KR101793471B1 - Refining Method of Metal Using Electroreduction and Electrorefining process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속 정련 방법에 관한 것으로, 상세하게, 금속산화물을 원료로 하여, 친환경적인 안전한 방법으로 고순도의 금속을 제조할 수 있으며, 산소 함유량이 현저히 낮은 고품질의 금속을 제조할 수 있는 금속 정련 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a metal refining method, and more particularly, to a metal refining method capable of producing a high-purity metal by using a metal oxide as a raw material in an environment-friendly and safe manner and producing a high quality metal having a significantly low oxygen content .
기존의 지르코늄 및 티타늄 금속 산화물의 환원 공정의 대표적인 방법으로 크롤(Kroll) 공정(미국등록특허 5,035,404)을 들 수 있다. 크롤(Kroll) 공정은 염화공정을 기반한 공정으로, 마그네슘을 이용하여 염화지르코늄 또는 티타늄을 환원시키기 때문에 그 공정이 복잡하고 염소 가스 발생확률이 높아 환경적으로 문제가 되고 있으며, 공정 안전성 또한 떨어지는 문제가 있다. 기존의 크롤 공정을 대체할 만한 공정으로 전해 환원 공정이 연구 되고 있으며 이는 전구체로 사용하는 물질에 형태를 유지할 수 있는 장점과 염소가스가 발생하지 않는 장점 등의 여러 장점을 가지고 있으나, 회수하는 금속이 아직 티타늄 및 탄탈륨 등 일부 계열로 한정되어 있고 회수하는 금속의 형태가 분말 또는 다공질 형태로 한정되어 있어 공정 후 산소 농도 제어가 어려운 문제점이 있다. 이러한 생성물의 큰 표면적으로부터 야기되는 높은 산소농도를 제어할 수 있는 방안으로 용융산화물 전해질을 이용한 전해환원법이 보고(Antoine Allanore, Journal of The Electrochemical Society, 162 (1) (2015) E13-E22)되었으나, 이 공정은 산화물원료를 용융시키기 위하여 1500 ℃이상의 고온이 필요하며, Ti 및 Zr과 같이 융점이 1700 ℃ 이상에 달하는 고융점 금속에 적용하기에는 한계를 지니고 있다. 이를 극복하기 위해서는, 전해질 내에서 전해환원 반응에 의해 생성된 Ti 및 Zr 목적 금속이 재산화가 일어나지 않도록 비표면적을 낮춰야 하지만 Ti 및 Zr의 경우 용융에 의한 비표면적 감소는 현실적으로 불가능한 실정이다.A typical process for the reduction of existing zirconium and titanium metal oxides is the Kroll process (US 5,035,404). The Kroll process is a process based on a chlorination process. Since magnesium is used to reduce zirconium chloride or titanium, the process is complicated and the probability of chlorine gas generation is high, which is an environmental problem. have. The electrolytic reduction process has been studied as a substitute for the existing crawl process. It has many advantages such as maintaining the shape of the precursor material and the advantage of not generating chlorine gas. However, There is still a problem in that the oxygen concentration after the process is difficult to control since the metal is limited to some types such as titanium and tantalum and the recovered metal is limited to powder or porous form. An electrolytic reduction method using a molten oxide electrolyte has been reported as an approach to control a high oxygen concentration caused by a large surface area of such a product (Antoine Allanore, Journal of The Electrochemical Society, 162 (1) (2015) E13-E22) This process requires a high temperature of 1500 ° C or higher in order to melt the oxide raw material and has a limit to be applied to a high melting point metal having a melting point of 1700 ° C or higher like Ti and Zr. In order to overcome this problem, it is necessary to lower the specific surface area of the Ti and Zr target metals produced by the electrolytic reduction reaction in the electrolyte so as not to cause reoxidation. However, in the case of Ti and Zr, the reduction of the specific surface area due to melting is practically impossible.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 염화 공정이 불필요하여 친환경적이며 안전한 방법으로 금속산화물로부터 고순도의 금속을 제조할 수 있는 금속 정련방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a metal refining method capable of producing a high purity metal from a metal oxide by an environmentally friendly and safe method that does not require a chlorination step will be.
본 발명의 다른 목적은, 금속산화물로부터 산소 함유량이 현저히 낮은 고품질의 금속을 제조할 수 있는 금속 정련방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a metal refining method capable of producing a high-quality metal having a remarkably low oxygen content from a metal oxide.
본 발명의 또 다른 목적은, 상대적으로 저온 공정이 가능하여 에너지 효율적이며 단순한 공정을 가져 상업화에 유리한 금속 정련방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a metal refining method which is advantageous for commercialization because it is possible to perform a relatively low temperature process and has an energy efficient and simple process.
본 발명에 따른 금속 정련방법은 금속 산화물의 금속인 제1금속과 공정상(eutectic phase)을 형성하는 액체 금속 음극을 이용하여 상기 금속 산화물을 포함하는 원료를 전해환원시켜, 상기 제1금속과 상기 액체 금속 음극의 금속인 제2금속간의 합금(alloy)을 제조하는 전해환원 단계; 및 고화된 상기 합금을 전해정련하여, 상기 합금으로부터 제1금속을 회수하는 전해정련 단계;를 포함한다.The metal refining method according to the present invention comprises the steps of electrolytically reducing a raw material containing a metal oxide by using a liquid metal anode forming a process phase (eutectic phase) with a first metal which is a metal of a metal oxide, An electrolytic reduction step of producing an alloy between a second metal which is a metal of the liquid metal cathode; And electrolytically refining the solidified alloy to recover the first metal from the alloy.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 금속 산화물은 하기 화학식 1을 만족할 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the metal oxide may satisfy the following formula (1).
(화학식 1)(Formula 1)
MxOy M x O y
화학식 1에서, M은 환원 대상 금속인 제1금속으로, 액체 금속 음극의 금속인 제2금속의 표준환원전위보다 음의 표준환원 전위를 갖는 금속이며, x는 1~3의 자연수이며, y는 1~4의 자연수이다.Wherein M is a metal which is a metal to be reduced and is a metal having a negative standard reduction potential with respect to a standard reduction potential of a second metal which is a metal of the liquid metal cathode, x is a natural number of 1 to 3, y is It is a natural number from 1 to 4.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 금속산화물은 ZrO2, TiO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, ZnO, Co3O4, MnO, Cr2O3, Ta2O5, Ga2O3, Pb3O4, SnO 및 Ag2O에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the metal oxide is ZrO 2, TiO 2, WO 3 , Fe 2
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 제2금속은 Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd 및 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the second metal may be selected from Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd, and alloys thereof.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 전해환원 단계의 전해질은 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물의 용융염을 포함할 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the electrolyte in the electrolytic reduction step may include a molten salt of a halide of a metal selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 전해환원 단계의 전해질은 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 산화물인 첨가제를 더 포함할 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the electrolyte in the electrolytic reduction step may further include an additive which is an oxide of one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 전해환원에서 수득되는 합금의 고화는 상기 전해환원시의 액체 금속 음극의 온도에서 상온으로 20℃/min 이하의 냉각 속도로 서냉되어 고화될 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the solidification of the alloy obtained by the electrolytic reduction is slowly cooled to a room temperature at a cooling rate of 20 DEG C / min or less at the temperature of the liquid metal cathode during the electrolytic reduction, .
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 액체 금속 음극의 온도는 1100℃ 내지 1200℃일 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the temperature of the liquid metal cathode may be 1100 ° C to 1200 ° C.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 합금은 2.1중량% 이상의 제1금속을 함유할 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the alloy may contain at least 2.1 wt% of the first metal.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 상기 액체 금속 음극은 액체 구리 음극이며, 상기 금속산화물을 산화지르코늄을 포함할 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the liquid metal cathode may be a liquid copper cathode, and the metal oxide may include zirconium oxide.
본 발명에 따른 정련 방법은 전해환원 공정으로 지르코늄을 제련하기 때문에, 염화공정이 불필요하여, 친환경적이며 안정성이 우수한 공정인 장점이 있다. The refining method according to the present invention is advantageous in that it is environment-friendly and excellent in stability because a zirconium is smelted by an electrolytic reduction process, and thus a chlorination step is not necessary.
또한, 본 발명에 따른 정련 방법은 액체 금속 음극, 특히 산소 용해도가 매우 낮은 액체 구리 음극을 이용하여 목적하는 금속을 합금 형태로 회수함에 따라 용존 산소량 억제가 가능한 장점이 있다. Further, the refining method according to the present invention is advantageous in that the amount of dissolved oxygen can be reduced by recovering a target metal in the form of an alloy using a liquid metal cathode, particularly a liquid copper anode having a very low solubility of oxygen.
또한 본 발명에 따른 정련 방법은 액체 금속 음극의 금속으로, 목적하는 금속의 표준 환원전위 값보다 양의 표준환원 전위를 갖는 금속을 사용하고, 금속간화합물 형성에 따른 구동력에의해, 목적하는 금속의 환원 전위 값을 양의 방향으로 증가시키기 때문에 환원이 보다 용이하게 수행되는 장점이 있다. Further, the refining method according to the present invention uses a metal having a positive standard reduction potential higher than the standard reduction potential of a target metal, as a metal of a liquid metal cathode, The reducing potential is increased in the positive direction, so that the reduction can be performed more easily.
또한 본 발명에 따른 정련 방법은 액체 금속 음극과 목적하는 금속과의 공정반응으로 순수 목적금속 용융온도보다 상대적으로 저온에서 공정이 가능하여 에너지 효율적이며 단순한 공정을 가져 상업화에 유리한 금속 정련방법을 제공하는 것이다.Further, the refining method according to the present invention provides a metal refining method which is advantageous for commercialization because it can be processed at a relatively lower temperature than a pure target metal melting temperature by a process reaction between a liquid metal cathode and a desired metal, will be.
또한 본 발명에 따른 정련 방법은 전해 환원에서 수득되는 합금을 고화시켜, 고상의 합금을 전해 정련함에 따라, 향상된 효율을 가지면서도 매우 순도가 높은 금속을 제조할 수 있는 장점이 있다.Further, the refining method according to the present invention is advantageous in that an alloy obtained by electrolytic reduction is solidified and a refined alloy of a solid phase is electrolytically refined to produce a highly pure metal with improved efficiency.
또한, 본 발명에 따른 정련 방법은 액체 금속 음극의 금속으로, 목적하는 금속이 거의 고용되지 않으며 목적하는 금속과 금속간화합물을 형성하는 금속을 사용함에 따라, 전해 환원되는 고상 합금의 안정적이며 효율적인 환원이 가능하며, 두꺼운 고상 합금의 환원 또한 가능한 장점이 있다. Further, the refining method according to the present invention is a refining method of a liquid metal anode, in which a target metal is hardly dissolved and a metal that forms an intermetallic compound with a desired metal is used, so that the stable and efficient reduction And it is also possible to reduce a thick solid alloy.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련 방법에서, 전해환원 공정을 도시한 일 공정도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련 방법에서, 전해정련 공정을 도시한 일 공정도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어, 전해환원 공정에서 수득된 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어 전해환원 공정에서 수득된 다른 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어 전해환원 공정에서 수득된 또 다른 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어 전해환원 공정에서 수득된 또 다른 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어 전해환원 공정에서 수득된 합금의 X-선 회절 시험 결과를 도시한 도면이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어 전해정련 공정에서 음극과 양극을 관찰한 광학사진, 주사전자현미경 사진 및 EDS 원소 분석 결과를 도시한 도면이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 있어 전해정련 공정이 수행된 후 양극의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진이며,
도 10은 1.21중량% Cu를 함유하는 Cu-Zr 합금의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.1 is a process diagram showing an electrolytic reduction process in a metal refining method according to an embodiment of the present invention,
2 is a process diagram showing an electrolytic refining process in the metal refining method according to an embodiment of the present invention,
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of an alloy obtained in an electrolytic reduction process in an embodiment of the present invention,
4 is a scanning electron microscope (SEM) image of the structure of another alloy obtained in the electrolytic reduction process according to an embodiment of the present invention,
5 is a scanning electron microscope (SEM) image of another alloy obtained in an electrolytic reduction process in an embodiment of the present invention,
6 is a scanning electron microscope (SEM) image of another alloy obtained in an electrolytic reduction process in an embodiment of the present invention,
7 is a graph showing the results of an X-ray diffraction test of an alloy obtained in an electrolytic reduction process in an embodiment of the present invention,
8 is a view showing an optical photograph, a scanning electron microscope photograph and an EDS elemental analysis result of an anode and an anode observed in an electrolytic refining step in an embodiment of the present invention,
FIG. 9 is a scanning electron microscope (SEM) image of a cathode taken along an electrolytic refining process in an embodiment of the present invention,
10 is a scanning electron microscope (SEM) image of a Cu-Zr alloy containing 1.21 wt% Cu.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 금속 정련 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a metal refining method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the following drawings may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
본 발명에 따른 금속 정련방법은 금속 산화물의 금속인 제1금속과 공정상(eutectic phase)을 형성하는 액체 금속 음극을 이용하여 상기 금속 산화물을 포함하는 원료를 전해환원시켜, 상기 제1금속과 상기 액체 금속 음극의 금속인 제2금속간의 합금(intermetallic alloy)을 제조하는 전해환원 단계; 및 고화된 상기 합금을 전해정련하여, 상기 합금으로부터 제1금속을 회수하는 전해정련 단계;를 포함한다.The metal refining method according to the present invention comprises the steps of electrolytically reducing a raw material containing a metal oxide by using a liquid metal anode forming a process phase (eutectic phase) with a first metal which is a metal of a metal oxide, An electrolytic reduction step of producing an intermetallic alloy between the first metal and the second metal; And electrolytically refining the solidified alloy to recover the first metal from the alloy.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 정련방법은, 금속산화물을 포함하는 원료를 전해 환원시키되, 액체 금속 음극이 목적하는 금속(금속산화물의 금속인 제1금속)과 공정상(Eutectic Phase)을 형성함에 따라, 금속산화물의 금속(제1금속)이 전해 환원됨과 동시에 공정 반응(Eutectic reaction)에 의해 금속(제1금속)의 용융점이 낮아져 상대적으로 낮은 온도에서 효과적으로 전해 환원이 이루어질 수 있으며, 나아가, 공정 반응에 의해 액상의 합금(제1금속과 제2금속의 합금) 상태로 환원 금속(제1금속)이 수득됨에 따라 산소에 의한 오염을 현저하게 방지할 수 있다. 또한, 원료에 함유되는 금속산화물이 금속으로 전해 환원되기 어려운 물질이라 하더라도 액체 금속 음극의 금속인 제2금속과 목적하는 금속인 제1금속간의 표준 산화환원 전위 차이를 이용하여, 전해 정련 공정에서 보다 용이하게 금속산화물을 환원시킬 수 있는 장점이 있다. 즉, 제1금속의 표준환원전위보다 양의 표준환원전위를 갖는 금속을 액체 금속 음극의 금속으로 사용하는 경우, 액체 금속 음극에 의해 제1금속의 표준환원전위 값이 양의 방향으로 이동하게 되어 금속의 전해 환원이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.As described above, the metal refining method according to the present invention is a method of refining a raw material containing a metal oxide by electrolytically reducing the metal oxide, and a liquid metal cathode is subjected to an eutectic phase with a target metal (a first metal which is a metal of a metal oxide) The metal (metal) of the metal oxide (the first metal) is electrolytically reduced and the melting point of the metal (the first metal) is lowered by the eutectic reaction, so that the electrolytic reduction can be effectively performed at a relatively low temperature, , The reduction metal (first metal) is obtained in the form of a liquid alloy (an alloy of the first metal and the second metal) by the process reaction, so that contamination by oxygen can be remarkably prevented. Further, even if the metal oxide contained in the raw material is a substance which is difficult to be electrolytically reduced by the metal, the difference between the standard redox potential difference between the second metal which is the metal of the liquid metal cathode and the first metal, There is an advantage that the metal oxide can be easily reduced. That is, when a metal having a positive standard reduction potential than the standard reduction potential of the first metal is used as the metal of the liquid metal negative electrode, the standard reduction potential value of the first metal is shifted in the positive direction by the liquid metal negative electrode The electrolytic reduction of the metal can be made easier.
또한, 본 발명에 따른 금속 정련방법은, 전해 환원에 의해 수득되는 액상의 합금을 고화시킨 후, 고상의 합금을 전해정련하여 목적하는 금속을 수득함에 따라, 단순한 스택화에 의해 목적하는 금속의 정련율(생산성)을 크게 향상시킬 수 있어 상업화에 유리한 장점이 있다. 또한, 액상의 합금을 고화시켜 우수한 전도성을 갖는 잉곳의 형태로 전해정련이 수행됨에 따라, 형태 가공 이외의 별도의 전처리 없이 효과적이며 용이하게 전해정련이 이루어질 수 있다. 특히, 고화시켜 전해 정련을 수행하는 경우, 정련 시 반응 면적을 높이기 용이하기 때문에 효율적인 측면에서 유리하다. Further, the metal refining method of the present invention is a refining method of a metal according to the present invention, in which a liquid alloy obtained by electrolytic reduction is solidified and then a solid alloy is electrolytically refined to obtain a desired metal, (Productivity) can be greatly improved, which is advantageous for commercialization. In addition, electrolytic refining is performed in the form of an ingot having a good conductivity by solidifying a liquid-phase alloy, so electrolytic refining can be effectively and easily performed without any other pretreatment other than the shape processing. Particularly, when electrolytic refining is performed by solidification, it is advantageous in terms of efficiency because it is easy to raise the reaction area during refining.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에 있어, 원료에 함유되는 금속 산화물은 하기 화학식 1을 만족할 수 있다.In the metal refining method according to an embodiment of the present invention, the metal oxide contained in the raw material may satisfy the following chemical formula (1).
(화학식 1)(Formula 1)
MxOy M x O y
화학식 1에서, M은 환원 대상 금속인 제1금속으로, 액체 금속 음극의 금속인 제2금속의 표준환원전위보다 음의 표준환원 전위를 갖는 금속이며, x는 1~3의 자연수이며, y는 1~4의 자연수이다.Wherein M is a metal which is a metal to be reduced and is a metal having a negative standard reduction potential with respect to a standard reduction potential of a second metal which is a metal of the liquid metal cathode, x is a natural number of 1 to 3, y is It is a natural number from 1 to 4.
화학식 1에 따른 금속산화물은, 액체 금속 음극의 금속인 제2금속의 표준환원전위보다 음의 표준환원전위를 갖는 제1금속의 산화물임에 따라, 전해환원시 액체 금속 음극에 의해 제1금속의 표준환원전위 값이 양의 방향으로 증가되어 설사 전해환원이 어려운 금속산화물이라도 용이하게 금속으로 환원될 수 있다. The metal oxide according to Formula 1 is an oxide of the first metal having a negative standard reduction potential that is lower than the standard reduction potential of the second metal that is the metal of the liquid metal cathode, Even if the standard reduction potential value is increased in the positive direction, even if the metal oxide is difficult to electrolytically reduce, it can be easily reduced to a metal.
구체적인 일 예로, 금속산화물은 ZrO2, TiO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, ZnO, Co3O4, MnO, Cr2O3, Ta2O5, Ga2O3, Pb3O4, SnO 및 Ag2O에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으나, 본 발명이 금속산화물의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.Examples specific one, the metal oxide is ZrO 2, TiO 2, WO 3 , Fe 2
이를 달리 표현하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법은 정련하고자 하는 금속(제1금속)을 선정하는 단계; 선정된 금속(제1금속)과 공용상(eutectic phase)을 형성하는 액체 금속 음극의 금속(제2금속)을 선정하는 단계; 및 선정된 액체 금속 음극을 이용하여 선정된 금속의 산화물을 함유하는 원료를 전해환원하는 단계;를 포함할 수 있다. 또한, 제2금속을 선정하는 단계는, 제1금속과 공용상(eutectic phase)을 형성함과 동시에, 제1금속의 표준환원전위를 기준으로, 제1금속의 표준환원전위보다 양의 표준환원 전위를 갖는 금속을 액체 금속 음극의 금속(제2금속)으로 선정하는 단계를 포함할 수 있다.In other words, the metal refining method according to an embodiment of the present invention includes the steps of: selecting a metal (first metal) to be refined; Selecting a metal (second metal) of a liquid metal cathode forming a common eutectic phase with a selected metal (first metal); And electrolytically reducing the raw material containing the oxide of the selected metal using the selected liquid metal cathode. Also, the step of selecting the second metal may include forming a eutectic phase with the first metal and, at the same time, performing a standard reduction of the first metal more than the standard reduction potential of the first metal, And selecting the metal having the dislocation as the metal (second metal) of the liquid metal cathode.
액체 금속 음극은 상술한 공용상(eutectic phase) 형성 조건 및 제1금속의 표준환원전위보다 양의 표준환원 전위를 갖는 조건을 만족하는 금속이면 사용 가능하다. 그러나, 공융상 형성과 함께 가능한 낮은 공정 온도를 갖기 위해, 제2금속은 상술한 조건을 만족함과 동시에 낮은 용융점을 갖는 금속인 것이 유리하다.The liquid metal cathode can be used as long as it meets the above-mentioned conditions of eutectic phase formation and conditions that have a standard reduction potential higher than the standard reduction potential of the first metal. However, in order to have a process temperature as low as possible with the eutectic phase formation, it is advantageous that the second metal satisfies the above-mentioned conditions and has a low melting point.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 정련방법에서, 전해환원이 수행된 후, 전해환원 공정에서 수득되는 제1금속과 제2금속의 액상 합금이 고화되고, 고화된 합금의 전해정련이 수행된다. 이에 따라 액체 금속 음극의 금속인 제2금속은 제1금속을 가능한 고용하지 않으며 제1금속과 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하는 금속인 것이 유리하다. 이는, 제2금속이 제1금속과 고용체(solid solution)를 형성하거나 제1금속의 고용한도(solubility limit)가 높은 경우, 고화된 합금의 중심에서 표면으로의 제1금속의 확산(diffusion) 속도에 의해 전해정련의 속도가 결정되어, 전해정련의 효율이 현저하게 떨어질 위험이 있기 때문이다. Further, in the metal refining method according to an embodiment of the present invention, after the electrolytic reduction is performed, the liquid alloy of the first metal and the second metal obtained in the electrolytic reduction process is solidified, and electrolytic refining of the solidified alloy is performed do. Accordingly, it is advantageous that the second metal, which is the metal of the liquid metal cathode, is a metal that does not solubilize the first metal as much as possible and that forms an intermetallic compound with the first metal. This is because when the second metal forms a solid solution with the first metal or when the solubility limit of the first metal is high, the diffusion rate of the first metal from the center of the solidified alloy to the surface The speed of electrolytic refining is determined by the electrolytic refining process, and the electrolytic refining efficiency is significantly lowered.
이에 따라, 제2금속을 선정하는 단계는, 제1금속과 공용상(eutectic phase)을 형성함과 동시에, 제1금속의 표준환원전위를 기준으로 제1금속의 표준환원전위보다 양의 표준환원 전위를 가지며, 제1금속과 금속간화합물을 형성하는 금속을 액체 금속 음극의 금속(제2금속)으로 선정하는 단계를 포함할 수 있다.Accordingly, the step of selecting the second metal may include forming a eutectic phase with the first metal, and performing a standard reduction of the first metal relative to the standard reduction potential of the first metal based on the standard reduction potential of the first metal. And a metal having a dislocation and forming an intermetallic compound with the first metal as a metal (second metal) of the liquid metal cathode.
구체적인 일 예로, 액체 금속 음극의 금속(제2금속)은 Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd 및 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으나, 본 발명이 액체 금속 음극에 의해 한정되는 것은 아니다. As a specific example, the metal (second metal) of the liquid metal cathode may be selected from one or more of Cu, Sn, Zn, Pb, Bi, Cd and their alloys, It is not.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정련방법은, 산소에의 오염(산소 불순물)을 최소화할 수 있으며, 상대적으로 낮은 공정 온도로 전해환원이 어려운 금속산화물 또한 환원 가능한 장점이 있다. 이러한 장점에 의해, 본 발명에 따른 정련방법은 종래 크롤 공정에 기반한 지르코늄 또는 티타늄의 제조방법을 대체하는데 특히 유리하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 정련 방법은 지르코늄 또는 티타늄의 정련방법일 수 있으며, 종래의 크롤 공정을 대체할 수 있으며 상업화 가능하고, 산소에의 오염을 최소화할 수 있는 지르코늄 또는 티타늄의 정련방법일 수 있다.As described above, the refining method according to an embodiment of the present invention is advantageous in that it can minimize the contamination of oxygen (oxygen impurities) and also reduce the metal oxide which is difficult to electrolytically reduce at a relatively low processing temperature. With these advantages, the refining process according to the present invention is particularly advantageous in replacing the method of making zirconium or titanium based on the conventional crawling process. That is, the refining method according to one embodiment of the present invention may be a refining method of zirconium or titanium, and may be replaced with a commercial crawling process, and refining of zirconium or titanium that can minimize contamination with oxygen Lt; / RTI >
목적하는 금속이 지르코늄 또는 티타늄인 경우, 액체 금속 음극은 지르코늄(또는 티타늄)과 공융상을 형성하며, 지르코늄(또는 티타늄)의 표준환원전위보다 양의 표준환원 전위를 가지며, 지르코늄(또는 티타늄)과 금속간화합물을 형성하는 금속일 수 있다. 목적하는 금속이 지르코늄 또는 티타늄인 경우, 구체적인 액체 금속 음극의 일 예로 구리를 들 수 있는데, 구리는 지르코늄(또는 티타늄)이 실질적으로 고용되지 않으며, 매우 다양한 조성에서 지르코늄(또는 티타늄)과 금속간 화합물을 형성하여 유리하다. 또한, 구리는 지르코늄(또는 티타늄)과의 표준환원전위 차이가 커 전해환원이 어려운 지르코늄 산화물(또는 티타늄 산화물)의 전해 환원반응이 용이하게 진행되도록 할 수 있다. 나아가, 상술한 바와 같이 액체 금속 음극을 이용한 공용상에 의해 산소에의 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 액체 금속 음극이 구리인 경우, 구리의 용존산소량이 매우 낮아, 합금 및/또는 전해정련에 의해 수득되는 금속의 산소 함유량을 현저하게 감소시킬 수 있어 보다 유리하다. 구체적인 일 예로, 목적하는 금속이 지르코늄 또는 티타늄인 경우, 액체 금속 음극을 구리로 사용함으로써, 합금 및/또는 전해정련에 의해 수득되는 금속의 산소 함유량이 1000 ppm 미만으로 제어될 수 있다When the desired metal is zirconium or titanium, the liquid metal cathode forms a eutectic phase with zirconium (or titanium) and has a positive standard reduction potential greater than the standard reduction potential of zirconium (or titanium) And may be a metal forming an intermetallic compound. When the target metal is zirconium or titanium, copper is one example of a specific liquid metal cathode. Copper is substantially free of zirconium (or titanium), and in a wide variety of compositions, zirconium (or titanium) and intermetallic compound Which is advantageous. In addition, copper can facilitate the electrolytic reduction reaction of zirconium oxide (or titanium oxide), which has a difference in standard reduction potential from zirconium (or titanium), which is difficult to electrolytically reduce. Furthermore, as described above, contamination with oxygen can be prevented by the common phase using the liquid metal cathode, and when the liquid metal cathode is copper, the amount of dissolved oxygen in the copper is very low, and the alloy and / It is possible to remarkably reduce the oxygen content of the metal. As a specific example, when the target metal is zirconium or titanium, the oxygen content of the metal obtained by alloying and / or electrolytic refining can be controlled to less than 1000 ppm by using the liquid metal cathode as copper
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정련방법에 있어, 전해환원 단계를 도시한 일 공정도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 전해 환원은 액체 금속 음극(도 1의 molten metal), 전해질(도 1의 molten salt) 및 양극(도 1의 anode)과 기준 전극(도 1의 reference electrode)을 포함하는 전해 환원조에서 수행될 수 있다. 전해 환원시, 금속산화물을 포함하는 원료는 전해질에 포함되어 전해환원 공정이 수행될 수 있다. 이때, 금속산화물은 분말상일 수 있으며, 전해질 내 안정적으로 분산 가능하도록 평균 입자 크기가 100μm 이하, 구체적으로는 1μm 내지 20μm인 것이 유리하다. 1 is a process diagram showing an electrolytic reduction step in a refining method according to an embodiment of the present invention. 1, the electrolytic reduction includes a liquid metal cathode (molten metal in FIG. 1), an electrolyte (molten salt in FIG. 1), and an anode (anode in FIG. 1) and a reference electrode Lt; / RTI > During electrolytic reduction, a raw material containing a metal oxide is contained in the electrolyte and an electrolytic reduction process can be performed. At this time, the metal oxide may be in powder form, and it is advantageous that the average particle size is 100 μm or less, specifically 1 μm to 20 μm so as to be stably dispersed in the electrolyte.
전해환원 단계에서의 전해질은 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물이 용융된 용융염일 수 있다. 보다 구체적으로, 전해환원 공정의 전해질은 Li, Na, K, Rb 및 Cs를 포함하는 알칼리금속 및 Mg, Ca, Sr 및 Ba을 포함하는 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물이 용융된 용융염일 수 있다. 이때, 할로겐화물은 염화물, 불화물, 브롬화물, 요오드화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 음극으로 사용하는 금속이 용융(액체상 음극)되기 위해서 전해질의 끓는점이 보다 높은 염을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서 전해환원 공정의 전해질은 염화물인 것이 유리하고, 염화칼슘(CaCl2)인 것이 보다 유리하다.The electrolyte in the electrolytic reduction step may be a molten salt in which the halide of one or more selected metals in the alkali metal and alkaline earth metal groups is melted. More specifically, the electrolyte in the electrolytic reduction step is a halide of one or more metals selected from the group consisting of alkali metals including Li, Na, K, Rb and Cs and alkaline earth metals including Mg, Ca, Sr and Ba May be a molten molten salt. Wherein the halide may comprise chloride, fluoride, bromide, iodide or mixtures thereof. It is preferable to use a salt having a higher boiling point of the electrolyte so that the metal used as the cathode is melted (liquid-phase negative electrode). In this respect, it is advantageous that the electrolyte in the electrolytic reduction process is chloride, and calcium chloride (CaCl 2 ) is more advantageous.
전해환원 단계의 전해질은 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 산화물인 첨가제를 더 포함할 수 있다. 첨가제의 함량은 전해질의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 25 중량%일 수 있다. 구체적인 일 예로, 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 산화물은 Li2O, Na2O, SrO, Cs2O, K2O, CaO, BaO 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전해질에 함유된 금속의 산화물은 원료에 함유된 금속 산화물의 보다 용이한 환원을 가능하게 하여 유리하다. The electrolyte in the electrolytic reduction step may further comprise an additive which is an oxide of one or more metals selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. The content of the additive may be 0.1 to 25% by weight based on the total weight of the electrolyte. As a specific example, the oxides of the metal selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals may include Li 2 O, Na 2 O, SrO, Cs 2 O, K 2 O, CaO, BaO or mixtures thereof. The oxide of the metal contained in the electrolyte is advantageous because it enables easier reduction of the metal oxide contained in the raw material.
구체적인 일 예로, 제조하고자 하는 금속이 지르코늄이며 원료가 지르코늄 산화물을 함유하고, 액체 금속 음극이 구리인 경우, 전해질이 상술한 첨가제를 함유하지 않을 때 하기 반응식 1에 따른 직접 환원 반응이 발생하여야 하나, 전해질이 상술한 첨가제를 함유하는 경우 하기 반응식 2 내지 4 중 하나 이상 선택되는 반응인 간접 환원 반응이 가능하여, 보다 낮은 음극 인가 전위에서 보다 효과적으로 금속산화물이 환원될 수 있다. For example, when the metal to be produced is zirconium, the raw material contains zirconium oxide, the liquid metal cathode is copper, and the electrolyte does not contain any of the additives described above, When the electrolyte contains the above-mentioned additive, the indirect reduction reaction, which is a reaction selected from one or more of the following
(반응식 1)(Scheme 1)
ZrO2 + Cu + 4e- → CuZr + 2O2 - ZrO 2 + Cu + 4e - ? CuZr + 2O 2 -
이때, 반응후 생성물인 산소 이온은 사용하는 양극에 따라 CO2, CO 혹은 O2 로 전환될 수 있다. At this time, the product oxygen ion after the reaction can be converted into CO 2 , CO or O 2 depending on the anode used.
(반응식 2)(Scheme 2)
ZrO2 + CaO → ZrCaO3 ZrO 2 + CaO - > ZrCaO 3
ZrCaO3 + Cu + 4e- → CuZr + CaO + 2O2 - ZrCaO 3 + Cu + 4e - ? CuZr + CaO + 2O 2 -
반응식 2의 반응은 총 2단의 반응으로 1단에서 전해질 첨가제와 지르코늄 산화물이 반응하여 화합물이 형성되고, 이후 2단에서 이 화합물이 전해환원되어 구리-지르코늄 합금이 제조될 수 있다.In the reaction of the reaction formula (2), the compound is formed by the reaction of the electrolyte additive and the zirconium oxide in the first stage by the reaction of the two stages, and then the compound is electrolytically reduced at the second stage to produce the copper-zirconium alloy.
(화학식 3)(Formula 3)
Ca2 + +2e- → CaCa 2 + + 2e - ? Ca
2Ca + ZrO2 + Cu → CuZr + 2CaO 2Ca + ZrO 2 + Cu? CuZr + 2CaO
반응식 3의 반응은 2단 반응으로, 1단에서 칼슘이온이 칼슘으로 환원되고 2단에서 생성된 칼슘이 지르코늄 산화물과 화학반응하여 지르코늄 금속이 생성되며, 이 반응이 액체 구리 음극에서 발생함에 따라, 최종적으로 구리-지르코늄 합금이 형성될 수 있다.The reaction of
(반응식 4)(Scheme 4)
ZrO2 + CaO → ZrCaO3 ZrO 2 + CaO - > ZrCaO 3
Ca2 + +2e- → CaCa 2 + + 2e - ? Ca
3Ca + CaZrO3 + Cu → CuZr + 3CaO 3Ca + CaZrO 3 + Cu → CuZr + 3CaO
반응식 4의 반응은 총 3단의 반응으로, 1단에서 전해질 첨가제와 지르코늄 산화물이 반응하여 화합물을 형성하고, 2단에서 전해 환원 공정을 통하여 칼슘 이온이 칼슘으로 환원된 후, 3단에서 화학반응을 통하여 지르코늄 금속이 제조될 수 있다. 이때, 전해 환원 공정 및 화학 환원 공정은 액체 구리 음극에서 발생함에 따라, 최종적으로 금속 지르코늄과 액체 금속 구리와 반응하여 구리-지르코늄 합금이 제조될 수 있다.The reaction of
전해환원 단계 시 전류밀도는 안정적인 전해환원이 발생할 수 있는 전류밀도이면 족하다. 구체적인 일 예로, 전해환원 단계 시의 전류밀도는 100 내지 1000mA/cm2, 보다 구체적으로 300 내지 700mA/cm2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전해환원 단계가 수행되는 시간은, 투입된 금속산화물이 모두 환원되는 시간이면 족하다. 구체적인 일 예로, 전해환원 단계는 30분 내지 8시간 동안 수행될 수 있으나, 전해환원이 수행되는 시간은 투입되는 금속산화물의 양을 고려하여 적절히 조절될 수 있음은 물론이며, 본 발명이 전해환원 공정 시간에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. 또한, 전해환원 단계 시 음극에 인가되는 전위는 안정적인 환원반응이 발생할 수 있는 정도이면 무방하다. 구체적인 일 예로, 음극에 인가되는 전위는 수소 환원 전위 대비 -0.3 내지 -4V일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The current density at the electrolytic reduction step is sufficient for a current density capable of stable electrolytic reduction. As a specific example, the current density at the electrolytic reduction step may be 100 to 1000 mA / cm 2 , more specifically 300 to 700 mA / cm 2 , but is not limited thereto. The time during which the electrolytic reduction step is performed may be the time for which all the metal oxides are reduced. For example, the electrolytic reduction step may be performed for 30 minutes to 8 hours, but the time during which the electrolytic reduction is performed may be appropriately controlled in consideration of the amount of the metal oxide to be added, It is needless to say that it can not be limited by time. In addition, the potential applied to the negative electrode during the electrolytic reduction step may be such that a stable reduction reaction can occur. As a specific example, the potential applied to the cathode may be -0.3 to -4 V relative to the hydrogen reduction potential, but is not limited thereto.
양극(anode) 또는 기준전극(reference electrode)은 금속산화물의 전해환원에 통상적으로 사용되는 양극 또는 기준전극이면 사용 가능하다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 양극으로 그라파이트등이 사용될 수 있으며, 기준전극으로 W(pesudo)등이 사용될 수 있으나, 본 발명이 양극 또는 기준전극 물질에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.An anode or a reference electrode can be used if it is a positive electrode or a reference electrode conventionally used for electrolytic reduction of a metal oxide. As a specific and non-limiting example, graphite or the like may be used as the anode, and W (pesudo) or the like may be used as the reference electrode, but it goes without saying that the present invention can not be limited by the anode or the reference electrode material.
전해환원 공정의 공정 온도는 전해질의 녹는점과 액체 금속 음극의 녹는점 이상의 온도이면 무방하다. 다만, 안정적인 용융상을 유지하면서도 과도한 에너지 소모를 방지하는 측면에서, 공정 온도와 전해질의 녹는점과 액체 금속 음극의 금속 물질의 녹는점중 상대적으로 더 높은 녹는점간의 온도차가 10 내지 200℃인 것이 좋다. 실질적인 일 예로, 전해질이 CaCl2 용융염이며 음극으로 사용되는 금속이 구리인 경우 전해환원이 수행되는 공정 온도는 1100℃ 내지 1200℃일 수 있다. The process temperature of the electrolytic reduction process may be a temperature above the melting point of the electrolyte and the melting point of the liquid metal cathode. However, in terms of preventing excessive energy consumption while maintaining a stable molten phase, the temperature difference between the melting point of the electrolyte and the melting point of the metal material of the liquid metal cathode, which is relatively higher than the melting point, is 10 to 200 ° C good. As a practical example, if the electrolyte is CaCl 2 molten salt and the metal used as the cathode is copper, the process temperature at which electrolytic reduction is performed may be from 1100 ° C to 1200 ° C.
본 발명의 일 실시예에 따른 정련방법에 있어, 전해환원에 의해 수득되는 합금(액상의 합금)은 2.1중량% 이상의 제1금속을 함유하는 것이 좋으며, 보다 좋게는 7중량%, 보다 더 좋게는 16 중량% 이상의 제1금속을 함유하는 것이 좋다. In the refining process according to an embodiment of the present invention, the alloy (liquid alloy) obtained by electrolytic reduction preferably contains 2.1% by weight or more of the first metal, more preferably 7% by weight, It is preferable to contain at least 16% by weight of the first metal.
상술한 바와 같이, 전해환원 단계 후 전해환원 단계가 완료되면 액상 금속 음극은 액상 합금으로 전환되게 된다. 이후 액상 합금이 고화되어, 고상의 합금을 전해정련함에 따라, 액상 합금에 함유된 제1금속이 2.1중량% 이하인 경우 고상 합금에서 제1금속의 연속적 물질 이동 경로가 형성되지 않아, 실질적으로 전해정련 자체가 이루어지지 않을 위험이 있다. 상세하게, 액상 합금이 고화됨에 따라 고상의 합금은 액체 금속 음극의 금속인 제1금속 상(phase)과 제1금속과 제2금속의 금속간 화합물 상(phase)의 두 상이 혼재하는 미세조직 구조(microstructure)를 갖게 된다. 이때, 합금에 함유된 제2금속의 함량이 2.1중량% 이하인 경우 고상 합금의 조직 구조는, 제1금속과 제2금속의 금속간 화합물이 섬(island) 형태로 제1금속 상의 매트릭스(matrix)에 분산 함유된 구조가 될 수 있다. 이러한 경우, 고상 합금의 전해 정련시 제2금속은 매트릭스에 갇혀, 고상 합금 외부로 빠져나오기 어려운 한계가 있다. As described above, when the electrolytic reduction step is completed after the electrolytic reduction step, the liquid metal cathode is converted to the liquid alloy. Thereafter, as the liquid alloy solidifies and the solid alloy is electrolytically refined, when the first metal contained in the liquid alloy is 2.1% by weight or less, a continuous mass transfer path of the first metal in the solid alloy is not formed, There is a risk that it will not be done. In detail, as the liquid alloy solidifies, the solid phase alloy has a microstructure structure in which a phase of the first metal, which is the metal of the liquid metal cathode, and a phase of the intermetallic compound of the first metal and the second metal coexist (microstructure). When the content of the second metal contained in the alloy is 2.1 wt% or less, the structure of the solid-state alloy is such that the intermetallic compound of the first metal and the second metal forms a matrix of the first metal in an island- Or the like. In such a case, the second metal is trapped in the matrix during the electrolytic refining of the solid-phase alloy, so that it is difficult to escape out of the solid-state alloy.
이에 따라, 액상 합금이 제1금속을 적어도 2.1중량% 이상 함유하여, 고상의 합금의 조직 구조에서, 제1금속과 제2금속의 금속간 화합물 상(phase)이 연속적으로 서로 연결되어, 제2금속의 물질 이동 경로를 제공하여야, 전해정련이 이루어질 수 있다. Thus, the liquid alloy contains at least 2.1 wt% of the first metal, and in the structure structure of the solid phase alloy, intermetallic compound phases of the first metal and the second metal are continuously connected to each other, It is necessary to provide a material movement path of the metal so that the electrolytic refining can be performed.
구체적으로, 제1금속 그레인(grain)의 입계나 트리플 포인트(triple point)등에 형성된 제1금속과 제2금속의 금속간 화합물이 안정적으로 연속체(continuum)를 이룰 수 있도록 액상 합금은 2.1중량% 이상의 제1금속을 함유하는 것이 좋으며, 보다 좋게는 7중량% 이상의 제1금속을 함유하는 것이 좋다.Specifically, the liquid alloy may contain at least 2.1 wt.% Of the intermetallic compound of the first metal and the second metal such that the intermetallic compound of the first metal and the triple point of the first metal grain can stably form a continuum. The first metal is preferably contained, more preferably, at least 7 wt% of the first metal.
또한, 제1금속 그레인(grain)의 입계나 트리플 포인트(triple point)등을 통하지 않고도, 제1금속과 제2금속의 금속간 화합물 그레인(grain)들 자체에 의해 금속간 화합물이 안정적으로 연속체(continuum)를 이룰 수 있도록, 액상 합금은 16중량% 이상의 제1금속을 함유하는 것이 좋다. 이때, 실질적인 액상 합금 내 제1금속 함량의 상한은 70중량%일 수 있다. The intermetallic compound grains of the first metal and the second metal themselves can stably form an intermetallic compound in a continuous manner (for example, without interposing a first metal grain, a triple point, etc.) continuum, the liquid alloy preferably contains at least 16% by weight of the first metal. At this time, the upper limit of the first metal content in the substantial liquid alloy may be 70% by weight.
이때, 합금에서의 제1금속 함량은, 액체 금속 음극의 질량과 전해환원시 전해질에 투입되는 금속산화물이 질량을 제어하여 조절될 수 있으며, 이와 독립적으로, 전해환원이 수행되는 시간을 제어하여 조절될 수 있다. 구체적인 일 예로, 전해환원시 액체 금속 음극에서 금속산화물의 금속이 환원되며, 액체 금속 음극이 합금으로 전환됨에 따라, 전해환원시 전해질에 투입되는 금속산화물은 투입되는 금속산화물의 금속(제1금속)과 전해환원의 음극으로 사용되는 금속(제2금속)의 총 질량 기준, 금속산화물의 금속(제1금속)이 차지하는 중량%가 2.1중량% 이상, 좋게는 7중량%, 보다 좋게는 16 중량% 이상이 되도록 투입함으로써 합금에서의 제1금속 함량을 조절할 수 있다. 이와 달리(또는 독립적으로) 일정 양의 금속산화물을 전해질에 투입한 후 전해 환원이 수행되는 시간을 조절하여 합금에서의 제1금속 함량을 조절할 수 있다. At this time, the first metal content in the alloy can be controlled by controlling the mass of the liquid metal cathode and the metal oxide charged into the electrolyte during the electrolytic reduction, and independently controlling the time during which the electrolytic reduction is performed . As a specific example, the metal oxide is reduced in the liquid metal cathode during electrolytic reduction, and as the liquid metal cathode is converted into the alloy, the metal oxide to be charged into the electrolyte during the electrolytic reduction is converted into the metal (first metal) (First metal) of the metal oxide is 2.1% by weight or more, preferably 7% by weight or more preferably 16% by weight or more based on the total weight of the metal (second metal) Or more, so that the first metal content in the alloy can be controlled. Alternatively, the first metal content in the alloy can be controlled by controlling the time during which electrolytic reduction is performed after a certain amount of metal oxide is input to the electrolyte.
전해 환원이 완료된 후, 액상 합금의 고화를 위한 냉각이 수행될 수 있다. 이때, 액상 합금은 제1금속과 제2금속이 균질하게 혼재된 상태임에 따라, 액상 합금의 냉각 속도에 의해 고화된 후 얻어지는 합금의 조직 구조가 크게 영향을 받게 된다. 냉각 속도는 금속간 화합물 상(phase)이 안정적으로 형성될 수 있으며, 또한 제1금속과 제2금속의 금속간 화합물 상이 연속적으로 서로 연결된 조직 구조가 제조될 수 있도록, 액체 금속 음극의 온도(전해환원 공정 온도)에서 상온으로 20℃/min 이하의 냉각 속도로 서냉되는 것이 좋다. 냉각 속도가 제시된 범위 밖으로 과도하게 빠른 경우, 금속간 화합물이 미처 형성되지 못하거나, 미세한 금속간 화합물 입자들이 제1금속 매트릭스에 다량 분산 함입된 조직 구조가 얻어져, 연속적이며 빠른 제1금속의 물질이동 경로가 형성되지 못할 위험이 있다. 이때, 액체 금속 음극의 냉각이 과도하게 느린 경우 미세 조직 구조상의 잇점은 미미한 반면 공정에 소요되는 시간이 과도하게 길어짐에 따라, 냉각 속도는 실질적으로 1℃/min 이상, 보다 실질적으로 5℃/min이상일 수 있다. After the electrolytic reduction is completed, cooling for solidification of the liquid alloy can be performed. At this time, since the first metal and the second metal are homogeneously mixed in the liquid alloy, the structure of the alloy obtained after solidification by the cooling rate of the liquid alloy is greatly influenced. The cooling rate can be controlled by controlling the temperature of the liquid metal cathode (electrolysis) so that an intermetallic compound phase can be stably formed and a structure of intermetallic compound phases of the first metal and the second metal are continuously connected to each other. Cooling process temperature) to room temperature and a cooling rate of 20 DEG C / min or less. If the cooling rate is excessively fast out of the range suggested, an intermetallic compound may not be formed or a structure in which fine intermetallic compound particles are embedded in the first metal matrix in a large amount may be obtained, and a continuous and fast first metal substance There is a risk that the movement path can not be formed. At this time, if the cooling of the liquid metal cathode is excessively slow, the advantages over the microstructure are negligible, but as the time required for the process becomes excessively long, the cooling rate is substantially 1 DEG C / min or more, more practically 5 DEG C / min Or more.
그러나, 본 발명이 전해 환원에서 수득되는 액상 합금의 직접적 서냉에 의한 고화에 한정되는 것은 아니다. 구체적인 일 예로, 전해 환원에서 수득되는 액상 합금을 고화한 후, 고화된 합금의 분말을 이용한 성형 및 열처리 또는 고화된 합금의 용융액(재 용융)을 이용한 주조등을 통해 전해정련에 적합한 설계된 형상으로 합금을 성형하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이러한 성형 단계에서 20℃/min 이하의 냉각 속도로 냉각이 수행될 수 있다. 즉, 상술한 서냉은 전해정련에 사용되는 고상의 합금을 제조하는 단계에서 이루어질 수도 있다. However, the present invention is not limited to solidification by direct slow cooling of the liquid alloy obtained by electrolytic reduction. As a specific example, the liquid alloy obtained by electrolytic reduction is solidified, and then the alloy is cast into a designed shape suitable for electrolytic refining through molding and heat treatment using powder of solidified alloy or casting using a melt (reflow) of solidified alloy And cooling may be performed at a cooling rate of 20 DEG C / min or less in this forming step. That is, the above-described slow cooling may be performed at the stage of producing a solid phase alloy used for electrolytic refining.
상술한 전해 환원 단계 후, 합금을 고화시켜 고상의 합금을 수득하고, 고상의 합금을 전해정련하여, 합금으로부터 제1금속을 회수하는 전해정련 단계가 수행될 수 있다. 이때, 전해환원 단계에서 수득되는 생성물(고화된 합금)을 전해정련하기 전, 전해환원 단계에서 수득되는 생성물에서 잔여 전해질을 제거하는 공정이 더 수행될 수 있다. 잔여 전해질 제거 공정은, 전해환원 단계에서 수득되는 생성물을 진공 또는 불활성기체 분위기에서 열처리하여, 전해질을 증류 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 증류 온도(열처리 온도)는 전해환원 단계에서 사용된 전해질의 녹는점 이상의 온도면 무방하다. 구체적인 일 예로 증류 온도는 780 내지 900℃일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 전해환원 단계에서 수득되는 생성물이 다시 산화되는 것을 보다 효과적으로 방지하기 위해서는 진공 분위기에서 불활성 기체를 이용하여 증류공정을 원활히 하는 것이 좋다. 잔여 전해질 제거 공정은 전해환원 단계에서 수득되는 생성물(고화된 합금)이 고상 상태에서 수행됨에 따라, 상술한 서냉에 의해 수득된 생성물 대상으로 잔여 전해질 제거 공정을 수행하는 경우 특별히 그 냉각 속도를 제어하지 않아도 무방하다. After the electrolytic reduction step described above, an electrolytic refining step may be performed in which the alloy is solidified to obtain a solid-phase alloy, electrolytically refining the solid-phase alloy, and recovering the first metal from the alloy. At this time, a step of removing the remaining electrolyte from the product obtained in the electrolytic reduction step may be further performed before the electrolytic refining of the product (solidified alloy) obtained in the electrolytic reduction step. The residual electrolyte removal step may include a step of subjecting the product obtained in the electrolytic reduction step to heat treatment in a vacuum or an inert gas atmosphere to distill off the electrolyte. The distillation temperature (heat treatment temperature) should be at least the melting point of the electrolyte used in the electrolytic reduction step. As a specific example, the distillation temperature may be 780 to 900 ° C, but is not limited thereto. In order to more effectively prevent the product obtained in the electrolytic reduction step from being oxidized again, it is preferable to use an inert gas to facilitate the distillation process in a vacuum atmosphere. The residual electrolyte removal process is a process in which the product (solidified alloy) obtained in the electrolytic reduction step is carried out in the solid phase state, so that the cooling rate is not particularly controlled in the case of performing the residual electrolyte removal process on the product obtained by the above- You do not have to.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정련방법에 있어, 전해정련이 수행되는 공정을 도시한 일 공정도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 전해정련은 전해환원 공정에서 수득되어 고화된 합금인 양극(도 1의 anode), 전해질(도 2의 molten salt) 및 음극(도 2의 cathode)과 기준 전극(도 2의 reference electrode)을 포함하는 전해정련조에서 수행될 수 있다.2 is a process diagram showing a process of electrolytic refining in the refining method according to an embodiment of the present invention. As shown in Fig. 2, the electrolytic refining is performed in the same manner as in Example 1 except that the anode (anode of Fig. 1), the electrolyte (the molten salt of Fig. 2) and the
전해 정련시의 전해질은 상술한 전해환원 단계의 전해질과 독립적으로, 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물이 용융된 용융염일 수 있다. 보다 구체적으로, 전해 정련 공정의 전해질은 Li, Na, K, Rb 및 Cs를 포함하는 알칼리금속 및 Mg, Ca, Sr 및 Ba을 포함하는 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물이 용융된 용융염일 수 있다. 이때, 할로겐화물은 염화물, 불화물, 브롬화물, 요오드화물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.The electrolyte during electrolytic refining may be a molten salt in which a halide of one or more metals selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals is melted independently of the electrolyte in the above electrolytic reduction step. More specifically, the electrolyte of the electrolytic refining process is a mixture of an alkali metal containing Li, Na, K, Rb and Cs and a halide of one or more metals selected from the group of alkaline earth metals including Mg, Ca, Sr and Ba May be a molten molten salt. Wherein the halide may comprise chloride, fluoride, bromide, iodide or mixtures thereof.
전해 정련 공정 온도를 낮추기 위해, 좋게는, 전해 정련 공정의 전해질은 LiCl, KCl, SrCl2, CsCl, NaCl, LiF, KF, SrF2, CsF, CaF2 및 NaF에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. 이때, 둘 이상의 염은 공융염을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 전해 정련 공정의 전해질은 리튬할로겐화물과 소듐 할로겐화물을 포함할 수 있으며, 보다 더 구체적으로, 전해 정련 공정의 전해질은 불화리튬과 불화칼륨을 포함할 수 있다. 전해 정련 공정의 온도는 전해 정련 공정의 전해질의 용융 온도 이상이면 무방하다. 구체적인 일 예로, 전해 정련 공정의 온도는 600 내지 800℃ 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 전해 정련 공정의 전해질은 지르코늄플로라이드(ZrF4)와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 첨가제는 전해질의 총 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%로 함유될 수 있다.In order to lower the electrolytic refining process temperature, one or more of the electrolytes of the electrolytic refining process may be selected from LiCl, KCl, SrCl 2 , CsCl, NaCl, LiF, KF, SrF 2 , CsF, CaF 2 and NaF . At this time, two or more salts may form a eutectic salt. More specifically, the electrolyte in the electrolytic refining process may comprise lithium halide and sodium halide, and more specifically, the electrolyte in the electrolytic refining process may comprise lithium fluoride and potassium fluoride. The temperature of the electrolytic refining step may be equal to or higher than the melting temperature of the electrolytic refining step. As a specific example, the temperature of the electrolytic refining process may be 600 to 800 ° C, but is not limited thereto. At this time, the electrolyte of the electrolytic refining process may further include an additive such as zirconium fluoride (ZrF 4 ), and the additive may be contained in an amount of 1 to 10 wt% based on the total weight of the electrolyte.
전해정련 단계 시 전류밀도는 안정적인 제1금속의 전착이 발생할 수 있는 전류밀도이면 족하다. 구체적인 일 예로, 전해정련 단계 시의 전류밀도는 10 내지 500mA/cm2, 보다 구체적으로 50 내지 200mA/cm2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전해정련 단계가 수행되는 시간은, 특별히 한정되는 것은 아니나 1 내지 20시간동안 수행될 수 있다. The current density at the electrolytic refining step may be a current density at which stable electrodeposition of the first metal can occur. As a specific example, the current density at the electrolytic refining step may be 10 to 500 mA / cm 2 , more specifically 50 to 200 mA / cm 2 , but is not limited thereto. The time at which the electrolytic refining step is performed is not particularly limited, but may be performed for 1 to 20 hours.
음극(cathode) 또는 기준전극(reference electrode)은 금속의 전해정련에 통상적으로 사용되는 음극 또는 기준전극이면 사용 가능하다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 음극으로 스테인레스 스틸등이 사용될 수 있으며, 기준전극으로 W(pesudo)등이 사용될 수 있으나, 본 발명이 음극 또는 기준전극 물질에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.The cathode or the reference electrode can be used as a cathode or a reference electrode which is commonly used for electrolytic refining of a metal. For example, stainless steel or the like may be used as the cathode and W (pesudo) or the like may be used as the reference electrode. However, it is needless to say that the present invention can not be limited by the cathode or the reference electrode material.
이하에서는 지르코늄을 목적하는 금속으로 하여, 본 발명에 따른 실 금속 정련의 예를 제공하나, 본 발명이 제시되는 실시예로 한정된 것은 아니다.Hereinafter, zirconium is used as a target metal to provide an example of the actual metal refining according to the present invention, but the present invention is not limited to the embodiment shown.
(실시예)(Example)
도 1과 유사한 전해 환원조를 이용하여, 지르코늄 산화물(평균 입자크기 4.5μm) 20g을 원료로 사용하고, 구리 30g을 음극으로 사용하였으며, 5 중량%의 CaO를 함유하는 CaCl2를 전해질로 사용하였고, 양극으로 흑연을, 기준전극으로 텅스텐을 사용하였다. 환원조를 1110℃로 가열하여 음극의 구리 및 전해질을 용융시켰다. 전해 환원 공정의 전류밀도는 500mA/cm2이었으며, 음극 전위는 텅스텐 환원 전위 대비 -1.3~-1.5V이었고, 전해 환원 공정은 0.9시간, 1.6시간, 3.3시간 또는 6.5시간동안 수행되었다. 전해 환원 공정이 완료된 후 15℃/min의 속도로 서냉하여 고화된 Zr-Cu 합금을 수득하였으며, 이후 10-3 torr의 아르곤 가스 분위기에서 850℃로 열처리(열처리 후 15℃/min로 냉각)하여 잔여 전해질을 제거하였다. 20 g of zirconium oxide (average particle size 4.5 탆) was used as a raw material, 30 g of copper was used as a negative electrode, and CaCl 2 containing 5 wt% CaO was used as an electrolyte using an electrolytic reduction tank similar to that of Fig. 1 Graphite as the anode, and tungsten as the reference electrode. The reducing bath was heated to 1110 DEG C to melt the copper and the electrolyte of the negative electrode. The current density of the electrolytic reduction process was 500 mA / cm 2. The anode potential was -1.3 to -1.5 V versus the tungsten reduction potential, and the electrolytic reduction process was performed for 0.9 hours, 1.6 hours, 3.3 hours, or 6.5 hours. After completion of the electrolytic reduction process, the crucible was slowly cooled at a rate of 15 캜 / min to obtain a solidified Zr-Cu alloy. After that, the Zr-Cu alloy was heat-treated at 850 캜 in an argon gas atmosphere of 10 -3 torr The remaining electrolyte was removed.
EDS 원소 분석을 통하여 Zr-Cu 합금에 함유된 Zr의 함량을 측정한 결과, 0.9시간동안 전해 환원이 수행된 경우 3.2중량%의 지르코늄을 함유하는 Zr-Cu 합금(이하, 3%Zr-Cu 합금으로 지칭함)이 제조됨을 확인하였으며, 1.6시간동안 전해 환원이 수행된 경우 7.49중량%의 지르코늄을 함유하는 Zr-Cu 합금(이하, 7%Zr-Cu 합금으로 지칭함)이 제조됨을 확인하였으며, 3.3시간동안 전해 환원이 수행된 경우 16.42중량%의 지르코늄을 함유하는 Zr-Cu 합금(이하, 16%Zr-Cu 합금으로 지칭함)이 제조됨을 확인하였으며, 6.5시간동안 전해 환원이 수행된 경우 27.47중량%의 지르코늄을 함유하는 Zr-Cu 합금(이하, 27%Zr-Cu 합금으로 지칭함)이 제조됨을 확인하였다. The Zr-Cu alloy containing 3.2% by weight of zirconium (hereinafter referred to as 3% Zr-Cu alloy) was subjected to electrolytic reduction for 0.9 hours as a result of measurement of the content of Zr contained in the Zr- (Hereinafter referred to as 7% Zr-Cu alloy) containing 7.49% by weight of zirconium was produced when electrolytic reduction was performed for 1.6 hours, and it was confirmed that the Zr- (Hereinafter referred to as a 16% Zr-Cu alloy) containing 16.42% by weight of zirconium was produced when electrolytic reduction was performed during the electrolytic reduction for 6.5 hours, and 27.47% by weight Zr-Cu alloy containing zirconium (hereinafter referred to as 27% Zr-Cu alloy) was produced.
ELTRA ONH2000 장치를 이용하여, 제조된 합금에 함유된 산소 함량을 측정한 결과 3%Zr-Cu 합금의 산소 농도는 142ppm, 7%Zr-Cu 합금의 산소 농도는 132ppm, 16%Zr-Cu 합금의 산소 농도는 223ppm, 27%Zr-Cu 합금의 산소 농도는 249ppm으로 제조된 모든 합금의 산소 농도가 300ppm미만임을 확인하였으며, 전해 환원 공정 시간과 무관하게 산소로 거의 오염되지 않은 합금이 제조됨을 확인하였다.Oxygen concentration of the 3% Zr-Cu alloy was 142 ppm, the oxygen concentration of the 7% Zr-Cu alloy was 132 ppm, and the oxygen content of the 16% Zr-Cu alloy was measured using the ELTRA ONH2000 apparatus. It was confirmed that the oxygen concentration of all the alloys prepared with 223 ppm of oxygen concentration and 249 ppm of 27% Zr-Cu alloy was less than 300 ppm, and it was confirmed that alloys substantially free from oxygen were produced regardless of the electrolytic reduction process time .
도 3은 3%Zr-Cu 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 4는 7%Zr-Cu 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 5는 16%Zr-Cu 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이며, 도 6은 27%Zr-Cu 합금의 조직을 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 도 3 내지 도 6의 주사전자현미경 사진에서, 붉은색 점으로 표시된 스팟(spot)의 EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 원소 분석 결과를 함께 도시하였다. EDS 원소 분석 결과에서 알 수 있듯이 도 3 내지 도 6의 주사전자현미경 사진에서, 진한 회색은 Cu 그레인(grain)이며, 밝은 회색은 Cu-Zr 금속간화합물 상임을 알 수 있다.FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a structure of a 3% Zr-Cu alloy, FIG. 4 is a scanning electron microscope photograph showing a structure of a 7% Zr- 6 is a scanning electron microscope (SEM) image of a structure of 27% Zr-Cu alloy. In the scanning electron microscope photographs of FIGS. 3 to 6, an EDS (Energy Dispersive Spectrometer) element analysis result of a spot indicated by a red dot is also shown. As can be seen from the EDS elemental analysis, in the scanning electron microscope photographs of FIGS. 3 to 6, it can be seen that the deep gray is Cu grain and the light gray is the Cu-Zr intermetallic compound.
도 3 내지 도 6에서 알 수 있듯이 Cu-Zr 금속간화합물이 구리의 입계에 형성되고, 합금 내 지르코늄의 함량이 3 중량% 이상인 경우 구리 그레인을 감싸며 서로 연결된 연속체가 형성됨을 알 수 있다. 또한, 합금 내 지르코늄의 함량이 16 중량% 이상인 경우 Cu-Zr 금속간화합물 그레인(grain)들 자체가 서로 맞닿아 Cu-Zr 금속간화합물의 연속체(continuum)가 제조됨을 확인할 수 있다.As can be seen from FIGS. 3 to 6, Cu-Zr intermetallic compounds are formed in the grain boundaries of copper, and when the content of zirconium in the alloy is not less than 3% by weight, a continuum connecting the copper grains is formed. Further, when the content of zirconium in the alloy is 16 wt% or more, it can be confirmed that Cu-Zr intermetallic compound grains themselves are in contact with each other to produce a continuum of Cu-Zr intermetallic compound.
도 7은 7%Zr-Cu 합금(도 7의 붉은색 그래프) 및 27%Zr-Cu 합금(도 7의 검은색 그래프)의 X-선 회절 분석 결과를 도시한 도면이다. 도 7에서 알 수 있듯이 구리와 함께, Cu-Zr의 금속간 화합물 상들(CuZr, Cu5Zr1, Cu0.44Zr0.565)로 이루어진 합금이 제조됨을 알 수 있다. 7 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of a 7% Zr-Cu alloy (red graph in FIG. 7) and a 27% Zr-Cu alloy (black graph in FIG. 7). As can be seen from FIG. 7, an alloy consisting of intermetallic compound phases of Cu-Zr (CuZr, Cu 5 Zr 1 , Cu 0.44 Zr 0.565 ) was produced together with copper.
이후, 도 2와 유사한 전해 정련조를 이용하여, 고화된 Cu-Zr 합금(3%Zr-Cu 합금, 7%Zr-Cu 합금, 16%Zr-Cu 합금 또는 27%Zr-Cu 합금)을 양극으로, 2.5중량%의 ZrF4를 함유하는 LiF-KF 공융염을 전해질로, 스테인레스 스틸을 음극으로, 텅스텐을 기준전극으로 사용하였다. 전해 정련시 공정 온도는 650℃이었으며, 전해정련은 100mA/cm2의 전류 밀도로 10시간동안 수행되었다. Thereafter, a solidified Cu-Zr alloy (3% Zr-Cu alloy, 7% Zr-Cu alloy, 16% Zr-Cu alloy or 27% Zr-Cu alloy) , A LiF-KF eutectic salt containing 2.5 wt% of ZrF 4 was used as an electrolyte, stainless steel was used as a cathode, and tungsten was used as a reference electrode. The electrolytic refining process temperature was 650 ° C and electrolytic refining was performed at a current density of 100 mA / cm 2 for 10 hours.
도 8은 전해정련 전, 전해정련 2시간 시점 및 10시간의 전해정련이 완료된 후 음극과 양극(27%Zr-Cu 합금) 각각을 관찰한 광학사진 및 10시간 시점의 음극(cathode) 광학사진의 붉은색 영역을 주사전자현미경으로 관찰한 주사전자현미경 사진 및 붉은색 영역을 EDS 원소분석한 분석 결과를 도시한 도면이다.Fig. 8 is a graph showing the optical photographs of the cathodes and the positive electrodes (27% Zr-Cu alloy) observed after completion of the electrolytic refining, the
도 8에서 알 수 있듯이 전해정련이 진행됨에 따라, 순수한 Zr이 음극으로 전착되어 회수됨을 알 수 있으며, 전착을 통해 회수된 총 Zr의 질량을 측정한 결과 이론적으로 가능한 회수량(27%Zr-Cu 합금)의 50%가 회수되었음을 확인하였다.As can be seen from FIG. 8, as the electrolytic refining progresses, it can be seen that pure Zr is electrodeposited and recovered to the cathode. As a result of measuring the mass of total Zr recovered through electrodeposition, the theoretically possible recovery amount (27% Zr-Cu Alloy) was recovered.
도 9는 10시간의 전해정련이 완료된 후 양극의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 도 9에서 알 수 있듯이 지르코늄이 빠져나감에 따라 표면에서 중심부로 지르코늄 희박(depletion) 영역이 형성되고 전해정련이 진행될수록 지르코늄 희박(depletion) 영역이 점차적으로 양극의 중심부로 진행해감을 알 수 있다. 이는 양극 표면으로부터 지르코늄이 빠져나가도, 지르코늄 희박 영역에서 표면에서 중심부간 지르코늄의 안정적인 이동경로를 제공하는 지르코늄-구리 합금(지르코늄-구리의 금속간 화합물)의 연속체(continuum)가 지속적으로 잔류함을 의미한다. 지르코늄 도 9의 양극 단면에서 임의의 10곳의 영역(area)을 EDS 원소분석하여 지르코늄 희박 영역인 표면 영역과 내부 중심 영역의 조성을 각각 측정한 결과, 지르코늄 희박 영역의 평균적인 지르코늄 함량은 2.1중량%였으며, 상대적으로 밝은 회색으로 보이는 내부 중심 영역의 평균적인 지르코늄 함량은 25.98중량%였다. 이를 통해, 지르코늄의 전해정련이 수행되기 위한 고화된 합금에서의 최소 지르코늄 함량이 2.1 중량%임을 알 수 있다. 3%Zr-Cu 합금, 7%Zr-Cu 합금 또는 16%Zr-Cu 합금을 이용한 전해정련 시험 결과, 27%Zr-Cu 합금의 결과와 유사하게 지속적인 지르코늄의 전착이 이루어짐을 확인하였으며, 모든 합금에서 지르코늄 희박 영역인 표면 영역의 지르코늄 함량이 오차 범위 내에서 2.1 중량%임을 확인하였다. 이러한 지르코늄-구리간 금속간화합물에 의한 지르코늄 이동 경로 제공이 전해정련에 미치는 영향을 실험적으로 확인하고자 전해 환원 공정의 공정시간을 조절하여 1.2중량%의 지르코늄을 함유하는 Zr-Cu 합금을 수득한 후, 동일하게 전해정련 시험을 수행하였다. 도 10은 1.2중량%의 지르코늄을 함유하는 Zr-Cu 합금의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진으로, 도 10에서 알 수 있듯이 지르코늄-구리의 금속간 화합물들이 서로 연결되어 있지 않아, 연속적인 물질 이동의 패스(path)를 형성하지 못함을 확인하였으며, 전해정련 시험 그 결과, 1.21중량%의 지르코늄을 함유하는 Zr-Cu 합금의 경우 10시간의 전해정련 공정에서도 실질적인 전착에 의한 지르코늄의 회수가 이루어지지 않음을 확인하였다. 9 is a scanning electron microscope (SEM) image of a section of the anode after completion of electrolytic refining for 10 hours. As can be seen from FIG. 9, as the zirconium depletion region is formed from the surface to the center as the zirconium escapes, and the electrolytic refining progresses, the zirconium depletion region gradually progresses to the center of the anode. This means that continuum of the zirconium-copper alloy (zirconium-copper intermetallic compound) that provides a stable pathway of the zirconium between the centers at the surface in the zirconium lean area continues to remain even though the zirconium escapes from the anode surface do. Zirconium The composition of the surface region and the inner central region, which is a lean region of zirconium, was analyzed by EDS elemental analysis of arbitrary 10 regions in the anode cross section of Figure 9. As a result, the average zirconium content of the zirconium lean region was 2.1 wt% And the average zirconium content in the inner central region, which is relatively light gray, was 25.98 wt%. As a result, it can be seen that the minimum zirconium content in the solidified alloy for electrolytic refining of zirconium is 2.1 wt%. As a result of the electrolytic refining test using 3% Zr-Cu alloy, 7% Zr-Cu alloy or 16% Zr-Cu alloy, it was confirmed that the electrodeposition of zirconium was continued, similar to the result of 27% Zr- , It was confirmed that the content of zirconium in the surface region, which is a zirconium lean region, was 2.1 wt% within the error range. In order to experimentally confirm the effect of the zirconium migration route by the zirconium-copper intermetallic compound on electrolytic refining, the Zr-Cu alloy containing 1.2 wt% zirconium was obtained by controlling the process time of the electrolytic reduction process , And electrolytic refining tests were carried out in the same manner. 10 is a scanning electron microscopic (SEM) image of a Zr-Cu alloy containing 1.2% by weight of zirconium. As shown in FIG. 10, the intermetallic compounds of zirconium-copper are not connected to each other, The electrolytic refining test showed that the Zr-Cu alloy containing 1.21% by weight of zirconium did not recover the zirconium by electrodeposition even during the electrolytic refining process for 10 hours Respectively.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .
Claims (9)
고화된 상기 합금을 전해정련하여, 상기 합금으로부터 제1금속을 회수하는 전해정련 단계;
를 포함하며,
상기 전해환원 단계의 전해질은 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 할로겐화물의 용융염 및 알칼리금속 및 알칼리토금속 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속의 산화물인 첨가제를 포함하는, 금속 정련방법.A raw material containing the metal oxide is electrolytically reduced by using a liquid metal cathode forming a eutectic phase with a first metal which is a metal of a metal oxide to form a second metal which is a metal of the liquid metal cathode An electrolytic reduction step of producing an intermetallic alloy; And
An electrolytic refining step of electrolytically refining the solidified alloy, and recovering a first metal from the alloy;
/ RTI >
Wherein the electrolyte in said electrolytic reduction step comprises an additive that is a molten salt of a halide of one or more metals selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals and an oxide of one or more metals selected from the group of alkali metals and alkaline earth metals, Metal refining method.
상기 금속 산화물은 하기 화학식 1을 만족하는 금속 정련방법.
(화학식 1)
MxOy
(화학식 1에서, M은 환원 대상 금속인 제1금속으로, 액체 금속 음극의 금속인 제2금속의 표준환원전위보다 음의 표준환원 전위를 갖는 금속이며, x는 1~3의 자연수이며, y는 1~4의 자연수이다.)The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide satisfies the following formula (1).
(Formula 1)
M x O y
Wherein M is a metal which is a metal to be reduced and is a metal having a negative standard reduction potential relative to a standard reduction potential of a second metal which is a metal of the liquid metal cathode, x is a natural number of 1 to 3, and y Is a natural number from 1 to 4.)
상기 금속산화물은 ZrO2, TiO2, WO3, Fe2O3, Fe3O4, NiO, ZnO, Co3O4, MnO, Cr2O3, Ta2O5, Ga2O3, Pb3O4, SnO 및 Ag2O에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속 정련방법.The method according to claim 1,
The metal oxide is ZrO 2, TiO 2, WO 3 , Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, NiO, ZnO, Co 3 O 4, MnO, Cr 2 O 3, Ta 2 O 5, Ga 2 O 3, Pb 3 O 4 , SnO, and Ag 2 O.
상기 전해환원에서 수득되는 합금의 고화는 상기 전해환원시의 액체 금속 음극의 온도에서 상온으로 20℃/min 이하의 냉각 속도로 서냉되어 고화되는 금속 정련방법.The method according to claim 1,
Wherein the solidification of the alloy obtained in the electrolytic reduction is slowly cooled to a solidified state at a cooling rate of 20 DEG C / min or less at a temperature of the liquid metal cathode at the electrolytic reduction.
상기 액체 금속 음극의 온도는 1100℃ 내지 1200℃인 금속 정련방법. The method according to claim 6,
Wherein the temperature of the liquid metal cathode is between 1100 ° C and 1200 ° C.
상기 합금은 2.1중량% 이상의 제1금속을 함유하는 금속 정련방법.7. The method according to any one of claims 1 to 3 and 6 to 7,
Wherein the alloy contains at least 2.1 wt% of the first metal.
상기 액체 금속 음극은 액체 구리 음극이며, 상기 금속산화물을 산화지르코늄을 포함하는 금속 정련방법.9. The method of claim 8,
Wherein the liquid metal cathode is a liquid copper cathode, and the metal oxide comprises zirconium oxide.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20220067533A (en) | 2020-11-17 | 2022-05-24 | 주식회사 케이에스엠테크놀로지 | Reduction Method and System of Refractory Metal Oxides Using Fluoride-Based Electrolytes |
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Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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CN113151865B (en) * | 2021-02-24 | 2023-03-24 | 东华理工大学 | Method for extracting and separating rare earth and preparing multi-element rare earth alloy by molten salt pulse electrolysis of Pb-Bi alloy cathode |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103643258A (en) * | 2013-12-11 | 2014-03-19 | 辽宁科技大学 | Method for producing aluminum-magnesium alloy by utilizing liquid aluminum cathode method |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61261491A (en) * | 1985-05-14 | 1986-11-19 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Manufacture of high purity aluminum-lithium alloy powder |
GB8707782D0 (en) * | 1987-04-01 | 1987-05-07 | Shell Int Research | Electrolytic production of metals |
JPH01184295A (en) * | 1988-01-18 | 1989-07-21 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | Production of high purity aluminum-lithium mother alloy |
ITTO970080A1 (en) * | 1997-02-04 | 1998-08-04 | Marco Vincenzo Ginatta | PROCEDURE FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION OF METALS |
NO20063072L (en) * | 2006-03-10 | 2007-09-11 | Elkem As | Method for electrolytic refining of metals |
ES2633113T3 (en) * | 2006-03-10 | 2017-09-19 | Elkem As | Method for the production and refining of silicon electrolyte |
CN101255576A (en) * | 2007-12-07 | 2008-09-03 | 西北有色金属研究院 | Method for improving efficiency of zirconium electroextraction by molten salt electrolysis |
CN101289754A (en) * | 2008-06-04 | 2008-10-22 | 曹大力 | Process for preparing metallic titanium and titanium master alloy |
KR101163375B1 (en) * | 2010-07-30 | 2012-07-12 | 충남대학교산학협력단 | Environmentally friendly advanced refining process of nuclear grade zirconium by integrated metallothermic reduction of Zirconium ore and electrorefining processes |
US8764962B2 (en) * | 2010-08-23 | 2014-07-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Extraction of liquid elements by electrolysis of oxides |
CN102719857B (en) * | 2012-07-03 | 2014-08-13 | 北京科技大学 | Method and electrolytic tank for producing metal titanium through directive electrolysis of titanium dioxide |
GB201223375D0 (en) * | 2012-12-24 | 2013-02-06 | Metalysis Ltd | Method and apparatus for producing metal by electrolytic reduction |
CN104099643A (en) * | 2014-07-29 | 2014-10-15 | 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 | Preparation method for titanium-aluminium alloy |
CN104694973A (en) * | 2015-02-06 | 2015-06-10 | 铜陵百荣新型材料铸件有限公司 | Process for preparing ferrotitanium alloy |
CN106811644A (en) * | 2016-12-16 | 2017-06-09 | 包头稀土研究院 | Neodymium-iron alloy and preparation method thereof |
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103643258A (en) * | 2013-12-11 | 2014-03-19 | 辽宁科技大学 | Method for producing aluminum-magnesium alloy by utilizing liquid aluminum cathode method |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20220067533A (en) | 2020-11-17 | 2022-05-24 | 주식회사 케이에스엠테크놀로지 | Reduction Method and System of Refractory Metal Oxides Using Fluoride-Based Electrolytes |
WO2022108007A1 (en) | 2020-11-17 | 2022-05-27 | 주식회사 케이에스엠테크놀로지 | Reduction method and system for high-melting-point metal oxide, using fluoride-based electrolytes |
KR20230107170A (en) | 2020-11-17 | 2023-07-14 | 주식회사 케이에스엠테크놀로지 | Reduction Method and System of Refractory Metal Oxides Using Fluoride-Based Electrolytes |
KR20230069778A (en) | 2021-11-11 | 2023-05-19 | 충남대학교산학협력단 | Insoluble Cermet anode material for electrolytic reduction and manufacturing method thereof |
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