KR101364483B1 - 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네슘 제조공정에 사용되는 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치에 관한 것으로서, 성형체 단광을 가열하는 열환원로와, 성형체 단광이 장입되어 열환원로에 의해 가열되는 열환원 반응관과, 이 열환원 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 열환원 반응관의 상부 중앙에 응축기를 설치하여 응축기의 외부면에 마그네슘 증기를 증착함으로써, 열환원 반응후 마그네슘의 배출이 용이하게 되는 동시에 장치의 사이즈를 축소하여 설치면적을 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Description

응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치{Thermo-Reduction apparatus for manufacturing magnesium with condenser}

본 발명은 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 돌로마이트 광석을 원료로 소성한 후 진공중 고온에서 열환원하여 고체상이나 용융상으로 마그네슘 금속을 제조하는 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치에 관한 것이다.

마그네슘 금속을 제조하기 위한 방법으로 크게 열환원법과 전해제련법이 있다. 1940년대에 개발된 열환원법에 의한 마그네슘 제조 기술은 70년 가까이 가장 대표적인 마그네슘 제련 기술로 자리 잡아 왔다. 그리고 현재 전세계 1차 마그네슘 생산량의 약 80%가량이 열환원법으로 생산되고 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이 열환원 반응관(120) 내에 소정의 조성으로 돌로마이트와 환원제 분말을 혼합하여 제조된 성형체 단광을 투입하고 진공상태를 유지하면서 약 1000℃ 이상으로 열환원로(110)에 의해 가열하면 환원반응이 일어나 마그네슘 증기가 발생한다.

이러한 고온 마그네슘 증기는 열환원 반응관(120)의 상단에 부착된 진공펌프(140)를 통해 진공 배기와 고온으로 인하여 윗쪽으로의 흐름이 발생하게 되고, 마그네슘의 융점 이하의 온도로 유지되고 있는 응축기(130) 내부에 도달하면 증착되어 마그네슘 크라운을 형성하게 된다. 그후 열환원 반응관(120)에서 열환원 반응이 완료되면 응축기(130)가 장착된 진공챔버의 상부 두껑을 열어 응축기(130)를 꺼내어 마그네슘 크라운을 추출한다.

이러한 종래의 마그네슘 제조용 열환원장치는 생산성, 에너지 효율 및 열환원 반응관(120)의 수명 향상을 위해 열환원 반응관(120)의 크기를 크게 하고, 응축기(130)의 직경 및 길이를 크게 하고자 했으나, 열환원 반응관(120)의 구조적 안정성 외에 응축기(130) 내의 마그네슘과 알칼리 금속의 분리가 완전하지 않아 열환원 반응후, 회수시 알칼리 금속의 급격한 산화로 안전사고 및 화재가 발생할 가능성이 높다는 문제가 있었다.

특히, 마그네슘 진공열환원용 원료로 사용되는 돌로마이트에는 산화물과 같은 화합물 형태로 소량의 K, Na 등의 알칼리금속과 같이 마그네슘 보다 융점이 낮고 증기압이 높은 고반응성 금속이 존재하고 있다.

이러한 불순물 금속이 마그네슘 크라운 내에서 마그네슘과 제대로 분리되어 증착되지 않으면, 실제 조업에서 마그네슘 크라운 회수시 화재가 발생하고 동시에 금속 마그네슘을 산화시켜 생산성을 저하시키는 요인이 된다.

실제 열환원시 마그네슘 가스에 소량 혼입되어 존재하고 있는 K, Na 등의 알칼리금속 가스는 마그네슘 가스와 함께 상승하다가 응축온도가 상대적으로 높은 응축기의 하부에 마그네슘이 우선 증착되고, 응축온도가 가장 낮은 응축기의 상부에 K, Na 등의 알칼리금속이 증착되어 회수되고 있다.

그런데 진공 용기내의 압력이 낮을수록 기체 사이의 공간이 늘어나고 입자들 간의 충돌은 감소하게 된다. 보통 0.01 torr의 압력을 중심으로 그 이상의 압력에서는 기체 분자의 일부가 배기되면 빈 공간으로 다른 분자들이 즉시 이동하여 채워주는 점성 유도현상이 일어나며, 0.01 torr 이상의 고진공 하에서는 분자들의 움직임이 불규칙적이며 서로간에 영향을 주지 못하는 분자유동 현상이 일어난다.

마그네슘 열환원시 수직으로 상승하는 마그네슘 가스가 응축기에 증착되기 위해서는 원주방향으로 확산해서 응축기내면의 표면과 충돌이 발생해야 한다. 그런데 열환원시 통상 0.1∼0.01 torr로 유지되므로 수직으로 상승하는 마그네슘의 기체의 점성유도 현상이 약해져 원주 방향으로의 확산 속도가 줄어 응축기 상부에 마그네슘이 증착되는 현상이 자주 발생하며, 응축기의 직경이 클수록 길이를 길게 해야 하는 문제가 있다.

또한, 응축기의 길이가 커짐에 따라 응축기 상부로의 열유입이 작아져 약 300℃ 이하로 내려가면 K 및 Na 등과 같은 알칼리금속이 증착하게 되어 발화나 폭발 등과 같은 안전사고가 발생되는 문제점도 있었다.

특히, 단위시간당 마그네슘의 생산성을 높이기 위해서는 반응횟수를 증가시켜야 되나, 이를 위해서 반응직 후 응축기의 온도가 냉각되기 이전에 열환원 반응관의 두껑을 열고 응축기를 회수하게 되며, 이때 응축기의 고온으로 인하여 작업이 어렵고 마그네슘 크라운의 회수시 화재가 발생하고 동시에 금속 마그네슘을 산화시켜 생산성을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 열환원 반응후 마그네슘의 배출이 용이하게 되는 동시에 장치의 사이즈를 축소하여 설치면적을 감소시킬 수 있고, 마그네슘의 증착을 용이하게 하는 동시에 알칼리금속과의 분리를 용이하게 하며, 마그네슘 회수효율을 높이고 K, Na과 같은 알칼리금속 분리효율을 향상시키며, 화재나 발화 같은 안전사고를 방지할 수 있는 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마그네슘 제조공정에 사용되는 마그네슘 제조용 열환원장치로서, 소성돌로마이트, 페로실리콘 및 형석분말이 혼합 성형된 성형체 단광을 가열하는 열환원로; 상기 열환원로의 내부에 수직으로 설치되며 상기 성형체 단광이 장입되어 상기 열환원로에 의해 가열되는 열환원 반응관; 및 상기 열환원 반응관의 상부 중앙에 내설되어, 상기 열환원 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 응축기는, 응축온도를 조절하도록 내부에 냉각매체가 유출입하는 통로가 형성되어, 외부에 상기 마그네슘 증기가 응축된다. 본 발명의 상기 응축기의 외부 둘레에는, 응축온도를 조절하도록 가열부가 설치되어 있다.

본 발명의 상기 응축기의 하부에는 상기 열환원 반응관에서 상승하는 마그네슘 증기를 상기 응축기로 유도하는 유도부가 설치되어 있다.

본 발명의 상기 유도부는, 상기 마그네슘 증기를 상기 응축기의 중심에서 외곽으로 분산시키도록 외향으로 절곡된 중앙배플과, 상기 중앙배플의 외곽에 설치되어 상기 마그네슘 증기를 상기 응축기의 외곽에서 중심으로 집중시키도록 내향으로 절곡된 외곽배플로 이루어져 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 열환원 반응관의 상부 중앙에 응축기를 설치하여 응축기의 외부면에 마그네슘 증기를 증착함으로써, 열환원 반응후 마그네슘의 배출이 용이하게 되는 동시에 장치의 사이즈를 축소하여 설치면적을 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

응축기의 내부에 냉각매체의 통로를 설치하고 외부에 가열부를 설치하여 증착온도를 변경함으로써, 마그네슘의 증착을 용이하게 하는 동시에 알칼리금속과의 분리를 용이하게 한다.

응축기의 하부에 마그네슘 증기를 응축기 방향으로 집중되도록 유도하는 유도부를 설치함으로써, 마그네슘 회수효율을 높이고 K, Na과 같은 알칼리금속 분리효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 열환원 반응중 및 반응후 마그네슘 크라운 회수시 응축기의 응축온도를 낮게 유지함으로써, 화재나 발화 같은 안전사고를 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 일반적인 마그네슘 제조용 수직형 열환원장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치를 나타내는 상세도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치를 나타내는 상세도이다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 온도조절 응축기를 구비한 마그네슘 제조용 열환원장치는, 열환원로(10), 열환원 반응관(20), 응축기(30), 가열부(50), 유도부(60)를 포함하여 이루어져 마그네슘 제조공정에 사용되는 마그네슘 제조용 열환원장치이다.

열환원로(10)는, 소성돌로마이트, 페로실리콘 및 형석분말이 혼합 성형된 성형체 단광을 가열하는 열원으로서, 원통형상의 가열로(11)의 내부 둘레에는 석탄가스나 LNG가스 등을 열원으로 사용하여 연소하는 복수개의 열환원로 축열식 버너(12)가 이격 설치되어 있다.

열환원 반응관(20)은, 열환원로(10)의 내부에 설치되며 성형체 단광(100)이 장입되고 열환원로(10)에 의해 가열되어 진공열환원 반응이 실시되는 원통형상의 리토트(21; retort)와, 리토트(21)의 하단 둘레에 설치된 냉각부재(22)로 이루어져 있다. 이러한 열환원 반응관(20)은, 열환원로(10)의 내부에 수직으로 설치되어 수직형 열환원장치를 구성하는 것도 가능함은 물론이다.

응축기(30)는, 열환원 반응관(20)에 연결되는 통형상의 응축기로서, 열환원 반응관(20)에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키게 되며, 도 2에 나타낸 바와 같이 응축기(30)가 열환원 반응관(20)의 상부 중앙 내에 일체로 설치되어 열환원 반응관(20)에서 상부로 유입된 마그네슘 증기를 응축시키게 된다.

이러한 응축기(30)의 내부에는 응축기(30) 내부의 응축온도를 조절하도록 내부에 냉각매체를 투입하는 투입통로(31)와, 이 투입통로의 하단에 연통되되 투입통로(31)의 외부에 형성되어 투입된 냉각매체를 외부로 배출하는 배출통로(32)로 이루어져 있고, 이러한 배출통로(32)의 외주면에 마그네슘 증기가 응축된다.

따라서, 내부에 냉각매체가 유동하는 투입통로(31)와 배출통로(32)가 형성된 응축기(30)는 외부로부터 유입되는 냉각수, 냉각가스 등과 같은 냉각매체에 의해 냉각되며, 냉각매체의 온도를 적절하게 제어함으로써, 마그네슘 증기가 증착되는 응축기(30)의 외주면의 온도를 제어할 수 있게 된다.

또한, 응축기(30)는, 열환원 반응관(20)이 열환원로(10)의 내부에 수직하게 설치된 경우에 열환원 반응관(20)의 상부에 일체로 설치되어 연통되는 것도 가능함은 물론이다.

응축기(30)의 외주면 일방에는 진공배관이 설치되어, 외부에 설치된 진공펌프(40)가 진공배관을 개재해서 응축기(30)와 연결되어 있다. 진공펌프(40)는 응축기(30)의 내부 분위기를 진공으로 하는 진공원으로서, 응축기(30) 뿐만 아니라 여기에 연통된 열환원 반응관(20)의 내부 분위기를 진공으로 하게 된다.

또한, 응축기(30)의 외부 둘레에는, 응축기(30)의 응축온도를 조절하도록 가열부(50)가 설치되어 있다. 이러한 가열부(50)는 응축기(30)의 외부에 이격 설치되어 응축기(30)의 증착온도를 증가시켜 응축기(30)의 하부측에 하부에서 유입된 마그네슘 증기가 증착되도록 유도하게 된다.

특히, 이러한 가열부(50)로는 히터를 사용하는 것이 바람직하며, 응축기(30)에 열을 가하는 열선이 매몰된 발열판이나, 열전달 매체가 흐르는 파이프가 매립된 열판 등 과 같이 다양하게 선택하여 사용하는 것도 가능함은 물론이다.

이러한 가열부(50)는 본 실시예의 수직형 열환원장치의 응축기(30)에 설치되어 응축기(30)를 가열하여 마그네슘 증기가 응축되는 응축기(30)의 응축온도를 변경시키는 온도조절수단으로서, 그의 형상은 원통 형상, 복수의 판으로 이루어진 판 형상, 봉 형상으로 이루어지는 것도 가능함은 물론이다.

이와 같이, 가열부(50)에 의해 응축기(30) 내부의 응착온도를 변경시켜 응축기(30)의 내부온도를 마그네슘 융점 보다 낮고 K, Na 등의 알칼리금속의 증착온도 보다 높은 300∼550℃ 정도의 온도로 유지하고, 응축기(30)의 상부에 온도감지용 온도 센서를 설치하여 이로부터 감지된 온도에 의거 해서 응축기(30) 내부의 냉각메체와 가열부(50)의 동작을 제어함으로써, 응축기(30) 상부의 온도를 300℃ 이하로 유지하게 된다.

따라서, 진공 열환원반응시 불순물 금속, K, Na 등의 알칼리금속의 가스가 포함된 마그네슘 가스 중 응축기(30)에는 마그네슘만 증착되고, 이후 금속 가스가 계속 상승하면서 응축기(30)의 내부에서 마그네슘 가스가 응축되어 소멸된 K, Na 등의 알칼리금속을 포함하는 자류가스가 응축기(30)의 상부를 통과해서, 응축기(30)의 상부에 별도로 설치되어 K, Na 등의 알칼리금속을 회수하기 위한 장치에 의해 회수된다.

따라서, 마그네슘 증기가 증착되는 응축기(30)의 외부면의 온도는, 내부의 냉각매체와 외부의 가열부(50)에 의해 변경되어 마그네슘 융점 보다는 낮은 온도로유지된다.

또한, 가열부(50)를 구성하는 열판은 응축기(30) 보다 높은 온도로 유지하게 되면 반응시 금속증기가 증착되는 현상을 방지하고, 여기에 부딪치는 금속증기에 추가적인 열에너지를 공급하게 되므로, 금속증기를 응축기(30) 쪽으로 되튕기는 역할을 하게 되어 마그네슘의 회수효율을 증대시키게 된다. 이러한 열판은 응축기의 상부 뚜껑이나 별도의 플랜지 형태로 부착될 수 있다.

이와 같이, 응축기(30)의 외부면의 온도를 직접 조절함으로써, 마그네슘 가스의 증착이 촉진되며, 증착후 온도를 냉각매체의 온도제어를 통해 증착층의 구조와 물성을 변화시킬 수 있도록 다양하게 설정할 수 있는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 응축기(30)의 하부에는 열환원 반응관(20)에서 상승하는 마그네슘 증기를 응축기(30)의 하부 둘레에 집중적으로 분사하도록 유도하는 유도부(60)가 설치되어 있다.

이러한 유도부(60)는, 마그네슘 증기를 응축기(30)의 중심에서 외곽으로 분산시키도록 외향으로 절곡된 중앙배플(61)과, 중앙배플(61)의 외곽에 설치되어 마그네슘 증기를 응축기(30)의 외곽에서 중심으로 집중시키도록 내향으로 절곡된 외곽배플(62)과, 응축기(30)의 내주면 하단 둘레에 설치되어 유도부(60)의 하부를 지지하는 지지부재로 형성된 받침편(63)과, 중앙배플(61)의 하부에 수평으로 결합된 바닥부재로서 받침편(63)의 상부에 설치되며 하부에서 유입되는 마그네슘 증기를 상부로 통과시키도록 복수의 관통홀이 형성된 바닥판(64)으로 이루어져 있다.

또한, 유도부(60)는 응축기(30)의 하부에서 열환원 반응관(20)으로부터 상승하는 금속가스를 응축기(30)의 외부면으로 안내하는 배플(baffle)로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 배플은 마그네슘 증기가 응축기(30)의 외측으로 이동하는 것을 억제할 수 있도록 가열부(50)의 내부로 안내하여 마그네슘 증기의 확산을 방지할 뿐만 아니라, 마그네슘의 크라운의 일부 또는 전체 탈락시 열환원 반응관(20)으로의 낙하를 방지하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 열환원 반응관의 상부 중앙에 응축기를 설치하여 응축기의 외부면에 마그네슘 증기를 증착함으로써, 열환원 반응후 마그네슘의 배출이 용이하게 되는 동시에 장치의 사이즈를 축소하여 설치면적을 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 응축기의 내부에 냉각매체의 통로를 설치하고 외부에 가열부를 설치하여 증착온도를 변경함으로써, 마그네슘의 증착을 용이하게 하는 동시에 알칼리금속과의 분리를 용이하게 한다.

또한, 응축기의 하부에 마그네슘 증기를 응축기 방향으로 집중되도록 유도하는 유도부를 설치함으로써, 마그네슘 회수효율을 높이고 K, Na과 같은 알칼리금속 분리효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 열환원 반응중 및 반응후 마그네슘 크라운 회수시 응축기의 응축온도를 낮게 유지함으로써, 화재나 발화 같은 안전사고를 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

10: 열환원로 20: 열환원 반응관
30: 응축기 40: 진공펌프
50: 가열부 60: 유도부

Claims (5)

1. 삭제
2. 마그네슘 제조공정에 사용되는 마그네슘 제조용 열환원장치로서,
   소성돌로마이트, 페로실리콘 및 형석분말이 혼합 성형된 성형체 단광을 가열하는 열환원로;
   상기 열환원로의 내부에 수직으로 설치되며 상기 성형체 단광이 장입되어 상기 열환원로에 의해 가열되는 열환원 반응관; 및
   상기 열환원 반응관의 상부 중앙에 내설되어, 상기 열환원 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기;를 포함하며,
   상기 응축기는, 응축온도를 조절하도록 내부에 냉각매체가 유출입하는 통로가 형성되어, 외부에 상기 마그네슘 증기가 응축되는 것을 특징으로 하는 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치.
3. 마그네슘 제조공정에 사용되는 마그네슘 제조용 열환원장치로서,
   소성돌로마이트, 페로실리콘 및 형석분말이 혼합 성형된 성형체 단광을 가열하는 열환원로;
   상기 열환원로의 내부에 수직으로 설치되며 상기 성형체 단광이 장입되어 상기 열환원로에 의해 가열되는 열환원 반응관; 및
   상기 열환원 반응관의 상부 중앙에 내설되어, 상기 열환원 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기;를 포함하며,
   상기 응축기의 외부 둘레에는, 응축온도를 조절하도록 가열부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치.
4. 마그네슘 제조공정에 사용되는 마그네슘 제조용 열환원장치로서,
   소성돌로마이트, 페로실리콘 및 형석분말이 혼합 성형된 성형체 단광을 가열하는 열환원로;
   상기 열환원로의 내부에 수직으로 설치되며 상기 성형체 단광이 장입되어 상기 열환원로에 의해 가열되는 열환원 반응관; 및
   상기 열환원 반응관의 상부 중앙에 내설되어, 상기 열환원 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기;를 포함하며,
   상기 응축기의 하부에는 상기 열환원 반응관에서 상승하는 마그네슘 증기를 상기 응축기로 유도하는 유도부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 유도부는, 상기 마그네슘 증기를 상기 응축기의 중심에서 외곽으로 분산시키도록 외향으로 절곡된 중앙배플과, 상기 중앙배플의 외곽에 설치되어 상기 마그네슘 증기를 상기 응축기의 외곽에서 중심으로 집중시키도록 내향으로 절곡된 외곽배플로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 응축기를 내장한 마그네슘 제조용 열환원장치.

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