Figure 5 Aluminum Ingots - 50% / 50% Ingot

이 기술 요약은 Gilson Gilmar Holzschuh 등이 2021년 Research Square에 발표한 논문 “Casting of recycled aluminum, Al + Cu + Mg alloy formation and lamination process of an electric current conductor”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 알루미늄 합금 주조
  • Secondary Keywords: 재활용 알루미늄, 전기 도체, 라미네이션 공정, 주조 시뮬레이션, CFD

Executive Summary

  • The Challenge: 재활용 알루미늄 캔을 활용하여 전기 도체와 같은 고성능 소재를 비용 효율적이고 지속 가능한 방식으로 생산하는 방법을 개발하는 것.
  • The Method: 재활용 알루미늄 캔과 상업용 알루미늄을 결합하고, 구리(Cu)와 마그네슘(Mg)을 첨가하여 특정 합금을 만드는 다단계 주조 공정을 사용했습니다. 이 합금은 라미네이션을 위해 테이프 형태로 주조되었습니다.
  • The Key Breakthrough: 재활용 소재로부터 새로운 합금(Al 85%, Cu 6.38%, Mg 8.51%)을 성공적으로 제조하여, 전기 전도성을 가질 가능성이 있는 라미네이트 테이프 생산 공정의 실현 가능성을 입증했습니다.
  • The Bottom Line: 본 연구는 알루미늄 폐기물을 부가가치가 높은 제품으로 재활용하는 실용적인 방법론을 제공하며, 전기 부품 제조를 위한 지속 가능한 대안을 제시합니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

1차 알루미늄 생산은 막대한 에너지를 소비하며 환경에 큰 부담을 줍니다. 이에 대한 대안으로 알루미늄 재활용이 주목받고 있으며, 특히 알루미늄 캔은 재활용 과정에서 물리적, 화학적 특성 손실 없이 반복 사용이 가능해 이상적인 재료입니다. 그러나 재활용 알루미늄을 전기 도체와 같은 고부가가치 제품에 적용하기 위해서는 기계적, 전기적 특성을 향상시키는 합금화 공정이 필수적입니다. 기존 연구는 재활용 효율성 자체에 초점을 맞추었지만, 특정 기능(예: 전도성)을 가진 최종 제품을 목표로 한 재활용 합금 주조 및 성형 공정에 대한 연구는 부족한 실정입니다. 이 연구는 재활용 알루미늄 캔에 상업용 알루미늄, 구리, 마그네슘을 첨가하여 전기 도체용 라미네이트 테이프를 제조하는 구체적인 방법론을 제시함으로써 이러한 기술적 격차를 해소하고자 합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 재활용 알루미늄 캔을 고성능 합금으로 변환하기 위해 체계적인 다단계 실험 방법론을 채택했습니다.

  1. 1단계 (재활용 알루미늄 잉곳 형성): 먼저 20kg의 재활용 알루미늄 캔을 산업용 Grion 오븐에서 750°C로 용해하여 1차 잉곳을 제작했습니다. 이 과정에서 발생하는 슬래그는 주기적으로 제거되었습니다.
  2. 2단계 (50%/50% 잉곳 형성): 10kg의 상업용 알루미늄(합금 6063)을 용해한 후, 1단계에서 제작된 재활용 알루미늄 잉곳을 첨가하여 50%의 재활용재와 50%의 상업용재로 구성된 2차 잉곳(“50%/50% 잉곳”)을 만들었습니다.
  3. 3단계 (합금 원소 첨가 및 테이프 주조): 2차 잉곳을 800g 단위로 나누어, 전도성과 연성을 향상시키기 위해 구리(Cu)와 마그네슘(Mg)을 단계적으로 첨가하며 3차 잉곳을 제작했습니다. 최종적으로 용융된 합금은 SAE 1045 강철로 제작된 금형에 부어 두께 2mm, 3mm, 4mm의 테이프 형태 시편을 만들었습니다.
  4. 4단계 (라미네이션 및 검증): 주조된 테이프 시편은 벤치 라미네이터를 사용하여 목표 두께인 0.5mm에 가깝게 압연하는 공정을 거쳤습니다. 각 단계에서 생성된 시편의 화학적 조성은 광학 방출 분광법으로 분석되었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

본 연구는 재활용 알루미늄을 활용한 고기능성 합금 테이프 제조 공정의 실현 가능성을 입증하는 중요한 결과들을 도출했습니다.

Finding 1: 재활용 소재 기반의 성공적인 맞춤형 합금 개발

연구팀은 다단계 주조 공정을 통해 재활용 알루미늄 캔으로부터 특정 조성을 갖는 새로운 합금을 성공적으로 개발했습니다. 초기 20kg의 알루미늄 캔 주조에서는 슬래그 형성으로 인해 51%의 수율(10.2kg)을 보였습니다. 이후 상업용 알루미늄과 혼합한 50%/50% 잉곳의 수율은 90%로 크게 향상되었습니다. 최종적으로 구리 60g과 마그네슘 80g을 첨가한 결과, Table 11에서 볼 수 있듯이 구리(Cu) 7.00%, 마그네슘(Mg) 6.775%를 포함하는 합금이 형성되었습니다. 이는 재활용 원료의 불순물을 제어하면서도 목표로 하는 기계적, 전기적 특성을 부여할 수 있는 합금 설계가 가능함을 시사합니다.

Finding 2: 얇은 테이프 형태 주조 및 라미네이션 공정의 실현 가능성

본 연구는 단순히 합금을 만드는 것을 넘어, 최종 제품 형태인 얇은 테이프를 제조하는 공정의 타당성을 검증했습니다. 두께 2mm, 3mm, 4mm의 채널을 가진 맞춤형 금형을 사용하여 용융 합금을 성공적으로 주조했습니다. 이렇게 제작된 시편들은 후속 라미네이션 공정을 통해 두께를 0.5mm까지 줄이는 것을 목표로 했습니다. 이 결과는 재활용 합금을 특정 형상으로 정밀하게 주조하고, 추가적인 기계적 가공을 통해 원하는 사양의 반제품을 생산할 수 있는 통합 공정의 잠재력을 보여줍니다. 이는 전기 도체와 같은 정밀 부품 제조에 재활용 소재를 적용할 수 있는 길을 열어줍니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 이 연구는 재활용 원료로부터 최종 합금 조성을 제어하기 위해 다단계 주조 공정이 효과적일 수 있음을 시사합니다. 특히 초기 재활용 캔 주조 시 51%의 낮은 수율은 슬래그 관리가 전체 공정 효율에 미치는 영향을 명확히 보여주며, 이는 공정 최적화의 핵심 변수가 될 수 있습니다.
  • For Quality Control Teams: 논문의 Table 8, 10, 11에 제시된 화학 분석 데이터는 각 공정 단계별로 기대되는 합금 조성에 대한 명확한 기준을 제공합니다. 특히 마그네슘이 산화로 인해 손실되는 현상은 모니터링해야 할 중요한 품질 관리 포인트입니다.
  • For Design Engineers: 이 연구 결과는 재활용 소재를 사용하여 전기 도체와 같은 특정 용도를 위한 맞춤형 합금을 개발할 수 있는 가능성을 보여줍니다. 이는 성능 저하 없이 지속 가능한 재료를 사용하여 부품을 설계할 수 있는 새로운 기회를 제공합니다.

Paper Details

Casting of recycled aluminum, Al + Cu + Mg alloy formation and lamination process of an electric current conductor

1. Overview:

  • Title: Casting of recycled aluminum, Al + Cu + Mg alloy formation and lamination process of an electric current conductor
  • Author: Gilson Gilmar Holzschuh, Jorge André Ribas Moraes, Sergio Boscato Garcia, Izete Zanesco, Liane Mallman Kipper, Rosana de Cassia Schneider
  • Year of publication: 2021
  • Journal/academic society of publication: Research Square (Preprint)
  • Keywords: Aluminum Cans, Aluminum Casting, Aluminum alloy, Laminated Tapes

2. Abstract:

이 연구는 알루미늄 캔과 1차(상업용) 알루미늄이 라미네이트 테이프로 변환되어 산업적 적용 가능성을 갖는 주조를 통한 재활용 공정 방법론을 제시합니다. 이 연구는 대안 재료를 평가하기 위해 질적 기법을 사용했기 때문에 서지적, 탐색적, 실험적으로 분류되었습니다. 연구의 목적은 라미네이트될 테이프 제작에 유리한 특성을 가진 다양한 재료를 통합하는 것이었습니다. 첫 번째 주조에서는 음료수 캔의 알루미늄만으로 재활용 알루미늄 잉곳을 형성했으며 재료 수율은 51%였습니다. 두 번째 주조에서는 재활용 알루미늄 잉곳에 상업용 알루미늄을 추가했습니다. 두 주조 재료를 사용한 주조 공정 후, 잉곳은 90%의 수율을 보였습니다. 세 번째 주조는 이미 잉곳으로 형성된 알루미늄(50% 재활용 및 50% 상업용)과 함께 수행되었습니다. 이 잉곳의 목적은 가단성 및 전도성과 같은 일부 특성을 제공할 수 있는 다른 재료를 통합하는 것이었습니다. 세 번째 주조는 두 번째 잉곳으로부터 만들어졌으며, 구리와 마그네슘을 통합했습니다. 라미네이트 테이프 설계를 위해, 세 번째 주조에서 용융된 알루미늄을 받기 위한 주형이 제작되었습니다. 알루미늄은 이 금형에 주조되어 세 개의 테이프가 생산되었는데, 하나는 두께 2mm, 다른 하나는 두께 3mm, 마지막은 두께 4mm였습니다. 이 테이프들을 사용하여 두께를 0.5mm에 가까운 값으로 줄이기 위해 라미네이트하는 것이 목표였습니다. 상업용 알루미늄을 첨가한 알루미늄 캔의 주조 공정, 그리고 구리와 마그네슘의 통합은 라미네이트 테이프 제작 공정에서 두께 감소에 용이함을 보여주었습니다.

Figure 5 Aluminum Ingots - 50% / 50% Ingot
Figure 5 Aluminum Ingots – 50% / 50% Ingot

3. Introduction:

재활용은 경제적으로나 환경적으로 건전한 공정입니다. 재활용을 통해 폐기물의 양이 줄어들고 특정 공정에 사용되는 원자재의 양도 감소합니다. 재활용 알루미늄 1톤당 4톤의 보크사이트 추출을 피할 수 있으며, 이는 에너지 생산에서 최대 95%를 절약합니다. 알루미늄은 특성을 잃지 않고 무수히 재활용될 수 있는 재료이기 때문에 재활용이라는 용어를 언급할 때 가장 먼저 떠오르는 물질입니다. 알루미늄은 부식 저항성, 열 및 전기 전도성이 좋고 매우 연성이 좋습니다. 이러한 특징들은 매우 얇은 라미네이트, 포장재, 음료수 캔, 화학 산업 용기, 케이블 및 전기 도체 제조에 적합하게 만듭니다. 본 연구의 목적은 상업용 알루미늄을 50% 비율로 첨가하고, 이후 구리와 마그네슘을 추가하여 전도성 라미네이트 테이프를 개발하기 위해 알루미늄 캔의 주조를 수행하는 것이었습니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

알루미늄 재활용은 에너지 절약과 천연자원 보존 측면에서 매우 중요한 산업 활동입니다. 특히 알루미늄 캔은 재활용률이 높고 공정이 비교적 잘 정립되어 있습니다. 하지만 재활용 알루미늄의 가치를 높이기 위해서는 단순한 재용해를 넘어 특정 기능을 갖는 고부가가치 제품으로 전환하는 기술 개발이 필요합니다.

Status of previous research:

기존 연구들은 알루미늄 재활용 시 에너지 절감 효과(최대 95%), 브라질의 높은 재활용률(2017년 97.3%) 등을 보고하며 재활용의 환경적, 경제적 이점을 강조해왔습니다. 또한, 알루미늄 합금의 기계적 특성을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되었으나, 재활용 캔을 원료로 하여 전기 도체용 소재를 개발하는 구체적인 공정 연구는 상대적으로 미흡했습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 재활용 알루미늄 캔을 주 원료로 사용하여, 상업용 알루미늄, 구리(Cu), 마그네슘(Mg)을 첨가함으로써 전기 전도체로 사용될 수 있는 라미네이트 테이프를 제조하는 통합 공정 방법론을 개발하고 그 실현 가능성을 평가하는 것입니다.

Core study:

연구의 핵심은 재활용 알루미늄 캔의 주조, 상업용 알루미늄과의 혼합을 통한 잉곳 제조, 구리 및 마그네슘 첨가를 통한 합금화, 그리고 특정 두께를 가진 테이프 형태로의 주조 및 라미네이션 공정으로 구성된 일련의 실험 과정입니다. 각 단계별 수율과 최종 합금의 화학적 조성을 분석하여 공정의 효율성과 결과물의 특성을 평가했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 서지적, 탐색적, 실험적 연구 설계를 따랐습니다. 재활용 알루미늄 캔을 시작으로 총 3번의 주조 단계를 거쳐 최종 합금을 만들고, 이를 테이프 형태로 주조한 후 라미네이션하는 순차적 실험으로 구성되었습니다. – 1차 주조: 재활용 캔 100% 잉곳 제작 – 2차 주조: 1차 잉곳 + 상업용 알루미늄 (50%/50% 잉곳) – 3차 주조: 2차 잉곳 + Cu, Mg 합금 원소 첨가 – 최종 성형: 테이프 주조 및 라미네이션

Data Collection and Analysis Methods:

각 주조 단계에서 생성된 잉곳 및 최종 시편의 샘플을 채취하여 광학 방출 분광기(CCD Plus – S5 Solar Optical Spectrometer)를 사용해 화학적 조성을 분석했습니다. 공정 수율은 각 단계의 초기 투입 질량 대비 최종 생산된 잉곳의 질량을 측정하여 계산했습니다.

Research Topics and Scope:

연구의 범위는 브라질 산타크루스두술(Santa Cruz do Sul) 지역의 폐기물 수거 협동조합에서 수거한 알루미늄 음료수 캔을 원료로 사용했습니다. 상업용 알루미늄(6063 합금), 구리 분말, 마그네슘(99.9% 순도)을 합금 원소로 사용했습니다. 연구는 합금 제조 및 테이프 주조 공정 개발에 초점을 맞추었으며, 제조된 테이프의 전기적 특성 평가는 후속 연구로 남겨두었습니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 20kg의 재활용 알루미늄 캔을 사용한 1차 주조 공정의 수율은 슬래그 제거 후 51% (10.2kg)였습니다.
  • 재활용 잉곳과 상업용 알루미늄을 혼합한 2차 주조(50%/50% 잉곳)의 수율은 90%로 향상되었습니다.
  • 50%/50% 잉곳에 구리 60g을 첨가했을 때, 합금 내 구리 함량은 4.176%에 도달했습니다 (Table 10).
  • 구리 60g과 마그네슘 80g을 추가로 첨가한 최종 합금의 화학 조성은 구리 7.00%, 마그네슘 6.775%를 기록했습니다 (Table 11).
  • 최종적으로 Al 85%, Cu 6.38%, Mg 8.51% 조성을 갖는 새로운 합금의 생산 가능성을 확인했습니다 (Table 7).
  • 두께 2mm, 3mm, 4mm의 테이프를 성공적으로 주조했으며, 이를 0.5mm까지 라미네이션하는 공정의 기반을 마련했습니다.
Figure 9 Identification and verification of the validity of the specimen.
Figure 9 Identification and verification of the validity of the specimen.

Figure List:

  • Figure 1: Casting efficiency with flux addition and temperature evolution.
  • Figure 2: Methodological sequence of the research steps during the casting process.
  • Figure 3: Manual placement of aluminum cans.
  • Figure 4: Slag removed from the melt.
  • Figure 5: Aluminum Ingots – 50% / 50% Ingot
  • Figure 6: Mold made for pouring of the 3rd ingot
  • Figure 7: Pouring process of molten aluminum into the mold
  • Figure 8: Opening of the mold and removal of specimens from the 1st batch of samples from the 50% / 50% ingot experiment.
  • Figure 9: Identification and verification of the validity of the specimen.

7. Conclusion:

알루미늄 캔은 수거 및 판매가 용이하여 재활용 재료로 좋은 선택입니다. 재활용 알루미늄 주조 공정은 고형 폐기물을 재사용할 수 있는 넓은 가능성을 보여줍니다. 본 연구를 통해 초기 슬래그 분리 후 음료수 캔에서 재활용 알루미늄을 주조하는 것이 재활용 공정의 효율성을 크게 높인다는 것이 입증되었습니다. 50% 재활용 알루미늄과 50% 상업용 알루미늄을 포함하는 잉곳에 구리와 마그네슘을 첨가하는 것은 개발된 방법론을 통해 다양한 재료를 주조할 수 있는 큰 가능성을 보여주었습니다. 이는 Al 85%, Cu 6.38%, Mg 8.51%의 새로운 합금을 생산함으로써 입증되었습니다. 이 연구는 평판 테이프의 라미네이션 및 마감 공정으로 계속될 것이며, 다음 단계는 테이프가 전류 전도 특성을 가지고 있는지 테스트하는 것입니다.

8. References:

  1. ABAL. Alumínio: Processos de Produção. Reciclagem. 2018. Available in: http://abal.org.br/aluminio/processos-de-producao/reciclagem. Accessed in: 04/09/2019.
  2. ABAL, A. B. D. A. Reciclagem no Brasil. 2017. Available in: http://abal.org.br/sustentabilidade/reciclagem/reciclagem-no-brasil. Accessed in: 03/02/2018.
  3. ABDEL-SHAFY, H. I.; MANSOUR, M. S. Solid waste issue: Sources, composition, disposal, recycling, and valorization. Egyptian journal of petroleum, 27, n. 4, p. 1275-1290, 2018. https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2018.07.003.
  4. ACHYUTH, K.; PATEL, M.; SANGRAL, S.; JAYAPRAKASH, M. Fretting wear degradation behavior of Al-Si-Ni based cast Aluminum alloy under different environment. Materials Today: Proceedings, 15, p. 103-108, 2019. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.05.031.
  5. ASHTARI, P.; TETLEY-GERARD, K.; SADAYAPPAN, K. Removal of iron from recycled aluminium alloys. Canadian Metallurgical Quarterly, 51, n. 1, p. 75-80, 2012. https://doi.org/10.1179/1879139511Y.0000000026.
  6. ASSOCIATION, A. Aluminum: properties and physical metallurgy. ASM international, 1984. BOOK. ISBN: 1615031693.
  7. BASAK, С. В.; HARI BABU, N. Morphological changes and segregation of ẞ-Al9Fe2Si2 phase: A perspective from better recyclability of cast Al-Si alloys. Materials & Design, 108, p. 277-288, 2016. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.06.096.
  8. BDEIR, L. M. H.; ALSAFFAR, K. A. Recycling of aluminum beverage cans. Journal of Engineering and Sustainable Development, 12, n. 3, p. 157-163, 2008. Available in: https://www.iasj.net/iasj?func=fulltext&ald=10274. Accessed in: 05/12/2019.
  9. DAGWA, I. M.; ADAMA, K. K. Property evaluation of pumice particulate-reinforcement in recycled beverage cans for Al-MMCs manufacture. Journal of King Saud University – Engineering Sciences, 30, n. 1, p. 61-67, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2015.12.006.
  10. DAVIS, J. R. Alloying: Understanding the Basics. ASM International, 2001. BOOK. ISBN: 978-0-87170-744-4.
  11. DING, N.; GAO, F.; WANG, Z.; GONG, X. et al. Environment impact analysis of primary aluminum and recycled aluminum. Procedia Engineering, 27, p. 465-474, 2012. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.12.475.
  12. FIGUEIREDO, F. F. A contribuição da reciclagem de latas de alumínio para o meio ambiente brasileiro. Revista Aracne, n. 127, 2009. Available in: http://www.ub.edu/geocrit/aracne/aracne-127.htm. Accessed in: 05/12/2019.
  13. GHISELLINI, P.; ULGIATI, S. Circular economy transition in Italy. Achievements, perspectives and constraints. Journal of Cleaner Production, 243, p. 118360, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118360.
  14. GRIMAUD, G.; PERRY, N.; LARATTE, B. Aluminium cables recycling process: Environmental impacts identification and reduction. Resources, Conservation and Recycling, 135, p. 150-162, 2018. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2017.11.010.
  15. GRONOSTAJSKI, J.; MARCINIAK, H.; MATUSZAK, A. New methods of aluminium and aluminium-alloy chips recycling. Journal of materials processing technology, 106, n. 1-3, p. 34-39, 2000. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00634-8.
  16. HUTCHESON, W.; HOAGLAND, P.; JIN, D. Valuing environmental education as a cultural ecosystem service at Hudson River Park. Ecosystem Services, 31, p. 387-394, 2018. https://doi.org/10.1016/j.ecoser.2018.03.005.
  17. HUYNH, L. A. T.; PHAM, C. H.; RASMUSSEN, K. J. R. Mechanical properties and residual stresses in cold-rolled aluminium channel sections. Engineering Structures, 199, p. 109562, 2019. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.109562.
  18. JERINA, L.; MEDVED, J.; GODEC, M.; VONČINA, M. Influence of the specific surface area of secondary material on the solidification process and microstructure of aluminium alloy AA7075. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 134, n. 1, p. 455-462, October 01 2018. journal article. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(09)60417-9.
  19. KUCHARIKOVÁ, L.; TILLOVÁ, E.; CHALUPOVÁ, M.; MAZUR, M. et al. Analysis of microstructure in AlSi7Mg0.3 cast alloy with different content of Fe. Transportation Research Procedia, 40, p. 59-67, 2019/01/01/2019. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2019.07.011.
  20. KUMAR, A.; KUMAR, S.; MUKHOPADHYAY, N. K. Introduction to magnesium alloy processing technology and development of low-cost stir casting process for magnesium alloy and its composites. Journal of Magnesium and Alloys, 6, n. 3, p. 245-254, 2018/09/01/2018. https://doi.org/10.1016/j.jma.2018.05.006.
  21. MANDATSY MOUNGOMO, J. B.; NGANGA KOUYA, D.; SONGMENE, V. Aluminium Machining Chips Formation, Treatment & Recycling: A Review. Key Engineering Materials, 710, p. 71-76, 2016. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.710.71.
  22. MANSUROV, Y.; LETYAGIN, N.; FINOGEYEV, A.; RAKHMONOV, J. Influence of impurity elements on the casting properties of Al-Mg based alloys. Non-Ferrous Metals, 44, n. 1, p. 24-29, 2018. DOI:10.17580/nfm.2018.01.05. http://www.rudmet.ru/journal/1729/article/29647/?language=en. Accessed in: 05/12/2019.
  23. PHAN HOANG, T. T.; KATO, T. Measuring the effect of environmental education for sustainable development at elementary schools: A case study in Da Nang city, Vietnam. Sustainable Environment Research, 26, n. 6, p. 274-286, 2016. https://doi.org/10.1016/j.serj.2016.08.005.
  24. ROSA, F. R.; MATIAS, J. D. S.; JUNHO, B. D. O., 2016, Pouso Alegre – Minas Gerais. A importância da logística reversa no campo industrial: Aplicação no reprecessamento do alumínio. Brasil. p. 124 – 137. Available in: http://www.univas.edu.br/docs/biblioteca/Ebook_IllelVCongressoCientificoProducao_2014e2015.pdf#page=124. Acesso em: 14/10/2019. Accessed in: 01/12/2019.
  25. SCHLESINGER, M. E. Aluminum recycling. CRC press, 2013. BOOK ISBN: 1466570253.
  26. SHACKELFORD, J. F. Introduction to materials science for engineers. 6ª ed. Pearson Prentice Hall, 2008. BOOK. ISBN: 9788576051602.
  27. SHAMSUDIN, S.; LAJIS, M. A.; ZHONG, Z. W. Evolutionary in Solid State Recycling Techniques of Aluminium: A review. Procedia CIRP, 40, p. 256-261, 2016. https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.01.117.
  28. VERRAN, G.; KURZAWA, U.; PESCADOR, W. Reciclagem de latas de alumínio visando melhor rendimento e qualidade metalúrgica no alumínio obtido. Revista Matéria, 10, n. 1, p. 334-343, 2005. Available in: http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10635. Accessed in: 02/12/2019.
  29. VERRAN, G. O.; KURZAWA, U. An experimental study of aluminum can recycling using fusion in induction furnace. Resources, Conservation and Recycling, 52, n. 5, p. 731-736, 2008. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2007.10.001.
  30. VERRAN, G. O.; KURZAWA, U.; PESCADOR, W. A., 2004, Santa Catarina. Reciclagem de latas de alumínio visando a obtenção de matérias primas com qualidade para aplicação em processos metalúrgicos de fabricação. 2004. Available in: https://slidex.tips/download/ictr-2004-congresso-brasileiro-de-ciencia-e-tecnologia-em-residuos-e-desenvolvim-39. Accessed in: 03/12/2019.
  31. ZHANG, L.; GAO, J.; DAMOAH, L. N. W.; ROBERTSON, D. G. Removal of iron from aluminum: a review. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 33, n. 2, p. 99-157, 2012. https://doi.org/10.1080/08827508.2010.542211.
  32. ZÁVODSKÁ, D.; TILLOVÁ, E.; ŠVECOVÁ, I.; KUCHARIKOVÁ, L. et al. Secondary cast Al-alloys with higher content of iron. Materials Today: Proceedings, 5, n. 13, Part 2, p. 26680-26686, 2018. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.135.
  33. ŠKŮRKOVÁ, K. L.; INGALDI, M. Recycling Process of the Aluminium Cans as an Example of the Renewable Material Sources. Advanced Materials Research, 1001, p. 103-108, 2014. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1001.103.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 단일 용해 공정 대신 다단계 주조 공정을 사용한 이유는 무엇입니까?

A1: 다단계 공정을 통해 최종 합금의 조성을 정밀하게 제어할 수 있었습니다. 첫 단계에서 재활용 캔을 용해하여 불순물이 많은 1차 잉곳을 만들고, 두 번째 단계에서 순도가 높은 상업용 알루미늄과 혼합하여 안정적인 베이스 잉곳(50%/50% 잉곳)을 제작했습니다. 마지막으로 이 안정된 베이스 잉곳에 구리, 마그네슘과 같은 합금 원소를 정량적으로 첨가함으로써 목표로 하는 최종 합금 조성을 보다 정확하게 구현할 수 있었습니다.

Q2: 재활용 캔의 초기 주조 수율이 51%로 낮은 이유는 무엇입니까?

A2: 논문에 따르면, 알루미늄 캔과 같이 얇고 표면적이 넓으며 코팅이 있는 스크랩을 용해할 때 산화 및 슬래그 형성이 활발하게 일어납니다. 이 과정에서 상당량의 알루미늄이 산화물(슬래그) 형태로 손실되어 수율이 낮아진 것으로 분석됩니다. 이는 재활용 공정에서 수율을 높이기 위해 슬래그 관리가 매우 중요함을 보여줍니다.

Q3: Table 11의 최종 마그네슘 함량은 6.775%로, Table 7에서 언급된 목표치 8.51%보다 낮습니다. 이러한 차이가 발생한 이유는 무엇입니까?

A3: 논문에서는 마그네슘이 용융 알루미늄에 잘 용해되지만, 산소와 접촉 시 산화되기 쉬운 특성이 있다고 언급합니다. 비록 아르곤 가스를 주입하여 산화를 억제하려 했지만, 용해 및 주입 과정에서 일부 마그네슘이 산화되어 슬래그로 손실되었기 때문에 최종 함량이 목표치보다 낮아진 것으로 보입니다.

Q4: 두께가 2mm, 3mm, 4mm로 다른 세 종류의 테이프를 제작한 목적은 무엇입니까?

A4: 이는 후속 공정인 라미네이션(압연) 공정을 테스트하기 위함입니다. 다양한 초기 두께의 시편을 제작함으로써, 목표 두께인 0.5mm까지 효율적으로 압연하기 위한 최적의 시작 두께를 파악하고, 각 두께에 따른 재료의 변형 특성을 평가하기 위한 목적으로 설계되었습니다.

Q5: 이 논문은 주조 및 합금 공정에 중점을 두고 있습니다. 이 재료를 전기 도체로 검증하기 위한 핵심적인 다음 단계는 무엇입니까?

A5: 논문의 결론 부분에서 다음 단계는 “테이프가 전류 전도 특성을 가지고 있는지 테스트하는 것”이라고 명시하고 있습니다. 따라서, 제작된 테이프 시편을 목표 두께까지 라미네이션한 후, 전기 저항률(electrical resistivity)을 측정하여 전기 전도성을 정량적으로 평가하는 것이 가장 중요한 다음 연구 단계가 될 것입니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 재활용 알루미늄 캔이라는 저비용 원료를 사용하여 고부가가치 전기 부품을 생산할 수 있는 실용적인 경로를 제시합니다. 체계적인 알루미늄 합금 주조 공정을 통해 합금 조성을 정밀하게 제어하고, 라미네이션을 통해 원하는 형태의 제품을 만들 수 있는 가능성을 입증했습니다. 이는 지속 가능성과 경제성을 동시에 추구하는 현대 제조업에 중요한 기술적 통찰을 제공하며, 순환 경제를 향한 의미 있는 진전이라 할 수 있습니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

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Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “Casting of recycled aluminum, Al + Cu + Mg alloy formation and lamination process of an electric current conductor” by “Gilson Gilmar Holzschuh, et al.”.
  • Source: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-443027/v1

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