KR930002529B1 - 마그네슘의 생산방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

마그네슘의 생산방법

제1도는 CaO-Al₂O₃-MgO상 다이어그램을 간단히 변형한 다이어그램이다.

제2-6도는 알루미나가 각각 35%, 30%, 25%, 20% 및 15% 수준인 CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO 상 다이어그램을 간단히 변형한 다이어그램이다.

본 발명은 마그네슘의 생산방법 관한 것이다.

마그네슘은 공업적인 전기분해 기술 및 건식야금(pyrometallurgy) 기술에 의해 생산되며 특히 대부분의 마그네슘은 전기 분해 기술로 생산된다. 건식야금 기술을 더 세분하면 고온에서 탄소로 마그네시아를 환원시켜 마그네슘을 생산하는 카보써믹(carbothermic) 환원 기법과 메틸로써믹(metallothrmic) 환원기법으로 나눌수 있다. 본 발명에서 고찰하는 메탈로써믹 기술은 금속을 사용하여(본문에서는 실리콘을 포함한) MgO를 환원시키는 것이다. 환원용 금속으로 알루미늄, 칼슘 또는 이들의 합금을 사용할 수도 있지만 일반적으로 실리콘(ferrosilicon 형태로 제공되는)을 사용하는 것이 경제적이다.

미세하게 부순 실리콘 또는 페로실리콘을 다른 금속에서부터 나온(예컨대, 크로뮴)산소로 산화시켜 화학적 환원을 시키로 열을 발생하게하는 실리코써믹(silicothermic) 환원반응으로 MgO을 환원시키는 것을 포함하는 마그네썸(magnetherm) 공정이 세계 마그네슘 생산량의 약 20%를 차지하고 나머지 80%는 전기분해 기술로 만든다. 보다 구체적으로 마그네썸 공정은 다음과 같은 반응식에 따라 용융된 광재(slag) 용기로부터 하소된(calcined) 돌러마이트 형태의 MgO를 실리코써믹 환원시키는 것을 포함한다.

2CaOMgO+ (xFe) Si+nAl₂O₃→2CaOSiO₂.nAl₂O₃+2Mg+xFe

그러나 이 공정은 다음과 같은 단점이 있다.

이 반응은 만들어진 광재내에 있는 환성이 적은 실리카에 의해 또 0.05atm의 감압상태에서 조작됨에 의해 촉진된다. 광재의 조성은 CaO 55%, SiO₂25%, Al₂O₃l4% 및 MgO 6%(모두 중량%)이거나 또는 이에 근사하고 반응은 1550℃에서 일어난다.

광재의 조성을 조심스럽게 조정하는 것이 중요하다. 조작 온도인 1550℃에서 마그네썸 광재 시스템은 완전히 용융되지 않으며 디칼슘 실리케이트(2CaO.SiO₂) 인 고체 40%을 함유한다(Christini, R.A."Equilibria Among Metal, Slag, and Gas Phases in the Magnetherm Process "Light Metals, New York,1980,pp 981-995). 공정을 성공적으로 조작하는 것은 완전한 액체성분이 CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO 4성분 시스템에서의 디칼슘 실리케이트와 페러클라스(periclase, MgO)의 경계에 위치하는 조성을 유지하는데 달려있다. 그러므로 액체 성분은 MgO 9.e.에 대해 포화되며 1 이나 또는 1에 근사한 MgO의 열역학적 활동도를 갖는다.

그러므로 이 공정의 기본적인 목적은 광재의 조성을 거의 일정하게 유지하는 것이다. 돌러마이트를 사용하면 광재의 CaO ; SiO₂의 비율을 2정도 되도록 유지할 수 있게되는데 이는 환원반응에 의해 SiO₂가 생성되기 때문이다,

보통 부가되는 Al₂O₃는 또한 페러클라스 경계에 있는 액체 광재 성분의 조성을 유지하는데 필요하다. 공개 된 자료들은(Faure, C and Marchal, J''Magnesium By the Magnetherm Process"Journal of Metals, Sept, 1964, pp 721-723), 대략 동량의 페로실리콘과 보오크사이트를 부가하는 것을 제안하였다.

본 발명에서 이 공정은 윗쪽이(물로 냉각되는)구리 전극으로된 아크로(arc furnace)에서 실행된다. 두번째 전극 용광로의 탄소 바닥(carbon herth)에 만들어진다. 용융된 광재내에서 열이 발생되며 대류에 의해 광재의 표면(환원이 일어나는)으로 전달된다. 표면에서는 흡열하는 환원반응으로 인해 에너지가 소모되며 원료 물질(광재용 부가제를 포함하는)을 반응온도까지 가열한다.

처음에 페로실리콘 조각들은 가스(Mg)의 방출, 광재 용기내에서의 대류 및 계면장력등에 의해 바쳐지는 결합된 힘에 의해 광재 표면에 떠받쳐지게 될 것이다. 그러나 Si가 점차 소모됨에 따라 광재와 FeSi 사이의 밀도차이가 심하게 될것이며 광재를 통해 그속으로 금속이 스며들음에 따라 FeSi 와 용해된 MgO 사이의 연속한 반응이 점차 열역학적으로 덜 좋아지는데 이는 광재에 의해 압력이 증가되기 때문이다.

( )-광재에 용해되어 있는 물질

-금속에 용해되어 있는 물질

이 반응의 자유에너지의 변환은 원하는 방향으로 반응이 진행되기 위해서는 -값을 가져야만 하며 이는 다음과 같은 식으로 나타낸다.

1550℃에서 △G는

이고 조성이 조정되어 고정된 마그네썸 광재 시스템의 경우 a_sio2와 a_MgO는 각각 0.001과 1이다.

이 공정은 0.05 기압하에서 조작된다. 따라서 실리콘의 평형 활동도(AG=0)는 0.011이다.

Fe-Si 이성분계 시스템의 기본적인 데이타로부터(Chart, TG"A Critical Assessment of the Thermodyrnamic Properties of the syrstem Iron-Silicon"High Temperature High Pressures 1970 Vol 2pp 461-470)

그러므로, 마그네썸이 우세한 조건하에서, 우리는 반응이 평형상태에 도달한후에 페로실리콘내에 잔류하는 Si가 15% 정도가 된다는 것을 예측할 수 있다. 실제 데이타는 잔여물내에 Si가 20% 존재하는 것으로 나타났다. 계산상의 오차가 생기는 것은 기본적인 열역학 데이타, 특히 마그네썸 출판물(Christini, R. A.1occit)로 부터 계산한 광재 부가물에 대한 데이타가 부정학하기 때문일 것이다. 그러나 평형이 이루어지지 못했다고 추측하는 것은 합리적이지 못하다.

공정이 조작되는 때의 압력 문제로 되돌아가서, 평형상수 K는

광재의 조성과 온도가 일정한 경우 a(SiO₂)와 a(MgO)²은 고정된다.

따라서, 어떻게하던 압력을 높게하여 조작하려고 하면 a_si가 증가하게 될 것이다. 따라서 Si를 사용하는 효과는 감소될 것이다.

Si를 효과적으로 사용하기 위해 낮은 압력에서 조작을 하려는 것이 공정의 주된 단점이다. 높은 온도에서 0.05 기압정도의 진공상태를 유지하는 것은 기술적으로 어려운 일이다. 이 시스템내로 공기를 주입하는 것이 보고되었는데(Flemings, M. C. 외 1oc cit) 그렇게하면 생산된 마그네슘의 약 20%를 잃게된다. 감압조건을 만들면 공정을 회분식(batch)공정으로 실행할 수 있고, 용광로를 막고 응축된 마그네슘을 회수하고응축기 시스템에서 MgO와 Mg₃N₂를 빼내기 위해서는 매일 장치의 비가동시간이 12-l5%가 되어야한다.

이러한 많은 문제점들은 고온에서 조작을 하면 해결될 수 있다.

현존하는 변형된 형태의 마스네썸 공정에서는 온도가 높게 올라가고 그래서 마그네슘의 압력이 높아지게되는 것은 탄소로 광재 MgO를 카보써믹 환원시키므로서 막을 수 있다. 이 탄소는 페로실리콘내의 용해된 탄소 형태로 존재할 뿐만 아니라 전극과 반응기 내부의 안쪽에 칠해져 있는 상태로 존재한다.

전체 압력이 1기압일때 반응

(MgO) +c=Mg(_g) +CO(_g)

은 기체온도를 1780℃이상으로 유지시키지 않는다면 역방향으로 일어난다.

따라서 부반응(side reaction)으로 생겨난 CO는 Mg(_g) 생성물을 부분적으로 다시 산화시키게 될 것이다. 프랑스공화국 출원 제 2590593(광업기술에 대한 보고)에서는 전달식 아크(arc) 열 플래즈마를 이용하여 반응 구역의 표면을 직접 가열하는 개선된 마그네썸 공정이 기재되어 있다. 반응 구역에서의 바람직한 온도는 1950°K(1677℃)라고 기재되어있으며 구체적으로 기재된 공급원료는 표준 마그네썸 공정용 원료로서 이 프랑스공화국 명세서의 공정용 광재 조성과 본래의 마그네썸 공정의 조성을 직접 비교할 수 있다. 그러나, 프랑스공화국 츨원 제 2590593호에 기재된 바와 같은 보다 높은 공정온도에서는 광재의 액체 성분이 더 이상디칼슘 실리케이트 상 경계면에 위치하는 조성을 갖지 못하게 될 것이며 실제적으로 상(phase) 다이어그램의 디칼슘 실리케이트 구역내에 있는 조성을 갖게 될 것이다. 따라서, MgO의 활동도는 1 보다 작게되어 그결과로서 실리콘 환원제외 효용이 떨어지게 되는데 그 이유는 평형상수 K에 대한 상기한 식으로부터 a_MgO가 1 아래로 감소되게 되면 광재의 조성과 온도가 어떻게 되던지간에 a_si증가하게 되기 때문이다.

프랑스공화국 출원 제 2590539호는 Al₂O₃를 부가하는 것을 줄이거나 또는 없애는 것을 제안하였지만 이것은 높은 a_MgO를 유지하기 위해 마그네썸 공정에 필요하고 제 2590593호에서 제안한 바와같이 전기 저항력과 점도를 번형시키지 못하기 때문에 실제적이지 못하다.

이와같이 상술한 단점들을 완화시키거나 게거하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명은 MgO, Al₂O₃와 CaO로 이루어진 용융된 광재가 들어있는 용기내에서 환원된 금속에서부터 나온 산화물을 이들과 반응시키고 MgO 또는 MgO를 함유하는 공급용 재료와 환원용 금속을 용기에 부가한뒤 용융된 광재의 표면을 직접가열하는 것으로 구성된 MgO의 메탈로써믹 환원반응을 이용한 마그네슘의 생산방법을 제공하는데, 이것은 최소한 환원반응의 제1단계 동안에 표면에서의 액와온도(liquidus Temp)를 일정하게 유지하면서 용융된 광재의 조성이 상 다이어그램에서의 페러클라스 구역내에 있으며, 광재의 표면을 직접 가열시키거나 또는 액화 온도에 가깝게 만드는 것을 특징으로 한다.

공급물질에 하소된 돌러마이트를 부분적으로 부가하는 것이 바람직하다. 환원용 금속이 실리콘(예컨대, 페로실리콘)인 것이 또한 바람직하다. 칼슘, 알루미늄 또는 이들의 합금을 환원용 금속으로 사용할 수도 있지만 경제적인 문제에 있어 바람직하지 못하다.

따라서, 환원 과정의 제1단계에서는 다음과 같은 조건들이 만족스럽다.

(i) 용융된 광재가 상 다이어그램의 페러클라스 구역내에 존재하는 조성을 갖고;

(ii) 광재의 조성을 조절하여 거의 일정한 액화 온도를 갖게하고(1700-2100℃가 좋고 1800-2000℃가 더 좋으며, 특히 1900-1950℃가 바람직하다);

(iii) 광재의 표면이 액화 온도를 유지한다.

상 다이어그램에서 페러클라스 구역이란 냉각시 침전되는 첫번째 고체가 MgO인 용융된 상을 의미하는 것이다.

액화 온도란 용융된 광재를 냉각시킴에 따라 처음으로 고체(이 경우에는 MgO)가 나타나기 시작하는 온도이다. 환원반응의 제1단계에서 광재 조성은 추출의 진척정도에 따라서 달라질 수 있지만 이것을 잘 조정하므로서 광재의 조성이 상 다이어그램의 페러클라스 구역내에 있게하고 거의 일정한 액화 온도를 갖게한다. 환원반응이 일어나는 광재의 표면을 직접가열하여 액화온도에 가능한한 근접되도록 유지시킨다. 이 표면에서의 MgO의 활동도(즉, a_MgO)는 반응의 제1단계 동안에 걸쳐 1 또는 1에 근사하고 따라서 표면은 MgO로 포화되게 된다. 값이 a_MgO값이 1이면 금속 환원제외 효율을 최적화할 수 있다. 표면을 액화온도보다 높게 가연하면 이 구역은 더이상 MgO로 포화되지 않는다. 광재의 표면 바로 밑의 온도는 광재 용기내의 온도구배때문에 액화온도보다 낮을 것이다.

실제로 이러한 온도구배가 생기면 용융물내에서 MgO가 약간 고화되고 MgO가 부족해진 용융된 광재의 액화온도가 부분적, 지역적으로 달라지게 된다.

그럼에도 불구하고, 완전하게 용융될 광재의 표면은 환원반응의 제1단계 동안에 걸쳐 거의 일정한 액화온도를 가질 것이다. 물론 거의 일정하다는 액화 온도는 정확히 일정하게 유지한다는 의미는 아니며 단지 실질적인 한계, 즉 ±50℃내에서 가능한한 일정하다는 뜻이다. 이와 유사하게, 광재의 표면 온도도 액화 온도에 가능한한 근접한 온도로 유지되어야한다.

액화 온도 또는 액화 온도에 근사한 온도로 유지하는 표면의 깊이는 가능한한 깊어야하나 용융물의 표면을 직접가열하기 위해 사용된 수단 및 용광로를 냉각시키기 위해 사용된 수단같은 인자들에 의해 달라질 것이다.

예컨대, 공기냉각법을 사용하면 둘을 사용한 냉각법, 기타 이와비슷한 모든 방법에서 보다 액화온도를 유지하는 표면으로부터의 깊이가 보다 깊어질 것이라고 예측된다.

광재의 표면의 일정한 액화온도가 1800-2000℃인 것이 바람직하며 1900-1950℃사이가 보다 바람직하다. 이러한 온도를 이용하면 본 발명의 확실한 장점인 대기압하에서 환원시킬 수 있게 된다. 이보다 낮은 온도에서는, 반응의 열역학적인 추진력이 대기압 상태에서는 매우 낮게 되어 실리콘(또는 다른 금속환원제)의 효율이 낮아지게 되는 반면에 2000℃보다 높은 온도에서는 이 공정을 수행하기 어려워지는데 이는 특히, 다른 원소들이 반응에 참여하기 때문이다.

액화 온도를 거의 일정하게 하기 위한 한 방법은 다음과 같이 정의된 거의 일정한"초과 기준(excess-base)"을 유지하는 것과 같은 방법으로 광재의 조성을 변화시키는 방법이 있다.

식중, n은 적당한 산화물의 몰수(이는 각 산화물에 대해 다른 값을 갖는다)이는 제1-6도에 재작성한 부록한 상 다이어그램을 참조하면 알수 있을 것이다.

상술한 바와같이 실행되는 마그네썸 공정과 대조하여 볼때, 광재의 조성이 2CaO.SiO₂-페러클라스 상 경제선위에 놓여있도록 유지하기보다는 시스템의 페러클라스 구역의 경계선 안쪽에 놓여있도록(그렇지만 일정한 액화 온도를 유지하는)조성을 유지하는 것이 확실히 쉽다.

더우기, 페러클라스 구역내에 있는 광재의 액화 온도가 더 높다는 것은(2CaO.SiO₂-페러클라스 상 경계에 있는 것과 비교해볼때) 전기한 마그네썸 공정에서 보다 높은 반응온도를 사용해야 한다는 의미이며 따라서 마그네슘의 생산이 좋아지게 된다.

어떻게 조작해야 할 것인가 하는 상기의 조건(i)-(iii)은 "최소한 반응의 제1단계에서"라고 약정되었다. 사실상 이러한 조건을 반응 공정에 걸쳐 계속 유지할 수 있다. 그러나, 본 발명의 또 다른 구체예에서는 반응의 처음에서 부터 미리 정해놓은 시간까지 계속 연장시킬 수 있으며 반응매개변수들을 조정하므로서 광재의 조성을 1CaO.SiO₂-페러클라스 경계쪽으로 이동시킬 수 있는데 이는 광재 표면에서는 더이상 일정한 액화온도를 유지할 수 없다는 의미이다. 환원 반응의 "제2단계"에서는 광재의 조성을 일정한 CaO:Al₂O₃질량비의 선(line)을 따라서 2CaO.SiO₂페러클라스 상 경계쪽으로 이동시키기 위해 변화시킬 수 있다. MgO 공급재료를 광재에 불연속적으로 부가하므로서 이러한 변화를 일으킬 수 있다. 한정된 경우이지만 상기한 상 경계선에 도달할때까지 반응의 제2부분을 계속할 수 있다. 광재의 조성이 상 경계선 쪽으로 이동할때 공정온도가 점차적으로 감소되지 않고 사용된 금속 환원제(예컨대 Si)의 효율이 감소되지 않는다면 MgO 활도도(a_MgO)는 점차 1 보다 작게된다. 그러나 효과적으로 환원되는데 사용되는 Mg의 수율은 증가된다(다음에 예시할 것과 같이). 따라서, 실행될 반응의 제2단계의 한계는(적어도 있다면)경제적인 면을 고려해야 할 문제이다.

광재의 표면을 직접 가열하는데 플래즈마 또는 DC-arc 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 가열시스템을 이용하면 표준 마그네썸 공정에 사용된 것과 같은 잠겨있는 탄소 전극을 사용할 필요성이 없어질뿐만 아니라 반응을 실행하는데 필요한 비교적 높은 온도를 쉽게 제공할 수 있다. 만일 프랑스공화국 출원제 2590593호에서 제안된 온도보다 높은 바람직한 온도범위에서 조작한다면 탄소 어노드를 제거하는 것이필요한데 그 이유는 원하지않는 CO의 생성을 막는 것을 도울 수 있기 때문이다. 결과적으로 원하지 않는 일산화탄소가 생성되는 것을(마그네슘의↔재산화"에 의한 결과로서)피할 수 있다. 탄소를 함유하는 불순물들에 의해 만들어지는 모든 CO는 arc 가스에 의해 크게 희석될 것이며 Mg의 반응 정도는 적당한 수준까지 감소될 것이다. 이렇게 되면 대기압하에서 공정을 조작할 수 있게되며 최소한 부분적으로 수율이 증가되는데 이는 마그네썸 공정에 사용된 것과 비교해볼때 보다 높은 온도에서 표면을 조절하는 것에 대해 반응이 싸이클을 멈추지 않고도 광재를 빼낼 수 있을 것이다. 전체 주기 시간(cycle time)은 마그네썸 공정에서 보다 확실히 길것이다.

플라스마 또는 D.C arc 시스템의 또다른 상점은 가스로부니 광재표면까지 직접 힘(power)을 전달 할 수 있다는 것이다. 이에 더하여, 반응에 사용하기 위한 공급원료는 플래스마(또는 arc)내에서 표면 온도가 높게 미리 예열될 수 있으며 빠르게 반응하여 평형에 다달은다.

앞서 지적했듯히 용융물의 표면은 플래즈마 또는 D.C arc로 가열하는 것이 바람직하다.

플래즈마 토치(torch)가 사용되는 플래즈마 반응기는 일반적으로 전달 또는 비-전달식 arc 시스템으로 분류된다. 플래즈마는 속이 빈 흑연 전극을 사용하여 생산될 수도 있다. 이들 시스템 모두는 흑연전극을 담궈야할 필요가 없는 공정에 적당하다.

비-전달식 arc 플래즈마 토치는 한 단위내에 있는 두개의 전극을 함유한다. 토치는 용융물 위에 위치하며 일반적으로 루프(roof) 또는 벽면을 통해 용광로로 주입된다. 가스 소모량은 전달식 arc 시스템보다 크다. 가스 흐름이 커지게되면 용융물 쪽으로 흘러들어가는 부분적으로 이온화된 가스 불꽃을 만들게 된다.

전달식 arc 시스템에서, 어노드는 용광로의 밑바닥에 있다. 플래즈마 불꽃의 주된 추진력은 더이상 가스속도가 아니라 두 전극간의 전기장이다. 가스 소모량은 N.T.A 시스템보다는 적다. 어노드는 대개 흑연이지만 용광로의 내화성 피막 사이에 금속 막대 또는 판일 수 있다.

이러한 조작 헝태는 D.C 아크로에 사용된다.

다른한편으로 어노드는 용융물위에 놓여 용광로의 측면을 감싸는 고리를 만들 수 있다.

교류 플래즈마 토치를 파일롯트 스케일로 예비 시험하였다. 왕복전극을 사용할 필요가 없다. 전력 수준은 이미 제안된 공정에 적당하다.

확대된 arc 용광로는 "가상의"플래즈마 용광로이다. 기본적으로 이들은 용융물위에 놓여있는 속이빈 형태의 전극을 통해 가스가 불어넣어지는 변형된 아크로이다.

D.C 아크로는 전달식 arc 플래즈마 시스템과 유사하지만 캐소는 플래즈마 가스가 취입되는 중공형 흑연전극으로 이루어진다. 공급원료를 전극을 통해 채울수도 있다. 왕복 전극은 용광로의 바닥에 있는 내화성 벽돌들 사이에 위치한 금속판으로 이루어진다.

본 발명은 다음에 부록된 도면에 의해 보다 구체적으로 예시되며 제2-6도에서의 2CaO.SiO₂-페러클라스 상 경계선은 실선으로 나타내었다.

[실시예 1]

본 실시예의 목적은 상 다이어그램의 페러클라스 구역내의 조성을 가지며 전체 반응을 통해 광재의 표면의 액화온도가 약 1950℃인 MgO, CaO 및 Al₂O₃로 구성된 광재를 이용하여 하소된 돌러마이트로부터 마그네슘을 생산하는 방법을 예시하기 위한 것이다. 이 공정의 공급 재료는 MgO 47%와 CaO 53%를 함유하는 하소된 돌러마이트라고 정했다. 다음과 같이 MgO를 더 부가한다.

환원용 금속은 실리콘이다(페로실리콘으로 준비된). 광재의 표면을 액화 온도로 유지하는 플래즈마를 사용하여 환원시키는데 필요한 열을 공급한다.

MgO, CaO 및 Al₂O₃로 구성된 광재의 액화 온도는 약 1900℃였다.

제1도(MgO-CaO-Al₂O₃의 상 다이어그램)에서 광재가 다이어그램에서 X로 표시한 것과 같이 , MgO 25%, CaO 33% 및 Al₂O₃42%로 구성된 것을 볼수 있다.

적당한 광재는 쉽게 만들수 있으며 적당한 용광로, 즉 탄소가 발라져 있지 않은 용광로내에서 용융된다. 전체 환원 반응식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

마그네슘 1kg이 생성되면 SiO₂1.24kg이 얻어지고 MgO 1.65kg이 소모될 것이다.

1.65kg의 MgO가 들어있는 광재에 일정량의 돌러마이트를 부가하면 용융물로 CaO 1.86kg이 삽입될 것이다. 하소된 돌러마이트를 간단히 부가하면 광재의 액화온도가 변하게 된다. 다음과 같은 예비시험을 하는것과 같이 적당량의 MgO를 부가하는 것은(돌러마이트에 의해 만들어진 양에 더하여)액화온도를 거의 일정하게 유지하기 위해서이다.

50kg의 MgO(25%), 66kg의 CaO(33%)와 84kg의 Al₂O₃(42%)로 구성된 용융된 광재 200kg을 가지고 공정을 개시한다고 하자. 마그네슘 10kg을 생산하기위해 하소된 돌러마이트 351kg과(16.5kg의 MgO와 18.6kg의 CaO로 구성된) 10kg의 MgO을 더 부가한다고 가정한다.

마그네슘을 10kg 생산할때마다 12.4kg의 SiO₂가 만들어지고 16,5kg의 MgO가 소모된다.

따라서 10kg의 마그네슘을 생산한후에 광재는 다음과 같이 구성된다(앞서 언급한 부가를 하고난 후에).

MgO = 60kg (i. e. 50 -16.5 +16.5 +10)

CaO = 84.6kg (i. e. 66 +18.6)Al₂O₃= 84kg

SiO₂= 12.4kg

총=241kg

마그네슘을 계속 추출하면 광재의 조성은 다음과 같이 변할 것이다.

10kg의 마그네슘이 추출되었을때의 광재의 조성을 생각해보자.

광재에는 MgO 24.9%, CaO 35.1%, Al₂O₃34.8%와 SiO₂5.1%가 함유되어 있다. 제2도를 참조하면(Al₂O₃가 35%일때의 MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂시스템의 상 다이어그램)이 광재는 대략 1950℃정도의 액화 온도를 갖는다.

20kg, 30kg, 50kg, 90kg의 마그네슘을 추출해낸후의 광재의 액화온도는 각각 제3,4,5 및 6도로부터 알 수 있다(이들 도면은 Al₂O₃수준이 30%, 25%, 20% 및 15% 일때의 MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂시스템의 상 다이어그램이다). 이들의 액화 온도는 대략 모두 1950℃ 정도로 나타날 것이다. 게다가 모든 광재 조성은 상 다이어그램의 페러클라스 구역내에 있다.

광재의 액화 온도는 약 1950℃로 일정하다. 따라서 우리가 액화온도가 약 1950℃인 광재의 표면에서 반응이 일어난다고 가정하면 우리는 마그네시아의 활동도가 일정하게 1이라고 생각할 수 있다. CaO와 Al₂O₃의활동도도 공개된 데이타로부터 측정할 수 있다.

다음과 같은 반응을 생각하여보자.

Pmg=1이고 a_MgO=1인 공정조건을 가정해보자.

a_sio2값은 무시할만한 수준에서부터 마그네썸 광재에 대해 평가했던 0.001까지 점착적으로 증가할 것이다. 이러한 평가는 공정의 최종 단계와 2173K(1900℃)에서의 반응에 대해 잔유하는 페로실리콘내에서의 a_si를 계산할 수 있게 한다. a_si(잔여)는 공정에서 상상할 수 있는 상단의 SiO₂성분에 대해 0.02로 예상할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이는 잔유물내에 있는 Si 16wt%에 상응한다. 공정의 초기단계에서 광재내의 SiO₂의 활동도가 낮기 때문에 Si의 효율이 높을수 있는 것이다.

전체적인 효과는 공정내에 존재하는 것과 비교해볼때 사용한 페로실리콘내에 실리콘 함량이 현저히 줄어들게 되는 것이다.

만일 100kg의 Mg가 생산되었을때 광재를 빼낸다면 610kg의 광재를 처리한 것이 될 것이다. 이는 마그네썸 공정의 상대적인 양과 비교해 볼만하다.

[실시예 2]

본 실시예는 반응의 제1단계동안 광재의 표면의 온도를 액화 온도로 일정하게 유지시키는 공정을 예시하기 위한 것으로 광재의 조성을 2CaO SiO₂페러클라스 상 경계선쪽으로 이동시키기 위해 반응의 제2단계에서의 반응 매개 변수들을 조작하였다.

MgO 55kg(26.8%), CaO 66kg(32%) 와 Al₂O₃84kg(41%)으로 구성된 용융된 광재 205kg으로 공정을 개시한다. 이 경우에 마그네시아와 또는 돌러마이트를 부가하여 생산된 마그네슘 10kg마다 총 26.5kg의 MgO(부가량의 47%)와 29.8%의 CaO(부가량 53%)를 부가하였다.

따라서 생산된 마그네슘 10kg마다 광재는 MgO 10kg, SiO₂12.5kg, CaO 29.8kg이 증가하였다. 마그네슘을 연속적으로 추출함에 따라서 광재의 조성은 다음과 같이 변하였다(wt%):

이 경우 제1-6도로부터 알수 있듯이 대략 1950℃에서 거의 일정한 액화온도를 유지하였다. 다시한번 마그네슘을 생산하기 위해 처리된 광재의 비율은 마그네썸과 비교할만하다. 다음과 같은 방법을 적용하면 마그네슘의 수율이 증가될 수 있다. 본 실시예에 따라 150kg의 Mg를 생산한후에 얻어진 광재 조성을 생각해 보자. 만일 실리콘을 함유하는 환원제만을 공급하여 CaO : Al₂O₃의 질량비를 일정하게 유지한다면 광재의 조성은 다음과 같이 변할 것이다:

광재를 1kg 처리할때마다 생산된 마그네슘의 수율(kg)이 확실히 증가하였다. 마그네시아의 활동도를 높은 사태로 유지하기 위해 약 1950℃-약 1700℃까지 온도를 점차적으로 내리는 것이 필요하다는 것을 주지해야만 한다. 이로인해 수반되는 불리한 조건은 점차적으로 온도가 낮아짐에 따라 잔류 환원제인 실리콘의 함량이 점차 증가된다는 것이다. 그럼에도 불구하고 최종 온도 및 조성에 관한 상태가 프랑스공화국 출원 제2590593호에서 제안한 것과 비교할만하기 때문에 실리콘이 소모되는 총 효율은 어느 다른 공정보다 여전히 높다.

이러한 임의의 제2단계의 필요성은 공정의 경제성에 따라서 달라질 것이다. 마그네슘의 수율이 보다 큰 잇점은 실리콘을 적게 사용한다는 것으로 상쇄되며 아마도 이들 둘을 절충하면 최적의 상황은 이룰 수 있을 것이다.

Claims (14)

1. MgO, Al₂O₃및 CaO로 구성된 용융된 광재를 환원용 금속에서부터 만들어진 산화물과 함께 용기내에서 반응시키고, 이 용기내에 MgO 또는 MgO가 함유된 공급물과 환원용 금속을 부가하고, 용융된 광재의 표면을 직접 가열하고, 조성이 최소한 표면위에서의 액화온도(liquidus temp)가 거의 일정한 상 다이어그램의 페러클라스(MgO 천연마그네슘)구역내에 완전히 들어가도록 용융된 광재의 조성을 제어하고, 광재의 표면의 온도가 최소한 액화온도와 거의 같게 되도록 직접 가열하므로서 광재 표면의 온도를 유지시키는 단계로 구성된 MgO를 메탈로써믹(metallothermic) 환원시켜 마그네슘을 생산하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 환원용금속이 실리콘인 방법.
3. 제2항에 있어서, 페로실리콘 형태의 실리콘을 용융된 광재에 부가하는 방법.
4. 제1항에 있어서, MgO를 함유하는 공급재료로서 하소된 돌러마이트를 부가하는 단계로 구성된 방법.
5. 제4항에 있어서, 산화 마그네슘을 추가하여 부가하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 거의 일정한 액화 온도가 1800℃-2000℃ 사이인 방법.
7. 제6항에 있어서, 거의 일정한 액화 온도가 1900℃-1950℃ 사이인 방법.
8. 제1항에 있어서, 2CaO.SiO₂-페러클라스 상 경계선으르 접근시키기 위해 광재의 조성을 변화시키는 것으로 이루어진 방법.
9. 제8항에 있어서, CaO : Al₂O₃의 질량비를 일정하게 유지시키는 단계로 구성된 방법.
10. 제8항에 있어서, 환원반응 동안에 MgO 또는 MgO를 함유하는 물질을 부가하지 않는 방법.
11. 제1항에 있어서, 플래즈마 또는 DC-arc를 사용하여 광재의 표면을 직접 가열하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 광재의 부가되는 공급물질 arc 또는 플래스마내에서 예열시킨 방법.
13. 제11항에 있어서, 플래즈마 토치로 직접가열하고 왕복 전극이 금속성인 방법.
14. 제1항에 있어서, 환원반응이 대기압하에서 수행되는 방법.

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