KR101235716B1 - 연속식 마그네슘 응축장치 - Google Patents

Abstract

동일한 2개 이상의 응축기를 마련하여 한 곳에서 마그네슘 금속을 추출하더라도 다른 곳에서는 계속하여 마그네슘 응축을 수행할 수 있도록 한 연속식 마그네슘 응축장치가 소개된다.
상기의 장치는 마그네슘 제련용 환원로(20)와 연통되어 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받은 다음 복수개의 배출구(111)를 통해 배출하는 다방향분기밸브(110); 상기 배출구(111) 개수에 대응하는 개수로 마련되어 해당 배출구(111)로부터 배출되는 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받아 내벽(121)에서 마그네슘증기는 금속으로 응축하고 이산화탄소 가스는 가스배출관(122)을 통해 외부로 방출시키며, 하부에는 응축된 마그네슘 금속을 추출하기 위한 추출부(123)가 형성된 복수개의 응축기(120); 상기 가스배출관(122)에 개폐 가능하게 설치되어 가스배출을 제어하는 온오프밸브(130); 상기 추출부(123)의 하부에 마련되어 추출되는 마그네슘 금속을 담기 위한 저장조(140); 상기 응축기(120)의 내벽(121) 상에 설치되는 것으로, 마그네슘금속이 상기 추출부(123)를 통해 용이하게 추출되도록 응축기(120) 내벽(121)을 가열시키는 열선(150);을 포함한다.

Description

연속식 마그네슘 응축장치{CONTINUOUS TYPE METAL CONDENSER FOR Mg REFINING PROCESS}

본 발명은 연속식 마그네슘 응축장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동일한 2개 이상의 응축기를 마련하여 한 곳에서 마그네슘 금속을 추출하더라도 다른 곳에서는 계속하여 마그네슘 응축을 수행할 수 있도록 한 연속식 마그네슘 응축장치에 관한 것이다.

마그네슘은 지각에는 물론 바닷물에도 다량 존재하는 원소로써, 1808년 영국의 화학자 H. 데이비가 마그네시아(MgO, 산화마그네슘)를 금속칼륨으로 환원시켜 소량의 금속을 처음으로 추출한 이후, 최근까지 제철소 제강공장 탈황제나, 타이타늄제조용 환원제, 알루미늄소재의 합금원에 국한하여 사용되었으나 2000년대에 이르면서 마그네슘이 갖는 알루미늄의 2/3, 철의 1/5의 비중을 갖는 경량성과 높은 열전도성 및 비강도와 더불어 방열성 및 전자파 차폐성과 같은 여러 가지 소재특성에 따라 자동차 등 수송기기나 IT산업 소재로 활용도가 점차 넓어지면서, 생산량 또한 급격히 증대되고 있다.

일반적으로 마그네슘 금속을 만드는 제련방법은 전해법과 금속 열환원법으로 나눌 수 있다. 일찍이 마그네슘이 발견된 초기에는 바닷물이나 마그네사이트를 원료로 수력발전을 통해 저렴한 전력공급이 가능한 노루웨이, 캐나다 등의 국가에 건설된 마그네슘 전해설비를 통해 대량생산이 이루어져 왔다.

이후 1941년 캐나다 피죤(Pidgeon)박사에 의해 개발된 규소열환원법에 의한 마그네슘제조방법이 1990년대 중반 이후 중국에 전달되면서 원료광물로 사용되는 고품위의 풍부한 백운석 광물 및 저렴한 인적자원과 전무상태의 환경규제로 따라 급속한 양적성장을 가져와 서구중심의 전해법에 의한 마그네슘 금속생산은 경쟁력 상실로 축소되고, 중국 중심의 열환원법에 의한 마그네슘 생산이 급속히 증대되면서 2007년말 기준으로 전세계 생산량이 81만톤에 이르렀으며 이중 80%이상이 중국에서 열환원법에 의해 생산되고 있다.

마그네슘은 자연계에 유리상태로는 산출되지 않지만 탄산염, 규산염 등으로 지구상에 널리 그리고 다량으로 존재하며, 지각내의 존재량은 나트륨, 칼륨에 이어 제 8위이다. 주요광물자원은 마그네사이트, 카날라이트, 돌로마이트, 활석, 사문석 등으로 존재하며, 통상 전해법에 의한 마그네슘제조 원료로는 마그네사이트와 돌로마이트, 그리고 카날라이트가 주로 사용되며, 열환원법은 돌로마이트가 원료로 사용되고 있다.

캐나다에서 개발되었으나 중국에서 발전된 마그네슘제련 피죤(Pidgeon) 열환원법은 기본적으로 값싼 무연탄을 연료로 사용하여 돌로마이트의 소성과 열환원로의 열원으로 사용하였는 바, 다량의 분진발생과 함께 SOx, NOx 및 CO등 환경 오염원을 배출하므로 일반적으로 에너지 다소비 환경오염 설비로 인식되고 있다.

그리고 피죤 열환원로가 갖는 수평형 리토트(Retort)의 외부가열을 통한 마그네슘 제조공정은 약 8시간 환원과 3시간의 냉각시간이 요구되는 단속조업 설비로써 소규모에서도 마그네슘을 제조할 수 있는 장점이 있는 반면, 대량의 마그네슘제조에는 생산성에 한계성을 가지며, 열악한 환경조건하에서 다량의 인력에 의한 수작업에 의해 조업이 이루어진다.

기존 피죤 열환원법은 기본적으로 수평식 열환원 반응관의 형상이 한쪽 끝이 막힌 구조로 마그네슘제조용 장입원료를 수작업에 의존하여 장입하고, 반응관 입구에 냉각자켓이 있는 응축기를 설치 외부가열 방식으로 가열하면서 로내를 진공으로 만들어 주면서 열환원하여 마그네슘 크라운을 제조하게 된다.

도1은 종래 마그네슘 제련용 환원로의 일반적인 구조를 나타낸 개략도이고, 도2는 종래 마그네슘 제련용 응축기를 나타낸 도면이다.

도1에 도시된 바와 같이 마그네슘 제련공정은 가열퍼낸스(10)에 마그네슘원료(1)를 넣고 고온으로 소결하면, 환원로(20)에는 마그네슘증기와 이산화탄소가 발생하게 되는바, 이때 발생하는 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스의 환원조건을 맞추기 위해 저진공의 환경을 조성한다.

상기 환원로(20)에 조성된 진공의 흐름을 따라 응축기(30)를 설치하고 온도가 서서히 낮아지는 환경을 부여하면 마그네슘증기가 응축기(30)에 들어가 금속으로 응축되는바, 이때 원하는 마그네슘 금속을 얻을 수 있게 된다.

즉, 상기 환원로(20)에서 마그네슘증기와 이산화탄소 가스가 이동하는 유로 상에는 응축기(30)가 마련되는데, 상기 응축기(30)는 마그네슘 금속을 얻기 위한 중요한 장치로서 응축기(30) 내부에서 마그네슘증기가 냉각되면서 금속으로 응축되고, 이산화탄소 가스는 도시되지 않은 진공펌프의 흡입력에 의해 응축기(30)를 지나 배출구(40)를 통해 배출된다.

이때 상기 응축기(30) 내부에는 마그네슘증기를 유입받아 응축시키기 위한 응축셀(31)이 구비되어 있는데, 상기 응축셀(31)은 대략 고깔 형태로 이루어져 있으며 내부가 비어 있어서 마그네슘증기가 내부로 유입될 수 있도록 한다.

상기 응축셀(31) 내부로 유입된 마그네슘증기는 응축셀(31) 내부벽에 달라붙어 마그네슘 금속(2)으로 응축되기 시작하는바, 하나의 응축셀(31)을 통하여 응축시킬 수 있는 마그네슘의 양은 제한되어 있기 때문에 일정시간이 지나면 응축된 마그네슘 금속(2)을 추출하기 위하여 환원로(20)의 진공을 해제하고 가열퍼낸스(10)에서의 가열을 중지한 다음 상기 응축셀(31)을 응축기(30)로부터 꺼내 신품의 다른 응축셀과 교환한다.

상술한 바와 같은 종래의 마그네슘 제련용 응축기는 마그네슘증기를 응축시키는 응축셀이 포화상태에 이르면 환원로의 공정을 모두 중단하고 마그네슘 금속을 꺼내기 위해 환원로를 열고 응축기로부터 응축셀을 분리하여 교환하여야 하는바, 마그네슘 제련 공정이 중단되어 생산량이 저하될 뿐만 아니라 공정을 중단했다가 재가동하는데 드는 시간 및 비용의 손실이 뒤따르는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 복수개의 연속식 응축장치를 병행적으로 가동하여 어느 하나의 응축장치에서 마그네슘금속을 추출하기 위해 응축공정이 중단되더라도 다른 응축장치를 통해 마그네슘가스의 응축이 가능하도록 함으로써 공정의 연속성을 부여하고 마그네슘금속의 생산량이 저하되는 것을 방지하는데 있다.

또한, 응축장치에서 응축된 마그네슘금속을 보다 용이하고 편리하게 추출하여 마그네슘금속의 추출에 따른 시간을 단축시키는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,

마그네슘 제련용 환원로와 연통되어 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받은 다음 복수개의 배출구를 통해 배출하는 다방향분기밸브;

상기 배출구 개수에 대응하는 개수로 마련되어 해당 배출구로부터 배출되는 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받아 내벽에서 마그네슘증기는 금속으로 응축하고 이산화탄소 가스는 가스배출관을 통해 외부로 방출시키며, 하부에는 응축된 마그네슘 금속을 추출하기 위한 추출부가 형성된 복수개의 응축기;

상기 가스배출관에 개폐 가능하게 설치되어 가스배출을 제어하는 온오프밸브;

상기 추출부의 하부에 마련되어 추출되는 마그네슘 금속을 담기 위한 저장조;

상기 응축기의 내벽 상에 설치되는 것으로, 마그네슘금속이 상기 추출부를 통해 용이하게 추출되도록 응축기 내벽을 가열시키는 열선;을 포함하는 연속식 마그네슘 응축장치를 제공한다.

여기서 상기 응축기는 상부는 원통형을 이루다가 하부로 갈수록 내벽이 깔대기 형태로 좁아지는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 상기 배출구는 상기 응축기 내부 중심으로 들어와서 하부까지 연장되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 응축기의 내벽 상에는 마그네슘증기가 금속으로 용이하게 응축되도록 내벽을 냉각시키는 냉각관이 매설된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 마그네슘증기를 응축하기 위한 응축기가 적어도 2개 이상으로 마련되고 이 응축기가 순차적으로 가동됨에 따라 어느 하나의 응축기에서 마그네슘금속을 추출하는 경우에도 다른 응축기를 통해 마그네슘증기를 응축할 수 있는바, 마그네슘 제련을 위한 응축 공정을 중단하지 않고 계속적으로 운용할 수 있어서 마그네슘 생산량이 크게 향상되는 장점이 있다.

또한, 마그네슘 금속을 추출하는 과정도 종전처럼 환원로를 분해하지 않고 용이하고 간편하게 추출할 수 있기 때문에 마그네슘 제련 공정이 간편하고 시간이 단축되는 효과가 있다.

도1은 종래 마그네슘 제련용 환원로의 일반적인 구조를 나타낸 개략도,
도2는 종래 마그네슘 제련용 응축기를 나타낸 도면,
도3은 본 발명에 따른 연속식 마그네슘 응축장치를 개략적으로 나타낸 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연속식 마그네슘 응축장치는 크게 다방향분기밸브(110)와, 복수개의 응축기(120)와, 온오프밸브(130)와, 저장조(140) 및 열선(150)을 포함하여 이루어진다.

상기 다방향분기밸브(110)는 마그네슘 제련용 환원로(20)와 연통되어 상기 환원로(20)로부터 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받은 다음, 복수개의 배출구(111)를 통해 유입받은 마그네슘증기 및 이산화탄소를 배출하는 구성이다.

상기 다방향분기밸브(110)는 도3에 예시적으로 나타낸 바와 같이 응축기(120)가 2개로 마련되는 경우에는 하나의 유입구와 두개의 배출구(111)를 갖는 3방향 제어밸브이며, 상기 응축기(120)가 3개 마련되는 경우에는 하나의 유입구와 세 개의 배출구(111)를 갖는 4방향 제어밸브로 구현될 수 있는바, 상기 다방향분기밸브(110)의 구조는 실시자가 필요로 하는 응축기(120)의 개수에 따라 적절하게 변경할 수 있다.

한편, 상기 응축기(120)는 상기 다방향분기밸브(110)의 배출구(111) 개수에 대응하는 개수로 마련되는바, 상기 응축기(120)는 다방향분기밸브(110)의 해당 배출구(111)로부터 배출되는 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받아 응축기(120)의 내벽(121)에서 마그네슘증기는 금속으로 응축하고 이산화탄소 가스는 일측에 별도로 마련된 가스배출관(122)을 통해 외부로 방출시킨다.

상기 응축기(120)에는 내벽(121)에서 응축된 마그네슘 금속이 외부로 추출될 수 있도록 그 하부에 추출부(123)가 형성된다.

여기서, 상기 응축기(120)의 구조는 도3에 잘 나타나 있는 바와 같이 상부는 원통형을 이루다가 하부로 갈수록 내벽(121)이 깔대기 형태로 좁아지도록 이루어져 있다. 따라서, 상기 응축기(120)의 내부로 유입된 마그네슘증기는 상대적으로 온도가 낮은 응축기(120)의 내벽(121)에 달라붙어 온도가 점차 하강하면서 마그네슘 금속 형태로 응축되기 시작한다.

상기 마그네슘증기가 응축기(120) 내벽(121) 전체에 골고루 응축되도록 하기 위해서는 상기 다방향분기밸브(110)에서 배출된 마그네슘증기가 응축기(120)의 하부로 공급되는 것이 바람직한바, 이를 위해 도3에 도시된 바와 같이 상기 배출구(111)는 상기 응축기(120) 내부 중심으로 들어와서 응축기(120)의 하부까지 연장되는 것이 좋다.

즉, 응축기(120)의 내부 중심 선상에 위치하면서 상기 응축기(120) 하부까지 연장된 배출구(111)에서 배출되는 마그네슘증기는 응축기(120)의 내부 전체에 균등하게 부착되어 많은 양의 마그네슘 금속이 응축될 수 있다.

상기 마그네슘 금속의 응축 효율을 높이기 위해서는 상기 응축기(120) 내벽(121)의 온도가 낮은 것이 좋으므로, 자연 상태에서 응축되도록 하는 것보다 인위적으로 상기 응축기(120) 내벽(121) 온도를 낮추는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 응축기(120)의 내벽(121) 상에는 마그네슘증기가 금속으로 용이하게 응축되도록 내벽(121)을 냉각시키는 냉각관(160)이 매설되는 것이 바람직하다.

상기 냉각관(160)에는 외부에서 별도로 냉각되어 공급되는 냉매가 흐르도록 하는 것도 바람직하지만, 원가 절감 및 간편성을 위해서는 냉각수가 흐르도록 하는 것이 좋다.

한편, 상기 온오프밸브(130)는 상기 가스배출관(122)에 개폐 가능하게 설치되어 가스배출관(122)을 통해 외부로 배출되는 이산화탄소 가스의 흐름을 제어하는 것으로, 상기 응축기(120)가 마그네슘을 응축하고 있는 상태에서는 상기 온오프밸브(130)가 개방되지만 마그네슘의 응축이 완료되어 응축된 마그네슘 금속을 추출할 때에는 상기 응축기(120) 내부로 새로운 마그네슘증가가 유입되지 못하도록 상기 온오프밸브(130)를 폐쇄하여 이산화탄소 가스가 외부로 배출되지 않도록 한다.

상기 온오프밸브(130)가 폐쇄되면 내부의 가스가 외부로 배출되지 못하고 내부에 잔류하게 되는바, 이에 따라 내부 압력이 상승되어 상기 다방향분기밸브(110)로부터 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스가 새로 유입되지 않는다.

즉, 어느 하나의 응축기(120)에서 마그네슘 금속을 추출하면 그 해당 응축기(120)의 가스배출관(122)에 설치된 온오프밸브(130)는 폐쇄되고, 다른 응축기(120)에 마련된 온오프밸브(130)는 개방되어 다른 응축기(120)에서 마그네슘증기가 응축될 수 있도록 한다.

또한, 상기 저장조(140)는 상기 응축기(120)의 추출부(123) 하부에 마련되어 상기 추출부(123)를 통해 추출되는 마그네슘 금속(3)을 담기 위한 구성으로, 상기 응축기(120)의 내벽(121)에 응축되어 있는 고체 형태의 마그네슘 금속이 상기 추출부(123)를 통해 응축기(120) 외부로 배출될 때 그 마그네슘 금속(3)을 담아 저장한다.

이때, 상기 열선(150)은 마그네슘 금속이 추출부(123)를 통해 외부로 추출될 때 보다 용이하게 추출될 수 있도록 상기 내벽(121)을 가열시키는 구성으로, 상기 열선(150)은 도3에 도시된 바와 같이 상기 응축기(120)의 내벽(121) 상에 설치된다.

상기 열선(150)은 상기 응축기(120)의 내벽(121) 온도를 상승시켜 내벽(121)에 응축되어 있는 마그네슘 금속이 조금 용융되도록 함으로써 상기 추출부(123)를 통해 외부로 용이하게 추출되도록 하는 것으로, 상기 열선(150)은 상기 냉각관(160)과 동시에 작동되지 않아야 하는바, 상기 열선(150)이 작동하고 있는 중에는 상기 냉각관(160)을 통해 냉매나 냉각수가 흐르지 않도록 한다. 물론, 마그네슘 응축 과정에서 상기 냉각관(160)을 통해 응축기(120) 내벽(121) 온도를 하강시킬 때에는 상기 열선(150)이 동작되지 않아야 하는 것은 당연하다.

이와 같이 적어도 2개 이상으로 마련된 응축기(120) 중 어느 하나의 응축기(120)에서 마그네슘의 응축이 완료되어 마그네슘 금속을 추출하게 되면 금속을 추출하는 해당 응축기(120)의 온오프밸브(130)가 폐쇄되면서 새로운 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스가 유입되지 않도록 하고, 대신 다른 응축기(120)로 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스가 공급되어 그 응축기(120)에서 마그네슘이 응축되도록 한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.

110 : 다방향분기밸브 111 : 배출구
120 : 응축기 121 : 응축기 내벽
122 : 가스배출관 123 : 추출부
130 : 온오프밸브 140 : 저장조
150 : 열선 160 : 냉각관

Claims (4)

1. 마그네슘 제련용 환원로(20)와 연통되어 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받은 다음 복수개의 배출구(111)를 통해 배출하는 다방향분기밸브(110);
   상기 배출구(111) 개수에 대응하는 개수로 마련되어 해당 배출구(111)로부터 배출되는 마그네슘증기 및 이산화탄소 가스를 유입받아 내벽(121)에서 마그네슘증기는 금속으로 응축하고 이산화탄소 가스는 가스배출관(122)을 통해 외부로 방출시키며, 하부에는 응축된 마그네슘 금속을 추출하기 위한 추출부(123)가 형성되고, 상부는 원통형을 이루다가 하부로 갈수록 내벽(121)이 깔대기 형태로 좁아지는 구조를 갖는 복수개의 응축기(120);
   상기 가스배출관(122)에 개폐 가능하게 설치되어 가스배출을 제어하는 온오프밸브(130);
   상기 추출부(123)의 하부에 마련되어 추출되는 마그네슘 금속을 담기 위한 저장조(140);
   상기 응축기(120)의 내벽(121) 상에 설치되는 것으로, 마그네슘금속이 상기 추출부(123)를 통해 용이하게 추출되도록 응축기(120) 내벽(121)을 가열시키는 열선(150);을 포함하는 연속식 마그네슘 응축장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 배출구(111)는 상기 응축기(120) 내부 중심으로 들어와서 하부까지 연장되는 것을 특징으로 하는 연속식 마그네슘 응축장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 응축기(120)의 내벽(121) 상에는 마그네슘증기가 금속으로 용이하게 응축되도록 내벽(121)을 냉각시키는 냉각관(160)이 매설된 것을 특징으로 하는 연속식 마그네슘 응축장치.

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