KR101665467B1

KR101665467B1 - 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법

Info

Publication number: KR101665467B1
Application number: KR1020150148131A
Authority: KR
Inventors: 강호길
Original assignee: 주식회사 에너텍; 강호길
Priority date: 2015-10-23
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2035-10-23

Abstract

본 발명은 합금강, 특수강, 스테인리스 등 특수용도의 합금철 제조를 위한 것이며, 스멜팅, 전기로, 고주파유도로 등에서의 용해공정에 원료로 사용되는 합금철의 제조 방법에 관한 것으로, 금속산화물, 탈산제 등의 원료들을 적절한 배합비에 따라 혼합하고 반응기에 투입하여 산화-환원의 테르밋 반응을 유도하는 단계; 상기 반응기 내에서 산화-환원의 테르밋 반응열에 의해 발생된 합금철 용탕을 여러 개의 계단식 래들로 출탕하는 단계; 상기 계단식 래들로 출탕된 합금철 용탕을 냉각시켜 고형화 시키는 단계; 상기 고형화된 합금철을 금속과 슬래그로 분리시키는 단계를 포함하는 것을 기술구성상 특징으로 하며, 이러한 본 발명의 제법에 따르면 합금철 제조에 있어 기존 대비 공정간소화가 가능하고, 취급이 용이하여 작업자들에게는 보다 안전한 작업 환경이 제공될 뿐만 아니라, 단위공정당 생산량의 증대가 가능하여 금속 수득율을 향상시킬 수 있는 작용효과가 기대된다.

Description

산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법{Fabrication Method of Ferro Alloy by Thermit Reaction of Oxidation-Reduction}

본 발명은 합금강, 특수강, 스테인리스 등을 제조하기 위한 금속 용해공정에 원료로 사용되는 다양한 합금철의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속산화물, 탈산제 등의 원료들을 적절한 배합비에 따라 혼합하고 반응용기에 투입하여 마그네슘 리본에 불꽃 점화로 산화-환원의 테르밋 반응을 유도하는 단계; 상기 반응용기 내에서 격렬한 산화-환원의 테르밋 반응 및 그 반응열에 의해 발생된 합금철 용탕을 경동방식 또는 하부 출탕구를 통하여 여러 개의 계단식으로 구성된 래들로 출탕하는 단계; 상기 계단식 래들로 출탕된 합금철 용탕을 냉각시켜 고형화 시키는 단계; 및 상기 고형화된 합금철을 자연적으로 금속과 슬래그로 분리시키는 단계;를 포함하여 구성되어, 합금철 제조공정 간소화에 따른 부재료 사용량을 절감시키고, 공정취급을 용이하게 하여 작업자들에게 안전한 작업환경을 제공할 뿐만 아니라, 단위공정별 생산량 증대에 따른 합금철의 금속 수득율을 99% 이상으로 향상시켜, 기존공정 대비 원가절감이 가능한 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법에 관한 것이다.

특수강, 합금철, 주물 제품, 도금 제품 등을 제조하기 위한 용해 방법에는 전로, 평로, 용광로(스멜터), 용선로(규우폴라), 전기로, 반사로, 도가니로 등을 사용하는 방법이 있으며, 원료 및 제품, 주물의 재질, 용해량, 처리비용 등 각각의 특성에 따라 용해방법을 선택할 수 있다. 특히 스테인리스강이나 특수강, 합금강 등은 열효율 및 공정효율 등의 세부조건에 따라 전기로(아크로)가 주로 사용되고 있으며, 10톤 미만의 소규모로서, 내열강, 고속도강 등 고급특수강 및 주물은 별도의 전기로(유도로)를 사용하여 제조되고 있다.

합금강 및 특수강은 보통강에 합금원소로 탄소 이외에 1가지 또는 그 이상의 다른 합금원소를 첨가하여 강의 특성을 개량한 것으로, 성분조절용으로 첨가하는 합금원소에는 니켈, 망간, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 브롬, 티타늄, 동 등이 있으며, 합금원소의 투입은 철 성분을 포함하는 페로니켈, 페로망간, 페로몰리브덴, 페로바나듐 등의 합금철 형태로 사용되고 있다.

합금원소에 있어 순금속을 사용하지 않고 철 성분을 포함한 이종 이상으로 이루어진 합금철로 사용하는 이유는 순금속보다 가격이 낮으며, 융점이 낮아 저온에서도 쉽게 녹고, 특히 용탕에 균일하게 분포되기 때문이다.

이 외에도 합금철은 용탕의 철의 특성을 저해시키는 산소, 황 성분을 제거하기 위한 탈산, 탈황, 탈류제로 사용되기도 하는데, FeSi, FeMn, FeSiMn이 등은 대표적인 탈산, 탈황, 탈류제 합금철이다.

성분조절용으로 첨가되는 합금철의 대부분은 테르밋 반응으로 제조되고 있으며, 일반적으로 알려진 제조공정 및 방법은 국내등록특허 제10-0539087호, 제10-0557893호에 개시하고 있는데, 이에 따르면 모래, 알루미나, 마그네시아 등의 내화재료용 분말을 반응용기에 넣고 내화물이 내재된 원통을 삽입시켜 원통 내부에서 반응을 유도시키는 것이 테르밋 공정의 합금철 생산단위인 1 Batch가 되며, 대량의 생산을 위해서는 많은 수의 반응용기, 원통, 모래 등이 필요하게 된다.

특히 테르밋 반응의 경우 순간적으로 도달하는 최고온도가 약 2,500~3,000℃까지 상승하기 때문에 냉각 시 많은 시간이 소모되며, 테르밋 반응이 종료되어 원통을 제거하더라도 반응된 합금철의 상부는 반응된 슬래그, 하부는 모래 등 열전도율이 낮은 세라믹 물질로 둘러 싸여 있으므로 냉각이 쉽지 않다.

뿐만 아니라 합금철 생산단위인 1 Batch가 완료되면, 다음 Batch를 위해서 사용된 반응용기에 반응 동안 소진된 만큼의 모래 등을 보충해야 하고, 표면을 매끄럽게 다듬어야 하는 등 반응 준비 작업이 필수적으로 이루어져야 하는데, 이때 발생하는 분진과 반응 잠열은 작업자의 작업환경을 악화시키는 요인이 된다.

또한 내화물이 내재된 원통의 경우 내화물은 테르밋 반응 동안 용탕과 접촉하여 고온으로 가열된 후 상온까지 냉각되는 과정을 반복하게 되는데, 이러한 과정을 반복할 경우 내화물은 열 충격에 의한 크랙, 마모 등의 손상이 누적되어 용탕 누출에 대한 환경적인 위험요인과, 수명이 다하여 교체주기가 짧아지는 경제적인 제조원가 상승의 문제점을 가지고 있다.

따라서 테르밋 반응으로 제조되는 합금철의 경우, 단시간에 대량생산이 가능토록 설비 및 구조 등의 여건이 마련되어야 하며, 작업자들의 공정취급이 용이한 안전한 작업환경이 제공되어야 하고, 내화물 수명향상, 부원료 사용절감 등을 통한 기존 대비 제조원가 절감이 가능한 방안이 필요하다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 내화물이 일체형으로 이루어진 반응용기를 채택함으로써, 종래에 사용되었던 모래를 담은 반응용기의 상단에 내화물로 된 원통을 세운 구조 대비 공정취급이 용이하고, 1 Batch당 생산량을 증대할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 일체형 반응용기를 연속적으로 사용함으로써, 종래에 Batch별 각기 다른 반응용기 및 원통의 사용 대비 모래보충, 모래 다듬기 등 반응 준비 작업의 생략이 가능하며, 모래분진, 반응잠열 등으로부터 작업자의 작업환경을 쾌적하게 할 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 일체형 반응용기를 연속적으로 사용함으로써, 종래에 Batch별 각기 다른 반응용기 및 원통의 사용 대비 내화물의 가열-냉각의 온도편차가 줄어듦에 따라 내화물의 수명이 향상되어 내화물 교체비용 절감에 따른 제조원가를 절감 시키도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 산화-환원의 테르밋 반응 후의 용탕을 레들에 출탕함으로써, 종래의 테르밋 반응 후 반응용기 내에서의 자연냉각 대비 모래의 열전도 방해요소가 없으므로 냉각속도가 상승하게 되어 공정시간을 단축시키도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 용탕을 계단식으로 이루어진 래들로 출탕함으로써, 종래에 냉각 후 금속과 슬래그를 물리적으로 분리하는 방법이 가져다주는 번거로움을 제거하며, 비중 차이로 계단식 래들 높이의 순서대로 물리적인 처리 없이 자연스럽게 금속과 슬래그가 분리되는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, a. 합금철을 제조하기 위한 투입원료들을 혼합하고, 반응용기에 투입하여 산화-환원의 테르밋 반응을 유도하는 단계; b. 상기 테르밋 반응으로 형성된 합금철 용탕을 경동방식 또는 하부 출탕구를 통하여 여러 개의 계단식으로 구성된 래들로 출탕하는 단계; c. 상기 계단식 래들로 출탕된 용탕을 냉각시켜 고형화 시키는 단계; d. 상기 고형화된 용탕으로부터 합금철과 슬래그로 분리시키는 단계;를 포함하여 구성되며, 상기 반응용기에는 내화재료 분말이 첨가되지 않으며, 내부에 내화물이 일체로 결합된 것을 특징으로 하는 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법을 제공한다.

상기 투입원료들을 혼합하고 일체형 반응용기에 투입하여 산화-환원의 테르밋 반응을 유도하는 단계;에서는 반응의 확산을 위해 원료를 산(山)의 형태로 적층하고 상기 형태의 최상부를 평탄화하여 반응점화하는 것임이 바람직하다.

상기 테르밋 반응으로 형성된 용탕을 경동방식 또는 하부 출탕구를 통하여 여러 개의 계단식으로 구성된 래들로 출탕하는 단계;에서는 상기 래들은 높이를 달리하여 상하로 배열되되, 최상부 계단식 래들에 출탕을 하고 용탕이 래들 용량을 초과하여 하부 래들로 순차적으로 넘쳐 흘러 주입되도록 배열되는 것임이 바람직하다.

금속과 슬래그의 비중차이에 의거하여 상단 래들에는 금속, 하단 래들에는 슬래그 성분이 각각 주로 수집되는 것이 바람직하다.

상기 출탕은 용탕의 중량을 1로 하였을 때, 분당 0.067 ~ 0.1의 중량을 출탕하는 것이 바람직하다.

상기 계단식 래들로 출탕된 합금철 용탕을 냉각시켜 고형화 시키는 단계;에서는 공냉으로 용탕의 표면을 고형화시키고, 수냉으로 마무리하는 것이 바람직하다.

반응에 따른 출탕 이후 즉시 원료를 투입하여 다시 반응시키고 출탕함으로써 테르밋 반응을 연속으로 수행할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 일체형 반응용기를 채택함으로써, 종래에 사용되었던 모래를 담은 반응용기의 상단에 내화물로 된 원통을 세운 구조와 대비하여 공정취급이 용이하고, 1 Batch당 생산량을 증대할 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 일체형 반응용기를 연속적으로 사용함으로써, 모래보충, 모래 다듬기 등의 반응 준비 작업이 생략 가능함과 동시에 모래분진, 반응잠열 등으로 인한 가혹한 환경을 배제하고 작업자의 작업환경을 보다 쾌적하게 할 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 일체형 반응용기를 연속적으로 사용함으로써, 내화물의 가열-냉각의 온도편차가 줄어듦에 따라 내화물의 수명이 향상되어 내화물 교체비용 절감에 따른 제조원가 절감이 가능하도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 용탕을 레들에 출탕함으로써, 반응용기 내부에서의 자연냉각 대비 모래에 의한 열전도 방해요소가 없으므로 냉각속도가 상승하게 되어 공정시간을 단축시키도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 본 발명은 용탕을 계단식으로 이루어진 래들로 출탕함으로써, 종래에 냉각 후 금속과 슬래그를 물리적으로 분리하는 방법이 가져다주는 번거로움을 제거하며, 비중 차이로 계단식 래들 높이의 순서대로 물리적인 처리 없이 자연스럽게 금속과 슬래그가 분리되는 작용효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정에 관한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 반응용기의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 출탕 상태를 나타내는 모식도이다.

이하, 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예에 의하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 한 예일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 당업자가 본 발명의 범위 내에서 적의 변형이 가능한 바, 이러한 변형예로 포함되는 것으로 해석되며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위의 해석에 의한다.

본 발명의 특징은 일체형 반응용기를 사용함으로써, 공정 간소화로 공정취급이 용이하고, 반응량의 증대로 수율향상 및 원가절감을 시킬 수 있다는 점과, 반응용기의 내화물의 수명을 증가 시키기 위해서 반응용기를 연속적으로 사용하며, 반응 후 용탕을 계단식 래들로 출탕시킴으로써 금속과 슬래그를 자연적으로 분리시키는 방법에 있다.

즉, 반응용기에 원통을 올려 분리형으로 반응을 하게 되면, 반응용기 내부에는 내화물이 없으므로 모래를 충진하고, 원통을 올리기 위해 지반을 다지고, 원통의 테두리 틈새로 용탕의 누출을 방지하기 위한 작업 등의 반응 준비가 필요하게 되므로 공정이 다양화된다. 특히 1 배치당 반응량이 상대적으로 적으면 수율이 저조하게 되며, 이때 수율 향상을 위해서는 고열량을 내는 고가의 탈산제 투입량을 증가시켜 반응열량을 증대시켜야 하므로 생산원가가 상승하게 되는 결과를 초래한다.

또한 반응용기의 내화물은 세라믹 재질로서 그 특성상 온도 차이에 따른 열충격으로 균열이 발생되어 내화물 수명이 민감하게 변동하는데, 테르밋 반응간 약 2,000℃ 이상으로 가열된 내화물이 상온까지 냉각된 후 다시 가열되면 내화물의 수명에 큰 영향을 미치게 되어 내화물 교체주기가 빨라지게 되고, 이에 따라 시간적, 경제적으로 손실이 발생하게 된다. 또한 반응용탕을 반응용기 내에서 냉각을 하게 되면 열전도도가 낮은 반응용기 내의 모래와 반응슬래그에 의하여 냉각에 많은 시간이 부여 되어야 하며, 특히 다량의 슬래그를 물리적인 처리를 통하여 금속과 분리해야 하는 공정이 필수적으로 수반된다.

이러한 점에 착안하여 본 발명에 의하면, 일체형 반응용기를 사용하는 것에 특징이 있으며, 특히 1 배치당 반응량을 증대 시킴으로써, 회수율을 최소 99%이상으로 향상 시키고 반응규모에 따른 반응열량의 축적으로 비교적 고열량을 발산하는 고가의 탈산제 대신 저열량을 발산하는 저렴한 탈산제의 사용량을 증가시켜 원가절감이 가능토록 하였다.

또한 일체형 반응용기를 연속적으로 사용하여, 반응용기의 내화물의 온도가 비교적 고온일 때 다시 반응에 참여하도록 함으로써 온도편차를 최소화하여 내화물의 수명을 향상시켜 추가적으로 원가절감이 가능토록 하였다.

또한 반응 후 생성된 용탕을 계단식 래들에 출탕을 함으로써 비중 차이에 따라 계단식 래들의 위치별로 금속과 슬래그가 자연적으로 분리되도록 하였다. 그 결과 냉각시간이 감소하여 단위공정 처리시간이 단축되어 공정간소화가 가능하였으며, 물리적인 처리공정에서 발생되는 각종 분진 및 잠열이 해소되어 작업자의 작업환경이 개선되었으며, 금속과 슬래그 분리공정간 물리적인 처리/충격에 의한 금속의 미분화가 최소화되어 손실을 최소화하는 방법이라는 점에서 그 특징이 인정된다.

아울러, 일체형 반응용기를 채택함으로써, 종래에 사용되었던 모래를 담은 반응용기의 상단에 내화물로 된 원통을 세운 구조와 대비하여 공정취급이 용이하고, 1 Batch당 생산량을 증대할 수 있다. 즉, 기존 batch는 금속산화물 원료기준으로 최대 취급량이 약 600kg 수준인 바, 이는 테르밋 반응 이후 고중량에 따른 공정취급(슬래그분리, 파쇄 등)상 효율이 저조하기 때문인데, 본 발명에서는 테르밋 반응 이후 계단식 래들에 틸팅하기 때문에 취급량의 제한을 받지 않고, 반응용기의 용적에 따라 생산량이 결정되므로, 기존보다 생산량이 많도록 반응용기의 용적을 결정할 수 있다.

본 발명의 공정 구성을 단계별로 구별하면 다음과 같다.

<공정예>

1. 원료혼합 및 혼합원료 투입

도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 공정의 흐름도를 나타내었다.

먼저, 각각의 원료들을 적절한 배합비로 혼합하여 일체형 반응용기에 충진한다.

테르밋 반응에 투입되는 원료들과 원료별 특징은 다음 표와 같다

테르밋 반응의 투입 원료별 특징

구분	금속산화물	탈산제	성분조절제	슬래그 유동제
형태	분말, 그래뉼	분말, 그래뉼	분말, 그래뉼	분말
대표 원료	MoO₃, NiO, Cr₂O₃, Fe₂O₃, Nb₂O₅, V₂O₅ 등	FeSi, Al, Mg 등	Fe 등	CaO, CaF₂, FeO 등
기능	금속성분 투입	산소제거	금속성분 품위조정	슬래그 유동성 향상

원료별로 입도, 비중이 각각 상이하므로 원료 부위별 편차가 발생하지 않도록 혼합기에서 충분한 혼합시간을 부여하는 것이 바람직하다.

또한 일체형 반응용기에 혼합원료를 투입하는 방법은 정해진 방법 없이 반응용기 내부에 투입만하면 가능하나 보다 효과적인 방법은 반응용기 중앙부에 고정된 상태로 투입하는데 형상은 반응 점화 시 중앙부로 빠르게 확산될 수 있도록 뫼(산, 山) 형태가 되도록 적층하며, 최상부의 점화하는 부분만 평탄화 시키는 것이 바람직하다.

여기서, 평탄화 작업을 수행하지 않으면 테르밋 초기반응이 원료적층 경사면을 타고 내려가 반응이 측면에서 진행될 수 있으므로 확산반응이 저조할 수 있다. 반면 평탄화하면 초기반응이 원료적층 중앙의 내부(하부)로 내려가, 확산반응에 매우 효과적인 상태가 된다.

도 2에서 도시된 바와 같이 반응용기는 본체(110) 부분이 외벽(111)과 내화물(113)로 구성된다. 반응용기의 수용부(120)에 수용된 용탕의 출탕은 출탕부(130)을 통해서 이루어지게 된다.

2. 점화 및 반응

적층된 혼합원료를 반응시키기 위해서는 마그네슘 리본에 불꽃으로 점화를 시켜야하며, 점화 시 원활한 확산을 위하여 착화제를 사용하는데, 착화제는 주로 고순도 알루미늄 분말과 이산화망간 분말을 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

반응은 추가적인 에너지 공급 없이 자발적으로 통상 10분 내외의 시간동안 진행되며, 폭발 반응에 따라 반응간 다량의 흄이 발생하고, 용탕 형성을 위한 다량의 반응물이 외부로 비산되므로 집진시설과 안전펜스가 구축된 반응장에서 실시하는 것이 바람직하다.

3. 용탕의 출탕

도 3에서는 출탕이 이루어지는 과정을 나타내었다.

반응이 종료되면, 상부 표면의 슬래그가 응고되기 전에 용탕을 계단식 래들로 출탕시키는데, 출탕방식은 반응용기를 자체를 경동방식으로 기울여서 용탕을 부어내는 방식 또는 반응용기 하부에 출탕구를 만들어 용탕을 빼내는 방식 모두 가능하나, 반응간 용탕 누출에 대한 안전성과 출탕구 개폐물질의 일회성에 대한 경제적인 측면을 우선으로 고려할 경우 경동방식으로 부어내는 방식이 바람직하다.

이 때, 비산으로 인한 안정성을 확보 하기 위하여 출탕 시 용탕 줄기는 지름이 약 20~50mm 수준이 되도록 반응용기의 기울임 각도와 높이를 조절 하는 것이 바람직하다.

대체로, 금속산화물 1800kg 투입기준의 용탕 총 중량은 약 3600kg이며, 10~15분간 출탕 시킬 경우 분당 출량은 약 240~360kg 정도가 된다. 이러한 분당 출량은 각 래들에 의해 금속성분이 분류될 수 있도록 하는데 필요한 양이다. 즉, 이러한 출량이 분당 너무 많게 되면 분류가 되기 전에 래들이 모두 채워질 것이며, 너무 느리게 되면 모두 출탕하기 전에 미리 응고되는 성분이 존재할 수 있으므로 바람직하지 않다. 그러므로, 위 출량의 범위는 그 임계적 의의가 있다. 여기서, 상기 용탕의 총 중량을 3600kg으로 하였으나, 그 중량은 가변적이며, 그에 따라 분당 출량은 대응되도록 변화시킬 수 있다. 계산상 용탕의 중량을 1이라고 하였을 때 그 중량 대비 0.067 ~ 0.1의 비율로 설정될 수 있다.

출탕되는 계단식 래들은 상단에서부터 내부용량을 초과시 하단으로 자연스럽게 흘러갈 수 있도록 여러 단으로 구성되어 있으며, 래들의 형상은 어떠한 형상을 취하여도 무방하나, 출탕 시 넘쳐나는 용탕이 하단의 래들로 이동함에 있어서 용탕 비산에 대한 안정성을 확보하기 위해서는 모든 래들은 반응용기와 같이 주전자 입 모양의 출탕구를 제작하는 것이 바람직하다. 또한 용탕의 응고 후 래들로부터 제품의 원활한 분리를 위해서는 역삼각형 형태와 같이 하부로 갈수록 반경이 좁도록 래들을 뒤집었을 경우 제품의 분리가 쉽도록 하는 것이 바람직하다. 또한 래들의 크기에 있어 가로, 세로, 높이(깊이)는 제한이 없으나, 냉각공정 후 제품을 적정 사이즈로 파쇄 할 경우 파쇄공정의 고효율을 위해서는 높이(깊이)를 지면에서 수직방향으로 150mm이내로 하는 것이 바람직하다.

여기서, 래들의 형상이나 크기는 특별히 제한되지 않는다.

도 3에서는 3단의 래들(141, 143, 145)을 도시하였는데, 상기 래들 각각에 수용되는 용탕은 고비중의 것이 상단 래들(141), 저비중의 것이 중단 래들(143), 슬래그 등 더 비중이 낮은 것이 하단 래들(145)에 각각 수용됨으로써 용탕이 비중에 따라서 자연스럽게 분리될 수 있으며, 이는 본 발명의 특징을 이룬다.

4. 냉각 및 분리

출탕이 종료되면 계단식 래들 내부에는 용탕이 채워져 있는데, 용탕이 액상일 경우 물에 의한 수냉법을 적용하게 되면 용탕이 폭발할 수 있으므로, 용탕이 고상화가 되기 전까지는 선풍기 등의 장치로 바람을 이용하거나 공기 중에 방치하여 냉각시키는 공냉법을 적용하는 것이 바람직하다. 공냉법 이후 용탕이 고상화가 되었을 경우 빠른 냉각으로 공정시간 단축을 위해서는 물에 의한 수냉법을 적용하는데, 물을 뿌려주거나 또는 더욱더 효과적이게 하기 위해서는 제품을 래들로부터 분리시켜 일정시간 동안 침수 시키는 것이 바람직하다.

용탕은 금속과 슬래그로 이루어져 있는데, 출탕 시 비중의 차이에 따라 비중이 낮은 슬래그가 계단식 래들에서 하단의 래들로 이동하게 되는데, 결국 자연적으로 금속과 슬래그가 계단식 래들의 위치별로 분리가 되는 즉, 계단식 래들 중 래들의 위치가 상단일수록 비중이 높은 금속이, 래들의 위치가 하단일수록 비중이 낮은 슬래그가 존재하게 된다. 특히 래들의 위치가 중간일 경우 래들 내에서 비중차이로 금속이 하부, 슬래그가 상부에 함께 존재할 수 있는데, 이러할 경우에는 충격, 진동 등의 약한 물리적인 처리를 통하여 금속과 슬래그를 분리하는 것이 바람직하다.

<실시예 1>

몰리브덴이 약 50 ~ 66 wt% 포함된 산화몰리브덴(MoO₃) 원료 약 1,800kg 을 알루미늄, 페로실리콘, 밀스케일, 철분, 형석과 같이 적정 배합비율에 따라 혼합설비로 약 20분 동안 혼합한 후, 이를 내화물로 구성된 일체형 반응용기에 투입하였다. 반응 시 확산에 의한 원활한 반응을 위하여 일체형 반응용기 내 혼합분말의 뫼(산, 山)의 형태가 되도록 투입 하였으며, 최상부 중앙의 꼭대기 부분만 평탄화하여 마그네슘 리본, 이산화망간, 고순도 알루미늄을 사용하여 점화를 실시 하였다. 반응상태는 초기에는 최상부 꼭대기에서 약한 불꽃으로 시작하여 확산반응에 의하여 점점 강한 폭발반응으로 진행되었으며, 시간은 반응이 종료되기까지 약 3~10분이 소요되었다.

반응이 종료되면 일체형 반응기 내부에 있는 용탕을 경동방식으로 계단식 래들에 출탕을 하였다. 출탕은 계단식 래들의 최상단에 하였으며, 용탕의 비산방지 등 안정성을 고려하여 출탕 줄기를 약 20~50mm로 하였다. 최상단의 래들에 출탕된 용탕은 시간이 지날수록 하단의 래들로 순서대로 넘쳐 흐르도록 하여 출탕을 완료 하였다. 용탕 중 금속과 슬래그는 비중의 차이에 따라 자연스럽게 래들의 위치별로 분리되었는데, 상부의 래들에는 금속, 하부의 래들에는 슬래그로 분리가 가능했으며, 중간 래들만 금속과 슬래그가 혼용된 상태로 존재하였으나, 냉각 이후 간단한 충격으로 분리 가능하였다. 계단식 래들에 담겨진 액상의 용탕의 표면이 고상화 될 때까지는 대형 선풍기를 이용한 공냉법을 이용하여 냉각을 하였으며, 이후 래들에서 금속을 분리 시켜 물을 뿌리고, 물속에 약 10~30분간 침수시키는 수냉법으로 냉각 속도를 빠르게 하였다.

냉각이 완료된 후 금속만 수거하여 중량, 몰리브덴 함량을 분석하였으며, 산화몰리브덴 투입량과 순수 몰리브덴량으로 각각 환산하여 회수율을 확인한 결과 97.5~97.8%로 나타났으며, 반응 동안 휘발되어 집진기에서 포집된 집진분과 슬래그 표면 일부까지 수거하여 순수 몰리브덴량으로 환산하면 전체 회수율은 99.4 ~ 99.8%로 나타났다.

<실시예 2>

니오븀이 약 69 wt% 포함된 오산화니오븀(Nb₂O₅) 1,000 kg을 알루미늄, 산화니켈, 형석과 함께 적정 배합비율에 따라 혼합설비로 약 20분 동안 혼합한 후, 이를 일체형 반응용기에 투입하였으며, 이후 순서는 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 그 결과 금속, 집진분, 일부 슬래그 표면의 순수 니오븀량으로 환산한 전체 회수율은 96.5 ~ 97%로 나타났다.

실시예 1과 2의 전체 회수율의 차이가 발생하는 이유는 몰리브덴과 니오븀의 금속성분의 산소친화력의 차이, 발생된 열량, 생성된 슬래그의 융점과 유동성 차이로 인한 메탈과 슬래그의 분리 정도가 다르기 때문이다.

<비교예1>

몰리브덴이 약 50 ~ 66 wt% 포함된 산화몰리브덴(MoO₃) 원료 약 600 kg 을 알루미늄, 페로실리콘, 밀스케일, 철분, 형석과 같이 적정 배합비율에 따라 혼합설비로 약 20분 동안 혼합한 후, 이를 모래가 채워진 표면에 원통이 세워진 분리형 반응용기에 투입하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 반응을 실시하고, 반응이 종료된 후 원통을 제거한 후 그 자체로 용탕이 고상화 될 때까지 대기 중에 방치하여 냉각하였으며, 냉각 후 많은 물리적인 충격을 통하여 금속과 슬래그를 분리하였다. 이후 실시예 1과 같이 순수 몰리브덴량으로 환산한 회수율은 금속에서 96.3 ~ 97.2%로 나타났으며, 집진분과 일부 슬래그 표면까지 포함한 전체 회수율은 98.7 ~ 99.2%로 나타났다.

요컨대, 냉각 과정에서 비교예는 모래속에 용탕이 있으므로(하부 모래, 중간 금속, 상부 슬래그로 존재) 냉각속도가 느려 시간이 많이 소요되는 반면, 실시예는 계단식 래들에 금속과 슬래그가 대기중에 분산되어 있으므로 냉각속도가 빠르다.

냉각 후 금속과 슬래그 분리에 있어서도 물리적인 충격의 유무에 따른 공정효율의 차이가 발생하여 공정처리 시간의 차이가 발생한다.

아울러, 회수율의 경우, 실시예1과 비교예1에 있어서 수치상으로 0.6~1.2% 차이라서 큰 수치는 아니지만, 수십톤, 수백톤 기준에서 제품발생량과 고가의 몰리드덴을 금액으로 환산하면 무시할 수 없는 수준이므로, 이와 같이 회수율을 제고한 본 발명은 그 특징이 충분히 인정된다.

또한, 자세히 설명되지는 않았으나, 실시예2에 대응되는 비교예 실험의 경우에도 약 92 ~ 94%의 회수율을 나타내어 실시예가 우수함을 알 수 있었다.

100 : 반응용기 110 : 본체
111 : 외벽 113 : 내화물
130 : 출탕부 140 : 래들

Claims

a. 합금철을 제조하기 위한 투입원료들을 혼합하고, 반응용기에 투입하되, 반응의 확산을 위해 원료를 산(山)의 형태로 적층하고, 상기 형태의 최상부를 평탄화하여 반응점화하여 산화-환원의 테르밋 반응을 유도하는 단계;
b. 상기 테르밋 반응으로 형성된 합금철 용탕을 경동방식 또는 하부 출탕구를 통하여 여러 개의 계단식으로 구성된 래들로 출탕하는 단계;
c. 상기 계단식 래들로 출탕된 용탕을 냉각시켜 고형화 시키는 단계;
d. 상기 고형화된 용탕으로부터 합금철과 슬래그로 분리시키는 단계;
를 포함하여 구성되며,
상기 반응용기에는 내화재료 분말이 첨가되지 않으며, 내부에 내화물이 일체로 결합된 것이며, 상기 래들은 높이를 달리하여 상하로 배열되되, 최상부 계단식 래들에 출탕을 하고 용탕이 래들 용량을 초과하여 하부 래들로 순차적으로 넘쳐 흘러 주입되도록 배열되고, 상기 출탕은 용탕의 중량을 1로 하였을 때, 분당 0.067 ~ 0.1의 중량을 출탕하는 것을 특징으로 하는 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법.
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제 1 항에 있어서,
금속과 슬래그의 비중차이에 의거하여 상단 래들에는 금속, 하단 래들에는 슬래그 성분이 각각 주로 수집되는 것을 특징으로 하는 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법.
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제 1 항에 있어서,
상기 계단식 래들로 출탕된 합금철 용탕을 냉각시켜 고형화 시키는 단계;에서는 공냉으로 용탕의 표면을 고형화시키고, 수냉으로 마무리하는 것을 특징으로 하는 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
반응에 따른 출탕 이후 즉시 원료를 투입하여 다시 반응시키고 출탕함으로써 테르밋 반응을 연속으로 수행할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 산화-환원의 테르밋 반응에 의한 합금철의 제조 방법.