KR100979606B1 - 금속 제조 보호가스 - Google Patents

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Abstract

플루오르 함유 유기화합물 및 캐리어 가스로 되는 용융 마그네슘/마그네슘 합금의 급격한 산화, 연소를 방지하는 보호가스 조성물이 제공된다. 또한, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 제조에 있어서, 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 산화, 연소를 방지하는 보호가스로서, 상기의 가스 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 급격한 산화, 연소 방지방법이 제공된다.

Description

금속 제조 보호가스{Protective gas for metal production}
본 발명은 용융 마그네슘/마그네슘 합금의 산화, 연소를 방지하는 보호가스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 산화, 연소를 방지하는 방법에 관한 것이다.
용융 마그네슘과 마그네슘 합금은 공기 중의 산소와 격렬하게 반응하여 산화물을 형성, 연소하는 것이 알려져 있다. 용융 마그네슘과 마그네슘 합금의 산화를 방지하기 위해서, 용융금속 상에 보호 융제를 뿌리는 방법, 헬륨, 아르곤 또는 질소 등의 불활성 가스로 보호하는 방법, 또는 보호가스로 피복하는 방법이 채용되고 있다.
지금까지 마그네슘과 마그네슘 합금 제조공정에 있어서의 보호가스로서, 이산화황(SO2), 육플루오르화황(SF6) 등이 사용되어 왔다. 전자는 저렴하지만 악취와 함께 독성이 비교적 높기 때문에 사용에 제한이 있고, 또한 후자는 비교적 독성이 없고 용이하게 사용할 수 있는 측면에서 널리 사용되어 왔지만, 지구온난화계수(GWP)가 이산화탄소(CO2)의 약 24,000배이고, 또한 대기수명이 3,200년으로 매우 길기 때문에 교토의정서에서 배출을 규제하고 있다.
SF6를 대신하는 보호가스로서 다양한 플루오르화합물이 제안되어 있다. 예를 들면 특허문헌 1; 일본국 특허공표 제2002-541999호 공보에는 디플루오로메탄(HFC-32), 펜타플루오로에탄(HFC-125), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a), 디플루오로에탄(HFC-152a), 헵타플루오로프로판(HFC-227ea), 메톡시-노나플루오로에탄(HFE-7100), 에톡시-노나플루오로에탄(HFE-7200), 디히드로데카플루오로펜탄(HFC-43-10mee)을 예로 들고, 바람직한 조성물로서 HFC-134a와 건조공기를 추장하고 있다. 또한, 특허문헌 2; US2003/0034094호 공개 명세서, 특허문헌 3; US2003/0164068호 공개 명세서 및 특허문헌 4; 일본국 특허공개 제2004-276116호 공보에는 보호가스로서 퍼플루오로케톤, 수소화케톤 및 그의 혼합물을 예로 들고, 구체적으로는 펜타플루오로에틸-헵타플루오로프로필케톤(C3F7(CO)C2F5)을 예시하고 있다. 또한, 특허문헌 5; USP1972317에는 삼플루오르화붕소(BF3), 사플루오르화규소(SiF4), 삼플루오르화질소(NF3) 및 플루오르화설푸릴(SO2F2)을 예로 들고 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공표 제2002-541999호 공보
특허문헌 2 : US2003/0034094호 공개 명세서
특허문헌 3 : US2003/0164068호 공개 명세서
특허문헌 4 : 일본국 특허공개 제2004-276116호 공보
특허문헌 5 : US1972317호 명세서
발명의 개요
지금까지 SF6를 대신하는 보호가스로서 제안되어 온 물질은 그것 자체가 높은 독성을 갖거나, 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금과의 접촉에 의해 독성 가스를 생성하는, 고가 또는 가연성 등의 문제가 있어, 이들의 문제를 해결하는 신규한 보호가스가 요망되고 있다.
본 발명의 목적은 마그네슘과 마그네슘 합금 제조에 있어서의 과격한 산화에 의한 연소를 방지하는데 유효한 보호가스로서, 지구온난화계수가 작아 환경에 미치는 영향이 작고, 저독성이며, 또한 불연의 신규한 조성물의 제공 및 그들을 사용한 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 각종 플루오르 함유 유기화합물을 검토하여, 비교적 GWP가 작고, 저독성이며, 또한 불연의 보호가스 조성물을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
본 발명에 의하면, 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금과의 접촉에 있어서 급격한 산화에 의한 연소를 방지하는데 유효한 플루오르 함유 유기화합물과 캐리어 가스로 되는 보호가스 조성물이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 마그네슘 또는 마그네슘 합금 제조에 있어서, 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 산화, 연소를 방지하는 보호가스로서, 상기의 가스조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 급격한 산화, 연소 방지방법이 제공된다.
상세한 설명
본 발명의 플루오르 함유 유기화합물 및 캐리어 가스로 되는 보호가스 조성물을 사용하면, 지금까지의 보호가스에 비해 GWP가 상대적으로 작고, 저독성이며, 또한 분해성의 독성가스의 생성이 적은 용융 마그네슘/마그네슘 합금을 보호하는 가스 조성물이 되어, 환경 부하를 경감하고, 작업시 안전성을 높일 수 있다.
본 발명에 사용하는 플루오르 함유 유기화합물은 지금까지 사용되어 온 SF6에 대해 지구환경 보호의 관점에서 GWP가 현격히 작은 것이 바람직하여, 1,000 이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 관점에서 HFC-125, HFC-134a, HFC-227ea 등은 GWP가 상대적으로 커서 바람직한 것이라고는 하기 어렵다. HFC-152a, HFC-32는 GWP가 작지만 이들의 화합물은 분자 중의 유효 F 함량이 적고, 또한 연소성도 높기 때문에, 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 연소 방지효과 및 취급 상의 곤란이 있어 바람직한 것이라고는 하기 어렵다. 또한, 높은 보호효과를 기대할 수 있지만, 작업자의 건강면 및 사용시의 안전성으로부터 BF3, SiF4, NF3 및 SO2F2 등의 독성이 높은 화합물은 반드시 바람직한 것은 아니다.
SF6에 의한 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 보호 메커니즘은 명확하지는 않지만, 이하의 반응이 예로 들어져 있다(J. F. King, Magnesium, 2003년, 32권, (11), p 1). 이 경우, 보호막은 처음에는 산화마그네슘(MgO)이지만, 추가로 SF6와 반응하여 플루오르화마그네슘(MgF2)으로 되는 것이 나타내어져 있다. 즉, F는 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 보호에 있어서 중요한 역할을 하고 있는 것으로 생각되고 있다. 이 때문에, 보호가스 분자 중의 F 함량이 큰 편이 보호막을 형성하는 데 유리할 것으로 생각된다.
2Mg(액체)+O2→2MgO(고체)
2Mg(액체)+O2+SF6→2MgF2(고체)+SO2F2
2MgO(고체)+SF6→2MgF2+SO2F2
본 발명에 있어서, 플루오르 함유 유기화합물을 보호가스로서 사용할 때, GWP가 상대적으로 작고 또한 분자 중에 F 함량이 비교적 큰 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판, 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 메틸 1,1,2,2-테트라플루오로에틸에테르 등의 히드로플루오로카본이나 히드로플루오로에테르를 선택하였다.
보호가스로서는 비교적 비점이 낮아 상온에서 기화되기 쉬운 화합물이 바람직하고, 이 요건을 충족하는 화합물은 탄소수가 제한되지만, 분자 중에 불포화 결합이 포함됨으로써 비점의 저하, 추가로 GWP의 저하를 기대할 수 있다. 분자 중의 이중결합은 포화 플루오르 함유 탄화수소에 비해 금속 Mg로의 친화성이 높아지고, 또한 플루오르원자의 결합이 끊어지기 어려워 보다 저농도로 효과를 발휘하기 때문에 바람직하다. 분자 중에 이중결합을 가지고, 또한 F 함량이 비교적 큰 플루오르화프로펜이 바람직하며, 이와 같은 화합물로서 1,3,3,3,-테트라플루오로프로펜 외에 1,1,3,3,3-펜타플루오로프로펜, 1,2,3,3,3-펜타플루오로프로펜, 1,1,2,3,3-펜타플루오로프로펜, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜, 3,3,3-트리플루오로프로펜 등을 들 수 있다.
또한, 산소원자는 마그네슘과의 상호작용에 의해 산화마그네슘이 되어 보호막으로 되는 것을 기대할 수 있기 때문에, 산소원자를 포함하는 화합물을 사용하는 것도 가능하다. 마그네슘의 연소 방지효과는 상세하게 해명되어 있지 않지만, MgF2와 MgO의 존재가 중요한 측면에서, 보호가스 중의 원자로서 산소원자와 플루오르원자의 비율의 상관이 추정되어, (F+O)/(F+O+C+H)의 수치가 상대적으로 큰 것이 바람직하다. 이와 같은 분자 중에 산소원자를 포함하고 또한 비교적 비점이 낮아 상온에서 기화되기 쉬운 히드로플루오로에테르로서는 메틸 1,1,2,2-테트라플루오로에틸에테르 외에, 디플루오로메틸플루오로메틸에테르, 비스디플루오로메틸에테르, 메틸펜타플루오로에틸에테르, 1,2,2,2-테트라플루오로에틸트리플루오로메틸에테르, 2,2,2-트리플루오로에틸트리플루오로메틸에테르, 디플루오로메틸 1,2,2,2-테트라플루오로에틸에테르, 디플루오로메틸 2,2,2-트리플루오로에틸에테르, 1-트리플루오로메틸-2,2,2-트리플루오로에틸메틸에테르, 1-트리플루오로메틸-1,2,2,2-테트라플루오로에틸메틸에테르, 1,1,1,2,2,3,3-헵타플루오로-3-메톡시프로판 등을 들 수 있다.
1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판은 예를 들면 1,1,1,3,3-펜타클로로프로판을 2단계로 무수 플루오르화수소산에 의해 플루오르화함으로써 얻어진다. 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜은 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판을 수산화칼륨 등에 의해 처리하거나, 1-클로로-3,3,3-트리플루오로프로펜을 촉매 존재하 기상에서 플루오르화함으로써 얻을 수 있다.
또한, 히드로플루오로에테르는 염기촉매 존재하 플루오로올레핀에 알코올을 부가함으로써 제조할 수 있고, 예를 들면 메틸 1,1,2,2-테트라플루오로에틸에테르는 염기촉매 존재하 테트라플루오로에틸렌에 메탄올을 부가함으로써 얻을 수 있다.
그 밖의 플루오르화프로펜에 관해서는, 입수가 용이한 헥사플루오로프로펜으로부터 수소화, 탈 HF에 의해서 1,2,3,3,3-펜타플루오로프로펜이 얻어지고, 추가로 수소화, 탈 HF에 의해 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜이 얻어지는 것이 알려져 있다(I. L. Knunyants 등, IZv. Akad. Nauk SSSR, 1960, p1312).
플루오르 함유 유기화합물은 상온에서 기체 또는 용이하게 기화되는 것이 바람직하고, 본 발명의 각각의 화합물의 비점은 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(15℃), 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜(-16℃), 메틸 1,1,2,2-테트라플루오로에틸에테르(37℃)이다. 또한, 이들의 플루오르 함유 유기화합물은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
캐리어 가스로서는 불활성인 가스가 선택되고 공기, 이산화탄소, 아르곤, 질소 및 그들의 혼합물이 바람직하다. 메틸 1,1,2,2,-테트라플루오로에틸에테르 등의 히드로플루오로에테르를 사용하는 경우는 가연성이기 때문에, 이산화탄소, 아르곤, 질소 등 불연의 캐리어 가스를 혼합하는 것이 특히 바람직하다.
플루오르 함유 유기화합물의 캐리어 가스 중의 농도는 0.005~10 체적%가 바람직하고, 바람직하게는 0.01~5 체적%이다. 플루오르 함유 유기화합물의 농도가 지나치게 작으면 보호효과가 얻어지기 어렵고, 또한 과잉이면 보호가스 유래의 분해물이 증가하여, 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 악영향을 주고 작업환경에 있어서도 바람직하지 않은 효과가 나타나는 경우가 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 보호가스는 미리 농도를 조정하여 그대로, 또는 각각의 유량을 개별적으로 조정함으로써 목적의 농도로 하고, 용융된 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 상부에 연속적으로 유통시킴으로써 사용할 수 있다.
이하에 본 발명의 실시예를 들어서 구체적으로 설명하는데, 이들의 실시예에 의해서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
마그네슘 50 g을 넣은 도가니로의 마그네슘의 상부에 0.1 체적%의 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판/건조공기 혼합가스를 10 ㎖/분으로 흘리면서, 도가니로를 700℃로 가열하여 마그네슘을 용융하였다. 육안으로 관찰한 결과, 상부 피막이 형성되고, 격렬한 연소는 관찰되지 않았다.
실시예 2
마그네슘 50 g을 넣은 도가니로의 마그네슘의 상부에 0.1 체적%의 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜/건조공기 혼합가스를 10 ㎖/분으로 흘리면서, 도가니로를 700℃로 가열하여 마그네슘을 용융하였다. 육안으로 관찰한 결과, 상부 피막이 형성되고, 격렬한 연소는 관찰되지 않았다.
실시예 3
마그네슘 50 g을 넣은 도가니로의 마그네슘의 상부에 0.2 체적%의 메틸 1,1,2,2-테트라플루오로에틸에테르/이산화탄소 혼합가스를 10 ㎖/분으로 흘리면서, 도가니로를 700℃로 가열하여 마그네슘을 용융하였다. 육안으로 관찰한 결과, 상부 피막이 형성되고, 격렬한 연소는 관찰되지 않았다.
[실시예 4~14]
보호가스를 메틸트리플루오로메틸에테르, 디플루오로메틸플루오로메틸에테르, 비스디플루오로메틸에테르, 메틸펜타플루오로에틸에테르, 1,2,2,2-테트라플루오로에틸트리플루오로메틸에테르, 2,2,2-트리플루오로에틸트리플루오로메틸에테르, 디플루오로메틸 1,2,2,2-테트라플루오로에틸에테르, 디플루오로메틸 2,2,2-트리플루오로에틸에테르, 1-트리플루오로메틸-2,2,2-트리플루오로에틸메틸에테르, 1-트리플루오로메틸-1,2,2,2-테트라플루오로에틸메틸에테르 또는 1,1,1,2,2,3,3-헵타플루오로-3-메톡시프로판으로 한 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여 행하였다. 메틸트리플루오로메틸에테르를 제외하고, 모두 육안관찰로는 용융 마그네슘면 상부에 피막이 형성되고, 격렬한 연소는 관찰되지 않았다. 결과를 표 1에 정리하였다.
Figure 112007074449807-pct00001
[실시예 15~19]
보호가스를 1,1,3,3,3-펜타플루오로프로펜, 1,2,3,3,3-펜타플루오로프로펜, 1,1,2,3,3-펜타플루오로프로펜, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 또는 3,3,3-트리플루오로프로펜으로 한 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여 행하였다. 3,3,3-트리플루오로프로펜을 제외하고, 모두 육안관찰로는 용융 마그네슘면 상부에 피막이 형성되고, 격렬한 연소는 관찰되지 않았다. 결과를 표 2에 정리하였다.
Figure 112007074449807-pct00002
[비교예 1]
마그네슘 10 g을 넣은 도가니로의 마그네슘의 상부에 건조공기를 10 ㎖/분으로 상부에 흘리면서, 도가니로를 700℃로 가열하였다. 이 경우, 가열과 함께 마그네슘의 격렬한 연소가 관찰되었다.

Claims (9)

  1. 히드로플루오로카본 또는 히드로플루오로에테르인 플루오르 함유 유기화합물 및 캐리어 가스로 이루어지되, 상기 캐리어 가스 중의 플루오르 함유 유기화합물의 농도가 0.005~10 체적%인, 용융 마그네슘/마그네슘 합금의 급격한 산화, 연소를 방지하는 보호가스 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 플루오르 함유 유기화합물이 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판, 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 메틸 1,1,2,2-테트라플루오로에틸에테르만으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 히드로플루오로카본이 1,1,3,3,3-펜타플루오로프로펜, 1,2,3,3,3-펜타플루오로프로펜, 1,1,2,3,3-펜타플루오로프로펜, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 3,3,3-트리플루오로프로펜만으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 히드로플루오로에테르가 디플루오로메틸플루오로메틸에테르, 비스디플루오로메틸에테르, 메틸펜타플루오로에틸에테르, 1,2,2,2-테트라플루오로에틸트리플루오로메틸에테르, 2,2,2-트리플루오로에틸트리플루오로메틸에테르, 디플루오로메틸 1,2,2,2-테트라플루오로에틸에테르, 디플루오로메틸 2,2,2-트리플루오로에틸에테르, 1-트리플루오로메틸-2,2,2-트리플루오로에틸메틸에테르, 1-트리플루오로메틸-1,2,2,2-테트라플루오로에틸메틸에테르 및 1,1,1,2,2,3,3-헵타플루오로-3-메톡시프로판만으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 캐리어 가스가 공기, 이산화탄소, 아르곤 및 질소만으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 조성물.
  7. 마그네슘 또는 마그네슘 합금 제조에 있어서, 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 산화, 연소를 방지하는 보호가스로서, 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항의 가스 조성물을 사용하는 것을 특징으로 하는 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 급격한 산화, 연소 방지방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 방법은 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 상부에 상기 가스 조성물을 연속적으로 흐르게 함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 용융 마그네슘 또는 마그네슘 합금이 도가니로 중에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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