KR100499546B1 - 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법 및 그에 사용하는 플럭스 - Google Patents

알루미늄 합금 용탕의 처리 방법 및 그에 사용하는 플럭스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 알루미늄 내지 알루미늄 합금재를 함유하는 구조물을 인산 아연 처리했을 때에 발생하는 슬러지를 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스(flux)로서 효과적으로 이용하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 플럭스는, 금속의 불화물을 불소환산으로 3 내지 30질량%, 무기염을 50질량% 이하, 및 금속 인산염을 40 내지 90질량%(P로서의 함유량으로 8 내지 18질량%) 함유하되, 무기염과 금속 인산염은 합계 90질량% 이하로 제한되고, 잔부는 불가피적 불순물로 이루어진다.

Description

알루미늄 합금 용탕의 처리 방법 및 그에 사용하는 플럭스{METHOD OF TREATING ALUMINIUM ALLOY MOLTEN METAL AND FLUX USED THEREFOR}
본 발명은 적어도 알루미늄 내지 알루미늄 합금을 함유하는 구조물을 인산 아연 처리할 때 발생하는 슬러지를 효과적으로 이용하여 알루미늄 내지 알루미늄 합금의 용탕 처리를 실시하는 방법 및 그에 사용하는 플럭스에 관한 것이다.
알루미늄 내지 알루미늄 합금(이하 알루미늄 합금이라고 한다)은 자원 절약의 관점과 저비용의 관점에서 재활용되는 것이 일반적으로 되어 왔다. 그렇지만, 합금종류에 따라 첨가 원소의 함유량이 다르다는 점에서 성분 조성의 조정이 용이한 2차 합금 또는 주물 합금으로서 재활용되고 있다.
구체적으로는, 회수된 스크랩을 용해·용탕 정련·슬래그 제거·주조 등의 공정을 거치게 하여 2차 합금 또는 주물 합금이 되도록 하지만, 용해부터 슬래그 제거까지의 공정에 관해서 상술한다. 즉, 용해로에 투입된 원료가 가열 용융되어 용탕이 된다. 정련 공정에서는, 용해 공정에서의 원료 스크랩에 부착되어 있던 유기물 등이 용해시에 생긴 산화물과 함께 각종 개재물이 되고, 이들이 정련제의 작용에 의해 금속 성분과의 혼합 상태로 슬래그로서 부상한다. 이 슬래그는 제품 결함의 큰 원인이 되기 때문에 제거하여야 하지만, 다량의 금속 성분이 함유되어 있어서 그대로 배제하면 금속이 손실되기 때문에, 슬래그 제거에 있어서는 금속 성분을 가능한 한 용탕중으로 돌려보내고, 개재물만을 효율적으로 배제할 필요가 있다.
이를 위한 대표적인 방법으로서, 할로겐계의 플럭스를 용탕 탕면에 살포하고, 슬래그와 함께 혼합함으로써 슬래그중의 미세한 Al과 반응시키고, 그 때의 발열을 이용하여 슬래그를 가열함으로써, 금속 성분의 유동성을 높여 용탕중에 돌려보내는 방법이 알려져 있다. 또한, 상기 탈 가스 처리시에 용탕중에 불활성 가스, 예컨대 질소 또는 아르곤 기체와 함께 상기 종류의 플럭스를 취입하는 것도 공지되어 있다.
이러한 용탕으로부터의 탈 가스·슬래그 제거는 용탕을 청정화하여 제품 품질을 향상하기 위한 용탕 처리로서 지극히 중요하고, 각종 슬래그 제거제가 제안되어 있다. 특히, 알루미늄 합금 용탕의 슬래그 제거제로서는 예컨대, 일본 특허 공개 제 95-207376호, 일본 특허 공개 제 99-80851호 공보 등을 들 수 있다.
한편, 자동차 산업에 있어서는 경량화의 관점에서 각종 부재에 알루미늄 합금이 많이 사용되고 있고, 특히 자동차 차체 외장재(패널재)는 강판 부분과 알루미늄 합금판 부분으로 구성되는 것이 많다. 그리고, 이러한 외장 부분은 도장되지만, 그 하지 처리로서 일반적으로 인산 아연 처리가 실시된다. 그런데, 이 인산 아연 처리시에 강판 부분과 알루미늄 합금판 부분이 동시에 처리되기 때문에, 처리액 중에 알루미늄 이온이 서서히 증가하여 강판에 대한 처리성이 열화되므로, 이를 방지하기 위해서 불소 이온 첨가에 의해 알루미늄 이온을 침전시키는 것이 일반적인 방법으로서 알려져 있다.
그러나 이 방법에 의하면 인산 아연 처리 성능은 향상되지만 침전된 불화 알루미늄을 주성분으로 하는 슬러지가 대량으로 발생한다는 문제가 있다. 또한, 이 슬러지는 불소 함유량이 많기 때문에 재이용이 곤란하여, 현 상태로서는 폐기물로서 매립 처분할 수밖에 없다는 문제가 있다.
이러한 슬러지의 증가를 억제하기 위해서, 알루미늄 내지 알루미늄 합금재 자체에 관해서도 개선이 진행되고 있고, 예컨대, 알루미늄 내지 알루미늄 합금재에 표면 처리막을 형성하여 알루미늄 이온의 용출을 억제하는 등의 방법(예컨대, 일본 특허 공개 제 2000-256873호)도 고려되고 있다. 그러나, 현 상태로서는 비용 및 성능면에서 불화물 첨가에 의한 방법이 주로 채용되고 있다.
또한, 이러한 슬러지는 정기적으로 전문업자에게 회수되어, 산업 폐기물로서 거의 모두 매립 등으로 처리되고 있다. 그러나, 향후, 더욱 더 알루미늄 내지 알루미늄 합금재의 사용량이 증가함으로써, 폐기 비용이 증가할 뿐만 아니라, 폐기 장소가 부족하다는 환경적 측면에서도 중대한 문제가 될 것으로 생각된다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 슬러지의 재활용에 의한 지구 환경의 청정화, 유한한 자원의 효과적인 활용 및 폐기 비용을 저감하는 것이다.
본 발명자들은 상술한 목적을 달성하기 위해서 예의 연구를 진행시켜, 본 발명을 완성했다.
즉, 우선, 강재(鋼材) 및 알루미늄 내지 알루미늄 합금재를 함유하는 구조물의 인산 아연 처리에 의해 발생한 슬러지에 관해서, 조성 분석을 실시한 결과, 크리올라이트(cryolite) 성분(Na, Al, F)이 다량으로 함유되는 것을 확인했다. 또한, 이러한 크리올라이트 성분은 인산 아연 처리 용탕 중의 불화물의 첨가량, 알루미늄 내지 알루미늄 합금재의 처리량 등에 따라 그 함유율이 다르다.
한편, 알루미늄 내지 알루미늄 합금을 용해하는 경우, 응고시에 기공의 원인이 되는 용탕중의 수소를 제거하고, 내부 결함의 원인이 되는 비금속 개재물을 제거하여 청정화하기 위해서 용탕 처리용 플럭스가 사용되고 있다.
여기에서 본 발명자들은 일반적인 용탕 처리용 플럭스에는 Na가 함유되어 있다는 점에 주목하여, 크리올라이트 성분의 플럭스로의 적용을 검토한 결과, 슬러지를 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스로서 사용할 수 있음을 발견했다.
요컨대, 본 발명은 적어도 알루미늄 내지 알루미늄 합금재를 함유하는 구조물을 인산 아연 처리했을 때에 발생하는 슬러지를, 알루미늄 및 알루미늄 함금 용탕 처리용 플럭스로서 효과적으로 재활용할 수 있는 방법을 제공한다.
즉, 상기 과제를 해결하는 본 발명은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 스크랩을 용해시켜 용탕으로 만들고, 상기 용탕을 정련하는 공정에서 발생한 슬래그를, 슬래그 제거제로서 플럭스를 사용함으로써 제거하되, 상기 플럭스는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 구조재를 인산 아연 처리한 후의 처리액중에 불소 이온을 첨가함으로써 생성되는 슬러지를 함유하는 것인 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법이다.
또한 본 발명은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 스크랩을 용해시켜 용탕으로 만들고, 상기 용탕을 정련하는 공정에서 발생한 슬래그를, 슬래그 제거제로서 플럭스를 사용함으로써 제거하되, 상기 플럭스가 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 구조재를 인산 아연 처리한 후의 처리액중에 불소 이온을 첨가함으로써 생성되는 슬러지를 원료로 하여 제조되는 것인 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법이다.
또한, 본 발명은 상기 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법에서 사용되는 플럭스도 포함한다. 그 플럭스는 불소 환산으로 3 내지 30질량%의 금속 불화물; 40 내지 90질량%의 금속 인산염(P로서의 함유량으로 8 내지 18질량%); 및 50질량% 이하의 금속 불화물과 금속 인산염을 제외한 무기염으로 이루어지되, 금속 불화물 이외의 무기염의 합계는 90질량% 이하로 제한된다.
또는 본 발명은 상기 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법에서 사용되는 슬래그 제거제도 포함한다.
그 슬래그 제거제는 불소 환산으로 3 내지 30질량%의 금속 불화물; 40 내지 90질량%의 금속 인산염(P로서의 함유량으로 8 내지 18질량%); 및 50질량% 이하의 금속 불화물과 금속 인산염을 제외한 무기염으로 이루어지되, 금속 불화물 이외의 무기염의 합계는 90질량% 이하로 제한된다.
본 발명자들은 상술한 바와 같이 인산 아연욕에서 발생하는 슬러지를 효과적으로 활용하기 위해, 그 성분 조성을 조사한 결과, 알루미늄 합금 용탕의 슬래그 제거제의 주성분인 크리올라이트(Na3AlF6)와 공통되는 원소가 다량으로 함유되어 있다는 것을 발견하고, 플럭스 원료로서의 사용 가능성에 관해서 각종 실험을 실시했다.
즉, 실험예에서는 강재: 알루미늄 합금재의 면적비를 변화시킨 시험편을 유리 불소 400ppm에서 인산염 처리하여 크리올라이트 비율이 상이한 슬러지를 발생시키고, 이 슬러지로부터 수분 제거한 것을 용탕의 슬래그 제거제로서 사용했다. 이 슬러지의 성분 조성은 표 1과 같다. 또한, 성분 분석에 있어서는 슬러지를 105℃에서 2시간 건조한 후, 0.5g 채취하고, 진한 염산 30cc 속에서 가열 용해한 것을 100cc로 메스업(mess up)시켜 시료로 만들고, 금속 성분은 원자 흡광법으로, 그 밖의 성분은 이온 크로마토그래피로 실시했다.
슬러지의 성분 조성(함유량w%)
조성원소 슬러지 슬러지 슬러지 비고
A B C
O 9.0 16.0 19.0 주로 인산염과산화물
P 17.0 31.2 38.0
Fe 9.0 14.0 17.6
Zn 3.6 7.8 10.5
불가피적 성분 7.1 6.1 6.6
Na 19.0 9.5 3.6 주로 불화물
Al 7.0 2.4 0.9
F 27.9 13.0 3.8
슬러지에 의한 슬래그 제거제 특성을 조사하기 위해, 슬러지 첨가에 의한 슬러지 중의 불순물 금속에 의한 용탕 오염으로의 영향을 Fe, Zn, Na의 함유량의 변화로 조사했지만, 표 2에 나타낸 바와 같이 용탕 오염은 거의 없었고, 무시할 수 있을 정도였다.
또한, Fe 및 Zn은 통상의 플럭스에는 함유되지 않는 것이다. 본 발명의 플럭스는 Fe 및 Zn도 함유하고 있지만, 그것은 용탕 오염이 문제가 되지 않을 정도의 것이라는 것을 알 수 있다. 금속 인산염도 불순물로서, 통상의 플럭스에는 함유되지 않는 것이다.
용탕 오염
Fe(%) Zn(%) Na(ppm)
무처리 0.0037 0.0012 0.00
슬러지 A 0.0052 0.0011 0.067
슬러지 B 0.0065 0.0014 1.33
슬러지 C 0.0079 0.0018 4.09
*99.99% 순도 알루미늄을 5kg 용해하여, 20g의 슬러지로 처리.
본 발명에 있어서, 알루미늄 용탕 처리용 플럭스의 원료가 되는 슬러지를 수득하는 방법에 관해서 설명하려고 한다.
우선 인산 아연 용탕으로부터 슬러지를 회수한다. 이 경우, 회수 방법으로서는 연속식 중력 여과, 가압형 수증기 필터 여과 또는 가압 포(布)형 필터 여과 등의 방법을 사용한다.
또한, 회수 후, 자연 건조, 온풍 건조(80 내지 150℃) 또는 드럼 및 디스크상 전도형 가열 건조(80 내지 150℃) 등의 방법에 의해 건조시키고, 회전 및 진동 체(sieve), 중력·관성력 분급 또는 원심력 분급 등의 방법에 의해 분급한다.
본 발명에서, 상기와 같은 슬러지로 이루어진 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스에 관해서는 통상 사용되고 있는 플럭스와의 혼합이 효과적이다. 이 때, 통상 플럭스와의 혼합 비율이 문제가 되지만, 용탕의 종류, 탈가스, 탈슬래그 등의 요구도에 따라 적절히 선택되는 것이다.
또한, 상술한 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스는 사용에 있어서, 입도(粒度)를 조정한 분체로서 용탕 표면에 살포하는 방법, 압입(押入)하는 방법, 또는 파이프에 의해서 질소와 같은 불활성 가스와 함께 용탕내로 취입하는 방법, 또는 형상 및 크기가 조정된 고체로서 용탕 내로 삽입하는 방법 등을 노의 종류 및 용량과 용탕 처리의 요구도에 따라 적절히 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 이 경우, 강재(냉간 압연 강판 등), 알루미늄 내지 알루미늄 합금, Zn 도금 알루미늄 합금, 및 이들 이외의 예컨대 Zn, Zn 도금 강판, Zn-Fe 도금 강판, Zn-Ni 도금 강판 등의 금속재를 함유하는 구조물에 있어서도 동일한 슬러지가 수득되며, 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스로서 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관해서 설명한다.
실시예 1
냉간 압연 강판 및 알루미늄 합금재를 함유하는 구조물을 인산 아연 처리하고, 슬러지를 회수했다. 또한, 본 슬러지를 온풍 건조기에 의해 건조하여 원심력 분급기에 의해 분급한 후, 기존의 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스(플럭스-A:파운테크(주)제품)와 혼합하여, 슬러지 혼입량이 0(무첨가), 20%인 플럭스가 되도록 했다. 이들을 하기의 시험 조건에서 처리하고, 슬러지가 알루미늄 용탕 오염에 미치는 영향에 관해서 평가했다.
사용 지금(地金): 99.99% 알루미늄
시험 조건:
용탕량: 5kg
용탕 온도: 740℃
플럭스 첨가량: 5g, 10g, 20g
플럭스 첨가 방법: 고순도 알루미늄박에 싸서 용탕중에 침지
플럭스 Fe(wt%) Zn(wt%) Na(ppm)
무첨가 20% 첨가 무첨가 20% 첨가 무첨가 20% 첨가
5g 0.0052 0.0050 0.0011 0.0019 0.067 0.00
10g 0.0065 0.0064 0.0011 0.0021 1.33 1.44
20g 0.0079 0.0080 0.0014 0.0020 4.09 3.67
본 슬러지가 혼입된 플럭스를 사용하여 주조된 알루미늄 합금을 조성 분석한 결과, 표 3과 같은 결과를 얻었다. 슬러지가 함유된 플럭스를 사용한 경우에도, 슬러지 무첨가(통상의 플럭스만)인 경우와 동일한 조성 비율을 갖고 있다. 또한, 잉곳(ingot) 품질에 관해서도 조사했지만, 슬러지의 첨가, 무첨가에 따른 차이는 관찰되지 않았다.
본 발명의 슬러지(슬래그 제거제)에 있어서, 금속의 불화물은 용탕 표면의 슬래그와의 발열 반응에 의해 슬래그와 용탕과의 분리를 용이하게 하는 작용을 담당하고, 예컨대, LiF, NaF, KF, SrF, CaF2, MgF2, AlF3, NaAlF4, Na3AlF6, KAlF3, K3AlF6 등의 불화물을 들 수 있다. 또한 반응 속도 및 유동성 제어를 목적으로, NaCl, KCl, SrCl, CaCl2, MgCl2, BaCl2, AlCl3 등의 염소계 할로겐 화합물을 첨가할 수도 있다.
무기염 및 금속 인산염은 용탕 처리 중에 플럭스를 발열시키는 조연제(助燃劑)로서 작용하고, 무기염으로서는 예컨대, 금속 탄산염(Na2CO8, K2CO3, MgCO3 등), 금속 황산염(Na2SO4, K2SO4, MgSO4 등), 금속 질산염(NaNO3, KNO3, Ca(NO3)2) 등을 들 수 있다. 또한, 금속 인산염은 예컨대, FePO4, Zn3(PO)2, Mn3(PO)2, Ni3(PO)2 등)을 들 수 있다.
또한, 무기염 및 금속 인산염은 발열 반응 속도의 제어에 효과적이고, 용탕 처리 온도와의 관련으로, 90%까지는 허용할 수 있다.
무기 산화물은 상술한 조성물에 대해, 용탕 처리중의 반응을 적절하게 제어하는 조정제 내지는 증량제로서 사용되고, 예컨대, MgO, SiO2, Al2O3 등을 들 수 있다.
탄소질 물질은 상기 무기염과 동일하게 조연제로서 임의로 사용할 수 있는 것이고, 코크스 및 미분탄 등을 사용할 수 있다.
상술한 슬래그 제거제 조성물은 사용하는데 있어서, 분체로서 용탕 표면에 살포하는 것이 바람직하다. 이러한 사용 방법에 적합시키도록, 분체의 경우에는 작은 자루에 충전되고, 고체의 경우는 적절한 형상, 사이즈로 가압 성형되어 투입된다.
실시예 2상기 표 1의 조성 및 성상을 갖는 슬러지를 사용하고, 실제 노에서의 투입 시험을 실시하고, 슬래그 분리성·슬래그 성상을 조사했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 슬러지는 건조시킨 분체를 약 1kg으로 자루에 채우고, 15ton 용해로의 용탕 표면에 투입했다.
슬러지의 슬래그 제거제로서의 성능 확인 시험 결과
슬래그 제거제 합금품질용해온도 슬래그분리성 악취연기 발생 슬래그성상 금속 손실
미사용 AC4C720℃ 발열 없음 문제 없음 양호 2.3%
슬러지 A AC4C700℃ 양호 경미한 정도문제 없음 양호 1.2%
슬러지 B ADC12670℃ 양호 경미한 정도문제 없음 양호 1.0%
슬러지 C AC4C680℃ 양호 경미한 정도문제 없음 양호 1.3%
시판 슬래그 제거제 ADC12670℃ 양호 문제 없음 양호 1.2%
상기로 부터, 슬러지의 플럭스로서의 사용이 알루미늄 합금의 품질에 영향을 미치지 않는다는 것은 명백하다.
따라서, 종래에는 폐기 처분되었던, 적어도 알루미늄 내지 알루미늄 합금재를 함유하는 구조물을 인산 아연 처리하여 수득되는 슬러지는 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스로서 사용할 수 있는 것이다.
이상, 본 발명에 따르면, 종래에는 산업 폐기물로서 폐기 처분되었던, 적어도 알루미늄 내지 알루미늄 합금재를 함유하는 구조물의 인산 아연 처리에 의해 발생한 슬러지는, 알루미늄 및 알루미늄 합금 용탕 처리용 플럭스로서 효과적으로 이용할 수 있는 것이다.
이 때문에, 지구 환경의 청정화, 유한한 자원의 효과적인 활용 및 폐기 비용을 저감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 또한 용탕의 슬래그 제거제로서 알루미늄 합금의 인산염 처리로 발생한 슬러지를 이용할 수 있는데, 더구나 종래의 플럭스와 그 성능면에서 큰 차이가 없어서, 충분히 실용할 수 있는 것이다. 그 결과, 지금까지 거의 유효하게 이용된 적이 없던 슬러지의 재활용을 달성할 수 있다.

Claims (6)

  1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 스크랩을 용해시켜 용탕으로 만들고, 상기 용탕을 정련하는 공정에서 발생하는 슬래그를, 슬래그 제거제로서 플럭스(flux)를 사용함으로써 제거하되, 상기 플럭스가 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 구조재를 인산 아연 처리한 후의 처리액중에 불소 이온을 첨가함으로써 생성되는 슬러지를 함유하는 것인 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법에서 사용되는 플럭스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    불소환산으로 금속 불화물 3 내지 30질량%;
    금속 인산염 40 내지 90질량%(P로서의 함유량으로 8 내지 18질량%); 및
    금속 불화물과 금속 인산염을 제외한 무기염 50질량% 이하로 이루어지되, 금속 불화물 이외의 무기염의 합계가 90질량% 이하로 제한된 플럭스.
  5. 제 1 항 알루미늄 합금 용탕의 처리 방법에서 사용되는 슬래그 제거제.
  6. 제 5 항에 있어서,
    불소환산으로 금속 불화물 3 내지 30질량%;
    금속 인산염 40 내지 90질량%(P로서의 함유량으로 8 내지 18질량%); 및
    금속 불화물과 금속 인산염을 제외한 무기염 50질량% 이하로 이루어지되, 금속 불화물 이외의 무기염의 합계가 90질량% 이하로 제한된 슬래그 제거제.
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