KR101371161B1 - 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도의 티타늄 잉곳(ingot)을 제조할 수 있도록 한 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치 및 그 방법을 개시한다. 본 발명은 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부에 위치되며 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 도가니; 및 상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하는 칼슘가스 공급수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치 및 그 방법{TITANIUM SCRAP AND TITANIUM SPONGE REFINING EQUIPMENT AND PROCESS USING CALCIUM GAS}

본 발명은 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고순도의 티타늄 잉곳(ingot; 주괴)을 제조할 수 있도록 한 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 티타늄 금속은 스크랩의 일부 재활용을 제외하고는 전량 수입에 의존하고 있으며, 이는 본질적으로 티타늄 광석으로부터 스폰지 티타늄을 제조하는 산업적 기반이 충분하지 않기 때문이다. 국내 티타늄 스크랩은 주로 제강용 탈산재, Al 모합금 제조, HDH(Hydrogenation-Dehydrogenation)법에 의한 Ti 분말 제조에 일부 의존하지만 국내 발생량의 대부분을 저가로 수출하고 있는 실정이다.

특히, 국내 티타늄 스크랩의 경우, CP(commercial pure) 티타늄은 2002년 4,000원/kg에서 2005년 20,000원/kg으로, 터닝 칩(Turning chip)은 2,000원/kg에서 15,000원/kg으로, Ti-6Al-4은 2,000원/kg에서 15,000원으로 급등하여 거래되고 있으나, 점차 티타늄 스크랩의 공급부족으로 인하여 가격이 상승될 것으로 전망되고 있다.

이와 같이, 국내의 티타늄 스크랩 시장은 저가에 수출하고 고가에 수입하는 수요/공급이 불안정한 상태로서, 티타늄 스크랩의 재활용 기술 산업 기반이 취약한 실정이다.

한편, 티타늄 스크랩이 대량으로 발생되는 미국, 일본 등 선진국의 경우, 경, 대형 전문 티타늄 전처리 업체를 보유하고 티타늄 스크랩의 재용해에 의한 티타늄 잉곳(주괴)을 제조하고 있으며, 미국의 경우 2005년도 티타늄 스크랩 재활용 잉곳 생산은 25,000톤으로 전체 티타늄 잉곳 생산량의 30%를 점하고 있다.

2002년도 세계수요는 전체로는 58,000 ~ 59,000 ton으로 전년도보다 10% 전후의 감소가 예상되나, 향후 항공기 시장뿐 아니라 일반 공업용, 민생품 수요도 지속적으로 성장하는 추세를 보여 세계 수요가 생산을 상회 할 것으로 보인다.

따라서 세계 시장의 경우 티타늄의 수요는 지속적으로 증가 추세에 있다고 볼 수 있으나, 티타늄 재활용 시장은 그 기반이 취약하다.

이와 같은 요구에 의해 근래에는 티타늄의 재활용에 대한 요구가 제기되고 있으며, 금속 스크랩 또는 스폰지 등을 정련하여 재활용하는 기술이 각광받고 있다.

그러나, 종래에는 티타늄이 갖는 고융점과 높은 화학적 활성으로 인해 제련-정련-용해공정에는 고도의 기술과 많은 에너지가 소모되어 티타늄 자체의 난가공성과 더불어 제조비용이 높아 티타늄 소재의 범용화에 장애 요소가 되는 문제점이 있었다.

한편 현재 티타늄 스크랩을 재용해하는 방법은 티타늄 광석에서 추출된 티타늄 스폰지를 용해하는 진공 아크 재용해(VAR; Vacuum Arc Remelting)법, 전자 빔 용해(EBM, Electro Beam Melting)법, 플라즈마 아크 용해(PAM, Plasma Arc Remelting)법 등의 방법으로서 이러한 방법들을 이용하여 스크랩을 재활용할 경우, 고정비용 부분인 장치가 고가여서 티타늄 재활용 시장으로의 접근이 어렵다는 문제점을 지니고 있다.

또한, 양질의 티타늄 스크랩의 경우 재용해를 통한 잉곳 생산이 가능하지만 판재, 선재 등의 가공 시에 주로 발생되는 불순물(산소, 질소 등) 함유량이 높은 티타늄 스크랩은 별도의 정련 공정이 없기 때문에 고순도의 티타늄을 얻기가 곤란한 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 효율적인 티타늄 스크랩의 정련을 위해 용탕 주위로 불활성 가스와 함께 칼슘 가스를 공급하여 기류 커튼 월(Wall)을 형성함으로써 용탕 내에 산소를 효율적으로 제거할 수 있는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부에 위치되며 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 도가니; 및 상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하는 칼슘가스 공급수단을 포함하여 이루어진 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치 및 그 방법이 제공된다.

상기 도가니의 상부에 위치하여 용융시 발생하는 불순물 가스를 포집하는 포집판을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 칼슘가스는 상기 용탕의 둘레 전체에 걸쳐 분사되어 기류 커튼 월(wall)을 형성할 수 있다.

상기 칼슘가스 공급수단은, 고체 상태의 칼슘을 열로 기화시켜 칼슘가스를 생성하는 칼슘가스 생성유닛; 및 상기 칼슘가스 생성유닛으로 공급되는 상기 칼슘가스를 상기 도가니의 하부에서 상부로 분사시키는 다수의 분사유닛을 포함할 수 있다.

상기 칼슘가스 생성유닛에 연결되어 외부로 공급되는 불활성 가스와 상기 칼슘가스 생성유닛으로 공급되는 상기 칼슘가스를 혼합하여 상기 분사유닛으로 공급하는 혼합챔버를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 혼합챔버에는 상기 불활성 가스를 가열하기 위해 가열수단이 구비될 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 진공 챔버 내부에 위치되어 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련방법으로서, 상기 비접촉 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 상기 용탕 둘레로 기류 커튼 월(wall)을 형성하는 것으로 상기 용탕 내의 산소를 제거하는 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련방법이 제공된다.

상기 칼슘가스는 외부로부터 공급되는 불활성가스와 혼합된 상태로 제공될 수 있다.

상기 칼슘가스와 상기 불활성가스의 혼합시 상기 칼슘가스가 응축되는 것을 방지하기 위해 가열이 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 티타늄 정련시 용탕 둘레로 칼슘가스를 주입함으로써 용탕 내에서 산소를 제거할 수 있어서 고순도의 티타늄 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 내부 기류상태를 보여주는 상태도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 칼슘가스가 분사되어 기류 커튼 월(wall)을 형성한 것을 보여주는 상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 칼슘가스 생성에 필요한 구성을 보여주는 예시도, 및
도 5는 깁스 자유에너지 변화량 해석에 따른 산소 감소 메커니즘을 설명하기 위한 비교 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 내부 기류상태를 보여주는 상태도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 칼슘가스가 분사되어 기류 커튼 월(wall)을 형성한 것을 보여주는 상태도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 칼슘가스 생성에 필요한 구성을 보여주는 예시도이다.

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도 1 내지 도 4와 같이, 본 발명은 진공 챔버(20), 도가니(30), 포집판(60), 및 칼슘가스 공급수단을 포함한다.

상기한 구성에 있어서, 진공 챔버(20)에는 비활성 가스(예를 들어 아르곤 가스나 헬륨가스 등)를 주입하기 위한 주입구(21)가 측면에 형성된다. 이때 주입구(21)는 하나 또는 그 이상일 수 있다(본 실시예에서는 진공 챔버 측면에 3개가 형성된 것을 예로 들었다). 한편 진공 챔버(20)의 상부에는 배출구(22)가 형성된다. 이 배출구(22)는 진공 챔버(20)의 진공도를 유지하기 위해 내부의 가스를 외부로 배출하는 역할을 한다.

한편 도가니(30)는 외부에 유도코일(31)이 권취된 형태로 제공된다. 즉 전자기 도가니로서, 교류 전류를 인가하여 자기장(Magnetic Field) 변화를 유발시켜 용융시키고자 하는 금속표면에 유도 전류를 형성시키고, 상기 유도전류로부터 발생하는 줄열(Joule's Heat)에 의해 금속이 용융된다. 이러한 전자기 유도에 의한 직접 용융 방식은 단시간 내에 금속과 같은 물질을 용융시키는 것이 가능하여 높은 생산성을 기대할 수 있다.

또한, 상기 유도전류는 자기장과 작용하여 용탕(32)에 전자기력(Lorentz force)을 발생시킨다. 이 발생되는 전자기력은, 코일 전류의 방향이 바뀌더라도 플레밍의 왼손법칙에 따라 항상 도가니 내부의 중심방향으로 향하게 되고 전자기압(Electromagnetic Pressure)과 같은 핀치효과(Pinch Effect)로 인하여 용탕과 도가니(30)의 내벽(35)과의 접촉을 방지할 수 있다. 이로 인해 도가니(30)의 내벽(35)과 용탕(35)의 사이에는 서로 접촉되는 공간(간극)이 형성된다.

한편, 포집판(60)은 도가니(30)의 용탕(32)에서 발생되어 상승되는 불순물 가스 중에 포함된 불순물을 표면에 응결시켜 포집하는 수단이다. 구체적으로 포집판(60)에는 진공 챔버(20) 내부와의 온도차를 형성할 수 있도록 냉각수단이 구비될 수 있다. 한편 포집판(60)은 도 1 내지 도 4와 같이 도가니(30) 수직한 상부에 위치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 도가니(30)로부터 상승되는 불순물 가스가 직접적으로 노출되도록 위치된다.

칼슘가스 공급수단은 도가니(30)의 하부측에 위치된다. 구체적으로 칼슘가스 공급수단은 칼슘가스를 용탕(32) 주위로 분사시킬 수 있도록 제공되는 것으로, 진공 챔버(20) 내부(구체적으로 용탕과 도가니의 내벽 사이의 공간)로 분사할 수 있는 다수의 분사유닛(41,42)을 구비한다.

한편 도 4와 같이 칼슘가스는 칼슘가스 생성유닛(100)을 통해서 생성될 수 있는데, 이 칼슘가스 생성유닛(100)은 내부에 고체상태의 칼슘(120)이 장입되고, 이 상태에서 히팅코일(110)을 통해 칼슘(120)을 기화시켜 칼슘가스를 생성하여 분사유닛(41,42)을 통해 고압으로 분사시키도록 한다.

이때 분사유닛(41,42)은 다수의 노즐이 용탕(32) 둘레를 감싸도록 배치됨으로써 도 2와 같이 포집판(60)의 하부면과 용탕(32) 사이에 기류 커튼 월(Fc)을 형성할 수 있도록 구성할 수 있다.

아울러 이 분사유닛(41,42)에는 칼슘가스뿐만 아니라 불활성가스(아르곤 가스)가 혼합된 상태로 분사될 수 있다. 이를 위해 분사유닛(41,42)과 칼슘가스 생성유닛(100) 사이에는 혼합챔버(200)가 제공될 수 있다. 이때 혼합챔버(200)에는 외부에서 공급되는 저온의 불활성가스와 고온의 칼슘가스가 혼합되는 과정에서 칼슘가스의 온도가 저하되는 것으로 응결/응축되는 것을 방지하기 위해 챔버의 내부에는 가열코일(210)이 구비되는 것이 바람직하다.

이에 따라 외부의 불활성가스와 기화된 상태의 칼슘가스(100)의 혼합시 온도저하로 인해 칼슘가스(100)가 응결/응축되는 것을 방지하여 활성화 상태를 유지하는 것이 바람직하다.

또한 칼슘가스 생성유닛(100)과 혼합챔버(200) 및 분사유닛은 공급라인을 통해 연통되고, 이들 공급라인에는 밸브(V1,V2)를 설치하여 개폐가 가능하도록 구성할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치는 도가니(30)의 하부에 설치된 분사유닛(41,42)을 통해 혼합가스(불활성 가스와 칼슘가스의 혼합가스)를 주입하면 주괴(50)와 내벽(35) 사이의 틈으로 가스가 주입되고 용탕(32)과 내벽(35) 사이의 공간을 통과하여 포집판(60)의 하부면까지 주입된 가스가 전달된다. 이에 따라 도 3과 같이 도가니(30)의 상부와 포집판(60)의 사이에는 수직하게 분사유닛(41,42)에서 분사된 가스가 기류 커튼 월(FC)을 형성하게 된다. 즉 용탕(32)의 둘레방향으로 솟구치는 가스기류가 용탕(32)의 둘레영역만큼의 기류 커튼 월(Fc)을 형성하게 된다.

이와 같이 형성된 기류 커튼 월(Fc)은 도가니(30)의 용융시 발생되는 산소를 제거함은 물론 용융시 발생되는 불순물 가스가 진공 챔버(20)의 내부로 확산되는 것을 차단하게 된다.

또한 기류 커튼 월(Fc)은 도가니(30)에서 상승되는 불순물 가스가 포집판(60)의 하부영역으로 집중되도록 유도하는 역할을 한다. 즉 도가니(30)의 하부에서 분사된 혼합가스는 비접촉 도가니의 틈을 통해 포집판(60)의 하부면에 직접분사되는 것으로 기류 커튼 월(Fc)을 형성하고, 이 기류 커튼 월(Fc)은 금속 용융시 발생되는 불순물 가스가 진공 챔버(20) 내부로 확산되는 것을 방지하도록 도가니(30)에서 상승되는 불순물 가스를 기류 커튼 월(Fc) 내에 유지하면서 포집판(60)으로 유도하는 역할을 하는 동시에 용탕(32) 내에서 산소를 제거하는 역할을 한다.

도 5는 깁스 자유에너지 변화량 해석에 따른 산소 감소 메커니즘을 설명하기 위한 비교 그래프이다.

깁스 자유에너지 변화량(ΔG)은 계와 주위의 전체 엔트로피 변화에 비례하는 값으로 즉 ΔG=ΔH-TΔS이다. 자발적 변화는 전체 엔트로피의 증가를 수반하므로 자발적 변화는 계에서 깁스 자유에너지가 줄어드는 현상이 나타난다. 그러므로 ΔG가 0보다 작으면 정반응이 자발적이다. 이 그래프를 참조해 보면 칼슘가스가 산소와 자발적 반응을 야기하는데 높은 효율을 갖는 것을 알 수 있다.

본 발명은 정련시 용탕으로 칼슘가스를 주입하는 것으로 용탕(32) 내에 산소를 제거하고, 이를 통해 고품질의 주괴(잉곳)을 제조할 수 있도록 한다.

종래에도 티타늄 정련시 산소를 제거하기 위해 칼슘재질의 도가니를 형성하는 것으로 산소를 제거하는 기술이 개시되어 있다.

이와 같이 칼슘은 정련시 용탕(32)에서 산소를 제거하는 매개체 중 하나이다. 이에 따라 용탕(32) 주위로 칼슘가스를 공급하는 것으로 용탕(32)에서 산소를 제거할 수 있으며 잉곳 제조시 산소의 함유율을 낮춰 고품질의 잉곳(주괴)을 제조할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

20: 진공 챔버 21: 주입구
22: 배출구 30: 도가니
31: 유도코일 32: 용탕
35: 내벽 41,42: 분사유닛
50: 주괴 60: 포집판
100: 칼슘가스 생성유닛 200: 혼합챔버

Claims (9)

1. 진공 챔버;
   상기 진공 챔버의 내부에 위치되며 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 도가니; 및
   상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 둘레공간으로 칼슘가스를 분사하는 칼슘가스 공급수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 도가니의 상부에 위치하여 용융시 발생하는 불순물 가스를 포집하는 포집판을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 칼슘가스는 상기 용탕의 둘레 전체에 걸쳐 분사되어 기류 커튼 월(wall)을 형성하는 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 칼슘가스 공급수단은,
   고체 상태의 칼슘을 열로 기화시켜 칼슘가스를 생성하는 칼슘가스 생성유닛; 및
   상기 칼슘가스 생성유닛으로 공급되는 상기 칼슘가스를 상기 도가니의 하부에서 상부로 분사시키는 다수의 분사유닛을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 칼슘가스 생성유닛에 연결되어 외부로 공급되는 불활성 가스와 상기 칼슘가스 생성유닛으로 공급되는 상기 칼슘가스를 혼합하여 상기 분사유닛으로 공급하는 혼합챔버를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 혼합챔버에는 상기 불활성 가스를 가열하기 위해 가열수단이 구비된 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
7. 진공 챔버 내부에 위치되어 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련방법으로서,
   비접촉 도기나의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 상기 용탕의 둘레로 기류 커튼 월(wall)을 형성하는 것으로 상기 용탕 내의 산소를 제거하는 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 칼슘가스는 외부로부터 공급되는 불활성가스와 혼합된 상태로 제공되는 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 칼슘가스와 상기 불활성가스의 혼합시 상기 칼슘가스가 응축되는 것을 방지하기 위해 가열이 이루어지는 것을 특징으로 하는 칼슘 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련방법.

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