KR20130027602A - 철 분말의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철 분말의 제조방법과 그에 따라 제조된 철 분말에 관한 것으로써, 더욱
상세하게는 입경이 30mm 이하인 철 스크랩을 액체질소 안에 투입하여 철 스크랩을
급냉시키는 단계, 상기 급냉된 철 스크랩을 인출하여 분쇄하는 단계, 상기 분쇄된
철 분말을 선별하는 단계를 포함하여 이루어지는 철 분말의 제조방법을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 30mm 이하의 철 스크랩을 분말로 제조함으로써 종래의
아토마이징법에서 철 분말 제조시 발생되는 높은 설비비, 에너지 비용,
복잡한 제조공정의 문제점을 해결할수 있으며, 상기 제조된 철 분말은
분말야금제품 또는 용접봉 생산시 주원료로 사용되며, 그로인해 철 분말의
제조원가를 획기적으로 줄일수 있는 효과를 기대할수 있다.

Description

철 분말의 제조방법 {Manufacturing Process of Iron Powder}

철 분말 (Iron Powder)의 제조방법과 그에따라 제조된 철 분말에 관한 것으로서

더욱 상세하게는 철판가공시 발생되는 철 스크랩을 원료물질로 사용하고, 상기

원료물질을 액체질소 안에 투입하여 급냉시킨후 인출하여 분쇄기로 분쇄시켜

분말상태로 제조한후 선별하는 철 분말의 제조방법에 관한 것이다.

합금철과 철 분말은 분말야금제품 또는 용접봉 제조시 주요원료로 사용된다.

합금철은 철과 하나이상의 금속으로 구성되어 있으며, 통상적으로 철의 함량이

50% 이하인 것을 합금철이라 한다.

이러한 합금철로는 페로바나듐, 페로 몰리브덴, 페로크롬, 페로망간 등이 있다.

합금철의 분말제조 방법은 입경이 50 에서 100㎜인 합금철 괴를 해머밀, 볼밀,

로트밀과 같은 분쇄기 안에 투입하여 기계적 충격을 가하여 합금철괴를 분쇄시켜

분말상태로 제조한 후 통상적으로 분말야금제품 또는 용접봉 제조시 사용되는

합금철 분말의 입자크기인 30 에서 100um로 선별한다.

30에서 100um로 선별된 합금철 분말은 분말야금제품 또는 용접봉제조시 주요원료로

사용된다.

분말야금제품 또는 용접봉 제조시 주원료로 사용되는 철 분말은 철의 함량이

98 중량% 이상, 규소 0.1 중량% 이하, 망간 0.35 중량% 이하,

탄소 0.05 중량% 이하, 인 0.02 중량% 이하, 황 0.02 중량% 이하 이고, 입자크기가

30 에서 100um이다.

상기의 철은 연성이 있어서 합금철 처럼 분쇄기를 사용하여 분쇄하는 것은

불가능하다.

현재 철 분말의 제조방법은 아토마이징법 으로 제조 되어지고 있다.

철 분말을 제조하기 위한 아토마이징법은 철을 전기로나 고주파 유도로 안에 투입한후 약 1500℃ 이상의 온도를 가하여 철을 녹여 용탕을 제조한후 철의 용탕을

일정크기의 노즐을 통하여 수직낙하 시키면서 수직낙하물을 물. 오일 등의 분무제를 사용하여 고압으로 분사시켜 철 분말을 제조하는 법이다.

상기와 같은 철 분말 제조를 위한 아토마이징법은 철을 녹이기 위해서 전기로나

고주파유도로를 사용하기 때문에 설비비가 많이들고 또한 철을 약 1500℃ 이상의

온도로 녹여야 되기 때문에 막대한 에너지 비용이 들어간다.

분무제로 물을 사용하는 아토마이징법은 철 분말의 표면이 산화되는 문제점이

있어서 철 분말을 환원시켜야 하는 후속공정이 필요하다.

분무제로 오일을 사용하는 아토마이징법은 철 분말의 표면산화는 일어나지 않지만

철 분말 안에 탄소함유량이 높아 철 분말의 탄소를 제거하기 위한 후속공정이

필요한 문제점이 있다.

이에 본 발명자는 설비비용, 제조비용이 높고 제조공정이 복잡한 종래의 철 분말

제조방법의 문제점을 해소하기 위하여 노력한 결과 철판 가공시 발생되는

철 스크랩 을 원료물질로 사용하고 상기 원료물질을 초 저온으로 급냉시켜 볼밀, 로트밀,해머밀과 같은 분쇄기를 이용하여 철 분말을 제조하는 것에 관해 연구하여 왔다.

본 발명의 목적은 철판가공시 발생되는 철 스크랩을 원료물질로 사용하고

상기 원료물질을 액체질소 안에 투입하여 초 저온으로 급냉시킨후 인출하여

분쇄기를 이용하여 상기 원료물질을 분쇄하고 선별하는 것을 수행하는 철 분말의

제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입경이 30mm 이하인 철 스크랩을

액체질소안에 투입하여 철 스크랩을 -195.8℃로 급냉시키는 단계, 상기 급냉된

철 스크랩을 인출하여 분쇄기로 분쇄하는 단계, 상기 분쇄된 분말을 선별하는 단계를 포함하여 이루어지는 철 분말의 제조방법을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 제조방법 위주로 하여 구체적으로 설명한다.

먼저 입경이 30mm 이하인 철 스크랩을 액체질소안에 투입하여 철 스크랩을

-195.8℃로 급냉시키는 단계이다. 상기 철 스크랩은 철판을 펀칭하는 작업시

발생되는 원통 또는 마름모 형상으로 입경이 30mm이하이고, 철의 함량이

98 중량%이상, 규소 0.1%이하, 망간 0.35 중량%이하, 탄소 0.05 중량%이하,

인 0.02 중량%이하, 황 0.02 중량%이하인 철 스크랩을 사용한다.

상기 철 스크랩의 입경이 30mm 이상이면 철 스크랩의 온도가 액체질소의 대기압

에서 온도인 -195.8℃로 급냉되기까지 급냉시간이 길어지고 분쇄기에 투입하여

분쇄시 분쇄시간이 길어져 철 스크랩의 급냉효과가 떨어져 철 스크랩의 분쇄가

부분적으로 안돼는 문제점이 발생하였다.

그러나, 철 스크랩의 입경이 30mm 이하인 경우 급냉시간과 분쇄시간이 적게 걸려 100um 이하의 분쇄가 가능하게 되었다.

특히 바람직 하기로는 철 스크랩의 입경이 10mm 이하인 경우이다. 한편 철 스크랩을 급냉 시킬수있는 급냉제로는 액체아르곤, 액체질소,액체헬륨이 있다.

아르곤, 질소, 헬륨은 비활성 물질로 금속의 산화방지제 역활을 하여 철 분말

제조시 철 분말의 표면산화를 막을수 있다.

그러나, 액체 아르곤, 액체 헬륨은 액체 질소에 비하여 가격이 고가여서 철 스크랩의 급냉제로서 사용하는 것은 바람직하지 않다.

액체 질소는 질소를 액화한 상태로서 대기압력 하에서 -195.8℃에서 액체로

존재한다. 액체 질소는 공업적으로 공기의 분별액화로 얻을수 있으며, 화학적으로는 염화암모늄과 아질산의 혼합액을 70℃로 가열하여 분별증류하여 얻는다.

상기 액체 질소 안에 투입된 입경이 30mm이하인 철 스크랩이 -195.8℃에 도달하면

액체 질소의 끓는 현상과 기화가 멈추어진다.

액체 질소에 투입되는 철 스크랩 중량비는 특별히 한정되는 것은 아니며

액체 질소에 투입된 철 스크랩이 -195.8℃에 도달할 때까지 액체 질소 표면위에

드러나지 않고 액체 질소 속에 잠기어 있는 것이 바람직하다.

두번째로 급냉된 철을 인출하여 분쇄기로 분쇄하는 단계이다.

상기와 같이 -195.8℃로 급냉된 철을 액체 질소 속에서 인출하여 분쇄기에 투입

하여 기계적 충격을 가하면 철 스크랩이 분말로 분쇄된다.

통상 분쇄할때 사용되는 분쇄기는 해머밀, 볼밀, 로트밀로 특별히 한정하는 것은

아니며 해머밀이 급냉된 철 스크랩을 분쇄하는데 있어서 볼밀, 로트밀보다 기계적

충격을 강하게 가할수 있어서 생산비용, 분말수율 측면에서 해머밀을 사용하는

것이 바람직하다.

세번째로 상기분쇄된 철 분말을 선별하는 단계이다.

상기분쇄된 철 분말은 통상적으로 30 에서 100um의 입자크기를 가지도록 선별되어 포장된다. 선별방법을 한정하는 것은 아니나 철 분말의 표면산화를 막기 위해서

선별시 선별기 안에 질소가스를 투입하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 의하면, 입경이 30mm이하인 철 스크랩을 액체질소 속에 투입하여

-195.8℃로 급냉시킨 후 급냉된 철을 인출하여 분쇄기로 분쇄하여 분말을 제조,

선별 함으로써 종래의 아토마이징법 에서 철 분말 제조시 발생되는 높은 설비비,

에너지 비용, 복잡한 제조공정의 문제점을 해결할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예및 비교예를 통하여 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 실시예 및 비교예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며,본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1 >

원료물질 로는 철판을 펀칭하는 작업시 발생되는 원통형 또는 마름모 형상의

입경이 10mm이하인 철 스크랩을 사용하였으며 철 스크랩의 화학성분은 하기표 1

에 제시 된바와 같다.

액체 질소는 순도 99.99%를 사용 하였으며, 스텐레스강 STS 304 재질로 제작된

지름 300mm, 높이 500mm인 원통형 스텐레스 용기에 액체질소를 20ℓ투입하였다.

스텐레스강 STS 304 재질은 니켈이 8에서 10.50 중량% 첨가되어 있어서

저온 인성이 좋기 때문에 액체질소 용기로 사용하는 것이 가능하다.

입경이 10mm 이하인 철 스크랩 5kg 을 스텐레스강 STS 304 재질로 제작된 지름

200mm, 높이 150mm 인 스텐레스 비이커 안에 투입한 후 상기 액체질소 20ℓ가

투입된 스텐레스 용기안에 입경이 10mm 이하인 철 스크랩 5kg 이 투입된

스텐레스 비이커를 투입하였다.

투입후 액체질소의 끓는 현상과 기화가 60초 동안 일어난후 멈추어졌다.

액체질소 안에 투입된 철 스크랩의 온도가 -195.8℃에 도달해서 액체질소의

끓는 현상과 기화가 멈추어졌다.

액체 질소의 끓는 현상과 기화가 멈추어 진 후 철 스크랩이 투입된

스텐레스 비이커를 인출하여 스텐레스 비이커 안에 있는 액체 질소를 제거한 후 -195.8℃로 급냉된 철 스크랩을 해머밀 안에 투입하여 분쇄하였다.

분쇄된 철 분말은 해머밀 배출구를 통하여 수거되며, 해머밀의 배출구는 100um

크기의 선별망으로 이루어져 있다.

해머밀의 배출구를 빠져나온 100um 이하의 철 분말은 수거되어 선별작업을

진행하였다.

철 스크랩의 화학성분 (중량%)

철	규소	망간	탄소	인	황
98.91	0.020	0.010	0.022	0.006	0.005

< 실시예 2 내지 3 및 비교예 1 내지 2 >

실시예 1에서 사용된 입경이 10mm 이하인 철 스크랩을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 화학성분이 같은 철 스크랩을 동일한 방법으로 액체질소 안에 투입한후

투입된 철 스크랩의 온도가 -195.8℃에 도달할 때까지 급냉 시킨후 급냉된

철 스크랩을 인출하여 해머밀 안에 투입하여 분쇄하였다.

분쇄되어 해머밀의 배출구를 빠져나온 100um 이하의 철 분말은 수거되어 선별작업을 진행하였다.

이때 수거된 철 분말의 화학성분은 하기 표 2와 같으며 실시예 1 내지 3 및

비교예 1 내지 2는 다음표 3에 나타내었다.

분쇄된 철 분말의 화학성분 (중량%)

철	규소	망간	탄소	인	황
98.93	0.020	0.011	0.022	0.006	0.005

구 분	철 스크랩 입경(mm)	액체질소 20ℓ 안에 투입된 철 스크랩 중량 (kg)	철 스크랩이 -195.8℃로 급냉된 시간 (sec)	분쇄된 철 분말을 선별한 후 입자크기별 중량 (kg)			수 율 (%)
				30um 이하	30 에서 100um	100um 이상
실시예 1	10mm 이하	5	60	0.34	4.54	0.11	90.8
실시예 2	10 에서 20	5	70	0.32	4.43	0.24	88.6
실시예 3	20 에서 30	5	90	0.32	4.36	0.31	87.2
비교예 1	60 에서 80	5	120	0.11	2.42	2.45	48.4
비교예 2	80 에서100	5	150	0.10	1.96	2.92	39.2

<철 분말 제조방법의 흐름도> 철 스크랩을 -195.8℃ 로 급냉 ↓ 급냉된 철 스크랩을 분쇄기로 분쇄 ↓ 30 에서 100um 로 선별

상기표 3 에서 확인되는 바와 같이, 입경이 30mm 이상인 철 스크립은 급냉시간이

길고, 분쇄하여 분말생산시 30 에서 100um의 입자크기를 갖는 분말을 생산하는

데에 있어서 수율이 저하됨을 알수 있었다.

즉, 입경이 30mm 이하인 철 스크랩을 액체질소 안에 투입한 후 급냉시켜 분쇄하는

것이 30 에서 100um의 입자크기를 갖는 분말을 생산하는 데에 있어서 분말 수율이

우수한 것을 확인 할수있다.

또한 [표 1]의 철 스크랩의 화학성분과 [표 2]의 분쇄된 철 분말의 화학성분을

비교하여 볼때 철과 망간의 화학성분이 약간의 차이가 있지만 무시할수 있는 수준으로 해머밀을 사용하여 분쇄작업시 불순물의 혼입이 거의 없음을 또한 확인

할수있다.

상기 철 스크랩 이외에, 입경이 30mm 이하인 스텐레스강 STR 409L, STS 430,

STS 436L, STS 444, STS 410, STS 420J1, STS 420J2 재질의 스크랩도 상기 30mm

이하의 철 스크랩을 사용한 경우와 유사한 경향을 나타내었다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은

아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환,

변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을

가진자에게 명백할 것이다.

상기에서 살펴본바와 같이 본 발명은 종래의 철 분말 제조시 철을 전기로 또는

고주파 유도로에 투입한 후 1500℃ 이상의 온도를 가하여 철을 녹여 용탕을

제조한 후 아토마이징법 으로 고압분사시켜 철 분말을 제조하는 대신에 철을

액체질소 속에 투입하여 급냉시킨 후 분쇄기로 분쇄하여 철 분말을 제조함으로써

종래의 철 분말 생산을 위한 복잡한 제조공정, 높은 생산비용을 획기적으로

줄일수 있게 되었다.

Claims (1)

1. 철 스크랩을 액체질소 안에 투입하여 급냉시키는 단계, 상기 급냉된
   철 스크랩을 인출하여 분쇄기로 분쇄시키는 단계, 상기 분쇄된 철 분말을
   선별하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철 분말의 제조방법.
   [청구항 2]
   청구항 1 에 있어서, 상기 철 스크랩은 철의 함량이 98 중량% 이상,
   규소 0.1 중량% 이하, 망간 0.35 중량% 이하, 탄소 0.05 중량% 이하,
   인 0.02 중량% 이하, 황 0.02 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 철 분말의
   제조방법.
   [청구항 3]
   청구항 1에 있어서 상기 철 스크랩은 입경이 30mm 이하인 것을 특징으로 하는
   철 분말의 제조방법.
   [청구항 4]
   청구항 1에 있어서 상기 철 스크랩을 -195.8℃로 급냉시키는 것을 특징으로 하는
   철 분말의 제조방법.