알루미늄 정제 프로세스

고순도 알루미늄 생산은 수소를 제거하는 회전식 탈기, 알칼리 금속과 산화물을 분리하는 플럭스 주입, 고체 개재물을 물리적으로 포집하는 세라믹 폼 여과 등 3단계 접근 방식에 의존합니다.

무결점 주조를 달성하려면 주조 공장에서 이러한 단계를 엄격하게 준수해야 합니다. 효과적인 정제가 이루어지지 않으면 용융 용융물은 다공성 및 약한 기계적 특성으로 인해 어려움을 겪습니다. 업계 표준은 유지로와 주조 테이블 사이에 인라인 탈기 장치를 배치하는 것입니다. 이 장치는 수소와 결합하는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스를 도입합니다. 동시에 심층 여과 메커니즘을 활용하는 세라믹 폼 필터(CFF)가 미크론 크기의 비금속 입자를 걸러냅니다. 이 통합 시스템을 구현하면 ASTM 품질 표준 준수를 보장하고 다운스트림 공정에서 폐기율을 크게 낮출 수 있습니다.

현대 야금학에서 정제의 중요한 필요성

제련소나 재활용 용광로에서 나오는 알루미늄은 항공우주, 자동차 또는 호일 제조와 같은 고급 애플리케이션에 사용할 수 있을 만큼 깨끗하지 않습니다. 용융물에는 구조적 무결성을 손상시키는 적들이 포함되어 있습니다.

운영자는 세 가지 주요 오염원에 직면합니다:

1. 수소 가스: 액체 알루미늄에 용해되는 유일한 기체입니다. 응고 시 다공성(핀홀)을 유발합니다.

2. 산화물 필름(드로스): 알루미늄은 산소와 즉각적으로 반응하여 금속의 연속성을 약화시키는 막을 형성합니다.

3. 알칼리 금속: 연성을 감소시키는 나트륨(Na), 리튬(Li), 칼슘(Ca)과 같은 원소.

에이디테크는 이러한 특정 오염 물질을 처리하는 엔지니어링 솔루션에 중점을 둡니다. 정화를 건너뛰면 제품 고장의 위험이 있습니다. 산화물 하나만 포함되어도 얇은 게이지 포일이 찢어지거나 합금 휠에 균열이 생길 수 있습니다.

수소 흡수 메커니즘

수분은 수소의 주요 공급원입니다. 습한 공기, 축축한 도구 또는 불완전하게 건조된 내화물에서 발생합니다. 수증기(H2O)가 용융 알루미늄(Al), 반응이 발생합니다:

원자 수소는 용융물 속으로 확산됩니다. 금속이 냉각되면 수소의 용해도가 급격히 떨어지면서 용액에서 기체가 빠져나와 기포가 형성됩니다. 금속이 얼기 전에 이 가스를 제거해야 합니다.

1차 정화 기술

용융 알루미늄을 정제하는 것은 한 번에 이루어지는 것이 아닙니다. 일련의 작업입니다. 용융 청결도를 보장하기 위해 전 세계적으로 그리고 ADtech에서 사용하는 핵심 기술을 살펴봅니다.

1. 로터리 가스 제거 시스템

수소를 제거하는 가장 효율적인 방법은 회전식 가스 제거입니다. 이 공정에는 회전하는 로터와 용융물에 잠긴 샤프트가 포함됩니다. 시스템은 샤프트를 통해 불활성 가스(아르곤 또는 질소)를 주입합니다.

회전하는 로터는 큰 기포를 수백만 개의 작은 마이크로 버블로 절단합니다. 이렇게 하면 표면적이 크게 증가합니다.

작동 방식:

• 확산: 용융물의 수소 원자는 불활성 기체 기포 내부의 낮은 분압으로 끌려갑니다.

• 부양: 기포가 표면으로 올라와 수소를 운반합니다.

• 포함 제거: 기포는 또한 산화물 입자에 부착되어 스키밍을 위해 드로스 층에 떠다니게 됩니다.

에이디텍 가스 제거 장치는 최적화된 로터 설계를 통해 와류를 방지합니다. 와류는 표면 드로스를 용융물로 다시 빨아들여 목적을 달성하지 못할 수 있습니다.

2. 플럭스 주입(플럭싱)

플럭싱에는 용융물에 화학 염을 첨가하는 작업이 포함됩니다. 과거에는 수동으로 첨가하는 것이 일반적이었지만, 최신 라인에서는 자동 주입 기계를 사용합니다. 이 기계는 과립형 플럭스와 불활성 가스의 정밀한 혼합물을 용융조 깊숙이 주입합니다.

플럭스의 기능:

• 습윤제: 표면 장력을 변화시켜 드로스에 갇혀 있던 알루미늄이 다시 욕조로 흘러 들어가도록 합니다.

• 화학적 청소: 특정 플럭스는 칼슘 또는 나트륨과 반응하여 이를 제거합니다.

• 벽 청소: 발열 플럭스는 퍼니스 벽에 커런덤이 쌓이지 않도록 도와줍니다.

3. 세라믹 폼 여과(CFF)

필터링은 최종 게이트키퍼입니다. 주조 테이블 바로 앞에 위치한 필터 박스에는 세라믹 폼 필터가 들어 있습니다. ADtech는 인산염 결합 고알루미나 또는 실리콘 카바이드 소재를 사용하는 CFF 제조 전문업체입니다.

필터는 두 가지 메커니즘을 통해 작동합니다:

• 케이크 필터링: 큰 입자는 필터 표면에서 차단됩니다.

• 딥 베드 필터링: 작은 입자는 중력, 마찰 및 화학적 친화력으로 인해 필터 내부 구조의 구불구불한 경로 안에 갇히게 됩니다.

올바른 필터링 매개변수 선택하기

올바른 필터를 선택하는 것은 추측이 아닌 엔지니어링입니다. 사용되는 측정 기준은 PPI(인치당 모공 수)입니다. PPI가 높을수록 더 미세한 여과가 가능하지만 흐름을 시작하려면 더 높은 금속 헤드 압력이 필요합니다.

필터 선택 매트릭스

다음 표는 애플리케이션에 따른 필터 선택에 관한 데이터를 제공합니다.

애플리케이션 유형	권장 PPI	필터 재질	주요 목표
표준 압출 빌릿	30 - 40 PPI	알루미나/SiC	큰 산화물을 제거하고 다이 라인을 방지합니다.
자동차 주조(휠)	40 - 50 PPI	실리콘 카바이드	균열을 일으키는 내포물을 제거합니다.
항공우주 합금	50 - 60 PPI	고알루미나	피로 저항성을 위한 최대 순도.
캔 바디 재고	50 PPI	알루미나	롤링 중 찢어짐을 방지합니다.
호일 롤링(얇은 게이지)	60+ PPI	고알루미나	핀홀이 필요하지 않습니다.

참고: ADtech 엔지니어는 세라믹에 균열이 생길 수 있는 열 충격을 피하기 위해 필터 박스를 예열할 것을 권장합니다.

가스 제거와 여과의 상호 작용

운영자는 종종 이러한 단계 중 하나만 수행할 수 있는지 묻습니다. 대답은 '아니요'입니다. 이 두 단계는 함께 작동합니다.

가스를 제거하지 않고 필터링하면 금속은 여전히 수소 다공성을 갖게 됩니다. 필터링하지 않고 가스를 제거하면 내포물이 통과하게 됩니다. 실제로 가스 제거 장치는 작은 개재물을 큰 덩어리로 뭉치게 하는 경우가 많습니다. 그러면 다운스트림 필터가 이러한 덩어리를 쉽게 포착합니다.

배치 전략:

캐스팅 라인의 표준 레이아웃은 다음과 같습니다:

1. 용광로.

2. 세탁.

3. ADtech 가스 제거 장치.

4. ADtech 필터 박스(CFF).

5. 캐스팅 테이블.

이 순서는 매우 중요합니다. 가스 제거는 난기류를 생성합니다. 이러한 난기류가 발생하려면 전에 필터가 금형에 들어갈 때 흐름이 층류(매끄럽게)가 되도록 합니다.

프로세스 최적화: 유량 및 로터 속도

성공은 디테일에 있습니다. 가스 제거 장치를 최대 속도로 가동하는 것이 항상 좋은 것은 아닙니다. 과도한 속도는 표면 난류를 생성하여 신선한 금속을 대기 중 산소에 노출시킵니다.

권장 운영 매개변수

매개변수	표준 범위	편차의 영향
로터 속도(RPM)	350 - 550 RPM	너무 높으면 드로스가 생성되고 너무 낮으면 거품 분산이 감소합니다.
가스 유량(L/min)	15 - 25 L/min	너무 높으면 “끓음'이 발생하고 너무 낮으면 H2를 제거하지 못합니다.
금속 온도	700°C - 750°C	낮은 온도는 필터를 막고, 높은 온도는 H2 흡수를 증가시킵니다.
필터 예열	15분~20분	예열이 부족하면 얼어붙은 금속이 필터를 막게 됩니다.

운영자는 합금 유형에 따라 이러한 설정을 보정해야 합니다. 5000 시리즈 합금(고마그네슘)은 6000 시리즈(마그네슘-실리콘)와 다르게 작동합니다.

사례 연구: 미국 미시간주의 수율 개선

위치 미시간주, 자동차 다이캐스팅 시설

시간: 2023년 2월

고객 도전 과제:

한 전기 자동차 배터리 트레이의 티어 1 공급업체는 8.5%의 불량률에 직면했습니다. 결함은 산화물 내포물 및 수소 다공성으로 확인되었습니다. 부품은 압력 기밀성 테스트에서 불합격했습니다. 이 시설은 단순한 메쉬 필터와 수동 플럭싱만 사용했습니다.

ADtech 솔루션:

전체적인 정화 업그레이드를 배포했습니다.

1. 설치: ADtech 온라인 탈기 장치(소형 듀얼 로터 디자인)를 수용하도록 세탁 섹션을 교체했습니다.

2. 필터링: 40 PPI와 50 PPI 세라믹 폼 필터를 사용하는 2단계 필터 박스를 설치했습니다.

3. 프로세스 변경: 수동 플럭스 주입에서 탈기 챔버 내 자동 주입으로 전환했습니다.

결과:

30일간의 시험 기간 후 데이터는 상당한 개선을 보였습니다.

• 스크랩 감소: 거부율은 8.5%에서 1.2%로 감소했습니다.

• 밀도 지수: 8%에서 1.5% 이하로 개선되었습니다(수소가 부족함을 나타냄).

• ROI: 재용접 비용 절감으로 4개월 이내에 장비 업그레이드 비용을 지불했습니다.

고급 플럭스 화학

플럭스는 단순한 소금이 아닙니다. 플럭스는 정교한 화학 도구입니다.

1. 플럭스 덮기:

용광로에서 사용됩니다. 용융물 위에 떠서 공기에 대한 장벽을 만듭니다. 이는 산화를 방지합니다.

2. 드로싱 플럭스:

스키밍 전에 추가됩니다. 이는 발열 반응(열)을 일으켜 산화물 껍질(드로스)에서 귀중한 알루미늄을 분리합니다. 이렇게 하면 좋은 금속이 아닌 폐기물만 버릴 수 있습니다.

3. 청소 플럭스:

용융물에 주입합니다. 내포물을 위로 끌어올리는 데 도움이 됩니다. ADtech는 나트륨이 오염 물질인 합금(예: 고마그네슘 합금)을 위해 나트륨이 없는 과립형 플럭스를 제공합니다.

플럭스 주입 대 수동 추가

수동 추가가 일관되지 않습니다. 한 작업자가 너무 많이 넣거나 너무 적게 넣을 수 있습니다. 주입은 균일한 분포를 보장합니다. 운반 가스(질소)는 전체 수조 깊이에 걸쳐 플럭스를 분산시키는 데 도움이 됩니다.

정화 장비의 유지보수 및 수명 연장

관리하지 않으면 장비 성능이 저하됩니다. 가스 제거 장치의 로터는 소모품입니다. 일반적으로 흑연 또는 질화규소로 만들어집니다.

일반적인 유지 관리 점검:

• 로터 침식: 흑연은 시간이 지남에 따라 산화됩니다. 침식된 로터 헤드는 기포를 효과적으로 전단하지 못하여 형상을 잃게 됩니다. 매주 치수를 확인합니다.

• 히터 요소: 필터 박스에서는 전기 히터가 온도를 유지합니다. 고장이 나면 금속이 얼어붙을 수 있습니다.

• 인감 무결성: 필터 플레이트 주변의 개스킷은 단단해야 합니다. 밀봉에 실패하면 금속이 필터를 우회하여 프로세스가 무용지물이 됩니다.

기대 수명 표

구성 요소	재료	예상 수명
가스 제거 로터	질화 규소	6 - 12개월
가스 제거 로터	흑연	3 - 6주
히터 보호 튜브	SiC	6 - 12개월
세라믹 폼 필터	알루미나	일회용(일회용)
세탁/라이닝	내화성	1~2년

참고: 실리콘 질화물은 초기 비용이 더 비싸지만 흑연에 비해 수명이 우수합니다.

곡물 정제업체의 역할

정제가 나쁜 성분을 제거하는 반면, 입자 정제는 좋은 성분을 추가합니다. 종종 가스 제거 장치 바로 뒤에 추가되는 입자 정제기(일반적으로 티타늄-붕소 막대)는 알루미늄의 미세 구조를 결정합니다.

미세하고 등축인 입자 구조는 주물의 흐름을 개선하고 균열을 방지합니다. ADtech 공급 시스템은 AlTiB 와이어를 자동으로 추가하여 주조 전체에 걸쳐 일관된 입자 크기를 보장할 수 있습니다.

정화 시 환경적 고려 사항

현대의 알루미늄 정제는 친환경적이어야 합니다. 가스 제거를 위해 염소 가스를 사용하는 오래된 방법은 많은 관할권에서 위험하고 불법입니다.

지속 가능성을 위한 ADtech의 접근 방식:

• 무염소: 안전하고 풍부한 질소 또는 아르곤을 사용합니다.

• 드르로스 감소: 효율적인 플럭싱을 통해 매립지로 보내지는 알루미늄의 양을 줄일 수 있습니다.

• 에너지 효율성: 당사의 필터 박스는 고효율 단열재를 사용하여 금속을 뜨겁게 유지하는 데 필요한 에너지를 줄입니다.

스크랩을 줄이는 것이 가장 큰 환경 공헌입니다. 재용해해야 하는 모든 스크랩은 엄청난 양의 천연 가스와 전기를 소비합니다. 처음부터 올바르게 처리하는 것이 궁극적인 친환경 전략입니다.

기술적 뉘앙스

진정으로 이해하려면 알루미늄 정제 공정, 특정 결함을 살펴봐야 합니다.

내포물: 비금속 입자입니다. 산화물(필름), 탄화물 또는 붕화물일 수 있습니다. 단단한 내포물은 공정 후반에 가공 공구를 손상시킵니다.

알칼리 제거: 호일 생산에는 칼슘 제거가 필수적입니다. 미량만 있어도 호일을 압연하는 동안 호일이 파손될 수 있습니다.

금속 품질: 전반적인 청결도를 의미합니다. 엔지니어는 PoDFA(다공성 디스크 여과 장치) 또는 프리필 측정과 같은 도구를 사용하여 청결도를 정량화할 수 있습니다. 에이디테크 장비는 시설에서 우수한 프리필 곡선을 달성하는 데 도움이 됩니다.

검색 시 케이스하우스 솔루션, 관리자는 모듈식 시스템을 우선적으로 고려해야 합니다. 모듈식 가스 제거 장치는 큰 토목 공사 없이 기존 라인에 개조할 수 있습니다.

일반적인 정화 문제 해결

최고의 장비를 갖추고 있어도 문제가 발생할 수 있습니다. 다음은 케이스하우스 운영자를 위한 문제 해결 매트릭스입니다.

문제: 가스 제거 후 높은 수소 수준

• 원인: 습도가 높은 날?

• 원인: 로터 속도가 너무 낮나요?

• 원인: 캐리어 가스 누출?

• 수정: 가스 유량을 약간 늘리고 가스 라인에 누출이 있는지 확인하고 로터가 마모되지 않았는지 확인합니다.

문제: 필터 막힘(정지)

• 원인: 금속 온도가 너무 낮습니다.

• 원인: 필터 상자의 예열이 충분하지 않습니다.

• 수정: 용광로 온도를 확인합니다. 주조 30분 전에 필터 박스 히터가 작동 중인지 확인합니다.

문제: 최종 제품에서 발견된 내포물

• 원인: 필터 바이패스(봉인 불량).

• 원인: 필터 후 더러운 세탁.

• 수정: CFF의 확장 개스킷을 점검합니다. 세탁기를 엄격하게 청소합니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

다음은 정제 과정과 관련하여 케이스하우스 관리자와 야금 전문가들이 가장 많이 묻는 질문입니다.

1. 알루미늄에서 수소를 제거하는 가장 효과적인 방법은 무엇인가요?

아르곤이나 질소와 같은 불활성 가스를 사용하는 회전식 가스 제거는 업계 표준입니다. 기포 부양을 통해 용융물에서 수소를 물리적으로 운반합니다.

2. 플럭스를 위에 던지지 않고 주입하는 이유는 무엇인가요?

사출은 플럭스가 표면뿐만 아니라 금속의 전체 부피에 접촉하도록 합니다. 이를 통해 반응 효율이 향상되고 필요한 플럭스의 양이 줄어듭니다.

3. 세라믹 폼 필터는 얼마나 자주 교체해야 하나요?

CFF는 일회용 품목입니다. 캐스팅할 때마다 또는 압력 강하가 너무 높아져 막힘을 나타낼 때마다 교체해야 합니다.

4. 가스 제거에 아르곤 대신 질소를 사용할 수 있나요?

예, 질소가 더 저렴하고 널리 사용됩니다. 그러나 특정 하이테크 합금이나 리튬을 사용할 때는 질소가 반응하여 질화물을 형성할 수 있으므로 아르곤이 필요합니다.

5. PPI와 메시 크기의 차이점은 무엇인가요?

PPI는 폼 필터의 인치당 모공 수를 의미합니다. 메쉬는 와이어 스크린을 의미합니다. 30 PPI는 표준 거칠기이며, 60 PPI는 괜찮습니다. PPI가 높을수록 더 작은 입자를 포착합니다.

6. ADtech는 필터 박스가 금속을 식히지 않도록 어떻게 보장하나요?

ADtech 필터 박스는 고급 내화 재료로 안감 처리되어 있으며 열 평형을 유지하기 위해 뚜껑 히터가 장착되어 있는 경우가 많습니다.

7. 용광로에서 드로스가 생성되는 원인은 무엇인가요?

알루미늄이 공기 중의 산소와 반응하면 드로스가 형성됩니다. 난기류와 높은 온도는 이 반응을 가속화합니다.

8. 염소 가스가 여전히 정화에 사용되나요?

독성 및 환경 규제로 인해 드물게 사용됩니다. 일부 시설에서는 90% 질소 / 10% 염소를 혼합하여 사용하기도 하지만 안전을 위해 순수 불활성 가스를 선호합니다.

9. 로터 속도가 너무 빠르면 어떻게 되나요?

표면의 찌꺼기와 공기를 용융물로 빨아들이는 와류가 발생하여 오히려 품질이 더 나빠지게 됩니다. 또한 로터를 더 빨리 마모시킵니다.

10. 정화를 통해 알루미늄에서 철분을 제거할 수 있나요?

아니요. 철은 알루미늄에 화학적으로 용해되어 있습니다. 여과 및 가스 제거는 철이나 망간과 같은 용존 원소를 제거할 수 없으며 고체와 가스만 제거합니다.

용융 품질에 대한 최종 생각

그리고 알루미늄 정제 공정 는 최종 제품의 가치를 정의합니다. 빌릿, 슬래브 또는 잉곳을 주조하든 수소와 내포물의 존재는 협상할 수 없으며 반드시 제거해야 합니다.

에이디텍은 이러한 품질을 확보하기 위한 하드웨어와 전문 지식을 제공합니다. 효율적인 회전식 가스 제거와 정밀한 플럭스 주입 및 심층 세라믹 여과를 결합하여 파운드리가 글로벌 표준을 달성할 수 있도록 지원합니다. 정제 비용은 출하 거부 비용의 일부에 불과합니다.

ADtech 기술에 투자하면 금속을 깨끗하게 유지하고, 고객을 만족시키며, 고철통을 비워둘 수 있습니다.