KR101770838B1 - 고체 공급재료의 환원 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

고체 금속 화합물과 같은 고체 공급재료의 환원을 위한 방법에 있어서, 전해 장치에서 공급재료 부분은 두 개 이상의 전해조(50, 60, 70, 80) 각각에 배치된다. 용융염은 각각의 전해조에서 전해물로서 제공된다. 용융염은 염이 각각의 전해조를 통하여 흐르도록 용융염저장소(10)로부터 순환된다. 공급재료는 각각의 전해조의 전극을 가로질러 전위를 적용함으로써 각각의 전해조에서 환원되는데, 이때 상기 전위는 공급재료의 환원을 일으키기에 충분하다. 또한, 본 발명은 방법을 구현하기 위한 장치를 제공한다.

Description

고체 공급재료의 환원 장치 및 방법{Apparatus and Method for reduction of a solid feedstock}

본 발명은 고체 공급재료의 환원, 특히 고체 금속 산화물의 환원에 의해 금속을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 생성물(product)을 형성시키기 위한 금속 산화물과 같은 금속 화합물을 포함하는 고체 공급재료의 환원에 관한 것이다. 종래기술에서 알려진 바와 같이, 예를 들어 금속 화합물 또는 반금속(semi-metal) 화합물을 금속, 반금속 또는 부분적으로 환원된 화합물로 환원시키거나, 또는 금속 화합물의 혼합물을 환원시켜 합금 형태로 형성하기 위해 그러한 공정이 이용될 수 있다. 반복을 피하기 위하여, 본 명세서에서 금속이라는 용어는 금속, 반금속, 합금, 금속간 화합물(intermetallics) 및 부분적으로 환원된 생성물과 같은 생성물들을 모두 포함하는 것으로 사용될 것이다.

최근 몇 년 동안, 고체 금속 산화물 공급재료와 같은 고체 공급재료의 환원에 의한 금속의 직접 생산이 크게 관심을 받아 왔다. 그 중 하나의 환원 공정은 캠브리지 FFC 전기분해(electro-decomposition) 공정이다(국제공개특허 제99/64638호에 설명되어 있음). FFC 방식에서는 고체 금속 산화물과 같은 고체 화합물은 용융염(fused salt)을 포함하는 전해조(electrolytic cell)의 음극에 접촉하도록 배치된다. 금속 화합물이 환원되도록 전위(potential)가 전해조의 음극과 양극 사이에 적용된다. FFC 공정에서 고체 화합물을 환원시키기는 전위는 용융염으로부터의 양이온을 위한 석출 전위(deposition potential)보다 낮다. 예를 들어, 용융염이 염화칼슘인 경우 고체 화합물이 환원되는 음극 전위는 염으로부터 칼슘을 침전시키기 위한 석출 전위보다 낮다.

공급재료를 음극으로 연결된(cathodically-connected) 고체 금속 화합물의 형태로 환원시키기 위한 다른 환원 공정들은 국제공개특허 제03/076690호에 설명된 자극 공정(polar process) 및 국제공개특허 제03/048399호에 설명된 공정 등에서 제안되었었다.

용융염을 포함하는 전해조에서 고체 공급재료의 금속으로의 환원이 실험실 규모에서 수년 동안 수행되어 왔지만, 생산량을 산업 레벨까지 증가시키는 것은 용이한 것으로 판명되지 않았다.

일반적인 전해 환원 공정에서 전해조는 음극, 양극 및 용융염에 접촉하여 배치되는 공급재료를 포함한다. 염은 전해조 내부에서 용융된 상태가 되도록 가열되고 환원 공정 동안 염은 공급재료로부터 방출되고 억제 물질(containment material)과 전극의 반응에 의해 방출되는 성분들로 오염된다. 이러한 전해조를 사용하여 전해 환원을 수행할 때, 전체 전해조는 염이 녹는 온도로 가열될 필요가 있는데, 이는 상당한 양의 에너지와 시간이 요구된다. 환원이 완료되면 염을 포함하여 전체 전해조는 냉각될 필요가 있고 염을 가열하기 위해 시스템에 제공된 에너지가 손실된다.

본 발명의 목적은 고체 공급재료의 전해 환원을 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명은 이제 설명될 첨부된 독립항에서 한정된 바와 갈은 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 바람직한 또는 유리한 특징들은 종속항에서 설명된다.

따라서, 본 발명의 일 측면은 고체 공급재료를 환원시키는 방법, 예를 들어 전해 장치에서 고체 공급재료의 환원에 의해 금속을 생산하는 방법을 제공할 수 있다. 상기 방법은 복수의 전해조 각각에 고체 공급재료 일부를 배치하는, 바람직하게는 복수의 전해조 각각에서 음극 또는 음극부재에 접촉되도록 배치하는 단계, 용융염이 전해조를 통해 흐르도록 용융염저장소의 용융염을 순환시키는 단계 및 각각의 전해조의 전극들을 가로질러 전위를 적용시키는 단계를 포함한다. 적용된 전위는 전해조 내부에서 공급재료의 환원, 예를 들어 금속으로의 공급재료의 환원을 일으키기에 충분하다. 바람직하게는, 각각의 전해조는 전위가 공급재료의 환원을 일으키기 위하여 양극과 음극 사이에 적용될 수 있도록 전기공급부에 연결된 양극과 음극을 포함한다.

바람직하게는, 상기 방법은 전해조를 통과하는 용융염의 흐름을 제1 저장소에 수용된 염으로부터 제2 저장소에 수용된 염으로 전환하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 염의 성분은 제1 염의 성분과 다를 수 있다.

환원의 다른 단계들에서 다른 염 성분을 사용하는 것은 후술하는 바와 같이 많은 장점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 방법은 바람직하게는 낮은 산소 농도(level)의 금속이 더 높은 비율로 형성될 수 있는데, 이는 환원 반응을 일으키기 위하여 더 높은 농도의 용해된 산소 이온을 포함하는 제1 염을 사용하고, 그리고 나서 산소의 마지막 부분을 환원된 생성물로부터 제거하기 위하여 더 낮은 농도의 산화 이온을 갖는 제2 염으로 전환함으로써 가능하다.

더 바람직하게는, 붕소 또는 인과 같은 원소들이 첨가된 환원된 생성물을 생산하는 것이 가능한데, 이는 먼저 깨끗한 염을 사용하여 환원을 수행하고, 그리고 나서 환원의 마지막 단계에서 불순물로서 소정 농도의 필요한 원소를 포함하는 염으로 전환함으로써 이루어질 수 있다. 이때, 불순물(impurity)/도펀트(dopant)는 첨가된 생성물을 생산하기 위하여 환원된 생성물에 스며들 수 있다.

또한, 환원 반응의 반응 속도에 영향을 미치게 하기 위하여 다른 저장소의 염을 다른 온도로 유지시키는 것이 가능하다.

상기 방법은 용융염의 흐름을 환원 반응 동안 두 개 이상의 저장소 사이, 예를 들어 세 개의 저장소 또는 네 개의 저장소 사이에서 전환시키는 것을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 방법은 환원 반응 완료 후에 장치로부터 전해조를 제거하고, 제거된 전해조를 비환원된 공급재료를 포함하는 새로울 전해조로 교체하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 전해조의 교체는 용융염이 장치의 다른 전해조를 통하여 계속하여 흐르고 있는 동안에 이루어진다. 전해조의 교체는 전해조의 물리적 제거 및 교체 또는 염의 흐름이 제거된 전해조로부터 장치의 다른 곳에서 교체된 전해조로 전환되는 것을 포함할 수 있다.

상기 장치는 환원의 다른 단계들에 있는 공급재료를 포함하는 전해조를 어느 때에 포함할 수 있다. 일부 전해조들은 새로운 비환원된 공급재료를 포함할 수 있고, 일부 전해조들은 부분적으로 환원된 공급재료를 포함할 수 있으며, 일부 전해조들은 완전히 환원된 공급재료를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 그러한 전해조들에서 환원 반응이 완료에 도달한 때에 전해조의 지속적인 교체에 의해 공급재료를 계속적으로 환원시키는 것이 가능하다.

바람직하게는, 제1 및 각각의 염저장소에서 용융염 농도(level)는 소정 농도로 유지된다. 일부 용융염이 각각의 교체와 함께 손실될 것이므로 전해조가 장치 내부에서 지속적으로 교체되고 있는 이러한 단계는 특별한 장정이 될 수 있다.

바람직하게는, 상기 또는 각각의 용융염저장소의 용융염은 염에서 원하지 않는 불순물을 제거하고 저장소에서 염 성분을 유지시키는 정화 시스템을 통하여 순환될 수 있다. 이러한 정화 시스템은 여과(filtration) 및 전해(electrolysis) 공정을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 공급재료의 환원은 전기 분해(electro-decomposition)에 의해 일어난다. 특히, 금속 산화물 또는 금속 산화물의 혼합물의 전기 분해(전기 탈산(electro-deoxidation))는 고체 금속 화합물을 포함하는 고체 공급재료로부터 바로 금속을 생산하는 방법이다.

본 발명의 다른 측면은 고체 공급재료의 환원 장치, 예를 들어 고체 공급재료의 환원에 의해 금속을 생산하는 장치를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 상기 장치는 각각이 전극을 갖고 고체 공급재료 일부를 수용하는 복수의 전해조, 및 각각의 전해조를 통하여 흐르도록 순환될 수 있는 용융염을 수용하는 제1 용융염저장소를 포함한다.

고체 공급재료의 환원을 일으키기에 충분한 전위가 환원 반응을 일으키기 위하여 각각의 전해조의 전극들을 가로질러 적용될 수 있다.

바람직하게는, 각각의 전해조는 용융염 입구, 용융염 출구, 하우징 내부에 위치된 양극 및 하우징 내부에 위치된 음극을 갖는 하우징을 포함한다. 따라서, 전위가 전해조의 양극과 음극 사이에서 적용될 수 있다.

바람직하게는, 고체 공급재료 일부는 복수의 전해조 각각에서 음극 또는 음극부재에 접촉하여 유지된다.

상기 장치는 용융염을 순환시키는 적어도 하나의 용융염 이송 회로를 포함할 수 있다. 이러한 회로는 200℃와 1200℃ 사이 또는 600℃와 1200℃ 사이의 온도에서 저장소로부터 하나 이상의 전해조로 그리고 다시 저장소로 되돌아오는 용융염의 흐름을 이동시키기 위해 적절한 도관 또는 배관(pipework)을 포함할 것이다. 또한, 상기 또는 각각의 염 이송 회로는 펌프 및/또는 필터 및/또는 염의 흐름을 조절하기 위한 밸브를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 염 이송 회로가 장치의 구성에 따라 사용될 수 있다.

바람직하게는, 염은 용융염 회로 또는 회로들을 순환토록 펌핑된다. 그러나, 상기 또는 각각의 회로의 일부는 중력이 주어지도록 시스템 또는 장치를 배치하는 것이 가능하다. 예를 들어, 주된 염저장소는 전해조보다 더 높이 위치될 수 있어 염이 중력의 영향 하에서 전해조를 통하여 흐를 수 있다.

이러한 장치의 장점은 염이 용융염을 가열하고 유지시키도록 설계된 염저장소에서 가열될 수 있고 그리고 나서 이러한 염이 분리된 전해조인 복수의 전해조 중 하나 이상에 공급될 수 있다는 것이다. 바람직하게는, 저장소의 염은 적절한 소정 온도로, 예를 들어 환원 반응을 위한 작동온도로 유지될 수 있고, 그때 전해조가 환원을 위해 준비되면 전해조를 바로 통과하게 될 수 있다. 환원 반응이 장치의 전해조에서 완료된 때, 상기 전해조는 용융염이 배출되고 냉각될 수 있다. 염저장소에서 염은 환원된 공급재료가 전해조로부터 보충될 때마다 냉각될 필요는 없고, 즉 그것의 열에너지를 잃을 필요가 없다. 상기 저장소의 염이 특정 환원 반응을 위한 작동온도로 또는 상기 온도 가까이로 유지된다면, 다른 환원 반응에 사용되기 위해 다른 전해조로 바로 공급될 수 있다.

분리된 용융염저장소의 사용은 다른 장점을 가질 수 있다. 염저장소 안의 용융염의 성분은 감시되어 소정 한도 내에서 유지될 수 있다. 종래기술에 따른 전형적인 전해조에서, 모든 용융염은 환원이 일어나는 전해조 안에 수용된다. 따라서, 염은 공급재료가 환원됨에 따라, 그리고 전해조 자체와의 반응, 예를 들어 억제(containment) 물질 및/또는 전극들과의 반응에 따라 분순물로 빠르게 오염될 수 있다. 환원이 진행됨에 따라, 용융염 안의 불순물의 정도는 증가하는 경향이 있다. 염의 흐름이 장치에 구성된 각각의 전해조의 하우징을 통과하도록 제공되는 것은 본 발명의 장점이다. 즉, 각각의 전해조 내부의 용융염은 지속적으로 새로운 염으로 보충되고 교체되고 있다. 오염물질은 염의 흐름에 의해 공급재료를 둘러싸는 반응 영역으로부터 제거되고, 이것은 바람직하게도 환원된 생산물이 오염되는 것을 방지할 수 있고 환원 반응의 속도를 증가시킬 수 있다.

모니터링, 여과 및/또는 정화 부재를 상기 또는 각각의 용융염 이송 회로 및/또는 저장소 자체 안에 또는 분리된 염 정화 회로 안에 포함함으로써, 환원 공정 동안 용융염의 성분을 소정 성분 범위 내에서 유지시키는 것이 가능하다. 특히, 이것은 환원 공정이 산소 또는 탄소와 같은 불순물을 용납하지 않는 금속의 제조에, 예를 들어 티타늄 또는 탄탈의 제조에 사용되고 있는 곳에 유리할 수 있다.

바람직하게는, 염저장소의 염의 체적은 복수의 전해조 및 용융염 회로의 염의 전체 체적과 동일하거나 체적보다 크다. 바람직하게는, 저장소의 염의 체적은 이러한 체적의 두 배 또는 세 배 이상이다.

전해 환원 동안 형성되는 불순물은 종래기술에 따른 전형적인 전해 환원 시스템에서보다 시스템에 더 큰 체적의 염이 존재한다는 사실에 의해서 효과적으로 희석된다. 시스템에서 염의 체적이 환원되는 공급재료의 양에 비해 크기 때문에, 불순물이 프로세싱 동역학 상에 또는 환원된 생산물의 순도 상에 가질 수 있는 나쁜 효과가 개선될 수 있다.

바람직하게는, 상기 장치는 제2 용융염의 흐름을 복수의 전해조에 공급하기 위한 제2 염저장소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제2 염저장소는 제1 염저장소와 같이 동일한 염 이송 회로 또는 회로들에 연결되고, 이러한 회로에서 밸브는 전해조를 통하여 흐르는 용융염의 소스가 제1 염저장소로부터 제2 염저장소로 그리고 반대로 전환되게 할 수 있다.

또는, 제2 염저장소는 복수의 전해조 각각으로의 입구와 출구가 구비된 자신의 분리된 용융염 이송 회로 또는 회로들을 가질 수 있다.

제2 염저장소를 사용하는 하나의 이점은 전해 공정 동안 전해조의 염 성분이 변경 가능하다는 것이다. 예컨대, 금속 산화물의 전해 환원을 위해 FFC 공정을 이용하는 때에, 그것은 상대적으로 높은 농도의 산화 이온을 포함하는 용융염, 예를 들어 용해된 산화칼슘, 바람직하게는 0.2와 1.0 사이의 중량%, 그리고 더 바람직하게는 0.3과 0.6 사이의 중량%의 용해된 산화칼슘을 포함하는 염화칼슘염을 사용하는 공정을 시작하는 데에 유리할 수 있다. 용해물 안에 산화칼슘이 존재하므로 전기 분해 반응이 비교적 쉽게 일어나게 할 수 있을 것이다. 탈탄과 같은 일부 금속의 생산을 위해, 최종 생산물 안의 산소 함량은 낮을 필요가 있고, 용융염 안의 높은 농도의 산화 이온의 존재는 바람직한 낮은 농도의 산소가 금속에 생성되는 것을 방해할 수 있다.

용융염의 제2 저장소를 사용함으로써 비교적 높은 산화물 함량을 가진 용융염을 사용하여 전기 분해 반응을 일으키고 그 다음 낮은 산화물 농도를 가진 염을 사용하여 반응을 종료시키기 위해 염 소스를 전환하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 제1 염이 용해된 산화칼슘을 함유한 염화칼슘을 포함하는 경우에, 제2 염은 염 안에 실질적으로 산화칼슘이 전혀 용해되어 있지 않은 염화칼슘을 포함할 수 있다. 바람직하게도, 이러한 염 소스의 전환은 전체 반응이 시작되고 효율적으로 가능한 속도로 진행되는 것을 가능케 하는 반면 최종 생산물의 산소 농도가 상당히 감소되는 것을 가능케 한다.

환원 반응 동안 염 소스를 전환하고자 하는 다른 이유가 있을 수 있다. 제1 저장소의 염 소스는 전해 공정 동안 오염될 수 있고 제2 염 소스로의 전환, 즉 새로운 오염되지 않은 염을 전해조에 공급하는 것은 오염물질 함량이 낮은 금속의 생산을 가능케 한다.

반대로, 환원된 생산물에 포함되거나 용해될 수 있는 의도적인 오염물질 또는 도펀트를 포함하는 염 공급부로 전환하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 어떤 금속에 미량의 불순물을 첨가하는 것이 유리할 수도 있고, 그런 첨가된 재료를 생산하는 편리한 방법은 재료를 환원 공정의 마지막 부분 동안 도펀트 재료로 오염된 염 안에 담그는 것일 수 있다.

상기 장치는 둘 이상의 염저장소, 예를 들어 세 개 또는 네 개의 염저장소를 포함할 수 있되, 각각은 환원 공정 동안 사용을 위해 다른 성분을 가진 염을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 각각의 전해조는 상기 전해조를 제공하는 염 이송 회로에 개별적으로 제거가능하게 연결될 수 있다. 이에 따라, 특정 전해조로의 염 공급을 중단하는 반면 남아 있는 전해조를 통과하는 염의 흐름을 유지시키는 것이 가능하다. 다음, 흐름이 중단된 전해조는 그 회로로부터 완전히 제거될 수 있다. 전해 환원 반응을 진행하고 있는 다른 전해조에 영향을 주지 않으면서 어느 전해조를 오프라인으로 둘 수 있는 이러한 능력은 반연속(semi-continuous) 공정의 개발을 가능케 한다.

종래기술에 따른 전형적인 전해 공정에서, 염 전해물은 전해조에서 수행되는 모든 전해 반응을 위해 차가운 상태로부터 작동온도로 상승될 필요가 있다. 전해 반응이 종료된 후에 염은 냉각되어야 한다. 가열과 냉각은 상당한 에너지와 시간을 필요로 한다. 유리하게는, 에너지와 시간은 용융염을 소정 온도로, 바람직하게는 반응 전해조 또는 전해조들로부터 독립적으로 연장된 시간에 대하여 소정 성분으로 유지시키는 능력을 가진 장치를 사용함으로써 절약될 수 있다. 환원 공정이 특정 전해조에서 완료된 때, 그 전해조는 시스템으로부터 제거되거나, 또는 배수되고 그 다음 환원된 공급재료가 제거될 수 있도록 시스템으로부터 제거될 수 있다. 유리하게는, 비환원된 공급재료를 수용하는 새로운 전해조가 상기 전해조가 제거된 후 거의 즉각적으로 제거된 상기 전해조를 대체할 수 있다.

각각의 전해조가 장치에 독립적으로 제거가능하게 연결되도록 하기 위하여, 염 이송 회로 또는 회로들은 각각의 전해조로의 그리고 전해조로부터의 염 흐름을 선택적으로 제한하는 작동이 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 따라서, 각각의 전해조는 장치가 작동하는 동안에 교체될 수 있다.

상기 장치는 저장소 또는 저장소들 안에 용융염 정화 수단을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 정화 수단은 염에 형성되는 찌꺼기, 슬래그 또는 입자들을 제거하기 위하여 염의 여과를 포함할 수 있다. 또한, 정화는 바람직하지 않은 요소를 제거하기 위한 수단을 포함할 수 있는데, 예를 들어 장치는 초과 용해된 산소를 염으로부터 제거하기 위해 게터(getter)를 포함할 수 있다.

정화 수단은 공급재료의 환원 동안에 형성되거나 염이 대기로부터 포집하는 불순물을 제거하기 위하여 염의 전해 수단을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 또는 각각의 염저장소 내부에서 염의 성분은 어떤 소정 한도 내에서 유지될 수 있고 환원 반응을 일정하고 제어가능하게 하는 데에 도움이 될 수 있다.

정화 수단이 정화 회로에 내에 통합되는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 염은 상기 또는 각각의 저장소 밖으로 흘러나와 하나 이상의 정화 요소 또는 장치를 통과하여 상기 또는 각각의 저장소로 다시 흘러들어올 수 있다.

시스템 내에서 염의 농도(level of salt)는 전해조 중 하나가 회로에서 제거될 때마다 감소될 수 있다. 전해조가 필수적이지는 않지만 오프라인 상에 놓이기 전에 배수됨에도 불구하고, 일부 염이 전해조의 내면과 환원된 생산물 상에 보유될 것이다. 따라서, 상기 장치는 새로운 용융염을 상기 또는 각각의 염저장소로 공급하도록 보충(top-up) 염저장소를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상온의 염을 작동온도(대략 750℃와 1200℃ 사이일 수 있음)로 상승시키는 것은 몇 시간의 느린 가열을 필요로 할 수 있다. 작동온도에 도달하게 되면 새로운 염은 염이 대기로부터 포집한 물을 제거하기 위하여 예를 들어 화학적 또는 전해 처리에 의해 정화될 필요가 있다. 따라서, 바람직하게도 보충 염저장소는 주된 염저장소와 분리 구성되어 새로운 염이 작동온도로 가열되고 처리되어 작동 성분을 제공하는 것을 가능케 한다. 이러한 가열과 준비가 수행된 후, 염 농도를 유지하기 위하여 새로운 용융염이 장치의 상기 또는 각각의 염저장소에 첨가될 수 있다.

사용시 용융염은 많은 다른 이온종(ionic species)을 포함할 수 있다. 상기 장치가 작동 중에 있을 때, 전기적 연결이 전해조와 저장소 사이에서 용융염을 통해 형성될 수 있는 위험이 있다. 그러한 전기적 연결은 염저장소 또는 염 이송 회로와 같은 장치의 부재들을 부식시키고 이에 따라 염을 오염시키는 위험을 상당히 증가시키기 때문에 바람직하지 않을 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 용융염 회로는 바람직하게는 용융염이 전해조로부터 상기 또는 각각의 저장소로 되돌아오도록 리턴 영역 또는 섹션을 포함할 수 있고, 여기서 전해조와 저장소 또는 저장소들 사이의 전기적 연결을 방지하기 위하여 염 흐름은 상기 리턴 영역에서 차단된다(broken). 이러한 액체 흐름의 차단은 간단히 염을 흐름이 방해되는 높이에서 저장소로 떨어뜨림으로써 달성되거나, 리턴 영역의 액체 흐름 경로에 둑(weir)을 마련함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따라 설명된 상기 장치는 공급재료의 환원을 위한 전해조의 형태와 함께 유리하게 사용될 수 있다. 상기 장치는 복수의 이극성(bipolar) 부재를 포함하되 각각의 이극성 부재의 일 면이 음극으로서 기능하는 전해조의 사용에 특히 유리할 수 있다. 유리하게도, 이극성 부재를 포함하는 전해조의 사용은 각각의 전해조에서 환원된 공급재료의 볼륭을 증가시킬 수 있고, 이러한 복수의 이극성 전해조를 가진 장치를 사용함으로써, 장치는 출원인이 함께 접수한 PCT 특허출원에서 설명된 바와 같이 산업적 규모로 사용하기에 더 매력적일 수 있되, 이때 상기 PCT 특허출원은 GB 0908152.2를 기초로 우선권을 주장하며, 상기 두 개의 출원은 여기서 전체가 참조문헌으로서 포함된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 측면은 상업적인 규모로 많은 분량의 고체 공급재료의 환원에 특히 적합할 수 있다. 특히, 장치 내부에 수직 배치된 이극성 부재들을 포함하는 실시예들은, 프로세싱 플랜트의 단위 면적당 얻어질 수 있는 환원된 생산물의 양을 효과적으로 증가시키면서, 다수의 이극성 부재들이 작은 플랜트 공간 안에 배치되는 것을 가능케 한다.

상기에서 설명된 본 발명의 다양한 측면의 방법 및 장치는 고체 금속 산화물을 포함하는 고체 공급재료의 환원에 의해 금속을 생산하는 데에 특히 적합하다. 순수한 금속은 순수한 금속 산화물과 합금을 환원시켜 형성될 수 있고 금속간 화합물(intermetallics)은 혼합된 금속 산화물 또는 순수한 금속 산화물의 혼합물을 포함하는 공급재료를 환원시켜 형성될 수 있다.

일부 환원 공정들은 단지 그 공정에서 사용되는 용융염 또는 전해조가 금속 산화물 또는 환원되는 화합물보다 더 안정적인 산화물을 형성하는 금속 종(metallic species)(반응성 금속)을 포함하는 때에 작동될 수 있다. 이러한 정보는 열역학적 데이터, 특히 깁스(Gibbs) 자유 에너지 데이터의 형태로 쉽게 이용할 수 있고, 표준 엘링함(Ellingham) 다이어그램 또는 우위(predominance) 다이어그램 또는 깁스 자유 에너지 다이어그램에서 편리하게 결정될 수 있다. 산화물 안정성에 대한 열역학적 데이터와 엘링함 다이어그램은 전기화학자와 채광하는 야금학자에 의해 이용 가능하고 이해된다.

따라서, 환원 공정을 위한 바람직한 전해물은 칼슘염을 포함할 수 있다. 칼슘은 대부분의 다른 금속보다 더 안정적인 산화물을 형성하고 그러므로 산화칼슘보다 덜 안정한 금속 산화물의 환원을 촉진시키도록 기능할 수 있다. 다른 경우에서는, 다른 반응성 금속을 포함하는 염이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 여기서 설명된 발명의 어느 측면에 따른 환원 공정은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 또는 이트륨로 구성된 염을 사용하여 수행될 수 있다. 염화물 또는 다른 염은 염화물 또는 다른 염화물의 혼합물을 포함하여 사용될 수 있다.

적절한 전해물을 선택함으로써, 대부분의 금속 산화물이 여기서 설명된 방법과 장치를 이용하여 환원될 수 있다. 특히, 베릴륨, 붕소, 마그네슘, 알루미늄, 실리콘, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 게르마늄, 이트륨, 지르코늄, 니오브, 몰리브덴, 하프늄, 탄탈, 텅스텐의 산화물과 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 사마륨을 포함하는 란탄 계열과 악티늄, 토륨, 프로트악티늄, 우라늄, 넵투늄, 플루토늄을 포함하는 악티늄 계열은 바람직하게는 염화칼슘로 구성된 용융염을 사용하여 환원될 수 있다.

숙련자는 특정 금속 산화물을 산화시키기에 적절한 전해물을 선택할 수 있을 것이고, 대부분의 경우에서 염화칼슘을 포함하는 전해물이 적절할 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 고체 공급재료의 환원 장치 및 방법에 의하면, 용융염을 포함하는 전해조에서 고체 공급재료의 금속으로의 환원을 산업 레벨까지 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 오염된 염을 포함하는 전해조를 사용하여 전해 환원을 수행하는 과정에서, 전체 전해조는 염이 녹는 온도로 가열되거나 냉각될 필요가 있는데, 이때 요구되는 상당한 양의 에너지와 시간을 절약할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 구체적인 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 설명될 것이다;
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치를 나타내는 개략도;
도 2는 본 발명의 제1 실시예와 함께 사용하기 적합한 이극성 전해조를 나타내는 개략도;
도 3은 전해조가 제거된 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치를 나타내는 개략도;
도 4는 하나의 전해조가 연결된 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치를 나타내는 개략도;
도 5는 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 개략도;
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예를 개략적으로 나타내는 평면도.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치를 나타낸다. 이러한 장치는 히터(20)가 결합된 용융염저장소(10)를 포함하되, 히터는 저장소 안의 염에 열을 가해 녹이고 소정의 작동온도에서 염을 유지시키기 위한 것이다. 저장소(10)로부터 나가 다시 돌아오는 염 이송회로(30)는 스테인리스강 도관이나 파이프 및 이송회로 펌프(40)를 포함한다.

용융염 회로(30)는 용윰염을 저장소(10)로부터 복수의 분리된 전해조(50, 60, 70, 80) 각각으로 전달하도록 배치된다. 전해조 각각은 용융염 입구(100)과 용융염 출구(110)을 갖는 하우징을 포함하되, 상기 입구와 출구가 하우징의 양 단부에 배치되어 용융염이 입구를 통해 각각의 전해조의 하우징 안으로 흘러들어가 하우징의 내부 영역을 통과한 후 출구를 통해 전해조의 밖으로 흘러나올 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 용융염 회로(30)는 T형 연결부(31)에서 두 영역으로 나뉜다. 유동의 일 영역은 염입력채널(32)을 따라 이동하고 유동의 다른 영역은 염출력채널(33)을 따라 지나간다. 염입력채널(32)과 염출력채널(33)은 염이 저장소(10)에 다시 들어가기 전에 T형 연결부(34)에서 다시 합류한다.

복수의 전해조공급채널(총칭하여 도면부호 51로 표시됨)은 염입력채널(32)로부터 연장형성된다. 각각의 공급채널은 전해조의 입구(100)와 채널의 연결을 가능케 하는 연결부에서 끝난다. 용융염의 흐름은 밸브(52)에 의해 이러한 전해조공급채널 각각으로 통하도록 조절된다.

복수의 전해조공급채널(51)에 대응되는 복수의 전해조배출채널(33)은 염출력채널(33)에 연결된다. 이러한 채널들 각각은 일단부에서 염출력채널(33)로 이어지고, 타단부에서 전해조의 출구에 연결가능하다. 전해조배출채널들 각각에서 용융염의 흐름은 출구밸브(54)에 의해 조절된다.

이러한 구체적인 실시예에서 각각의 전해조는 이극성 스택을 포함하는 이극성 전해조이다. 도 2를 참조하여 대표적인 이극성 전해조가 설명된다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예와 함께 사용하기 적합한 이극성 전해조를 나타내는 개략도이다. 이 전해조(50)는 직경 150cm와 높이 300cm의 원형 베이스를 갖는 대략 원통형의 하우징(50a)을 포함한다. 하우징은 내부 구멍 또는 공간 및 용융염이 하우징으로 흘러들어가고 흘러나올 수 있게 하는 입구(100)와 출구(110)가 형성된 스테인리스강 소재의 벽을 갖는다. 하우징 벽은 다른 어떠한 적합한 소재로 만들어질 수도 있다. 그러한 소재는 탄소강, 스테인리스강 및 니켈 합금을 포함할 수 있다. 용융염 입구(100)는 하우징 벽의 하부에 관통하여 형성되고 용융염 출구(110)는 하우징 벽의 상부에 관통하여 형성된다. 따라서, 사용시 용융염은 하부 지점에서 하우징 안으로 흘러들어가고 하우징을 통하여 상방으로 유동하여 결국에는 출구를 통해 하우징 밖으로 흘러나온다.

하우징의 내부 벽은 불활성 전기 절연물질 예를 들어 질화붕소 또는 알루미나로 덮여 있어 하우징의 내면은 전기적으로 절연하는 것을 보장한다.

양극(52)은 하우징의 상부 내부에 배치된다. 양극은 직경 100cm와 두께 5cm를 갖는 탄소 디스크이다. 양극은 하우징의 벽을 관통하여 연장되어 양극 단자(terminal anode)를 형성하는 전기적 연결부(53)을 통해 전기공급부에 연결된다.

음극(54)은 하우징의 하부 내부에 배치된다. 음극은 불활성 금속 합금, 예를 들어 티타늄, 탄탈, 몰리브덴 또는 텅스텐 소재의 직경 100cm를 갖는 원형 플레이트이다. 음극 소재의 선택은 환원되는 공급재료의 종류에 의해 영향을 받을 수 있다. 바람직하게는, 환원된 생산물은 전해조 작동 조건하에서 음극 소재와 반응하지 않거나 실질적으로 부착되지 않는다. 음극(54)은 하우징 벽의 하부를 관통하여 연장되어 음극 단자(terminal cathode)를 형성하는 전기적 연결부(55)에 의해 전기공급부에 연결된다. 음극의 둘레는 음극에 트레이와 같은 상면을 형성토록 상방으로 연장형성되는 테두리에 의해 경계지워진다.

음극(54)의 상면은 음극 바로 위에서 이극성 부재(57)를 지지토록 기능하는 다수의 전기적 절연용 분리부재(56)를 지지한다. 분리부재는 10cm의 높이를 갖는 질화붕소, 산화이트륨 또는 산화알루미늄으로 이루어진 기둥이다. 분리부재가 전기적으로 절연성을 갖고 장치의 작동 조건에서 실질적으로 불활성인 점이 중요하다. 분리부재는 장치의 작동 사이클을 위해 기능하도록 충분히 불활성이어야 한다. 장치의 작동 사이클 동안 1회분량의 공급재료가 환원된 후에, 분리부재는 필요하다면 교체될 수 있다. 또한, 분리부재는 복수의 이극성 부재들을 포함하는 전해조 스택의 무게를 지탱할 수 있어야 한다. 분리부재들은 음극의 둘레를 따라 동일 간격을 두고 형성되고 음극 바로 위에서 이극성 부재(57)를 지지한다.

각각의 이극성 부재(57)는 음극인 상부(58)와 양극인 하부(59)를 갖는 복합 구조로부터 형성된다. 각각의 케이스에서 양극 부분은 100cm의 직경과 3cm의 두께를 갖는 탄소 디스크이고 음극 부분(58)은 100cm의 직경을 갖고 상방으로 연장형성되는 테두리 또는 플랜지를 가져 음극 부분(58)의 상부가 트레이 형태로 형성되는 원형의 금속 플레이트이다.

전해조는 그런 이극성 부재(80)를 10개 포함하는데, 각각의 이극성 부재는 전기적 절연용 분리부재(56)에 의해 바로 전의 이극성 부재 위에서 수직방향으로 지지된다. (분명하게도, 단지 4개의 이극성 부재가 도 2의 개략도에 나타나 있음) 장치는 필요한 만큼의 이극성 부재가 하우징 내부에 배치되되 양극과 음극 사이에서 수직방향으로 서로 간격을 두고 구비되도록 구성되어, 양극 단자, 음극 단자 및 이극성 부재를 포함하는 이극성 스택을 형성한다. 각각의 이극성 부재는 다른 이극성 부재들과 전기적으로 절연된다. 최상부의 이극성 부재는 전기적 절연용 분리부재를 지탱하지 않고 양극 단자(52)의 수직방향 아래에 위치된다.

음극 단자의 상면과 각 이극성 부재의 상면은 고체 공급재료(61)을 위한 받침으로서 기능한다.

여기서 설명되는 구체적인 실시예가 이극성 전극을 이용하는 전해조에 관한 것임에도 불구하고, 본 발명은 단극성(monopolar) 전해조, 예를 들어 하나의 단순한 양극과 음극 구조를 갖는 전해조를 이용하는 장치에 동일하게 적용될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 장치는 새로운 용해물을 수용하기 위한 저장소(200)를 더 포함한다. 이것은 보충(top-up) 저장소로서 역할을 한다. 새로운 용해물 저장소(200)는 도관(210)과 밸브(220)를 통하여 주된 용융염저장소(10)와 연통된다. 밸브(220)의 작동에 의해 용해물이 새로운 용해물 저장소로부터 주된 저장소(10) 안으로 들어가 주된 저장소 내부의 염의 농도를 보충하게 된다.

용융염의 다른 회로는 펌프(310)에 의해 저장소(10) 밖으로 흘러나와 저장소 안으로 되돌아가는 흐름이다. 이러한 용해물 정화 회로(300)는, 장치가 작동하는 동안 계속하여 기능하고, 저장소(10)로부터의 염을 정화하여 정화된 염을 저장소 안으로 다시 재순환시키기 위해 여과 수단 및 전해 수단과 같은 다양한 정화수단을 포함한다.

주된 염저장소(10) 내부에 포함된 염의 체적은 4개의 전해조와 이에 연결된 용융염 유동 회로의 부피에 적어도 두 배이다.

상기에서 설명된 장치를 이용하는 대표적인 방법에서, 주된 염저장소(10)에 염화칼슘이 부가된다. 그리고 나서, 저장소는 염화칼슘의 녹는점(약 772℃)을 초과하는 온도, 일반적으로 염화칼슘이 완전히 녹는 800℃로 가열된다. 다음, 용융된 또는 용해된 염은 저장소(10)에서 예비전해(pre-electrolysis) 처리를 받아, 염이 대기로부터 포집하는 바람직하지 않은 과잉수(excess water) 및/또는 다른 오염물질이 제거된다. 그 후에, 염저장소는 바람직한 작동온도로 유지된다. 그리고 가열은 고온의 가스를 전해조를 통과시키는 것에 의해 이루어지거나, 또는 전해조의 가열은 저항가열 또는 유도 가열에 의해 이루어진다.

본 장치가 산화금속을 금속으로 환원시키기 위해, 예를 들어 이산화티타늄을 티타늄으로 환원시키기 위해 사용되고 있는 곳에서, 적절한 작동온도는 800℃와 1200℃ 사이일 수 있다.

염저장소(10)에서 시작하여 염저장소로 다시 흘러들어가는 용융염의 흐름은 두 개의 회로가 있다. 이 회로 중 하나에서 염이 도관(300)을 통과하고 용융염 펌프(310)에 의해 펌핑되어 용융염 용해물 세척(clean-up) 및 정화 장치를 지나간다. 용융염저장소(10)의 염이 작동온도에 도달하면 연속적인 용해물 정화 회로가 작동하게 되어 연속적으로 염을 저장소로부터 빼내 다양한 정화 단계를 거치게 하고 정화된 염이 저장소로 되돌아가게 한다.

또한, 용융염 이송 회로는 도관(30)에 의해 형성되고 용융염 펌프(40)에 의해 작동된다. 이러한 용융염 이송 회로는 저장소로부터 용융염을 빼내고 저장소(10)로 되돌아가게 한다. 용융염은 염 펌프(40)에 의해 이송 회로(30)를 통과하도록 유도될 수 있다. 회로에 전해조가 없는 경우에는 입구밸브(52)와 출구밸브(54)는 닫힌다. 이것은 용융염이 출구채널(53) 또는 공급채널(51) 밖으로 흐르는 것을 방지하고, 이 경우에 염은 염입구채널(32)과 염출구채널(33)을 통해 저장소(10)로 바로 되돌아가도록 순환한다.

장치(50)의 전해조는 용융염 유동 회로에 제거가능하게 연결된다. 각각의 전해조에 이산화티타늄과 같은 고체 공급재료가 로드되고, 전해조 입구(100)는 공급채널(51)의 단부에 연결되며, 전해조 출구(110)는 전해조출구채널(53)의 단부에 연결된다.

도 4는 단 하나의 전해조(50)가 염 이송 회로(30)에 연결된 장치를 나타낸다.

회로에 올바르게 위치된다면 각각의 전해조(50)의 내부 영역은 데워진다. 이것은 전해조의 일단부에서의 가스 입구채널와 전해조의 타단부에서의 가스 출구채널(가스 입구 및 출구 채널은 미도시)을 통하여 뜨거운 가스가 전해조를 통과하게 함으로써 이루어진다. 각각의 전해조의 내부 온도가 적당한 작동온도까지 상승하면, 입구 및 출구 밸브(52, 54)는 염이 전해조를 통하여 흐르도록 오픈될 수 있다.

각각의 전해조의 양극 및 음극 단자는 전기공급부에 연결되고, 적절한 전위차가 양극 단자와 음극 단자 사이에 적용되어 고체 공급재료를 환원시킨다.

공급재료의 생산 동안 발생하는 가스는 전해조의 상단부로 상승하여 배출된다. 이렇게 배출된 가스는 고온이고, 바람직하게는 환원 사이클의 시작부에서 온라인되고 있는 새로 재충전되는 전해조를 예열하기 위하여 재순환거나, 다른 형태의 열회수 시스템을 통하여 순환될 수 있다.

전해조를 통해 흐르는 용융염은 공급재료가 전해 반응하는 동안 그리고 다양한 전해조 구성요소, 예를 들어 하우징의 내부나 양극 또는 음극 소재와 용융염이 반응하는 동안 형성되는 불순물을 제거한다. 따라서, 용융염 회로(30)를 경유하여 염저장소(10)로 되돌아오는 염은 오염되어 있을 수 있다.

용융염저장소의 체적이 회로와 회로에 설치된 어느 전해조의 체적에 비해 크다는 것은 염안에 불순물이 상대적으로 묽다는 것을 의미한다. 또한, 연속적인 용해물 정화 공정은 염을 오염시킬 수 있는 고체 및 화학 불순물을 제거하는 데 도움이 된다.

복수의 전해조 각각은 개별적으로 설치될 수 있고, 따라서 각각의 전해조 내부에서의 전해 반응은 다른 시간에 시작될 수 있다. 이에 따라, 각각의 전해조에서의 전해 반응은 다른 시간에 끝날 수 있다. 어느 전해조에서 환원이 완료되면, 용융염의 흐름은 입구 및 출구밸브(52, 54)를 닫음으로써 정지될 수 있다. 그리고 나서, 전해조 내부의 용융염은 출구 또는 배출 밸브나 배출포트(미도시)를 통해 전해조로부터 배출될 수 있다. 다음, 전해조는 예를 들어 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스를 퍼징함으로써 신속하게 냉각될 수 있고, 전해조 내부의 환원된 공급재료는 회복될 수 있다.

복수의 연결가능하고 제거가능한 전해조의 사용은 반응이 완료된 전해조가 거의 즉각적으로 비환원된 공급재료로 채워진 새로운 전해조로 교체되는 것을 가능하게 한다.

용융염의 비율은 전해조가 오프라인으로 취해질 때마다 감소된다. 전해조로부터 배출되는 염은 저장소(10)로 바로 되돌아오지만, 일부 염은 전해조의 내면에 들러붙음으로써 손실될 것이다. 따라서, 염저장소(10) 안의 염은 새로운 용해물 저장소(200)에서 준비되는 새로운 용융염으로 계속하여 보충된다.

도 5 및 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 장치를 나타내는 것으로, 이 장치는 상기에서 설명한 제1 실시예와 유사하나 약간 다른 구성의 전해조를 갖고 있다. 이 장치(500)는 저장소(510)의 주위에 공간상으로 분포된 복수의 분리된 전해조(520, 530, 540, 550) 각각을 통과하는 순환을 위한 용융염을 공급토록 배치되는 중심 용융염저장소(510)를 포함한다. 각각의 전해조는 용융염 입구(560)과 용융염 출구(570)을 갖는 하우징을 포함하되, 상기 입구와 출구가 하우징의 양 단부에 배치되어 용융염이 입구를 통해 각각의 전해조의 하우징 안으로 흘러들어가 하우징의 내부 영역을 통과한 후 출구를 통해 전해조의 밖으로 흘러나올 수 있다.

각각의 전해조는 용융염저장소에 연결되는 스테인리스 배관(580) 및 전해조로부터 저장소로 연결되는 스테인리스 배관(590)을 포함하는 자신의 독립된 용융염 이송 회로를 갖는다. 또한, 각각의 용융염 이송 회로는 용융염을 순환시키기 위한 용융염 펌프(미도시)를 포함한다. 따라서, 염은 전해조가 결합된 용융염 회로를 작동시킴으로써 전해조들 중 어느 하나에 필요한 만큼 공급될 수 있다. 저장소의 염은 일정한 온도에서 유지될 수 있고, 성분(composition)이 제한된 허용오차 내에서 유지되는 것을 확실히 하기 위하여 모니터링될 수 있다.

본 발명의 제2 실시예의 다른 구체적인 내용은 본 발명의 제1 실시예에 관련하여 상기에서 설명한 바와 동일하다. 예를 들어, 각각의 전해조(520, 530, 540, 550)는 이극성 스택(상기에서 설명되고 도 2에서 도시된 바와 같음)을 포함하는 이극성 전해조이다.

여기에서 설명된 구체적인 실시예는 대략 원통형의 하우징 내부에 수용되는 이극성 전해조를 이용하는 것이지만, 전해물로서 용융염을 사용하는 어떤 전해조도 이용될 수 있음은 명백하다.

또한, 하나의 용융염저장소가 사용되는 것으로 설명되어 있지만, 두 개 이상의 저장소의 사용도 본 발명의 범위 내에 속할 것으로 예상된다. 전해조를 통해 흐르는 용융염의 공급부는 회로 또는 회로들에서 적절한 밸브를 열고 닫음으로써 제1 저장소로부터 제2 저장소로 변경될 수 있다. 하나 이상의 용융염 성분(composition)을 포함하는 하나 이상의 용융염저장소를 사용하는 것의 이점은 상기에서 설명한 바와 같다.

10 ... 용융염 저장소 20 ... 히터
30 ... 염 이송 회로 31, 34 ... T형 연결부
32 ... 염입력채널 33 ... 염출력채널
40 ... 이송 회로 펌프 50, 60, 70, 80 ... 전해조

Claims (28)

1. 복수의 전해조 각각에 고체 공급재료 일부를 배치하는 단계,
   용융염이 각각의 전해조를 통해 흐르도록 제1 용융염저장소의 상기 용융염을 순환시키는 단계,
   상기 각각의 전해조의 전극들을 가로질러 공급재료의 환원을 일으키기 충분한 전위를 적용시키는 단계를 포함하는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전해조를 통과하는 용융염의 흐름을 제1 용융염저장소에 수용된 염으로부터 제2 용융염저장소에 수용된 염으로 전환하는 단계를 포함하는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 공급재료는 상기 복수의 전해조 각각에서 음극 또는 음극부재와 접촉하도록 배치되는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   환원된 공급재료를 포함하는 전해조를 상기 장치로부터 제거하고 비환원된 공급재료를 포함하는 전해조로 교체하는 단계를 포함하되, 상기 전해조의 교체는 용융염이 상기 장치의 다른 전해조를 통하여 계속하여 흐르고 있는 동안 일어나는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 용융염을 제1 용융염저장소, 제2 용융염저장소, 또는 제1 및 제2 용융염저장소에서 소정의 농도(level)로 유지시키는 단계를 포함하는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제1 용융염저장소, 제2 용융염저장소, 또는 제1 및 제2 용융염저장소의 상기 용융염은 불순물을 제거하고 상기 저장소의 상기 염 성분(composition)을 유지시키는 정화장치를 통과하여 순환되는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 공급재료의 환원은 전기분해(electro-decomposition)에 의해 일어나는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   용융염은 상기 전해조를 통과하도록 펌핑되는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   용융염은 상기 제1 저장소로부터 흘러나와 중력의 영향 하에서 상기 전해조를 통과하는 전해 장치의 고체 공급재료 환원방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    용융염이 상기 전해조를 통과하여 순환되도록 하기 전에 상기 전해조를 예열하는 단계를 더 포함하는 고체 공급재료 환원방법.
11. 각각이 전극을 갖고 고체 공급재료 일부를 수용하는 복수의 전해조, 및
    상기 각각의 전해조를 통하여 흐르도록 순환될 수 있는 용융염이 수용되는 제1 용융염저장소를 포함하되,
    상기 고체 공급재료의 환원을 일으키기에 충분한 전위가 각각의 전해조의 상기 전극을 가로질러 적용될 수 있는 고체 공급재료의 환원 장치.
12. 제11항에 있어서,
    각각의 전해조는 용융염 입구, 용융염 출구, 하우징 내부에 위치된 양극 및 하우징 내부에 위치된 음극을 갖는 하우징을 포함하되, 상기 전위가 상기 전해조의 양극과 음극을 가로질러 적용될 수 있는 고체 공급재료의 환원 장치.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 고체 공급재료 일부는 상기 복수의 전해조 각각의 음극 또는 음극부재에 접촉하여 유지되는 고체 공급재료의 환원 장치.
14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    용융염을 순환시키기 위한 적어도 하나의 용융염 이송 회로를 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 용융염을 제1 저장소로부터, 상기 복수의 전해조 각각을 통과하여, 제1 저장소로 되돌아오도록 순환시키는 하나 이상의 용융염 이송 회로를 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
16. 제14항에 있어서,
    상기 용융염을 제1 저장소로부터, 상기 복수의 전해조 각각을 통과하여, 상기 제1 저장소로 되돌아오도록 순환시키는 하나의 용융염 이송 회로를 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
17. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 복수의 전해조를 통과하여 순환될 수 있는 제2 용융염이 수용되는 제2 염저장소를 더 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 전해조를 통과하여 흐르는 용융염의 소스가 상기 제1 염저장소로부터 상기 제2 염저장소로 그리고 반대로 전환되도록 하는 밸브를 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
19. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 각각의 전해조는 염 이송 회로에 제거가능하게 연결될 수 있는 고체 공급재료의 환원 장치.
20. 제19항에 있어서,
    상기 염 이송 회로는 상기 장치가 작동하는 동안 각각의 전해조의 교체를 가능케 하기 위해 각각의 전해조로의 그리고 각각의 전해조로부터의 염 흐름을 선택적으로 제한토록 작동할 수 있는 밸브를 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
21. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    각각의 염저장소는 상기 복수의 전해조 모두의 합쳐진 체적과 동일하거나 보다 큰 체적을 갖는 고체 공급재료의 환원 장치.
22. 제17항에 있어서,
    제1 염저장소, 제2 염저장소, 또는 제1 및 제2 염저장소의 상기 용융염을 정화시키기 위한 정화 장치를 더 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
23. 제17항에 있어서,
    제1 염저장소, 제2 염저장소, 또는 제1 및 제2 염저장소에서 염의 농도를 유지시키기 위해 새로운 용융염을 공급하는 보충(top-up) 염저장소를 포함하는 고체 공급재료의 환원 장치.
24. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    용융염을 상기 전해조로부터 각각의 저장소로 되돌아오게 하기 위한 리턴 영역을 포함하는 용융염 회로를 갖되, 액체 흐름이 상기 전해조와 상기 저장소 사이의 전기적 연결을 방지토록 상기 리턴 영역에서 차단되는(broken) 고체 공급재료의 환원 장치.
25. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    적어도 하나의 전해조는 복수의 이극성 부재를 포함하되, 상기 부재 각각의 일면은 음극으로서 기능하는 고체 공급재료의 환원 장치.
26. 제10항에 있어서,
    가열은 고온의 가스를 상기 전해조를 통과시키는 것에 의해 이루어지거나, 또는 상기 전해조의 가열은 저항가열 또는 유도 가열에 의해 이루어지는 전해 장치의 고체 공급재료 환원 방법.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
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