠렛의 강도 증가를 위해 유압프레스 단광화 장비나 압출식 펠렛 장비를 사용하여 단광화 및 펠렛화 공정을 진행할 수 있다.

이때, 단광의 길이는 20 내지 40mm, 직경은 25mm 이하로 할 경우, 후속하는 건조 공정에서 건조시 실리콘의 손실없이 건조가 잘 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 펠렛의 길이는 5 내지 30mm, 직경은 8mm 정도로 함으로써, 실리콘 손실없이 건조가 잘 되도록 할 수 있는 것은 물론, 예컨대 15분 내지 30분에 반응을 종결해야 하는 공정에 사용할 수 있도록 하기 위함이다.

이 처럼 펠렛의 경우에는 표면적이 넓어 용강 내에서 부유하지 않고 신속하게 확산되도록 용강 내 반응을 유도할 수 있으며, 이러한 신속한 확산을 통해 탈산제, 탈황제 및 실리콘 수율을 극대화할 수 있다.

건조 단계(112)

단계(112)에서는 단광화 및 펠렛화된 혼합물을 소정의 온도 조건에서 건조(가압 성형)하는데, 이러한 건조 공정은, 예컨대 80 내지 120℃ 온도 범위와 1 내지 2H 시간 범위의 공정 조건에서 수행될 수 있다.

여기에서, 건조 공정을 통해 얻어지는 단광화 및 펠렛화의 파괴 강도는, 예컨대 20Mpa 이상이 될 수 있다.

즉, 실리콘은 공기 및 수분과의 친화력이 상대적으로 높기 때문에 쉽게 산화되거나 혹은 이러한 산화 반응에 따른 발열로 발화 가능성이 있기 때문에 이를 방지하기 위해 건조 공정을 진행한다.

그리고, 건조의 공정 온도가 120℃ 이상이 되면, 공기 및 수분과의 친화력이 급상승하기 때문에 건조의 공정 온도는, 예컨대 80 내지 120℃로 하는 것이 바람직하다.

산화방지제 도포 단계(114)

단계(114)에서는 실리콘이 산화하는 것을 방지하기 위해(실리콘의 산화안정성을 위해) 건조된 단광체에 산화방지제를 도포할 수 있는데, 이때 도포되는 산화방지제는, 예컨대 0.05 내지 0.1mm의 두께 범위를 가질 수 있다.

여기에서, 소정 두께의 산화방지제가 도포된 가규제, 탈산 및 탈황제는 실온에서 건조될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 산업용 부산물 또는 폐슬러지로부터 회수한 실리콘 파우더 함유의 원료를 준비하는 단계와,
   준비된 상기 원료의 비중 조절 및 탈황 효과를 위해 망간(Mn)을 배합하는 단계와,
   밀링 공정을 진행하여 상기 원료와 상기 망간이 균일하게 혼합된 혼합물을 생성하는 단계와,
   상기 원료와 상기 망간 간의 균질한 결합을 위한 결합제를 혼합하는 단계와,
   상기 결합제가 혼합된 혼합물을 고압력으로 압착하여 단광화 및 펠렛화하는 단계와,
   상기 단광화 및 펠렛화된 혼합물을 소정의 온도 조건에서 건조하는 단계와,
   건조된 단광체에 산화방지제를 도포하는 단계를 포함하는
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 원료는,
   실리콘 금속 파우더(Si Metal powder), 실리콘 금속 슬래그 파우더(Si Metal slag powder), 폐로 실리콘 파우더(FeSi powder), 실리콘 탄화물 파우더(SiC powder) 중 하나 이상을 포함하는 실리콘 공급원이 혼합된 혼합물인
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 실리콘 공급원은,
   5 내지 30wt%의 범위로 배합되는
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 실리콘 공급원은,
   상기 실리콘 파우더의 산화반응을 최소화시키기 위한 산화안정제로서 기능하는
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 망간은,
   망간 파우더(Mn powder), 실리콘망간 파우더(SiMn powder), 폐로망간(FeMn) 중 하나 이상을 포함하는
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 망간은,
   제강 공정 중에 발생될 수 있는 철강의 취성 및 기포 발생을 억제하도록 기능하는
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 결합제는,
   무기바인더인
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 무기바인더는,
   1 내지 5wt%의 범위로 혼합되는
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 무기바인더는,
   벤토나이트, 덱스트린, 옥수수 전분 중 하나 이상을 포함하는
   실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조하는 단계는,
    80 내지 120℃ 온도 범위와 1 내지 2H 시간 범위의 공정 조건에서 수행되는
    실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조하는 단계는,
    상기 단광화 및 펠렛화의 파괴 강도가 20Mpa 이상이 되도록 건조하는
    실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화방지제는,
    0.05 내지 0.1mm의 두께 범위로 도포되는
    실리콘 파우더를 이용한 가규제, 탈산 및 탈황제 제조 방법.

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