KR101499338B1

KR101499338B1 - 마그네슘 환원용 리토르트

Info

Publication number: KR101499338B1
Application number: KR1020130095929A
Authority: KR
Inventors: 박우진; 박대규; 엄형섭
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-03-06
Also published as: KR20150020386A

Abstract

본 발명은 마그네슘 환원용 리토르트에 관한 것으로, 외통; 상기 외통의 상부에 개폐 가능하게 설치되는 상부 커버; 및 상기 외통의 하부에 밀착되도록 설치되는 하부 커버를 포함하는 마그네슘 환원용 리토르트를 제공한다.

Description

마그네슘 환원용 리토르트{Retort for magnesium smelting}

본 발명은 마그네슘 제조장치인 마그네슘 환원용 리토르트에 관한 것이다.

수직식 열환원법을 이용하여 마그네슘 광석으로부터 순 마그네슘(일명 마그네슘 크라운)을 생산하기 위해서는, 별도의 환원장치가 필요하며, 이를 리토르트(Retort)라고 한다.

도 1은 종래의 수직식 리토르트의 단면도로서, 종래 리토르트는 외통(1), 상부 커버(2), 하부 커버(3), 응축기(4), 내통(5) 등으로 구성되고, 외통(1)과 내통(5) 사이에는 원료인 단광(6)이 충진된다.

하부 커버(3)는 상시 개폐 가능하도록, 외통(1) 하부의 플랜지 부분에 압력(공기압, 유압, 모터압 등)으로 밀착 결합된다.

도 1에서 도면 부호 7 및 도면 부호 8은 모두 단열용 내화재이다.

리토르트 내에서 마그네슘 광물로부터 마그네슘 크라운을 생산하기 위해서는, 일정 수준 이상의 고온 및 진공도가 유지되어야 한다.

환원율 향상 및 고착 방지를 위해서는, 단열이나 진공도 유지가 매우 중요한데, 고온 유지를 위해서는 단열이 중요하며, 진공도 유지를 위해서는 누출(leak) 방지를 위한 기밀유지가 중요하다.

하지만 종래 리토르트의 경우, 작업 준비 및 마무리를 위해, 상부 커버(2)와 하부 커버(3)를 상시적이고 반복적으로 개폐하는 개폐작업을 수반하여야 하므로, 보온 및 기밀 유지가 곤란하다. 특히 고온 반응을 수반하는 리토르트 내부에는 반응 부산물인 슬래그 분진 등이 다량 발생되므로, 단열이나 기밀유지를 저해하는 문제가 상존하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 리토르트의 단열이나 기밀유지 기능을 강화하고, 동시에 작업시간 단축에 유리한 리토르트 디자인을 고안함으로써, 환원율 저하 및 고착 발생 등의 문제를 해소할 수 있는 마그네슘 환원용 리토르트를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 외통; 상기 외통의 상부에 개폐 가능하게 설치되는 상부 커버; 및 상기 외통의 하부에 밀착되도록 설치되는 하부 커버를 포함하는 마그네슘 환원용 리토르트를 제공한다.

본 발명에서 상기 하부 커버는 금속으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 리토르트는 상기 하부 커버의 상부에 설치되는 단열재를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 단열재는 신축성 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 리토르트는 상기 외통의 내부에 설치되고 원료인 단광이 장입되는 내통을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 내통은 단광이 테두리에만 장입되는 링 구조로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 상기 내통은 내부 원통과 외부 원통의 이중 원통 구조로 이루어지고, 단광은 내부 원통과 외부 원통의 사이 공간에 장입될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따른 내통은 단광이 전체에 장입되는 단일 원통 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 내통에는 고리가 형성될 수 있다.

본 발명에서 제안하는 리토르트를 이용하여 마그네슘 환원을 실시하면, 리토르트 하부의 단열 및 기밀 유지성능이 향상되고, 단광과 리토르트 사이에 발생되는 고착현상도 차단되므로, 환원율이 증가되고 고착 발생 빈도수가 감소되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 마그네슘 환원용 리토르트의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마그네슘 환원용 리토르트의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 마그네슘 환원용 리토르트의 단면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마그네슘 환원용 리토르트의 단면도로서, 이 실시형태에 따른 리토르트는 외통(10), 상부 커버(20), 하부 커버(30), 응축기(40), 내통(50), 단열재(70) 등으로 구성될 수 있다.

외통(10)은 노(furnace)에 해당하는 것으로, 재료를 가열하거나 용해할 목적으로 사용될 수 있다. 외통(10)은 주로 원통형으로 이루어지나, 필요에 따라 다른 형상으로 변경할 수 있다. 본 발명에서는 수직형 외통에 관한 것으로 수평형 외통을 사용할 수도 있다. 외통(10)은 스테인리스 스틸과 같은 금속이나 세라믹 등의 재질로 이루어질 수 있다. 외통(10)은 재료를 가열하기 위해 전기 또는 연소 방식의 가열수단을 포함할 수 있으며, 가열수단은 외통(10)의 외부 또는 내부에 설치될 수 있다.

상부 커버(20)는 외통(10)의 상부에 상시적이고 반복적으로 개폐 가능하게 설치될 수 있다. 예를 들어, 상부 커버(10)는 단지 상부커버의 자중으로 외통(10) 상단에 얹혀지는 구조일 수 있고, 또한 상부 커버(10)는 외통(10)과 힌지(hinge) 결합 형태로 설치될 수 있다. 상부 커버(20)의 개폐는 자동적으로 또는 수동적으로 이루어질 수 있다.

보온이나 기밀 유지 기능의 저하에 결정적으로 영향을 미치는 것은 상부 커버(20)가 아니라 하부커버(30)이므로, 본 발명에서는 하부 커버(30)를 개폐용이 아니라 유지 보수용 개념(유지 보수를 위해 필요 시에만 개폐)으로 설계하고, 리토르트 하부도 그에 맞도록 수정한 것을 특징으로 한다. 즉, 하부 커버(30)는 상시 개폐용이 아니므로 단열 및 기밀유지가 용이하도록 설계할 수 있다.

하부 커버(30)는 외통(10)의 하부에 밀착되도록 설치될 수 있다. 구체적으로, 하부 커버(30)는 그 단면이 대략 "ㅛ"자 형상으로 이루어지고, 외통(10)의 하부에 끼움 결합될 수 있다. 기밀 유지를 위해, 하부 커버(30)의 상부 외경은 외통(10)의 내경과 거의 동일한 것이 바람직하다.

하부 커버(30)는 스텐레스강, 내열강, 니켈합금, 코발트합금 등과 같은 금속으로 이루어질 수 있는데, 이중에서 스텐레스강이나 내열강이 경제적인 면에서 가장 유리하다.

이와 같이, 본 발명에서 하부 커버(30)는 기밀 유지를 위해 금속성 커버가 리토르트 하부 단면에 밀착되도록 제작되는 것이 바람직하다.

하부 커버(30)의 상부, 즉 외통(10) 내부의 하측에는 단열재(70)가 설치될 수 있다.

단열재(70)는 산화물 계통의 내화물 등으로 이루어질 수 있는데, 이중에서 알루미나와 실리카가 주요 구성물로 구성된 재질이 경제적으로 가장 바람직하다.

단열재(70)는 신축성 소재로 이루어질 수 있는데, 단열재(70)가 신축성 소재로 이루어질 경우 단열효과가 향상될 수 있으며, 작업성이 용이함을 확보할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 단열을 위해 신축성 있는 단열소재(70)로 금속성 커버(30) 내측을 보강하는 것이 바람직하다.

응축기(40)는 리토르트에서의 가열에 의해 생성되는 마그네슘 증기를 응축시켜 목적하는 마그네슘을 회수하는 역할을 한다. 응축기(40)는 금속 또는 세라믹 등으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 나트륨-칼륨 합금 등으로 제작할 수 있다.

내통(50)은 원료인 단광(60)이 장입되는 곳으로, 외통(10)의 내부에 설치된다. 내통(50)은 단광(60)을 담은 채로 리토르트 상부로 장입 및 취외되어야 하므로 견고하게 제작되어야 한다. 내통(50)은 스텐레스강, 내열강, 코발트합금 등과 같은 내열금속 등으로 이루어질 수 있는데, 내산화성 및 Ni 혼입 방지를 위해서는 Ni이 포함되지 않은 스텐레스강이나 내열강이 경제적인 면에서 가장 유리하다.

도 2의 실시형태에 따른 내통(50)은 단광이 테두리에만 장입되는 링 구조로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 이 실시형태에 따른 내통(50)은 내부 원통과 외부 원통을 포함하는 이중 원통 구조로 구성될 수 있다. 단광(60)은 내통(50)의 테두리 부위, 즉 내부 원통과 외부 원통 사이의 공간에 장입되고, 내부 원통의 내부는 빈 공간으로 둘 수 있다. 내통(50)의 하단은 밀폐되고 상단은 개방될 수 있다.

내통(50)의 상부에는 고리(52)가 형성될 수 있다. 이러한 고리(52)를 이용하면, 내통(50)을 외통(10) 내부에 넣거나 외부로 꺼낼 때 작업이 편리하다.

이와 같이, 내통(50)은 링 타입의 원기둥 형태로 제작해서 그 테두리 부위에 단광(60)이 채워지도록 장입할 수 있다. 조업 전에 단광(60)을 장입할 때에는 내통(50)에 단광(60)이 채워져서 장입되고, 작업 후에는 단광(60)이 들어있는 통째로 취외될 수 있다. 이처럼 내통(50은 단광(60)을 담고 리토르트 상부를 통해 취부 및 취외가 편리하도록 제작될 수 있다.

단광(briquette)(60)은 분말 혹은 세편상의 재료를 압력을 가하거나, 점결제를 섞든가 하여서 구형 등의 형상으로 치밀하게 굳힌 덩어리를 말하며, 성형탄, 브리켓, 조개탄 등으로 불리기도 한다.

예를 들어, 단광(60)은 주원료인 소성 백운석 70 내지 90 중량%, 환원제인 페로실리콘 5 내지 25 중량%, 촉매인 형석 1 내지 5 중량% 등을 혼합한 후 성형하여 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 마그네슘 환원용 리토르트의 단면도로서, 도 2의 실시형태와 비교하면 내통(50)의 구조만 다르고, 나머지 구성은 동일하다.

도 3의 실시형태에 따른 내통(50)은 단광(60)이 전체에 장입되는 단일 원통 구조로 이루어질 수 있다. 리토르트의 직경이 작을 경우에는, 내통(50)을 도 2의 링 타입이 아닌 도 3의 원기둥 타입으로 제작해서 적용할 수도 있다.

작업방법을 설명하면, 먼저 상부 커버(30)를 열고 단광(60)이 장입된 내통(50)을 장입한 후, 환원반응을 일으켜서 크라운을 제조한 후, 다시 상부 커버(30)를 열고 반응이 완료된 단광이 잔존하는 내통(50)을 꺼내는 순서로 작업을 한다.

환원반응은 예를 들어 10^-1 torr 이하의 진공 분위기 및 1,000 내지 1,400℃의 온도에서 5 내지 15시간 동안 진행할 수 있다. 예를 들어, 다음의 반응식과 같이, 돌로마이트(MgCO₃·CaCO₃)를 구워 얻은 산화물을 페로실리콘(FeSi)으로 환원시켜 마그네슘을 얻을 수 있다.

[반응식 1]

2 (MgO·CaO) + FeSi → 2Mg + Ca₂SiO₄ + Fe

마그네슘은 단광(60)으로부터 증기 형태로 생성되고, 응축기(40)에서 응축되어 마그네슘 크라운을 형성한다. 반응이 종료되면, 응축기(40)를 분리한 후 수거된 마그네슘 크라운을 용해하여 마그네슘 잉곳을 제조한다.

본 발명에 따르면, 환원율을 65% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 75% 이상으로 향상시킬 수 있다. 환원율의 상한치는 예를 들어 100%, 95% 또는 90%일 수 있다. 고착 발생 빈도수도 20% 이하, 바람직하게는 15% 이하, 더욱 바람직하게는 10% 이하로 개선할 수 있다. 고착 발생 빈도수의 하한치는 예를 들어 0%, 1%, 3% 또는 5%일 수 있다.

하기 표 1은 도 2와 도 3에 도시된 본 발명 및 도 1에 도시된 종래기술을 이용하여 조업했을 경우의 환원율과 고착 발생 빈도수를 비교한 것이다. 이때, 환원율은 투입된 원료에 포함된 Mg 중량 대비 환원반응을 통해 회수된 Mg 괴의 중량비로 환산하였고, 고착 발생 빈도수는 Mg 환원에 사용된 리토르트 총수 대비 고착이 발생된 리토르트 총수 비율로 환산하였다.

	본 발명(도 2, 3)	종래기술(도 1)
환원율	67~83%	52~64%
고착 발생 빈도수	8%	21%

표 1에서 확인할 수 있듯이, 종래의 방법으로는 환원율이 52~64%이고, 고착 발생 빈도수가 21%이었으나, 본 발명으로 실시할 경우에는 환원율이 67~83%이고, 고착 발생 빈도수가 8%로서 현저하게 개선되었다.

1, 10: 외통
2, 20: 상부 커버
3, 30: 하부 커버
4, 40: 응축기
5, 50: 내통
6, 60: 단광
7: 분진
8: 슬래그
52: 고리
70: 단열재

Claims

외통;
상기 외통의 상부에 개폐 가능하게 설치되는 상부 커버;
상기 외통의 하부에 밀착되도록 설치되고, 단면이 "ㅛ"자 형상으로 이루어지며, 외통의 하부에 끼움 결합되고, 금속으로 이루어지는 하부 커버; 및
상기 하부 커버의 상부에 설치되고, 외통 내부의 하측에 설치되며, 신축성 소재로 이루어는 단열재를 포함하며,
투입된 원료에 포함된 Mg 중량 대비 환원반응을 통해 회수된 Mg 괴의 중량비로 환산한 환원율은 65% 이상이고, Mg 환원에 사용된 리토르트 총수 대비 고착이 발생된 리토르트 총수 비율로 환산한 고착 발생 빈도수는 20% 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 환원용 리토르트.
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제1항에 있어서,
상기 외통의 내부에 설치되고 원료인 단광이 장입되는 내통을 추가로 포함하는 마그네슘 환원용 리토르트.
제5항에 있어서,
상기 내통은 단광이 테두리에만 장입되는 링 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘 환원용 리토르트.
제6항에 있어서,
상기 내통은 내부 원통과 외부 원통의 이중 원통 구조로 이루어지고, 단광은 내부 원통과 외부 원통의 사이 공간에 장입되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 환원용 리토르트.
제5항에 있어서,
상기 내통은 단광이 전체에 장입되는 단일 원통 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘 환원용 리토르트.
제5항에 있어서,
상기 내통에는 고리가 형성된 것을 특징으로 하는 마그네슘 환원용 리토르트.