KR102328768B1 - 고순도 분말 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 고순도 분말 제조장치는, 분체를 진공로 내의 처리조로 공급하는 분체 공급부와; 상기 분체 공급부에서 제 1 투입구를 통해 공급받은 분체를 장입하며 하단으로 제 1 배출구가 형성된 처리조와, 상기 처리조 내의 분체를 교반하는 교반기구와, 상기 처리조의 제 1 배출구를 개폐하는 개폐기구와, 상기 처리조 내의 분체를 가열하기 위한 히터와, 처리조 내부로 반응 가스를 인입하는 제 1 가스 인입구와, 처리조 내부의 반응 가스를 배출하는 제 1 가스 배출구와, 진공로 내 온도를 측정하기 위한 온도센서와, 진공용 배기구를 포함하며 상기 분체 공급부 하측으로 설치되는 진공로와; 상기 처리조의 제 1 배출구와 연결되어 낙하된 분체를 투입받는 제 2 투입구와, 낙하된 분말이 저장되는 수용조, 상기 수용조 내의 분체를 냉각시키기 위한 냉각수단과; 냉각된 분체를 외부로 배출하기 위한 수용조 하단의 제 2 배출구를 구비한 냉각처리부로 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

고순도 분말 제조장치 {High Purity Powder Manufacturing Equipment}
본 발명은 고순도 분말 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 카본 분말과 같은 분체를 연속적이고도 단시간내 저비용으로 처리 가능하게 한 고순도 분말 제조장치에 관한 것이다.
본 발명의 고순도 분말 제조장치는 예를 들어 이차전지의 음극재로 사용되는 흑연재의 원료가 되는 카본 분말의 고순화 처리에 사용될 수 있는데, 이와 같은 카본 분말의 고순화 처리는 약 1500~2500 ℃의 고온에서 HCl, Cl2와 같은 염소가스에 의해 환원성 반응을 일으키도록 하는 것이다.
고순도 분말 제조장치는 방탄유리 제조에 사용되는 ALON 소재를 합성하는 공정에서 원료분말인 산화알루미나(Al2O3)를 섭씨 2000~2200도로 가열하면서 질소가스와의 반응을 유도하는 경우에도 사용될 수 있다.
고순도 분말 제조장치는 특히 카본 분말의 고순화 처리 공정에서는 처리에 사용되는 유독한 염소가스를 안전하게 제거할 수 있어야 하며, 또한 염소가스의 순도를 높게 유지하기 위해 염소가스 투입 전 진공상태를 확실히 이룰 수 있어야 하므로 주로 진공로를 이용하게 된다.
그 중에서 종래의 카본 분말의 고순화 처리방법은 다음과 같다.
먼저 처리될 카본 분말을 도가니에 장입하고, 이러한 도가니를 진공로에 투입하고, 진공로의 고온환경하에서 염소가스와 반응을 일으키게 한 후, 도가니를 진공로 외부로 반출하여 냉각실이나 대기 중에서 냉각시키게 된다. (종래 방법 1)
또 다른 방법으로는 카본 분말을 담은 도가니를 (예열)-(가열/가스반응)-(냉각) 구간을 가진 진공로 내부로 이동시키면서 고순화처리를 하는 방법이 있다.(종래 방법 2)
상기 종래 방법들은 모두 도가니에 카본 분말을 장입하여 열처리하는 것으로, 열처리후 도가니로부터 카본 분말을 회수하여야 하는데 이때 카본 분말에 이물질이 혼입될 우려가 매우 높은 문제점이 있다.
그리고 종래 방법들은 도가니가 입출하면서 진공로의 출입구가 개폐되므로 진공로 내부의 열이 외부로 빠져나가며 열손실이 발생하게 되기 때문에, 연속적인 작업을 위해 진공로를 재가열하는데 많은 에너지가 또다시 요구되는 문제점이 있다.
상기 종래 방법들을 사용하여 섭씨 1800도에서 1시간을 처리하여 1일 500kg의 탄소분말을 고순화시킬 때 필요한 장비 및 사용전력 등을 살펴보면 다음과 같다.
종래 방법 1을 채택하는 경우, 장입 직경 600mm, 높이 1800mm의 진공로 15대와 이에 따른 넓은 설치면적이 필요하고, 사용전력 역시 22,500KWH정도가 소요되며, 가동 인력도 많이 필요하게 된다.
종래 방법 2를 채택하는 경우 400mm X 400mm X 250 mmm의 장입규격을 가지며 내부 이동거리가 20m에 달하는 진공로 2대와 넓은 설치 면적이 필요하며,사용전력은 9,600KWH정도가 소요되며, 인력도 그만큼 필요하게 된다.
KR 10-2019-0073758 A, 2019.06.27., 청구범위
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 처리된 분체를 오염없이 회수할 수 있으며, 열 손실 및 필요 인력을 줄여 사용전력 및 비용을 절감할 수 있으며, 처리장치가 협소한 면적에서도 사용가능하며, 분체를 도가니 없이 처리하고 회수할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 고순도 분말 제조장치는,
분체를 진공로 내의 처리조로 공급하는 분체 공급부와;
상기 분체 공급부에서 제 1 투입구를 통해 공급받은 분체를 장입하며 하단으로 제 1 배출구가 형성된 처리조와, 상기 처리조 내의 분체를 교반하는 교반기구와, 상기 처리조의 제 1 배출구를 개폐하는 개폐기구와, 상기 처리조 내의 분체를 가열하기 위한 히터와, 처리조 내부로 반응 가스를 인입하는 제 1 가스 인입구와, 처리조 내부의 반응 가스를 배출하는 제 1 가스 배출구와, 진공로 내 온도를 측정하기 위한 온도센서와, 진공용 배기구를 포함하며 상기 분체 공급부 하측으로 설치되는 진공로와;
상기 처리조의 제 1 배출구와 연결되어 낙하된 분체를 투입받는 제 2 투입구와, 낙하된 분말이 저장되는 수용조, 상기 수용조 내의 분체를 냉각시키기 위한 냉각수단과; 냉각된 분체를 외부로 배출하기 위한 수용조 하단의 제 2 배출구를 구비한 냉각처리부를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수단은 상기 수용조의 하단에 제 2 가스 인입구를 구비하고, 분체를 걸러주는 필터를 구비한 제 2 가스 배출구를 상기 수용조 상단에 구비하여, 제 2 가스 인입구로부터 유입된 냉각 가스가 수용조 내의 분체를 거쳐 제 2 가스 배출구로 배출되는 과정에서 분말재의 냉각이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
상기 수용조 상단에는 제 3 가스 인입구를 더 구비하여, 제 3 가스 인입구로 냉각 가스를 유입시키는 것도 바람직하다.
상기 냉각수단은 분체가 수용된 수용조 벽체를 냉각하는 냉각부와, 수용조 내부의 분체를 이동시키기 위한 이동기구로 이루어지며, 수용조는 기울어져 있는 것이 바람직하다.
상기 냉각수단은 냉각 매체가 충진된 냉각용 케이싱 내를 통과하는 분체이동용 코일관을 통해 분체가 제 2 배출구로 이동하면서 냉각되는 것으로 이루어지며, 냉각용 케이싱에는 냉각매체 인입구및 냉각매체 배출구에 의해 냉각매체가 입출되는 것
상기 구성에 따른 본 발명에 의하면, 처리된 분체를 오염없이 회수할 수 있으며, 열 손실 및 필요 인력을 줄여 사용전력 및 비용을 절감할 수 있으며, 처리장치가 협소한 면적에서도 사용가능하며, 처리될 분체를 도가니 없이 처리하고 회수할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 일 실시예 고순도 분말 제조장치를 나타낸 도.
도 2는 본 발명 다른 실시예의 냉각처리부 형태를 나타낸 도.
도 3은 본 발명 다른 실시예의 냉각처리부 형태를 나타낸 도.
이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 고순도 분말 제조장치의 일 실시예을 도시한 것으로, 상단에는 진공로(100)가, 하단에는 냉각처리부(200)가 배치되어 있다.
분체를 진공로(100)에 장입하기 위해서는 분체 공급부(도시하지 않음)가 설치된다. 분체 공급부는 진공로 상측에 위치하는 호퍼 또는 다양한 형태의 저장공간으로 이루어질 수 있으며, 분체 공급부로부터 진공로(100) 내부의 처리조(110)로의 분체 이동은 분체 자중에 의해 이루어지도록 하는 것이 바람직하며, 별도의 피더(Feeder)가 구비될 수도 있을 것이다. 분체 공급부로부터 처리조(110)의 제 1 투입구(114) 사이를 이어주는 관로 상에는 분체의 공급을 제어할 수 있는 밸브(도시하지 않음)가 배치되어야 함은 당연하다 할 것이다.
진공로(100)는 상기 분체 공급부에서 제 1 투입구(114)를 통해 공급받은 분체를 장입하는 처리조(110)가 구비되어 있으며, 처리조(110)의 하단에는 처리가 완료된 분체를 배출하기 위한 제 1 배출구(112)가 형성되어 있다.
제 1 배출구(112)는 처리 완료된 분체를 배출할 때 개방되며 그 외의 경우에는 폐쇄되어 있는데, 이러한 개폐를 수행하기 위한 개폐기구(120)가 구비된다.
개폐기구(120)는 진공로(100) 외부에 설치된 실린더(122)와, 실린더(122)에 축 형태로 연결되어 상기 제 1 배출구(112)를 막을 수 있는 마개(124)로 이루어진다.
진공로(100)는 내부를 진공으로 하기 위한 진공용 배기구(130)은 진공펌프(도시되지 않음)에 연결되어 있다.
분체를 처리할 반응가스는 처리조(110)의 하단으로 연통된 제 1 가스 인입구(140)로 공급되어, 처리조(110)내에서 분체와 반응한 뒤, 처리조(110) 상단에 연통된 제 1 가스 배출구(142)로 제거된다. 진공로의 퍼지 작업을 위한 질소 가스 등도 제 1 가스 인입구(140) 및 제 1 가스 배출구(142)로 입출될 수도 있고, 진공용 배기구(130)를 통해 입출될 수도 있다.
처리조(110) 내에 유입된 반응가스는 상측으로 이동하며 분체와 반응할 때, 반응효율을 높이기 위해 처리조(100) 내부의 분체를 교반하는 교반기구(150)가 구비되어 있다.
교반기구(150)은 진공로 외측에 설치된 교반용 모터(156)와, 교반용 모터(156)의 회전력을 전달받는 교반 축(154)과, 교반 축(154)에 연결된 교반 날개(152)에 의해 이루어진다.
본 실시예에서는 교반 축(154)을 중공 형태의 것으로 채택하여, 상기 마개(124)의 축이 교반 축(154)의 중공 내부를 통과하는 것으로 이루어져 있다.
교반기구와 마개는 별도로 형성될 수도 있음은 물론이다.
처리조(110) 외측으로는 히터(160)가 배치되어 있으며, 본 실시예에서는 섭씨 1500도 이하의 온도를 정밀하게 측정할 수 있는 열전대 온도센서(170)와 섭씨 1500도 이상을 측정할 수 있는 방사형 온도센서(172)를 온도센서로 채택하고 있다.
고순화처리를 위한 온도의 단계, 지속시간, 반응가스의 종류 등은 분체의 종류에 따라 다르기 때문에 이에 대한 설명은 생략한다.
설정된 온도에서, 공급된 반응가스에 의해 고순화처리가 완료된 처리조(110)내의 분체는 마개(124)가 상승하여 개방된 제 1 배출구(112)를 통해 냉각처리부(200)로 전달된다.
상기 처리조(110)의 제 1 배출구(112)와 관로로 연통된 냉각처리부(200)의 제 2 투입구(210)를 통하여 분체가 낙하하여 수용조(220)에 장입되게 된다.
수용조(220)는 그 하단에 제 2 가스 인입구(240)가, 그 상단에 제 2 가스 배출구(242)가 구비되어 있다. 제 2 가스 인입구(240)를 통해 질소와 같은 냉각 가스가 유입되어 장입된 분체 사이를 통과하며 분체를 냉각시킨 후 제 2 가스 배출구(242)로 배출되게 된다. 제 2 가스 배출구(242)는 분체가 외부로 누출되지 않도록 필터(243)를 구비하고 있다. 제 2 가스배출구(242)로 배출된 냉각 가스는 열교환기 등에서 냉각되어 다시 제 2 가스 인입구(240)으로 공급되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 수용조(220) 상단에 제 3 가스 인입구(250)을 구비하고 제 2 가스 인입구(240)와 함께 냉각 가스를 분사하면, 분체의 냉각이 더욱 가속화될 수 있다.
냉각된 분체는 수용조 하단에 구비된 제 2 배출구(260)을 통하여 배출되게 된다. 제 2 배출구(260)는 밸브 등이 설치되어 분체의 배출을 제어할 수 있다. 제 2 배출구(260)에 진공 포장용기 등을 연결하게 되면, 이물질의 혼입 등을 방지하며 분체를 수거할 수 있게 된다.
본 실시예에 따르면 직경 600mm 높이 1200mm의 처리조를 갖춘 시설 1 대로 섭씨 1800도에서 1시간을 처리하여 1일 500kg의 탄소분말을 고순화시킬 수 있다. 이에 따라 큰 설치면적이 필요없으며, 사용전력은 5,200KWH 정도만이 소요되며 비용절감이 가능하다.
이와 같은 효과는 진공로에서 분체를 처리한 후 배출할 때 도가니를 입출시키지 않으므로 진공로의 열손실이 적고, 별도의 냉각처리부에서 분체를 냉각하게 되므로 순차적 처리가 가능하기 때문에 얻어지는 것이다.
본 발명의 다른 실시예는 도 2와 같은 형태의 냉각처리부를 사용하는 것이다.
본 실시예에서 냉각처리부는 제 2 투입구(210)에서 투입된 분체를 수용조 내에서 냉각시켜 제 2 배출구(260)로 배출시키는 점에서는 이전 실시예와 동일하다.
본 실시예에서는 수용조(220)의 벽체를 냉각시키고, 냉각된 벽체에 접한 분체가 다시 냉각되도록 이루어진 점에서 이전 실시예와 차이가 있다.
수용조(220)의 벽체를 냉각시키기 위한 냉각부는 상기 수용조를 감싸는 냉각용 케이싱(273)과, 상기 수용조(220)와 냉각용 케이싱(273) 사이의 공간에 흐르게 될 물과 같은 냉각매체를 인입하고 배출하는 냉각매체 인입구(271)와 냉각매체 배출구(272)로 이루어져 있다.
또한, 수용조(220) 내부의 분체를 이동시키기 위한 이동기구를 더 구비하고 있는데, 이동기구는 이동기구용 모터(281) 및 상기 이동기구용 모터(281)에 축연결되어 있는 분체이동용 스크류(282)로 구성되어 있다.
이동기구용 모터(281)과 분체이동용 스크류(282)는 수용조(220) 내의 분체를 상방 또는 하방으로 이동시키며, 분체와 수용조(220) 벽체의 접촉이 보다 많이 일어나게 한다. 이때 수용조(220)는 도 2와 같이 기울어져 있어 수용조 내부의 분체가 자중으로 인해 수용조(220) 하단으로 이동되도록 하는 것이 바람직하다.
이동기구는 기울어진 수용조를 진동시켜 분체가 수용조 하단으로 이동하도록 하는 방식을 채택하는 것도 가능할 것이다.
또한, 수용조 내의 분체는 공기와 접촉하여 산화될 수도 있으므로, 수용조 내는 제 2 가스 인입구(240)와 제 2 가스 배출구(242)에 의해 불활성가스(예를 들어 질소)를 충진시키는 것이 바람직하다. 이 경우에도 제 2 분체가 외부로 누출되지 않도록 필터(243)을 구비하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예 냉각처리부를 나타낸 것이다.
본 실시예에서는 투입되는 분체가 분체이동용 코일관(283)을 통해 제 2 배출구(260)으로 이동하면서, 냉각용 케이싱(273)에 충진된 냉각매체(본 실시예에서는 냉각수)에 의해 냉각되는 것이다.
냉각용 케이싱(273)에는 냉각매체 인입구(271) 및 냉각매체 배출구(272)에 의해 냉각매체가 입출된다.
냉각처리부는 상기 실시예에 개시된 것 중 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 실시예들에서의 냉각처리부의 하단에 냉각처리부를 하나를 더 설치할 수도 있는데, 상단의 냉각처리부에서 일정 온도까지 냉각한 후 하단의 냉각처리부로 분체를 이송하고, 다시 하단의 냉각처리부에서 분체를 요청되는 온도까지 냉각한 후 제 2 배출구로 분체를 배출하여 포장하도록 할 수 있는데, 이와 같은 경우 냉각 효율이 개선되는 효과가 있다.
보다 바람직하기로는 도 1 또는 도 3의 냉각처리부를 설치하고, 이후 도 2의 냉각처리부를 설치하는 것이다.
또한, 상기 실시예 냉각처리부를 임의의 순서대로 직렬 연결하여 사용하는 것도 바람직할 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 진공로 110 : 처리조 112 : 제 1 배출구 114 : 제 1 투입구
120 : 개폐기구 122 : 실린더 124 : 마개 130 : 진공용 배기구
140 : 제 1 가스 인입구 142 : 제 1 가스 배출구
150 : 교반기구 152 : 교반 날개 154 : 교반 축 156 : 교반용 모터
160 : 히터 170 : 열전대 온도센서 172 : 방사형 온도센서
200 : 냉각처리부 210 : 제 2 투입구 220 : 수용조
240 : 제 2 가스 인입구 242 : 제 2 가스 배출구 243 : 필터
250 : 제 3 가스 인입구 260 : 제 2 배출구
271 : 냉각매체 인입구 272 : 냉각매체 배출구 273 : 냉각용 케이싱
281 : 이동기구용 모터 282 : 분체 이동용 스크류 283 : 분체이동용 코일관

Claims (5)

  1. 분체를 진공로 내의 처리조로 공급하는 분체 공급부와;

    상기 분체 공급부에서 제 1 투입구를 통해 공급받은 분체를 장입하며 하단으로 제 1 배출구가 형성된 처리조와, 상기 처리조 내의 분체를 교반하는 교반기구와, 상기 처리조의 제 1 배출구를 개폐하는 개폐기구와, 상기 처리조 내의 분체를 가열하기 위한 히터와, 처리조 내부로 반응 가스를 인입하는 제 1 가스 인입구와, 처리조 내부의 반응 가스를 배출하는 제 1 가스 배출구와, 진공로 내 온도를 측정하기 위한 온도센서와, 진공용 배기구를 포함하며 상기 분체 공급부 하측으로 설치되는 진공로와;

    상기 처리조의 제 1 배출구와 연결되어 낙하된 분체를 투입받는 제 2 투입구와, 낙하된 분말이 저장되는 수용조, 상기 수용조 내의 분체를 냉각시키기 위한 냉각수단과; 냉각된 분체를 외부로 배출하기 위한 수용조 하단의 제 2 배출구를 구비한 냉각처리부를 포함한 것을 특징으로 하는 고순도 분말 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수단은 상기 수용조의 하단에 제 2 가스 인입구를 구비하고, 분체를 걸러주는 필터를 구비한 제 2 가스 배출구를 상기 수용조 상단에 구비하여, 제 2 가스 인입구로부터 유입된 냉각 가스가 수용조 내의 분체를 거쳐 제 2 가스 배출구로 배출되는 과정에서 분말재의 냉각이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 고순도 분말 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수용조 상단에는 제 3 가스 인입구를 더 구비하여, 제 3 가스 인입구로 냉각 가스를 유입시키는 것을 특징으로 하는 고순도 분말 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수단은 분체가 수용된 수용조 벽체를 냉각하는 냉각부와, 수용조 내부의 분체를 이동시키기 위한 이동기구로 이루어지며, 수용조는 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 고순도 분말 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수단은 냉각 매체가 충진된 냉각용 케이싱 내를 통과하는 분체이동용 코일관을 통해 분체가 제 2 배출구로 이동하면서 냉각되는 것으로 이루어지며, 냉각용 케이싱에는 냉각매체 인입구 및 냉각매체 배출구에 의해 냉각매체가 입출되는 것을 특징으로 하는 고순도 분말 제조장치.
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