KR102460436B1 - 금속의 열환원 장치 - Google Patents

Abstract

연속적으로 이동하는 단광을 일정한 온도 이상으로 균일하게 가열하여 환원 효율을 높일 수 있도록, 피환원물의 열환원반응이 일어나는 환원부, 상기 환원부로 피환원물을 연속적으로 이송하기 위한 이송부를 포함하고, 상기 이송부는 환원부를 따라 이동되며 이동방향을 따라 연속적으로 배치된 복수개의 트레이, 및 내부에 단광이 적재되고 상기 트레이 상에 놓여지는 복수개의 단광박스를 포함하며, 상기 단광박스는 하면이 트레이로부터 이격되도록 트레이 상에서 들어올려져 설치되어, 단광박스의 측면과 상면 및 하면을 통해 내부의 단광으로 열이 가해지는 구조의 금속의 열환원 장치를 제공한다.

Description

금속의 열환원 장치{THERMAL REDUCTION APPRATUS FOR METAL PRODUCTION}

본 발명은 연속적으로 금속을 열환원하기 위한 열환원 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 금속의 제련방법은 건식제련, 습식제련, 전해제련, 염소제련으로 나눌 수 있는데, 철 및 대부분의 비철금속은 건식 제련을 통해 순수 금속을 얻는다.

일반적인 비철금속의 건식제련 공정은 단광(briquette) 형태로 소결한 금속을 상압 또는 진공 분위기에서 고온으로 가열하여 순수금속을 열환원하게 된다.

예를 들어, 마그네슘 금속을 열환원법으로 제련하기 위해서는 금속제의 원통형 리토르트 내에 소성된 돌로마이트와 페로실리콘 등의 환원제가 혼합된 단광을 장입하여 고온으로 가열한다. 가열과 동시에 리토르트 내의 압력을 진공으로 유지하면, 산화마그네슘은 실리콘에 의하여 환원되어 마그네슘 증기가 발생된다.

마그네슘 증기는 진공펌프에 의해 리토르트의 일측부에 장입되어 있는 응축관으로 이동하고 열영동(온도)에 의해 응축관의 내부 벽면부터 마그네슘 증기가 응축하기 시작하여 중심방향으로 점차적으로 마그네슘이 축적된다. 마그네슘 증기의 발생과 응축이 완료된 후 마그네슘이 응축된 응축관은 리토르트로 부터 분리하여 마그네슘을 회수한다.

그러나, 이러한 배치식 제조 공정은 일정 시간대의 환원으로 일일 생산성 제한, 불연속적 장입 및 배출로 리토르트 내 열손실 발생, 일관 공정의 자동화가 어려운 문제가 있다.

이에, 연속적으로 금속을 열환원 시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다. 연속적으로 금속을 열환원시키기 위해서는 단광이 연속적으로 공급 및 이동되어야 하므로 이 과정에서 단광이 적절하게 가열될 필요가 있다. 그러나 단광이 연속적으로 이동되는 과정에서 단광을 적절한 온도로 균일하게 가열하는 것은 매우 어려우며, 단광이 일정 온도 이상의 균일한 온도로 가열되지 않게 되면 환원율이 확보되지 않아 생산성이 저하되고, 심한 경우 환원 자체가 안되는 문제가 발생된다.

이에, 연속적으로 이동하는 단광을 일정한 온도 이상으로 균일하게 가열하여 환원 효율을 높일 수 있도록 된 금속의 열환원 장치를 제공한다.

또한, 단광의 배치 구조를 개선하여 단광에 대한 가열이 효과적으로 이루어져 생산성을 높일 수 있도록 된 금속의 열환원 장치를 제공한다.

본 구현예의 열환원 장치는, 피환원물의 열환원반응이 일어나는 환원부, 상기 환원부로 피환원물을 연속적으로 이송하기 위한 이송부를 포함하고,

상기 이송부는 환원부를 따라 이동되며 이동방향을 따라 연속적으로 배치된 복수개의 트레이, 및 내부에 단광이 적재되고 상기 트레이 상에 놓여지는 복수개의 단광박스를 포함하며,

상기 단광박스는 하면이 트레이로부터 이격되도록 트레이 상에서 들어올려져 설치되어, 단광박스의 측면과 상면 및 하면을 통해 내부의 단광으로 열이 가해지는 구조일 수 있다.

상기 이송부는 환원부를 바닥을 따라 연장 설치되는 레일, 상기 트레이 하부에 설치되어 상기 레일 위에 놓여지는 구동휠을 포함하여, 트레이가 레일을 따라 이동되는 구조일 수 있다.

상기 트레이는 단광박스가 놓여지는 상면에 돌출 형성되어 단광박스의 하면이 지지되는 지지대, 및 상기 지지대에 설치되어 단광박스를 고정하는 고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 고정부는 지지대에 회전가능하게 설치되고 지지대에 놓여지는 단광박스 하면에 눌려져 회동되는 스윙부재, 상기 스윙부재에 직각으로 연장 형성되어 스윙부재 회동에 따라 단광박스 측면에 밀착되어 단광박스를 고정하는 고정대를 포함할 수 있다.

상기 단광박스는 넓은면과 좁은 면을 갖는 직사각 단면 구조로 이루어질 수 있다.

상기 단광박스는 트레이 상에 이동방향을 따라 좁은면이 진행방향을 향하고 넓은면이 측면을 향하도록 하여 배치될 수 있다.

상기 이송부는 트레이에 단광박스가 간격을 두고 복수의 열로 배열 설치될 수 있다.

상기 이송부는 트레이에 단광박스가 간격을 두고 복수의 열로 배열되고, 상기 각 열 간에 단광박스가 서로 지그재그 형태로 교차하도록 배치될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 구현예에 의하면, 단광이 담긴 단광박스의 배치구조를 개선하여, 이동하는 과정에서 각 단광박스에 균일하게 열이 가해짐으로써, 단광을 일정 온도 이상의 온도로 균일하게 가열할 수 있게 된다. 이에, 단광의 환원율을 확보하고 연속적으로 금속을 열환원시킬 수 있게 된다.

또한, 단광 박스를 통해 단광에 보다 효과적으로 열이 가해질 수 있어 금속 환원율을 최대한 높일 수 있으며, 생산성을 높일 수 있게 된다.

또한, 단광을 보다 효과적으로 가열할 수 있어 단광 환원에 필요한 에너지 및 시간을 절약할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 열환원 장치의 환원로 내부를 도시한 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 열환원 장치의 환원로 내부를 도시한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 열환원 장치의 트레이에 적재되는 단광박스를 도시한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 열환원 장치의 트레이에 단광박스가 고정되는 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 5와 도 6은 본 실시예에 따른 열환원 장치의 단광박스 배치 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따라 단광박스에 대한 온도 분포를 전열해석한 실험 결과를 도시한 그래프이다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2는 본 실시예에 의한 열환원 장치의 환원로 내부로 단광을 연속적으로 이송하는 구조를 도시하고 있다. 도 1에서 x축은 트레이 진행방향이고, y축은 트레이의 측방향이다.

열환원 장치는 피환원물인 단광의 열환원반응이 일어나는 환원부, 상기 환원부로 단광을 연속적으로 이송하기 위한 이송부를 포함하여, 단광을 연속적으로 열환원시키게 된다. 상기 열환원 장치는 환원부로 이송되는 단광을 미리 예열하기 위한 예열부나, 환원부에 연결되어 환원부를 거친 단광을 냉각시키기 위한 냉각부를 더 포함할 수 있다. 상기 열환원 장치는 단광을 연속적으로 이동시키면서 연속적인 열환원 공정을 수행할 수 있으면 충분하며, 이를 위한 구조는 다양하게 변형될 수 있다.

상기 환원로(100)는 피환원물의 열환원반응이 일어나는 가열로로, 내부에는 피환원물에 열을 가하기 위한 히터 등의 가열기가 설치된다. 상기 환원로(100)에는 응축기가 구비되어 금속기체를 응축하여 금속을 회수할 수 있다.

상기 이송부는 단광을 연속적으로 환원로(100)로 이송하기 위한 것으로, 환원부를 따라 이동되며 이동방향을 따라 연속적으로 배치된 복수개의 트레이(10), 내부에 단광이 적재되고 상기 트레이(10) 상에 놓여지는 복수개의 단광박스(20)를 포함한다.

상기 트레이(10)는 사각형 판 구조물로, 복수개가 일렬로 배치된다. 환원로(100)를 따라 트레이(10)가 이동될 수 있도록, 환원부의 바닥을 따라 레일(12)이 연장 설치되고, 상기 트레이(10) 하부에는 상기 레일(12) 위에 놓여지는 구동휠(도시되지 않음)이 설치될 수 있다. 이에, 구동휠이 레일(12)을 따라 구르면서, 트레이(10)가 레일(12)을 따라 이동되어 환원로(100)를 연속적으로 지나갈 수 있게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레일(12)은 환원로(100) 내부 바닥에 두 개로 설치되어 각 레일(12)을 따라 두 개의 트레이(10)가 배치되어 단광을 이송할 수 있다. 환원로(100) 내에 레일(12)의 설치 개수는 다양하게 변형가능하다.

상기 환원로(100) 내부에 설치되는 가열기는 각 트레이(10)의 측면으로 배치되어 트레이(10)에 적재되는 단광에 고르게 열을 가할 수 있다.

도 3과 도 4는 본 실시예에 따른 단광박스(20)의 구조를 예시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 단광박스(20)는 내부에 단광이 적재되는 용기로, 트레이(10)에 고정되어 트레이(10)를 따라 이동하게 된다. 이에 단광은 단광박스(20)에 적재된 상태로 트레이(10)를 통해 환원로(100)로 이송된다. 이와 같이, 단광을 상기 단광박스(20)에 적재하고 단광박스(20)를 트레이(10)에 고정하여 이동시킴으로써, 단광을 보다 용이하게 환원로(100)로 연속 이송시킬 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 단광박스(20)는 넓은면과 좁은 면을 갖는 직사각 단면 구조로 이루어진다. 상기 단광박스(20)는 트레이(10) 상에 이동방향(도 3에서 x축 방향)으로 좁은면이 향하고 넓은면이 측방향(도 3에서 y축 방향)을 향하도록 하여 배치될 수 있다. 이러한 구조의 경우 환원로(100) 내부에 측면쪽에 설치된 가열기를 지나면서 단광박스(20)의 측면 중 넓은면이 가열기를 향해 배치됨으로써, 단광박스(20)는 넓은면을 통해 가열기로부터 보다 많은 열을 받을 수 있게 된다. 이에, 단광박스(20) 내에 적재된 단광을 보다 효과적으로 가열할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예와 같이 단광박스(20)가 직사각 단면 형태로 이루어짐에 따라, 트레이(10) 상에 단광박스(20)를 복수의 열로 배치할 수 있어, 보다 많은 단광박스(20)를 적재하면서도 각 단광박스(20)에 대해 열이 고르게 가해질 수 있게 된다.

본 실시예에서 상기 단광박스(20)는 측면과 상면 뿐만 아니라 트레이(10)를 향하는 하면을 통해서도 열이 내부의 단광으로 가해질 수 있는 구조로 되어 있다. 이를 위해 상기 단광박스(20)는 하면이 트레이(10)로부터 이격되도록 트레이(10) 상에서 들어올려져 설치된다.

도 4는 상기 트레이(10)에 대한 단광박스(20)의 설치 구조를 예시하고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 트레이(10)는 단광박스(20)가 놓여지는 상면에 돌출 형성되어 단광박스(20)의 하면이 지지되는 지지대(14), 및 상기 지지대(14)에 설치되어 단광박스(20)를 고정하는 고정부를 포함한다. 상기 지지대(14)는 예를 들어, 직사각 형태인 단광박스(20)의 구조에 맞춰 단광박스(20)의 하면 네 모서리가 지지될 수 있도록 4개가 설치될 수 있다. 상기 지지대(14)의 설치 개수나 돌출 길이 등은 다양하게 변형가능하다.

상기 트레이(10)에 설치된 지지대(14) 위에 단광박스(20)가 올려져 설치됨으로써, 단광박스(20)의 하면은 트레이(10) 상에서 이격된다. 이와 같이 트레이(10)로부터 단광박스(20)가 들어올려져 설치됨에 따라 환원로(100) 내부의 복사열이 단광박스(20)의 하면에도 가해지게 된다. 따라서 단광박스(20)의 하면을 통해서도 단광에 열이 가해져 단광을 보다 효과적으로 고르게 가열할 수 있게 된다. 반면에, 트레이(10) 상에 바로 단광박스(20)가 올려져 있는 구조의 경우 단광박스(20)의 하면은 트레이(10)에 접하여 복사열이 차단되므로, 단광박스(20) 하면을 통해서는 복사열이 가해지지 않게 된다. 이에, 이러한 구조의 경우 단광박스(20)에 적재된 단광이 효과적으로 가열되지 않아 환원율 확보가 어렵고 균일한 가열이 힘들게 된다.

상기 고정부는 지지대(14)에 회전가능하게 설치되고 지지대(14)에 놓여지는 단광박스(20) 하면에 눌려져 회동되는 스윙부재(16), 상기 스윙부재(16)에 직각으로 연장 형성되어 스윙부재(16) 회동에 따라 단광박스(20) 측면에 밀착되어 단광박스(20)를 고정하는 고정대(18)를 포함할 수 있다.

상기 스윙부재(16)는 지지대(14) 상단 높이보다 위쪽으로 돌출되도록 길게 연장 형성된다. 스윙부재(16)와 고정대(18)는 일체로 형성되어 한 몸체를 이룰 수 있다. 상기 스윙부재(16)는 외측 선단쪽에 형성된 고정대(18)의 자중에 의해 내측 선단이 위쪽으로 들어올려지도록 회동된다.

이에, 지지대(14) 상에 단광박스(20)가 놓여지지 않은 상태에서는 스윙부재(16)가 회동되어 고정대(18)는 외측으로 벌어지게 되며, 스윙부재(16)의 내측 선단은 지지대(14) 상단을 지나 위쪽으로 돌출된 상태가 된다.

이 상태에서 지지대(14) 위에 단광박스(20)가 올려지게 되면, 지지대(14) 위로 돌출된 스윙부재(16)의 내측 선단이 단광박스(20)의 하면에 의해 눌려지면서 스윙부재(16)가 회동된다. 스윙부재(16)가 회동됨에 따라 스윙박스에 형성된 고정대(18)가 단광박스(20)를 향해 오므려지면서 고정대(18)가 단광박스(20) 측면에 밀착된다.

스윙부재(16)는 단광박스(20)의 하중에 의해 계속 눌려져 있게 되므로, 스윙부재(16)에 형성된 고정대(18) 역시 단광박스(20)의 측면에 밀착되어 단광박스(20)를 고정하는 상태를 계속 유지하게 된다. 따라서, 지지대(14) 상에 올려진 단광박스(20)의 측면에 고정대(18)가 세워져 지지하는 상태가 되어 단광박스(20)가 지지대(14)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있게 된다.

단광 환원 이후, 트레이(10)에서 단광박스(20)를 분리하는 경우에는, 지지대(14) 상에서 단광박스(20)가 위로 들어올려지면서 스윙부재(16) 역시 고정대(18)의 자중에 의해 회동되어 고정대(18)가 벌어짐으로써, 클램핑이 해제되어 용이하게 단광박스(20)를 트레이(10)에서 분리할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 트레이(10) 상에 복수의 단광박스(20)를 적절히 배치됨으로써, 각 단광박스(20)에 균일하게 열을 가할 수 있다.

도 5와 도 6은 트레이(10)에 복수개의 단광박스(20)를 배치하기 위한 다양한 실시예를 도시하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 트레이(10) 측방향(도 5에서 y축 방향)을 따라 트레이(10) 상에 3개의 열로 단광박스(20)가 간격을 두고 배열 설치될 수 있다. 또한, 각 열 간에 단광박스(20)는 서로 지그재그 형태로 교차되어 배치될 수 있다. 이러한 구조의 경우 중간 열에 배치된 단광박스(20)로도 측방향을 통해 복사열이 충분히 가해질 수 있게 된다. 이에, 단광박스(20)의 승온 속도를 높이고, 각 단광박스(20)가 균일한 온도로 가열될 수 있게 된다. 상기한 구조 외에, 상기 각 열에 배치된 단광박스(20)의 개수를 보다 줄이는 경우 트레이(10)의 후면쪽을 통한 입열량을 보다 증가시킬 수 있어 단광 박스의 승온 속도와 온도 균일성을 보다 높일 수 있다.

도 6은 단광박스(20)의 배치 구조에 따른 또다른 실시예로, 트레이(10) 측방향(도 6에서 y축 방향)을 따라 두 개의 열로 단광박스(20)가 배열되고 각 열은 충분히 간격을 두고 배치될 수 있다. 단광박스(20)에 대한 전열 해석 결과, 측방향으로부터 단광박스(20)에 가해지는 복사열이 승온 속도를 지배하며, 승온시간을 결정하는 주 요인이다. 이에, 상기한 구조의 경우 트레이(10) 측방향을 따라 단광박스(20)의 바깥쪽 측면은 물론, 내측 측면에 대해서도 입열량이 증가하여 승온속도를 높이고 보다 균일한 온도 가열될 수 있다.

도 7은 본 실시예에 따라 단광박스에 대한 온도 분포를 전열해석한 실험 결과를 도시하고 있다.

유효 전열길이 1.5m, 외직경 154mm인 라디언트 튜브(radient tube)를 구비한 환원로에, 도 5에 도시된 바와 같이 마그네슘 단광이 적재된 단광박스를 트레이에 3열로 지그재그 형태로 배치하여 환원로를 따라 이동시키며 단광박스를 가열하는 실험을 실시하였다. 단광박스의 크기와 트레이의 크기는 화원로에 구비된 연속식 마그네슘 응축기의 최대 처리 능력과 온도 상승을 고려하여 결정하였다.

단광박스를 가열 한 후 트레이에 배치된 3열의 단광박스 중 중간 열의 뒤쪽에 배치되어 복사열에 가장 취약한 단광박스의 온도를 전열 해석하였다.

도 7에 도시된 바와 같이, 전열 해석 결과, 복사열에 가장 취약한 단광박스에 대해서도 하부 중심의 온도가 1150℃ 이상으로 가열됨을 확인하였다.

따라서, 본 실시예의 경우 트레이에 적재된 단광박스 전체적으로 환원율을 확보할 수 있는 충분한 온도가 균일하게 가열됨을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 트레이 12 : 레일
14 : 지지대 16 : 스윙부재
18 : 고정대 20 : 단광박스

Claims (8)

1. 피환원물의 열환원반응이 일어나는 환원부, 상기 환원부로 피환원물을 연속적으로 이송하기 위한 이송부를 포함하고,
   상기 이송부는 환원부를 따라 이동되며 이동방향을 따라 연속적으로 배치된 복수개의 트레이, 및 내부에 단광이 적재되고 상기 트레이 상에 놓여지는 복수개의 단광박스를 포함하며,
   상기 단광박스는 하면이 트레이로부터 이격되도록 트레이 상에서 들어올려져 설치되어, 단광박스의 측면과 상면 및 하면을 통해 내부의 단광으로 열이 가해지는 구조이고,
   상기 트레이는 단광박스가 놓여지는 상면에 돌출 형성되어 단광박스의 하면이 지지되는 지지대, 및 상기 지지대에 설치되어 단광박스를 고정하는 고정부를 더 포함하며,
   상기 고정부는 지지대에 회전가능하게 설치되고 지지대에 놓여지는 단광박스 하면에 눌려져 회동되는 스윙부재, 상기 스윙부재에 직각으로 연장 형성되어 스윙부재 회동에 따라 단광박스 측면에 밀착되어 단광박스를 고정하는 고정대를 포함하고,
   상기 스윙부재와 고정대는 일체로 형성되어 한 몸체를 이루는 것인 금속의 열환원 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 이송부는 환원부를 바닥을 따라 연장 설치되는 레일, 상기 트레이 하부에 설치되어 상기 레일 위에 놓여지는 구동휠을 포함하여, 트레이가 레일을 따라 이동되는 구조의 금속의 열환원 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 이송부는 트레이에 단광박스가 간격을 두고 복수의 열로 배열 설치된 금속의 열환원 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 이송부는 트레이에 단광박스가 간격을 두고 복수의 열로 배열되고, 상기 각 열 간에 단광박스가 서로 지그재그 형태로 교차하도록 배치된 금속의 열환원 장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 단광박스는 넓은면과 좁은 면을 갖는 직사각 단면 구조인 금속의 열환원 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 단광박스는 트레이 상에 이동방향을 따라 좁은면이 진행방향을 향하고 넓은면이 측면을 향하도록 하여 배치된 금속의 열환원 장치.

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