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KR101135532B1 - 친환경 전기로 충진재 및 그 제조방법 - Google Patents

친환경 전기로 충진재 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101135532B1
KR101135532B1 KR20090047592A KR20090047592A KR101135532B1 KR 101135532 B1 KR101135532 B1 KR 101135532B1 KR 20090047592 A KR20090047592 A KR 20090047592A KR 20090047592 A KR20090047592 A KR 20090047592A KR 101135532 B1 KR101135532 B1 KR 101135532B1
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Abstract

본 발명은 친환경 전기로 충진재에 관한 것으로, 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서; 상기 충진재는 니켈 제련시 발생되는 부산물 또는 폐기물을 분쇄, 선별, 혼합, 건조하여 MgO:30~40중량%, SiO2:40~60중량%로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조하며, MgO성분이 함유된 폐마그네시아 내화물, 폐마그카본, 폐마그크롬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가 혼합하여 MgO 함량을 40~60중량%로 조절하고 건조하여 제조된 친환경 전기로 충진재를 제공한다.
본 발명에 따르면, 금속 및 화학 공업의 폐기물 또는 부산물을 재활용할 수 있어 자원의 효율적인 사용이 가능하고, 폐기시 발생되는 환경오염을 방지할 수 있으며, 보다 저렴한 비용으로 충진재를 만들 수 있고, 우수한 충진 효과 및 내화도가 높아 개공율을 향상시키며, 결정수 등 유해원소의 혼입을 제거함으로써 보다 친환경적인 충진재를 제조할 수 있다.
충진재, 슬래그, 마그네시아, 노저 출강

Description

친환경 전기로 충진재 및 그 제조방법{ENVIRONMENTAL FRIENDLY EBT FILLER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 친환경 전기로 충진재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 하부 출강식 전기로(EBT:Eccentric Bottom Tapping)에서 사용되는 충진재로서 각종 처리공정에서 발생하는 폐기물 또는 부산물을 수거한 다음 분쇄, 선별, 건조, 혼합하여 적정 화학조성을 유지함으로써 고효율적인 충진효과를 얻을 수 있도록 개선된 친환경 전기로 충진재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기로는 전류의 열을 이용하여 강을 제조하는 로(Furnace)의 하나로서 아크(Arc) 열을 이용하여 고철 등의 스크랩을 용융시키게 되며, 용융된 용강은 출강구를 통해 래들로 배출된 후 후속공정으로 이송되게 된다.
이때, 노저 출강 방식을 사용하는 전기로(EBT)인 경우 출강구의 개공율 향상과 용강의 슬래그 조성 및 경제성 등을 고려하여 상기 출강구를 충진하는 충진재로 보통 MgO:40~90 중량%, SiO2:10~40 중량%로 조성된 감람석(OLIVINE SAND), 마그네사이트, 사문암 등을 건조, 선별하여 1~6mm의 크기로 된 입자를 사용하고 있다.
그런데, 충진재로 사용되는 대부분의 원료광물은 자연상태에서 채취된 천연광물로서, 채광, 가공, 운송에 따른 환경오염이 심각하고, 천연광물의 특성상 제강조건에 따른 화학조성의 변화가 불가능하며, 결정수의 내재로 인하여 용강의 수소 취성을 초래하는 하나의 요인이 되고 있고, 또한 침상구조에 따른 석면(ASBESOTOS)의 인체 유해함이 우려되고 있다.
뿐만 아니라, 내화도가 낮아 입자 간의 용융, 소결 현상에 의한 개공율의 저하가 발생되고 있다.
한편, 니켈 광물의 제련시 발생되는 니켈 슬래그는 단순 매립되거나 혹은 폐기물로 폐기처리되고 있으며, 또한 제철, 제강 및 각종 산업분야에서 내화물, 스탬핑제 등으로 다양하게 활용되고 있는 마그네시아계 내화물들도 수명을 마친 후 거의 대부분 폐기물로서 폐기처리되고 있어 폐기처리에 따른 비용상승은 물론 폐기 불량시 제2의 환경오염을 초래하는 원인이 되기도 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 폐기처리되고 있는 니켈 슬래그나 마그네시아계 내화물 또는 부산물 등을 재활용하여 제강조업 환경에 따라 MgO, SiO2 등의 성분을 조정하고, 내화도가 높은 재료를 선택하여 개공율을 향상시키며, 결정수 등 유해원소의 혼입을 제거하고, 자원재활용을 통한 환경오염 방지 및 효율적이며 저렴한 전기로 충진재를 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.
본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서, 상기 충진재는 니켈 제련시 발생되는 부산물 또는 폐기물을 분쇄하고, 니켈 또는 철성분을 분리하여 MgO:30~40중량%, SiO2:40~60중량% 및 기타 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 건조하여 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재를 제공한다.
상기 친환경 전기로 충진재에는 상기 충진재는 니켈 제련시 발생되는 슬래그에 추가적으로 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 폐마그네시아 내화물, 폐마그카본, 폐마그크롬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 MgO 함량을 40~60중량%로 조절하여 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재를 제공한다.
또한, 본 발명은 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서, 상기 충진재는 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 마그네시아 내화물을 분쇄, 선별, 혼합, 건조하여 MgO:85~90중량%, Al2O3:3~15중량% 및 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명은 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서, 상기 충진재는 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 마그카본 내화물을 분쇄, 건조하여 MgO:50~80중량%, C:10~20중량% 및 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재를 제공한다.
삭제
또 다른 특징으로는, 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서, 니켈 제련시 발생되는 슬래그 부산물을 1~8mm의 크기로 분쇄하는 분쇄단계; 니켈 또는 철성분을 분리해내는 선별단계; 수분을 제거하는 건조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 선별단계와 건조단계의 사이에, MgO성분이 함유된 첨가물을 추가 혼합하여 MgO 함량을 40~60중량%로 조절하여 제조하는 혼합단계를 더 포함하고,
상기 MgO성분이 함유된 첨가물은, 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 폐마그네시아 내화물, 폐마그카본, 폐마그크롬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것임을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 금속 및 화학 공업의 폐기물 또는 부산물을 재활용할 수 있어 자원의 효율적인 사용이 가능하고, 폐기시 발생되는 환경오염을 방지할 수 있으며, 보다 저렴한 비용으로 충진재를 만들 수 있고, 우수한 충진 효과 및 내화도가 높아 개공율을 향상시키며, 결정수 등 유해원소의 혼입을 제거함으로써 보다 친환경적인 충진재를 제조할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 충진재는 노저 출강방식의 전기로, 즉 EBT 전기로에 사용되는 충진재로서, 니켈 제련시 발생되는 부산물 또는 폐기물을 분쇄, 선별, 혼합, 건조하여 MgO:30~40중량%, SiO2:40~60중량% 및 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된다.
이때, 산화마그네슘(magnesium oxide:MgO)은 마그네슘과 산소의 화합물로서, 공기 중에서 물 및 이산화탄소를 흡수하며 내화재료?촉매?흡착제?제산제 등으로 사용된다.
특히, 내화도가 뛰어나기 때문에 출강구를 밀폐하는 충진재로 사용될 수 있으며, 물에는 약간 녹아 알칼리성을 보이지만, 산?암모니아수에는 쉽게 녹는다. 그리고, 공기 중에서는 물 및 이산화탄소를 흡수하여 서서히 하이드록시탄산마그네슘이 된다.
그리고, 이산화규소(silicon dioxide:SiO2)는 규소와 산소의 화합물로서, 규산무수물이라고도 한다. 일반적으로 실리카라고 하는데, 이것은 천연으로 존재하는 각종 규산염 속의 성분으로서의 이산화규산을 말한다.
이러한 이산화규소는 환원제?탈산제?합금 첨가원소로서 금속재료 부문에서 대량으로 사용되며, 특히 내화도가 뛰어나 상기 산화마그네슘과 함께 내화재료로 많이 사용된다.
이와 같이, MgO-SiO2 함유 광물은 파쇄(분쇄) 후 미분 발생이 적고, 전 세계적으로 풍부하게 분포되어 있기에 전기로의 출강구 충진재로 많이 사용되고 있다.
그러나, 종래 기술에서 언급하였듯이, 이들은 대부분 천연광물이기 때문에 수급상, 취급상, 재활용상 많은 불편은 물론 비용 및 환경오염의 문제 등이 내재되어 있기 때문에 이와 동등 이상의 특성을 갖는 대체 물질의 개발이 요구되었으며, 본 발명은 그 일환으로 연구 완성된 것으로, 동등 이상의 특성은 물론 재활용성과 환경오염의 문제까지를 일거에 해소토록 한 것이다.
이때, 본 발명 충진재가 상기와 같은 조성비로 한정되어야 하는 이유는, MgO는 30중량% 미만이면 결합력이 저하되어 강도가 저하되고, 그 성질이 염기성이기 때문에 상한값에 대한 제한은 크게 없으나 니켈 제련시 발생되는 슬래그 부산물에는 MgO함량이 작기 때문에 MgO함량을 증가시키기 위해서는 MgO가 포함된 첨가물질을 혼합하여 하므로 추가비용이 발생하기에, 니켈 제련시 발생되는 슬래그 부산물을 이용하는 경우에는 MgO의 상한값을 40중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
또한, SiO2가 60중량%를 초과하게 되면 충진재의 성질이 산성화되므로 이를 방지하기 위해 상기 범위로 한정되어야 하며, 40중량% 미만으로 첨가되게 되면 충진성이 떨어져 개공율을 저하시키므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.
특히, 상기 SiO2가 최대 60중량% 까지 첨가될 경우 약산성이 될 수 있으나, 제조시 물과 혼합되어야 하므로 물에 의한 희석을 고려하여 최대로 첨가되더라도 중성에 가깝게 유지할 수 있기 때문에 상기 범위로 상한치를 제한함이 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 충진재의 입도에 있어서도 1mm 미만이 되면 입자간 소결 또는 일부 용융될 우려가 높고 이에 따라 밀도가 증가하여 충진 효과는 좋아지나 개공율이 떨어지며, 이와 반대로 8mm를 초과하게 되면 개공율은 향상되나 충진 효과가 급격히 떨어져 용강의 누출 사고를 초래할 수 있으므로 상기 범위로 한정함이 특히 바람직하다.
그 제조방법으로는 니켈 제련시 발생되는 슬래그 부산물을 1~8mm의 크기로 분쇄하는 분쇄단계; 니켈 또는 철성분을 분리해내는 선별단계; 수분을 제거하는 건조단계를 포함한다.
또한, 상기 선별단계와 건조단계의 사이에, MgO성분이 함유된 첨가물을 추가 혼합하여 MgO 함량을 40~60중량%로 조절하여 제조하는 단계를 더 포함한다.
상기 MgO성분이 함유된 첨가물은, 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 폐마그네시아 내화물, 폐마그카본, 폐마그크롬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것이다.
다른 예로, 본 발명에 따른 충진재는 제선, 제강 등 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 폐마그네시아 내화물을 분쇄, 선별, 혼합, 건조하여 MgO:85~90중량%, Al2O3:3~15중량% 및 기타 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된다.
이때, 산화알루미늄(aluminum oxide:Al2O3)은 알루미늄과 산소의 화합물로서 공업적으로는 알루미나로 통칭되며, 결정화 되었을 때는 굳기가 매우 강해 인조보석이나 연마제, 특히 부식에 강해 내화재로 안성맞춤이다.
여기에서, Al2O3를 상기와 같은 조성범위로 한정하는 이유는 Al2O3도 MgO와 마찬가지로 염기성 산화물로서 첨가량이 많아도 문제는 없으나 15중량%를 초과하게 되면 용융온도가 급격히 상승되어 결정화시키기 어렵고, 3중량% 미만으로 첨가되게 되면 충진재의 강도가 떨어지므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.
또한, MgO는 염기성이기 때문에 상한값에 대한 제한은 크게 없으나 폐마그네시아 내화물에는 MgO함량이 크기 때문에 MgO함량을 감소시키기 위해서는 추가비용이 발생하기에, MgO의 함량을 85~90중량%로 한정하는 것이 바람직하다. 즉, MgO의 함량을 85중량% 미만으로 낮추려면 SiO2등 다른 성분의 조성물을 추가하여야 하고, 90중량% 초과하여 높이려면 MgO를 추가로 혼합하여야 하는 바, 추가 비용이 소요된다.
또 다른 예로, 본 발명에 따른 충진재는 제선, 제강 등 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 마그카본 내화물을 분쇄, 건조하여 MgO:50~80중량%, C:10~20중량% 및 기타 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된다.
이때, 탄소는 생체분자의 기본물질 중 하나로서, 수소, 산소 또는 질소 등과 공유결합을 안정적으로 쉽게 형성할 수 있으며, 단일결합, 이중결합, 삼중결합이 가능하고 사슬형과 고리형의 구조도 형성할 수 있다. 이러한 탄소의 특성은 다양한 공유결합 배열을 가능하게 하므로 수백만 종의 물질을 만들 수 있다는 것이다.
C함량의 경우 10중량% 미만으로 낮추면 MgO의 안정화 효과가 떨어지고, 20중량%을 초과하면 탄소의 결집화 현상에 의해 국부적 취약부가 발생한다.
또한, MgO는 염기성이기 때문에 상한값에 대한 제한은 크게 없고, MgO함량이 상기 범위로 분포하고 있기에, MgO의 함량을 50중량% 미만으로 낮추려면 SiO2등 다른 성분의 조성물을 추가하여야 하고, 80중량% 초과하여 높이려면 MgO를 추가로 혼합하여야 하는 바, 추가 비용이 소요된다.
또 다른 예로, 본 발명에 따른 충진재는 제선, 제강 등 제철소를 비롯한 각종 산업현장에서 내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 마그크롬 내화물을 분쇄, 건조하여 MgO:55~65중량%, Al2O3:10~15중량%, Cr2O3:10~15중량% 및 기타 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된다.
이때, 산화크로뮴(chromium oxide: Cr2O3)의 함량이 10중량% 미만이면 내침식성이 감소하고, 15중량%를 초과하면 고가의 산화크로뮴에 경제성이 나빠진다.
산화크로뮴(chromium oxide: Cr2O3)은 크로뮴의 산화물로서 산화크로뮴(Ⅲ), 산화크로뮴(Ⅵ), 산화크로뮴(Ⅱ) 따위가 있는데, 이 가운데 산화크로뮴(Ⅲ)이 가장 널리 쓰인다.
Al2O3의 경우 10중량% 미만이면 내침식성이 저하되고, 15중량%를 초과하면 용강에 Al2O3가 유입되어 불순물로 작용할 우려가 있다.
또한, MgO는 염기성이기 때문에 상한값에 대한 제한은 크게 없으나 마그크롬 내화물에는 MgO함량이 상기 범위로 분포하고 있기에, MgO의 함량을 55중량% 미만으로 낮추려면 SiO2등 다른 성분의 조성물을 추가하여야 하고, MgO함량을 65중량%를 초과하여 높이려면 MgO를 추가로 혼합하여야 하는 바, 추가 비용이 소요된다.
특히, 크로뮴 성분은 내식성을 증대시키므로 본 발명에서는 내침식성 향상을 위해 마그크롬 내화물에 함유된 상기 산화크로뮴 성분을 최대한 활용하여 기존과 동등 이상의 내화특성을 갖는 충진재를 구성토록 한 것으로, 최적의 내식성 특성을 제공할 수 있도록 다른 성분인 산화알루미늄과의 혼합비를 고려하여 상기 범위로 한정함이 바람직하다.
덧붙여, 본 발명에서는 니켈 제련시 발생되는 슬래그와 폐마그네시아계 내화물, 즉 폐마그네시아 내화물, 폐마그카본, 폐마그크롬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 MgO:30~80중량%, SiO2:20~70중량%로 조성한 후 1~8mm의 입도를 갖는 충진재를 제조할 수도 있을 것이며, 수치한정 사유는 앞서 설명한 범주 내에 포함된다.
이하, 실험예에 대하여 설명한다.
[실험예]
본 발명에 따른 충진재가 기존과 동등 이상의 내화도를 갖는지 확인하기 위하여 본 발명의 범주 내에서 시료를 제작한 후 내화도와 밀접한 관계가 있는 용융연화온도를 테스트하였다.
특히, 용융연화온도는 이 온도가 낮을 경우 입자간의 용융이 일어나 개공율이 떨어지며 출강구를 완전히 밀폐하는 경우가 발생할 수 있어 본 발명의 성분 조성비 매우 중요한 요소라 할 수 있다.
이때, 시료의 성분조성은 다음 표 1과 같고, 용융연화온도는 10회 테스트 후 평균하여 표 2에 그 결과를 나타내었다.
여기에서, 하기 표 1에 나타낸 성분조성비는 모두 중량%이다.
구분 MgO SiO2 Al2O3 C Cr2O3 불순물
니켈 제련 슬래그 30-60 40-60 - - - 잔부
폐마그네시아 85-90 - 3-15 - - 잔부
폐마그카본 50-80 - - 20 - 잔부
폐마그크롬 55-65 - 10-15 - 15 잔부
구분 용융연화온도(℃) 비고
감람석(종래예) 1720 OLIVINE SAND
니켈 제련 슬래그 1720-1750
폐마그네시아 1780-1790
폐마그카본 1830-1850
폐마그크롬 1800-1820
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 충진재를 10회 사용 후 평균해 본 결과, 내화도와 밀접한 관련이 있는 용융연화온도가 종래 충전재의 예인 감람석과 비교해 보았을 때 동등 이상의 결과를 나타내었다.
이로써, 본 발명에 따른 방식의 충진재를 통해 노저 출강 방식의 전기로에서 출강구 밀폐용 충진재로 충분히 활용할 수 있음을 확인하였으며, 이를 통해 자원의 재활용이 가능하고, 충진재의 제조비용도 낮추면서 환경오염도 막을 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (8)

  1. 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서,
    니켈 제련시 발생되는 슬래그 부산물을 1~8mm의 크기로 분쇄하는 분쇄단계;
    니켈 또는 철성분을 분리해내는 선별단계;
    MgO성분이 함유된 첨가물을 추가 혼합하여 MgO 함량을 40~60중량%로 조절하는 혼합단계; 및
    수분을 제거하는 건조단계를 포함하며,
    상기 MgO성분이 함유된 첨가물은,
    내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 폐마그네시아 내화물, 폐마그카본, 폐마그크롬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합한 것임을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서,
    니켈 제련시 발생되는 슬래그 부산물을 분쇄하고, 니켈 또는 철성분을 분리하여 MgO:30~40중량%, SiO2:40~60중량% 및 불순물로 조성한 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조하며, MgO성분이 함유된 폐마그네시아 내화물, 폐마그카본, 폐마그크롬 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가 혼합하여 MgO 함량을 40~60중량%로 조절하고 건조하여 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재.
  5. 삭제
  6. 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서,
    내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 마그네시아 내화물을 분쇄, 건조하여 MgO:85~90중량%, Al2O3:3~15중량% 및 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재.
  7. 노저 출강 방식 전기로의 출강구 밀폐용 충진재에 있어서,
    내화벽돌 혹은 스탬핑제로 사용된 후 폐기되는 마그카본 내화물을 분쇄, 건조하여 MgO:50~80중량%, C:10~20중량% 및 불순물로 조성된 다음 1~8mm의 크기를 갖도록 제조된 것을 특징으로 하는 친환경 전기로 충진재.
  8. 삭제
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