KR100526039B1 - 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화물과 불순원소를 함유하는 마그네슘 스크랩을 용해하여 진공증류하여 정제함으로써 고순도 마그네슘 금속을 획득하기 위한 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 마그네슘 스크랩을 불활성분위기 또는 진공상태의 밀폐된 반응용기 내에서 가열하여 용해하는 단계와; 상기 용해된 마그네슘 스크랩 용탕을 진공상태로 유지하여 마그네슘을 증발시키는 단계와; 상기 증발된 마그네슘을 마그네슘 응축온도 이하의 온도로 유지된 응축기에 응축시켜 고체화시키는 단계와; 상기 진공상태의 반응용기에 불활성가스를 취입하여 진공을 해제한 다음, 상기 고체화된 마그네슘을 수거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법을 제공한다.

이와 같이, 본 발명은 마그네슘 스크랩 중에 함유되어 있는 불순원소들을 공업용 순 마그네슘 지금 수준으로 제거하여 고순도의 금속 마그네슘을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법{METHOD FOR PURIFYING MAGNESIUM SCRAP WITH VACUUM DISTILLATION}

본 발명은 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화물과 불순원소를 함유하는 마그네슘 스크랩을 용해하여 진공 증류하여 정제함으로써 고순도 마그네슘 금속을 획득하기 위한 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법에 관한 것이다.

일반적으로, 마그네슘 합금은 전자파 차폐효과가 있어서 전자, 통신부품 소재로서 사용될 뿐만 아니라, 가볍고 강도가 높아서 자동차, 항공기 등 수송기계용 부품 소재로 널리 사용되고 있다.

주조용 마그네슘(Mg)합금은 AM(Mg-Al-Mn) 및 AZ(Mg-Al-Zn)계 합금이 주종을 이루고 있으며, 마그네슘합금에 있어서의 알루미늄(Al)은 마그네슘의 주조조직을 미세화하여 기계적 성질을 향상시키며, 아연(Zn)은 강도와 주조성을, 그리고 망간(Mn)은 내식성을 향상시키는 효과가 있다.

따라서 일반적인 마그네슘합금에는 Al을 6-10%, Zn를 1-3%, 그리고 Mn을 약 0.3%정도 첨가하며, 소량의 지르코늄(Zr)이나 희토류금속을 첨가하기도 하고, 소량의 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 실리콘(Si) 등이 불순물로 함유되는 것이 보통이다.

그런데, 마그네슘합금의 사용량이 급격하게 증가하는 추세이므로 수명이 다하여 폐기되는 제품으로부터 회수되는 스크랩의 발생 잠재력이 증가하고 있으며, 특히 마그네슘 제품은 주로 중력 주조법 또는 다이 케스팅(Die casting)법으로 제조되며 공법 특성상 부산물로서 많은 양의 스크랩이 발생된다.

그런데 마그네슘 및 합금원소로 첨가되는 알루미늄(Al)은 산소와의 친화력이 강하기 때문에 용해 및 주조작업 과정에서 대기 중의 산소와 반응하여 산화물(MgO 또는 Al2O3)을 형성함으로써 제품과 용탕을 오염시키고, 산화규소(SiO2)와 같이 산소와의 친화력이 상대적으로 약한 산화물들과 접촉하면 그들을 환원하여 용탕 중 불순원소의 함량을 증가시키고, 대기 중의 수분으로부터 수소 가스를 흡수하기 쉬운 문제가 있다.

따라서 마그네슘 합금의 용해 및 주조과정에서 용탕의 오염을 저감하기 위해 불활성가스 분위기를 유지하거나 인공 플럭스(Flux)를 사용하는 방법들이 활용되고 있으나, 완벽하게 오염을 방지하는 것은 거의 불가능하다.

그러므로 일단 대기 중에서 용해 및 주조과정을 거쳐 제조된 제품의 수명이 다하여 폐기되거나 제품의 생산 활동과정에서 발생하는 스크랩은 산화물과 불순원소를 함유하고 있어서 새로운 제품을 생산하기 위한 용해 재료로 다시 사용하기는 곤란하며, 재사용하는 경우에도 청정 원료와의 혼합비를 제한하거나 불순물의 정제과정을 거쳐야 할 필요가 있다.

마그네슘 스크랩의 정련방법으로서 불활성가스(아르곤 또는 질소) 또는 불활성가스와 황산(SO2)의 혼합가스를 취입하여 용탕을 교반하는 방법이 제안되고 있지만, 그러한 방법은 용탕 중에 함유된 가스성분(수소)의 제거효과는 어느 정도 기대할 수 있으나, 용탕과 비중차가 작은 산화물(MgO 및 Al2O3)을 부상시켜 분리 제거하는 것이 쉽지 않고, 특히 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 규소(Si) 등 불순원소들의 정련효과는 기대할 수 없다.

그러므로, 종래의 방법은 단순히 불규칙한 형상의 마그네슘 스크랩을 용해하여 일정한 형상으로 주조함으로써 취급하기 용이하게 정형화하는 것이 주목적이기 때문에 종래방법으로는 마그네슘 스크랩을 재생 및 재활용하는 데 한계가 있고, 재생한 스크랩을 반복 사용하는 경우는 산화물과 불순원소들이 농축되는 문제점이 발생하게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 산화물 및 불순원소들을 함유하는 오염된 마그네슘 스크랩을 불활성가스 분위기 또는 진공 상태의 밀폐된 용기 내에서 용해하고, 분위기 중의 압력을 낮게 제어함으로써 증기압이 높은 마그네슘을 증발, 회수하여 고순도의 금속 마그네슘을 얻기 위한 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 마그네슘 스크랩을 불활성분위기 또는 진공상태의 밀폐된 반응용기 내에서 가열하여 용해하는 단계와; 상기 용해된 마그네슘 스크랩 용탕을 진공상태로 유지하여 마그네슘을 증발시키는 단계와; 상기 증발된 마그네슘을 마그네슘 응축온도 이하의 온도로 유지된 응축기에 응축시켜 고체화시키는 단계와; 상기 진공상태의 반응용기에 불활성가스를 취입하여 진공을 해제한 다음, 상기 고체화된 마그네슘을 수거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 마그네슘 스크랩을 불활성분위기 또는 진공상태의 밀폐된 반응용기 내에서 가열하여 용해하는 단계에 있어서의 가열온도는 750℃ 이상인 것을 특징으로 함과 동시에, 상기 용해된 마그네슘 스크랩 용탕을 진공상태로 유지하여 마그네슘을 증발시키는 단계에 있어서는 진공도를 30㎜Hg 이하로 유지하여 증발시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법을 제공하게 된다.

한편, 본 발명은 상기 용해된 마그네슘 스크랩 용탕을 진공상태로 유지하여 마그네슘을 증발시키는 단계에 있어서의 마그네슘 증발속도를 0.025 g/㎠-min 이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 수치한정 이유에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 마그네슘 스크랩을 불활성분위기 또는 진공상태의 밀폐된 반응용기 내에서 750℃ 이상의 온도범위로 가열하여 용해하는데, 그 이유는 마그네슘의 융점이 651℃이므로 그 이상의 온도범위로 가열하여야 마그네슘은 용해된다.

그러나, 본 발명에서 용해되는 마그네슘 스크랩은 각종 원소성분이 첨가된 합금이므로 융점이상의 온도로 가열하여야 하며, 750℃ 미만으로 가열한 경우 단위시간당 마그네슘의 증발량이 적어서 결과적으로 획득되는 마그네슘이 양이 적어 공업적 효과가 저하되는 측면이 있으므로 본 발명에서는 가열온도범위를 750℃ 이상으로 한정하였다.

또한, 본 발명에서는 상기 한정한 온도범위에서 30㎜Hg 이하로 진공도를 유지하면서 마그네슘 스크랩 용탕을 증발시키는데, 그 이유는 진공도가 30㎜Hg를 초과하여 저하되는 경우에는 단위시간당 마그네슘의 증발속도가 현저히 떨어짐과 동시에 마그네슘 증기의 응축율이 현저히 저하되기 때문에 진공도를 30㎜Hg 이하로 한정하였다.

이하, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

마그네슘 스크랩 용탕을 진공상태에서 증류하여 정제하는 방법으로서, 대표적인 마그네슘 합금(AZ91D 및 AM60B) 스크랩을 대상으로 용탕 온도, 진공도, 증발 및 응축시간, 용탕 표면적 등을 변화시키며 마그네슘의 증발 및 응축거동을 조사하였다.

내열합금(Stellite)판을 가공하여 원통형의 반응용기를 제작하고, 용기의 덮개에 마그네슘 증기를 응축, 회수하기 위한 수냉 응축기와 가스 공급관 및 배기관을 설치하였다.

상기 반응용기 내부에 약 50g의 마그네슘 스크랩을 장입한 흑연 도가니를 삽입하고, 불활성인 아르곤가스를 취입하여 반응용기 내부를 불활성 분위기로 유지한 상태에서 가열함으로써 마그네슘 스크랩을 용해 및 승온하였다.

마그네슘 스크랩이 용해된 용탕이 목표온도에 도달하면 아르곤가스의 공급을 중단하고, 유압식 진공펌프를 작동하여 반응용기 내부의 가스를 배출시켜 감압하였다.

상기 반응용기 내부의 진공도가 목표치에 도달하는 시점을 반응개시 시점으로 설정하고, 일정한 시간동안 유지한 후 진공펌프의 작동을 중단하고 반응용기 내에 아르곤가스를 취입하여 진공을 해제함으로써 마그네슘의 증발반응을 중단시켰다.

그런 다음, 반응용기를 공냉한 후 도가니에 잔류 응고된 마그네슘 스크랩 용탕의 무게를 측정하여 마그네슘의 증발거동을 평가하고, 응축기로부터 회수한 응축 마그네슘의 무게를 측정하여 응축거동을 정량적으로 평가하였으며, 화학성분을 분석하여 정제효과를 평가하였다.

마그네슘합금 스크랩의 종류에 따른 진공증류 정제거동을 검토하기 위하여, 마그네슘보다 증기압이 높은 아연(Zn)을 약 1중량% 함유하는 AZ91D와 약 0.1 중량% 함유하는 AM60B 스크랩의 증발 및 응축거동을 비교한 결과 큰 차이가 없었다.

따라서, 이하에는 마그네슘 합금 AM60B 스크랩에 대한 실시예를 중심으로 설명하며, 마그네슘의 증발 및 응축량은 소량의 아연(Zn)과 불순원소들도 포함한 양이다.

도 1은 용탕의 단위 표면적당 마그네슘의 증발량과 증발반응 시간의 상관관계를 마그네슘 스크랩 용탕의 온도별로 나타낸 그래프도이다.

마그네슘의 증발반응은 용탕 온도와 밀접한 관계가 있다. 즉 도 1은 진공도를 10㎜Hg로 일정하게 유지한 상태의 다양한 용탕 온도에서, 용탕의 표면적당 마그네슘의 증발량과 반응 시간의 상관관계를 도시한 것으로서, 용탕의 표면적당 마그네슘의 증발량은 반응시간에 따라 거의 직선적으로 증가하며, 용탕온도가 높을수록 증발량이 급격하게 증가함을 알 수 있다.

도 2는 마그네슘 스크랩 용탕의 단위표면적당 마그네슘 증발량과 진공도의 상관관계를 나타낸 그래프도이다.

그리고, 도 2는 용탕온도 800℃에서 30분 동안 증발한 마그네슘 양과 진공도의 상관관계를 도시한 것으로서, 반응용기 내부의 압력이 50㎜Hg 이상인 경우는 마그네슘 증발량이 진공도와 무관하게 약 0.5g/㎠ 정도로 거의 일정한 수준을 유지하지만, 내부압력이 30㎜Hg 이하로 감소하면 마그네슘 증발량이 급격하게 증가하며, 10㎜Hg의 진공도에서는 약 3g/㎠ 수준을 유지한다.

마그네슘 스크랩 용탕으로부터 마그네슘의 증발을 촉진시키기 위해서는 용탕온도를 가급적 높게, 그리고 반응용기 내부의 압력을 30㎜Hg 이하로 낮게 유지하는 것이 바람직하다.

도 3은 마그네슘 증기의 응축율과 마그네슘 증발속도의 상관관계를 나타낸 그래프도이다.

용탕으로부터 증발한 마그네슘 증기의 일부는 응축기에 응축하고, 나머지는 배기관을 통해 밖으로 배출된다. 도 3은 진공도 10㎜Hg 하에서, 용탕으로부터 증발한 마그네슘 중에서 응축기에 응축한 마그네슘 양의 백분율, 즉 마그네슘 증기의 응축율과 용탕 표면적당 마그네슘 증발속도의 상관관계를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 마그네슘 증발속도가 느린 경우는 마그네슘 증기의 응축율이 용탕의 단위 표면적당 마그네슘 증발속도가 증가함에 따라 급격하게 증가하지만, 마그네슘 증발속도가 0.025g/㎠-min 이상인 경우는 80~95% 범위 내에서 거의 일정한 수준을 유지한다.

그러므로 마그네슘 증기의 응축율을 80% 이상 확보하기 위해서는 마그네슘 증발속도를 0.025 g/㎠-min 이상으로 유지할 필요가 있다.

도 4는 마그네슘 증기의 응축율과 진공도의 상관관계를 나타낸 그래프도이다.

도 4는 용탕온도 800℃에서 30분 동안 유지한 경우로서, 마그네슘 증기의 응축율과 진공도의 상관관계를 도시한 것으로서, 반응관 내부의 압력이 30㎜Hg 이하로 유지되는 경우는 마그네슘 증기의 응축율이 약 95%에 이르지만, 압력이 50㎜Hg로 높아지면 마그네슘 증기의 응축율이 60~70% 수준으로 급격하게 감소하며, 그 이상의 압력에서는 거의 일정한 수준을 유지한다.

따라서 마그네슘 증기의 응축율을 증대시키기 위해서는 반응관 내부의 압력을 30㎜Hg 이하로 감압할 필요가 있다.

표 1은 마그네슘 합금(AM60B) 스크랩을 800℃, 10㎜Hg 하에서 30분 동안 증류 정제하여 응축 마그네슘과 잔류물의 화학성분을 정제 전의 스크랩과 공업용 마그네슘 지금(2종)의 화학성분과 비교한 것이다.

마그네슘 스크랩을 용해하여 진공증류 정제한 결과 응축 마그네슘은 아연(Zn)을 제외하고는 거의 공업용 순 마그네슘의 사양을 만족할 만큼 순도가 높으며, 증발하고 남은 잔류물은 아연(Zn)을 제외한 불순성분들이 농축되어 스크랩보다 농도가 높다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 불순물을 함유하는 마그네슘 스크랩을 용해하여 압력이 낮은 진공상태에서 가열함으로써 증기압이 높은 마그네슘을 증발시키고, 마그네슘 증기를 응축기에 응축시켜 회수함으로써, 마그네슘 스크랩 중에 함유되어 있는 불순원소들을 공업용 순 마그네슘 지금 수준으로 제거하여 고순도의 금속 마그네슘을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 용탕의 단위 표면적당 마그네슘의 증발량과 증발반응 시간의 상관관계를 마그네슘 스크랩 용탕의 온도별로 나타낸 그래프도;

도 2는 마그네슘 스크랩 용탕의 단위 표면적당 마그네슘 증발량과 진공도의 상관관계를 나타낸 그래프도;

도 3은 마그네슘 증기의 응축율과 마그네슘 증발속도의 상관관계를 나타낸 그래프도;

도 4는 마그네슘 증기의 응축율과 진공도의 상관관계를 나타낸 그래프도이다.

Claims (4)

1. 불순물을 함유하는 마그네슘 스크랩을 고순도 금속 마그네슘으로 재생하는 방법에 있어서,

   마그네슘 스크랩을 불활성분위기 또는 진공상태의 밀폐된 반응용기 내에서 750℃ 이상으로 가열하여 용해하는 단계와;

   상기 용해된 마그네슘 스크랩 용탕을 진공도 30㎜Hg 이하의 진공상태로 유지하여 마그네슘을 증발속도 0.025g/㎠-min 이상으로 유지하면서 증발시키는 단계와;

   상기 증발된 마그네슘을 마그네슘 응축온도 이하의 온도로 유지된 응축기에 응축시켜 고체화시키는 단계와;

   상기 진공상태의 반응용기에 불활성가스를 취입하여 진공을 해제한 다음, 상기 고체화된 마그네슘을 수거하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 스크랩의 진공증류 정제방법.
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