KR101538780B1 - 마그네슘 열환원 장치 - Google Patents

마그네슘 열환원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은 반응관의 파손을 방지 또는 지연시켜 수명을 연장하는 마그네슘 열환원 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 열환원 장치는, 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지는 반응관, 상기 반응관 외측에 설치되어 상기 반응관을 가열하는 가열로, 상기 반응관의 상부에 내장되어 상기 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기, 상기 반응관의 상단에 설치되는 상단 커버, 상기 반응관의 하단에 설치되는 하단 커버, 상기 반응관의 내부를 진공으로 설정하는 진공 연결관, 및 상기 반응관에 연결되어 상기 반응관에 작용하는 하중에 따른 응력을 조절하는 응력 조절부를 포함한다.

Description

마그네슘 열환원 장치{DEVICE FOR MAGNESIUM THERMAL REDUCTION}
본 기재는 마그네슘 제련 반응관(retort)의 파손을 방지하고 수명을 연장하는 마그네슘 열환원 장치에 관한 것이다.
일반적으로 마그네슘(Mg)을 함유한 합금재료는 우수한 기계 가공성과 높은 진동 감쇠성, 진동 및 충격에 대한 탁월한 흡수성, 경량성 및 우수한 전자파 차폐 특성을 가진다. 이러한 이유로 인하여, 컴퓨터, 카메라 및 휴대전화 등의 부품에 마그네슘이 많이 사용되고 있다.
통상적으로 마그네슘은 반응관(retort)을 통해 마그네슘이 포함된 단광을 반응온도까지 가열하여 순수 마그네슘을 얻는 열환원 공정으로 제조되고 있다. 마그네슘 열환원 공정은 마그네슘 원료인 소성 백운석과 환원제인 페로실리콘 그리고 촉매인 형석 분말로 이루어진 단광을 반응관에 장입하고, 내부를 진공으로 유지하며 단광을 승온시키는 과정을 거친다.
예를 들면, 마그네슘 열환원 장치는 가열로 내부에 배치되어 열환원 공정을 수행하는 반응관, 제련된 마그네슘을 회수하는 응축기 및 반응관을 진공으로 유지시키는 진공 연결관으로 구성된다.
마그네슘 단광을 반응관에 장입하고, 반응관 외부의 가열로로 약 1200°С정도의 열을 반응관에 공급하면, 마그네슘 단광으로부터 마그네슘 증기가 발생된다. 마그네슘 증기는 반응관에 연결되어 낮은 온도로 유지 관리되는 응축기에서 응축된다. 즉 응축기의 내면에 고체상의 마그네슘 크라운(crown, 즉 제련된 마그네슘)이 석출된다.
이와 같은 열환원 공정이 완료되면, 마그네슘 열환원 장치의 반응관 상단에 구비되는 상단 커버를 개방하여 제련된 마그네슘을 추출하고, 반응관 하단에 구비되는 하단 커버를 개방하여 반응이 완료된 슬래그를 외부로 배출한다.
마그네슘 열환원 공정 중에, 반응관은 3종류의 하중을 받는다. 즉 내부 설치물을 포함한 반응관의 자체 중량에 의한 하중, 장입된 단광에 의한 하중, 및 반응관 내부의 진공에 의하여 반응관에 작용하는 대기압이 있다. 또한, 가열로의 내부 분위기 온도는 산화성의 1,100~1,200oC로 유지된다.
따라서 반응관은 응력 하에서 고온변형, 분위기 가스에 의한 고온부식, 재질 열화, 반복 열응력에 의한 피로 및 고속/고온 연소 화염에 의한 침식 등에 의하여, 파손되어 폐기된다.
본 발명의 일 측면은 반응관의 파손을 방지 또는 지연시켜 수명을 연장하는 마그네슘 열환원 장치를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 일 측면은 반응관에 작용하는 하중, 즉 자체 중량에 의한 하중 및 장입된 원료에 의한 하중을 경감시켜, 반응관의 파손을 방지 또는 지연시켜 수명을 연장하는 마그네슘 열환원 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 열환원 장치는, 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지는 반응관, 상기 반응관 외측에 설치되어 상기 반응관을 가열하는 가열로, 상기 반응관의 상부에 내장되어 상기 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기, 상기 반응관의 상단에 설치되는 상단 커버, 상기 반응관의 하단에 설치되는 하단 커버, 상기 반응관의 내부를 진공으로 설정하는 진공 연결관, 및 상기 반응관에 연결되어 상기 반응관에 작용하는 하중에 따른 응력을 조절하는 응력 조절부를 포함한다.
상기 응력 조절부는, 상기 가열로의 하방으로 관통되는 상기 반응관의 측면에 연결되는 서포트, 및 상기 서포트에 지지되어 상기 반응관에 작용하는 응력에 저항하는 방향으로 응력을 작용시키는 댐퍼를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 열환원 장치는, 상기 가열로의 상방으로 관통되는 상기 반응관을 상기 가열로의 외면에 설치하여 지지하고 제1로드셀을 구비하는 어퍼 마운팅 블록, 상기 댐퍼를 지지하고 제2로드셀을 구비하는 로워 마운팅 블록, 및 상기 제1로드셀과 상기 제2로드셀의 하중 신호에 따라 상기 댐퍼를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 서포트는 상기 가열로의 하방에서 상기 하단 커버의 상방에 위치하는 상기 반응관의 외면에 고정되고, 상기 댐퍼는 상기 하단 커버의 외면으로 이격되어 상기 반응관과 나란한 방향으로 설치되는 유압 또는 공압 실린더로 형성될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응관에 응력 조절부를 구비하여, 하중에 따라 반응관에 작용하는 응력을 조절함으로써, 고온에서 열변형에 의한 반응관의 파손을 방지 또는 지연시켜서 반응관의 수명을 연장하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 열환원 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 반응관에 작용하는 하중을 제어하는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하에서는 마그네슘에 대한 열환원 장치를 일 실시예로써 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 마그네슘을 포함한 금속의 열환원 장치에 동일하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 열환원 장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 마그네슘 열환원 장치는 열환원 공정을 수행하는 반응관(10), 반응관(10)을 가열하는 가열로(20), 제련된 마그네슘을 회수하는 응축기(30), 반응관(10)의 상단과 하단에 배치되는 상단 커버(40)와 하단 커버(50), 진공 연결관(60) 및 응력 조절부(70)를 포함한다.
반응관(10)의 내부에는 마그네슘 단광(B)이 채워지고, 산화마그네슘의 환원반응이 이루어진다. 가열로(20)는 반응관(10)의 외측에 설치되어 버너(21)로 반응관(10)을 가열한다.
응축기(30)는 반응관(10)의 상부에 설치되어 반응관(10)에서 생성되는 마그네슘 증기를 고체 상태의 마그네슘으로 응축시킨다. 응축기(30)가 수용되는 반응관(10)의 외부에는 냉각수를 순환시키는 워터 재킷(31)이 구비된다.
상단 커버(40)는 반응관(10)의 상단에 설치되어 응축기(30)의 상단 및 반응관(10)의 상단을 밀폐한다. 하단 커버(50)는 반응관(10)의 하단에 설치되어 반응관(10)의 하단을 밀폐한다.
반응관(10)은 하단 내측에 단열재(12)를 구비하며, 단열재(12)는 중앙에 관통되어 반응관(10)의 배출구(14)를 형성한다. 따라서 하단 커버(50)를 개방하면, 반응이 완료된 단광 슬래그가 배출구(14)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
이하 설명에서 상부 또는 상단은 도 1에 도시된 바와 같이 수직으로 세워진 반응관(10)을 기준으로 위쪽 방향을 의미하고, 하부 또는 하단은 그 반대 방향인 아래쪽 방향을 의미한다.
반응관(10)은 내부에 설치되는 내통(11)을 구비하여, 마그네슘 단광(B)에서 생성되는 마그네슘 증기를 상부의 응축기(30)의 내부로 원활하게 배출 유도 한다. 내통(11)은 원통 형태의 관 구조물로 형성되어, 반응관(10)을 따라 길게 연장되어 반응관(10)의 내부 중앙에 설치된다.
내통(11)은 반응관(10)보다 작은 직경으로 형성되어 반응관(10)의 내부에서 반응관(10)과 간격을 유지하여 설치된다. 내통(11)은 마그네슘 증기를 유통시키는 복수개의 관통홀(미도시)을 구비한다. 따라서 마그네슘 단광(B)은 반응관(10)의 내부에서 반응관(10)과 내통(11) 사이에 채워지며, 마그네슘 증기는 내통(11)에 형성된 관통홀을 통해 내통(11)의 내부로 유입되어 내통(11)을 따라 위로 상승될 수 있다.
내통(11)을 경유하여 상부로 이동되는 공기는 응축기(30)를 경유하여, 진공 연결관(60)으로 배출된다. 진공 연결관(60)은 반응관(10) 내부의 진공 배기를 위하여, 응축기(30)의 상부에서 반응관(10)을 관통하여 설치된다. 진공 연결관(60)은 진공 펌프에 연결된다.
이와 같이, 공기를 응축기(30)의 위쪽으로 이송 배출하여 응축기(30)에 응축되는 고체상의 마그네슘 크라운(Mg)과 반응을 최소화하면서 반응관(10) 내부로 유입된 공기를 외부로 배출할 있다.
응력 조절부(70)는 반응관(10)에 연결되어, 상황에 따라 반응관(10)에 작용하는 하중에 따른 응력을 조절하도록 구성된다. 예를 들면, 응력 조절부(70)는 가열로(20)의 하방으로 관통되는 반응관(10)의 측면에 연결되는 서포트(71), 및 서포트(71)에 지지되어 반응관(10)에 작용하는 응력에 저항하는 방향으로 응력을 작용시키는 댐퍼(72)를 포함한다.
서포트(71)는 가열로(20)의 하방에서 하단 커버(50)의 상방에 위치하는 반응관(10)의 외면에 고정된다. 서포트(71)는 반응관(10)에 수직 방향으로 하중을 작용할 수 있도록 연결된다. 댐퍼(72)는 하단 커버(50)의 외면으로 이격되어 반응관(10)과 나란한 방향으로 설치되는 유압 또는 공압 실린더로 형성될 수 있다.
예를 들면, 서포트(71)가 원판으로 형성되어 그 중앙으로 반응관(10)에 연결되고, 댐퍼(72)는 복수로 구비되어 서포트(71)의 원주 방향에 등간격으로 배치되어, 반응관(10)에 상향 작용력 또는 하향 작용력을 균등하게 제공하도록 연결된다.
도 2는 도 1에서 반응관에 작용하는 하중을 제어하는 블록도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 마그네슘 열환원 장치는 응력 조절부(70)의 댐퍼(72)를 제어하도록 제1로드셀(S1)을 구비하는 어퍼 마운팅 블록(73), 제2로드셀(S2)을 구비하는 로워 마운팅 블록(74), 및 제어부(75)를 포함한다.
어퍼 마운팅 블록(73)은 가열로(20)의 상방으로 관통되는 반응관(10)을 지지한다. 예를 들면, 어퍼 마운팅 블록(73)은 가열로(20)의 상부 외면에 설치되어, 반응관(10)의 외부에 구비되는 워터 재킷(31)을 지지한다. 제1로드셀(S1)은 어퍼 마운팅 블록(73)에 작용하는 반응관(10)의 하중 변화를 감지하여 그 신호를 제어부(75)에 인가한다.
로워 마운팅 블록(74)은 서포트(71)를 지지하는 댐퍼(72)를 지지한다. 제2로드셀(S2)은 댐퍼(72)를 통하여 로워 마운팅 블록(74)에 작용하는 반응관(10)의 하중 변화를 감지하여 그 신호를 제어부(75)에 인가한다.
제어부(75)는 입력측으로 제1로드셀(S1)과 제2로드셀(S2)에 연결되고, 출력측으로 댐퍼(72)에 연결된다. 따라서 제어부(75)는 제1로드셀(S1)과 제2로드셀(S2)이 감지한 하중 신호에 따라 댐퍼(72)를 통하여 반응관(10)에 상향 또는 하향 작용력을 제어한다.
마그네슘 열환원 장치에서, 전체 하중(Wr)은 어퍼 마운팅 블록(73)의 제1로드셀(S1)에 의하여 상부 하중 정보로 측정되어 제어부(75)로 송부된다. 또한, 댐퍼(72)가 받는 하중(Wd)은 로워 마운팅 블록(74)의 제2로드셀(S2)에 의해 하부 하중 정보로 측정되어 제어부(75)로 송부된다.
제어부(75)는 반응관(10)에 하중이 최소로 걸리는 조건으로 댐퍼(72)를 제어하여, 중력과 반대 방향인 상부 방향으로 하중을 가한다. 이때 가해지는 상부 방향의 하중 크기는 반응관(10)에 걸리는 총중량 변화 및 진공 배기에 따라 결정하여, 그 신호로 공압 또는 유압을 제어하여 댐퍼(72)에 걸리는 하중을 정밀 제어할 수 있다.
예를 들면, 진공 배기가 없을 때, 반응관(10)에 걸리는 최대 하중(Wmax)은 전체 하중(Wr)에서 어퍼 마운팅 블록(73) 이하의 중량(W)이며, 하중 방향은 중력 방향(아래 쪽)으로 작용한다. 즉 반응관(10)은 인장 하중을 받는다.
반면, 진공 배기시, 반응관(10)에 걸리는 하중 방향은 중력 반대 방향(위쪽)으로 작용한다. 즉 반응관(10)은 압축 하중을 받는다. 압축 하중의 크기는 어퍼 마운팅 블록(73) 이하의 중량(W) 보다도 크다. 따라서 반응관(10)에 걸리는 최대 하중(Wmax)은 진공 배기가 없을 때 인장 하중을 받고, 진공 배기시 압축 하중을 받는다.
제어부(75)는 반응관(10)에 걸리는 하중을 최소화하는 방향으로 댐퍼(72)를 제어하도록 프로그램 되어 있다. 실제로, 하중 방향과 크기는 실제 반응관(10)을 구성하는 크기와 무게 및 조업 방법에 따라 결정될 수 있다.
진공 배기시, 직경(D)인 반응관(10)의 상부 쪽으로 걸리는 음압 하중(Wv)은 π(D/2)2이며, 이 음압 하중(Wv)은 중력 방향과 반대의 방향으로 작용한다. 반응관(10)의 내통(11)은 반응 완료된 마그네슘 단광(B) 슬래그를 배출하기 위하여, 상하로 운동한다. 따라서 변동하중(Wr-Wi)은 반응관(10)의 전체 하중(Wr)에서 내통 하중(Wi)을 고려한 하중이다. 또한 변동하중(Wr-Wi)은 마그네슘 단광(B) 및 슬래그 하중(Wb)을 고려한 하중이다.
마그네슘 열환원 장치에서, 반응관(10)의 진공을 해제하고 반응관(10)에 마그네슘 단광(B)을 장입하면, 반응관(10)은 하부 쪽(중력 방향)으로 인장 응력을 받는다.
따라서 응력 제어부(70)는 댐퍼(72)를 통하여 상향 작용력(중력 방향과 반대 방향의 힘)을 반응관(10)에 작용시키므로 반응관(10)에 작용하는 인장 응력을 완화시킬 수 있다. 즉 반응관(10)에 작용하는 인장 응력이 대부분 완화되고, 반응관(10)의 열변형이 억제될 수 있다.
또한, 진공 연결관(60)을 통하여 반응관(10)을 배기하여 진공 배기시, 반응관(10)은 하부에서 상부 쪽으로 압축 응력을 받는다.
따라서 응력 제어부(70)는 댐퍼(72)를 통하여 하향 작용력을 반응관(10)에 작용시키므로 반응관(10)에 작용하는 압축 응력을 완화시킬 수 있다. 즉 반응관(10)에 작용하는 압축 응력이 대부분 완화되고, 반응관(10)의 열변형이 억제될 수 있다.
이와 같이 반응관(10)에 응력 조절부(70)를 구비하여, 하중에 따라 반응관(10)에 작용하는 응력을 조절함으로써, 고온에서 반응관(10)의 열변형이 억제된다. 따라서 반응관(10)의 파손이 방지 또는 지연되어 반응관(10)의 수명이 연장될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10: 반응관 11: 내통
12: 단열재 14: 배출구
20: 가열로 30: 응축기
31: 워터 재킷 40, 50: 상, 하단 커버
60: 진공 연결관 70: 응력 조절부
71: 서포트 72: 댐퍼
73: 어퍼 마운팅 블록 74: 로워 마운팅 블록
75: 제어부 S1: 제1로드셀
S2: 제2로드셀 B: 마그네슘 단광
D: 직경 Mg: 마그네슘 크라운
Wv: 음압 하중 Wr -Wi: 변동하중
Wr: 전체 하중 Wi: 내통 하중
Wb: 단광 및 슬래그 하중 Wmax: 최대 하중

Claims (4)

  1. 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지는 반응관;
    상기 반응관 외측에 설치되어 상기 반응관을 가열하는 가열로;
    상기 반응관의 상부에 내장되어 상기 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기;
    상기 반응관의 상단에 설치되는 상단 커버;
    상기 반응관의 하단에 설치되는 하단 커버;
    상기 반응관의 내부를 진공으로 설정하는 진공 연결관; 및
    상기 반응관에 연결되어 상기 반응관에 작용하는 하중에 따른 응력을 조절하는 응력 조절부를 포함하고,
    상기 응력 조절부는,
    상기 가열로의 하방으로 관통되는 상기 반응관의 측면에 연결되는 서포트, 및
    상기 서포트에 지지되어 상기 반응관에 작용하는 응력에 저항하는 방향으로 응력을 작용시키는 댐퍼를 포함하는 마그네슘 열환원 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열로의 상방으로 관통되는 상기 반응관을 상기 가열로의 외면에 설치하여 지지하고 제1로드셀을 구비하는 어퍼 마운팅 블록,
    상기 댐퍼를 지지하고 제2로드셀을 구비하는 로워 마운팅 블록, 및
    상기 제1로드셀과 상기 제2로드셀의 하중 신호에 따라 상기 댐퍼를 제어하는 제어부를 포함하는 마그네슘 열환원 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서포트는,
    상기 가열로의 하방에서 상기 하단 커버의 상방에 위치하는 상기 반응관의 외면에 고정되고,
    상기 댐퍼는,
    상기 하단 커버의 외면으로 이격되어 상기 반응관과 나란한 방향으로 설치되는 유압 또는 공압 실린더로 형성되는 마그네슘 열환원 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP3315170B2 (ja) * 1992-11-12 2002-08-19 東邦チタニウム株式会社 金属生成物の押抜き装置
KR20120075148A (ko) * 2010-12-28 2012-07-06 주식회사 포스코 금속 아연 회수장치 및 그 회수방법
KR20130081778A (ko) * 2012-01-10 2013-07-18 재단법인 포항산업과학연구원 온도조절 응축기를 구비한 마그네슘 제조용 열환원장치

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