KR101713599B1 - 합금 제조장치 - Google Patents

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KR101713599B1 KR1020150181118A KR20150181118A KR101713599B1 KR 101713599 B1 KR101713599 B1 KR 101713599B1 KR 1020150181118 A KR1020150181118 A KR 1020150181118A KR 20150181118 A KR20150181118 A KR 20150181118A KR 101713599 B1 KR101713599 B1 KR 101713599B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 전기분해공정을 이용하여 합금을 제조하는 과정에서 양극 전극의 접촉면적을 증대시켜 반응면적을 증가시키고, 이물질이나 가스의 부착을 방지하여 전체적인 반응효율이 향상되는 합금 제조장치를 제공하는 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 합금 제조장치는 제1금속과, 상기 제1금속과는 상이한 제2금속을 원료로 전기분해공정을 이용하여 상기 제1금속과 상기 제2금속의 합금을 제조하는 합금 제조장치로서, 일측이 음극 전극과 연결되며, 전기분해를 위한 전해액이 저장되는 전해조; 상기 전해조에 침지되도록 제공되며, 상기 전해조 측면과 이격되어 튜브 형으로 배열되어 제공되어 양극 전극; 및 상기 양극 전극을 승강 또는 회전 가능토록 지지하는 양극 전극 지지부;를 포함한다.

Description

합금 제조장치 {ALLOY PRODUCING APPARATUS}
본 발명은 전기분해공정을 이용하여 합금을 제조하는 합금 제조장치에 관한 것이다.
희토류는 자석, 형광체, 촉매 및 연마재 등 다양한 분야에 사용되고 있는 필수적인 자원으로서 중국이 세계 희토류 수출량의 대부분을 차지하고 있다. 2010년 중국과 일본의 센카쿠 충돌로 중국이 환경ㆍ자연보호라는 이유로 희토류 수출을 제한하자, 2011년 일부 희토류의 가격은 다섯배 이상으로 급등하였다.
일본은 1차 가공제품 형태로 희토류를 수입한 후 첨단제품에 사용할 수 있는 형태로 희토류를 가공하여 우리나라로 수출하므로, 국내에서는 고부가가치 산업인 희토류 분리정제, 희토류 금속제조 및 제품에 적용하는 기술 개발이 필요하다.
유사 희토류 원소로 분류되는 원자번호 21번 스칸듐(Sc, Scandium)은 알루미늄(Al, Aluminum) 합금에 소량 첨가되는 합금원소로, 상기 스칸듐이 알루미늄 합금에 소량 첨가하게 되면 알루미늄 합금의 기계적 특성, 용접성, 내식성 및 연신율을 크게 향상시키는 것으로 보고되고 있다.
이러한 스칸듐 금속 환원기술은 EP0238185, JP2600282 및 JP5094031 등의 특허에서 제시되어 있으나, 이는 모두 금속 열환원법(Metallothermic reduction)에 근거하고 있다. 한편, 최근 일본 동경대 Okabe 교수 연구팀에서 전기분해(Electrolysis)를 통한 스칸듐 함유 알루미늄 합금 제조공정을 제시(http://www.okabe.iis.u-tokyo.ac.jp/core-to-core/rmw/RMW3/slide/RMW3_20_Harata_T.pdf)하기도 하였다.
도 1은 종래 기술에 따른 합금 제조장치를 이용하여 알루미늄-스칸듐 합금을 제조하는 구성도이다.
도 1을 참고하면, 전기분해법의 경우 용융염(Molten salt) 상태에서 음극 및 양극의 전기화학적 반응에 의하여 음극에서 환원하고자 하는 목적금속이 얻어지고 양극에서는 이산화탄소 또는 염소기체 등이 발생하는 원리로 운영된다.
그러나, 기존공정에서 알루미늄-스칸듐 합금 제조장치는 양극 전극이 단일봉 형태로 용융염 내에 투입되는 형태로 제공되고 있으나, 양극 전극의 표면적이 작고, 반응속도가 느려 반응효율이 낮으며, 반응과정에서 발생하는 가스 등이 배출되지 못하고 양극 전극 표면에 달라붙어 반응효율을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 전기분해공정에 의해 합금을 제조하는 과정에서 양극 전극의 접촉면적을 증대시켜 반응면적을 증가시키고, 이물질이나 가스의 부착을 방지하여 전체적인 반응효율이 향상되는 합금 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 합금 제조장치는 제1금속과, 상기 제1금속과는 상이한 제2금속을 원료로 전기분해공정을 이용하여 상기 제1금속과 상기 제2금속의 합금을 제조하는 합금 제조장치로서, 일측이 음극 전극과 연결되며, 전기분해를 위한 전해질이 저장되는 전해조; 상기 전해조에 침지되도록 제공되며, 상기 전해조 측면과 이격되어 튜브 형으로 배열되어 제공되는 양극 전극; 및 상기 양극 전극을 승강 또는 회전 가능토록 지지하는 양극 전극 지지부;를 포함하고, 상기 양극 전극은, 튜브 형태를 이루도록 일정간격으로 다분할되어 배열되는 다수의 양극 전극편을 포함하고, 상기 양극 전극은, 양극으로 대전되는 중앙 전극과, 상기 중앙 전극에서 주변부로 확장되며 상기 양극 전극편을 각각 전기적으로 연결하도록 결합되는 지지브래킷을 더 포함하고, 상기 양극 전극 지지부는, 상기 전해조의 일측 또는 상기 전해조의 인접부에 설치되는 승강지지부와, 상기 승강지지부에 승강 가능하게 제공되며 상기 전해조로 연장되는 연장지지부와, 상기 연장지지부의 일측에 제공되어 상기 중앙 전극을 전기적으로 연결하며 지지하는 전극 슬리브를 포함한다.
여기서, 상기 양극 전극은 비중이 적어도 1.83인 탄소소재로 형성될 수 있다.
또한, 상기 양극 전극은 상기 연장지지부의 일측에 상기 중앙 전극을 회전시키도록 제공되는 회전유닛을 더 포함할 수 있다.
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여기서, 상기 제1금속은 산화 알루미늄(Al2O3)을 포함하고, 상기 제2금속은 산화 스칸듐(Sc2O3)을 포함하고, 상기 제1금속과 상기 제2금속의 합금은 알루미늄-스칸듐(Al3-Sc) 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극 전극의 실질적인 접촉면적이 증가되어 반응속도를 빠르게 할 수 있고, 이에 따라 반응효율도 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 전체적으로 알루미늄-스칸듐 합금의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는 양극 전극이 분할되어 제공되고, 회전구동이 가능토록 제공됨에 따라 전해질을 교반시킬 수 있고, 이에 따라 전해질에 투입되는 용융염이 교반되며 잘 용융될 수 있고, 반응과정에서 발생하는 이물질이나 가스가 양극 전극에 부착되지 않고 쉽게 배출될 수 있어 반응성 향상 및 이물질의 부착 등에 의한 성능 저하를 방지할 수 있어 품질 향상에 기여하며, 유지보수에도 유리한 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 합금 제조장치를 이용하여 알루미늄-스칸듐 합금을 제조하는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 제조장치를 이용하여 알루미늄-스칸듐 합금을 제조하는 구성도.
도 3의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 제조장치의 양극 전극의 단면도.
도 4의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 제조장치의 양극 전극의 정면도와 평면도.
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. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 제조장치를 이용하여 알루미늄-스칸듐 합금을 제조하는 구성도이고, 도 3의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 제조장치의 양극 전극의 단면도이며, 도 4의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 제조장치의 양극 전극의 정면도와 평면도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예의 합금 제조장치(100)는 전기분해 공정을 이용하여 칼슘 등의 불순물이 거의 혼입되지 않은 고순도 합금을 제조하는 장치이다.
구체적으로 본 실시예에서 합금 제조장치(100)는, 제1금속과, 제1금속과는 상이한 제2금속을 원료로 전기분해공정을 이용하여 제1금속과 제2금속의 합금을 제조할 수 있다. 일례로, 본 실시예에서 제1금속은 산화 알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있고, 제2금속은 산화 스칸듐(Sc2O3)을 포함할 수 있으며, 제1금속과 제2금속의 합금은 알루미늄-스칸듐(Al3 -Sc) 합금을 포함할 수 있다.
이를 위한 본 실시예의 합금 제조장치(100)는 음극 전극과 연결되는 전해조(110)와, 양극 전극(130) 및 양극 전극 지지부(140)를 포함할 수 있다.
전해조(110)는 전도성 소재로 형성될 수 있으며, 내부에 전해질이 저장되는 수용공간이 형성될 수 있다. 전해조(110)는 스틸 쉘(steel shell), 예컨대 스테인리스 스틸, 텅스텐 등으로 제조될 수 있다.
또한, 전해조(110)의 하부 일측에는 (-) 전류를 공급하기 위한 음극 전극(120)이 삽입되며, 이 음극 전극(120)은 전해조(110)를 매개로 전해질(112)과 통전되며, 전해질(112)을 통해 양극 전극(130)과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 실시예에서 음극 전극(120)은, 전도성 재질로 일례로 스테인리스 스틸, 텅스텐 등으로 제조될 수 있다.
또한, 양극 전극(130)은 전해조(110)의 측면과 이격되어 제공될 수 있으며, 전체적으로 튜브 형으로 배열될 수 있다. 이러한 양극 전극(130)은 전해조(110)에 저장된 전해질(112)에 침전될 수 있다.
본 실시예에서 전기분해공정은, 통상적인 알루미늄 전해 공정인 홀-에룰트(Hall-Heroult) 공정으로 이루어질 수 있다. 일례로, 홀-에룰트 공정은 용융염을 전해질(112)로 사용하고, 양극 전극(130)으로는 탄소소재를 사용되며 음극 전극(120)으로는 알루미늄 액체가 사용되는 공정이다. 이러한 홀-에룰트 공정에서는 산화 알루미늄이 용융염의 염 중에 용해되고, 강한 직류 전류가 도입되고 고온의 온도에서 양극 전극(130) 및 음극 전극(120)에서 전기화학 반응이 수행됨으로 인하여 음극 전극(130)에서 알루미늄이 수득될 수 있다.
한편, 본 실시예의 합금 제조장치를 이용하여 알루미늄-스칸듐 합금을 제조하는 공정은, 혼합 불화물을 포함하는 용융염을 전해질로 사용할 수 있으며, 산화 알루미늄 및 산화 스칸듐을 용융염의 염 중에 용해되는 반응 원료로 사용할 수 있다.
본 실시예는 전해조에 전기화학반응이 수행됨에 따라 아래의 화학식 1에 의해 고순도의 알루미늄-스칸듐 합금을 제조할 수 있다.
Figure 112015123995177-pat00001
또한, 전해조(110)의 하부에는 알루미늄이 전해질(112)에 침지된 상태로 위치될 수 있으며, 전해조(110)의 반응온도가 알루미늄 용점 이상으로 유지됨에 따라 알루미늄이 용해되어 액체 상태로 존재하며 실질적으로 음극 전극(120)의 역할을 하게 된다.
본 실시예에서 양극 전극(130)은 용융염을 포함하는 전해질에 녹지 않으면서, 전도율이 높은 불활성 전극, 예컨대 탄소소재의 양극 전극(130)이 사용될 수 있다.
바람직하게는 양극 전극(130)은 비중이 적어도 1.83인 탄소소재로 형성될 수 있다. 다만, 양극 전극(130)의 비중은 최적의 효과를 위한 조건으로, 본 실시예에서 해 한정되지는 않으며, 전류 또는 전해질(112)의 농도 등에 의해 변경되거나 유사 규격으로 사용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 양극 전극(130)은 도 3의 (a)와 같이 내부가 중공된 단일구조의 튜브형태로 제공될 수 있으며, 여기서 양극 전극(130)의 내경과 외경, 높이는 전기 분해 공정에 사용되는 전해조(110)의 내부 직경 및 깊이에 의해 결정될 수 있으며, 양극 전극(130)의 높이는 전해조(110)의 하부에 위치한 알루미늄 액체가 용융염을 포함하는 전해질(112)로 혼재되는 것을 방지할 수 있는 높이로 결정되는 것이 바람직하다.
이러한 양극 전극(130)은, 내측면과 외측면 및 하부면이 전해질(112)에 침지되어 전류를 공급하게 되므로, 전체적으로 전극면적을 증가시킬 수 있는 구조이다.
한편, 양극 전극(130)은, 전극면적의 증가를 위해 다양한 형태로 변형되는 것도 가능하다. 일례로, 도 3의 (b)를 참고하면, 양극 전극(130)은 전체적으로 튜브형으로 배열되되, 일정간격으로 다분할되어 배열되는 다수의 양극 전극편(132)으로 제공되는 것도 가능하다. 일례로, 양극 전극(130)은 4등분 한 형태일 수 있으며, 그 외에도 2등, 6등분 등과 같이 다수로 분할된 구조로 제공되는 것도 가능하다.
구체적으로 양극 전극(130)이 4등분 한 양극 전극편(132)으로 제공되는 구조에 대해 살펴보면, 양극 전극(130)은, 양극으로 대전되는 중앙 전극(134)과, 이 중앙 전극(134)의 둘레에 4등분 한 양극 전극편(132)이 튜브형으로 배열됩니다.
또한, 중앙 전극(134)에는 주변부로 확장되어 튜브형으로 배열된 양극 전극편(132)을 각각 전기적으로 연결하도록 결합되는 지지브래킷(136)을 포함할 수 있습니다.
지지브래킷(136)은, 중앙 전극(134) 또는 양극 전극편(132)과 각각 용접에 의해 결합될 수 있으며, 용접 외에도 볼트(B) 등의 체결부재로 결합될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 양극 전극(130)은, 양극 전극 지지부(140)에 의해 승강 또는 회전 가능하도록 지지될 수 있다.
양극 전극 지지부(140)는, 전해조(110)의 일측에 제공될 수 있으며, 전해조(110)와 분리되어 전해조(110)와 인접한 작업면에 설치되는 승강지지부(142)를 포함할 수 있고, 이 승강지지부(142)에는 전해조(110)의 상부로 연장되는 연장지지부(144)가 제공될 수 있다.
연장지지부(144)는 승강지지부(142)를 따라 승강 가능하게 제공될 수 있다.
또한, 연장지지부(144)의 일측에는 양극 전극(130), 구체적으로 양극 전극(130)의 중앙 전극(134)을 전기적으로 연결하며 지지하는 전극 슬리브(146)가 제공될 수 있다.
또한, 양극 전극 지지부(140)는, 일측에 (+) 전류를 공급하기 위한 케이블(141)이 연결될 수 있다. 이때, 연장지지부(144)는 전도체로 제공될 수 있고, 케이블(141)은 연장지지부(144)를 매개로 중앙 전극(134)으로 전류를 공급하도록 연결될 수 있다.
바람직하게는 연장지지부(144)는 케이블(141)과 연결되는 부분 및 중앙 전극(134)과 접지되는 부분을 제외한 부분은 절연체로 절연될 수 있다.
바람직하게는, 본 실시예에서 전극 슬리브(146)는 양극 전극(130)을 회전 가능하게 지지할 수 있다. 전극 슬리브(146)는 중앙 전극(134)이 회전하더라도 전기적으로 연결될 수 있도록 연속적으로 접지되는 슬립링 구조가 구비될 수 있다.
중앙 전극(134)이 전기적으로 연결되는 구조는 슬립링 구조로 한정되지 않으며, 그 외에도 다양한 방식으로 연결될 수 있다.
일례로, 중앙 전극(134)에는 (+) 전류를 공급하기 위한 케이블(141)이 직접 연결되는 것도 가능하다. 이를 위해, 중앙 전극(134)의 단부에는 (+) 전류를 공급하는 케이블(141)과 직접 연결되는 로터리 베어링이 설치될 수 있다. 로터리 베어링은 내부에 슬립링 구조가 내장된 형태로, 중앙 전극(134)이 회전하더라도 연속적으로 접지되며 전류를 공급할 수 있다.
또한, 양극 전극(130)은, 연속적으로 회전할 수 있도록 제공될 수 있으며, 이를 위해 양극 전극 지지부(140)에는 중앙 전극(134)을 회전시키기 위한 회전유닛(150)이 제공될 수 있다.
회전유닛(150)은, 연장지지부(144)의 일측에 설치된 모터(152)를 포함할 수 있다. 또한, 모터(152)의 구동축(152a) 일측에는 풀리(154) 또는 스프라켓이 구비될 수 있다.
또한, 중앙 전극(134)의 일측에는 풀리(134a) 또는 스프라켓이 구비될 수 있으며, 벨트(156) 또는 체인 등의 연결부재를 매개로 모터(152) 구동축(154)의 풀리(154a) 또는 스프라겟과 연결되며 회전될 수 있다.
한편, 회전유닛(150)은, 모터(152) 및 이와 연계되는 풀리(154a, 134a), 스프라켓 등이 벨트(156) 또는 체인에 의해 연결되어 회전하는 것으로 개시되어 있으나, 모터(152)의 구동축(154)과 중앙 전극(134)에 조합되는 기어 부재에 의해 회전력을 전달하도록 연결되는 것도 가능하다.
본 실시예에서, 모터(152)의 회전속도는 20 내지 100 rpm으로 회전하는 것이 바람직하다. 이때, 모터(152)의 회전속도가 20 rpm 미만일 경우, 양극 전극(130)의 회전에 의한 전해질의 교반효과가 떨어질 수 있다. 또한, 모터(152)의 회전속도가 100 rpm 초과일 경우, 용융 알루미늄이 용융염으로 혼재되어 음극으로서의 역할을 상실할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 합금 제조장치 110: 전해조
112: 전해질 120: 음극 전극
130: 양극 전극 132: 양극 전극편
134: 중앙 전극 136: 지지브래킷
140: 양극 전극 지지부 142: 승강지지부
144: 연장지지부 146: 전극 슬리브
150: 회전유닛 152: 모터

Claims (7)

  1. 제1금속과, 상기 제1금속과는 상이한 제2금속을 원료로 전기분해공정을 이용하여 상기 제1금속과 상기 제2금속의 합금을 제조하는 합금 제조장치로서, 일측이 음극 전극과 연결되며, 전기분해를 위한 전해질이 저장되는 전해조; 상기 전해조에 침지되도록 제공되며, 상기 전해조 측면과 이격되어 튜브 형으로 배열되어 제공되는 양극 전극; 및 상기 양극 전극을 승강 또는 회전 가능토록 지지하는 양극 전극 지지부;를 포함하고,
    상기 양극 전극은, 튜브 형태를 이루도록 일정간격으로 다분할되어 배열되는 다수의 양극 전극편을 포함하고,
    상기 양극 전극은, 양극으로 대전되는 중앙 전극과, 상기 중앙 전극에서 주변부로 확장되며 상기 양극 전극편을 각각 전기적으로 연결하도록 결합되는 지지브래킷을 더 포함하고,
    상기 양극 전극 지지부는, 상기 전해조의 일측 또는 상기 전해조의 인접부에 설치되는 승강지지부와, 상기 승강지지부에 승강 가능하게 제공되며 상기 전해조로 연장되는 연장지지부와, 상기 연장지지부의 일측에 제공되어 상기 중앙 전극을 전기적으로 연결하며 지지하는 전극 슬리브를 포함하는 합금 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 전극은 비중이 적어도 1.83인 탄소소재로 형성되는 합금 제조장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 양극 전극 지지부는,
    상기 연장지지부의 일측에 상기 중앙 전극을 회전시키도록 제공되는 회전유닛을 더 포함하는 합금 제조장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
    상기 제1금속은 산화 알루미늄(Al2O3)을 포함하고,
    상기 제2금속은 산화 스칸듐(Sc2O3)을 포함하고,
    상기 제1금속과 상기 제2금속의 합금은 알루미늄-스칸듐(Al3-Sc) 합금을 포함하는 합금 제조장치.
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