KR102386767B1 - 티타늄 스크랩을 활용한 페로-티타늄 제조 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 퍽 제조공정이 배제된 페로-티타늄 합금 제조공정에관한 것으로 스크랩 이용 시 문제되는 합금 내 질소 함량을 감소시키기 위해 탈수 및 초음파 세척 공정을 적용하고 칩이나 벌크 형상의 스크랩을 사용하여 용해속도 줄임으로써 대기 노출을 감소시킨 제조공정을 가지는 페로-티타늄 합금 제조 공정에 관한 것이다.

Description

티타늄 스크랩을 활용한 페로-티타늄 제조 공정{Ferro-Titanium Manufacturing Process Using Ti Scraps}

본 발명은 티타늄 스크랩을 이용한 페로-티타늄 제조 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 티타늄 스크랩으로 제작되는 페로-티타늄 합금의 품질 향상을 위해 저 함량의 질소가 존재하는 페로-티타늄 제작 공정에 관한 것이다.

티타늄은 경량금속으로 고비강도와 내식성이 매우 뛰어난 신소재로 알려져 있다. 그러나 티타늄이 갖는 우수한 성질에도 불구하고 티타늄의 제조공정이 복잡하고 장시간이 소요되어 제조원가가 타 구조용 재료에 비해 매우 고가이다. 또한, 고융점, 고반응성, 난가공성 등의 단점이 있어서 외국의 경우 티타늄 및 티타늄 합금 스크랩의 재활용 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 국내 티타늄 스크랩의 주요 수출국은 일본과 미국으로 약 80% 이상이 수출되어 낮은 가격으로 수출된 후, 고부가가치의 고순도 금속이나 가공부품으로 재수입되는 악순환이 발생하고 있다. 한편 티타늄 스크랩의 재활용에 있어서 가장 큰 문제점은 가공 중 발생하는 가스 및 금속 불순물의 오염으로 이러한 불순물은 티타늄의 물성에 큰 영향을 끼치게 된다.

그 중에서도 페로-티타늄은 철강과 스테인리스강을 생산하는데 필요로 하는 필수 중간재로 사용된다. 현재 국내에서는 페로-티타늄 제조기술 부족 및 스크랩에 대한 이해의 부족으로 전량 해외에서 수입에 의존하고 있는 실정이다. 페로-티타늄을 생산하고 있는 국가는 8개국에 불과하며 한국의 페로-티타늄 수입량은 매년 가파르게 증가하고 있다. 따라서 페로-티타늄 제작 기술의 국산화가 시급한 실정이다. 초고장력 강판, IF 강, 스테인리스 강의 기계적 및 화학적 물성을 향상하기 위해 첨가되는 페로-티타늄은 합금 내 질소, 탄소, 산소 등의 불순물 함량 제어가 매우 중요하다. 그리고 페로-티타늄은 대기용해 방법이기 때문에 대기 노출은 필수 불가결한 조건이며 고온에서 대기노출이 길어질수록 질소 및 산소의 함량은 높아질 위험이 있다. 따라서 기존의 페로-티타늄 합금 제조는 합금 내 가스 불순물의 함량을 저감 시키기 위해 티타늄 스크랩을 퍽형태로 제작하여 장입시간을 줄여 대기 노출 시간을 감소시켰다. 이는 합금 내에 가스원소의 함량을 줄이는 데는 효율적이지만 퍽 형상의 티타늄 스크랩을 제작하는 공정으로 인해 생산량 및 생산단가를 높이는 단점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 페로-티타늄 합금 제작 시 기존에 사용하던 퍽 형태의 티타늄 스크랩 제작 공정을 배제하고 칩이나 벌크 형상의 티타늄 스크랩을 사용하여 용해속도를 향상시켜 용해로에서의 대기 노출 시간을 줄여 페로-티타늄 합금 내 질소함량을 감소시키는 데 그 목적이 있다.

페로-티타늄 제조에 있어서 최종 철강제품의 품질 향상을 위해 가스원소(산소, 질소, 탄소)의 함량제어는 필수적인 조건이며 그렇지 않을 시 최종 제품에서 많은 불량 문제를 야기한다. 페로-티타늄 제조 시 사용되는 스크랩은 소재 특성 상(특히 가공 칩의 경우), 표면에 잔존해 있는 다량의 절삭유 및 불순물 및 용해 시 대기 노출에 인해 페로-티타늄 제조 공정 시 화재 위험 및 합금 소재 내 탄소 및 질소함량의 상승을 초래한다. 또한, 대기 노출 시간을 줄이기 위해 적용되는 기존의 퍽 형태의 티타늄 스크랩 제작 공정은 경제적으로 비효율적이다.

따라서 본 발명에서는 제작공정을 단축하기 위해 퍽 형태의 티타늄 스크랩 제작공정을 배제하고 스크랩 소재의 표면 세척공정을 통한 절삭유를 제거하고 칩이나 벌크 형태의 스크랩의 사용으로 대기 노출시간을 줄여 페로-티타늄 합금 내 질소함량을 저감 시킬 수 있는 페로-티타늄 합금 제작 기술을 제공하고자 한다.

본 발명에서는 퍽 스크랩 대신 칩이나 벌크 형태의 티타늄 스크랩을 이용하여 용해 속도를 향상시키고, 퍽 형상의 티타늄 스크랩 제조공정을 배제함으로써 페로-티타늄 합금 제조 공정을 단축하고자 한다.

본 발명에서는 티타늄 스크랩 표면의 절삭유 등의 불순물을 제거하는 완전 세척 공정를 통하여 페로-티타늄 합금 내 탄소 및 질소의 함량을 감소시키고자 한다.

또한, 고주파 유도 용해로를 이용하여 페로-티타늄 합금 제조 시 초기 용탕 형성 시간 및 최종 출탕 공정까지 총 소요되는 시간을 최대한 단축시켜 페로-티타늄 합금 내 질소함량을 저감하고자 한다.

본 발명에서 개발된 페로-티타늄 합금 제조 기술은 스크랩을 이용한 것으로 환경적 문제 뿐만 아니라, 경제적이다.

칩이나 벌크 형태의 스크랩 티타늄을 이용함으로 티타늄 퍽 제조 공정이 생략되어 생산성 향상 등 효율적이다.

본 발명에서 적용된 고주파 유도용해로 인한, 빠른 용해로 인해 고온에서 대기 노출시간이 감소된다.

또한, 본 발명에서 개발되는 공정 기술을 통해 고급강 제조 시 반드시 필요한 Low-N&O 페로-티타늄 합금의 수입 의존도를 낮춤과 동시에 국가 기반 산업인 철강 산업의 국제 경쟁력 강화가 기대된다.

도 1은 본 발명의 비교예 및 실시예에서 적용되는 철 스크랩 및 티타늄 스크랩의 형상이다.
도 2는 본 발명에서 개발된 페로-티타늄 합금 제조 공정 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 페로-티타늄 합금 제조 공정 및 제조된 페로-티타늄 합금을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에서 비교예 및 실시예로 제작된 페로-티타늄 합금의 성분 분석표이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예를 상세히 설명한다.

본 발명은 칩 또는 벌크 형상의 티타늄 스크랩, 세척과정, 및 고주파 유도 용해로를 이용하여 질소량이 저감된 페로-티타늄을 제작하는 제조공정을 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 제조방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다.

(S-1) 티타늄 및 철 스크랩을 세척하는 단계;

(S-2) 상기 세척된 티타늄 스크랩의 일부를 장입하는 단계;

(S-3) 상기 세척된 철 스크랩을 장입하는 단계;

(S-4) 상기 일부 티타늄 및 철 스크랩의 초기 용탕 형성 단계;

(S-5) 상기 세척된 티타늄 스크랩의 나머지를 장입하는 단계;

(S-6) 완전용해 단계;

(S-7) 출탕 및 잉곳 회수 단계.

삭제

상기 (S-1) 단계에서, 스크랩은 표면에 존재하는 유기화합물 등의 절삭유 등의 불순물을 제거하기 위해 세척하기 위하므로 탈수 세척 및 초음파 세척을 적용한다. 이는 스크랩 표면에 존재하는 불순물로 인해 용탕 내 가스 고립으로 용탕 폭발의 위험을 야기시키고 내부 가스로 인하여 합금 내부에 다량의 기공이 존재를 막기 위함이다. 또한, 페로-티타늄 합금의 많은 불량을 야기시키는 질소의 함량을 감소시키기 위함이다. 기존의 스크랩 표면에 잔류되어 있는 절삭유 등의 제거는 300 ~ 600 ^oC의 열처리로 수행하였다. 하지만 열처리 시 발생되는 유독성 가스의 발생으로 환경오염의 문제가 발생하며, 또한 열처리로 인해 스크랩의 상변태를 야기시키는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 세척 방법으로 스크랩의 불순물을 제거하고자 하였다.

상기 (S-1) 단계에서 탈수세척의 온도는 상온에서 100 ℃까지 가능하며 여러 번 반복 가능하다. 탈수세척은 물 속에서 세척하는 방법으로 물의 끓는점 이상에서 수행하는 것은 불필요하다.

상기 (S-1) 단계에서 적용되는 초음파 세척 공정은 1분 내지 60분 이내로 한다. 1분이하에서는 효과적인 세척이 이루어지지 않을 수 있고 60분 초과 시는 필요이상의 세척으로 생산가를 증대시킬 수 있다. 또한 세척 온도는 상온에서 100 ^oC까지 가능하나 바람직하게는 40 ~ 50 ^oC이다.

또한, (S-1) 단계에서는 세척된 스크랩에서 물의 제거를 위해 탈수하는 단계를 포함한다.

또한, (S-1) 단계에서는 탈수된 스크랩을 건조하는 단계를 포함한다. 건조 공정은 세척 공정에서 사용한 물이 증발될 수 있는 온도 (100 ^oC)가 적합하며, 또는 진공 건조 방식으로 수행할 수도 있다.

상기 (S-2) 단계에서 사용되는 티타늄 스크랩은 기존의 페로-티타늄 합금에서 장입시간을 감소시켜 대기 노출 시간을 줄이기 위해 이용되는 퍽 형태의 티타늄을 사용하지 않는 것을 특징으로 한다. 퍽의 제작은 공정 추가로 인한 시간 및 금액적인 면에서는 불리하다. 칩이나 벌크 상의 스크랩은 용해속도를 감소시켜 대기 노출 시간을 감소시킬 수 있는 장점을 가진다.

상기 (S-2)과 (S-3)단계에서 적용되는 철 및 티타늄은 어떠한 형상의 스크랩이라도 바람직하다. 금속 가공 후 생성되는 스크랩은 가공 방법에 따라 여러 형태의 스크랩이 발생된다.

또한, 본 발명에서는 고주파 용해로를 이용하여 페로-티타늄 합금 제조 시간을 감소시켜 합금 내 질소 함량을 저감 시키는 것을 특징으로 한다. 또한 초기 용탕 및 용해 시간, 온도는 스크랩 형태, 합금의 크기 등에 따라 변화함으로 제한을 두지 않는다.

철 및 티타늄 스크랩을 이용하는 제조되는 페로-티타늄 합금은 순수한 페로-티타늄 합금이거나 또는 소량의 다른 금속이 첨가된 페로-티타늄 합금일 수 있다. 상기 소량의 금속은 바나듐, 알루미늄, 몰리브덴, 망간 등 일 수 있고, 페로-티타늄 합금의 전체 중량에 대하여 2~3 중량%로 첨가될 수 있다. 본 발명에서는 금속 가공 후 발생하는 스크랩을 사용하여 자원부족의 어려움과 재활용사용으로 인한 환경문제를 극복하고자 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 적용된 철 스크랩 및 티타늄 스크랩의 형상이다.

도 2는 본 발명에서 개발된 페로-티타늄 합금 제조 공정 모식도로 티타늄 퍽 공정이 배제되었다.

이하, 도 1 및 도 2를 참고하여 페로-티타늄 합금의 새로운 제조 공정을 구체적으로 설명하고자 한다.

페로-티타늄 합금 제조를 위해 철 스크랩 10 kg, 티타늄 6-4 벌크 스크랩 5 kg, 및 티타늄 6-4 터닝 칩 스크랩 35 kg를 준비한다. 준비된 스크랩은 먼저 탈수세척(100^oC, 2회반복) 및 초음파세척 (50^oC, 30분) 후 탈수 및 건조 과정을 거쳐 표면의 불순물을 세척한다. 이 후 티타늄 6-4 벌크 스크랩 소재 5 kg을 유도 용해로에 장입 한 후 철 스크랩 10 kg을 장입하였다. 본 발명의 실시예에서는 초기용탕의 빠른 형성을 위하여 벌크 스크랩 5 kg을 철 스크랩과 함께 선 장입하였다. 이후 초기 용탕이 형성되면 티타늄 6-4 터닝 칩을 추가 장입하여 완전 용해한 후 출탕 공정을 거쳐 페로-티타늄 합금 잉곳을 회수하였다. 본 실험에서는 티타늄 6-4 터닝 칩을 퍽 제조공정 없이 칩 상태 그대로 사용하는 방법으로 수행하였다.

[비교예 1]

페로-티타늄 합금 제조를 위해 철 스크랩 10 kg, 티타늄 6-4 퍽 스크랩 5 kg, 및 티타늄 6-4 터닝 칩 스크랩 35 kg를 준비한다. 준비된 스크랩은 먼저 탈수세척(100^oC, 2회반복) 및 초음파세척 (50^oC, 30분) 후 탈수 및 건조 과정을 거쳐 표면의 불순물을 세척한다. 이 후 티타늄 6-4 퍽 스크랩 소재 5kg을 유도 용해로에 장입 한 후 철 스크랩 10 kg을 장입하였다. 유도용해로 특성 상, 초기 일정량 이상의 소재가 장입되어야 단시간에 소재 내부로 많은 저항열을 발생시킬 수 있기 때문에 빠른 용해가 가능하다. 이를 위해 Ti 6-4 퍽 스크랩을 도가니 가장 하단부에 선 장입한 후 철 스크랩을 후 장입하여 용해실험을 진행하였다. 이후 초기 용탕이 형성되면 티타늄 6-4 터닝 칩 스크랩 35 kg을 추가 장입하여 완전 용해한 후 출탕 공정을 거쳐 페로-티타늄 합금 잉곳을 회수하였다.

도 3은 본 발명의 실시예의 페로-티타늄 합금 제조 공정 및 제조된 페로-티타늄 합금을 나타낸 것으로 완전세척 된 스크랩을 사용할 경우 스크랩 퍽 제조공정을 생략하더라도 건전한 제품을 만들 수 있다는 것이 확인되었다.

도 4는 본 발명에서 비교예 및 실시예로 제작된 페로-티타늄 합금의 성분 분석표로 실시예로 제작된 페로-티타늄 함금 내 질소의 함량이 비교예와 유사함을 확인할 수 있었다. 스크랩 칩의 경우 장입 속도 문제는 여전했으나, 퍽 대비 칩의 용해속도가 매우 빨라서 장입공정에 소요된 시간은 동일하였다. 따라서 대기 중 용탕 내부로 침입하는 가스원소의 함량도 큰 차이는 없었기 때문에 이 방법은 시간 및 금액적인 면에서 유리하여 생산성 향상에 도움을 줄 것으로 기대 된다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

삭제

Claims (10)

1. (S-1) 티타늄 및 철 스크랩을 세척하는 단계로 탈수 세척 공정, 초음파 세척 공정 및 건조 공정을 포함하고, 상기 탈수 세척 공정은 물 속에서 상기 티티늄 및 철 스크랩을 세척하고, 상기 물의 제거를 위해 탈수하는 것으로, 세척 온도는 상온에서 100℃까지이며, 탈수 및 세척을 반복하는 것이고, 상기 초음파 세척 공정은 1분 내지 60분 동안 상온에서 100℃ 이내로 수행하는 것이고, 상기 건조 공정은 진공 하에서 100℃이하로 수행하는 세척 단계;
   (S-2) 퍽 형태의 티타늄 제작 공정을 적용하지 아니하고 칩 또는 벌크 형상의 세척된 티타늄 스크랩의 일부를 장입하는 단계;
   (S-3) 상기 세척된 철 스크랩을 장입하는 단계;
   (S-4) 상기 일부 티타늄 및 철 스크랩의 초기 용탕 형성 단계;
   (S-4) 상기 세척된 티타늄 스크랩의 나머지를 장입하는 단계;
   (S-6) 완전용해 단계;
   (S-7) 출탕 및 잉곳 회수 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로 -티타늄 제조 공정.
2. 삭제
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7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   고주파 용해로를 이용하여 페로-티타늄 합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 페로-티타늄 제조 공정.
10. 제1항에 있어서,
    제조된 페로-티타늄 합금은 순수한 페로-티타늄 합금이거나 또는 페로-티타늄 함금의 전체 중량에 대하여, 2~3 중량%의 바나듐, 알루미늄, 몰리브덴, 망간으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속이 첨가된 페로-티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 페로-티타늄 제조 공정.

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