[논문]타이타늄 제련기술 현황

손호상; 정재영

doi:10.7844/kirr.2016.25.4.68

타이타늄 제련기술 현황
Current Status of Titanium Smelting Technology 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.25 no.4, 2016년, pp.68 - 79

초록
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타이타늄은 지각 구성원소 중 아홉 번째로 풍부한 원소이다. 또한 구조용 금속으로서는 알루미늄, 철, 마그네슘에 이어서 네 번째로 풍부한 원소이다. 일반적으로 이러한 타이타늄은 Kroll법에 의해 만들어지고 있다. 최근 전 세계의 많은 연구자들에 의해서 새로운 타이타늄 제련법이 개발되어 왔다. 본 연구에서는 상업화 되었거나 개발 중인 신 제련 프로세스를 $TiCl_4$의 금속 열환원법, $TiO_2$ 등의 전해환원법, 그리고 수소를 이용한 환원법으로 분류하였다. 이러한 새로운 제련 프로세스의 환원기구와 현황에 대하여 종합하고 상업화 가능성의 관점에서 정리하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium is the ninth most abundant element in the Earth's crust. It is also the forth most abundant structural metal after aluminum, iron and magnesium. Titanium is conventionally produced by the Kroll process. New processes to produce metallic titanium have been currently developed by many researchers in the world. In this study, the existing technologies, including both commercial and developmental processes, categorized into three groups: those by metallothermic reduction of $TiCl_4$ and $TiO_2$, those by electrolytic reduction of $TiO_2$ and hydrogen reduction of Ti compounds. Their mechanisms for reduction and their features are summarized and discussed in the view of industrial application.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Kroll법을 대체하기 위한 여러 가지 새로운 제련법에 대하여 알아보았다. 타이타늄의 신제련법은 원료적인 측면에서 본다면 TiCl₄를 이용하는 방법과 TiO₂를 이용하는 방법으로 대별할 수 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 타이타늄 제련의 합리화와 신제련법에 대해서 여러 가지로 검토되어 다양한 연구결과가 발표되어 있다. 본고에서는 Kroll법에 의한 Ti 제련부터 최근까지 제안되어 있는 여러 가지 제련방법에 대해서 정리하였다.

가설 설정

9에 나타내었다.¹⁸⁾ TiO₂가 고온에서 반도체가 되는 성질과 OS법이나 PRP법과 마찬가지로 CaCl₂ 중에 CaO, 즉 O^2-가 대량으로 용해하는 성질을 이용한 것이다. CaCl₂ 염욕 중에서 소결한 TiO₂를 음극(cathode), 탄소를 양극(anode)으로 하여 TiO₂를 환원하고, 탈산반응을 진행시켜 저 산소농도의 타이타늄을 전해채취하는 방법이다.

제안 방법

QIT (Quebec Iron and Titanium)는 Fig. 12에 나타낸 것처럼 고온에서 용융 titania 슬래그를 cathode로 사용하는 전해 반응에 의해서 용융 타이타늄을 얻는 기술을 개발하였다.^22,23) 타이타니아 슬래그를 용융상태로 유지하기 위하여 반응온도는 1570 ~ 1860℃이다.
여기서는 환원방법 측면에서 열환원법, 전해 채취법, 그리고 수소 환원법으로 구분하여 살펴본다.

성능/효과

11) 타이타늄의 신제련법은 환원방법으로 보면 금속 열환원법, 전해채취법, 그리고 기타의 방법이 있으며, 환원경로 측면에서 살펴보면 산화물로부터의 직접 환원, 염화물/불화물과 같은 중간 화합물을 경유하는 방법이 있다. 또한 생성물질의 상태측면에서 살펴보면 고체(스펀지), 분말, 액체 등의 방법이 있다.
1에 주요한 활성금속과 그 산화물이 평형하는 산소 포텐샬을 나타내었다.⁵⁾ 열역학적으로 타이타늄 산화물은 알루미늄이나 마그네슘으로 환원할 수 있지만, 1 wt% 이하의 저산소 농도의 금속 타이타늄을 생성할 수 있는 금속원소는 그림의 Ti-TiO 선보다 아래쪽의 칼슘(Ca), 란탄(La), 이트리움(Y) 등의 화학적으로 매우 활성인 금속으로 제한되는 것을 알 수 있다. 그러나 현실적으로는 란탄이나 이트리움으로 타이타늄을 제조하는 것은 경제적인 문제로 인하여 불가능하므로 Ca을 이용한 제련에 대하여 많은 연구들을 수행하여 왔으나,⁶⁾ 반응 생성물인 CaO에 의한 오염 등으로 인하여 저 산소농도의 금속 타이타늄을 제조하기에는 곤란하여 이를 해결하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.

후속연구

특히 다른 방법과 달리 생성물이 분말이나 스펀지 상태가 아닌 액체 상태이므로 철강제련 등과 같이 용융 타이타늄을 연속적으로 얻을 수 있어서 재용해 공정을 생략할 수 있다는 점에서 매우 흥미로운 방법이다. 그러나 아직 생산능력이나 상업화에 대한 계획은 알려져 있지 않으며, 슬래그 조성제어와 품질 확인을 위한 반복적인 실험이 필요할 것으로 생각된다. 유사한 방법으로는 Takenaka 등의 ESR(Electro Slag Remelting)법을 이용한 전해법이 있다.
특히 전해법과 비교하면 플럭스 사용량을 줄일 수 있는 등의 장점이 있기 때문에 저비용의 프로세스라고 주장하고 있다. 그러나 아직 실용화에는 이르지 못하였으며, 실험실적 연구 수준에 머물러 있으나, 향후 연속공정 등에 대한 연구가 이루어진다면 실용화도 가능할 것으로 기대된다.
이 방법은 Kroll법에 비하여 에너지 비용을 약 62 % 정도로 절감할 수 있는 것으로 보고하고 있으나, MgH₂의 비용 등에 대한 고려가 필요할 것으로 생각된다. 아직은 실험실적 연구단계에 있지만 ITT법 등과 같이 TiCl₄를 제조하지 않는 직접제련이라는 점에서 향후의 전개에 대하여 관심을 가질 필요가 있을 것으로 생각된다.
또한 TiO₂를 이용하여 직접 전해환원을 하는 방법들에 대하여 많은 연구들이 이루어져 왔다. 특히 타이타늄 하이드라이드를 경유하는 방법은 산소농도를 매우 낮게 유지할 수 있는 장점이 있기 때문에 향후의 전개방향에 대한 많은 관심이 필요할 것으로 생각된다.
향후의 타이타늄 신제련 프로레스의 개발과제로는 기존 프로세스의 고효율화와 연속화 및 산화물의 직접 환원이 될 것으로 생각된다. 이러한 신 프로세스의 개발방향은 타이타늄의 용도에 적합한 품질을 제어할 수 있어야 할 것이고, 환원 프로세스와 관련한 물질이동 및 이온이나 전자의 이동을 제어할 수 있어야 하고, 무엇보다도 공정을 간소화할 수 있도록 하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이타늄의 특징은?	꿈의 금속으로 기대를 모으며 1947년 미국에서 처음으로 1 톤의 스펀지 타이타늄이 공업적으로 제조된지 벌써 69년 경과했다. 타이타늄은 비중이 4.5 g/cm3으로 철의 60% 정도이지만 비강도가 높아 같은 무게에서는 알루미늄의 6배, 철의 약 2배의 강도를 가지고 있다. 또한 해수 중에서는 백금에 필적하는 내식성을 가지며 스테인리스강보다 우수하다. 또한 인체에 대한 금속 알러지 등이 없는 등 생체 적합성이 매우 우수한 안전한 금속으로서 인공 뼈 등에 이용되고 있다.
	금속 타이타늄을 제조하는 Kroll법의 문제점은?	한편, Kroll법은 20세기 후반부터 금속 타이타늄 제조 프로세스로 정착되어 공업적으로 널리 이용되고 있으며, 순도 높은 스펀지 타이타늄이 얻어지는 점에서는 우수한 기술이지만, 공정이 복잡하고 실수율의 문제로 생산성이 낮으며 제조비용은 매우 높아서 타이타늄 수요확대의 큰 장애로 되어 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 타이타늄 제련의 합리화와 신제련법에 대해서 여러 가지로 검토되어 다양한 연구결과가 발표되어 있다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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