KR101131235B1 - 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 환원?용융장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 장치에 대한 발명으로, 구체적으로는 크루서블 내에서 환원재와 산소가 용이하게 반응하는 환원 분위기를 형성할 수 있고, 금속 산화물의 환원 및 용융을 동일한 장치 내에서 연속적으로 수행할 수 있는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 장치에 대한 발명이다.
본 발명에 따르는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법은 금속산화물을 크루서블(crucible)에 투입하는 단계; 상기 크루서블을 밀폐(seal)하는 단계; 및 상기 밀폐된 크루서블을 가열하여, 상기 금속산화물을 환원?용융시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고, 환원?용융장치는 환원 및 용융될 재료가 내장되는 크루서블; 상기 크루서블이 내장되고, 상기 크루서블을 가열시키는 퍼니스를 포함하되, 상기 크루서블은 밀폐되는 것을 특징으로 한다.

Description

밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 환원?용융장치{REDUCING AND MELTING METHOD FOR OXIDIZED METAL USING A SEALED CRUCIBLE AND REDUCING AND MELTING APPARATUS FOR OXIDIZED METAL USING A SEALED CRUCIBLE}
본 발명은 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 환원?용융장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 크루서블에 금속산화물 등의 재료를 투입하여 밀폐시킨 후, 이 크루서블을 가열하여 환원?용융시키기 위한 금속산화물의 환원?용융방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 제철소 등의 생산 설비에서 금속산화물을 대량으로 환원시키거나, 폐기물 등의 처리물을 고온 하에서 안전하고 좋은 효율로 연소시키는 등의 경우에 퍼니스furnace, 킬른(kiln) 혹은 노(爐)가 사용된다.
특히 금속산화물을 환원시키기 위한 퍼니스의 경우 고온으로 금속산화물을 가열한 후 냉각시킬 필요가 있고, 퍼니스 내에서 다량의 금속산화물을 순차적으로 이동시키며 가열시키기 위한 퍼니스의 구동형식으로 터널 퍼니스(tunnel furnace) 또는 로터리 퍼니스(rotary furnace)와 같은 형식이 주로 사용되었다.
그리고 내부에 금속산화물 등 가열 및 냉각할 재료를 위치시키며 상기 퍼니 스 내에서 이동하게 되는 크루서블(crucible; 도가니)은, 금속산화물의 투입과 배출이 용이하도록 개구가 형성된 오픈 타입이었고, 금속산화물을 환원만 시키거나 혹은 용융만 시키는 방법 또는 장치가 일반적으로 알려져 있다
한편, 종래의 금속산화물 환원 또는 용융장치인 퍼니스의 구성을 살펴보면, 먼저 터널 퍼니스의 예로서 공고특허 제80-1186호(1980. 10. 20. 공고; ‘터널 킬른’)에 개시된 발명을 살펴보면, 킬른(퍼니스) 내의 레일 상에 대차를 올려두고 전동차를 투입하여 대차를 배출시키는 방식이다. 전동차를 이용하여 냉각대를 지난 마지막 대차가 킬른 외부로 밀려 나오면 전동차를 다시 빼내어, 환원 및 소성을 하기 위한 재료를 대차 위에 다시 올리고 킬른 내부로 다시 밀어넣는 구조이다.
이와 같은 종래의 터널 퍼니스(킬른) 방식의 경우 i) 전동차를 이용하여 무거운 중량의 대차를 이동시키는데 큰 동력이 소요되고, ii) 킬른 내에서 환원 및 소성을 위한 재료뿐만 아니라 대차까지 함께 가열되고 냉각되기 때문에 가열 및 냉각 효율이 저하되며, iii) 킬른 자체를 환원 분위기로 형성하는데 어려움이 있어서 금속 화합물을 환원 또는 용융시키기는 어렵다는 문제점이 있었다.
다음으로 로터리 퍼니스의 예로는 공개특허 제2006-71543호(2006. 6. 27. 공개, ‘로터리킬른형 광석소성로의 고생산 조업장치’), 등록특허 제844106호(2008. 6. 30. 등록, ‘로터리 킬른식 금속산화물 환원장치’) 및 공개특허 제2001-29405호(2001. 4. 6.공개, ‘로터리 킬른’) 등이 있으며, 이들 로터리 킬른 방식의 퍼니스는 공통적으로 별도의 대차가 구비되지 않고 퍼니스 본체 자체가 경사지게 구비되고 회전함으로써 퍼니스 본체 내부를 따라 재료가 이동하면서 가열 및 냉각되 는 구조로 이루어져 있다. 그리고 퍼니스 본체 내에서 재료의 이동을 원활하게 하기 위하여 퍼니스 본체 내부에 스크류가 구비된 구성도 알려져 있었다. 이와 같은 종래의 로터리 퍼니스의 경우에도 무거운 재료가 투입될 퍼니스 본체 자체를 회전시키는데 큰 동력이 소요된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 크루서블 내에서 환원재 또는 용융재가 산소와 용이하게 반응하는 환원 분위기를 형성할 수 있고, 금속 산화물의 환원 및 용융을 동일한 장치 내에서 연속적으로 수행할 수 있으며, 퍼니스 내에서 크루서블이 중력에 의해 이동하기 때문에 크루서블을 이송시키기 위한 동력을 절감시킬 수 있고, 퍼니스의 가열 효율을 크게 감소시키지 않으면서 대차의 점검 또는 수리시 대차를 용이하게 교체할 수 있는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 금속산화물을 크루서블(crucible)에 투입하는 단계; 상기 크루서블을 밀폐(seal)하는 단계; 및 상기 밀폐된 크루서블을 가열하여, 상기 금속산화물을 환원?용융시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 크루서블은 SiC(실리콘 카바이드), 산중성 물질(Al2O3 및 SiO2의 혼합물), ASC(Al2O3 및 SiC 및 C의 혼합물), 텅스텐(W), 스테인리스 강, 주철(cast iron) 또는 일반 강(steel) 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 중공의 원통 형상의 크루서블 몸체, 및 상기 크루서블 몸체의 양 단부에 결합되는 커버를 포함하는 크루서블을 준비하는 단계를 더 포함하는 것을 특징 으로 한다.
그리고 상기 크루서블의 내측면을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 크루서블에 환원재를 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 크루서블에 니켈, 크롬, 망간, 아연, 몰리브덴 중 하나 이상을 더 투입하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따르는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치는, 환원 및 용융될 재료가 내장되는 크루서블; 상기 크루서블이 내장되고, 상기 크루서블을 가열시키는 퍼니스를 포함하되, 상기 크루서블은 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 크루서블은: 중공의 원통 형상의 크루서블 몸체; 및 상기 크루서블 몸체의 양 단부에 결합되는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 커버로부터 원주 방향으로 돌출되어 형성되는 플랜지를 더 포함하는 것이 더 바람직하다.
그리고 상기 크루서블 몸체는 분리 가능하게 다수 개로 형성되고, 상기 다수 개의 크루서블 몸체를 서로 고정시키는 링을 더 포함하고, 상기 링은 SiC(실리콘 카바이드), 산중성 물질(Al2O3 및 SiO2의 혼합물), ASC(Al2O3 및 SiC 및 C의 혼합물), 텅스텐(W), 스테인리스 강, 주철(cast iron) 또는 일반 강(steel) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러 상기 퍼니스는, 상기 플랜지 또는 상기 링과 접촉하여, 상기 크루서 블의 이동을 안내하는 레일을 더 포함하고, 상기 크루서블의 내측면은 코팅되는 것을 특징으로 한다.
나아가 상기 크루서블에는 투입되는 환원재를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 크루서블에는 니켈, 크롬, 망간, 아연, 몰리브덴 중 하나 이상이 더 투입되는 것이 바람직하다.
또한 경사지게 형성된 퍼니스 몸체를 포함하고, 상기 퍼니스 몸체 내에서 상기 크루서블은 중력에 의해 구르면서(rolling) 이동하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 퍼니스 몸체 내부에 이동 가능하게 구비되고, 상기 크루서블의 하부에 접촉하여 위치하는 대차를 더 포함하며, 상기 대차는: 상부면에 형성된 내화물; 및 하부에 구비된 바퀴를 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가 상기 대차와 상기 퍼니스 몸체 간의 마찰력은, 상기 크루서블과 상기 퍼니스 몸체 간의 마찰력보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 대차는 상기 퍼니스 몸체 내에서 고정되어 위치하고, 상기 대차의 고정 상태를 해제할 수 있는 장치가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 퍼니스 몸체는: 가열장치를 구비하여 상기 크루서블을 가열하는 소성부; 및 냉각장치를 구비하여 상기 크루서블을 냉각하는 냉각부를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 소성부의 측벽을 관통하여 견시구(見示口)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 상기 크루서블을 이송시키는 크루서블 이송장치를 더 포함하고, 상기 이송장치는 크레인, 엘리베이터, 에스컬레이터 또는 컨베이어 벨트 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
i) 크루서블 내에서 환원재 또는 용융재가 산소와 용이하게 반응하는 환원 분위기를 형성할 수 있고, ii) 금속 산화물의 환원 및 용융을 동일한 장치 내에서 연속적으로 수행할 수 있다.
iii) 퍼니스 내에서 크루서블이 중력에 의해 이동하기 때문에 크루서블을 이송시키기 위한 동력을 절감시킬 수 있다. 마지막으로, iv) 크루서블과 접촉하는 대차가 퍼니스 내에서 크루서블에 비해 상대적으로 느린 속도로 이동하거나 혹은 고정된 상태에서 사용자의 제어에 따라 이동 가능하기 때문에, 퍼니스의 가열 효율을 크게 감소시키지 않으면서 대차의 점검 또는 수리시 대차를 용이하게 교체할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 장치의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저 도 1a 내지 2b는 본 발명에 따르는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치에서 밀폐된 크루서블을 도시한 사시도 및 분해사시도이다. 도 1a 내지 2b를 참고하면, 크루서블(200)은 중공의 형상인 크루서블 몸체(210)와 크루서블 몸체(210)의 양 단부에 결합되어 크루서블 몸체(210)의 내부를 밀폐시키는 커버(220)를 포함한다.
상기 크루서블 몸체(210) 및 커버(220)는 금속 재질 또는 세라믹과 같은 내화물 재질로 형성될 수 있으며, 내화물 재질인 경우 녹는점이 높아 용융 공정에 적용하기 용이하고, 금속 재질은 경우 녹는점은 비교적 낮지만 강도 및 열전도성이 높고 가공성이 우수하기 때문에 1000°C 내지 1100°C 정도의 온도에서 이루어지는 소결 또는 환원 공정에 적용하기가 용이하다.
크루서블 몸체(210) 및 커버(220)를 금속 재질로 구성할 경우에는 텅스텐(W), 스테인리스 강, 주철(cast iron) 또는 일반 강(steel) 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고 크루서블 몸체(210) 및 커버(220)를 세라믹 재질로 구성할 경우에는 내열성이 좋은 SiC(실리콘 카바이드)로 구성되는 것이 가장 바람직하고, SiC 외에도 산중성 물질(Al2O3 및 SiO2의 혼합물)이나 ASC(Al2O3 및 SiC 및 C의 혼합물) 등의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이 때, 커버(220)는 크루서블 몸체(210)에 공기가 유입 또는 유출되지 않도록 크루서블 몸체(210)의 단부를 밀폐하도록 결합되는 것이 바람직하다. 크루서블 몸체(210) 및 커버(220)의 내측면은 코팅(coating)되는 것이 바람직하다. 이는 금속산화물의 용융 후에 발생하는 액체 금속이 크루서블 몸체(210) 및 커버(220)에 달라붙는 현상을 방지하기 위한 것이다.
이 결과 크루서블(200) 내부는 외부로부터 밀폐되고 외부 공기의 유입이 차단되기 때문에 환원재의 탄소(C)와 금속산화물의 산소(O)가 화학 반응하여 CO 또는 CO2가 생성됨으로써, 금속산화물이 환원되기 좋은 분위기를 제공하게 된다.
그리고 크루서블 몸체(210)와 커버(220)의 결합관계는 여러 가지 방법으로 구성될 수 있으나, 도 1a 내지 2b에 도시된 바와 같이 크루서블 몸체(210)와 커버(220)의 끼워 맞춰지는 방식으로 두 구성이 서로 결합되어 고정되는 것이 바람직하다.
또 크루서블 몸체(210)의 형상은 제한되지 않으나, 원통 형상이나 직육면체 형상 등으로 이루어질 수 있으며, 후술할 셀프 롤링 퍼니스(Self Rolling Furnace)와 같은 환원?용융장치에 적용될 경우에는 원통 형상으로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
한편, 도 1a 및 1b는 크루서블(200)을 금속 재질로 형성할 경우 바람직한 크루서블(200)의 구조를 도시하고, 도 2a 및 2b는 크루서블(200)을 내화물 재질로 형성할 경우 바람직한 크루서블(200)의 구조를 도시한다.
이 중 도 1a 및 1b를 참조하면, 금속 재질에 바람직한 크루서블(200)은 몸체(210)가 일체형으로 형성되고 몸체(210)의 양측 단부에 커버(220)가 결합되어 고정된다. 그리고 후술할 바와 같이 크루서블(200)이 퍼니스 몸체(100; 도 3 이하 참조) 내에서 구르면서 이동하는 경우, 크루서블(200)이 퍼니스 몸체(100)를 따라 일정한 방향으로 구를 수 있도록 가이드 역할을 하는 플랜지(222)가 커버(220)로부터 원주 방향으로 돌출되어 형성된다. 그리고 이 플랜지(222)에 대응하여 퍼니스 몸체(100)의 바닥 또는 대차(150; 도 3 이하 참조)의 상부 표면에는 레일(180)이 가 이드 역할을 하도록 구비된다. 이 레일(180)의 재질은 크루서블(200)의 금속 재질과 동일하게, 텅스텐(W), 스테인리스 강, 주철(cast iron) 또는 일반 강(steel) 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 플랜지(222)와 레일(180)이 없이 원통 형상의 크루서블(200)이 퍼니스 몸체(100) 내에서 굴러서 이동한다면, 크루서블(200)이 직선 방향이 아닌 사선 방향으로 구르면서 퍼니스 몸체(100) 내에서의 이동이 용이하지 않을 수 있다. 그러나 도 1a 및 1b에 도시된 실시예에서는 커버(220)에 형성된 플랜지(222)의 외측면이 레일(180)과 맞닿으면서 두 개 내지 세 개의 레일(180)을 따라 직선 방향으로 이동하게 되므로, 크루서블(200)의 구름 이동 방향이 일정하게 된다.
그리고 도 2a 및 2b는 내화물 재질에 바람직한 크루서블(200)을 도시한 도면으로, 세라믹과 같은 내화물의 특성 상 일체 성형이 힘들기 때문에 크루서블 몸체(210)를 분리하여 형성한 후, 다수의 크루서블 몸체(210; 도 2a 및 2b에서는 세 개)를 서로 연결하는 링(212)을 형성하고, 이 링(212)의 내측에 크루서블 몸체(210)를 끼워 맞춰 고정시킴으로써 크루서블 몸체(210)를 형성한다. 이 때 링(212)은 크루서블 몸체(210)와 동일한 SiC, 산중성 물질이나 ASC 등의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 도 2a에 도시된 바와 같이 네 개의 링(212)을 이용할 경우 좌우 단부에 구비된 링(212)의 내측에 커버(220)를 끼워 맞춰 고정시킬 수 있고, 도 2b와 같이 두 개의 링(212)을 이용할 경우 크루서블 몸체(210)의 좌우 단부 외측면에 링(212)과 같은 지름을 갖는 커버(220)를 끼워 맞춰 고정시킬 수도 있다.
이와 같이 링(212)을 사용하여 크루서블 몸체(210)를 형성하는 경우, 크루서블(200)의 하중을 분산시키는 것도 가능하고, 마찰력을 감소시킴으로써 크루서블(200)이 용이하게 구를 수 있도록 하며, 인접한 크루서블(200) 사이에 링(212)에 의해 공간이 형성되므로 퍼니스 몸체(100)에서 발생한 열이 크루서블(200) 내부로 전달되는 효과를 향상시킬 수 있다.
이러한 도 2a 및 2b의 실시예에서도 크루서블(200)이 퍼니스 몸체(100)를 따라 일정한 방향으로 구를 수 있도록 가이드 역할을 하는 레일(180)이 퍼니스 몸체(100)의 바닥 또는 대차(150; 도 3 이하 참조)의 상부 표면에 구비된다. 이러한 실시예에서도 크루서블 몸체(210)에 구비된 링(212) 또는 커버(220)의 일 측면이 레일(180)과 맞닿으면서 두 개 내지 세 개의 레일(180)을 따라 직선 방향으로 이동하게 되므로, 크루서블(200)의 구름 이동 방향이 일정하게 된다. 이 레일(180)의 재질은 크루서블(200)의 내화물 재질과 동일하게, SiC, 산중성 물질이나 ASC 등의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 때 레일(180)은 두 개 설치될 수도 있으나, 세 개 설치될 경우 크루서블(200)의 하중이 분산되어 안정적인 조업이 가능하게 된다.
상술한 크루서블(200)은 내부에 환원?용융시킬 재료가 투입되는 구성으로 그 내부에 채워질 물질이나 구성이 제한되는 것은 아니나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 철광석(Fe2O3 성분을 주로 포함함), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 중 하나 이상을 포함하는 금속산화물과 환원재(무연탄, 코크스, 흑연, 석탄 등 탄소를 함유하는 물 질 또는 수소가스)를 투입시키게 된다. 이 때, i) 금속산화물과 환원재를 혼련(混鍊; 화학재료를 열과 기계를 이용하여 고르게 섞어 이기는 작업)하여 펠렛(pellet) 형태로 크루서블(200)에 투입하거나, ii) 금속산화물과 환원재를 분말 형태로 크루서블(200)에 투입하거나, iii) 금속산화물만을 혼련하여 펠렛 형태로 크루서블에 투입한 후, 환원재는 분말 형태로 크루서블(200)에 투입할 수 있다. 이후, 커버(220)를 결합시켜 크루서블 몸체(210)를 밀폐하여 금속산화물이 용이하게 환원될 수 있는 환원 분위기를 형성하게 된다.
이와 같은 크루서블을 이용한 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법을 살펴보면, 먼저 ① 금속산화물과 기타 환원재(무연탄) 등 필요한 재료를 크루서블 몸체(210) 내에 투입시킨다. ② 다음으로 커버(220)를 크루서블 몸체(210)에 결합시키면서 크루서블 몸체(210) 내에 외부 공기가 유입되지 않도록 크루서블을 밀폐시킨다. ③ 크루서블(200)을 소정 온도로 가열함으로써 크루서블(200) 내부에 환원 분위기를 만들어 금속 산화물에서 산소를 분리시켜 순도가 높은 금속을 얻는다. ④ 크루서블(200)을 소정 온도까지 더 가열함으로써 크루서블(200) 내부의 금속이 용융하고 슬라그 등의 액체 상태의 금속을 얻는다.
이 중, ③ 크루서블(200) 가열공정은, i) 환원 공정의 경우 약 1000°C 내지 1100°C의 온도로 크루서블(200)을 가열하는 것이 바람직하며, 이 때 환원제의 연소에 의해 일산화탄소(CO)의 가스 분압이 발생하면서 환원반응이 촉진된다. 게다가 크루서블(200)이 구르면서 이동하는 경우에는, 금속산화물과 환원제가 용이하게 교반되고, 금속산화물과 환원제가 접촉하는 반응 표면적이 상승되면서 환원반응이 가 속화될 수 있다.
그리고 ii) 용융 공정의 경우 내부 화학 반응은 환원 공정과 동일하나 가열 온도가 1400°C 내지 1500°C가 되며, 크루서블(200)이 구르면서 이동하는 경우 고온에서 환원?용융된 금속이 크루서블(200)의 내측 표면에 달라붙지 않고 최종적으로는 볼(ball) 형상으로 배출될 수 있어서 크루서블(200)과 용융물의 분리 작업도 용이하게 된다.
이 결과 본 발명에 따르는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법은 크루서블 내에서 환원재와 산소가 용이하게 반응하는 환원 분위기를 형성할 수 있고, 금속 산화물의 환원 및 용융을 동일한 장치 내에서 연속적으로 수행할 수 있는 효과를 제공한다. 즉 퍼니스 몸체(100) 내부는 가스 연소에 의해 산화 분위기가 형성되나, 밀폐된 크루서블(200) 내부는 환원 분위기를 유도할 수 있으므로 별도의 환원 분위기 조성이 불필요하고, 에너지 절감의 효과도 있으며 친환경적인 공법이 적용 가능하게 된다.
지금까지 설명한 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법은 여러 가지 장치에서 수행될 수 있다. 예컨대 종래의 터널 퍼니스 내지 로터리 퍼니스 방식에서도 크루서블을 밀폐시키고 이를 환원?용융시킴으로써 본 발명에 따르는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법을 수행할 수 있다.
그러나 바람직하게는 이하에서 설명할 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치, 즉 경사지게 형성된 퍼니스 몸체를 구비한 일명 ‘셀프 롤링 퍼니스(Self Rolling Furnace)’를 이용함으로써, 본 발명에 따르는밀폐된 크루서 블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법이 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따르는 셀프 롤링 퍼니스를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4a 및 4b는 도 3에 도시된 셀프 롤링 퍼니스의 측면도 및 평면도이다.
도 3 내지 4b를 참고하면, 본 발명에 따르는 셀프 롤링 퍼니스는 크게 퍼니스 몸체(100)와 크루서블(200; Crucible; 도가니)로 이루어진다.
퍼니스 몸체(100)는 크루서블(200)을 가열 및 냉각하는 구성이다. 구체적으로는 크루서블(200)을 가열 및 냉각하여 크루서블(200) 내부의 재료를 가열 및 냉각시키기 위한 구성이고, 크게 예열대(110)와 소성대(120) 및 냉각대(130)로 이루어진다. 그리고 퍼니스 몸체(100)는 도 3 및 4a에 도시된 바와 같이 예열대(110)부터 냉각대(130)를 향하여 소정 각도 경사진 형상으로 이루어져서, 별도의 동력 없이 원통 형상의 크루서블(200)이 중력에 의해 퍼니스 몸체(100)의 경사면을 따라 구르면서(rolling) 이동할 수 있도록 이루어진다.
이 결과, 크루서블(200)은 퍼니스 몸체(100) 내에서 퍼니스 몸체(100)의 경사면을 따라 중력에 의해 굴러 이동하면서 가열 및 냉각되고, 이 크루서블(200)이 이동하는 속도는 퍼니스 몸체(100)의 경사면 각도나 크루서블(200)과의 마찰력 등에 의해 조정될 수 있다. 본 발명에 따르는 바람직할 실시예에서 퍼니스 몸체(100)의 전체 길이는 약 150~180 m 이고, 퍼니스 몸체(100) 중 소성대(120) 부분의 가열온도는 약 1350~1600 °C 이다. 그리고 크루서블(200) 내에 금속산화물과 환원제(무연탄 등)가 투입될 경우 금속산화물을 환원시키기 위해서는 약 60 내지 80 분의 시간이 소요되며, 이러한 크루서블(200)의 가열시간과 퍼니스 몸체(100)의 전체 길 이를 고려하여 퍼니스 몸체(100)의 경사 각도를 조정할 수 있다.
퍼니스 몸체(100)의 내부에는 크루서블(200)이 이동할 수 있는 공간이 예열대(110)부터 냉각대(130)까지 관통되어 형성되고, 예열대(110)의 단부 및 냉각대(130)의 단부에는 각각 크루서블(200)이 투입 및 배출될 수 있는 입출구(162, 164)가 형성된다.
한편 크루서블(200)은 퍼니스 몸체(100)의 내부 공간만을 따라 구르면서 이동할 수도 있으나(이 실시예는 후술한다), 바람직하게는 퍼니스 몸체(100)에서 크루서블(200)의 하부에 위치하게 되는 대차(150)와 접촉하면서 대차(150) 위에 고정된 상태로 또는 대차(150) 위 표면을 따라 구르면서 이동한다.
상기 대차(150)는 상부면에 내열성이 좋은 내화물(154)이 형성되어 있고, 퍼니스 몸체(100)의 내부 공간을 따라 이동할 수 있도록 하부에는 바퀴(152)가 구비되어, 대차(150)의 상부면을 따라 크루서블(200)이 이동할 수 있도록 하는 구성이다. 이 대차(15)의 출입을 위하여 퍼니스 몸체(100)의 크루서블 입출구(162, 164) 하부에는 대차 입출구(166, 168)가 각각 형성된다.
다음으로 퍼니스 몸체(100)의 전후에는 크루서블(200)을 이송시키기 위한 크루서블 이송장치(142, 144)가 각각 구비된다. 크루서블 입구(162) 측의 크루서블 이송장치(142)는 크루서블(200)을 퍼니스 몸체(100)의 크루서블 입구(162)까지 공급하는 장치이고, 크루서블 출구(164) 측의 크루서블 이송장치(144)는 가열 및 냉각이 완료되어 퍼니스 몸체(100)로부터 배출된 크루서블(200)을 이송시키는 장치이다. 본 발명의 도 4a에는 이송장치(142, 144)가 크레인 형식으로 도시되었으나, 필 요에 따라 에스컬레이터나 엘리베이터 혹은 컨베이어 벨트 등으로 구성하는 것도 가능하다.
또한 퍼니스 몸체(100)의 전후에는 대차(150)를 이송시키기 위한 대차 이송장치(146, 147, 148)도 구비된다. 대차 입구(166) 측의 대차 이송장치(146)는 대차(150)를 수직 방향으로 이동시켜 대차 입구(166)까지 공급하는 장치로 크레인 또는 엘리베이터 등의 구성으로 이루어질 수 있다. 그리고 대차 출구(168) 측에는 경사면(147)이 구비되어서, 퍼니스 몸체(100)를 통과한 대차(150)가 경사면(147)을 따라 퍼니스 몸체(100)의 외부로 중력에 의해 자연스럽게 굴러 이동할 수 있으며, 경사면(147)까지 통과한 대차(150)는 컨베이어 벨트 등으로 구성된 대차 이송장치(148)를 통하여 대차 입구(166)까지 다시 이동할 수 있다. 한편 연속적인 조업을 위하여 퍼니스 몸체(100)의 외부에 예비 대차(미도시)를 구비해 둘 수 있다.
여기서 대차(150)의 이동에 대하여 설명하면, i) 대차(150)도 크루서블(200과 마찬가지로 퍼니스 몸체(100)의 경사면을 따라 이동하지만 그 이동속도는 크루서블에 비하면 상대적으로 훨씬 느린 속도로 이동하도록 구성될 수 있고, ii) 대차(150)는 퍼니스 몸체(100) 내에서 고정된 상태를 유지하다가, 사용자의 제어에 따라 퍼니스 몸체(100) 내에서 이동하도록 고정 상태가 해제될 수 있도록 구성될 수 있다.
위 i)의 경우에는 대차(150)의 바퀴(152)와 퍼니스 몸체(100) 간의 마찰력이 크루서블(200)과 퍼니스 몸체(100) 간의 마찰력에 비하여 상대적으로 크게 구성하는 방법에 의할 수 있고, ii)의 경우에는 예컨대 대차 출구(168) 측에 대차(150)가 이동하지 않도록 제동장치(미도시; 브레이크 등 대차를 고정시킬 수 있는 구성)를 구비한 후, 이 제동장치를 제어함으로써 대차(150)를 점검?수리하는 등 필요한 상황에 따라 대차(150)를 퍼니스 몸체(100)의 외부로 배출시키도록 할 수 있다.
다음으로 도 5b 및 5b는 도 4a 및 4b에 도시된 셀프 롤링 퍼니스에서 퍼니스 몸체(100) 부분을 확대한 도면이다. 참고로 도 4a는 퍼니스 몸체(100)의 외부를 도시한 측면도이나, 도 5a는 퍼니스 몸체(100)의 내부를 도시한 측면도이다. 그리고 퍼니스 몸체(100)는 도 3 또는 도 4a에 도시된 바와 같이 경사지게 구성되나, 도 5a 이하에서는 편의를 위하여 수평한 방향으로 도시하였다.
도 5a 및 5b를 참고하면, 본 발명에 따르는 셀프 롤링 퍼니스의 퍼니스 몸체(100)는 예열대(110)와 소성대(120) 및 냉각대(130)로 이루어지고, 퍼니스 몸체(100) 내부는 내열성이 좋은 내화물로 형성된 벽돌이 다수 개 적층된 형태로 구비된다.
예열대(110)와 소성대(120) 및 냉각대(130)는 서로 오픈되어 연결된 공간으로, 소성대(120)에는 가열장치(122)가 구비되어 가열이 이루어지고 냉각대(130)에는 냉각장치(132)가 구비되어 냉각이 이루어진다. 가열장치(122)는 가스 버너 등으로 소성대(120) 내부의 공기를 가열하는 장치이고, 냉각장치(132)는 냉각 가스나 냉각 공기 등을 주입하는 튜브 등으로 형성되어 냉각대(130) 내부의 공기를 냉각하는 장치이다.
가열 및 냉각의 대상인 크루서블(200)은 예열대(110)로부터 냉각대(130)를 따라 순차적으로 이동하게 되는데, 예열대(110)에서는 소성대(120)로부터 확산된 열에 의해 크루서블(200)이 예열된다. 그리고 소성대(120)를 통과하면서 가열장치(122)로부터 공급된 열에 의해 크루서블(200)이 약 1350°C 내지 1600°C 의 온도로 가열되고, 냉각대(130)에 가면 냉각장치(132)에 의해 크루서블(200)이 냉각된다. 이 때 예열대(110)의 온도는 약 200 내지 600 °C 가 되고, 냉각대(130)의 온도는 약 200 내지 300 °C 가 된다. 한편 크루서블 입구(162)로부터 크루서블 출구(164)에 이르는 공간이 크루서블(200)이 이동하는 경로이고, 대차 입구(166)로부터 대차 출구(168)에 이르는 공간이 대차(150)가 이동하는 경로이다.
설명하지 않은 도면부호 124는 ‘견시구(見示口)’로서 퍼니스 몸체(100)의 외부에서 사용자가 퍼니스 몸체(100) 내부를 관찰하기 위한 창문과 같은 구성이다. 도 5a에서 퍼니스 몸체(100) 내부에는 크루서블(200)의 측면이 원형으로 도시되어 있으며, 편의상 소수의 크루서블(200)만을 도시하였다.
도 6a 및 6b는 도 5a 및 5b에서 소성대 부분만을 확대한 도면이고, 도 7a 및 7b는 각각 도 6b에서 A-A 선 및 B-B 선을 따른 단면도이다.
도 6a 및 6b를 참고하면, 상술한 소성대(120)의 구성이 구체적으로 도시되어 있으며 가열장치(122) 및 견시구(124)의 구성을 확인할 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이 소성대(120)의 좌우 측면에 구비된 가열장치(122) 및 견시구(124)는 서로 마주보는 위치가 아니라 엇갈리는 위치에 구비되는 것이 바람직하다.
그리고 도 7a 및 7b를 참고하면 가열장치(122)와 견시구(124)의 설치된 모습이 도시되어 있고, 견시구(124)는 도 7b에 도시된 바와 같이 퍼니스 몸체(100)의 측벽 외부로부터 내부를 향하여 폭이 증가하는 형상으로 구비되어, 외부의 사용자 가 퍼니스 몸체(100) 내부를 관찰하기 용이하도록 형성된다.
도 8은 본 발명에 따르는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치인 셀프 롤링 퍼니스의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 8을 참고하면, 퍼니스 몸체(100)에는 대차(150)가 구비되지 않고, 경사진 퍼니스 몸체(100) 내부를 따라 크루서블(200)이 굴러 이동하는 구조로 이루어진다. 상술한 도 4a에서 대차(150)의 상부면이 위치하던 공간에는 내화물 벽돌로 이루어진 바닥면(170)이 일체로 형성되고, 크루서블(200)은 이 바닥면(170)과 접촉하면서 굴러 이동하게 된다.
도 8에 도시된 실시예의 장점은 도 4에 도시된 실시예에 비하여 대차(150) 및 이를 이송시키기 위한 이송장치(166 내지 168) 등이 필요 없게 되어 제조비용이 감소하는 점이나, 단점으로는 크루서블(150)과의 접촉 및 충돌에 의해 퍼니스 몸체(100)의 바닥면(170)에 파손이 발생하는 경우, 이를 수리 또는 점검하기 위하여 퍼니스 전체의 가동을 중단시켜야 하는 점이 있다.
한편, 본 발명에 따르는 크루서블(200)은 본 발명에 따르는 셀프 롤링 퍼니스에만 적용될 수 있는 것이 아니라, 예컨대 종래의 터널 퍼니스 방식에도 적용될 수 있다. 이 경우에는 크루서블(200)이 중력에 의해 굴러 이동하는 구조가 아니라 레일을 따라 대차가 평행하게 직선 이동하는 구조이므로, 크루서블(200)의 형상에는 제한이 없다. 다만 상술한 바와 같이 크루서블(200)의 내부를 밀폐하여 환원 및 용융 분위기를 형성할 필요는 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위 를 벗어나지 않는 한 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 당업자에게 자명하다고 할 수 있는 바, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것이다.
도 1a 내지 2b는 본 발명에 따르는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법 및 장치에서 크루서블을 도시한 도면;
도 3은 본 발명에 따르는 셀프 롤링 퍼니스의 사시도(개략도);
도 4a 및 4b는 도 3에 도시된 셀프 롤링 퍼니스의 측면도 및 평면도;
도 5a 및 5b는 도 2a 및 2b에 도시된 셀프 롤링 퍼니스에서 퍼니스 몸체 부분을 확대한 도면;
도 6a 및 6b는 도 5a 및 5b에서 소성대 부분만을 확대한 도면;
도 7a 및 7b는 각각 도 6b에서 A-A 선 및 B-B 선을 따른 단면도; 그리고,
도 8은 본 발명에 따르는 셀프 롤링 퍼니스의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 퍼니스(furnace) 몸체 110 : 예열대
120 : 소성대 122 : 가열장치
124 : 견시구 130 : 냉각대
132 : 냉각장치 142, 144 : 크루서블 이송장치
146, 148 : 대차 이송장치 147 : 경사면
150 : 대차 152 : 바퀴
154 : 내화물 162 : 크루서블 입구
164 : 크루서블 출구 166 : 대차 입구
168 : 대차 출구 170 : 바닥면
200 : 크루서블(crucible) 210 : 크루서블 몸체
220 : 커버

Claims (26)

  1. 중공의 원통 형상의 크루서블 몸체, 및 상기 크루서블 몸체의 양 단부에 결합되는 커버를 포함하는 크루서블을 준비하는 단계;
    상기 크루서블의 내측면을 코팅하는 단계;
    금속산화물을 상기 크루서블(crucible)에 투입하는 단계;
    상기 크루서블을 밀폐(seal)하는 단계; 및
    상기 밀폐된 크루서블을 가열하여, 상기 금속산화물을 환원?용융시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 크루서블은 SiC(실리콘 카바이드), 산중성 물질(Al2O3 및 SiO2의 혼합물), ASC(Al2O3 및 SiC 및 C의 혼합물), 텅스텐(W), 스테인리스 강, 주철(cast iron) 또는 일반 강(steel) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 크루서블에 환원재를 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 크루서블에 니켈, 크롬, 망간, 아연, 몰리브덴 중 하나 이상을 더 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융방법.
  7. 환원 및 용융될 재료가 내장되는 크루서블;
    상기 크루서블이 내장되고, 상기 크루서블을 가열시키는 퍼니스를 포함하되,
    상기 크루서블은 밀폐되며,
    상기 크루서블의 내측면은 코팅되는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 크루서블은 SiC(실리콘 카바이드), 산중성 물질(Al2O3 및 SiO2의 혼합물), ASC(Al2O3 및 SiC 및 C의 혼합물), 텅스텐(W), 스테인리스 강, 주철(cast iron) 또는 일반 강(steel) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 크루서블은:
    중공의 원통 형상의 크루서블 몸체; 및
    상기 크루서블 몸체의 양 단부에 결합되는 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 커버로부터 원주 방향으로 돌출되어 형성되는 플랜지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 크루서블 몸체는 분리 가능하게 다수 개로 형성되고,
    상기 다수 개의 크루서블 몸체를 서로 고정시키는 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 링은 SiC(실리콘 카바이드), 산중성 물질(Al2O3 및 SiO2의 혼합물), ASC(Al2O3 및 SiC 및 C의 혼합물), 텅스텐(W), 스테인리스 강, 주철(cast iron) 또는 일반 강(steel) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  13. 청구항 10 또는 11에 있어서,
    상기 퍼니스는,
    상기 플랜지 또는 상기 링과 접촉하여, 상기 크루서블의 이동을 안내하는 레일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  14. 삭제
  15. 청구항 7에 있어서,
    상기 크루서블에는 투입되는 환원재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  16. 청구항 7에 있어서,
    상기 크루서블에는 니켈, 크롬, 망간, 아연, 몰리브덴 중 하나 이상이 더 투입되는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  17. 환원 및 용융될 재료가 내장되는 크루서블;
    상기 크루서블이 내장되고, 상기 크루서블을 가열시키는 퍼니스를 포함하되,
    상기 크루서블은 밀폐되며,
    경사지게 형성된 퍼니스 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐된 크루서블을 이용한 금속산화물의 환원?용융장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 퍼니스 몸체 내에서 상기 크루서블은 중력에 의해 구르면서(rolling) 이동하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  19. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    상기 퍼니스 몸체 내부에 이동 가능하게 구비되고, 상기 크루서블의 하부에 접촉하여 위치하는 대차를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 대차는:
    상부면에 형성된 내화물; 및
    하부에 구비된 바퀴를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 대차와 상기 퍼니스 몸체 간의 마찰력은, 상기 크루서블과 상기 퍼니스 몸체 간의 마찰력보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 대차는 상기 퍼니스 몸체 내에서 고정되어 위치하고,
    상기 대차의 고정 상태를 해제할 수 있는 장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  23. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    상기 퍼니스 몸체는:
    가열장치를 구비하여 상기 크루서블을 가열하는 소성부; 및
    냉각장치를 구비하여 상기 크루서블을 냉각하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 소성부의 측벽을 관통하여 견시구(見示口)가 구비되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  25. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    상기 크루서블을 이송시키는 크루서블 이송장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 이송장치는 크레인, 엘리베이터, 에스컬레이터 또는 컨베이어 벨트 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 환원?용융장치.
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