KR20130063501A - 알루미늄-규소 합금을 생성하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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비슈 두트 도사즈
레이날도 로드리게스 비타르
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다우 코닝 코포레이션
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Abstract

알루미늄-규소 합금을 생성하는 방법 및 시스템이 제공되며, 이는 실리카를 소정의 온도로 예열하는 단계 및 알루미늄과 예열된 실리카를 배합하여 알루미늄을 용융시키고 알루미늄-규소 합금을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

알루미늄-규소 합금을 생성하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCING AN ALUMINUM-SILICON ALLOY}
본 발명은 알루미늄-규소 합금의 생성에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 실리카의 알루미노테르밋 환원(aluminothermic reduction)을 통해 알루미늄-규소 합금을 생성하는 것에 관한 것이다.
알루미늄-규소 (Al-Si) 합금은 알루미늄을 용융시키고 용융된 알루미늄을 1200℃ 초과로 가열하여 생성할 수 있다. 이어서, 실리카 (SiO2)를 석영 미분(quartz fine) 또는 규사(quartz sand)의 형태로 첨가하고, 용융된 알루미늄 중에 30 내지 120분 동안 혼합할 수 있다. 용융된 알루미늄을 1200℃ 초과의 온도로 과열(superheat)함으로써, 실리카와 배합 시의 용융된 알루미늄의 전반적인 온도가 약 1150℃의 목표 반응 온도에 도달하게 할 수 있다. 이러한 열은 용융된 알루미늄에 의한 실리카의 환원을 가능하게 하며, 알루미늄-규소 합금을 야기할 뿐만 아니라 실리카 및 산화알루미늄 (Al2O3)의 부산물 슬래그(slag)를 야기한다. 용융된 알루미늄-실리콘 합금보다 무거운 (즉, 밀도가 더 큰) 슬래그는 합금으로부터 분리되어 용융 조의 하단으로 가라앉고 거기서 슬래그가 제거된다. 이어서, 그렇게 생성된 알루미늄-규소 합금을, 화학, 태양, 또는 반도체 응용에 사용하기 위한 규소의 더욱 정제된 형태가 되도록 추가로 가공할 수 있다.
그러나, 유도로(induction furnace)를 사용하는 것과 같은 현재의 가열 공정의 경우, 실리카의 반응을 위해 요구되는 온도를 달성하기 위해서, 용융된 알루미늄을 과도하게 가열(즉, 과열)하여야만 한다. 이는 과도한 가열에 의해 생성되는 증기로서의 알루미늄의 손실을 가져온다. 게다가, 실리카는 알루미늄보다 밀도가 작기 때문에, 첨가된 실리카는 용융된 알루미늄의 상부에 부유하는 경향이 있으며, 이는 혼합을 어렵게 만들고 실리카와 용융된 알루미늄 사이의 전반적인 반응을 억제한다. 실리카가 부유하는 이러한 경향 때문에, 그리고 전형적으로 흑연으로 제작되는 내고온성 혼합 블레이드(mixing blade)는 혼합 동안 발생하는 전단 응력으로 인해 부서지기 쉬우며 부러지는 경향이 있기 때문에, 혼합물을 교반하는 것이 어렵다. 마지막으로, 부산물 슬래그 (전형적으로 Al2O3 및 SiO2)는 용융 온도가 높으며, 슬래그가 용융 조의 하단으로 가라앉을 때 고체 슬래그 입자가 알루미늄-규소 합금의 일부를 포획할 수 있다. 부산물 슬래그는 또한 노의 내화 라이닝에 부착되어 제거하기 어려운 크러스트(crust)를 형성할 수 있다. 현재의 공정의 이러한 비효율성 때문에, 실리카를 환원하고 알루미늄-규소 합금을 형성하는 데 있어서 알루미늄의 이용률은 단지 약 50%이다. 즉, 본래의 알루미늄의 단지 약 절반만이 규소와 합금을 이루고; 나머지는 증기, 슬래그로서 손실되거나, 또는 슬래그의 분리에 의해 포획된다. 알루미늄이 공정의 전체 비용의 상당 부분을 차지하기 때문에, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 더욱 효율적인 방법을 제공하는 것이 여전히 필요하다.
일 실시 형태에 있어서, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 방법은 실리카를 소정의 온도로 예열하는 단계 및 예열된 실리카를 알루미늄과 배합하여 알루미늄을 용융시키고 알루미늄-규소 합금을 생성하는 단계를 포함한다. "소정의 온도"는, 배합시, 알루미늄이 용융되고 실리카와 알루미늄이, 알루미노테르밋 반응이 일어나기에 적절한 온도 (즉, 약 1000℃ 초과)가 되도록 하는, 실리카의 융점 (약 1625℃) 미만이지만 알루미늄의 융점(약 660℃) 초과인 온도를 의미한다.
바람직하게는, 실리카는 평균 입자 직경이 약 1.0 내지 약 5.0 ㎜, 그리고 더욱 바람직하게는 약 2.0 내지 약 5.0 ㎜인 입자의 형태로 제공된다. 일반적으로, 약 0.6 ㎜ 미만의 직경의 입자 크기는 바람직하지 않다. 알루미늄을 예열된 실리카와 배합하기 전에 알루미늄을 또한 예열할 수 있거나, 또는 알루미늄은 주위 온도일 수 있다. 알루미늄을 예열하는 경우, 바람직하게는 알루미늄을 예열된 실리카와 배합하기 전에 노에서 그의 융점 초과이지만 약 1200℃ 미만인 온도로 가열한다. 알루미늄은 고체 잉곳(ingot), 숏(shot), 플레이트, 펠렛의 형태, 또는 임의의 기타 적합한 형태로 제공될 수 있다. 알루미늄은 사실상 순수한 형태일 수 있거나, 또는 예를 들어, 80 중량%의 알루미늄 및 20 중량%의 규소와 같은 알루미늄-규소 합금의 형태일 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 알루미늄은 예열된 실리카와 배합되기 전에 실리카 입자로 코팅된다. 예를 들어, 실리카 입자를 액체 슬러리로 형성하여 알루미늄의 표면에 도포하고, 슬러리를 건조할 수 있다. 본 발명자들은 알루미늄을 실리카 입자로 예비-코팅하는 것이 알루미늄을 과도한 산화로부터 보호한다는 것을 알아내었다.
바람직하게는, 일단 알루미늄이 용융되고 나면, 배합된 예열된 실리카와 용융된 알루미늄을 교반하여 혼합을 촉진한다. 실리카를 예열함으로써, 알루미늄을 예열하거나 과열할 필요가 없다. 그 결과, 가공 동안 산화 및 증발로 손실되는 알루미늄이 더 적으며, 더 많은 알루미늄이 규소와의 합금에 이용가능하다.
다른 실시 형태에 있어서, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 방법은 회전 가마(rotary kiln)에서 실리카를 소정의 온도로 예열하는 단계, 알루미늄을 예열된 실리카에 첨가하여 알루미늄을 용융시키는 단계, 회전 가마에 불활성 분위기를 제공하는 단계, 및 회전 가마를 교반하여 알루미늄-규소 합금을 생성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 회전 가마는 단열 내화 재료를 포함하는 내부 라이닝을 포함한다. 일반적으로, 회전 가마는 약 0.1 내지 약 30 RPM, 약 3 내지 약 30 RPM, 또는 약 3 내지 약 15 RPM으로 회전한다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 시스템은, 예를 들어, 버너와 같은, 열원을 수용하도록 구성된 가마 개구(kiln opening)를 갖는 챔버를 포함하는 회전 가마를 포함한다. 열원은 회전 가마 내에 배치된 실리카를 예열하도록 작동될 수 있고, 회전 가마는 바람직하게는 알루미늄을 수용하는 입구를 포함하는데, 알루미늄은 주위 온도에서 첨가할 수 있거나 또는 노에서 예열하여 용융시킬 수 있다. 회전 가마는 실리카와 알루미늄을 교반 및 배합하여 알루미늄-규소 합금을 생성하기 위한 회전 구동 메커니즘을 포함한다.
일반적으로, 본 발명의 실시 형태를 실행하여 생성되는 알루미늄-규소 합금은 약 20 내지 약 55 중량%의 규소 및 약 80 내지 약 45 중량%의 알루미늄을 포함한다. 예를 들어, 일 실시 형태에 있어서, 생성되는 알루미늄-규소 합금은 약 50 중량%의 규소 및 약 50 중량%의 알루미늄을 포함한다.
이러한 및 추가적인 특징 및 이점이 하기의 상세한 설명, 첨부 도면, 및 첨부된 특허청구범위로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.
도면에 설명된 실시 형태는 사실상 설명적이고 예시적이며, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 예시적인 실시 형태의 하기 상세한 설명은 하기 도면과 함께 읽을 때 이해될 수 있다:
<도 1>
도 1은 본 명세서에서 제공된 하나 이상의 실시 형태에 따라 알루미늄-규소 합금을 생성하는 전형적인 방법의 개략 순서도.
<도 2>
도 2는 알루미늄-규소 합금을 생성하는 시스템의 일 실시 형태의 개략도.
본 발명의 실시 형태는 실리카의 알루미노테르밋 환원을 통해 알루미늄-규소 합금을 생성하는 방법 및 시스템을 제공한다. 전형적으로, 알루미늄-규소 합금은 약 20 내지 약 55 중량%의 규소 및 약 80 내지 약 45 중량%의 알루미늄을 포함한다. 예를 들어, 일 실시 형태에 있어서, 생성되는 알루미늄-규소 합금은 약 50 중량%의 규소 및 약 50 중량%의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄-규소 합금이라는 용어는, 붕소 및 인과 같은 오염물을 단지 미량으로만 함유하는 임의의 알루미늄-규소 합금을 가리킨다. 미량은 약 100 ppmw (part per million by weight) 미만으로 정의된다. 구체적으로, 본 발명의 실시 형태는 알루미늄의 더욱 효율적인 사용을 위해 회전 가마, 예열된 실리카, 및/또는 불활성 기체 분위기를 사용하여 공정 중 알루미늄의 손실이 더 적고 더 많은 알루미늄이 규소와의 합금에 이용가능한, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 방법 및 시스템을 제공한다.
게다가, 알루미노테르밋 반응에 의해 생성되는 부산물 슬래그(일반적으로 산화알루미늄)는, 일단 용융된 알루미늄-규소 합금이 태핑(tap)되어 배출되고 나면 반응기로부터 용이하게 제거될 수 있는 고체로서 형성된다. 개별적으로 또는 조합으로 취해지는, 이러한 방법 및 시스템은 알루미늄-규소 합금 생성의 전반적인 효율을 개선하고 가공 중에 손실되는 알루미늄의 양을 감소시킨다.
실리카는 하기 반응식에 따라 약 900℃ 초과의 온도에서의 알루미노테르밋 반응에서 알루미늄에 의해 환원될 수 있다:
[반응식 I]
4Al + 3SiO2 = 3Si + 2Al2O3
이어서, 실리카의 환원에 의해 생성된 규소를 알루미늄과 배합하여 약 20 내지 약 55 중량%의 규소 및 약 80 내지 약 45 중량%의 알루미늄을 포함하는 알루미늄-규소 합금을 생성할 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 알루미늄-규소 합금은 약 50 중량%의 알루미늄 및 약 50 중량%의 규소를 포함한다.
이제 도 1을 참조하면, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 전형적인 방법(10)이 도시되어 있다. 방법(10)은 단계(100)에서 실리카를 소정의 온도로 예열하는 것을 포함한다. 바람직하게는, 실리카는, 전형적으로 평균 직경이 약 1.0 내지 약 5.0 ㎜ 또는 약 2 내지 약 5 ㎜인, 작은 입자의 형태이다. 본 공정에 사용되는 실리카는 본 기술 분야에 잘 알려진 방법에 의해 생성될 수 있거나, 또는 구매될 수 있다. 실리카는 다양한 물리적 상태 또는 상(phase)의 실리카를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리카는 본 명세서에 기재된 바와 같이 예열되고 알루미늄과 혼합되어 알루미늄-규소 합금을 형성하도록 사용가능한, 모래, 파쇄 석영, 석영 미분, 건식 실리카, 또는 임의의 다른 상 또는 물리적 상태, 또는 임의의 그 조합을 포함할 수 있다.
단계(200)에서는 알루미늄을 용융시키기에 충분한 시간동안 알루미늄을 예열된 실리카와 배합한다. 상기에 기재된 바와 같이, 알루미늄을 예열된 실리카와 배합하기 전에, 알루미늄을 실리카 입자로 코팅할 수 있다. 알루미늄은 잉곳, 숏, 플레이트, 또는 펠렛을 포함하는 임의의 편리한 형태로 공급될 수 있다. 알루미늄은 사실상 순수할 수 있거나, 또는 예를 들어, 80 중량%의 알루미늄 및 20 중량%의 규소를 함유하는 합금과 같이 알루미늄-규소 합금의 형태일 수 있다. 일단 알루미늄이 용융되고 나면, 단계(300)에서는, 예를 들어, 회전 가마에서, 혼합물을 바람직하게는 교반하여 알루미늄-규소 합금을 생성한다. 상기한 바와 같이, 실리카의 온도는 첨가된 알루미늄이 용융되고 알루미노테르밋 반응이 일어나게 하는 온도이다. 대안적으로, 상기한 바와 같이, 예열된 실리카와 배합하기 전에 알루미늄을 또한 예열하여 용융시킬 수 있다. 실리카가 예열되는 것과 거의 동시에 용융된 알루미늄이 생성되도록, 두 공정이 사실상 동시에 일어날 수 있다. 대안적으로, 얻어지는 생성물이 배합에 적용가능한 상태로 유지되기만 한다면, 어느 하나의 공정이 다른 공정 전에 일어날 수 있다. 예를 들어, 실리카를 예열하는 것이 먼저 일어나는 경우, 예열된 실리카를 단열 하우징 내에 보관하여 열손실을 감소시키거나 최소화함으로써 그의 예열된 상태를 보존할 수 있다. 마찬가지로, 알루미늄을 용융시키는 것이 먼저 일어나는 경우, 얻어지는 용융된 알루미늄을 단열 하우징 내에 보관하여 열손실을 감소시키거나 최소화함으로써 그의 용융된 상태를 보존할 수 있다.
단계(100)에서 실리카를 예열하는 것은, 전형적으로 약 1000℃ 내지 약 1550℃, 약 1300℃ 내지 약 1400℃, 또는 약 1300℃의 범위일 소정의 온도로 실리카를 예열하는 것을 포함한다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 가열 온도는 방법(10) 전반에 걸쳐 다를 수 있거나 변동할 수 있다. 그러므로, 실리카를 약 1300℃의 온도로 예열한다고 언급되는 경우, 실제 온도는 변동할 수 있으며 상기 온도에서 항상 일정하게 유지되는 것은 아닐 수 있음을 이해하여야 한다.
일 실시 형태에 있어서, 실리카는 회전 가마에서 예열된다. 도 2에 개략적으로 예시된 바와 같이 가마(11)는, 대체로 수평인 구성으로 배향되며 외벽(12)을 갖는 대체로 원통형인 형상을 포함한다. 외벽(12)의 내부 라이닝은 단열 내화 재료(14)이다. 가마(11)는 또한 가마 개구(16), 및 가마 커버(18)를 포함한다. 예를 들어, 작동 시에, 실리카(15)가 가마 개구를 통해 가마 안에 로딩된다. 가마 개구는 또한, 예를 들어, 가스 공급원(22)이 제공된 가스 버너를 포함할 수 있는 버너(20)와 같은 열원을 수용하도록 구성된다. 버너를 사용하여 가마 내의 실리카를 원하는 소정의 온도로 가열한다. 일단 소정의 온도에 도달하면, 버너(20)를 꺼내고, 가마 커버(18)에 의해 가마 개구(16)를 닫는다. 일 실시 형태에 있어서, 소정의 온도에 도달한 후에, 주위 온도의 고체 알루미늄을 가마 개구(16)를 통해 첨가한다. 단열 내화 재료(14)는, 가마로부터의 열손실을 감소시키도록 사용가능하며 알루미늄-규소 합금 생성물을 오염시키지 않는 임의의 내온성 및 단열성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 내화 재료는 실리카-함유 알루미나, 흑연, 탄화규소 또는 질화규소를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 회전 가마(11)는 구동 모터(26)와 작동적으로 연결되는 기어(24)에 의해 구동된다.
도 1 및 도 2 둘 모두를 참조하면, 대안적으로, 방법(10)은 예열된 실리카와 배합하기 전에 알루미늄을 용융시켜 용융된 알루미늄을 생성하는 단계를 포함한다. 알루미늄은, 예를 들어, 유도로와 같은 노(28) 안에 수용될 수 있지만, 다른 유형의 노가 사용될 수 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 용융은 실리카의 예열 전, 후, 또는 중에 일어날 수 있다. 알루미늄은 약 660℃의 알루미늄의 공칭 용융 온도를 초과하여 가열되나, 종래 기술에서와 같이 과열되지는 않는다. 일 실시 형태에 있어서, 이는 알루미늄을 약 1000℃ 내지 약 1200℃, 약 1050℃ 내지 약 1150℃, 또는 약 1100℃의 온도로 가열하는 것을 포함한다. 알루미늄을 종래 기술의 공정보다 더 낮은 온도로 가열함으로써, 공정 중에 더 적은 알루미늄이 산화되고/되거나 증발되고 손실된다. 사용되는 더 낮은 온도는 알루미늄의 산화를 지연시킨다. 일 실시 형태에 있어서, 알루미늄은 유도로(28)에서 용융된다. 다른 실시 형태에 있어서, 전기 아크로 또는 가스로와 같은 임의의 다른 가열 장치가 사용될 수 있으나 이로 한정되지 않는다.
일 실시 형태에 있어서, 실리카를 예열하고, 알루미늄을 용융시켜 용융된 알루미늄을 생성한 후에, 예열된 실리카와 용융된 알루미늄을, 예를 들어, 회전 가마와 같은 반응기에서 배합한다. 일 실시 형태에 있어서, 반응기는 실리카가 예열되는 용기를 포함하여, 예열된 실리카를 옮기지 않은 채로, 용융된 알루미늄이 예열된 실리카에 직접 첨가된다. 예를 들어, 가마(11)에서 실리카를 예열하는 경우, 용융된 알루미늄을 도관(30)을 통해 가마에 첨가하여 알루미늄과 실리카를 혼합한다. 가마가 상기에 논의된 바와 같은 가마 개구(16)를 포함하는 경우, 가마 개구(16)를 통해 가마에 용융된 알루미늄을 첨가할 수 있으며, 이어서, 가마 개구를 가마 커버(18)로 닫아서 예열된 실리카 및 용융된 알루미늄의 열 손실 및/또는 재료 손실을 감소시킬 수 있다.
게다가, 임의의 적합한 수송 방법을 사용하여 예열된 실리카와 용융된 알루미늄을 배합할 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 단열된 수송 장치를 사용하여, 실리카가 예열된 곳으로 용융된 알루미늄을 옮길 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 용융된 알루미늄이 중력 및/또는 게이트의 개폐에 의해 유도되는 바와 같이 한 위치로부터 다른 위치로 유동하도록 채널들은 용융된 알루미늄을 수용하는 노 사이에 미리 배치될 수 있다. 실리카와 알루미늄을 배합할 때 실리카는 예열된 채로 유지되고 알루미늄은 용융된 채로 유지되도록 임의의 다른 대안적인 재배치 형태가 달리 사용될 수 있다.
방법(10)은, 예를 들어, 단계(300)에서 챔버를 회전시켜 예열된 실리카와 알루미늄의 혼합을 촉진함으로써, 가마(11)와 같은 반응기를, 내부적으로 또는 외부적으로, 교반하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 구체적으로, 챔버를 교반하는 것은 챔버가 예열된 실리카 및 알루미늄을 수용하는 동안 둘이 서로 완전히 혼합되도록 챔버를 회전시키는 것을 포함할 수 있다. 알루미늄이 고체로서 첨가되는 경우, 이러한 교반은 열전달을 증가시켜 알루미늄을 더 신속하게 용융시킨다. 일 실시 형태에 있어서, 회전은 챔버의 수평축에 대해 일어나서, 챔버의 하단부, 또는 바닥에 가장 가까운 부분이 챔버의 상단부, 또는 바닥으로부터 가장 먼 부분을 향해 회전한다. 다른 실시 형태 (도시하지 않음)에 있어서, 반응기는 반응기가 회전하는 동안 챔버 내에서 움직이는 교반기, 예를 들어 흑연 교반기를 내부에 포함하여 혼합을 추가로 촉진할 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 회전 가마(11)에서 실리카를 예열하는 경우, 반응기는 노(28)로부터의 용융된 알루미늄이 회전 가마에 직접 첨가되어 혼합을 촉진할 수 있도록 회전 가마를 포함할 수 있다.
단계(300)에서 (회전 가마의 회전과 같은) 반응기의 교반은 방법(10) 중 언제든지 시작될 수 있다. 예를 들어, 일 실시 형태에 있어서, 반응기는 실리카의 예열 후에, 그러나 실리카와 알루미늄을 배합하기 전에 교반될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 반응기는 예열된 실리카와 알루미늄을 배합한 후에 교반될 수 있다. 또 다른 실시 형태에 있어서, 반응기는 전체 방법(10)에 걸쳐 연속적으로 교반될 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 가마(11)는 예열된 실리카 및/또는 알루미늄의 전체 중량 및 원하는 교반 각도에 따라 좌우되는 다양한 속도로 회전시킬 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 가마는 약 0.1 RPM 내지 약 30 RPM, 약 3 RPM 내지 약 30 RPM, 또는 약 3 RPM 내지 약 15 RPM의 속도로 회전시킨다. 다른 실시 형태에 있어서, 가마의 회전 속도는 방법(10) 전반에 걸쳐 변동할 수 있다. 또 다른 실시 형태에 있어서, 회전에 의해 예열된 실리카와 알루미늄의 혼합이 촉진되도록 임의의 다른 속도로, 또는 임의의 다른 단계들 사이에 가마를 회전시킬 수 있다. 가마는 또한, 예열된 실리카와 알루미늄을 혼합하여 알루미늄의 용융을 야기하고 알루미늄-규소 합금을 생성하기에 충분한 시간동안 회전시킬 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 예열된 실리카 및 알루미늄을 배합하고 약 10분 내지 약 200분 동안, 약 20분 내지 약 150분 동안, 또는 약 30분 내지 약 120분 동안 가마(11) 내에서 회전시킨다. 예열된 실리카 및 알루미늄을 혼합하는 시간은 전체 배치(batch) 크기, 실리카 예열 온도, 알루미늄의 온도, 반응기로부터의 열손실율, 및/또는 반응기에서의 교반 각도에 따라 부분적으로 좌우된다.
다른 실시 형태에 있어서, 반응기에 불활성 분위기를 제공하여 반응기의 산소를 퍼징한다. 예를 들어, 분위기는 아르곤, 헬륨, 또는 임의의 그 조합, 또는 거의 또는 전혀 산소를 함유하지 않으며 실리카 및 알루미늄과 반응하지 않는 임의의 다른 분위기를 사실상 포함할 수 있다. 불활성 분위기는, 챔버 내의 예열된 실리카와 알루미늄의 연속 혼합을 가능하게 하는 임의의 이용가능한 방법을 통해 제공될 수 있다. 도 2에 예시된 일 실시 형태에 있어서, 가마(11)는 불활성 기체를 챔버 내로 펌핑할 수 있는 입구 포트(34)를 포함할 수 있다. 입구 포트와 함께, 챔버는 불활성 분위기가 연속적으로 제공되도록 가마 분위기의 플러싱(flushing)을 가능하게 하는 출구 포트(36)를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 반응기가 밀봉되고 있을 때 불활성 기체를 반응기 내로 펌핑하여, 반응기를 사실상 불활성인 분위기로 밀봉할 수 있다. 또 다른 실시 형태에 있어서, 다공성 플러그를 반응기의 벽에 배치하여 불활성 기체를 주입하는 데 사용할 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 다공성 플러그의 배치는 반응기에서의 예열된 실리카와 알루미늄 사이의 혼합을 추가로 촉진하는 부가적인 이점을 가질 수 있다. 예열된 실리카와 알루미늄을 혼합하는 동안 반응기 내의 분위기가 산소를 거의 또는 전혀 함유하지 않도록, 임의의 다른 방법이 대안적으로 사용될 수 있다. 반응기 내의 산소의 양을 최소화함으로써, 산화에 의해 손실되는 알루미늄 및 규소가 더 적어지고, 합금의 규소 함량이 증대된다.
예열된 실리카와 알루미늄 사이의 혼합의 결과로, 예열된 실리카가 반응식 I에 따라 규소로 환원된다. 규소는 알루미늄과 배합되어 알루미늄-규소 합금을 형성한다. 알루미늄-규소 합금과 함께, 부산물 슬래그가 또한 생성되는데, 부산물 슬래그는 전형적으로 SiO2 및 Al2O3을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시 형태에 의해 고려되는 작동 온도에서, 부산물 슬래그는 고체로 유지된다.
방법(10)은 또한 단계 400에서 알루미늄-규소 합금을 부산물 슬래그로부터 분리하는 것을 포함한다. 알루미늄-규소 합금을 분리하는 것은 다수의 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어,부산물 슬래그는 고체로서 유지되는 반면, 알루미늄-규소 합금은 용융된 액체이다. 반응기를 기울여서, 부산물 슬래그는 남겨둔 채로, 반응기로부터 알루미늄-규소 합금을 따라 낼 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 합금이 냉각되어 고형화되는 캐스팅(casting) 등으로 용융된 알루미늄-규소 합금을 배출하도록 탭 구멍(38)이 반응기에 제공될 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 용융된 알루미늄-규소 합금의 온도를 견디도록 구성된 스크린 또는 다공성 래들(porous ladle)을 사용하여 부산물 슬래그 및/또는 기타 오염물을 반응기로부터 제거할 수 있다. 알루미늄-규소 합금을 분리해 내기 위한 임의의 다른 대안적인 공정 또는 방법이 달리 사용될 수 있는데, 그러한 방법은 알루미늄-규소 합금을 부산물 슬래그 및 임의의 기타 첨가제 또는 미립자로부터 사실상 단리한다.
알루미늄을 가열하는 온도가 용융된 알루미늄을 제공하기 위해 종래 기술에서 사용되는 공정보다 더 낮도록 실리카를 예열함으로써 알루미늄-규소 합금이 생성된다는 것이 이제 이해될 것이다. 용융 및 가공 동안 알루미늄의 더 낮은 온도는 알루미늄의 임의의 산화적 및/또는 증기 손실을 감소시키는 역할을 한다. 부가적으로, 예열된 실리카와 알루미늄을 배합하는 데 사용되는 반응기는, 예를 들어, 회전에 의해서, 교반되어 둘 사이의 혼합을 촉진할 수 있다. 일 실시 형태에 있어서, 불활성 기체 분위기의 부가에 의한 산소의 퍼징은 합금 공정의 전반적인 효율을 개선하는 데 추가로 도움을 준다.
"구체적으로", "바람직하게는", "통상", 및 "전형적으로" 등과 같은 용어는 청구된 발명의 범주를 제한하기 위해서 또는 소정 특징이 청구된 발명의 구조 또는 기능에 결정적이거나, 필수적이거나 또는 심지어는 중요하다는 것을 의미하기 위해 본 명세서에 사용되는 것은 아님에 유의한다. 오히려, 이들 용어는 본 발명의 특정 실시 형태에 사용될 수 있거나 사용되지 않을 수 있는 대안적이거나 부가적인 특징을 단순히 강조하고자 하는 것이다. "사실상" 및 "약"과 같은 용어는 임의의 정량적인 비교, 값, 측정, 또는 기타 표시에 있다고 생각될 수 있는 고유한 정도의 불확실성을 나타내기 위해 본 명세서에 사용되는 것임에 또한 유의한다.
본 발명을 그의 구체적인 실시 형태를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 수정 및 변형이 가능하다는 것이 분명할 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 일부 태양이 바람직하거나 특히 유리한 것으로 본 명세서에서 확인되지만, 본 발명은 본 발명의 이러한 바람직한 태양에 반드시 제한되지는 않는 것으로 생각된다.

Claims (26)

  1. 실리카를 소정의 온도로 예열하는 단계와;
    알루미늄을 예열된 실리카와 배합하여 알루미늄을 용융시키고 알루미늄-규소 합금을 생성하는 단계를 포함하는, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 실리카는 약 1300℃ 내지 약 1400℃의 온도로 예열되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 실리카는 평균 직경이 약 1 내지 약 5 ㎜인 입자의 형태인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 알루미늄은 예열된 실리카와 배합되기 전에 약 1200℃ 이하의 온도로 예열되는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 알루미늄은 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 용융되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 알루미늄은 고체 잉곳(ingot), 숏(shot), 플레이트, 또는 펠렛의 형태인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 알루미늄은 예열된 실리카와 배합되기 전에 실리카 입자로 코팅되는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 실리카 입자는 액체 슬러리로서 알루미늄의 표면에 도포되고 건조되는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 알루미늄은 알루미늄-규소 합금인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 배합된 예열된 실리카와 알루미늄은 교반되는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 예열된 실리카 및 알루미늄은 회전 가마(rotary kiln)에서 배합되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회전 가마는 단열 내화 재료를 포함하는 내부 라이닝을 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 회전 가마는 약 0.1 RPM 내지 약 30 RPM으로 회전하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 회전 가마는 약 3 RPM 내지 약 30 RPM으로 회전하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 회전 가마는 약 3 RPM 내지 약 15 RPM으로 회전하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 회전 가마 내의 분위기를 불활성 기체로 퍼징하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 불활성 기체는 아르곤을 포함하는 방법.
  18. 회전 가마에서 실리카를 소정의 온도로 예열하는 단계;
    알루미늄을 예열된 실리카에 첨가하여 알루미늄을 용융시키는 단계;
    회전 가마에 불활성 분위기를 제공하는 단계; 및
    회전 가마를 교반하여 알루미늄-규소 합금을 생성하는 단계를 포함하는, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 실리카는 평균 직경이 약 1 내지 약 5 ㎜인 입자를 포함하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 실리카는 약 1300℃ 내지 약 1400℃의 온도로 예열되는 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 회전 가마는 단열 내화 재료를 포함하는 내부 라이닝을 포함하는 방법.
  22. 제18항에 있어서, 회전 가마는 약 0.1 RPM 내지 약 30 RPM으로 회전하는 방법.
  23. 회전 가마 내에 배치된 실리카를 예열하도록 작동될 수 있는 열원을 수용하도록 구성된 가마 개구를 갖는 챔버를 포함하고, 알루미늄을 수용하도록 구성된 입구, 예열된 실리카와 알루미늄을 교반 및 배합하여 알루미늄을 용융시키고 알루미늄-규소 합금을 생성하기 위한 회전 구동 메커니즘, 및 회전 가마로부터 알루미늄-규소 합금을 꺼내기 위한 출구를 추가로 포함하는 회전 가마를 포함하는, 알루미늄-규소 합금을 생성하는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 챔버의 내부 표면은 단열 내화 재료를 포함하는 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 회전 구동 메커니즘은 가마를 약 0.1 RPM 내지 약 30 RPM의 속도로 회전시키도록 작동될 수 있는 구동 모터 및 구동 기어를 포함하는 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 상기 열원은 버너를 포함하고, 회전 가마는 상기 개구용 가마 커버를 추가로 포함하고, 버너는 가마 개구를 통해 삽입되어 상기 가마 내에 배치된 실리카를 가열하고 개구로부터 꺼내지도록 구성되는 시스템.
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