KR102347615B1 - 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치 및 세척 방법 - Google Patents

타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치 및 세척 방법 Download PDF

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Abstract

타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치 및 세척 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치는 세척액이 담기는 세척액 용기, 상기 세척액 용기 내에 배치되는 것으로 세척 대상물인 타이타늄 스크랩이 적재되는 적재부, 상기 적재부를 상하로 이동시켜 이에 적재된 상기 타이타늄 스크랩의 높이를 조절하는 세척 대상물 높이 조절부, 상기 세척액 용기의 하단에 배치된 것으로 상기 세척액에 담긴 상기 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가하기 위한 초음파 발생기, 상기 세척액 용기 위쪽에 배치된 것으로 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하기 위한 스팀 노즐부, 상기 스팀 노즐부에 연결된 스팀 발생기, 상기 스팀 노즐부의 위치를 이동하도록 구성된 스팀 노즐 이송부 및 상기 세척 대상물 높이 조절부, 상기 초음파 발생기 및 상기 스팀 노즐부의 동작을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치 및 세척 방법{Cleaning apparatus and cleaning method for pretreatment of titanium scrap}
본 발명은 금속 부재의 세척을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치 및 세척 방법에 관한 것이다.
타이타늄 금속은 우수한 물성 및 광범위한 활용성을 가지고 있으나, 한국의 경우, 타이타늄을 생산하는 산업적 기반이 거의 전무하기 때문에, 타이타늄 스크랩(scraps)의 일부 재활용을 제외하고는 거의 전량을 수입에 의존하고 있다.
타이타늄 스크랩이 대량으로 발생되는 미국, 일본 등의 경우, 대형 전문 타이타늄 전처리 업체를 보유하고 있고, 타이타늄 스크랩의 재용해를 통해 타이타늄 잉곳(ingot)을 제조하고 있다. 그러나, 국내(한국)의 경우, 타이타늄 스크랩의 재활용 산업 기반이 취약하고, 타이타늄 스크랩을 저가에 수출하고 고가에 수입하는 불리한 교역조건 및 시장구조를 갖고 있다.
타이타늄은 항공기 시장뿐 아니라 일반 공업용, 민생품 수요도 꾸준히 성장하는 추세를 보여 지속적으로 글로벌 수요가 생산을 상회할 것으로 예상되고 있고, 이에 따라, 국내에서도 타이타늄의 재활용에 대한 요구 및 관심이 높아지고 있다.
타이타늄의 재활용에는 일반적으로 타이타늄 스크랩의 전처리(pretreatment) 공정이 수반된다. 타이타늄 스크랩의 전처리는 스크랩에 포함된 산소, 질소, 탄소 등의 불순물을 제거하는 공정을 포함한다. 그런데 기존 기술에 따르면, 타이타늄 스크랩의 불순물을 제거하기 위해, 질산, 염산 또는 불산 등의 산을 이용하여 세척하거나, 알코올 및 아세톤 등과 같은 유기용제를 이용하여 세척하거나, 고농도의 세척용액을 대량으로 사용하여 세척하는 것이 일반적이다. 그러나 전처리 용액으로 산 또는 유기용제를 사용하거나 고농도의 세척용액을 대량으로 사용함에 따라 환경오염, 안전성 및 폐수 처리 등의 문제점들이 야기되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 산(acid) 및 유기용제의 사용을 배제하고 친환경적이고 안전한 방법으로 효과적인 세척을 수행할 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 사용되는 세척용액의 농도 및 양을 줄일 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 불규칙한 모양의 세척 대상물(즉, 타이타늄 스크랩)을 효과적으로 세척할 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 타이타늄 스크랩(titanium scrap)의 전처리를 위한 세척 장치로서, 세척액이 담기는 세척액 용기; 상기 세척액 용기 내에 배치되는 것으로, 세척 대상물인 타이타늄 스크랩이 적재되는 적재부; 상기 적재부를 상하로 이동시켜 이에 적재된 상기 타이타늄 스크랩의 높이를 조절하는 세척 대상물 높이 조절부; 상기 세척액 용기의 하단에 배치된 것으로, 상기 세척액에 담긴 상기 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가하기 위한 초음파 발생기; 상기 세척액 용기 위쪽에 배치된 것으로, 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하기 위한 스팀 노즐부; 상기 스팀 노즐부에 연결된 스팀 발생기; 상기 스팀 노즐부의 위치를 이동하도록 구성된 스팀 노즐 이송부; 및 상기 세척 대상물 높이 조절부, 상기 초음파 발생기 및 상기 스팀 노즐부의 동작을 제어하도록 구성된 컨트롤러;를 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치가 제공된다.
상기 스팀 노즐부 위쪽에서 상기 세척액 용기를 덮도록 구성된 보온 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 세척액 용기에 담겨진 상기 세척액의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 세척액 용기에 담겨진 상기 세척액 내에 공기방울을 분사하도록 구성된 공기방울 발생 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 세척 장치는 상기 세척 대상물 높이 조절부를 이용해서 상기 타이타늄 스크랩이 적재된 상기 적재부의 높이를 조절하면서 상기 초음파 발생기를 이용한 초음파 세척 및 상기 스팀 발생기를 이용한 스팀 세척을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법으로, 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하여 1차 스팀 세척을 수행하는 단계; 상기 타이타늄 스크랩을 세척액에 침지하고, 침지된 상기 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가하여 초음파 세척을 수행하는 단계; 및 상기 세척액으로부터 상기 타이타늄 스크랩을 실질적으로 분리하고, 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하여 2차 스팀 세척을 수행하는 단계;를 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법이 제공된다.
상기 세척액은 SLES(sodium laureth sulfate) 및 TSPP(tetrasodium pyrophosphate)를 함유한 수용액을 포함할 수 있다.
상기 초음파 세척을 수행하는 단계에서, 상기 세척액은 40∼80℃의 온도로 가열될 수 있다.
상기 초음파 세척을 수행하는 단계에서, 상기 초음파는 25~40 kHz 범위의 주파수를 가질 수 있다.
상기 세척 방법은 상기 세척액 내에 공기방울을 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 세척 방법은 상기 2차 스팀 세척을 수행하는 단계 후, 상기 타이타늄 스크랩을 원심 탈수(centrifugal dewatering)하는 단계; 및 상기 타이타늄 스크랩을 진공 건조(vacuum drying)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 산(acid) 및 유기용제의 사용을 배제하고 친환경적이고 안전한 방법으로 효과적인 세척을 수행할 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 구현할 수 있다. 또한, 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 사용되는 세척용액의 농도 및 양을 줄일 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 구현할 수 있다. 또한, 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 불규칙한 모양의 세척 대상물(즉, 타이타늄 스크랩)을 효과적으로 세척할 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 구현할 수 있다.
이러한 실시예들에 따르면, 친환경적이고 안전한 방법으로 타이타늄 스크랩을 세척하여 높은 순도를 갖는 타이타늄 원료(재활용 원료)를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치를 보여주는 사시도이다.
도 2는 상기 세척 장치의 내부 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치의 구성을 설명하기 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세척 장치의 세척 대상물이 될 수 있는 타이타늄 스크랩의 사진 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세척 장치에서 스팀 노즐부로부터의 거리에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 다양한 실험예들에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명학하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치를 보여주는 사시도이다. 도 2는 상기 세척 장치의 내부 구조를 보여주는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치는 세척액(미도시)이 담기는 세척액 용기(10), 세척액 용기(10) 내에 배치되는 것으로 세척 대상물인 타이타늄 스크랩(미도시)이 적재되는 적재부(20) 및 적재부(20)를 상하로 이동시켜 이에 적재된 상기 타이타늄 스크랩의 높이를 조절하는 세척 대상물 높이 조절부(30)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 세척 장치는 세척액 용기(10)의 하단에 배치된 초음파 발생기(40), 세척액 용기(10)의 위쪽에 배치된 스팀 노즐부(50) 및 스팀 노즐부(50)에 연결된 스팀 발생기(60)를 포함할 수 있다. 초음파 발생기(40)는 상기 세척액에 담긴 상기 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가하기 위한 장치일 수 있고, 스팀 노즐부(50)는 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하기 위한 장치일 수 있다. 스팀 발생기(60)에서 발생된 스팀이 스팀 노즐부(50)에 전달되어 스팀 노즐부(50)에서 분사될 수 있다. 스팀 발생기(60)와 스팀 노즐부(50)는 소정의 연결관(55)에 의해 연결될 수 있다. 스팀 노즐부(50)는, 예컨대, 일렬로 배열된 복수의 노즐을 포함할 수 있다. 그러나 이러한 스팀 노즐부(50)의 구성은 예시적인 것이고 다양하게 변화될 수 있다.
상기 세척 장치는 스팀 노즐부(50)의 위치를 이동하도록 구성된 스팀 노즐 이송부(70)를 더 포함할 수 있다. 스팀 노즐 이송부(70)를 이용해서 스팀 노즐부(50)의 위치를 이동시키면서 상기 타이타늄 스크랩을 스팀 세척할 수 있다. 스팀 노즐 이송부(70)는, 예를 들어, 모터 부재(71), 모터 부재(71)에 연결된 회전축 부재(72), 회전축 부재(72)의 양옆에 배치된 가이드 부재(73), 가이드 부재(73)와 결합되어 회전축 부재(72)의 회전에 의해 이동이 제어되는 이동 부재(74)를 포함할 수 있다. 회전축 부재(72)는 각산나사(각산볼트) 구조를 가질 수 있다. 이동 부재(74)는 스팀 노즐부(50)와 결합될 수 있다. 모터 부재(71)의 가동에 의한 회전 운동이 직선 운동으로 변환될 수 있고, 이러한 직선 운동에 의해 스팀 노즐부(50)가 이송될 수 있다. 예를 들어, 스팀 노즐부(50)는 세척액 용기(10) 위쪽에서 직선적으로 왕복 운동할 수 있다. 그러나 이러한 스팀 노즐 이송부(70)의 구성 및 스팀 노즐부(50)의 이동 방식은 예시적인 것이고 다양하게 변화될 수 있다.
상기 세척 장치는 세척 대상물 높이 조절부(30), 초음파 발생기(40), 스팀 노즐부(50) 등의 동작을 제어하여 전반적인 세척 공정을 제어하는 역할을 하는 컨트롤러(controller)(80)를 더 포함할 수 있다. 컨트롤러(80)는 일종의 '컨트롤 박스'라 할 수 있다. 컨트롤러(50)는 세척 대상물 높이 조절부(30)의 가동 및 속도 조절, 초음파 발생기(40)의 가동 및 초음파 출력 조절, 스팀 노즐부(50)에서의 스팀 분사, 스팀 노즐 이송부(70)의 가동 등 상기 세척 장치의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 할 수 있다.
이러한 실시예에 따른 세척 장치는 세척 대상물 높이 조절부(30)를 이용해서 상기 타이타늄 스크랩이 적재된 적재부(20)의 높이를 조절하면서 초음파 발생기(40)를 이용한 초음파 세척 및 스팀 발생기(60)/스팀 노즐부(50)를 이용한 스팀 세척을 수행하도록 구성될 수 있다.
세척액 용기(10)는 일종의 '수조'라고 할 수 있고, 초음파 침지 세척을 위한 상기 세척액을 담는 역할을 할 수 있다. 또한, 세척액 용기(10)는 스팀 세척시 발생하는 폐수나 기름 등을 포집/회수하는 역할을 할 수 있다. 적재부(20)는 일종의 '바스켓 부재'라 할 수 있고, 용액이 통과될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 세척 대상물 높이 조절부(30)는, 예를 들어, 복수의 기둥부와 상기 복수의 기둥부에 설치되어 적재부(20)에 연결된 이동 프레임부 및 상기 이동 프레임부의 높이를 조절하는 유압 실린더나 모터를 포함할 수 있다. 그러나 이러한 세척 대상물 높이 조절부(30)의 구성은 예시적인 것에 불과하고 다양하게 변화될 수 있다. 세척 대상물 높이 조절부(30)를 이용해서 세척 대상물(즉, 상기 타이타늄 스크랩)이 적재된 적재부(20)를 상하로 이동하여 그 높이를 조절함으로써, 상기 세척 대상물을 세척액에 침지시키거나, 침지된 세척 대상물을 들어올려 스팀 노즐부(50)와의 거리를 조절할 수 있다. 따라서, 세척 대상물 높이 조절부(30)를 이용해서 상기 세척 대상물(즉, 상기 타이타늄 스크랩)의 높이를 조절하면서 초음파 세척 및 스팀 세척을 차례로 또는 정해진 규칙에 따라 번갈아 수행할 수 있다.
스팀 노즐부(50)는 스팀 노즐 이송부(70)에 의해 세척액 용기(10) 위쪽에서 직선적으로 왕복 운동할 수 있다. 이때, 모터 부재(71)의 회전속도(rpm), 회전방향 등을 조절하여 스팀 노즐부(50)의 이동 속도, 이동 방향 등을 제어할 수 있다. 세척하고자 하는 타이타늄 스크랩 상에서 스팀 노즐부(50)를 여러 번 왕복 이동시키면서 스팀 세척을 수행할 수 있고, 이 경우, 타이타늄 스크랩 전체에 대한 스팀 세척이 고르게 이루어질 수 있고 세척 특성이 향상될 수 있다. 한편, 스팀 발생기(60)는, 예컨대, 약 10 bar의 압력으로 스팀을 발생하는 장치일 수 있지만, 스팀 발생 압력은 다양하게 변화될 수 있다.
부가해서, 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치는 스팀 노즐부(50) 위쪽에서 세척액 용기(10)를 덮도록 구성된 보온 커버(90)를 더 포함할 수 있다. 보온 커버(90)는 스팀 노즐부(50)에서 분사된 스팀이 바로 빠져나가지 못하도록 막아 스팀 세척시 비교적 고온의 온도를 유지시켜주는 역할을 할 수 있다. 보온 커버(90)는 완전 밀폐 타입이 아닐 수 있고, 스팀이 일정 부분 조금씩 배출될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 보온 커버(90)를 사용하는 경우, 스팀 세척시 비교적 고온의 온도가 잘 유지되기 때문에, 세척 특성이 상당히 개선될 수 있다. 이에 대해서는 추후에 도 5의 실험 결과를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치의 구성을 설명하기 평면도이다. 도 3은 일 실시예에 따른 세척 장치의 세척액 용기(수조)를 위에서 바라본 구조를 보여준다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치는 세척액 용기(10)에 담겨진 세척액의 온도를 조절하기 위한 '온도 조절 장치'를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 조절 장치는, 예를 들어, 세척액 용기(10)의 저면부에 설치된 열선 부재(110)를 포함할 수 있다. 열선 부재(110)를 이용해서, 세척액의 온도를, 예를 들어, 약 40∼80℃ 정도로 가열할 수 있다. 세척액의 온도 제어를 통해 세척 효율을 더욱 개선할 수 있다. 여기서, 도시된 열선 부재(110)의 배치/구조는 예시적인 것이고, 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치는 세척액 용기(10)에 담겨진 세척액 내에 공기방울을 분사하도록 구성된 공기방울 발생 장치(120)를 더 포함할 수 있다. 공기방울 발생 장치(120)는 세척액 용기(10)의 저면부에 설치될 수 있고, 컴프레서(compressor)에 의해 압축된 공기를 세척액 내로 분사하도록 구성될 수 있다. 공기방울 발생 장치(120)로부터 발생된 공기방울이 부력에 의해 상승하면서 교반 작용을 일으킬 수 있고, 침지 세척시 세척액의 원활한 교반이 이루어질 수 있다. 따라서, 공기방울 발생 장치(120)를 이용하면 타이타늄 스크랩의 세척 효율이 개선될 수 있다.
열선 부재(110)를 포함하는 상기 온도 조절 장치 및 공기방울 발생 장치(120)의 동작은 도 1에서 설명한 컨트롤러(80)에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 세척액의 온도 및 세척액 내의 공기방울 분사 여부는 컨트롤러(80)에 의해 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세척 장치의 세척 대상물이 될 수 있는 타이타늄 스크랩의 사진 이미지이다.
도 4를 참조하면, 타이타늄 스크랩(scraps)은 정형화된 형태가 아닌 비교적 불규칙적인 모양을 가질 수 있다. 타이타늄 금속에 대한 밀링(milling), 절삭 등과 같은 기계 가공 시에 타이타늄 스크랩(터닝 스크랩)이 발생하며, 이때, 열화 현상으로 인해 타이타늄 스크랩의 산소 및 질소 함량이 증가할 수 있다. 또한, 절삭유와 같은 오일류로 인한 오염 등으로 인해 탄소 함량이 급격히 증가할 수 있다. 산소, 질소, 탄소 등 불순물은 타이타늄을 적용한 최종 제품의 성능에 상당한 영향을 줄 수 있다. 따라서, 타이타늄 스크랩으로부터 불순물을 제거하고 세척하는 공정이 필요할 수 있다.
아래의 표 1은 타이타늄 스크랩(원재료)의 불순물 함량을 측정한 결과를 정리한 것이다. 이때, 불순물 함량의 단위는 ppm 이었다.
산소(O) 질소(N) 탄소(C)
스크랩 원재료 3430 275 8700
표 1을 참조하면, 타이타늄 스크랩(원재료)의 불순물 함량은 산소 3430 ppm, 질소 275 ppm, 탄소 8700 ppm 으로 분석되었다. 특히, 탄소의 함량이 8700 ppm으로 상당히 높게 나타났다. 따라서, 불순물 제거를 위한 세척시 특히 탄소의 제거가 중요할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세척 장치에서 스팀 노즐부로부터의 거리에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다. 도 5는 보온 커버(도 1의 90)가 있는 경우(●)의 결과와 보온 커버(도 1의 90)가 없는 경우(▲)의 결과를 포함한다.
도 5를 참조하면, 보온 커버(도 1의 90)가 있는 경우(●), 스팀 노즐부와의 거리가 늘어나더라도 해당 거리에서의 온도는 대체로 일정하게 유지될 수 있다. 그러나 보온 커버(도 1의 90)가 없는 경우(▲), 스팀 노즐부와의 거리가 증가함에 따라 온도가 급격히 떨어질 수 있다. 온도가 낮을 경우, 타이타늄 스크랩에 잔존해 있는 기름의 유동성이 확보되지 않아 스팀에 의한 기름 제거 특성이 떨어질 수 있다. 한편, 스팀 노즐부(즉, 도 1의 50)의 이송은 모터 부재(도 1의 71)에 의해 회전하는 회전축 부재(ex, 각산나사)(72)에 의해 이뤄질 수 있고, 스팀 노즐부(도 1의 50)의 이동 속도는, 예컨대, 약 0.5 mm/sec 내지 6 mm/sec 정도일 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예들에 따른 세척 장치를 이용하면, 타이타늄 스크랩에 대하여 스팀 세척과 함께 침지 세척 및 초음파 세척을 수행할 수 있다. 스팀 세척을 단독으로 수행할 수도 있고, 침지 세척 및 초음파 세척을 스팀 세척과 병행할 수도 있다. 그 밖에도 다양한 방식으로 타이타늄 스크랩을 세척할 수 있다.
아래의 표 2는 실시예에 따른 세척 장치를 이용해서 스팀 노즐부를 좌우로 왕복 이동하면서 스팀 세척만 수행할 경우, 스팀 세척 횟수(스팀 노즐부의 왕복 횟수)에 따른 불순물 함량 변화를 정리한 것이다. 타이타늄 스크랩 1 kg을 적재부(도 2의 20)에 적재(장입)한 후, 스팀 노즐부를 1회, 2회 및 3회 왕복시키면서 스팀 세척을 실시하였고, 각 경우의 불순물 함량을 측정하였다. 불순물 함량의 단위는 ppm 이다.
스팀 노즐 왕복 횟수 RAW 1회 2회 3회
탄소(C) 8700 3160 2970 1920
산소(O) 3430 2596 2190 2140
질소(N) 275 123 97 81
표 2를 참조하면, 왕복 횟수가 증가함에 따라, 불순물 함량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 1회 왕복 세척시 탄소 함량은 3160 ppm 이었고, 2회 왕복 세척시 탄소 함량은 2970 ppm 이었으며, 3회 왕복 세척시 탄소 함량은 1920 ppm 이었다. 3회 왕복 세척시 원재료로부터의 탄소 저감률은 약 77.9 % 였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법은 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하여 1차 스팀 세척을 수행하는 단계(S10), 상기 타이타늄 스크랩을 세척액에 침지하고 침지된 상기 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가하여 초음파 세척을 수행하는 단계(S20) 및 상기 세척액으로부터 상기 타이타늄 스크랩의 적어도 일부를 실질적으로 분리하고 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하여 2차 스팀 세척을 수행하는 단계(S30)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 세척 방법은 도 1 내지 도 3 등을 참조하여 설명한 실시예들에 따른 세척 장치를 이용해서 수행할 수 있다. 따라서, 도 6의 S10, S20, S30 단계들은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 내용을 기초로 용이하게 이해될 수 있다. 예를 들어, S10 및 S30 단계들은 도 1의 스팀 발생기(60) 및 스팀 노즐부(50)를 이용해서 수행할 수 있고, 이러한 스팀 세척은 스팀 노즐부(50)를 직선적으로 왕복 이동시키면서 수행할 수 있다. S20 단계는 타이타늄 스크랩을 세척액에 침지한 후, 도 2의 초음파 발생기(40)를 이용해서 침지된 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가함으로써 수행할 수 있다. 또한, S10, S20, S30 단계들은 세척 대상물 높이 조절부(도 1, 도 2의 30)를 이용해서 타이타늄 스크랩이 적재된 적재부(도 2의 20)의 높이를 조절하면서 수행할 수 있다. S10 및 S30 단계에서는 타이타늄 스크랩이 세척액에 침지되지 않은 상태 혹은 타이타늄 스크랩의 적어도 일부가 세척액에서 실질적으로 분리된 상태에서 수행될 수 있고, S20 단계는 타이타늄 스크랩이 세척액에 침지된 상태에서 수행될 수 있다.
상기 세척 방법에서 사용하는 상기 세척액은, 예를 들어, SLES(sodium laureth sulfate) 및 TSPP(tetrasodium pyrophosphate)를 함유한 수용액을 포함할 수 있다. 상기 세척액은 SLES 및 TSPP가 포함된 수용액일 수 있다. 이때, SLES는 약 0.4 g/L 내지 5.0 g/L의 농도로 첨가될 수 있고, TSPP는 약 2 g/L 내지 20 g/L의 농도로 첨가될 수 있다. 구체적인 일례로, SLES는 0.67 g/L의 농도(즉, 2CMC 농도, 여기서, CMC는 critical micelle concentration)로 첨가될 수 있고, TSPP는 10 g/L의 농도로 첨가될 수 있다. 여기서, TSPP는 피로인산나트륨(sodium pyrophosphate)이라 할 수도 있다. 상기 세척액이 SLES 및 TSPP를 포함하는 수용액일 경우, 세척 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 스팀 세척과 초음파 세척을 병행하면서 소정의 세척액을 사용하기 때문에, 산(acid) 및 유기용제의 사용을 배제하고 친환경적이고 안전한 방법으로 효과적인 세척을 수행할 수 있다. 또한, 사용되는 세척액의 농도(첨가물/세제의 농도) 및 양(폐수의 양)을 줄일 수 있다.
상기 초음파 세척을 수행하는 단계(S20)에서, 상기 세척액은 소정의 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 상기 세척액은 약 40∼80℃의 온도로 가열될 수 있다. 상기 세척액을 적절한 온도로 가열할 경우, 세척 효율이 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 상기 세척액의 가열은 도 3을 참조하여 설명한 열선 부재(110)를 포함하는 온도 조절 장치에 의해 수행될 수 있다.
상기 초음파 세척을 수행하는 단계(S20)에서, 상기 초음파는 25~40 kHz 범위의 주파수를 가질 수 있다. 이러한 초음파를 인가함으로써, 타이타늄 스크랩을 효과적으로 세척할 수 있다. 그러나 여기서 제시한 초음파의 주파수 범위 및 출력파워의 범위는 예시적인 것이고, 경우에 따라, 달라질 수 있다.
상기 세척 방법은 상기 세척액 내에 공기방울을 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 공기방울의 분사는 도 3을 참조하여 설명한 공기방울 발생 장치(120)에 의해 수행될 수 있다. 발생된 공기방울이 부력에 의해 상승하면서 교반 작용을 일으킬 수 있다. 타이타늄 스크랩이 침지된 상태에서 세척 효율이 개선될 수 있다.
부가적으로, 상기 세척 방법은 상기 2차 스팀 세척을 수행하는 단계(S30) 후, 상기 타이타늄 스크랩을 원심 탈수(centrifugal dewatering)하는 단계 및 상기 타이타늄 스크랩을 진공 건조(vacuum drying)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 원심 탈수 및 진공 건조는 일반적인 원심 탈수 및 진공 건조 공정을 따라 수행할 수 있는 바, 이에 대한 자세한 설명은 배제한다.
도 7은 다양한 실험예들에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법을 보여주는 순서도이다. ①번 루트를 포함하는 세척 방법은 제1 실험예에 따른 것이고, ②번 루트를 포함하는 세척 방법은 제2 실험예에 따른 것이며, ③번 루트를 포함하는 세척 방법은 제3 실험예에 따른 것이다. 상기 제3 실험예는 도 6을 참조하여 설명한 실시예에 대응될 수 있다.
도 7을 참조하면, ①번 루트를 포함하는 제1 실험예에 따른 세척 방법은 침지 세척 단계(S105) 후, 스팀 세척 단계(S130)를 수행한다. ②번 루트를 포함하는 제2 실험예에 따른 세척 방법은 초음파 세척 단계(S107) 후, 스팀 세척 단계(S130)를 수행한다. ③번 루트를 포함하는 제3 실험예에 따른 세척 방법은 초기(초벌) 스팀 세척 단계(S110) 및 초음파 세척 단계(S120)를 차례로 수행한 후, 스팀 세척 단계(S130)를 수행한다. 상기한 제1, 제2 및 제3 실험예의 세척 방법은 공통적으로 준비 단계(S100), 스팀 세척 단계(S130), 원심 탈수 단계(S140) 및 진공 건조 단계(S150)를 포함한다. S130 단계에서 스팀 노즐부의 이동 속도는 2 mm/sec 였고, S140 단계에서 원심분리는 800 rpm으로 10분간 수행하였으며, S150 단계에서 진공 건조는 70℃의 온도에서 2시간 동안 수행하였다.
상기 제1 실험예에 따른 세척 방법에서는 1kg의 타이타늄 스크랩을 적재부에 장입한 후(S100), 0.67g/L 농도(2CMC)의 SLES 및 10g/L 농도의 TSPP(피로인산나트륨)가 함유된 세척액(수용액)(온도 50℃)에 타이타늄 스크랩을 20분간 침지(침적)하고(S105), 스팀 노즐부를 왕복 총 3회 이동하면서 스팀 세척을 진행하고(S130), 원심 분리를 통해 탈수한 다음(S140), 진공 건조기를 이용해서 건조를 진행하였다(S150).
상기 제2 실험예에 따른 세척 방법에서는 1kg의 타이타늄 스크랩을 적재부에 장입한 후(S100), 0.67g/L 농도(2CMC)의 SLES 및 10g/L 농도의 TSPP(피로인산나트륨)가 함유된 세척액(수용액)(온도 50℃)에 타이타늄 스크랩을 침지하여 20분간 초음파 세척을 진행하고(S107), 상기 제1 실험예와 마찬가지로 S130, S140, S150 단계들을 진행하였다.
상기 제3 실험예의 세척 방법에서는 1kg의 타이타늄 스크랩을 적재부에 장입한 후(S100), 스팀 노즐부를 왕복 총 3회 이동하면서 초기(초벌) 스팀 세척을 진행하고(S110), 0.67g/L 농도(2CMC)의 SLES 및 10g/L 농도의 TSPP(피로인산나트륨)가 함유된 세척액(수용액)(온도 50℃)에 타이타늄 스크랩을 침지하여 20분간 초음파 세척을 진행하고(S120), 다시 스팀 노즐부를 왕복 총 3회 이동하면서 스팀 세척을 진행한 다음(S130), 원심 탈수(S140) 후 진공 건조(S150)를 실시하였다.
아래의 표 3은 상기한 제1, 제2 및 제3 실험예에 따른 세척 후, 각 경우의 타이타늄 스크랩의 불순물 함량을 측정한 결과를 정리한 것이다.
탄소(C) 산소(O) 질소(N) 탄소 저감률
제1 실험예 1340 2200 70 84.6 %
제2 실험예 850 2135 105 90.2 %
제3 실험예 480 1940 52 94.5 %
표 3을 참조하면, 상기 제1 실험예의 탄소 저감률은 84.6 % 였고, 상기 제2 실험예의 탄소 저감률은 90.2 % 였으며, 상기 제3 실험예의 탄소 저감률은 94.5 %로 가장 높았다. 상기 제3 실험예와 같이 스팀-초음파-스팀 순으로 세척을 진행할 경우, 세척 효과가 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 스팀-초음파-스팀 순으로 세척한 경우, 세척 후의 탄소 함량은 480 ppm으로 상용 합금에서 요구되는 불순물(탄소) 수치 보다 낮은 탄소 함량을 보여 재활용이 가능한 상태이고, 산소와 질소의 함량 또한 상용 합금에서 요구되는 수치 범위에 적합한 1940 ppm, 52 ppm을 나타내어 재활용에 적합하였다. 초기(초벌) 스팀 세척 후, 초음파 세척 및 스팀 세척을 차례로 진행할 경우, 재활용에 적합한 고순도의 타이타늄 스크랩을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 산(acid) 및 유기용제의 사용을 배제하고 친환경적이고 안전한 방법으로 효과적인 세척을 수행할 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 구현할 수 있다. 또한, 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 사용되는 세척용액의 농도 및 양을 줄일 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 구현할 수 있다. 또한, 타이타늄 스크랩을 전처리함에 있어서, 불규칙한 모양의 세척 대상물(즉, 타이타늄 스크랩)을 효과적으로 세척할 수 있는 세척 장치 및 세척 방법을 구현할 수 있다. 이러한 실시예들에 따르면, 친환경적이고 안전한 방법으로 타이타늄 스크랩을 세척하여 높은 순도를 갖는 타이타늄 원료(재활용 원료)를 생산할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 실시예에 따른 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치 및 세척 방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 실시예에 따른 세척 장치 및 세척 방법은 타이타늄 스크랩이 아닌 다른 금속 스크랩이나 합금/금속화합물 스크랩의 세척에도 적용될 수 있고, 스크랩이 아닌 다른 형태의 금속성 물질의 세척에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 세척액 용기 20 : 적재부
30 : 세척 대상물 높이 조절부 40 : 초음파 발생기
50 : 스팀 노즐부 55 : 연결관
60 : 스팀 발생기 70 : 스팀 노즐 이송부
71 : 모터 부재 72 : 회전축 부재
73 : 가이드 부재 74 : 이동 부재
80 : 컨트롤러 90 : 보온 커버
110 : 열선 부재 120 : 공기방울 발생기

Claims (11)

  1. 타이타늄 스크랩(titanium scrap)의 전처리를 위한 세척 장치로서,
    세척액이 담기는 세척액 용기;
    상기 세척액 용기 내에 배치되는 것으로, 세척 대상물인 타이타늄 스크랩이 적재되는 적재부;
    상기 적재부를 상하로 이동시켜 이에 적재된 상기 타이타늄 스크랩의 높이를 조절하는 세척 대상물 높이 조절부;
    상기 세척액 용기의 하단에 배치된 것으로, 상기 세척액에 담긴 상기 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가하기 위한 초음파 발생기;
    상기 세척액 용기 위쪽에 배치된 것으로, 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하기 위한 스팀 노즐부;
    상기 스팀 노즐부에 연결된 스팀 발생기;
    상기 스팀 노즐부의 위치를 이동하도록 구성된 스팀 노즐 이송부;
    상기 세척 대상물 높이 조절부, 상기 초음파 발생기 및 상기 스팀 노즐부의 동작을 제어하도록 구성된 컨트롤러; 및
    상기 스팀 노즐부 위쪽에서 상기 세척액 용기를 덮도록 구성된 보온 커버를 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세척액은 SLES(sodium laureth sulfate) 및 TSPP(tetrasodium pyrophosphate)를 함유한 수용액을 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 세척액 용기에 담긴 상기 세척액의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치를 더 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세척액 용기에 담긴 상기 세척액 내에 공기방울을 분사하도록 구성된 공기방울 발생 장치를 더 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세척 장치는 상기 세척 대상물 높이 조절부를 이용해서 상기 타이타늄 스크랩이 적재된 상기 적재부의 높이를 조절하면서 상기 초음파 발생기를 이용한 초음파 세척 및 상기 스팀 발생기를 이용한 스팀 세척을 수행할 수 있도록 구성된 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 장치.
  6. 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법으로,
    상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하여 1차 스팀 세척을 수행하는 단계;
    상기 타이타늄 스크랩을 세척액에 침지하고, 침지된 상기 타이타늄 스크랩에 초음파를 인가하여 초음파 세척을 수행하는 단계; 및
    상기 세척액으로부터 상기 타이타늄 스크랩을 실질적으로 분리하고, 상기 타이타늄 스크랩에 스팀을 분사하여 2차 스팀 세척을 수행하는 단계;를 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 세척액은 SLES(sodium laureth sulfate) 및 TSPP(tetrasodium pyrophosphate)를 함유한 수용액을 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 초음파 세척을 수행하는 단계에서, 상기 세척액은 40∼80℃의 온도로 가열되는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 초음파 세척을 수행하는 단계에서, 상기 초음파는 25~40 kHz 범위의 주파수를 갖는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 세척액 내에 공기방울을 분사하는 단계를 더 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 2차 스팀 세척을 수행하는 단계 후,
    상기 타이타늄 스크랩을 원심 탈수(centrifugal dewatering)하는 단계; 및
    상기 타이타늄 스크랩을 진공 건조(vacuum drying)하는 단계;를 더 포함하는 타이타늄 스크랩의 전처리를 위한 세척 방법.
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