KR101798077B1 - 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치 및 이를 이용한 금속의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치는, 배출 모듈내의 금속을 용융시켜 용융 금속을 제조하는 가열 모듈과, 배출 모듈 하부에 구비되며, 제조된 용융 금속을 하부로 낙하시키는 노즐과, 냉각수가 채워지며, 낙하하는 용융 금속을 냉각시키는 냉각 모듈을 포함하며, 냉각 모듈은, 용융 금속의 충돌 및 냉각수의 분사 중 어느 하나를 이용함으로써, 금속의 비표면적을 증가시키며, 냉각수의 분사를 이용하여 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 용융 금속이 낙하하는 냉각수의 표면 부위에 냉각수를 분사하는 냉각수 분사구를 더 포함하며, 용융 금속의 충돌을 이용하여 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 배출 모듈의 노즐 하부에 구비되며, 용융 금속의 낙하 방향과 소정의 각도를 가지고 경사지게 배치되어 낙하하는 용융 금속이 충돌하는 개구부가 형성되지 않은 판 형태의 금속 매체와 금속 매체의 경사진 방향을 따라 금속 매체의 표면에 냉각수를 흘리는 분사구를 더 포함함으로써, 금속의 비표면적을 증가시킬 수 있다.

Description

증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치 및 이를 이용한 금속의 제조 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING METAL HAVING INCREASED SPECIFIC SURFACE AREA AND METHOD USING THEREOF}
본 출원은, 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치 및 이를 이용한 금속의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 귀금속의 가격이 증가함에 따라 반도체 등과 같은 스크랩으로부터 귀금속 재료를 회수하는 공정의 중요성이 커지고 있다. 통상적으로 금은 장신구나 반도체 등과 같은 전자재료 분야에서 사용될 때 기타 금속과 합금된다. 귀금속 회수공정으로부터 99.9%이상의 고순도의 순금을 회수할 필요가 있는데, 이를 위해 주로 습식정련 방법이 사용한다.
금의 습식 정련은 통상 금 스크랩의 비표면적을 늘린 후 왕수에 투입하여 모두 산화시킨 후 환원제를 넣어 순수한 금만을 회수하게 된다.
이러한 금 합금의 비표면적을 증가시키기 위한 방법으로는 먼저 금 합금 전체를 용해시킨 후 막대형으로 응고시킨 뒤 반복적으로 압연작업을 한 후 커팅기로 절단하여 표면적을 늘리는 방법이 있다. 이 경우 전처리 공정만으로도 시간이 오래 걸리고 여러 스텝을 거쳐 공정 비용이 증가하기 때문에 표면적 증가시 공정의 단순화가 필요하다.
금 합금의 비표면적을 증가시키기 위한 다른 방법으로는 멜트스피닝 방법이 사용될 수 있다. 멜트 스피닝 방법(Melt spinning)은 용융된 금속이나 폴리머를 매우 빠르게 냉각시키는 기술로, 이 기술로 냉각된 금속은 얇은 막 또는 매우 긴 리본을 만들어 낼 수 있다.
설비는 용융된 금속이 떨어지는 유도 코일(induction coil)과 냉각되는 표면을 제공하는 스피닝 드럼(spinning drum)으로 구성되어 있다. 유도 코일에서 용융된 금속은 압력에 의해 스피닝 드럼으로 떨어지면서 보통 물이나 액체 질소로 냉각된다. 냉각된 금속은 스피닝 드럼이 돌아가면서 리본 모양을 만들며 회전하는 방향으로 빠져나간다.
상술한 멜트스피닝의 경우 표면적을 극단적으로 증가시킬 수 있는 장점이 있으나 단순금을 회수하는 공정에 있어서는 필요 이상의 고급기술로 공정구축을 위한 장비의 단가가 비싸 결국 원가가 증가하는 문제점이 있다.
멜트스피닝과 관련된 기술로는, 예를 들면, 한국공개특허 제2014-0001791호(' 연자성 나노-비정질 복합소재의 조성 및 제조 방법', 공개일: 2014년01월07일)이 있다.
한국공개특허 제2014-0001791호(' 연자성 나노-비정질 복합소재의 조성 및 제조 방법', 공개일: 2014년01월07일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 공정을 단순화하고, 원가를 절감할 수 있는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치 및 이를 이용한 금속의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 배출 모듈내의 금속을 용융시켜 용융 금속을 제조하는 가열 모듈; 상기 배출 모듈 하부에 구비되며, 제조된 상기 용융 금속을 하부로 낙하시키는 노즐; 및 냉각수가 채워지며, 낙하하는 상기 용융 금속을 냉각시키는 냉각 모듈을 포함하며, 상기 냉각 모듈은, 상기 용융 금속의 충돌 및 상기 냉각수의 분사 중 어느 하나를 이용함으로써, 상기 금속의 비표면적을 증가시키며, 상기 냉각수의 분사를 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 용융 금속이 낙하하는 상기 냉각수의 표면 부위에 냉각수를 분사하는 냉각수 분사구를 더 포함하며, 상기 용융 금속의 충돌을 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 배출 모듈의 노즐 하부에 구비되며, 상기 용융 금속의 낙하 방향과 소정의 각도를 가지고 경사지게 배치되어 상기 낙하하는 용융 금속이 충돌하는 개구부가 형성되지 않은 판 형태의 금속 매체와 상기 금속 매체의 경사진 방향을 따라 상기 금속 매체의 표면에 냉각수를 흘리는 분사구를 더 포함하는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 가열 모듈에서, 배출 모듈 내의 금속을 용융시켜 용융 금속을 제조하는 제1 단계; 상기 배출 모듈의 하부에 구비된 노즐을 통해, 제조된 상기 용융 금속을 하부로 낙하시키는 제2 단계; 및 냉각수가 채워진 냉각 모듈에서, 낙하하는 상기 용융 금속을 냉각시키는 제3 단계를 포함하며, 상기 제3 단계는, 상기 용융 금속의 충돌 및 상기 냉각수의 분사 중 어느 하나를 이용함으로써, 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 단계를 포함하며, 상기 냉각수의 분사를 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 용융 금속이 낙하하는 상기 냉각수의 표면 부위에 냉각수를 분사하며, 상기 용융 금속의 충돌을 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 배출 모듈의 노즐 하부에 구비되며, 상기 용융 금속의 낙하 방향과 소정의 각도를 가지고 경사지게 배치된 개구부가 형성되지 않은 판 형태의 금속 매체에 낙하하는 상기 용융 금속이 충돌하며, 상기 금속 매체의 경사진 방향을 따라 상기 금속 매체의 표면에는 냉각수가 흐르는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 용융 금속을 하부로 낙하시키고, 용융 금속의 충돌 및 냉각수의 분사 중 적어도 하나를 이용하여 금속의 비표면적을 증가시킴으로써, 공정을 단순화하고, 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 절단 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 절단 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 절단 사시도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 제조된 증가된 표면적을 가진 금속을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 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 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치는, 가열 모듈(110), 배출 모듈(120) 및 냉각 모듈(130)로 구성될 수 있다.
구체적으로, 가열 모듈(110)은 배출 모듈(120)을 가열함으로써 배출 모듈(120)내의 금속을 용융시켜 용융 금속(MS)을 제조할 수 있다. 이러한 가열 모듈(110)은 고주파 가열, 토치 가열, 아크 가열, 진공 가열 및 전기열 가열 중 적어도 하나를 이용하는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 금속은, 금, 은, 구리, 주석, 아연, 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 니켈, 코발트, 철 및 이들 중 적어도 2 이상을 포함하는 합금 중 어느 하나로 구성된 것일 수 있다.
또한, 상술한 가열 모듈(110)은, 용융 금속(MS)이 하부로 낙하하는 동안 배출 모듈(120)의 하부에 구비된 노즐(121)을 가열할 수 있는데, 이렇게 노즐(121)을 가열하는 이유는 금속이 용융된 후 하부 노즐(121)로 이동하면서 부족한 열에너지에 의해 다시 응고되어 막히는 것을 방지하기 위함이다.
배출 모듈(120)은, 금속을 용융시키는 도가니이며, 내부에는 금속이 채워져 용융되며, 하부에는 노즐(121)이 체결되어 있어 용융 금속(MS)은 노즐(121)을 통해 하부로 낙하할 수 있다. 노즐(121)의 직경은 대략 1~3mm 정도일 수 있다. 상술한 배출 모듈(120)은 지름(145mm)×높이(100mm)의 원기둥형 도가니일 수 있다.
한편, 냉각 모듈(130)은, 배출 모듈(120)의 노즐(121)을 통해 낙하하는 용융 금속(MS)을 냉각시킬 수 있다.
이러한 냉각 모듈(130)은, 내부에 냉각수가 채워지는 냉각 모듈 본체(131)와, 냉각 모듈 본체(131)의 상부에 구비되어 냉각수가 외부로 튀는 것을 방지하기 위한 3단으로 구성된 덮개(132), 냉각 모듈 본체(131) 하부의 냉각수를 호스(134)를 통해 상부로 펌핑시켜 순환시키는 펌프(133)와, 냉각 모듈 본체(131)의 상부에 부착되어 내부로 냉각수를 분사하는 분사구(135)와, 냉각 모듈 본체(131) 내부에 채워진 냉각수를 외부로 배출하기 위한 드레인(136)으로 구성될 수 있다. 또한, 냉각 모듈 본체(131)의 하부에는 이동의 용이성을 위해 바퀴(139)가 장착될 수 있다.
상술한 냉각 모듈 본체(131)는 지름 45㎝, 높이 60㎝로 제작되어 대략 70리터의 냉각수를 수용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 절단 사시도이다. 그리고 도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 제조된 증가된 표면적을 가진 금속을 도시한 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 2 및 도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치를 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분사구(135)는 용융 금속(MS)이 낙하하는 냉각수(137)의 표면 부위에 냉각수를 분사할 수 있다.
구체적으로, 도가니(120) 내에 주석을 투입한 후 부탄 토치를 이용하여 용해시켰으며, 하부 노즐(121)에도 효율적인 열전달을 위해 토치를 이용하여 지속적으로 가열을 진행하였다.
이후, 분사구(135)를 통해 용융 금속(MS)이 낙하하는 냉각수(137)의 표면 부위에 냉각수를 분사함으로써, 도 5와 같이 팝콘 형태의 표면적이 증가된 금속을 제조하였다. 이때 평균 0.3g의 무게를 가진 그레뉼(MS)이 초당 5~6개 형성되어 냉각수(137)로 낙하할 수 있다. 이때 주석의 최소 두께는 도 6의 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)에 나타난 바와 같이 약 50um이며, 평균 150um정도의 두께를 보여 2차원적인 비표면적의 증가를 얻을 수 있었다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 절단 사시도이다. 그리고 도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 제조된 증가된 표면적을 가진 금속을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제조 장치는, 배출 모듈(120)의 노즐(121) 하부에 구비되며, 용융 금속(MS)의 낙하 방향과 소정의 각도(θ)를 가지고 경사지게 배치되어 낙하되는 용융 금속(MS)이 충돌하는 금속 매체(138)를 더 포함할 수 있다. 금속 매체(138)는 용융 금속(MS)보다는 융점이 높은 재질일 수 있으며, 예를 들면 티타늄으로 제조된 것일 수 있다.
구체적으로, 도가니(120) 내에 황동(구리+주석)을 투입한 후 LPG-산소 토치를 이용하여 용해시켰으며 하부 노즐(121)에도 효율적인 열전달을 위해 LPG-산소 토치를 이용하여 지속적으로 가열을 진행하였다.
이때, 도 3과 같이 도가니(120) 하부에는 틸팅되어 있는 금속판(138)이 위치되어 있어 낙하되는 용융 금속(MS)이 금속판(138)과 충돌하여 표면적이 2차원적으로 커지고 급속 응고함으로써 물리적으로 표면적 상승하였다. 이러한 방법을 통해 도 7과 같이 표면적이 상승된 응고체를 확보할 수 있었다. 이들 응고체 평균 무게는 0.398g이었으며 두께 500um의 원형으로 응고되었다고 가정할 경우 1.94cm3의 표면적을 나타내었으며 같은 무게 대비 구형(0.61cm3)에 비해 약 3배 이상 표면적이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로, 도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치의 절단 사시도이다.
도 4의 실시 형태에 의하면, 도 3의 실시 형태와 비교할 때, 분사구(135)는 금속 매체(138)의 경사진 방향을 따라 금속 매체(138)의 표면에 냉각수를 흘리도록 구성될 수 있다. 또는, 발명의 일 실시 형태에 따르면, 분사구(135)는 금속 매체(138)의 경사진 방향과 평행하게 냉각수를 분사하도록 구성될 수도 있음은 물론이다.
이와 같은 구성을 통해 용융 금속(MS)이 금속 매체(138)에 충돌될 때 표면적이 증가될 수 있으며, 냉각수의 수압에 의해 분리되어 연속 작업이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 용융 금속을 하부로 낙하시키고, 용융 금속의 충돌 및 냉각수의 분사 중 적어도 하나를 이용하여 금속의 비표면적을 증가시킴으로써, 공정을 단순화하고, 원가를 절감할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법을 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 7과 관련하여 중복된 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 우선, 가열 모듈(110)에서, 배출 모듈 (120)내의 금속을 용융시켜 용융 금속(MS)을 제조할 수 있다(S801).
다음, 배출 모듈(120)의 하부에 구비된 노즐(121)을 통해, 제조된 용융 금속(MS)을 하부로 낙하시킬 수 있다.
마지막으로, 냉각수(137)가 채워진 냉각 모듈(130)에서, 낙하된 용융 금속(MS)을 냉각시킬 수 있다(S803). 이때, 용융 금속(MS)의 충돌 및 냉각수의 분사 중 적어도 하나를 이용함으로써, 금속의 비표면적을 증가시킬 수 있다,
예를 들면, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 분사구(135)를 통해 용융 금속(MS)이 낙하하는 냉각수(137)의 표면 부위에 냉각수를 분사함으로써, 도 5와 같이 팝콘 형태의 표면적이 증가된 금속을 제조할 수 있다.
또는, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 배출 모듈(120)의 노즐(121) 하부에 용융 금속(MS)의 낙하 방향과 소정의 각도(θ)를 가지고 경사지게 배치된 금속 매체(138)에 낙하되는 용융 금속(MS)을 충돌시킴으로써, 도 7과 같이 표면적이 상승된 응고체를 확보할 수 있다.
또는, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 분사구(135)를 통해 금속 매체(138)의 경사진 방향을 따라 금속 매체(138)의 표면에 냉각수를 흘리도록 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 용융 금속을 하부로 낙하시키고, 용융 금속의 충돌 및 냉각수의 분사 중 적어도 하나를 이용하여 금속의 비표면적을 증가시킴으로써, 공정을 단순화하고, 원가를 절감할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
110: 가열 모듈 120: 배출 모듈
121: 노즐 130: 냉각 모듈
131: 냉각 모듈 본체 132: 덮개
133: 펌프 134: 호스
135: 분사구 136: 드레인
137: 냉각수 138: 금속 매체
139: 바퀴 MS: 용융 금속

Claims (14)

  1. 배출 모듈내의 금속을 용융시켜 용융 금속을 제조하는 가열 모듈;
    상기 배출 모듈 하부에 구비되며, 제조된 상기 용융 금속을 하부로 낙하시키는 노즐; 및
    냉각수가 채워지며, 낙하하는 상기 용융 금속을 냉각시키는 냉각 모듈을 포함하며,
    상기 냉각 모듈은, 상기 용융 금속의 충돌 및 상기 냉각수의 분사 중 어느 하나를 이용함으로써, 상기 금속의 비표면적을 증가시키며,
    상기 냉각수의 분사를 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 용융 금속이 낙하하는 상기 냉각수의 표면 부위에 냉각수를 분사하는 냉각수 분사구를 더 포함하며,
    상기 용융 금속의 충돌을 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 배출 모듈의 노즐 하부에 구비되며, 상기 용융 금속의 낙하 방향과 소정의 각도를 가지고 경사지게 배치되어 상기 낙하하는 용융 금속이 충돌하는 개구부가 형성되지 않은 판 형태의 금속 매체와 상기 금속 매체의 경사진 방향을 따라 상기 금속 매체의 표면에 냉각수를 흘리는 분사구를 더 포함하는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속은,
    금, 은, 구리, 주석, 아연, 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 니켈, 코발트, 철 및 이들 중 적어도 2 이상을 포함하는 합금 중 어느 하나로 구성된 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열 모듈은,
    상기 용융 금속이 하부로 낙하하는 동안 상기 배출 모듈의 하부에 구비된 노즐을 가열하는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가열 모듈은,
    고주파 가열, 토치 가열, 아크 가열, 진공 가열 및 전기열 가열 중 적어도 하나를 이용하는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 장치.
  8. 가열 모듈에서, 배출 모듈 내의 금속을 용융시켜 용융 금속을 제조하는 제1 단계;
    상기 배출 모듈의 하부에 구비된 노즐을 통해, 제조된 상기 용융 금속을 하부로 낙하시키는 제2 단계; 및
    냉각수가 채워진 냉각 모듈에서, 낙하하는 상기 용융 금속을 냉각시키는 제3 단계를 포함하며,
    상기 제3 단계는, 상기 용융 금속의 충돌 및 상기 냉각수의 분사 중 어느 하나를 이용함으로써, 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 단계를 포함하며,
    상기 냉각수의 분사를 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 용융 금속이 낙하하는 상기 냉각수의 표면 부위에 냉각수를 분사하며,
    상기 용융 금속의 충돌을 이용하여 상기 금속의 비표면적을 증가시키는 경우, 상기 배출 모듈의 노즐 하부에 구비되며, 상기 용융 금속의 낙하 방향과 소정의 각도를 가지고 경사지게 배치된 개구부가 형성되지 않은 판 형태의 금속 매체에 낙하하는 상기 용융 금속이 충돌하며, 상기 금속 매체의 경사진 방향을 따라 상기 금속 매체의 표면에는 냉각수가 흐르는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 금속은,
    금, 은, 구리, 주석, 아연, 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 니켈, 코발트, 철 및 이들 중 적어도 2 이상을 포함하는 합금으로 구성된 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 금속의 제조 방법은,
    상기 용융 금속이 낙하하는 동안 상기 배출 모듈의 하부에 구비된 노즐을 가열하는 단계를 더 포함하는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    고주파 가열, 토치 가열, 아크 가열, 진공 가열 및 전기열 가열 중 적어도 하나를 포함하는 증가된 비표면적을 가진 금속의 제조 방법.
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