KR100252611B1

KR100252611B1 - 금속마그네슘,산화마그네슘또는내화재료의제조방법

Info

Publication number: KR100252611B1
Application number: KR1019950701947A
Authority: KR
Inventors: 욘 엥겔; 옌스 죈더베르그 프레데릭센; 카르스텐 아거스테드 니일젠
Original assignee: 핀 미켈센; 미네랄 디벨로프먼트 인터내셔날 에이/에스
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1992-11-16
Publication date: 2000-04-15
Also published as: UA45307C2; KR950704525A

Abstract

금속 마그네슘 및 순수 산화 마그네슘은, Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화 마그네슘, 감람석과 같은 규산 마그네슘 광물질과 같은 출발 물질을 대기압 이하의 압력에서 탄소열 환원시킴으로써 제조된다. 금속 마그네슘은 환원 영역으로부터 증발되고, 순수 금속 마그네슘 및 순수 산화 마그네슘은 제2 응축 영역 내에서 침전된다. Si의 일부는 SiO로 증발되어 제2 응축 영역 상류의 제1 응축 영역에 침전되고, 일부는 반응 혼합물 중에서 SiC 및 Si와 Fe의 합금으로 전환된다. 출발 물질은 또한 그들의 마그네슘 성분이 반응 혼합물 중에서 산화 마그네슘으로 전환되는 반면, 잔류 성분들은 SiC 및 Si와 Fe의 합금으로 전환되는 방법으로 처리할 수 있다. Au 및 귀금속 철친화성 원소는 Si와 Fe의 합금을 침출시킴으로써 회수할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

금속 마그네슘, 산화마그네슘 또는 내화 재료의 제조 방법

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물(예를 들어, 감람석)로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을 탄소열 환원(carbothermal reduction)으로 처리하는 방법, 및 상기한 군으로부터 선택된 출발 물질을 탄소열 환원시켜 금속 마그네슘, 순수 산화마그네슘(MgO) 및 MgO, Mg₂SiO₄및 SiC로 이루어진 내화물을 제조하는 방법에 관한 것이다.

[선행 기술의 개괄]

1. 마그네슘

일반적으로 금속 마그네슘은 전해 및 열 처리함으로써 생산된다. 광물질/암석의 두 군을 열 처리하여 출발 물질로서 사용한다.

산화마그네슘이 이산화탄소에 결합된 제1 군은 즉, 광물질 마그네사이트 및 백운석을 포함한다.

산화마그네슘이 이산화규소에 결합된 제2 군은 즉, 광물질 감람석을 포함한다.

감람석과 같은, 제2 군의 광물질이 다량으로 침착되어 있고 마그네슘 함량도 높지만, 산업계에서는 마그네슘 제조용으로 마그네사이트 및 백운석, 즉 제1 군으로부터인 출발 물질을 주로 사용하여 왔다.

이것은 제2 군의 구성 성분들로부터 SiO₂를 제거 및 분리하는 것보다 제1 군의 구성 성분들로부터 CO₂를 제거 및 분리하는 것이 더 용이하다는 사실을 발견한 것에 기인한다.

일반적으로 제2 군으로부터 SiO₂를 제거 및 분리하는데는 두 가지 방법이 제안되어 왔다: 광석을 강 무기산으로 처리하는 습식 방법과 광석의 산화마그네슘 성분을 환원시켜 가스상 Mg로 회수하는 직접 환원 방법이 그것이다.

직접 방법을 두 개의 군으로 분류할 수 있다.

단지 금속 산화물, 즉 금속 규산염을 제외한 금속 산화물의 환원과 관련하여 제시된 직접 환원 방법의 제1 군으로는, 환원제를 사용하여 가스상 산소 함유 반응 생성물을 생성하는데, 예를 들면 대기압 및 약 1850℃에서 탄소를 환원제로 사용하여 MgO를 환원시켜 Mg 및 가스상 산소-함유 반응 생성물인 CO를 생성하거나 기타 탄소열 환원 방법(예를 들어, 미합중국 특허 명세서 제 2 268 779호(자이페르트, SEIFERT), 및 미합중국 특허 명세서 제2 582 119 및 제2 582 120호(한스기르크, HANSGIRG) 참조)을 사용한다.

규산마그네슘의 혼합물, 예를 들어 감람석(Mg_2-XFe_XSiO₄; x:0-1), 및 탄소를 약 1300℃ 내지 약 2200℃의 범위 내의 온도까지 가열하는 경우, 하기의 반응이 일어난다:

(1) (Mg_2-XFe_X)SiO₄(s) + (1 + x(1+2))C(s) ⇔ (2-x) MgO(s) + (1 - zx) SiO(g) + (a + x(1+z))CO(g) + x"Si_ZFe"(1) (Si와 Fe의 합금)

(1') Mg₂SiO₄(s) + 3C(s) ⇔ 2 MgO(s) + SiC(s) + 2CO(g)

(1") Mg₂SiO₄(s) + 3C(s) ⇔ 2 MgO(s) + SiC(s) + 3CO(g)

(1'") Mg₂SiO₄(s) + 5C(s) ⇔ 2 MgO(s) + SiC(s) + 4CO(g)

(2) MgO(s) + C(s) ⇔ Mg(g) + CO(g)

(3) SiO(g) + C(s) ⇔ Si(s/l) + CO(g)

(4) Si(s/l) + C(s) ⇔ SiC(s)

여기서, (s), (l) 및 (g)는 각각 고체, 액체 및 가스 상을 나타낸다.

등식 (4)를 제외한 이들 등식은 모두 온도를 상승시키고 압력을 감소시킴으로써 우측으로 이동된다.

유사한 반응이 Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물과 같은 불순물을 함유하는 MgO(하기에서 "조 MgO"로 명명됨)의 탄소열 환원으로 일어난다.

가스 성분 Mg(g) 및 SiO(g)의 생성으로 인하여 Mg 및 SiO의 수송이 반응 혼합물 내에서 발생할 수 있고 Mg 및 SiO가 증발에 의하여 여기서 수거될 수도 있다.

따라서, 고체 Mg는 별도의 응축 영역 내에서, 즉 반응 혼합물로부터 좀 떨어져 위치한 응축기 내에서, 증발된 금속 Mg의 응축으로 수집할 수 있다.

직접 방법의 제1 군과 관련된 본질적인 문제는 마그네슘과 가스상 산소 함유 반응 생성물 사이의 역-반응(반응식(2) 참조)에 일어나서 마그네슘이 산화마그네슘으로 산화될 수 있는 것이다.

이 문제는 비-가스 반응 생성물을 생성하는 환원제를 사용하여 직접 방법의 제 2 군으로 예를 들어 규소, 알루미늄, 탄화칼슘 또는 탄화규소를 포함하는 마그네슘 광석으로 환원으로 해결되었다.

직접 환원 방법의 제2 군에 속하는 방법은 다수의 특허 명세서, 예를 들어 미합중국 특허 명세서 제2 372 571호, 제2 379 576호, 제2 527 722호, 제 2 527 724호 및 제2 570 232호(한스기르크)에 기재되어 있고, 또한 예를 들어 상기한 한스기르크 방법, 피드존(Pidgeon) 및 볼자노(Bolzano) 방법(감압 및 약 1200℃에서 소성(燒成) 백운석 및 페로규소 사이의 반응), 및 자기열 방법(약 1600℃ 및 4 kPa에서 알루미나의 존재하 페로규소를 사용한 소성 백운석의 환원)으로 실시되고 있다.

선행 기술은 역-반응을 피하는 문제에 대한 기타 상이한 해결책들을 제안하였다: MgO의 탄소열 환원과 관련시키면 다음과 같다.:

-탄소열 환원 영역으로부터 유출 가스를 급냉시킴으로써, 예를 들어 냉각 매질을 삽입시키거나 또는 신속한 단열 냉각으로 충격-냉각시킴으로써(예를 들어, 미합중국 특허 명세서 제2 582 119호 및 제2 582 120호(한스기르크), 유럽특허 출원 제75 836호(아페리, AVERY) 및 미합중국 특허 명세서 제 4 200 264호(호리, HORI) 참조); 또는

- 감압 하에서 Mg를 침전시킴으로써(예를 들어, 독일연방공화국 특허명세서 제49329호(크뇌플러, KNOFLER), 미합중국 특허명세서 제2 257 910호(키르크, KIRK), 및 문헌[참조: Trans. Insti. Min. Metal. 99, May-August 1990, Page C105-C111 (위난드(WINAND) 등] 참조)

MgO의 탄소열 환원으로부터 유출 가스 중에서 역-반응을 최소화시킨다.

CO가 MgO의 환원 뿐만 아니라, SiO₂의 환원으로부터도 생성되기 때문에, 규산 마그네슘의 탄소열 환원에 의한 CO 생성은 산화마그네슘의 탄소열 환원으로 얻은 CO 생성량과 비교하면 증가된다.

반응 압력을 Mg₂SiO₄의 탄소열 환원시 감소시키는 경우, 반응 혼합물로부터 점점 더 많은 SiO가 증발되어 반응 혼합물로부터의 유출 가스 내의 SiO/Mg 비를 증가시킬 것이다.

본 발명에 의해 해결된 첫 번째 문제는

i) 상기한 역-반응으로 제조된 MgO 및 C, 및

ii) Mg₂SiO₄, Si, SiC, SiO₂등과 같은 SiO로부터 발생한 응축 생성물

로 Mg 최종 생성물이 오염되는 것을 피하면서 Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물(예를 들어, 감람석)로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질로부터 Mg를 제조하는 탄소열 방법을 제공하는 것이다.

2. 산화마그네슘

선행 기술에 따라 조 품질의 산화마그네슘, 즉 Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물과 같은 불순물을 함유하는 산화마그네슘은 수산화마그네슘, 탄산마그네슘 또는 염기성 탄산마그네슘을 소성시킴으로써 제조한다.

수산화칼슘을 첨가하여 Mg(OH)₂를 침전시키는 방법으로 수산화마그네슘을 바닷물로부터 대규모로 제조한다. 침전된 수산화마그네슘은 일반적으로 불순물로서 B, Ca, Si, Al 및 Fe의 산화물 미량을 함유한다. 이들 오염물들은 소결시 및 후속적 적용에서 산화마그네슘 생성물의 거동에 유해한 영향을 미치는데, 이들 불순물을 제거하는데 상당히 노력이 필요하여 고가의 처리 비용이 들게 한다.

고순도 산화마그네슘은 염기성 마그네시아(MgO)를 전기 아아크 용융으로 융화시킴으로써 제조한다. 문헌[참조: Radex Rundschau 1958, Heft 2, p 92-104(아이펠 타우어(EIPELTAUER) 등]에 기재된 방법으로는, 용융된 MgO 충전물을 냉각시키기 전 또는 그 동안 액체 또는 가스 상을 통하여 표면으로 불순물을 이동시킴으로써 MgO를 정제한다. 고화 후에 고체 MgO 블록의 불순물 부분을 기계적 방법으로 제거한다. 따라서, 이 방법을 이용하는 경우, 본질적으로 높은 MgO 용융 에너지 비용은 별문제로 하고, 비교적 높은 폐기물/생성물 비를 얻는다.

금속 마그네슘이 불활성 가스 플로우 중 700℃ 이상에서 증발되고 산소 함유가스와 혼합되어 반응 생성물의 플로우를 제공하는 방법으로 의해 개선된 기계적 세라믹의 제조에 적합한 고순도 산화마그네슘 미세 분말을 제조하는 방법은 널리 공지되어 있는데, 여기서 마그네슘 증기는 산화마그네슘 미립자로 산화되고 예를 들어, 필터에 의하여 반응 혼합물로부터 수집된다(예를 들어, 영국 특허 출원 제2 141 701A호(고바야시, KOBAYASHI) 및 영국 특허 출원 제2 183 622호(요시다, YOSHIDA 참조).

고순도 산화마그네슘을 제조하는 이들 선행 기술 방법의 단점은 출발 물질로 고가의 마그네슘을 사용할 필요성에 있다.

본 발명으로 해결하여야 할 두 번째 문제는 저가의 출발 물질로부터 본질적으로 Ca, Si, Al 및 Fe의 산화물이 없는 고순도 산화마그네슘 생성물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

3. 규산마그네슘의 처리

대기압, 산화 조건 및 1540 내지 1710℃ 범위 내의 온도에서 감람석 분말을 소결시킴으로써 내화 재료를 제조하는 방법은 널리 공지되어 있다. 저 용융상의 생성을 피하기 위하여, 감람석 출발 물질 중 칼슘, 알루미늄 및 철 산화물의 함량은 다소 낮아야 하거나, 전형적으로 7 중량% 미만이어야 하지만(문헌[참조: Ullmanns Encyklopadie der technischen Chemie, 4th Edition, Vol. 11, pages 561-562]), 이러한 품질의 감람석을 사용하는 경우, 생성된 소결 생성물은 고성능 내화 재료로 분류될 수 없다.

SiC는 고성능 내화 재료의 예이다. 이것은 약 2200 내지 2400℃의 온도에서 탄소로 SiO₂를 전기로에서 환원시켜 제조할 수 있다.

기술적 등급 산화마그네슘은 1900℃이하의 온도에서 철강업에서 사용되는 중요한 내화 재료인, 사소(死消) 마그네시아로 소결됨으로써 추가 처리된다.

현대의 철강 제조 산업에서 사용되는 고성능 내화 재료에 대한 수요의 증가는 순수한 고밀도 마그네시아 소결품에 대한 시장의 요구로 이어졌다.

본 발명으로 해결하여야 할 세 번째 문제는 Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물, 예를 들어 감람석으로 이루어진 군으로부터 선택된 저가의 원료를 사용하여 고성능 내화물을 제조하기 위한 간단하고 저가의 방법을 제공하는 것이다.

상기한 군의 구성 성분을 처리하여 규산마그네슘 암석 및 Mn, Cr, Ni, Au 및 백금족의 구성 성분과 같은 광물질 중에 저농도로 함유하는 귀금속 원소들을 회수하는 일반적 방법을 제공하는 것도 바람직하다.

[본 발명의 정의]

1. 마그네슘

본 발명에 이르러서야, 첫 번째 문제가 Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물(예를 들어, 감람석)로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을

-1 몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1 몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3 몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰 이상의 C/MgO 몰,

바람직하게는 2 몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1 몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3 몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1 몰 이상의 C/MgO 몰,

특히 3 몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1 몰의 C/FeO 몰 더하기 3 몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1 몰의 C/MgO 몰,

바람직하게는 4 몰 미만의 C/SiO₂몰 더하기 2 몰의 C/FeO 몰 더하기 4 몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 2 몰의 C/MgO 몰

의 양으로 탄소와 혼합하는 단계;

- 혼합물을 환원 영역에서 0.01 내지 1.75 kPa, 바람직하게는 0.2 내지 1.1 kPa, 특히 0.3 내지 0.7 kPa 범위내의 압력 Pr에서 1400 내지 1700℃ 범위 내의 온도, 바람직하게는 1500℃ 미만의 온도 Tr까지 가열하는 단계;

- 환원 영역 중에서 출발 물질 중의 산화철 성분을 철로 환원시키는 단계;

- 출발 물질 중의 실리카 성분을 SiO로 환원시켜, 이의 일부는 환원 영역 중에서 SiC, 및 Si와 Fe의 합금 "Si_ZFe"로 전환시켜, 일부는 환원 영역으로부터 증발시켜 별도의 제1 응축 영역 중에서 0.01 내지 1.1 kPa, 바람직하게는 0.2 내지 0.8 kPa, 특히 0.3 내지 0.7 kPa 범위내의 압력 p₁, 및

(여기서, p₁은 kPa 단위이다)보다는 높고, (T_min+ 100℃), 바람직하게는 (T_min+ 50℃), 특히 (T_min+ 25℃) 보다는 낮으며, 어떤 경우에도 T_r보다 낮은 온도 T₁에서 탄소와 반응시켜 SiC, Si 및(또는) Mg₂SiO₄로 전환시키는 단계;

- 환원 영역 중에서 출발 물질의 산화마그네슘 성분을 가스상 금속 마그네슘으로 환원시키는 단계;

- 상기 가스상 금속 마그네슘을 환원 영역으로부터 증발시키고, 상기 가스상 금속 마그네슘을 제1 응축 영역 하류에 위치한 별도의 제2 응축 영역 중에서 0.01 내지 1.1 kPa, 바람직하게는 0.2 내지 0.8 kPa, 특히 0.3 내지 0.7 kPa 범위내의 압력 p₂및 638℃ 미만, 바람직하게는 200 내지 600℃ 범위 내, 특히 250 내지 540℃ 범위내의 온도 T₂에서 응축시키는 단계;

- 상기한 환원 반응으로 생성된 CO를 제2 응축 영역으로부터 취출하고, 펌프를 사용하여 압력 P₂를 소정의 값으로 유지하는 단계

를 포함하며, 제1 응축 영역과 제2 응축 영역 사이의 온도 구배를 가능한 한 크게 유지하고 p₂≤p₁≤p_r이 되게 하는 것을 특징으로 하는, 상기 출발 물질의 탄소열 환원에 의한 금속 마그네슘의 제조 방법으로 해결할 수 있음이 밝혀졌다.

본 발명의 상기 첫 번째 문제의 기본 개념은 조 산화마그네슘 및 규산마그네슘 광물질을 탄소열 반응시켜 가스상 마그네슘 및 SiO의 수송 과정을 조절하는 것, 즉 처리 매개변수인 압력(값 및 구배), 온도(값 및 구배), 및 반응 영역 및 제1 및 제2 응축 영역 내의 탄소 충전량(값) %의 적절한 값 및 구배를 선택하여 생성물 및 부산물의 생성 위치를 조절하는 것이다.

증발된 물질은 보다 낮은 온도에서 응축시켜 회수한다. 따라서, 증발된 SiO(g)를 본질적으로는 층 온도보다 낮은 온도 및 (T_min)보다 높은 온도에서 작동하는 적합하게 고안된 제1 응축기에서 Si(s) 또는 SiC(s)로서 회수하는데, 여기서 MgO(s)는 (2') Mg(g) + Co(g) → MgO(s) + C(s)

에 따라 역-반응으로 생성될 수 있다.

이어서, 증발된 Mg(g)는 T_min이하의 온도에서 작동하는 적합하게 고안된 제2응축기 중에서 Mg(s)로 회수할 수 있는데, 역-반응 (2')는 저압에서 작동시킴으로써 그리고 제1 응축기와 제2 응축기 사이의 가파른 온도 구배를 유지함으로써 피한다.

감람석의 탄소열 전환에 의해 규소 함유 상으로부터 잘 분리된 순수한 Mg(s) 또는 MgO(s)를 생산하는 것이 목적인 경우, 감람석(Mg₂SiO₄) 1 몰당 탄소(C) 5 몰 이상을 사용하는 것이 유리하다. 이어서 반응은 다음 식에 따라 진행될 것이다:

(1"') Mg₂SiO₄(s) + 5C(s) → 2Mg(g) + SiC(s) + 4 CO(g).

이는 마그네슘을 모두 증발시키고 층 내의 규소가 탄화규소(및 철이 존재하는 경우 "Si_ZFe")로 최대한 보유되도록 한다. 따라서, 제1 응축기 내의 Si(s) 또는 SiC로서 응축될 SiO(g)의 양은 가능한 한 최소량일 것이다.

순수 Mg(s)의 제조를 위한 본 발명은 규산마그네슘 광물질 및 암석 뿐만 아니라 불순한 산화마그네슘의 탄소열 처리로 생성된 가스상의 적합하게 고안된 제1 응축기 중에서 증발된 SiO(g)의 응축에 의하여 Si(s) 또는 SiC(s)로서 정화되는 것을 근거로 한다. 이것을 T_min을 바로 초과하는 온도에서

(3) SiO + 2C → SiC + CO

에 따라 SiC(s)를 생성시켜 가장 효과적으로 수행되는데, 여기서 MgO(s)는 Mg(g)와 CO(g) 사이의 역-반응으로 생성될 수 있다. T_min은 하기의 등식으로 제공된다(P_tot는 kPa 단위임):

Tmin℃ = -32217(2log(P_tot)-19.92)^-1- 273.15

상기한 바와 같이 SiO는 제1 응축 영역에서 탄소와 반응한다. 상기 영역은 유리하게는 반응성 탄소로 제조되거나 또는 그에 의해 피복된 단일 관으로서 또는 평행하게 배열된 관들의 열의 형태를 이룬다.

상기한 방법에 사용하기에 적합한 출발 물질은

- 조 마그네시아, 즉 Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물과 같은 불순물 미량을 함유하는 마그네시아, 및

- 규산마그네슘, 즉 천연 또는 산업적으로 제조된 규산마그네슘 광물질이다.

조 마그네시아는 마그네사이트, 수활석, 황산 고토석, 또는 산업적으로 유도된 유사 물질(예, 폐 페리클레이스 용광로 내장재)로부터 유도된 소결된 (약 1000℃에서 열 처리됨) 화합물 및 마그네사이트 소결 공장에서 나오는 필터 분진을 포함한다.

조 마그네시아는 MgO 50% 이상, 특히 MgO 80% 이상을 포함하여야 한다.

바람직하게는 CaO의 함량은 1% 미만, 특히 0.5% 미만이어야 한다.

바람직하게는 알칼리 금속의 함량은 산화물로 계산한 바 1% 미만, 특히 0.3% 미만이어야 한다.

바람직하게는, S 및 Cl과 같은 기타 휘발성 원소 및 Zn, Cd, Hg 등과 같은 금속의 총량은 1% 미만, 특히 0.5% 미만이어야 한다.

규산마그네슘은 감람석, 사문석, 질석, 앤토우필라이트(anthophyllite), 쿠밍토나이트(cummingtonite), 엔스타타이트(enstatite), 홍석류석, 첨정석 및 하기 정의하는 바와 같은 주 성분으로서인 Mg를 갖는 유사하게 조성된 산업적으로 유도된 화합물과 같은 천연 또는 소결된(1000℃ 에서 열 처리됨) 규산염 광물질을 포함한다.

바람직하게는 규산마그네슘은 MgO 25% 이상, 특히 MgO 40% 이상을 포함하여야 한다.

Al₂O₃의 함량이 3% 보다 높은 경우, 탄화 알루미늄의 생성을 피하기 위해서 환원 영역중의 반응 온도가 1550℃ 보다 낮아야 한다.

바람직하게는 S 및 Cl과 같은 기타 휘발성 원소 및 Zn, Cd, Hg 등과 같은 금속의 총량은 1% 미만, 특히 0.5% 미만이어야 한다.

규산마그네슘은 또한 상기 정의된 바의 규산마그네슘 50% 이상, 바람직하게는 80% 이상으로 이루어진 천연 암석, 특히 90% 이상의 규산염으로 이루어진 암석 및 상등급 규산마그네슘 풍부 산업 폐기물(예, 사용된 고토 감람석 용광로(furnace) 내장재)을 포함한다.

본 명세서의 내용 중에서 "탄소"란 안트라사이트, 카본 블랙 및 코우크스와 같은 탄소 풍부 물질을 포함하는 것으로 이해된다.

이들 탄소 풍부 물질은 일반적으로 하기의 분석치를 가져야 한다:

C 함량 > 90%

회분 함량 < 2%

휘발물질 < 8%

바람직하게는 C 함량 > 96%

회분 함량 < 0.5%

휘발물질 < 3%

특히, C 함량 > 98.5%

회분 함량 < 1%

휘발물질 < 1.0%.

출발 물질은 바람직하게는 평균 입도 약 45㎛ 미만으로 분쇄된다. 탄소 풍부 물질은 바람직하게는 평균 입도가 약 100㎚이다. 반응 혼합물을 바람직하게는 약 57%의 다공도를 갖는 연탄으로서 환원 영역 내로 도입한다.

제1 응축 영역과 제2 응축 영역 사이의 큰 온도 구배는 상기에서 인용한 특허 명세서에 기재된 것과 같은 탄소열 처리 기법에 이용하기 위하여 제안된 급냉법을 이용하여 얻을 수 있다.

바람직한 실시태양에 따르면,

- 제1 응축 영역과 제2 응축 영역 사이의 큰 온도 구배는, 제1 응축 영역으로부터의 가스를 부족 팽창 조건 하에서 작동되는 분기 노즐 내로 도입시키고, 상기 혼합 가스를 상기 분기 노즐을 통해 분사시키고, 상기 혼합 가스를 초음파 속도로 노즐내의 팽창비가 12.5 내지 2, 바람직하게는 12.5 내지 6 이내에 들도록 단열 팽창시키는 것으로 이루어지는 급속 냉각에 의해 제공되고,

- 출발 물질 중의 실리카 성분을 3 내지 4몰의 C/SiO₂몰 + 1 내지 2 몰의 C/FeO 몰 + 3 내지 4 몰의 C/몰 Fe₂O₃+ 1 내지 2몰의 C/MgO 몰 범위내의 탄소 첨가량과 반응시켜 반응 혼합물 중에서 본질적으로 SiC로 전환시키고,

- 환원 영역과 제1 응축 영역 사이의 온도 구배를 가능한 한 크게 유지하고,

- Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘을 출발 물질로서 사용하고,

- 감람석을 출발 물질로서 사용하고,

- 반응 혼합물 중의 Al₂O₃함량이 1중량%보다 클 때, T_r은 1550℃ 미만이고,

- 환원 영역 중의 잔류물로부터 "Si_ZFe" 및 금속 철을 자기 또는 정전 분리법 또는 부유법과 같은 통상의 방법으로 분리하고, 그 후에 Au 및 철친화성 원소, 예를 들면 Mn, Cr, Ni 및 백금족 금속을 침출과 같은 통상의 방법으로 회수하고,

- 환원 영역 및 제1 응축 영역중에서 생성된 SiC를 각각 환원 영역 및 제1 응축 영역 중의 잔류물로부터 부산물로서 회수한다.

회수된 SiC는 고순도의 마이크로 크기 생성물이다.

마그네슘은 제2 응축 영역의 조건에 따라 마이크로 크기의 결정으로서 침전되지만, 또한 통상의 방법에 의해 잉곳(ingot) 으로 용융 및 주형될 수 있는 발화성 덩어리로서도 침전된다.

2. 산화마그네슘

Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘, 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질 및 그들의 혼합물, 예를 들면 감람석으로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을 탄소열 환원시켜 순수한 산화마그네슘을 제조하는 방법에 의해 두번째 문제점이 해결될 수 있다는 것을 추가로 발견하였는데, 상기 방법은

- 상기 출발 물질을

1몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰 이상의 C/MgO 몰,

바람직하게는 2몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰 이상의 C/MgO 몰,

특히 3몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1몰의 C/FeO 몰 더하기 3몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰의 C/MgO 몰,

바람직하게는 4몰 미만의 C/SiO₂몰 더하기 2몰의 C/FeO 몰 더하기 4몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 2몰의 C/MgO 몰

의 양으로 탄소와 혼합하는 단계;

- 혼합물을 환원 영역중에서

0.01 - 10^{(-16381·(Tr + 273) + 10.03)}kPa,

바람직하게는 0.2 - 10^{(-16381·(Tr + 273) + 10.03)}kPa,

특히 0.3 내지 1.75 kPa

범위 내의 압력 P_r에서 1400 내지 1700℃ 범위 내의 온도, 바람직하게는 1500℃ 미만의 온도 T_r까지 가열하는 단계;

- 출발 물질 중의 산화철 성분을 반응 혼합물 중에서 철로 환원시키는 단계;

- 출발 물질 중의 실리카 성분을 SiO로 환원시켜, 이의 일부는 환원 영역 중에서 SiC, 및 Si와 Fe의 합금 "Si_ZFe"로 전환하고, 일부는 환원 영역으로부터 증발시켜 p₁≤p_r인 압력 p₁및

(여기서, p₁은 kPa 단위이다)보다는 높고, (T_min+ 100℃), 바람직하게는 (T_min+ 50℃), 특히 (T_min+ 25℃) 보다는 낮으며, 어떤 경우에도 T_r보다 낮은 온도 T₁에서 별도의 제1 응축 영역 내 탄소와 반응시켜 SiC, Si 및(또는) Mg₂SiO₄로 전환시키는 단계;

- 출발 물질 중의 산화마그네슘 성분을 환원 영역 중에서 적어도 부분적으로 가스상 금속 마그네슘으로 환원시키는 단계;

- 상기 가스상 금속 마그네슘을 환원 영역으로부터 증발시키고, 상기 가스상 금속 마그네슘을 환원 영역 중에서 생성된 CO와 반응시켜 MgO 및 C를 생성시키고, 이들 반응 생성물들을 제1 응축 영역 하류에 위치한 별도의 산화 및 응축 영역 중에서 p₂≤p₁인 압력 p₂, 및 638℃ 내지 T₁, 바람직하게는 650℃ 내지 T₁-50, 특히 800 내지 1000℃ 범위 내의 온도 T₂에서 탄소와 산화마그네슘의 혼합물로서 침전시키는 단계;

- 산화 및 응축 영역으로부터 탄소와 산화마그네슘의 혼합물을 취출하여 취출된 생성물로부터 예를 들면 산화에 의해 탄소를 제거하는 단계; 및

- 상기한 환원 반응으로 생성된 Mg와의 반응에 의해 소비되지 않은 일부의 CO를 산화 및 응축 영역으로부터 취출하고, 펌프를 사용하여 압력 P₂를 소정의 값으로 유지하여 p₂≤p₁≤p_r이 되게 하는 것

으로 이루어진다.

Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물(예를 들어, 감람석)로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을

-1 몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1 몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3 몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰 이상의 C/MgO 몰, 바람직하게는 2 몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1 몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3 몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1 몰 이상의 C/MgO 몰, 특히 3 몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1 몰의 C/FeO 몰 더하기 3 몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1 몰의 C/MgO 몰, 바람직하게는 4 몰 미만의 C/SiO₂몰 더하기 2 몰의 C/FeO 몰 더하기 4 몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 2 몰의 C/MgO 몰의 양으로 탄소와 혼합하는 단계;

- 혼합물을 환원 영역 중에서 0.01 - 10^{(-16381·(Tr + 273) + 10.03)}kPa, 바람직하게는 0.2 - 10^{(-16381·(Tr + 273) + 10.03)}kPa, 특히 0.3 내지 1.75 kPa 범위 내의 압력 P_r에서 1400 내지 1700℃ 범위 내의 온도, 바람직하게는 1500℃ 미만의 온도 T_r까지 가열하는 단계;

- 출발 물질 중의 산화 철 성분을 환원 영역 중에서 철로 환원시키는 단계;

- 출발 물질 중의 실리카 성분을 SiO로 환원시켜, 이의 일부는 환원 영역중에서 SiC, 및 Si와 Fe의 합금 Si_ZFe로 전환시키고, 일부는 환원 영역으로부터 증발시켜 p₁≤p_r인 압력 p₁및

(여기서, p₁은 kPa 단위이다)보다는 높고, (T_min+ 100℃), 바람직하게는 (T_min+ 50℃), 특히 (T_min+ 25℃) 보다는 낮으며, 어떤 경우에도 T_r보다 낮은 온도 T₁에서 별도의 제1 응축 영역 내에서 탄소와 반응시켜 SiC, Si 및(또는) Mg₂SiO₄로 전환시키는 단계;

- 상기 가스상 금속 마그네슘을 환원 영역으로부터 증발시키고, 상기 가스상 금속 마그네슘을 분자상 산소 공기, CO₂, CO, H₂O 및 그들의 혼합물과 같은 별도로 첨가된 산소 함유 가스와 반응시켜 산화마그네슘를 생성시키고, 상기 산화마그네슘을 제1 응축 영역 하류에 위치한 별도의 산화 및 응축 영역 중에서

p₂≤p₁인 압력 p₂, 및 638℃ 내지 T₁, 바람직하게는 650℃ 내지 T₁-50, 특히 800 내지 1000℃ 범위 내의 온도 T₂에서 침전시키는 단계;

- 산화마그네슘을 산화 및 응축 영역으로부터 취출하여, 경우에 따라 탄소를 취출된 생성물로부터 산화에 의해 제거하는 단계; 및

- 상기한 환원 및 산화 처리로 생성된 가스를 산화 및 응축 영역으로부터 취출하고, 펌프를 사용하여 압력 P₂를 소정의 값으로 유지하여 p₂≤p₁≤p_r이 되게 하는 것을 특징으로 하는, 상기 출발 물질의 탄소열 환원에 의한 순수 산화마그네슘의 제조 방법으로 두번째 문제점이 해결될 수 있다는 것을 추가로 발견하였다.

이러한 본 발명의 두 번째 문제점의 기본적인 개념은 본질적으로 첫번째의 것과 동일하다.

증발된 물질은 보다 낮은 온도에서 응축시켜 회수한다. 따라서, 증발된 SiO(g)를 층 온도보다 낮은 온도 및 (T_min) 보다 높은 온도에서 작동하는 적합하게 고안된 제1 응축기 중에서 Si(s) 또는 SiC(s)로서 회수할 수 있으며, 여기서 MgO(s)는

(2') Mg(g) + CO(g) → MgO(s) + C(s)

에 따라 역-반응으로 생성될 수 있다.

이어서, 증발된 Mg(g)는 온도 (T_min) 이하의 온도에서 작동하는 적합하게 고안된 제2 응축기 중에서 상기한 역-반응에 따라 C(s)와 혼합된 MgO(s)로서, 또는 분자상 산소, 공기, CO, H₂O 및 그들의 혼합물을 별도로 첨가한 경우에는 MgO(s)로 회수할 수 있다.

감람석의 탄소열 전환에 의해 상들을 함유하는 규소로부터 잘 분리된 MgO(s) 또는 순수한 Mg(s)를 생성하는 것이 목적인 경우, 감람석(Mg₂SiO₄) 1몰 당 5 몰 이상의 탄소(C)를 사용하는 것이 유리하다. 이어서, 반응은 하기 식에 따라 진행될 것이다:

(1"') Mg₂SiO₄(s) + 5C(s) → 2Mg(g) + SiC(s) + 4CO(g).

이것은 마그네슘을 완전히 증발시키고 층 내의 규소가 탄화규소(및 철이 존재하는 경우 "Si_ZFe")로 최대로 보유되도록 한다. 따라서, 제1 응축기 내의 Si(s) 또는 SiC로서 응축될 SiO(g)의 양은 가능한 한 최소량일 것이다.

순수한 MgO(s)의 제조를 위한 본 발명은 규산마그네슘 광물질 및 암석 뿐만 아니라 불순한 산화마그네슘의 탄소열 처리로 생성된 가스상의 적합하게 고안된 제1 응축기 중에서 증발된 SiO(g)의 응축에 의하여 Si(s) 또는 SiC(s)로 정화되는 것을 근거로 한다. 이것은 T_min을 바로 초과하는 온도에서 하기 식에 따라 SiC(s)를 생성시켜 가장 효율적으로 행해지며, 여기서 MgO(s)는 Mg(g)와 CO(g) 사이의 역-반응으로 생성될 수 있다.

(3) SiO + 2C → SiC + CO

T_min은 하기 등식(P_tot는 kPa 단위임)으로 구한다.

T_min℃ = -32217(2log(P_tot)-19.92^-1- 273.15

상기한 바와 같이, SiO는 제1 응축 영역 중에서 탄소와 반응한다. 상기 영역은 유리하게는 반응성 탄소로 제조되거나 또는 반응성 탄소를 피복시킨 단일 관으로서 또는 평행하게 배열된 관들의 열의 형태를 이룬다.

상기 방법에 사용하기에 적합한 출발 물질은

조 마그네시아는 마그네사이트, 수활석, 황산 고토석 또는 산업적으로 유도된 유사 물질, 예를 들면 폐 페리클레이스 용광로 내장재로부터 유도된 소결(약 1000℃에서 열처리됨) 화합물 및 마그네사이트 소결 공장에서 나오는 필터 분진을 포함한다.

조 마그네시아는 MgO 50% 이상, 특히 MgO 80% 이상을 함유해야 한다.

바람직하게는, CaO의 함량은 1% 미만, 특히 0.5% 미만이어야 한다.

바람직하게는, 알칼리 금속의 함량은 산화물로 환산하였을 때 1% 미만, 특히 0.3% 미만이어야 한다.

바람직하게는, S 및 Cl과 같은 기타 휘발성 원소 및 Zn, Cd, Hg등과 같은 금속의 합은 1% 미만, 특히 0.5% 미만이어야 한다.

규산마그네슘은 천연 또는 소결된(1000℃에서 열처리됨) 규산염 광물질, 예를 들면 감람석, 사문석, 질석, 앤토우필라이트, 쿠밍토나이트, 엔스타타이트, 홍석류석, 첨정석 및 하기 정의하는 바와 같은 주성분으로서인 Mg를 포함하는 유사하게 조성된 산업적으로 유도된 화합물을 포함한다.

바람직하게는, 규산마그네슘은 25% 이상의 MgO, 특히 40% 이상의 MgO를 함유해야 한다.

바람직하게는, 알칼리 금속의 함량은 산화물로 환산하였을 때, 1% 미만, 특히 0.3% 미만이어야 한다.

Al₂O₃의 함량이 3% 이상인 경우, 환원 영역 중의 반응 온도는 탄화 알루미늄의 생성을 피하기 위하여 1550℃이하이어야 한다.

규산마그네슘에는 추가로 상기 정의한 바와 같이 50% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 규산마그네슘 조성을 갖는 천연 암석, 특히 90% 이상의 규산염 조성을 갖는 암석, 및 상등급 규산마그네슘 풍부 산업 폐기물, 예를 들면 사용된 고토 감람석 용광로 내장재가 있다.

본 명세서에서, 용어 "탄소"는 탄소 풍부 물질, 예를 들면 안트라사이트, 카본 블랙 및 코우크스를 포함하는 것으로 이해된다.

C 함량 > 90%

회분 함량 < 2%

휘발물질 < 8%,

바람직하게는 C 함량 > 96%

회분 함량 < 1%

휘발물질 < 3%,

특히, C 함량 > 98.5%

회분 함량 < 0.5%

휘발물질 < 1.0%.

출발 물질은 바람직하게는 약 45㎛ 미만의 평균 입도로 분쇄된다. 탄소 풍부 물질은 바람직하게는 약 100㎚의 평균 입도를 갖는다. 반응 혼합물을 바람직하게는 약 57%의 다공도를 갖는 연탄으로서 환원 영역내로 도입한다.

바람직한 실시태양에 따르면,

- 출발 물질 중의 실리카 성분을 3 내지 4몰의 C/SiO₂몰 + 1 내지 2 몰의 C/FeO 몰 + 3 내지 4 몰의 C/Fe₂O₃몰+ 1 내지 2몰의 C/MgO 몰 범위내의 탄소 첨가량과 반응시켜 반응 혼합물 중에서 본질적으로 SiC로 전환시키고,

- 제1 응축 영역과 산화 및 응축 영역 사이의 온도 구배를 가능한 한 크게 유지하고,

- 감람석을 출발 물질로서 사용하고,

- "Si_ZFe" 및 금속 철을 자기 또는 정전 분리법 또는 부유법과 같은 통상의 방법으로 환원 영역 중의 잔류물으로부터 분리하고, 그 후에 Au 및 철친화성 원소, 예를 들면 Mn, Cr, Ni 및 백금족 금속을 침출과 같은 통상의 방법으로 회수하고,

회수된 SiC는 고순도의 마이크로 크기 생성물이다.

3. 규산마그네슘 처리

Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘, 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질 및 그들의 혼합물, 예를 들면 감람석으로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을 처리하는 방법에 의해 세번째 문제점이 해결될 수 있다는 것을 추가로 발견하였는데, 상기 방법은

- 상기 출발 물질을

의 양으로 탄소와 혼합하는 단계;

- 혼합물을 환원 영역에중서 10^{(-16381·(Tr + 273) + 10.03)}kPa 내지 10^{(-17043·(Tr + 273) + 10.75)}kPa 범위 내의 압력 P_r에서 1400 내지 1800℃ 범위 내의 온도, 바람직하게는 1700℃ 미만의 온도 T_r까지,

바람직하게는 1700 내지 1750℃ 및 약 101 kPa(1기압)에서 가열하여

이로써 출발 물질 중의 산화 철 성분을 반응 혼합물 중에서 철로 환원시키고,

출발 물질 중의 실리카 성분을 반응 영역 중에서 적어도 부분적으로 SiC, 및 Si와 Fe의 합금 "Si_ZFe"로 전환시키고,

출발 물질 중의 산화마그네슘 성분을 적어도 부분적으로 산화마그네슘(페리클레이스)으로 전환시키는 단계;

- 본질적으로 완전히 전환된 혼합물을 반응 영역으로부터 최종 생성물로 취출하는 단계;

- 상기한 환원 반응으로 생성된 CO를 반응 영역으로부터 취출하고, 펌프를 사용하여 반응 영역 중의 압력 p_r을 소정의 값으로 유지하는 단계; 및

- 경우에 따라, MgO, Mg₂SiO₄, Si 및 SiC의 혼합물을 펌프 상류에 위치한 별도의 응축 영역 중에서, 반응 영역으로부터 취출된 가스로부터 p₁≤p_r인 압력 및 800 내지 1500℃ 범위내의 온도에서 침전시켜 상기 침전물을 회수하는 단계

로 이루어진다.

상기 방법에 사용하기 적합한 출발 물질은

규산마그네슘에는 천연 또는 소결된(1000℃ 에서 열처리됨) 규산염 광물질, 예를 들면 감람석, 사문석, 질석, 앤토우필라이트, 쿠밍토나이트, 엔스타타이트, 홍석류석, 첨정석 및 하기 정의하는 바와 같은 주성분으로서인 Mg를 포함하는 유사하게 조성된 산업적으로 유도된 화합물을 포함한다.

Al₂O₃의 함량이 3% 이상인 경우, 환원 영역 중의 반응 온도는 탄화 알루미늄의 생성을 피하기 위하여 1550℃ 이하이어야 한다.

본 명세서에서, 용어 "탄소"는 탄소 풍부 물질, 예를 들면 안트라사이트, 카본블랙 및 코우크스를 포함하는 것으로 이해된다.

C 함량 > 90%

회분 함량 < 2%

휘발물질 < 8%,

바람직하게는, C 함량 > 96%

회분 함량 < 1%

휘발물질 < 3%,

더욱 바람직하게는, C 함량 > 98.5%

회분 함량 < 0.5%

휘발물질 < 1.0%.

출발 물질은 바람직하게는 약 45㎛ 미만의 평균 입도로 분쇄된다. 탄소 풍부 물질은 바람직하게는 약 100㎚의 평균 입도를 갖는다. 반응 혼합물은 바람직하게는 약 57%의 다공도를 갖는 연탄으로 환원 영역내로 도입된다.

제1 바람직한 실시태양에 따르면, 출발 물질을

- 2.9 내지 3.3몰의 C/SiO₂몰, 1.0 내지 1.3 몰의 C/FeO 몰, 3.0 내지 3.4 몰의 C/Fe₂O₃몰 및 0.0 내지 0.25몰의 C/MgO 몰,

-바람직하게는 2.9 내지 3.2몰의 C/SiO₂몰, 1.0 내지 1.2 몰의 C/FeO 몰, 3.0 내지 3.2 몰의 C/Fe₂O₃몰 및 0 내지 0.2몰의 C/MgO 몰,

- 특히 2.9 내지 3.1몰의 C/SiO₂몰, 1.0 내지 1.05 몰의 C/FeO 몰, 3.0 내지 3.1 몰의 C/Fe₂O₃몰 및 0 내지 0.15몰의 C/MgO 몰의 양으로 탄소와 혼합한다.

기타 바람직한 실시태양에 따르면,

- 반응 온도 T_r을 1400 내지 1500℃ 범위내로 유지하고, MgO 및 Mg₂SiO₄를 분자상 산소, 공기, CO₂, CO, H₂O 및 그들의 혼합물과 같은 산소 함유 가스를 주입하여 응축 영역 중에서 침전시키고,

- Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘을 출발 물질로 사용하고,

- 감람석을 출발 물질로서 사용하고,

- 환원 영역 및 제1 응축 영역중에서 생성된 SiC를 각각 환원 영역 및 제1 응축 영역 중의 잔류물로부터 부산물로서 회수하고,

- 환원 영역 및 제1 응축 영역중에서 생성된 MgO를 각각 환원 영역 및 제1 응축 영역 중의 잔류물로부터 부산물로 회수한다.

[상세한 설명]

이하, 도면을 참고로 하여 본 발명을 추가로 설명하며, 상기 도면에서,

제1도는 실시예 1 내지 5의 실험에 사용된 실험실 규모의 실험 장치를 도시하고,

제2도는 실시예 6의 실험에 사용된 실험실 규모의 실험 장치를 도시하며,

제3도는 규산마그네슘 광물질 및 암석의 탄소열 처리용 장치를 도시하고,

제4도는 실시예 1의 반응된 층 물질의 SEM 사진을 도시하며,

제5도는 실시예 5의 마그네슘 금속의 컬럼상 결정의 SEM 사진을 도시하고,

제6도는 1508±2℃에서 감람석 613의 탄소열 전환을 위한 감압(실시예 1, 4 및 5)에 대한 함수로서 증기상으로 이동된 MgO 및 층으로부터인 MgO(s)의 수율을 예시한 도면이다.

제1도는

열 절연만을 나타내는, 1600℃까지 상승된 전기 가열된 챔버 용광로(1),

용광로 챔버(2),

용광로 온도 측정용 열전기쌍(3),

열전기쌍(3)에 연결된 밀리볼트미터(4),

관(5)의 반응기 단부에 전하(6), 관(5)의 응축기부의 뜨거운 단부에 제1 응축물(7), 및 관(5)의 응축기부의 차가운 단부에 제2 응축물(8)을 갖는 단부 폐쇄식 알루미나관 내부에 정렬된 단부 폐쇄식 흑연관으로 이루어진 반응기 및 응축기 관(5),

반응기 및 응축기 관(5) 내의 가스 압력을 조절하기 위한 프레소스탯(pressostat)(9),

프레소스탯(9)에 의해 조절된 공기식 밸브(10),

분진 필터(11),

진공 펌프(12),

반응기/응축기 관(5)으로부터 교환 가스를 수거하기 위한 가스 저장조(13), 및 CO 모니터(14)

를 갖는 실시예 1 내지 5의 실험에 사용된 실험실 규모의 실험 장치를 도시한다.

제2도는

반응기/응축기 관의 반응기 부를 가열하기 위하여 1600℃ 까지 상승시킨 전기 가열된 용광로(1),

반응기/응축기 관의 제1 응축기 부를 가열하기 위하여 1400℃ 까지 상승시킨 전기 가열된 용광로(2),

반응기/응축기 관의 제2 응축기 부를 가열하기 위하여 1200℃ 까지 상승시킨 전기 가열된 용광로(3),

상기 3개의 용광로 요소들 사이에 있는 열 절연재(4),

관(5)의 반응기 단부에 있는 반응 챔버부(6),

관(5)의 제1 응축기 부(7), 및

관(5)의 제2 응축기 부(8)를 갖는 단부 폐쇄식 알루미나관 내부에 정렬된 단부 폐쇄식 흑연관으로 이루어진 반응기 및 응축기 관(5),

관(5)의 제2 응축기 부(8)에서 생성된 MgO-C 분말을 수집하기 위한 입자 필터(9),

진공 밀폐되고 탈착가능한 뚜껑(10), 및

응축기 및 진공 펌프 사이에서 프레소스탯에 의해 조절된 공기 밸브로 유도되는 진공선(11)

을 포함하는, 실시예 6에 기록된 실험에 사용된 실험실 규모의 실험 장치를 도시한다.

제3도는

원료 믹스의 탄소열 처리를 위한 흑연 내장재를 갖는, 1400℃ 이상, 바람직하게는 1800℃ 이상까지 상승된 전기 가열된 용광로(2)의 상부에 정렬된, 원료 믹스 과립을 부하하기 위한 진공 로크(lock) 시스템(1),

상기 용광로(2)로부터 층 잔류물을 제거하기 위한 진공 로크 시스템(3),

탄소 내장재를 갖고, 용광로(2)에서 발생된 가스상의 SiO 성분과 반응시켜 SiC를 생성하는데 적합한 형태의 반응성 탄소를 함유하는, 1000℃ 내지 1500℃ 범위의 일정 온도를 유지하기 위한 온도 조절 시스템을 갖는 전기 가열된 제1 응축기 (4),

MgO 미분 또는 금속 마그네슘의 제조를 위한 전기 가열된 제2 응축기(5)

를 갖는, 규산마그네슘 광물질 및 암석의 탄소열 처리를 위한 장치를 도시한다.

MgO 미분의 제조를 위하여 제2 응축기에는 온도를 600℃ 내지 1500℃로 일정하게 유지하기 위한 온도 조절 시스템, 미립자의 수집을 위한 필터 시스템, 및 임의로는 산소 함유 가스 도입을 조절하기 위한 시스템이 장착된다.

금속 마그네슘의 제조를 위하여 제2 응축기에는 온도를 200℃ 내지 650℃로 일정하게 유지하기 위한 온도 조절 시스템 및 응축된 금속을 수집하기 위한 시스템이 장착된다.

장치는 또한 제1 응축기(4)와 제2 응축기(5) 사이에 정렬된 온도 급강하 구배영역(6)을 갖는다. 이 영역은 제1 응축기(4)로부터 제2 응축기(5)로 통과하는 가스의 초음파 단열 냉각을 위하여 분기 노즐로서 고안될 수 있다.

마지막으로, 장치는

제2 응축기(5)로부터인 폐가스를 비말동반한 입자를 침전시키기 위한 사이클론(7),

미립자 필터(8),

용광로(2), 제1 응축기(4) 및 제2 응축기(5) 각각의 압력을 10 내지 10⁵Pa로 유지할 수 있는 진공 펌프(9), 및

제2 응축기에서 생성된 금속 마그네슘을 제거하기 위한 진공 로크 시스템(10)을 갖는다.

제4도는 실시예 1(방법 1: 1506℃, P_tot/P_eq= 0.79, 320분)로부터인 반응된 층물질의 SEM 사진을 도시한다.

A) 개략도(제5359/01번).

B) MgO 및 SiC의 미크론 크기 그레인 및 "Si_ZFe"의 약 5 미크론 소적을 도시하는 근접도(제5357/01번).

제5도는 실시예 5(방법 1: 1510℃, P_tot/P_eq= 0.029, 115분)로부터인 마그네슘 금속의 원주상 결정의 SEM 사진을 도시한다.

Mg 결정은 응축기의 가장 찬 부분(<650℃)의 증기 퇴적물에 의해 생성되었다.

A) 개략도(제5300/01번).

B) 근접도(제5299/01번).

제6도는 1508±2℃에서 감람석 613의 탄소열 전환을 위한 감압(실시예 1, 4 및 5 참조)에 대한 함수로서, 층으로부터인 MgO(s) 및 증기상으로 이동된 MgO의 수율을 예시한 도면이다.

이하, 본 발명의 배경이 되는 기본 개념을 제6도와 관련하여 추가 설명한다.

예를 들면 감람석(Mg₂SiO₄) 및 탄소(C)의 혼합물을 적당히 가열할 때 생성되는 반응 생성물은 처리과정 동안 반응물 사이의 몰비 및 기압을 따른다. 따라서, 감람석(Mg₂SiO₄) 1몰과 탄소(C) 3몰의 혼합물은 총 기압에 따라 하기 반응식(1') 또는

(1")에 따라 반응할 수 있다.

(1') Mg₂SiO₄(s) + 3C(s) -> 2MgO(s) + SiC(s) + 2CO(g)

(1") Mg₂SiO₄(s) + 3C(s) -> 2Mg(s) + SiC(s) + 3CO(g)

[표 A]

1400℃ 내지 1750℃에서 Mg₂SiO₄1몰과 C 3몰을 반응시킬 때 수반된 모든 주요 가스 종류의 평형 분압의 계산 등식

열역학 계산은 CO의 분압(P_CO)이 표 A의 등식 (a)에 의해 정의된 압력(kPa) 이하일 경우, 반응식(1')가 1400℃ 내지 1750℃의 온도 범위에서 왼쪽에서 오른쪽으로 진행될 것임을 나타낸다. 열역학 평형에서, 반응에 수반된 나머지 중요한 가스 종류[Mg(g), SiO(g), O₂(g)] 모두의 동시 분압은 표 A의 등식 (b), (c) 및 (d)에 의해 정의된다. 상기와 같이 정의된 주요 가스 종류의 분압, 및 수반된 반응에 대한 질량 평형으로부터, 총 기압(P_eq), 휘발된 물질의 조성 및 양, 및 층의 잔류 조성물은 첨가된 Mg(g) 및 SiO(g)의 평형량을 생성하는데 필요한 최소 과량의 탄소에 의한 반응식 (1')에 따라서 Mg₂SiO₄(s)의 MgO(s) 및 SiC(s)로의 평형 전환을 계산할 수 있다. 이렇게 계산한 총 평형 기압 P_eq는 하기 등식으로 주어진다.

log(P_eq) = -17043·T^-1+ 10.705

반응 혼합물 중의 실제 가스상의 총 증기압(P_tot)이 P_eq보다 클 경우, 반응은 일어나지 않을 것이다. 평형 조건[(P_tot/P_eq) = 1]에서 층으로부터 계산된 MgO(s)의 수율은 1400℃에서의 86.4%로부터 1700℃에서의 91.8%로 변한다.

P_tot가 P_eq이하로 감소됨에 따라, 충전물의 증발이 반응식(1")에 따라 더 일어날 것이며, 층 중의 MgO(s) 및 SiC(s)의 수율은 감소된다. 따라서, 압력이 P_eq이하로 점차로 감소됨에 따라, 반응식(1")는 반응식(1')에 비해 점점 더 중요해진다. 실험 결과, P_tot/P_eq가 약 0.7 이하일 경우, 반응식 (1")가 우세하고, P_tot/P_eq가 약 0.2 미만일 경우(제6도), 층으로부터인 MgO(s)의 수율(반응식 1')은 5% 미만이되고, 즉 가공 처리 동안 감람석으로부터 95% 이상의 MgO가 증발된다는 것이 밝혀진다.

이제, P_tot/P_eq가 이상일 경우, P_eq(제6도에서 15082℃)를 계산하는데 이용되는 공칭 용광로 온도가 실제 층 온도와 동일하지만, 이는 총압이 감소되는 경우에는 아니고 휘발 작용이 우세해진다는 것을 알아야 한다. 이러한 조건하에서 증발은 층을 P_tot가 정상 상태의 증발 기압과 동일할 경우의 온도, 또는 운동학적 이유 때문에 휘발 작용이 저하되는 경우의 온도(약 1400℃, 실시예 3)까지 냉각시키는 경향이 있을 것이다. 공칭 용광로 온도가 약 1500℃를 초과하고, P_tot/P_eq가 약 0.1 미만일 경우, 증발 속도는 열이 공급되는 속도에 의해 크게 조절될 것이다. 이것은 일반적으로 승화 과정 동안에 발생하는 것과 유사하다. 이들 조건하에서, 공칭 용광로 온도는 열 공급 속도를 반영하지만 층 온도를 반영하지는 않는다. 따라서, P_tot가 1.1 kPa 이하인 경우[(P_tot/P_eq) < 약 0.1; 실시예 4, 5 및 6]에 대한 1508℃ 결과는 동일한 P_tot와 1400 내지 1750℃ 범위 내의 공칭 용광로 온도에서 발생한 것으로 표시한다.

하기 실시예는 규산마그네슘(예, 감람석)을

A) 페리클레이스, 탄화규소 및 임의로는 포스테라이트가 풍부한 산화마그네슘으로 이루어진 내화 재료,

B) 잘 분리된 금속마그네슘 및 탄화규소,

C) 잘 분리된 산화마그네슘 및 탄화규소

로 전환시키기 위한 본 발명의 바람직한 실시태양을 더욱 상세히 설명한다.

실시예 1 내지 6에 사용된 원료에 대한 화학 조성 및 물리적 데이타를 표 1에 나타낸다. 상기 원료로부터 제조하여 실험에 사용된 탄소-포르스테라이트 혼합물 과립에 대한 조성 및 물리적 데이타는 표 2에 나타낸다.

실험은 하기 방법에 따라 수행하였다.

[방법 1]

1200℃ 내지 1500℃의 온도 및 0.4 내지 10.4 kPa에서의 압력에서 연탄 원료 믹스의 탄소열 전환을 위한 작업 부분에 사용되는 실험실 규모의 실험 장치를 제1 도에 도시한다.

알려진 중량의 충전물을 반응기/응축기 내, 즉 단부 폐쇄식 알루미나관 내부의 단부 폐쇄식 흑연관 내에 넣었다. 이어서, 반응기/응축기를 배기시켰고, 목적 압력으로 Ar을 충전하였고, 약 50℃/분의 가열 속도에 대응하는 속도로 예열된 용광로에 이동시켰다. 진공 펌프 정면에 있는 압력 조절 공기 밸브는 탄소열 반응 동안 반응기/응축기 중에서 일정한 압력을 유지하기 위하여 사용하였다. 공정 중 방출된 가스는 펌핑 후 수집하였고, CO 농도를 모니터링하였다.

탄소열 처리 후, 층에 있는 반응 생성물 및 증기상으로부터 응축시킨 상이한 분획을 따로 수집하였고, 중량을 재었고, XRD, TG 및 SEM/EDS로 시험하였다.

[방법 2]

1510℃ 및 1.1 kPa의 압력에서의 연탄 원료 믹스의 탄소열 전환을 위한 작업 부분에 사용되는 실험실 규모의 실험 장치를 제2도에 도시한다.

알려진 중량의 충전물을 반응기/응축기 내, 즉 단부 폐쇄식 알루미나 관 내부의 단부 폐쇄식 흑연관 내에 넣었다. 이어서, 반응기/응축기를 배기시켰고, 목적 압력으로 Ar을 충전하였고, 약 50℃/분의 가열 속도에 대응하는 속도로 예열된 용광로 단위로 이동시켰다. 응축기와 진공 펌프 사이에 있는 압력 조절 공기 밸브는 탄소열 반응 동안 반응기/응축기 중에서 일정한 압력을 유지하기 위하여 사용하였다. 공정 중 방출된 가스는 펌핑 후 수집하였고, CO 농도를 모니터링하였다.

[표 1]

실험에 사용된 원료의 화학 조성 및 물리적 데이타

[표 2]

실험에 사용된 탄소-포스테라이트 혼합물의 조성 및 물리적 데이타

A) 페리클레이스(MgO), 탄화규소(SiC) 및 포스테라이트(Mg₂SiO₄)가 풍부한 산화마그네슘 미량으로 이루어진 내화 재료의 제조

[실시예 1]

이 실험에서, 믹스 A(표 2)의 탄소-감람석 연탄 11.2g을 1506℃ 및 기압(P_tot) 10.4kPa에서 320분 동안 방법 1에 따라 처리하였다.

압력(P_tot)은 열역학 데이타로부터 계산된 바와 같이 평형 기압(P_eq)의 0.84가 되도록 선택하였다. 320분 후, 반응의 완결은 배출시킨 폐가스에서 측정된 바와 같이 CO 발생의 점차적인 강하로 정하였다.

반응시킨 층 및 응축기 내에 퇴적된 생성물의 상 조성에 대한 분석 데이타는 표 3에 요약되어 있다. 반응시킨 층은 녹색나는 고다공성 연탄으로 이루어진다. 존재하는 상들은 미크론 크기의 MgO 및 SiC, "Si_ZFe"의 소적, 및 소량의 잔류물 Mg₂SiO₄이었다(제4도 참조). 층으로부터인 MgO(s)의 수율은 67%이었다.

전환시킨 층 물질 중 일부를 분쇄하였고, "Si_ZFe"소적을 자기적으로 제거하였다. 상의 공간적 분포 및 총 시료 중량을 기준으로, 원래의 철 산화물 8.62 중량% 중 95중량% 이상이 이러한 방식으로 제거되었다고 평가하였다.

SEM/EDS 분석은 감람석 613 중에서 미량으로 발생하는 다수의 전이 원소(Cr, Mn, Ni 및 Pt)가 "Si_ZFe" 소적 중에 집중되어 있다는 것을 나타낸다. 반-정량적 EDS 분석은 "Si_ZFe" 소적 중의 평균 농도가 Cr 2 중량%, Mn 0.3 중량%, Ni 3 중량% 및 Pt 0.1 중량%임을 나타낸다.

[표 3]

실험 번호 제1번, 카본 블랙과 혼합시킨 감람석 613의 탄소열 환원에 대한 결과 요약

[실시예 2]

이 실험에서, 믹스 A(표 2)의 탄소-감람석 연탄 12.5g을 1580℃ 및 기압(P_tot) 31.3 kPa에서 260분 동안 방법 1에 따라 처리하였다.

압력(P_tot)은 열역학 데이타로부터 계산된 바와 같이 평형 기압(P_eq)의 0.97이 되도록 선택하였다. 260분 후, 반응의 완결은 배출시킨 폐가스에서 측정된 바와 같이 CO 발생의 점차적인 강하로 정하였다.

반응시킨 층은 녹색나는 고다공성 연탄으로 이루어진다. 존재하는 상들은 미크론 크기의 MgO 및 SiC, "Si_ZFe"의 소적, 및 소량의 잔류물 Mg₂SiO₄이었다. 증기 퇴적물은 상세히 분석하지 않았다.

MgO(s)의 층 수율은 82%이었다.

[실시예 3]

이 실험에서, 믹스 A(표 2)의 탄소-감람석 연탄 13.5g을 1405℃ 및 기압(P_tot) 3.4 kPa에서 180분 동안 방법 1에 따라 처리하였다.

압력(P_tot)은 열역학 데이타로부터 계산된 바와 같이 평형 기압(P_eq)의 0.97이 되도록 선택하였다. 실험은 180분 후 종결하였고, CO 발생은 배출시킨 폐가스에서 측정된 바와 같이 여전히 관찰되었다.

측정된 중량 손실은 회수되지 않은 약간의 MgO를 포함하여 18.7 중량% 이었다.

반응시킨 층은 흑녹색의 고다공성 연탄으로 이루어진다. 존재하는 상들은 감람석 39 중량%, 페리클레이스 17 중량%, SiC 11 중량%, "Si_ZFe" 3 중량%, 및 탄소 11중량% 이었다.

MgO(s)의 층 수율은 44%이었고, 미반응 감람석은 초기 MgO 함량의 약 50%를 함유하였다.

또한, Mettler DTA/TG를 사용한 믹스 A(표 2)의 연탄 상에서의 실험 작업은 기체 반응 생성물을 제거하기 위하여 순수 아르곤의 유동을 사용한 경우 1200℃에서는 반응이 거의 일어나지 않는다는 것을 보여주었다(이론치 : (P_tot- P_Ar)/P_eq= 약 0.97). 120분 후, 총 중량 손실은 단지 4 중량%이었고, 페리클레이스(MgO)의 생성은 관찰되지 않았다.

B) 잘 분리된 금속 마그네슘(Mg) 및 탄화규소(SiC)의 제조

[실시예 4]

이 실험에서, 믹스 A(표 2)의 탄소-감람석 연탄 15g을 1510℃ 및 기압(P_tot) 1.1 kPa에서 103분 동안 방법 1에 따라 처리하였다.

압력(P_tot)은 열역학 데이타로부터 계산된 바와 같이 평형 기압(P_eq)의 0.079가 되도록 선택하였다. 103분 후, 반응의 완결은 배출시킨 폐가스에서 측정된 바와 같이 CO 발생의 점차적인 강하로 정하였다.

반응시킨 층 및 응축기 내에 퇴적된 생성물의 상 조성에 대한 분석 데이타는 표 4에 요약되어 있다. 존재하는 층 물질은 주로 소량의 페리클레이스(MgO) 및 미량의 SiC이 있었고 포스테라이트는 없는 "Si_ZFe"의 소적으로 이루어진다. 압력이 낮고 감람석의 Mg₂SiO₄부분과 탄소 사이의 몰비가 약 1:3이기 때문에, 대부분의 규소 및 마그네슘은 원료 믹스 중의 감람석 613으로부터 하기 반응식에 따라 휘발되었다.

Mg₂SiO₄(s) + 3C(s) < - > 2Mg(g) + SiO(g) + 3CO(g)

규소는 페리클레이스(MgO) 및 역-반응에 의해 생성된 약간의 포르스테라이트와 함께 응축기의 가장 뜨거운 부분(1480℃20℃)에서 SiC로서 재퇴적하였다.

응축기의 가장 찬 부분(<650℃)에서 생성된 금속 마그네슘의 수율은 28 중량%이었다. 금속 마그네슘은 주요 불순물로서 페리클레이스(MgO)를 약 4.4 중량% 함유하였다.

[실시예 5]

이 실험에서, 믹스 A(표 2)의 탄소-감람석 연탄 9.4g을 1510℃ 및 기압(P_tot) 0.4 kPa에서 115분 동안 방법 1에 따라 처리하였다.

압력(P_tot)은 열역학 데이타로부터 계산된 바와 같이 평형 기압(P_eq)의 0.029가 되도록 선택하였다. 115분 후, 반응의 완결은 배출시킨 폐가스에서 측정된 바와 같이 CO 발생의 점차적인 강하로 정하였다.

반응시킨 층 및 응축기 내에 퇴적된 생성물의 상 조성에 대한 분석 데이타는 표 5에 요약되어 있다. 층 잔류물은 주로 "Si_ZFe"의 소적 및 소량의 SiC로 이루어진다. 압력이 낮고 감람석의 Mg₂SiO₄부분과 탄소 사이의 몰비가 약 1:3이기 때문에, 대부분의 규소 및 마그네슘은 원료 믹스 중의 감람석 613으로부터 하기 반응식에 따라 휘발되었다.

Mg₂SiO₄(s) + 3C(s) < - > 2Mg(g) + SiO(g) + 3CO(g)

규소는 역-반응에 의해 생성된 약간의 포스테라이트, 소량의 페리클레이스(MgO) 및 미량의 SiC와 함께 응축기의 가장 뜨거운 부분(1300℃)에서 Si로서 주로 재퇴적하였다.

응축기의 가장 찬 부분(<650℃)으로부터인 생성된 금속 마그네슘의 수율은 74.6 중량%이었다. 마그네슘은 원주상 결정으로서 퇴적되었다(제5도 참조). 금속 마그네슘은 주요 불순물로서 페리클레이스(MgO)를 약 4.9 중량% 함유하였다.

[표 4]

실험 제4번, 카본 블랙과 혼합시킨 감람석의 탄소열 환원의 결과 요약

[표 5]

실험 제5번, 카본 블랙과 혼합시킨 감람석의 탄소열 환원의 결과 요약

C) 잘 분리된 산화마그네슘 및 탄화규소의 제조

[실시예 6]

이 실험에서, 믹스 B(표 2)의 탄소-감람석 연탄 14.2g을 1510℃ 및 기압(P_tot) 1.1 kPa에서 120분 동안 방법 2에 따라 처리하였다.

압력(P_tot)은 열역학 데이타로부터 계산된 바와 같이 평형 기압(P_eq)의 0.079가 되도록 선택하였다. 120분 후, 반응의 완결은 배출시킨 폐가스에서 측정된 바와 같이 CO 발생의 점차적인 강하로 정하였다.

반응시킨 층 및 응축기 내에 퇴적된 생성물의 상 조성에 대한 분석 데이타는 표 6에 요약되어 있다. 상 잔류물은 SiC, "Si_ZFe"의 소적 및 소량의 잔류 탄소로 이루어졌다.

1360℃에서 유지시킨 응축기 I에서 검출된 유일한 상은 SiC이었다.

800℃에서 유지시킨 응축기 II로부터 수집된 물질은 페리글레이스(MgO) 및 탄소(C)로 이루어진 흑색 미분이었다. 탄소는 분말을 공기 중에서 5시간 동안 800℃까지 가열함으로써 제거하였다. 생성된 분말은 백색이었고, XRD에 의해 검출된 유일한 상은 페리클레이스(MgO)이었다. 페리클레이스와 수율은 95중량%이었다.

상기한 실험에서, 출발 물질로서 감람석을 사용하였다. 기타 규산마그네슘 광물질 및 조 마그네시아로 유사한 결과를 얻을 수 있다.

[표 6]

실험 제 6번, 카본 블랙과 혼합시킨 감람석의 탄소열 환원의 결과 요약

Claims

Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을 1 몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1 몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3 몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰 이상의 C/MgO 몰의 양으로 탄소와 혼합하는 단계;

- 혼합물을 환원 영역 중에서 0.01 내지 1.75 kPa 범위 내의 압력 Pr에서 1400 내지 1700℃ 범위 내의 온도 Tr까지 가열하는 단계;

- 환원 영역 중에서 출발 물질 중의 산화철 성분을 철로 환원시키는 단계;

- 출발 물질 중의 실리카 성분을 SiO로 환원시켜, 이의 일부는 환원 영역 중에서 SiC, 및 Si와 Fe의 합금 Si_ZFe로 전환되고, 일부는 환원 영역으로부터 증발되어 별도의 제1 응축 영역 중에서 0.01 내지 1.1 kPa 범위 내의 압력 p₁, 및

(여기서, p₁은 kPa 단위이다)보다는 높고, (T_min+ 100℃)보다는 낮으며, 어떤 경우에도 T_r보다 낮은 온도 T₁에서 탄소와 반응하여 SiC, Si 및(또는) Mg₂SiO₄로 전환되게 하는 단계;

- 환원 영역 중에서 출발 물질의 산화마그네슘 성분을 가스상 금속 마그네슘으로 환원시키는 단계;

- 상기 가스상 금속 마그네슘을 환원 영역으로부터 증발시키고, 상기 가스상 금속 마그네슘을 제1 응축 영역 하류에 위치한 별도의 제2 응축 영역 중에서 0.01 내지 1.1 kPa 범위내의 압력 p₂및 638℃ 미만의 온도 T₂에서 응축시키는 단계; 및

- 상기한 환원 반응으로 생성된 CO를 제2 응축 영역으로부터 취출하고, 펌프를 사용하여 압력 P₂를 소정의 값으로 유지하는 단계

를 포함하며, 제1 응축 영역과 제2 응축 영역 사이의 온도 구배를 가능한 한 크게 유지하고 p₂≤p₁≤p_r이 되게 하는 것을 특징으로 하는, 상기 출발 물질의 탄소열 환원에 의한 금속 마그네슘의 제조 방법.
제1항에 있어서, 제1 응축 영역과 제2 응축 영역 사이의 큰 온도 구배가, 제1 응축 영역으로부터의 가스를 부족 팽창 조건하에서 작동되는 분기 노즐내로 도입시키고, 상기 혼합 가스를 상기 분기 노즐을 통하여 분사시켜 상기 혼합가스가 초음파 속도로 단열 팽창되게 하는 것으로 이루어지며 노즐 내에서 팽창비가 12.5 내지 2의 범위 내에 들도록 하는 급속 냉각에 의해 제공되는 방법.
제1항 또는 2항에 있어서, 탄소의 첨가량을 3 내지 4 몰의 C/SiO₂몰 더하기 1 내지 2몰의 C/FeO 몰 더하기 3 내지 4 몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1 내지 2 몰의 C/MgO 몰로 함으로써 출발 물질 중의 실리카 성분을 반응 혼합물 중에서 본질적으로 SiC로 전환시키는 방법.
제1항 또는 2항에 있어서, 환원 영역과 제1 응축 영역 사이의 온도 구배를 가능한 한 크게 유지하는 것인 방법.
제1항 또는 2항에 있어서, Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘을 출발 물질로 사용하는 방법.
제1항 또는 2항에 있어서, 감람석을 출발 물질로 사용하는 방법.
제1항 또는 2항에 있어서, 반응 혼합물 중의 Al₂O₃함량이 1 중량%보다 큰 경우, T_r이 1550℃ 미만인 방법.
제1항 또는 2항에 있어서, 환원 영역 중의 잔류물로부터 Si_ZFe 및 금속 철을 자기 또는 정전 분리법 또는 부유법과 같은 통상의 방법으로 분리한 다음, Au 및 Mn, Cr, Ni 및 백금족 금속과 같은 철친화성 원소를 침출과 같은 통상의 방법으로 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항 또는 2항에 있어서, 환원 영역 및 제1 응축 영역 중에서 생성된 SiC를 각각 환원 영역 및 제1 응축 영역 중의 잔류물로부터 부산물로 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을 1몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰 이상의 C/MgO 몰의 양으로 탄소와 혼합하는 단계;

- 혼합물을 환원 영역 중에서 0.01 - 10^{(-16381·(Tr + 273) + 10.03)}kPa 범위 내의 압력 P_r에서 1400 내지 1700℃ 범위 내의 온도 T_r까지 가열하는 단계;

- 출발 물질 중의 산화 철 성분을 반응 혼합물 중에서 철로 환원시키는 단계;

- 출발 물질 중의 실리카 성분을 SiO로 환원시켜, 이의 일부는 환원 영역 중에서 SiC, 및 Si와 Fe의 합금 Si_ZFe로 전환되고, 일부는 환원 영역으로부터 증발되어 별도의 제1 응축 영역 중에서 p₁≤p_r인 압력 p₁및

(여기서, p₁은 kPa 단위이다)보다는 높고, (T_min+ 100℃) 보다는 낮으며, 어떤 경우에도 T_r보다 낮은 온도 T₁에서 탄소와 반응시켜 SiC, Si 및(또는) Mg₂SiO₄로 전환되게 하는 단계;

- 환원 영역 중에서 출발 물질 중의 산화마그네슘 성분을 적어도 부분적으로 가스상 금속 마그네슘으로 환원시키는 단계;

- 상기 가스상 금속 마그네슘을 환원 영역으로부터 증발시키고, 상기 가스상 금속 마그네슘을 환원 영역 중에서 생성된 CO, 또는 분자상 산소, 공기, CO₂, CO, H₂O 및 그들의 혼합물과 같은 별도로 첨가된 산소 함유 가스와 반응시켜 산화마그네슘을 생성시키고, 상기 산화마그네슘을 제1 응축 영역 하류에 위치한 별도의 산화 및 응축 영역 중에서

p₂≤p₁인 압력 p₂, 및 638℃ 내지 T₁범위 내의 온도 T₂에서 침전시키는 단계;

- 산화마그네슘을 산화 및 응축 영역으로부터 취출하고, 경우에 따라 탄소를 취출된 생성물로부터 산화에 의해 제거하는 단계; 및

- 상기한 환원 및 산화 반응으로 생성된 가스를 산화 및 응축 영역으로부터 취출하고, 펌프를 사용하여 압력 P₂를 소정의 값으로 유지하는 단계

를 포함하며, p₂≤p₁≤p_r이 되게 하는 것을 특징으로 하는, 상기 출발 물질의 탄소열 환원에 의한 순수 산화마그네슘의 제조 방법.
제10항에 있어서, 탄소의 첨가량을 3 내지 4몰의 C/SiO₂몰 더하기 1 내지 2몰의 C/FeO 몰 더하기 3 내지 4몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1내지 2몰의 C/MgO 몰로 함으로써 출발 물질 중의 실리카 성분을 반응 혼합물 중에서 본질적으로 SiC로 전환시키는 방법.
제10항에 있어서, 환원 영역과 제1 응축 영역 사이의 온도 구배를 가능한 한 크게 유지하는 것인 방법.
제10항에 있어서, 제1 응축 영역과 산화 및 응축 영역 사이의 온도 구배를 가능한 한 크게 유지하는 것인 방법.
제10항에 있어서, Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘을 출발 물질로 사용하는 방법.
제10항에 있어서, 감람석을 출발 물질로 사용하는 방법.
제10항에 있어서, 반응 혼합물 중의 Al₂O₃함량이 1 중량%보다 큰 경우, T_r이 1550℃ 미만인 방법.
제10항에 있어서, 환원 영역 중의 잔류물로부터 Si_ZFe 및 금속 철을 자기 또는 정전 분리법 또는 부유법과 같은 통상의 방법으로 분리한 다음, Au 및 Mn, Cr, Ni 및 백금족 금속과 같은 철친화성 원소를 침출과 같은 통상의 방법으로 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 환원 영역 및 제1 응축 영역 중에서 생성된 SiC를 각각 환원 영역 및 제1 응축 영역 중의 잔류물로부터 부산물로 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
- Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘; 천연 및 산업적으로 생산된 규산마그네슘 광물질; 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 출발 물질을 1몰 이상의 C/SiO₂몰 더하기 1몰 이상의 C/FeO 몰 더하기 3몰 이상의 C/Fe₂O₃몰 더하기 1몰 이상의 C/MgO 몰의 양으로 탄소와 혼합하는 단계;

- 혼합물을 환원 영역 중에서 10^{(-16381·(Tr + 273) + 10.03)}kPa 내지 10^{(-17043·(Tr + 273) + 10.75)}kPa 범위 내의 압력 P_r에서 1400 내지 1800℃ 범위 내의 온도 T_r까지 가열하여,

이로써 출발 물질 중의 산화 철 성분을 반응 혼합물 중에서 철로 환원시키고,

출발 물질 중의 실리카 성분을 반응 영역 중에서 적어도 부분적으로 SiC, 및 Si와 Fe의 합금 Si_ZFe로 전환시키고,

출발 물질 중의 산화마그네슘 성분을 적어도 부분적으로 산화마그네슘(페리클레이스)으로 전환시키는 단계;

- 본질적으로 완전히 전환된 혼합물을 반응 영역으로부터 최종 생성물로 취출하는 단계;

- 상기한 환원 반응으로 생성된 CO를 반응 영역으로부터 취출하고, 펌프를 사용하여 반응 영역 중의 압력 p_r을 소정의 값으로 유지하는 단계; 및

- 경우에 따라, 펌프 상류에 위치한 별도의 응축 영역 중에서, 반응 영역으로 부터 취출된 가스로부터 MgO, Mg₂SiO₄, Si 및 SiC의 혼합물을 p₁≤p_r인 압력 p₁및 800 내지 1500℃ 범위내의 온도에서 침전시키고 상기 침전물을 회수하는 단계

로 이루어진, 상기 출발 물질의 처리 방법.
제19항에 있어서, 상기 출발 물질을 2.9 내지 3.3몰의 C/SiO₂몰 더하기 1.0 내지 1.3몰의 C/FeO 몰 더하기 3.0 내지 3.4몰의 C/Fe₂O₃몰 더하기 0.0내지 0.25몰의 C/MgO 몰의 양으로 탄소와 혼합하는 것인 방법.
제19항 또는 20항에 있어서, 반응 온도 Tr을 1400 내지 1500℃ 범위내로 유지하고, MgO 및 Mg₂SiO₄를 응축 영역 중에서 분자상 산소, 공기, CO₂, CO, H₂O 및 그들의 혼합물과 같은 산소 함유 가스를 주입하여 침전시키는 것인 방법.
제19항 또는 20항에 있어서, Fe, Si, Ca 및 Al의 산화물 미량을 함유하는 산화마그네슘을 출발 물질로 사용하는 방법.
제19항 또는 20항에 있어서, 감람석을 출발 물질로 사용하는 방법.
제19항 또는 20항에 있어서, 반응 혼합물 중의 Al₂O₃함량이 1 중량%보다 큰 경우, T_r이 1550℃ 미만인 방법.
제19항 또는 20항에 있어서, 환원 영역 중의 잔류물로부터 Si_ZFe 및 금속 철을 자기 또는 정전 분리법 또는 부유법과 같은 통상의 방법으로 분리한 다음, Au 및 Mn, Cr, Ni 및 백금족 금속과 같은 철친화성 원소를 침출과 같은 통상의 방법으로 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
제19항 또는 20항에 있어서, 환원 영역 및 제1 응축 영역 중에서 생성된 SiC를 각각 환원 영역 및 제1 응축 영역 중의 잔류물로부터 부산물로 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
제19항 또는 20항에 있어서, 환원 영역 및 제1 응축 영역 중에서 생성된 MgO를 각각 환원 영역 및 제1 응축 영역 중의 잔류물로부터 부산물로 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.