KR101536735B1 - 발열 튜브를 구비한 마그네슘 제조장치 - Google Patents

Abstract

반응관 내부의 열 유속을 높여 마그네슘 열환원 반응을 촉진시키고, 진공을 유지한 상태로 마그네슘 크라운의 추출 및 슬래그 배출을 가능하게 하여 생산 효율을 높일 수 있는 마그네슘 제조장치를 제공한다. 마그네슘 제조장치는 내부관과 외부관의 이중 구조로 형성되며 내부관과 외부관 사이에 마그네슘 단광이 장입되는 반응관과, 반응관의 외측에 설치되며 마그네슘 단광의 반응온도로 반응관을 가열시키는 가열로와, 내부관에 삽입되어 마그네슘 단광으로 열을 공급하는 발열 튜브를 포함한다.

Description

발열 튜브를 구비한 마그네슘 제조장치 {MANUFACTURING METHOD OF MAGNESIUM WITH RADIATION TUBE}

본 발명은 마그네슘 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수직형 리토르트(반응관)를 구비하며 열환원 공정을 이용하는 마그네슘 제조장치에 관한 것이다.

마그네슘 제조법으로서 1941년 캐나다 피죤 박사가 개발한 규소 열환원법에 의한 열환원 공정이 있다. 통상 소성백운석(Dolime, MgO·CaO)에 페로실리콘(FeSi, Si 75중량%) 환원제 및 형석(CaF₂)을 혼합하여 성형체를 제조하고, 이를 반응관(리토르트) 내에 투입한 다음 반응관을 1,100~1,200℃ 및 진공도 1~100Pa 조건에서 약 수시간 가열하면 다음과 같은 반응식에 의해 Mg 증기가 발생한다.

2CaO·MgO_(s) + Si·xMg_(s) = 2Mg_(g) + (CaO)_2(s) + xFe_(s)

도 5는 종래 기술에 의한 마그네슘 제조장치의 개략도이다.

도 5를 참고하면, 종래의 마그네슘 제조장치(101)는 내부에 마그네슘 단광이 투입되는 반응관(11)과, 반응관(11)의 외측에 설치되며 마그네슘 단광의 반응온도로 반응관(11)을 가열하는 가열로(12)와, 반응관(11)의 상부에 장착된 응축기(13)를 포함한다.

가열로(12)의 열에 의해 반응관(11) 내부에서 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지며 마그네슘 가스가 발생한다. 마그네슘 가스는 응축기(13)에서 응축되어 마그네슘 크라운으로 석출된다. 일련의 공정이 완료되면 반응관(11)의 상부를 개방하여 응축된 마그네슘 크라운을 추출하고, 반응관(11) 하부를 개방하여 반응이 완료된 슬러지를 외부로 배출한다.

그런데 이와 같이 응축기(13)를 밖으로 꺼내어 크라운을 석출하는 구조에서는 응축기(13)의 설치 및 탈착에 따른 공정 시간과, 크라운 석출에 따른 공정 시간이 길며, 외부로 꺼낸 마그네슘 크라운에서 산화가 다량으로 발생하므로 마그네슘 품질이 저하된다.

또한, 슬래그 배출 시 아래에서 위로 유통하는 공기에 의해 다량의 연기와 먼지가 발생하며, 열량 소모가 많다. 그리고 반응관(11)은 오직 가열로(12)에 의해서만 열을 공급받으므로 반응관(11) 내부로 열 유속을 높여 마그네슘 열환원 반응을 촉진시키는데 어려움이 있다.

본 발명은 반응관 내부의 열 유속을 높여 마그네슘 열환원 반응을 촉진시키고, 진공을 유지한 상태로 마그네슘 크라운의 추출 및 슬래그 배출을 가능하게 하여 생산 효율을 높이며, 전체 공정의 사이클 타임을 줄일 수 있는 마그네슘 제조장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 제조장치는, 내부관과 외부관의 이중 구조로 형성되며 내부관과 외부관 사이에 마그네슘 단광이 장입되는 반응관과, 반응관의 외측에 설치되며 마그네슘 단광의 반응온도로 반응관을 가열시키는 가열로와, 내부관에 삽입되어 마그네슘 단광으로 열을 공급하는 발열 튜브를 포함한다.

발열 튜브는 내부에 주입관이 설치되는 본체와, 주입관으로 연료가스와 공기를 각각 주입하는 연료가스 공급부 및 제1 공기 공급부와, 주입관 내부에 설치된 점화봉을 포함할 수 있으며, 연료가스와 공기의 연소로 화염을 생성하여 열을 발산할 수 있다.

발열 튜브는 본체의 상단 측면에 연결된 연소가스 배출관과, 본체와 주입관 사이에 설치된 제1 촉매와, 연소가스 배출관에 설치된 제2 촉매와, 연소가스 배출관에서 제2 촉매의 전단에 설치된 제2 공기 공급부를 더 포함할 수 있으며, 제1 촉매와 제2 촉매의 작용으로 연소가스를 정화시킬 수 있다.

발열 튜브는 연료가스 공급부, 제1 공기 공급부, 기 연소가스 배출관 각각에 설치된 제1 내지 제3 고속 솔레노이드 밸브와, 제3 고속 솔레노이드 밸브와 이웃하게 설치된 역류방지 밸브를 더 포함할 수 있다.

반응관의 하측 단부에 슬러지 배출구가 형성될 수 있고, 마그네슘 제조 과정에서 발열 튜브가 슬러지 배출구를 막을 수 있으며, 발열 튜브의 상측에 리프팅 장치가 설치되어 마그네슘 제조 완료 시 발열 튜브가 상승하여 슬러지 배출구를 개방시킬 수 있다.

발열 튜브는 진공 실링부를 매개로 반응관에 설치되어 리프팅 장치에 의해 상승할 때 진공을 유지할 수 있다.

마그네슘 제조장치는, 내부가 진공으로 유지되는 연결관을 통해 반응관과 연결되며 반응관으로부터 마그네슘 가스를 제공받아 응축시키는 응축기와, 연결관의 단부에 설치되며 마그네슘 단광을 저장하는 진공 호퍼와, 연결관의 내부에 설치되며 진공 호퍼로부터 마그네슘 단광을 제공받아 반응관 내부로 장입시키는 단광 공급기를 더 포함할 수 있다.

응축기는 하우징과, 하우징 내부에 설치되는 응축 유닛 및 스크래퍼와, 하우징의 하측 단부를 선택적으로 개폐시키는 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 응축 유닛은 냉각유체에 의해 냉각되어 그 표면에 마그네슘 가스를 응축시켜 크라운으로 착상시키는 메인 바디를 포함할 수 있고, 메인 바디와 스크래퍼 중 어느 하나가 슬라이딩 이동하여 메인 바디에 착상된 크라운을 자동으로 분리시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 발열 튜브가 반응관의 내부에 위치함에 따라 반응관 내부의 열 유속을 높여 마그네슘 열환원 반응을 효과적으로 촉진할 수 있다. 또한, 진공을 유지한 상태에서 슬러지 배출과 마그네슘 단광의 장입이 순차적으로 이루어지므로 마그네슘 제조에 소요되는 에너지를 절감하고, 사이클 타임을 감소시키며, 마그네슘 제조 원가를 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 전체 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 반응관의 확대 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 발열 튜브의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 응축기의 확대도이다.
도 5는 종래 기술에 의한 마그네슘 제조장치의 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 전체 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 반응관의 확대 단면도이며, 도 3은 도 1에 도시한 발열 튜브의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예의 마그네슘 제조장치(100)는 내부관(21)과 외부관(22)의 이중 구조로 형성되는 반응관(20)(레토르트)과, 반응관(20)의 외측에 설치되는 가열로(30)와, 내부관(21)에 삽입되는 발열 튜브(40)를 포함한다.

반응관(20)은 수직으로 설치되며, 내부관(21)과 외부관(22)의 사이 공간으로 마그네슘 단광이 장입된다. 가열로(30)는 버너(31)를 구비하며, 마그네슘 단광의 반응온도(1,100~1,200 )로 반응관(20)을 가열시킨다. 이로써 마그네슘 단광에 함유된 페로실리콘의 실리콘 성분이 환원제로 작용하여 규소 열환원 반응에 의해 마그네슘 가스가 발생한다.

도 1에서는 하나의 반응관(20)을 도시하였으나, 하나의 가열로(30) 내부에 복수의 반응관이 서로간 거리를 두고 나란히 설치될 수도 있다.

발열 튜브(40)는 내부관(21)에 삽입되어 마그네슘 단광으로 추가의 열을 제공한다. 즉 본 실시예의 마그네슘 제조장치(100)는 가열로(30)가 반응관(20)의 외부에서 마그네슘 단광으로 열을 공급하고, 발열 튜브(40)가 반응관(20)의 내부에서 마그네슘 단광으로 열을 공급하는 구조로 이루어진다. 따라서 발열 튜브(40)가 삽입된 반응관(20)은 내부의 열 유속이 높아져 마그네슘 열환원 반응을 효과적으로 촉진할 수 있다.

발열 튜브(40)는 연료가스와 공기의 혼합물을 연소시키는 버너 타입과, 전열관 등의 전열 부재를 구비한 전열 타입과, 열전도 특성이 우수한 고온의 가스(아르곤, 헬륨, 수소 등)를 흘리는 히트 파이프 타입 등 여러 타입으로 구성될 수 있다. 도 3에서는 버너 타입의 발열 튜브(40)를 예로 들어 도시하였으나, 발열 튜브(40)의 구성은 도시한 예로 한정되지 않는다.

버너 타입의 발열 튜브(40)는 내부에 주입관(41)이 설치된 원통 모양의 본체(42)와, 주입관(41)으로 연료가스를 주입하는 연료가스 공급부(43)와, 주입관(41)으로 공기를 주입하는 제1 공기 공급부(44)와, 주입관(41) 내부에 설치된 점화봉(45)을 포함할 수 있다. 연료가스 공급부(43)는 본체(42)의 상단에 설치될 수 있고, 제1 공기 공급부(44)는 본체(42)의 상부 측면에 설치될 수 있다.

주입관(41) 내부에서 연료가스와 공기가 상호 혼합되고, 점화봉(45)에 의해 점화 연소되어 화염을 생성함으로써 반응관(20) 내부의 마그네슘 단광으로 열을 제공한다.

연소가스는 본체(42)와 주입관(41) 사이의 공간을 통해 위로 상승하며, 본체(42)의 상단 측면에는 연소가스를 배출하는 연소가스 배출관(46)이 설치된다. 발열 튜브(40)는 연소가스를 정화시키기 위한 제1 촉매(471)와 제2 촉매(472)를 포함할 수 있다. 제1 촉매(471)는 주입관(41)과 본체(42) 사이에 설치될 수 있고, 제2 촉매(472)는 연소가스 배출관(46)에 설치될 수 있다.

또한, 연소가스 배출관(46) 중 제2 촉매(472)의 전단에는 제2 공기 공급부(48)가 구비되어 제2 촉매(472)로 공기를 제공할 수 있다. 이 경우 제2 촉매(472)의 연소를 활성화시켜 연소가스의 정화 효율을 높일 수 있다.

발열 튜브(40)는 진공 중에서 사용되므로 사용 중 튜브의 일부 또는 전체가 파손되어 반응관(20) 내부로 공기 또는 연소가스가 유입되면 급격한 산화 등 안전상의 큰 문제가 발생하게 된다. 따라서 발열 튜브(40)는 연료가스 공급부(43), 제1 공기 공급부(44), 및 연소가스 배출관(46) 각각에 제1 내지 제3 고속 솔레노이드 밸브(491, 492, 493)를 설치하여 위급 상황 시 공기와 연료가스 공급 및 연소가스 배출을 신속하게 차단한다.

제3 고속 솔레노이드 밸브(493)는 제2 공기 공급부(48) 전단에 설치되며, 제3 고속 솔레노이드 밸브(493)와 이웃하게 공압식으로 작동하는 역류방지 밸브(494)가 설치될 수 있다. 고속 솔레노이드 밸브와 역류방지 밸브는 공지 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.

마그네슘 제조장치(100)는 마그네슘 가스를 응축시키는 응축기(50)와, 응축기(50)에서 석출된 마그네슘 크라운을 용해하는 용해로(60)와, 용해로(60)에서 용해된 마그네슘 용탕을 공급받아 정련하는 정련로(70)와, 정련로(70)에서 정련된 마그네슘 용탕을 공급받아 잉곳으로 주조하는 주조기(80)를 포함할 수 있다.

응축기(50)는 반응관(20) 외부에 별도로 설치되며, 연결관(25)을 통해 반응관(20)과 연결된다. 연결관(25)은 가열로(30) 상부의 반응관(20) 상측에서 수평으로 설치되고, 연결관(25)과 응축기(50) 내부는 반응관(20)과 함께 진공 상태를 유지한다.

응축기(50)는 연결관(25)을 통해 마그네슘 가스를 제공받아 이를 응축시키며, 석출된 크라운을 용해로(60)를 향해 자동으로 배출시키는 구성으로 이루어진다. 이 경우 마그네슘 크라운이 공기 중에 노출되지 않으므로 산화를 방지할 수 있고, 종래와 같이 응축기를 반응관에서 분리시키지 않아도 되므로 전체 공정의 사이클 타임을 단축시킬 수 있다. 또한, 연결관(25)을 통해 여러 개의 반응관을 하나의 응축기(50)와 연결할 수 있으므로 응축기(50)의 효율적인 활용이 가능해진다.

도 4는 도 1에 도시한 응축기의 확대도이다.

도 4를 참고하면, 응축기(50)는 연결관(25)의 단부에 위치하는 하우징(51)과, 하우징(51) 내부에 설치되는 응축 유닛(52) 및 스크래퍼(53)와, 하우징(51)의 하측 단부에 설치되는 게이트 밸브(54)를 포함할 수 있다.

하우징(51)과 접하는 연결관(25)의 외주면에는 발열선(26)이 구비되어 연결관(25)을 일정 온도로 가열시킬 수 있다. 이로써 반응관(20)으로부터 유입된 마그네슘 가스가 연결관(25)을 통해 응축기(50)로 이동할 때 연결관(25) 내부에서 마그네슘 가스가 응축되는 것을 방지할 수 있다.

응축 유닛(52)은 메인 바디(521)와, 메인 바디(521) 내부로 냉각유체를 공급하여 메인 바디(521)를 냉각시키는 냉각유체 공급라인(522)과, 냉각에 사용된 냉각유체를 배출하는 냉각유체 배출라인(523)을 포함한다. 메인 바디(521)는 하우징(51) 내부에서 연결관(25)을 향해 위치하며, 연결관(25)을 향하는 선단이 원뿔 모양으로 형성될 수 있다. 연결관(25)을 통해 메인 바디(521)로 유입된 마그네슘 가스는 메인 바디(521)의 표면에서 응축되어 크라운으로 착상된다.

스크래퍼(53)는 메인 바디(521)에 착상된 크라운을 긁어서 게이트 밸브(54)로 낙하시키는 기능을 한다. 이를 위해 메인 바디(521)와 스크래퍼(53) 중 어느 하나가 별도의 모터 또는 유압 실린더 등과 결합되어 수평 방향으로 슬라이드 가능하게 설치된다.

예를 들어, 메인 바디(521)에 일정량의 크라운이 착상되면 메인 바디(521)가 스크래퍼(53)를 향해 후방으로 이동하여 스크래퍼(53)가 크라운을 긁어 내도록 할 수 있다. 반대로, 스크래퍼(53)가 연결관(25)을 향해 전방으로 이동하여 크라운을 긁어 낼 수 있다. 응축 유닛(52)과 스크래퍼(53)의 구성은 도시한 예로 한정되지 않으며, 다양하게 변형 가능하다.

게이트 밸브(54)는 하우징(51)의 하측 단부를 선택적으로 개폐시키며, 하우징(51)의 진공 유지를 위해 실링부(55)를 매개로 하우징(51)에 설치된다. 게이트 밸브(54)는 메인 바디(521)에서 분리된 마그네슘 크라운을 수집하고, 수집된 크라운을 용해로(60)로 배출시킨다. 게이트 밸브(54)가 열릴 때 하우징(51) 내부로 불활성 가스를 분사하여 크라운의 산화를 방지하면서 외부 공기의 유입을 차단할 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 마그네슘 제조장치(100)는 크라운 회수를 위해 진공을 해제할 필요가 없으므로 대용량의 진공 호퍼(91)와 모터(921)와 스크류 피더(922)(screw feeder)로 구성된 단광 공급기(92)를 구비할 수 있다. 스크류 피더(922)는 응축기(50)와 반대되는 연결관(25)의 내부에 설치되며, 진공 호퍼(91)는 단광 공급기(92)의 일측 상부에 설치된다.

모터(921)의 회전속도 및 마그네슘 단광의 이동량에 근거하여 정확한 양의 마그네슘 단광을 반응관(20)의 내부관(21)과 외부관(22) 사이로 낙하시킴으로써 반응관(20)에 마그네슘 단광을 자동으로 장입할 수 있다. 반응관(20)의 하측 단부에는 슬러지 배출구(23)가 형성되며, 마그네슘 제조장치(100) 작동 과정에서 발열 튜브(40)가 슬러지 배출구(23)를 막는다.

발열 튜브(40)의 상측에는 발열 튜브(40)를 상하로 움직이는 리프팅 장치(93)가 설치될 수 있다. 일련의 마그네슘 제조 공정이 완료되면 리프팅 장치(93)를 작동시켜 발열 튜브(40)를 들어 올려 슬러지 배출구(23)를 개방시키고, 슬러지 배출구(23)를 통해 반응이 완료된 슬러지를 외부로 배출한다.

리프팅 장치(93)는 통상의 유압 실린더로 구성될 수 있으나, 이러한 구성으로 한정되지 않는다. 슬러지 배출 후에는 다시 리프팅 장치(93)를 작동시켜 발열 튜브(40)를 아래로 내림으로써 슬러지 배출구(23)를 막고, 단광 공급기(92)를 작동시켜 지정된 양의 마그네슘 단광을 반응관(20) 내부로 장입시킨다.

발열 튜브(40)가 상승할 때 진공이 해제되지 않도록 발열 튜브(40)는 진공 실링부(94)를 매개로 반응관(20)에 설치될 수 있다. 진공 실링부(94)는 외부관(22)의 상측 단부에 설치될 수 있으며, 오-링 타입, 벨로우즈 타입 등 여러 타입이 적용될 수 있다. 진공 호퍼(91)의 단광이 모두 소모되면, 진공을 해제하고 진공 호퍼(91)에 마그네슘 단광을 투입하며, 투입 주기는 진공 호퍼(91)의 크기와 장입량에 의해 조절된다.

이와 같이 본 실시예의 마그네슘 제조장치(100)에 따르면, 진공을 유지한 상태에서 슬러지 배출과 마그네슘 단광의 장입이 순차적으로 이루어지므로 마그네슘 제조에 소요되는 에너지를 절감하고, 사이클 타임을 감소시키며, 마그네슘 제조 원가를 낮출 수 있다.

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.

100: 마그네슘 제조장치 20: 반응관
21: 내부관 22: 외부관
30: 가열로 40: 발열 튜브
50: 응축기 60: 용해로
70: 정련로 80: 주조기
91: 진공 호퍼 92: 단광 공급기

Claims (8)

1. 내부관과 외부관의 이중 구조로 형성되며, 내부관과 외부관 사이에 마그네슘 단광이 장입되는 반응관;
   상기 반응관의 외측에 설치되며, 상기 마그네슘 단광의 반응온도로 상기 반응관을 가열시키는 가열로; 및
   상기 내부관에 삽입되어 상기 마그네슘 단광으로 열을 공급하는 발열 튜브를 포함하고,
   상기 발열 튜브는 내부에 주입관이 설치되는 본체와, 주입관으로 연료가스와 공기를 각각 주입하는 연료가스 공급부 및 제1 공기 공급부와, 주입관 내부에 설치된 점화봉을 포함하며, 연료가스와 공기의 연소로 화염을 생성하여 열을 발산하는 마그네슘 제조장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 발열 튜브는 상기 본체의 상단 측면에 연결된 연소가스 배출관과, 상기 본체와 상기 주입관 사이에 설치된 제1 촉매와, 연소가스 배출관에 설치된 제2 촉매와, 연소가스 배출관에서 제2 촉매의 전단에 설치된 제2 공기 공급부를 더 포함하며, 상기 제1 촉매와 상기 제2 촉매의 작용으로 연소가스를 정화시키는 마그네슘 제조장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 발열 튜브는 상기 연료가스 공급부, 상기 제1 공기 공급부, 및 상기 연소가스 배출관 각각에 설치된 제1 내지 제3 고속 솔레노이드 밸브와, 제3 고속 솔레노이드 밸브와 이웃하게 설치된 역류방지 밸브를 더 포함하는 마그네슘 제조장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 반응관의 하측 단부에 슬러지 배출구가 형성되고, 마그네슘 제조 과정에서 상기 발열 튜브가 슬러지 배출구를 막으며, 상기 발열 튜브의 상측에 리프팅 장치가 설치되어 마그네슘 제조 완료 시 상기 발열 튜브가 상승하여 슬러지 배출구를 개방시키는 마그네슘 제조장치.
6. 삭제
7. 제1항 및, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   내부에 진공으로 유지되는 연결관을 통해 상기 반응관과 연결되며, 상기 반응관으로부터 마그네슘 가스를 제공받아 응축시키는 응축기;
   상기 연결관의 단부에 설치되며 마그네슘 단광을 저장하는 진공 호퍼; 및
   상기 연결관의 내부에 설치되며 상기 진공 호퍼로부터 마그네슘 단광을 제공받아 상기 반응관 내부로 장입시키는 단광 공급기
   를 더 포함하는 마그네슘 제조장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 응축기는 하우징과, 하우징 내부에 설치되는 응축 유닛 및 스크래퍼와, 하우징의 하측 단부를 선택적으로 개폐시키는 게이트 밸브를 포함하며,
   상기 응축 유닛은 냉각유체에 의해 냉각되어 그 표면에 마그네슘 가스를 응축시켜 크라운으로 착상시키는 메인 바디를 포함하고, 상기 메인 바디와 상기 스크래퍼 중 어느 하나가 슬라이딩 이동하여 상기 메인 바디에 착상된 크라운을 자동으로 분리시키는 마그네슘 제조장치.

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