마그네슘의 제조 및 정제 공정

 

🔎 개요: 마그네슘 제조의 산업적·학술적 중요성

마그네슘(Mg)은 비중 1.74 g/cm³의 경금속으로, 구조용 합금, 고성능 경량화 소재, 전자기기 하우징 등에 활용됩니다.
제조 공정은 Mg 원광에서 순수 마그네슘을 얻는 일차 정제(primary refining)뿐 아니라, 특정 용도에 따라 요구되는 2차 정제 및 합금화 전처리까지 포함합니다.

---

1️⃣ 전해 정제법 (Electrolytic Process)

주로 MgCl₂ 전기분해를 통한 고순도 Mg 생산

🔬 반응 메커니즘:

• 양극(+) 반응: 2Cl⁻ → Cl₂(g) + 2e⁻
• 음극(–) 반응: Mg²⁺ + 2e⁻ → Mg(l)

📐 핵심 공정 조건:

• 융점 유지: MgCl₂ 융해점 약 714°C
• 불순물 영향: CaCl₂, NaCl 첨가 시 전해 효율 향상, 하지만 수분 존재 시 Mg(OH)₂ 생성으로 반응성 저하.

📈 특징:

• 순도: 99.8% 이상
• 전해전지 구조: Dow Process에서는 스틸 셀 음극, 흑연 양극 사용
• 응용: 자동차용 고강도 Mg 합금의 전구체, Al-Mg 합금 제조용

---

2️⃣ 열환원법 - 피존 공정 (Pidgeon Process)

MgO + Si → Mg(g)의 환원 반응 활용, 중국에서 대량 적용 중

🔬 주요 반응식:

2MgO(s) + 2CaO(s) + Si(s) → 2Mg(g) + Ca₂​SiO₄(s)

📐 열역학 조건:

• 온도 범위: 1,200–1,400°C
• 진공 필요성: Mg 증기 형성 압력을 낮추기 위한 진공 (~10⁻² atm 이하) 유지

📈 공정 특징:

• 순도: 98–99%
• 장점: 전기 인프라 없이 적용 가능
• 단점: 공정 에너지 소모 큼, 연속 생산 불가

❗ 참고: Gibbs 자유에너지 기준으로 1,200°C 이상에서 반응이 자발적으로 진행됨.

---

3️⃣ 진공 증류법 (Vacuum Distillation)

Mg의 낮은 증기압 활용하여 고순도 재증류

🔬 원리:

• Mg의 증기압은 1,100°C에서 약 1 atm에 도달
• 고진공 하에서 불순물보다 Mg만 기화 → 응축하여 초고순도 확보

📈 특징:

• 순도: 99.99% 이상
• 응용 분야: 반도체 캐싱 재료, Mg–Li 고순도 합금, 우주항공 소재
• 제한점: 낮은 처리량, 고비용

❗ Mg–Li, Mg–RE 합금 제조 시 사전 고순도 Mg 확보 필수

---

4️⃣ 플럭스 정련 (Flux Refining)

Mg 스크랩 및 잉곳 재처리를 위한 저비용 공정

🔬 공정 요점:

• 염류(예: CaF₂, NaCl–KCl 혼합염) 사용
• 산화물, 비금속 개재물 제거

📈 특징:

• 응용: 다이캐스팅용 Mg 합금 전 정제 단계
• 제한점: 염류 제거 비용, 폐기물 처리 문제

---

5️⃣ 스크랩 재정련 (Recycled Mg Recovery)

• 폐기물에서 Mg 회수 시 주요 문제는 불균일 합금 조성, 산화물 개재물 포함
• Ar 보호하 정련, 용융염 처리 등을 병행하여 90% 이상의 Mg 회수율 가능

---

🧭 용도 기반 공정 선택 가이드 (공정 엔지니어 관점)

 

용도추천	공정선택	이유
경량 구조용 (자동차)	전해 정제 or 피존 공정	비용 대비 기계적 특성 최적
항공/우주 부품	진공 증류 + 전해 정제	고순도/내식성/내열성 확보 필요
Mg–Li 합금 전구체	진공 증류 필수	Li와의 반응 제어 위해 초고순도 요구
다이캐스팅 (AZ91 등)	플럭스 정련 + 재활용 정제	대량 생산, 경제성 확보

 

---

 

✅ 마그네슘 정제 및 제조 공정 요약 (용도별 정리)  

 

정제/제조	방법설명 및 절차	순도 수준	적합한 용도	장단점 요약
1. 전해 정제법 (Electrolytic Refining)	마그네슘염(MgCl₂)을 고온 융해 후 전기분해. Mg는 음극에 석출되고 Cl₂는 양극에서 방출됨.	99.8% 이상	▶ 일반 산업용 Mg ▶ 자동차 부품, 구조재 ▶ 알루미늄 합금 첨가	✔ 대량 생산 가능 ✔ 고순도 ✘ 설비비용 높음, 전력 소모 큼
2. 열환원법 (피존 공정)	MgO(돌로마이트 열분해) + Si → Mg 증기 발생 → 응축	98~99%	▶ 건설/기계 부품 ▶ 자동차 휠 등 중간 품질 용도	✔ 장비 간단, 전기 불필요 ✘ 고온/고에너지 필요, 환경 부하
3. 진공 증류 (Vacuum Distillation)	Mg괴를 고진공에서 증발시켜 고순도 Mg만 재응축	99.99% 이상	▶ 반도체, 우주/항공용 소재 ▶ 고성능 합금 (예: Mg–Li 합금)	✔ 초고순도 ✘ 생산량 낮고 고비용
4. 용융염 정련법 (Flux Refining)	마그네슘괴를 특수 용융염(플럭스)과 함께 가열하여 불순물 제거	99~99.5%	▶ 다이캐스팅용 ▶ 일반 합금 제조 전 정제	✔ 간단한 재정련 가능 ✘ 화학 폐기물 발생 가능
5. 재활용 정제 (Scrap Refining)	산업용 스크랩(Mg 합금 폐기물)에서 Mg 추출 및 정제	85~98% (재처리 수준에 따라 상이)	▶ 일반 제조/가공용 Mg 재활용 소재	✔ 비용 절감, 환경 친화적 ✘ 품질 불균일 가능

---

🧠 정리 및 시사점

마그네슘 정제 기술은 단순히 금속을 얻는 것 이상의 문제입니다.
열역학적 반응 경로 설계, 상평형 이해, 불순물 거동 제어, 그리고 공정 자동화·환경 규제 대응까지 포함하는 복합적 과제입니다.