가. 샘플 수집
급냉 시킨 샘플로부터 슬래그와 은을 MgO 도가니로부터 분쇄 후, 조심스럽게 샘플을 채취했다. MgO 도가니를 분쇄하는 과정에서 샘플과 분리가 완벽하게 이루 어지지 않은 부분은 저속시편 절단기를 사용하여 조심스럽게 분쇄하여 샘플을 얻 었다. 얻어진 샘플들은 볼밀 분쇄기를 사용하여 최종적으로 분쇄하여 얻었다.
나. 샘플의 화학적 분석 방법
슬래그 내에 함유하고 있는 Fe, Cu, Ca, Mg 및 Al의 농도는 Inductive Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES, Optima 5300 DV, Perkin Elmer)를 사용하여 분석되었다. 은 내에 함유하고 있는 Cu, Fe 농도는 슬래그와 같은 ICP-AES를 사용하여 분석 하였다. 먼저, 분말 상태에 슬래그 샘플을 대략 0.2g씩 각각 준비한 후, 미리 준비된 왕수 10ml을 테플론 비이커에 넣어 용해시켰 다. 테플론 비이커는 증류수와 5wt % 질산을 섞어서 만든 약질산에 세척하여 사전 에 준비하였다. 왕수는 증류수, HCl 그리고 HNO3 를 각각 10:3:1에 몰 비율로 제작 되었다. 샘플들은 150℃에서 대략 5시간동안 용해시켰다. 용액 내에 Si는 HF (1ml) 에 의해서 제거 되었다. 그리고 나서 HClO4 (1ml)을 사용하여 용액 내에 함유하는 HF를 제거하였다. 다음으로는 테플론 비이커 뚜껑을 조금 열고 230℃에서 대략 4
Table 3.1 Initial composition of the Slag and Ag before the experiment
Exp. Temp K
Slag Ag
Mass g
Composition, mass % FeO/SiO2
Ratio
Mass FeO Cu2O SiO2 Al2O3 CaO MgO g
A
1573 4
49 2 33 5 6 5 2.4
4
B 43 2 30 5 15 5 2.1
C 38 2 25 5 25 5 2.2
D 44 1 30 5 15 5 2.4
E 44.5 0.5 30 5 15 5 2.2
F 33 2 37 5 18 5 1.1
1. 샘플 준비
표 3.2 에 명시되어 있는 슬래그 조성은 일반적인 동 제련 슬래그와 유사하다.
본 실험에서는 실제 동 제련 슬래그와 매트 간 동역학적 실험을 모사하기 위해서 명시되어 있는 것과 같이 FeO, Cu2O, SiO2, Al2O3, CaO, MgO 시약을 혼합해서 미리 준비되었다. 샘플은 각 실험 조건마다 반응시간에 따른 동역학 실험을 위해 (5min, 15min, 30min, 60min) 4개씩 제작 하였다. CaO 시약은 1273 K 에서 2시간동안 배소반응으로 미리 제작 하였다. 황화물 분말은 FeS (순도 99.9%)와 CaS 분말을 사용하여 미리 준비하였다. CaS 분말은 CaSO4와 C 을 몰 비율 1:4로 혼합하여 알루미나 도가니에 24시간 동안 1573 K 에서 반응시켜 미리 제작 하였다.
제작된 CaS 는 그림 3.3에 명시되어 있는 것과 같이 3D High Resolution X-ray Diffractometer (EMPYREAN)을 통해 분석되었다.
2. 실험 과정
본 연구에서는 반응시간에 따른 슬래그 및 매트 내 함유하고 있는 원소들의 조 성을 조사하기 위해 실시하였다. 그림 3.2는 슬래그와 매트 간 반응실험을 실시하 기 위한 실험 장치를 보여준다. 그림 3.2 과 같이 Super Kanthal Heating Elements 와 Mullite Reaction Tube 로 구성된 수직 저항로를 사용하였고, 가스 투입구와 배 출구는 상부에서 이루어 질 수 있도록 제작하였다. 온도 측정은 B-type 열전대를 사용하여 측정하였다. 준비된 MgO 도가니 (내경 13.67 mm, 높이 40 mm)에 미리 제작한 매트 4g를 먼저 장입 후, 슬래그 4g을 그 위에 장입하여 그림 3.2 과 같이 수직 저항로 내에 넣었다. 실험 반응 시간이 각각 300, 600, 1200 및 3600초로 설정 하였다. 먼저 저항로 내에 분위기는 Ar 가스 (100ml/min)로 초기 조건을 제어했다.
3. 분석 방법
가. 샘플 수집
급냉 시킨 샘플로부터 슬래그와 매트를 MgO 도가니로부터 분쇄 후, 조심스럽게 샘플을 채취했다. MgO 도가니를 분쇄하는 과정에서 샘플과 도가니 간 분리가 완 벽하게 이루어지지 않은 부분은 저속시편 절단기를 사용하여 조심스럽게 분쇄하여 샘플을 얻었다. 얻어진 슬래그 및 매트는 볼밀 분쇄기를 사용하여 최종적으로 분쇄 하여 얻었다.
나. 미세조직 관찰
얻어진 샘플은 고속 시편 절단기를 사용하여 단면부분을 마운팅하였다. 미세 조 직을 관찰하기 전 처리 단계로 SiC 연마지로 #4000까지 연마 후, 다이아몬드파우더 (1μm)를 사용하여 미세연마를 하였다. 이후 주사전자현미경 (FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope, Hitachi S-4800)으로 미세 조직을 관찰하 였다. EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 분석을 통해 성분 분석을 하였다.
다. 샘플의 화학적 분석 방법
슬래그 내에 함유하고 있는 Fe, Cu, Ca, Mg 및 Al의 농도는 Inductive Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES, Optima 5300 DV, Perkin Elmer)를 사용하여 분석되었다. 황화물 내에 함유하고 있는 Cu, Fe 및 Ca의 농도 는 슬래그와 같은 ICP-AES를 사용하여 분석 하였다. 먼저, 분말 상태에 슬래그 샘 플을 대략 0.2g씩 각각 준비한 후, 미리 준비된 왕수 10ml을 테플론 비이커에 넣어 용해시켰다. 테플론 비이커는 증류수와 5wt % 질산을 섞어서 만든 약 질산으로 세 척하여 사전에 준비하였다. 왕수는 증류수, HCl 그리고 HNO3 를 각각 10:3:1에 몰 비율로 제작 되었다. 샘플들은 150℃에서 대략 5시간동안 용해시켰다. 용액 내에 Si는 HF (1ml)에 의해서 제거 되었다. 그리고 나서 HClO4 (1ml)을 사용하여 용액 내에 함유하는 HF를 제거하였다. 다음으로는 테플론 비이커 뚜껑을 조금 열고 23 0℃에서 대략 4시간 동안 용액을 휘산 시켰다. 완전히 용액이 증발하고 나서 왕수 10ml에 샘플을 다시 2시간 동안 100℃에서 용해 시켰다. 마지막으로 슬래그 중의 SiO2의 농도는 측정 된 산화물의 합계의 나머지로써 계산되었다. 황화물 또한 슬래 그와 같이 대략 0.2g씩 준비한 후, 테플론 비이커에 미리 제작된 왕수 10ml에 15 0℃에서 대략 5시간동안 용해시켰다.
Table 3.2 Initial composition of the Slag and Matte before the kinetic experiment at 1573 K
Exp.
Slag Matte
Mass g
Composition, mass % Mass
g
Comp.
mass % FeO Fe2O3 Cu2O SiO2 Al2O3 CaO MgO FeS CaS
I
4
42 - 1 24 6 19 8
4
100 0
II
45 8 1 29 6 5 6 100 0III
45 8 1 29 6 5 6 90 10Fig. 3.3 X-ray diffraction patterns of prepared sample at 1573 K.