KR20120074972A - 수직형 열환원 마그네슘 제조장치 - Google Patents

수직형 열환원 마그네슘 제조장치 Download PDF

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한길수
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Abstract

본 발명의 일 측면은, 에너지 효율 향상 및 리토르트 수명 향상을 구현하는 수직형 열환원 마그네슘 제조장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 열환원 마그네슘 제조장치는, 원료를 장입하여 환원되는 마그네슘 증기를 발생시키는 리토르트, 내부에 수직으로 설치되는 상기 리토르트를 가열하는 열환원로, 상기 열환원로를 관통하는 1쌍의 마그네슘 증기 이동관을 통해 상기 리토르트의 양측에 연결되며, 환원된 마그네슘 증기를 응축시켜 마그네슘을 회수하는 1쌍의 응축기, 및 상기 마그네슘 증기 이동관에 설치되어 선택적으로 제어되는 1쌍의 게이트 밸브를 포함한다.

Description

수직형 열환원 마그네슘 제조장치 {VERTICAL TYPE THERMAL REDUCTION APPARATUS FOR MAGNESIUM PRODUCTION}
본 발명은 열환원법을 이용하여 돌로마이트로부터 마그네슘 금속을 연속적으로 고체상이나 용융상으로 제조하는 수직형 열환원 마그네슘 제조장치에 관한 것이다.
마그네슘을 제조하는 방법에는 크게 열환원법과 전해제련법이 있다. 열환원법은 피죤(Pigeon)법으로 대변되며, 현재 1차 마그네슘 생산량의 약 80%가 피죤법으로 생산되고 있다. 피죤법에 사용되는 열환원 시스템은 버너를 구비한 환원로, 환원로 내부에 설치되어 장입되는 단광을 환원시키는 리토르트(retort), 및 리토르트 내부의 마그네슘 증기를 회수하도록 리토르트 내부에 설치되는 응축기를 포함한다.
열환원 시스템에서 한 배치(batch)의 열환원 반응이 완료되면, 리토르트의 뚜껑을 열어 응축기를 꺼내어 응축기 내부의 마그네슘 크라운을 추출한다. 또한 반응이 완료된 반응물(슬래그)을 리토르트로부터 배출한다. 그리고 새로운 원료 단광을 리토르트에 투입하며, 리토르트에 응축기를 설치하여 리토르트 내부에 진공을 다시 형성한다. 이 상태에서, 버너를 작동하여, 한 배치의 열환원 반응을 일으킨다. 이때, 열손실이 많이 발생된다.
또한, 마그네슘을 제조하는 데 있어서, 효율성 향상을 위하여, 리토르트를 수직으로 구비하고, 응축기를 환원로 및 리토르트로부터 분리한 열환원 시스템이 있다. 즉 이 열환원 시스템은 환원로 및 리토르트에서 발생한 마그네슘 증기를 분리형 응축기에서 응축시키고, 환원 반응이 완료된 후, 응축된 마그네슘을 응축기로부터 분리해 내거나, 열원을 이용하여 응축기 내부에 응축된 마그네슘을 용해해서 획득할 수 있다. 그러나 이 열환원 시스템은 역시 배치식이므로 생산성, 에너지 효율 및 리토르트 수명 향상에 한계를 가진다.
이와 같은 열환원 시스템은, 배치식 열환원 반응에 의하여 일반적으로 9 내지 12시간 마다 진공 상태의 리토르트를 열어 진공을 해제한 후, 상압을 작용시켜 슬래그를 배출하고, 원료인 단광을 다시 장입한 후 진공 상태를 다시 설정한다. 따라서 환원로 및 리토르트에서 열손실이 많고, 고온 부식 및 열피로로 인하여 리토르트의 수명이 단축될 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 에너지 효율 향상 및 리토르트 수명 향상을 구현하는 수직형 열환원 마그네슘 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 열환원 마그네슘 제조장치는, 원료를 장입하여 환원되는 마그네슘 증기를 발생시키는 리토르트, 내부에 수직으로 설치되는 상기 리토르트를 가열하는 열환원로, 상기 열환원로를 관통하는 1쌍의 마그네슘 증기 이동관을 통해 상기 리토르트의 양측에 연결되며, 환원된 마그네슘 증기를 응축시켜 마그네슘을 회수하는 1쌍의 응축기, 및 상기 마그네슘 증기 이동관에 설치되어 선택적으로 제어되는 1쌍의 게이트 밸브를 포함한다.
상기 마그네슘 증기 이동관은, 상기 열환원로 내부에서 상기 리토르트에 연결되어 상기 열환원로 외부로 인출되는 제1 마그네슘 증기 이동부와 제2 마그네슘 증기 이동부를 포함하고, 상기 게이트 밸브는, 상기 제1 마그네슘 증기 이동부와 상기 제2 마그네슘 증기 이동부에 각각 설치되는 제1 게이트 밸브부와 제2 게이트 밸브부를 포함하며, 상기 응축기는, 상기 제1 게이트 밸브부와 상기 제2 게이트 밸브부에 각각 연결되는 제1 응측부와 제2 응축부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 열환원 마그네슘 제조장치는, 상기 열환원로 외부에 설치되어 상기 리토르트의 상방에 연결되는 원료 장입실, 및 상기 열환원로 외부에 설치되어 상기 리토르트의 하방에 연결되는 슬래그 배출실을 더 포함한다.
상기 원료 장입실은 상기 리토르트에 장입 게이트 밸브를 개재하여 연결되고, 일측에 진공압 또는 상압을 선택적으로 연결하는 제1 삼방향 밸브를 구비할 수 있다.
상기 슬래그 배출실은, 상기 리토르트에 배출 게이트 밸브를 개재하여 연결되고, 일측에 진공압 또는 상압을 선택적으로 연결하는 제2 삼방향 밸브를 구비할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 리토르트의 양측에 1쌍의 마그네슘 증기 이동관으로 1쌍의 응축기를 각각 연결하여 1쌍의 게이트 밸브로 응축기를 선택적으로 제어함으로써 응축기에서 마그네슘 응축을 연속적으로 구현하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 리토르트의 상방에 원료 장입실과 하방에 슬래그 배출실을 구비하여, 리토르트 내부에 진공을 유지한 상태에서 원료 투입과 슬래그 배출을 연속적으로 수행하므로 리토르트의 온도를 균일하게 유지하고, 에너지 효율 및 리토르트의 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 열환원 마그네슘 제조장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 마그네슘 제조장치에서 제1단계 원료 장입시 작동 상태도이다.
도 3은 도 2의 제1단계에 이은 제2단계 원료 장입시 작동 상태도이다.
도 4는 도 1의 마그네슘 제조장치에서 제1단계 슬래그 배출시 작동 상태도이다.
도 5는 도 4의 제1단계에 이은 제2단계 슬래그 배출시 작동 상태도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
예를 들어 설명하면, 광산에서 채굴되는 백운석(돌로마이트), 마그네사이트 또는 석회석은 분쇄된 후 소성로에서 소성되어 소성 천연돌로마이트나 합성 소성돌로마이트로 형성된다. 여기서 소성로는 로터리 킬른(Rotary Kiln)형 또는 사프트 킬른형 소성로일 수 있다.
이어서, 실리콘(Si)을 약 72%이상(예를 들어, 72 내지 80%) 함유된 페로실리콘(FeSi)을 제조한다. 여기서 페로실리콘은 철광석(Fe2O3) 또는 밀스케일, 규소광(SiO2) 및 석탄(C)과 우드칩(wood chip)을 사용하여 아크 전기로에서 만들어진다.
이후, 소성돌로마이트와 페로실리콘 및 형석을 일정 크기 이하로 파쇄한다. 그리고 소성돌로마이트 및 페로실리콘과 함께 형석(CaF2)을 성형기(Briquetting machine)에 장입하여, 성형체를 성형한다. 구체적으로 페로실리콘에 대해 소성돌로마이트를 20 내지 10에 대해 80 내지 90으로 무게비율 혼합하고, 촉매재로 작용하는 형석을 약 1 내지 2무게비율로 혼합한 후 혼합기(mixer)를 사용하여 일정 시간 혼합한 후 성형기를 통해 필로(pillow) 형상의 성형체를 형성한다. 이 성형체가 열환원로(2, 도 1 참조)로 공급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 열환원 마그네슘 제조장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 수직형 열환원 마그네슘 제조장치는, 원료, 즉 성형체를 장입하여 환원된 마그네슘 증기를 발생시키는 리토르트(1), 리토르트(1)를 가열하는 열환원로(2), 리토르트(1)에 마그네슘 증기 이동관(3)으로 연결되는 응축기(5), 및 마그네슘 증기 이동관(3)에 설치되는 게이트 밸브(6)를 포함한다.
리토르트(1)는 열환원로(2) 내부에 구비되며, 외부 가열식 수직형으로 이루어진다. 열환원로(2)는 버너(21)를 구비하여 외부에서 리토르트(1)를 가열할 수 있도록 형성된다.
마그네슘 증기 이동관(3)은 1쌍으로 형성되어 열환원로(2)를 관통하여 설치되며, 리토르트(1)의 양측에 연결되어 열환원로(2) 외부로 인출된다.
응측기(5)는 1쌍으로 형성되어 마그네슘 증기 이동관(3)에 각각 연결되어, 리토르트(1)에서 환원되어 마그네슘 증기 이동관(3)으로 이동되는 마그네슘 증기를 응축시켜 마그네슘을 회수하도록 구성된다.
예를 들면, 응축기는 하단에 풀을 구비하여, 응축관에 연통되어 흘러내리는 마그네슘 크라운을 받아 모으고, 풀에 모아진 마그네슘을 배출하도록 풀(55)의 하부에 배관(미도시)을 구비할 수 있다(미도시).
응축기(5)의 풀(55) 외측에 연결되는 진공에 의하여 응축기(5) 내의 응축관(56) 및 리토르트(1)가 감압된다. 이때, 리토르트(1)가 진공을 이루면서 약 5 내지 10시간 동안 내부 온도 약 1160 내지 1220℃를 유지하면, 성형체는 페로실리콘 합금 중 함유된 실리콘 성분이 환원제로 작용하여 규소열환원반응(silicothermic reduction)에 의해 마그네슘으로 환원된다.
게이트 밸브(6)는 1쌍으로 형성되어 마그네슘 증기 이동관(3)에 각각 설치되어 리토르트(1)와 응측기(5)를 선택적으로 연결할 수 있다. 즉 마그네슘 증기 이동관(3)은 열환원로(2) 내부에서 리토르트(1)에 연결되어 열환원로(2) 외부로 인출되는 제1 마그네슘 증기 이동부(31)와 제2 마그네슘 증기 이동부(31)를 포함한다. 또한 응축기(5)는 제1, 제2 마그네슘 증기 이동부(31, 32) 각각에 대응하여 연결되는 제1, 제2 응축부(51, 52)를 포함한다.
게이트 밸브(6)는 제1, 제2 마그네슘 증기 이동부(31, 32) 각각에 설치되는 제1, 제2 게이트 밸브부(61, 62)를 포함한다. 제1 게이트 밸브부(61)는 온/오프 작동되어 제1 마그네슘 증기 이동부(31)와 제1 응축부(51)의 연통을 제어하고, 제2 게이트 밸브부(62)는 온/오프 작동되어 제2 마그네슘 증기 이동부(32)와 제2 응축부(52)의 연통을 제어한다. 제1, 제2 게이트 밸브(61, 62)는 서로 반대 상태로 제어된다. 제1, 제2 게이트 밸브부(61, 62)가 번갈아 작동하고, 이에 따라 제1, 제2 응축부(51, 52)가 번갈아 작동되어 리토르트(1)에서 환원된 마그네슘 증기를 연속적으로 응축할 수 있다.
이와 같이, 일 실시예는 리토르트(1)에서 생성되는 마그네슘 증기를 제1, 제2 게이트 밸브부(61, 62)의 작동에 의하여 2개의 제1, 제2 응축부(51, 52)를 번갈아 선택함으로써 연속적으로 응축할 수 있다.
또한, 수직형 열환원 마그네슘 제조장치는 마그네슘 증기의 연속적인 응축을 더욱 장기적으로 가능하게 하기 위하여, 리토르트(1)의 상방과 하방에 원료 장입실(11)과 슬래그 배출실(12)을 더 구비한다.
원료 장입실(11)은 열환원로(2) 외부에 설치되어 리토르트(1)의 상방에 연결되어, 리토르트(1) 내부에서 환원 반응 중인 진공 상태에서 리토르트(1)의 내부로 원료를 장입할 수 있도록 형성된다.
예를 들면, 원료 장입실(11)는 리토르트(1)의 상단에 장입 게이트 밸브(111)를 개재하여 리토르트(1)에 연결되고, 일측에 제1 삼방향 밸브(112)를 구비하여 진공압 또는 상압을 선택적으로 환원 장입실(11)에 연결할 수 있다.
장입 게이트(111)는 슬라이드 작동되어 원료 장입실(11)과 리토르트(1)의 진공 상태에서 연통을 단속할 수 있다. 원료 장입실(11)은 상방에 구비되는 호퍼(23)에서 원료인 성형체를 공급할 때 개방되도록 개폐 구조의 상부 뚜껑(113)을 구비한다. 상부 뚜겅(112)은 호퍼(23)와 원료 장입실(11)의 상압 상태로의 연통을 단속할 수 있다.
슬래그 배출실(12)은 열환원로(2) 외부에 설치되어 리토르트(1)의 하방에 연결되어, 리토르트(1) 내부에서 환원 반응 중인 진공 상태에서 리토르트(1)의 내부로부터 슬래그를 배출할 수 있도록 형성된다.
예를 들면, 슬래그 배출실(12)은 리토르트(1)의 하단에 배출 게이트 밸브(121)를 개재하여 리토르트(1)에 연결되고, 일측에 제2 삼방향 밸브(122)를 구비하여 진공압 또는 상압을 선택적으로 슬래그 배출실(12)에 연결할 수 있다.
배출 게이트(121)는 슬라이드 작동되어 리토르트(1)와 슬래그 배출실(12)의 진공 상태에서 연통을 단속할 수 있다. 슬래그 배출실(12)은 하방에 구비되는 슬래그 회수통(24)에서 슬래그를 회수할 때 개방되는 개폐 구조의 하부 뚜껑(123)을 구비한다. 하부 뚜껑(123)은 슬래그 배출실(12)과 슬래그 회수통(24)의 상압 상태로의 연통을 단속할 수 있다.
이하에서 도 2 내지 도 5를 참조하여, 일 실시예의 마그네슘 제조장치에서, 원료 장입 및 슬래그 배출 상태를 설명한다.
도 2는 도 1의 마그네슘 제조장치에서 제1단계 원료 장입시 작동 상태도이다. 도 2를 참조하면, 원료 장입 중, 제1단계 투입시, 장입 게이트 밸브(111)가 닫히어 원료 장입실(11)과 리토르트(1) 사이가 차단되고, 제1 삼방향 밸브(112)에 의하여 원료 장입실(11)에 상압이 작용하며, 상부 뚜껑(113)이 개방되어 호퍼(23)와 원료 장입실(11)이 연통되어 원료가 장입된다.
도 3은 도 2의 제1단계에 이은 제2단계 원료 장입시 작동 상태도이다. 도 3을 참조하면, 원료를 장입하는 제2단계 투입시, 상부 뚜껑(113)이 닫히어 호퍼(23)와 원료 장입실(11)이 차단되고, 제1 삼방향 밸브(112)에 의하여 원료 장입실(11)에 진공이 작용하는 상태에서 장입 게이트 밸브(111)가 열리어 원료 장입실(11)과 리토르트(1)가 연통된다. 따라서 원료 장입실(11) 내의 원료가 리토르트(1)로 장입 완료된다. 도 2의 상태에서 마그네슘을 제조한다.
도 4는 도 1의 마그네슘 제조장치에서 제1단계 슬래그 배출시 작동 상태도이다. 도 4를 참조하면, 슬래그 배출 중, 제1단계 배출시, 하부 뚜껑(123)이 닫히고, 제2 삼방향 밸브(122)에 의하여 슬래그 배출실(12)에 진공을 작용하는 상태에서 배출 게이트 밸브(121)가 열리어 리토르트(1)와 슬래그 배출실(12)이 연통되어 슬래그가 배출된다.
도 5는 도 4의 제1단계에 이은 제2단계 슬래그 배출시 작동 상태도이다. 도 5를 참조하면, 슬래그를 배출하는 제2단계 배출시, 배출 게이트 밸브(121)가 닫히어 리토르트(1)와 슬래그 배출실(12)이 차단되고, 제2 삼방향 밸브(122)에 의하여 슬래그 배출실(12)에 상압이 작용하며, 하부 뚜껑(123)이 열린다. 따라서 슬래그 배출실(12) 내의 슬래그가 슬래그 회수통(24)으로 회수 완료된다.
이와 같이, 원료의 반응이 완료되면, 일 실시예는 도 2 내지 도 5와 같은 공정을 반복적으로 수행함으로써 마그네슘을 지속적으로 응축할 수 있다.
이와 같이 일 실시예는 리토르트(1)의 상하부에 원료 장입실(11)과 슬래그 배출실(12)을 구비하여, 리토르트(1) 내부의 진공을 유지한 상태에서 원료 장입실(11)에서 리토르트(1)로 원료를 장입하고, 슬래그 배출실(12)에서 슬래그를 배출한다. 리토르트(1)가 진공을 유지하여 열손실이 적고, 리토르트(1)의 온도가 일정하게 유지되므로 에너지 효율 및 생산성을 향상하며, 리토르트(1)의 수명이 연장될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1 : 리토르트 11 : 원료 장입실
111 : 장입 게이트 밸브 112, 122 : 제1, 제2 삼방향 밸브
113, 123 : 상부, 하부 뚜껑 12 : 슬래그 배출실
121 : 배출 게이트 밸브 2 : 열환원로
21 : 버너 23 : 호퍼
24 : 슬래그 회수통 3 : 마그네슘 증기 이동관
31, 32 : 제1, 제2 마그네슘 증기 이동부
5 : 응축기 51, 52 : 제1, 제2 응축부
6 : 게이트 밸브 61, 62 : 제1, 제2 게이트 밸브부

Claims (5)

  1. 원료를 장입하여 환원되는 마그네슘 증기를 발생시키는 리토르트;
    내부에 수직으로 설치되는 상기 리토르트를 가열하는 열환원로;
    상기 열환원로를 관통하는 1쌍의 마그네슘 증기 이동관을 통해 상기 리토르트의 양측에 연결되며, 환원된 마그네슘 증기를 응축시켜 마그네슘을 회수하는 1쌍의 응축기; 및
    상기 마그네슘 증기 이동관에 설치되어 선택적으로 제어되는 1쌍의 게이트 밸브
    를 포함하는 수직형 열환원 마그네슘 제조장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 마그네슘 증기 이동관은,
    상기 열환원로 내부에서 상기 리토르트에 연결되어 상기 열환원로 외부로 인출되는 제1 마그네슘 증기 이동부와 제2 마그네슘 증기 이동부를 포함하고,
    상기 게이트 밸브는,
    상기 제1 마그네슘 증기 이동부와 상기 제2 마그네슘 증기 이동부에 각각 설치되는 제1 게이트 밸브부와 제2 게이트 밸브부를 포함하며,
    상기 응축기는,
    상기 제1 게이트 밸브부와 상기 제2 게이트 밸브부에 각각 연결되는 제1 응측부와 제2 응축부
    를 포함하는 수직형 열환원 마그네슘 제조장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열환원로 외부에 설치되어 상기 리토르트의 상방에 연결되는 원료 장입실; 및
    상기 열환원로 외부에 설치되어 상기 리토르트의 하방에 연결되는 슬래그 배출실
    을 더 포함하는 수직형 열환원 마그네슘 제조장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 원료 장입실은
    상기 리토르트에 장입 게이트 밸브를 개재하여 연결되고,
    일측에 진공압 또는 상압을 선택적으로 연결하는 제1 삼방향 밸브를 구비하는
    수직형 열환원 마그네슘 제조장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 슬래그 배출실은,
    상기 리토르트에 배출 게이트 밸브를 개재하여 연결되고,
    일측에 진공압 또는 상압을 선택적으로 연결하는 제2 삼방향 밸브를 구비하는
    수직형 열환원 마그네슘 제조장치.
KR1020100136972A 2010-12-28 2010-12-28 수직형 열환원 마그네슘 제조장치 KR20120074972A (ko)

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