KR100450992B1 - 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치는 화학반응 시에 발생하는 반응열을 조절하는 내화재료층(10)과; 내화재료층(10) 상부에 설치되어 용융 및 화학반응이 일어나는 제련로(20)와; 제련로(20)에 열을 공급하는 열공급수단(50)과; 환원제인 알루미늄을 제련로(20) 내부에 분사하는 알루미늄 분사장치(60)와; 제련로(20)를 취부하여 이동시키는 크레인(70)과; 용융과 화학반응을 거쳐 생성되는 티타늄 스폰지를 수냉하는 워터박스(80)로 이루어진다.
본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치는 다수개의 층으로 구성되는 내화재료층이 화학반응 시에 발생하는 반응열에 의해 2000℃이상 상승하게되는 제련로 내의 온도를 자연적으로 약 2 ~ 5분 유지시킴으로서 티타늄이 제련되는 분위기를 조성되어 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조방법을 구현할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 금홍석으로부터 알루미늄을 이용한 열복원법을 구현하기 위한 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 티타늄 및 티타늄합금은 비강도(강도-비중)가 크고, 약 550℃까지의 고온 특성이 우수하며, 특히 산 및 염화물 매체와 대부분의 자연 환경에 대한 내식성도 뛰어난 합금이다.
특히 비강도와 고온 특성이 중요시되는 우주, 항공 분야에서의 응용은 괄목할 만하게 증가하고 있고, 우수한 내식성이 요구되는 화학 공업, 식품 및 의료 공업에서의 응용이 기대되는 금속이며, 새로운 적용 분야가 계속 개발되고 있는 금속이다.
또한, 티타늄 및 티타늄합금은 그 특수한 성질 때문에 상대적으로 고가인 가격에도 불구하고 상당히 많은 분야에서 이용이 급증하고 있는 금속이다.
일반적인 티타늄의 제조방법은 금홍석을 염소가스와 반응시켜 사염화티타늄(TiC14)을 만들어 정제한 후, 그것을 금속마그네슘(Mg) 또는 금속나트륨(Na)으로 환원하는 크롤법과 헌터법이 사용되어 왔다.
그러나 이러한 크롤법과 헌터법은 금홍석 및 티타늄철광석을 염소가스와 반응시켜 중간 원료인 TiC14를 만든 후, 중간 원료를 가지고 화학반응을 일으키므로 여러 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있고, 또한 대량 생산을 목적으로 하는 공업적인 방법에 적용하기에는 적합하지 않은 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 알루미늄을 환원제로 이용하는 열복원법이다.
알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조방법은 다음과 같다.
금홍석, 알루미늄, 석회 및 염소산칼륨을 분말화하고, 금홍석분말 50 ~ 55 중량%, 석회분말 10 ~ 11 중량% 및 염소산칼륨분말 10 ~ 11 중량%를 혼합한 후에 로에서 용융하며, 용융이 완료된 후 알루미늄 분말 25 ~ 28 중량%를 투입시켜 화학반응을 유도한다.
화학반응은 알루미늄열복원법에 의해 이루어지며 구체적인 주요 반응식은 다음과 같다.
TiO2+ 4/3Al → Ti + 2/3Al2O3
ΔG2= -167472 + 12.1T
한편, 일부는 아래 반응식과 같이 TiO 형태로 복원된다.
2TiO2+ 4/3Al → 2TiO + 2/3Al2O3
ΔG2= -452655 + 14.36T
분말 중 TiO의 함유량이 높은 경우 다음 반응식과 같이 Ti가 복원된다.
2TiO + 4/3Al → 2Ti + 2/3Al2O3
ΔG2= -117858 + 9.9T
다른 한편, TiO는 강한 염기성을 띠며 이에 따라 염기성이 충분한 분말, 예컨대 산화칼슘(CaO)과 반응하는 경우에 Ti 복원이 가능하고, 그 반응식은 다음과 같다.
2TiO + 4/3Al + 2/3CaO → 2Ti + 2/3(CaO·Al2O3)
ΔG2= -190813 + 12.14T
상기 반응들은 모두 큰 음의 ΔG2값을 가지므로 지속적으로 정반응이 이루어지는 것이 가능하게 되며, 이에 따라 Ti가 농축제조되는 것이 가능하게 된다. 하지만 반응이 일어나는 동안 도가니 내의 온도가 반응열에 의해 순간적으로 2000℃이상 상승하게 된다.
상기 화학반응의 종료 후에는 도가니 내부에 생성된 티타늄 스폰지는 도가니 내에서 14시간 냉각시키고, 도가니의 뚜껑을 제거한 후 2시간 동안 공기 중에서 냉각시킨다.
공냉단계 후 냉각된 티타늄 스폰지를 30분간 수중에서 냉각시켜서 티타늄 스폰지를 제조한다.
하지만 종래의 제조장치로는 이러한 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조시에 발생하는 2000℃이상 상승하게 되는 반응열을 조절할 수 없기 때문에 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조방법을 구현할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 알루미늄을 환원제로 이용하는 티타늄 제조방법을 구현하기 위한 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치는 내화재료층과; 상기 내화재료층 상부에 접촉하면서 설치되는 제련 도가니와 상기 제련 도가니를 개폐하는 마개로 구성되는 제련로와; 상기 제련로에 열을 공급하는 열공급수단과; 알루미늄 분말을 상기 제련로에 일정한 양만큼 분사하는 알루미늄 분사장치와; 상기 제련로를 취부하여 이동시키는 크레인과; 제련 후 생성되는 티타늄 스폰지를 수냉할 수 있는 워터박스로 이루어진다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치를 도시한 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치 중 알루미늄 분사장치의 작동상태도이다.
※ 도면 중 주요부분에 대한 부호 설명
10 : 내화재료층 12 : 제1모래층
14 : 제1마그네시아층 16 : 제2모래층
18 : 제2마그네시아층 20 : 제련로
30 : 제련 도가니 32 : 열공급공
34 : 들개고리 40 : 마개
42 : 주입구 50 : 열공급수단
60 : 알루미늄 분사장치 62 : 알루미늄 보관통
64 : 펌프 66 : 호스
68 : 알루미늄 분사기 70 : 크레인
80 : 워터박스
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치 중 알루미늄 분사장치의 작동상태도이다.
본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치는 크게 화학반응 시에 발생하는 반응열을 조절하는 내화재료층(10)과; 내화재료층(10) 상부에 설치되어 용융 및 화학반응이 일어나는 제련로(20)와; 제련로(20)에 열을 공급하는 열공급수단(50)과; 환원제인 알루미늄을 제련로(20) 내부에 분사하는 알루미늄 분사장치(60)와; 제련로(20)를 취부하여 이동시키는 크레인(70)과; 용융과 화학반응을 거쳐 생성되는 티타늄 스폰지를 수냉하는 워터박스(80)로 이루어진다.
내화재료층(10)은 하부에 제1모래층(12)이 형성되고, 상기 제1모래층(12)의 상부에 제1마그네시아층(14)이 형성되며, 상기 제1마그네시아층(14) 상부에 제2모래층(16)이 형성되고, 상기 제2모래층(16) 상부에 제2마그네시아층(18)이 형성된다.
상기 내화재료층(10)은 상기 제련로(20)와 접촉에 의해 화학반응 시에 발생하는 반응열을 전달받아 내화재료인 모래와 마그네시아에서 자연스럽게 열조절되어 순도 70%이상의 티타늄이 제련되도록 하기 위하여, 제1모래층(12)은 입자의 직경이 0.2 ~ 2mm인 모래로 50 ~ 90mm의 두께로 형성되고, 상기 제1마그네시아층(14)은 입자의 직경이 15 ~ 25mm인 마그네시아로 80 ~ 120mm의 두께로 형성되며, 상기 제2모래층(16)은 입자의 직경이 0.02 ~ 0.2mm인 모래로 30 ~ 70mm의 두께로 형성되고, 상기 제2마그네시아층(18)은 입자의 직경이 0.2 ~ 2mm인 마그네시아로 30 ~ 70mm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
제련로(20)는 용융 및 화학반응이 일어나는 제련 도가니(30)와 제련 도가니를 개폐하는 마개(40)로 이루어진다.
상기 제련 도가니(30)는 내화벽돌과 내화점토로 제조되어 내화재료층(10)의 상부에 접촉하면서 설치되고, 그 벽면에 열공급수단(50)에서 발생한 열을 통과시키는 열공급공(32)이 형성되며, 그 외벽의 상부에는 크레인(70)에 의해 취부되는 다수개의 들개고리(34)가 형성된다.
상기 마개(40)는 제련 도가니(30)를 개폐하도록 설치되고, 그 몸체에 상기 알루미늄 분사장치(60)에서 분사되는 알루미늄 분말이 투입되는 주입구(42)가 개폐되도록 형성된다.
열공급수단(50)은 상기 제련 도가니(30)에 형성된 열공급공(32)을 통하여 제련로(20)에 열을 공급하는 장치로 열원은 열을 발생시키는 원료 예를 들어 가스 또는 유류 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.
알루미늄 분사장치(60)는 알루미늄 분말을 보관하는 알루미늄 보관통(62)과 알루미늄 분말을 공압에 의해 분사하는 펌프(64)와 알루미늄 분말이 이동되도록 알루미늄 보관통(62)과 펌프(64)와 연결되는 호스(66)와 호스(66)의 단부에 설치되어 알루미늄 분말을 분사하는 알루미늄 분사기(68)로 이루어지며, 보관된 알루미늄 분말을 정해진 양만큼 상기 제련로(20)에 형성된 주입구(42)를 통하여 상기 제련로(20)에 분사한다.
상기 펌프(64)는 온 시켰을 경우에 일정시간만큼 작동 후 오프 되도록 세팅이 되어 있어 정해진 양만큼의 알루미늄을 분사한 후 오프 된다.
크레인(70)은 천장에 설치되어 상기 제련로(20)를 취부하여 이동시키기 위하여 사방으로 동작한다.
워터박스(80)는 용융과 화학반응을 거쳐 상기 제련로(20)에서 제련되는 티타늄 스폰지를 수냉하기 위해 물이 담겨져 있다.
상기와 같은 구성에 의해서 본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치는 다음과 같이 작동하여 티타늄 스폰지를 제조한다.
티타늄 제조시 사용되는 재료 즉 분말화한 금홍석, 알루미늄, 석회 및 염소산칼륨을 정해진 양만큼 혼합하여 제련로(20)의 마개(40)를 열고, 제련로(20) 내부로 투입한 다음 마개(40)를 닫아 제련할 준비를 한다.
제련준비가 끝나면 열공급수단(50)을 작동하여 제련로(20) 내의 온도를 상승시켜 혼합된 재료들이 용융되도록 유도한다.
제련로(20) 내의 재료들이 용융되면 알루미늄 분사장치(60)를 작동시켜서 펌프(64)가 온 되면 알루미늄 보관통(62) 내부에 보관 중이던 알루미늄 분말이 호스(66)를 통하여 알루미늄 분사기(68)로 이동되어 제련로(20)의 마개(40)에 형성된 주입구(42)를 통하여 제련로(20) 내부로 분사된다.
알루미늄 분말의 분사가 진행되다가 정해진 양만큼의 알루미늄 분말을 분사하게끔 세팅된 펌프(64)는 세팅된 시간이 경과하면 자동으로 오프 되고, 알루미늄 분말의 분사는 정해진 양만큼을 분사 한 후 중단된다.
제련로(20) 내부로 분사된 알루미늄 분말은 용융된 재료들과 반응하여 화학반응을 일으키게 되는데, 이때 제련로(20) 내의 온도가 반응열에 의해 순간적으로 2000℃이상 상승한다. 상승된 온도는 제련로(20)와 접촉하고 있는 내화재료층(10)에 의해 자연적으로 약 2 ~ 5분 유지가 되면서 조절되어 알루미늄에 의한 열복원법이 이루어지는 것이다.
화학반응의 종료 후에는 제련로(20) 내부에 생성된 티타늄 스폰지를 제련로(20) 내에서 14시간 냉각시키고, 제련로(20)의 마개(40)를 크레인(70)을 이용하여 오픈 시킨 다음 2시간 동안 공기 중에서 냉각시킨다.
공냉을 마친 후 제련로(20)의 들개고리(34)에 크레인(70)을 걸어 제련로(20)를 취부한 다음 이동시켜 워터박스(80)에 투입하여 30분간 수중에서 냉각시킴으로서 티타늄 스폰지를 생산한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치는 다수개의 층으로 구성되는 내화재료층이 화학반응 시에 발생하는 반응열에 의해 2000℃이상 상승하게되는 제련로 내의 온도를 자연적으로 약 2 ~ 5분 유지시킴으로서 티타늄이 제련되는 분위기를 조성되어 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조방법을 구현할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치에 있어서,하부에 제1모래층(12)이 형성되고, 상기 제1모래층(12)의 상부에 제1마그네시아층(14)이 형성되며, 상기 제1마그네시아층(14) 상부에 제2모래층(16)이 형성되고, 상기 제2모래층(16) 상부에 제2마그네시아층(18)이 형성되는 내화재료층(10)과;내화재료로 둘러싸인 수용공간이 형성되어서 상기 내화재료층(10) 상부에 접촉하면서 설치되는 제련 도가니(30)와 상기 제련 도가니(30)를 개폐하는 마개(40)로 구성되는 제련로(20)와;상기 제련로(20)에 열을 공급하는 열공급수단(50)과;알루미늄 분말을 보관하는 알루미늄 보관통(62)과 알루미늄 분말을 공압에 의해 분사하는 펌프(64)와 알루미늄 분말이 이동되도록 알루미늄 보관통(62)과 펌프(64)와 연결되는 호스(66)와 호스(66)의 단부에 설치되어 알루미늄 분말을 분사하는 알루미늄 분사기(68)로 이루어지며, 보관된 알루미늄 분말을 정해진 양만큼 상기 제련로(20)에 형성된 주입구(42)를 통하여 상기 제련로(20)에 분사하는 알루미늄 분사장치(60)와;상기 제련로(20)를 취부하여 이동시키는 크레인(70)과;용융과 화학반응을 거쳐 상기 제련로(20)에 생성되는 티타늄 스폰지를 수냉하는 워터박스(80)로 이루어지되상기 제련로(20)의 제련 도가니(30)에는 내화벽돌과 내화점토로 제조되어 내화재료층(10)의 상부에 접촉하면서 설치되고, 그 벽면에 열공급수단(50)에서 발생한 열을 통과시키는 열공급공(32)이 형성되며, 그 외벽의 상부에는 크레인(70)에 의해 취부되는 다수개의 들개고리(34)가 형성되고, 상기 제련로(20)의 마개(40)에는 개폐되는 주입구(42)가 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄을 환원제로 이용한 티타늄 제조장치.
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