KR101076459B1 - 스폰지 티타늄 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치는, 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 스폰지 티타늄을 제조하기 위한 것으로서, ⅰ)열을 발생시키는 환원로와, ⅱ)상기 용융 마그네슘을 수용하며 상기 환원로의 내부에 장착되고, 상기 환원로의 내벽면 사이에 공간부를 형성하며, 4염화 티타늄 공급부 및 불활성 가스 주입부를 지닌 커버를 상부에 설치하고 있는 반응 용기와, ⅲ)상기 공간부에 설치되어 그 공간부를 상기 반응 용기의 상부측 반응 영역에 해당하는 제1 공간, 및 상기 반응 용기의 하부측 가열 영역에 해당하는 제2 공간으로 각각 구획하는 칸막이판과, ⅳ)상기 반응 용기의 반응 영역 상부에 설치되어 고상의 마그네슘을 저장하고, 상기 고상 마그네슘을 상기 반응 용기의 내부로 일정량 투입하는 저장부재를 포함한다.

용융 마그네슘, 4염화 티타늄, 스폰지 티타늄, 반응열, 고상 마그네슘, 냉각

Description

스폰지 티타늄 제조장치 {DEVICE FOR MANUFACTURING SPONGE TITANIUM}

본 발명의 예시적인 실시예는 스폰지 티타늄 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 발생되는 반응열을 효과적으로 제거할 수 있도록 한 스폰지 티타늄 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로, 스폰지 티타늄(SPONGE TITANIUM)은 크롤(KROLL)법에 의해 제조되는데, 이 경우는 철재의 반응 용기 내에 용융 마그네슘(MAGNESIUM)을 공급하고, 그 용융 마그네슘의 용융면 상에 4염화 티타늄(TITANIUM)을 공급하여, 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 스폰지 티타늄을 제조하는 방법이다.

이와 같은 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 반응은 발열 반응으로, 스폰지 티타늄 제조 과정에서 많은 열을 발생시키며, 이로 인해 반응 용기의 반응 영역과 그 부근에서 온도가 현저히 상승하게 된다.

따라서, 종래 기술에서는 반응 용기의 반응 영역 부근에서 발생하는 열을 제거하기 위한 냉각을 실시하는데, 외부 공기(냉각 공기)를 반응 용기로 송풍하여 그 반응 영역 부위를 강제적으로 냉각시키는 방식을 채택하고 있다.

그러나, 이와 같은 냉각 방식은 반응 용기의 냉각에 제공되는 냉각 공기가 열을 발생시키는 반응 용기의 상부(반응 영역 부근)로 공급되면서 반응 용기의 가열을 필요로 하는 하부로 공급되며 그 반응 용기의 하부까지 냉각됨에 따라, 반응 용기의 하부를 적절히 가열할 수 없게 됨으로 스폰지 티타늄의 제조 시간이 길어지게 된다는 문제점이 있었다.

또한, 상기에서는 냉각 공기가 반응 용기의 반응 영역 냉각에 충분히 이용되지 않고, 외부로 배출되는 관계로 반응 용기를 효율적으로 냉각하기가 곤란하다는 문제점이 있었다.

이에, 종래 기술에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 일본 공개특허 제2005-232500호에서 「스폰지 티타늄 제조 장치」를 개시한 바 있다.

종래 기술에 따른 상기 스폰지 티타늄 제조 장치는 환원로의 내부에 반응 용기를 설치하고, 그 환원로의 내주면과 반응 용기의 외주면 사이에 공간부를 형성하고 있다.

또한, 상기 반응 용기의 상부에는 커버가 장착되는데, 이 커버에는 4염화 티타늄을 반응 용기의 내부로 공급할 수 있는 4염화 티타늄 공급부와, 불활성 기체를 반응 용기의 내부로 공급할 수 있는 가스 공급부를 구비하고 있다.

그리고, 상기 환원로의 내주면과 반응 용기의 외주면 사이의 공간부에는 언급한 바 있듯이 냉각을 필요로 하는 반응 용기의 상부와, 가열을 필요로 하는 반응 용기의 하부를 구획하기 위한 칸막이판을 설치하고 있다.

아울러, 상기 칸막이판에 의해 구획된 반응 용기의 상부측 환원로에는 냉각 공기를 반응 용기로 공급하기 위한 주입구와, 냉각을 수행한 냉각 공기를 배출시키 기 위한 배출구를 각각 형성하고 있다.

여기서, 상기 가스 공급부는 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 반응 용기의 내부로 주입하여, 반응 용기의 반응 영역에서 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 생성되는 스폰지 티타늄 외의 염화 마그네슘을 불활성 가스의 압력으로서 반응 용기의 외부로 배출시키는 기능을 하게 된다.

따라서, 종래 기술에서는 환원로와 반응 용기 사이의 공간부에서 칸막이판으로 구획된 반응 용기의 상부 측으로 냉각 공기를 공급하여 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 반응 용기의 반응 영역 부근에서 발생하는 열을 냉각하고, 그 냉각 공기가 상기한 공간부에서 반응 용기의 하부(가열 영역)로 공급되는 것을 칸막이칸으로서 차단할 수 있게 된다.

그런데, 상기와 같은 종래 기술에서는 반응 용기의 외주 전체를 환원로를 통해 가열하는 것과 동시에, 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응이 일어나는 반응 영역 부근을 국한하여 냉각하는 방식을 제시하고 있지만, 외부의 냉각 장치를 이용하여 간접적으로 반응 용기 표면의 냉각에만 의존하고 있는 관계로 그 반응 영역에서의 냉각 효율이 저조하여 결과적으로는 스폰지 티타늄의 제조 시간 단축 효과가 크지 않다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 냉각장치에 의한 반응 용기 표면의 냉각에만 의존하지 않고, 반응 용기의 반응 영역에서 발생하는 반응열을 직접적으로 제거할 수 있도록 한 스폰지 티타늄 제조장치를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치는, 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 스폰지 티타늄을 제조하기 위한 것으로서, ⅰ)열을 발생시키는 환원로와, ⅱ)상기 용융 마그네슘을 수용하며 상기 환원로의 내부에 장착되고, 상기 환원로의 내벽면 사이에 공간부를 형성하며, 4염화 티타늄 공급부 및 불활성 가스 주입부를 지닌 커버를 상부에 설치하고 있는 반응 용기와, ⅲ)상기 공간부에 설치되어 그 공간부를 상기 반응 용기의 상부측 반응 영역에 해당하는 제1 공간, 및 상기 반응 용기의 하부측 가열 영역에 해당하는 제2 공간으로 각각 구획하는 칸막이판과, ⅳ)상기 반응 용기의 반응 영역 상부에 설치되어 고상의 마그네슘을 저장하고, 상기 고상 마그네슘을 상기 반응 용기의 내부로 일정량 투입하는 저장부재를 포함한다.

상기 스폰지 티타늄 제조장치에 있어서, 상기 저장부재는 상기 고상 마그네슘을 수용할 수 있는 반구 형태로 이루어질 수 있다.

상기 스폰지 티타늄 제조장치에 있어서, 상기 저장부재는 상기 고상 마그네 슘을 상기 반응 용기의 내부로 투입하기 위한 투입공을 형성할 수 있다.

상기 스폰지 티타늄 제조장치에 있어서, 상기 저장부재는 상기 투입공에 설치되어 그 투입공을 선택적으로 개폐시키기 위한 자동 개폐밸브가 구비될 수 있다.

상기 스폰지 티타늄 제조장치에 있어서, 상기 투입공에는 상기 고상 마그네슘의 투입을 가이드 하는 원통 형상의 가이드부재가 연결되게 설치될 수 있다.

상기 스폰지 티타늄 제조장치에 있어서, 상기 환원로는 상기 제1 공간으로 냉각 매체를 주입하기 위한 주입구와, 상기 제1 공간으로 공급된 냉각 매체를 배출시키기 위한 배출구를 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 고상 마그네슘을 반응 용기 내부의 용융 마그네슘으로 투입하여 반응 용기의 반응 영역에서 발생하는 반응열을 고상 마그네슘의 용융열로서 제거할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 고상 마그네슘을 반응 용기의 반응 영역으로 투입함으로써 반응 영역 자체의 반응열을 직접적으로 냉각시킴에 따라 4염화 티타늄의 공급 속도를 증가시키더라도 반응 용기의 반응 영역을 일정 온도로 유지시킬 수 있게 되므로, 스폰지 티타늄의 생산 속도를 증가시킬 수 있고, 스폰지 티타늄의 제조 시간을 더욱 단축시킬 수 있으며, 전체 장치에 소모되는 전력량을 감소시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치(100)는 크롤(KROLL)법에 의한 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응으로서 스폰지 티타늄을 제조하기 위한 것이다.

즉, 상기 스폰지 티타늄 제조장치(100)는 철재의 용기 내부에 용융 마그네슘(MAGNESIUM)을 공급하고, 그 용융 마그네슘의 용융면 상에 4염화 티타늄(TITANIUM)을 공급하여 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 스폰지 티타늄을 제조한다.

여기서, 상기 스폰지 티타늄을 제조하기 위한 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응은 발열 반응으로서, 용기의 반응 영역과 그 반응 영역 부근에서 열을 생성하게 된다.

본 실시예에 따른 상기 스폰지 티타늄 제조장치(100)는 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응 시, 용기의 반응 영역에서 발생하는 반응열을 효율적으로 제거할 수 있는 구조로서 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치(100)는 기본적으로, 환원로(10)와, 반응 용기(30)와, 칸막이판(50)과, 저장부재(70)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기에서, 환원로(10)는 상단이 개방되고 하단이 폐쇄된 퍼니스(furnace)로서 구성되며, 열을 발생시키는 가열장치(도면에 도시도지 않음)를 장착하고 있다.

본 실시예에서, 상기 반응 용기(30)는 환원로(10)의 내부에 설치되는 것으로, 상단이 개방되고 하단이 폐쇄되며, 용융 마그네슘을 수용할 수 있는 용기 형태로서 구비된다.

상기 반응 용기(30)는 이의 외주면이 환원로(10)의 내주면에 일정 간격 이격되게 설치되는 바, 그 환원로(10)의 내주면과 반응 용기(30)의 외주면 사이에는 소정의 공간부(S)를 형성하고 있다.

여기서, 상기 반응 용기(30)는 용융 마그네슘의 용융면에 4염화 티타늄이 접촉하며 환원 반응이 일어나고 이러한 환원 반응에 의해서 열을 발생시키는 상부 영역으로서의 반응 영역(31)과, 환원로(10)에 의해 본래의 가열이 이루어지는 하부 영역으로서의 가열 영역(32)으로 구분할 수 있다.

그리고, 상기 반응 용기(30)의 상단부에는 커버(35)가 설치되는 바, 이 커버(35)에는 반응 용기(30)의 내부로 4염화 티타늄을 공급하기 위한 4염화 티타늄 공급부(37), 및 그 반응 용기(30)의 내부로 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(39)를 형성하고 있다.

여기서, 상기 가스 공급부(39)는 불활성 가스를 반응 용기(30)의 내부로 주입하여, 그 반응 용기(30)의 반응 영역(31)에서 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 생성되는 스폰지 티타늄 외의 염화 마그네슘을 불활성 가스의 압력으로서 반응 용기(30)의 외부로 배출시키는 기능을 하게 된다.

본 실시예에서, 상기 칸막이판(50)은 환원로(10)와 반응 용기(30) 사이의 공간부(S)에 설치된다.

이러한 칸막이판(50)은 언급한 바 있는 공간부(S)를 반응 용기(30)의 반응 영역(31)에 해당하는 제1 공간(S1)과, 반응 용기(30)의 가열 영역(32)에 해당하는 제2 공간(S2)으로 각각 구획한다.

한편, 상기 환원로(10)는 별도의 냉각 장치로부터 공급되는 냉각 매체, 즉 냉각 공기 또는 냉각수를 공간부(S)의 제1 공간(S1)으로 주입하기 위한 주입구(11)와, 제1 공간(S1)으로 공급된 냉각 매체를 배출시키기 위한 배출구(13)를 각각 형성하고 있다.

본 실시예에서, 상기 저장부재(70)는 고상의 마그네슘(M)을 저장하고, 그 고상 마그네슘(M)을 반응 용기(30) 내부의 용융 마그네슘으로 일정량 투입하여 반응 용기(30)의 반응 영역(31)에서 발생하는 반응열을 고상 마그네슘(M)의 용융열로서 제거하기 위한 것이다.

여기서, 상기 고상 마그네슘(M)은 알갱이 형태의 잉곳(ingot) 및 칩(chip) 형태로서 이루어진다.

상기 저장부재(70)는 반응 용기(30)의 반응 영역(31) 상부에서 그 반응 용기(30)의 내벽면에 고정되게 설치되는 바, 고상 마그네슘(M)을 수용할 수 있는 반구 형태로 구성되며, 철, 강 또는 내식성을 보유한 스테인레스 소재로서 이루어진다.

이 경우, 상기 저장부재(70)의 중앙 부분에는 고상 마그네슘(M)을 반응 용기(30)의 내부로 자유 낙하시켜 용융 마그네슘으로 투입하기 위한 투입공(71)을 형성하고 있다.

그리고, 상기 저장부재(70)는 투입공(71)에 설치되면서 그 투입공(71)을 선택적으로 개폐시키기 위한 자동 개폐밸브(73)를 더 포함하고 있다.

이러한 자동 개폐밸브(73)는 제어기(도면에 도시되지 않음)로부터 제공되는 전기적인 제어 신호에 의해 투입공(71)을 선택적으로 자동 개폐시킬 수 있는 통상적인 구조의 솔레노이드 밸브 또는 마그네틱 밸브로서 이루어진다.

또한, 상기 저장부재(70)는 투입공(71)에 연결되게 설치되는 가이드부재(77)를 구비하는 바, 이 가이드부재(77)는 자동 개폐밸브(73)의 개방 동작으로서 투입공(71)을 개방한 경우, 그 투입공(71)을 통해 반응 용기(30)의 내부로 자유 낙하하는 고상 마그네슘(M)을 가이드 하는 기능을 하게 된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치(100)의 작용을 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 본 실시예에서는 반응 용기(30)의 내부에 용융 마그네슘을 수용한 상태에서, 4염화 티타늄 공급부(37)를 통해 4염화 티타늄을 반응 용기(30)의 내부로 공급한다.

그러면, 상기 반응 용기(30)의 내부에서는 용융 마그네슘의 용융면에 4염화 티타늄이 접촉하며 환원 반응을 일으킴으로써 스폰지 티타늄을 형성하는 바, 이러한 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응이 발열 반응이므로, 반응 용기(30)의 반응 영역(31) 및 그 반응 영역(31)의 부근에서는 반응열을 생성하게 된다.

이러는 과정을 거치는 동안, 본 실시예에서는 환원로(10)의 주입구(11)를 통해 공간부(S)의 제1 공간(S1)으로 냉각 매체를 공급하여 반응 용기(30)의 반응 영역(31)에서 발생하는 열을 냉각시킨다.

그리고, 상기 반응 영역(31)에서의 냉각을 수행한 냉각 매체를 환원로(10)의 배출구(13)를 통해 외부로 배출시킨다.

즉, 본 실시예에서는 제1 공간(S1)으로 냉각 매체를 공급하여 반응 용기(30)의 반응 영역(31) 만을 냉각하고, 제1 공간(S1)으로 유입된 냉각 매체가 칸막이판(50)을 통해 제2 공간(S2)으로 유입되지 않게 하면서 반응 용기(30)의 가열 영역(32)에서는 환원로(10)에 의한 본래의 가열이 이루어진다.

상기 과정에서 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 자동 개폐밸브(73)를 작동시켜 저장부재(70)의 투입공(71)을 일정 시간 동안 개방시킨다.

그러면, 상기 저장부재(70)에 수용된 고상 마그네슘(M)은 투입공(71)을 통해 일정량 자유 낙하하며 반응 용기(30) 내부의 용융 마그네슘으로 투입되는데, 그 고상 마그네슘(M)은 가이드부재(77)에 가이드되면서 자유 낙하하게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 용융 마그네슘으로 투입된 고상 마그네슘(M)이 용융되는 바, 반응 용기(30)의 반응 영역(31)에서 발생하는 반응열을 고상 마그네슘(M)의 용융열로서 제거할 수 있게 된다.

즉, 이 경우는 고상 마그네슘(M)을 반응 용기(30) 내부의 용융 마그네슘으로 투입하여 상기한 반응 영역(31)에서의 반응열을 고상 마그네슘(M)의 용융열로 사용함으로써 스폰지 티타늄이 생성되는 반응 용기(30)의 반응 영역(31)을 직접적으로 냉각시킬 수 있는 것이다.

이로써, 본 실시예에서는 고상 마그네슘(M)을 반응 용기(30)의 반응 영역(31)으로 투입함으로써 그 반응 영역(31) 자체의 반응열을 직접적으로 냉각시킴에 따라 4염화 티타늄의 공급 속도를 증가시키더라도 반응 용기(30)의 반응 영역(31)을 일정 온도로 유지시킬 수 있게 되므로, 스폰지 티타늄의 생산 속도를 증가시킬 수 있고, 스폰지 티타늄의 제조 시간을 더욱 단축시킬 수 있으며, 전체 장치에 소모되는 전력량을 감소시킬 수 있게 된다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명은 스폰지 티타늄을 제조하는 과정에 고상 마그네슘(M)을 투입하는 방식으로서 반응 용기(30)의 반응열을 제거하는 실시예를 설명하였으나, 반드시 이에 한정되지 않고 스폰지 티타늄 외에 지르코늄(zirconium), 하프늄(hafnium) 등의 금속 또는 합금 등의 제조에 대해서도 적용 될 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스폰지 티타늄 제조장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>

10... 환원로 11... 주입구

13... 배출구 30... 반응 용기

31... 반응 영역 32... 가열 영역

35... 커버 37... 4염화 티타늄 공급부

39... 가스 공급부 50... 칸막이판

70... 저장부재 71... 투입공

73... 자동 개폐밸브 77... 가이드부재

Claims (5)

1. 용융 마그네슘과 4염화 티타늄의 환원 반응을 통해 스폰지 티타늄을 제조하기 위한 스폰지 티타늄 제조장치에 있어서,

   열을 발생시키는 환원로;

   상기 용융 마그네슘을 수용하며 상기 환원로의 내부에 장착되고, 상기 환원로의 내벽면 사이에 공간부를 형성하며, 4염화 티타늄 공급부 및 불활성 가스 주입부를 지닌 커버를 상부에 설치하고 있는 반응 용기;

   상기 공간부에 설치되어 그 공간부를 상기 반응 용기의 상부측 반응 영역에 해당하는 제1 공간, 및 상기 반응 용기의 하부측 가열 영역에 해당하는 제2 공간으로 각각 구획하는 칸막이판; 및

   상기 반응 용기의 반응 영역 상부에 설치되어 고상의 마그네슘을 저장하고, 상기 고상 마그네슘을 상기 반응 용기의 내부로 일정량 투입하는 저장부재

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 스폰지 티타늄 제조장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 저장부재는,

   상기 고상 마그네슘을 수용할 수 있는 반구 형태로 이루어지며,

   상기 고상 마그네슘을 상기 반응 용기의 내부로 투입하기 위한 투입공을 형성하는 것을 특징으로 하는 스폰지 티타늄 제조장치.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 저장부재는,

   상기 투입공에 설치되어 그 투입공을 선택적으로 개폐시키기 위한 자동 개폐밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 스폰지 티타늄 제조장치.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 투입공에는 상기 고상 마그네슘의 투입을 가이드 하는 원통 형상의 가이드부재가 연결되게 설치되는 것을 특징으로 하는 스폰지 티타늄 제조장치.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 환원로는,

   상기 제1 공간으로 냉각 매체를 주입하기 위한 주입구와,

   상기 제1 공간으로 공급된 냉각 매체를 배출시키기 위한 배출구를 형성하는 것을 특징으로 하는 스폰지 티타늄 제조장치.

Images