KR810000403B1 - 용융금속 정련 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용융금속 정련 장치

제1도는 미국특허 제3,870,511호에 명시된 회전가스 분배장치의 투시도

제2도는 한정된 용기와 단일 회전가스 분배장치를 포함한 장치의 평면도

제3도는 제2도의 구체형을 선 3-3을 따라 절단한 단면도

본 발명은 금속을 정련하는데 사용되는 장치에 관한 것으로, 특히 용융된 금속을 정련하는데 사용되는 장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는 용융된 금속을 정련하는데 일반적으로 사용되지만, 특히 알루미늄, 마그네슘, 구리, 아연, 주석, 납 그리고 이들의 합금을 정련하는데 적합하며, 또한 본 발명은 1975년 3월 11일자 공개된 미국특허 제3,750,511호에 기술한 장치를 개량한 것으로, 이 특허는 여기에서 참조용으로 기술되었다. 근본적으로, 참조하는 장치에 있어서 수행되는 공정은 용융물에 매우 작은 기포의 형태로 스파징가스(sparging gas)를 분산시켜 주는 것이다. 수소는 기포중에서 탈착(desorption)에 의해 용융물로부터 제거되며, 한편 기타의 비금속불순물들은 부유현상에 의해 불순물중으로 제거된다. 스파징가스의 분산은 회전 가스분배기를 사용하여 성취할 수 있으며, 이 분배기는 용융물을 고도의 격한 상태로 만든다.

이 격한 상태는 작은 비금속입자들이 기포에 의해 금속표면에 떠 있는 큰 입자집합체로 집괴(集塊)하도록 한다. 금속의 격한 상태는 스파징가스와 용융물을 혼합시켜 용기의 내벽에 침적물과 산화물축적이 생기지 않게 해준다. 금속으로부터 떨어져 부유되어 있는 비금속 불순물들은 시스템으로부터 불순물층으로 제거되며, 금속으로부터 탈착된 수소는 소모된 스파징가스와 함께 제거된다.

현재 사용되고 있는 용광로는 전기 가열소자를 갖는 외부 가열통체와 흑연 및 탄화슈소판으로 라이닝(lining)한 내부주조용철 통체로 구성되어 있다. 비록 이러한 형태의 용광로장치는 만족스러운 결과를 주는 것으로 입증되었지만, 특정 용도에만 사용되는 한계점을 갖는 것으로 발견되었다.

한가지 문제점은 내부주조용 철 통체의 수명에 관한 것으로, 일정한 기간마다 교환해 주어야 한다. 주물이나 또는 시멘트벽들과 같은 단열성 내화제를 주조용 철 통체 대용으로 사용하면 수명을 보다 연장시키고 또한 수선이 용이하지만 불순물들의 발생과 수반하여 내화제중의 부식문제를 극복해야산 실용적임을 유의해야 된다. 다른 한계점은 설계의 요소로서, 용융물에 사용하기 위한 탭이나 또는 배수구의 설치, 합금변화가 자주 일어나는 것에 사용할 수 있는 많은 용광로의 제작문제이다. 문제점은 외부 가열식 용광로의 탭 호울(tap hole)의 설치는 기술적으로 불가능하다는 점에서 발생한다.

또 다른 한계점은 용도가 다를 때마다 용광로의 각각 다른 위치에 용융금속의 입구와 출구를 설치하는 문제이다. 주조용 철통체의 경우에 이들 입구와 출구의 위치는 주물골장에서 철통체의 주조를 위해 주조패턴을 사용하기 때문에 고정되어 있다. 주조패턴을 변화시키는 것은 비 경제적이다. 왜냐하면 여러가지 상이한 형태의 패턴을 필요로하기 때문이다. 이와 반대로 내화통체는 수요자의 요구를 충족시켜 제조될 수 있다.

단열내화성 통체를 사용하기 위해 외부가열수단은 더 이상 사용될 수 없으므로 내부 가열수단이 사용된다. 첨수가열법이 제안되었으나, 이것은 중대한 결점, 즉 침수가열기를 사용하면 금속을 가스와 함께 액체중에 분산시키는 경우에 개포패턴을 방해하게 한다. 이것은 또한 용융물의 자유로운 이동이나 물리적상태, 특히 여과매질이나 용광로를 통과하는 금속의 흐름을 방해한다. 침수가열기의 사용은 또한 알루미늄 여과시스템에서도 역시 만족스럽지 못한 결과를 주는데 그 이유는 여과매질중에 가열기를 초기에 설치하고 대체해야 하기 때문이다.

전형적인 침수 가열기의 추가결점은 어느 기간동안 고도의 격한 상태하에서 견디어 낼수 없다는 것이다. 이러한 사실로 볼때 침수 가열기의 가열장치는 높은 열전도성을 가지며, 높은 온도에서 견딜수 있고, 용융물에 불활성이고 부식저항을 갖는 보호통체를 필요로 한다. 이들 보호통체는 통상으로 열전도률을 양호하게 하고, 결제적인 이유등으로 얇은 벽으로 만들지만 이들은 고도의 격한 상태에서 사용하면 비교적 수명이 짧아진다. 침수 가열기는 교반력에 대항하는 극히 미약한 지지력을 가지기 때문에 용융물속에 담궈서 사용하면 문제는 더욱 심각해진다.

본 발명의 목적은 내부 가열원을 설치하는 한편 전기 한 침수 가열기의 결점들을 극복해주며, 통체(셀)수명을 최대로 해주고, 부식을 최소로 해주며, 용이하게 수리할 수 있고, 경제성있는 방출구를 사용할 수 있고, 금속물 입구와 출구에 관한한 용도에 따라 변경할 수 있는 금속정련장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기타 목적과 이점들은 이후에 기술되는 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 의하여 금속을 용융된 상태로 유지하는데 적합한 용기의 형태로 금속을 정련하는 장치를 제작하였으며, 이 장치는 (첫째) 용융된 금석이 침투되지 않는 단열내화성 통체, (둘째) 금속표면밑에 위치하는 전기한 통체의 내면의 주요부분을 라이닝(lining)하고, 이 라이닝을 열사용에 응하여 적어도 일방향 이상으로 자유롭게 신장되도록 흑연 또는 탄화규소 블록으로 구성하고, (셋째) 전기의 블록중 어느 블록에 내설한 적어도 한개 이상의 가열수단으로 구성된다.

전기한 용기는 다음과 같이 결합한 장치 즉, (네째) 상기의 (첫째)(둘째)(셋째)중에서 정의한 용기, (다섯째) 전기한 용기중에 배치한 적어도 한개 이상의 회전가스 분배장치 및 (여섯째) 용융된 금속과 가스용 출구와 입구를 결합한 장치에서 바람직하게 사용될 수 있음을 발견하였다.

용융물 정련에서 사용하는 전체구조는 용광로로서 칭하며, 이것은 일반적으로 알루미나-실리카 혼합물등의 시멘트블록과 같은 단열성내화제로 1차로 안을 댈 외부 강철통체로 구성되어 있다. 그 다음에 제1단열라이너에 또한 단열제로서 통상 주조용 알루미나이지만 시멘트 블록으로 만들 수 있는 비침투성 내화제 라이너를 댄다.

제1 및 제2내화성 라이닝은 모두 경제적으로 허용되는 수준에서 열손실을 막는데 양호한 단열성과 충분한 두께를 갖는 상용재료로 만든다. 강철통체와 제1단열성 내화재의 사용이 제안되었지만, 본 발명은 단순히 약 0.5BTU/스퀘어푸트/시간/℉/푸트이하의 열전도성을 갖고 용융금속이 침투되지 않는 단열내화제 통체를 필요로 한다. 이들 내화제는 통상으로 사용하기전에 열처리한다.

그 다음에, 이 내화통체를 용융물에 불활성이고, 부식에 내성을 가지며, 그의 표면이 용융물에 의해 습해지지(Wetting) 않는 내성 또는 저항성을 갖는 고열 전도성 재료로 만든 블록으로 라이닝한다. 열 전도성은 약 5BTU/스퀘어푸트/시간/℉/푸트이상이다.

여기에서 사용하는 ＂블록＂이란 용어는 특정형태로 미리 만들어진 조각을 의미한다. 블록의 보통 형태는 상용적인, 예를 들면 장방형 프리즘형태인 플레이트 또는 블록이며, 플레이트와 블록사이의 차이점은 통상으로 두께에 의해 구별되어진다. 이들 블록에 이들의 설치나 기능에 필요한 구멍이나 또는 리세스(recess)등을 만들어 둔다.

앞에서 정의한 바와 같은 블록은 흑연 또는 실리콘 카아바이드 또는 이들의 양자의 혼합물이 바람직하다. 통체의 내면중 주요부분 또는 50%이상의 부분을 이들 블록으로 카버한다. 여기서 말하는 내부표면이란 동작상태에서 용융물의 수위아래에 있는 표면을 일컫는 것이다. 내면중 약 75%이상의 부분을 이들 블록으로 카버하는 것이 바람직하다. 장방형 프리즘 형태의 구조를 갖는 한개의 격실(compartment)에 있어서 통상으로 저부와 적어도 세측면 이상을 카버한다.

교란이 행해지는 작업격실(working compartment)과 교란이 행해지지 않는 출구격실(exit compartment)을 갖는 구조물에서, 통상으로 작업격실의 저부와 적어도 2개이상의 측부가 카버되며, 작업격실과 출구격실을 분리시키기 위해 벽을 사용하며, 전기의 출구격실은 라이닝 처리하거나 라이닝 처리하지 않는다.

격리벽은 라이닝의 일부로 고려되어서는 안됨을 이해해야 한다. 블록의 다른 특성은 (첫째) 비교적 낮은 열팽창계수; (둘째) 3.10이상의 열전도 계수대 열팽창계수와의 비(실온치는 BTU/스퀘어푸트/시간/℉푸트 및 인치/인치/℉/단위로 각각 표현했다); (세째) 용융된 금속의 교반에 의한 부식의 내성이다.

통체의 내부면이나 또는 응용물 상층의 라이닝에 사용하는 물질은 중요하지 않지만, 용융물에 노출되어 있기 때문에 적어도 불활성이고 부식에 내성을 가져야 한다.

블록의 한가지 기능은 용융물에 의해 생기는 부식에 대해 내화제통체를 보호하는 것이며, 이 목적으로 내부표면이 크면 클수록 보다 좋게 카버된다. 통상으로, 내화제 통체의 내부면은 설계상의 한계때문에 노출된다.

블록은 그의 열 이동이 적어도 한 방향이상으로, 통상으로 두 방향으로 한정되지 않는 방법으로 설치한다. 이들은 통체의 내부면에 부착시키거나 또는 각각 다른 위치에 부착시킨다. 용융물은 블록사이 및 블록뒤로 관통할 수 있으나, 구조가 허용하는 한 이를 극소화한다.

블록의 열팽창시 일어나는 제한은 무리한 설계제한, 예를 들면 사이즈를 최초로 유지하는데 기인한다. 블록은 종래의 제한장치 또는 매질, 예를 들면 통체자체, 슬롯트 또는 리세스에 의해 그 안으로 블록이 미끄러질 수 있게하거나 또는 한개의 블록이 다른 블록을 제어할 수 있도록하여 적소에 배치한다.

블록은 용광로중에서 그의 기능에 따라 두께를 변화시킨다. 여기에서 두 종류의 블록이 이용된다. 그중 블록의 한가지 기능은 단지 부식으로부터 내화제의 내부면을 보호하는 것이다. 이 보호블록의 두께는 일반적으로 약 1내지 5인지 사이이다.

다른 한가지 기능은 이중기능을 갖는데, 그중 하나는 보호블록으로서의 기능이고, 다른 기능은 전기 가열소자 또는 소자들 또는 화염가열장치의 하우징(housing) 기능이다.

이중 기능블록의 두께는 일반적으로 약 3내지 10인치이다. 이중기능블록은 적어도 한개 이상의 기열장치를 가져야 하는데, 예를 들면 블록이 용광로의 벽들중 한개 벽의 내부표면을 카버하는 경우에는 2-4개의 가열장치를 갖는다. 하나 또는 수개의 블록이 상기한 바와 같이 제한된 특정표면을 커버하는데 사용될 수 있음을 유의해야 된다.

금속을 용융상태로 유지하기 위해 충분한 수효의 가열장치를 설치한다. 이 가열장치의 수효는 가열장치의 강도, 예를 들면 화염 또는 한개의 전기 가열소자에 의해 공급되는 에너지와; 용융물용적; 및 용광로 외부로부터의 열손실에 관계된다. 금속을 용광로를 통해 흐르게하고, 용융된 금속의 온도를 상승시키는 것이 요구되는 경우에, 금속의 유동율과 소기의 가열비율은 용광로에 대한 전체전력입력을 결정해주며, 차례로 가열장치와 블록의 사이즈를 결정해준다. 가열장치의 수효는 1-6 또는 그 이상으로 할 수 있다.

흑연의 경우에, 가열장치는 전기저항 가열소자가 플레이트와 접촉하지 않도록 설치된다. 그러나, 실리콘 카아바이드를 사용하는 가열장치는 흑연이나 또는 종래의 기체연료를 사용하는 화염가열장치와 동일하게 할 수 있다.

가열소자는 특정금속 또는 합금을 용융된 상태로 유지하는데 충분한 온도, 예를 들면 약 1000℉내지 약 2500℉의 온도를 공급할 수 있는 니켈-크롬소자 또는 공지의 저항가열소자로 만들 수 있다.

도면을 참조하면, 제1도는 적합한 회전가스분배장치를 도시한 것이다. 이것은 또한 가스주입장치라고도 한다. 이 장치는 수직날개(2)가 장치된 회전자(1)를 포함하고 있다. 이 회전자는 축(3)를 통해 모우터(도시하지 않음)에 의해 회전된다. 축(3)는 고정자(stater)(5)에 단단하게 부착된 슬리이브(4)에 의하여 용융물로부터 보호된다. 이 장치의 내부설계는 가스를 장치의 내부로 도입하여 고정자(5)와 회전자(1) 사이에서 송풍할 수 있도록 설계한다. 이 고정자는 채널(6)(channel)을 가지며, 이 채널은 회전자의 날개(2)와 대응한다. 충분한 압력과 회전속도에서 동시의 가스주입과 회전자 회전은 고도의 격한 상태를 만드는 용융물 중에서 스파징가스(sparging gas)의 소기의 분산 패턴을 일으킨다. 장치와 순환패턴에 관한 자세한 사항은 미국특허 제3,870,511호에 명시되어 있다.

제2도 및 제3도에 나타낸 장치는 제1도에서 나타낸 장치와 비슷한 단일회전가스 분배수단(1)을 갖는다. 용광로의 외벽(2)은 전형적으로 강철로 만든다. 벽(2)의 내부는 제1단열체로서 열전도성이 낮은 시멘트 블록이며, 내부내화체(3)는 내화재(4)로서, 용융물이 침투하지 않는 주조용 알루미나이다. 전형적인 주조용 알루미나는 Al₂O₃96%와 Fe₂O₃0.2%그리고 나머지는 기타 물질로 구성된 것이다.

내화재(4)는 또한 열전도성이 낮은 것으로, 물론 더 단열성을 공급해준다. 외부구조는 용광로 카버루우프(roof)(5)와 상부구조로 구성하며 상부구조(도시하지 않음)는 가스분배기(1)와 전기모우터(도시하지 않음)를 지지한다.

적합한 상태는 고순도의 정련조작에 광범위하게 사용하는 흑연재를 사용하기 때문에, 시스템을 적당하게 밀폐시켜 실질적으로 진공상태를 제공하도록 불활성가스의 분위기하에서 보호해야 한다는 것을 알아야 한다.

용기를 이와 같이 밀폐시키는 경우, 이 용기는 ＂밀폐(closed)＂된 용기로 칭하게 될 것이다. 이와 같은 조건을 요하지 않는 금속제련방법과 기타의 예들, 예를 들면 용융물 상태로 유지하는 방법이 있다.

물론, 실리콘 카바이드는 이들 양자의 경우에 모두 사용될 수 있다. 그러나, 후자의 경우에 기밀봉함(air-tight seals)과 불활성 가스의 보호 카버링이 필요없다.

여기에서 제안된 용기는 상기한 어떠한 조작에서도 사용될 수 있고, 후자의 경우에 별 가치도 없는 한정된 용기 바깥장치의 어떠한 구조도 경제적 이유로 제거할 수 있음을 예의 검토하였다.

정련조작은 입구부분(7)의 입구측에서 미닫이(sliding door)(도시하지 않음)의 개구로 시작한다. 용융된 금속은 실리콘 카바이드 블록으로 라이닝 처리된 입구부분(7)을 통해 작업격실(8)(용융물과 함께 표시되었음)로 들어간다.

이 용융물을 심하게 저어주고 회전가스 분배기(1)를 통해 제련가스로 액중 분산시킨다. 회전가스 분배기(1)의 회전자의 회전은 시계바늘의 회전방향과 반대방향이지만, 이로 인해 용융물중에 유도된 순환패턴은 수직성분을 갖는다. 와류 형성은 출구관(9)과 배플(baffle)(10) 및 (15)로 작업결실(8)의 균형을 상쇄시킴으로써 감소된다.

제련된 금속은 배플(10)뒤에 위치한 출구관(9)으로 들어가 출구격실(11)로 안내된다. 이 격실(11)은 흑연블록(12)과 실리콘 카바이드블록(13)에 의해 작업격실(8)로부터 분리된다. 제련된 금속은 출구(14)를 통해 용광로를 떠나서 수준 유동하에 있는 캐스팅 머신(castiong machine)으로 된다. 용광로의 저부는 흑연 플레이트(6)로 라이닝 처리되어 있다.

금속위에 떠있는 찌꺼기는 배플(baffle) 및 스키머(skimmer)로서 작용하는 블록(15)에 의해 채취되며, 입구(7)에 근접한 용융물의 표면위에서 수집한다. 소비된 스파징 가스는 입구에서 미닫이(표시하지 않음) 밑으로 시스템을 떠난다.

용융물의 상부 표면보호는 아르곤과 같은 불활성 가스를 입구관(도시하지 않음)을 통해 용광로에 도입하여 행한다. 그러나, 출구격실(11)내에서의 환경은 조절되지 않으므로, 흑연블록을 용융물의 표면밑에서만 사용한다.

본 발명의 특징은 출구격실(11)내에서 교란을 피할 수 있는 것인데, 즉, 이 부분에서의 용융물은 거의 정지상태로 있게되며, 이것은 주물에 수평흐름을 제공하는데 유익하다. 이것은 교란을 억제하는 출구관(9)에 의해 성취된다.

합금변화가 일어날 때에 용광로를 배수하기 위해 탭 또는 배수구(16)를 설치한다. 이것은 용광로의 입구 또는 출구측에 위치한다.

이 상태에서는 이중기능 흑연블록(18)에 삽입한 6개의 니켈-크롬 전기저항 가열소자(17)(각 블록당 세개씩)를 사용하여 용광로에 열을 공급한다. 각 블록에 3개의 가열소자가 있다.

블록(18)은 스틸클립(19)과 블록(12) 및 (13)에 의해 적소에 유지되며, 이것은 차례로 슬롯트 및 리세스(도시하지 않음)에 의해 지속된다. 블록(18)은 용광로의 입구측과 상부측으로, 자유로히 신장된다. 루우프(5)는 플랜지가스켓(flange gasket)(20)을 사용하여 용광로의 받침대와 밀폐상태에 있으며, 몇개층의 단열재(21)에 의해 열로부터 보호된다.

사용한 단열재의 예로 섬유상 알루미늄 실리케이트로 뒤를 댄 알루미늄 포일(foli)을 들 수가 있다. 배스 열전기쌍(bath thermocouple)에 보호관(도시하지 않음)을 설치한다. 가스분배기(1)과 모우터(도시하지 않음)는 상부구조물(도시하지 않음)에 연결되어 지지된다.

각 가열소자(17)는 루우프(5)에 미끄러져 부착되어 이중기능블록(18)이 확장됨에 따라 움질일 수 있어서, 이것 또한 본 발명의 다른 특징이다. 가열소자(17)는 블록(18)중에 천공된 구멍안에 끼운다. 가열소자(17)와 블록(18)사이의 접촉은 스페이서(24)와 히이트 배플(heat baffle)(25)에 의해 방지된다. 슬라이딩식 부착은 이중기능블록(18)의 열팽창을 도와준다. 특정부착은 상용이며, 여기에 도시하지 않았다.

용광로가 동작온도에 도달되어 블록(18)이 팽창되었을때, 가열소자(17)는 정위치에서 고정된다. 용공로가 어떤 이유로 식어버렸을 때에, 지붕(5)이 가열소자(17) 부착(도시하지 않음)은 느슨해져서 블록(18)의 수축으로 가열소자(17)는 자유로히 이동할 수 있게된다.

가열소자(17)는 통상으로 루우프와 용광로의 저부에 수직이며, 서로 평행관계를 유지한다.

분배기(1)에 사용한 재료, 각종 플레이트 및 기타 부분품들의 재료는 흑연이 바람직하다. 흑연이 용융물의 레벨위에 있는 경우, 흑연을 예를 들면 세라믹 페인트로 코우팅하고, 봉함 및 보호분위기를 사용하던가 또는 흑연대신에 실리콘 카바이드를 대체해서도 생기는 산화를 방지하는 방법이 제안되었다.

가스분배기(1)와 가열소자(17)를 작동시키기 위해 모우터, 온도조절, 변압기 및 기타 종래의 장치(도시하지 않음)를 설치한다. 입구 및 출구의 시일링, 파이핑 및 밀폐된 시스템의 완전성을 보호하기 위한 기타의 장치들은 또한 공지되었으며, 여기에서 도시하지 않았다.

Claims (1)

1. 용기와 용기속에 배치된 한개 이상의 회전가스 분배장치 그리고 용융금속과 가스를 통과시키는 입구와 출구장치로 구성된 용융금속 정련장치에 있어서, 금속을 용융상태로 유지하기 위한 용기는 측벽과 기저벽으로 이루어진 용융금속의 침투를 막기위한 단열성 내화제 통체를 포함하고, 통체의 측벽과 기저벽의 내부 주요표면부분을 흑연 또는 실리콘 카바이드 블록으로 라이닝 처리하여 블록은 용융물과 접촉하고 인가된 열에 반응하여 두 방향 이상으로 자유로이 팽창하도록 배치되며, 블록과 전기적으로 접촉되지 않게 비고정적으로 부착된 한개 이상의 전기저항 가열소자를 포함한는 것을 특징으로 하는 금속정련 특히 용융금속 정련장치.

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