산업폐기물의 처리 및 활용을 위한 아크로의 적용

최정윤, 김동수, 반봉찬*

이화여자대학교 환경공학과, 순천대학교 재료 금속공학과*

Application of Arc Furnace Melting for the Treatment

and Reuse of Industrial Wastes

Jung-Yoon Choi, Dong-Su Kim, Bong-Chan Ban*

Department of Environmental Science & Engineering, Ewha Womans University

Department of Materials Science & Metallurgical Engineering, Sunchon National University*

Introduction

1990년대 초 제강공정에 보급된 직류아크로는 그 특성상 극성을 띄게 되므로 극성에 따른 물질의 분류가 가능할 뿐만 아니라 기존의 삼상교류 아크로에 비해 여러 가지 장점을 지니고 있다. 즉, 탄소전극의 소모량, 회로의 반작용, 소음 및 전기 에너지 소비정도가 기존 전극에 비해 작아질 뿐만 아니라 산업폐기물 내에서 전해 및 전기영동현상을 관찰할 수 있다. 따라서, 직류아크로는 철광석의 제련, 슬래그의 정련 및 제강, 스테인레스 성분으로부터 여러 가지 유가금속 회수 등에 효율적으로 사용되어지고 있다. 일반적으로 산업폐기물로 발생되는 슬래그, 고철 및 스테인레스강 분진 등은 현재 대부분 매립되고 있으나, 전기아크로를 이용하면 불순물의 제거 및 유가금속의 회수가 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 전기아크로를 이용하여 산업폐기물을 처리하는 경우, 아크로 내에서 용융 환원되는 분진내의 불순물의 거동 및 유가 금속의 환원율을 각 산업폐기물에 따라 여러 가지 관점으로 관찰하고자 한다.

Experimental

1. 실험설비

본 실험에서 사용한 직류 및 교류 아크로는 60kVA용량을 가지고 있으며 전체 시스템은 Fig. 1과 같다. 노벽에 사용된 내화물은 Al2O3를 기저로 하는 캐스터블형을 사용하였고, 전극 높이 조정과 노의 출탕은 유압으로 조절하였다. 노에서 배출되는 가스의 온도를 낮추기 위해 긴관과 급속냉각을 위한 스크러버를 사용하였다. 본 장치는 실린더형의 강피(340×500mm)와 내화재로 이루어진 용해 도가니(150×250mm)가 사용되어 약 5kg의 슬래그를 용해할 수 있다. 전기적 접촉은 3개의 강봉으로 이루어졌으며 노저는 내화물로 절연시켰다. 노저와 전극은 때에 따라 공냉시켰고 토치는 노에 부착된 구동실린더를 통하여 조절할 수 있게 하였고, 노체는 용탕의 배출을 위하여 기울일 수 있도록 제작하였다. 분진은 노상부에 설치한 집진장치를 통해 완전히 포집하였고, 소형 필터에 연결하였다. 노는 직류 또는 교류로 가동하였으며 전극 뿐만 아니라, 노벽의 여러 가지 높이에서 Ni/Ni-Cr 열전대를 부착시켜 해당 위치에서 내화물의 온도를 측정하였다. 고철을 용해하기 전에 도가니를 가열하고 양전극간 전기적 접촉이 원활하도록 목탄입자들을 사용하였다. 이때의 온도는 1,100-1,300℃이며 도가니의 직경은 130mm, 깊이는 220mm이다.

Fig. 1. Schematic diagram of arc furnace.

2. 실험방법

본 실험에서 사용된 상부전극은 흑연전극을 사용하였다. 흑연전극 사용시 가열하는 경우 1차적으로 노바닥에 코크스를 깔고 가열한 후 시료를 평량하여 용융상태를 관찰하면서 첨가하였다. 이 때, 전압과 전류의 조절은 전극봉을 이용하였다. 슬래그의 용융온도는 열전대 (Pt/13Rh-Pt)를 이용하여 침적방법 및 용해로 외벽에 부착한 열전대를 이용하여 측정 및 보정하였으며 용융온도는 각 시료에 따라 1400-1600℃사이에서 실시하였다. 실험 중 용융슬래그의 불순물의 변화를 측정하기 위하여 silica tube를 이용하여 용융금속을 채취하여 습식법으로 분석하였다. 상부와 노저 전극 사이에 아크발생 후 용강을 장입하여 용해시킨 후 시료를 투입하였으며 약 60분간의 용융 후 출탕하였다. 출탕 후 시료 및 용강내의 불순물들을 화학적으로 분석하였다.

Result and Discussion

1. Ti 슬래그의 환원 거동

Ti을 포함한 Ilmenite, Sorel, Richards Bav의 세 슬래그를 직류와 교류를 이용하여 용해하였다. 직류조업시 도가니를 양극과 음극으로서 사용하였다. 도가니를 양극으로 사용하여, 약 2% 와 6%의 탄소를 첨가한 경우 TiO2의 양은 크게 변하지 않았으나, 조업후 약 10분 후에 FeO의 양이 급격히 증가하였다. 반면, 도가니를 음극으로 사용한 경우 2, 4, 6% 탄소 첨가시 TiO2의 양은 거의 변하지 않았으며 FeO의 양은 감소하다가 점차 일정한 값으로 관찰되었다. Sorel slag를 환원 하는 동안의 FeO의 조성변화는 Fig. 2와 같다. Sorel과 Richards Bav의 슬래그를 용해하는 경우, FeO의 경우 약 1%이하까지 제거되고, TiO2는 약 88%까지 증가되었으며, 이 때, Ti은 Ti4+에서 Ti3+로 환원되었다. MnO와 V2O5도 약간씩 감소하였으나, MgO와 Al2O3는 제거가 불가능하였다. 대부분의 슬래그에서 FeO는 1%이하로 줄어들었고, TiO2는 최고 93%까지 증가하였다.

Fig. 2. Behavior of Sorel slag in direct current operation

(― bottom anodic condition, --- bottom cathodic condition).

2. 고철 내에서의 불순물의 거동

Fig. 3은 직류를 사용할 때, 노저의 극성을 변화시켜 용융시간에 따라 불순물 중 그 양이 많은 Zn, Mo등의 거동을 관찰한 결과이다.  Zn 거동은 노저의 극성에 따른 미량원소의 거동을 분석하기 위해서 노바닥의 극성에 따라 Cu함유량을 변화시켜서 용융시간에 따른 Zn의 성분을 채취하였다. 노저가 음극인 경우가 양극인 경우보다 Zn의 함량이 높게 분석되었다. Zn의 함량은 특히, 용융시간, 극성 및 Cu스크랩의 첨가 등에 그 함량이 크게 좌우되었다. Mo 거동은 노저의 극성 및 Cu함유 철근을 첨가하여 용융시간에 따른 Mo성분을 중량분석한 결과이다. 노저가 양극 또는 음극인 경우에 Mo의 거동은 유사하였으며, 용융시간, 극성 및 Cu스크랩을 첨가한 경우에도 큰 변화를 보이지 않았다.

Fig. 3. Zn(―) and Mo(---) content change during melting operation with different polarity in arc furnace (● and ◆ : bottom anodic condition, ○ and ◇ : bottom anodic condition when Cu added to steel, ▲ and ■ : bottom cathodic condition, △ and □ : bottom cathodic condition when Cu added to steel).

3. 스테인레스 강 분진의 환원거동

Cr 슬래그의 극성변화와 전류종류에 따른 환원거동을 관찰하였다. 탄소전극을 사용한 경우, 용융 후 초기 60분간은 특별한 환원제의 첨가없이도 Cr의 환원이 일어나는데 이것은 탄소와 Cr슬래그 간의 반응이라고 여겨진다. 반면에, 기저전극을 음극으로 하는 경우, 노내에서 응고된 슬래그의 함량이 균일하다고 가정할 때, 총 8.5∼10%의 총 Cr함량에 비해 약 6.5%의 Cr이 반응 종료시점에서 환원된 것으로 나타난다. 이것은 음극에서 전해작용을 통해 Cr3+가 Cr로 환원되었기 때문이다. 반면, 환원제인 코크스를 첨가한 경우에는 모든 전기적인 조업상태에서 Cr의 환원율이 증가하였다. 약 1.7%의 코크스를 첨가한 경우, 노저를 음극으로 한 상태에서는 이미 낮은 수준의 슬래그의 Cr함량이 다른 회로상태에서보다 천천히 환원되며, 약 3.4%의 코크스를 첨가한 경우에 슬래그 내의 Cr의 함량이 높은 이유는 전류, 전압관계로 인해 금속의 분산체가 슬래그 내에 분산되어 있기 때문이다. 분말상태의 환원제를 이용하였을 시에는 최종 용체에서의 Cr의 함량은 약 1.5%를 나타내었다.

Fig. 4. Effect of reductant for Cr reduction in slag.

(― bottom anodic condition, --- bottom cathodic condition)

Conclusion

직류아크로 내에서의 노내반응 및 슬래그의 환원여부와 불순물의 함량 정도를 Ti 슬래그와 고철 및 스테인레스 강을 대상으로 조사하였다. Ti 슬래그는 극성변화에 의해 환원거동이 뚜렷하게 차별화 되었으며 불순물인 Fe, Cr 및 V등을 제거하여 사용가능한 Ti 슬래그로 제조할 수 있었다. 고철 내에서 가장 많이 존재하는 불순물로는 Zn과 Mo를 들 수 있다. 이 중 Zn의 함량은 용융시간, 극성 및 Cu스크랩의 첨가 등에 그 함량이 크게 좌우된 반면 Mo 거동은 유사하였다. 마지막으로, 스테인레스 분진 의 경우에도 기저가 (―)인 경우와 환원제를 첨가한 경우에 Cr의 환원율이 촉진되었다.

Reference

1. Sahu, A., Nayak, B. B., Panigrahi, N., Acharya, B. S. and Mohanty, B. C.:    Journal of Materials Science, 35(1), 71-77(2000).

2. Proctor, D. M., Fehling, K. A., Shay, E. C., Wittenborn, J. L., Green, J. J.,    Avent, C., Bigham, R. D., Connolly, M., Lee, B., Shepker, T. O. and Zak, M. A.: SOURCE Environmental Science & Technology, 34(8), 1576-1582(2000).