KR100202731B1

KR100202731B1 - 폐알루미늄드로스의 재처리방법

Info

Publication number: KR100202731B1
Application number: KR1019970000680A
Authority: KR
Inventors: 박형규; 김준수; 이후인
Original assignee: 이경운; 재단법인 한국자원연구소; 윤의박
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 1999-06-15
Also published as: KR19980065600A

Abstract

본 발명은 알루미늄금속 또는 스크랩 등을 용해시킬 때 그 알루미늄 용탕의 표면으로 형성되는 금속성 산화물층인 폐알루미늄드로스를 재처리하는 방법에 관한 것으로,

특히 폐알루미늄드로스에 대해 소정의 처리공정을 수행하여 금속성분이 없는 산화물로 변화시키고, 이를 사용하여 알루미나질 캐스타블 내화물이나 건축용 타일의 제조원료로 재활용할 수 있도록 함으로써, 폐알루미늄드로스의 처리 비용을 획기적으로 감축시킴과 더불어 매립에 따른 자연환경의 오염을 배제하고, 각종의 제품에 원료로 참가하여 해당 제품의 제작단가를 절감시킬 수 있도록 한 데에 그 특징이 있다.

Description

폐알루미늄드로스의 재처리 방법

본 발명은 알루미늄 금속 또는 스크랩 등을 용해시킬 때 그 알루미늄 용탕의 표면으로 형성되는 금속성 산화물층인 폐알루미늄드로스를 재처리하여 이를 금속성분이 없는 산화물로 변화시키고, 이와같이 변환된 폐알루미늄드로스를 이용하여 알루미나질 캐스타블 내화물이나 건축용 타일의 제조원료로 재활용할 수 있도록 한 폐알루미늄드로스의 재처리방법에 관한 것이다.

통상 알루미늄은 산화가 잘 이루어지는 대표적인 금속으로 알려져 있으며, 이러한 알루미늄을 산업상 이용하기 위하여 용하는 경우에는 용탕의 표면이나 또는 용탕을 주조하는 도중 상기 용탕의 유로(runner)등에서 공기중의 산소와 접촉되어 산화된 물질인 금속성 알루미늄드로스(Al.dross)가 그 양에 관계없이 반드시 발생하게 된다.

한편, 이와같이 발생되어진 알루미늄드로스는 알루미늄 자체가 보유하고 있는 물성에 비해 여러 면에서 매우 취약한 물성을 나타내기 때문에 상기의 알루미늄드로그 자체를 그대로 활용하지는 못하였으며 다만, 별도의 알루미늄 용해업체에서 알루미늄의 용해시 발생된 알루미늄드로스를 수거한 후 이를 가열하여 1차 또는 2차로 재용해시키는 것에 의해 알루미늄드로스 중의 알루미늄금속을 재차 회수하고 있을 정도이다.

그러나, 상기와 같은 재가열 공정에 의해서도 발생된 알루미늄드로스 중 추출되는 알루미늄금속의 양은 그다지 많지 않았으며, 나머지는 10

30%의 금속 알루미늄과 10%이내의 염, 그리고 본래 알루미늄 스크랩내에 존재하고 있던 Mg, Si, Fe 등의 불순물이 혼합되어 이루어진 폐알루미늄드로스가 대부분을 차지하게 되는 바, 종래에는 이와 같이 발생된 폐알루미늄드로스를 그대로 매립하여 폐기처분하고 있는 실정으로서, 상기와 같은 매립방법에 의해 폐알루미늄드로스를 처리하는 경우에는 매립지의 확보에 따른 비용과 함께 매립작업을 수행하기 위한 작업비용이 상당한 정도로 소요되게 되고, 매립된 폐알루미늄드로스가 주위의 토양을 황폐화시켜 자연환경을 훼손케하는 등의 여러 문제점이 대두되어 왔다.

본 발명은 전술한 바와같은 종래 폐알루미늄드로스의 처리방법에서 드러난 문제점들을 효과적으로 해소하기 위하여 연구개발된 것으로, 특히 폐알루미늄드로스에 대해 소정의 처리공정을 수행하여 금속성분이 없는 산화물로 변화시키고, 이를 사용하여 알루미나질 캐스타블 내화물이나 건축용 타일의 제조원료로 재활용할 수 있도록 함으로써, 폐알루미늄드로스의 처리비용을 획기적으로 감축시킴과 더불어 매립에 따른 재연환경의 오염을 배제하고, 각종의 제품에 원료로 첨가하여 해당제품의 제작단가를 절감시킬 수 있는 폐알루미늄드로스의 재처리방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 알루미늄드로스의 처리 후 발생된 폐알루미늄드로스에 대해 파쇄공정을 수행하여 입자크기에 따라 분류한 다음, 입자가 큰 것은 재용해하여 이로부터 알루미늄금속을 재차 회수하고 입자가 작은 것은 소정의 배소처리를 하여 알루미나가 주성분인 산화물로 변화시킨 상태에서, 상기 산화물로 변환된 폐알루미늄드로스를 일반적인 알루미나시멘트 또는 타일재료와 적정량으로 혼합시키도록 한 폐알루미늄드로스의 재처리방법을 제공한다.

제1도는 본 발명의 처리공정도,

제2도는 본 발명에 의해 처리된 폐알루미늄드로스와 일반적인 알루미나시멘트를 혼합하여 알루미나질 캐스타블 내화물을 제조하는 예를 나타낸 공정도,

제3도는 제2도의 공정에 의해 제조되는 알루미나질 캐스타블 내화물의 내화도 측정시험을 위한 시편의 형태를 나타낸 제작도,

제4도는 본 발명에 의해 처리된 폐알루미늄드로스와 일반적인 타일원료들을 혼합하여 건축용 타일을 제조하는 예를 나타낸 공정도.

이하에서 본 발명에 대해 첩부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

즉, 본 발명은 알루미늄 용해시 발생되는 알루미늄드로스를 1차 용해하여 이로부터 알루미늄금속을 회수한 후 발생된 폐알루미늄드로스를 처리대상으로 하여, 상기의 폐알루미늄드로스로부터 재차 알루미늄 금속을 회수하고 알루미늄 금속이 회수되지 않는 폐알루미늄드로스는 금속성분이 제거된 산화물로 변화시키도록 한 것으로서, 첨부도면 제1도를 참조하여 본 발명의 처리공정을 살펴보면 다음과 같다.

우선, 발생된 폐알루미늄드로스에 대해 50mesh Taylor 표준망체를 사용하여 체가름에 의한 1차분급공정을 수행한다.

이때, 상기와 같이 폐알루미늄드로스를 50mesh(300

)의 망체로 분급하는 것은, 드로스의 입자크기가 300

보다 작은 undersize인 경우에는 용해시 회수하고자 하는 알루미늄 금속이 드로스의 입자들 사이에 끼어 용탕을 형성하지 못하고 주조가 이루어지지 않기 때문으로, 상기의 50mesh 망체를 통과하여 용해공정을 거치더라도 알루미늄금속이 회수되지 않는 300

미만의 입자크기를 갖는 드로스는 폐드로스로 취급하고, 50mesh 망체를 통과하지 못한 300

초과의 입자크기를 갖는 드로스는 용해하여 이로부터 알루미늄 금속을 재차 회수하는 공정을 수행함으로써, 발생된 알루미늄드로스의 용해량을 줄여 용해량을 줄여 용해효율을 높이고 폐드로스의 발생량을 줄이기 위함이다.

이러한 상태에서 50mesh의 망체를 통과하지 못한 폐알루미늄드로스에 대해서는 rod mill과 같은 파쇄기를 이용하여 파쇄공정을 수행한 후 망체에 의한 체가름으로 2차의 분급공정을 행하여, 재차 이를 통과하지 못한 300

를 초과하는 입자크기의 폐알루미늄드로스에 대해 반사로 또는 도가니로에서 용해공정을 수행하는 것으로 상기의 폐알루미늄드로스로 부터 알루미늄 금속을 회수한다.

이때, 상기의 1차 분급공정을 폐알루미늄드로스의 파쇄효울을 높이기위함이고, 2차 분급공정은 용해공정에서의 용해효율을 높이기 위함이다.

한편, 상기와 같은 용해공정시 재차 발생되는 폐알루미늄드로스에 대해서는 다시 파쇄 및 분급공정을 거쳐 입자크기가 300

를 초과하여 분류된 폐드로스에 대해서는 전술한 용해공정을 반복적으로 수행하여 이로부터 알루미늄 금속을 재차 회수한다.

한편, 상기의 1,2차 분급공정시 50mesh 망체를 통과하지 못한 입자크기 300

미만의 폐알루미늄드로스에 대해서는 이들을 별도 수거한 후 다음의 공정들을 수행하여 폐알루미늄드로스를 산업상 이용가능한 산화물로 변화시키는 것으로, 그 공정을 살펴보면 다음과 같다.

우선, 300

미만의 입자크기로 분류된 폐알루미늄드로스에 대해 물을 사용하여 폐드로스를 교반시킴으로써, 상기 폐드로스 중의 KCl, NaCl과 같은 염(salt)성분을 물에 용해시켜 제거하는 침출공정과 여과공정을 순차적으로 수행한다.

이때, 상기의 폐알루미늄드로스 중 염 성분이 소량이거나, 또는 페드로스를 재활용하고자 하는 대상에 염 성분이 포함되어도 무방한 경우에는 침출 및 여과공정을 생략할 수 있다.

이러한 상태에서 상기 폐알루미늄드로스에 대해 소정의 배소처리를 수행하여 폐알루미늄드로스의 금속상을 무해한 산화물 형태로 변화시키게 된다.

이때, 상기한 배소공정은 폐알루미늄드로스내에 포함되어 있는 알루미늄이나 마그네슘과 같은 금속성분을 산화물로 변화시키기 위한 목적으로 적용되어지며, rotary kiln과 같은 노를 사용하여 산화성 분위기에서 폐알루미늄드로스를 가열하는 것으로 그 공정이 수행된다.

한편, 상기와 같이 배소공정을 거쳐 산화물로 변화된 폐알루미늄드로스는 여러 다양한 용도로 그 활용이 이루질 수 있는 바, 본 발명에서는 알루미나질 캐스타블 내화물이나 건축용 타일의 제조원료로 활용되는 일례를 첨부도면 제2도 내지 제4도를 참조하여 설명하기로 한다.

우선, 첨부도면 제2도와 같이 배소공정을 거친 폐알루미늄드로스를 일반적인 알루미나시멘트와 혼합하여 높은 내화도를 갖는 알루미나질 캐스타블 내화물을 제조할 수 있다.

이때, 상기의 캐스타블(castable) 내화물은 주조가 가능한 부정형 내화물의 일종으로 적절한 입도의 내화성 골재와 결합재를 사용하여 혼합 제조되는 분말상이 내화물이며, 적당량의 수분첨가에 의해 수화반응으로 강도가 나타나는 내화 콘크리트의 하나로서, 통상 결합재로는 일반적인 알루미나시멘트가 사용된다.

또한, 상기와 같은 캐스타블 내화물은 각종 고온로 및 고온에서 사용하는 구조물의 내장제로 많이 사용될 뿐만 아니라, 터넬킬른의 대차와 같이 그 자체로서 내열제품을 만들어 고온에서 사용하는 등 그 용도가 매우 다양하다.

이상과 같은 다양한 용도를 갖는 캐스타블 내화물을 형성함에 있어 본 발명에 의해 산화물로 변환된 폐알루미늄드로스를 내화성 골재로 적용하여 알루미나시멘트와 1:1 이상의 배합비로서 혼합한 경우, KS 규격에서 내화물로 규정하는 내화도 SK 26이상을 충족시키는 우수한 알루미나질 캐스타블 내화물을 제조할 수 있게된다.

한편, 첨부도면 제4도와 같은 배소공정을 거친 폐알루미늄드로스 일정량을 도석, 장석, 점토, 납석, 고령토 등과 같은 일반적인 타일원료와 배합한 후 물혼합, 성형, 소성과 같은 통상의 타일제조방법을 수행하여 건축용 타일을 제조할 수도 있다.

이때, 상기의 폐알루미늄드로스는 일반 타일원료들의 총 중량에 대해 5%이내의 배합량으로 혼합하는 것이 타일의 물성유지에 효과적이다.

다음은 전술한 바와같은 본 발명을 보다 구체화하고자 행한 여러 실험례 및 제조예를 나타낸 것으로, 이에 대하여 상세히 설명한다.

(1)폐알루미늄드로스에 대한 배소 실험례

본 발명에서 사용된 알루미늄드로스 시료는 국내 알루미늄 재생지금 제조업체에서 발생된 것으로, 알루미늄의 용해시 발생된 드로스를 1차 용해하여 드로스 중의 알루미늄금속을 회수하고 난 후 발생된 폐알루미늄드로스이다.

이러한 시료의 화학성분은 ICP를 이용하여 원소별로 정량분석하였는 바, 분석용 채취시료가 전체를 대표한다는 보장이 없기 때문에 동일시료를 50mesh의 망체로 분급하여 상기 50mesh를 통과하지 못한 입자크기 300

를 초과하는 시료와 통과한 입자크기 300

미만의 시료로 구분한 상태에서 이들을 각각 별도 분석하였으며, 이에 대한 분석성분의 결과는 다음의 표1과 같다.

이와 같은 상태에서 -300

의 입자크기를 갖는 폐알루미늄드로스에 대하여 그에 포함되어 있는 알루미늄이나 마그네슘과 같은 금속성분을 산화물로 변화시켜 주기 위한 배소공정을 수행하였으며, 조건은 rotary kiln에서 900

, 1시간이고 시료의 공급속도는 분당 70g이었다.

상기의 배소공정을 거친 시료를 원소별로 정량분석한 결과는 다음의 표2와 같았다.

상기의 표 2에서 알수 있듯이 폐알루미늄드로스내의 성분원소들은 산화물형태가 대부분이고 금속으로는 소량 존재하지만, 표 2는 시료를 용해하여 분석하였기 때문에 각 성분이 성분원소로만 나타나 있고, 산화물에 있는 산소성분은 분석이 되지 않은 결과이다.

한편, -300

s의 입자크기를 갖는 원시료와 배소처리 후의 시료인 폐알루미늄드로스에서 금속 알루미늄이 얼마나 존재하는가를 알기 위하여 10% NaOH용액을 상요해 가온침출함으로써, 폐알루미늄드로스내의 Al양을 분석한 결과는 다음의 표 3과 같았다.

상기의 표3에서 알 수 있듯이 배소공정을 거친 폐알루미늄드로스는 Al함유량이 극히 적은 산화물로 변환되었다.

한편, 상기와 같이 산화물로 변화된 폐알루미늄드로스는 다음의 제조예에 의해 요업재료인 알루미나질 캐스타블 내화물이나 건축용 타일의 원료로 활용될 수 있었다.

(2)폐알루미늄드로스를 원료로 하는 알루미나질 캐스타블 내화물의 제조예

배소공정을 거친 폐알루미늄드로스와 점결재로 알루미나시멘트를 혼합하여 시험용 캐스타블 내화물을 제조하였는 바, 실험에 사용된 알루미나시멘트는 시판용 R-58이라는 제품을 사용하였으며 그 화학조성은 다음의 표 4와 같았다.

상기와 같이 제조된 캐스타블 내화물에서는 그 물리적 성질로 내열온도, 성형성, 압축강도, 선팽창율, 내마모성 등이 요구된 바, 본 발명에서는 그 중 가장 중요한 내화도를 시험하여 폐알루미늄드로스가 캐스타블 내화물의 월료로 활용가능한지를 조사하였다.

이때, 상기의 내화도 시험을 위해서는 폐알루미늄드로스와 알루미나시멘트를 일정량씩 배합하여 vibrator에서 혼합시킨 시료로 첨부도면 제3도의 형상과 치수를 갖는 Seger Cone 형태의 시편을 만들어 내화도 시험을 실행하였으며, 상기 알루미나시멘트에 대한 페알루미늄드로스의 배합량은 20, 50. 80wt%로 각각 설정하였고, 알루미나시멘트만을 사용한 것과 폐알루미늄드로스만으로 제조한 것도 비교하였는바, 그 내화도 시험의 결과는 다음의 표 5와 같았다.

상기의 표 5에서 알 수 있듯이 캐스타블 내화물 시료 중에서 폐알루미늄드로스의 함량이 많을수록 SK번호가 증가하는 것을 알 수 있었다.

즉, 배소처리된 폐알루미늄드로스에는 Al₂O₃가 80%이상 함유되어 있기 때문에 이를 캐스타블 내화물의 원료로 적용하면 높은 내화도를 갖는 알루미나질 캐스타블 내화물을 제조할 수 있는 것이다.

이때, KS 규격에서 내화물을 규정하는 내화도의 범위는 SK 26 이상으로, 폐알루미늄드로스를 전혀 첨가하지 않고 알루미나시멘트만으로 제조한 경우에는 SK 19 였으며, 폐알루미늄드로스를 20% 첨가한 경우에는 SK 26 이하, 50% 첨가한 경우에는 SK 33, 80% 첨가한 경우와 폐알루미늄드로스만으로 제조한 경우에는 각각 SK 36 이상을 각각 나타냈다. 다만, 폐알루미늄드로스만으로 제조한 경우에는 각각 SK 36 이상을 각각 나타냈다. 다만, 폐알루미늄드로스만으로 캐스타블 내화물을 제조한 경우 내화도 자체는 높지만 가소성은 떨어지는 단점이 있었다.

이상에서 알 수 있듯이 폐알루미늄드로스와 알루미나시멘트를 혼합하여 캐스타블 내화물을 제조하되, 폐알루미늄드로스의 함유량을 50%이상으로 배합하면 고품위의 알루미나질 캐스타블 내화물을 제조할 수 있다.

(3) 폐알루미늄드로스를 원료로 하는 건축용 타일의 제조예

일반적으로 건축용 타일의 소지조성으로 SiO₂66

72%와 Al₂O₃17

20%가 주성분이고, CaO, NA₂O, K₂O 등이 부성분으로 존재하며, 이외에 Fe₂O₃, MgO 등이 미량 함유되어 있는 것으로, 타일의 제조시에는 주요 원료광석인 도석, 장석, 규석, 납석, 점토, 고령토 이외에도 광산별로 몇 가지를 혼합하여 사용하는 경우가 많기 때문에, 이를 일일이 실험하기에는 상당한 어려움이 따르므로 본 제조예에서는 실험용 타일소지의 원료광석으로서 다음의 표6과 같은 점토, 도석, 장석들을 선정하여 원료로 사용하였다.

한편, 배소공정을 거친 폐알루미늄드로스의 화학조성은 전술한 표 2에 나타나 있는 바, 원소별 함량을 산화물로 환산하여 나타내면 다음의 표 7과 같았다.

이러한 상태에서 상기의 표 7과 같은 폐알루미늄드로스를 표 6의 타일제조용원료광석과 배합한 후 이를 성형하여 소성하는 것에 의해 시험용 타일을 제조하였으며, 그 시험용 타일은 후술될 표 8에 나타낸 바와같이 폐알루미늄드로스를 첨가하지 않은 것과 표 6의 원료광석에 각각 폐알루미늄드로스를 5%, 10% 첨가한 것의 3가지로 제조하였다.

이때, 상기 폐알루미늄드로스를 원료로 적용하여 시험용 타일을 제조한 과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 각 원료광석에 대해 ball mill과 같은 파쇄기를 사용하여 건식으로 분쇄한 후 체질하여 입도 50mesh 미만 크기의 것을 수거하고 통상의 vibrator로써 상기 원료광석과 폐알루미늄드로스를 적당량 배합하였다.

이와같이 배합된 시료로는 물을 5.5wt% 가량 첨가하여 반죽을 만든 다음 유압프레스에서 200kgf/

의 압력으로 성형하였으며, 타일시편의 형태는 직육면체와 디스크 형태의 2가지 제작하였는 바, 직육면체의 경우에는 가로 20

, 세로 950

, 두께 8

크기이고, 디스크의 경우에는 직경 50

, 두께 8

크기이다.

이와 같은 성형공정 후 소성은 전기로와 롤러허스킬른(Roller Hearth Kiln)을 사용하였다.

상기의 공정들에 의해 제조된 시편들과 폐알루미늄드로스를 첨가하지 않은 실제 현상에서 생산하는 시편을 외관상 비교하여 볼 때 색상은 모두 양호하였으며, 이 외에 폐알루미늄드로스의 배합량에 따라 타일이 물성을 구현하는 수축률과 흡수율의 변화를 측정하였는 바, 그 실험결과는 다음의 표 8과 같았다.

상기의 표 8에서 전기로는 실험용 전기로에서 소성한 경우이고, R.H.K는 타일 제조현장에서 사용 중인 롤러허스킬른으로 소성한 경우를 각각 나타낸 것이며, 수축률은 소성 후 시편의 길이수축량을 소성 전의 길이에 대한 백분율로 나타낸 것이고, 흡수율은 시편을 4

물에 24시간 침지시킨 후 무게를 측정한 것이다.

한편, 일반적으로 타일 제조업체에서는 수축률을 기준으로 8

9%를 조업조건으로 정하고 있는 바, 상기의 표 8에서 나타난 결과를 보면 폐알루미늄드로스를 5% 첨가한 경우에는 이 조건을 만족시키는 반면에, 폐알루미늄드로스가 10% 첨가된 경우에는 수축률이 그 범위를 벗어났다.

또한, 흡수율 측정결과를 살펴보면 폐알루미늄드로스를 5% 첨가한 경우에는 KS 자기질 타일의 흡수율 규격인 3% 이하를 만족시키는 반면에, 폐알루미늄드로스가 10% 첨가된 경우에는 흡수율이 이보다 더 높은 결과를 나타낸다.

이상의 실험결과를 미루어 폐알루미늄드로스를 타일소지의 원료로 배합하되 그 첨가량을 5% 이하로 유지하면 타일소지의 제조원료로 충분히 활용됨을 알 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와같이 본 발명은 알루미늄금속의 용해시 발생되는 폐알루미늄드로스를 재처리하여 이를 금속성분이 없는 산화물로 변화시키고, 상기와 같이 산화물로 변화된 폐알루미늄드로스를 이용하여 알루미나질 캐스타블 내화물이나 건축용 타일의 원료로 재활용할 수 있도록 함으로써, 매립등으로 폐기시켜야 할 폐알루미늄드로스의 발생량을 월등히 줄여 그 처리비용을 절감시킴과 동시에 자연환경의 오염을 근본적으로 배제하고, 관련산업에 제조원료로 대체적용이 가능하여 해당 제품의 제작단가를 낮출 수 있는 등의 여러 장점을 구현한다.

Claims

알루미늄의 용해시에 발생되는 폐알루미늄드로스를 처리함에 있어서, 상기 폐알루미늄드로스에 대해 파쇄공정을 거친 후 입자크기 300
m를 기준으로 분급공정을 수행하여, 이를 통과하지 못한 큰 입자크기의 폐알루미늄드로스는 재용해하는 것에 의해 이로부터 알루미늄금속을 재차 회수하고, 통과한 작은 입자 크기의 폐알루미늄드로스에 대해서는 소정의 배소처리를 하여 상기 폐알루미늄드로스의 금속성분을 산화물로 변화시키도록 한 것을 특징으로 하는 폐알루미늄드로스의 재처리방법.
제1항에 있어서, 상기의 공정에 의해 산화물로 변화된 폐알루미늄드로스와 일반적인 알루미나시멘트를 혼합하여 알루미나질 캐스타블 내화물을 제조할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 폐알루미늄드로스의 재처리방법.
제2항에 있어서, 상기 폐알루미늄드로스와 알루미나시멘트는 1:1 이상의 배합비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 폐알루미늄드로스의 재처리방법.
제1항에 있어서, 상기의 공정에 의해 산화물로 변화된 폐알루미늄드로스와 일반적인 타일원료들을 혼합하여 건축용 타일을 제조할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 폐알루미늄드로스의 재처리방법.
제4항에 있어서, 상기 폐알루미늄드로스는 일반 타일원료들의 총 중량에 대해 5%이하의 배합량으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 폐알루미늄드로스의 재처리방법.