WO2022119063A1 - 고속도강 가공 공정 폐기물로부터 고속도강 모합금을 제조하는 재활용 방법 - Google Patents

고속도강 가공 공정 폐기물로부터 고속도강 모합금을 제조하는 재활용 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for recycling high-speed steel processing process waste, and more particularly, to a method for manufacturing a high-speed steel master alloy by recycling high-speed steel processing process waste.
  • High Speed Steel refers to special steel with heat resistance used in tools that cut metal materials at high speeds.
  • HSS is used as a material for tools and molds, and is a special steel material used throughout the industry as a component material for automobiles, ships, steel, machinery, and aviation.
  • HSS process waste is waste generated from the cutting process of HSS material, dimension matching, and surface polishing process. Cutting oil and abrasive are mixed, and turning scrap and Process sludge from the polishing process is included.
  • HSS process waste is known to generate more than 100 tons/month and 1,200 tons/year, and when considering items other than tools, the amount is tens or hundreds of times. Most of the turning and abrasive powders generated in the HSS processing process are buried or mixed with scrap metal and become impurities in the smelter.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a recycling method of HSS processing process waste that can be used as a resource by putting the HSS process waste into a process for making HSS.
  • An object of the present invention is a pretreatment step of pretreatment of HSS processing process waste, at least one of ferromolybdenum, ferrotungsten, and ferrocobalt and the pretreated HSS processing process waste at 1500 to 2500 degrees Celsius (°C) by first melting 1
  • the pre-treatment step separates the HSS processing process waste according to the composition and mixing an oxide containing at least one of K 2 O, CaO, MgO, SiO 2 , Al 2 O 3 , and Fe 2 O 3 and the separated HSS processing process waste to form a mixture, and the melting point of the mixture can be achieved by a recycling method of HSS processing process waste including a mixing step of 800 to 1700 °C.
  • FIG. 1 is a flowchart schematically illustrating a recycling method of HSS processing process waste according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart schematically illustrating a pre-treatment step included in a method for recycling HSS processing process waste according to an embodiment of the present invention.
  • Example 3 is a table showing the composition of the HSS master alloy prepared in Example.
  • first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.
  • the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.
  • variable when a range is described for a variable, the variable will be understood to include all values within the stated range including the stated endpoints of the range.
  • a range of “5 to 10” includes the values of 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as well as any subranges such as 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, etc. It will be understood to include any value between integers that are appropriate for the scope of the recited range, such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5 and 6.5 to 9, and the like.
  • ranges of “10% to 30%” include values of 10%, 11%, 12%, 13%, etc.
  • HSS high speed steel
  • 1 is a flowchart schematically illustrating a recycling method of HSS processing process waste according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a flowchart schematically illustrating a pre-treatment step included in a method for recycling HSS processing process waste according to an embodiment of the present invention.
  • the recycling method of HSS processing process waste includes a pretreatment step (S100) of pretreating HSS processing process waste, ferromolybdenum, ferrotungsten, and at least one of ferrocobalt And the first melting step (S200) of forming a first melt by first melting the pretreated HSS processing process waste at 1500 to 2500 degrees Celsius (°C), and ingot casting the first melt to form an HSS master alloy It includes a manufacturing step (S300) of manufacturing.
  • the HSS processing process waste is pretreated (S100).
  • the HSS processing process waste may include at least one of HSS process sludge, HSS turning scrap, and HSS scrap.
  • HSS process sludge or “HSS grinding powder” may mean a grinding powder generated in a grinding process (a sizing process) of the HSS processing process.
  • HSS process sludge may mean HSS sludge.
  • HSS turning scrap may mean scraps such as chips, chips, and metal strips generated in various cutting processes (milling, drilling, turning, etc.) during the HSS machining process.
  • HSS scrap may mean HSS tools, molds, parts, and scraps generated during the HSS machining process that are discarded after being used in the process.
  • compositions of HSS process sludge, HSS turning scrap, and HSS scrap may be, for example, as shown in Table 1 below.
  • HSS process sludge (Unit: mass%) HSS Turning Scrap (Unit: mass%) HSS scrap (Unit: mass%) C 8.7840 10.219 5.1019 O 18.7820 3.5754 1.3571 Na 1.5824 - - Mg 0.1669 0.0597 0.0539 Al 7.8546 0.1633 0.2571 Si 1.4977 0.2603 0.2888 P 0.0095 0.0212 0.0194 Cl - 0.0312 0.0216 K 0.0902 - - Ca 0.1506 - - V 0.6352 1.6727 1.6504 Cr 1.4401 3.7970 4.2840 Mn 0.2896 0.3344 0.3249 Fe 54.0450 66.2185 75.7551 Co 0.4015 3.7732 0.3014 Ni 0.0891 0.1275 0.1524 Cu 0.0564 0.0567 - Mo 1.6927 4.1898 4.6808 W 2.4324 5.5062 5.7513
  • the HSS processing process waste is, for example, 2 to 10% by weight of W, 1 to 5% by weight of Cr, 0.5 to 2% by weight of V, 1 to 10% by weight of Mo, and 1 to 10% by weight of Co.
  • the pretreatment step (S100) may include a separation step (S110) and a mixing step (S120).
  • HSS processing process waste is separated according to the composition (S110).
  • HSS processing process waste may be separated according to the content of tungsten, molybdenum, cobalt, and the like.
  • the oxide may be mixed to separate the oxide contained in the HSS processing process waste into slag.
  • the melting point of the mixture may be 800 to 1700 °C.
  • the melting point of an oxide containing at least one of K 2 O, CaO, MgO, SiO 2 , Al 2 O 3 , and Fe 2 O 3 and a mixture of the oxide contained in the HSS processing process waste is 800 to 1700 ° C.
  • the mixture may include K 2 O, Al 2 O 3 , and SiO 2 .
  • the molar ratio of K 2 O:Al 2 O 3 :SiO 2 included in the mixture may be 1:1:2 to 1:1:6. Outside the above range, it may be difficult to manufacture a product usable as an HSS master alloy.
  • the mixing step ( S120 ) may be performed after, for example, at least one of dry specific gravity screening and wet specific gravity screening is performed to lower the content of oxides included in the HSS processing process waste.
  • the pretreatment step (S100) may further include a specific gravity selection step.
  • the specific gravity screening step the HSS processing process waste is gravity-selected, and materials lighter than Fe are graded from the HSS processing process waste.
  • the specific gravity screening step may include a dry specific gravity screening step and a wet specific gravity screening step.
  • the moisture of the HSS processing process waste may be dried at 80 to 100° C., and the dried HSS processing process waste oil may be washed with at least one of alkali and alcohol and dried. For example, outside the above temperature range, moisture from the HSS processing process waste is not sufficiently removed, or there is no economic benefit due to excessive energy consumption during drying.
  • the dried HSS processing process waste may be separated according to specific gravity through an air separator, and may be repeated several times or performed through multiple air separators as needed.
  • the dry specific gravity screening step may be performed, for example, by sieving in order to increase screening efficiency and screening according to particle size.
  • the dried HSS processing process waste is mixed with water after oil washing, and the specific gravity can be separated on a rocking table.
  • HSS processing process waste can be sorted by repeating several times or installing a rocking table in multiple stages as needed. After screening, the moisture content can be dried to 10% or less based on the total weight.
  • sieving to increase screening efficiency may be performed to select each particle size.
  • At least one of ferro molybdenum, ferro tungsten, and ferro cobalt and the pretreated HSS processing process waste are first melted at 1500 to 2500° C. to form a primary melt (S200). If it is less than the above range, melting may not be sufficient, and if it exceeds the above range, it is difficult to manufacture a product usable as an HSS master alloy due to excessive melting, and there is no economic benefit such as the need to manufacture a special crucible that can withstand high temperatures.
  • the first melting step (S200) may be performed, for example, in a melting furnace for 1 to 8 hours. If it is less than the above range, melting may not be sufficient, and if it is above the above range, it may be difficult to manufacture a product usable as the HSS master alloy due to excessive melting.
  • melting may be performed in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere.
  • the first melting step (S200) in order to obtain a desired composition of the HSS master alloy, at least one of ferromolybdenum, ferrotungsten, and ferrocobalt may be added.
  • high-pressure oxygen may be blown into the melt in order to degas and lower the carbon content.
  • At least one of an oxide, a deoxidizer, and a flux added when forming the slag composition or mixture may be further added.
  • At least one of HSS turning scrap, HSS scrap, and HSS process sludge may be further added.
  • the weight of the ferromolybdenum when ferromolybdenum is added, the weight of the ferromolybdenum may be 0.1 to 10% based on the weight of the pretreated HSS processing process waste. In the first melting step (S200), when ferro tungsten is added, the weight of ferro tungsten may be 0.1 to 10% based on the weight of the pretreated HSS processing process waste. In the first melting step (S200), when ferrocobalt is added, the weight of ferrocobalt may be 0.1 to 10% based on the weight of the pretreated HSS processing process waste.
  • ferro tungsten having 1 to 2% weight, ferro molybdenum having 4 to 5% weight, and ferro having 0.5 to 1% weight Cobalt may be added.
  • a recyclable HSS master alloy can be prepared by adding ferro tungsten, ferro molybdenum, and ferro cobalt in the above ranges.
  • the HSS processing process waste when the HSS processing process waste includes HSS process sludge, HSS turning scrap, and HSS scrap, in the mixing step (S120), Oxide and HSS process sludge can be mixed.
  • the oxide may include at least one of K 2 O, CaO, MgO, SiO 2 , Al 2 O 3 , and Fe 2 O 3 .
  • the HSS turning scrap and the HSS scrap may not be mixed.
  • a part of the HSS scrap, a part of the mixture, a part of the HSS turning scrap, the residual amount of the mixture, the residual amount of the HSS turning scrap, and the residual amount of the HSS scrap are sequentially transferred to the melting furnace can be loaded
  • the melting furnace is melted in a temperature range of 1500 to 1700 °C, and after a certain period of time has elapsed, ferromolybdenum, ferrotungsten, and ferrocobalt are added to maintain the temperature range for a certain period of time.
  • An HSS master alloy is manufactured by casting the primary melt in an ingot (S300). For example, a primary melt is press-molded and an ingot is cast.
  • the HSS master alloy prepared in the manufacturing step (S300) includes (1) 5 to 10% by weight of W, 3 to 6% by weight of Cr, 1 to 6% by weight of V, and 6 to 11% by weight of Mo; (2) 5-10 wt% W, 3-6 wt% Cr, 1-6 wt% V, 6-11 wt% Mo, and 4-12 wt% Co; (3) 5 to 12 weight percent Mo, 3 to 6 weight percent Cr, 1 to 6 weight percent V, and 6 to 11 weight percent W; and (4) 5 to 12 wt% Mo, 3 to 6 wt% Cr, 1 to 6 wt% V, 6 to 11 wt% W, and 4 to 12 wt% Co.
  • other compositions may include at least one of Fe, C, O, Al, Si, P, Cl, Mn, and Ni.
  • the recycling method of HSS processing process waste according to an embodiment of the present invention has a composition within the above range, and can manufacture a product usable as an HSS master alloy.
  • the method of recycling HSS processing process waste may further include an initial impurity removal step of making the HSS processing process waste into a powder form and removing initial impurities based on the particle size through sieving.
  • the recycling method of HSS processing process waste may further include a purification step of moving the primary melt to a warming furnace to purify degassing and impurities.
  • the purification step may be performed, for example, through at least one of thermal decomposition and electrolysis.
  • the recycling method of the HSS processing process waste according to an embodiment of the present invention is a second melting of at least one of ferro molybdenum, ferro tungsten, ferro cobalt, ferro chromium, and ferro vanadium and ingot casting at 1000 to 1300 ° C. It may further include a secondary melting step of forming a secondary melt. If it is less than the above range, melting may not be sufficient, and if it is above the above range, there is no economic benefit due to excessive energy consumption.
  • the secondary melting step may be performed in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere.
  • the secondary melting step may be performed, for example, in a melting furnace for 1 to 8 hours. If it is less than the above range, melting may not be sufficient, and if it is above the above range, there is no economic benefit due to excessive energy consumption.
  • At least one of ferro molybdenum, ferro tungsten, ferro cobalt, ferro chromium, and ferro vanadium may be added to obtain a desired composition of the HSS master alloy.
  • high-pressure oxygen may be blown into the melt in order to degas and lower the carbon content.
  • At least one of an oxide added when forming the slag composition or mixture, a deoxidizer, and a flux may be further added.
  • At least one of HSS turning scrap, HSS scrap, and HSS process sludge may be further added.
  • the recycling method of HSS processing process waste according to an embodiment of the present invention may further include a purification step of moving the secondary melt to a warming furnace to purify degassing and impurities.
  • the purification step may be performed, for example, through at least one of thermal decomposition and electrolysis.
  • HSS processing process waste 1 kg of HSS scrap, 1 kg of HSS turning scrap, and 2 kg of HSS process sludge were prepared.
  • Each composition of HSS scrap, HSS turning scrap, and HSS process sludge may be the same as that described in Table 1 above.
  • a graphite crucible As a melting furnace, a graphite crucible (1.5L), which is a high-frequency melting furnace in an atmospheric atmosphere, was used.
  • the graphite crucible was charged with HSS scrap (0.5 kg), mixture (1.322 kg), HSS turning scrap (0.5 kg), mixture (1.322 kg), HSS turning scrap (0.5 kg), and HSS scrap (0.5 kg) in this order.
  • HSS scrap 0.5 kg
  • mixture 1.322 kg
  • HSS turning scrap 0.5 kg
  • HSS turning scrap 0.5 kg
  • HSS turning scrap 0.5 kg
  • HSS scrap HSS scrap
  • the composition ratio of the prepared HSS master alloy product is shown in FIG. 3 .
  • FIG. 3 it was confirmed that 2.85 kg of a product having properties that can be used as an HSS master alloy was obtained using 4 kg of HSS processing process waste.

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Abstract

HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법은 HSS 가공 공정 폐기물을 전처리하는 전처리 단계, 페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 및 페로 코발트 중 적어도 하나 및 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물을 1500 내지 2500 섭씨 온도(℃)에서 1차 용융하여 1차 용융물을 형성하는 1차 용융 단계, 및 상기 1차 용융물을 잉곳(ingot) 주조하여 HSS 모합금을 제조하는 제조 단계를 포함하고, 상기 전처리 단계는 상기 HSS 가공 공정 폐기물을 조성에 따라 분리하는 분리 단계 및 K2O, CaO, MgO, SiO2, Al2O3, 및 Fe2O3 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 및 상기 분리한 HSS 가공 공정 폐기물을 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물의 융점은 800 내지 1700 ℃인 혼합 단계를 포함한다.

Description

고속도강 가공 공정 폐기물로부터 고속도강 모합금을 제조하는 재활용 방법
본 발명은 고속도강 가공 공정 폐기물의 재활용 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 고속도강 가공 공정 폐기물을 재활용하여 고속도강 모합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.
고속도강(High Speed Steel: HSS)은 금속 재료를 고속도로 절삭하는 공구에 사용되는 내열성을 지닌 특수강을 말한다. HSS는 공구, 금형 재료로 쓰이며, 자동차, 선박, 철강, 기계, 항공 등의 부품 재료로 산업 전반에 쓰이는 특수강 소재이다.
HSS를 생산할 때, 폐기물이 발생하게 되는데, HSS 공정 폐기물은 HSS 소재의 절삭 공정과 치수 맞춤 및 표면 연마 공정에서 발생하는 폐기물로 절삭유와 연마재가 혼합되어 있고, 절삭 공정의 터닝 스크랩(Turning scrap)과 연마 공정의 공정 오니가 포함된다.
HSS 공정 폐기물은 100톤/월, 1,200톤/년 이상 발생하는 것으로 알려져 있으며, 공구 외의 다른 품목을 감안하면, 그 양은 수십, 수백 배에 이른다. HSS 가공 공정에서 발생하는 터닝, 연마 분말 등은 대부분 매립되거나, 고철에 섞여 제련소의 불순물이 되고 있고, HSS 공정 폐기물 중 연마 공정의 공정 오니는 일반 또는 지정 폐기물로 매립되고 있다.
따라서, 이러한 HSS 공정 폐기물을 재활용할 수 있는 방법들이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 HSS 공정 폐기물을 HSS를 만드는 공정에 투입하여 폐기물을 자원화할 수 있는 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 HSS 가공 공정 폐기물을 전처리하는 전처리 단계, 페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 및 페로 코발트 중 적어도 하나 및 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물을 1500 내지 2500 섭씨 온도(℃)에서 1차 용융하여 1차 용융물을 형성하는 1차 용융 단계, 및 상기 1차 용융물을 잉곳(ingot) 주조하여 HSS 모합금을 제조하는 제조 단계를 포함하고, 상기 전처리 단계는 상기 HSS 가공 공정 폐기물을 조성에 따라 분리하는 분리 단계 및 K2O, CaO, MgO, SiO2, Al2O3, 및 Fe2O3 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 및 상기 분리한 HSS 가공 공정 폐기물을 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물의 융점은 800 내지 1700 ℃인 혼합 단계를 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법에 의해 달성 될 수 있다.
본 발명에 따르면, HSS 공정 폐기물을 HSS를 만드는 공정에 투입하여 폐기물을 자원화할 수 있는 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, HSS 공정 폐기물을 HSS 모합금으로 재활용하고, 재활용된 HSS 모합금의 조성을 일정하게 제어하여, 별도의 불순물 제어가 필요하지 않은 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법에 포함되는 전처리 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 실시예에 의해 제조된 HSS 모합금의 조성을 나타낸 표이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 재료의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치 범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10 % 내지 30 %"의 범위는 10 %, 11 %, 12 %, 13 % 등의 값들과 30 %까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10 % 내지 15 %, 12 % 내지 18 %, 20 % 내지 30 % 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5 %, 15.5 %, 25.5 % 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속도강(High Speed Steel: HSS) 가공 공정 폐기물의 재활용 방법에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법에 포함되는 전처리 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법은 HSS 가공 공정 폐기물을 전처리하는 전처리 단계(S100), 페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 및 페로 코발트 중 적어도 하나 및 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물을 1500 내지 2500 섭씨 온도(℃)에서 1차 용융하여 1차 용융물을 형성하는 1차 용융 단계(S200), 및 1차 용융물을 잉곳(ingot) 주조하여 HSS 모합금을 제조하는 제조 단계(S300)를 포함한다.
HSS 가공 공정 폐기물을 전처리한다(S100). 전처리 단계(S100)에서, HSS 가공 공정 폐기물은 HSS 공정 오니, HSS 터닝 스크랩, 및 HSS 스크랩 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, "HSS 공정 오니," 또는 "HSS 연마분"은 HSS 가공 공정 중 연마 공정 (치수 맞춤 공정)에서 발생하는 연마분을 의미하는 것일 수 있다. "HSS 공정 오니"는 HSS 슬러지를 의미하는 것일 수 있다.
본 명세서에서, "HSS 터닝 스크랩"은 HSS 가공 공정 중 각종 절삭 가공 공정 (밀링, 드릴링, 터닝 등)에서 발생하는 칩, 부스러기, 금속 띠 등의 스크랩을 의미하는 것일 수 있다.
본 명세서에서, "HSS 스크랩"은 공정에 사용하고 난 후 폐기되는 HSS 공구, 금형, 부품 및 HSS 가공 공정 중 발생하는 자투리를 의미하는 것일 수 있다.
HSS 공정 오니, HSS 터닝 스크랩, 및 HSS 스크랩의 조성은 예를 들어 하기 표 1에 표시된 바와 같을 수 있다.
HSS 공정 오니
(단위: mass%)		 HSS 터닝 스크랩
(단위: mass%)		 HSS 스크랩
(단위: mass%)
C 8.7840 10.219 5.1019
O 18.7820 3.5754 1.3571
Na 1.5824 - -
Mg 0.1669 0.0597 0.0539
Al 7.8546 0.1633 0.2571
Si 1.4977 0.2603 0.2888
P 0.0095 0.0212 0.0194
Cl - 0.0312 0.0216
K 0.0902 - -
Ca 0.1506 - -
V 0.6352 1.6727 1.6504
Cr 1.4401 3.7970 4.2840
Mn 0.2896 0.3344 0.3249
Fe 54.0450 66.2185 75.7551
Co 0.4015 3.7732 0.3014
Ni 0.0891 0.1275 0.1524
Cu 0.0564 0.0567 -
Mo 1.6927 4.1898 4.6808
W 2.4324 5.5062 5.7513
전처리 단계(S100)에서, HSS 가공 공정 폐기물은 예를 들어, 2 내지 10 중량%의 W, 1 내지 5 중량%의 Cr, 0.5 내지 2 중량%의 V, 1 내지 10 중량%의 Mo, 및 1 내지 10 중량%의 Co을 포함할 수 있다.전처리 단계(S100)는 분리 단계(S110) 및 혼합 단계(S120)를 포함할 수 있다.
HSS 가공 공정 폐기물을 조성에 따라 분리한다(S110). 예를 들어, HSS 가공 공정 폐기물을 텅스텐, 몰리브덴, 코발트 등의 함량에 따라 분리할 수 있다.
K2O, CaO, MgO, SiO2, Al2O3, 및 Fe2O3 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 및 분리한 HSS 가공 공정 폐기물을 혼합하여 혼합물을 형성한다(S120). 혼합 단계(S120)에서, 산화물을 혼합하여, HSS 가공 공정 폐기물에 포함된 산화물을 슬래그로 분리할 수 있다.
혼합물의 융점은 800 내지 1700 ℃일 수 있다. 예를 들어, K2O, CaO, MgO, SiO2, Al2O3, 및 Fe2O3 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 및 HSS 가공 공정 폐기물에 포함된 산화물의 혼합물의 융점은 800 내지 1700 ℃일 수 있다.
혼합 단계(S120)에서, 혼합물은 K2O, Al2O3, 및 SiO2을 포함할 수 있다. 혼합 단계(S120)에서, 혼합물에 포함되는 K2O:Al2O3:SiO2의 몰 수비는 1:1:2 내지 1:1:6일 수 있다. 상기 범위를 벗어나면, HSS 모합금으로 사용 가능한 제품을 제조하기 어려울 수 있다.
혼합 단계(S120)는 예를 들어, 건식 비중 선별 및 습식 비중 선별 중 적어도 하나를 수행하여 HSS 가공 공정 폐기물에 포함된 산화물의 함량을 낮춘 후에 수행될 수도 있다.
전처리 단계(S100)는 비중 선별 단계를 더 포함할 수 있다. 비중 선별 단계에서, HSS 가공 공정 폐기물을 비중 선별하여, HSS 가공 공정 폐기물에서 Fe보다 가벼운 물질을 비중 선별한다.
비중 선별 단계는 건식 비중 선별 단계 및 습식 비중 선별 단계를 포함할 수 있다. 건식 비중 선별 단계에서 HSS 가공 공정 폐기물의 수분을 80 내지 100 ℃에서 건조하고, 건조된 HSS 가공 공정 폐기물의 유분을 알칼리 및 알콜 중 적어도 하나로 세척하고 건조할 수 있다. 예를 들어, 상기 온도 범위를 벗어나면 HSS 가공 공정 폐기물의 수분이 충분히 제거되지 않거나, 건조시 과도한 에너지 소비로 경제적 이득이 없다.
건조 비중 선별 단계에서는 건조된 HSS 가공 공정 폐기물을 에어 선별기(Air Separation)를 통해 비중에 따라 분리할 수 있고, 필요에 따라 수 회 반복 또는 여러 개의 에어 선별기를 통해 수행될 수 있다. 건조 비중 선별 단계는 예를 들어, 선별 효율을 높이기 위해 체질하여 입도별로 선별할 수도 있다.
습식 비중 선별 단계에서 유분 세척 후 건조된 HSS 가공 공정 폐기물을 물과 혼합하여, 요동 테이블에서 비중 선별할 수 있다. 습식 비중 선별 단계에서는 HSS 가공 공정 폐기물을 필요에 따라 수 회 반복 또는 여러 단의 요동테이블을 설치하여 선별할 수 있다. 선별 후에 수분 함량은 전체 중량을 기준으로 10 % 이하로 건조될 수 있다. 습식 비중 선별 단계는 예를 들어, 선별 효율을 높이기 위해 체질하여 입도별로 선별할 수도 있다.
페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 및 페로 코발트 중 적어도 하나 및 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물을 1500 내지 2500 ℃에서 1차 용융하여 1차 용융물을 형성하는 1차 용융한다(S200). 상기 범위 미만이면, 용융이 충분히 되지 않을 수 있고, 상기 범위 초과이면, 용융이 과도하게 되어 HSS 모합금으로 사용 가능한 제품을 제조하기 어려우며 고온에 견디는 특수 도가니의 제작이 필요한 등 경제적 이득이 없다.
1차 용융 단계(S200)는 예를 들어, 용융로에서 1 내지 8 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 범위 미만이면, 용융이 충분히 되지 않을 수 있고, 상기 범위 초과이면, 용융이 과도하게 되어 HSS 모합금으로 사용 가능한 제품을 제조하기 어려울 수 있다.
1차 용융 단계(S200)에서, 용융은 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 수행 할 수 있다.
1차 용융 단계(S200)에서는 원하는 HSS 모합금의 조성을 얻기 위해, 페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 및 페로 코발트 중 적어도 하나를 첨가할 수 있다.
1차 용융 단계(S200)에서, 탈가스 및 탄소함량을 낮추기 위하여 고압 산소를 용융물에 불어 넣어줄 수 있다.
1차 용융 단계(S200)에서, 슬래그 조성물 또는 혼합물을 형성할 때 첨가된 산화물, 탈산제, 및 플럭스 중 적어도 하나를 더 첨가할 수 있다.
1차 용융 단계(S200)에서, HSS 터닝 스크랩, HSS 스크랩, 및 HSS 공정 오니 중 적어도 하나를 더 첨가할 수 있다.
1차 용융 단계(S200)에서, 페로 몰리브덴이 첨가될 때, 상기 페로 몰리브덴의 중량은 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로 0.1 내지 10%일 수 있다. 1차 용융 단계(S200)에서, 페로 텅스텐이 첨가될 때, 페로 텅스텐의 중량은 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로 0.1 내지 10%일 수 있다. 1차 용융 단계(S200)에서, 페로 코발트가 첨가될 때, 페로 코발트의 중량은 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로 0.1 내지 10 %일 수 있다.
1차 용융 단계(S200)에서, 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로, 1 내지 2% 중량을 갖는 페로 텅스텐, 4 내지 5% 중량을 갖는 페로 몰리브덴, 및 0.5 내지 1% 중량을 갖는 페로 코발트를 첨가할 수 있다. 상기 범위의 페로 텅스텐, 페로 몰리브덴, 및 페로 코발트를 첨가하여 재활용 가능한 HSS 모합금을 제조할 수 있다.
일 실시예로, 본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법에서, HSS 가공 공정 폐기물이 HSS 공정 오니, HSS 터닝 스크랩, 및 HSS 스크랩을 포함할 때, 혼합 단계(S120)에서, 산화물 및 HSS 공정 오니를 혼합할 수 있다. 이 때 산화물은 K2O, CaO, MgO, SiO2, Al2O3, 및 Fe2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 혼합 단계(S120)에서, HSS 터닝 스크랩, 및 HSS 스크랩은 혼합되지 않을 수 있다. 1차 용융 단계(S200)에서, 용융로에 상기 HSS 스크랩의 일부, 상기 혼합물의 일부, 상기 HSS 터닝 스크랩의 일부, 상기 혼합물의 잔량, 상기 HSS 터닝 스크랩의 잔량, 및 상기 HSS 스크랩의 잔량을 순차적으로 장입할 수 있다. 용융로를 1500 내지 1700 ℃의 온도 범위에서 용융하고, 일정 시간이 경과한 후, 페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 및 페로 코발트를 첨가하여, 상기 온도 범위를 일정시간 유지할 수 있다.
1차 용융물을 잉곳 주조하여 HSS 모합금을 제조한다(S300). 예를 들어, 1차 용융물을 프레스 성형하여 잉곳 주조한다.
제조 단계(S300)에서 제조된 HSS 모합금은 (1) 5 내지 10 중량%의 W, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 및 6 내지 11 중량%의 Mo; (2) 5 내지 10 중량%의 W, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 6 내지 11 중량%의 Mo, 및 4 내지 12 중량%의 Co; (3) 5 내지 12 중량%의 Mo, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 및 6 내지 11 중량%의 W; 및 (4) 5 내지 12 중량%의 Mo, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 6 내지 11 중량%의 W, 및 4 내지 12 중량%의 Co 중 하나의 조성을 갖는 것일 수 있다. 상기 (1) 내지 (4)의 조성에서, 이외의 조성은 Fe, C, O, Al, Si, P, Cl, Mn, 및 Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법은 상기 범위의 조성을 가져, HSS 모합금으로 사용 가능한 제품을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법은 HSS 가공 공정 폐기물을 분말 형태로 만들어, 체질을 통해 입자 크기를 기초로 초기 불순물을 제거하는 초기 불순물 제거 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법은 1차 용융물을 보온로로 이동하여 탈가스 및 불순물을 정제하는 정제 단계를 더 포함할 수 있다. 정제 단계는 예를 들어 열 분해 및 전기 분해 중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법은 페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 페로 코발트, 페로 크롬, 및 페로 바나듐 중 적어도 하나와 잉곳 주조한 용용물을 1000 내지 1300 ℃에서 2차 용융하여 2차 용융물을 형성하는 2차 용융 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 범위 미만이면, 용융이 충분히 되지 않을 수 있고, 상기 범위 초과이면, 과다한 에너지 소비로 경제적 이득이 없다.
2차 용융 단계는 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 시행 할 수 있다.
2차 용융 단계는 예를 들어, 용융로에서 1 내지 8 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 범위 미만이면, 용융이 충분히 되지 않을 수 있고, 상기 범위 초과이면, 과다한 에너지 소비로 경제적 이득이 없다.
2차 용융 단계에서는 원하는 HSS 모합금의 조성을 얻기 위해, 페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 페로 코발트, 페로 크롬, 및 페로 바나듐 중 적어도 하나를 첨가할 수 있다.
2차 용융 단계에서, 탈가스 및 탄소함량을 낮추기 위하여 고압 산소를 용융물에 불어 넣어줄 수 있다.
2차 용융 단계에서, 슬래그 조성물 또는 혼합물을 형성할 때 첨가된 산화물, 탈산제, 및 플럭스 중 적어도 하나를 더 첨가할 수 있다.
2차 용융 단계에서, HSS 터닝 스크랩, HSS 스크랩, 및 HSS 공정 오니 중 적어도 하나를 더 첨가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 HSS 가공 공정 폐기물의 재활용 방법은 2차 용융물을 보온로로 이동하여 탈가스 및 불순물을 정제하는 정제 단계를 더 포함할 수 있다. 정제 단계는 예를 들어 열 분해 및 전기 분해 중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
HSS 가공 공정 폐기물로 HSS 스크랩 1 kg, HSS 터닝 스크랩 1 kg, 및 HSS 공정 오니 2 kg을 준비하였다. HSS 스크랩, HSS 터닝 스크랩, 및 HSS 공정 오니 각각의 조성은 상기 표 1에 기재된 것과 동일할 수 있다.
HSS 공정 오니 2 kg과 K2O 202.5g 및 SiO2 441.7g를 혼합한 혼합물 내에 포함된 K2O:Al2O3:SiO2의 몰 비가 1:1:4가 되도록 하였다.
용융로로 대기 분위기에서 고주파 용해로인, 그라파이트(graphite) 도가니(1.5L)를 사용하였다. 그라파이트 도가니에 HSS 스크랩 (0.5 kg), 혼합물 (1.322 kg), HSS 터닝 스크랩 (0.5 kg), 혼합물 (1.322 kg), HSS 터닝 스크랩 (0.5 kg), 및 HSS 스크랩 (0.5 kg) 순으로 장입하였다. 1700 ℃까지 승온 (승온시간 30분) 후 10분 경과한 후, 페로 텅스텐 35g, 페로 몰리브덴 95g, 및 페로 코발트 16g를 첨가하여, 이를 20분 동안 유지하였다. 이를 준비한 틀에 부어 식힌 후 슬래그를 깨서 털어내고, HSS 모합금 제품 2.85 kg을 제조하였다.
제조된 HSS 모합금 제품의 조성비는 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, HSS 가공 공정 폐기물 4 kg을 사용하여, HSS 모합금으로 사용할 수 있는 물성을 갖는 제품 2.85 kg을 얻은 것을 확인할 수 있었다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로, 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (14)

  1. 고속도강(High Speed Steel: HSS) 가공 공정 폐기물을 전처리하는 전처리 단계;
    페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 및 페로 코발트 중 적어도 하나 및 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물을 1500 내지 2500 섭씨 온도(℃)에서 1차 용융하여 1차 용융물을 형성하는 1차 용융 단계; 및
    상기 1차 용융물을 잉곳(ingot) 주조하여 HSS 모합금을 제조하는 제조 단계;를 포함하고,
    상기 전처리 단계는
    상기 HSS 가공 공정 폐기물을 조성에 따라 분리하는 분리 단계; 및
    K2O, CaO, MgO, SiO2, Al2O3, 및 Fe2O3 중 적어도 하나를 포함하는 산화물 및 상기 분리한 HSS 가공 공정 폐기물을 혼합하여 혼합물을 형성하고, 상기 혼합물의 융점은 800 내지 1700 ℃인 혼합 단계;를 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제조 단계에서 제조된 HSS 모합금은
    (1) 5 내지 10 중량%의 W, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 및 6 내지 11 중량%의 Mo; (2) 5 내지 10 중량%의 W, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 6 내지 11 중량%의 Mo, 및 4 내지 12 중량%의 Co; (3) 5 내지 12 중량%의 Mo, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 및 6 내지 11 중량%의 W; 및 (4) 5 내지 12 중량%의 Mo, 3 내지 6 중량%의 Cr, 1 내지 6 중량%의 V, 6 내지 11 중량%의 W, 및 4 내지 12 중량%의 Co 중 하나의 조성을 갖는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 단계에서,
    상기 HSS 가공 공정 폐기물은 HSS 공정 오니, HSS 터닝 스크랩, 및 HSS 스크랩 중 적어도 하나를 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 단계에서,
    상기 HSS 가공 공정 폐기물은
    2 내지 10 중량%의 W, 1 내지 5 중량%의 Cr, 0.5 내지 2 중량%의 V, 1 내지 10 중량%의 Mo, 및 1 내지 10 중량%의 Co을 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 단계에서,
    상기 혼합물은 K2O, Al2O3, 및 SiO2을 포함하고,
    상기 혼합물에 포함되는 K2O:Al2O3:SiO2의 몰 수비는 1:1:2 내지 1:1:6인 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 단계는
    상기 HSS 가공 공정 폐기물을 비중 선별하여, 상기 HSS 가공 공정 폐기물에서 Fe보다 가벼운 물질을 분리하는 비중 선별 단계를 더 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비중 선별 단계는
    상기 HSS 가공 공정 폐기물의 수분을 80 내지 100 ℃에서 건조하고, 상기 건조된 HSS 가공 공정 폐기물의 유분을 알칼리 및 알콜 중 적어도 하나로 세척하고 건조하는 건식 비중 선별 단계; 및
    상기 유분 세척 후 건조된 HSS 가공 공정 폐기물을 물과 혼합하여, 요동 테이블에서 비중 선별하는 습식 비중 선별 단계;를 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 1차 용융 단계에서,
    상기 페로 몰리브덴이 첨가될 때, 상기 페로 몰리브덴의 중량은 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로 0.1 내지 10%이고,
    상기 페로 텅스텐이 첨가될 때, 상기 페로 텅스텐의 중량은 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로 0.1 내지 10%이고,
    상기 페로 코발트가 첨가될 때, 상기 페로 코발트의 중량은 상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로 0.1 내지 10 %인 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 1차 용융 단계에서,
    상기 전처리된 HSS 가공 공정 폐기물의 중량을 기준으로,
    1 내지 2% 중량을 갖는 페로 텅스텐, 4 내지 5% 중량을 갖는 페로 몰리브덴, 및 0.5 내지 1% 중량을 갖는 페로 코발트를 첨가하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 HSS 가공 공정 폐기물은 HSS 공정 오니, HSS 터닝 스크랩, 및 HSS 스크랩을 포함하고,
    상기 혼합 단계에서, 상기 산화물 및 상기 HSS 공정 오니를 혼합하고,
    상기 1차 용융 단계는
    용융로에 상기 HSS 스크랩의 일부, 상기 혼합물의 일부, 상기 HSS 터닝 스크랩의 일부, 상기 혼합물의 잔량, 상기 HSS 터닝 스크랩의 잔량, 및 상기 HSS 스크랩의 잔량을 순차적으로 장입하여, 상기 1차 용융을 수행하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 1차 용융 단계는
    진공 분위기 또는 불황성 가스 분위기에서 수행되는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 HSS 가공 공정 폐기물을 분말 형태로 만들어, 체질을 통해 입자 크기를 기초로 초기 불순물을 제거하는 초기 불순물 제거 단계를 더 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 1차 용융물을 보온로로 이동하여 탈가스 및 불순물을 정제하는 정제 단계를 더 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    페로 몰리브덴, 페로 텅스텐, 페로 코발트, 페로 크롬, 및 페로 바나듐 중 적어도 하나와 상기 잉곳 주조한 용용물을 1000 내지 1300 ℃에서 2차 용융하여 2차 용융물을 형성하는 2차 용융 단계를 더 포함하는 HSS 가공 공정 폐기물로부터 HSS 모합금을 제조하는 재활용 방법.
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