KR20230081581A - Method for electrolytic refine and electrolytic reduction apparatus - Google Patents

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KR20230081581A KR1020220079474A KR20220079474A KR20230081581A KR 20230081581 A KR20230081581 A KR 20230081581A KR 1020220079474 A KR1020220079474 A KR 1020220079474A KR 20220079474 A KR20220079474 A KR 20220079474A KR 20230081581 A KR20230081581 A KR 20230081581A
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이종현
하이크 넬시시얀
임규석
최우석
김완배
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충남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 a) 정련하고자 하는 목적 금속인 제1 금속 또는 음극에 포함된 제2 금속과 동일한 소재인 도가니에 제3 금속의 산화물을 포함하는 전해질을 충진하는 단계, b) 전해질에 포함된 상기 제3 금속의 산화물을 전해환원하여, 제2 금속과 제3 금속의 합금을 제조하는 단계, c) 상기 전해질에 제1 금속의 산화물을 투입하고 상기 제1 금속의 산화물과 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금이 반응하여, 상기 제1 금속이 제1 금속과 제2 금속의 합금으로 환원되는 단계 및 d) 고화된 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금으로부터 제1 금속을 회수하는 전해정련 단계를 포함하는 금속 정련방법에 관한 것이다.The present invention relates to the steps of a) filling an electrolyte containing an oxide of a third metal in a crucible made of the same material as the first metal, which is the target metal to be refined, or the second metal included in the cathode, b) the first metal included in the electrolyte. 3 Electrolytically reducing the oxide of the metal to prepare an alloy of the second metal and the third metal, c) Injecting the oxide of the first metal into the electrolyte, and adding the oxide of the first metal to the second metal and the third metal. reducing the first metal to an alloy of the first metal and the second metal by reacting the alloy of metals; and d) electrolytically refining the solidified alloy of the first metal and the second metal, A metal refining method comprising an electrolytic refining step of recovering a first metal from an alloy of a second metal.

Description

금속 정련방법 및 금속 전해환원장치{Method for electrolytic refine and electrolytic reduction apparatus}Metal refining method and metal electrolytic reduction apparatus {Method for electrolytic refine and electrolytic reduction apparatus}

본 발명은 금속 전해환원장치에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 대상 금속이 포함된 금속 산화물을 동일한 도가니 내에서 in-situ로 환원시켜 대상 금속이 포함된 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조하는 전해환원 장치 및 전해정련 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a metal electrolytic reduction device, and more preferably, a metal oxide containing a target metal is reduced in-situ in the same crucible to produce an alloy of a first metal and a second metal containing the target metal. It relates to an electrolytic reduction device and an electrolytic refining method.

전해 환원(Electrolytic reduction)이란 전해질 용액에 전류를 인가하였을 때 발생되는 이온의 이동으로 인해 대상 금속을 환원시켜 회수하는 방법을 의미한다. Electrolytic reduction refers to a method of reducing and recovering a target metal due to the movement of ions generated when an electric current is applied to an electrolyte solution.

과거에는 Ti 및 Zr을 회수하기 위하여, 크롤(Kroll) 공정(미국등록특허 5,035,404)이 대표적으로 사용되었다. 하지만 크롤 공정은 의 경우 주로 탄소 소재 양극이 지속적으로 소모되며 그 결과 제련 과정에서 과량의 CO/C02 가 배출되는 문제가 있다. In the past, to recover Ti and Zr, a Kroll process (US Patent No. 5,035,404) was typically used. However, in the case of the crawl process, the carbon material anode is continuously consumed, and as a result, excessive CO/C0 2 is emitted during the smelting process.

이를 개선하기 위하여 본 발명자는 대한민국 등록특허 제10-1793471호 및 대한민국 등록특허 제10-1878652호를 통해 전해환원과 전해정련 공정을 결합하여 Zr, Ti등의 금속을 회수하는 방법을 제안하였다. 특히, 대한민국 등록특허 제10-1878652호에서는 CaCu제2 금속과 제3 금속의 합금을 이용하여 저융점 Cu-Zr합금을 제조하고, 상기 Cu-Zr합금을 전해정련하여 순수 Zr을 회수하는 방법을 발명하였다. 하지만 상기의 발명은 CaCu제2 금속과 제3 금속의 합금을 제조하는 공정과 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금을 통해 Cu-Zr 합금을 제조하는 공정이 서로 분리되어 있다는 문제점이 있다. 이는 공정의 생산성을 감소시키며, 또한 이전 공정에서 다음 공정으로 넘어가는 중에 Zr 성분이 공기중에 산소에 의해 산화되어 순도가 감소되는 문제가 있다. In order to improve this, the present inventors proposed a method of recovering metals such as Zr and Ti by combining electrolytic reduction and electrolytic refining processes through Korean Patent Registration No. 10-1793471 and Korean Patent Registration No. 10-1878652. In particular, Korean Patent Registration No. 10-1878652 discloses a method of manufacturing a low-melting Cu-Zr alloy using an alloy of CaCu second metal and third metal, and recovering pure Zr by electrolytically refining the Cu-Zr alloy. Invented. However, the above invention has a problem in that the process of producing an alloy of CaCu second metal and third metal and the process of producing a Cu—Zr alloy through an alloy of the second metal and third metal are separated from each other. This reduces the productivity of the process, and also has a problem in that the purity is reduced because the Zr component is oxidized by oxygen in the air during the transition from the previous process to the next process.

한편, Ti을 포함하는 합금(Ti-6Al-4V)을 용해하기 위한 방안으로서 인덕션을 이용한 스컬용해 공정이 공개되어 있다 (Induction Skull Melting of Ti-6Al-4V: Process Control and Efficiency Optimization, Xabier Chamorro, Metals 2019, 9, 539). 하지만 스컬용해 공정은 도가니 부위를 강제냉각시켜 용융금속 외부에 자체 응고쉘을 형성하는 방법이기 때문에 에너지 소모가 크다는 단점이 있으며, 본 발명에서와 같이 융점이 상이한 전해질, 제2 금속과 제3 금속의 합금, CuTi 용융합금 등이 공존하는 장치에서는 적용이 어렵다는 문제가 있다.Meanwhile, as a method for melting an alloy (Ti-6Al-4V) containing Ti, a skull melting process using induction has been disclosed (Induction Skull Melting of Ti-6Al-4V: Process Control and Efficiency Optimization, Xabier Chamorro, Metals 2019, 9, 539). However, since the skull melting process is a method of forcibly cooling the crucible to form a self-solidifying shell outside the molten metal, it has the disadvantage of high energy consumption, and as in the present invention, the electrolyte with different melting points, the second metal and the third metal There is a problem that it is difficult to apply in devices where alloys, CuTi molten alloys, etc. coexist.

미국등록특허 5,035,404US registered patent 5,035,404 대한민국 등록특허 제10-1793471호Republic of Korea Patent No. 10-1793471 대한민국 등록특허 제10-1878652호Republic of Korea Patent No. 10-1878652

(논문 0001)Induction Skull Melting of Ti-6Al-4V: Process Control and Efficiency Optimization, Xabier Chamorro, Metals 2019, 9, 539(Paper 0001)Induction Skull Melting of Ti-6Al-4V: Process Control and Efficiency Optimization, Xabier Chamorro, Metals 2019, 9, 539

본 발명은 제2 금속과 제3 금속의 합금을 제조하는 공정과, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금을 통해 제1 금속 산화물을 환원하여 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조하는 공정을 하나의 도가니를 통해 in-situ로 제조 가능한 전해환원 장치를 제공할 수 있다.The present invention relates to a process of preparing an alloy of a second metal and a third metal, and a process of preparing an alloy of the first metal and the second metal by reducing a first metal oxide through an alloy of the second metal and the third metal. It is possible to provide an electrolytic reduction device that can be manufactured in-situ through a single crucible.

또한, 상기 전해환원 과정에서 발생되는 제2 금속과 제3 금속의 합금 및 제1 금속과 제2 금속의 합금으로부터 도가니의 안정성을 확보하기 위하여 도가니 소재에 조성적 스컬을 형성하기 위한 공정 조건을 제공할 수 있다. In addition, in order to secure the stability of the crucible from the alloy of the second metal and the third metal and the alloy of the first metal and the second metal generated in the electrolytic reduction process, process conditions for forming a compositional skull in the crucible material are provided. can do.

또한 금속 산화물 형태의 제1 금속을 전해환원 및 전해정련하여 제1 금속을 회수하는 방법을 제공할 수 있다.In addition, a method of recovering the first metal by electrolytic reduction and electrolytic refining of the first metal in the form of a metal oxide may be provided.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 a) 정련하고자 하는 목적 금속인 제1 금속 또는 음극에 포함된 제2 금속과 동일한 소재인 도가니에 제3 금속의 산화물을 포함하는 전해질을 충진하는 단계, b) 전해질에 포함된 상기 제3 금속의 산화물을 전해환원하여, 제3 금속과 제2 금속의 합금을 제조하는 단계, c) 상기 전해질에 제1 금속의 산화물을 투입하고 상기 제1 금속의 산화물과 상기 제3 금속과 제2 금속의 합금이 반응하여, 상기 제1 금속이 제1 금속과 제2 금속의 합금으로 환원되는 단계 및 d) 고화된 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금으로부터 제1 금속을 회수하는 전해정련 단계를 포함하는 금속 정련방법에 관한 것이다.In order to solve the above problems, the present invention provides a) filling a crucible of the same material as the first metal, which is the target metal to be refined, or the second metal included in the cathode, with an electrolyte containing an oxide of the third metal; b) electrolytically reducing the oxide of the third metal contained in the electrolyte to prepare an alloy of the third metal and the second metal, c) injecting the oxide of the first metal into the electrolyte and the oxide of the first metal and an alloy of the third metal and the second metal reacting to reduce the first metal to an alloy of the first metal and the second metal, and d) electrolyzing the solidified alloy of the first metal and the second metal It relates to a metal refining method comprising an electrolytic refining step of refining and recovering a first metal from an alloy of the first metal and the second metal.

상기 실시 예에 있어서, 상기 전해질은, 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물의 용융염 및 제3 금속의 산화물을 포함할 수 있다. In the above embodiment, the electrolyte may include a molten salt of a halide of one or two or more metals selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals, and an oxide of a third metal.

상기 실시 예에 있어서, 상기 b) 내지 c) 단계는 동일한 도가니 내에서 실시간으로 수행될 수 있다. In the above embodiment, steps b) to c) may be performed in real time in the same crucible.

상기 실시 예에 있어서, 상기 b) 내지 c) 단계는 800 내지 1100℃에서 수행될 수 있다. In the above embodiment, steps b) to c) may be performed at 800 to 1100 °C.

상기 실시 예에 있어서, 상기 제3 금속과 제2 금속의 합금에서, 상기 제3 금속이 60 mol% 이상 포함되며, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금에서, 상기 제1 금속이 60 mol% 이상 포함될 수 있다. In the above embodiment, in the alloy of the third metal and the second metal, the third metal is included at 60 mol% or more, and in the alloy of the first metal and the second metal, the first metal is 60 mol% more may be included.

상기 실시 예에 있어서, 상기 금속 정련방법은 상기 b) 내지 c)단계 사이에, 상기 도가니 내부에 스컬(skull)이 형성되는 단계를 더 포함할 수 있다. In the above embodiment, the metal refining method may further include forming a skull inside the crucible between steps b) to c).

상기 실시 예에 있어서, 상기 제1 금속은 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속 군에서 선택되는 금속 또는 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속군에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 제공될 수 있다. In the above embodiment, the first metal is a metal selected from the transition metal group consisting of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta, or a rare earth element consisting of Pr, Nd, and Dy. It may be provided with any one metal selected from the metal group.

상기 실시 예에 있어서, 상기 제2 금속은 Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd 및 Fe로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로 제공될 수 있다. In the above embodiment, the second metal may be provided as a metal selected from the group consisting of Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd, and Fe.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따르면, 본 발명은 제1 금속 또는 고체 금속 음극의 금속인 제2 금속과 동일한 소재인 도가니, 상기 도가니에 충진되고 제3 금속의 산화물을 포함하는 전해질, 제1 금속의 산화물을 상기 전해질에 투입하는 투입부, 상기 전해질에 침지되는 불용성 양극 및 상기 전해질에 침지되며, 제2 금속을 포함하는 음극을 포함하고, 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 합금을 제조하는, 금속 전해환원장치에 관한 것이다. According to another embodiment of the present invention, the present invention provides a crucible of the same material as the first metal or the second metal that is the metal of the solid metal cathode, an electrolyte filled in the crucible and containing an oxide of a third metal, a first An input unit for injecting a metal oxide into the electrolyte, an insoluble anode immersed in the electrolyte, and a cathode immersed in the electrolyte and containing a second metal, manufacturing an alloy of the first metal and the second metal. It relates to a metal electrolytic reduction device.

상기 실시 예에 있어서, 상기 제1 금속은 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속 군에서 선택되는 금속 또는 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속군에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 제공될 수 있다. In the above embodiment, the first metal is a metal selected from the transition metal group consisting of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta, or a rare earth element consisting of Pr, Nd, and Dy. It may be provided with any one metal selected from the metal group.

상기 실시 예에 있어서, 상기 제1 금속이 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속으로 제공되면, 상기 도가니는 상기 제1 금속과 동일한 금속으로 제조될 수 있다. In the above embodiment, when the first metal is provided as a transition metal consisting of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta, the crucible is made of the same metal as the first metal. can be manufactured with

상기 실시 예에 있어서, 상기 제2 금속은 Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd 및 Fe로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로 제공될 수 있다. In the above embodiment, the second metal may be provided as a metal selected from the group consisting of Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd, and Fe.

상기 실시 예에 있어서, 상기 제1 금속이 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속으로 제공되면, 상기 제2 금속을 Fe로 사용하고, 상기 도가니를 제2 금속으로 제조될 수 있다. In the above embodiment, when the first metal is provided as a rare earth metal composed of Pr, Nd, and Dy, Fe is used as the second metal, and the crucible may be made of the second metal.

상기 실시 예에 있어서, 상기 불용성 양극은 내부에 이온전도성 세라믹, 전기전도성 세라믹, Cermet 및 전도성 탄화물 세라믹 중에서 선택되는 어느 하나의 소재를 포함하는 코어층 및 상기 코어층을 감싸는 Ni 또는 Cu를 포함하는 합금층이 형성될 수 있다. In the above embodiment, the insoluble anode includes a core layer containing any one material selected from ion conductive ceramics, electrically conductive ceramics, cermet, and conductive carbide ceramics, and an alloy containing Ni or Cu surrounding the core layer. Layers may be formed.

상기 실시 예에 있어서, 상기 불용성 양극에서 합금층은 상기 전해정련 과정중에 발생하는 산소와 반응하여 양극 표면에 금속 산화물 형태의 보호막을 형성할 수 있다.In the above embodiment, the alloy layer in the insoluble anode may react with oxygen generated during the electrolytic refining process to form a metal oxide-type protective film on the anode surface.

본 발명의 제2 금속과 제3 금속의 합금과 제1 금속과 제2 금속의 합금을 동일한 도가니 내에서 실시간으로 제조함으로써, 제1 금속과 제2 금속의 합금의 생산성을 향상시키고, 순도를 크게 증가시킬 수 있는 효과가 있다. By producing the alloy of the second metal and the third metal and the alloy of the first metal and the second metal of the present invention in real time in the same crucible, the productivity of the alloy of the first metal and the second metal is improved, and the purity is greatly increased. There is an effect that can be increased.

또한, 전해환원 과정에서 도가니 내면에 조성적 스컬을 형성시켜 도가니와 제2 금속과 제3 금속의 합금 또는 도가니와 제1 금속과 제2 금속의 합금 사이의 반응을 억제하여 도가니의 안정성을 향상할 수 있다.In addition, in the electrolytic reduction process, a compositional skull is formed on the inner surface of the crucible to suppress the reaction between the crucible and the alloy of the second metal and the third metal or between the crucible and the alloy of the first metal and the second metal to improve the stability of the crucible. can

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 양극의 전해환원 시간에 따른 질량 손실율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전해정련 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 정련방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도가니의 안정성 유지를 위한 CuCa내 Ca의 농도 범위를 한정하기 위한 Gibbs free energy (△G) 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 비교예 1로 제조한 제1 금속과 제2 금속의 합금의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 6은 실시예 1로 제조한 제1 금속과 제2 금속의 합금의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 7은 양극재 내 Ta 조성에 따른 도가니의 안정성을 비교하기 위한 도가니 단면 사진이다.
도 8은 조성적 스컬 라인(Compositional skull line)을 설명하기 위한 사진이다.
도 9는 환원제 내 Ca 조성의 따른 도가니의 안정성을 비교하기 위한 도가니 단면 사진이다.
도 10은 환원제 내 Ca 조성의 따른 도가니의 안정성을 비교하기 위한 도가니 정면 사진이다.
1 is a graph showing the mass loss rate according to the electrolytic reduction time of an anode manufactured according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram for explaining an electrolytic refining apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining in detail a metal refining method according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the results of Gibbs free energy (ΔG) calculation for limiting the concentration range of Ca in CuCa for maintaining the stability of the crucible according to an embodiment of the present invention.
5 is a photograph taken by SEM of a cross section of an alloy of a first metal and a second metal prepared in Comparative Example 1.
6 is a photograph taken by SEM of a cross section of an alloy of a first metal and a second metal prepared in Example 1.
7 is a cross-sectional photograph of a crucible for comparing the stability of the crucible according to the composition of Ta in the cathode material.
8 is a photograph for explaining a compositional skull line.
9 is a cross-sectional photograph of a crucible for comparing the stability of the crucible according to the composition of Ca in the reducing agent.
10 is a frontal photograph of a crucible for comparing the stability of the crucible according to the composition of Ca in the reducing agent.

이하 본 발명에 따른 금속 정련방법 및 금속 전해환원장치에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.Hereinafter, a metal refining method and a metal electrolytic reduction device according to the present invention will be described in detail. The drawings introduced below are provided as examples so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented below, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, they have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily obscure are omitted.

본 발명의 일 실시예는 금속 전해환원장치에 관한 것으로, 구체적으로는 도가니, 가열부, 투입부, 불용성 양극 및 음극을 포함하여 전해정련에 사용하기 위한 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조할 수 있다.One embodiment of the present invention relates to a metal electrolytic reduction device, specifically, to manufacture an alloy of a first metal and a second metal for use in electrolytic refining, including a crucible, a heating part, an inlet part, an insoluble anode and a cathode. can do.

본 발명에서 제1 금속과 제2 금속의 합금은, 후술할 전해정련 과정에서 양극재로 작용하는 합금을 의미한다. 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속은 전해정련을 통해 획득할 목적 금속을 의미하며, 상기 제2 금속은 제1 금속의 표준환원전위보다 양의 표준환원전위를 갖는 금속을 의미한다. 상기 표준환원전위 차이로 인하여, 제1 금속과 제2 금속의 합금 제조 시, 제1 금속의 표준환원전위 값을 양의 방향으로 이동시켜, 전해 환원으로 제조되는 제1 금속과 제2 금속의 합금의 생산성을 향상시킬 수 있다. In the present invention, the alloy of the first metal and the second metal refers to an alloy that acts as an anode material in an electrolytic refining process to be described later. According to an embodiment, the first metal means a target metal to be obtained through electrorefining, and the second metal means a metal having a standard reduction potential greater than that of the first metal. Due to the difference in standard reduction potential, when preparing an alloy of the first metal and the second metal, the standard reduction potential value of the first metal is shifted in a positive direction, and the alloy of the first metal and the second metal produced by electrolytic reduction productivity can be improved.

실시 예에 따르면, 상기 제1 금속은 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 또는 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속군에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 제공될 수 있으나 이에 한정되지 않으며 여기에 기록되지 않은 다른 전이금속 또는 다른 희토류 금속으로 제조될 수 있다. According to an embodiment, the first metal is any one metal selected from the transition metal group consisting of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta, or Pr, Nd, and Dy. It may be provided with any one metal selected from the group consisting of rare earth metals, but is not limited thereto, and may be made of other transition metals or other rare earth metals not described herein.

실시 예에 따르면, 상기 제2 금속은 Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd 및 Fe로 이루어진 금속군에서 선택되는 금속으로 제공될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다만, 상기 제1 금속과 제2 금속은 서로 다른 금속이며, 동일한 금속을 사용할 수 없다. According to an embodiment, the second metal may be provided as a metal selected from a metal group consisting of Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd, and Fe, but is not limited thereto. However, the first metal and the second metal are different metals, and the same metal cannot be used.

만약, 상기 제1 금속을 Ti, 제2 금속을 Cu로 선택되는 경우, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금은 TiCu로 제조될 수 있다. 이하, 본 명세서는 상기 제1 금속이 Ti, 제2 금속이 Cu, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금이 TiCu인 것을 예를 들어 설명하나 이에 한정되지 않으며, 앞서 언급한 제1 금속 및 제2 금속의 조합을 통해 다른 조성의 제1 금속과 제2 금속의 합금이 제조될 수 있음은 자명하다. If Ti is selected as the first metal and Cu is selected as the second metal, the alloy of the first metal and the second metal may be made of TiCu. Hereinafter, the present specification describes that the first metal is Ti, the second metal is Cu, and the alloy of the first metal and the second metal is TiCu as an example, but is not limited thereto, and the aforementioned first metal and the second metal are described as examples. It is obvious that alloys of the first metal and the second metal having different compositions can be prepared through a combination of the two metals.

본 발명의 또 다른 일 실시 예는 제1 금속의 산화물에서 고순도의 제1 금속을 회수하는 금속 정련방법에 관한 것이다. 상기 금속 정련 방법은 a) 정련하고자 하는 목적 금속인 제1 금속 또는 음극에 포함된 제2 금속과 동일한 소재인 도가니에 제3 금속의 산화물을 포함하는 전해질을 충진하는 단계, b) 전해질에 포함된 상기 제3 금속의 산화물을 전해환원하여, 제3 금속과 제2 금속의 합금을 제조하는 단계, c) 상기 전해질에 제1 금속의 산화물을 투입하고 상기 제1 금속의 산화물과 상기 제3 금속과 제2 금속의 합금이 반응하여, 상기 제1 금속이 제1 금속과 제2 금속의 합금으로 환원되는 단계 및 d) 고화된 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금으로부터 제1 금속을 회수하는 전해정련 단계를 포함할 수 있다. Another embodiment of the present invention relates to a metal refining method for recovering a high-purity first metal from an oxide of the first metal. The metal refining method includes the steps of a) filling an electrolyte containing an oxide of a third metal in a crucible made of the same material as the first metal, which is the target metal to be refined, or the second metal included in the cathode, b) preparing an alloy of the third metal and the second metal by electrolytic reduction of the oxide of the third metal; c) injecting the oxide of the first metal into the electrolyte and combining the oxide of the first metal with the third metal; reducing the first metal to an alloy of the first metal and the second metal by reacting the alloy of the second metal; d) electrolytically refining the solidified alloy of the first metal and the second metal; and an electrorefining step of recovering the first metal from an alloy of the metal and the second metal.

이 과정에서 상기 b) 내지 c) 단계는 동일한 도가니 내에서 실시간으로 수행될 수 있다. 이를 통해 본 발명은, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금을 동일한 도가니 내에서 in-situ로 제조함으로써, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금이 제조 과정에서 상기 제1 금속이 공기중 산소와 접촉하여 산화되는 것을 방지하고, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금에서 제1 금속의 순도를 크게 향상할 수 있다.In this process, steps b) to c) may be performed in real time in the same crucible. Through this, the present invention, by manufacturing the alloy of the first metal and the second metal in-situ in the same crucible, in the process of manufacturing the alloy of the first metal and the second metal, the first metal is oxygen in the air It is possible to prevent oxidation in contact with, and greatly improve the purity of the first metal in the alloy of the first metal and the second metal.

또한, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여, 99.99% 이상의 순도를 갖는 제1 금속을 회수할 수 있다. In addition, the first metal having a purity of 99.99% or more may be recovered by electrolytically refining the alloy of the first metal and the second metal.

이상 본 발명의 실시예에 대해 간략하게 설명하였다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 금속 전해환원장치에 대하여 설명한다. The embodiments of the present invention have been briefly described above. Hereinafter, a metal electrolytic reduction device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전해환원 장치를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining an electrolytic reduction device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전해환원 장치(100)은 도가니(110), 투입부(120), 불용성 양극(130), 음극(150), 가열부(170), 전원부(190) 및 기준전극(미도시)을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 상기 도가니(110)의 상부에는 투입부(120)가 형성될 수 있으며, 상기 도가니(110)의 내부에는 불용성 양극(130), 음극(150) 및 기준전극이 포함될 수 있다. 상기 도가니(110)의 하부 또는 측면부에는 상기 도가니(110) 내부의 전해질을 가열하는 가열부(170)가 위치할 수 있다. 마지막으로, 상기 불용성 양극(130) 및 음극(150)과 연결되어 전류를 인가시키는 전원부(190)가 포함될 수 있다. Referring to FIG. 1, the electrolytic reduction device 100 according to an embodiment of the present invention includes a crucible 110, an input unit 120, an insoluble anode 130, a cathode 150, a heating unit 170, a power supply unit ( 190) and a reference electrode (not shown). In more detail, an input unit 120 may be formed on the top of the crucible 110, and an insoluble anode 130, a cathode 150, and a reference electrode may be included inside the crucible 110. . A heating unit 170 for heating the electrolyte inside the crucible 110 may be positioned at a lower portion or a side surface of the crucible 110 . Finally, a power supply unit 190 connected to the insoluble anode 130 and the cathode 150 to apply current may be included.

상술한 전해환원 장치(100)을 통해 본 발명은 상기 투입부(120)로부터 투입되는 제1 금속(M1)과 상기 음극을 형성하는 제2 금속(M2)을 전해환원하여 제1 금속(M1)과 제2 금속(M2)의 합금을 제조할 수 있다. Through the electrolytic reduction device 100 described above, the present invention electrolytically reduces the first metal (M1) input from the input unit 120 and the second metal (M2) forming the cathode to obtain the first metal (M1) And an alloy of the second metal (M2) can be prepared.

상기 도가니(110)는 내부에 소정의 공간이 형성되어 있으며, 상기 공간에 전해질(MS), 더욱 바람직하게는 용융염 전해질(Molten salt; MS)이 충진될 수 있다. The crucible 110 has a predetermined space formed therein, and an electrolyte (MS), more preferably, a molten salt (MS) may be filled in the space.

실시 예에 따르면, 상기 용융염 전해질(MS)은 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물의 용융염과 제3 금속의 산화물이 혼합될 수 있다. According to an embodiment, the molten salt electrolyte MS may be a mixture of a molten salt of a halide of one or more metals selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals and an oxide of a third metal.

구체적으로 상기 할로겐화물의 용융염은 LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl, FrCl, BeCl2, MgCl2, CaCl2, SrCl2, BaCl2 및 RaCl2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 염화물, LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF2, MgF2, CaF2, SrF2, BaF2 및 RaF2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 불화물일 수 있으며, 또는 상기 염화물과 상기 불화물을 혼합한 용융염으로 제공될 수 있다. Specifically, the molten salt of the halide is any one or more chlorides selected from the group consisting of LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl, FrCl, BeCl 2 , MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 and RaCl 2 , LiF , NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF 2 , MgF 2 , CaF 2 , SrF 2 , BaF 2 and RaF 2 It may be any one or more fluorides selected from the group consisting of, or a mixture of the chloride and the fluoride. It can be provided as a molten salt.

상기 제3 금속은 상기 할로겐화물의 용융염에 금속 산화물 형태로 혼합되는 금속을 의미하며, 더욱 바람직하게는 알칼리 금속 또는 알칼리토 금속으로 제공될 수 있다. The third metal refers to a metal mixed in the molten salt of the halide in the form of a metal oxide, and more preferably may be provided as an alkali metal or an alkaline earth metal.

실시 예에 따르면, 상기 제3 금속은 상기 제2 금속(M2)과 공정 점(eutectic point)을 갖는 금속으로 제공될 수 있다. 상기 공정 점으로 인하여 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3)은, 상기 제2 금속과 제3 금속의 융점보다 낮은 온도에서 반응하여 합금화된 액상 상태로 존재할 수 있다. According to an embodiment, the third metal may be provided as a metal having an eutectic point with the second metal M2. Due to the eutectic point, the alloy (M2+M3) of the second metal and the third metal may react at a temperature lower than the melting point of the second metal and the third metal to exist in an alloyed liquid phase state.

또한, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3)은 상기 전해질보다 상대적으로 더 큰 밀도를 가져 스스로 도가니 바닥에 드롭(drop)될 수 있다. 이를 통해, 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3)이 외부로 노출되어 오염되는 것을 방지하고, 도가니 바닥에 위치시킬 수 있다. In addition, the alloy of the second metal and the third metal (M2+M3) has a relatively higher density than the electrolyte and may drop itself to the bottom of the crucible. Through this, the alloy of the second metal and the third metal (M2+M3) may be prevented from being exposed and contaminated, and may be placed on the bottom of the crucible.

실시 예에 따르면. 상기 제3 금속은 CaO, BaO, SrO, Li2O, Na2O, Cs2O 및 K2O,형태로 전해질에 포함될 수 있다. According to the embodiment. The third metal may be included in the electrolyte in the form of CaO, BaO, SrO, Li 2 O, Na 2 O, Cs 2 O, and K 2 O.

실시 예에 따르면, 상기 도가니(110)는 상기 제1 금속(M1) 또는 제2 금속(M2)과 동일한 재질로 제조될 수 있다. According to an embodiment, the crucible 110 may be made of the same material as the first metal M1 or the second metal M2.

구체적으로, 상기 제1 금속(M1)이 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속으로 제공되면, 상기 도가니는 상기 제1 금속과 동일한 금속으로 제조될 수 있다. Specifically, when the first metal M1 is provided as a transition metal composed of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta, the crucible is made of the same metal as the first metal. can be manufactured with

또는, 상기 제1 금속(M1)이 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속으로 제공되면, 상기 제2 금속을 Fe로 사용하고, 상기 도가니를 제2 금속으로 제조될 수 있다. Alternatively, when the first metal M1 is provided as a rare earth metal composed of Pr, Nd, and Dy, Fe may be used as the second metal, and the crucible may be made of the second metal.

만약 상기 도가니(110)가 상기 제1 금속(M1) 또는 제2 금속(M2)이 아닌 제 3의 금속으로 제조되는 경우, 상기 도가니(110)의 성분이 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3) 또는 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2)에 포함되어 순도가 감소될 수 있다. 또는 상기 도가니가 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2)에 의해 용해되어 도가니(110)가 손상되는 현상이 발생될 수 있다. If the crucible 110 is made of a third metal other than the first metal M1 or the second metal M2, the component of the crucible 110 is an alloy of the second metal and the third metal. (M2+M3) or an alloy (M1+M2) of the first metal and the second metal may have reduced purity. Alternatively, the crucible 110 may be damaged because the crucible is melted by the alloy (M1+M2) of the first metal and the second metal.

이를 방지하기 위해 본 발명은 상기 도가니(110)를 상기 제1 금속(M1) 또는 제2 금속(M2)과 동일한 소재로 제조하여 상기 도가니(110)의 안정성을 확보할 수 있다. 구체적으로 본 발명은 상기 도가니(110)를 상기 제1 금속(M1) 또는 제2 금속(M2)과 동일한 소재로 제조하고, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2) 및 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3) 내에 성분조성을 제한하여, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2) 및 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3)의 활동도를 감소시킬 수 있다. 이를 통해 본 발명은 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2)의 오염을 방지하는 동시에, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2) 및 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3)에 의해 도가니가 용해되는 현상을 방지할 수 있다. To prevent this, in the present invention, the crucible 110 may be made of the same material as the first metal M1 or the second metal M2 to ensure stability of the crucible 110 . Specifically, in the present invention, the crucible 110 is made of the same material as the first metal M1 or the second metal M2, and the alloy of the first metal and the second metal (M1 + M2) and the second metal The activity of the alloy of the first metal and the second metal (M1+M2) and the alloy of the second metal and the third metal (M2+M3) by limiting the composition in the alloy of the metal and the third metal (M2+M3) degree can be reduced. Through this, the present invention prevents contamination of the alloy of the first metal and the second metal (M1 + M2), and at the same time, the alloy of the first metal and the second metal (M1 + M2) and the second metal and the third metal The melting of the crucible can be prevented by the alloy (M2+M3) of

이 과정에서 본 발명은 상기 도가니(110) 내면에 조성적 스컬(Compositional skull; CS)을 형성하여 상기 도가니(110)와 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2) 또는 상기 도가니(110)와 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3)가 반응하는 것을 방지할 수 있다. 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2) 및 제2 금속과 제3 금속의 합금(M2+M3)의 활동도를 감소시키는 방법과 조성적 스컬을 생성하는 조건에 대해서는 후술하도록 한다.In this process, the present invention forms a compositional skull (CS) on the inner surface of the crucible 110 to form an alloy (M1+M2) of the crucible 110 and the first metal and the second metal or the crucible 110 ) and the alloy of the second metal and the third metal (M2+M3) may be prevented from reacting. The method for reducing the activity of the alloy of the first metal and the second metal (M1 + M2) and the alloy of the second metal and the third metal (M2 + M3) and the conditions for generating the compositional skull will be described later. .

상기 불용성 양극(130)은 이온전도성 세라믹, 전기전도성 세라믹, Cermet 및 전도성 탄화물 세라믹 중에서 선택되는 어느 하나의 소재를 포함하는 코어층 및 상기 코어층을 감싸는 합금층이 형성될 수 있다. The insoluble anode 130 may include a core layer including any one material selected from ion conductive ceramics, electrically conductive ceramics, cermet, and conductive carbide ceramics, and an alloy layer surrounding the core layer.

실시 예에 따르면, 상기 합금층은 Ni 또는 Cu를 포함하는 합금으로 제공될 수 있으며, 상기 합금층은 전해 환원 과정중에 발생하는 산소와 반응하여 양극 표면에 금속 산화물 형태의 보호막을 형성하여 상기 코어층을 보호할 수 있다. 또한 전해질 내에 발생하는 산소를 지속적으로 제거하여 전해질 내 제3 금속의 산화물양을 감소시킬 수 있다. 그 결과 전해질에 포함되는 제3 금속의 재순환을 유도하여 전해질의 사용량을 감소시킬 수 있다.According to an embodiment, the alloy layer may be provided with an alloy containing Ni or Cu, and the alloy layer reacts with oxygen generated during the electrolytic reduction process to form a protective film in the form of a metal oxide on the surface of the anode to form the core layer. can protect In addition, the amount of oxide of the third metal in the electrolyte may be reduced by continuously removing oxygen generated in the electrolyte. As a result, recycling of the third metal included in the electrolyte may be induced, thereby reducing the amount of electrolyte used.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 금속 전해환원장치(100)의 구성을 설명하였다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 전해정련장치(200)의 구성을 설명한다. The configuration of the metal electrolytic reduction device 100 according to the embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, the configuration of the metal electrolytic refining device 200 according to an embodiment of the present invention will be described.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전해정련 장치를 설명하기 위한 도면이다. 2 is a diagram for explaining an electrolytic refining apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 전해정련장치(200)는 도가니(210), 양극(230), 음극(250), 기준전극(270) 및 일정전위기(potentiostant, 290)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, a metal electrolytic refining apparatus 200 according to an embodiment of the present invention includes a crucible 210, an anode 230, a cathode 250, a reference electrode 270, and a potentiostat 290. can include

상기 도가니(210)는 상기 전해환원장치(100)의 도가니(110)와는 다른 별도의 도가니를 의미한다. 또한, 상기 전해환원장치(100)의 도가니(110)와는 다르게 제1 금속(M1) 또는 제2 금속(M2)으로 한정되지 않으며, 기 공지된 전해환원장치에서 통상적으로 사용되는 소재로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해정련장치(200)의 도가니(210)는 알루미나(Al2O3)로 제조될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. The crucible 210 means a separate crucible different from the crucible 110 of the electrolytic reduction device 100. In addition, unlike the crucible 110 of the electrolytic reduction device 100, it is not limited to the first metal M1 or the second metal M2, and may be made of a material commonly used in a previously known electrolytic reduction device. there is. For example, the crucible 210 of the electrolytic refining apparatus 200 may be made of alumina (Al 2 O 3 ), but is not limited thereto.

상기 도가니(210) 내에는 상기 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물이 용융된 용융염이 포함될 수 있다. 바람직하게는 전해질은 Li, Na, K, Rb 및 Cs를 포함하는 알칼리금속 및 Mg, Ca, Sr 및 Ba을 포함하는 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물이 용융된 용융염이 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 LiCl, KCl, SrCl2, CsCl, NaCl, LiF, KF, SrF2, CsF, CaF2 및 NaF에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 용융염으로 선택될 수 있다. The crucible 210 may contain molten salt in which one or more metal halides selected from the alkali metal and alkaline earth metal groups are melted. Preferably, the electrolyte is a molten salt in which one or more metal halides selected from the group of alkali metals including Li, Na, K, Rb and Cs and alkaline earth metals including Mg, Ca, Sr and Ba are melted. It may be included, more preferably one or two or more molten salts selected from LiCl, KCl, SrCl2, CsCl, NaCl, LiF, KF, SrF2, CsF, CaF2 and NaF.

상기 양극(230)은 상기 전해환원장치(100)에서 제조된 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2)로 제공될 수 있다. 더욱 바람직하게는 액상의 제1 금속과 제2 금속의 합금(M1+M2)을 냉각하여 고화된 양극재로 제공될 수 있다. The anode 230 may be provided as an alloy (M1+M2) of the first metal and the second metal manufactured in the electrolytic reduction device 100. More preferably, a solidified positive electrode material may be provided by cooling the liquid alloy of the first metal and the second metal (M1+M2).

실시 예에 따르면, 상기 냉각은 20℃/min 이하의 온도로 서냉될 수 있다. 상기 냉각 속도가 20℃/min을 초과하면 과냉으로 인하여 제1 금속과 제2 금속의 금속간 화합물로 이루어진 상이 충분하게 형성되지 못할 수 있으며, 상의 면적이 감소하여 제2 금속으로 이루어진 상에 의해 갇힐 수 있다. 다만, 상기 냉각 속도가 1℃/min 미만이면, 냉각 시간이 지나치게 증가하여 생산성이 감소될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 냉각은 20℃/min 이하의 온도로 서냉되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 내지 18℃/min으로 수행될 수 있다. According to an embodiment, the cooling may be performed slowly at a temperature of 20° C./min or less. When the cooling rate exceeds 20 ° C./min, the phase composed of the intermetallic compound of the first metal and the second metal may not be sufficiently formed due to subcooling, and the area of the phase is reduced to be trapped by the phase composed of the second metal. can However, if the cooling rate is less than 1° C./min, the cooling time may be excessively increased, resulting in reduced productivity. For this reason, the cooling is preferably performed slowly at a temperature of 20° C./min or less, more preferably at 1 to 18° C./min.

상기 음극(250) 및 기준전극(270)은 기 공지된 전해환원장치에서 통상적으로 사용되는 소재로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 음극(250)은 스테인레스 스틸, 기준전극(270)은 텅스텐(W) 등이 사용될 수 있다. The cathode 250 and the reference electrode 270 may be made of materials commonly used in known electrolytic reduction devices. For example, the negative electrode 250 may be made of stainless steel, and the reference electrode 270 may be made of tungsten (W).

이상 본 발명의 실시 예에 따른 금속 전해정련장치(200)의 구성을 설명하였다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 정련방법을 구체적으로 설명한다. The configuration of the metal electrolytic refining device 200 according to the embodiment of the present invention has been described above. Hereinafter, a metal refining method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 정련방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도가니의 안정성 유지를 위한 CuCa내 Ca의 농도 범위를 한정하기 위한 Gibbs free energy (△G) 계산 결과를 나타내는 그래프이다.3 is a view for specifically explaining a metal refining method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a Gibbs free for limiting the concentration range of Ca in CuCa for maintaining stability of a crucible according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the energy (ΔG) calculation result.

실시 예에 따르면, 상기 전해정련 방법은 a) 정련하고자 하는 목적 금속인 제1 금속 또는 음극에 포함된 제2 금속과 동일한 소재인 도가니에 제3 금속의 산화물을 포함하는 전해질을 충진하는 단계, b) 전해질에 포함된 상기 제3 금속의 산화물을 전해환원하여, 제3 금속과 제2 금속의 합금을 제조하는 단계, c) 상기 전해질에 제1 금속의 산화물을 투입하고 상기 제1 금속의 산화물과 상기 제3 금속과 제2 금속의 합금이 반응하여, 상기 제1 금속이 제1 금속과 제2 금속의 합금으로 환원되는 단계 및 d) 고화된 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금으로부터 제1 금속을 회수하는 전해정련 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the electrolytic refining method includes the steps of a) filling an electrolyte containing an oxide of a third metal in a crucible made of the same material as the first metal, which is the target metal to be refined, or the second metal included in the cathode, b) ) Electrolytically reducing the oxide of the third metal contained in the electrolyte to prepare an alloy of the third metal and the second metal, c) Injecting the oxide of the first metal into the electrolyte and combining the oxide of the first metal with The alloy of the third metal and the second metal reacts to reduce the first metal to an alloy of the first metal and the second metal; and d) electrolytically refining the solidified alloy of the first metal and the second metal. Thus, an electrolytic refining step of recovering the first metal from the alloy of the first metal and the second metal may be included.

실시 예에 따르면, 상기 a) 내지 c) 단계는 상기 전해환원장치(100)에서 수행될 수 있으며, 상기 d) 단계는 상기 전해정련장치(200)에서 수행될 수 있다. 상기 전해환원장치(100)에서 수행되는 a) 내지 c) 단계는 동일한 도가니 내에서 실시간으로 수행될 수 있다. 다시 말해, 상기 전해환원 방법은 in-situ로 수행될 수 있다. According to an embodiment, steps a) to c) may be performed in the electrolytic reduction device 100, and step d) may be performed in the electrolytic refining device 200. Steps a) to c) performed in the electrolytic reduction device 100 may be performed in real time in the same crucible. In other words, the electrolytic reduction method may be performed in-situ.

상기 a) 단계에서는 도가니에 전해질을 충진할 수 있다. 이때, 상기 전해질은 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물의 용융염에 제3 금속의 산화물을 혼합한 용액을 의미한다. In step a), the crucible may be filled with electrolyte. In this case, the electrolyte refers to a solution obtained by mixing an oxide of a third metal with a molten salt of a halide of one or more metals selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals.

실시 예에 따르면, 상기 제3 금속의 산화물은 전해질의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 25% 포함될 수 있다. According to an embodiment, the oxide of the third metal may be included in an amount of 0.1 to 25% based on the total weight of the electrolyte.

실시 예에 따르면, 상기 도가니는 상기 제1 금속 또는 제2 금속과 동일한 재질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속(M1)이 전이금속이면, 상기 도가니는 상기 제1 금속과 동일한 금속으로 제조될 수 있으며, 상기 제1 금속이 희토류 금속으로 제공되면, 상기 도가니 및 음극이 Fe로 제조될 수 있다. According to an embodiment, the crucible may be made of the same material as the first metal or the second metal. For example, if the first metal M1 is a transition metal, the crucible may be made of the same metal as the first metal, and if the first metal is a rare earth metal, the crucible and the cathode may be made of Fe. can be manufactured.

상기 b) 단계에서는 전해질에 포함된 상기 제3 금속의 산화물을 전해환원하여, 제3 금속과 제2 금속의 합금을 제조할 수 있다. In the step b), an alloy of the third metal and the second metal may be prepared by electrolytically reducing the oxide of the third metal included in the electrolyte.

앞서 설명한 바와 같이 상기 제2 금속과 상기 제3 금속은 공정 점(eutectic point)을 가짐에 따라, 제2 금속과 제3 금속의 용융점 이하의 온도에서 제2 금속과 제3 금속의 합금이 제조될 수 있다. 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금은 액체 상태로 음극 표면에 환원 전착되어 상기 도가니 바닥에 액상 형태로 드롭될 수 있다. As described above, as the second metal and the third metal have an eutectic point, an alloy of the second metal and the third metal can be produced at a temperature below the melting point of the second metal and the third metal. can The alloy of the second metal and the third metal may be reduced and electrodeposited on the surface of the cathode in a liquid state and dropped in a liquid form on the bottom of the crucible.

구체적인 일 예로 상기 제2 금속이 Cu, 상기 제3 금속이 Ca인 경우, 하기 관계식 1에 따라 환원 반응이 발생하여 제2 금속과 제3 금속의 합금을 제조할 수 있다. As a specific example, when the second metal is Cu and the third metal is Ca, a reduction reaction occurs according to the following relational expression 1 to prepare an alloy of the second metal and the third metal.

[관계식 1][Relationship 1]

2CaO(s) → 2Ca2+ + O2(g) + 4e- 2CaO(s) → 2Ca 2+ + O 2 (g) + 4e -

2Ca2+ + 2Cu(s) + 4e- → 2CaCu(l)2Ca 2+ + 2Cu(s) + 4e - → 2CaCu(l)

상기 관계식 1에서 전해질 속에 포함되어 있던 CaO가 전해환원되어 Ca2+와 O2로 분리되고, 상기 Ca2+ 음극의 Cu와 반응하여 액체 상태의 CaCu가 형성될 수 있다. 또한, 반응 과정에서 생성된 산소는 불용성 양극의 Ni 또는 Cu의 합금층과 반응하여 상기 양극 표면에 NiO 또는 CuO 형태의 전도성 산화물 보호막이 형성될 수 있다. In the relational expression 1, CaO contained in the electrolyte is electrolytically reduced and separated into Ca 2+ and O 2 , and the Ca 2+ CaCu in a liquid state may be formed by reacting with Cu of the cathode. In addition, oxygen generated during the reaction may react with the Ni or Cu alloy layer of the insoluble anode to form a conductive oxide protective film in the form of NiO or CuO on the surface of the anode.

즉, 상기 관계식 1을 통해 전해환원 장치는 제2 금속과 제3 금속의 합금을 생성함과 동시에 양극 표면을 NiO 또는 CuO 형태의 전도성 산화물 보호막을 형성함으로써, 상기 양극의 내구도와 밀도를 향상시켜 양극의 질량손실을 줄일 수 있다. That is, through the relational expression 1, the electrolytic reduction device generates an alloy of the second metal and the third metal and at the same time forms a conductive oxide protective film in the form of NiO or CuO on the surface of the anode to improve durability and density of the anode. mass loss can be reduced.

상기 c) 단계에서는 전해질에 제1 금속의 산화물을 투입하고, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금으로, 상기 제1 금속의 산화물을 환원시켜 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조할 수 있다. In the step c), an alloy of the first metal and the second metal may be prepared by introducing an oxide of the first metal into an electrolyte and reducing the oxide of the first metal to an alloy of the second metal and the third metal. there is.

상기 c) 단계에서 상기 제1 금속은 금속 산화물 형태, 예를 들어, 상기 제1 금속이 Ti, Zr등과 같은 전이금속이면 TiO2, ZrO2의 형태로 전해질에 투입될 수 있으며, 상기 제1 금속이 Nd 및 Dy 등의 희토류 금속이면 Nd2O3, Dy2O3의 형태로 전해질에 투입될 수 있다. In the step c), the first metal may be introduced into the electrolyte in the form of a metal oxide, for example, TiO 2 or ZrO 2 when the first metal is a transition metal such as Ti or Zr. Rare earth metals such as Nd and Dy may be introduced into the electrolyte in the form of Nd 2 O 3 and Dy 2 O 3 .

이 후, 상기 b) 단계에서 제조한 제2 금속과 제3 금속의 합금이 환원제로 작용하여 금속 산화물 형태로 투입된 제1 금속을 환원시켜 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 금속을 포함하는 금속 산화물이 TiO2이고, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금이 CaCu인 경우, 하기 관계식 2에 따라 환원 반응이 발생될 수 있다.Thereafter, the alloy of the second metal and the third metal prepared in step b) may act as a reducing agent to reduce the first metal introduced in the form of a metal oxide to prepare an alloy of the first metal and the second metal. Specifically, when the metal oxide including the first metal is TiO 2 and the alloy of the second metal and the third metal is CaCu, a reduction reaction may occur according to the following relational expression 2.

[관계식 2][Relationship 2]

TiO2(s) +2CaCu(l) --> TiCu(l) + CaO(l)TiO 2 (s) +2CaCu(l) --> TiCu(l) + CaO(l)

상기 관계식 2에서 액체 금속 형태로 존재하는 CuCa 환원제가 TiO를 환원시켜 CuTi를 제조하고, 잔류한 CaO는 전해질에 다시 포함되어 전해질 내의 제3 금속의 농도를 일정 수준으로 유지시킬 수 있다.In Relational Equation 2, the CuCa reducing agent present in the liquid metal form reduces TiO to produce CuTi, and the remaining CaO is included in the electrolyte again to maintain the concentration of the third metal in the electrolyte at a certain level.

하지만 이 과정에서 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금(CuCa) 및 제1 금속과 제2 금속의 합금(CuTi)이 도가니가 반응하여 도가니의 성분이 제1 금속과 제2 금속의 합금(CuTi)을 오염시켜 제1 금속의 순도가 감소할 수 있다. 또한, 상기 도가니가 CuCa 및 CuTi와 반응하여 도가니가 용융되어 손상될 수 있다. However, in this process, the alloy of the second metal and the third metal (CuCa) and the alloy of the first metal and the second metal (CuTi) react in the crucible, so that the components of the crucible are an alloy of the first metal and the second metal (CuTi). ) to reduce the purity of the first metal. In addition, the crucible may be damaged by melting the crucible by reacting with CuCa and CuTi.

이에, 도가니의 건정성을 확보하고, 도가니가 제1 금속과 제2 금속의 합금과 반응하는 것을 방지하기 위해 본 발명은 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금 및 제1 금속과 제2 금속의 합금의 활동도(Activity)를 열역학 모듈을 통해 분석하여, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금 및 제1 금속과 제2 금속의 합금의 활동도를 적정 수준으로 감소시킬 수 있는 몰농도의 범위 를 산출할 수 있다. Therefore, in order to secure the soundness of the crucible and prevent the crucible from reacting with the alloy of the first metal and the second metal, the present invention provides a mixture of the alloy of the second metal and the third metal and the first metal and the second metal. The activity of the alloy is analyzed through a thermodynamics module, and the range of molarity that can reduce the activity of the alloy of the second metal and the third metal and the alloy of the first metal and the second metal to an appropriate level can be calculated.

도 4를 참조하면, 상기 제1 금속이 Ti, 제2 금속이 Cu, 제3 금속이 Ca인 경우, CuCa 제2 금속과 제3 금속의 합금 내 Ca가 60 mol% 이상인 경우 Gibbs free energy (△G)가 CuTi전 영역에서 양의 값을 가져 Ti도가니가 불용성 도가니로서 사용될 수 있다. Referring to FIG. 4, when the first metal is Ti, the second metal is Cu, and the third metal is Ca, CuCa When Ca in the alloy of the second metal and the third metal is 60 mol% or more, Gibbs free energy (Δ G) has a positive value in the entire region of CuTi, so that a Ti crucible can be used as an insoluble crucible.

다시 말해, 본 발명은 상기 제2 금속 및 제3 금속의 몰수를 하기 관계식 3과 같이 조절하여 도가니와 반응을 억제할 수 있다. 그 결과 전해환원 과정에서 제2 금속과 제3 금속의 합금 및 제1 금속과 제2 금속의 합금과 도가니가 반응하여 도가니가 용융되지 않도록 제어할 수 있다. In other words, in the present invention, the reaction with the crucible can be suppressed by controlling the number of moles of the second metal and the third metal as shown in relational expression 3 below. As a result, it is possible to control the melting of the crucible due to a reaction between the alloy of the second metal and the third metal and the alloy of the first metal and the second metal during the electrolytic reduction process.

[관계식 3][Relationship 3]

Cu2-xCa4x+(2x)TiO2=Cu2-xTi2x+(4x)CaO Cu 2-x Ca 4x +(2x)TiO 2 =Cu 2-x Ti 2x +(4x)CaO

(상기 관계식 2에서, x는 0.7 < x < 2를 만족하는 정수이다)(In relational expression 2 above, x is an integer that satisfies 0.7 < x < 2)

상기 관계식 3를 참조하면, 상기 x가 0.7 이하이면, CuCa 제2 금속과 제3 금속의 합금에서 Ca의 농도가 70 mol% 이상으로 증가하게 된다. CuCa 제2 금속과 제3 금속의 합금에서 Ca의 농도가 60 mol% 이상인 상태에서는 상대적으로 Cu의 활동도가 충분히 낮아 Cu의 반응을 억제할 수 있다. Referring to the relational expression 3, when x is 0.7 or less, the concentration of Ca in the alloy of the CuCa second metal and the third metal increases to 70 mol% or more. When the concentration of Ca in the alloy of the CuCa second metal and the third metal is 60 mol% or more, the activity of Cu is relatively low enough to suppress the reaction of Cu.

다시 말해, 상기 CuCa 제2 금속과 제3 금속의 합금에서 Ca의 농도가 60 mol% 이상, 더욱 바람직하게는 70 mol%이상이면, Cu의 활동도가 낮아져 도가니와 반응하는 것을 방지할 수 있다. In other words, when the concentration of Ca in the alloy of the CuCa second metal and the third metal is 60 mol% or more, and more preferably 70 mol% or more, the activity of Cu is lowered and the reaction with the crucible can be prevented.

한편, 상기 x가 0.7 이하이면 상기 CuTi 제1 금속과 제2 금속의 합금은 60 mol% 이상의 Ti를 가질 수 있다. 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금에서도 상기 Ti가 60 mol% 이상인 상태에서는 상대적으로 Cu의 활동도가 충분히 낮아 Cu의 반응을 억제할 수 있다. 다시 말해, 상기 CuTi 제1 금속과 제2 금속의 합금에서 Ti의 농도가 60 mol% 이상, 더욱 바람직하게는 70 mol%이상이면, Cu의 활동도가 낮아져 도가니와 반응하는 것을 방지할 수 있다. Meanwhile, when x is 0.7 or less, the alloy of the CuTi first metal and the second metal may have 60 mol% or more of Ti. Even in the alloy of the first metal and the second metal, when the content of Ti is 60 mol% or more, the activity of Cu is relatively low, so that the reaction of Cu can be suppressed. In other words, when the concentration of Ti in the alloy of the CuTi first metal and the second metal is 60 mol% or more, more preferably 70 mol% or more, the activity of Cu is lowered and the reaction with the crucible can be prevented.

상기 제1, 제2 및 제3 금속의 조성을 바꾸어 실험한 결과, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금은 상기 제3 금속을 60 mol% 이상 포함할 수 있으며, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금은 상기 제1 금속을 60 mol% 이상 포함할 수 있다는 것을 확인하였다. As a result of the experiment by changing the composition of the first, second and third metals, the alloy of the second metal and the third metal may contain 60 mol% or more of the third metal, and the first metal and the second metal It was confirmed that the alloy of may include 60 mol% or more of the first metal.

아울러, 상기 관계식 3을 만족하는 경우, 도가니 내부에 CuTi 재질의 스컬(Skull)이 형성될 수 있다. 그 결과 상기 스컬이 상기 도가니 내부를 감싸 액체 상태의 제2 금속과 제3 금속의 합금 또는 액체 상태의 제1 금속과 제2 금속의 합금이 상기 도가니와 직접 맞닫는 것을 방지할 수 있다. 다시 말해, 상기 CuTi의 스컬층이 상기 도가니의 내면을 감싸 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금 또는 제2 금속과 제3 금속의 합금이 도가니와 반응하여 도가니를 용융하는 것을 방지할 수 있다. 이하, 상기 관계식 3을 만족하는 조성에 따라 형성된 스컬을 조성적 스컬(Compositional skull)이라 정의하며, 상기 조성적 스컬이 형성된 면을 조성적 스컬 라인(Compositional skull line)으로 정의한다.In addition, when the relational expression 3 is satisfied, a skull made of CuTi may be formed inside the crucible. As a result, the skull may cover the inside of the crucible to prevent the alloy of the second metal and the third metal in a liquid state or the alloy of the first metal and the second metal in a liquid state from directly contacting the crucible. In other words, the CuTi skull layer covers the inner surface of the crucible to prevent the alloy of the first metal and the second metal or the alloy of the second metal and the third metal from reacting with the crucible and melting the crucible. Hereinafter, a skull formed according to the composition satisfying the relational expression 3 is defined as a compositional skull, and a surface on which the compositional skull is formed is defined as a compositional skull line.

만약 상기 제1 금속을 전이금속이 아닌 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속이면, 상기 제2 금속을 Fe로 선택하고, 상기 음극 및 도가니를 Fe로 제조하면, 상기 전이금속과 같은 조건에서 도가니 내부에 조성적 스컬을 형성할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 금속이 희토류, 제2 금속이 Fe이면, 제2 금속과 제3 금속의 합금에서 제3 금속이 60 mol% 이상, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금에서 제1 금속이 60 mol% 이상 포함되면 도가니 내부에 조성적 스컬을 형성하여 도가니를 보호할 수 있다. If the first metal is not a transition metal but a rare earth metal composed of Pr, Nd, and Dy, if Fe is selected as the second metal and the cathode and the crucible are made of Fe, the inside of the crucible under the same conditions as the transition metal It is possible to form a compositional skull. In other words, when the first metal is a rare earth and the second metal is Fe, the third metal is 60 mol% or more in the alloy of the second metal and the third metal, and the first metal in the alloy of the first metal and the second metal When it is contained in an amount of 60 mol% or more, the crucible can be protected by forming a compositional skull inside the crucible.

실시 예에 따르면, 상기 관계식 2 또는 관계식 3에서 생성되는 CaO는 전해질에 재용해되어 상기 관계식 1에 따라 전해환원 될 수 있으나, 상기 CaO의 농도가 3 mol% 이상으로 증가할 경우, CaCu 제2 금속과 제3 금속의 합금이 TiO를 환원하는 속도를 감소시켜 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금의 생성을 방해할 수 있다. 이를 방지하기 위해 불용성 양극에서 CaO를 지속적으로 분해하여 3 mol% 이하로 유지시킬 수 있다. According to an embodiment, CaO generated in the relational expression 2 or the relational expression 3 may be redissolved in the electrolyte and electrolytically reduced according to the relational expression 1, but when the concentration of CaO increases to 3 mol% or more, CaCu second metal The alloy of the first metal and the third metal may reduce the rate at which TiO is reduced, thereby preventing the formation of an alloy between the first metal and the second metal. To prevent this, CaO may be continuously decomposed at the insoluble anode to be maintained at 3 mol% or less.

실시 예에 따르면, 상기 b) 및 c) 단계, 또는 a) 내지 c) 단계는 800 내지 1100℃에서 수행될 수 있다. 상기 b) 및 c) 단계가 800℃ 미만이면, 상기 Ca의 활동도가 감소하여 제2 금속과 제3 금속의 합금 내 제3 금속의 mol%가 감소되고, 제2 금속의 mol%가 증가할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금 내 제2 금속이 제1 금속으로 제조된 도가니와 반응하여 도가니를 용융시킬 수 있다. According to an embodiment, steps b) and c), or steps a) to c) may be performed at 800 to 1100 °C. When the steps b) and c) are less than 800 ° C, the activity of Ca decreases, so that the mol% of the third metal in the alloy of the second metal and the third metal decreases and the mol% of the second metal increases. can In this case, the second metal in the alloy of the second metal and the third metal may react with the crucible made of the first metal to melt the crucible.

반대로 1100℃를 초과하면, 상기 Ti의 활동도가 감소하여 제1 금속과 제2 금속의 합금 내 제1 금속의 mol%가 감소되고, 제2 금속의 mol% 가 증가하여 제1 금속과 제2 금속의 합금 내 제2 금속이 도가니와 반응하여 용융시킬 수 있다. Conversely, when the temperature exceeds 1100 ° C., the activity of Ti decreases, so that the mol% of the first metal in the alloy of the first metal and the second metal decreases, and the mol% of the second metal increases, so that the first metal and the second metal A second metal in the alloy of metals may react with the crucible and melt it.

이러한 이유로 상기 b) 및 c) 단계는 800 내지 1100℃, 더욱 바람직하게는 900 내지 1000℃에서 수행될 수 있다. For this reason, steps b) and c) may be performed at 800 to 1100 °C, more preferably at 900 to 1000 °C.

마지막으로 d) 단계는 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금으로부터 제1 금속을 회수할 수 있다. Finally, in step d), the first metal may be recovered from the alloy of the first metal and the second metal by electrolytically refining the alloy of the first metal and the second metal.

상기 d) 단계는 a) 내지 c) 단계와는 다르게, 전해정련장치에서 수행될 수 있다. 상기 전해정련장치에 대한 설명은 생략하도록 한다. Unlike steps a) to c), step d) may be performed in an electrolytic refining apparatus. A description of the electrolytic refining device will be omitted.

실시 예에 따르면, 상기 d) 단계는 600 내지 800℃에서 10 내지 500mA/㎠의 전류밀도를 가하여 전해정련을 수행할 수 있다. 이 때, 전해정련의 온도 및 시간은 하나의 예시를 위해 기재되었을 뿐 이에 한정되는 것이 아니며, 통상의 기술자의 판단에 의해 변형되어 적용할 수 있다. 또한, 상기 전해정련은 1 내지 20시간동안 수행할 수 있다. According to an embodiment, in step d), electrolytic refining may be performed by applying a current density of 10 to 500 mA/cm 2 at 600 to 800 °C. At this time, the temperature and time of electrolytic refining are described only for one example and are not limited thereto, and may be modified and applied by the judgment of a person skilled in the art. In addition, the electrolytic refining may be performed for 1 to 20 hours.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 금속 정련방법 및 금속 전해환원장치에 대해 설명하였다. 본 명세서에서는 상기 제1 금속을 Ti, 제2 금속을 Cu 및 제3 금속을 Ca인 것을 예를 들어 설명하였으나 이에 한정된 것이 아니며, 제1 내지 제3 금속을 명세서에 기재한 다른 금속으로 바꾸어도 무방하다. 예를 들어, 상기 제1 금속이 Zr인 경우에도 Ti과 동일한 과정을 통해 제1 금속과 제2 금속의 합금으로 제조될 수 있다. The metal refining method and metal electrolytic reduction device according to the embodiment of the present invention have been described above. In the present specification, it has been described that the first metal is Ti, the second metal is Cu, and the third metal is Ca as an example, but it is not limited thereto, and the first to third metals may be replaced with other metals described in the specification. . For example, even when the first metal is Zr, it may be manufactured as an alloy of the first metal and the second metal through the same process as Ti.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, it should be noted that the following examples are only for illustrating the present invention in more detail, and are not intended to limit the scope of the present invention. This is because the scope of the present invention is determined by the matters described in the claims and the matters reasonably inferred therefrom.

가. 도가니로 인한 제1 금속과 제2 금속의 합금의 오염여부 실험go. Contamination test of the alloy of the first metal and the second metal due to the crucible

도가니 재질에 의하여 제1 금속과 제2 금속의 합금의 상태를 비교하기 위하여 아래와 같은 실시예와 비교예를 준비하였다. In order to compare the state of the alloy of the first metal and the second metal according to the material of the crucible, the following examples and comparative examples were prepared.

[실시예 1][Example 1]

CaO를 5 중량%로 함유하는 CaCl2 전해질을 준비하였다. 상기 전해질을 Grade 2 등급의 Ti(순도 99% 이상 Ti)로 제조한 도가니에 장입하고 불용성 양극, 음극 및 기준전극을 연결하였다. 이 때, 불용성 양극은 30 중량%의 Ti-C Cermet과 잔부의 NiO의 합급층을 포함하는 소재로 사용하였으며, 음극은 Cu 30g을, 기준전극은 텅스텐을 사용하였다. A CaCl 2 electrolyte containing 5% by weight of CaO was prepared. The electrolyte was charged into a crucible made of Ti (purity of 99% or more) of Grade 2, and an insoluble anode, cathode, and reference electrode were connected. At this time, the insoluble anode was used as a material containing an alloy layer of 30% by weight of Ti-C Cermet and the balance of NiO, the cathode was used with 30 g of Cu, and the reference electrode was used with tungsten.

이 후, 도가니를 900℃로 가열한 상태에서 500㎃/㎠ 의 전류밀도, 음극 전위는 텅스텐 환원 전위 대비 -1.3~-1.5V인 상태로 전해환원을 수행하여 CaCu를 생산하였다. 아울러, CaCu를 생산하는 동안 투입구를 통해 평균 입자크기 4.5㎛의 TiO2 를 전해질에 투입하여 동일한 도가니 내에서 TiCu를 제조하였다.Thereafter, CaCu was produced by performing electrolytic reduction in a state where the crucible was heated to 900 ° C., a current density of 500 mA / cm 2 and a cathode potential of -1.3 to -1.5 V compared to the tungsten reduction potential. In addition, while producing CaCu, TiO 2 having an average particle size of 4.5 μm was introduced into the electrolyte through the inlet to manufacture TiCu in the same crucible.

[실시예 2][Example 2]

도가니를 순도 99% 이상의 Zr으로 제조하고, 전해환원 중 투입구를 통해 ZrO2를 전해질에 투입한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다. A crucible was made of Zr having a purity of 99% or more, and all processes were performed in the same manner as in Example 1 except that ZrO 2 was introduced into the electrolyte through the inlet during electrolytic reduction.

[비교예 1][Comparative Example 1]

도가니를 순도 99% 이상의 Mo으로 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다. All processes were performed in the same manner as in Example 1 except that the crucible was made of Mo having a purity of 99% or more.

상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따라 12시간동안 전해환원을 수행하여 TiCu 또는 ZrCu로 이루어진 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조한 후, 제1 금속과 제2 금속의 합금의 단면을 잘라, 단면의 성분을 분석하여 제1 금속과 제2 금속의 합금의 오염 여부를 판단하였다. After preparing an alloy of the first metal and the second metal made of TiCu or ZrCu by performing electrolytic reduction for 12 hours according to Example 1, Example 2 and Comparative Example 1, the alloy of the first metal and the second metal A cross section of was cut, and components of the cross section were analyzed to determine whether or not the alloy of the first metal and the second metal was contaminated.

구체적으로 도 5는 비교예 1로 제조한 제1 금속과 제2 금속의 합금의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 6은 실시예 1로 제조한 제1 금속과 제2 금속의 합금의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 표 1은 실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 제조된 제1 금속과 도가니 소재 간 오염 발생 여부를 정리한 표이다. Specifically, FIG. 5 is a photograph taken by SEM of a cross-section of an alloy of a first metal and a second metal prepared in Comparative Example 1, and FIG. 6 is a cross-section of an alloy of a first metal and a second metal prepared in Example 1. is a photograph taken by SEM, and Table 1 is a table summarizing whether or not contamination occurs between the first metal and the crucible material manufactured according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.

상기 SEM은 Jeol사의 JP/JSM-7000F 전계방사형주사전자형미경을 사용하였다. For the SEM, Jeol's JP/JSM-7000F field emission scanning electron microscope was used.

제1 금속1st metal 도가니 소재crucible material 오염 발생contamination 실시예 1Example 1 TiTi TiTi XX 실시예 2Example 2 ZrZr ZrZr XX 비교예 1Comparative Example 1 TiTi MoMo OO

상기 표 1을 참조하면, 제1 금속과 동일한 소재로 도가니를 제조한 실시예 1과 실시예 2는 TiCu 또는 ZrCu로 이루어진 제1 금속과 제2 금속의 합금과 도가니가 반응하지 않아 제1 금속과 제2 금속의 합금에 오염이 발생하지 않았다. 반면에 제1 금속과 다른 소재의 도가니로 제조한 비교예 1은 도가니와 제1 금속과 제2 금속의 합금이 반응하여 도가니의 성분이 제1 금속과 제2 금속의 합금에 포함되었다. 그 결과 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금이 오염된 것을 확인하였다. Referring to Table 1, in Examples 1 and 2 in which the crucible was manufactured from the same material as the first metal, the alloy of the first metal and the second metal made of TiCu or ZrCu did not react with the crucible, so that the first metal and the crucible did not react. No contamination occurred in the alloy of the second metal. On the other hand, in Comparative Example 1 manufactured with a crucible made of a material different from the first metal, the crucible reacted with the alloy of the first metal and the second metal, and the components of the crucible were included in the alloy of the first metal and the second metal. As a result, it was confirmed that the alloy of the first metal and the second metal was contaminated.

도 5를 참조하면, 비교예 1로 제조한 제1 금속과 제2 금속의 합금은 성분이 균일하게 혼합되지 못하고 일부 영역에 Mo가 포함되어 두개의 영역으로 나뉘는 것을 확인할 수 있다. 이를 구체적으로 분석하기 위하여 도 5에서 밝은 영역을 1 영역, 어두운 영역을 2 영역으로 명명한 후, 상기 1영역과 2영역의 조성을 비교하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다. Referring to FIG. 5 , it can be seen that the alloy of the first metal and the second metal prepared in Comparative Example 1 is divided into two regions because the components are not uniformly mixed and Mo is included in some regions. To analyze this in detail, after naming the bright area as area 1 and the dark area as area 2 in FIG. 5, the compositions of the first area and the second area were compared. The results are shown in Table 2 below.

CuCu TiTi MoMo 1 영역1 area 51.46 at.%51.46 at.% 32.15 at.%32.15 at.% 16.39 at.%16.39 at.% 2 영역2 area 38.09 at.%38.09 at.% 61.91 at.%61.91 at.% --

상기 표 2를 참조하면, 본 발명의 비교예 1에 따라 제조된 제1 금속과 제2 금속의 합금은 일부 영역에 도가니의 조성인 Mo가 포함되어 오염되었음을 확인할 수 있다. 그 결과 Mo의 불순물이 포함되어 제1 금속의 순도가 감소되었으며, 향후에 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여 제1 금속을 회수할 때, 동일한 질량의 제1 금속과 제2 금속의 합금에서 회수되는 제1 금속의 회수량 또한 감소될 수 있음을 충분히 예상할 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the alloy of the first metal and the second metal prepared according to Comparative Example 1 of the present invention is contaminated because Mo, which is a composition of the crucible, is included in a partial area. As a result, the purity of the first metal was reduced due to the inclusion of impurities of Mo, and when the first metal is recovered by electrolytic refining of an alloy of the first metal and the second metal in the future, the first metal and the second metal of the same mass It can be fully expected that the recovery amount of the first metal recovered from the alloy of may also be reduced.

반면에 도 6을 참조하면, 실시예 1로 제조한 제1 금속과 제2 금속의 합금은 합금 내 Ti와 Cu의 밀도에 따라 1영역과 2영역으로 나눠지나, 하기 표 3과 같이 Cu 와 Ti의 밀도만 다르고 Ti Cu 외 불순물이 포함되지 않는 것을 확인하였다. 구체적으로 1 영역은 위치마다 조성이 다르지만 Ti가 78 at.% 이상, Cu가 22 at.% 이하로 상대적으로 Ti-rich 상이 형성되며, 2 영역은 Cu가 36 at.% Ti가 64 at.%로 1영역 대비 상대적으로 Ti 농도가 낮은 CuTi 상이 형성되었다. 상기 Ti-rich 상은 위치에 따라 Ti의 조성이 증감하지만, CuTi상은 Cu가 36 at.% Ti이 64 at.%로 고정되어 모든 위치에서 동일한 조성으로 형성되어 있음을 확인하였다. 아울러, 도 6의 3(도가니 영역)은 Ti이 100 at.%로 균일하게 유지되는 것을 확인하였다. On the other hand, referring to FIG. 6, the alloy of the first metal and the second metal prepared in Example 1 is divided into region 1 and region 2 according to the density of Ti and Cu in the alloy, but as shown in Table 3 below, Cu and Ti It was confirmed that only the density was different and no impurities other than Ti and Cu were included. Specifically, although the composition of region 1 is different for each location, a relatively Ti-rich phase is formed with more than 78 at.% Ti and less than 22 at.% Cu, and region 2 with 36 at.% Cu and 64 at.% Ti. As a result, a CuTi phase with a relatively low Ti concentration compared to area 1 was formed. In the Ti-rich phase, the composition of Ti increases and decreases depending on the position, but in the CuTi phase, it was confirmed that the same composition was formed at all positions with Cu fixed at 36 at.% and Ti at 64 at.%. In addition, it was confirmed that Ti was uniformly maintained at 100 at.% in 3 (crucible area) of FIG. 6 .

CuCu TiTi 1 영역(CuTi), 위치별 조성 상이1 area (CuTi), composition differs by location 22∼3 at.% 22-3 at.% 78∼97 at.% 이상78∼97 at.% or more 2 영역(CuTi), 위치별 조성 균일2 areas (CuTi), uniform composition by position 38.09 at.%38.09 at.% 61.91 at.%61.91 at.% 3 영역( Ti 도가니)3 zone (Ti crucible) -- 100 at.%100 at.%

즉, 상기 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 제1 금속과 제2 금속의 합금은 도가니와 반응하지 않으며, 일부 영역에 Ti가 밀집된 Ti-rich 영역이 존재하나, 그 외 지역에는 Ti와 Cu가 동일한 원자%로 존재하고 있음을 알 수 있다. That is, the alloy of the first metal and the second metal manufactured according to Examples 1 and 2 does not react with the crucible, and Ti-rich regions in which Ti is concentrated exist in some regions, but Ti and Ti are present in other regions. It can be seen that Cu exists in the same atomic percentage.

즉, 본 발명은 상기 도가니의 소재를 제1 금속 또는 제2 금속과 동일한 소재로 제조함으로써, 제1 금속과 제2 금속의 합금의 오염을 방지하고, 제1 금속과 제2 금속의 합금 내의 제1 금속의 순도를 증가시킬 수 있다. That is, the present invention prevents contamination of the alloy of the first metal and the second metal by manufacturing the material of the crucible with the same material as the first metal or the second metal, and the first metal in the alloy of the second metal 1 Can increase the purity of metals.

나. 조성적 스컬 형성에 의한 도가니의 안정성 평가me. Evaluation of Crucible Stability by Compositional Skull Formation

본 발명의 조성적 스컬 형성에 의한 도가니의 안정성 평가를 위해 전해환원을 통해 서로 다른 조성의 제2 금속과 제3 금속의 합금의 또는 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조한 후 도가니와의 반응 여부를 비교하였다. In order to evaluate the stability of the crucible by the compositional skull formation of the present invention, an alloy of the second metal and the third metal or an alloy of the first metal and the second metal having different compositions is prepared through electrolytic reduction, and then Reaction was compared.

[실시예 11][Example 11]

상기 실시예 1에 기재된 방법으로 70 mol%의 Ca와 30 mol%의 Cu를 갖는 CaCu를 제조하였다. 이 후, CaCl2전해질과 70Ca-30Cu 조성의 제2 금속과 제3 금속의 합금을 Grade 2 등급의 Ti(순도 99% 이상 Ti)로 제조한 도가니에 장입하고 1050 ℃를 12시간 동안 유지하였다. CaCu having 70 mol% of Ca and 30 mol% of Cu was prepared by the method described in Example 1 above. Thereafter, the CaCl 2 electrolyte and the alloy of the second metal and the third metal having a composition of 70Ca-30Cu were charged into a crucible made of Grade 2 grade Ti (purity of 99% or more Ti) and maintained at 1050 ° C. for 12 hours.

[비교예 11][Comparative Example 11]

상기 제2 금속과 제3 금속의 합금의 조성을 40Ca-60Cu으로 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 11과 동일하게 수행하였다. All processes were performed in the same manner as in Example 11 except that the composition of the alloy of the second metal and the third metal was 40Ca-60Cu.

[비교예 12][Comparative Example 12]

상기 제2 금속과 제3 금속의 합금의 조성을 51Ca-49Cu로 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 11과 동일하게 수행하였다.All processes were performed in the same manner as in Example 11 except that the composition of the alloy of the second metal and the third metal was 51Ca-49Cu.

[실시예 12][Example 12]

상기 실시예 1에 기재된 방법으로 70 mol%의Ti와 30 mol%의 Cu가 혼합된 TiCu를 제조하였다. 이 후, CaCl2전해질과 70Ti-30Cu 조성의 제1 금속과 제2 금속의 합금을 Grade 2 등급의 Ti(순도 99% 이상 Ti)로 제조한 도가니에 장입하고 1050 ℃를 12시간 동안 유지하였다. TiCu in which 70 mol% of Ti and 30 mol% of Cu were mixed was prepared by the method described in Example 1 above. Thereafter, the CaCl 2 electrolyte and the alloy of the first metal and the second metal of the 70Ti-30Cu composition were charged into a crucible made of Grade 2 Ti (purity of 99% or more Ti), and 1050 ° C. was maintained for 12 hours.

[비교예 13][Comparative Example 13]

상기 제1 금속과 제2 금속의 합금의 조성을 30 mol%의 Ti와 70 mol%의 Cu로 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 11과 동일하게 수행하였다. All processes were performed in the same manner as in Example 11 except that the composition of the alloy of the first metal and the second metal was prepared with 30 mol% of Ti and 70 mol% of Cu.

[비교예 14][Comparative Example 14]

상기 제1 금속과 제2 금속의 합금의 조성을 50 mol%의 Ti과 50 mol%의 Cu로 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 11과 동일하게 수행하였다. All processes were performed in the same manner as in Example 11 except that the composition of the alloy of the first metal and the second metal was prepared with 50 mol% of Ti and 50 mol% of Cu.

이후, 상기 실시예 11, 12 및 비교예 11 내지 14에 따른 도가니의 조성적 스컬(Compositional skull) 형성 여부를 하기 표 4에 정리한다. Then, whether the crucibles according to Examples 11 and 12 and Comparative Examples 11 to 14 were formed with compositional skulls is summarized in Table 4 below.

또한, 설명의 편의를 위해 실시예에서는 제1 금속과 제2 금속의 합금을 양극재, 제2 금속과 제3 금속의 합금을 환원제로 명명한다. Also, for convenience of explanation, in the embodiment, the alloy of the first metal and the second metal is referred to as a cathode material, and the alloy of the second metal and the third metal is referred to as a reducing agent.

환원제 or 양극재 조성(mol%)Composition of reducing agent or cathode material (mol%) 조성적 스컬 형성compositional skull formation TiTi CaCa CuCu 실시예 11Example 11 -- 7070 3030 OO 실시예 12Example 12 7070 -- 3030 OO 비교예 11Comparative Example 11 -- 4040 6060 XX 비교예 12Comparative Example 12 -- 5151 4949 XX 비교예 13Comparative Example 13 3030 -- 7070 XX 비교예 14Comparative Example 14 5050 -- 5050 XX

상기 표 4를 참조하면, 환원제에서 제2 금속(Ca)이 60 mol% 이상 포함된 실시예 11, 양극재에서 제1 금속(Ti)이 60 mol% 이상 포함된 실시예 12는 도가니 외벽에 조성적 스컬이 형성되어 도가니가 용융되지 않고 안전성을 확보하였으나, 상기 비교예 11 내지 14는 조성적 스컬이 형성되지 않아 상기 양극재 또는 환원제에 의해 도가니가 용융되었다. Referring to Table 4, in Example 11, in which the reducing agent contained 60 mol% or more of the second metal (Ca), and in Example 12, in which the cathode material contained 60 mol% or more of the first metal (Ti), the outer wall of the crucible was Although the crucible was not melted and safety was ensured by the formation of a sexual skull, in Comparative Examples 11 to 14, the crucible was melted by the positive electrode material or the reducing agent because the compositional skull was not formed.

도 7은 양극재 내 Ta 조성에 따른 도가니의 안정성을 비교하기 위한 도가니 단면 사진이고, 도 8은 조성적 스컬 라인(Compositional skull line)을 설명하기 위한 사진이고, 도 9는 환원제 내 Ca 조성의 따른 도가니의 안정성을 비교하기 위한 도가니 단면 사진이고 도 10은 환원제 내 Ca 조성의 따른 도가니의 안정성을 비교하기 위한 도가니 정면 사진이다.7 is a cross-sectional photograph of a crucible for comparing the stability of the crucible according to the composition of Ta in the cathode material, FIG. 8 is a photograph for explaining the compositional skull line, and FIG. 9 is a photograph of the composition of Ca in the reducing agent. 10 is a cross-sectional photograph of the crucible for comparing stability of the crucible, and FIG. 10 is a frontal photograph of the crucible for comparing the stability of the crucible according to the composition of Ca in the reducing agent.

도 7을 참조하면, 양극재 내 Ti 조성이 60 mol% 이상인 실시예 12는 도가니의 형상이 유지되었으나, 양극재 내 Ti 조성이 60mol% 미만인 비교예 13, 비교예 14는 도가니 하단부가 용융되었음을 알 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 CuCa 환원제 내 Ca가 60 mol% 이상인 경우 상대적으로 Cu의 활동도가 충분히 낮아 Cu가 Ti 도가니와 반응하는 것을 억제할 수 있기 때문이다. Referring to FIG. 7, in Example 12, in which the Ti composition in the cathode material was 60 mol% or more, the shape of the crucible was maintained, but in Comparative Examples 13 and 14, in which the Ti composition in the cathode material was less than 60 mol%, the bottom of the crucible was melted. can This is because, as described above, when the Ca content of the CuCa reducing agent is 60 mol % or more, the activity of Cu is relatively low enough to suppress the reaction of Cu with the Ti crucible.

그 결과 도 8과 같이 CuTi로 이루어지는 조성적 스컬(Compositional skull)이 도가니 내부에 형성되어 도가니 내면을 따라 조성적 스컬 라인(Compositional skull line)이 형성될 수 있다. 상기 조성적 스컬 라인으로 인하여 액체 상태의 양극재가 상기 도가니와 직접 맞닫는 것을 방지하여 도가니의 안정성을 크게 향상할 수 있다. As a result, as shown in FIG. 8, a compositional skull made of CuTi may be formed inside the crucible, and a compositional skull line may be formed along the inner surface of the crucible. Due to the compositional skull line, it is possible to greatly improve the stability of the crucible by preventing the positive electrode material in a liquid state from coming into direct contact with the crucible.

마찬가지로 도 9 및 도 10을 참조하면, 환원제 내 Ca 조성이 40 mol%인 비교예 11과 51 mol%인 비교예 12는 상기 환원제와 상기 도가니가 반응하여 도가니가 용융된 것을 확인할 수 있다. 반면에 상기 Ca 조성이 60 mol% 이상인 실시예 11은 도가니의 형상이 유지되었다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 CuCa 환원제 내 Ca가 60 mol% 이상인 경우 상대적으로 Cu의 활동도가 충분히 낮아 Cu가 Ti 도가니와 반응하는 것을 억제할 수 있기 때문이다. Similarly, referring to FIGS. 9 and 10 , in Comparative Example 11 in which the Ca composition in the reducing agent was 40 mol% and Comparative Example 12 in which the Ca composition was 51 mol%, it could be confirmed that the crucible reacted with the reducing agent and the crucible was melted. On the other hand, in Example 11 in which the Ca composition was 60 mol% or more, the shape of the crucible was maintained. This is because, as described above, when the Ca content of the CuCa reducing agent is 60 mol % or more, the activity of Cu is relatively low enough to suppress the reaction of Cu with the Ti crucible.

이상 본 발명의 실시 예에 따른 금속 정련방법 및 금속 전해환원장치을 설명하였다. The metal refining method and metal electrolytic reduction device according to the embodiment of the present invention have been described above.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 도가니, 가열부, 금속산화물 형태의 제1 금속을 투입하는 투입부, 불용성 양극 및 제2 금속을 포함하는 음극을 포함하며, 상기 전해질은, 염화물, 불화물 또는 염화물과 불화물로 이루어진 할로겐화물의 용융염과 제3 금속의 산화물이 혼합되며 상기 전해환원 장비는 동일한 도가니 내부에서, 금속 산화물 형태의 상기 제3 금속을 전해환원하여 제2 금속과 제3 금속으로 이루어진 합금을 제조하는 공정과, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금으로 제1 금속의 산화물을 환원하여 제1 금속과 제2 금속의 합금을 제조하는 공정을 실시간으로 수행할 수 있다.As described above, the present invention includes a crucible, a heating unit, an inlet unit for introducing a first metal in the form of a metal oxide, an insoluble anode, and a cathode including a second metal, wherein the electrolyte is chloride, fluoride, or chloride and fluoride. A molten salt of a halide made of and an oxide of a third metal are mixed, and the electrolytic reduction equipment produces an alloy composed of the second metal and the third metal by electrolytically reducing the third metal in the form of a metal oxide in the same crucible. The process of preparing the alloy of the first metal and the second metal by reducing the oxide of the first metal with the alloy of the second metal and the third metal may be performed in real time.

이 과정에서 본 발명은 상기 도가니를 동일한 금속으로 제조하여 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금에 불순물이 포함되는 것을 방지하고, 제1 금속의 순도를 향상할 수 있다. In this process, the present invention can prevent impurities from being included in the alloy of the first metal and the second metal by making the crucible of the same metal and improve the purity of the first metal.

또한, 본 발명은 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금에서 상기 제3 금속을 60 mol%이상 포함하고, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금에서 상기 제1 금속을 60 mol% 이상 포함하여 상기 도가니 내부에 스컬을 형성하여, 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금 또는 제1 금속과 제2 금속의 합금에 의해 상기 도가니가 용융되는 것을 방지할 수 있다. In addition, the present invention includes 60 mol% or more of the third metal in the alloy of the second metal and the third metal, and 60 mol% or more of the first metal in the alloy of the first metal and the second metal. A skull may be formed inside the crucible to prevent melting of the crucible due to an alloy of the second metal and the third metal or an alloy of the first metal and the second metal.

만약, 상기 제1 금속이 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속으로 제공되면, 상기 제2 금속을 Fe로 사용하고, 상기 도가니를 제2 금속인 Fe로 제조하여, 동일한 과정을 통해 도가니 내부에 스컬을 형성시켜 도가니가 용융되는 것을 방지할 수 있다. If the first metal is provided as a rare earth metal composed of Pr, Nd, and Dy, Fe is used as the second metal, and the crucible is made of Fe as the second metal, and the skull inside the crucible is formed through the same process. It is possible to prevent the crucible from melting by forming.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.In the above description, various embodiments of the present invention have been presented and described, but the present invention is not necessarily limited thereto. It will be readily apparent that branch substitutions, modifications and alterations are possible.

100: 금속 전해환원장치
110: 도가니 120:투입부 130: 불용성 양극 150: 음극 170: 가열부
190: 전원부
200: 금속 전해정련장치
210: 도가니 230:양극 250: 음극 270: 기준전극 290:일정전위기
100: metal electrolytic reduction device
Reference Numerals 110: crucible 120: input unit 130: insoluble anode 150: cathode 170: heating unit
190: power supply
200: metal electrolytic refining device
210: crucible 230: anode 250: cathode 270: reference electrode 290: potential constant

Claims (15)

a) 정련하고자 하는 목적 금속인 제1 금속 또는 음극에 포함된 제2 금속과 동일한 소재인 도가니에 제3 금속의 산화물을 포함하는 전해질을 충진하는 단계;
b) 전해질에 포함된 상기 제3 금속의 산화물을 전해환원하여, 제2 금속과 제3 금속의 합금을 제조하는 단계;
c) 상기 전해질에 제1 금속의 산화물을 투입하고 상기 제1 금속의 산화물과 상기 제2 금속과 제3 금속의 합금이 반응하여, 상기 제1 금속이 제1 금속과 제2 금속의 합금으로 환원되는 단계; 및
d) 고화된 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금을 전해정련하여, 상기 제1 금속과 제2 금속의 합금으로부터 제1 금속을 회수하는 전해정련 단계;를 포함하는 금속 정련방법.
a) filling an electrolyte containing an oxide of a third metal in a crucible made of the same material as the first metal, which is a target metal to be refined, or the second metal included in the cathode;
b) preparing an alloy of the second metal and the third metal by electrolytically reducing the oxide of the third metal contained in the electrolyte;
c) An oxide of the first metal is introduced into the electrolyte, and the oxide of the first metal reacts with an alloy of the second metal and the third metal to reduce the first metal to an alloy of the first metal and the second metal. step of becoming; and
d) an electrolytic refining step of recovering the first metal from the alloy of the first metal and the second metal by electrolytically refining the solidified alloy of the first metal and the second metal;
제1항에 있어서,
상기 전해질은,
알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물의 용융염 및 제3 금속의 산화물을 포함하는, 금속 정련방법.
According to claim 1,
The electrolyte is
A metal refining method comprising a molten salt of a halide of one or more metals selected from the alkali metal and alkaline earth metal groups and an oxide of a third metal.
제1항에 있어서,
상기 a) 내지 c) 단계는 동일한 도가니 내에서 실시간으로 수행되는, 금속 정련방법.
According to claim 1,
Steps a) to c) are performed in real time in the same crucible, metal refining method.
제1항에 있어서,
상기 b) 및 c) 단계는 800 내지 1100℃에서 수행되는, 금속 정련방법.
According to claim 1,
Steps b) and c) are performed at 800 to 1100 ° C., a metal refining method.
제1항에 있어서,
상기 제3 금속과 제2 금속의 합금에서, 상기 제3 금속이 60 mol% 이상 포함되며,
상기 제1 금속과 제2 금속의 합금에서, 상기 제1 금속이 60 mol% 이상 포함되는, 금속 정련방법.
According to claim 1,
In the alloy of the third metal and the second metal, the third metal is included in 60 mol% or more,
In the alloy of the first metal and the second metal, the first metal is included in 60 mol% or more, a metal refining method.
제1항에 있어서,
상기 금속 정련방법은
상기 b) 내지 c)단계 사이에, 상기 도가니 내부에 스컬(skull)이 형성되는 단계;를 더 포함하는 금속 정련방법.
According to claim 1,
The metal refining method
Between the steps b) to c), forming a skull inside the crucible; metal refining method further comprising.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속은 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속 군에서 선택되는 금속 또는 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속군에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 제공되는, 금속 정련방법.
According to claim 1,
The first metal is a metal selected from the transition metal group consisting of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta, or any one selected from the rare earth metal group consisting of Pr, Nd, and Dy. A metal refining method, provided as one metal.
제1항에 있어서,
상기 제2 금속은 Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd 및 Fe로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로 제공되는, 금속 정련방법.
According to claim 1,
The second metal is provided as a metal selected from the group consisting of Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd and Fe, metal refining method.
제1 금속 또는 고체 금속 음극의 금속인 제2 금속과 동일한 소재인 도가니;
상기 도가니에 충진되고 제3 금속의 산화물을 포함하는 전해질;
제1 금속의 산화물을 상기 전해질에 투입하는 투입부;
상기 전해질에 침지되는 불용성 양극; 및
상기 전해질에 침지되며, 제2 금속을 포함하는 음극;을 포함하고,
상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 합금을 제조하는, 금속 전해환원장치.
a crucible made of the same material as the first metal or the second metal which is the metal of the solid metal cathode;
an electrolyte filled in the crucible and containing an oxide of a third metal;
an inlet for injecting an oxide of a first metal into the electrolyte;
an insoluble anode immersed in the electrolyte; and
A cathode immersed in the electrolyte and containing a second metal;
A metal electrolytic reduction device for producing an alloy of the first metal and the second metal.
제9항에 있어서,
상기 제1 금속은 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속 군에서 선택되는 금속 또는 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속군에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 제공되는, 금속 전해환원장치.
According to claim 9,
The first metal is a metal selected from the transition metal group consisting of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta, or any one selected from the rare earth metal group consisting of Pr, Nd, and Dy. A metal electrolytic reduction device, provided by one metal.
제10항에 있어서,
상기 제1 금속이 Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W 및 Ta로 이루어진 전이금속으로 제공되면,
상기 도가니는 상기 제1 금속과 동일한 금속으로 제조되는, 금속 전해환원장치.
According to claim 10,
When the first metal is provided as a transition metal composed of Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Ga, Ni, Fe, Co, W, and Ta,
Wherein the crucible is made of the same metal as the first metal.
제9항에 있어서,
상기 제2 금속은 Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd 및 Fe로 이루어진 군에서 선택되는 금속으로 제공되는, 금속 전해환원장치.
According to claim 9,
Wherein the second metal is provided as a metal selected from the group consisting of Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd and Fe.
제10항 및 제12항에 있어서,
상기 제1 금속이 Pr, Nd 및 Dy로 이루어진 희토류 금속으로 제공되면,
상기 제2 금속을 Fe로 사용하고, 상기 도가니를 제2 금속으로 제조되는, 금속 전해환원장치.
According to claims 10 and 12,
When the first metal is provided as a rare earth metal composed of Pr, Nd, and Dy,
A metal electrolytic reduction device in which Fe is used as the second metal and the crucible is made of the second metal.
제9항에 있어서,
상기 불용성 양극은 내부에 이온전도성 세라믹, 전기전도성 세라믹, Cermet 및 전도성 탄화물 세라믹 중에서 선택되는 어느 하나의 소재를 포함하는 코어층 및
상기 코어층을 감싸는 Ni 또는 Cu를 포함하는 합금층이 형성된, 금속 전해환원장치.
According to claim 9,
The insoluble anode has a core layer including any one material selected from ion conductive ceramics, electrically conductive ceramics, cermet, and conductive carbide ceramics therein, and
A metal electrolytic reduction device in which an alloy layer containing Ni or Cu surrounding the core layer is formed.
제14항에 있어서,
상기 불용성 양극에서 합금층은 상기 전해정련 과정중에 발생하는 산소와 반응하여 양극 표면에 금속 산화물 형태의 보호막을 형성하는, 금속 전해환원장치.
According to claim 14,
In the insoluble anode, the alloy layer reacts with oxygen generated during the electrolytic refining process to form a protective film in the form of a metal oxide on the surface of the anode.
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