KR101142507B1 - 마그네슘 제조용 수직형 반응관 및 이를 이용한 마그네슘 제조 장치 - Google Patents

Abstract

열환원로로부터 반응관 내부의 원료 광석으로 열전달을 보다 용이하게 함으로써 원료의 반응 완료시간을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있도록, 열환원로 내에 수직설치되며 내부에 원료 광석이 장입되어 열환원공정에 의해 금속 증기를 생산하는 반응관에서 있어서, 상기 반응관은 내부에 장입된 원료 광석 사이에 열전도 공간을 형성하기 위한 분리구가 설치된 구조의 수직형 반응관 및 이를 이용한 마그네슘 제조장치를 제공한다.

반응관, 분리구, 중앙분리구, 방사분리구, 홀, 열전달

Description

마그네슘 제조용 수직형 반응관 및 이를 이용한 마그네슘 제조 장치{Vertical type thermal reduction tube and apparatus for Magnesium production}

본 발명은 소성돌로마이트를 규소금속 또는 페로실리콘을 환원제로 사용하여 열환원하여 마그네슘을 고체상이나 용융상으로 제조하는 마그네슘 제조 장치 및 마그네슘 제조용 수직형 반응관에 관한 것이다.

일반적인 마그네슘 환원공정에서 사용하는 반응관은 원통형의 긴 내열강재를 주조하여 열환원로 내에 수평으로 설치하여 반응관으로 사용하여 마그네슘을 제조하여왔다.

최근에는 생산성을 높이는 방안으로 반응관을 수직으로 배열해서 외부에서 가스버너를 이용하여 약 1200℃ 전후로 가열하면서 진공장치를 이용 감압하여 마그네슘을 제조하는 기술이 개발되었다.

반응관 내부를 진공장치를 이용하여 감압하므로 내부 고상 열환원반응에 의해 마그네슘을 기화시키고 이들 증기를 진공펌프를 통해 외부로 배출한다.

열환원로 외부 배관에는 냉각자켓이 부착된 응축기가 설치되어, 상기 응축기 에 의해 마그네슘 크라운이 회수된다.

통상 이러한 마그네슘 제련 열환원반응관은 열환원이 이루어지는 반응관이 수평 설치되어 조업되는 경우 피죤 공정이라 부른다. 피죤 공정에서 일반적인 반응관의 치수는 내경이 300mm 전후이고, 길이가 약 3m 이며, 재질은 Cr-Ni 계 내열강으로서 대부분 원심주조로 제작된다.

상기 반응관은 진공펌프에 의해 조업 중 진공상태가 유지되며 환원로의 온도가 증가할수록 그리고 고진공도로 유지될수록 마그네슘 광석 중 마그네슘의 회수율은 상승하지만 반응관의 내열온도에 제약이 있어 대략 1150 ~ 1250℃ 정도를 유지한다.

일반적인 마그네슘 열환원 공정에서 반응에 필요한 열은 환원로에서 석탄, 석탄가스나 천연가스와 일부 전기에 의해 공급되며, 반응관을 통해 내부의 단광 혼합물질로 전달된다. 반응관 내에서 소성돌로마이트와 환원제인 페로실리콘의 혼합체로 만들어진 단광으로 전달되는 열은 복사 및 전도에 의해 이루어지며 광석의 열전도도가 낮기 때문에 반응관 내의 모든 장입물이 필요한 반응온도에 도달하기까지 매우 긴 시간이 필요하며 통상 조업 준비시간을 포함하여 1회 조업에 총 12 ~ 15시간 정도 소요된다.

반응관의 직경이 커질수록 반응 완료시간이 증가하여 생산성이 떨어지므로 반응관의 크기는 통상 300mm 이내로 제한된다.

최근에는 종래의 수평형 반응관에 비해 비교적 큰 직경을 갖는 수직형 반응관에 대한 기술이 개발되고 있으나 이 역시 반응관의 직경은 제한적이다.

열환원로에 설치된 반응관은 버너 등의 가열 기구에 의해 가열되어 반응관 내부의 원료 광석을 가열한다. 반응관 내부의 원료는 접촉하고 있는 인접 원료와의 전도 및 공극 사이의 공간을 통한 복사 열전달에 의해 중심부까지 가열되어 반응을 완료하게 된다. 반응관 중심부가지 열이 전달되어 반응이 완료되기까지 12시간 이상이 소요되므로 생산속도는 반응관 내부가지의 열전달이 주요 결정인자로 작용한다.

이에 열환원로로부터 반응관 내부의 원료 광석으로 열전달을 보다 용이하게 함으로써 원료의 반응 완료시간을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있도록 된 마그네슘 제조용 수직형 반응관 및 이를 이용한 마그네슘 제조 장치를 제공한다.

또한, 반응관의 직경을 종래와 비교하여 크게 형성하면서도 열전달이 신속하게 이루어지도록 하여 처리 용량을 증대시킬 수 있도록 된 마그네슘 제조용 수직형 반응관 및 이를 이용한 마그네슘 제조 장치를 제공한다.

이를 위해 본 반응관은 열환원로 내에 수직설치되며 내부에 원료 광석이 장입되어 열환원공정에 의해 금속 증기를 생산하는 반응관에서 있어서, 상기 반응관은 내부에 장입된 원료 광석 사이에 열전도 공간을 형성하기 위한 분리구가 설치된 구조일 수 있다.

한편, 본 장치는 버너가 구비되어 가열되는 열환원로, 상기 열환원로에 수직설치되고 원료 광석이 장입되어 열환원 공정에 의해 금속 증기를 생산하는 반응관을 포함하고, 상기 반응관은 내부에 열전도 공간을 형성하기 위해 분리구가 설치된 구조로 되어 있다.

여기서 상기 반응관은 직경이 종래와 비교하여 1.8배 이상 커진 구조일 수 있다.

상기 분리구는 반응관의 길이방향을 따라 연속적으로 설치되고 표면에는 원 료 광석보다 작은 크기의 홀이 형성되어 내부 공간을 형성하는 중앙분리구를 포함할 수 있다.

상기 중앙분리구는 상기 반응관의 중앙에 설치될 수 있다.

또한, 상기 분리구는 상기 중앙분리구의 측면에 연결설치되고 반응관의 방사방향을 향해 내주면으로 연장되며 표면에는 원료 광석보다 작은 크기의 홀이 형성되어 내부 공간을 형성하는 적어도 하나 이상의 방사분리구를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 방사분리구는 중앙분리구에서 반응관으로 내주면을 따라 점차적으로 폭이 커지는 구조일 수 있다.

또한, 중앙분리구와 상기 방사분리구는 접합부에서 서로 연통된 구조일 수 있다.

상기 중앙분리구와 방사분리구는 표면에 홀이 형성된 타공판 또는 철제 그물망으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 의하면, 열전달을 보다 용이하게 함으로써 원료의 반응 완료시간을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 반응관의 직경을 종래와 비교하여 크게 형성하면서도 열전달이 신속하게 이루어지도록 하여 처리 용량을 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 열환원로 내부에 반응관을 밀집시켜 환원로의 열효율이 향상되고 제작 및 수리, 교체 비용을 절감할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 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.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

사시도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.

도 1은 일 실시예에 따른 반응관이 설치된 마그네슘 제조 장치를 도시하고 있다.

이하 설명에서는 마그네슘을 제조하기 위한 장치를 예로서 설명하나, 이에 한정되지 않으며, 마그네슘을 포함한 모든 금속의 열환원 제련 공정을 위한 제조 장치에 모두 적용가능하다 할 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 장치(100)는 버너가 구비되어 가열되는 열환원로(110), 상기 열환원로(110)에 수직설치되고 원료 광석이 장입되어 열환원 공정에 의해 금속 증기를 생산하는 반응관을 포함한다. 열환원로(110)에는 버너가 설치되어 내부의 반응관(200)를 가열하게 된다. 상기 반응관(200)는 열환원로(110)에 수직으로 설치되며, 내부에는 소성돌로마이트와 환원제인 페로실리콘의 혼합체로 만들어진 단광이 장입된다.

이에 반응관(200) 내부를 진공으로 감압한 후 내부온도 약 1160~1220℃를 유지하게 되면 성형체내에 함유된 72~75% 페로실리콘 합금 중 실리콘 성분이 환원제로 작용하여 규소열환원반응(silicothermic reduction)에 의해 환원이 진행되게 된다.

반응관(200)에서 환원된 마그네슘 증기는 예를 들어 반응관(200)에 연결된 응축기를 통해 응축 크라운으로 형성되어 회수된다. 본 장치에서 상기 응축기는 반응관(200) 상에 수평 또는 수직으로 연결될 수 있으며 본 실시예에서는 특별히 한 정되지 않는다.

여기서 본 장치는 상기한 구조의 반응관(200)에 있어서, 반응관(200) 내부에 장입된 원료 광석 사이에 열전도 공간을 형성하기 위한 분리구(300)가 설치된 구조로 되어 있다.

이에 상기 분리구(300)가 반응관(200) 내부에 장입된 단광 사이에 열의 전달 통로를 형성하게 되어 반응관(200)으로 전달된 열이 보다 신속하게 내부로 전달될 수 있는 것이다.

본 실시예에서 상기 반응관(200)은 종래 300mm의 직경을 갖는 반응관과 비교하여 직경이 1.8배 이상 커진 550mm 이상의 직경으로 형성된다.

이와 같이 반응관의 직경이 커짐에 따라 내부로 열이 전달되는 속도는 느려지게 되나, 상기와 같이 본 반응관(200)은 내부에 분리구(300)가 설치되어 열의 전달 속도를 높일 수 있게 된다. 따라서 열의 전달 속도를 높이면서도 반응관(200)의 직경을 증대시킴으로서, 본 반응관(200)의 단광 처리 용량을 종래의 반응관과 비교하여 3배 이상 증대시킬 수 있게 된다.

여기서 상기 분리구(300)는 반응관(200) 내에서 단광 사이에 공간을 형성할 수 있는 구조면 특별히 한정되지 않는다.

도 2와 도 3은 본 실시예에 따른 분리구의 구조를 예시하고 있다.

도시된 바와 같이 본 분리구(300)는 반응관(200)의 길이방향을 따라 연속적으로 설치되고 표면에는 단광보다 작은 크기의 홀(312)이 형성되어 내부 공간을 형성하는 중앙분리구(310)를 포함한다.

또한, 상기 분리구(300)는 상기 중앙분리구(310)의 측면에 연결설치되고 반응관(200)의 방사방향을 향해 내주면으로 연장되며 표면에는 단광보다 작은 크기의 홀(322)이 형성되어 내부 공간을 형성하는 적어도 하나 이상의 방사분리구(320)를 더 포함한다.

본 실시예에서 상기 중앙분리구(310)는 원통형태로 이루어진다. 상기 중앙분리구(310)에 형성된 홀(312)은 단광보다 작기 때문에 가스나 열은 내부로 전달되나 단광의 유입은 차단된다. 따라서 중앙분리구(310)에 의해 반응관(200) 내부 중앙에는 단광이 없는 영역이 형성된다. 이에 이 영역을 통해 열전달이 보다 신속하게 이루어지는 것이다.

마찬가지로 방사분리구(320)도 표면에 형성된 홀(322)이 단광보다 작기 때문에 가스나 열은 내부로 전달되나 단광의 유입은 차단된다. 따라서 방사분리구(320)에 의해 반응관(200) 측면에서 중앙으로 단광이 없는 영역이 형성된다. 이에 이 영역을 통해 열전달이 보다 신속하게 이루어게 된다.

본 실시예에서 상기 중앙분리구(310)는 상기 반응관(200)의 중앙에 수직으로 설치되며, 상기 방사분리구(320)는 중앙분리구(310)에서 120도 간격으로 설치되며, 반응관(200)으로 내주면을 따라 점차적으로 폭이 커지는 구조로 되어 있다.

또한, 중앙분리구(310)와 상기 방사분리구(320)는 접합부에서 서로 연통된 구조로 되어 있다. 이에 반응관(200) 외표면으로 전달된 열은 방사분리구(320)를 통해 중앙분리구(310)로 보다 신속하게 전달될 수 있게 된다.

도 4는 본 실시예에 따른 반응관(200)과 종래의 반응관(200)의 열전달 속도 를 비교 도시하고 있다.

본 도시된 바와 같이 본 실시예의 반응관은 직경이 550mm 이고 종래의 반응관은 직경이 300mm 이다. 본 반응관의 직경이 종래와 비교하여 증가하였음에도 불구하고 열전달 속도가 개선되어 반응 완료시간이 약 8% 가량의 단축되었음을 확인할 수 있다.

이를 반응관 1개당의 생산량으로 환산할 경우 본 실시예는 종래와 비교하여 3.3배의 생산성 향상 효과를 얻을 수 있게 된다.

상기에서는 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.

도 1은 본 실시예에 따른 반응관이 설치된 마그네슘 제조 장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 실시예에 따른 반응관의 구조를 도시한 일부 절개 사시도이다.

도 3은 본 실시예에 따른 반응관의 단면도이다.

도 4는 본 실시예에 따른 반응관과 종래의 반응관의 성능을 비교한 결과이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 제조 장치 110 : 열환원로

200 : 반응관 300 : 분리구

310 : 중앙분리구 312,322 : 홀

320 : 방사분리구

Claims (14)

1. 열환원로 내에 수직설치되며 내부에 원료 광석이 장입되어 열환원공정에 의해 금속 증기를 생산하는 마그네슘 제조용 수직형 반응관에서 있어서,

   상기 반응관은 내부에 장입된 원료 광석 사이에 열전도 공간을 형성하기 위한 분리구가 설치된 구조의 마그네슘 제조용 수직형 반응관.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리구는 반응관의 길이방향을 따라 연속적으로 설치되고 표면에는 원료 광석보다 작은 크기의 홀이 형성되어 내부 공간을 형성하는 중앙분리구를 포함하는 마그네슘 제조용 수직형 반응관.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 중앙분리구는 상기 반응관의 중앙에 설치되는 마그네슘 제조용 수직형 반응관.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 분리구는 상기 중앙분리구의 측면에 연결설치되고 반응관의 방사방향을 향해 내주면으로 연장되며 표면에는 원료 광석보다 작은 크기의 홀이 형성되어 내부 공간을 형성하는 적어도 하나 이상의 방사분리구를 더 포함하는 마그네슘 제조용 수직형 반응관.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 방사분리구는 중앙분리구에서 반응관으로 내주면을 따라 점차적으로 폭이 커지는 구조의 마그네슘 제조용 수직형 반응관.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 중앙분리구와 상기 방사분리구는 접합부에서 서로 연통된 구조의 마그네슘 제조용 수직형 반응관.
8. 버너가 구비되어 가열되는 열환원로, 상기 열환원로에 수직설치되고 원료 광석이 장입되어 열환원 공정에 의해 금속 증기를 생산하는 반응관을 포함하는 마그네슘 제조장치에 있어서,

   상기 반응관은 내부에 열전도 공간을 형성하기 위해 분리구가 설치된 구조의 마그네슘 제조장치.
9. 삭제
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 분리구는 반응관의 길이방향을 따라 연속적으로 설치되고 표면에는 원료 광석보다 작은 크기의 홀이 형성되어 내부 공간을 형성하는 중앙분리구를 포함하는 마그네슘 제조장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 중앙분리구는 상기 반응관의 중앙에 설치되는 마그네슘 제조장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 분리구는 상기 중앙분리구의 측면에 연결설치되고 반응관의 방사방향을 향해 내주면으로 연장되며 표면에는 원료 광석보다 작은 크기의 홀이 형성되어 내부 공간을 형성하는 적어도 하나 이상의 방사분리구를 더 포함하는 마그네슘 제조장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 방사분리구는 중앙분리구에서 반응관으로 내주면을 따라 점차적으로 폭 이 커지는 구조의 마그네슘 제조장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 중앙분리구와 상기 방사분리구는 접합부에서 서로 연통된 구조의 마그네슘 제조장치.

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