KR101374242B1 - 마그네슘 제조장치 - Google Patents

마그네슘 제조장치 Download PDF

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KR101374242B1
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이병관
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 마그네슘 제조장치는 내부 단열이 이루어지는 가열로; 상기 가열로 내에 수직으로 제공되며 내부에 저장된 마그네슘 원료를 열환원 반응하여 마그네슘 증기를 생산하는 반응관; 및 상기 가열로로 고온의 분위기 가스를 공급하여 상기 반응관을 가열하는 분위기 가열유닛;을 포함히고, 상기 분위기 가열유닛은 상기 가열로와 인접하여 제공되며 가열수단이 구비된 가열본체와, 상기 가열수단에 의해 가열된 공기와 열교환이 이루어지는 열교환부와, 상기 열교환부를 매개로 가열된 상기 분위기 가스를 상기 가열로로 공급하는 분위기 가스 공급부를 포함한다.

Description

마그네슘 제조장치 {MAGNESIUM PRODUDUCE APPARATUS}
본 발명은 마그네슘 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네슘의 제조를 위해 사용되는 반응관의 표면산화가 최소화되도록 한 마그네슘 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 금속 마그네슘을 제조하는 방법으로는 크게 전해법과 환원법이 대표적으로 사용된다.
이러한 마그네슘 제조방법 중 전해법은 바닷물이나 마그네사이트와 같은 원료를 전해하여 염화마그네슘(MgCl2)을 제조하고 있으며, 이를 이용하여 금속 마그네슘을 제조한다.
이러한 전해법은 금속 마그네슘의 중간생성물질인 염화마그네슘(MgCl2)의 제조 공정이 비교적 복잡하고, 전기 소모량이 많이 제품원가가 높아 현재 거의 사용되고 있지 않다.
한편, 환원법은 규소열환원법 또는 피죤(Pidgeon) 마그네슘 제조법이 사용된다. 규소열환원법은 밀폐된 내열강의 반응관에 마그네슘 제련 원료로 사용되는 소성백운석(MgO.CaO)과 환원제인 페로실리콘(FeSi:Si함량 75~80%) 및 형석(CaF2)을 일정한 비율로 혼합하여 성형한 후, 반응원료를 장입하여 고온(1,150~1,200℃) 및 진공(3~10Pa) 상태에서 고상환원반응하여 Mg 증기를 발생시키고, 이와 발생된 Mg 증기를 응축기에서 400~500℃로 응축하여 마그네슘 크라운(Mg Crown)을 제조하는 방법이다.
이러한 환원법은 한쪽 끝이 막힌 형상의 반응관이 가열로에 수평으로 배치되어 있으며, 원료의 장입 및 반응 후 환원 슬래그의 배출이 단속적으로 이루어지며, 수작업에 의존하여야 하므로 작업의 효율성이 저하되는 문제가 있으며, 원료의 장입 및 환원슬래그의 배출이 한 곳에서 이루어지기 때문에 기계화, 자동화 공정의 구현에 어려움이 있다.
이에 따라 최근에는 도 1에 도시된 바와 같은 수직형 마그네슘 제조장치(10)가 개발되어 사용되고 있다.
이러한 수직형 마그네슘 제조장치(10)는 가열로(20)의 내부에 수직으로 배치된 반응관(30)이 제공된다. 이러한 반응관(30)은 상부로부터 마그네슘 원료의 장입이 이루어지고, 슬래그의 배출은 하부에서 이루어지는 구조로 제공된다.
또한, 종래의 수직형 마그네슘 제조장치(10)는 가열로(20)의 일측에 내부를 가열하기 위한 가열수단이 구비된다. 이러한 가열수단은 제련도의 내부에 직접 화염을 형성시켜 가열하는 직화방식의 버너(40)에 의해 이루어진다.
그런데, 종래에는 버너(40)의 연소시, 연소제어의 불안정에 따라 가열로 내 배가스 중 산소함량이 높아질 수 있으며, 이에 따라 반응관(30)의 표면 산화를 일으킬 수 있으며, 이에 따라 반응관(30)의 사용수명을 저하시키는 요인이 되고 있다.
또한, 종래에 버너(40)의 연소화염온도는 약 1,500℃로, 내열강재질인 반응관(30)의 항산화 임계온도(약 1,200℃)의 극한값을 초과하게 되면, 반응관(30) 표면이 산화되어 사용수명이 감소하게 된다.
한편, 종래의 수직형 마그네슘 제조장치(10)에서 내열합금강인 반응관(30)은 전체적인 제조 비용에 대해 대략 20% 이상의 비중을 갖고 있으며, 이에 따라 마그네슘 제조비용의 절감을 위해서 반응관(30)의 사용 수명을 증가시키기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는, 마그네슘 원료가 장입된 반응관이 화염에 직접 노출되지 않도록 하여 열적 손상을 방지할 수 있고, 반응관의 산화반응이 발생하지 않는 허용온도 내에서 가열이 이루어지도록 한 마그네슘 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 마그네슘 제조장치는 내부 단열이 이루어지는 가열로; 상기 가열로 내에 수직으로 제공되며 내부에 저장된 마그네슘 원료를 열환원 반응하여 마그네슘 증기를 생산하는 반응관; 및 상기 가열로로 고온의 분위기 가스를 공급하여 상기 반응관을 가열하는 분위기 가열유닛;을 포함히고, 상기 분위기 가열유닛은 상기 가열로와 인접하여 제공되며 가열수단이 구비된 가열본체와, 상기 가열수단에 의해 가열된 공기와 열교환이 이루어지는 열교환부와, 상기 열교환부를 매개로 가열된 상기 분위기 가스를 상기 가열로로 공급하는 분위기 가스 공급부를 포함할 수 있다.
삭제
또한, 상기 분위기 가열유닛은, 상기 가열로로 공급되는 분위기 가스의 온도를 측정하는 온도측정부와, 상기 온도측정부에 측정되는 온도를 매개로 상기 가열로로 공급되는 분위기 가스의 공급을 제어하는 공급제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분위기 가열유닛은, 상기 가열로로부터 배출되는 분위기 가스의 온도를 측정하는 배가스 온도측정부를 더 포함하고, 상기 공급제어부는 상기 배가스 온도측정부에 측정되는 온도를 매개로 상기 가열로로 공급되는 분위기 가스의 공급을 제어할 수 있다.
더불어, 상기 반응관을 가열한 후 상기 가열로에서 배출된 분위기 가스를 상기 분위기 가열유닛으로 재순환하는 순환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 마그네슘 제조장치는 마그네슘 원료가 장입된 반응관이 고온의 분위기 가스에 의해 가열되도록 하여 화염에 직접 노출되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 고온의 화염에 의한 열적 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예는 반응관의 가열을 위한 화염연소시 발생한 배가스에 포함된 산소에 의한 반응관 표면의 산화를 방지할 수 있으며, 내부 온도가 반응관을 항산화 임계온도 이하로 유지할 수 있어 반응관의 손상을 방지할 수 있고, 이에 따라 반응관의 사용 수명을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는 반응관의 사용 수명의 증가에 따라 반응관의 교체 또는 수리로 인한 생산 지연 및 유지 보수비를 줄일 수 있고, 이에 따라 마그네슘 생산효율을 증가시킬 수 있어 마그네슘 제련 원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 실시예는 반응관을 가열한 후 배기되는 분위기 가스를 재순환하여 사용할 수 있으며, 이러한 분위기 가스를 공정온도로 가열시 소요되는 에너지 및 이에 따른 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 마그네슘 제조장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 분위기 가열부를 확대한 구성도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에 제공된 실시예들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 각 실시예에서 도면상에 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 마그네슘 제조장치의 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 마그네슘 제조장치의 분위기 가열부를 확대한 구성도.
도 2와 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 마그네슘 제조장치(100)는 가열로(200)와, 반응관(300)과, 분위기 가열유닛(400)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 마그네슘 제조장치(100)는 내부 단열이 이루어지는 가열로(200)를 포함할 수 있다. 이러한 가열로(200)는 고온으로 가열이 이루어지며, 이를 위해 내열재로 제조될 수 있다.
또한, 가열로(200)에는 내부에 마그네슘의 제련을 위한 반응관(300)이 제공될 수 있다. 여기서, 반응관(300)은 가열로(200)에 수직으로 제공되며, 내부 공간에는 마그네슘 제련을 위한 마그네슘 원료가 저장될 수 있다.
이를 위해, 반응관(300)의 상부에는 마그네슘 원료를 장입하기 위한 장입부(310)가 개폐가능하게 제공되고, 반응관(300)의 하부에는 반응이 완료된 마그네슘 원료 슬래그(slag)를 배출하기 위한 배출부(320)가 개폐가능하게 제공될 수 있다.
또한, 반응관(300)의 상부에는 방열판(330)이 제공되고, 방열판(330)과 장입부(310) 사이에는 응축기(340)가 제공될 수 있다.
또한, 반응관(300)의 상부에는 내부를 진공으로 유지하기 위해 공기를 배기하는 수단과 연결되는 진공배기부(350)가 제공될 수 있다.
또한, 반응관(300)의 하부에는 내부에 저장된 마그네슘 원료를 지지하기 위한 지지대(360)가 제공될 수 있다.
본 실시예에서, 반응관(300)은 가열로(200)에서 가열이 이루어짐에 따라 내부에 저장된 마그네슘 원료들이 열환원 반응하며 마그네슘(Mg) 증기를 생산할 수 있다.
여기서, 마그네슘 원료들은 소성백운석(MgO.CaO)과 페로실리콘(FeSi : Si 함량 75~80%) 및 형석(CaF2)이 일정한 비율로 혼합하여 조개탄 형태 등과 같이 소정의 크기로 성형한 후 사용할 수 있다.
한편, 반응관(300)은 이러한 마그네슘 원료들이 장입된 상태에서 고온(일례로 1,150~1,200℃) 및 진공(일례로, 3~10Pa) 상태로 유지할 수 있다.
이와 같이, 반응관(300)이 고온 및 진공 상태로 유지되면, 마그네슘 원료 중 페로실리콘 합금 중 실리콘 성분이 환원제로 작용하여 규소열환원반응(silicothermic reduction)에 의해 마그네슘(Mg) 증기를 발생시킨다. 그리고, 이와 같이 발생된 마그네슘(Mg) 증기는 반응관(300)의 상부에 위치된 응축기(340)에서 400~500℃로 응축되며 마그네슘 크라운(Mg Crown)으로 제조될 수 있다.
본 실시예에서 마그네슘 제조장치(100)는 가열로(120)에 제공된 반응관(300)을 가열하기 위한 가열수단이 제공될 수 있다.
본 실시예에서 가열수단은 분위기 가스를 고온으로 가열하여 공급하는 분위기 가열유닛(400)을 포함할 수 있다.
분위기 가열유닛(400)은 고온의 분위기 가스를 가열로(200)로 공급하고, 이 분위기 가스의 열기에 이용하여 반응관(300)을 가열할 수 있다.
이를 위해 분위기 가열유닛(400)은, 가열로(200)와 인접하여 제공되는 가열본체(410)를 포함할 수 있다.
가열본체(410)는 분위기 가스를 가열하기 위한 버너(440)를 구비한 버너연소시스템을 포함할 수 있다. 여기서, 버너(440)는 연료와 공기를 혼합하여 화염을 연소시켜 고온(일례로 약 1,500℃)의 연소가스를 발생시킨다.
또한, 분위기 가열유닛(400)은 이와 같이 고온으로 가열된 연소가스와 열교환이 이루어지는 열교환부(420)를 포함할 수 있다.
또한, 분위기 가열유닛(400)은 열교환부(420)에 분위기 가스를 순환하여 가열되도록 하고, 이와 같이 열교환부(420)를 매개로 가열된 분위기 가스를 가열로로 공급하는 분위기 가스 공급부(430)를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 분위기 가열유닛(400)에 의해 가열된 분위기 가스는 가열로(200)의 일측에 제공된 유입구(210)를 통해 가열로(200)로 공급될 수 있으며, 이와 같이 유입된 분위기 가스는 반응로(300)를 가열한 후 다른 일측에 제공된 배출구(220)를 통해 배기될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 마그네슘 제조장치(100)는 고온의 분위기 가스에 의해 반응관(300)의 가열이 이루어지는바, 반응관(300)이 버너(440)의 화염에 직접 노출되지 않으며, 화염의 연소가스에 포함된 산소(O2)에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 분위기 가스는 약 1,150~1200℃의 온도로 가열되어 가열로(200)로 공급되며, 이에 따라 반응관(300)의 항산화 임계온도인 약 1,200℃를 넘지 않게 되어 반응관(300)의 열적 손상 및 표면 산화를 방지할 수 있다.
또한, 분위기 가열유닛(400)은 가열로(200)로 공급되는 분위기 가스의 온도를 측정하는 온도측정부(450)를 포함할 수 있다.
일례로, 온도측정부(450)는 분위기 가스 공급부(400)와 가열로(200)를 연결하는 배관(212) 사이에 제공될 수 있다.
이러한 온도측정부(450)는 열전대를 포함할 수 있으며, 온도에 따라 열전대에 발생하는 전압차를 이용하여 온도를 측정할 수 있다.
본 실시예에서 온도측정부(450)의 구성은 한정되지 않으며, 다양한 계측 수단으로 사용되는 것도 가능하다. 일례로, 고온의 온도를 측정할 수 있는 파이러미터(Pyrometer)가 사용되는 것도 가능하다.
또한, 분위기 가열유닛(400)은 온도측정부(450)에 측정되는 온도를 매개로 가열로(200)로 공급되는 분위기 가스의 공급을 제어하는 공급제어부(460)를 포함할 수 있다.
공급제어부(460)는 온도측정부(450)에 측정되는 온도가 약 1,200℃를 초과할 경우, 버너연소시스템의 버너(440)의 작동을 중지시키거나, 분위기 가스의 공급량을 줄이도록 제어할 수 있다.
본 실시예에서 분위기 가스는 불활성 가스가 사용될 수 있으며, 일례로 이러한 분위기 가스는 질소(N2)가스가 사용될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 분위기 가열유닛(400)은 가열로(200)의 배출부(220)로부터 배출되는 분위기 가스의 온도를 측정하는 배가스 온도측정부(470)를 더 포함할 수 있다.
또한, 공급제어부(460)는 배가스 온도측정부(470)에 측정되는 온도를 매개로 가열로(200)로 공급되는 분위기 가스의 공급을 제어할 수 있다.
일례로, 공급제어부(460)는 배가스 온도측정부(470)를 통해 배기되는 분위기 가스의 온도가 약 1,200℃를 초과할 경우, 버너연소시스템의 버너(440)의 작동을 중지시키거나, 분위기 가스의 공급량을 줄이도록 제어할 수 있고, 가열로(200) 내의 분위기 가스의 배기량을 증가시켜 내부 온도를 낮추는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에서 가열로(200)로 공급되는 분위기 가스는 반응관(300)을 가열한 후, 배출구(220)를 통해 배출될 수 있고, 이와 같이 배출된 분위기 가스는 가열로(200)와 분위기 가열유닛(400)을 연통하도록 제공된 순환부에 의해 분위기 가열유닛(400)으로 재순환되는 폐 사이클을 이룰 수 있다.
이를 위해, 가열로(200)의 배출구(220)와 가열유닛(400)의 분위기 가스 공급부(430) 사이에는 배관(480)이 더 제공될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 순환부는 배관(480)의 일측에 분위기 가스의 순환 효율을 향상시키기 위한 송풍기를 더 포함하는 것도 가능하며, 이러한 송풍기는 공급제어부(460)에 의해 작동이 제어될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서 반응관(300)을 가열한 분위기 가스는 가열로(200)로부터 배출된 상태에서도 소정 온도 이상으로 유지될 수 있으며, 이러한 분위기 가스를 재순환하여 사용함에 따라 분위기 가스의 가열에 소요되는 에너지의 소비를 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 마그네슘 제조장치 200: 가열로
210: 유입구 212: 배관
220: 배출구 300: 반응관
310: 장입부 320: 배출부
330: 방열판 340: 응축기
350: 진공배기부 360: 지지대
400: 분위기 가열유닛 410: 가열본체
420: 열교환부 430: 분위기 가스 공급부
440: 버너 450: 온도측정부
460: 공급제어부 470: 온도측정부
480: 배관

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 내부 단열이 이루어지는 가열로;
    상기 가열로 내에 수직으로 제공되며 내부에 저장된 마그네슘 원료를 열환원 반응하여 마그네슘 증기를 생산하는 반응관; 및
    상기 가열로에 고온의 분위기 가스를 공급하여 상기 반응관을 가열하는 분위기 가열유닛;을 포함하고,
    상기 분위기 가열유닛은
    상기 가열로와 인접하여 제공되며 가열수단이 구비된 가열본체와,
    상기 가열수단에 의해 가열된 공기와 열교환이 이루어지는 열교환부와,
    상기 열교환부를 매개로 가열된 상기 분위기 가스를 상기 가열로로 공급하는 분위기 가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 제조장치.
  3. 내부 단열이 이루어지는 가열로;
    상기 가열로 내에 수직으로 제공되며 내부에 저장된 마그네슘 원료를 열환원 반응하여 마그네슘 증기를 생산하는 반응관; 및
    상기 가열로에 고온의 분위기 가스를 공급하여 상기 반응관을 가열하는 분위기 가열유닛;을 포함하고,
    상기 분위기 가열유닛은,
    상기 가열로로 공급되는 분위기 가스의 온도를 측정하는 온도측정부와,
    상기 온도측정부에 측정되는 온도를 매개로 상기 가열로로 공급되는 분위기 가스의 공급을 제어하는 공급제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 제조장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 분위기 가열유닛은,
    상기 가열로로부터 배출되는 분위기 가스의 온도를 측정하는 배가스 온도측정부를 더 포함하고,
    상기 공급제어부는 상기 배가스 온도측정부에 측정되는 온도를 매개로 상기 가열로로 공급되는 분위기 가스의 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 제조장치.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응관을 가열한 후 상기 가열로에서 배출된 분위기 가스를 상기 분위기 가열유닛으로 재순환하는 순환부를 더 포함하는 마그네슘 제조장치.
KR1020110142242A 2011-12-26 2011-12-26 마그네슘 제조장치 KR101374242B1 (ko)

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