KR0121747B1 - 부분 용융법(Fractional melting)을 이용한 금속의 정련방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안의 불순물이 함유된 금속을 망상체 필터내에 넣고 염욕수용 용기내에 잠입시킨 후 서서히 히터의 열을 높여 고액공존 온도의 구간에서 필터와 연결된 회전체에 의한 원심력으로 불순물이 포함된 액상 금속을 고상으로부터 연속적으로 분리하는 부분용융법과, 정제할 금속의 용점까지 온도를 높여 액상의 분리가 시작되면 0.1℃/분 정도로 승온시키도록 된 정련 방법을 행할 수 있도록 가열대, 냉각대, 침전대의 3단으로 된 노와 교반기 염욕수용 용기 및 망상체 필터로 하여 금속을 용융시킬 수 있도록 창안된 부분용융법에 의한 금속의 정련방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

부분 용융법(Fractional melting)을 이용한 금속의 정련방법 및 장치

제1도는 본 발명에서 사용된 수직 3단로의 단면도.

제2도는 본 발명의 부분응고법과 부분용융법의 정련비 차이를 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명의 케이크 흡착도(w)에 따른 정련도를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가열로, 2 : 교반기,

2' : 회전체, 2a : 지주,

2b : 암, 3 : 도가니,

3' : 돌출부, 4 : 필터,

5 : 상단 가열로, 5' : 중단 가열로,

5 : 하단 가열로, 6 : 단열층,

7 : 구리블럭, 8 : 구리판,

9 : 내화벽돌.

본 발명은 부분용융법을 이용한 금속의 정련방법 및 장치에 관한 것이다.

순도가 낮은 금속을 반응용 상태(고액 공존상태)로 만들면, 각각의 고체와 액체의 용질 농도는 원래 합금에서의 조성과 달라지게 된다.

즉, 분배계수가 1보다 작은 합금의 경우에 남은 고상은 액상이나 원래 합금 조성에서 보다 더 낮은 용질조성을 갖게 된다.

이때 고상을 액상으로 부터 분리할 수 있다면 소위 정련을 이룩할 수 있다.

이러한 원리를 이용하여 정련을 행하는 방법으로 부분응고법(fractional solidification)과 부분용융법(fractional melting)이 알려져 있다.

부분응고법은 용융금속을 서서히 냉각시켜 가면서 부분적으로 응고되어 있는 정련된 고상을 액상으로부터 분리하여 얻는 방법이며, 반면에 부분용융법은 용융과정에서 액상과 분리시켜 정련을 행하는 방법이다.

즉, 후자에서는 재료를 고체-액체 공존영역으로 가열하면서 먼저 생성되는 불순물이 많이 함유한 액체를 고상으로 부터 제거시키는 방법으로 정련시킬 금속을 서서히 승온시켜가며 액체를 연속적으로 완전히 제거한다면 최후에는 거의 불순물이 존재하지 않는 순금속을 단한번의 가열 공정을 통해 얻을 수 있는 정련 방법이다.

부분용융법을 1회 수행한 재료의 순도는 부분응고법을 수번 반복한 것보다 훨씬 더 좋은 정제효과를 얻을 수 있음을 계산을 통해 알 수 있다.

제2도에 두 방법의 효과를 비교하기 위해 이론적 정련 정도를 알루미늄을 대상으로 나타내었다.

즉, 부분용융법으로는 알루미늄의 경우 모상중 50% 이상의 고체분율로 불순물의 양이 원조성의 1/100이하가 되게 줄일 수 있으며, 80% 이상의 고체에서 부분응고법 보다 더 높은 정련 정도를 보여줌을 알 수있다.

이러한 효과적인 정련방법인 부분용융법을 달성하기 위해서는 가열시 고체내의 용질확산이 완전히 이루어질 정도로의 느린 온도상승과 재료내의 생성된 액상을 연속적이면서도 완전히 모상으로부터 제거 분리시킬 수 있는 장치가 필요하다.

따라서, 본 발명은 미세한 온도까지도 조절이 가능한 온도조절기와 모상에서의 액상제거를 위한 원심력과 제2의 액상인 염을 이용하는 새로운 금속경련의 방법과 장치를 개발하였다.

본 발명의 정련방법 및 장치에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 정련할 순도가 낮은 고체상태의 금속을 필터로 구성된 용기내에 장입하고, 이 용기를 교반기에 연결한다.

용기는 염이 장입된 도가니 안에 위치 시키고 가열을 시작한다.

가열 처음에는 용기를 회전시킬 필요없으나, 가열온도가 금속시편의 고상선 온도에 다다르면 교반기를 강력하게 회전시킨다.

고상선 온도에서부터 시편의 순금속 용융점까지는 가열 속도를 가능한한 늦추고(본 실험의 경우 0.1℃/min 승온) 교반속도는 가능한한 빠르도록 유지한다.(본 실험의 경우 3000-5000rpm) 온도가 올라가 고상선을 지남에 따라 생성되는 액상은 용질(불순물)을 모상보다 많이 함유한 액상으로 이를 남아있는 고상과 강력한 교반에 의한 원심력을 이용하여 분리시킨다.

필터를 통해 염용에 방출된 액상은 중력에 의해 염욕밑으로 침강한다.

염과 필터용기가 들어 있는 도가니는 윗부분은 가열되어 고온을 유지하나, 하단부는 염의 용융점보다는 높으나 금속의 응고온도 보다는 낮도록 유지되므로 침강된 액상금속은 도가니 하단부에서 고상화될 것이다.

그러므로 온도상승에 따라 배출된 용질함유량이 다른 액상들은 도가니 하부에서 고상으로 변한 까닭에 다시 서로 썩임이 없이 분리되어 수거될 수 있을 것이다.

그러므로 수거된 고상들을 모상에서 배출된 순서로 나누면 정련정도에 따른 분리가 가능한 것이다.

부분용융법에 의한 금속정련시 정련도를 높이기 위해 가장 중요한 것은 시편내의 생성된 액상을 나머지 고상과 완벽하게 분리시킬 수 있는 방법이다.

즉, 고액공존영역에서의 고체를 케이크(cake)라고 하는데, 이 케이크내의 액상의 잔류정도에 따라 정련정도가 크게 달라질 수 있다.

케이크내의 액상의 잔류 정도는 소위 웨트니스(wetness)로 표시할 수 있는데 이 값이 0이면 완전 분리를 의미하고 이때에 가장 완벽한 정련을 달성할 수 있는 것이다.

잔류액상의 질량비인 웨트니스, W는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

정제효과는 필터 용기 내에 남아있는 금속의 평균농도(Cc)와 초기농도(Co)의 비인정련도 Cc/Co로 나타낼 수 있으며, 다음식으로 표시될 수 있다.

여기서 K=분배계수, fc : 정제된 후의 케이크 분율

제3도에 잔류정도, W에 따른 정련효과의 감소를 그림으로 나타내었다.

본선 공정법에서는 액상제거를 피스톤의 압력(쥐어짜는 힘)에 의존하는 기존의 방법대신 모터의 회전력(원심력)을 이용하는 특징을 갖고 있다.

뿐만 아니라 시편을 적시고 있는 용융염의 작용으로 케이크 내의 잔류 액상의 세척효과도 기대할 수 있다.

즉, 염 속에 위치한 시편 홀더인 용기는 액상금속과 염이 자유롭게 왕래할 수 있도록 다공성 필터로 구성되어 있으며, 도가니 상부에 위치한 모터와 연결되어 회전할 수 있다.

염을 가열시키면서 고액공존구간에서 필터를 회전시키면서, 필터에 장입된 시편은 부분용융될 것이며 용융된 액상은 필터를 통해 염속으로 빠져나올 것이다.

본 장치에서의 염의 역활은 케이크를 액상으로부터 씻어내어 웨트니스를 낮추어 주는 역할을 필터용기 주위의 온도를 일정하게 하는 역할 또 서로 다른 온도에서 배출된 액상들의 재결합을 막고 도가니 하단부로 이송시켜 분리 수거가 가능하도록 하는 역할을 담당하는 것으로 염의 사용은 본 정렬 방법만의 독특한 핵심 요소중 하나의 사항이다.

본 공정에 사용되는 염은 비중과 용융점이 정련하려는 금속보다 낮고 또 이들과 반응성이 없는 것은 무엇이든 사용 가능하며, 다만 본 발명에서의 시험 대상 재료인 알루미늄의 경우 리튬클로라이드와 칼륨클로라이드를 각각 50%씩 섞어서 사용하였다.

고액 분리에 회전력을 채용한 것도 본 발명의 핵심 사항중 하나이며 필터용기의 채택도 매우 중요한 사항이다.

필팅용기는 플라즈마로 세라믹 코팅된 스테인레스제 또는 세라믹제 필터를 사용하였으며, 필터의 구멍크기는 100-20메쉬 정도이다.

이와같이 세라믹코팅된 스테인레스 또는 세라믹필터를 사용하는 것은 재료에 다른 금속 불순물들의 오염을 방지하고, 또 염과 필터 재료와의 반응을 막기 위함이다.

정련할 순도가 낮은 알루미늄 교반기가 부착된 필터 용기에 장입하고, 염기 채워진 도가니 상부에 위치시킨 후 가열한다.

가열 처음에는 회전을 주지 않다가 염의 온도가 시편의 고상선(대략 600℃부근)에 도달했을 때 부터 알루미늄의 용융점(660℃)에 도달할 때까지 교반기를 통해 필터용기에 균일한 회전을 부여한다.

교반 구간 중의 승온속도는 되도록 서서히 유지한다.

온도가 올라감에 따라 불순물이 많은 액상이 생성될 것이며, 그 액상은 원심력과 염의 세척 작용에 의해 필터용기 밖으로 빠져나가므로 남은 고체 케이크와 분리된다.

필터를 빠져나온 액상은 비중차에 의해 도가니 하부로 침전된다.

도가니 하부는 액상금속의 응고온도 이하로 유지되므로(본 발명의 경우 400℃)액체금속은 이곳에서 응고가 일어나며, 이런 이유로 성분이 다르고 모상으로부터의 분리 온도가 다른 액상들 간의 혼합은 이루어지지 않아 결과적으로 조성에 따른 고체분리가 이곳에서 일어난다.

도가니내에 열전대를 설치하여 정확한 온도조절을 하였으며, 이로인해 온도변화는 0.1℃내외였다.

알루미늄의 용융점에 도달하면 교반을 멈추고 교반기를 상승시켜 도가니로부터 필터용기를 들어낸 후 도가니 하부에 응고된 알루미늄을 분리 채취한다.

도가니의 윗부분은 필터가 들어가서 회전하는 부분이므로 비교적 큰 직경을 갖도록 설계되었으며, 하부는 조성에 따른 시편을 보다 세밀히 분리하기 위해 작은 직경을 갖는 관으로 설계되었다.

이와같이 분리 금속을 뜨거운 물로 세척하여 염을 제거하면 정제된 금속을 얻을 수 있다.

99%순도의 알루미늄을 본 방법에서 회전속도 3000rpm, 100메쉬 필터를 사용하여 얻은 결과들 중 둘을 표 2에 정리하였다.

표 2의 시편 1은 도가니 하단의 수거부에 쌓인 금속들을 양으로 균등하게 5등분한 시편들중 맨 밑에 있던 것으로 가열시 필터에서 제일 처음 빠져나온 금속들이며, 시편 V는 최후에 필터에서 빠져나온 것으로 맨 위에 쌓여있던 것이다.

표에서 알 수 있듯이, 처음에 나온 시료내에는 상당히 많은 불순물들이 함유되어 있으며, 점차 위로 올라갈수록 순도가 높은 알루미늄을 얻을 수 있음을 보여준다.

이와 비슷한 실험결과는 저융점 금속인 주석의 경우에서도 얻을 수 있었으며, 결과를 표 3에 나타내었다.

그러나, 본 발명은 알루미늄, 주석등에만 한정 적용할 수 있는 것이 아니며, 여러 금속에 두루 사용할 수 있는 방법이다.

다만, 대상 금속에 따라 정련매개체인 염의 종류는 달라져야하며 비중과 염의 용융온도를 감안하여 적절히 선택하여야 한다.

(실시예)

제1도에 나타낸 장치로 표 1에 나타낸 성분 조성을 가진 99% Al을 가지고 실험을 행하였다.

용융과정중 고체와 액체를 분리하기 위하여 본 발명에서는 용기 구실을 하는 필터, 세척과 분리에 도움을 주는 액상염욕을 이용하여 세로운 공정을 개발하였다.

본 발명에서 사용된 수직로가 제1도에 도시되었다.

제1도의 수직 가열로의 경우 3단으로 형성되었으며, 로내의 도가니 내부에서는 금속과 반응이 없으며 안정한 염욕(LiCl+KCl)으로 채워져 있다.

로의 윗부분은 고체와 액체를 분리시키는 작업이 행하여지는 영역으로 정확한 온도조절을 하였다.

로의 두번째와 세번째 영역은 고체로부터 빠져나온 액체가 응고되어 가라앉는 부분으로 염의 녹는 온도보다는 높고 알루미늄의 녹는 온도보다는 낮게 설정하였다.

윗부분의 로에서는 일정한 속도로 가열하였으며, 본 실험에서 사용된 온도 상승률은 0.1℃/min과 0.3℃/min으로 하였다. 온도 조절을 정확하게 하기 위하여 구리블럭(copper block)과 구리판(copper tube)을 열저장체로 설치하였다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

본 발명장치의 구성 및 작용, 효과에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 장치는 가열로(1), 교반기(2), 도가니(3) 및 원통형 망상 필터(4)로 구성되어 있으며, 가열로(1)는 전기식 가열로로서, 가열대, 냉각대, 침전대로 구분된 3단으로된 원통형으로서 중단과 하단 가열로는 직경이 같고, 중단 가열로(5')상에는 중단 가열로의 내경보다 내경이 약간 작고 외경은 중단 가열로의 외경보다 크게 단열층을 형성하여 그위에 내경이 중, 하단 가열로보다 큰 상단 가열로(5)를 설치하며, 상단 가열로(5) 내주벽에는 내접되게 원통형의 구리블럭(7)을 형성하고, 구리블럭(7)과 중, 하단 가열로(5')(5)의 내주면에는 원통형의 구리관(8)을 열저장체로 설치하며, 상, 중, 하단 가열로 외벽과 지반은 단열층(6)과 내화벽돌(9)로 감싸여 있다. 교반기(2)는 지주(2a)를 따라 상부에서 좌우회전, 승하강의 자유로운 암(2b)의 일측단이 지주에 유삽되고, 다른 측단에는 원통형 망상 필터(4)가 착탈 가능하게 고정되는 회전체(2')가 하향되게 유삽되어 있으며, 필터(4)의 상, 하, 좌, 우 이동 및 회전조작을 위한 통상의 자동조작 장치가 부설된 것이다.(도시안됨)

원통형 망상 필터(4)는 세라믹(질화물)을 프리즈마코팅한 스텐레스 스틸재로 된 것으로서 이는 정제 금속에 철(Fe) 불순물의 혼입을 방지하기 위함이며, 필터 상부에는 통상의 크램프가 구비되어 회전체(2')의 스텐레스 로드(rod) 하단에 착탈 고정할 수 있게 되어있다. 필터의 구멍의 크기는 100-200메시(mesh)이다.

도가니(3)는형으로서 윗부분은 필터가 들어가서 회전하는 부분이므로 비교적 직경이 크고, 아래 부분은 정재된 금속의 순도 분포의 편차를 크게하고 시료를 보다 세밀히 분석하기 위하여 직경이 보다 작다. 용기 상단부에는 용기를 들어 올리기에 편리하며, 상단 가열로(5) 상단 주연에 안치하도록 돌부(3')가 형성되어 있다.

용기의 재질은 염화의 반응이 없고, 정제된 금속을 오염시키지 않는 석영, 흑연 또는 산화 마그네슘재를 사용한다.

정련 작업시에는 용기 상부로부터 정밀한 온도 측정기를 용기내에 설치하여 자동 온도조절장치에 의해 온도 조절을 정확하게 하게 된다.

이와같이 구성된 본 장치는 원통형 망상필터(4)내에 정련할 금속칩을 장입하여 회전체(2')의 스텐레스로드(rod)하단에 고정한 후 승, 하강, 좌, 우회전 자동 조절 장치를 이용하여 리트륨 클로라이드 50%와 칼륨클로라이드 50%의 혼합 염욕이 채워진 도가니(3)내에 장입시킨 후 처음에는 회전을 주지 않다가 로에 온도를 서서히 올리면서 염욕과 필터내의 금속을 가열하여 금속의 고상선에 도달할 때 부터 일정한 속도로 교반기에 의해 균일한 회전을 준다.

온도가 올라감에 따라 모 상에 평형 분배계수 k가 1 이하인 불순물 원소들은 액상으로 몰려 고상과 비교해 상대적으로 불순물이 많은 액상이 생성될 것이고, 그 액상은 원심력에 의해 필터 내에서 밖으로 빠져나가 비중차에 의해 도가니 내에 침전되어 온도가 낮은 하부로 부분에서의 응고가 일어난다.

도가니 하층에서부터 용융금속이 적층 응고되어 정련이 완성되면 교반기에 정착된 기중기에 의해 도가니를 들어낸 후 용기 내에 금속을 뜨거운 물로 세척하여 염을 씻어내면 정제된 금속을 얻는다.

이때, 각 로의 온도는 상단 가열로는 금속의 융점까지 온도를 높여 액상이 분리되기 시작하면 0.1℃/min정도로 온도를 상승시키고, 중, 하단 가열로는 금속의 융점보다 낮고 염의 녹는 온도보다는 높게 유지한다. 본 발명의 방법 및 장치에 의해 불순물이 함유된 금속으로부터 고순도의 정제된 금속을 얻으므로써 순수금속의 활용 및 반도체 재료에의 이용효과가 클 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 불순물이 함유된 금속을 망상필터(4)내에 넣고, 비중과 녹는점이 정제될 금속보다 낮고 금속과 반응성이 없는 분리 매개체로의 염이 수용된 도가니(3)내에 망상 필터(4)를 장입시킨 후 정제할 금속의 융점까지 온도를 높여 액상의 분리가 시작되면 0.1℃/min 정도로 서서히 가열하여 고액(固液) 공존 온도의 구간에서 필터(4)의 회전에 의한 원심력으로 불순물이 많이 포함된 액상금속을 고상(固狀)으로 부터 연속적으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 부분용융법을 이용한 금속의 정련방법.
2. 제1항에 있어서, 알루미늄 정련에서 리트륨 클로라이드(LiCl) 50%와 칼륨 클로라이드(KCl) 및 50%의 혼합 염욕을 사용하는 것을 특징으로 하는 부분용융법을 이용한 금속의 정련방법.
3. 가열대, 냉각대, 침전대의 3단으로 구성되어 용융염의 자연대류로 상단부의 온도가 하단부의 온도보다 5℃ 이상의 차이가 존재하는 비교적 긴 수직 가열로(1)에 지주(2a)를 따라 승하강이 되도록 유삽된 암(2b)일측단에 회전체(2')가 하향되게 유삽되고, 세라믹 또는 세라믹을 플라즈마 코팅한 스텐레스 스틸재로된 원통형 망상필터(4)가 착탈 가능하게 회전체(2')에 하향되게 고정되어 염욕수용 도가니(3)내에서 회전되는 교반기(2)와 염과의 화학반응이 없고, 정련금속을 오염시키지 않는 재질의 염욕수용 도가니(3)가 부설된 구성을 특징으로 하는 부분용융법을 이용한 금속의 정련장치.