KR20170062827A - 자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템 및 이를 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법 - Google Patents

자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템 및 이를 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 폐자재에서 철성분이 많은 용탕을 별도로 분리하여 처리함으로써 고순도의 알루미늄 괴를 제조하고, 추출한 모재료를 용해하여 냉각속도를 제어함으로써 내식성, 내열성과 같은 알루미늄의 특성이 향상된 냉각속도 제어방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조방법에 관한 것으로서, 폐자재들 중 알루미늄을 선별하여 주조함에 따라 원료 사용을 절감할 수 있고, 유용금속의 회수율을 향상시킬 수 있고, 자원의 재활용에 따른 효용가치를 극대화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템 및 이를 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법{ALUMINUM INGOT MANUFACTURING SYSTEM OF MAGNETISM SEPARATING TYPE USING ALUMINUM SCRAP AND ALUMINUM INGOT MANUFACTURING METHOD OF CONTROLLING COOLING VELOCITY USING THE SAME}
본 발명은 자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템 및 이를 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 폐자재에서 추출한 모재료를 용해하여 사용목적에 맞도록 특화된 알루미늄을 제조하기 위하여 용탕에 자력을 가해 Fe 성분의 용탕을 별도로 분리해낸 후, 용탕의 냉각속도를 제어하여 알루미늄 괴를 제조하는 알루미늄괴 제조시스템 및 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄은 은백색의 가볍고 부드러운 금속 원소로서, 가공하기 쉽고 가벼우며 내식성이 있다. 인체에 해가 없으므로 건축, 화학, 가정용 제품에 널리 사용된다.
또한, 가볍고 내구성이 큰 특성을 가지므로 항공기, 선박, 차량의 주요 재료로도 사용되며, 산소와 쉽게 반응하지만 산화 피막이 형성된 후에는 피막에 의해 산소와의 접촉이 차단되어 녹이 잘 슬지 않아 광택이 오래 지속될 필요가 있는 부분에 많이 사용된다.
그리고 알루미늄에 구리 또는 마그네슘 등의 금속을 첨가한 합금으로 알루미늄의 성질을 개량하여 그 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
국내공개특허공보 제10-2000-0049400호 및 제10-2002-0009957호에는 압축 성형하여 사용 가능한 알루미늄계 폐자재를 이용한 재활용방법에 대해 개시하고 있다.
그러나 이러한 종래의 방법들은 알루미늄 폐자재를 무의미하게 분쇄하여 작게 조각을 냄으로써 오히려 제품의 오염을 증가시키고, 계속되는 분쇄작업으로 인하여 설비효율이 낮아짐으로써 운영비가 많이 드는 문제점이 있다.
또한, 알루미늄 폐자재를 이용하여 생산되는 알루미늄괴는 사용목적에 따라 각각 다른 밀도, 강도, 성분, 또는 취성 등을 요구하는데, 종래의 알루미늄 폐자재 활용방법은 이러한 사용목적에 맞는 고려방안이 전혀 시도되고 있지 않은 문제점이 있다.
그리고, 알루미늄 합금 주조시 철(Fe) 성분이 많이 포함되면 알루미늄 합금의 순도가 저하되기 때문에 철 성분을 제거하는 것이 중요하나 이에 대한 적절한 제거방법이 없는 것이 현실이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0134302호(2000.08.05. 자 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0009957호(2002.02.02. 자 공개)
따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 제작하고자 하는 알루미늄괴의 기계적 특성에 따라 알루미늄 폐자재를 용융시킨 용탕의 냉각속도를 제어함으로써, 사용목적에 맞는 금속특성을 가질수 있는 알루미늄괴 제조방법을 제공하는데 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 알루미늄 용탕 내의 철 성분을 별도로 제거하여 알루미늄 괴의 순도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미늄 폐자재를 이용하여 알루미늄괴를 제조하는 시스템에 있어서, 알루미늄 폐자재와 같은 원재료가 담아지는 용기; 상기 용기와 연결되고, 일정량만큼 원재료가 투입되어 용탕 상태로 용융되는 용해로; 상기 용해로와 연결되고, 자력에 의해 알루미늄 용탕 내의 철분 성분 및 기타 이물질을 제거하는 여과장치; 상기 여과장치와 연결되고, 용탕을 일시 보유하고 알루미늄괴에 요구되는 특성에 따라 용탕의 물리-화학적 특성을 변화시키는 보유로; 상기 보유로와 연결되고, 용탕을 일정 형상을 가지는 괴로 성형하는 주조장치;및 상기 주조장치에 의해 성형된 용탕의 냉각속도를 제어하여 알루미늄괴의 기계적 특성을 형성하는 냉각장치를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템 은 보유로에 유입되는 용탕의 물리적 특성 및 화학적 특성을 측정하는 용탕 특성측정기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 여과장치는 상기 용해로로부터 유입된 용탕에 자력을 가해 철성분을 용탕의 외곽쪽으로 유도하는 자력유도관과, 상기 자력유도관과 연결되고, 용탕의 중심부와 외곽부를 분리하여 별도로 저장하도록 구성되는 여과조를 포함하는 바람직하다.
본 발명의 여과조는 상기 자력유도관과 연결되고, 상대적으로 철성분이 많은 용탕을 저장하는 상부측 여과조; 상기 상부측 여과조와 별도로 분리되고, 상대적으로 철성분이 적은 용탕을 저장하는 하부측 여과조;및 상기 하부측 여과조의 중심에서 상방으로 연장되어 상기 자력유도관의 말단 하방에 위치하는 유입관을 포함하는 바람직하다.
본 발명의 자력유도관은 이중관 구조로 형성되고, 외관과 내관 사이에 자력체가 구비되는 바람직하다.
본 발명의 용탕 특성측정기는 상기 보유로에 유입되는 용탕의 물리적 특성 또는 화학적 특성을 측정하여 상기 보유로에 별도로 연결되는 재료 자동공급장치에 의해 실시간으로 필요한 재료를 추가하도록 구성되는 바람직하다.
본 발명의 용탕 특성측정기는 상기 보유로 내의 용탕의 순도값(pk)을 측정하도록 구성되는 바람직하다.
본 발명의 냉각장치는 알루미늄괴의 특정 기계적 특성에 따라 2차 수지상 간격값을 조정하여 냉각속도를 제어하도록 구성되는 바람직하다.
본 발명의 자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법은 알루미늄 폐자재를 이용하여 알루미늄괴를 제조하는 방법에 있어서, 기가공된 폐자재 중 알루미늄계 모재료를 선별하는 재료선별단계; 상기 선별된 모재료 중 알루미늄을 포함하지 않는 적어도 하나의 불필요 재료를 분리하는 재료분리단계; 상기 불필요 재료가 분리된 모재료를 용해하여 용탕을 생성하는 용탕생성단계; 상기 생성된 용탕의 불순물을 제거하는 불순물제거단계; 상기 불순물이 제거된 용탕의 물리적 또는 화학적 특성을 변경시키는 용탕 특성화단계; 상기 생성된 용탕을 알루미늄괴로 주조하는 주조단계; 및 상기 주조된 알루미늄괴를 특정 기계적 성질을 가지도록 특정 냉각속도로 냉각시키는 냉각단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 불순물제거단계는 상기 용탕생성단계에 의해 생성된 용탕에 자력을 가함으로써 철성분이 많은 용탕을 외곽으로 이동시키고, 철성분이 적은 용탕을 중심부로 이동시킨 후, 용탕의 중앙부분만 별도로 분리하여 이후 공정으로 전달하고 용탕의 외곽부분은 다시 상기 용탕생성단계로 전달하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 냉각단계는 알루미늄 괴의 기계적 특성에 따라 2차 수지상 간격값을 조정함으로써 냉각속도를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 냉각단계는 수학식 3 : SDAS = (b - y)/a (SDAS : 2차수지상 간격, V : 냉각속도, k, n : 지수)과, 수학식 4 :자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법 V = (S/k)1/n(y : 기계적 성질값(ex, 인장강도, 연신율, 로크웰 경도 중 어느 하나), a, b : 계수값)에 의해 냉각속도를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 냉각단계는 수학식 3 : SDAS = (b - y)/a (SDAS : 2차수지상 간격, V : 냉각속도, k, n : 지수)과, 수학식 5 : V = (pk·S/k)1/n(y : 기계적 성질값(ex, 인장강도, 연신율, 로크웰 경도 중 어느 하나), a, b : 계수값, 용탕의 순도값(pk))에 의해 냉각속도를 산출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 알루미늄괴 제조방법은 폐자재들 중 알루미늄을 선별하여 주조함에 따라 원료 사용을 절감할 수 있고, 유용금속의 회수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따른 알루미늄괴 제조방법에 의하면, 알루미늄괴를 사용하기 위한 목적에 따라 각각 다른 금속특성을 가지는 알루미늄괴를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄괴 제조시스템에 의하면, 철 성분의 용탕을 별도로 분리하여 처리함으로써 알루미늄괴의 순도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 여과장치를 확대한 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대한 부분 확대도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
한편, 본 발명의 실시예들에서, 알루미늄은 순수 알루미늄을 지칭할 수 있다. 다만 이러한 순수 알루미늄은 특별하게 언급되지 않는 경우에도, 제조과정 중에 의도적으로 첨가되지 않지만 불가피하게 함유되는 불순물(이하, 불가피 불순물)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 알루미늄 합금은 주원소인 알루미늄에 하나 또는 그 이상의 첨가원소들을 함유하는 합금을 지칭할 수 있다. 다만, 이러한 알루미늄 합금은 특별하게 언급되지 않는 경우에도 주원소와 첨가원소들 외에 불가피 불순물을 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알루미늄괴 제조시스템 및 제조방법에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄괴 제조방법이 수행되는 전체적인 제조 시스템을 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 알루미늄괴 제조시스템은 알루미늄 폐자재와 같은 원재료가 담아지는 용기(100)와; 상기 용기(100)와 연결되어 일정량만큼 원재료가 투입되어 용탕 상태로 형성되는 용해로(200)와; 상기 용해로(200)와 연결되고, 자력에 의해 알루미늄 용탕 내의 철분 성분 및 기타 이물질을 제거하는 여과장치(300)와; 상기 여과장치(300)와 연결되고, 용탕을 일시 보유하고 알루미늄괴에 요구되는 특성에 따라 특정 조성물을 첨가하거나 알루미늄 순도를 향상시켜 물리-화학적 특성을 변화시키는 보유로(400)와; 상기 보유로(400)에 유입되는 용탕의 물리적 특성 및 화학적 특성을 측정하는 용탕 특성측정기(500)와; 상기 보유로(400)와 연결되고, 용탕을 일정 형상을 가지는 괴로 성형하는 주조장치(600)와; 상기 주조장치(600)에 의해 성형된 용탕의 냉각속도를 제어하여 알루미늄괴의 기계적 특성을 형성하는 냉각장치(700)를 포함한다.
본 발명의 용기(100) 내에는 기가공된 알루미늄계 폐자재가 저장되어 있고, 순차적으로 용해로(200)로 투입된다. 상기 용해로(200)는 폐자재에서 추출된 모재료인 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 가열하여 알루미늄 용탕을 생성하기 위한 것으로서, 이때 가열온도는 일 예로서 400 내지 800℃ 범위일 수 있다.
용해로(200)의 가열은 적절한 가열 수단에 의해서 수행될 수 있다. 예를 들어, 저항 가열 방식, 유도 가열 방식, 레이저 가열 방식, 플라즈마 가열 방식, 열풍 가열 방식 등이 단독 또는 복합적으로 용해로(200)의 가열에 이용될 수 있다.
용해로(200)에 의해 용해된 용탕은 여과장치(300)로 전달되고, 여과장치(300)는 주로 산화물이나 비금속의 개재물과 같은 불순물을 제거하고, 용탕 내의 철(Fe)성분을 제거하도록 구성된다.
도 2 및 도 3에는 본 발명에 의한 여과장치(300)에 대한 구체적인 내용이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 여과장치(300)는 용해로(200)로부터 유입된 용탕을 직하방식으로 유도한 상태에서 자력을 가해 철성분을 용탕의 외곽쪽으로 유도하는 자력유도관(310)과; 상기 자력유도관(310)과 연결되고, 상부측 여과조와 하부측 여과조로 구획되는 여과조(320)와; 상기 하부측 여과조의 중심에서 상방으로 연장되어 상기 자력유도관(310)의 말단 하방에 위치하는 유입관(330)을 포함한다.
먼저, 자력유도관(310)은 용해로(200)와 연결되는 이중관 구조로 형성되고, 내관(311)을 통해 용탕이 직하방향으로 이동하고, 내관(311)과 외관(312) 사이에 자력체(313)가 일정간격만큼 이격되어 구비된다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 내관(311)을 통해 용탕이 직하방향 또는 수평방향으로 이동하는 과정에서 자력체(313)에 의해 자력이 가해짐으로써 용탕 내의 철 성분이 용탕의 외곽으로 끌어당겨지게 된다.
그리고, 자력유도관(310)의 말단은 여과조(320)가 연결되는데, 상기 여과조(320)은 상부측 여과조(320a)와 하부측 여과조(320b)로 구획된다. 상기 상부측 여과조(320a)는 철성분이 상대적으로 많게 함유된 용탕이 담아지고, 하부측 여과조(320b)는 철성분이 상대적으로 적게 함유된 용탕이 담아진다.
상부측 여과조(320a)와 하부측 여과조(320b)에 담겨진 용탕은 칼슘 및 마그네슘을 제거하기 위하여 불순물 제거용 플럭스를 처리하는 공정이 각각 수행될 수 있다.
투입된 플럭스는 용탕 내의 마그네슘과 반응하여 불화마그네슘을 형성하고, 칼슘과 반응하여 염화칼슘을 형성한다. 염화칼슘 및 불화마그네슘을 포함한 드로스는 비중 차이로 인하여 용탕의 표면으로 이동하게 된다. 따라서, 용탕 표면에 떠올라와 있는 금속산화물의 두꺼운 막이나 덩이와 같은 드로스를 제거함으로써 칼슘 및 마그네슘 불순물을 용탕으로부터 제거할 수 있다.
그리고, 상부측 여과조(320a)에 담겨진 용탕은 회귀관(321)을 통해 다시 용해로(200)로 복귀하여 재용융되고, 하부측 여과조(320b)에 담겨진 용탕은 유출관(322)을 통해 보유로(400)로 이동하게 된다.
한편, 하부측 여과조(320b)의 중심에는 상방으로 연장되는 원통형의 유입관(330)이 구비된다. 상기 유입관(330)의 상면은 개방되어 자력유도관(310)의 말단에서 낙하하는 용탕의 중심체가 유입되어 하부측 여과조(320b)로 유입된다.
즉, 자력유도관(310)을 통과하는 과정에서 용탕의 외곽에는 철성분이 많은 용탕이 배치되고, 용탕의 중심부에는 철성분이 적은 용탕이 배치된다. 따라서, 자력유도관(310)의 말단에서 용탕이 낙하하면서 용탕의 중심부는 유입관(330)을 통해 하부측 여과조(320b)로 유입되고, 용탕의 외곽부는 유입관(330)의 외측으로 흘러내려 상부측 여과조(320a)로 유입됨으로써 용탕을 철성분이 많은 부분과 적은 부분으로 분리하여 저장할 수 있다.
상기와 같은 여과장치(300)를 통과한 용탕은 보유로(400)로 유입되고, 보유로(400)에서 알루미늄괴에 요구되는 특성에 따라 마그네슘(Mg) 등의 조성성분을 첨가하거나 알루미늄의 순도를 향상시켜 용탕의 물리-화학적 특성을 변화시킨다.
특히, 상기 보유로(400)에는 용탕 특성측정기(500)가 연결되는데, 상기 용탕 특성측정기(500)는 보유로(400)로 유입되는 용탕의 물리적 특성, 화학적 특성 등을 측정하여 그 결과를 나타낸다. 또한, 용탕 특성측정기(500)는 추후 냉각속도 제어를 하기 위한 2차 수지상 간격값을 보정하는데 사용되는 용탕의 순도값(pk)을 측정할 수도 있다.
상기 용탕 특성측정기(500)에 의해 측정된 결과에 따라 용탕에 추가적인 재료가 더 투입될 수 있다. 가령, 알루미늄괴 중에 함유된 철 성분은 효과적인 분산, 및 용융작용을 하기 때문에 일정량의 철분이 함유될 수 있도록 철편을 투입할 수 있다. 또한, 용탕 내의 알루미늄의 순도를 향상시키기 위해 순수 알루미늄 재료를 더 추가할 수도 있다.
상기와 같이 추가 재료를 공급하기 위한 재료 자동공급장치(410)가 보유로(400)에 추가로 연결될 수 있다. 상기 재료 자동공급장치(410)는 상기 용탕 특성측정기(500)에 의해 측정된 결과에 따라 실시간으로 필요한 재료를 추가로 공급할 수 있다. 상기 재료 자동공급장치(410)는 알루미늄괴 제조시 추가될 수 있는 다양한 형태의 재료를 추가 공급할 수 있도록 구성된다.
상기 용탕 특성측정기(500)에 의해 측정된 결과에 따라 보유로(400)에 유입되는 용탕의 물리적 또는 화학적 특성을 변경함으로써 알루미늄괴의 사용목적에 따라 다양한 특성을 가지는 알루미늄괴를 제조할 수 있다.
상기 보유로(400)를 통과한 용탕은 주조장치(600)를 통과하면서 일정 형상을 가지는 괴로 성형된다. 상기 주조장치(600)의 주형은 금형, 세라믹형, 그라파이트형 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.
또한, 주조 방식은 사형주조, 다이캐스팅(die casting), 중력주조, 연속주조, 저압주조, 스퀴즈캐스팅, 로스트 왁스주조(lost wax casting), 틱소캐스팅(thixo casting) 등이 될 수 있음은 자명하다.
상기와 같이 주조장치(600)를 거친 용탕은 특정 온도 이하를 가지는 냉각장치(700)를 통하여 냉각된다. 냉각장치(700)는 내부에 구비되는 중앙제어부에 의해 최초 사용자가 입력한 알루미늄 괴의 기계적 특성값에 따라 냉각속도를 제어할 수 있다.
일반적으로 알루미늄 합금의 기계적 성질에 영향을 미치는 인자 중 하나인 2차 수지상 간격(SDAS)은 기계적 성질에 비교적 큰 영향을 미친다. 2차 수지상 간격(SDAS)은 냉각속도, 주입온도, 용탕 내 불순물 함유여부 등에 따라 변화한다.
따라서, 상기 냉각장치(700)는 최종 목적 대상물인 알루미늄 괴의 기계적 특성에 따라 2차 수지상 간격값을 조정함으로써 냉각속도를 조절하도록 구성된다.
보다 구체적으로, 냉각속도(V)에 따른 2차 수지상 간격(SDAS) 값 계산에 이용되는 경험식은 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.
[수학식 1]
SDAS = k(V)n
(SDAS : 2차수지상 간격, V : 냉각속도, k, n : 지수)
상기 수학식 1에 의해 2차 수지상 간격과 냉각속도간의 상관관계를 경험식을 통해 알 수 있으며, 알루미늄의 종류에 따라 A4032의 경우 k = 18.63, n = -0.337이고, A2의 경우 k = 45.30, n = -0.398로 정의될 수 있다.
그리고, 최종 대상물인 알루미늄 괴의 기계적 성질은 2차 수지상 간격에 따라 선형적으로 감소하는데 이러한 특성을 이용하면 2차 수지상 간격과 기계적 성질은 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
y = aSDAS + b
(y : 기계적 성질값(ex, 인장강도, 연신율, 로크웰 경도 등), a, b : 계수값)
상기 수학식 2에 의해 기계적 성질값과 2차 수지상 간격간의 상관관계를 경험식을 통해 알수 있으며, 알루미늄 종류에 따라 A4032의 경우 인장강도(MPa) 상 a = - 3.212, b = 258.21, 연신율(%) 상 a = -0.074, b = 3.21, 로크웰 경도 상 a = -0.717, b = 83.83이고, A2의 경우 인장강도(MPa) 상 a = - 1.596, b = 308.08, 연신율(%) 상 a = -0.058, b = 5.38, 로크웰 경도 상 a = -0.201, b = 90.85로 정의될 수 있다.
따라서, 냉각장치(700)는 상기와 같이 경험식에 의해 정의되는 각 수식 값에 근거하여 제조하고자 하는 알루미늄 괴의 기계적 특성에 따라 냉각속도를 역산하여 도출할 수 있다.
보다 구체적으로 냉각장치(700)의 중앙제어부는 수학식 2를 역산식으로 산출하여 아래와 같은 수학식 3을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
SDAS = (b - y)/a
수학식 3에 의해 도출된 SDAS 값을 아래의 수학식 4에 대입하여 냉각속도 V 값을 산출할 수 있다.
[수학식 4]
V = (S/k)1/n
다만, 상기에서 산출된 냉각속도(V)값은 용탕 특성측정기(500)에 의해 측정되는 용탕의 순도값(pk)(%)에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 용탕의 순도값(pk)을 보정한 아래의 수학식 5가 최종 보정된 냉각속도로 특정될 수 있다.
[수학식 5]
V = (pk·S/k)1/n
따라서, 최초 사용자가 입력한 알루미늄괴의 기계적 특성에 따라 냉각속도(V)를 산출함으로써 사용자의 요구에 부합하는 기계적 특성을 가지는 알루미늄 P괴의 값을 산출할 수 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성되는 알루미늄괴 제조시스템을 이용하여 알루미늄괴를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명은 알루미늄괴를 제조하는 방법에 있어서, 기가공된 폐자재 중 알루미늄계 모재료를 선별하는 재료선별단계(S100); 선별된 모재료 중 알루미늄을 포함하지 않은 적어도 하나의 불필요 재료를 분리하는 재료분리단계(S200); 가공된 모재료를 용해하여 용탕을 생성하는 용탕생성단계(S300); 형성된 용탕의 불순물을 제거하는 불순물제거단계(S400); 상기 생성된 용탕의 물리적 또는 화학적 특성을 변경시키는 용탕 특성화단계(S500); 상기 생성된 용탕을 알루미늄괴로 주조하는 주조단계(S600);및 불순물이 제거된 용탕을 최초 목표로 하는 알루미늄괴의 기계적 특성값에 매칭되도록 냉각속도를 특정하여 냉각하는 냉각단계(S700);를 포함하는 알루미늄괴 제조방법을 제공한다.
재료선별단계(S100)는 기가공된 폐자재들 중 알루미늄계 모재료를 사용한 폐자재들을 선별하기 위한 단계이다. 기가공된 폐자재는 폐냄비, 폐프라이팬 등과 같이 금속을 포함하여 가공된 고철을 지칭한다.
알루미늄계 모재료는 가령, 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 본 발명에서는 기가공된 폐자재들에 포함된 것으로서, 주원소인 알루미늄에 적어도 하나의 첨가원소가 부가된 합금을 지칭하고, 통상적으로 칼슘 외에 다른 첨가원소가 부가된 경우를 지칭할 수 있다. 하지만, 이 실시예의 범위는 모재료의 알루미늄 합금에 칼슘이 첨가원소로 부가된 경우도 배제하지 않는다.
예를 들어, 모재의 알루미늄 합금은 미국알루미늄협회의 분류표상 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열의 전신재용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열, 700 계열의 주조용(Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 재료선별단계(S100)는 이러한 알루미늄을 포함한 고철을 다른 폐자재와 구분하여 선별하기 위한 단계이다.
상기 재료선별단계(S100)를 통해 선별된 폐자재들을 알루미늄괴로 제조하기 위한 전처리 과정으로 재료분리단계(S200)가 수행된다.
재료분리단계(S200)는 모재료들에 포함되어 있는 불필요재료 가령, 플라스틱류, 철 등과 같은 비알루미늄 재료를 제거하는 공정이다. 상기 재료분리단계(S200)를 통하여 알루미늄 이외의 재료를 제거함으로써 알루미늄괴의 순도를 높일 수 있게 된다.
상기 재료분리단계(S200)가 완료되면, 도 1에 도시된 바와 같이 원재료 용기(100)에 담아져서 일정량만큼 용해로(200)로 투입된다. 상기 용해로(200)에서는 선별된 폐자재들 중 알루미늄계 모재료들만을 용해시킬 수 있도록 불필요재료가 제거된 모재료를 투입하여 용탕을 생성하는 용탕생성단계(S300)가 수행된다.
용탕생성단계(S300)는 폐자재에서 추출된 모재료인 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용해로(200)에 넣고 가열하여 알루미늄 용탕을 생성하기 위한 것으로서, 이때 가열온도는 일 예로서 400 내지 800℃ 범위일 수 있다.
상기와 같이 용탕생성단계(S300)에 의해 생성된 용탕은 여과장치(300)로 전달되고, 상기 여과장치(300)에서 용탕 내의 철성분이 상대적으로 많은 부분을 용탕의 외곽으로 유도하고, 주로 산화물이나 비 금속의 개재물과 같은 불순물이 제거되는 불순물제거단계(S400)가 수행된다.
상기 불순물제거단계(S400)는 용탕생성단계(S300)에서 생성된 알루미늄 용탕 내의 철성분이 많은 용탕을 분리하여 다시 용해로(200)로 복귀시키고, 알루미늄 용탕으로부터 부유하거나 침전되는 불순물을 제거하기 위한 단계로서, 칼슘 및 마그네슘 불순물을 포함하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 용탕으로부터 칼슘 및 마그네슘을 제거하기 위하여 불순물 제거용 플럭스를 처리하는 공정을 수행한다.
알루미늄 용탕 내의 철성분을 제거하는 공정은 여과장치(300)를 통과하는 용탕에 자력을 가함으로써 철성분이 많은 용탕을 외곽으로 이동시키고, 철성분이 적은 용탕을 중심부로 이동시킨 후, 용탕의 중앙부분만 별도로 분리하여 이후 공정으로 전달하고 용탕의 외곽부분은 다시 용해로(200)로 전달하는 공정이다.
그리고, 알루미늄 용탕 내에 투입된 플럭스는 용탕 내의 마그네슘과 반응하여 불화마그네슘을 형성하고, 칼슘과 반응하여 염화칼슘을 형성한다. 염화칼슘 및 불화마그네슘을 포함한 드로스는 비중 차이로 인하여 용탕의 표면으로 이동하게 된다. 따라서, 용탕 표면에 떠올라와 있는 금속산화물의 두꺼운 막이나 덩이와 같은 드로스를 제거함으로써 칼슘 및 마그네슘 불순물을 용탕으로부터 제거할 수 있다.
상기 여과장치(300)에서 여과된 용탕은 보유로(400)로 이동하여 일시적으로 용탕을 보유하고, 상기 보유로(400)에서 알루미늄괴에 요구되는 특성에 따라 마그네슘(Mg) 등의 조성성분을 첨가하거나 알루미늄의 순도를 향상시키거나 물리-화학적 특성을 변화하는 등의 용탕 특성화 단계(S500)가 수행된다.
특히, 상기 용탕특성화 단계(S500)에서 보유로(400)에는 용탕 특성측정기(500)가 연결되는데, 상기 용탕 특성측정기(500)는 보유로(400)로 유입되는 용탕의 물리적 특성, 화학적 특성 등을 측정하여 그 결과를 나타내고, 추후 냉각속도 제어를 하기 위한 2차 수지상 간격값을 보정하는데 사용되는 용탕의 순도값(pk)을 측정할 수도 있다.
상기 용탕 특성측정기(500)에 의해 측정된 결과에 따라 용탕에 추가적인 재료가 더 투입될 수 있다. 가령, 알루미늄괴 중에 함유된 철 성분은 효과적인 분산, 및 용융작용을 하기 때문에 일정량의 철분이 함유될 수 있도록 철편을 투입할 수 있다. 또한, 용탕 내의 알루미늄의 순도를 향상시키기 위해 순수 알루미늄 재료를 더 추가할 수도 있다.
상기와 같이 추가 재료를 공급하기 위한 재료 자동공급장치(410)가 보유로(400)에 추가로 연결되어 필요한 재료를 추가로 공급할 수 있다.
그리고, 상기 용탕 특성측정기(500)에 의해 측정된 결과에 따라 보유로(400)에 유입되는 용탕의 물리적 또는 화학적 특성을 변경함으로써 알루미늄괴의 사용목적에 따라 다양한 특성을 가지는 알루미늄괴를 제조할 수 있다.
상기 용탕 특성화단계(S500)를 거친 용탕은 주조단계(S600)를 거쳐서 특정 형태를 가지는 알루미늄괴로 형성된다. 상기 주조단계(S600)는 냉각단계(S700)를 수행하기 전에 용탕을 일정 형상을 가지는 괴로 만들기 위하여 용탕을 주조장치(600)에서 주조하는 공정이다.
상기와 같이 주조단계(S600)를 거친 용탕은 특정 온도 이하를 가지는 냉각장치(700)를 통하여 냉각하는 냉각단계(S700)를 거쳐 알루미늄괴로 제조된다. 냉각장치(700)는 내부에 구비되는 중앙제어부에 의해 최초 사용자가 입력한 알루미늄 괴의 기계적 특성값에 따라 냉각속도를 제어할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 냉각장치(700)의 중앙제어부는 수학식 3 내지 5에 의해, 최초 사용자가 입력한 알루미늄괴의 기계적 특성에 따라 냉각속도(V)를 산출함으로써 사용자의 요구에 부합하는 기계적 특성을 가지는 알루미늄 괴를 제조할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 원재료 용기 200 : 용해로
300 : 여과장치 400 : 보유로
500 : 용탕 특성측정기 600 : 주조장치

Claims (13)

  1. 알루미늄 폐자재를 이용하여 알루미늄괴를 제조하는 시스템에 있어서,
    알루미늄 폐자재와 같은 원재료가 담아지는 용기;
    상기 용기와 연결되고, 일정량만큼 원재료가 투입되어 용탕 상태로 용융되는 용해로;
    상기 용해로와 연결되고, 자력에 의해 알루미늄 용탕 내의 철분 성분 및 기타 이물질을 제거하는 여과장치;
    상기 여과장치와 연결되고, 용탕을 일시 보유하고 알루미늄괴에 요구되는 특성에 따라 용탕의 물리-화학적 특성을 변화시키는 보유로;
    상기 보유로와 연결되고, 용탕을 일정 형상을 가지는 괴로 성형하는 주조장치;및
    상기 주조장치에 의해 성형된 용탕의 냉각속도를 제어하여 알루미늄괴의 기계적 특성을 형성하는 냉각장치를 포함하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보유로에 유입되는 용탕의 물리적 특성 및 화학적 특성을 측정하는 용탕 특성측정기를 더 포함하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 여과장치는
    상기 용해로로부터 유입된 용탕에 자력을 가해 철성분을 용탕의 외곽쪽으로 유도하는 자력유도관과,
    상기 자력유도관과 연결되고, 용탕의 중심부와 외곽부를 분리하여 별도로 저장하도록 구성되는 여과조를 포함하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 여과조는
    상기 자력유도관과 연결되고, 상대적으로 철성분이 많은 용탕을 저장하는 상부측 여과조;
    상기 상부측 여과조와 별도로 분리되고, 상대적으로 철성분이 적은 용탕을 저장하는 하부측 여과조;및
    상기 하부측 여과조의 중심에서 상방으로 연장되어 상기 자력유도관의 말단 하방에 위치하는 유입관을 포함하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 자력유도관은
    이중관 구조로 형성되고, 외관과 내관 사이에 자력체가 구비되는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 용탕 특성측정기는
    상기 보유로에 유입되는 용탕의 물리적 특성 또는 화학적 특성을 측정하여 상기 보유로에 별도로 연결되는 재료 자동공급장치에 의해 실시간으로 필요한 재료를 추가하도록 구성되는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 용탕 특성측정기는
    상기 보유로 내의 용탕의 순도값(pk)을 측정하도록 구성되는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각장치는
    알루미늄괴의 특정 기계적 특성에 따라 2차 수지상 간격값을 조정하여 냉각속도를 제어하도록 구성되는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템.
  9. 알루미늄 폐자재를 이용하여 알루미늄괴를 제조하는 방법에 있어서,
    기가공된 폐자재 중 알루미늄계 모재료를 선별하는 재료선별단계;
    상기 선별된 모재료 중 알루미늄을 포함하지 않는 적어도 하나의 불필요 재료를 분리하는 재료분리단계;
    상기 불필요 재료가 분리된 모재료를 용해하여 용탕을 생성하는 용탕생성단계;
    상기 생성된 용탕의 불순물을 제거하는 불순물제거단계;
    상기 불순물이 제거된 용탕의 물리적 또는 화학적 특성을 변경시키는 용탕 특성화단계;
    상기 생성된 용탕을 알루미늄괴로 주조하는 주조단계; 및
    상기 주조된 알루미늄괴를 특정 기계적 성질을 가지도록 특정 냉각속도로 냉각시키는 냉각단계를 포함하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 불순물제거단계는
    상기 용탕생성단계에 의해 생성된 용탕에 자력을 가함으로써 철성분이 많은 용탕을 외곽으로 이동시키고, 철성분이 적은 용탕을 중심부로 이동시킨 후, 용탕의 중앙부분만 별도로 분리하여 이후 공정으로 전달하고 용탕의 외곽부분은 다시 상기 용탕생성단계로 전달하는 공정을 포함하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 냉각단계는
    알루미늄 괴의 기계적 특성에 따라 2차 수지상 간격값을 조정함으로써 냉각속도를 조절하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각단계는
    수학식 3 : SDAS = (b - y)/a (SDAS : 2차수지상 간격, V : 냉각속도, k, n : 지수)과,
    수학식 4 : V = (S/k)1/n(y : 기계적 성질값(ex, 인장강도, 연신율, 로크웰 경도 중 어느 하나), a, b : 계수값)
    에 의해 냉각속도를 산출하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 냉각단계는
    수학식 3 : SDAS = (b - y)/a (SDAS : 2차수지상 간격, V : 냉각속도, k, n : 지수)과,
    수학식 5 : V = (pk·S/k)1/n(y : 기계적 성질값(ex, 인장강도, 연신율, 로크웰 경도 중 어느 하나), a, b : 계수값, 용탕의 순도값(pk))
    에 의해 냉각속도를 산출하는
    자력선별방식의 알루미늄 폐자재를 이용한 알루미늄괴 제조시스템을 이용한 냉각속도 제어방식의 제조방법.
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