KR101933040B1 - 마그네슘 크라운을 제조하기 위한 마이크로웨이브 열환원로 및 이를 이용한 마그네슘 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 마그네슘 제조 방법은 소성로에서 백운석을 소성하여 경소백운석을 제조하는 단계, 상기 경소백운석과 페로실리콘을 혼합하여 성형체를 성형하는 단계 및 마이크로웨이브 열환원로에 상기 성형체를 장입하여 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 마그네슘 크라운 제조 공정을 단축시킴으로써, 금속 마그네슘을 보다 효율적으로 제조할 수 있다는 효과가 있다.

Description

마그네슘 크라운을 제조하기 위한 마이크로웨이브 열환원로 및 이를 이용한 마그네슘 제조 방법 {Heat reducing furnace for producing magnesium crown, method for producing magnesium using the same}

본 발명은 마그네슘 제조 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브를 이용하여 마그네슘 크라운을 제조하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 마그네슘을 함유한 합금재료는 우수한 기계 가공성과 높은 진동 감쇠능, 진동 및 충격에 대한 탁월한 흡수성, 경량성, 우수한 전자파 차폐 특성이 있다. 이러한 이유로 최근에는 컴퓨터, 카메라, 휴대전화 등의 부품으로 마그네슘의 사용이 확대되고 있다.

마그네슘은 주기율표 2족에 속하는 알카리토금속으로서 원소기호 Mg, 원자번호 12, 원자량 24.3050, 녹는점 650, 끓는점 1,100, 비중 1.741이다. 마그네슘은 자연 상태에서는 단일 원소로 존재하지 않고, 규산이나 황산, 탄산들과 함께 결합한 염의 형태로 많이 존재하며, 특히 지각을 구성하는 8대 원소 중 하나이다.

마그네슘이 산업화에 활용된 이유는 마그네슘의 물리적 특성에 있는데, 마그네슘의 무게는 알루미늄의 2/3, 철의 1/4.5로 비철금속 중 가장 가볍다. 또 마그네슘은 고 비강도(인장강도/밀도), 고 비강성(항복강도/밀도), 전자파 차단성, 충격 흡수성, 치수 안정성, 기계 가공성 등이 우수하여 경량성과 고강도를 요하는 제품에 사용되는 21세기 꿈의 신소재로 각광받고 있다. 이에 따라 전자부품뿐만 아니라 연비, 환경규제 등에 따라 자동차부품이나 항공기 부품, 스포츠, 레저용품 등 사용 범위가 급속히 확대되고 있다.

우리나라는 현재 마그네슘 잉곳을 전량 수입에 의존하고 있으며, 전 세계 마그네슘 생산의 대부분을 중국이 차지하고 있는 상황이다. 중국은 연간 전 세계 물량인 80만톤의 87%를 공급하는 마그네슘 생산의 독점적 지위를 이용하여, 2008년부터 마그네슘 잉곳 수출 시, 10%의 수출관세를 부과하여 국제적으로 마그네슘 가격을 교란하고 있다.

국내에 수입되고 있는 마그네슘 잉곳은 크게 순마그네슘과 마그네슘합금으로 나눌 수 있다. 순마그네슘의 경우 알루미늄합금의 합금 첨가재와 철강재의 탈황재 용도로, 마그네슘 합금의 경우 제품생산용으로 사용되고 있고, 그 수입량은 매년 증가추세에 있으며 2007년에는 연간 16,000 톤에 이르렀으나, 2008년 마그네슘 가격파동으로 수요가 주춤한 상태에 있다. 2004년 이후 국내 마그네슘 잉곳의 수입량은 지속적으로 증가하는 있으며, 순마그네슘의 경우 그 수입량의 변화가 크지 않으나 마그네슘 제품 생산에 사용되는 마그네슘 합금의 경우 2005년 이후 스티어링 휠 코어, 시트 프레임, 슬림폰 등의 부품 등이 양산 적용되면서 급격한 증가를 보이고 있다. 2008년에 이르러 마그네슘 잉곳의 수입가격이 그간 수입가격에 두 배가 넘는 약 $6,000/톤까지 형성되면서 부품의 사용량이 줄어들고 그 수입량이 감소하였다. 2009년 12월 말 마그네슘 잉곳의 수입가격은 순마그네슘 기준으로 약 $2,800/톤 정도로 형성되어 2008년에 비해 수입가가 많이 하락하였으나, 2009년 12월 말 약 $2,260/톤의 가격을 보이고 있는 경쟁소재인 알루미늄 재료에 비해서는 약간 높은 수준의 가격을 보이고 있다.

1998년 이후 Dow chemical 과 같은 서방국가의 유수한 마그네슘 제련 업체의 폐업에 이어 2007년 캐나다 Hydro 마그네슘 공장의 폐쇄로 인하여 중국 외 마그네슘 잉곳 생산 업체는 6개 밖에 남지 않았다. 이들 중 우크라이나, 카자흐스탄은 생산량을 티타늄제련에 환원제로 자체 소비하고 있다. 2007년 hydro 캐나다 공장이 폐쇄되면서 세계 마그네슘 잉곳 생산국은 6개로 줄어들었고, 중국의 마그네슘 시장지배력은 지속적으로 상승하여 2006년에는 세계 생산량의 72%를 생산하고 있으며, 2007년에는 77%를 차지하였다. 호주 및 콩고 등에서도 수년간 마그네슘 제련사업의 신규진출 및 사업 확장에 대한 검토가 진행되었으나, 중국과의 경쟁에 직면했을 때 가격 측면에서 불리하여 신규 사업은 취소되거나 현상 유지 되고 있는 상황이다.

세계 마그네슘 잉곳 소비량은 2002년과 2005년 사이 크게 증가하여 연간 80만톤에 이르렀다. 2006년 중국에서의 수요량이 증가함에도 불구하고 미국과 유럽의 사용량이 감소하여 전체 소비량은 다소 감소하였다. 마그네슘 소비량은 다이캐스팅 제품이 가장 많고 그 다음으로 알루미늄 합금용으로 사용되었다. 마그네슘의 다이캐스팅 분야 사용량은 1990년대에는 비교적 소량이었으나 2006년에는 전체의 35%를 차지하였으며, 2000년대 중반부터 알루미늄 합금용 사용량을 능가하였다. 미국, 중국, 유럽의 경우는 마그네슘 자동차 부품에 대한 수요가 많은 반면에, 일본, 한국, 대만 등의 아시아지역은 휴대폰 등의 휴대용 전자부품에 많은 양의 마그네슘이 사용되고 있다. 마그네슘 다이캐스팅 부품은 자동차 분야의 하우징, 조립품, 브라켓 및 기타 부품류에 사용되고 있다. 2006년 대당 평균 사용량은 2.4kg에 불과하나 차종에 따라 26kg이상 적용된 예도 있을 정도로 활발하게 적용 중이다.

마그네슘은 지구상에서 8번째로 풍부한 원소이지만 자연 상태에서는 원소 상태로 존재하지 않고 화합물로 지각(地殼)에 광범위하게 분포하고 있다. 지각의 약 3.5%는 MgO로 구성되어 있으며, 해수 중에도 용해된 마그네슘 원소가 0.13%에 달한다. 주요한 마그네슘 자원으로는, 산화물계는 periclase(MgO), brucite(Mg(OH)₂)이며, 탄산염 광물로는 능고토석(菱苦土石, magnesite(MgCO₃)), 백운석(白雲石, dolomite(MgCO₃CaCO₃)), 규산염 광물로는 감람석(橄欖石, olivine(Mg, Fe)SiO₄), 사문석(蛇紋石, serpentine(3MgO2SiO₂2H₂O)), 활석(滑席, talc(3MgO4SiO₂2H₂O))이며, 용액은 함수(鹹水, brine(NaClKClMgCl₂)), 해수(海水, sea water(NaClKClMgCl₂)) 등이 있다.

탄산염 광물은 마그네슘사이트나 돌로마이트를 고온에서 소성하여 다음 화학식 1, 화학식 2와 같이 CO₂를 방출시켜 산화물(경소백운석, light-burning dolomite)이 되므로, 우수한 마그네슘 원료로 사용 될 수 있다.

마그네사이트의 광상(鑛床)은 약 95%의 순도로 퇴적물 내에 존재하고, 미국, 러시아, 중국, 유럽, 호주 등 세계 각국에 분포하고 있으며, 돌로마이트의 광상은 그보다 더 넓고 풍부하게 분포하고 있다.

마그네슘 제련방법은 전해법과 열환원법으로 구분되고 이들 방법들에는 다양한 제련방법이 존재하고 있다. 현재 상업적으로 사용되는 전해법의 경우 I.G.전해법, Dow 전해법, NL 전해법, 카널라이트 전해법, AMC 전해법 및 현재 생산이 중단된 Magnola 전해법 등이 있다.

전해법은 염소의 처리, 공해 대책 등을 포함한 고도의 기술이 요구되며, 이로 인해 건설에 막대한 비용이 소모된다.

열환원법은 환원제의 종류, 방법에 따라 여러 가지가 있지만 현재 마그네슘 잉곳 생산에 적용되고 있는 방법으로는 규소환원법, 그 중에서도 피죤(Pidgeon)법이 규모에 관계없이 용이하게 제련공장의 운영이 가능하다는 특징이 있어 중국에서 주로 사용하는 제련법이다.

피죤법은 캐나다의 Pidgeon이 개발한 방법으로, 소성 돌로마이트 또는 해수에서 얻어진 MgO에 생석회를 더한 합성 돌로마이트를 원료로 사용하며, 환원제인 페로실리콘을 혼합하여 단광을 만들고 이것을 진공가열을 통해 얻는다. 레토르트에 장입된 단광은 고온진공 분위기에서 환원되는데, 이 때 진공로는 마그네슘 크라운의 형상 및 성장에 영향을 주며, 일반적으로 10^-1~10^-2 mmHg의 진공도를 사용한다.

마그네슘은 노에서 돌출된 냉각부에서 응축되는데, 응축온도는 진공 중에서 520~380 부근이다. 이 공정을 통해 제조되는 마그네슘은 순도가 높고(99.95%), 다른 방법들에 비해 최고의 품질을 얻을 수 있다.

일반적으로 피죤법은 밀폐된 내열강의 반응관에 마그네슘 제련 원료로 사용되는 소성백운석과 환원제인 페로실리콘 및 형석을 일정한 비율로 혼합하여 성형한 후, 반응 원료를 넣어 고온 및 진공 상태에서 고상 환원반응시켜 Mg 증기를 발생시키고, Mg 증기를 응축기에서 400~500℃로 응축하여 마그네슘 크라운(Mg Crown)을 제조하는 방법이다.

피죤법은 소규모 용량의 비연속적 시스템임에도 불구하고, 공정이 간단하고 설비비가 적게 들며, 설비가동에 필요한 전력소비가 적은 이유로 오랜 세월에 걸쳐 사용되고 있다. 반면 환원제로 사용하는 페로실리콘은 제조과정에서 전기를 많이 사용한다.

열환원법은 앞서 설명한 바와 같이 마그네시아(MgO)를 환원하여 순마그네슘을 얻는 것으로 그 반응식은 일반적으로 다음과 같다.

MgO + X = Mg + XO

여기서 X는 환원제이고, XO는 생성되는 산화물이며, 환원제 X의 종류에 따라 기체 또는 고체가 된다. X로서 탄소를 이용하면 XO는 기체의 CO가 된다.

MgO(s) + C(s) -> CO(g) + Mg(g)

X와 XO가 모두 비휘발성의 고체인 경우, Mg 가스만을 비교적 간단하게 분리 응축시키는 것이 가능하게 되므로, 환원제 X와 생성물 XO는 반응 온도에서의 증기압이 낮아야 하고, XO는 상당히 안정해야 한다. 이 조건에 맞는 물질로는 CaC₂, Al, Si로 그 반응은 다음과 같다.

MgO(s) + CaC₂(s) → CaO(s) + 2C(s) + Mg(g)

3MgO(s) + 2Al(s) → Al₂O₃(s) + 3Mg(g)

2CaO·MgO(s) + Si(s) → Ca₂SiO₄(s) + 2Mg(g)

이러한 반응은 1,000 이상의 고온 및 고진공 하에서 일어난다. 위 식에서 환원제의 단위량에 대한 Mg의 생성량을 비교해 보면, CaC₂는 0.375배, Al은 1.38배, Si는 1.72배가 된다. 이러한 환원제에 대한 다양한 연구가 진행되었으나 대부분의 공장은 상업성이 맞지 않아 조업을 중단한 반면, 규소 환원법인 Pidgeon법과 Magnetherm법만은 오늘날까지 이어지고 있다.

규소환원법은 돌로마이트 광석을 고온에서 소성하여 산화물로 만든 후, 고온의 진공 중에서 금속 Si로 환원시켜 생성된 마그네슘 증기를 응축하여 제조한다. 환원로는 가열방식, 반응용기, 응축기, 진공계통 등에 따라 다양한 형태로 고안되었으나, 제2차 세계대전 이후까지 사용된 방법은 I.G.의 수평내열로, Bagley의 내부가열로, Pidgeon의 수평 레토르트로, 이탈리아의 Ravelli로 등에 불과하다. 이 중 Pidgeon법은 현재에도 조업되고 있고 독일의 Knapsack-Grieshei와 프랑스의 Magnetherm에서는 소요시간을 단축하고 조업의 연속화 및 대형화에 의한 생산성 향상을 도모하기 위한 방법들이 개발되었다. 특히 Magnetherm 방식은 프랑스 Pechiney의 Marignac 공장에서 16,500t/y의 규모로 가동 중이며, 미국의 Northwest Alloys에서도 이 방식을 이용하고 있다. 중국의 Pidgeon법 설비는 1990년대 초창기의 경우 석탄을 열원으로 사용하여 조업하면서 분진, 황산화물 그리고, 다량의 CO₂ 가스발생 등의 환경 공해가 유발되는 낮은 열효율 설비로 가동되었으나(1세대), 2000년대 이후 정부지원하의 설비개선 연구와 더불어 환경에 대한 사회 환경의 변화에 따라 2008년 베이징 올림픽을 전후로 대대적인 설비개선이 이루어져, 친환경 고 에너지효율 설비로 개선되었다(2세대).

중국에서는 마그네슘 기술개발을 위해 산학연 협력을 통한 정부의 기술개발 지원과 더불어 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 최근에는 기존 피죤(Pidgeon)법을 개선하여 고 생산성 설비기술 개발이 시도되고 있는데, 노 형태를 수직형으로 개선한 마그네슘 열환원로 기술개발이 중국에서 3세대 기술로 이루어지고 있다. 중국 설비제작사인 Long Mei는 2008년 말 수직형 열환원로 Pilot Plant 단계 기술개발을 시험 중에 있으며, 최근 중국의 RSM사는 수직형 Pidgeon법으로 연간 10만 톤 제련설비 건설계획을 발표하였다. RSM사는 2000년대 초부터 캐나다 Mcgill대학과 공동으로 수직형 설비개발을 착수하였으며, 수평형을 수직형으로 변경 시 노체 직경을 확대하여 생산성을 높일 수 있는 방안을 도출하려고 노력하고 있다. 즉 원료장입 및 Slag 잔재물의 배출 자동화를 통해 장입 배출시간의 단축 등 조업시간을 단축함으로써 제조원가를 낮추는데 중점을 두고 있다.

대한민국 등록특허 10-1537383 대한민국 등록특허 10-1112759 대한민국 등록특허 10-1572233 대한민국 등록특허 10-1459728 대한민국 등록특허 10-1063798

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 마그네슘 크라운의 제조 수율을 향상시키고, 마그네슘 환원 반응 제조 공정을 단축시킬 수 있는 마이크로웨이브 열환원로 및 이를 이용하는 마그네슘 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로웨이브 열환원로는 마이크로웨이브의 입사파 및 반사파의 외부 방출을 막고, 내부에 설치되는 설치물을 고정시키기 위한 챔버, 상기 챔버 상단에 설치되어, 상기 챔버 내부에 마이크로웨이브를 발생시키기 위한 마이크로웨이브 발생부, 상기 챔버의 측면을 관통하여 내부에 위치하며, 마그네슘 크라운을 제조하기 위한 원료인 원료 브리켓이 장입되어 열환원 반응이 이루어지는 방열부, 상기 챔버의 외부에서 상기 방열부와 연결되어, 상기 방열부에서 열환원 반응에 의해 발생된 마그네슘 증기를 응축하여, 마그네슘 결정 성장이 일어나도록 하여, 마그네슘 크라운을 생성하기 위한 냉각부, 상기 챔버의 내부에서 상기 방열부를 감싸고 있으며, 상기 마이크로웨이브 발생부에서 발생한 마이크로웨이브에 의해 반응하여 발열되는 발열체 및 상기 챔버의 내부에서 상기 발열체를 감싸고 있으며, 상기 발열체에서 발생하는 열에너지가 손실되는 것을 막기 위한 단열재를 포함한다.

상기 마이크로웨이브 발생부는 마그네트론(magnetron)으로 구현될 수 있다.

상기 원료 브리켓은 경소백운석과 페로실리콘을 혼합하여 성형할 수 있다.

상기 방열부에 상기 원료 브리켓이 장입된 상태에서, 1230℃의 온도와, 0.5 torr의 진공압을 유지하면서, 1시간 동안 열환원 반응을 시킬 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법은 소성로에서 백운석을 소성하여 경소백운석을 제조하는 단계, 상기 경소백운석과 페로실리콘을 혼합하여 성형체를 성형하는 단계 및 마이크로웨이브 열환원로에 상기 성형체를 장입하여 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조하는 단계를 포함한다.

상기 경소백운석을 제조하는 단계에서, 상기 소성로에서 상기 백운석을 950℃에서 1시간 동안 소성 반응을 시켜서 경소백운석을 제조할 수 있다.

상기 마그네슘 크라운을 제조하는 단계에서, 상기 마이크로웨이브 열환원로에 상기 성형체가 장입된 상태에서, 1230℃의 온도와, 0.5 torr의 진공압을 유지하면서, 1시간 동안 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법은 백운석을 소정 크기 이하로 분쇄하여 미립화한 미립 백운석과 페로실리콘을을 혼합하여 성형체를 성형하는 단계, 마이크로웨이브 열환원로에서 상기 성형체를 장입하여 소성하는 단계 및 상기 마이크로웨이브 열환로에서 소성된 성형체에 대해 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조하는 단계를 포함한다.

상기 소성하는 단계에서, 상기 마이크로웨이브 열환원로에서 상기 성형체를 950℃에서 1시간 동안 소성 반응을 시킬 수 있다.

상기 마그네슘 크라운을 제조하는 단계에서, 상기 마이크로웨이브 열환원로에 소성된 성형체에 대해 1230℃의 온도와, 0.5 torr의 진공압을 유지하면서, 1시간 동안 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조할 수 있다.

본 발명에 의하면, 마그네슘 크라운 제조 공정을 단축시킴으로써, 금속 마그네슘을 보다 효율적으로 제조할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 마이크로웨이브 챔버 내에 발열체를 위치시킴으로써, 에너지 소비 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 경소백운석의 XRD 분석 자료를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시에에 따른 경소백운석과 페로실리콘을 혼합한 성형체를 분석한 XRD 자료를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 제조된 마그네슘 크라운을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 열환원 반응 후 반응물을 X-선 회절분석기로 측정한 XRD 데이터를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미립 백운석과 페로실리콘을 혼합한 성형체를 분석한 XRD 자료를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 제조된 마그네슘 크라운을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 열환원 반응 후 반응물을 X-선 회절분석기로 측정한 XRD 데이터를 도시한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로의 구조를 보여주는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로(100)는 챔버(110), 마이크로웨이브 발생부(120), 단열재(130), 발열체(140), 방열부(150), 냉각부(160)를 포함한다.

챔버(110)는 마이크로웨이브의 입사파 및 반사파의 외부 방출을 막고, 내부에 설치되는 설치물을 고정시킨다.

마이크로웨이브 발생부(120)는 챔버(110) 상단에 설치되어, 챔버(110) 내부에 마이크로웨이브를 발생시키는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 마이크로웨이브 발생부(120)는 마그네트론(magnetron)으로 구현될 수 있다.

단열재(130)는 챔버(110)의 내부에서 발열체(140)를 감싸고 있으며, 발열체(140)에서 발생하는 열에너지가 손실되는 것을 막는 역할을 한다.

발열체(140)는 챔버(110)의 내부에서 방열부(150)를 감싸고 있으며, 마이크로웨이브 발생부(120)에서 발생한 마이크로웨이브에 의해 반응하여 발열된다.

방열부(150)는 챔버(110)의 측면을 관통하여 내부에 위치하며, 마그네슘 크라운을 제조하기 위한 원료인 원료 브리켓(10)이 장입되어 열환원 반응이 이루어진다. 여기서, 원료 브리켓(10)은 경소백운석과 페로실리콘을 혼합하여 성형한 것일 수 있다.

냉각부(160)는 챔버(110)의 외부에서 방열부(150)와 연결되어, 방열부(150)에서 열환원 반응에 의해 발생된 마그네슘 증기를 응축하여, 마그네슘 결정 성장이 일어나도록 하여, 마그네슘 크라운이 생성되도록 한다.

본 발명의 일 실시예에서 방열부에 원료 브리켓(10)이 장입된 상태에서, 1230℃의 온도와, 0.5 torr의 진공압을 유지하면서, 1시간 동안 열환원 반응을 시킬 수 있다.

도 1의 마이크로웨이브 열환원로 방식은 발열체(140)가 챔버(110) 내부에 있는 구조로서, 피가열물인 원료 브리켓(10)에 직접 열전달이 이루어지는 방식이다. 따라서, 내부 중심 온도까지 도달하는 시간이 외부 가열 방식에 비해 1/8로 줄어들어, 에너지 소비 효율이 좋은 방식이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법은, 먼저 소성로에서 백운석을 소성하여 경소백운석을 제조한다(S210).

그리고, 경소백운석과 페로실리콘을 혼합하여 성형체를 성형한다(S220).

그리고, 마이크로웨이브 열환원로(100)에 성형체를 장입하여 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조한다(S230).

본 발명에서 경소백운석을 제조하는 단계(S210)에서, 소성로에서 백운석을 950℃에서 1시간 동안 소성 반응을 시켜서 경소백운석을 제조할 수 있다.

본 발명에서 마그네슘 크라운을 제조하는 단계(S230)에서, 마이크로웨이브 열환원로(100)에 성형체가 장입된 상태에서, 1230℃의 온도와, 0.5 torr의 진공압을 유지하면서, 1시간 동안 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법을 예시하면 다음과 같다.

25~40mm 크기의 백운석을 분쇄하여 소성로에서 950에서 1시간 동안 소성하여, CaCO₃·MgCO₃를 열분해(탈탄산화 반응)를 시켜서 CaO·MgO(경소백운석)을 제조한다. 그리고, 경소백운석을 분쇄하고 분급하여 100mesh를 준비하고, 페로실리콘을 60mesh로 준비한다. 그리고, 준비된 경소백운석 82wt%와, 페로실리콘 18wt%로 혼합하여 성형체를 성형한다. 그리고, 성형체를 마이크로웨이브 열환원로에 장입하여 1,230℃, 1시간, 0.5torr로 열환원 반응시켜서 마그네슘 크라운을 제조한다. 이러한 열환원 반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

2CaO·MgO(s) + FeSi(s)→ 2Mg(g) + Ca₂SiO₄(s) + Fe(s)

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법은, 먼저 백운석을 소정 크기 이하로 분쇄하여 미립화한 미립 백운석과 페로실리콘을을 혼합하여 성형체를 성형한다(S310).

그리고, 마이크로웨이브 열환원로(100)에서 성형체를 장입하여 소성한다(S320).

그리고, 마이크로웨이브 열환로(100)에서 소성된 성형체에 대해 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조한다(S330).

본 발명에서 소성하는 단계(S320)에서, 마이크로웨이브 열환원로(100)에서 성형체를 950℃에서 1시간 동안 소성 반응을 시킬 수 있다.

본 발명에서 마그네슘 크라운을 제조하는 단계(S330)에서, 마이크로웨이브 열환원로(100)에 소성된 성형체에 대해 1230℃의 온도와, 0.5 torr의 진공압을 유지하면서, 1시간 동안 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법을 예시하면 다음과 같다.

미소성용 백운석 25mm 이하 원석을 1 ~ 2mm로 분쇄하여 미립화 된 백운석을 100mesh로 체 분리하여 미립 백운석을 준비하고, 페로실리콘 60mesh를 준비한다. 그리고, 준비된 미립 백운석 82wt%, 페로실리콘 18wt%로 혼합하여 성형체를 성형한다. 그리고, 성형체를 마이크로웨이브 열환원로에 장입하여 소성 단계(1단계)와, 환원 단계(2단계)를 진행한다. 먼저 소성 단계는 950에서 1시간 동안 열분해(탈탄산화 반응)를 시켜서 CaOMgO(경소백운석)을 제조한다. 그리고, 환원 단계에서 1,230, 1시간, 0.5torr로 열환원 반응을 시켜서 마그네슘 크라운을 제조한다. 이러한 열환원 반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

2CaO·MgO(s) + FeSi(s) → 2Mg(g) + Ca₂SiO₄(s) + Fe(s)

본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법은 소성로 과정없이 직접 마이크로웨이브 열환원로에서 소성과정과 열환원과정을 동시에 진행함으로써, 별도의 소성로가 필요하지 않고, 이에 따라 소성로 장치의 소성 과정에 의한 에너지 소비를 절감하여, 그에 따른 제조 공정과 제조 단가를 절감시킬 수 있다. 이에 따라 마그네슘 제조 공정 라인이 원 스텝 방식(one-step method)으로 단순화하여 직접 백운석에서 마그네슘 크라운을 제조할 수 있다.

이제 본 발명의 마그네슘 제조 방법으로 실제 마그네슘 제조를 실시한 제조 과정을 설명하고, 그 결과를 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법의 실제 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

채광된 백운석 25mm 내외를 마이크로웨이브 소성로에 의해서 950, 1시간 동안 유지하여 경소백운석을 제조한다.

그리고, 제조된 경소백운석을 100mesh 분쇄한 것과 페로실리콘을 60mesh 분쇄한 것을 82wt% : 18wt%으로, 촉매인 형석을 제외하여 혼합한 후, 성형하기 위하여 다이캐스팅 분말 성형기에 의해 20mm 다이캐스팅에 원료를 충진 후, 5ton, 15초 동안 유지하여 성형체를 제조한다. 이때, 페로실리콘은 Si 75%, Fe 25% 함유한 것을 이용할 수 있다.

다음, 성형체를 마이크로웨이브 열환원로(100)에 약 600g 장입시킨 후, 1,230, 1시간, 0.5 torr 조건하에서 규소 열환원 반응을 시켜 마그네슘 크라운을 제조한다.

다음, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 제조 방법의 실제 제조 과정을 설명하면 다음과 같다.

채광된 미소성용 백운석 20mm를 1 ~ 2mm 크기로 분쇄하여 미립 백운석을 만든다. 그리고, 이러한 미립 백운석을 100mesh 체로 분리하여 100mesh 미립 백운석을 제조한다.

그리고, 100mesh 미립 백운석과 60mesh로 분쇄한 페로실리콘을 82wt% : 18wt%으로, 촉매인 형석을 제외하여 혼합한 후, 성형하기 위하여 다이캐스팅 분말 성형기에 의해 20mm 다이캐스팅에 원료를 충진 후, 10ton, 30초 동안 유지하여 성형체를 제조한다. 이때, 페로실리콘은 Si 75%, Fe 25% 함유한 것을 이용할 수 있다.

그리고, 성형체를 마이크로웨이브 열환원로(100)에 약 527g 장입 시킨 후, 950, 1시간 동안 탈탄산화 반응 시킨 후, 1,230/0.5 torr, 1시간 동안 규소 열환원 반응을 시켜 마그네슘 크라운을 제조한다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 경소백운석의 XRD 분석 자료를 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에서 경소백운석을 X-선 회절분석기(X-ray diffraction System, XRD system)로 측정된 XRD 데이터를 나타낸 것이다. 여기서, 마이크로웨이브 소성로에 950, 1시간 동안 유지하여 탈탄산 반응에 의해서 열분해 되어 CaO, MgO의 결정상을 확인한 것이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시에에 따른 경소백운석과 페로실리콘을 혼합한 성형체를 분석한 XRD 자료를 도시한 그래프이다.

도 5는 경소백운석과 페로실리콘를 82wt% : 18wt%로 혼합한 성형체를 X-선 회절분석기(X-ray diffraction System)로 측정한 XRD 데이터를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 제조된 마그네슘 크라운을 보여주는 도면이다.

도 6은 장입된 성형체 600g에 대하여 마이크로웨이브 열환원로 조건[1,230, 1시간, 0.5torr]에 의해서 제조된 92g 의 마그네슘 크라운을 보여주는 사진이다.

이때, 환원 반응은 2CaO·MgO(s) + FeSi(s) → 2Mg(g) + Ca₂SiO₄(s) + Fe(s) 와 같이 일어난다. 후술하는 바와 같이 [(1) CaO 와 Si의 반응을 통한 Ca-Si의 복합물을 형성 후 이 복합물이 MgO를 환원시키는 반응과 (2) Si이 직접 MgO 환원에 참여 후 SiO₂가 CaO와 반응을 하여 Ca-Si 복합 산화물을 형성하는 반응]의 복합-연쇄 반응에 의해서 진행하여 Mg 가스(gas)를 응축하고, 결정 성장시킨다.

(1) CaO 와 Si의 반응을 통한 Ca-Si의 복합물을 형성 후 이 복합물이 MgO를 환원시키는 반응.

4CaO(s) + 5Si(s) → 2CaSi₂(s) +Ca₂SiO₄ (s): ΔG°1400K = -6.7kJ

CaSi₂(l) + 5MgO(s) → 5Mg(g) + CaO(s) + 2SiO₂(s): ΔG°1400K = 539.7kJ

4CaO(s) + 2SiO₂(s) → 2Ca₂SiO₄(s): ΔG°1400K = -155.12kJ

2CaO(s) + MgO(s) + Si(s) → 2Mg(v) + Ca₂SiO₄(s): ΔG°1400K = 152.5kJ

(2) Si이 직접 MgO 환원에 참여 후 SiO₂가 CaO와 반응을 하여 Ca-Si 복합 산화물을 형성하는 반응.

2MgO(s) + Si(s) → 2Mg(v) + SiO₂(s): ΔG°1400K = 226.48kJ

2CaO(s) + SiO₂(s) → Ca₂SiO₄(s): ΔG°1400K = -77.56kJ

2CaO(s) + 2MgO(s) + Si(s) → 2Mg(v) + Ca₂SiO₄(s): ΔG°1400K = 148.9kJ

위와 같이 마그네슘 크라운 제조시, 경소백운석과 페로실리콘의 복합-연쇄 반응을 촉진시키기 위해서는 페로실리콘(Si 75%)의 녹는점 1,215 ~ 1,300℃ 열환원 온도에서 열환원 시킬 수 있는 온도인 1,230℃를 내부 중심부까지 도달 시킬 수 있는 열환원로가 필요하다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 열환원 반응 후 반응물을 X-선 회절분석기로 측정한 XRD 데이터를 도시한 그래프이다.

경소백운석의 마그네슘 함유량은 0.16%으로 이론 수율은 600g×0.16=96g으로, 마이크로웨이브 열환원로을 통하여 수율 95.8%로 나타내고 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미립 백운석과 페로실리콘을 혼합한 성형체를 분석한 XRD 자료를 도시한 그래프이다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 의해서 미립 백운석과 페로실리콘를 82wt% : 18wt% 혼합한 X-선 회절분석기(X-ray diffraction System)로 측정된 XRD 데이터를 나타낸 것이다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 제조된 마그네슘 크라운을 보여주는 도면이다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에서 장입된 성형체 527g을 마이크로웨이브 열환원로에서 소성 반응 조건[950, 1시간]에서 탈탄산화 반응을 시킨 후, [1,230, 0.5torr, 1시간]으로 규소 열환원 반응을 통하여 마그네슘 크라운 48g을 제조한 사진을 나타낸 것이다.

부연하면, 도 9는 마이크로웨이브 열환원로에 527g의 성형체를 장입하여 (1) 단계 : 소성 과정 [CaCO₃·MgCO₃ CaOMgO + CO₂ , 950℃/1시간], (2) 단계 : 열환원 과정 [1,230, 0.5torr, 1시간] 실시하여 제조된 마그네슘 크라운의 사진이다. 즉, 마이크로웨이브 열환원로에서 소성과 열환원 반응이 동시에 행하여 짐으로써, 별도로 소성로(외부 가열) 및 마이크로웨이브 소성로(내부가열)가 필요 없이, 하나의 설비로 소성과 열환원 반응을 동시에 행할 수 있으며, 이에 따라 에너지 소비 효율과 공정 시간을 줄일 수 있다.

기준 경소백운석의 마그네슘 함유량은 0.16%으로 이론 수율은 300g×0.16=48g이며, 마이크로웨이브 열환원로을 통하여 수율 100%를 나타내고 있다.

백운석의 이론적 화학적 조성은 CaO 30.4%, MgO 21.7%, CO₂ 47.9%이다. 이에, 마이크로웨이브 열환원로에서 직접 소성 → 규소열환원 반응을 시키기 위해 탈탄산화 반응에 의한 이산화탄소(CO₂) 이론 조성비만큼 방출되기 때문에 47.9%의 무게 감소가 일어난다. 이에 [경소백운석 82wt% : 페로실리콘 18wt%] 300g 기준으로 [미립 백운석 82wt%: 페로실리콘 18wt%] 527g을 제조하여 장입시킨다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로웨이브 열환원로에서 열환원 반응 후 반응물을 X-선 회절분석기로 측정한 XRD 데이터를 도시한 그래프이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에서 장입된 성형체 527g을 마이크로웨이브 열환원로 [소성 조건(950/1시간) 규소열환원 조건(1,230℃, 1시간, 0.5torr)]에서 반응 후 반응물의 X-선 회절분석기(X-ray diffraction System)로 측정된 XRD 데이터를 나타낸 것이다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

100 : 마이크로웨이브 열환원로(microwave heat reducing furnace)
110 : 마이크로웨이브 챔버(microwave chamber)
120 : 마이크로웨이브 발생부(magnetron)
130 : 단열재(heat insulating)
140 : 발열체(heating element)
150 : 방열부(radian heat part)
160 : 냉각부(cooling part)
10 : 브리켓(briquette)
D : 백운석(CaMg(CO₃)₂, dolomite)
L : 산화칼슘(CaO)(lime or calcium oxide)
Pe : 산화마그네슘(MgO)(periclase)
C : 탄산칼슘(CaCO₃)(Calcite)
Si : 실리콘(Si)(silicon)
Fer : 페론실리콘(FeSi₂)(Ferdisilicite)
D.S : 규산이칼슘(Ca₂SiO₄)(Dicalcium silicate-beta)

Claims (10)

1. 마이크로웨이브의 입사파 및 반사파의 외부 방출을 막고, 내부에 설치되는 설치물을 고정시키기 위한 챔버;
   상기 챔버 상단에 설치되어, 상기 챔버 내부에 마이크로웨이브를 발생시키기 위한 마이크로웨이브 발생부;
   상기 챔버의 측면을 관통하여 내부에 위치하며, 마그네슘 크라운을 제조하기 위한 원료인 원료 브리켓이 장입되어 열환원 반응이 이루어지는 방열부;
   상기 챔버의 외부에서 상기 방열부와 연결되어, 상기 방열부에서 열환원 반응에 의해 발생된 마그네슘 증기를 응축하여, 마그네슘 결정 성장이 일어나도록 하여, 마그네슘 크라운을 생성하기 위한 냉각부;
   상기 챔버의 내부에서 상기 방열부를 감싸고 있으며, 상기 마이크로웨이브 발생부에서 발생한 마이크로웨이브에 의해 반응하여 발열되는 발열체; 및
   상기 챔버의 내부에서 상기 발열체를 감싸고 있으며, 상기 발열체에서 발생하는 열에너지가 손실되는 것을 막기 위한 단열재를 포함하며,
   상기 원료 브리켓은 경소백운석 82wt%와 페로실리콘 18wt%을 혼합하여 성형한 것이고,
   경소백운석(CaO·MgO)을 원료로 하고 페로실리콘(FeSi)을 환원제로 하는 규소열환원 반응을 이용하여 마그네슘 크라운을 생성하되,
   상기 방열부에 상기 원료 브리켓이 장입된 상태에서, 1230℃의 온도와, 0.5 torr의 진공압을 유지하면서, 1시간 동안 열환원 반응을 시키는 규소 열환원 반응 방식으로 마그네슘 크라운을 생성하고, 이러한 열환원 반을을,
   2CaO·MgO(s) + FeSi(s)→ 2Mg(g) + Ca₂SiO₄(s) + Fe(s)
   의 화학식으로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 열환원로.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 마이크로웨이브 발생부는 마그네트론(magnetron)인 것임을 특징으로 하는 마이크로웨이브 열환원로.
   
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