KR20190075733A - 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

1MPa 이상의 불활성 분위기를 조성하는 단계, 상기 불활성 분위기에서 기초 재료를 융점 이상으로 가열하여 용융시키는 단계, 상기 불활성 분위기에서 고휘발성 시료 원소를 용융된 상기 기초 재료에 투입하여 혼합 용융액을 만드는 단계, 상기 혼합 용융액을 냉각하여 굳히는 단계를 포함하는 방법을 통해 고휘발성 원소의 표준 시료를 제조한다.

Description

고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치 및 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING Reference Materials of high volatility elements and Method of the same}

본 발명은 표준시료 제작을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 철 기반(Fe-Based)의 Bi, Ca계 표준 시료에서 고휘발성 원소인 Bi, Ca의 회수율을 높일 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

선도적 제품으로 고강도 강판의 개발이 이루어지고 있으며, 신강종 개발에 따라, 물성, 도금성, 버링성에 영향을 미칠 수 있는 실험적인 성분계에 대한 연구가 진행됨에 따라 특별한 원소의 화학 정량 분석 또한 중요해지고 있다.

최근의 연구에서 강에 첨가되는 원소 중 특별히 용해(합금화) 실험이 난해했던 원소는 비스무트(Bi)와 칼슘(Ca)이 대표적이다. 이 두 원소는 철의 융점인 1,539˚C보다 낮은 비산점(Boiling point)을 갖고 있어서 유도로에서 용해된 용강과 접촉함과 동시에 기체로 승화되고, 이에 따른 부피 팽창으로 폭발을 일으킨다. 투입 즉시 용강은 사방으로 튀어 오르고 증기화된 첨가 원소는 챔버 내부에 증착되거나 부유하게 되며 심각한 오염을 일으킨다. 특히 용강 상부로 투입하면, 99.9% 이상의 순도로 투입해도 회수율이 절반 이하로 떨어지고 용강 비산에 따라 타원소의 회수율 하락에 대한 제어도 불가능하기 때문에 같은 투입량으로 여러 번 실험을 해도 제각기 다른 회수율을 나타낸다. 따라서 실험의 정합성 또한 불분명해지는 문제가 있다.

제강 공정의 탈황법에서 Ca는 미량으로 잔존하게 되며, 소규모 단위 용강에서 Ca 정량 성분을 확보하기 위해서는 좀더 안정한 Si-Ca계열의 합금철을 투입하는 방법이 통용되고 있으나, 연구실에서는 Si-Ca의 경우 Si를 배제한 Ca 단독 성분계를 위한 성분 형성이 불가능하고 또한 다른 미량의 불순물이 포함될 우려가 있기 때문에 성분 정합성과 실험에 따른 경향성의 추정에 대한 리스크가 있다.

Bi는 이미 첨가된 쾌삭강(S 고함량) 그 자체를 합금제로 사용하여 용강에서 좀 더 안정된 회수율을 얻을 수 있으나, Fe-S와 같은 비금속 개재물이 함유되어 있어서 편석을 유발하고, Ca와 마찬가지로 Bi 단독 성분계를 구성하기가 어렵다.

종래의 기술에서 좀 더 안정된 Ca, Bi 회수율을 얻기 위하여는 다른 금속과 합금화된 재료를 사용하는 방법이 일반적이지만, 해당 방식은 미지의 미량 원소가 혼입될 가능성이 있고 회수율 목표(%)를 높이면 합금 베이스 원소가 함께 증가되는 문제점이 있기 때문에 비교적 넓은 성분 범위를 합격 기준으로 하는 제품의 생산에는 적합하나, 정밀한 성분 매트릭스의 표준 시료를 바탕으로 계산되는 검량선이 필요한 화학 분석에는 적합하지 않다.

화학 분석에서는 검량선을 그리기 위해 적어도 2개 이상의 표준 시료가 필요하고, OES (Optical Emission Spectroscopy) 등의 분광 분석 장비 특성상 하나의 원소의 정량 분석에 영향을 미치는 무수히 많은 타원소의 분광 간섭이 있으므로 표준 시료와 미지 시료의 성분계 매트릭스(Matrix) 차이에 대한 고려가 필요하다. 따라서 미지 시료에 대한 정확한 분석이 이루어지려면, 분석 대상인 원소 하나에 대한 수십 가지의 다양하고 정밀한 성분계를 가진 표준 시료가 필요하게 된다.

그러나 현재의 기술 수준으로는 그러한 정밀한 성분계를 만들기 위한 표준 시료 제조 장치가 없으며, Bi, Ca계 고휘발성 원소의 정밀한 분석을 지원하기 위해서는 표준 시료 제조의 문제점을 해결할 제조 장치 개발이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 고휘발성 원소들의 휘발과 폭발을 방지하여 회수율을 높일 수 있는 표준 시료 제조 장치를 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법은 (a) 대기압 이상의 불활성 분위기를 조성하는 단계, (b) 상기 불활성 분위기에서 기초 재료를 융점 이상으로 가열하여 용융시키는 단계, (c) 상기 불활성 분위기에서 고휘발성 시료 원소를 용융된 상기 기초 재료에 투입하여 혼합 용융액을 만드는 단계, (d) 상기 혼합 용융액을 냉각하여 굳히는 단계를 포함한다.

(a) 단계 이전에 10Pa 이하로 진공을 만들어 반응 가스를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 기초 재료는 철이고, 상기 고휘발성 시료 원소는 칼슘 또는 비스무트일 수 있고, 상기 불활성 분위기는 Ar을 주입하여 조성할 수 있다.

상기 (b) 단계는 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 및 도가니를 포함하는 유도로에서 진행하고, 가열 초기에는 상기 하부 유도 코일에만 전류를 공급하고, 소정 시간 경과 후부터 상기 상부 유도 코일에도 전류를 공급하여 상기 도가니 상부의 상기 기초 재료도 모두 용융시킬 수 있고, 상기 도가니 상부의 상기 기초 재료도 모두 용융되면, 상기 상부 유도 코일에 공급되는 전류는 차단하고, 상기 하부 유도 코일에만 전류를 공급할 수 있다.

상기 (d) 단계에서는 상기 혼합 용융액에 교반력을 가하면서 단계적으로 상기 하부 유도 코일의 전류를 점차 낮춰서 상기 혼합 용융액을 굳힐 수 있다.

상기 (a) 단계에서 불활성 분위기는 1MPa 이상의 기압으로 조성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치는 하부 지그, 상기 하부 지그 위에 설치되어 있는 도가니, 상기 도가니를 둘러싸는 유도 코일, 상기 하부 지그와 분리 가능하게 결합되어 있으며, 상기 도가니와 상기 유도 코일을 내포하고 있고, 1MPa 이상의 내부 압력을 견디는 압력 챔버, 상기 압력 챔버를 둘러싸고 있으며, 상기 압력 챔버를 냉각하는 냉각 챔버를 포함할 수 있다.

상기 유도 코일은 상기 도가니의 하부를 둘러싸는 하부 유도 코일과 상기 도가니의 상부를 둘러싸는 상부 유도 코일을 포함하고, 상기 하부 유도 코일과 상기 상부 유도 코일은 독립적으로 구동될 수 있다.

상기 냉각 챔버는 물을 분사하여 상기 압력 챔버를 냉각하기 위한 복수의 분사 노즐을 포함할 수 있고, 상기 압력 챔버는 스테인레스 계 재질로 이루어질 수 있다.

상기 유도 코일은 냉각수로를 가지며, 상기 압력 챔버의 내부 압력 상승에 맞춰 상기 유도 코일의 냉각수로를 흐르는 냉각수의 압력도 상승시킬 수 있다. 상기 유도 코일의 냉각수로를 흐르는 냉각수의 압력은 상기 압력 챔버의 내부 압력이 1MPa일 때, 0.6MPa 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고압형 챔버를 사용하여 Bi, Ca 등 고 휘발성 원소가 철의 융점인 1539˚C에서 비산되지 않는 고압의 불활성 분위기를 조성하여, 고 휘발성 원소가 용융 상태의 철과 접촉시 휘발되는 것을 방지함으로써 회수율과 성분 정합성이 높은 표준 시료를 제작할 수 있다.

도 1은 물질의 삼중점(Triple point)와 임계점(critical point)을 나타낸 물질의 상태도이며 X축은 온도, Y축은 분위기 압력을 나타낸다.
도 2는 본 발명과 관련이 깊은 원소인 Bi, Ca, Fe의 기화점(Boiling point)과 Fe의 녹는점(Melting point)을 분위기 압력에 따라 정리한 증기압표이다.
도 3은 도 2를 기초 데이터로 하여 기압에 따른 기화점(Boiling point)의 가변성을 시각적으로 나타낸 그래프이며, 고압, 고온 중에서 Bi, Ca의 상 거동을 나타낸다(여기서, 1MPa에서 금속에 대한 기화점(Boiling Point)은 추산된 데이터임).
도 4은 본 발명의 일 실시예인 Bi, Ca계 고휘발성 원소 표준 시료 제조를 위한 고압형 표준 시료 제조 장치의 단면도이며 3개의 주요 부품을 모두 조립한 상태의 도면이다.
도 5는 도 4의 장치에서 냉각 챔버를 제거한 상태의 도면이다.
도 6은 도 5의 모습에서 압력 챔버와 하부 지그를 분리한 상태의 도면이며 각각 압력 챔버의 정면도, 하부 지그의 정면도와 상면도이다.
도 7은 압력챔버 및 하부 지그 등 본 발명의 실시예에 사용되는 기계 요소들을 위한 재질 선정표이다.
도 8은 도 4의 장치에서 냉각 챔버만 나타내는 정면도, 상면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소 표준 시료 제조 장치에 적용된 2단 분리형 유도 코일의 작동 원리도로서, 왼쪽은 하부 유도 코일 작동 상태이며, 오른쪽은 하부와 상부 유도 코일 모두가 작동하는 상태를 나타내는 것이고, 냉각수의 흐름과 유도 전류의 통전 경계는 같다.
도 10은 100Kpa 압력에서 완전 용해된 전해철 상부로 Bi, Ca를 투입하고 180초 안에 샘플링한 데이터이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치는 1539˚C(100kPa) 이상에서 Bi, Ca과 같이 쉽게 휘발되어 버리는 원소의 회수율을 높이기 위하여, 먼저 유도로 장치를 내압성 챔버로 밀폐시킨 상태에서 상온인 25˚C에서 10Pa 이하의 진공을 만들어 반응 가스를 제거하고, 1MPa(10기압) 이상의 Ar 가스를 주입하여 고압의 불활성 분위기를 형성한 후, 유도 가열로에서 시료를 용융시킴으로써 1600˚C(1MPa)의 Bi, Ca가 휘발되지 않도록 하여 정합성이 좋은 표준 시료를 만들 수 있다. 이러한 분위기 조건을 만들기 위해서 챔버는 고압, 고온에 적합한 스테인리스 계 재질의 고압 용기형 챔버로 구성하고, 외피에 직접 냉각수를 분사하는 방식의 원통형 냉각 챔버를 장착하여 과열을 방지하고, 또한 유도 코일을 상부와 하부로 분리시키는 가열법으로 열의 집중도를 높이고, 일반 유도 가열의 특성상 생기기 쉬운 브리지(Bridge) 또는 행잉(Hanging) 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.

도 1은 물질의 삼중점(Triple point)와 임계점(critical point)을 나타낸 물질의 상태도이며 X축은 온도, Y축은 분위기 압력을 나타낸다. 즉, 온도와 분위기 압력 변화의 상관 관계가 물질의 상(Phase)에 어떠한 영향을 미치는 가에 대한 도표이다. 기본적으로 대부분의 물질은, 도 1에 도시된 바와 같이, 3개의 상, 즉 고체, 액체, 기체 상태를 가지며, 각 상변태점을 이어 만든 3개의 변태선이 만나 교차점을 이루는 특정 기압, 온도 조건에서 3가지 상이 공존하게 되는 삼중점(Triple point)을 갖는다. 초고압, 초고온 조건에서 특수 유체인 압축성 유체(Compressible Liquid)와 초유체(Supercritical fluid)가 되는 지점에 임계점(Critical Point)를 갖게 된다. 3중점은 본 발명에 있어 기술적으로 중요하며 3중점보다 낮은 기압 조건에서 가열을 하게 되면 물질의 융점보다 낮은 온도에서 액체를 거치지 않고 고체에서 곧바로 기체로 승화한다. 이 현상은 철과 같은 전이 금속에도 마찬가지로 작용하는 열역학적인 원리로 도 2에 따르면 Fe의 삼중점은 기화점(Boiling Point)이 철(Fe)의 융점(Melting Point)인 1539˚C와 일치하는 조건인 1~10Pa 이내에 존재하는 것을 유추 할 수 있다. 따라서 이 기압보다 낮은 압력하에 Fe를 가열하면 체적의 표면에서 분자 단위의 결합을 끊으려는 힘이 작용하여 액체가 되지 않고 곧바로 승화되어 금속 기체로 존재하게 된다. 이는 산업 현장에서의 도금 기술 중 건식 진공 증착법에 적용되는 원리이고 실제로 진공 용해로를 운용하는 합금강 제조 설비에서 작업자가 체험할 수 있는 현상이다.

문제는 Bi Ca의 물리적 성질이다. Bi와 Ca는 각각 1기압(100KPa)에서 1562˚C 1482˚C의 기화점을 가지기 때문에 1539˚C의 용융된 Fe에 접촉하면 쉽게 휘발되어버린다. 실제로 Fe 용융물에 Bi와 Ca를 투입하게 되면 격렬한 폭발을 일으키는데 이는 용탕의 온도에 닿자마자 승화되고 부피 팽창에 의한 충격 압력으로 폭발이 일어나는 것이다. 그렇다고 해서 처음부터 Bi-Fe 또는 Fe-Ca 합금화를 위하여 저온에서 함께 가열하는 방식은 실효성이 없다. 두 금속은 마그네슘(Mg)이나 리튬(Li) 등과 같이 일반 조업에서 Fe와 합급화하기 힘들기 때문에 용융 도중 모두 휘발되어 버린다. 이 현상은 Bi, Ca 두 원소와 Fe 원소 간의 원자가, 전기 음성도, 원자 반경 등의 물리 화학적인 차이에서 비롯될 가능성이 높다.

따라서 Bi 또는 Ca가 포함된 표준 시료를 만들기 위해서는 1539˚C의 철의 용융점에서 증발되지 않도록 물리적인 강제성을 부여하는 방법이 필요하다. 여기서 고안한 방법은 고압의 분위기를 형성하는 고압 용해법으로 도 1에 따르면 물질은 삼중점보다 높은 압력 조건에서 가열하게 되면 곧바로 승화하지 않고 액체로 변한다. 그리고 분위기압을 높일수록 물질의 기화점이 더 높아지게 되는데 이 현상은 임계점(Critical Point)까지 계속되는 현상이다. 따라서 물질의 상변태점을 변화시키는 기압 조건의 원리를 이해한다면 Bi, Ca와 같이 철의 용융점 부근에서 쉽게 휘발되는 원소도 보다 높은 기압 분위기를 형성하여 용해하는 방법을 통해 보존할 수 있다.

도 3은 도 2를 기초 데이터로 하여 기압에 따른 기화점(Boiling point)의 가변성을 시각적으로 나타낸 그래프이며, 고압, 고온 중에서 Bi, Ca의 상 거동을 나타낸다(여기서, 1MPa에서 금속에 대한 기화점(Boiling Point)은 추산된 데이터임). 1MPa일 때, Bi와 Ca의 비등점을 실제로 측정한 데이터는 없으나, 0에서 100KPa까지의 곡선의 곡률과 기울기를 바탕으로 추론해본다면 철의 용융점인 1539˚C을 적어도 200˚C 이상 상회할 것으로 예상된다. 이때 철의 용융점은 100MPa까지 거의 영향을 받지 않는데 이는 기체와 액체의 상에 있어서 분자간의 인력이 작용하는 메커니즘과 관련되어 있다. 결과적으로 1MPa에서의 Bi, Ca의 비등점은 철의 융점인 1539˚C 을 상회하게 되므로 기화되지 않고 액상으로 보존될 수 있다. 따라서 기존의 진공 용해법을 사용하는 대신 본 발명의 실시예에 따른 고압 용해 장치를 제안한다.

도 4은 본 발명의 일 실시예인 Bi, Ca계 고휘발성 원소 표준 시료 제조를 위한 고압형 표준 시료 제조 장치의 단면도이며 3개의 주요 부품을 모두 조립한 상태의 도면이다. 도 5는 도 4의 장치에서 냉각 챔버를 제거한 상태의 도면이다. 도 6은 도 5의 모습에서 압력 챔버와 하부 지그를 분리한 상태의 도면이며 각각 압력 챔버의 정면도, 하부 지그의 정면도와 상면도이다. 도 7은 압력챔버 및 하부 지그 등 본 발명의 실시예에 사용되는 기계 요소들을 위한 재질 선정표이다. 도 8은 도 4의 장치에서 냉각 챔버만 나타내는 정면도, 상면도이다. 도 9는 2단 분리형 유도 코일의 작동 원리도로서, 왼쪽은 하부 유도 코일 작동 상태이며, 오른쪽은 하부와 상부 유도 코일 모두가 작동하는 상태를 나타내는 것이고, 냉각수의 흐름과 유도 전류의 통전 경계는 같다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소 표준 시료 제조 장치는 중심에 도가니(40)를 가지는 유도로가 하부 지그(30)와 연결되어 있으며, 그 주변을 고온 고압을 견디는 스테인레스 계 압력 챔버(10)가 둘러싸고 있다. 압력 챔버(10)의 외피는 1겹으로 단순화하고 그 주위에 냉각 챔버(20)를 장착하는 직접 냉각 방식으로 시스템의 온도를 제어한다. 하부 지그(30)에는 총 6개의 홀(33, 34, 35, 36)이 있으며 각각 진공펌프, Ar 가스 라인, 벤트(Vent) 라인, 냉각수 주입 포트 1개, 냉각수 배출 포트 2개가 연결되어 있다.

도 5는 냉각 챔버(20)를 제외한 압력 챔버(10)와 하부 지그(30)에 대한 도면이다. 이 두 파트는 도 6와 같은 방식으로 분리된다. 압력 챔버(10)와 하부 지그(30)를 연결하는 피팅은 도 7의 압력 용기용 재질 선정표에 의거하여 열과 압력에 강한 재질인 347H로 제작한다. 이 재료는 594 ∼ 815˚C 온도에도 견디지만 실제 압력 챔버(10) 외피의 온도는 냉각 챔버(20)에 의해 낮게 유지된다. 압력 챔버(10)를 스테인리스로 제작하는 이유는 직접 냉각에 의한 외부 부식을 방지하고 유도 코일에서 발생되는 자계로 인한 영향과 유도 전류에 의한 철손 히스테리시스를 최소화하기 위함이다. 하부 지그(30)는 앞서 말했듯이 피팅은 압력 챔버(10)와의 조합으로 사용하고 기저 베이스는 고강도 베이클라이트 재질로 제작한다. 또한 각 포트는 유도 코일 포트를 제외하고는 347H로 제작하여 라인을 연결하고, 유도 코일 포트는 유도 코일에 대응하는 약 200mm 반경으로 원통형 카본 파이버를 조합하여 장착한다. 이는 절연과 유도 전류로 인한 열 발생을 방지하기 위함이다. 진공 펌프, Ar 가스 라인, 벤트(Vent) 라인은 전부 최대 분위기 압력보다 30% 이상 높은 작동 압력으로 제어되는 밸브를 사용해야 내부 압력으로 인한 제어 간섭을 예방할 수 있다. 특히 벤트(Vent) 라인은 기계식 릴리프 밸브 형식으로 사용한다. 진공 펌프, 벤트(Vent) 라인은 내열용 밸브와 가스켓을 사용한다.

도 8은 냉각 챔버(20)에 대한 도면으로서 도 5의 압력 챔버(10) 주위에 둘러서 조립이 가능한 원통형 챔버로써 304L를 사용하여 제작한다. 상부에는 노즐(22)이 설치되어 있어서 냉각수를 분무하여 공급하고 하부에서 드레인 라인(23)이 설치되어 있어서 사용 후의 냉각수를 배출한다. 각 라인은 체결이 쉬운 플렉시블, 원터치 라인을 사용해야 조립 및 정비가 쉽다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소 표준 시료 제조 장치에 적용된 2단 분리형 유도 코일의 작동 원리도이다. 일반적으로 용해로에서 유도 코일은 전체 도가니 중 하부 2/3정도만 감싸고 상부의 1/3은 감싸지 않는다. 장입물 사이로 틈이 존재하기 때문에 완전 용융시 전체 용융물의 레벨이 하락하는 것을 고려한 것이다. 그러나 대류를 통한 열전달은 원활하지 않기 때문에 유도 코일이 감싼 부분만 녹고, 상부는 녹지 않아서 브리지(Bridge) 현상이 발생하기 쉽다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고휘발성 원소 표준 시료 제조 장치에서는 2단 분리형 유도 코일을 적용하여 이러한 현상을 방지한다. 도 9의 왼쪽의 그림처럼 가열 초기에는 하부 유도 코일(31)을 통해 가열을 시작하고 시간이 지난 후 상부 유도 코일(32)도 사용하여 가열을 진행하는 스텝별 가열을 진행하여 브리지(Bridge) 현상을 제거할 수 있다. 상부 장입물이 모두 녹으면 곧바로 상부 유도 코일(32)의 전류를 차단하여 하부에 집중함으로써 열집중도와 비용융으로 인한 설비 트러블을 원천적으로 예방할 수 있다. 또한 유도 코일(31, 32)은 압력 챔버(10) 내부의 높은 압력을 견딜 수 있도록 압력 챔버(10)의 내부 압력이 상승함에 따라 유도 코일(31, 32)에 흐르는 수압을 조정한다. 압력 챔버(10)의 내부 압력이 1MPa인 경우 유도 코일(31, 32)에 흐르는 수압은 0.6MPa 이상으로 상승시킨다.

이러한 고휘발성 원소 표준 시료 제조 장치를 사용하여 표준 시료를 제조하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 압력 챔버(10)와 냉각 챔버(20)를 분리한 후 하부 지그(30)와 유도 코일(31, 32), 도가니(40)가 남은 상태에서 도가니(40)에 원하는 조성의 시료를 평량하여 장입한다.

다음, 분리한 압력 챔버(10)와 냉각 챔버(20)를 체결하고 냉각 챔버(20)에 냉각수를 공급하면서, 압력 챔버(10) 안에 10Pa 이하의 진공을 걸어 내부의 산소와 수증기를 제거한다.

진공이 잡히면 압력 챔버(10) 내부로 고압의 Ar 가스를 주입하여 1MPa 이상으로 승압한다. 이 때 유도 코일(31, 32)의 수압을 내부 압력이 오르는 만큼 비례하여 상승시킨다(0.6MPa). 과도압은 벤트(Vent) 라인의 릴리프 밸브를 통해 제거한다.

승압이 끝나면 하부 유도 코일(31)을 통해 냉각수와 유도 전류를 흐르게 한다. 경험적 계산으로 하부의 용융 시점에 맞추어 상부 유도 코일(32)에도 냉각수와 유도 전류를 흐르게 한다. 이후 장입물이 모두 용해되면 상부 유도 코일(32)에 전류 공급을 중단하고 하부 유도 코일(31)에 전류를 집중시킨다.

이후 용융물에 교반력을 가하면서 단계적으로 하부 유도 코일(31)의 전류를 낮춰서 용융물을 굳힌다.

굳은 것이 확인되면 압력 챔버(10)의 내부 압력을 낮추고, 압력 챔버(10)와 냉각 챔버(20)를 분리하고 도가니(40)를 밖으로 꺼낸다. 꺼낸 도가니에서 잉곳을 분리하여 상부에 수축공을 제거한 후 표준 시료로 사용한다.

이상의 방법으로 Bi, Ca계 고휘발성 원소의 표준 시료를 제조하면 성분 정합성이 뛰어난 표준 시료를 제작할 수 있다.

도 10은 100Kpa 압력에서 완전 용해된 전해철 상부로 Bi, Ca를 투입하고 180초 안에 샘플링한 데이터이다. 도 10을 참고하면, Bi는 약 20~40%, Ca는 2% 이하의 회수율을 나타낸다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 고압형 표준 시료 제조 장치를 사용하여 Bi, Ca계 고휘발성 원소 표준 시료를 제조하면 두 원소의 회수율을 비약적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

1. (a) 대기압 이상의 불활성 분위기를 조성하는 단계,
   (b) 상기 불활성 분위기에서 기초 재료를 융점 이상으로 가열하여 용융시키는 단계,
   (c) 상기 불활성 분위기에서 고휘발성 시료 원소를 용융된 상기 기초 재료에 투입하여 혼합 용융액을 만드는 단계,
   (d) 상기 혼합 용융액을 냉각하여 굳히는 단계
   를 포함하는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법.
2. 제1항에서, (a) 단계 이전에 10Pa 이하로 진공을 만들어 반응 가스를 제거하는 단계를 더 포함하는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법
3. 제1항에서, 상기 기초 재료는 철이고, 상기 고휘발성 시료 원소는 칼슘 또는 비스무트인 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법.
4. 제1항에서, 상기 불활성 분위기는 Ar을 주입하여 조성하는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법.
5. 제1항에서, 상기 (b) 단계는 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 및 도가니를 포함하는 유도로에서 진행하고, 가열 초기에는 상기 하부 유도 코일에만 전류를 공급하고, 소정 시간 경과 후부터 상기 상부 유도 코일에도 전류를 공급하여 상기 도가니 상부의 상기 기초 재료도 모두 용융시키는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법.
6. 제5항에서, 상기 도가니 상부의 상기 기초 재료도 모두 용융되면, 상기 상부 유도 코일에 공급되는 전류는 차단하고, 상기 하부 유도 코일에만 전류를 공급하는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법.
7. 제6항에서, 상기 (d) 단계에서는 상기 혼합 용융액에 교반력을 가하면서 단계적으로 상기 하부 유도 코일의 전류를 점차 낮춰서 상기 혼합 용융액을 굳히는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법.
8. 제1항에서, 상기 (a) 단계에서 불활성 분위기는 1MPa 이상의 기압으로 조성되는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 방법.
9. 하부 지그,
   상기 하부 지그 위에 설치되어 있는 도가니,
   상기 도가니를 둘러싸는 유도 코일,
   상기 하부 지그와 분리 가능하게 결합되어 있으며, 상기 도가니와 상기 유도 코일을 내포하고 있고, 1MPa 이상의 내부 압력을 견디는 압력 챔버,
   상기 압력 챔버를 둘러싸고 있으며, 상기 압력 챔버를 냉각하는 냉각 챔버
   를 포함하는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치.
10. 제9항에서, 상기 유도 코일은 상기 도가니의 하부를 둘러싸는 하부 유도 코일과 상기 도가니의 상부를 둘러싸는 상부 유도 코일을 포함하고, 상기 하부 유도 코일과 상기 상부 유도 코일은 독립적으로 구동되는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치.
11. 제9항에서,
    상기 냉각 챔버는 물을 분사하여 상기 압력 챔버를 냉각하기 위한 복수의 분사 노즐을 포함하는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치.
12. 제9항에서, 상기 압력 챔버는 스테인레스 계 재질로 이루어지는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치.
13. 제9항에서, 상기 유도 코일은 냉각수로를 가지며, 상기 압력 챔버의 내부 압력 상승에 맞춰 상기 유도 코일의 냉각수로를 흐르는 냉각수의 압력도 상승하는 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치.
14. 제13항에서, 상기 유도 코일의 냉각수로를 흐르는 냉각수의 압력은 상기 압력 챔버의 내부 압력이 1MPa일 때, 0.6MPa 이상인 고휘발성 원소의 표준 시료 제조 장치.

Images