KR100507667B1 - 전기로 더스트의 재활용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국내 폐기물 처리법에 따라 특정 폐기물로 분류되어 있고, 중량%로 산화철의 농도가 60%이상, 산화아연의 농도가 20%이하를 함유하는 전기로 더스트와 산화철 환원물질인 고체탄소를 적정 배합비의 유기바인더로 혼합,조립하여 펠릿 또는 브리켓으로 성형한 다음, 스크랩 투입 호퍼를 이용하여 전기로내에 투입하는 전기로 더스트의 재활용 방법에 관한 것으로서, 유기바인더가 시멘트 또는 물유리인 것을 특징으로 하므로, 고체 탄소에 의하여 환원된 금속철이 전기로내 용강으로 바로 회수될 수 있도록 유도함으로써 별도의 환원로 없이 환원된 금속철을 얻을수 있고, 더스트 매립시 소요되는 처리비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 더스트 매립시 발생되는 지하수 오염을 사전에 방지할 수 있는 효과를 가진다.

Description

전기로 더스트의 재활용 방법{Recycling method of electric arc furnace dust}

본 발명은 국내 폐기물 처리법에 따라 특정 폐기물로 분류되어 있는 전기로 더스트를 전기로내에서 재활용하는 방법에 관한 것이고, 더 상세하게 산화철의 농도가 60%이상이고, 산화아연 및 산화납의 농도가 20%이하인 전기로 더스트에 적정 고체 탄소를 혼합하여 일정 형태로 조립한 후 전기로에 직접 투입함에 따라, 고체 탄소에 의하여 환원된 금속철이 전기로내 용강으로 바로 회수될 수 있도록 유도하므로써, 별도의 환원로 없이 환원된 금속철을 얻을수 있고, 더스트 매립시 소요되는 처리비용을 절감할 뿐만 아니라 더스트 매립시 발생되는 지하수 오염을 사전에 방지할 수 있는 전기로 더스트의 재활용 방법에 관한 것이다.

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최근에 전기로 더스트는 매립할 경우 물에 의하여 아연, 납, 카드뮴 및 6가 크롬 등이 용출되므로, 지하수 오염을 방지하기 위한 환경적인 측면과 유가 금속 성분인 금속철, 아연 및 납을 회수하기 위한 재활용 측면에서 많은 기술이 개발되어 왔다.

1991년에 개정된 국내 폐기물 관리법에 따르면, 전기로 더스트는 폴리에틸렌 포대에 담아 관리형 매립 시설에 처리하거나, 시멘트 및 합성고분자 화합물 등으로 고형화 처리를 하게 규정되어 있다. 전기로 제강공장에서 발생되는 더스트량은 통상 출강량 대비 1.7∼2.4%를 나타내고 있으며, 이에 따라 전기로 조강 생산량 증가와 함께 더스트 발생량도 급격하게 증가하게 된다. 그러나 전기로 공장을 보유하고 있는 각사마다 관리형 매립 시설은 보유하고 있더라도 그 활용할 수 있는 시설은 한정되어 있고, 대부분 폐기물 전문업체에 위탁 처리하고 있다.

따라서 전기로 더스트 처리 기술 개발은 환경 오염을 방지하고, 자원을 재활용하는 측면에서 매우 중요하다.

일반적으로 전기로 제강공장에서 발생되는 더스트는 35~55%T.Fe, 5~35%Zn, 1~5%Pb등이 함유되어 있기 때문에 이러한 유가 금속을 회수하기 위한 기술이 국내외적으로 개발되어 많은 특허가 공개되어 있다.

지금까지 전기로 더스트의 처리방법은

첫째, 직접환원하는 방법으로 로타리 킬른이나 용융 환원로에서 전기로 더스트와 환원제로서 탄소원을 혼합하여 유가금속인 아연과 납을 회수하고, Fe₂O₃를 FeO로 환원하기 위한 것으로 대한민국 특허출원 1989-004563호로 출원되어 있고, 미국 특허 US 4396424, US 4595574, US 5849063 및 US 5855645호 등이 등록되어 있다.

둘째, 전기로 더스트를 고형화하기 위한 것으로 대한민국 특허출원 1998-000341호로 출원되어 있고, 독일 특허 DE3878691호, 미국 특허 US 5245122와 US 6053857호가 등록 되어 있다.

셋째, 전기로 더스트를 노내에 직접 취입하기 위한 방법으로 미국 특허 US 5493580호가 등록되어 있다. 그 외 습식처리 방법으로 US5336297호, 더스트를 자원화하기 위한 재활용 방법으로 US5672146, US5922261, US5278111호등이 등록 되었으나, 더스트를 재활용하는 기술은 공업적으로 소수만 이루어져 있는 실정이다.

상기와 같은 여러가지 더스트 처리 방법중 직접 환원 기술은 더스트를 처리하기 위한 별도의 반응로를 구비해야 하고, 이러한 반응로를 이용하여 아연과 납과 같은 유가금속을 회수하기 위해서는 산화아연과 산화납의 농도가 최소 20~25% 이상이 되어야 경제적으로 채산성이 맞는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 전기로 더스트의 산화아연 및 산화납의 농도가 20% 미만인 경우, 직접 환원법을 적용할 수 없는 문제점을 안고 있다.

특히, 철원으로서 용선, 냉선, 환원철 및 열연(냉연)코일과 같은 스크랩을 사용하여 슬라브를 생산하는 미니밀 공정에서 발생되는 전기로 더스트는 철근이나 빌렛트를 생산하는 전기로 메이커의 전기로공장에 비하여 산화아연 및 산화 납의 농도가 낮은 수준을 나타내기 때문에 상기 미니밀 공정에서 발생되는 더스트를 직접 환원법으로 처리할 수 없는 문제점을 안고 있다.

한편, 전기로 더스트를 직접 노내 취입하는 종래 기술은 더스트의 위탁처리 비용을 감소시키고, 한편으로는 더스트를 노내에 재활용함으로써 산화아연 및 산화납의 농도를 농화시킨후 직접 환원방법으로 더스트를 재활용할 수 있는 장점이 있는 반면, 이러한 처리방법은 노내 취입중 더스트가 슬래그와 반응하지 못하고 대부분 노외로 방출됨에 따라 작업 환경과 환경공해에 심각한 악영향을 미치게 되는 문제점을 안고 있다. 그리고 습식처리 등은 공정에서 발생되는 폐수 및 슬러지류의 중금속 성분으로 2차 공해가 유발되는 문제점을 안고 있다.

본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하기 위하여 미니밀 공정에서 발생되는 전기로 더스트를 재활용하기 위하여, 산화철의 농도가 60%이상이고, 산화아연 및 산화납의 농도가 20%이하인 전기로 더스트를 결합제의 첨가하에서 조립,성형한 다음 전기로에 직접 투입할 수 있도록 하는 전기로 더스트의 재활용 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 미니밀 공정에서 발생되는 전기로 더스트의 재활용 방법에 있어서,

중량%로, 산화철의 농도가 60% 이상, 산화아연의 농도가 20% 이하를 함유하는 전기로 더스트와 산화철 환원물질인 고체탄소를 적정 배합비의 유기바인더로 혼합,조립하여 펠릿 또는 브리켓으로 성형한 다음, 스크랩 투입 호퍼를 이용하여 전기로내에 투입하여 상기 전기로 더스트중의 철분이 100% 정도 회수되는 것을 특징으로 하는 전기로 더스트의 재활용 방법을 제공한다.

또한, 상기 유기바인더로써 시멘트 또는 물유리를 사용하되, 시멘트는 8%를 배합하고, 물유리는 수용액의 점도가 0.32포이즈 이상이 되는 수용액을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 성형품은 철분 회수율이 100%이상 만족하도록 전기로 더스트는 70∼75%, 시멘트 배합비는 8%, 농도가 80%이상인 고체탄소는 15∼22%로 배합된 성형품을 사용하거나, 전기로 더스트는 70∼81%, 액상결합제인 물유리가 4∼7%, 고체탄소는 14∼25%로 배합된 성형품을 사용하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

본 발명은 전기로 조업중의 투입 호퍼를 이용하여 노내 투입하기 위하여 전기로 더스트와 산화철 환원물질을 결합제인 유기 바인더로 혼합하여 펠릿이나 브리켓으로 조립, 성형하였다. 산화철 환원물질로써는 일관 제철소에서 용이하게 구할 수 있고, 가격이 싸며, 산화철의 금속화율을 높일 수 있는 고체 탄소분인 코크스 부산물과 흑연 분말을 사용하였다. 여기서 고체 탄소는 식(1)과 같이 산화철과 직접반응하여 금속철을 얻을 수 있고, 식(2)와 같은 간접환원으로도 금속철을 얻을수 있기 때문에 용강으로 회수되는 철분의 실수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 조업측면에서 장입 스크랩의 총탄소량 확보에도 기여하여 전력원단위를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Fe₂O₃(s) + 3C(g) = 2Fe(s) + 3CO (g) ……………… (1)

Fe₂O₃(s) + 3CO(g) = 2Fe(s) + 3CO₂ (g) ………………(2)

상기 결합제인 유기 바인더는 고상의 포트랜드 시멘트 또는 액상의 물유리를 사용하였고, 배합비는 펠릿의 제조 특성을 고려하여 설정하였다.

펠릿의 제조 특성은 조립성, 철분회수율, 조업에 미치는 영향을 기준으로 평가하였고, 이를 바탕으로 성형품의 배합 조성을 설정하였다.

펠릿의 제조 특성중 첫번째 중요인자로 조립성은 성형품이 실공정에서 사용될 경우 장거리의 켄베이어 벨트를 경유하여 저장호퍼에 저장되어야 하므로, 이송도중 성형품의 분화를 방지하기 위하여 압축강도를 기준으로 평가하였다. 여기서 압축강도 기준값은 전기로 각각의 설비에 따라 다소 차이가 있지만 50kgf 이상을 만족하도록 바인더의 배합비를 선정하였다.

펠릿의 압축강도를 평가하기 위하여 배합원료는 직경 60cm, 회전속도 18rpm의 디스크 펠리타이저에서 직경 15~20mm의 크기로 전동 조립하였다. 결합제로서 시멘트를 사용하는 경우에, 배합원료 중의 시멘트 첨가량을 5∼15%로 일정하게 하고 펠릿 중의 최종 수분이 약 10%가 되도록 첨가수를 살수하면서 전동 조립하였다. 한편 물유리와 같은 액상 결합제를 사용하는 경우에, 전기로 더스트와 코크스 더스트가 소정의 비율로 혼합된 배합원료에 물과 혼합한 액상결합제를 코크스의 약 10% 가 되도록 살수하면서 전동조립 하였다. 펠릿의 압축강도는, 시멘트첨가의 경우 28일 양생 후 105℃에서 2시간 건조시킨 펠릿의 강도를 측정하였고, 액상 결합제를 첨가한 경우에는 조립 후 105℃에서 2시간 건조시킨 후 강도를 측정하였다.

도 1은 시멘트의 배합비 및 액상 결합제의 점도에 따른 압축강도를 나타낸 것으로 시멘트의 경우 배합비 8% 이상에서, 액상 결합제의 경우 0.32 포이즈 이상의 점도에서 압축강도 기준값(50kgf)을 상위하고 있다. 그러나 시멘트의 경우 맥석 성분으로 구성되어 있으므로 시멘트 배합비가 증가할수록 전기로 슬래그 발생량이 증가하게 되어 전력원단위가 증가되므로 압축강도를 만족하는 최소농도만 첨가되어야 한다. 따라서 유기 바인더의 배합비는 시멘트의 경우 8%를 사용해야 하지만, 물유리의 경우 수용액의 점도가 0.32 포이즈 이상이 되도록 수용액을 제조한 후 사용해야 한다.

펠릿의 제조 특성중 두번째 검토 인자인 철분 회수율은 고온수직 관상로를 이용하여 조사하였다. 실험온도는 1600℃로써, 아르곤 분위기하에서 전해철을 300g용해한 후 관상로 상부 뚜껑을 개방하여 펠릿을 투입하였다. 펠릿 투입 후에는 대기 분위기를 유지하였고, 투입완료시간을 기준으로 경과된 시간을 유지시간으로 사용하였다. 실험 완료 후에는 시료를 액체 질소에 급냉한 후, 금속 무게를 측정하였고, 금속과 슬래그 성분을 분석하였다. 유지시간은 펠릿이 실공정에서 사용될 경우 노상 호퍼로 투입되었을 때를 가정하여 투입완료 시각과 슬래그 포밍 시각간의 차이를 사용하여 15분으로 하였다. 그리고 코크스 배합비는 30%미만으로 하였다. 철분회수율은 식(3)과 같이 성형품의 Fe량에 대한 회수된 메탈량의 비율으로 계산하였다.

철분 회수율(%) = 철분회수량*100/성형품의 Fe량 ……………… (3)

도 2는 고체탄소 배합비에 따른 철분회수율을 나타낸 것으로, 철분회수율은 코크스 배합비 18%에서 최고값을 나타내었고, 25% 배합한 것이 18%에 비하여 낮게 나타났다. 이는 실험 종료후 슬래그 성분 분석 결과, 코크스 배합비가 10%인 경우 탄소농도가 0.08%이고 , T.Fe농도가 42.54%인 것으로 미루어 산화철을 환원하기 위한 절대 탄소량이 부족한 반면, 25%에서는 T.Fe와 C 함량이 각각 27%, 19%로써 미반응된 성형품이 잔류함에 따라 철분회수율이 낮게 나타난 것으로 확인되었다. 그리고 투입된 펠릿의 철분 회수율을 100% 확보하기 위해서 코크스 배합비는 15∼22%가 되어야 함을 알 수 있다.

미니밀 전기로 제강 공정에서 최종 제품의 유황농도는 0.01%이하로 제한되어 있고, 전기로 슬래그의 탈황능은 아주 적기 때문에 전기로 종점에서 용강의 유황농도가 높으면 2차 정련에 탈황 부하는 가중된다. 이에 따라 제강공정의 물류 흐름이 불안정하게 되기 때문에, 제강 공정의 생산성을 향상시키기 위해서는 전기로 종점의 유황 농도를 0.02% 이하로 하향화 해야 한다. 따라서 본 발명에서는 펠릿중 고체 탄소의 농도에 따른 강중 유황의 거동은 25Kg급 유도용해로를 이용하여 조사하였다. 실험온도는 1640(±30)℃로써, 메탈은 미니밀 공정 시료를, 슬래그는 전기로 슬래그를 각각 15Kg, 1.5Kg을 용해한 후 펠릿을 300g 첨가하였다. 용강은 펠릿 첨가 완료시점을 기준으로 5분 간격으로 채취하여 분석하였다.

도 3은 코크스중 탄소농도에 따른 용강에서의 황의 거동을 나타낸 것이다.

도 3에서 보면, 처리시간의 경과에 따라 황의 농도는 증가하고 있고, 탄소농도가 80%인 경우 15분 이후 황의 농도는 유사한 거동을 나타내고 있다. 즉 처리시간 15분을 기준으로 황의 농도는 탄소농도가 낮을수록 증가하고 있다. 이는 코크스중 탄소농도가 낮을수록 황 농도가 증가되고, 전기로 슬래그의 탈황능이 미미한 수준임을 알 수 있는데, 본 발명에서 코크스중 탄소 농도는 80%이상 함유되어 있어야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 산화철의 농도가 60%이상이고, 산화아연 및 산화납의 농도가 20%이하인 전기로 더스트에 적정 고체 탄소를 혼합하여 일정 형태로 조립한 후 전기로에 직접 투입함에 따라, 고체 탄소에 의하여 환원된 금속철이 전기로내 용강으로 바로 회수될 수 있도록 유도하므로써, 별도의 환원로 없이 환원된 금속철을 얻을수 있고, 더스트 매립시 소요되는 처리비용을 절감할 뿐만 아니라 더스트 매립시 발생되는 지하수 오염을 사전에 방지할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 시멘트 배합비 및 액상 수용액 점도에 따른 압축강도의 거동을 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명의 고체 탄소 배합비에 따른 철분회수율의 거동을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 코크스중 탄소농도별 처리시간에 따른 유황의 거동을 나타낸 그래프.

Claims (5)

1. 삭제
2. 중량%로, 산화철의 농도 60% 이상, 산화아연의 농도 20% 이하를 함유하고, 미니밀 공정에서 발생되는 전기로 더스트를 준비하는 단계와; 상기 전기로 더스트에 산화철 환원물질과 결합제를 혼합하고 조립하여 펠릿 또는 브리켓의 성형품을 준비하는 단계와; 상기 성형품을 스크랩 투입 호퍼를 통해서 전기로에 투입하는 단계로 이루어진 전기로 더스트를 재활용하는 방법에 있어서,

   상기 산화철 환원물질은 고체탄소이고, 상기 결합제는 시멘트이며,

   상기 성형품에서 전기로 더스트, 시멘트 및 고체탄소 각각의 배합비는 70∼75%, 8% 및 15∼22%인 것을 특징으로 하는 전기로 더스트의 재활용 방법.
3. 중량%로, 산화철의 농도 60% 이상, 산화아연의 농도 20% 이하를 함유하고, 미니밀 공정에서 발생되는 전기로 더스트를 준비하는 단계와; 상기 전기로 더스트에 산화철 환원물질과 결합제를 혼합하고 조립하여 펠릿 또는 브리켓의 성형품을 준비하는 단계와; 상기 성형품을 스크랩 투입 호퍼를 통해서 전기로에 투입하는 단계로 이루어진 전기로 더스트를 재활용하는 방법에 있어서,

   상기 산화철 환원물질은 고체탄소이고, 상기 결합제는 물유리이며,

   상기 성형품에서 전기로 더스트, 물유리 및 고체탄소 각각의 배합비는 70∼81%, 4∼7% 및 14∼25%인 것을 특징으로 하는 전기로 더스트의 재활용 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 물유리는 0.32 포이즈 이상의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 전기로 더스트의 재활용 방법.
5. 삭제