KR20020023868A

KR20020023868A - 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치 및 방법

Info

Publication number: KR20020023868A
Application number: KR1020010084621A
Authority: KR
Inventors: 박형호; 김병일; 배인성; 윤재식; 이상백
Original assignee: 박형호
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2002-03-29

Abstract

개시된 내용은 일련의 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치는 티타늄을 제조하는 환원반응장치의 냉각을 위해 환원반응장치 외주면에 부착되어 있는 부착형 냉각장치와 반응로와 환원반응장치 사이의 요홈에 설치된 외부냉각장치를 포함하는 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치로서 달성된다.

본 발명의 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조방법은 환원반응장치 외주면에 부착되어 있는 부착형 냉각장치를 통한 1차 냉각단계와 반응로와 환원반응장치 사이의 요홈에 설치된 냉각장치를 통한 2차 냉각단계 및 외부로 회수된 환원반응장치를 상온까지 냉각하는 3차 냉각단계를 포함하는 일련의 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조방법으로 달성된다.

Description

외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치 및 방법 { Titanium manufacturing apparatus and method by outer cooling method }

본 발명은 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 티타늄 제조시 조업의 중단없이 환원반응장치를 연속적으로 회수 및 장입이 가능할 뿐 아니라 환원반응이 종료된 환원반응장치의 급속 냉각이 가능함으로서 제조공정 시간을 획기적으로 단축시켜 생산성을 높일 수 있는 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 티타늄은 비강도가 크고 화학적 내식성이 우수할 뿐 아니라 생체적합성이 우수하여, 항공기소재, 내식을 요하는 화학공업 및 의용·생체재료 등에 널리 사용되는 금속소재이다. 그러나 이와 같이 널리 사용되고 있는 티타늄은 그 제조공정에 있어서 반응에 필요한 온도의 상승과 특히 상온까지의 냉각시 장시간이 소요되는 관계로 1회 공정에 필요한 제조시간이 길고, 매회 제조시 마다 반응로의온도를 상승 및 냉각시키는 관계로 전력소비가 많기 때문에 작업효율이 떨어지고, 생산성이 저하되는 문제점이 있었다. 이에 대한 종래의 실시예를 도 1에서 도시하고 있다.

도 1은 종래의 티타늄 제조장치 및 방법을 설명하기 위한 구성도이다.

종래의 티타늄 제조는 환원반응장치 내에서 원료물질과 환원제의 물리적 접촉에 의해 환원된 티타늄을 반응로안에서 상온까지 냉각시키는 제조공정을 채택하여 제조하였다.

이에 대한 대략적인 제조공정은 환원반응장치(8)내부에 구비된 반응용기(9)내에 원료물질과 환원제 그리고 반응염 등을 혼합 장입하고, 진공펌프(6)로 진공을 유지하면서 가스취입구(2)를 통해 가스를 유입시켜 환원반응장치(8)내부의 산소를 가스배출구(7)로 배출시키고, 발열체(1)로 700∼1000℃로 가열하여 수시간 동안 환원 공정을 실시한 후, 환원반응이 종료되면 반응로의 전원을 차단하여 환원반응장치의 온도를 반응로 안에서 상온으로 냉각하여 반응용기(9) 속에 고착되어 있는 티타늄을 반응염이나 환원제로부터 용해 분리하여 회수하는 방법으로 제조하였다.

그러나, 이와 같은 티타늄 제조공정은 환원반응이 종료된 후, 환원반응장치가 상온까지 냉각하는데 많이 소요되며, 반응로의 전원을 매회 공급 및 차단시켜야 하므로 발열체의 수명이 단축될 뿐 아니라 반응에 필요한 온도의 상승 및 냉각시 장시간이 소요되는 등 생산성 및 작업효율이 낮고 생산 단가가 높게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 환원반응이 종료된 환원반응장치의 냉각속도를 빠르게 하기 위해 환원반응장치 외주면에 부착되어있는 부착형 냉각장치를 이용한 1차냉각과 반응로와 환원반응장치 사이의 요홈에 설치된 외부냉각장치를 통하여 2차냉각을 완료하고, 소정의 온도로 1, 2차냉각이 완료된 환원반응장치를 외부로 회수하여 상온까지 냉각시키는 제조공정을 택하였다. 또한 반응로에서 환원반응장치를 외부로 회수 후, 반응로 내부에 발생하는 공백시간을 없애기 위해 예비구역에서 미리 준비된 별도의 환원반응장치를 반응로에 장입하므로서 일련의 티타늄 제조공정을 연속적으로 실시할 수 있어 제조공정의 시간이 획기적으로 단축되며, 반응로의 열원공급장치의 공급 및 차단을 실시하지 않아 환원반응장치의 온도의 상승 및 냉각에 소요되는 시간을 단축하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래에 티타늄이 제조되는 장치 및 방법을 설명하기 위한 구성도

도 2는 본 발명에 따른 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치 및 방법을 설명하기 위한 구성도

도 3은 본 발명에 따른 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조방법을 설명하기 위한 블록도

※ 도면의 주요 부분에 대한 설명

100:환원반응장치 102:가스취입구

103:잠금수단 104:덮게

105:원료물질장입구 106:환원제장입구

107:진공펌프 108:가스배출구

110:반응용기 120:부착형냉각장치

122:부착형냉각장치 주입구 124:부착형냉각장치 조절벨브

126:부착형냉각장치 배출구 130:교반기

200:외부냉각장치 202:외부냉각장치 주입구

204:외부냉각장치 조절벨브 206:외부냉각장치 배출구

300:반응로 305:요홈

310;전원 320:발열체

330:온도조절장치 400:1차냉각단계

410:온도강하단계 420:냉매주입단계

500:2차냉각단계 510:냉매주입단계

600:3차냉각단계 610:환원반응장치 회수단계

620:냉각단계

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치는 티타늄을 제조하는 환원반응장치의 냉각을 위해 환원반응장치 외주면에 부착되어 있는 부착형 냉각장치와 반응로와 환원반응장치 사이의 요홈에 설치된 외부냉각장치를 포함하는 티타늄 제조시 냉각장치로서 달성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세히 설명한다.

첨부도면 2는 본 발명에 따른 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치를 대략적으로 설명하기 위한 구성도이다.

상기 도면에 따른 본 발명의 외부냉각방식을 이용한 티타늄 제조장치는 환원반응이 종료된 환원반응장치(100)를 반응로(300)에서 1차적으로 냉각시키기 위해 환원반응장치 외주면에 부착된 부착형 냉각장치(120)와 반응로(300)와 환원반응장치(100)사이의 요홈(305)을 통해 설치된 외부 냉각장치(200)로 구성된다.

부착형 냉각장치(120)는 환원반응장치 외주면에 부착되어서 액체 및 기체상태의 냉매를 이송시킬 수 있는 냉매 주입구(122)와 배출구(126)가 구비되어 있으며, 이송되는 냉매의 양과 속도를 조절할 수 있는 조절벨브(124)가 구비되어 있다.

외부 냉각장치는 반응로(300)와 환원반응장치(100)사이의 요홈(305)에 설치되어 있으며, 기체상태의 냉매를 이송시킬 수 있는 냉매 주입구(202)와 배출구(206)가 구비되어 있으며, 이송되는 냉매의 양과 속도를 조절할 수 있는 조절벨브(204)가 구비되어 있다.

첨부도면 도 3은 본 발명에 따른 티타늄 제조시 냉각방법을 설명하기 위한 블록도이다.

상기 도면에 따른 본 발명의 티타늄 제조시 냉각방법은 소정의 환원반응이 종료된 환원반응장치(100)를 환원반응장치 외주면에 부착되어 있는 부착형 냉각장치(120)를 이용하여 냉각시키는 1차 냉각단계(400)와 반응로(300)와 환원반응장치(100) 사이의 요홈(305)에 설치된 외부냉각장치(200)를 이용하여 소정의 온도까지 냉각하는 2차 냉각단계(500) 그리고 반응로(300)로부터 환원반응장치(100)를 회수하여 외부에서 상온까지 냉각하는 3차 냉각단계(600)로 이루어진다.

1차 냉각단계(400)는 소정의 환원반응이 종료된 환원반응장치(100)를 환원반응장치 외주면에 부착되어 있는 부착형 냉각장치(120)를 이용하여 냉각시키는 단계로서 반응로(300)의 발열수단(320)을 조절하는 온도조절장치(330)를 이용하여 반응로(300)의 온도를 저하시키는 온도강하단계(410)와 반응장치 외주면에 부착된 부착형 냉각장치(120)내에 냉매를 주입하여 환원반응장치를 1차적으로 냉각시키는 냉매주입단계(420)를 통해서 달성된다.

2차 냉각단계(500)는 1차 냉각을 통하여 환원반응장치(100)의 온도가 소정의 온도로 하강되었을 때, 반응로(300)와 환원반응장치(100) 사이의 요홈(305)에 설치된 외부 냉각장치(200)관을 통하여 냉매를 주입하여 환원반응장치(100)를 2차적으로 냉각시키는 냉매주입단계(510)를 통해서 달성된다.

3차 냉각단계(500)는 1, 2차 냉각을 통하여 소정온도로 하강된 환원반응장치(100)를 반응로(300)로부터 외부로 회수하는 환원반응장치 회수단계(610)와 외부에서 상온까지 냉각시키는 냉각단계(620)를 통해서 달성된다.

도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

상온에서 반응용기(110)내에 원료물질로서 티탄산화물(일반적으로 TiO₂)을환원제로는 산화력이 강한 마그네슘(Mg)을 그리고 반응염으로 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 염화리튬(LiCl) 등을 혼합장입한다. 이때 조업조건에 따라서 원료물질로서 사염화티타늄(TiCl₄)을 환원제로는 칼슘(Ca), 칼륨(K), 나트륨(Na) 등의 산화력이 우수한 금속을 사용할 수 있으며, 일반적으로 티타늄 제조업체에서 널리 알려진 바와 같이 실제 조업현장에서는 조업여건에 따라 원료물질, 환원제 및 반응염들을 동시에 혹은 개별적으로 원료물질장입구(105) 및 환원제장입구(106)를 통해서 반응초기단계나 반응동안에 연속적으로 혹은 간헐적으로 반응용기(110) 내에 장입 할 수 있다. 한편 반응용기(110)에 상기시료들이 장입되면 반응용기(110)를 환원반응장치(100)에 장입하고 환원반응장치(100)에 부착되어 있는 진공펌프(107)를 이용 10^-3토르(torr)정도의 진공을 형성한 후, 불활성가스인 아르곤가스를 760토르까지 취입하고 배출하는 일련의 조작을 5회에 걸쳐 실시함으로서 환원반응장치(100)내에 존재하는 용존산소의 양을 최소화하고, 아르곤가스를 계속하여 흘려보내 준다. 또한 반응용기(110) 내에 있는 원료물질, 환원제와 반응염들을 완전히 용해시키기 위해 반응온도를 700∼1000℃로 가열하여 2∼4시간 정도 유지하면, 반응용기(110) 내에 있는 원료물질, 환원제와 반응염들이 완전히 용해되고, 교반기(130)를 이용하여 교반하여 주면 장입물 상호간의 물리적 접촉에 의해 티타늄이 생성된다.

한편 소정의 환원공정이 종료된 후 반응용기(110)내에 석출된 티타늄의 회수는 반응로(300)에 구비된 온도조절기(330)를 300∼400℃로 하향조정하고, 환원반응장치 외주면에 부착되어 있는 부착형 냉각장치(120)의 주입구(122)를 통하여 냉매를 흘려보내 준다. 이때 사용된 냉매로는 물이나 알콜 등을 포함하여 냉각에 효과적인 물질이면 무관하나, 일반적인 조업하에서는 물을 주로 사용한다. 한편 환원반응장치(100)의 온도가 500∼600℃에 도달하면, 냉각속도를 빠르게 하기 위하여 반응로(300)와 환원반응장치(100) 사이의 요홈(305)에 설치된 외부냉각장치(200)의 주입구(202)를 통하여 냉매를 흘려보내 준다. 이때 사용된 냉매로는 냉각에 효과적인 물질이면 무관하나, 일반적인 조업하에서는 공기를 주로 사용한다. 한편 상기 냉각단계를 통하여 환원반응장치(100)의 온도가 300∼400℃에 도달하면, 환원반응장치(100)를 반응로(300)로부터 회수하여 외부에서 공냉에 의해 상온까지 냉각을 실시한다. 또한 외부에서 환원반응장치(100)의 냉각시 별도의 냉각장치를 사용하여 냉각을 시킬 경우 더욱빠른 냉각효과를 얻을 수 있다. 특히 본 공정에서는 티타늄의 연속제조를 위해서 원료물질과 환원제 및 반응염이 장입된 별도의 환원반응장치를 반응로(300)에 새로이 장입하여 상기에 언급된 일련의 제조공정을 수행함으로서 조업의 중단 없이 상기 제조공정을 연속적으로 진행할 수 있다.

따라서, 본 발명은 환원반응장치를 반응로 내부에서 1, 2차 냉각장치를 이용 급속 냉각이 가능함으로서 종래 제조공정에서 환원반응장치를 반응로 내부에서 노냉에 의해 상온까지

냉각을 실시하였던 제조공정에 비해 조업시간을 획기적으로 단축할 수 있고, 별도의 환원반응장치를 연속적으로 반응로에 장입함으로서 연속조업이 가능하여 생산공정 및 작업효율을 높여 생산성을 증대할 수 있다

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 티타늄 제조시 냉각장치 및 방법은 종래의 제조공정에서 환원반응장치를 반응로에서 상온까지 냉각시키는데 약 20시간 이상이 소요되는데 반해 본 발명 방법을 적용시 약 2시간 정도에서 냉각이 가능하여 제조공정의 시간이 획기적으로 단축되며, 반응로의 열원공급장치의 공급 및 차단을 실시하지 않아 환원반응장치의 온도의 상승 및 냉각에 소요되는 시간을 줄일 수 있을 뿐 아니라 티타늄 제조공정을 연속적으로 제조할 수 있어 생산공정 및 작업효율을 높여 생산성이 향상되는 장점이 있다.

Claims

티타늄 제조시 냉각장치에 있어서,

상기 티타늄의 환원반응이 종료된 환원반응장치를 반응로에서 1차적으로 냉각시키기 위해 환원반응장치 외주면에 부착된 부착형 냉각장치;

반응로와 환원반응장치사이의 요홈을 통해 설치된 외부 냉각장치를 포함하는 티타늄 제조시 냉각장치.
제1항에 있어서, 부착형 냉각장치는 환원반응장치 외주면에 부착되어 있어서 액체 및 기체상태의 냉매를 이송시킬 수 있는 냉매 주입구와 배출구가 구비되어 있으며, 이송되는 냉매의 양과 속도를 조절할 수 있는 조절벨브가 구비된 것을 특징으로 하는 티타늄 제조시 냉각장치.
제1항에 있어서, 외부 냉각장치는 반응로와 환원반응장치사이의 요홈을 통해 설치되어 있어서 기체상태의 냉매를 이송시킬 수 있는 냉매 주입구와 배출구가 구비되어 있으며, 이송되는 냉매의 양과 속도를 조절할 수 있는 조절벨브가 구비된 것을 특징으로 하는 티타늄 제조시 냉각장치.
제3항에 있어서, 외부 냉각장치의 냉매 주입구 및 배출구의 개수는 환원반응장치의 급속한 냉각을 위해 1개 이상이 구비된 것을 특징으로 하는 티타늄 제조시냉각장치.
티타늄 제조시 냉각방법에 있어서,

환원반응이 종료된 환원반응장치를 환원반응장치 외주면에 부착되어 있는 부착형 냉각장치를 이용하여 냉각시키는 1차 냉각단계;

반응로와 환원반응장치 사이의 요홈에 설치된 냉각장치를 이용하여 소정의 온도까지 냉각하는 2차 냉각단계; 및

반응로로부터 환원반응장치를 회수하여 외부에서 상온까지 냉각하는 3차 냉각단계를 포함하는 티타늄 제조시 냉각방법.
제5항에 있어서, 1차 냉각단계는 소정의 환원반응이 종료된 환원반응장치를 냉각시키는 단계로서 반응로의 발열수단을 조절하는 온도조절장치의 온도를 강하시키는 온도강하단계와 환원반응장치 외주면에 부착된 냉각장치관내에 냉매를 주입하는 냉매주입단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 제조시 냉각방법.
제5항에 있어서, 2차 냉각단계는 1차 냉각을 통하여 환원반응장치의 온도가 소정의 온도로 하강되었을 때, 반응로와 환원반응장치 사이의 요홈에 설치된 냉각장치관을 통하여 냉매를 주입하는 냉매주입단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 제조시 냉각방법.
제5항에 있어서, 3차 냉각단계에는 1, 2차 냉각을 통하여 소정온도로 하강된 환원반응장치를 반응로로부터 외부로 회수하여 외부에서 상온까지 냉각시키는 냉각단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 제조시 냉각방법.