KR101012843B1 - 티타늄 잉곳의 연속주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 잉곳의 연속적인 조업이 불가능해서 생산성이 떨어지는 종래 문제를 해결하여 티타늄 원료의 투입과 용해, 주조가 시간 지연없이 연속적으로 이루어지는 티타늄 잉곳의 연속주조방법에 관한 것이다.

상술한 본 발명은,

티타늄 원료를 용해로의 상부로 연속적으로 투입하는 단계;

상기 용해로의 용해출력을 6.0kwh/kg 이상, 15kwh/kg 이하로 하여 상기 티타늄 원료를 용해하는 단계;

용해된 티타늄 원료에 의해 형성된 용탕을 용해로의 하부에서 냉각하면서 인발하여 티타늄 잉곳을 만드는 단계;를 포함하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법을 제공한다.

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Description

티타늄 잉곳의 연속주조방법{Method for Continuous Casting of Titanium Ingots}

본 발명은 티타늄 잉곳의 연속주조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 티타늄 원료, 예컨대 스폰지 티타늄이나 티타늄 스크랩 등을 용해로에 연속적으로 투입한 후 용해하여 티타늄 잉곳이 투입속도에 맞추어 연속적으로 제조될 수 있도록 하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법에 관한 것이다.

티타늄은 가벼우면서도 비강도 및 비탄성이 크고 내부식성이 우수하기 때문에 항공, 우주, 해양 분야에서 주로 사용되어 왔으며, 항공 및 우주산업의 발달에 따라 그 사용이 증가하고 있는 실정이다.

특히 전 세계 티타늄 생산량 중 50%를 차지하고 있는 티타늄 합금은 경량화뿐만 아니라 극도의 내구성과 내식성을 요구하는 군수용 및 민수용 항공기, 인공위성 발사용 로켓, 고속선박분야에서 알루미늄만으로 대처할 수 없는 부품에 사용될 뿐만 아니라, 자동차, 식품, 정유, 화학 및 석유화학 플랜트, 발전설비, 제약, 식품, 펄프 및 종이, 도금 플랜트, 의료분야, 스포츠 레저, 유가공 및 환경산업 분야에서도 중대형의 티타늄 합금 부품으로 사용되는 등 그 용도가 확대되고 있다.

티타늄은 알루미늄이나 구리 등 다른 금속에 비하여 고온에서의 활성이 매우 큰 금속이기 때문에 용해시 발생하는 가스나 불순물 등이 티타늄 주조품의 불량을 유도할 수 있으며, 일반적인 세라믹 주형 재료를 이용하여 주조할 경우에는 티타늄이 이들과 반응하여 최종제품에 심각한 표면결함을 발생시키는 등 열간 및 냉간에서 기계가공성이 극도로 나쁘다는 단점이 있다.

일반적으로, 티타늄 잉곳을 제조하기 위해 현재 채택하고 있는 전형적인 공정은 한국등록특허 제419266호에 제시된 바와 같이 티타늄 원료를 압축하여 소모전극을 만들고, 진공아크용해를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조하는 것이다.

그러나, 상술한 바와 같은 진공아크용해에 의한 잉곳 제조방법은 잉곳의 용해 및 제조가 배치(batch)식으로 되어 있어서 티타늄 잉곳의 연속적인 조업이 불가능하기 때문에 생산성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 티타늄 원료의 투입과 용해, 주조가 시간 지연없이 연속적으로 이루어지는 티타늄 잉곳의 연속주조방법을 제공함으로써 티타늄 잉곳의 생산성을 높이는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,

티타늄 원료를 용해로의 상부로 연속적으로 투입하는 단계;

상기 용해로의 용해출력을 6.0kwh/kg 이상, 15kwh/kg 이하로 하여 상기 티타늄 원료를 용해하는 단계;

용해된 티타늄 원료에 의해 형성된 용탕을 용해로의 하부에서 냉각하면서 인발하여 티타늄 잉곳을 만드는 단계;를 포함하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법을 제공한다.

여기서, 상기 티타늄 원료의 투입속도와 상기 티타늄잉곳의 인발속도를 동일하게 되도록 한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 용해로는 플라즈마아크용해로 또는 전자빔용해로인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 티타늄 원료는 스폰지 티타늄 또는 티타늄 스크랩인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 용해로의 용해출력을 티타늄 원료가 빠른 속도로 용해될 수 있는 최적 상태로 설정하여 티타늄 원료의 투입속도와 잉곳의 인발속도가 동일하게 맞출 수 있기 때문에 티타늄 잉곳의 연속주조가 가능한 바, 이에 따라 티타늄 잉곳의 단위 시간당 생산량이 증가하고 제조원가가 절감되는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 특징적인 기술에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 티타늄 원료를 용해로에 연속적으로 투입하여 용해한 후 연속 주조하는 티타늄 잉곳의 연속주조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 티타늄 잉곳의 연속주조 방법에서는 먼저 상기 티타늄 원료를 용해로의 상부로 연속적으로 투입하는 단계가 포함되는데, 상기 티타늄 원료가 연속적으로 투입될 수 있도록 상기 용해로의 상부에는 티타늄 원료를 계속적으로 운반하여 상기 용해로로 연속 투입하는 컨베이어가 설치되어 있다.

상기 용해로에 연속적으로 투입되는 티타늄 원료에는 티타늄으로 구성된 것이면 어떤 것이라도 무방하지만, 본 발명에서는 스폰지(spongy) 형태를 하고 있는 스폰지 티타늄 또는 작은 조각 형태의 티타늄 스크랩이 사용된다.

이렇게 티타늄 원료가 용해로로 연속 투입되면, 상기 용해로의 용해출력을 소정 조건으로 맞추어 상기 티타늄 원료를 용해함으로써 용탕이 형성되도록 한다.

여기서, 상기 용해로의 용해출력은 본 발명에 따른 연속주조를 가능하게 하는 중요한 인자인데, 본 발명에서는 상기 용해출력이 6.0kwh/kg 이상, 15kwh/kg 이하가 되도록 하여 상기 티타늄 원료가 용해되는데 시간 지연없이 빠른 속도로 용해되도록 한다.

다음으로, 용해된 티타늄 원료에 의해 형성된 용탕을 용해로의 하부에서 냉각하면서 인발하여 티타늄 잉곳을 주조하게 된다.

상기 용해로의 하부에는 용탕을 인발할 수 있는 몰드가 설치되어 있어서 고온의 용탕이 상기 몰드를 통해 인발되는데, 상기 용탕은 몰드를 통과하면서 냉각되고 그 몰드의 형상대로 주조되어 티타늄 잉곳이 완성된다.

여기서, 상기 티타늄 잉곳은 시간 지연없이 연속해서 주조될 수 있어야 하는바, 상기 티타늄 원료의 투입속도와 상기 티타늄 잉곳의 인발속도는 동일하게 설정되는 것이 좋다.

도1은 용해출력 변화에 따른 연속주조 가능확률을 나타낸 본 발명의 실험도표인데 여기에 도시된 바와 같이, 상기 티타늄 잉곳의 연속주조 가능확률이 100% 즉, 티타늄 원료의 투입속도와 티타늄 잉곳의 인발속도가 동일하기 위해서는 상기 용해로의 용해출력은 6.0kwh/kg 이상, 15.0kwh/kg이하로 설정되는 것이 좋다.

이와 같이 상기 용해로의 용해출력이 6.0kwh/kg 이상, 15.0kwh/kg이하의 범위에서 운용되면 상기 티타늄 원료가 지체없이 용해되어 빠른 용탕이 형성되므로 연속적인 조업이 가능해진다.

상기 용해출력이 6.0kwh/kg 미만이 되면 연속주조 가능확률이 도시된 바와 같이 100% 아래로 떨어지게 되고, 용해출력이 15kWh/kg를 초과하는 경우에는 용해로의 출력이 과다하게 되어 에너지 소모가 많은바, 연속주조 가능확률 대비 용해출력이 과소비되므로 바람직하지 않다.

여기서, 상기 용해출력은 공급되는 전류와 전압의 곱을 통해서 정해진다.

본 발명에서 상기 용해로는 플라즈마아크용해로 또는 전자빔용해로가 사용될 수 있는데, 플라즈마아크용해로나 전자빔용해로는 진공아크용해로에 비하여 티타늄 원료의 용해속도를 높일 수 있기 때문에 연속주조에 있어 적합하다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위한 바람직한 실시예를 제시한다.

본 실시예에서는 스폰지 티타늄과 플라즈마아크용해로가 사용되었으나, 이는 본 발명이 보다 쉽게 이해될 수 있도록 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 반드시 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

먼저 일정량, 예컨대 약 25kg의 스폰지 티타늄(토호티타늄, TST-1급, 0.84 ~ 12.7mm)을 수냉되는 동 도가니(용해로)에 장입한 후 로터리 펌프를 이용하여 내부 압력을 10^-2 torr 이하로 유지하는데, 이는 용해로 내부의 불순 기체(산소, 질소, 수소 등)를 제거하기 위함이다.

이 상태에서 아르곤을 투입하여 용해로 내부 압력이 0.5 ~ 0.9 기압을 유지하도록 하는바, 이때 상기 아르곤은 플라즈마가 형성되도록 하는 역할을 한다.

플라즈마 토치에 전류를 가하여 플라즈마를 형성하고 미리 장입된 스폰지 티타늄을 용해하기 시작하면, 그 스폰지 티타늄이 빠른 시간안에 완전히 용해되어 용해로 내부에 용탕이 형성되는데, 이때 용해로 하부의 용탕을 몰드를 통해 인발하기 시작한다.

이와 동시에 용해로 상부에 장착되어 있는 호퍼로부터 스폰지 티타늄을 상기 티타늄 잉곳의 인발속도와 동일한 속도로 하여 연속적으로 공급하기 시작한다.

위와 같은 조업을 동일한 조건에서 10회 실시한 후 연속주조 조업의 성공 여부를 조사한 결과, 도1과 같은 결과를 얻었다.

도1에 의하면 용해출력이 증가할수록 연속주조 조업 성공확률(연속주조 가능확률)이 증가하며 용해출력이 6kWh/kg인 조건 이상에서는 연속주조 가능확률이 100%가 됨을 알 수 있다.

그러나, 용해출력이 15kWh/kg를 초과하는 경우에는 용해로의 출력이 과다하게 되어 에너지 소모가 많은바, 연속주조 가능확률 대비 용해출력이 과소비되는 단점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.

도1은 용해출력 변화에 따른 연속주조 가능확률을 나타낸 본 발명에 따른 실험도표.

Claims (4)

1. 티타늄 원료를 용해로의 상부로 연속적으로 투입하는 단계;

   상기 용해로의 용해출력을 6.0kwh/kg 이상, 15kwh/kg 이하로 하여 상기 티타늄 원료를 용해하는 단계; 및

   용해된 티타늄 원료에 의해 형성된 용탕을 용해로의 하부에서 냉각하면서 인발하여 티타늄 잉곳을 만드는 단계;를 포함하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법
2. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 원료의 투입속도와 상기 티타늄잉곳의 인발속도를 동일하게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 용해로는 플라즈마아크용해로 또는 전자빔용해로인 것을 특징으로 하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 티타늄 원료는 스폰지 티타늄 또는 티타늄 스크랩인 것을 특징으로 하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법.

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