KR20120132118A - 마그네슘 제조장치 - Google Patents

Abstract

반응관을 통해 마그네슘 단광을 보다 단시간에 가열할 수 있도록, 내부에 마그네슘 단광이 채워지며 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지는 반응관과, 상기 반응관 외측에 설치되어 반응관을 가열하기 위한 가열로, 상기 반응관에 연결되어 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기, 상기 반응관 내부로 설치되어 반응관 내부에 열을 전달하는 내부가열부를 포함하는 마그네슘 제조장치를 제공한다.

Description

마그네슘 제조장치 {DEVICE FOR MANUFACTURING MAGNESIUM}

본 발명은 마그네슘 단광을 열환원하여 순 마그네슘 제조하기 위한 마그네슘 제조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 마그네슘 단광의 가열 구조를 개선하여 열환원반응을 촉진할 수 있도록 된 마그네슘 제조장치에 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.

통상 마그네슘(Mg)은 반응관을 통해 마그네슘이 포함된 단광을 반응온도까지 가열하여 순 마그네슘을 얻는 열환원법을 이용하여 제조된다.

마그네슘 단광이 반응관에 장입되면 반응관 외부의 가열로에서 반응관에 약 1200°С정도의 열을 공급하여 마그네슘 증기를 발생시킨다. 발생된 마그네슘 증기는 반응관에 연결된 응축기에서 응축되어 고체상의 마그네슘 크라운(crown)으로 석출된다. 상기 일련의 공정이 완료되면 반응관 상부를 개방하여 응축된 마그네슘 크라운을 추출하고 반응관 하부를 개방하여 반응이 완료된 단광을 외부로 배출한다.

여기서 반응관을 통한 열환원 공정시 마그네슘 단광에 대한 가열 시간은 마그네슘 단광의 생산성에 중대한 영향을 미치게 된다.

종래 구조의 경우 반응관 외부의 가열로로부터 열을 받아 반응관 내부의 마그네슘 단광을 가열하게 되는 데, 마그네슘 단광은 열전도도가 낮아 쉽게 내부로 열전달이 되지 않는 단점이 있다. 이에 종래의 경우 마그네슘 단광의 가열에 많은 시간이 소모되어 열효율이 떨어지고, 생산성 또한 저하되는 문제가 발생된다.

이에, 반응관을 통해 마그네슘 단광을 보다 단시간에 가열할 수 있도록 된 마그네슘 제조장치를 제공한다.

이를 위해 본 제조장치는 내부에 마그네슘 단광이 채워지며 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지는 반응관과, 상기 반응관 외측에 설치되어 반응관을 가열하기 위한 가열로, 상기 반응관에 연결되어 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기, 상기 반응관 내부로 설치되어 반응관 내부에 열을 전달하는 내부가열부를 포함할 수 있다.

상기 반응관은 외부관과 내부관의 이중관 구조로 상기 마그네슘 단광은 외부관과 내부관 사이에 채워지고, 내부가열부는 상기 내부관 안쪽에 설치되어 내부관을 통해 마그네슘 단광에 열을 전달하는 구조일 수 있다.

상기 반응관은 외부관과 내부관 사이에 길이방향을 따라 형성되고 원주방향을 따라 각도를 두고 배치되며 내부에 빈 공간을 이루는 적어도 하나 이상의 라디에이션 슬롯이 더 형성될 수 있다.

상기 내부가열부는 상기 가열로 외부로 연장되어 가열로 외부에서 열원을 공급받는 구조일 수 있다.

상기 내부가열부는 상기 반응관 내에 설치되는 자가 열회수 버너장치를 포함할 수 있다. 상기 자가 열회수 버너장치는 반응관에 길이방향으로 연장되는 복사관과, 가열로 외측으로 연장되어 버너로 연소용 가스를 공급하는 공급관을 더 포함할 수 있다.

상기 내부가열부는 반응관 길이방향으로 연장되고 내부로 고온의 열유체가 순환되는 적어도 하나 이상의 가열튜브, 상기 가열튜브에 연결되어 열유체가 공급되는 유입구, 상기 가열튜브에 연결되어 가열튜브를 순환한 열유체가 배출되는 배출구를 포함할 수 있다.

상기 내부가열부는 상기 유입구와 배출구가 반응관 상부에 배치된 구조일 수 있다.

상기 내부가열부는 상기 유입구와 배출구가 반응관 하부에 배치된 구조일 수 있다.

상기 내부가열부는 상기 유입구와 상기 배출구가 반응관 상부와 하부에 각각 배치된 구조일 수 있다.

상기 내부가열부는 상기 가열로로부터 열원을 공급받는 구조일 수 있다.

상기 내부가열부는 상기 반응관 길이방향으로 설치되고 선단은 상기 가열로 내부로 연장되는 히트파이프를 포함할 수 있다.

상기 히트파이프의 가열로쪽 선단에 복수개의 흡열판이 설치될 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 의하면, 반응관 외부 뿐아니라 내부를 통해서 마그네슘 단광으로 열을 전달함으로써, 열효율을 높여 마그네슘 단광의 가열 시간을 최대한 단축시킬 수 있게 된다.

또한, 보다 적은 시간에 마그네슘 단광을 반응온도로 가열함으로써, 마그네슘 생산성을 극대화시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 단면 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 7은 본 마그네슘 제조장치의 내부가열부에 대한 서로 다른 실시예들을 도시한 개략적인 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 내부 온도 분포를 종래 기술과 비교 도시한 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 마그네슘 제조장치의 마그네슘 환원율을 종래 기술과 비교 도시한 그래프이다.

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. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 마그네슘 제조장치를 도시하고 있다.

이하 설명에서는 마그네슘을 제조하기 위한 장치를 예로서 설명하나, 이에 한정되지 않으며, 마그네슘을 포함한 모든 금속의 열환원 제련 공정을 위한 제조 장치에 모두 적용 가능하다.

도 1을 참고하여 설명하면, 본 실시예에 따른 마그네슘 제조장치는 내부에 마그네슘 단광이 채워지며 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지는 반응관(10)과, 상기 반응관(10) 외측에 설치되어 반응관(10)을 가열하기 위한 가열로(20), 상기 반응관(10)에 연결되어 반응관(10)에서 생성된 마그네슘 증기를 고체 상태의 마그네슘으로 응축시키는 응축기(30)를 포함한다.

또한, 본 장치는 상기 반응관(10) 내부로 설치되어 반응관(10) 내부에 열을 전달하는 내부가열부(40)를 더 포함한다.

이에 반응관(10)은 가열로(20)에 의해 외측에서 열을 전달받을 뿐 아니라 내부가열부(40)를 통해 내부에서도 열을 전달받아 단시간에 내부의 마그네슘 단광을 반응온도로 가열할 수 있게 된다.

상기 반응관(10)은 가열로(20)에 수직으로 설치된다. 상기 가열로(20)는 반응관(10)을 감싸 반응관(10) 외주면을 가열하게 된다. 상기 반응관(10)의 상부에는 응축기(30)가 설치되며, 반응관(10)의 하부에는 환원 반응이 완료된 폐단광이 배출되는 배출부(16)가 설치된다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 상기 반응관(10)은 원통형태로 이루어지며, 외부관(12)과 상기 외부관(12) 내에 간격을 두고 배치되는 내부관(14)의 이중관 구조로 되어 있다. 상기 마그네슘 단광은 외부관(12)과 내부관(14) 사이에 채워진다. 그리고 상기 내부가열부(40)는 상기 내부관(14) 안쪽에 설치되어 내부관(14)을 통해 마그네슘 단광에 열을 전달하는 구조로 되어 있다.

또한, 상기 반응관(10)은 외부관(12)과 내부관(14) 사이에 빈 공간을 갖는 라디에이션 슬롯(18)이 형성된다. 상기 라디에이션 슬롯(18)은 반응관(10)의 길이방향을 따라 형성되고 원주방향을 따라 각도를 두고 배치된다. 본 실시예에서는 4개의 라디에이션 슬롯(18)이 90도 각도로 배치된다. 상기 각 라디에이션 슬롯(18)은 두 개의 판재가 소정 간격을 두고 이격되어 외부관(12)과 내부관(14) 사이에 설치됨으로써, 내부에 중공부를 갖는 구조로 되어 있다. 상기 라디에이션 슬롯(18)은 내부관(14)과 외부관(12) 사이에 채워진 단광 사이로 열이 전달되는 통로 역할을 하여 열전달 현상을 촉진하게 된다.

도 3 내지 도 5는 상기 내부가열부(40)의 일 실시예를 도시하고 있다.

본 실시예에서 상기 내부가열부(40)는 상기 가열로(20) 외부로 연장되어 가열로(20) 외부에서 열원을 공급받는 구조로 되어 있다.

이를 위해 상기 내부가열부(40)는 반응관(10)의 내부관(14) 내측에서 길이방향으로 연장되고 내부로 고온의 열유체가 순환되는 적어도 하나 이상의 가열튜브(42)와, 상기 가열튜브(42)에 연결되어 고온의 순환가스가 공급되는 유입구(44), 상기 가열튜브(42)에 연결되어 가열튜브(42)를 순환한 순한가스가 배출되는 배출구(46)를 포함한다. 상기 열유체는 가스나 액체 등 다양하게 적용가능하며, 이하 설명은 고온의 순환가스를 일 예로써 설명한다.

이에 상기 유입구(44)를 통해 공급된 고온의 순환가스는 가열튜브(42)를 지나면서 내부관(14)과 열교환되어 내부관(14)을 가열하고, 배출구(46)를 통해 빠져나가게 된다.

상기 유입구(44)와 배출구(46)는 가열로(20) 외측으로 연장된다. 상기 유입구(44)를 통해 공급되는 고온의 순환가스는 반응관(10)의 외부관(12)을 가열하는 가열로(20)와는 별개의 열원을 통해 공급받을 수 있다. 또는 상기 가열로(20)로 공급되는 열원으로부터 공급받을 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

상기 가열튜브(42)는 내부관(14)과 열교환율을 극대화할 수 있는 구조면 특별히 한정되지 않고 모두 적용가능하다. 예를 들어, 상기 가열튜브(42)는 내부관(14)에 접하는 하나의 관구조물일 수 있으며, 내부관(14)의 내주면을 따라 나선형태로 감겨진 구조 또는 내부관(14) 길이방향을 따라 상하로 왕복 설치된 구조일 수 있다.

도 3은 상기 가열튜브(42)에 연결되는 유입구(44)와 배출구(46)가 반응관(10) 상부에 배치된 구조를 도시하고 있다. 이러한 구조의 경우, 반응관(10) 상부에서 유입구(44)를 통해 가열튜브(42)로 공급된 고온의 순환가스는 가열튜브(42)를 따라 아래로 순환한 후 다시 반응관(10) 상부로 이동되어 배출구(46)를 통해 배출된다.

도 4는 상기 가열튜브(42)에 연결되는 유입구(44)와 배출구(46)가 반응관(10) 상부와 하부에 각각 배치된 구조를 도시하고 있다. 이러한 구조의 경우, 반응관(10) 상부에서 유입구(44)를 통해 가열튜브(42)로 공급된 고온의 순환가스는 가열튜브(42)를 지난 후 반응관(10) 하부의 배출구(46)를 통해 배출된다.

도 5는 상기 가열튜브(42)에 연결되는 유입구(44)와 배출구(46)가 반응관(10) 하부에 배치된 구조를 도시하고 있다. 이러한 구조의 경우, 반응관(10) 하부에서 유입구(44)를 통해 가열튜브(42)로 공급된 고온의 순환가스는 가열튜브(42)를 따라 위로 순환한 후 다시 반응관(10) 하부로 이동되어 배출구(46)를 통해 배출된다.

상기와 같이, 반응관(10)의 내부관(14) 내측에 설치된 가열튜브(42)로 고온의 순환가스를 순환 공급함으로써, 가열튜브(42)를 통해 내부관(14)을 가열할 수 있게 된다. 따라서 가열로(20)와 더블어 내부관(14)을 통해 반응관(10) 내에 채워진 단광을 가열할 수 있게 된다.

도 6은 상기 내부가열부(40)의 또다른 실시예를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 내부가열부(40)는 상기 내부관(14) 내에 설치되는 자가 열회수 버너장치(self-recuperative burner)(50)를 포함한다. 상기 자가 열회수 버너장치(50)는 내부관(14)에 길이방향으로 연장되는 복사관(52)과, 가열로(20) 외측으로 연장되어 복사관(52) 내의 버너(54)로 연소용 가스를 공급하는 공급관(56)을 포함한다.

상기 자가 열회수 버너장치(50)는 자체적으로 버너(54)를 구비하여, 고온의 연소 가스를 복사관(52)으로 순환시켜 외부로 방열시키게 된다. 상기 복사관(52)은 대략 상기 내부관(14) 내경과 대응되는 크기로 이루어져 상기 내부관(14) 내측면에 밀착설치된다. 이에 공급관(56)을 통해 공급된 연소용 가스는 버너(54)에 의해 점화되고, 고온의 연소열은 복사관 내부로 순환되면서 복사관을 통해 내부관(14)으로 전달된다.

도 7은 상기 내부가열부(40)의 또다른 실시예를 도시하고 있다.

본 실시예에서 상기 내부가열부(40)는 상기 가열로(20)로부터 열원을 공급받는 구조로 되어 있다.

이를 위해 상기 내부가열부(40)는 상기 반응관(10) 길이방향으로 설치되고 선단은 상기 가열로(20) 내부로 연장되는 히트파이프(60)를 포함한다.

상기 히트파이프(60)는 길게 연장된 바형태의 관 구조물이다. 히트파이프(60)는 밀폐 용기 내부에 작동유체가 연속적으로 기액간의 상변화 과정을 통하여 열을 전달하는 구조이다. 이에 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 매우 큰 열 전달능력을 발휘할 수 있게 된다. 상기 히트파이프는 밀폐용기, 작동유체 및 용기 내부의 모세관을 포함하며, 작동유체의 종류나 내부 구조 등에 따라 다양하게 분류된다. 상기 히트파이프는 당업자가 수준에서 많은 기술이 개시되어 있으므로 이하 상세한 설명은 생략한다.

상기 히트파이프(60)는 열원으로부터 열을 전달받아 내부에 수용된 작동유체가 증발되는 증발부(64)와, 이 증발부(64)에 연결되고 외부로 열을 방열하며 기상의 작동유체가 응축되는 응축부(62)를 구비한다. 상기 응축부(62)는 증발부(64)보다 높은 위치에 배치되며, 작동유체는 증발부(64)에서 증발되어 응축부(62)로 상승되면서 열을 전달하게 된다.

본 실시예에서 상기 히트파이프(60)는 반응관(10) 하부를 통해 반응관(10)의 내부관(14)과 가열로(20) 사이에 배치된다. 상기 히트파이프(60)의 응축부(62)는 내부관(14)에 위치한다. 그리고 증발부(64)는 응축부(62)의 하단에 연결되어 가열로(20) 내에 위치한다.

여기서 상기 증발부(64)에는 가열로(20) 내부의 고열과의 접촉면적을 넓히기 위해 복수개의 흡열판(66)이 외측에 설치될 수 있다.

이에 가열로(20) 내부의 고열은 가열로(20) 내부에 위치한 히트파이프(60)의 증발부(64)를 통해 응축부(62)로 전달되어 내부관(14) 내에서 응축부(62)를 통해 방열된다. 응축부(62)로 전달된 열은 응축부(62)를 통해 외부로 방열되어 응축부(62)가 위치한 내부관(14)으로 전달된다. 따라서 반응관(10)에 채워진 단광을 반응관의 내부에서부터 가열하게 된다.

이하, 본 장치의 작용에 대해 도 8과 도 9를 참조하여 설명한다.

도 8은 본 장치를 통해 반응관(10) 내부와 외부를 동시에 가열하였을 때와 외부만을 가열했을 때의 반응관(10) 내부 온도 분포를 비교 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 가열로(20)를 통한 반응관(10)의 외부 가열과 더불어 내부가열부(40)를 통해 반응관(10)의 내부를 동시에 가열하였을 경우, 2시간 경과시 반응관(10)에 채워진 단광의 온도가 1100℃를 넘어서는 것을 확인할 수 있다.

이에 반해 종래와 같이 가열로(20)를 통해 반응관(10)의 외부만을 가열하였을 경우에는 4시간이 경과되어도 단광의 온도가 1100℃에 미치지 못함을 확인할 수 있다.

이에 본 장치를 통해 반응관(10)의 외부 뿐아니라 내부에서도 열이 전달되도록 하여 단광의 온도를 보다 단시간 내에 급격히 상승시킬 수 있는 것이다. 따라서 단광의 환원반응을 촉진시켜 실질적인 생산성 향상의 효과를 달성할 수 있게 된다.

도 9는 본 장치에 의한 마그네슘 환원율을 종래 기술과 비교 도시한 그래프이다.

도 9에서 알 수 있듯이, 라디에이션 슬롯(18)이 없는 반응관(10)의 외부만을 가열하였을 때보다 반응관(10) 내부에 라디에이션 슬롯(18)을 형성한 후 반응관(10)의 외부만을 가열하였을 때 환원시간을 줄일 수 있다.

또한, 라디에이션 슬롯(18)을 구비한 반응관(10)에 있어서 반응관(10)의 외부만을 가열하였을 때보다 반응관(10)의 외부와 내부를 동시에 가열하였을 경우 환원시간을 더 줄일 수 있음을 알 수 있다.

이에, 종래 반응관(10)의 외부만을 가열하였을 경우 8.5시간이 소요되는 환원시간을 라이에이션 슬롯(18)을 반응관(10)에 구비하고 반응관(10)의 외부와 내부를 같이 가열하였을 때 3.1시간으로 줄일 수 있어, 종래와 비교하여 최대 2.7배 이상의 생산성 향상 효과를 이룰 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 : 반응관 12 : 외부관
14 : 내부관 18 : 라디에이션 슬롯
20 : 가열로 30 : 응축기
40 : 내부가열부 42 : 가열튜브
44 : 유입구 46 : 배출구
50 : 자가 열회수 버너장치 52 : 복사관
60 : 히트파이프 66 : 흡열판

Claims (12)

1. 내부에 마그네슘 단광이 채워지며 산화마그네슘의 환원반응이 이루어지는 반응관과, 상기 반응관 외측에 설치되어 반응관을 가열하기 위한 가열로, 상기 반응관에 연결되어 반응관에서 생성된 마그네슘 증기를 응축시키는 응축기, 상기 반응관 내부로 설치되어 반응관 내부에 열을 전달하는 내부가열부를 포함하는 마그네슘 제조장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응관은 외부관과 내부관의 이중관 구조이고, 상기 내부가열부는 상기 내부관 안쪽에 설치되어 내부관을 통해 마그네슘 단광에 열을 전달하는 구조의 마그네슘 제조장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 반응관은 외부관과 내부관 사이에 길이방향을 따라 형성되고 원주방향을 따라 각도를 두고 배치되며 내부에 빈 공간을 갖는 적어도 하나 이상의 라디에이션 슬롯이 더 형성된 마그네슘 제조장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 내부가열부는 상기 가열로 외부로 연장되어 가열로 외부에서 열원을 공급받는 구조의 마그네슘 제조장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 내부가열부는 상기 반응관 내에 설치되는 자가 열회수 버너장치를 포함하고, 상기 자가 열회수 버너장치는 반응관 길이방향으로 연장되는 복사관과, 가열로 외측으로 연장되어 내부 버너로 연소용 가스를 공급하는 공급관을 포함하는 마그네슘 제조장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 내부가열부는 반응관 길이방향으로 연장되고 내부로 고온의 열유체가 순환되는 적어도 하나 이상의 가열튜브, 상기 가열튜브에 연결되어 열유체가 공급되는 유입구, 상기 가열튜브에 연결되어 가열튜브를 순환한 열유체가 배출되는 배출구를 포함하는 마그네슘 제조장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 내부가열부는 상기 유입구와 배출구가 반응관 상부에 배치된 구조의 마그네슘 제조장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 내부가열부는 상기 유입구와 배출구가 반응관 하부에 배치된 구조의 마그네슘 제조장치.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 내부가열부는 상기 유입구와 상기 배출구가 반응관 상부와 하부에 각각 배치된 구조의 마그네슘 제조장치.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부가열부는 상기 가열로로부터 열원을 공급받는 구조의 마그네슘 제조장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부가열부는 상기 반응관 길이방향으로 설치되고 선단은 상기 가열로 내부로 연장되는 히트파이프를 포함하는 마그네슘 제조장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 히트파이프의 가열로쪽 선단에 복수개의 흡열판이 설치된 마그네슘 제조장치.

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