KR20230153134A - 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법 - Google Patents

폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐구리 스크랩과 제올라이트를 혼합하여 용해시킨 구리 용융물 내의 이산화탄소 및 불순물을 제올라이트가 흡착하여 불순물을 제거함으로써 고순도의 잉곳 제조가 가능한 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법에 관한 것으로, 폐기되는 전선용 구리를 비롯한 자동차용 부품, 가전제품 등의 부분품인 구리 제품을 회수하여 분쇄한 폐구리 스크랩을 원료로 하여 용융방식을 통해 고순도의 구리 잉곳을 제조함으로써, 환경오염을 예방하고 지구상에서 한정된 자원인 구리의 자원을 재활용하는 친환경적인 효과가 있다.

Description

폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법{Manufacturing method of copper ingot using waste copper scrap}
본 발명은 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐구리 스크랩과 제올라이트를 혼합하여 용해시킨 구리 용융물 내의 이산화탄소 및 불순물을 제올라이트가 흡착하여 불순물을 제거함으로써 고순도의 잉곳 제조가 가능한 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법에 관한 것이다.
구리는 높은 열전도도와 전기전도도의 물성을 갖는 소재로서 주용도가 전선용으로 사용되고, 그 외에도 전자제품 및 자동차의 부품, 배관 등에 널리 사용되는 자원으로 그 수요가 지속적으로 증가하는 추세인데 반해 지구상에서 한정된 자원인 구리의 생산량에는 한계가 있는 실정이다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 폐기되는 구리를 회수하여 재활용하는 방안은 일반화되어 있지만, 전선용으로 사용되는 구리와는 달리 전자제품 및 자동차의 부품 등의 용도로 사용되었던 구리는 다양한 종류의 금속이나 플라스틱 등과 같은 불순물이 혼재되어 있는 경우가 많아 재활용하기에는 무척이나 까다로운 문제점이 있다.
이와 같이, 폐구리 스크랩을 원료로 하여 전기로를 통한 용융방식을 통해 얻는 구리 잉곳은 불가피하게 불순물이 포함된 순도가 낮은 구리 잉곳으로 전기 자동차의 부품, TV, 오디오 등과 같은 가전제품용 전선 등과 같이 고순도의 구리를 사용하는 제품에는 적용하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 구리 잉곳의 제조시에는 폐구리 스크랩에 함유되어 있는 불순물에 의해 순도가 낮아지거나 또는 구리 스크랩에 부착된 먼지나 기타 불순물들에 의해 폐구리 스크랩의 용융시에 발생하는 이산화탄소나 기타 가스 등이 구리 용융물 외부로 방출되면서 제조하는 구리 잉곳에 균열을 일으켜 기계적 특성을 크게 손상시키는 문제점이 발생한다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법에 관한 기술들이 다양하게 개발되어 특허문헌 1의 구리 합금 잉곳, 구리 합금박, 및 구리 합금 잉곳의 제조 방법에 관한 것이고, 특허문헌 2의 고순도 구리 잉곳의 제조법 등이 특허출원되었지만, 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법에 관한 특허는 다양하게 출원되지 않고 있는 실정이다.
(특허 문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0141356호(2021.11.23. 공개) 구리 합금 잉곳, 구리 합금박, 및 구리 합금 잉곳의 제조 방법 (특허 문헌 2) 일본 등록특허공보 제3111792호(2000.09.22. 등록) 고순도 구리 잉곳의 제조법 (특허 문헌 3) 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0041915호(2016.04.18. 등개) 구리 합금, 구리 합금 박판 및 구리 합금의 제조 방법
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 폐구리 스크랩과 제올라이트를 혼합하여 용해시킨 구리 용융물 내의 이산화탄소 및 불순물을 제올라이트가 흡착하여 불순물을 제거함으로써 고순도의 잉곳 제조가 가능한 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은 구리 스크랩(CS)을 압축기를 이용하여 압축시키는 제 1 단계(P100); 압축한 구리 스크랩(CS)을 용해로에 투입하여 용융시키는 제 2 단계(P200); 용융 중인 구리 스크랩(CS)의 용융물에 제올라이트(Z)를 투입하여 확산 열처리하는 제 3 단계(P300); 확산 열처리한 구리 용융물을 안정화하는 제 4 단계(P400); 및 안정화한 구리 용융물을 주물에 부어 성형하는 제 5 단계(P500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법을 과제의 해결 수단으로 한다.
상기 제 2 단계(P200)에서, 압축한 구리 스크랩(CS)은 1,100~1,200℃의 온도로 2~3시간 동안 용융시키는 것을 특징으로 하며, 상기 제 3 단계(P300)에서, 확산 열처리는 구리 용융물의 온도를 800~850℃의 온도로 낮춘 상태에서 제올라이트(Z)의 투입한 다음 30~60분간 확산 열처리하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제올라이트(Z)의 투입량은 구리 스크랩(CS) 100 중량부에 대하여 0.3~1.0 중량부를 투입하고, 상기 제올라이트(Z)는 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)로서, 금속수산화물이 제올라이트 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부 담지되며, 상기 금속수산화물은, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 또는 수산화바륨 중에서 1종 또는 그 이상의 금속 수산화물이 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 폐기되는 전선용 구리를 비롯한 자동차용 부품, 가전제품 등의 부분품인 구리 제품을 회수하여 분쇄한 폐구리 스크랩을 원료로 하여 용융방식을 통해 고순도의 구리 잉곳을 제조함으로써, 환경오염을 예방하고 지구상에서 한정된 자원인 구리의 자원을 재활용하는 친환경적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 제조된 구리 용융물을 구리 잉곳으로 성형하기 하기 위하여 주형에 붓는 상태를 찍은 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 제조된 구리 잉곳을 찍은 사진이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예 1, 2에 따라 제조된 구리 잉곳을 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 실시 예 1, 2와 대비되는 비교예 1에 따라 제조된 구리 잉곳을 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하고 있다. 한편, 각 도면 및 상세한 설명에서 일반적인 금속 잉곳 제조 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 구리 스크랩(CS)을 압축기를 이용하여 압축시키는 제 1 단계(P100); 압축한 구리 스크랩(CS)을 용해로에 투입하여 용융시키는 제 2 단계(P200); 용융 중인 구리 스크랩(CS)의 용융물에 제올라이트(Z)를 투입하여 확산 열처리하는 제 3 단계(P300); 확산 열처리한 구리 용융물을 안정화하는 제 4 단계(P400); 및 안정화한 구리 용융물을 주물에 부어 성형하는 제 5 단계(P500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법을 각 공정 별로 상세히 설명하면 아래의 내용과 같다.
제 1 단계(P100)는 구리 스크랩(CS)을 압축기를 이용하여 압축시키는 단계로서, 이때 용해로 내에 투입하기 위한 구리 스크랩(CS)은 장입밀도를 높이기 위하여 압축기를 통하여 압축한 후 용해로에 투입시키기 위한 전단계이다.
제 2 단계(P200)는 압축한 구리 스크랩(CS)을 용해로에 투입하여 용융시키는 단계로서, 구리 금속의 용융점이 1,083℃인 점을 고려하여 압축한 구리 스크랩(CS)은 구리 스크랩(CS)의 양 또는 상태 등을 고려하여 1,100~1,200℃의 온도로 2~3시간 동안 용융시키는 것이 바람직하다. 구리 스크랩(CS)을 용융하기 위한 온도 및 시간이 상기에서 한정한 조건 미만이 될 경우에는 구리 스크랩(CS)이 충분하게 용융되지 않을 우려가 있고, 상기에서 한정한 조건을 초과할 경우에는 에너지의 과다 사용에 의해 비경제적인 공정이 될 우려가 있다.
제 3 단계(P300)는 용융 중인 구리 스크랩(CS)의 용융물에 제올라이트(Z)를 투입하여 확산 열처리하는 단계로서, 구리 용융물의 온도를 800~850℃의 온도로 낮춘 상태에서 제올라이트(Z)의 투입한 다음 30~60분간 정치하는 것이 바람직하다.
본 단계에서 용해로에 투입된 구리 스크랩(CS)이 액상 상태로 변할 때 구리 용융물 내에 함유된 분순물 및 이산화탄소를 비롯한 기타 발생 가스를 제거하기 위해 투입한 제올라이트(Z)를 투입하여 구리 용융물 내에서 확산시킨다.
무기계 흡착제인 제올라이트(Z)는 다공성 구조로 이루어진 제올라이트 흡착제는 수분뿐만 아니라 미세기공을 통해 내부에 존재하는 불순물 제거도 가능하기 때문에 정제 공정에 효과적이며, 이때 사용되는 제올라이트(Z)는 세공 직경에 따라 4A, 5A, 10X로 분류되어 사용되어 질 수 있으며, 입자의 크기는 30~50um로서, 기존의 제조되는 구리 잉곳은 99.2~99.4중량%의 저순도 구리 잉곳인데 반해, 본 발명에 따라 제올라이트(Z)를 투여하여 확산 열처리하여 제조한 구리 잉곳은 순도를 99.7중량%까지 향상시킬 수 있는 고순도의 구리 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있다.
확산 열처리 조건은 상기에서 한정한 조건 미만이 될 경우에는 구리 용융물에 투입한 제올라이트(Z)가 충분하게 확산하지 않을 우려가 있고, 상기에서 한정한 조건을 초과할 경우에는 제올라이트(Z)의 확산 효과가 제열처리의 초과 조건에 비례하여 증가하지 않으므로 에너지의 과다 사용에 의해 비효율적인 공정이 될 우려가 있다.
상기 제올라이트(Z)의 투입량은 구리 용융물의 상태 등을 고려하여 구리 스크랩(CS) 100 중량부에 대하여 0.3~1.0 중량부를 투입하는 것이 바람직하다. 제올라이트(Z)의 투입량이 상기에서 한정한 조건 미만이 될 경우에는 구리 용융물 내의 불순물이 충분하게 제거되지 않을 우려가 있고, 상기에서 한정한 조건을 초과할 경우에는 제올라이트(Z)의 투입량에 비례하여 구리 용융물 내의 불순물이 제거량이 증대되지 아니하여 비경제적인 공정이 될 우려가 있다.
그리고 상기 제올라이트(Z)는 구체적으로 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)로서, 금속수산화물이 제올라이트 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부 담지되며, 상기 금속수산화물은, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 또는 수산화바륨 중에서 1종 또는 그 이상의 금속 수산화물이 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)는 수산화칼슘, 수산화마그네슘 또는 수산화바륨과 같은 금속수산화물이 담지된 제올라이트(Z)로서,후속 단계인 제 4 단계(P400)에서 구리 용융물의 상부로 떠오른 액상화된 제올라이트(Z)로부터 칼슘, 마그네슘 또는 바륨과 같은 금속 성분은 분리되어 구리 용융물 내에 미량으로 잔존하게 된다.
구리 용융물 내에 잔존하는 칼슘, 마그네슘 또는 바륨과 같은 미량의 금속 금속 성분은 특허문헌 3에 알려진 바와 같이 구리의 강도 향상 및 내타발 금형 마모성의 향상을 도모할 수 있는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
제올라이트(Z)에 담지되는 금속수산화물의 양은 상기에서 한정한 조건 미만이 될 경우에는 구리 용융물 내에 금속이 잔존하는 효과가 감소할 우려가 있고, 상기에서 한정한 조건을 초과할 경우에는 구리 용융물 내에 과량의 금속이 잔존하여 구리의 순도를 저하시킬 우려가 있다.
제 4 단계(P400)는 확산 열처리한 구리 용융물을 안정화하는 단계로서, 제 3 단계(P300)에서 확산 열처리한 구리 용융물이 안정화되도록 1~2시간 동안 정치하며, 액상화된 구리 용융물의 상부에 고온에 의해 액상화된 제올라이트(Z)가 부유물로 떠오르게 되고, 구리 용융물의 상부로 떠오른 액상화된 제올라이트(Z)는 따로 제거한다.
그리고 제 5 단계(P500)는 액상화되어 안정된 구리 용융물을 주물에 성형하여 고순도의 구리 잉곳을 제조한다.
참고로, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 제조된 구리 용융물을 구리 잉곳으로 성형하기 하기 위하여 주형에 붓는 상태를 찍은 사진이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 제조된 구리 잉곳을 찍은 사진이다.
본 발명은 상기에서 설명한 바와 같은 공정에 의해 폐구리 스크랩(CS)의 용용융물에 제올라이트(Z)를 투입하여 용해시킨 구리 용융물 내의 불순물 및 이산화탄소와 기타 발생 가스를 제올라이트(Z)가 흡착하여 제거함으로써 고순도의 잉곳 제조가 가능한 것이 특징이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법을 아래의 실시 예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 아래의 실시 예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.
1. 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조
(실시 예 1)
압축기를 이용하여 압축시킨 구리 스크랩(CS)을 용해로에 투입하고 1,100℃의 온도로 3시간 동안 용융시키고, 용융 중인 구리 스크랩(CS)의 용융물의 온도를 850℃의 온도로 낮춘 상태에서 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)를 구리 스크랩(CS) 100 중량부에 대하여 1.0 중량부를 투입한 다음 30분간 확산 열처리한 다음 확산 열처리한 구리 용융물을 구리 용융물을 1시간 동안 정치하여 안정화한 다음 액상화한 구리 용융물을 주물에 부어 성형하여 구리 잉곳을 제조하였다.
그리고 상기 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)는 수산화칼슘 담지 제올라이트로서, 제올라이트 100 중량부에 대하여 10 중량부 담지한 것을 사용하였다.
(실시 예 2)
압축기를 이용하여 압축시킨 구리 스크랩(CS)을 용해로에 투입하고 1,200℃의 온도로 2시간 동안 용융시키고, 용융 중인 구리 스크랩(CS)의 용융물의 온도를 800℃의 온도로 낮춘 상태에서 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)를 구리 스크랩(CS) 100 중량부에 대하여 0.3 중량부를 투입한 다음 60분간 확산 열처리한 다음 확산 열처리한 구리 용융물을 2시간 동안 정치하여 안정화한 다음 액상화한 구리 용융물을 주물에 부어 성형하여 구리 잉곳을 제조하였다.
그리고 상기 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)는 수산화마그네슘 담지 제올라이트와 수산화바륨 담지 제올라이트를 각각 제올라이트 100 중량부에 대하여 15 중량부씩 담지한 것을 사용하였다.
(비교 예 1)
압축기를 이용하여 압축시킨 구리 스크랩(CS)을 용해로에 투입하고 1,100℃의 온도로 3시간 동안 용융시키고, 용융 중인 구리 스크랩(CS)의 용융물의 온도를 850℃의 온도로 낮춘 상태에서 구리 용융물을 구리 용융물을 1시간 동안 정치하여 안정화한 다음 액상화한 구리 용융물을 주물에 부어 성형하여 구리 잉곳을 제조하였다.
상기 실시 예 1, 2 및 비교 예 1에서 사용한 구리 스크랩(CS)에 함유된 금속 성분의 평균 함유량은 아래 [표 1]의 내용과 같다.
성분 Cu(중량%) Ca(mg/kg) Mg(mg/kg) Ba(mg/kg)
함유량 94.2 125 224 218
2. 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 평가
상기 실시 예 1, 2 및 비교 예 1의 방법에 의해 제조한 구리 잉곳의 구성 성분을 분석한 결과 아래 [표 2]에 기재된 내용과 같이, 고순도의 구리 잉곳이 제조되었으며, 칼슘, 마그네슘 및 바륨의 함량이 미량 증가된 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 실시 예 1의 경우에는 수산화칼슘 담지 제올라이트를 사용함에 따라 실시 예 2 및 비교 예 1에 비해 칼슘의 함유량이 높았으며, 실시 예 2의 경우 수산화마그네슘 담지 제올라이트와 수산화바륨 담지 제올라이트를 사용함에 따라 실시 예 1 및 비교 예 1에 비해 마그네슘 및 바륨의 함량이 다소 높은 것을 확인할 수 있었다.
성분 Cu(중량%) Ca(mg/kg) Mg(mg/kg) Ba(mg/kg)
함유량 실시 예 1 99.7 312 216 207
실시 예 2 99.6 118 353 395
비교 예 1 97.4 113 207 201
그리고 실시 예 1, 2 및 비교 예 1의 방법에 의해 제조한 구리 잉곳의 외관을 주사전자현미경(SEM)(×1,000배) 사진을 찍어 확인한 결과, 실시 예 1, 2의 구리 잉곳은 비교예 1의 구리 잉곳에 비해 외관 상태가 양호한데 반해, 비교 예 1의 구리 잉곳은 제조 과정에서 발생하는 가스에 의해 구리 잉곳의 표면이 심하게 거칠어 진 것을 확인할 수 있었다.
참고로, 도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예 1, 2에 따라 제조된 구리 잉곳을 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 6은 실시 예 1, 2와 대비되는 비교예 1에 따라 제조된 구리 잉곳을 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 구리 잉곳의 제조방법에 따라 제조한 구리 잉곳은 폐구리 스크랩을 원료로 하여 용융방식을 통해 고순도의 구리 잉곳을 제조함으로써, 환경오염을 예방하고 지구상에서 한정된 자원인 구리의 자원을 재활용하는 친환경적인 효과가 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법을 설명하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
CS : 구리 스크랩
Z : 제올라이트

Claims (6)

  1. 구리 스크랩(CS)을 압축기를 이용하여 압축시키는 제 1 단계(P100);
    압축한 구리 스크랩(CS)을 용해로에 투입하여 용융시키는 제 2 단계(P200);
    용융 중인 구리 스크랩(CS)의 용융물에 제올라이트(Z)를 투입하여 확산 열처리하는 제 3 단계(P300);
    확산 열처리한 구리 용융물을 안정화하는 제 4 단계(P400); 및
    안정화한 구리 용융물을 주물에 부어 성형하는 제 5 단계(P500);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제 2 단계(P200)에서,
    압축한 구리 스크랩(CS)은 1,100~1,200℃의 온도로 2~3시간 동안 용융시키는 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 3 단계(P300)에서,
    확산 열처리는 구리 용융물의 온도를 800~850℃의 온도로 낮춘 상태에서 제올라이트(Z)의 투입한 다음 30~60분간 확산 열처리하는 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제올라이트(Z)의 투입량은 구리 스크랩(CS) 100 중량부에 대하여 0.3~1.0 중량부를 투입하는 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제올라이트(Z)는 금속수산화물 담지 제올라이트(Z)로서, 금속수산화물이 제올라이트 100 중량부에 대하여 10 내지 30 중량부 담지되는 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속수산화물은,
    수산화칼슘, 수산화마그네슘 또는 수산화바륨 중에서 1종 또는 그 이상의 금속 수산화물이 선택하는 것을 특징으로 하는 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법.
KR1020220052975A 2022-04-28 2022-04-28 폐구리 스크랩을 이용한 구리 잉곳의 제조방법 KR20230153134A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160041915A (ko) 2013-08-09 2016-04-18 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 구리 합금, 구리 합금 박판 및 구리 합금의 제조 방법
KR20210141356A (ko) 2020-05-14 2021-11-23 제이엑스금속주식회사 구리 합금 잉곳, 구리 합금박, 및 구리 합금 잉곳의 제조 방법

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