KR102428423B1 - 초음파를 이용한 복잡형상의 금속가공 스크랩 세척 기술 - Google Patents

초음파를 이용한 복잡형상의 금속가공 스크랩 세척 기술 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 가공 후 생성되는 금속 스크랩을 재활용하기 위해 스크랩의 효과적인 세척방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 초음파 세척 방법을 적용하여 낮은 온도, 짧은 시간에서도 복잡한 형상을 가지는 금속 스크랩 표면의 유기 화합물 및 불순물을 효율적으로 제저하기 위한 금속 스크랩 세척방법에 관한 것이다.

Description

초음파를 이용한 복잡형상의 금속가공 스크랩 세척 기술 {Ultrasonic Cleaning of Metal Processing Scraps with Complex Shape}
본 발명은 복잡형상의 금속가공 스크랩의 세척 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면에 유기 화합물 등의 불순물이 존재하는 복잡형상의 금속 스크랩을 재활용하기 위해 종래의 탈수 세척방법 대신 초음파 세척 기술을 적용하는 고효율의 스크랩 세척 공정에 관한 것이다.
우리나라는 자원 부존량이 부족하여 비철금속원재료는 거의 수입에 의존하고 있는 실정이나, 비철금속소비는 세계 상위권에 속해 있다. 따라서, 우리나라의 주요산업인 자동차, 전기ㆍ전자, 반도체, 조선, 통신, 컴퓨터 등의 기초소재인 비철금속의 안정적 확보가 중요시되고 있다. 근래에 자원의 재활용 면에서 여러 분야의 폐기물 재활용을 국가적인 과제로 각종 시책을 마련하고 있으나 사업성이 유망하고 재활용이 용이한 일부 금속을 제외하고, 대부분이 종래의 금속 스크랩(scrap)을 수거하는 수준에서 크게 전진하지 못한 상태이다. 다행히 비철금속 제련업체들은 스크랩을 별도로 수거 처리하는 시스템을 갖추고 재생금속을 생산라인에 합류시키는 등의 재활용 시스템을 운용하고 있다. 현재 비철금속산업은 환경문제가 사회적인 이슈로 등장하면서 환경친화적인 사업화를 꾀하고 있으며, 국제적인 경쟁에서도 환경규제가 개입되는 관계로 자원재활용에 대한 인식전환이 가속화되고 있다.
한편, 국내의 티타늄 산업에서 티타늄 원재료는 90% 이상 수입에 의존하고 있으며 최근 4년간 정광을 포함한 티타늄의 수입량 및 비용이 크게 증가하였다. 이는 전 세계적으로 우주, 항공분야 및 의료용 티타늄의 수요가 크게 늘어나는 한편 이에 따라 티타늄 원재료의 가격이 상승하였기 때문이다. 티타늄은 경량금속으로 고비강도와 내식성이 매우 뛰어난 신소재로 알려져 있다. 그러나 티타늄이 갖는 우수한 성질에도 불구하고 티타늄의 제조공정이 복잡하고 가공에 장시간이 소요되어 제조원가가 타 구조용 재료에 비해 매우 고가이다. 따라서, 고융점, 고반응성, 난가공성 등의 단점을 극복할 수 있는 티타늄 및 티타늄 합금 스크랩의 재활용 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 하지만 국내의 경우에 있어서는 티타늄 스크랩으로부터 티타늄 및 티타늄 합금을 생산하는 기술이 미미하다.
본 발명에서는 티타늄 스크랩으로부터 티타늄 및 티타늄 합금 제품을 제조하기 위한 전처리 공정 중 일반적으로 적용되는 탈수세척 방법 대신 초음파 세척을 적용하여 보다 효율적으로 스크랩에 존재하는 유기 화합물 및 불순물을 제거하여 온전한 티타늄 부품을 생산 가능하게 하는 데 그 목적이 있다.
우리나라는 자원 부존량이 부족하여 비철금속원재료는 거의 수입에 의존하고 있는 실정이나, 비철금속소비는 세계 상위권에 속해 있다. 따라서, 우리나라의 주요산업인 자동차, 전기ㆍ전자, 반도체, 조선, 통신, 컴퓨터 등의 기초소재인 비철금속의 안정적 확보가 중요시되고 있다. 근래에 자원의 재활용 면에서 여러 분야의 폐기물 재활용을 국가적인 과제로 각종 시책을 마련하고 있으나 사업성이 유망하고 재활용이 용이한 일부 금속을 제외하고, 대부분이 종래의 금속 스크랩(scrap)을 수거하는 수준에서 크게 전진하지 못한 상태이다. 다행히 비철금속 제련업체들은 스크랩을 별도로 수거 처리하는 시스템을 갖추고 재생금속을 생산라인에 합류시키는 등의 재활용 시스템을 운용하고 있다. 현재 비철금속산업은 환경문제가 사회적인 이슈로 등장하면서 환경친화적인 사업화를 꾀하고 있으며, 국제적인 경쟁에서도 환경규제가 개입되는 관계로 자원재활용에 대한 인식전환이 가속화되고 있다.
한편, 국내의 티타늄 산업에서 티타늄 원재료는 90% 이상 수입에 의존하고 있으며 최근 4년간 정광을 포함한 티타늄의 수입량 및 비용이 크게 증가하였다. 이는 전 세계적으로 우주, 항공분야 및 의료용 티타늄의 수요가 크게 늘어나는 한편 이에 따라 티타늄 원재료의 가격이 상승하였기 때문이다. 티타늄은 경량금속으로 고비강도와 내식성이 매우 뛰어난 신소재로 알려져 있다. 그러나 티타늄이 갖는 우수한 성질에도 불구하고 티타늄의 제조공정이 복잡하고 가공에 장시간이 소요되어 제조원가가 타 구조용 재료에 비해 매우 고가이다. 따라서, 고융점, 고반응성, 난가공성 등의 단점을 극복할 수 있는 티타늄 및 티타늄 합금 스크랩의 재활용 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 하지만 국내의 경우에 있어서는 티타늄 스크랩으로부터 티타늄 및 티타늄 합금을 생산하는 기술이 미미하다.
본 발명에서는 티타늄 스크랩으로부터 티타늄 및 티타늄 합금 제품을 제조하기 위한 전처리 공정 중 일반적으로 적용되는 탈수세척 방법 대신 초음파 세척을 적용하여 보다 효율적으로 스크랩에 존재하는 유기 화합물 및 불순물을 제거하여 온전한 티타늄 부품을 생산 가능하게 하는 데 그 목적이 있다.
현재 금속 스크랩은 일반적으로 탈수 세척을 이용하여, 스크랩에 잔존하는 가공 후 불순물 및 절삭유 등을 제거하지만, 본 발명에서는 초음파 세척 방법을 적용하여 탄소 및 황의 제거율을 높이고자 한다.
특히, 본 발명에서는 복잡형상의 스크랩에서의 불순물 및 절삭유 등의 제거를 위해 세척 온도, 세척시간의 공정 변수를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 복잡형상의 스크랩에서의 탄소 및 황의 제거효과를 향상시키기 위해 탈수 세척과 초음파 세척 방법을 혼합한 공정을 적용할 수 있다.
본 발명에서 개발된 초음파 세척 공정을 적용하여 금속 가공 후 생성되는 스크랩의 불순물 및 절삭유 등의 제거효율을 향상시킬 수 있다. 이 공정은 특히 얇고 복잡한 형상을 가진 스크랩의 세척에 탁월하다.
본 발명의 초음파 세척 방법에 따르면, 상온에서 짧은 시간에도 제거 효과가 우수하여 경제적측면에서도 효율적이다.
또한, 스크랩 재활용 기술을 국산화하여, 국가 경쟁력 제고를 위한 자동차, 반도체, 항공, 우주 산업의 발전에 기여할 뿐 아니라 재료 개발 측면에서 매우 중요한 기술을 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 티타늄 스크랩의 형상이다.
도 2는 본 발명에서 개발된 티타늄 스크랩의 세척 공정 모식도이다.
도 3은 본 발명의 구현예에 적용된 칩 형태의 티타늄 스크랩이다.
도 4는 세척된 티타늄 스크랩의 성형(작은 원반 형상) 후의 형상이다 ((a) 비교예 및 (b) 실시예).
도 5는 본 발명의 (a) 비교예 3 및 (b) 실시예 3의 방법으로 세척 후의 스크랩의 용탕에서의 가스 발생유무를 관측한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 금속가공 후 생성되는 스크랩에 존재하는 불순물 및 절삭유를 세척하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 (1) 금속 스크랩을 초음파로 세척하는 단계; (2) 세척된 스크랩을 탈수하는 단계; (3) 상기 (2) 단계에서 얻어진 스크랩을 건조하는 단계를 거쳐 재활용 가능한 스크랩을 얻는 것을 특징으로 하는, 금속 스크랩의 세척 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금속 가공 후 생성되는 스크랩은 탈수 세척을 이용하여 스크랩 표면에 존재하는 유기화합물 등의 불순물을 제거한다. 하지만, 마이크로 크기를 가지는 불순물 입자나 복잡형상 스크랩에 존재하는 불순물은 탈수 세척만으로 제거하기 어렵다. 따라서, 이러한 단점을 극복하기 위해, 높은 온도에서 세척하거나 반복 세척, 또는 계면활성제를 주입하여 세척 효율을 향상시키고자 하였다. 그러나 이는 경제적인 면뿐 아니라 환경문제를 발현시키는 문제점이 발생한다. 따라서 본 발명에서는 초음파 세척 방법을 적용하여 칩이나 얇고 복잡한 형태를 가지는 스크랩에서의 유기화합물 등의 불순물을 효과적으로 제거하고자 하였다.
상기 (1) 단계에서 적용되는 초음파 세척 공정은 1분 내지 60분 이내로 한다. 1분 이하의 경우 불순물의 제거가 충분치 않을 수 있으며 60분 이상은 필요이상의 세척으로 경제적 손실을 가져올 수 있다. 또한 세척 온도는 상온에서 100 oC까지 가능하나 바람직하게는 40 ~ 50 oC 이다.
그 다음, (2) 단계에서는 상기 (1) 단계에서 세척된 스크랩에서 물의 제거를 위해 탈수하는 단계를 수행한다.
(3) 단계에서는 상기 (2) 단계에서 세척된 스크랩을 건조하는 단계를 수행한다. 건조 공정은 세척 공정에서 사용한 물이 증발될 수 있는 온도 (100 oC)가 적합하며, 또는 진공 건조 방식으로 수행될 수도 있다.
이후 건조된 스크랩은 성형체를 제작하여 스케일이나 유기화합물 등의 불순물의 잔존율을 측정하였다. 본 발명에서는 가스 분석 방법을 통해 산소, 질소, 탄소 및 황 등의 잔존율을 측정하였다. 또한, 용탕에 주입하여 가스 발생의 유무를 관찰하였다. 만약 스크랩 표면에 불순물이 있다면 가스 발생이나 격렬한 반응이 발생된다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 비교예 및 실시예는 경량금속으로 강도와 내식성이 매우 뛰어난 신소재로 알려진 티타늄 스크랩을 이용하였다.
도 1은 일반적인 티타늄 스크랩의 형상으로 열교환기, 철사, 및 칩 등의 여러가지 형태를 가진다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 세척방법이 적용된 티타늄 스크랩의 세척 공정 모식도이다.
도 3은 본 발명의 구현예에 적용된 칩 형태의 티타늄 스크랩으로 얇으면서 말리거나 구부러진 형태를 가진 스크랩이다.
도 4는 탈수 세척 방법으로 세척된 후의 성형체(비교예) 및 초음파 세척 방법으로 세척된 후의 성형체(실시예)를 나타내었다. 세척 후의 스크랩의 불순물의 잔존 유무 및 함량은 다음과 같은 실험을 통해 확인하였다.
[비교예 1]
도 3에 나타낸 티타늄 스크랩 Ti64를 드럼 세탁기를 이용하여 상온, 2 시간 동안 세척한 후, 탈수, 건조 공정을 거쳐 스크랩 성형체를 제작하였다.
[비교예 2]
도 3에 나타낸 티타늄 스크랩 Ti64를 드럼 세탁기를 이용하여 100 oC, 1 시간 동안 세척한 후, 탈수, 건조 공정을 거쳐 스크랩 성형체를 제작하였다.
[비교예 3]
도 3에 나타낸 티타늄 스크랩 Ti64를 드럼 세탁기를 이용하여 100 oC, 2 시간 동안 세척 및 탈수 공정을 두 번 반복 후 건조 공정을 거쳐 스크랩 성형체를 제작하였다.
[실시예 1]
도 3에 나타낸 티타늄 스크랩 Ti64를 초음파 세척기를 이용하여 45 oC, 10분동안 세척한 후, 탈수, 건조 공정을 거쳐 스크랩 성형체를 제작하였다.
[실시예 2]
도 3에 나타낸 티타늄 스크랩 Ti64를 초음파 세척기를 이용하여 45 oC, 20분동안 세척한 후, 탈수, 건조 공정을 거쳐 스크랩 성형체를 제작하였다.
[실시예 3]
도 3에 나타낸 티타늄 스크랩 Ti64를 초음파 세척기를 이용하여 45 oC, 30분동안 세척한 후, 탈수, 건조 공정을 거쳐 스크랩 성형체를 제작하였다.
표 1은 본 발명의 구현예에 의한 세척 후 스크랩에 잔존하는 불순물 함량을 나타낸 것으로서, 금속 가공 시 주입되는 절삭유의 잔존 여부는 탄소 및 황의 잔존 여부로 측정하였다. 초음파 세척 방법의 적용 시 절삭유의 제거가 확연히 향상되었다.
　 산소 (ppm) 질소 (ppm) 탄소 (ppm) 황 (ppm) 탄소 저감률(%)
세척 전 스크랩 7071 1246 63898 1133 -
비교예 1 4859 1096 35478 1041 44.48
비교예 2 5634 1116 34854 926 45.45
비교예 3 4711 298 9385 792 85.31
실시예 1 3857 465 9434 63 85.24
실시예 2 4114 524 6450 50 89.91
실시예 3 4950 383 4385 38 93.14
도 5는 비교예 3 및 실시예 3의 방법으로 세척 후, 스크랩의 용탕에서의 가스 발생유무를 관측한 것으로 (a) 비교예 3에서는 유기 화합물의 잔존에 의한 가스 발생 및 검은 연기 (화살표로 표기)가 발생하였으나, (b) 실시예 3에서는 양호한 상태를 관찰되었다.
이와 같이 본 발명에서 적용된 초음파 세척 방법은 금속 스크랩에서의 불순물을 효과적으로 제거하여 스크랩을 재활용하는데 용이함을 확인하였다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. (1) 금속 스크랩을 초음파로 세척하는 단계;
    (2) 세척된 스크랩을 탈수하는 단계;
    (3) 탈수된 스크랩을 건조하는 단계를 포함하며,
    상기 초음파로 세척하는 단계는 40~50℃ 범위에서 행해지고,
    상기 금속 스크랩을 초음파로 세척하는 단계에서 계면활성제를 추가로 주입하는 것을 특징으로 하는, 금속 스크랩 세척 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파로 세척하는 단계는 1분 내지 60분 이내로 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속 스크랩 세척 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 건조하는 단계에서 건조 온도는 100 oC 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 금속 스크랩 세척 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 건조하는 단계는 진공 하에서 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속 스크랩 세척 방법
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파로 세척하는 공정의 전 또는 후에 탈수 세척하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 스크랩 세척 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 스크랩은 비철금속의 스크랩인 것을 특징으로 하는, 금속 스크랩 세척 방법.
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