[논문]테르밋 반응을 이용한 페로망간 전기로 분진의 재활용에 관한 연구

하태영; 조영민; 박영구; 김윤채

doi:10.12925/jkocs.2015.32.1.23

테르밋 반응을 이용한 페로망간 전기로 분진의 재활용에 관한 연구
Recovery of manganese compounds from electric arc furnace dust by Aluminothermy Process 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.32 no.1, 2015년, pp.23 - 30

하태영 (경희대학교 환경과학공학과) , 조영민 (경희대학교 환경과학공학과) , 박영구 (강원대학교 삼척캠퍼스 환경공학과) , 김윤채 (강원대학교 삼척캠퍼스 재료금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The properties of dust collected from electric arc furnace of ferro manganese production units was investigated, and also the metallic manganese was recovered from the dust by aluminothermy process. The ferromanganese dust collected from electric arc furnace contained about 15% of manganese oxide ($Mn_3O_4$) and 9% of carbon as the contaminant, and have a 5um of 50% median diameter and irregular particle shape. The carbon contaminant in the dust could be reduced until about 0.1~0.5% level by roasting in the air at a temperature of 600~900C for 60minutes. The recovery of manganese could not be carried out using only ferromanganese dust from electric arc furnace by aluminothermy process, but the ferromanganese which contained manganese of about 92% and iron of about 5% could be obtained from the mixture of ferromanganese dusts from electric arc furnace and converter. The best mixing condition of dust fixed at electric arc furnace dust / converter dust ratio of 1:9 and 2:8, and the mixing rato of 3:7 or more could not separated the metal and slag from the reactant after aluminothermy reaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이와 같은 단순 매립방법은 환경을 오염시킬 우려가 클 뿐만 아니라 페로망간 제조용 원료광의 망간 함유율이 50 % 전후인 점을 고려하면 분진 함유망간도 자원 재활용 측면에서 검토되어야 할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 전기로 분진의 망간 성분을 유용자원으로 활용하는 공정을 개발하고자 분진의 특성과 새로운 공정인 알루미늄 테르밋 반응에 의한 망간 회수방법을 제시하고자 한다. 특히 알루미늄을 환원제로 적용하는 테르밋 반응(Thermite Process)은 탄화수소를 연료로 사용하지 않기 때문에 생성되는 금속에 탄소성분의 불순물이 포함되지 않는 장점이 있다.
전기로 분진과 전로 분진의 혼합물의 혼합비 10:90과 20:80에 대해서 적정한 Al 분말의 투입량을 검토할 목적으로 표 7과 같은 혼합비에 대한 Al 테르밋 반응을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
전기로 분진은 전로 분진에 비해 흑연 등의 불순물이 다량 함유되어 있을 뿐만 아니라 수분을 함유하고 있어 이를 제거할 목적으로 배소실험을 행하였다. 그 방법은 50 g의 전기로 분진을 알루미나 용기에 장입하여 그 중량을 측정한 후 대기 중의 600~900 ℃의 각 온도에서 약 60 분간 가열한 다음, 상온까지 냉각하여 그 중량을 측정, 배소 전후의 중량감소를 측정하였다.

가설 설정

그러므로 전기로 분진을 Mn₃O₄이 많은 전로 분진에 혼입시켜 망간 성분을 추출하는 방안이 검토되었다. 이를 위한 전기로 분진과 전로 분진의 배합비는 표 1과 같으며, 환원제인 Al 분말의 소요량은 식 (1)에 기인하여 반응 산화물이 모두 Mn₃O₄ 분진인 것으로 가정하여 산출하였다. 실험에 사용된 전기로 분진은 800 °C에서약 60 분간 배소한 것을 사용하였다.

제안 방법

전기로 분진, 전로 분진과 Al 분말의 혼합물약 131 g을 칭량하여 상부 내경이 약 120 mm, 하부 내경 약 50 mm, 높이 160 mm인 흑연 도가니 내에 충진한 다음, 10~15 psi로 가볍게 가압하여 충진밀도를 높였다(그림 1 참조). Al 테르밋 반응의 착화를 돕기 위해 흑연 도가니 내의 충진물 상부 중앙부에 직경 약 8 mm, 깊이 약 30 mm의 hole을 만든 다음 여기에 소량의 Mg 분말과 KMnO₄ 분말을 장입한 후 두께 약 1 mm, 폭 약 5 mm, 길이 100 mm의 Mg 리본을 삽입한 다음, Mg 리본에 착화하여 Al 테르밋 반응이 진행되도록 하였다.
전기로 분진은 전로 분진에 비해 흑연 등의 불순물이 다량 함유되어 있을 뿐만 아니라 수분을 함유하고 있어 이를 제거할 목적으로 배소실험을 행하였다. 그 방법은 50 g의 전기로 분진을 알루미나 용기에 장입하여 그 중량을 측정한 후 대기 중의 600~900 ℃의 각 온도에서 약 60 분간 가열한 다음, 상온까지 냉각하여 그 중량을 측정, 배소 전후의 중량감소를 측정하였다. 또 배소에 의한 흑연 불순물의 영향을 검토하기 위하여 배소분을 탄소 원소가 함유되지 않은 산화철분(Fe₂O₃)과 혼합한 혼합물로부터 Al 테르밋 반응으로 제조한 금속을 원자흡광분광광도계(Atomic Absorption Spectrophotometer, AA-6701F, Shimadzu, Japan)에서 원소분석을 행하였다.
그 방법은 50 g의 전기로 분진을 알루미나 용기에 장입하여 그 중량을 측정한 후 대기 중의 600~900 ℃의 각 온도에서 약 60 분간 가열한 다음, 상온까지 냉각하여 그 중량을 측정, 배소 전후의 중량감소를 측정하였다. 또 배소에 의한 흑연 불순물의 영향을 검토하기 위하여 배소분을 탄소 원소가 함유되지 않은 산화철분(Fe₂O₃)과 혼합한 혼합물로부터 Al 테르밋 반응으로 제조한 금속을 원자흡광분광광도계(Atomic Absorption Spectrophotometer, AA-6701F, Shimadzu, Japan)에서 원소분석을 행하였다.
페로망간 분진의 특성과 그 회수 방안을 검토하기 위해 본 실험에서 사용된 시료는 인근 페로망간 제조공장의 전기로(electric furnace)와 전로(converter)에서 발생하는 분진을 그대로 즉 형상과 입도를 가공하지 않은 것을 사용하였다. 먼저 각 분진의 화학성분을 검토하기 위해 X선 형광분석기（XRF，ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용한 원소 분석과 X선 회절분석기 (XRD，D/Max-2500V, Rigaku, Japan)에 의한 산화물의 정량분석을 행하였다. 시료분진의 입도분포는 레이저 입도분석기인 Malvern Mastersizer(MasterE, Malvern, UK)를 이용하였으며, 분진의 입자형상 검토에 SEM(JSM-6300, JEOL Oxford, Japan)이 이용되었다.
시료분진의 입도분포는 레이저 입도분석기인 Malvern Mastersizer(MasterE, Malvern, UK)를 이용하였으며, 분진의 입자형상 검토에 SEM(JSM-6300, JEOL Oxford, Japan)이 이용되었다. 이와 같은 방법으로 조사된 전기로 분진의 특성은 전로 분진의 그것에 비교, 검토되었다.
전기로 분진, 전로 분진과 Al 분말의 혼합물약 131 g을 칭량하여 상부 내경이 약 120 mm, 하부 내경 약 50 mm, 높이 160 mm인 흑연 도가니 내에 충진한 다음, 10~15 psi로 가볍게 가압하여 충진밀도를 높였다(그림 1 참조). Al 테르밋 반응의 착화를 돕기 위해 흑연 도가니 내의 충진물 상부 중앙부에 직경 약 8 mm, 깊이 약 30 mm의 hole을 만든 다음 여기에 소량의 Mg 분말과 KMnO₄ 분말을 장입한 후 두께 약 1 mm, 폭 약 5 mm, 길이 100 mm의 Mg 리본을 삽입한 다음, Mg 리본에 착화하여 Al 테르밋 반응이 진행되도록 하였다.
전기로 분진은 Table 2에서와 같이 Mn3O4 외의 불순물과 수화물 등을 함유하고 있기 때문에 이들을 제거하여 테르밋 반응을 향상시킬 목적으로 전기로 분진을 대기 중에서 600~900 °C의 온도범위를 조성하고, 각 온도에서 약 60 분간 가열하는 배소실험을 행하였다.
전기로 분진의 배소에 의한 탈탄 효과를 확인하기 위해서, 600~900 °C의 각 온도에서 약 60 분간 배소한 전기로 분진과 탄소 성분을 함유하지 않은 산화철 분말(Fe2O3)을 중량비로 각 50%씩 배합한 혼합물을 Al 테르밋 반응으로 페로망간을 합성하여 원소분석을 실시한 결과를 Table 4에 정리하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 전기로 분진은 800 °C에서약 60 분간 배소한 것을 사용하였다.
Table 1에 표시한 전기로 분진과 전로 분진의 배합비가 되도록 각 분진을 칭량한 후 이들의 분진과 약 31g의 Al 분말을 함께 3차원 혼합기인 원통형 shaker mixer에 주입하여 10 분이상 충분히 혼합한 후, Al 테르밋 반응물로 사용하였다. 테르밋 반응의 환원제로 사용된 Al 분말은 순도 99.8 %이상의 것으로, 테르밋 반응시의 환원력을증대시키고 착화를 용이하게 할 목적으로 원분을 200 mesh 이하로 분급하여 사용하였다[2].
페로망간 분진의 특성과 그 회수 방안을 검토하기 위해 본 실험에서 사용된 시료는 인근 페로망간 제조공장의 전기로(electric furnace)와 전로(converter)에서 발생하는 분진을 그대로 즉 형상과 입도를 가공하지 않은 것을 사용하였다. 먼저 각 분진의 화학성분을 검토하기 위해 X선 형광분석기（XRF，ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용한 원소 분석과 X선 회절분석기 (XRD，D/Max-2500V, Rigaku, Japan)에 의한 산화물의 정량분석을 행하였다.

이론/모형

먼저 각 분진의 화학성분을 검토하기 위해 X선 형광분석기（XRF，ZSX-100e, Rigaku, Japan)를 이용한 원소 분석과 X선 회절분석기 (XRD，D/Max-2500V, Rigaku, Japan)에 의한 산화물의 정량분석을 행하였다. 시료분진의 입도분포는 레이저 입도분석기인 Malvern Mastersizer(MasterE, Malvern, UK)를 이용하였으며, 분진의 입자형상 검토에 SEM(JSM-6300, JEOL Oxford, Japan)이 이용되었다. 이와 같은 방법으로 조사된 전기로 분진의 특성은 전로 분진의 그것에 비교, 검토되었다.
전기로 분진에 함유된 Mn 성분을 금속망간으로 회수하는 방법은 이전의 전로 분진으로부터 망간을 회수하는 방법과 동일하게 알루미늄 테르밋법(Aluminothermy Process)을 적용하였다[1]. 즉 분진 중의 망간산화물을 알루미늄 분말의 산화반응에 의해 탈산시킬 뿐만 아니라 그 반응열에 의해 생성물이 액상이 되어 금속망간과 슬래그가 그 비중차로 분리되기 때문에 반응식 (1)과 같은 경로를 통하여 금속망간을 추출할 수 있게 된다.

성능/효과

1) 페로망간의 전기로 분진은 Mn₃O₄가 약 15 % 함유된 50 % 누적경이 약 5 um인 불규칙 형상분으로 구성되어 있었다.
2) 페로망간 전기로 분진만으로는 Al 테르밋반응을 기대할 수 없었으나, 전기로 분진을 전로 분진에 혼합한 혼합물은 양호한 순도의 페로망간 금속을 회수할 수 있었다.
3) 전기로 분진과 전로 분진의 혼합비 10:90과 20:80의 혼합물에 환원제로 Al분말을 약 24% 혼입한 것은 테르밋 반응으로 Mn 함유율이 약 90 % 이상인 고순도의 페로망간을 얻을 수 있었다.
이러한 결과는 환원제로 과량의 Al분말 혼입은 테르밋 반응에 소요 여분의 Al이 금속망간에 혼입된 것으로 사료 된다. 그러므로 전기로 분진을 전로 분진에 10:90 혹은 20:80비로 혼합한 혼합물에 환원제로 Al 분말을 24 % 전후로 혼합시켜 테르밋 반응을 일으키면 Mn 함유율이 90 % 이상인 고순도의 금속망간을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
9 g이었으나, 이는 반응 시 비산에 기인한 것으로 생각된다. 이에 비해 전기로 분진을 전로 분진에 혼합한 혼합물은 그 혼합비 50:50까지 착화 및 테르밋 반응의 결과물을 얻을 수 있었다. 그러나 혼합비가 10:90과 20:80일 경우만 페로망간 금속을 얻을 수 있었으며, 그 이상의 혼합비에서는 금속과 슬래그의 분리가 불가능하여 페로망간 금속을 얻을 수 없었다.
9 % 포함되어 있으면서 주요 불순물로 작용한다. 즉 고철이 투입되는 전기로분진은 용선을 비롯한 철스크랩이 취급되는 전로분진에 비해 망간 함량이 적고, 칼륨과 아연 등의 불순물 함량이 많았다.
5 % 범위임을 알 수 있다. 최대 Mn 함유율은 환원제인 Al분말 첨가량 30 g(23.1%)에서 90 % 이상을, 그 이상에서는 83 % 이상으로 오히려 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 환원제로 과량의 Al분말 혼입은 테르밋 반응에 소요 여분의 Al이 금속망간에 혼입된 것으로 사료 된다.

후속연구

한편 전기로에서 발생하는 고탄소 페로망간 분진은 망간 함유량이 10~30 %로 전로에서 발생한 것에 비해 낮을 뿐만 아니라 칼륨을 비롯한 다양한 유해 불순물이 존재하기 때문에 무해화 처리 후 매립하고 있는 현황이다. 그러나 이와 같은 단순 매립방법은 환경을 오염시킬 우려가 클 뿐만 아니라 페로망간 제조용 원료광의 망간 함유율이 50 % 전후인 점을 고려하면 분진 함유망간도 자원 재활용 측면에서 검토되어야 할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 전기로 분진의 망간 성분을 유용자원으로 활용하는 공정을 개발하고자 분진의 특성과 새로운 공정인 알루미늄 테르밋 반응에 의한 망간 회수방법을 제시하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고탄소 페로망간 제조공정 중의 전기로에서 분진은 얼마나 발생하는가?	고탄소 페로망간 제조공정 중의 전기로에서는 제품의 약 1 % 분진이, 또 중탄소 페로망간은 전로에서 제품의 5~10 % 분진이 각각 발생한다[1]. 특히 전로에서 발생하는 분진은 망간 함유량이 높기 때문에 이를 입상화하여 페로망간 제조공정에 재투입하여 망간이 회수되고 있을 뿐만 아니라 효율적인 망간 회수 방법이 제안되어왔다[2-5].
	무해화 처리 후 매립의 문제점은 무엇이고, 어떤 측면에서 검토되어야 하는가?	한편 전기로에서 발생하는 고탄소 페로망간 분진은 망간 함유량이 10~30 %로 전로에서 발생한 것에 비해 낮을 뿐만 아니라 칼륨을 비롯한 다양한 유해 불순물이 존재하기 때문에 무해화 처리 후 매립하고 있는 현황이다. 그러나 이와 같은 단순 매립방법은 환경을 오염시킬 우려가 클 뿐만 아니라 페로망간 제조용 원료광의 망간 함유율이 50 % 전후인 점을 고려하면 분진 함유망간도 자원 재활용 측면에서 검토되어야 할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 전기로 분진의 망간 성분을 유용자원으로 활용하는 공정을 개발하고자 분진의 특성과 새로운 공정인 알루미늄 테르밋 반응에 의한 망간 회수방법을 제시하고자 한다.
	전기로에서 발생하는 고탄소 페로망간 분진을 무해화 처리 후 매립하는 이유는 무엇인가?	한편 전기로에서 발생하는 고탄소 페로망간 분진은 망간 함유량이 10~30 %로 전로에서 발생한 것에 비해 낮을 뿐만 아니라 칼륨을 비롯한 다양한 유해 불순물이 존재하기 때문에 무해화 처리 후 매립하고 있는 현황이다. 그러나 이와 같은 단순 매립방법은 환경을 오염시킬 우려가 클 뿐만 아니라 페로망간 제조용 원료광의 망간 함유율이 50 % 전후인 점을 고려하면 분진 함유망간도 자원 재활용 측면에서 검토되어야 할 것으로 사료된다.

참고문헌 (9)

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Y. C. Kim, Y. J. Song, Y. K. Park : A study on making of high-purity ferromanganese from Mn3O4 waste dust, J. of Korean Oil Chemists' Soc., 28(2), 2011.
Y. C. Kim, Y. J. Song, Y. K. Park : Recycling of ferromanganese furnace dust collected from converter, J. of Korean Inst. of Resource Recycling, 21(3), 2012.
Y. C. Kim, Y. J. Song, Y. K. Park : The properties of aluminium alloy powder aluminothermy process with Mn3O4 waste dust, J. of Korean Oil Chemists' Soc., 30(1), 2013
Y. C. Kim, Y. J. Song, Y. K. Park : A study on making of high-purity ferromanganese from Mn3O4 waste dust, J. of Korean Oil Chemists' Soc., 28(2), 2011.
W. H. Cuberly et al. : Production of Aluminium Powder, Metals Handbook 9th ; Powder Metallurgy Vol. 7, p 129, ASM Materials Park, Ohio, USA(1984).
Terence Allen : Particle size measurement 3rd, 126, Chapman and Hall (1991).
L. B. Pankratz, : Thermodynamic Properties of Elements and Oxides, United States Department of the Interior Bureau of Mines, pp42, 235, 388.(1976)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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