KR102539289B1 - 폐주물사의 재생 방법 및 이로부터 제조된 재생 주물사 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주물 공정에서 발생하는 폐주물사와 폐분진을 재활용하여 재생 주물사를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 폐주물사를 전처리 하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계; 정제된 폐주물사를 폴리비닐알코올, 발포제 및 물과 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 붕산과 염화칼슘의 혼합 수용액을 함유하는 겔화 반응기에 투입 및 겔화시킴으로써 구형 비드 형태의 주물사를 얻는 단계; 상기 구형 비드 형태의 주물사를 마이크로파를 이용하여 건조하여 재생 주물사를 얻는 단계를 포함하는 재생 주물사 제조 방법을 제공한다.

Description

폐주물사의 재생 방법 및 이로부터 제조된 재생 주물사{Regeneration process of waste molding sand and regenerated molding sand obtained thereby}

본 발명은 사형주조(sand mold) 공법에서 발생하는 폐주물사 및/또는 폐분진으로부터 재생 주물사를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 주조(鑄造)에 사용되는 주형의 재료로 가장 널리 사용되는 것은 내화성이 우수한 규사를 주성분으로 하는 주물사(모래)이다. 30-100메시의 입도(粒度)를 가진 모래에 규산나트륨(물유리)과 같은 점결제와 수분을 첨가하여 성형용 주물사를 제작하여 원형(原型-pattern)이 놓인 주조 틀의 내부에 넣어 여러 가지 방법을 적용하여 잘 다져 굳힘으로서 하나의 주형이 완성된다. 구체적으로, 주물사와 규산나트륨(Na₂O·nSiO₂)을 혼합하여 주조틀에 넣은 후 CO₂ 가스를 주입하여 반응식 1을 거쳐 주형이 제작된다.

[반응식 1]

국내 주조 업계에서 사용되는 주물사의 양은 약 50만톤 이상인데, 가격이 비싼 수입 주물사와 석산 개발 과정에서 나오는 국내산 인조규사가 사용되고 있다. 가격면에서 국내산 인조규사가 선호되지만, 자원고갈 문제로 장기적 수급이 어려울 것으로 예상되므로 대체 주물사 개발이 절실한 실정이다.

주조에 사용된 폐주물사는 탄산나트륨, SiO₂, 첨가제 등이 잔존하여 내화성, 통기성, 성형성이 저하되기 때문에 폐기물로 처리되는데, 주조 산업에서 발생하는 폐기물은 폐주물사와 폐분진을 포함하고 있고, 주물 생산량의 약 30%를 차지한다. 폐분진은 백필터에서 집진되어 폐기처리되고 있다. 이러한 폐기물은 환경오염과 처리비용 증가의 원인이 되기 때문에 폐주물사를 재사용할 수 있도록 처리하는 다양한 기술들이 개발되고 있다.

폐주물사의 재생은 주물사 표면에 붙어 있는 점결제를 제거하여 원래의 주물사 입자로 만드는 것이다. 따라서, 폐주물사의 재생방법은 사용된 점결제의 종류가 유기계 점결제인지 무기계 점결제인지에 따라 다르며, 건식법, 습식법, 소성법 등이 있다.

재생사는 주형의 70% 정도를 차지하는 이면사로 사용되고 있고, 주형의 30% 정도를 차지하는 표면사로는 신사(新沙)가 사용된다. 재생사가 주로 이면사로 사용될 수밖에 없는 이유는 주조결함인 기공 및 크랙이 발생하거나 탈형작업시 소착현상 등이 일어날 수 있고 균일한 입도 및 안정된 물성치를 보여주기 어렵기 때문인데, 이는 점결제 등 경화된 물질들을 충분히 제거하지 못한 것이 원인이다.

이에 폐주물사를 재활용하기 위하여 다양한 방법이 연구되었다.

특허문헌 1(일본 특허출원 공개 2022-145836 호)에서는 주조에 사용된 사형을 분쇄해 주물사를 회수하는 분쇄 공정과 분쇄 공정 후에, 주물사를 5℃이상 100℃ 이하의 수중에서 교반하면서 씻는 수세 공정과 수세 공정 후에, 주물사를 550℃ 이상 900℃ 이하로 가열하는 열처리 공정을 포함하여 주물사를 재생하는 방법을 개시한다.

특허문헌 2(한국 특허등록 10-0807103호)는 산화철과 폐주물사를 750~800℃로 가열하여 철산나트륨의 생성을 유도하고 철산나트륨과 물을 반응시켜 수산화나트륨을 생산하여 주물사를 재생하는 방법을 개시한다.

특허문헌 3(한국 특허등록 10-1306934호)는 다기공 세라믹볼 제조에 관한 것으로서, 세라믹 조성물에 톱밥을 배합하여 성형한 후 800~850℃로 산화소성시키는 방법을 개시하고 있다.

한편, 비특허문헌 1(논문 “화학적 재생에 의한 폐인공주물사의 재사용 특성”)에서는 무기점결제를 사용하는 폐주물사의 재생방법에 관한 것으로, KOH를 포함하는 염기 용액 내의 수산화이온이 무기점결제의 Si-O-Si 구조를 붕괴시키도록 하여, 점결제가 이온화된 상태로 주물사 표면에서 제거되도록 하였다.

기존의 폐주물사 재생 방법은 폐주물사를 약품처리하거나 소성하여 불순물을 제거하는 수준에 그치고 있어서, 신사를 대신할 수 없고 이면사 용도로 국한되어 사용되고 있다.

일본 특허출원 공개 2022-145836 호 한국특허등록 10-0807103호 한국특허등록 10-1306934호

2021년 한국산학기술학회 춘계 학술발표논문집, "화학적 재생에 의한 폐인공주물사의 재사용 특성"

본 발명은 신사(新沙)를 대체하여 사용할 수 있을 정도로 우수한 물성을 갖는 재생 주물사를 저에너지 세라믹 발포기술을 사용하여 구형 비드 형태로 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

폐주물사를 전처리 하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계;

정제된 폐주물사를 폴리비닐알코올, 발포제 및 물과 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;

붕산과 염화칼슘의 혼합 수용액을 함유하는 겔화 반응기에 투입 및 겔화시킴으로써 구형 비드 형태의 주물사를 얻는 단계;

상기 구형 비드 형태의 주물사를 마이크로파를 이용하여 건조하여 재생 주물사를 얻는 단계를 포함하는 재생 주물사 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면,

상기 폐주물사를 전처리하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계에서, 주물사에 사용된 점결제가 무기 점결제인 경우에는,

폐주물사를 자석분리기에 투입하여 폐주물사 내 철분을 제거하는 단계;

철분이 제거된 폐주물사를 입경 100~1,000 μm 크기로 조분쇄하는 단계;

조분쇄된 폐주물사에, 폐분진을 함유하는 슬러리를 주입하여 평균입경 20~40μm이 되도록 습식분쇄하는 단계;

습식분쇄된 폐주물사를 액체사이클론으로 보내어 입경 40μm 이상의 큰 입자는 습식분쇄 단계로 재순환시키는 단계;

습식분쇄 단계에서 입경 40μm 이하로 분쇄된 입자는 pH 6~8 조건에서 1차 세정 및 농축하는 단계;

1차 세정 및 농축된 입자를 산성 또는 염기성 용액과 반응시켜 무기 점결제를 제거하는 단계;

무기 점결제가 제거된 입자를 2차 세정 및 농축하는 단계;

2차 세정 및 농축된 입자를 탈수 및 건조하여 정제된 폐주물사를 얻는 단계를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면,

상기 폐주물사를 전처리하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계에서, 주물사에 사용된 점결제가 유기 점결제인 경우에는,

폐주물사를 자석분리기에 투입하여 폐주물사 내 철분을 제거하는 단계;

철분이 제거된 폐주물사를 입경 100~1,000 μm 크기로 조분쇄하는 단계;

조분쇄된 폐주물사를 평균 입경 20~40μm이 되도록 분쇄하는 단계;

분쇄된 폐주물사를 폐분진과 함께 연소시켜 유기 점결제를 제거함으로써 정제된 폐주물사를 얻는 단계를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 점결제가 무기 점결제인 경우에 상기 조분쇄된 폐주물사를 습식분쇄하는 단계에서, 상기 폐분진을 함유하는 슬러리가 0.1~1 N 농도의 염산을 함유하는 산성 용액이고, 상기 1차 세정 및 농축된 입자와 반응하는 용액이 0.1~1 N 농도의 수산화칼륨을 포함하는 염기성 용액이거나, 이와 반대로, 상기 폐분진을 함유하는 슬러리가 0.1~1 N 농도의 수산화칼륨을 함유하는 염기성 용액이고, 상기 1차 세정 및 농축된 입자와 반응하는 용액이 0.1~1 N 농도의 염산을 함유하는 산성 용액일 수 있다.

본 발명은 또한 전술한 방법으로 제조되며, 평균입경800 ~ 5,000 μm, 겉보기 밀도 0.1 ~ 0.9 g/ml, 압축강도 50,000 ~ 70,000 Pa 인 재생 주물사를 제공한다.

본 발명은 저 에너지 세라믹 발포 기술을 사용하여 폐주물사를 재생하였으며, 그 결과 제조된 재생 주물사는 신사를 대신하여 표면사로 사용되어도 전혀 손색이 없을 정도로 우수한 물성을 보유하고 있다. 따라서 본 발명에 따른 재생 주물사를 사용하게 되면, 폐기물의 재자원화에 따른 경제적 이점을 제공할 뿐 아니라 자원 고갈 문제를 해결할 수 있으며, 폐기물 매립에 따른 여러가지 사회 환경 문제도 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 주물사 제조 공정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 재생 주물사 제조 공정에서 사용되는 슬러리 저장조와 겔화 반응기의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 재생 주물사 제조 공정을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서 내에서 특별한 언급이 없는 한, "내지"라는 표현은 해당 수치를 포함하는 표현으로 사용된다. 구체적으로 예를 들면, "1 내지 2"라는 표현은 1 및 2를 포함할 뿐만 아니라 1과 2 사이의 수치를 모두 포함하는 것을 의미한다.

본 발명은 주물공정에서 발생하는 폐분진과 폐주물사로부터 재생 주물사를 제조하는 방법에 관한 것이다.

폐주물사에는 유기 점결제 또는 무기 점결제와 같은 성분이 존재하는데 이들은 주조 공정을 거치면서 변성되었기 때문에 불순물로서 존재한다. 따라서 재생 주물사를 제조하기 위해서는 우선적으로 이들 불순물을 제거하여야 한다.

폐주물사에 존재하는 유기 점결제 및 무기 점결제를 제거하기 위해서는 분쇄 및 화학세정 또는 연소 공정을 거치는 전처리 공정을 통해 정제된 폐주물사를 제조한 후 이를 원료로 하이드로겔화 반응을 거침으로써 입도, 통기도, 수분함량, 압축강도 등 규격에 적합한 주물사를 구형 비드 형태로 제조할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은

폐주물사를 전처리 하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계;

정제된 폐주물사를 폴리비닐알코올, 발포제 및 물과 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;

직경 0.1~1 mm의 주입구를 복수개 보유한 다중 주입기를 통해 붕산과 염화칼슘의 혼합 수용액을 함유하는 겔화 반응기에 투입 및 겔화시킴으로써 구형 비드 형태의 주물사를 얻는 단계;

상기 구형 비드 형태의 주물사를 마이크로파를 이용하여 건조하여 재생 주물사를 얻는 단계를 포함하는 재생 주물사 제조 방법을 제공한다.

폐주물사를 전처리 하는 공정은 폐주물사에 함유된 점결제의 종류가 무기 점결제인지 유기 점결제인지에 따라 달라질 수 있다.

먼저, 도 1은 무기 점결제를 사용하여 재생 주물사를 제조하는 공정을 개략적으로 도시한다.

폐주물사의 전처리 공정은 폐주물사(30)를 자석분리기에 투입하여 폐주물사 내 철분을 제거하는 이물질 제거 공정(31);

철분이 제거된 폐주물사를 입경 100~1,000 μm 크기로 조분쇄하는 공정(32);

조분쇄된 폐주물사에, 폐분진을 함유하는 슬러리(33)를 주입하여 평균입경 20~40 μm, 바람직하게는 약 30 μm 이 되도록 습식분쇄하는 공정(34);

습식분쇄된 폐주물사를 액체사이클론(35)으로 보내어 입경 80μm 이상의 큰 입자는 습식분쇄 공정(34)으로 재순환시키는 단계;

습식분쇄 공정(34)에서 입경 80μm 이하로 분쇄된 입자는 pH 6~8 조건에서 1차 세정 및 농축하는 공정(36);

1차 세정 및 농축된 입자를 산성 또는 염기성 용액과 반응시켜 무기 점결제를 제거하는 공정(37);

무기 점결제가 제거된 입자를 2차 세정 및 농축하는 공정(38);

2차 세정 및 농축된 입자를 탈수 및 건조하여 정제된 폐주물사를 얻는 공정(41)을 포함하고 있다.

상기 조분쇄 공정(32)은, 예를 들어 조크러셔와 롤러밀을 이용하여 폐주물사의 입경을 100~1,000 μm 크기로 감소시킬 수 있다.

상기 습식분쇄 공정(34)에 투입되는 폐분진을 함유하는 슬러리(33)는 예를 들어 0.1~1N의 염산 수용액에 폐분진을 분산시켜 제조한 슬러리를 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

폐분진 슬러리와 분쇄된 폐주물사는 습식분쇄 공정(34)에서 예를 들어 어트리션 밀을 이용하여 평균 입경 20~40 μm, 예를 들어 약 30 μm으로 분쇄될 수 있다. 분쇄된 입자들은 액체사이클론(35)으로 보내어진 후 입경이 80μm 보다 큰 입자는 습식분쇄 공정(34)로 재순환되고, 입경 80μm 이하의 입자는 1차 세정 및 농축 공정(36)으로 보내어져 pH 6~8 조건에서 세정 후 농축된다. 다음으로, 1차 세정 및 농축된 입자들은 산성 또는 염기성 용액이 담겨 있는 약품 교반탱크(37)로 보내어져 약품처리함으로써 폐주물사 내의 불순물, 예를 들어 Si-O-Si 결합된 경화물질을 제거할 수 있다. 약품은 0.1~1 N 농도의 산성 또는 염기성 수용액일 수 있고, 도 1의 예에서는 약품으로 수산화칼륨 수용액을 예시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 폐분진 슬러리(33) 제조시 염산이 아니라 0.1~1N 수산화칼륨 수용액을 사용하였다면 약품교반 공정(37)에서 0.1~1N 염산 수용액을 사용할 수 있다. 약품처리에 의해 불순물이 제거된 입자는 주물사 성분만 존재하게 된다. 이 입자들은 2차 세정 및 농축 공정(38)에서 pH 6~8 조건으로 세정 후 농축된다. 그리고 나서 데칸터 등을 이용하는 탈수공정(39)에서 탈수된 후 건조 공정(40)에서 예를 들어 마이크로파를 이용하여 건조되어 정제된 폐주물사(41)로서 준비된다. 정제된 폐주물사(41)는 평균 입경이 20~40 μm, 바람직하게는 약 30 μm으로 점결제와 같은 불순물이 제거되어 주물사 성분만 보유하고 있다.

다음으로, 정제된 폐주물사(41)는 혼합 공정(42)으로 보내어져 폴리비닐알코올, 규산염, 발포제 및 물과 혼합되어 슬러리화 되어 슬러리 탱크(44)에 저장된다(도 1 및 도 2 참조). 이때 정제된 폐주물사 100 중량부를 1 ~ 10 중량% 농도의 폴리비닐알코올 수용액 300 ~ 600 중량부, 규산염 2 ~ 30 중량부, 발포제 0.1 ~ 10 중량부를 배합할 수 있다. 규삼염은 정제된 폐주물사 100중량부 대비 5 ~ 20 중량부 또는 8 ~ 15 중량부 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 발포제는 0.5 ~ 5 중량부 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 슬러리는 이후 겔화 반응기(47)에서 겔화 용액과 접촉시 하이드로겔 복합체를 형성하도록 하기 위한 것이다. 폴리비닐알콜은 폴리머의 주쇄에 존재하는 하이드록시기는 규산염의 알칼리금속과 반응하고, 또한 정제된 폐주물사의 표면에 존재하는 하이드록시기와 규산염의 반응도 진행되어 폴리비닐알콜과 규산염 및 주물사가 화학적으로 결합된 하이드로겔 복합체를 형성할 수 있다.

규산염은 각종의 규산의 수소가 금속원자와 치환된 중성염의 총칭으로 자연계에서 다량으로 산출된다. 지각의 대부분을 차지할 정도로 풍부하다. 이들 규산염은 분산, 완충, 접착, 결합, 내부식성, 사용 및 취급 용이성, 내열성, 난연성 등의 특성을 가지는 무기물로서 다양한 분야에 사용할 수 있다. 규산염의 예로는, 알루미늄염, 철염, 칼슘염, 마그네슘염, 알칼리 금속염 등이 있고, 본 발명에서는 반응성을 고려하여 규산나트륨(Na₂O·nSiO₂), 규산칼륨(K₂O·nSiO₂) 및 규산리튬(Li₂O·nSiO₂) 중 하나 이상을, 예를 들면 이산화규소를 구성하는 n의 값이 통상 1 내지 3 사이의 것을 사용할 수 있다.

정제된 주물사는 구성성분 중 규산염 형태의 성분을 함유할 수 있으나, 주물사에 함유된 규산염 형태의 성분은 구조적으로 [SiO₄]^4-의 정사면체가 기본 단위이고 이들의 연결에 따라서 독립사면체 구조, 6각 환형구조, 단일사슬구조, 이중사슬 구조, 층상구조 및 3차원 망상구조를 가질 수 있는, 자연계에서 비교적 안정된 화합물을 이루고 있다. 별도로 첨가되는 규산염은 주물사의 표면에 존재하는 구성 성분과 화학적인 결합을 하게 된다.

발포제는 탄산칼슘(CaCO₃), 탄산수소나트륨 (NaHCO₃), 탄산나트륨(Na₂CO₃), 탄산칼륨(K₂CO₃) 등일 수 있고, 기공 형성을 돕는 역할을 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 슬러리 이송 펌프(45)는 슬러리 탱크(44)로부터 슬러리를 겔화 반응기(47)로 이송시키는데, 이때 펄스화 이송을 이용할 수 있다. 펄스화 이송은 수송 도중 발생할 수 있는 데드스페이스로 인한 부분적인 경화 발생을 방지한다는 점에서 바람직하다. 펄스 주입 간격은 1분에서 30분 이내로 할 수 있으며, 5분 내지 20분인 것이 바람직하다

또한 슬러리는 직경 0.1~1 mm의 주입구를 복수개 보유한 다중 주입기(46)를 통해 겔화 반응기(47)로 주입될 수 있다. 주입구의 직경은 바람직하게는 0.2~0.8 mm, 가장 바람직하게는 0.3~0.5 mm 일 수 있다. 주입구의 직경은 결과적으로 제조되는 재생 주물사의 직경에 직접적인 영향을 미칠 수 있는데 지나치게 작으면 주입구의 직경이 막힘 현상 발생할 수 있고, 지나치게 크면 주물사의 기계적 강도가 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 주입구를 복수개 구비하는 것은 재생 주물사의 품질 균일성과 생산성을 제고한다는 측면에서 바람직하며, 주입구의 개수는 겔화 용액과 슬러리 양을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.

겔화 반응기(47)는 붕산과 염화칼슘의 혼합 수용액을 함유하고 있으며, 이때 붕산과 염화칼슘의 중량비는 2:1 ~ 5:1 일 수 있고, 3:1 ~ 4.5:1 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 4:1 로 혼합하여 물에 1 내지 20wt%, 예를 들면 5 내지 15wt% 농도로 용해하여 겔화 용액을 제조할 수 있다.

다중 주입기(46)를 통해 겔화 반응기(47)로 도입된 슬러리는 겔화 용액과 접촉하면 겔화되어 구형 비드 형태의 하이드로겔 복합체를 형성하게 된다. 하이드로겔은 일반적으로 수용성 폴리머 일부와 대부분의 물 분자가 친수성기와 수소결합을 통하여 존재하고, 겔에서 물 분자가 차지하는 비중이 압도적으로 크다고 할 수 있다. 이들 친수성기들은 적절한 조건에서 화학적인 결합에 참여할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 만약 하이드로겔을 그대로 건조하게 되면 뼈대를 유지하는 폴리머 부분은 남고 수분들은 증발하여 그 부피가 현격하게 감소하게 된다. 그러나 수용성인 하이드로겔 상태에서 친수성기들이 외부의 물질과 화학적인 결합을 진행하게 되면 하이드로겔의 구조가 물이 빠진 후에도 그대로 유지될 수 있다. 이러한 구조가 유지되면서 물이 빠져나간 자리는 빈 공간, 즉, 기공이 형성되어 겔의 전체적인 무게는 감소하고 부피는 그대로 유지될 수 있다. 상기 기공의 크기는 10 ~ 30㎛ 일 수 있다. 기공 크기가 지나치게 작으면 고체상의 밀도가 지나치게 높아져서 밀도의 증가와 단열성이 저하되고, 기공 크기가 지나치게 크면 기계적인 충격흡수 특성이 떨어지기 때문에 바람직하지 않다.

하이드로겔의 구조는 물을 제외한 부분은 이미 발포된 폼과 같은 형태를 유지하고 있으며, 이들 구조를 규산염과 주물사 표면의 하이드록시기들과의 화학적인 결합을 통하여 겔화시킴으로써 구형 비드 형상의 하이드로겔 복합체를 얻을 수 있다. 겔화 반응기(47)에서 제조된 구형 비드 형상의 하이드로겔 복합체는 건조 공정(48)으로 이송되어 복합체 내부의 뼈대 사이에 존재하였던 수분들을 건조시킴으로써 경량이면서 단단한 재생 주물사를 얻을 수 있다. 건조 공정(48)에서의 건조 방식은 마이크로파 건조, 가열 건조, 적외선 건조 등을 이용할 수 있다. 특히, 마이크로파 건조의 경우에는 분자내의 쌍극자에 회전과 진동에너지를 가함으로써 그 내부의 마찰로부터 열이 발생되는 유전가열(dielectric heating) 방식으로, 피건조물 내에 수분이 가장 많이 존재하는 습윤 영역에 에너지가 직접 흡수되어 선택적 가열이 이뤄지기 때문에 피건조물의 열전달 특성에 영향을 받지 않아 발포 효과가 더 우수하다. 마이크로파 건조시 출력은 1 ~ 30 kW, 2 ~ 20 kW 또는 3 ~ 10 kW 인 것이 바람직하다.

이상과 같은 공정을 거쳐 제조된 재생 주물사는, 상업적으로 유통되는 수입 주물사나 국내산 인조규사와 비교하여, 평균 입경은 800 ~ 5,000 μm, 바람직하게는 1,000 ~ 2,000 μm 이고, 압축강도는 50,000 ~ 70,000 Pa, 바람직하게는 55,000 ~ 60,000 P a 로 서로 유사하지만, 겉보기 밀도가 0.1 ~ 0.9 g/ml, 바람직하게는 0.6 ~ 0.8 g/ml 로 매우 낮고 단열성은 훨씬 커서 불량률을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

한편, 점결제가 유기 점결제인 경우에는 도 3에 도시된 바와 같은 공정으로 재생 주물사를 제조할 수 있다. 도 1의 공정과 비교하면 정제 폐주물사를 제조하는 전처리 공정에서만 차이가 있고 나머지 공정은 실질적으로 동일하다.

먼저, 폐주물사(50)를 자석분리기에 투입하여 폐주물사 내 철분을 제거하는 이물질 제거 공정(51)을 거치고, 철분이 제거된 폐주물사를 조크러샤와 롤러밀을 통해 입경 100~1,000 μm 크기로 조분쇄하는 공정(52)과, 롤러밀로 평균입경 20~40μm, 바람직하게는 약 30μm으로 분쇄하는 분쇄 공정(53)을 거친다. 분쇄된 입자들은 연소 공정(55)에서, 예를 들어 로타리킬른 연소기에서 연소되어 유기 점결제가 제거된다. 이때 폐분진(54)도 함께 투입되어 연소될 수 있다. 연소 공정(55)에서 배출되는 입자는 정제된 폐주물사로서 혼합 공정(57)에서 폴리비닐알콜, 규산염, 발포제, 물과 혼합되어 슬러리로 제조되어 슬러리 탱크(59)에 저장되고, 슬러리 이송펌프(60)에 의해 다중 주입기(61)를 통해 겔화 반응기(62)로 주입되어 하이드로겔 복합체로 제조된 후 건조 공정(63)에서 건조된다. 혼합 공정(57)부터는 도 1을 참조하여 설명된 혼합 공정(42)에 대한 설명을 참조할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 다음의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

무기 점결제를 사용한 폐주물사에 대하여 도 1에 도시된 공정에 따라, 평균 입경 30 μm의 정제된 폐주물사를 준비하였다.

폴리비닐알콜(Mw 144,000)을 물에 5 wt%의 농도로 용해시킨 폴리비닐알콜 용액 1L에 규산나트륨(Na₂O·2SiO₂)을 25g과 발포제로서 탄산나트륨 5 g과, 정제된 폐주물사 200g을 혼합하여 슬러리를 제조하였다.

겔화 용액은 증류수에 붕산(H₃BO₃) 80g과 염화칼슘(CaCl₂) 20g을 혼합하여 9.5 wt% 농도의 용액을 준비하였다.

혼합된 슬러리는 직경이 0.3~0.5mm 인 주입구가 30 개 구비된 다중 주입기를 사용하여, 펄스화 펌프로 1 L/hr의 유량, 펄스 주입 간격 10 분으로 겔화 용액에 투입하였다. 그 결과 제조된 하이드로겔 복합체 입자를 5 kW의 마이크로파를 사용하여 건조함으로써 300g의 재생 주물사를 얻었다.

<실시예 2>

유기 점결제를 사용한 폐주물사에 대하여 도 3의 전처리 공정을 거쳐 정제된 폐주물사를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 315g의 재생 주물사를 얻었다.

<비교예 1>

수입 주물사 신사를 준비하였다.

<비교예 2>

국내산 인조규사를 준비하였다.

<물성 비교>

실시예 1, 2와 비교 1, 2의 주물사에 대하여 표준 측정법으로 물성을 평가하고, 주형의 표면사로 사용하여 주조함으로써 불량률을 평가하였다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
평균입경(μm)	1,500	1,450	638	670
겉보기 밀도(g/ml)	0.68	0.71	2.70	2.72
압축 강도(Pa)	5,600	5,710	5,810	5,780
불량률(%)	1.5	1.4	2.3	2.1

상기 결과로부터, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 재생 주물사는 신사 또는 인조규사에 필적하는 압축 강도를 보유하기 때문에 표면사로 사용가능하며, 기공 구조로 인해 겉보기 밀도가 작아서 단열성이 우수하다. 그 결과 이를 표면사로 사용한 주형을 이용하여 주조하게 되면 불량률이 대폭 감소하는 것을 알 수 있다.

Claims (5)

1. 폐주물사를 전처리 하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계;
   정제된 폐주물사를 폴리비닐알코올, 발포제 및 물과 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
   붕산과 염화칼슘의 혼합 수용액을 함유하는 겔화 반응기에 투입 및 겔화시킴으로써 구형 비드 형태의 주물사를 얻는 단계;
   상기 구형 비드 형태의 주물사를 마이크로파를 이용하여 건조하여 재생 주물사를 얻는 단계를 포함하는 재생 주물사 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 폐주물사를 전처리하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계에서, 주물사에 사용된 점결제가 무기 점결제인 경우에는,
   폐주물사를 자석분리기에 투입하여 폐주물사 내 철분을 제거하는 단계;
   철분이 제거된 폐주물사를 입경 100~1,000 μm 크기로 조분쇄하는 단계;
   조분쇄된 폐주물사에, 폐분진을 함유하는 슬러리를 주입하여 평균입경 20~40μm이 되도록 습식분쇄하는 단계;
   습식분쇄된 폐주물사를 액체사이클론으로 보내어 입경 80μm 이상의 큰 입자는 습식분쇄 단계로 재순환시키는 단계;
   습식분쇄 단계에서 입경 80μm 이하로 분쇄된 입자는 pH 6~8 조건에서 1차 세정 및 농축하는 단계;
   1차 세정 및 농축된 입자를 산성 또는 염기성 용액과 반응시켜 무기 점결제를 제거하는 단계;
   무기 점결제가 제거된 입자를 2차 세정 및 농축하는 단계;
   2차 세정 및 농축된 입자를 탈수 및 건조하여 정제된 폐주물사를 얻는 단계를 포함하는 것인, 재생 주물사 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 폐주물사를 전처리하여 정제된 폐주물사를 준비하는 단계에서, 주물사에 사용된 점결제가 유기 점결제인 경우에는,
   폐주물사를 자석분리기에 투입하여 폐주물사 내 철분을 제거하는 단계;
   철분이 제거된 폐주물사를 입경 100 ~ 1,000 μm 크기로 조분쇄하는 단계;
   조분쇄된 폐주물사를 평균 입경 20 ~ 40μm이 되도록 분쇄하는 단계;
   분쇄된 폐주물사를 폐분진과 함께 연소시켜 유기 점결제를 제거함으로써 정제된 폐주물사를 얻는 단계를 포함하는 것인, 재생 주물사 제조 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 조분쇄된 폐주물사를 습식분쇄하는 단계에서, 상기 폐분진을 함유하는 슬러리가 0.1 ~ 1 N 농도의 염산을 함유하는 산성 용액이고, 상기 1차 세정 및 농축된 입자와 반응하는 용액이 0.1 ~ 1 N 농도의 수산화칼륨을 포함하는 염기성 용액이거나, 이와 반대로, 상기 폐분진을 함유하는 슬러리가 0.1 ~ 1 N 농도의 수산화칼륨을 함유하는 염기성 용액이고, 상기 1차 세정 및 농축된 입자와 반응하는 용액이 0.1 ~ 1 N 농도의 염산을 함유하는 산성 용액인, 재생 주물사 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되며, 평균입경 800 ~ 5,000 μm, 겉보기 밀도 0.1 ~ 0.9 g/ml, 압축 강도 50,000 ~ 70,000 Pa 인 재생 주물사.

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