AN ATTEMPT TO USE VARIOUS METALLURGICAL SLAGS IN THE MODIFICATION PROCESSES OF CASTING ALLOYS

폐기물에서 가치 창출로: 금속 슬래그가 주조 합금 개질을 혁신하는 방법

이 기술 요약은 J. SITKO가 작성하여 Arch. Metall. Mater. (2021)에 게재한 학술 논문 "AN ATTEMPT TO USE VARIOUS METALLURGICAL SLAGS IN THE MODIFICATION PROCESSES OF CASTING ALLOYS"를 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 금속 슬래그 개질
• 보조 키워드: 주조 합금 개질, AlSi7Mg, IN-713C, 결정립 미세화, 미세조직 제어, 산업 폐기물 재활용

핵심 요약

• 도전 과제: 산업 폐기물과 비용을 줄이면서 주조 합금의 특성을 개선하는 것은 중요한 과제입니다.
• 연구 방법: 본 연구는 분쇄된 구리 및 강철 야금 슬래그를 AlSi7Mg 알루미늄 합금 및 IN-713C 니켈 초합금의 개질제로 사용하는 것을 조사했습니다.
• 핵심 성과: 구리 슬래그는 AlSi7Mg의 공정 조직을 성공적으로 미세화했으며, 슬래그 혼합물은 핵 생성을 촉진하여 IN-713C 주물의 결정립을 눈에 띄게 미세화했습니다.
• 결론: 일반적으로 폐기물로 간주되는 야금 슬래그는 핵심 주조 합금의 미세조직을 향상시키는 효과적이고 저렴한 개질제로 재활용될 수 있습니다.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

야금 슬래그는 가장 큰 비중을 차지하는 산업 폐기물입니다. 경제적, 생태학적 이유로 슬래그의 가치 있는 활용 방안을 찾는 것이 매우 중요합니다. 주조 공정에서 미세하고 균일한 미세조직을 얻는 것은 제품 성능의 핵심이지만, 기존의 개질제는 비용이 많이 들 수 있습니다. 본 연구는 Si, Al, Cu, Fe와 같은 가치 있는 성분과 개질 원소가 풍부한 슬래그가 이러한 격차를 해소하고, 비용 효율적이며 친환경적인 대안이 될 수 있는지 탐구합니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

연구진은 입상 구리 슬래그와 제강 분진으로부터 개질제를 준비했습니다. AlSi7Mg 합금의 경우, 슬래그를 용탕에 직접 첨가한 후 열 분석 프로브에 주입했습니다. IN-713C 니켈 초합금의 경우, 슬래그를 세라믹 주형 코팅에 혼합하여 진공로에서 주조 중 표면 개질을 달성했습니다. 이후 미세조직을 개질하지 않은 시편 및 기존 방식으로 개질된 시편과 비교 분석했습니다.

핵심 성과: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: 구리 슬래그가 AlSi7Mg 미세조직을 변화시키다

구리 슬래그 첨가는 아공정 AlSi7Mg 합금을 효과적으로 개질했습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 조대한 공정 조직(그림 2a)을 미세 분산된 섬유상 형태(그림 2c)로 변화시켰습니다. 또한 열 분석 결과 액상선 온도(Tliq)가 4°C 상승했는데, 이는 슬래그가 결정화를 위한 새로운 핵 생성 사이트를 제공했음을 나타냅니다.

결과 2: 슬래그 혼합물이 IN-713C 니켈 초합금 결정립을 미세화하다

구리 및 강철 슬래그 혼합물을 포함하는 코팅은 IN-713C 주물의 결정립 구조를 성공적으로 미세화했습니다. 개질되지 않은 주물의 큰 결정립(평균 면적 27.15 mm²)과 비교하여, 슬래그로 개질된 주물은 평균 결정립 면적이 4.78 mm²로 현저히 작아졌습니다(그림 10). 이는 기존의 코발트 알루미네이트 개질제(0.445 mm²)만큼 강력하지는 않지만, 슬래그 혼합물로부터 명확하고 긍정적인 결정립 미세화 효과를 보여줍니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 미세하게 분쇄된 구리 슬래그를 AlSi7Mg 용탕에 도입하는 것이 공정 개질을 위한 비용 효율적인 방법이 될 수 있으며, 스트론튬과 같은 표준 개질제에 대한 의존도를 줄일 수 있음을 시사합니다.
• 품질 관리팀: 논문의 그림 8, 9, 10 데이터는 다양한 표면 개질제가 결정립 크기에 미치는 직접적인 영향을 보여줍니다. 이는 특정 결정립 구조가 필요하지만 극도의 미세화가 요구되지 않는 응용 분야에 대한 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 정보를 제공할 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: IN-713C의 표면 개질에 대한 연구 결과는 주형 코팅 조성이 표면 결정립 구조에 직접적인 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 이는 표면 특성이 가장 중요한 박벽 부품을 설계할 때 중요한 고려 사항입니다.

논문 상세 정보

주조 합금의 개질 공정에서 다양한 야금 슬래그를 사용하려는 시도 (AN ATTEMPT TO USE VARIOUS METALLURGICAL SLAGS IN THE MODIFICATION PROCESSES OF CASTING ALLOYS)

1. 개요:

• 제목: AN ATTEMPT TO USE VARIOUS METALLURGICAL SLAGS IN THE MODIFICATION PROCESSES OF CASTING ALLOYS
• 저자: J. SITKO
• 발행 연도: 2021
• 저널/학회: Arch. Metall. Mater. 66 (2021), 4, 1067-1074
• 키워드: Surface modification, metallurgical slags, cobalt aluminate, nickel and aluminium alloys, free enthalpy, microstructure

2. 초록:

본 논문은 특정 제련 슬래그를 주조 합금의 개질 공정에 사용하여 합금의 구조 변화 및 기계적, 운영적 특성을 개선하는 연구의 예비 결과를 제시합니다. 0.1mm 미만 분율의 분쇄된 구리 슬래그가 아공정 실루민 AlSi7Mg의 개질 효과에 긍정적인 영향을 미쳐 조대한 공정 조직을 미세 분산 형태로 변화시키는 것이 입증되었습니다. 개질 효과는 또한 초정 α상에도 적용되어 추가적인 결정화 사이트(핵 생성 과정)를 형성하는 결과를 낳았으며, 이는 열 ATD 응고 분석을 통해 Triq 및 Temax 온도의 증가로 입증되었습니다. 구리 및 강철 슬래그 혼합물이 주조 니켈 초합금 IN-713C의 구조 분쇄에 미치는 긍정적이고 현저한 표면 개질 효과가 입증되었습니다. 코발트 알루미네이트의 개질 효과에 대해 지금까지 수행된 연구 결과를 바탕으로, 적용된 야금 슬래그의 환원된 금속 성분이 니켈 합금의 미세조직 핵 생성 과정 및 형성에 미치는 영향에 대한 가상 모델이 개발되었습니다.

3. 서론:

야금 슬래그는 전체 산업 폐기물 중 가장 큰 그룹입니다. 선철 및 강철 제련 공정에서는 다량의 고로 및 전로 슬래그가 발생합니다. 구리, 니켈, 아연 제련의 야금 공정에서도 상당한 양의 슬래그가 생성됩니다. 일부 야금 슬래그의 가용성, 화학 성분 및 물리화학적 특성은 경제적, 생태학적 고려 사항과 함께 다양한 산업에서의 사용 가능성에 대한 연구의 기초를 구성합니다. 따라서 슬래그는 한편으로는 다양한 야금 공정의 폐기물로, 다른 한편으로는 다른 공정의 중요한 원료 및 출력 제품으로 간주될 수 있습니다. 본 연구는 이러한 슬래그를 주조 합금의 정련 및 개질제로 활용하여 야금적 순도를 높이고 유리한 응고 조건을 만들어 구조를 개선할 가능성을 탐구합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

야금 슬래그는 대량으로 발생하는 산업 폐기물이지만, Si, Al, Cu, Mn, Fe와 같은 주조 합금의 주요 구성 요소와 Na, Mg, Ca, Ti, P와 같은 개질 특성을 가진 구성 요소를 포함하고 있습니다. 이러한 슬래그를 적절히 처리하여 주조 합금의 개질제로 사용하면 폐기물을 재활용하고 비용을 절감하는 동시에 합금의 구조와 기계적 특성을 개선할 수 있습니다.

이전 연구 현황:

일부 야금 슬래그가 강철 및 알루미늄 합금의 정련 공정에 사용된 연구는 있었지만, 특정 슬래그와 분진을 주조 합금의 체적 및 표면 개질 공정에 사용하는 것에 대한 연구 데이터는 문헌에 거의 없었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 적절하게 준비된 슬래그 혼합물 및 제제가 AlSi7Mg 알루미늄 합금과 IN-713C 니켈 합금의 구조를 개질하는 과정에서의 사용 가능성에 대한 예비 연구 결과를 제시하는 것입니다.

핵심 연구:

본 연구는 두 가지 핵심 실험으로 구성됩니다. 첫째, 분쇄된 구리 및 강철 슬래그를 아공정 AlSi7Mg 합금에 첨가하여 미세조직, 특히 공정 조직의 형태에 미치는 영향을 평가했습니다. 둘째, 구리 및 강철 슬래그 혼합물을 IN-713C 니켈 초합금 주조용 세라믹 주형의 코팅제로 사용하여 표면 개질 및 결정립 미세화 효과를 평가했습니다. 또한, 슬래그 내 산화물이 탄소에 의해 환원되는 과정에 대한 열역학적 계산을 수행하여 개질 메커니즘에 대한 가상 모델을 개발했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험적 접근법을 사용했습니다. 두 가지 다른 주조 합금(AlSi7Mg, IN-713C)에 대해 두 가지 다른 개질 방법(체적 개질, 표면 개질)을 적용했습니다. 개질되지 않은 샘플, 기존 기술로 개질된 샘플, 그리고 슬래그 기반 개질제로 처리된 샘플의 미세조직을 비교 분석하여 슬래그의 효과를 평가했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 재료 준비: 구리 슬래그와 제강 분진(EAFD)을 볼밀에서 분쇄하고 체로 쳐서 0.071mm 미만의 분말을 얻은 후, 800-850°C에서 소성했습니다.
• AlSi7Mg 개질: 약 1kg의 합금을 전기로에서 용해하고, 850°C에서 준비된 슬래그 30g을 첨가했습니다. 이후 QC40-80 프로브에 주입하여 ATD(열 분석)를 통해 응고 과정을 기록하고, 미세조직을 광학 현미경으로 관찰했습니다.
• IN-713C 개질: 세 가지 유형의 세라믹 주형을 준비했습니다: 1) 코팅 없음, 2) 기존 코팅(코발트 알루미네이트), 3) 슬래그 혼합물 코팅. 진공 유도로에서 합금을 용해하여 예열된 주형에 주입했습니다. 주물의 표면 거시조직과 미세조직을 분석하고, 이미지 분석 프로그램을 사용하여 결정립 크기를 정량화했습니다.
• 열역학 계산: HSC Chemistry 프로그램을 사용하여 고온에서 슬래그 내 금속 산화물이 탄소에 의해 환원될 때의 자유 엔탈피(ΔG) 변화를 계산했습니다.

연구 주제 및 범위:

이 연구는 야금 슬래그를 AlSi7Mg 및 IN-713C 주조 합금의 개질제로 사용하는 가능성에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 슬래그가 합금의 미세조직(공정 형태, 결정립 크기)에 미치는 영향을 실험적으로 평가하고, 그 메커니즘을 열역학적 계산을 통해 이론적으로 설명하는 것을 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 분쇄된 구리 슬래그는 AlSi7Mg 합금의 조대한 공정 조직을 미세한 섬유상 조직으로 변화시키는 데 효과적이었습니다.
• 구리 슬래그 첨가 시 ATD 열 분석에서 액상선 온도가 4°C 상승했으며, 이는 불균일 핵 생성이 촉진되었음을 시사합니다.
• 구리 및 강철 슬래그 혼합물을 포함하는 주형 코팅은 IN-713C 니켈 초합금 주물의 표면 결정립을 눈에 띄게 미세화했습니다.
• 슬래그 혼합물에 의한 결정립 미세화 효과는 기존의 코발트 알루미네이트보다는 약했지만, 개질되지 않은 주물에 비해서는 상당한 개선을 보였습니다 (평균 결정립 면적: 무개질 27.15 mm², 슬래그 개질 4.78 mm², 코발트 알루미네이트 개질 0.445 mm²).
• 열역학적 계산 결과, 1350°C 이상의 고온에서 탄소가 슬래그 내의 Cr₂O₃, Fe₂O₃, Cu₂O 등의 산화물을 환원시켜 금속 원자를 생성할 수 있으며, 이 원자들이 핵 생성 사이트로 작용할 수 있음을 보여주었습니다.

그림 이름 목록:

• Fig. 1. Alloy cast into the QC40-80 probe
• Fig. 2. Microstructure of the AlSi7Mg alloy: initial state (a), modification – steel slag (b), modification – copper slag (c)
• Fig. 3. The influence of grain size on the properties of nickel superalloys castings
• Fig. 4. Average change of the free enthalpy AG as a function of temperature for the considered reactions of oxides with carbon
• Fig. 5. The cavity of the ceramic mould
• Fig. 6. Cast from experiment no. 2
• Fig. 7. Change of the surface structure at the height of the castings: unmodified (a)
• Fig. 8. Microstructure of castings: unmodified (a), current technology (b), slag mixture in the modifying coating (c)
• Fig. 9. Influence of technological conditions of casting on the number of grains per mm² of the casting surface
• Fig. 10. Influence of technological conditions of casting on the average grain surface
• Fig. 11. Hypothetical model of the modifying effect of a coating containing zirconium silicate, a mixture of slags and coke breeze

7. 결론:

야금 슬래그는 폐기물이자 부산물로서 주조 합금의 정련 및 개질을 포함한 많은 산업에서 성공적으로 사용될 수 있습니다. 적절하게 준비된 구리 슬래그를 소량으로 액상 아공정 알루미늄 합금에 도입하면 눈에 띄는 개질 특성을 보인다는 것이 입증되었습니다. IN-713C 니켈 합금의 경우, 개질 코팅에 슬래그 혼합물이 존재하면 결정립 미세화를 유도합니다. 이 효과는 코발트 알루미네이트보다 약하지만, 어떤 경우에는 상당한 결정립 크기 감소가 요구되지 않을 수 있습니다. 얻어진 결과가 완전히 만족스럽지는 않지만, 저자의 의견으로는 니켈 합금의 표면 개질 및 알루미늄 합금의 정련 및 개질을 위해 더 넓은 범위의 슬래그(예: 니켈 슬래그, 전해 채취 슬러지 및 분진) 사용에 대한 추가 연구를 수행할 동기를 부여합니다.

8. 참고 문헌:

• [1] A. Konstanciak, W. Sabela, Odpady w hutnictwie żelaza i ich wykorzystanie, Hutnik-Wiadomości Hutnicze 12, 572-580 (1999).
• [2] P. Sobczyński, Żużle hutnicze – ich natura i przydatność gospodarcza, Odpady przemysłowe i komunalne, powstawanie i możliwości ich wykorzystania. Kraków (1999).
• [3] J. Sitko, Modernizacja technologii zagospodarowania odpadów hutniczych, Systemy Wspomagania w Inżynierii Produkcji. Inżynieria systemów technicznych: E. Milewska (Red.), P.A. NOVA, 2 (14), 287-294 (2016).
• [4] J. Sitko, Problem utylizacji odpadów, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej 73, 531-540 (2014).
• [5] T. Stefanowicz, Otrzymywanie i odzysk metali oraz innych surowców ze ścieków i odpadów pogalwanicznych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 167-172 (1992).
• [6] H. Byrdziak, A. Mizera, J. Piątkowski, KGHM Polska Miedź S.A. - Biuletyn (2000).
• [7] D. Krupka, A. Chmielarz, A. Bojanowski, J. Sitko, Polskie srebro. Osiągnięcia produkcyjne i badawcze, III KN „Metale Szlachetne", Zakopane - Kościelisko (2002).
• [8] Z. Bonderek, S. Rzadkosz, Problemy uszlachetniania ciekłych stopów aluminium. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN Katowice 41-49 (1999).
• [9] H. Postołek, C. Adamski, Wpływ napięć międzyfazowych na rafinujące oddziaływanie żużli, Archiwum Hutnictwa 38, 4 (1981).
• [10] T. Kargul, Opracowanie hybrydowego modelu procesu pozapiecowej rafinacji stali do oceny wybranych technologii metalurgicznych, 2009 AGH, Kraków.
• [11] D. Krupka, J. Sitko, B. Ochab i inni, Development of zinc production at the Boleslaw Zinc Plant, The IV International Conference Zinc '2006, Plovdiv, Bułgaria, 197-207 (2006).
• [12] D. Krupka, J. Sitko, J. Dutrizac, G.E. James, Zakład Elektrolizy Cynku - BIG RIVER ZINC, Sauget w USA, Rudy Metale 46, 10, 461-469 (2001).
• (References 13-28 are omitted for brevity but are listed in the original paper)

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문에 대한 답변

Q1: 왜 테스트에 0.071mm 미만의 슬래그 분율을 선택했습니까?

A1: 논문에 따르면 구리 및 강철 슬래그 재료를 모두 분쇄하고 체로 쳐서 가장 미세한 분율(<0.071mm)을 테스트에 사용했습니다. 이러한 미세한 입도는 용탕에 도입되거나 코팅에 사용될 때 반응을 위한 넓은 표면적을 보장하여 잠재적인 개질 효과를 극대화하기 위함입니다.

Q2: 논문에서는 니켈 합금 개질에 대한 "가상 모델"을 언급했습니다. 제안된 핵심 메커니즘은 무엇입니까?

A2: 그림 11에 제시된 모델은 IN-713C의 높은 주조 온도(>1350°C)에서 코팅 내의 탄소(코크스 분말)가 슬래그에 존재하는 금속 산화물(예: Cr₂O₃, Fe₂O₃)을 환원시킨다고 제안합니다. 그 결과 생성된 자유 금속 원자, 특히 니켈과 유사한 결정 격자를 가진 크롬이 주형 표면에서 불균일 핵으로 작용하여 새로운 결정립 형성을 촉진하고 미세화된 구조를 만듭니다.

Q3: IN-713C에 대한 슬래그 혼합물의 결정립 미세화 효과가 코발트 알루미네이트보다 약했습니다. 이것이 여전히 가치 있는 결과입니까?

A3: 그렇습니다. 논문은 효과가 더 약하지만 "작지만 눈에 띄는 결정립 미세화 효과"라고 언급합니다. 또한 어떤 경우에는 상당한 결정립 크기 감소가 필요하지 않다고 명시합니다. 이는 특정 응용 분야에서 슬래그 기반 개질제가 코발트 알루미네이트와 같은 고가의 기존 개질제에 대한 충분하고 훨씬 경제적인 대안이 될 수 있음을 시사합니다.

Q4: AlSi7Mg 합금에 대한 ATD 열 분석의 목적은 무엇이었습니까?

A4: ATD 분석은 응고 과정을 모니터링하는 데 사용되었습니다. 핵심 발견은 구리 슬래그로 개질 후 액상선 온도(Tliq)가 4°C 상승한 것입니다. 이 온도 상승은 불균일 핵 생성의 직접적인 증거이며, 이는 슬래그 입자가 초정 α상이 더 일찍, 더 높은 온도에서 결정화를 시작할 수 있는 사이트를 제공하여 전반적인 구조 미세화에 기여했음을 의미합니다.

Q5: 논문에서는 "체적" 개질과 "표면" 개질을 모두 언급했습니다. 이 연구의 맥락에서 차이점은 무엇입니까?

A5: "체적 개질"은 AlSi7Mg 합금에 사용된 공정으로, 슬래그 개질제를 액체 금속 용탕 전체 부피에 직접 혼합하는 것을 말합니다. IN-713C 합금에 사용된 "표면 개질"은 개질제를 코팅을 통해 주조 주형의 내부 표면에만 적용하는 것을 포함합니다. 이는 액체 금속이 주형에 대해 응고될 때 최종 주물의 표면 및 표면 근처의 구조만 개질합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길을 열다

본 연구는 핵심적인 문제, 즉 산업 폐기물을 어떻게 가치 있는 자원으로 전환할 수 있는지를 다루며, 금속 슬래그 개질이 그 해답이 될 수 있음을 보여줍니다. 구리 슬래그는 알루미늄 합금의 미세조직을 효과적으로 개선했으며, 슬래그 혼합물은 니켈 초합금의 결정립을 미세화하는 데 성공했습니다. 이러한 결과는 R&D 및 운영팀에게 비용을 절감하고 지속 가능성을 높일 수 있는 새로운 가능성을 제시합니다.

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• 이 콘텐츠는 "[J. SITKO]"의 논문 "[AN ATTEMPT TO USE VARIOUS METALLURGICAL SLAGS IN THE MODIFICATION PROCESSES OF CASTING ALLOYS]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://doi.org/10.24425/amm.2021.136426

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