KR20150094266A - 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아토마이저 공정을 이용하여 폐금속 스크랩으로부터 고순도의 금속분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 폐금속 스크랩을 용융시킬 수 있는 용융 챔버, 가스 분사를 통해 용융 금속을 분말화시킬 수 있는 분사 노즐 및 분사 챔버 등을 이용하고, 최적의 용탕 온도 및 유지시간, 용탕 분사 속도 및 압력 등을 설정하여 금속 분말을 제조하는 새로운 형태의 아토마이저 공정을 이용한 금속 분말 제조방법을 구현함으로써, 치밀한 조직의 고순도 금속 분말을 효율적으로 제조할 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법을 제공한다.

Description

폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법{Method for producing metal powder with used metal scrap}

본 발명은 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아토마이저 공정을 이용하여 폐금속 스크랩으로부터 고순도의 금속분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 아토마이저(Atomizer) 공정은 액체 분출부에 갖추어져 있는 노즐을 통해 용융 금속을 통과시키고, 이때의 용융 금속에 물이나 공기를 분사하여 용융 금속을 접촉시킴으로써, 용융 금속을 분열되게 하는 동시에 냉각ㆍ고화시켜서 금속 분말을 제조하는 공정이다.

예를 들면, 폐 스크랩 철을 전기로에서 용융시키고, 용융된 철을 가느다란 노즐을 통해 용융철이 흘러나올 때 이 흘러나오는 용융철에 고압의 물이나 공기를 분사하여, 미세한 철 분말을 만드는 공정이며, 이후 건조, 마그네틱 세퍼레이션, 스크리닝 등의 후 공정을 거쳐 아토마이저 파우더가 생산된다.

이러한 아토마이저 공정을 이용하여 금속 분말을 제조하는 방법의 일 예로서, 한국 공개특허 10-2007-0105256호에는 [금속 분말 제조장치, 금속 분말 및 성형체]가 개시되어 있다.

상기 금속 분말 제조장치, 즉 오토마이저 장비는 용융 금속을 오토마이징 방법에 의해 분말화하고, 다수의 금속 분말을 얻기 위해서 이용되는 것으로서, 용융 금속을 공급하는 공급부, 공급부의 하방에 마련된 액체 분출부와, 액체 분출부의 하방에 마련된 노즐 및 통 형상체를 갖는 구조로 이루어지며, 큰 입경의 아모퍼스 금속 분말을 제조할 수 있도록 되어 있다.

따라서, 본 발명은 오토마이징 공정을 이용하여 폐금속 스크랩으로부터 금속 분말을 제조하는 방법, 특히 폐스테인레스(Stainless steel) 스크랩으로부터 치밀한 조직의 스테인레스 분말을 효율적으로 제조하는 방법을 그 안출의 대상으로 한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 폐금속 스크랩을 용융시킬 수 있는 용융 챔버, 가스 분사를 통해 용융 금속을 분말화시킬 수 있는 분사 노즐 및 분사 챔버 등을 이용하고, 최적의 용탕 온도 및 유지시간, 용탕 분사 속도 및 압력 등을 설정하여 금속 분말을 제조하는 새로운 형태의 아토마이저 공정을 이용한 금속 분말 제조방법을 구현함으로써, 치밀한 조직의 고순도 금속 분말을 효율적으로 제조할 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법은 내부에 폐스테인레스 스크랩 등과 같은 폐금속 스크랩을 용융시키는 도가니장치 및 히팅장치, 그리고 도가니장치에서 배출되어 떨어지는 용융 금속에 고압의 가스를 분사하는 노즐장치를 포함하며, 용융 금속에 공기가 접촉되도록 함과 더불어 융융 금속의 분말화가 이루어지도록 하는 용융 챔버를 이용하여 폐금속 스크랩으로 금속 분말, 예를 들면 스테인레스 분말을 제조하는 방법으로서, 상기 융용 금속의 온도를 1650∼1700℃의 온도로 0.5∼2분간 유지하여 배출함과 더불어 가스의 분사 압력을 20∼40bar로 조절하여 분사하는 과정을 포함하는 것이 특징이다.

여기서, 상기 용융 챔버 내의 압력은 0.1∼0.3bar로 설정하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 용융 챔버에 있는 용융 금속 분사노즐의 직경은 2.5∼4mm로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법은 다음과 같은 장점이 있다.

폐 SUS 스크랩으로 SUS 분말 제조 시 용탕 온도 및 유지시간, 챔버 내 압력, 가스 분사 압력 및 분사 속도 등의 공정 조건을 최적의 조건으로 설정하는 방법을 적용함으로써, 치밀한 조직의 고순도 SUS 분말을 효율적으로 제조할 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있으며, SUS 분말의 회수율 또한 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법에 사용되는 아토마이저 장비를 나타내는 정면도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법에 사용되는 아토마이저 장비를 나타내는 정면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 아토마이저 장비는 폐스테인레스 스크랩을 이용하여 치밀한 조직의 고품질 스테인레스 분말을 제조하는 장비로서, 용융 챔버, 분사 챔버의 적절한 조합과 융융 공정, 분말화 공정 등의 연계구성을 통해 효율적으로 스테인레스 분말을 제조할 수 있는 공정으로 운전된다.

이를 위하여, 폐스테인레스 스크랩에 대한 용융 공정이 이루어지는 용융 챔버(10), 고압의 가스와 용융 금속의 접촉에 의해 스테인레스 분말이 만들어지는 분말화 공정이 이루어지는 분사 챔버(11), 스테인레스 분말을 회수하는 수집 공정이 이루어지는 수집 챔버(12)가 마련된다.

이러한 각 챔버들은 원통형의 탱크 구조물 형태로 이루어지게 되고, 위에서부터 아래로 용융 챔버(10)와 분사 챔버(11), 그리고 수집 챔버(12)가 차례로 연결 조립되어 서로 통하면서 하나의 밀폐형 수직 타워를 이루게 된다.

그리고, 상기 용융 챔버(10)의 상부는 커버(13)에 의해 마감되어 용융 챔버(10)의 내부는 밀폐환경이 조성될 수 있게 된다.

이러한 용융 챔버(10)의 내부에는 폐금속 스크랩을 용융시키는 도가니장치(14)와 도가니장치(14)에서 배출되어 떨어지는 용융 금속에 고압의 가스나 공기를 분사하는 노즐장치(15)가 구비된다.

그리고, 상기 용융 챔버(10)의 내부와 외부에 걸쳐 폐금속 스크랩의 용융을 위한 열원을 제공하는 히팅장치(16)와 도가니장치(14)에서 배출되는 용융 금속을 단속하는 스톱퍼장치(17)가 구비된다.

따라서, 상기 용융 챔버(10)에서 배출되는 용융 금속이 노즐장치(15)에서 분사되는 고압의 가스, 예를 들면 아르곤 가스와 접촉하면서 분사 챔버(11)의 내부에서 분말화가 이루어지게 되고, 이렇게 분말화된 금속 분말이 아래로 떨어져 수집 챔버(12)에 모이게 되는 공정이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 상기 도가니장치(14)는 폐금속 스크랩, 예를 들면 폐스테인레스 스크랩을 용융시키는 수단으로서, 일정량의 폐스테인레스 스크랩을 담을 수 있는 도가니(18), 용융 금속을 분사할 수 있는 노즐(19) 등을 포함한다.

상기 도가니(18)는 세라믹 소재 등으로 이루어진 상부 개방형의 원통형 용기로서, 구면으로 되어 있는 하부의 바닥 중심에는 노즐(19)이 끼워지게 된다.

또한, 상기 히팅장치(16)는 폐금속 스크랩의 용융을 위해 도가니장치(14)측에 열원을 제공하는 수단으로서, 실질적으로 도가니(18)의 둘레에 배치되어 도가니(18)를 가열하는 전열 코일(20), 예를 들면 인덕션 코일 등을 포함한다.

또한, 상기 노즐장치(15)는 도가니(18)의 노즐(19)에서 분사되는 용융 금속에 고압의 가스를 분사하여 분말화시켜주는 수단으로서, 도가니장치(14)의 저부에 구비되며, 노즐(19)의 하단부 주변으로 가스를 분사할 수 있는 약 0.2mm 정도의 링 모양 틈새인 에어갭(21)을 갖추고 있어, 이때의 틈새를 통해 가스가 빠져나가면서 고압으로 분사될 수 있게 된다.

따라서, 상기 도가니(18)의 둘레가 히팅장치(16)에 의해 가열되면, 도가니(18)의 내부에 들어 있는 폐금속 스크랩이 용융되고, 이렇게 용융된 금속은 노즐(19)을 통해 밑으로 빠져나가게 되고, 노즐장치(15)에서 분사되는 고압의 가스와 접촉되면서 분말화가 될 수 있게 된다.

그리고, 상기 스톱퍼장치(17)는 도가니(18)에 들어 있는 용융 금속의 배출을 단속하는 수단으로서, 모터(22)에 의해 상하 동작하는 스톱퍼바(23)를 포함하며, 이때의 스톱퍼바(23)가 도가니(18)의 노즐(19)를 열어주거나 닫아주게 된다.

이와 같은 아토마이저 장비의 전체적인 운전상태를 살펴보면, 용융 챔버(10)의 내부에 있는 도가니(18) 내에 폐금속 스트립을 일정량 투입하고, 히팅장치(16)를 가동하여 도가니(18)의 둘레에 있는 전열 코일(20)을 통해 도가니(18)를 가열하면 도가니(18)에 들어 있는 폐금속 스크랩이 용융된다.

다음, 스톱퍼장치(17)를 작동시켜서 도가니(18)의 노즐(19)을 막고 있던 스톱퍼바(23)가 위로 올라가게 되면 이때부터 하부의 노즐(19)을 통해 용융 금속이 아래로 분사된다.

이와 동시에, 노즐장치(15)측으로 고압의 가스를 공급하면, 이때의 가스는 에어갭(21)을 통해 분사되고, 따라서 용융 금속이 떨어지고 있는 노즐(19)의 주변으로 고압의 가스가 분사되면서 용융 금속과 접촉하게 된다.

다음, 고압의 가스와 용융 금속이 접촉함에 따라 분사 챔버(11)의 내부에서는 용융 금속의 분말화가 이루어지게 되고, 이렇게 분말화된 금속 분말은 분사 챔버(11)의 하부로 떨어져 수집 챔버(12) 내에 모이게 되며, 수집 챔버(12)에 있는 금속 분말을 수거하는 것으로 아토마이징 공정이 완료된다.

이와 같은 아토마이징 공정을 이용하여 폐금속 스크랩으로 금속 분말을 제조하는 과정에서 각각의 공정 조건들에 대해 살펴보면 다음과 같다.

보통 고주파 용해로를 이용한 철계 분말화는 용융 온도, 도가니 및 스톱퍼의 재질과 순도, 가스 분사 압력 등에 따라 실시되는데, 이는 100㎛ 이하의 크기를 갖는 분말을 얻기도 힘들 뿐만 아니라 회수율도 저조한 실정이다.

특히, 스테인레스는 용융점이 높을 뿐만 아니라 크롬, 니켈 등 유동성이 작은 금속이 함유되어 있기 때문에 회수율이 극히 낮다.

따라서, 본 발명에서는 여러가지 공정 조건, 예를 들면 용융 온도 및 유지시간, 챔버 압력, 용융 금속의 속도, 가스 분사 압력, 분사 노즐의 크기(내경, 길이 등) 등과 같은 공정 조건을 적절히 설정함으로써, 100㎛ 이하의 크기를 갖는 분말을 회수율 50% 이상으로 얻을 수 있는 방법을 제공한다.

이를 위하여, 상기 도가니 내의 융용 금속의 온도를 1650∼1700℃의 온도로 0.5∼2분간 유지하여 배출하고, 이와 함께 노즐장치에 분사되는 가스의 분사 압력을 20∼40bar로 조절하여 분사하는 방법을 적용하는 한편, 상기 용융 챔버 내의 압력은 0.1∼0.3bar로 설정하며, 상기 용융 챔버에 있는 용융 금속 분사노즐의 직경은 2.5∼4mm로 설정하는 방법을 적용함으로써, 100㎛ 이하 크기의 금속 분말을 제조할 수 있고, 또 이때의 금속 분말의 회수율도 50% 이상으로 얻을 수 있다.

실시예 1(표 1과 표 2를 참조)

1) 폐금속 스크랩 : 1998g(Ø30)

2) 출력변화 : 5kw-15kw-22kw-23kw-20kw

3) 아르곤 가스 분사 압력 : 20bar

4) 분사시간 : 16분 후

5) 최고온도 : 1675℃

6) 유지시간 : 2분

7) 용융 챔버 내 압력 : 0.2bar

8) 실험결과 : 성공

9) 도가니 상태 : 도가니 외부에는 크랙이 발생하지 않았고, 내부에는 용탕이 대부분 빠져나가서 깨끗한 상태임.

10) 회수율 계산 : 회수 분말/스크랩 총 무게×100 = 1862g/1998g×100 = 93.19%(100㎛ 이하 분말은 22.67% 회수함)

실시예 2(표 1 참조)

1) 폐금속 스크랩 : 1998g(Ø30)

2) 출력변화 : 5kw-10kw-15kw-20kw-23kw-22kw-20kw

3) 아르곤 가스 분사 압력 : 20bar

4) 분사시간 : 22분 후

5) 최고온도 : 1760℃

6) 유지시간 : 3분

7) 용융 챔버 내 압력 : 0.2bar

8) 실험결과 : 실패(용융 금속 유지시간이 오래되면서 도가니 하부쪽에서 응고가 진행되어 실패함, 즉 1700℃ 이상에서 3분 이상 홀딩함으로 인해 실패함)

실시예 3(표 1와 표 3 참조)

1) 폐금속 스크랩 : 2010g(Ø30)

2) 출력변화 : 5kw-10kw-15kw-18kw-20kw-22kw-24kw

3) 아르곤 가스 분사 압력 : 20bar

4) 분사시간 : 21분 후

5) 최고온도 : 1715℃

6) 유지시간 : 0.5분

7) 용융 챔버 내 압력 : 0.2bar

8) 실험결과 : 성공

9) 도가니 상태 : 도가니 외부에는 크랙이 발생하지 않았고, 내부에는 용탕이 대부분 빠져나가서 깨끗한 상태임.

10) 회수율 계산 : 회수 분말/스크랩 총 무게×100 = 1834g/2110g×100 = 91.24%(100㎛ 이하 분말은 46.13% 회수함)

실시예 4(표 1과 표 4 참조)

1) 폐금속 스크랩 : 1998g(Ø31.2)

2) 출력변화 : 5kw-10kw-18kw-22kw-23kw

3) 아르곤 가스 분사 압력 : 20bar

4) 분사시간 : 18분 50초 후

5) 최고온도 : 1748℃

6) 유지시간 : 2분 49초

7) 용융 챔버 내 압력 : 0.2bar

8) 실험결과 : 성공

9) 도가니 상태 : 도가니 외부에는 크랙이 발생하지 않았고, 내부에는 용탕이 대부분 빠져나가서 깨끗한 상태임.

10) 회수율 계산 : 회수 분말/스크랩 총 무게×100 = 1656g/1998g×100 = 82.88%(100㎛ 이하 분말은 41.72% 회수함)

표 1

표 2

표 3

표 4

이와 같이, 본 발명에서는 용융 금속의 온도를 1650∼1750℃의 온도범위를 유지하고, 유지시간을 2∼3분을 유지하며, 챔버 내 압력과 가스 분사 압력 등을 적절히 설정하여 공정을 수행함으로써, 안정적으로 금속 분말을 제조할 수 있고, 100㎛ 이하의 미세한 금속 분말 회수율을 높일 수 있다.

상기 표 1에서 유지시간은 용탕이 충분히 액체화되었다고 판단하고, 액체화 된 상태부터의 시간을 의미한다.

또한, 표 1에서 출력변화의 경우, 예를 들어 최고융점(1700℃)까지 한꺼번에 파워를 올리면, 응고 현상 및 기화 현상 등이 일어날 수 있으므로 서서히 온도를 올리기 위한 조건의 변화를 의미한다.

그리고, 본 발명에서는 용융 금속이 분사되는 노즐 내경의 경우 Ø4, Ø3.5, Ø3, Ø2.5 등 적용함으로써, 분사되는 시간을 증가시킬 수 있고, 결국 100㎛ 이하의 금속 분말 회수율을 한층 높일 수 있다.

10 : 용융 챔버 11 : 분사 챔버
12 : 수집 챔버 13 : 커버
14 : 도가니장치 15 : 노즐장치
16 : 히팅장치 17 : 스톱퍼장치
18 : 도가니 19 : 노즐
20 : 전열 코일 21 : 에어갭
22 : 모터 23 : 스톱퍼바

Claims (4)

1. 내부에 폐금속 스크랩을 용융시키는 도가니장치 및 히팅장치, 그리고 도가니장치에서 배출되어 떨어지는 용융 금속에 고압의 가스를 분사하는 노즐장치를 포함하며, 용융 금속에 공기가 접촉되도록 함과 더불어 융융 금속의 분말화가 이루어지도록 하는 용융 챔버를 이용하여 폐금속 스크랩으로 금속 분말을 제조하는 방법으로서,
   상기 융용 금속의 온도를 1650∼1700℃의 온도로 0.5∼2분간 유지하여 배출함과 더불어 가스의 분사 압력을 20∼40bar로 조절하여 분사하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 용융 챔버 내의 압력은 0.1∼0.3bar로 설정하는 것을 특징으로 하는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 용융 챔버에 있는 용융 금속 분사노즐의 직경은 2.5∼4mm로 설정하는 것을 특징으로 하는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 폐금속 스크랩과 금속 분말은 스테인레스(Stainless steel) 소재인 것을 특징으로 하는 폐금속 스크랩을 활용한 금속 분말 제조방법.

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