[논문]알루미늄 캔 스크랩의 용탕처리 시 알루미늄 합금 회수에 미치는 플럭스의 영향

한철웅; 안병두; 김대근; 이만승; 김용환

doi:10.7844/kirr.2020.29.1.70

[국내논문] 알루미늄 캔 스크랩의 용탕처리 시 알루미늄 합금 회수에 미치는 플럭스의 영향
Effect of Flux on Recovery of Aluminum During Molten Metal Treatment of Aluminum Can Scrap 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.29 no.1, 2020년, pp.70 - 80

한철웅 (한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소) , 안병두 ((주)디에스리퀴드 기술연구소) , 김대근 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 이만승 (목포대학교 공과대학 신소재공학과) , 김용환 (한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소)

초록
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본 연구에서는 유도로를 사용하여 알루미늄 캔 스크랩의 재활용 효율을 플럭스 종류와 혼합 비율의 영향에 대해 조사하였다. 알루미늄 캔 제조 공정에서 발생한 알루미늄 캔 스크랩의 표면 코팅층 약 500 ℃에서 30 분간 열처리를 통해 제거가 가능하였다. 용해 공정 온도는 알루미늄 합금 용해 온도보다 높은 온도로 설정하였고, 플럭스 종류와 혼합 비율에 따른 용탕처리를 진행하였다. 그 결과, 750 ℃에서 3 wt.%의 플럭스(Salt flux와 MgCl₂ 혼합비율 70:30)의 조건에서 알루미늄을 최적으로 회수 할 수 있었다. 회수된 Al합금은 인장강도 249 MPa과 연신율 14 %로써 Al5083 소재와 거의 동일한 기계적 특성을 나타냄을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the effect of flux type and mixing ratio on efficiency in aluminum can scrap recycling using induction furnace. The removal of surface coating layer of aluminum can scrap was possible through heat treatment at about 500 ℃ for about 30 min. The temperature for the melting process was set to be slightly above the melting temperature of the aluminium can scrap. The molten metal treatment was performed with different types of flux and mixing ratio. As a result, The optimum efficiency of Al recovery ratio was revealed when the process was performed with at least 3 wt.% of the flux (Salt and MgCl2 mixture of ratio 70:30) at 750 ℃. The mechanical property of the recovered Al alloy showed that the tensile strength is about 249 MPa and elongation is about 14 %. This result was found to be similar to the mechanical property of the virgin Al 5083 alloy.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Macroscopic morphologies(a) and microstructure(b) of aluminum can scrap used in this study.
$Fig. 2. Result of X-ray diffraction pattern(a) and TG-DTA(b) of aluminum can scrap.$ 그림 Fig. 2. Result of X-ray diffraction pattern(a) and TG-DTA(b) of aluminum can scrap.
표 Table 1. Results of chemical composition of Aluminum can scrap by FE-SEM EDS analysis (wt.%)
그림 Fig. 3. Result of macroscopic morphologies of aluminum can scrap with heat-treatment condition at atmosphere.
그림 Fig. 4. Results of FE-SEM image of recovered metal with flux type and mixing ratio.
표 Table 2. Result of chemical composition of aluminum can scrap with heat-treatment condition by FE-SEM EDS analysis (wt.%)
표 Table 3. Result of composition of recovered metal with flux type and mixing ratio by optical Emission Spectrometer (wt.%)
그림 Fig. 5. Macroscopic morphologies of dross after melting process with flux type and mixing ratio.
그림 Fig. 6. Amounts of dross after melting process with flux type and mixing ratio.
그림 Fig. 7. FE-SEM image of recovered metal with melting process conditions.
그림 Fig. 8. Variations of density of recovered metal with melting process conditions.
표 Table 4. Result of chemical composition of recovered metal with melting conditions by optical Emission Spectrometer (wt.%)
그림 Fig. 9. Results of tension test of recovered Al metal with melting process conditions.
그림 Fig. 10. Results of hardness test (HRC) of with melting process conditions.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 알루미늄 캔 스크랩의 재자원화를 위한 용해 공정 중 드로스 발생 최소화 및 알루미늄 회수 최적화를 위한 플럭스 및 용해 공정 변수에 대한 영향을 조사하였다.

제안 방법

Table 4는 8종의 시료의 스파크 방전 원자 방출 분광기 화학조성 분석을 진행하여 Al 5083의 조성과 비교한 결과를 나타냈다. Saltflux와 MgCl₂ 혼합비율 70:30 복합 첨가제 첨가와 G.B.F 공정을 적용한 시료를 이용하여 합금화 공정을 진행한 소재가 Al 5083 합금 소재와 유사한 화학조성 결과를 도출하였다.
각 용해 공정을 통해 제작된 시험편 9 종을 인장 시험 및 강도 시험을 진행했다. 9종의 시험편은 ASTM E8E8M규격의 비례시편으로 제작하였고, Fig.
회수된 시료와 기존의 Al 5083 합금 소재와의 기계적 특성을 비교하고자 각 시험편 9종을 ASTM E8E8M 규격의 비례시편을 제작하여 시험 평가를 진행하였다. 그리고 제작된 시험편을 ASTM B557-15 규격으로 인장시험을 진행하였고, 인장강도와 항복강도 그리고 연신율의 결과값을 산출하여 Al 5083합금과의 비교 분석하였다.
본 연구에서는 알루미늄 캔 제조시 발생한 스크랩을 이용하여 용해 공정 중 용탕처리제에 따라 알루미늄 합금 회수 및 합금화에 대한 기계적 특성 비교에 관한 연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
알루미늄 캔 스크랩 용탕처리 후 회수된 알루미늄 합금의 정량적 화학조성 분석을 위해 스파크 방전 원자 방출분광기(Optical Emission Spectrometer: QBL 750, OBLF spektrometrie)를 이용하였고, 각 공정별 회수된 알루미늄합금의 화학조성을 비교하였다. 용탕처리 조건에 따라 기공률을 측정하고자 아르키메데스의 원리를 이용하였고, 각 공정에서 회수된 응고 시료를 일정한 크기(10x10x10 mm³)로 절단하여 표면 연마 및 세척 그리고 건조 후 상온(약 23 ℃)에서 비중을 산출하여 각 시료별 비교하였다.
알루미늄 캔 스크랩을 이용하여 용해 공정시 용탕처리(플럭스 종류, 플럭스 함량, G.B.F 공정)에 따라 FE-SEM을 이용하여 각 공정 변수별 미세조직을 통해 효과적인 용탕처리를 확인하였다. Fig.
알루미늄 캔 스크랩의 코팅층 제거 및 용해 온도 설계를 위해 열 중량 시차분석 장치(Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis, TG-DTA: SDT Q600, TA instruments)를 이용하여 열분석을 진행하였고, 그 결과를 Fig. 2(b)에나타냈다. 열분석 조건은 아르곤(Ar) 분위기로 1 ml/min유량 및 20 ℃/min의 승온 속도를 고정으로 분석을 진행하였으며, 100~300 ℃ 부근에 질량 변화는 알루미늄 캔 스크랩 표면에 수분 및 코팅층 내 무기화합물의 휘발로 인해 발생한 것으로 판단된다.
알루미늄캔 스크랩 내 수분은 온도의 상승에 따라 수증기(기체)로 만들어 제거 가능하며, 유기 화합물은 플라스틱계로 이루어져 산화 반응을 통해 가스화로 제거가 가능하다. 열처리 공정을 통해 다양한 문제점을 보완이 가능하며, 열처리 공정의 조건은 열 중량 시차분석 결과를 바탕으로 선정하였다. 전처리 공정은 Fig.
알루미늄 캔 스크랩 용탕처리 후 회수된 알루미늄 합금의 정량적 화학조성 분석을 위해 스파크 방전 원자 방출분광기(Optical Emission Spectrometer: QBL 750, OBLF spektrometrie)를 이용하였고, 각 공정별 회수된 알루미늄합금의 화학조성을 비교하였다. 용탕처리 조건에 따라 기공률을 측정하고자 아르키메데스의 원리를 이용하였고, 각 공정에서 회수된 응고 시료를 일정한 크기(10x10x10 mm³)로 절단하여 표면 연마 및 세척 그리고 건조 후 상온(약 23 ℃)에서 비중을 산출하여 각 시료별 비교하였다. 회수된 시료와 기존의 Al 5083 합금 소재와의 기계적 특성을 비교하고자 각 시험편 9종을 ASTM E8E8M 규격의 비례시편을 제작하여 시험 평가를 진행하였다.
F 공정을 포함한 복합공정 그리고 Salt flux와 MgCl₂ 혼합비율 70:30 조건에서 합금화 공정으로 구분하여 용해 공정을 진행하였다. 이때 합금화 공정은 Al 5083 합금 화학조성과 동일하게 용해 공정 후 회수된 알루미늄 합금에 부족한 금속을 첨가하는 공정을 진행하여 특성을 비교하였다. Fig.
장입소재인 알루미늄 캔 스크랩은 최적의 열처리 공정후 회수된 스크랩을 이용하여 용해 공정에 적용하였으며, 용해 공정은 스크랩만 용해하는 공정, Salt flux 용탕 처리 공정 그리고 G.B.F 공정에 플럭스 종류에 따라 장입한복합 공정으로 변수를 선정하였다. ㈜디에스리퀴드에서 제조된 Salt flux(NaCl/KCl), 염화물인 MgCl₂(CAS No.
열처리 공정을 통해 다양한 문제점을 보완이 가능하며, 열처리 공정의 조건은 열 중량 시차분석 결과를 바탕으로 선정하였다. 전처리 공정은 Fig. 2(b)의 열 중량 시차분석을 기반으로 공정 조건을 설계하였고, 흑연도가니에 1 kg의 알루미늄 캔 스크랩을 장입 후 전기로(spec: SCR heater, max-1,000 ℃, 10 ℃/min)에서 선정한 총 3가지의 조건인 400, 450, 500 ℃에서 각 30 분 동안 유지하는 것으로 설계하였다.
용탕처리 조건에 따라 기공률을 측정하고자 아르키메데스의 원리를 이용하였고, 각 공정에서 회수된 응고 시료를 일정한 크기(10x10x10 mm³)로 절단하여 표면 연마 및 세척 그리고 건조 후 상온(약 23 ℃)에서 비중을 산출하여 각 시료별 비교하였다. 회수된 시료와 기존의 Al 5083 합금 소재와의 기계적 특성을 비교하고자 각 시험편 9종을 ASTM E8E8M 규격의 비례시편을 제작하여 시험 평가를 진행하였다. 그리고 제작된 시험편을 ASTM B557-15 규격으로 인장시험을 진행하였고, 인장강도와 항복강도 그리고 연신율의 결과값을 산출하여 Al 5083합금과의 비교 분석하였다.

대상 데이터

각 용해 공정을 통해 제작된 시험편 9 종을 인장 시험 및 강도 시험을 진행했다. 9종의 시험편은 ASTM E8E8M규격의 비례시편으로 제작하였고, Fig. 9는 Al 5083 합금소재와 용해 공정으로 제작된 시료와의 인장 시험 비교 결과를 나타냈다. 이때 인장 강도와 항복 강도 그리고 연신율에 대해 평가를 위해 ASTM B557-15 규격으로 인장시험을 진행하였다.
F 공정에 플럭스 종류에 따라 장입한복합 공정으로 변수를 선정하였다. ㈜디에스리퀴드에서 제조된 Salt flux(NaCl/KCl), 염화물인 MgCl₂(CAS No.7786-30-3_대정화금(주))는 순도 95.21 % (assay: insolublematter in water, Fe, SO₄)의 분말형태이며, NaF(CAS No.7681-49-4_일본 JUNSEI社)는 순도 98 %의 분말 형태인불화물을 사용하였다. 복합 공정에 사용된 혼합 플럭스는Salt flux와 MgCl₂와 Salt flux와 NaF를 90:10와 80:20 그리고 70:30의 비율로 혼합하여 용해 공정 중 G.
7681-49-4_일본 JUNSEI社)는 순도 98 %의 분말 형태인불화물을 사용하였다. 복합 공정에 사용된 혼합 플럭스는Salt flux와 MgCl₂와 Salt flux와 NaF를 90:10와 80:20 그리고 70:30의 비율로 혼합하여 용해 공정 중 G.B.F 공정과 함께 첨가제로 사용하였다. G.
본 연구에 사용된 소재는 국내 D 社에서 회수한 알루미늄 캔 스크랩으로 음료 및 식음 등에 사용되는 알루미늄캔 제조 과정 중 발생한 공정 스크랩을 이용하였다. 알루미늄 캔은 내용물의 보존의 특성을 위해 내·외부에 폴리머계 수지(Resin)를 이용하여 코팅되어 있다.
조대화된 산화물은 수소 개재물 등도 포함되어 있으므로 비중이 낮아 용탕 표면으로 부상되어 분리가 쉽다. 이와 같은 특징을 포함한 플럭스는 저온 영역에서도 활성도가높아 강한 반응성을 지닌 MgCl₂과 NaF를 사용하였다.

이론/모형

F 공정 후 합금화된 시료가 Al 5083 합금과 비슷한 특성을 가진 것으로 확인 되었다. Fig. 10는 Rockwell hardness test C scale(H_RC)로 9종의 시료를 측정 하였고, Fig. 10(a)는 Al 5083 합금 소재로써 H_RC 50으로 측정되었다. 용해 공정으로 제작된 시료 중 Salt flux와 MgCl₂ 혼합비율 70:30 복합 첨가제 공정과 G.
9는 Al 5083 합금소재와 용해 공정으로 제작된 시료와의 인장 시험 비교 결과를 나타냈다. 이때 인장 강도와 항복 강도 그리고 연신율에 대해 평가를 위해 ASTM B557-15 규격으로 인장시험을 진행하였다. Fig.

성능/효과

%는 1 wt.% 대비 알루미늄 캔 스크랩 5 kg 장입 대비 약 55 % 감소하였으며, 첨가량 대비 효율은 Salt flux의 함량이 3 wt.% 첨가한 경우 우수하다는 것을 알 수 있다.
1. 알루미늄 캔 스크랩의 미세조직은 기공을 제외한 2종류의 상으로 구분되어지고 기지상은 Al-Mg 합금이며, 밝은 각진 형상은 Al-Mg-Si-Mn-Fe계 합금의 공정상으로 확인하였다. 상분석 결과 Al_0.
2. 알루미늄 캔 스크랩의 표면 코팅층 제거를 위한 열처리 공정 조건은 약 500 °C에서 30 분간 공정을 진행 시표면의 탄소 함량 감소를 통해 스크랩 표면 코팅층 제거가 가능하다.
3. Salt flux와 MgCl₂의 혼합비율 혼합비율 70:30로 용탕처리 후 합금화 공정을 진행한 시료가 Al 5083 합금의 진밀도에 가까운 밀도값이 측정되었으며, 용해 공정중 Salt flux와 MgCl₂와 G.B.F 공정을 복합으로 적용시 용탕 내 탈가스가 원활하게 이루어지는 것을 확인하였다.
4. 플럭스의 혼합 비율 및 용탕처리 공정 조건에 따른 알루미늄 합금의 기계적 성질 측정 결과, Salt flux와 MgCl₂의 혼합비율 혼합비율 70:30과 G.B.F 공정을 진행한 시료의 인장강도 249 MPa, 항복강도 122 MPa 및 14%의 연신율로 가장 우수한 특성을 나타냈으며, Al5083 합금 소재와 유사한 특성을 나타냈다.
1(b)에 나타냈고, 기공을 제외한 기지상과 공정상 2종류의 상으로 구분된다. Table1의 EDS 성분분석 결과를 통해 기지상은 알루미늄 캔 스크랩의 성분 중 가장 많이 함유된 Al-Mg 합금으로 이루어져 있는 것을 알 수 있으며, 밝은 각진 형상의 공정상은Al-Mg-Fe-Mn계 합금으로 확인되었다.
8(i)의 시료가 Al 5083 합금의 진밀도에 가까운 비중값이 측정되었다. 비중 측정 결과에서 플럭스를 사용하고 용해공정인 G.B.F 공정을 복합으로 적용시 용탕 내 탈가스가 원활하게 이루어져 시료의 비중이 높은 것을 알 수 있었다.
알루미늄 캔 스크랩의 미세조직은 기공을 제외한 2종류의 상으로 구분되어지고 기지상은 Al-Mg 합금이며, 밝은 각진 형상은 Al-Mg-Si-Mn-Fe계 합금의 공정상으로 확인하였다. 상분석 결과 Al_0.95Mg_0.05(10-7844)상과 코팅층의 성분인 H₂와 O₂가 소량 혼합되어 있어H₂Mg₁O₂(08-9827) 상으로 존재하는 것으로 확인하였다.
Mg은 알칼리토 금속으로 Al보다 높은 산소친화성을 가지고 있어520 ℃부터 Al-Mg 합금의 표면에 MgO산화층이 형성되는 것을 예측할 수 있으며, Mg 함량에 따라 다른 경향은 발생하나 고온에서 Al-Mg 합금의 산화반응은 표면에MgO가 생성된 후에 MgAl₂O₄ spinel의 연속적 생성이 된다. 알루미늄 캔 스크랩은 약 600 ℃부터 용해가 시작하는 것을 알 수 있으며, 이러한 분석 결과를 통해 알루미늄캔 스크랩 용해 공정 조건 선정이 가능한 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 캔 스크랩의 표면 코팅은 무엇에 영향을 끼치는가?	알루미늄 캔 스크랩의 표면 코팅은 코팅 두께와 형태가 다양하며, 이러한 코팅층은 재활용 공정 시 코팅 종류와 스크랩 구조에 의해 코팅 제거 공정과 환경오염에 중대한 영향을 미친다. 일반적인 유기 화합물 코팅의 종류는 기름, 페인트, 수지, 플라스틱, 래커 및 잉크 등을 사용하며5),보편적인 알루미늄 캔 스크랩의 코팅층 두께는 약 300 μm로 제조한다.
	유도로를 사용하여 알루미늄 캔 스크랩의 재활용 효율을 플럭스 종류와 혼합 비율의 영향에 대해 조사한 결과는 어떠한가?	용해 공정 온도는 알루미늄 합금 용해 온도보다 높은 온도로 설정하였고, 플럭스 종류와 혼합 비율에 따른 용탕처리를 진행하였다. 그 결과, 750 ℃에서 3 wt.%의 플럭스(Salt flux와 MgCl2 혼합비율 70:30)의 조건에서 알루미늄을 최적으로 회수 할 수 있었다. 회수된 Al합금은 인장강도 249 MPa과 연신율 14 %로써 Al5083 소재와 거의 동일한 기계적 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
	알루미늄의 특징은 무엇인가?	알루미늄은 용융점이 비교적 낮아 재용해가 용이하고 비중이 낮으며, 열용량이 높아 주조성이 우수하여 사형, 금형 및 다이캐스팅 등을 이용하여 건축 자재, 자동차, 전기, 전자, 전선, 포장 소재, 음료수 용기 및 기타 각종 부품 등의 대량 생산이 가능하여 광범위하게 사용이 되어 지고 있다1,2). 이러한 제품에서 발생한 스크랩 및 폐기물 등의 재활용은 보크사이트(Bauxite)에서 알루미늄을 추출하는 공정보다 에너지 절약 및 폐기물 발생량을 감소하는 효과가 있으며3), 알루미늄 재활용으로 알루미늄 1톤 처리당 9.

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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