Figure 2. Porosity content for samples taken from Reduced Pressure Test (RPT) under partial vacuum; (a) without degassing; (b) with degassing tablet; and (c) degassed with high-shear melt conditioning

폐자동차 스크랩 유래 알루미늄 주조 합금의 고전단 탈가스 및 탈철 공정 연구

High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap

본 보고서는 수명이 다한 폐자동차(ELV)의 Zorba 분획에서 회수된 알루미늄 스크랩을 고전단 용탕 처리(HSMC) 기술을 통해 정제하는 공정을 분석한다. 연구의 핵심은 재활용 알루미늄 내 가스와 철 성분을 효율적으로 제거하여 상용 합금 수준의 품질을 확보하는 기술적 방법론을 제시하는 데 있다.

Paper Metadata

  • Industry: 알루미늄 재활용 및 주조 (Aluminum Recycling and Casting)
  • Material: Zorba 유래 알루미늄 주조 합금 (Zorba-derived Aluminum Casting Alloy)
  • Process: 고전단 용탕 처리 (High-Shear Melt Conditioning, HSMC)

Keywords

  • 재활용 알루미늄 합금
  • 고전단 용탕 처리 (HSMC)
  • 탈가스 (Degassing)
  • 탈철 (De-ironing)
  • 철 함유 금속간 화합물 (Fe-rich IMCs)
  • Zorba 스크랩

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 X-선 투과 기술(XRT)로 분류된 Zorba 스크랩의 주조 분획 300kg을 원료로 사용하였다. 실험 장치는 로터-스테이터 구조의 고전단 용탕 처리(HSMC) 장치를 핵심으로 하며, 이를 통해 용탕 내 강력한 분산 혼합과 미세 기포 주입을 수행하였다. 탈가스 실험에서는 기존의 탈가스 정제제(Tablet) 방식과 HSMC 방식을 비교 분석하였으며, 탈철 실험에서는 Mn 첨가량에 따른 철 성분의 침전 및 제거 효율을 평가하였다. 모든 공정은 720°C에서 용해 후 특정 온도 범위에서 유지하며 금속간 화합물의 형성 및 침강을 유도하는 프레임워크로 구성되었다.

Figure 1. (a) As received Zorba cast fraction scrap in shredded form; (b) Aluminum alloy ingot and dross after remelt
Figure 1. (a) As received Zorba cast fraction scrap in shredded form; (b) Aluminum alloy ingot and dross after remelt

Key Findings

Zorba 주조 분획으로부터의 알루미늄 합금 회수율은 81%로 나타났다. 탈가스 공정에서 HSMC 기술을 적용한 결과, 밀도 지수(DI%)가 미처리 상태의 13.1%에서 2.6%로 대폭 감소하여 기존 정제제 방식(6.4%)보다 우수한 성능을 보였다. 탈철 공정에서는 Mn 함량을 0.8%로 높였을 때 철 제거 효율이 최대 24%까지 향상되었으며, Fe 함량은 0.79%에서 0.61%로 감소하였다. 또한, HSMC 처리는 유해한 판상형 β-AlFeSi 입자의 형성을 억제하고 미세한 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 상의 형성을 촉진하여 미세조직의 건전성을 높였다.

Figure 2. Porosity content for samples taken from Reduced Pressure Test (RPT) under partial vacuum; (a) without degassing; (b) with degassing tablet; and (c) degassed with high-shear melt conditioning
Figure 2. Porosity content for samples taken from Reduced Pressure Test (RPT) under partial vacuum; (a) without degassing; (b) with degassing tablet; and (c) degassed with high-shear melt conditioning

Industrial Applications

이 기술은 폐자동차 스크랩을 고가의 신재(Primary Aluminum) 희석 없이 직접 상용 주조 합금(LM24, LM27 등) 규격으로 정제하는 데 활용될 수 있다. 특히 철 함량이 높은 저급 스크랩을 고품질 자동차 부품 제조용 소재로 재활용할 수 있는 경제적 공정을 제공한다. 이는 알루미늄 산업의 탄소 배출 저감과 자원 순환 효율성을 극대화하는 데 기여하며, 대규모 용탕 처리 설비에 적용 가능한 기술적 토대를 마련한다.

Theoretical Background

고전단 용탕 처리 (HSMC) 기술 원리

HSMC 기술은 고속 회전하는 로터와 고정된 스테이터 사이의 좁은 간극에서 발생하는 강력한 전단력을 이용한다. 이 전단력은 용탕 내에 주입된 아르곤 가스를 미세한 기포로 쪼개어 표면적을 극대화함으로써 수소 가스의 확산 및 제거 효율을 높인다. 또한 용탕 내에 존재하는 산화물 막(Bi-films)을 파괴하고 미세하게 분산시켜 기포에 부착되기 쉬운 형태로 변화시키며, 이는 부상 분리 공정을 가속화한다. 이러한 물리적 작용은 화학적 정제제 없이도 높은 청정도를 달성하게 한다.

철 제거를 위한 금속간 화합물 제어 이론

알루미늄 내 철(Fe)은 고체 상태에서 용해도가 매우 낮아 응고 시 취성이 강한 금속간 화합물을 형성한다. 특히 판상형의 β-Al5FeSi 상은 기계적 성질을 저하시키는 주요 원인이다. 이를 제어하기 위해 Mn을 첨가하면 Mn/Fe 비율이 0.5 이상일 때 조밀한 형태의 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 상이 우선적으로 형성된다. 이 상은 액상선 온도 이상에서 형성되어 밀도 차이에 의해 용탕 하부로 침강하며, HSMC는 이 핵생성 과정을 촉진하고 입자를 미세화하여 침강 효율과 조직 균질성을 동시에 개선한다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 720°C의 전기 저항로에서 6kg 단위의 용탕을 대상으로 수행되었다. 탈가스를 위해 3000 rpm의 회전 속도와 0.1 l/min의 아르곤 가스 유량을 적용하였으며, 처리 시간은 15분으로 설정되었다. 탈철 실험에서는 Al-20Mn 마스터 합금을 사용하여 Mn 함량을 조절한 후, Pandat 소프트웨어로 계산된 특정 온도 범위(610°C~630°C)에서 용탕을 유지하며 금속간 화합물의 침전을 유도하였다. 화학 성분 분석은 발광 분광 분석기(OES)를 사용하였고, 용탕 품질은 감압 응고 시험(RPT)을 통해 평가되었다.

Visual Data Summary

RPT 시편 분석 결과, HSMC 처리 후 기공의 크기와 분율이 시각적으로 현저히 감소한 것이 확인되었다. 미처리 시편에서는 50μm 이상의 대형 기공이 다수 관찰되었으나, HSMC 처리 후에는 기공 크기가 20μm 미만으로 줄어들었다. 광학 현미경 사진 분석에서는 Mn 첨가 전 관찰되던 거친 판상형 β-AlFeSi 조직이 Mn 첨가 및 HSMC 처리 후에는 사라지고, 미세하고 조밀한 형태의 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 입자가 균일하게 분포하는 양상을 보였다.

Variable Correlation Analysis

실험 변수 분석 결과, Mn/Fe 비율과 유지 온도가 탈철 효율에 결정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. Mn 첨가 없이 610°C에서 유지했을 때는 철 함량 변화가 거의 없었으나(0.80% → 0.81%), Mn을 0.8% 첨가하여 Mn/Fe 비율을 높인 경우 630°C에서 30분 유지 시 철 함량이 0.79%에서 0.61%로 유의미하게 감소하였다. 이는 Mn 첨가가 철 함유 화합물의 형성 온도를 높이고 침강 가능 범위를 확장했기 때문이며, HSMC의 전단력이 이러한 화합물의 핵생성 및 성장을 최적화했음을 시사한다.

Paper Details

High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap

1. Overview

  • Title: High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap
  • Author: Kawther Al-Helal, Jaime Lazaro-Nebreda, Jayesh B. Patel, Geoff M. Scamans
  • Year: 2021
  • Journal: Recycling

2. Abstract

고전단 용탕 처리(HSMC) 기술이 수명이 다한 폐자동차 스크랩을 파쇄하여 얻은 Zorba 주조 분획에서 회수된 알루미늄 합금의 탈가스 및 탈철에 사용되었다. 결과에 따르면 Zorba 주조 분획으로부터의 알루미늄 합금 회수율은 80% 이상이었다. 고전단 용탕 처리는 탈가스 정제제를 첨가하는 방식과 비교하여 용탕 처리 중 탈가스 공정을 개선하였다. HSMC를 이용한 탈철 공정의 효율은 용탕 내 Mn 함량을 0.8%로 높인 후 최대 24%까지 증가하였다. Zorba 용탕에 Mn을 첨가하는 것은 탈철 공정을 강화하고, 합금의 기계적 성질과 부식 성질 모두에 해로운 영향을 미치는 β-AlFeSi 금속간 화합물 입자의 형성을 제거하였다.

3. Methodology

3.1. 스크랩 용해 및 잉곳 제작: XRT 기술로 분류된 Zorba 주조 분획 스크랩을 720°C에서 용해하고 드로스를 제거한 후 추가 실험을 위한 잉곳으로 주조함.
3.2. HSMC 탈가스 실험: 6kg의 잉곳을 재용해한 후 HSMC 장치와 아르곤 가스(0.1 l/min)를 사용하여 3000 rpm에서 15분간 처리하고 RPT로 품질을 평가함.
3.3. Mn 첨가 및 탈철 실험: Al-20Mn 합금을 첨가하여 Mn 함량을 0.8%까지 높인 후, HSMC 처리를 거쳐 특정 온도(610°C 및 630°C)에서 30분간 유지하여 철 성분의 침강을 유도함.

Figure 6. (a) Equilibrium phase diagram of the as-received Zorba cast fraction–xMn system, (b) Liquid composition of Zorba cast fraction alloy with the addition of 0.8 wt.% Mn for the second trial
Figure 6. (a) Equilibrium phase diagram of the as-received Zorba cast fraction–xMn system, (b) Liquid composition of Zorba cast fraction alloy with the addition of 0.8 wt.% Mn for the second trial

4. Key Results

HSMC 처리는 재활용 알루미늄의 밀도 지수를 13.1%에서 2.6%로 낮추어 가스 함량을 획기적으로 줄였다. 결정립 크기는 1750μm에서 1160μm로 약 33% 미세화되었으며, 기공 분율은 3.8%에서 0.5%로 감소하였다. 탈철 공정에서는 Mn 첨가와 HSMC의 결합을 통해 철 함량을 23% 감소시켰으며, Mn 함량 또한 28% 감소하는 정제 효과를 확인하였다. 특히 유해한 β-AlFeSi 상을 완전히 제거하고 미세한 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 상으로 대체함으로써 합금의 잠재적 기계적 성능을 향상시켰다.

5. Mathematical Models

$$DI\% = \frac{D_{air} – D_{vac}}{D_{air}} \times 100$$

Figure List

  1. Figure 1: 파쇄된 형태의 Zorba 주조 분획 스크랩 및 재용해 후의 알루미늄 합금 잉곳과 드로스 사진.
  2. Figure 2: 감압 응고 시험(RPT) 시편의 단면 기공 분포 비교 (미처리, 정제제 처리, HSMC 처리).
  3. Figure 3: 탈가스 조건에 따른 알루미늄 합금의 결정립 크기 및 기공 함량 광학 현미경 사진.
  4. Figure 4: Zorba 주조 분획 합금의 평형 상태도 및 온도에 따른 액상 내 Fe, Mn 함량 변화 그래프.
  5. Figure 5: 탈철 처리 전후의 알루미늄 합금 내 β-AlFeSi 상의 광학 현미경 사진.
  6. Figure 6: Mn이 첨가된 합금의 평형 상태도 및 온도에 따른 액상 성분 예측 그래프.
  7. Figure 7: Mn 수정 합금의 탈철 처리 전후 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 금속간 화합물 관찰 사진.

References

  1. Brooks, L. et al. (2019). Ferrous and non-ferrous Recycling: Challenges and Potential Technology. Waste Manag.
  2. Chang, I. et al. (2020). Processing of Recycled AA6111 Aluminium Alloy from Two Different Feedstock. J. Light Met. Weld.
  3. Zhang, L. et al. (2012). Removal of iron from aluminium: A review. Miner. Process. Extr. Metall. Rev.
  4. Lazaro-Nebreda, J. et al. (2021). Improved degassing efficiency and mechanical properties of A356 aluminium alloy castings by high shear melt conditioning (HSMC) technology. J. Mater. Process. Technol.

Technical Q&A

Q: HSMC 기술이 기존의 정제제(Tablet) 방식보다 탈가스 효율이 높은 이유는 무엇입니까?

HSMC는 강력한 전단력을 통해 주입된 가스를 1mm 미만의 미세 기포로 분산시킵니다. 이는 기포의 전체 표면적과 용탕 내 체류 시간을 증가시켜 수소 가스가 기포로 확산될 수 있는 최적의 조건을 제공합니다. 또한, 용탕 표면의 소용돌이 발생을 억제하여 수소의 재흡수와 산화물 막의 생성을 최소화하기 때문에 기존 방식보다 우수한 탈가스 성능을 보입니다.

Q: 탈철 공정에서 Mn을 첨가하는 기술적 이유는 무엇입니까?

Mn은 용탕 내에서 철(Fe)과 반응하여 α-Al15(Fe, Mn)3Si2라는 조밀한 형태의 금속간 화합물을 형성하도록 유도합니다. 이 화합물은 유해한 판상형 β-AlFeSi 상보다 높은 온도에서 형성되며 밀도가 높아 용탕 하부로 쉽게 침강합니다. 결과적으로 Mn 첨가는 철 성분을 물리적으로 분리 제거할 수 있는 화학적 환경을 조성하여 탈철 효율을 높입니다.

Q: Zorba 스크랩 재활용 시 발생하는 주요 불순물과 그 영향은 무엇입니까?

주요 불순물은 철(Fe)과 산화물 및 비금속 개재물입니다. 철은 응고 시 취성이 강한 β-AlFeSi 판상 조직을 형성하여 합금의 연성과 인장 강도를 크게 저하시킵니다. 또한, 용해 과정에서 축적된 산화물은 주조 결함의 원인이 되며 기계적 성질과 부식 저항성에 부정적인 영향을 미칩니다.

Q: HSMC 처리가 합금의 미세조직, 특히 결정립 크기에 미치는 영향은 어떠합니까?

본 연구에서 HSMC 처리는 결정립 크기를 1750μm에서 1160μm로 약 33% 감소시키는 미세화 효과를 보였습니다. 이는 고전단력이 용탕 내 잠재적 핵생성 입자들을 고르게 분산시키고 응고 시 핵생성 사이트를 증가시켰기 때문입니다. 이러한 미세조직의 개선은 최종 주조품의 기계적 성질 향상으로 이어집니다.

Q: 실험에서 확인된 최적의 탈철 조건은 무엇입니까?

Mn 함량을 0.8 wt.%로 조절하고, 용탕 온도를 α-Al 상이 형성되기 직전인 630°C에서 약 30분간 유지하는 것이 가장 효과적이었습니다. 이 조건에서 철 함량은 약 23% 감소하였으며, 처리된 용탕의 성분은 LM24 또는 LM27과 같은 상용 합금 규격을 만족하여 직접적인 산업 활용이 가능한 수준에 도달했습니다.

Conclusion

본 연구는 고전단 용탕 처리(HSMC) 기술이 폐자동차 유래 알루미늄 스크랩의 고부가가치 재활용을 위한 핵심 공정이 될 수 있음을 입증하였다. HSMC는 탈가스 효율을 극대화하여 기공 결함을 획기적으로 줄였을 뿐만 아니라, Mn 첨가와의 시너지를 통해 유해한 철 성분을 효과적으로 제거하고 미세조직을 개선하였다. 특히 100% 재활용 소재를 사용하여 상용 합금 규격에 부합하는 품질을 확보했다는 점은 알루미늄 산업의 순환 경제 구축에 있어 중요한 기술적 성과로 평가된다. 향후 공정 온도와 유지 시간의 추가 최적화를 통해 정제 효율을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.

Source Information

Citation: Kawther Al-Helal, Jaime Lazaro-Nebreda, Jayesh B. Patel, Geoff M. Scamans (2021). High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap. Recycling.

DOI/Link: https://doi.org/10.3390/recycling6040066

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