KR950008373B1 - 용융 알루미늄을 보유하고 정련하기 위한 개선된 용기 - Google Patents

용융 알루미늄을 보유하고 정련하기 위한 개선된 용기 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

용융 알루미늄을 보유하고 정련하기 위한 개선된 용기
본 발명은 알루미늄을 보유(holding)하고 정련하기 위한 용기에 관한 것이며, 보다 상세하게 설명하면 개선된 내화성 절연재료를 혼입시킨 용기에 관한 것이다.
알루미늄을 정련함에 있어서, 정련용기로서 외부에 가열되는 내화성 재료로 라이닝된 주철통은 사용이 제한되고 거의 수명을 예측할 수 없다는 단점이 발견된다. 이러한 바람직하지 않은 조건은 균열, 팽창, 염화물 부식 또는 침식으로부터 발생된다. 이외에도, 이러한 주철통과 관련한 설계적 제한은 이러한 배치에서 세척이 곤란하여 실제 산업적으로 사용하는데 있어서는 단점이 발생한다는 것이다.
이러한 단점을 해결하기 위한 노력으로, 정련용기 커버에 연결된, 내부 나선형 저항 가열체가 갖춰진 실리콘 카바이드 관과 같은 수직관형 함침 가열기가 갖추어진 내화성 재료로 라이닝된 용기로 구성된 정련시스템일 고안되었다. 이러한 방법에 있어서, 가열기는 제한된 수명을 갖는 것으로 발견되었고, 실제로 교체하기가 매우 어렵다. 실리콘 카바이드 관의 파손때문에 전열기가 손상되었을때, 파손된 관의 파편은, 용기내의 용융 알루미늄내로 기체를 주입하기 위해 사용되는 스피닝(spinning)노즐을 종종 파손시킨다. 그밖에 이러한 시스템은, 인접한 가열기관사이 및 가열기관과 용기벽사이에서의 많은 리세스(recess)때문에 불순물이 축적되고 통상적인 방법으로는 이 불순물을 제거하기가 어렵다는 점에서 청소하기가 매우 곤란하다.
이러한 문제의 결과로서, 알루미늄 또는 다른 용융 금속의 정련을 개선시키기 위한 장치가 개발되었다.
이 장치는 2개의 반대측벽이 각각 흑연 블록에 제공되는 수직형 호울(hole)에 위치하는 가열소자를 갖는 흑연블록으로 구성되며, 상기 호울은 이것의 상부에서 개방되어 있고 하부에서는 밀폐되어 전체가 내화성 재료로된 시스템으로 이루어진다. 이 시스템의 여러가지 다른 형태의 스제켈리(Szekely)의 특허인, US4,040,610호에 설명되어 있다. 이에따르면 이 시스템에는 내부 가열원이 제공되어 있는 반면에 함침된 가열기의 사용과 관련된 결점을 해결한다. 이것은 가열기 수명을 증가시키고 부식을 최소화하고 그리고 시스템의 정비를 쉽게 해준다는 것이 발견되었다. 용융상태에서 알루미늄의 보유를 위해, 이 시스템은 용융상태에서 알루미늄을 보유하고, 용융금속에 비투과성이 내부 내화 라이닝이 갖춰진 쉘(shell)을 포함하는 적합한 용기로 구성되며, 이때 라이닝은 용융물의 표면아래에 있게되는 쉘의 내부부분을 위한 흑연 블록으로 이루어지고 그리고 최소한 하나의 가열수단이 한개이상의 상기 블록내에 배치되어 갖춰진다. 알루미늄의 정련에 사용하기 위해, 또한 이 시스템은 용융금속과 기체를 위한 유입 및 배출수단 뿐만아니라, 용기에 배치된 최소한 하나의 순환기체 분배 수단을 포함하고 있다.
흑연 가열기 블록을 사용하는 전체가 내화성 재료로된 시스템은 바람직하게는 당해 기술분야를 개선시키는 것으로 발견되었고 상업적 알루미늄 정련 조작에서 유리하게 사용되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 그 적합성을 향상시키기 위해 이러한 시스템은 산업적으로 조작할 때 부딪치는 실제적으로 조작하는 문제점을 해결함에 의해 더 개선시키는 것이 필요하다. 하나의 이러한 문제점은 이러한 시스템에 사용된 절연재와 내화성 라이닝과 관련된다.
통상적인 전체가 내화성 재료로된 용융 알루미늄 가열로 또는 보유 용기의 구조에 있어서, 일반적으로 용기는 조밀한 주조성 내화물 또는 조밀한 내화성 블록(brick)으로 라이닝된다. 이 재료는 너무 조밀하고 단지 매우 소량의 공극을 단리된 버블과 같은 형태로 포함하기 때문에 용융 알루미늄에 의해 침투되지 않는다. 이 조밀 라이닝은 저밀도 내화성 절연 재료에 의해 지지되며, 또한 차례로 저밀도의 내화성 절연재료는 강철 셀내에 덫대어진다. 완전히 유출이 방지되는 조밀한 내화성 라이닝을 유지하는 것은 매우 어렵다. 용융금속이 균열틈, 또는 내부 내화성 라이닝에서의 접합부를 통해, 그리고 저밀도의 지지 절연재료내로 그리고 이것을 통해 유동하는 것을 방지하기 위해, 통상적으로는 함유된 용융 금속이 가장 높은 온도에 있을때, 조밀라이닝의 바깥면의 온도가 처리되는 알루미늄 합금의 융점아래에 있도록 시스템을 설계한다.
적합한 조밀한 라이닝 내화재료의 열전도도는 절연내화재료의 열전도와 비교하여 비교적 높다. 본원에 언급된 것으로서, 재료의 열전도도는 주어진 온도에서 ℃/m의 온도 구배(gradient)에서 cal/hr/㎡단위로 정의된다. 이러한 경질의 조밀한 내화성 재료의 열전도도는 대표적으로 816℃에서 약 322 내지 약 460이다. 예컨대, 일반적으로 경질의 조밀한 내부 라이닝으로 사용되는, Alfrax 66과 같은 높은 알루미늄 주조성 내화재료의 열전도도는 816℃에서 약 322이고 538℃에서 약 437이다. Alfrax 66 재료의 밀도는 약 2560㎏/㎥이고, 일반적으로 이러한 조밀한 내화성 재료의 밀도는 대표적으로 약 2560 내지 약 2880㎏/㎥이다.
상기 기재된 통상적인 시스템에 사용되는 내부 라이닝은 상당히 두껍게 하여 열손실을 감소시키거나, 또는 내화성 절연재료를 상당히 얇게 만들어 상당히 많은 열손실을 허용되도록 하여야 한다. 그러나, 바람직하게는 상당히 낮은 열손실 수준에서 조작하는 것이 필요하다. 이러한 조작에 있어서, 단지 하나의 용기벽의 한벽에만 가열소자를 위치시켜서 용기 정화를 더 용이하게 하고 조작을 다양화하는 실제적 장점을 제공하도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 무엇보다도 열손실을 감소시키기 위해서는, 절연 내화 재료의 두께를 증가시켜야 하는데 이에따라 내부 조밀화 내화성 라이닝의 두께가 상응하여 비례적으로 증가되어 상기 제시된 바와 같이 벽두께를 가로지르는 바람직한 온도 프로파일(profile)을 유지하게 된다. 결과로서, 필요한 제한을 실제로 달성하려면, 필요한 정도로 열손실을 제한하기 위해서는 매우 두꺼운 용기 벽이 필요할 것이다. 용기의 전반적인 벽두께가 증가함으로써, 또한 정련 시스템의 바깥 표면적은 급격히 증가되고 이에 따라, 용기의 유효벽면적이 상응하여 증가되게 되어 증가된 벽두께로 부터 유도되는 이익은 감소된다. 몇가지 예로, 정련시스템은 어쨋든 이러한 두꺼운 벽이 허용될 수 없는 소형의 플랜트(plant)공간에서도 위치시키는 것일 필요로 되곤 한다. 이상에서 알수 있는 것은 당해분야에서 상당히 적은 열손실 수준에서 조작 작용할 수 있고, 단지 적당한 두께의 벽을 결합시킬 수 있는 전체가 내화성 재료로된 시스템이 필요하다는 것이다.
상기 문제에 대한 하나의 해결책은 용융 알루미늄 방벽(barrier)으로 쓰일뿐만 아니라 절연성도 갖춘 내화성 라이닝을 사용하는 것이다. 이러한 시도로는, 일반적으로 정련챔버를 정련용기의 유지를 편리하게 하기 위해 쉽게 세척할 수 있는, 흑연, 실리콘 카바이드 및 조밀한 알루미나 주조성 내화재료와 같은 경질이고 조밀한 재료로 라이닝하는 거이다. 그러나, 이러한 라이닝 표면은 유출방지 접착부를 갖지 않아서, 액성금속, 즉 용융 알루미늄은 이러한 표면 접합부를 통해 통과할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 벽을 형성할 수도 있는 흑연 정전열기 블록을 포함하는 이러한 경질 라이닝 재료는 바람직하게는 일반적으로 대부분의 내화성 섬유상 절연판으로 사용되는 비교적 낮은 밀도판, 예컨대 160-320kg/m3판과비교하여 비교적 높은 밀도의 내화성 섬유상 절연판, 예컨대 960kg/m3판으로 지지된다. 이러한 비교적 높은 밀도의 섬유상 절연판들은 가능한한 완벽하게 함께 고정되지만, 물론 이들 사이의 접합부에서는 유출이 방지되지 않는다. 그러나, 비교적 낮은 밀도(예 : 320kg/m3)와 낮은 열전도도의 내화성 섬유상 절연재료로 지지될 때, 비교적 작은 두께의 조밀판, 대표적으로 7.62 내지 10.2m의 내화성 섬유상 절연재료가 바람직하게는 시스템의 열손실을 제한할 수 있고, 동시에, 고밀도판의 바깥면에서 알루미늄의 융점아래로 온도가 유지될 수 있도록 한다.
상기 언급된 비교적 낮은 밀도의 내화성 섬유상 절연판의 열전도도가 대표적으로 상기 언급된 경질인 조밀한 내부 라이닝 내화성 재료의 열전도도보다 상당히 감소된다는것, 즉 크기의 정도가 감소된다는 것을 인식하게 될 것이다. 따라서 960kg/m3의 밀도를 갖는 PC-45섬유상 절연판은 816℃에서 36.8 그리고 399℃에서는 25.3의 열전전도를 갖는다. 320kg/m3의 낮은 밀도를 갖는 섬유상 절연판, 즉 이른바 Al-3판은 871℃에서는 27.6,649℃에서는 21 및 93℃에서는 11.5의 열전도도를 갖는다. 전형적으로 내화 섬유상 절연판의 열전도도의 값은 일반적으로 816℃에서 41.4이하, 일반적으로 상기 온도에서 약 23 내지 약 36.8이다. 일반적으로 이러한 내화성 섬유상 절연판의 밀도가 1280이하, 대표적으로 약 240내지 1120kg/m3, 더 바람직하게는 320 내지 960kg/m3이 본 발명을 실시하는데 효과적으로 사용된다. 상술한 바에 따라 상기 내화성 섬유상 절연판은 정련시스템에서 용융 알루미늄 방벽으로 일반적으로 사용되는 조밀한 내화성 라이닝 보다 더 낮은 밀도와 열전도도를 갖는다는 것을 알 수 있을 것이다.
금속 방벽으로서 비교적 높은 밀도의 내화성 절연판을 사용하는 이 시도는 다음에 논의될 용융 알루미늄에 의한 투과와 침투에 견디기 위한 상기 절연판 재료의 능력에 의존된다. 금속 방벽으로서 이러한 사용에 적합한 것으로 알려진 편리하고, 산업적으로 이용성이 있는 내화성 섬유상 절연재료는 Rex-Roto사의 PC-45상표명으로 시판되는 비교적 높은 밀도(960㎏/㎥)의 절연판이다. 11주까지의 기간동안 용융 알루미늄에의 투입하에서, 알루미늄에 의한 상기 절연판의 어떠한 중요한 투과도 일어나지 않는 것으로 발견되었다.
금속 방벽으로비교적 고밀도의 섬유상 절연판, 예컨대 상기 PC-45재료를 사용하여 이루어지는 정련시스템이 조작되는 위치로 있을때 놀랍게도, 흑연 절연기 블록의 부근에서 과열점을 만드는 것으로 발견되었다. 작용온도에서 연손실이 가열기의 능력을 초과하기 때문에 조작되지 않을때는 이러한 시스템은 부분적으로 분해되고, PC-45절연판 알루미늄에 의해 완전히 침투된다는 것이 발견되었다. 또한 PC-45판 뒤의 비교적 저밀도 절연재료의 부분도 알루미늄에 의해 침투되는 것으로 발견되었다. 금속 침투가 일어난곳에서, PC-45판은 완전히 금속으로 채워지고, 금속에 절연판이 완전히 적셔져서 금속은 모세관 작용에 의해 정련용기에서 용융 알루미늄의 작용수준보다 몇인치 올라간다.
알루미늄에 의한 조밀한 내화성 절연판의 예기치 않은 침투는 정련시스템에서의 그 유용성을 파괴시킨다.
본원에서 사용되는 용어, 침투(때때로 또한 투과로서 언급됨)는 내화성 섬유상 절연판의 내부 공급을 용융 알루미늄으로 채우는 것을 나타낸다. 이 결과로서, 상기 판의 특성은 매우 낮은 열전도도를 갖는 것으로 부터 비교적 낮은 밀도의 내화성 섬유상 절연판의 상부 내부공극을 침투하는 용융 알루미늄과 유사한 열전도도를 갖는 것으로 변한다. 따라서, 용융 알루미늄은 섬유상 절연판 라이닝을 침투하고 침지되어 침투 부분을 통한 온도는 매우 작게 감소될 것이다. 이러한 조건하에서, 용융 알루미늄은 완전히 절연 라이닝을 통해 통과하고 정련용기의 외부강철셸의 판손에 이르게되고 그 원인 될 것이다. 명백하게 강철 셸로의 용융 금속의 침투는 허용될 수 없다.
당업자들은 정련시스템의 내화성 섬유상 절연판 라이닝의 이러한 용융 알루미늄이 침투되는 문제는 밀도가 더 높고 열전도도가 더 큰 정도를 갖는 경질의, 조밀한 재료를 처리하여야 하는 사실과는 상당히 다르다는 것을 인식할 것이다. 통상적으로 이러한 경질이고 조밀한 재료는 용융 알루미늄에 의한 약간의 투과가 결과된 화학반응의 결과로서 표면이 악화된다. Douzy등의 특허인 U.S.4,174,972호에는 알칼리 또는 알카릴 토금속 플루오르화물을 부가하여 라이닝으로부터의 내화재료의 입자가 떨어지고 알루미늄 생성물에 바람직하지 않은 것이 떨어지고, 스웰링(swelling), 및 크래킹(cracking)이 생기게 할, 알루미늄과 같은, 용융 금속이 이러한 경질의 조밀한 내화성 재료에 투과되는 것을 방지하기 위한 것이 설명되어 있다. Drouzy등이 언급한 경질의 조밀한 내화성 재료는 통상적인 실행에서 용융 알루미늄과의 접촉에 잘 견디게 되는 내화성 재료, 즉 높은 일루미나-실리카 함량을 갖는 주조성 콘크리트이고, 이때 상기의 경질의 조밀한 재료는 용융 알루미늄에 의해 침투되지 않는다. 상기 제시된 바와 같은 이러한 내부 라이닝 재료는 일반적으로 절연 라이닝으로서 사용되지만 용융 알루미늄 방벽 층으로서는 사용되지 않는 덜 조밀한 낮은 열전도성 재료와 비교하여, 높은 밀도와 높은 열전전도 특성을 갖는다. 당분야에서 이러한 용기가 용기중의 금속 방벽으로서도 사용되는 내화성 절연판이 결합되어 알루미늄 침투가 심하지 않고 보유 및 정련용기를 개발할 필요성이 있다는 것은 상기로 부터 인식될 것이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 알루미늄의 보유 및 정련을 위한 개선된 전체-내화용기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 내화성 섬유상 절연재료가 상기 용기내에서 사용되는 조작 조건하에서 알루미늄에 의한 상기 절연판의 적절하지 못한 침투가 일어나지 않고 그 안의 금속 방벽으로서도 사용될 수 있는, 알루미늄을 보유 및 정련하기 위한 개선된 전체가 내화성 재료로 처리된 용기를 제공하는 것이다.
이들 및 기타의 목적을 염두에 두고 본 발명은 이하 상세하게 기재되며, 본 발명의 신규한 특징은 특히 첨부되는 특허청구 범위에서 지적될 것이다.
본 발명을 요약하면 다음과 같다.
내화성 섬유상 절연재가 절연층으로서 뿐만 아니라 알루미늄 방벽으로서도 사용되는 전체가 내화성 재료로된 알루미늄 보유 및 정련용기가 제되어 왔다. 놀랍게도 상기 용기의 작용 조건하에서 발생한는 절연재료의 바람직하지 않은 알루미늄 침투는, 알루미늄 방법으로서 사용되는 섬유상 절연재료에 소량의 금속 할로겐화물을 존재하게 하여 방지한다.
본 발명의 목적들은 내화성 섬유상 절연재료가 알루미늄 보유 및 정련 용기내에서 알루미늄 방벽층으로서 사용됨으로써 이루어지며, 상기 절연판은 그러한 용기에서 전형적으로 사용되는 조작 조건하에서 그러한 저밀도 절연재료와 관련하여 발생하는 것으로 밝혀진 내부 공극에 대해금속 할로겐화물을 혼입시켜서 알루미늄 침투를 놀랄만하게 방지하도록 제조되고 있다. 그러한 저밀도, 저열전도도의 내화성 섬유절연판은, 상술된 바와 같은 재료샘플이 연장된 기간동안 용융 알루미늄에 침지되는 실험실 테스트에 의하여 확증되는 바와 같이, 정상적으로 알루미늄 침투되지 않지만, 그런 본원에서 서술되고 청구되는 바와 같이 발명에 포함되지 않는 알루미늄 보유 및 정련용기에서는 알루미늄 침투가 발생하는 것으로 밝혀졌다.
특히 실시예에서, 상기 알루미늄을 정련하거나 또는 정련하지 않는, 용융 알루미늄의 보유용 용기로 구성되는 본 발명의 장치는 전형적으로 그것의 하부 측벽상에 상기 저밀도 내화절연 라이닝을 가지고 있는 전형적으로 강(steel)으로 된 외부 쉘로 구성된다. 상기 절연재료는 그것을 통과하는 용융 알루미늄의 통과에 영향을 받을수 있다. 상기 저밀도 내화 라이닝의 내벽상에는 용기에 대하여 추가의 절연층으로서 작용하는 처리된 내화 절연재 라이닝이 위치한다. 처리된 내화 절연층의 한 내측벽은 흑연 또는 다른 조밀한 상대적으로 높은 열전도성 내화성 물질의 블록 라이닝으로 라이닝 처리될 수 있다. 전기적 가열체는 일반적으로 상기 블록 라인닝으로 라이닝처리될 수 있다. 전기적 가열체는 반적으로 상기 블록 라이닝으로 개구내에 배치된다. 상기 다른 내부측벽과 받ㄱ은, 그것에 대한 과도의 손상없이 세척될수 있는 적당한 경질의 조밀한 내화성 물질이 상대적으로 얇은 층으로 라이닝처리된다. 이 조밀한 내부 내화성 라이닝을 밀봉시켜서 상기 처리된 내화성 절연층은 용기의 알루미늄 방벽으로 작용하는 것은 매우 어렵다.
본 발명을 실시하는데 있어서, 내화 절연층 및 알루미늄 방법으로서 사용되는, 처리된 내화성 절연재료, 즉 내화성 섬유상 절연판 또는 주조가능형태의 내화성 섬유상 절연재에는, 소량의 금속 플루오르화물 또는 플루오르 규산염이 그 안에 혼입되어 정련조작에 사용하는 동안 상기 판 또는 주조가능한 절연재료의 내부공극의 상당한 알루미늄 침투를 방지하도록 작용한다.
내화성 섬유상 절연판 또는 주조가능한 절연재료가 금속 할로겐화물을 함유하지 않고도 통상의 함침 시험에서 알루미늄 침투에 대해 내성을 보이게 하는 메커니즘은 완전히 이해되지 않는다. 그러나 종래의 시험에서는 그러한 저밀도의 섬유상 절연재료의 적절한 금속 침투는 나타나지 않는데 그것은 공기와 같은 것으로부터, 절연재료에 충분히 조기 산소 침투가 있어서 금속 침투를 방지하는 것으로 주측된다. 작은 조각의 상기 PC-45 절연판재료가 용융 알루미늄내에 완전히 함침되고 비다공성 로드에 의해 함침될때 상기 판에는 알루미늄의 투과가 발생하지 않는다. 상기 섬유상 절연판 물질의 구멍에 함유된 소량의 산소는 판의 알루미늄 침투는 효과적으로 방해하기 위하여 판의 표면에서 산화물 필름 장벽을 형성하기에 충분한 것으로 여겨진다.
내화로 또는 보유 용기의 흑연 히터 블록뒤에 존재하는 조건, 즉, 보다 불량한 금속 침투의 위치와, 가능한한 거의 같은 시험과정에서, PC-45판의 작은 조각은 하부에서 개방되고 상부에서 가스와의 연결부를 가지고 있는 수직흑연튜브에 수용된다. 질소가 튜브안으로 흘러가서 그것은 용융 알루미늄에 침지되었다. 질소흐름은 액체 금속이 튜브안으로 들어가는 것을 방지하기에 충분히 높도록 유지되었다. 이 조건에서 어셈블리는 750-780℃의 금속온도에서 3시간동안 보유하여서, 금속이 충전되기 전에 정련시스템의 온도상위해 사용된 전형적인 보유시간을 시뮬레이팅한다. 이 시간동안에 섬유상 절연판의 구멍에 함유된 모든 소는 판으로 부터 확산되어 나가는 시간을 갖게 되고, 물을 포함한 휘발성 물질은 상기 질소에 의하여 판으로부터 증발되어 운반되어 나가는 시간을 갖는다. 실제의 정련 시스템에서, 정련용기의 헤드 공간을 비활성화하기 위해 사용된 질소는 정련용기의 이 부분을 비활성화하기 위해, 그로써 가열기 블록의 산화를 감소시키기 위해 가열기 블록 조운에 유입된다는 것이 주지되어야 한다.
시험과정에서는, 계속해서 질소압력은 감소되어 액체금속이 흑연 튜브 내에서 차오를 수 있게 되고, 그로써 액체금속은 시험되고 있는 샘플 절연판의 하단을 밀 수 있도록 한다. 일부 가스는 흑연 튜브안으로 계속 흘러 흑연의 구멍을 통해 배출이 계속된다. 시험 시스템은 2 내지 3일의 시험 기간동안만 이 상태로 유지되고 이후에는, 가스압력은 증가되고 금속이 튜브뒷쪽으로 밀려나가고, 검사 목적을 위해 어젬블리가 제거한다.
즉, 순수한 알루미늄과 동일 효과를 가지는 것으로 추정되는 시험에 사용되는 용융 알루미늄, 약 0.2%의 Mg를 함유하는 알루미늄이 PC-45 절연판을 습윤 및 침투하는 것이 가능한 것으로 발견되었다. 그러한 침투는 비활성화를 위해 사용되는 질소가스가 부주의하에 20ppm의 산호와 100ppm의 물을 함유한 경우에도 발생한다. 그로써, 1일의 가간동안 0.95cm의 알루미늄 함침이 발생하였다. 보다 순수한 질소분위기를 사용하는 후속적인 시험은 3일동안에 1일당 약 1.27cm의 침투율을 유발하였다. 또한, 아르곤 가스가 질소가스 대신에 비활성가스로서 사용된다. 매우 공격적인 합금으로 이해될 2% Mg이 첨가된 알루미늄을 사용하면 단지 표면이 고르지 않은 습윤, 및 절연판의 내부 공극의 매우 경미한 침투만이, 3일의 시험기간중에 일어나는 것으로 밝혀졌다. 그러므로, 아르곤 비활성 또는 퍼어즈가스를 사용하는 것은 알루미늄 침투라는 문제에 대한 하나의 가능한 해결 방안일 수 있다. 당업자가 쉽게 인정하는바 이 해결책은 조작 경비의 관점에서는 매우 값비싼 것임에 틀림없다. 따라서, 비용적으로 보다 효과적인 해결 방안히 실제의 상업용 알루미늄 정련 조작에 필요하게 되었다.
할로겐화물이 존재할 수 있는 질소 퍼어지 기체와 함께 염소를 도입함으로서, 내화성 절연재의 알루미늄의 습윤 및 침투를 중지시키거나, 또는 적어도 감소시키는 것이 또 다른 접근 방법으로 간주된다. 그러나, 상기와 같은 염소의 사용은 위험할 수 있고 정련시스템의 금속부분의 부식을 유발할 수도 있다. 만일 염화물이 수용액으로서 절연판에 주입된다면, 알루미늄과 이들의 접촉 및 대표적 정련온도에서 염화물의 상당한 휘발성 특징은 매우 휘발성인 염화 알루미늄이 형성될 수 있게 한다. 유사하게 이것은 조직시간을 급속히 감소시키는데 효과적 일 수 있다. 이 외에도 많은 상기 염화물 화합물은 흡습성이고, 실온에서도 강부분의 부식을 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 개선된 정련용기에서의 섬유상 내화성 절연판 또는 주조가능한 형태의 상기 절연재료에 혼입되는 금속 할로겐화물은 바람직하게는 금속 플루오르화물로, 이것들 중 많은 것이 매우 높은 융점 및 비점을 갖는다.
상기 기재된 바와 같은, 소량의 플루오르화물을 높은 열변형온도 및 압축강도 특성을 갖는 경질이고, 조밀한 주조가능한 비-섬유상 내화 콘트리트에 혼입시키는 것은 Drouzy등의 특허에 기재되어 있다. 알칼리 또는 알칼리토금속 플루오르화물 형태로 존재하는 상기 플루오르는, 허용할 수 없는 정도로 시멘트의 내화 특성에 나쁜 영향을 끼는 알루미늄에 의한 화학적 또는 물리화학적 침식으로부터, Al2O3및 SiO2를 함유하는 덩어리 재료를 보호할 수 있다고 한다. 다음문헌[B. Gnyra df Alcon Intermational A Limited, "Methods for Upgrading Common Silicate Refractories and Foundry Iron Implements Against the Attack by Molten Aluminum B Alloys", Light Metals, 1986]에서, 알루미늄 주조에 사용된 내화재료, 즉, 규산 알루미늄, 규산 칼슘 등은 용융 알루미늄, 특히 이것의 더 침식성인 합금들에 의해 상당한 표면 침식을 받는다. 규산염 및 플루오르화물 처리로 알려진, 이 많은 예들에서 내화성 분말을 적용하는 플루오르화물염 용액을 사용하는 것과 관련된 처리방법이 상기 문헌에 기재되어 있다. 플루오르화물 용액은 MgSiF6,6H2O결정으로부터 제조된다. 내화성 분말은 슬러리로서 사용되고, 이것은 매끄러운 내화재 표면을 처리할때는 생략될 수 있다. 마그네슘-알루미늄 합금에 의한 표면 침식에 내성이 좋다고 알려진, 멀라이트(mullite)(알루미늄-실리카)에 근거한 고밀도의 주조가능한 재료(예로서 Diddier-Taylor에 의한 DRI-LIFE castable=No. 423-E)는 약 1 1/4% 불소를 불용성 형태로 포함하여야 하는 것이 입증되었다.
본 발명을 실행함에 있어서는, 일반적으로 소량의 플루오르화 칼슘을 저밀도의 섬유상 내화절연판 또는 주조가능한 형태의 상기 절연재료에 혼입하는 것이 바람직하다. 사익 플루오르화 칼슘은 독성이 낮고 적당한 비용의 분말 형태로 구입할 수 있다. 그러나, 기타 적당한 금속 플루오르화물 또는 플루오르화 규산염이 사용될 수도 있음이 이해될 것이다. 예로서, 플루오르화 알루미늄, 플루오르화 마그네슘 및 기타 플루오르화물들을 절연재료에 혼입할 수 있다.
일반적으로, 본원에 기재된 바와 같이, 처리된 섬유상 내화절연재료(예로서 PC-45절연판)는 실리카 및 알루미나로 이루어진 섬유상 세라믹 내화 절연재료를 포함한다. 상기 재료의 중량비는 다양한 시판등급의 상기 절연판의 밀도에 따라 좌우되어 다양해지는 것이 이해될 것이다. 약 1280kg/m3미만의 밀도, 대표적인 약 240-320kg/m3내지 약 800-1120kg/m3이하 또는 더, 바람직게는 약 320kg/m3내지 약 960kg/m3이하의 밀도가 본 발명의 실행에 효과적으로 사용할 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 약 2560 내지 약 2880kg/m3의 밀도를 갖는 경질이고 조밀한 내화성 재료가 일반적으로 약 322 내지 460의 열전전도를 갖는 것에 비해, 상기 섬유상 절연판은 816℃에서 약 41.4미만, 대표적으로 약 23내지 약 36.8의 비교적 낮은 열전도도를 갖는다. 상기 금속 플루오르화 규산염은 섬유상 내화성 절연재료의 소정의 조성물과 함께 사용될 수 있다. 그러나 금속 플루오르화물을 단독으로 사용할 경우, 본 발명의 실행에 사용된 섬유상 절연판이 실리카 바인더(binder)를 혼입할때 최상의 결과를 수득한다.
본 발명은 약 0.5 내지 약 5.0wt.%또는 그 이상의 상기 금속 플루오르화 물 또는 플루오르화 규산염 즉, 알칼리 또는 알칼리토금속 할로켄화물을 본원에 기재된 용융 알루미늄은 보유하고 정련하기 위한 개선된 용기에 사용된 저밀도의 섬유상 내화절연재료에 혼입한다. 본 발명의 실행에서 사용된 처리된 섬유상 내화성 절연재료의 두께는 소정의 알루미늄을 적용하는 조작조건에 따라 다양할 수 있는 반면, 용기의 알루미늄벽 라이닝(예로서, 용기의 강 외부 껍질을 향한 면)의 외면 (예로서, 냉각면)은 용기 절연재료를 통한 전체적인 용융 알루미늄의 침투로 인한 외부 껍질의 파손을 확실히 막기위해 알루미늄의 융점보다 낮아야 한다는 것이 인지될 것이다. 본 발명은 전체 절연재료를 라이닝을 위한 처리된 섬유상 절연판을 필요한 두께로 사용하거나, 또는 충분한 양의 상기 처리된 절연판 또는 주조가능한 형태의 상기 섬유상 절연재료를 상기 처리된 절연 라이닝의 외부 온도가 알루미늄의 융점이하가 되게 하도록 하는 것은 비처리된 내화절연판이 외층과 함께 사용하여 의도치 않은 알루미늄 침투를 사실상 막는다. 일반적으로 비교적 높은 밀도의 절연재료는, 정련용기의 외부 절연층으로서 대표적으로 사용되는 비교적 낮은 밀도의, 비처리된 절연재료와 같은 낮은 밀도의 재료보다 더 높은 열 전도성이 있음은 당업자들이 인지할 것이다.
대표적으로, 예증적인 정련용기로는, 약 15.2 또는 17.8cm의 절연재료가 사용되는데 이때 약 10.2cm의 처리된 PC-45 섬유상 절연판은 약 7.62cm의 비처리된 일반적으로 저밀도인 절연재료에 의해 지지된다.
약 480kg/m3의 저밀도의 섬유상 절연판이 처리형태로 사용되는 실시예에 있어서는, 전형적인 용기 라이닝이 7.62cm의 처리재료와 10.2cm의 저밀도 비처리 재료로 구성될 수 있다. 비용등의 이유로 인해 처리된 섬유상 절연판만을 주어진 용기의 적용에 따라 사용하는 것이 일반적으로 바람직하지만, 용기 라이닝의 정체 두께는 셸에 인접한 처리되지 않은 절연판의 냉각외면상에서 지지하지 않고서도, 주조할 수 있는 재료나 상기 처리된 섬유상 절연판을 포함할 수 있다는 것을 주지하여야 한다.
본 발명의 당업자들은 이하의 특허청구범위인 본 발명의 범위내에서 본 발명을 실행하기 위해, 여러가지 변형이나 수정물을 만들 수 잇다는 것을 알 것이다. 따라서, 상업적으로 이용가능한 섬유상 내화 절연판이나 주조할 수 있는 형태의 상기 절연 재료가 다양한 내화재료-결합제 조성물을 사용하여 여러가지 제조기술로 만들어질 수 있다는 것이 당해 분야에 공지되었다. 본 발명의 목적을 위해, 금속 할로겐화물 첨가제를 조성물에 첨가하여 내화 절연물 제조의 공정에 적합한 통상의 방법으로 충분히 혼합될 수 있다. 처리된 내화 절연층이 보유용기나 정련용기의 내부면으로 이루어졌더라도, 바람직하게는 상기 용기의 내부는 스크래핑등으로 쉽게 청소될수 있는 단단하고 조밀하며 비교적 높은 열전도도를 갖는 내화재로 라이닝될 수 있다.
알루미나, 탄화실리카 및 흑연이 세척 및 유지를 쉽게하는 적당한 내부 라이닝 재료의 예이다. 상기와 같이, 흑연의 블록 라이닝은 내화용기의 내측벽 용으로 사용되어 상기 내측벽에서 전기 가열수단에 적합하게 한다. 조작조건에서 흑연의 산화할 잠재성이 알루미늄을 보유하고 정련하는데 사용되는 용기에 특히 우세하기 때문에 용기들은 전기 가열 수단에 위치시키기에 적합한 내부 흑연 라이닝만을 측벽에서 통상적으로 사용한다.
당업자들은 또한 섬유자 절연판을 라이닝하거나 그러한 재료를 주조할 수 있는 형태로 구성하는 중에 내화재료간의 공간을 가능한한 줄이기 위해 적당화 내화 시멘트로 접합부를 통상적으로 채운다는 것도 알 것이다. 섬유상 절연판이나 주조할 수 있는 재료는 또한 모든 면이 밀봉제로 피복된다. 예를 들면, 2 1/2중량% CaF2의 소량의 금속 할호겐화물이 갖춰진 충전세멘트로서 Rex-Roto사에서 시판되는 PC익스텐더(Extender)를 첨가한다. 밀봉제용으로는 Rex-Roto사 제품으로서 5중량% CaF2의 금속 할로겐화물 첨가제가 있는 PC-밀봉제가 효과적이다.
본 발명이 의도하는 알루미늄 보유 및 정련용기를 사용하는데 있어서, 질소, 아르곤 또는 다른 불활성 가스를 사용하면서, 용기 상부 공간을 비활성화하는 것은 이 영역을 비활성시키고 이에 따라 가열기 블록의 산화를 감소시키기 위해 가열 블록 지역을 불활성시키기 위해 이 지역으로 비활성가스를 가열기 블록 영역으로 유입시킴에 의해 수행된다. 이러한 바람직한 절차가 절연재료의 기공에 있는 산소가 상기 절연재료로부터 확산되어 나오게 하여 절연재료의 바람직스럽지 못한 알루미늄 침투를 야기하게 된다고 여겨지지만, 정련용기에서 우세한 다른 조건들이 본 발명에 실행하는데 있어서 처리된 내화 섬유상 단열판이나 주조할수 있는 형태의 재료들을 사용함에 의해 문제점들을 극복하는 작용을 할 수도 있는 것이다. 비교적 밀도가 낮은 섬유상 절연판이나 주조가능한 재료의 내부 공극의 바람직스럽지 못한 알루미늄 침투의 문제는 흑연가열기 블록 주위에 위치한 내화성 섬유상 재료에서 가장 쉽게 발생될 수 있지만, 비록 작은 비율이라도 상기 침투는 용기 라이닝의 다른 부분에서도 발생될 수 있다. 본 발명에서는 상기 알루미늄 침투를 처리된 섬유상 절연재료를 사용하여 용기 라이닝의 모든 부분에서 효과적으로 방지할 수가 있다.
PC-45판에 2% CaF2를 함유하는 처리된 섬유상 내화성 절연판을 사용한 시험결과, 750℃에서 3일간의 시험에서도 내부 가공에 알루미늄에 의한 침투가 발견되지 않았다. 통상의 알루미늄 정련용기에서는 고 CaF2나 금속 할로겐화농축물 특히, 고 Mg합금을 사용하는 것이 바람직스럽다. 2% 플루오르화 칼슘을 함유하는 처리된 섬유상 절연재료를 사용하여 만든 5개의 알루미늄 정련 시스템을 여러달 동안 통상적으로 작동하였지만 이들 시스템에서 핫 스포트는 발생되지 않았다. 이와는 반대로, 상기 처리된 섬유상 절연재료를 사용하지 않고 만든 3개의 시스템에서는 몇주간의 작동에서도 알루미늄 침투에 의한 핫 스포트가 발생하였다. 상기 처리된 절연재료의 한 시스템은 절연재료와 관련되지 않은 문제 때문에 가동후 2달후에 제거했다. 이 시스템을 검사하기 위해 부분적으로 해체해보면, 용융 알루미늄에 위한 처리된 섬유상 절연판의 침투가 없었음을 알게된다.
본 발명은 실제 상업적 작동에서 겪어온 주요한 문제들을 해결하는, 당업계에서 진일보한 것이다. 용기절연 라이닝의 용융 알루미늄 침투를 방지시키는 수단을 제공함에 의해, 본 발명은 정련용기가 통상의 알루미늄 정련작업의 전체 효율을 상당히 향상시키는, 보관전에 상당한 기간동안 과도한 열 실없이 편리한 크기로 사용되게 할 수 있다.

Claims (17)

  1. 외부 용기 쉘에는 바닥 및 측벽상에 내화성 섬유상 절연라이닝이 갖추어지며, 상기 라이닝은 용융 알루미늄이 침투되지 않도록 하여 용융 알루미늄, 및 그 합금을 보유하고 정련하는 용기에 있어서, 상기 라이닝의 최소한의 일부분은 내화성 섬유상 절연재료로 이루어지며, 이 내화성 섬유상 절연재료는 약 1280kg/m3이하의 매우 낮은 밀도를 가지고, 상기 내화성 섬유상 절연재료는 약 816℃에서 ℃/m온도의 구배에서 약 41.4cal/hr/m3이하의 매우 낮은 열전도도를 가지고 있으며, 상기 내화성 섬유상 절연 재료는 이 내화성 섬유상 절연재료의 중량을 기준으로 하여, 0.5 내지 5.0wt%의 알칼리는 알칼리 토금속 플루오르화물 또는 플루오르화 규산염을 함유하고, 상기 내화성 섬유상 절연 재료는 그의 내부 공극속으로 용융 알루미늄이 통과되어 침투되는 것을 막는것을, 특징으로 하는 용융 알루미늄, 및 그의 합금을 보유하고 정련기 위한 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내화성 섬유상 절연재료가 알칼리 또는 알칼리 토금속 플루오르화물을 함유함을 특징으로 하는 용융.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연재료가 플루오르화 규산염을 함유함을 특징으로 하는 용기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 플루오르화 금속이 플루오르화 칼슘인 것을 특징으로 하는 용기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 내화성 섬유상 절연재료가 약 240 내지 약 1120kg/m3의 밀도를 가짐을 특징으로 하는 용기.
  6. 제5하에 있어서, 상기 내화성 섬유상 절연재료가 약 320 내지 960kg/m3의 밀도를 가짐을 특징으로 하는 용기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 플루오르화 금속 또는 프루오르화 규산염이 플루오르화 칼슘인 것을 특징으로 하는 용기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 내화성 섬유상 절연재료가 내화성 섬유상 절연판인 것을 특징으로 하는 용기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 내화성 섬유상 절연재료가 주조가능한 형태의 내화성 섬유상 절연재료인 것을 특징으로 하는 용기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 내화성 절연 라이닝의 내부 표면사에는 경질의 조밀한 내부 내화성 라이닝이 위치하고, 상기 내부 라이닝은 표면을 스크레이핑함에 의해 세척이 비교적 용이한, 상당히 높은 열, 전도체로 이루어지고, 상기 경질의 조밀한 내부 내화성 라이닝은 약 2560 내지 약 2880kg/m3의 밀도를 가지고, 열 전도유은 816℃에서 ℃/m의 온도구배에서 약 322 내지 약 460cal/hr/m2임을 특징으로 하는 용기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 용기의 최소한 하나의 측벽이 흑연 블록의 내부 라이닝을 가지며 상기 흑연블록내에 위치된 전기 가열수단을 포함함을 특징으로 하는 용기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 내화성 섬유상 절연 라이닝이 상기 흑연 블록 둘레의 측벽중 최소한 내부 부분으로 이루어짐을 특징으로 하는 용기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 내화성 섬유상 절연 라이닝이 상기 용기의 모든 벽들의 절연재료로 이루어짐을 특징으로 하는 용기.
  14. 제12항에 있어서, 상기내화성 섬유상 절연재료가 금속 플루오르화물을 함유함을 특징으로 하는 용기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 플루오프화 금속이 상기 내화성 섬유상 절연재료의 중량을 기준으로 하여 약 0.5 내지 약 5중량% 내의 양으로 존재하는 플루오르화 칼슘인을 특징으로 하는 용기.
  16. 제5항에 있어서, 상기 섬유상 절연재료가 섬유상 절연판인 것을 특징으로 하는 용기.
  17. 제13항에 있어서, 상기 섬유상 절연재료가 섬유상 절연판인 것을 특지으로 하는 용기.
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