알루미늄 호일

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배경

알루미늄 호일은 92~99%의 알루미늄을 함유한 알루미늄 합금으로 만들어집니다. 일반적으로 두께가 0.00017에서 0.0059인치 사이인 호일은 문자 그대로 수백 가지 응용 분야에 대해 다양한 너비와 강도로 생산됩니다. 건설 산업용 단열재, 에어컨용 핀 스톡, 변압기용 전기 코일, 라디오 및 TV용 커패시터, 저장 탱크용 단열재, 장식 제품, 용기 및 포장재를 제조하는 데 사용됩니다. 많은 응용 분야에서 알루미늄 호일의 인기는 몇 가지 주요 이점에 기인하며, 가장 중요한 것 중 하나는 제조에 필요한 원자재가 풍부하다는 것입니다. 알루미늄 호일은 저렴하고 내구성이 있으며 무독성이며 기름칠이 되지 않습니다. 또한, 화학적 공격에 강하고 우수한 전기적 및 비자기적 차폐를 제공합니다.

알루미늄 호일의 출하량(1991년)은 총 9억 1300만 파운드였으며 포장재는 알루미늄 호일 시장의 75%를 차지했습니다. 알루미늄 호일이 포장재로 인기가 있는 것은 수증기 및 가스에 대한 우수한 불투과성 때문입니다. 또한 저장 수명을 연장하고 저장 공간을 덜 사용하며 다른 많은 포장재보다 폐기물을 적게 발생시킵니다. 결과적으로 유연한 포장재에서 알루미늄을 선호하는 것은 세계적인 현상이 되었습니다. 일본에서는 알루미늄 호일이 플렉시블 캔의 배리어 부품으로 사용됩니다. 유럽에서는 알루미늄 연포장이 제약용 블리스터 포장 및 캔디 포장 시장을 장악하고 있습니다. 산소, 빛 및 냄새에 대한 장벽으로 알루미늄 호일의 얇은 층을 사용하는 무균 음료 상자도 전 세계적으로 인기가 있습니다.

알루미늄은 현대 산업에서 대량으로 사용하는 금속 중 가장 최근에 발견된 금속입니다. "알루미나"로 알려진 알루미늄 화합물은 고대 이집트에서 의약품을 제조하고 중세 시대에 천 염료를 고정하는 데 사용되었습니다. 18세기 초 과학자들은 이 화합물에 금속이 포함되어 있다고 의심했고 1807년 영국 화학자 험프리 데이비 경이 금속을 분리하려고 시도했습니다. 그의 노력은 실패했지만 Davy는 알루미나가 처음에 "알루미늄"이라고 불렀던 금속 기반을 가지고 있음을 확인했습니다. Davy는 나중에 이것을 "알루미늄"으로 변경했으며 많은 국가의 과학자들이 "알루미늄"이라는 용어를 철자하는 동안 대부분의 미국인은 Davy의 수정된 철자를 사용합니다. 1825년 Hans Christian Ørsted라는 덴마크 화학자가 알루미늄을 성공적으로 분리했으며 20년 후 Friedrich Wohler라는 독일 물리학자가 금속의 더 큰 입자를 만들 수 있었습니다. 그러나 Wohler의 입자는 여전히 핀머리 크기에 불과했습니다. 1854년 프랑스 과학자 Henri Sainte-Claire Deville은 Wohler의 방법을 정제하여 구슬만큼 큰 알루미늄 덩어리를 만들었습니다. Deville의 공정은 현대 알루미늄 산업의 토대를 제공했으며 최초의 알루미늄 막대가 1855년 파리 박람회에서 전시되었습니다.

이 시점에서 새로 발견된 금속을 분리하는 데 드는 높은 비용으로 인해 산업적 용도가 제한되었습니다. 그러나 1866년에 미국과 프랑스에서 따로 연구하던 두 명의 과학자가 전류를 인가하여 산소에서 알루미나를 분리하는 Hall-Héroult 방법으로 알려진 방법을 동시에 개발했습니다. Charles Hall과 Paul-Louis-Toussaint Héroult는 각각 미국과 프랑스에서 그들의 발견에 대해 특허를 냈지만 Hall은 정화 과정의 재정적 잠재력을 처음으로 인식했습니다. 1888년 바이엘의 보크사이트 정제 공정은 소화, 정화, 침전 및 하소의 4단계로 구성됩니다. 그 결과 산화알루미늄의 미세한 백색 분말이 생성됩니다. 그와 여러 파트너가 Pittsburgh Reduction Company를 설립하여 그해 최초의 알루미늄 잉곳을 생산했습니다. 나이아가라 폭포 근처의 대규모 신규 전환 공장에 전력을 공급하고 알루미늄에 대한 급증하는 산업 수요를 공급하기 위해 수력전기를 사용하는 Hall의 회사는 1907년에 Aluminium Company of America(Alcoa)로 개명하여 번창했습니다. Héroult는 나중에 스위스에 Aluminium-Industrie-Aktien-Gesellschaft를 설립했습니다. 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전 중 알루미늄에 대한 수요 증가에 힘입어 대부분의 다른 산업 국가에서는 자체 알루미늄을 생산하기 시작했습니다. 1903년 프랑스는 정제된 알루미늄으로 호일을 생산한 최초의 국가가 되었습니다. 미국은 10년 후 그 뒤를 따랐고, 경주용 비둘기를 식별하기 위한 다리 밴드에 신제품을 처음으로 사용했습니다. 알루미늄 호일은 곧 용기와 포장재로 사용되었고 제2차 세계 대전으로 이러한 경향이 가속화되어 알루미늄 호일이 주요 포장재로 자리 잡았습니다. 제2차 세계 대전까지 Alcoa는 정제 알루미늄의 유일한 미국 제조업체로 남아 있었지만 오늘날에는 미국에 7개의 주요 알루미늄 호일 생산업체가 있습니다.

원자재

알루미늄은 가장 풍부한 원소 중 하나입니다. 산소와 규소 다음으로 지구 표면에서 발견되는 가장 풍부한 원소로 지각의 8% 이상을 10마일 깊이까지 구성하고 거의 모든 일반 암석에 나타납니다. 그러나 알루미늄은 순수한 금속 형태가 아니라 실리카, 산화철 및 티타니아가 결합된 수화된 산화알루미늄(물과 알루미나의 혼합물)으로 발생합니다. 가장 중요한 알루미늄 광석은 1821년에 발견된 프랑스 마을인 Les Baux의 이름을 따서 명명된 보크사이트입니다. 보크사이트에는 철과 수화 알루미늄 산화물이 포함되어 있으며 후자는 가장 큰 구성 물질입니다. 현재 보크사이트는 산화알루미늄 함량이 45% 이상인 광상만 채굴하여 알루미늄을 만들 수 있을 정도로 풍부합니다. 집중 광상은 북반구와 남반구 모두에서 발견되며 미국에서 사용되는 대부분의 광석은 서인도 제도, 북미 및 호주에서 나옵니다. 보크사이트는 지표면 가까이에서 발생하기 때문에 채광 절차가 비교적 간단합니다. 폭발물은 보크사이트 층에서 큰 구덩이를 여는 데 사용되며, 그 후에 흙과 암석의 최상층이 제거됩니다. 그런 다음 노출된 광석은 프런트 엔드 로더로 제거되어 트럭이나 철도 차량에 쌓여 가공 공장으로 운송됩니다. 보크사이트는 무거우므로(일반적으로 4~6톤의 광석에서 1톤의 알루미늄을 생산할 수 있음) 연속 주조는 알루미늄을 녹이고 주조하는 대안입니다. 연속 주조의 장점은 용융 및 주조 공정과 같이 호일 압연 전에 어닐링(열 처리) 단계가 필요하지 않다는 것입니다. 운송 비용으로 인해 이러한 공장은 종종 보크사이트 광산에 최대한 가깝게 위치합니다.

제조
프로세스

보크사이트에서 순수한 알루미늄을 추출하려면 두 가지 과정이 필요합니다. 먼저 광석을 정제하여 산화철, 실리카, 티타니아, 물 등의 불순물을 제거합니다. 그런 다음 생성된 산화알루미늄을 제련하여 순수한 알루미늄을 생산합니다. 그 후 알루미늄을 압연하여 호일을 생산합니다.

정제 — 바이엘 프로세스

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1 보크사이트를 정제하는 데 사용되는 Bayer 공정은 소화, 정화, 침전 및 하소의 4단계로 구성됩니다. 소화 단계에서 보크사이트는 분쇄되고 수산화나트륨과 혼합되어 대형 가압 탱크로 펌핑됩니다. 소화조라고 하는 이러한 탱크에서 수산화나트륨, 열 및 압력의 조합은 광석을 알루민산나트륨 및 불용성 오염물질의 포화 용액으로 분해하여 바닥에 가라앉힙니다.

2 공정의 다음 단계인 정화는 탱크와 프레스 세트를 통해 용액과 오염 물질을 보내는 것을 수반합니다. 이 단계에서 천 필터는 오염 물질을 걸러낸 다음 폐기합니다. 다시 한 번 여과된 후 남은 용액은 냉각탑으로 이송됩니다.

3 다음 단계인 침전인 산화알루미늄 용액은 Deville 방법을 채택하여 알루미늄 입자의 형성을 촉진하기 위해 수화된 알루미늄의 결정으로 유체가 큰 사일로로 이동합니다. 종자 결정이 용액의 다른 결정을 끌어당기면 알루미늄 수화물의 큰 덩어리가 형성되기 시작합니다. 이들은 먼저 여과된 다음 헹구어집니다.

4 바이엘 정제 공정의 마지막 단계인 소성은 알루미늄 수화물을 고온에 노출시키는 것을 수반합니다. 이 극도의 열은 재료를 탈수시켜 미세한 백색 분말인 산화알루미늄을 남깁니다.

제련

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5 바이엘 공정에 의해 생성된 알루미늄-산소 화합물(알루미나)을 분리하는 제련은 보크사이트에서 순수한 금속 알루미늄을 추출하는 다음 단계입니다. 현재 사용되는 절차는 19세기 후반 Charles Hall과 Paul-Louis-Toussaint Héroult가 동시에 발명한 전해법에서 파생되었지만 현대화되었습니다. 먼저, 알루미나는 탄소로 라이닝되고 주로 알루미늄 화합물 빙정석으로 구성된 가열된 액체 전도체로 채워진 깊은 강철 주형인 제련 셀에 용해됩니다.

6 다음으로 빙정석에 전류가 흐르고 알루미나 용융물의 상부에 크러스트가 형성됩니다. 추가 알루미나가 혼합물에 주기적으로 교반될 때, 이 크러스트가 부서지고 또한 교반됩니다. 알루미나는 용해되면서 전해 분해되어 제련 셀 바닥에 순수한 용융 알루미늄 층을 생성합니다. 산소는 세포를 감싸는 데 사용되는 탄소와 합쳐져 이산화탄소의 형태로 빠져나갑니다.

7 여전히 용융된 형태의 정제된 알루미늄을 제련소에서 끌어내어 도가니로 옮기고 용광로로 내보냅니다. 이 단계에서 다른 요소를 추가하여 최종 제품에 적합한 특성을 가진 알루미늄 합금을 생산할 수 있지만 일반적으로 호일은 99.8% 또는 99.9% 순도 알루미늄으로 만들어집니다. 그런 다음 액체를 직접 냉각 주조 장치에 붓고 "잉곳" 또는 "재롤 스톡"이라고 하는 대형 슬래브로 냉각됩니다. 가공성 향상을 위해 열처리된 열처리 후 잉곳은 포일 롤링에 적합합니다. 알루미늄 스톡을 무거운 롤러 사이에서 굴려서 포일을 생산합니다. 롤링은 호일에 밝고 매트한 두 가지 자연스러운 마감 처리를 만듭니다. 호일이 롤러에서 나오면 원형 칼로 직사각형 조각으로 자릅니다.

알루미늄을 녹이고 주조하는 것의 대안적인 방법을 "연속 주조"라고 합니다. 이 공정은 용해로, 용탕을 담기 위한 홀딩 노, 이송 시스템, 주조 장치, 핀치 롤, 전단 및 굴레로 구성된 조합 장치, 되감기 및 코일 카로 구성된 생산 라인을 포함합니다. 두 방법 모두 0.125~0.250인치(0.317~0.635센티미터) 범위의 두께와 다양한 너비의 스톡을 생산합니다. 연속 주조 방법의 장점은 주조 공정 중에 풀림이 자동으로 이루어지기 때문에 용융 및 주조 공정과 같이 포일 압연 전에 어닐링 단계가 필요하지 않다는 것입니다.

롤링 포일

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8 호일 스톡을 만든 후에는 호일을 만들기 위해 두께를 줄여야 합니다. 이것은 재료가 작업 롤이라는 금속 롤을 여러 번 통과하는 압연기에서 수행됩니다. 알루미늄 시트(또는 웹)가 롤을 통과할 때 더 얇게 압착되어 롤 사이의 틈을 통해 압출됩니다. 작업 롤은 작업 롤의 안정성을 유지하는 데 도움이 되도록 압력을 가하는 백업 롤이라고 하는 더 무거운 롤과 쌍을 이룹니다. 이는 제품 치수를 공차 내로 유지하는 데 도움이 됩니다. 작업 롤과 백업 롤은 반대 방향으로 회전합니다. 압연 공정을 용이하게 하기 위해 윤활제가 첨가됩니다. 이 압연 과정에서 알루미늄은 가공성을 유지하기 위해 때때로 열처리(열처리)해야 합니다.

포일의 감소는 롤의 rpm과 롤링 윤활제의 점도(흐름 저항), 양 및 온도를 조정하여 제어됩니다. 롤 간격은 밀을 떠나는 호일의 두께와 길이를 모두 결정합니다. 이 간격은 상부 작업 롤을 올리거나 내려서 조정할 수 있습니다. 롤링은 호일에 밝고 매트한 두 가지 자연스러운 마감 처리를 만듭니다. 호일이 작업 롤 표면과 접촉할 때 밝은 마감이 생성됩니다. 무광택 마감재를 생산하려면 두 장의 시트를 함께 포장하고 동시에 말려야 합니다. 이 작업이 완료되면 서로 닿는 면이 무광택 마감 처리됩니다. 일반적으로 변환 작업 중에 생성되는 다른 기계적 마무리 방법을 사용하여 특정 패턴을 생성할 수 있습니다.

9 호일 시트가 롤러를 통과할 때 롤 밀에 설치된 원형 또는 면도칼 같은 칼로 다듬고 자를 수 있습니다. 트리밍은 호일의 가장자리를 말하며 슬리팅은 호일을 여러 장으로 자르는 것을 포함합니다. 이 단계는 좁은 코일 너비를 생산하고, 코팅되거나 적층된 스톡의 가장자리를 다듬고, 직사각형 조각을 생산하는 데 사용됩니다. 특정 가공 및 변환 작업의 경우 롤링 중에 파손된 웹을 다시 결합하거나 접합해야 합니다. 일반 호일 및/또는 뒷면 호일 웹을 결합하기 위한 일반적인 유형의 이음에는 초음파, 열 밀봉 테이프, 압력 밀봉 테이프 및 전기 용접이 포함됩니다. 초음파 접합은 겹친 금속에 초음파 변환기로 만든 고체 상태 용접을 사용합니다.

프로세스 마무리

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10 많은 응용 분야에서 포일은 IV / 다른 재료와의 조합으로 사용됩니다. 장식, 보호 또는 열 밀봉 목적으로 폴리머 및 수지와 같은 광범위한 재료로 코팅할 수 있습니다. 종이, 판지 및 플라스틱 필름에 적층할 수 있습니다. 또한 절단, 모든 모양으로 형성, 인쇄, 엠보싱, 스트립으로 슬리팅, 시트, 에칭 및 양극 산화 처리가 가능합니다. 호일이 최종 상태가 되면 그에 따라 포장되어 고객에게 배송됩니다.

품질 관리

온도 및 시간과 같은 매개변수의 공정 중 제어 외에도 완성된 호일 제품은 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 예를 들어, 다양한 변환 공정과 최종 용도는 만족스러운 성능을 위해 호일 표면에 다양한 건조도를 요구하는 것으로 밝혀졌습니다. 습윤성 테스트는 건조를 결정하는 데 사용됩니다. 이 테스트에서 증류수에 용해된 에틸 알코올의 다른 용액을 부피로 10%씩 증가시키면서 호일 표면에 균일한 흐름으로 부었습니다. 방울이 형성되지 않으면 젖음성은 0입니다. 알코올 용액의 최소 백분율이 호일 표면을 완전히 적실 수 있을 때까지 이 과정을 계속합니다.

다른 중요한 특성은 두께와 인장 강도입니다. 표준 시험 방법은 미국재료시험협회(ASTM)에서 개발했습니다. 두께는 샘플의 무게를 측정하고 면적을 측정한 다음 중량을 면적과 합금 밀도의 곱으로 나누어 결정합니다. 호일의 인장 시험은 시험 결과가 거친 모서리, 작은 결함의 존재 및 기타 변수의 영향을 받을 수 있으므로 주의 깊게 제어해야 합니다. 샘플을 그립에 놓고 샘플이 파손될 때까지 인장력 또는 당기는 힘을 가합니다. 샘플을 파괴하는 데 필요한 힘 또는 강도를 측정합니다.

미래

특히 유연 포장용 알루미늄 호일의 인기는 계속해서 증가할 것입니다. 4면의 지느러미 밀봉 파우치는 군사, 의료 및 소매 식품 응용 분야에서 널리 인기를 얻었으며 더 큰 크기는 기관 식품 서비스 팩에 사용됩니다. 와인 1.06~4.75갤런(4~18리터)을 포장하기 위한 파우치도 도입되었습니다. 소매 및 레스토랑 시장, 그리고 기타 식품 서비스 시장 모두에 적용됩니다. 또한 다른 응용 프로그램을 위해 다른 제품이 계속 개발되고 있습니다. 전자레인지 의 인기 증가 오븐은 이러한 오븐을 위해 특별히 설계된 여러 형태의 알루미늄 기반 반강체 용기를 개발하는 결과를 가져왔습니다. 최근에는 바베큐용 특수 쿠킹 포일이 개발되었습니다.

그러나 알루미늄 호일조차도 환경 "친화성"과 관련하여 면밀한 조사를 받고 있습니다. 따라서 제조업체는 재활용 분야에서 노력을 늘리고 있습니다. 사실, 알루미늄 호일의 총 톤수와 포획률이 재활용하기 쉬운 알루미늄 캔보다 훨씬 낮음에도 불구하고 모든 미국 호일 생산자는 재활용 프로그램을 시작했습니다. 알루미늄 호일은 이미 가볍고 작기 때문에 고형 폐기물 흐름에 대한 기여를 줄이는 데 도움이 됩니다. 사실, 적층 알루미늄 호일 포장은 미국 고형 폐기물의 100분의 17에 불과합니다.

포장 폐기물의 경우 가장 유망한 솔루션은 발생원 감소일 수 있습니다. 예를 들어, 커피 65파운드(29.51kg) 포장 강철 캔에 20파운드(9.08kg)의 강철이 필요하지만 알루미늄 호일을 포함한 적층 포장재는 3파운드(4.08kg)만 필요합니다. 이러한 포장은 매립지 공간도 덜 차지합니다. 알루미늄 협회의 호일 부문은 대학 및 전문 포장 디자이너에게 유연한 포장으로 전환할 때의 이점을 알리기 위해 알루미늄 호일에 대한 교육 프로그램을 개발하고 있습니다.

알루미늄 호일은 또한 공장 내 스크랩을 재활용하여 제조 및 유통 과정에서 에너지를 덜 사용합니다. 사실, 캔과 호일을 포함한 재활용 알루미늄은 업계의 연간 금속 공급량의 30% 이상을 차지합니다. 이 숫자는 몇 년 동안 증가해 왔으며 앞으로도 계속될 것입니다. 또한 포일 제조 시 사용되는 공정을 개선하여 대기 오염 및 유해 폐기물을 줄이고 있습니다.