KR20200049710A

KR20200049710A - 니오븀계 합금철의 정련 방법

Info

Publication number: KR20200049710A
Application number: KR1020197038168A
Authority: KR
Inventors: 클레버 에이 세르닉; 클로비스 안토니오 데 파리아 소우사; 에두아르도 아우구스토 아이로자 갈바우 리베이로
Original assignee: 콤파니아 브라질레이라 데 메탈루르지아 에 미네라상
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-05-08
Also published as: WO2019003189A1; CN111201335A; US10563289B2; EP3645758A1; JP2020525657A; BR112019027902A2; US20190003012A1; SG11201912658RA; CA3067933A1

Abstract

정련된 니오븀계 합금철은, 니오븀 정광물 및/또는 니오븀 산화물 또는 니오븀 산화물의 혼합물을 금속열 반응 챔버에 충전하고, 상기 정광물 및/또는 산화 니오븀 산화물을 환원제와 혼합하여 감압 하에서 금속 열 반응을 개시하는단계; 반응 생성물이 응고 및 냉각되도록 하는 단계; 이전에 외기에서 환원된 반응 생성물을 분쇄하거나 니오븀계 합금철을 분쇄하고, 분쇄된 생성물을 진공 유도 용해로 내의 용융 도가니에 충전하여 로 내의 압력을 1mbar 미만으로 낮추고 분쇄된 생성물을 그 안에 함유된 불순물을 기화시키면서 용융시키는 단계를 포함하는 공정에 의해, 납 및 기타 불순물을 제거함으로써 제공된다.

Description

니오븀계 합금철의 정련 방법

본 출원은 2017년 6월 29일 출원된 미국특허출원 제15/638,098호에 기초한 우선권을 주장하며 2017년 9월 5일 출원된 미국특허출원 제15/695,551에 기초한 우선권을 주장한다. 이들 두 출원은 본원에 참고로서 포함된다.

본 발명은 니오븀계 합금철 및 이러한 합금을 정련하여 불순물을 안전하게 제거하는 방법에 관한 것이다.

페로니오븀 합금(ferroniobium alloys)(FeNb ISO 5453)의 주요 용도는 고강도 저합금강의 생산이며, 최종 제품의 전형적인 니오븀 함량은 최대 0.10wt% Nb이다. 그러나, UNS S30940, S30741, S31040, S31041, S31640, S33228, S34700, S34708, S34800, S34809 등과 같은 스테인레스 스틸은 일반적으로 약 0.60 내지 0.80 wt%의 Nb를 함유한다. 그리고, Inconel 718, Inconel 625, Inconel 750 등과 같은 니켈계 초합금은 일반적으로 약 0.70 내지 5.50 wt%의 Nb를 함유한다. 실질적으로 더 높은 니오븀 함량이 연루되는 경우, 납과 같은 불순물을 갖는 합금의 오염으로 인해 생성된 강철 또는 합금의 고온 연성에 심각하게 해를 끼칠 수 있다. 이러한 연성 손상은, 일반적으로 압연기나 단조에서 수행되는 열간 가공 작업 동안의 깊은 크랙의 형성으로 인한 재료의 스크랩핑이 반복적인 문제가 될 수 있는 정도로 발생할 수 있다. 더구나, 고온 특성(예컨대, 크리프 파단(creep rupture))이 심각하게 손상될 수 있으며, 일부 경우, 특히 초합금에서는 불순물 함량(예컨대, 납 등)이 전형적인 규격 한도를 초과할 수 있다.

따라서, 니오븀 첨가물을 수용할 재료의 열간 가공성 및 고온 특성에 유해한 원소의 낮은 함량을 보이는 니오븀계 합금철을 제조함이 바람직하다. 이러한 유해한 원소(예컨대, 납, 주석, 비스무트 등) 중에서, 납은 이러한 합금철에서 일반적으로 발견되는 양으로서 가장 유해한 것 중의 하나이다.

납 함량이 약 50ppm 이하인 니오븀 정광물(ore concentrate)로부터 니오븀계 합금철(niobium-based ferroalloys)을 생산하는데 일반적으로 사용되는 공정은 기본적인 화학적 침출 공정과 이에 뒤따르는 하소이다. 화학적 침출 단계 동안, 납은 원래의 정광물로부터 제거되고 염화칼슘과 반응하여 염화납으로 침전된다. 상기 정광물이 상기 침출공정을 거치고 상기 염화납이 침전된 후에는 상기 물질을 여과하여 광물을 상기 액체로부터 분리한다. 정광물과 함께 있는 염화납은 하소로에서 기화된다. 배출가스는 집진장치의 백 하우스(bag house)에 부분적으로 포획된 후, 상기 가스 덩어리가 워터 스크러버(water scrubber)를 통과한다. 그러나, 이러한 공정은 정광물로부터 제거되는 모든 납이 완전히 함유될 것이라고 확신할 수 없을 가능성이 있다.

본 발명은 진공 유도 용해로에서 니오븀계 합금철로부터 상당량의 납 및 기타 불순물을 제거하는 방법을 제공한다.

일 실시양태에서, 본 발명은 다음을 포함하는 공정에 의해 저연(low-lead(즉, 20ppm 미만의 납) 니오븀계 합금철(niobium-based ferroalloys)을 제조하는 방법을 제공한다:

1) 물리적 및/또는 화학적 수단들의 조합에 의해 수득된 니오븀 정광 물(niobium ore concentrate)(일반적으로 약 60~70 wt% 니오븀, 각각 5wt% 미만의 Fe₂O₃, SiO₂ 및 TiO₂, 및 25wt% 미만의 BaO의 조성을 갖는다)을 금속열 반응(metallothermic reaction)을 수행하기에 적합한 반응기에 충전한다. 상기 니오븀 정광물은 니오븀 산화물, 즉 Nb₂O₅, Nb₂O, NbO 또는 이들의 혼합물과 혼합되거나 대체될 수 있고; 전체 정광물/니오븀 산화물 혼합물에서 Nb₂O₅, Nb₂O, NbO 또는 이들의 혼합물의 함량은 0 내지 100 wt%의 범위일 수 있다;

2) 상기 니오븀 정광물 및/또는 Nb₂O₅는 알루미늄, 실리콘, 칼슘, 마그네슘 등과 같은 환원제, 그리고 바람직하게는 알칼리금속 과염소산염, 과산화물 등과 같은 에너지 부스터와 혼합된다;

3) 원하는 경우, 크롬, 몰리브덴, 코발트, 철 및 니켈과 같은 금속 또는 산화물 형태의 기타 원소들도 상기 혼합물에 첨가될 수 있다. 이어서, 상기 금속열 반응이 감압 환경, 바람직하게는 약 100 내지 300 mbar, 또는 원하는 경우 대기압에서 개시된다. 상기 감압의 이점은, 상기 금속열 반응이 감압하에 수행되고 후술되는 진공 유도 용해로(vacuum induction melting furnace) 내에서 수행되는 추가의 진공 탈기와 결합될 때, 상기 혼합물에서 임의의 유해한 불순물의 감소가 정상적으로 달성되는 수준 이하로 되고, 특히 납의 경우 약 5ppm 미만의 수준으로 감소시키는 것이다;

4) 이어서, 상기 반응 생성물을 감압 또는 정상 대기압 하에서 안전하게 취급할 수 있도록 응고 및 냉각시킨다;

5) 그리고, 본 발명의 상기 방법에 의해 생성된, 상기 응고 및 냉각된 반응 생성물을 분쇄하고 진공 유도 용해로 내에 위치된 진공 유도 용해 챔버 내에 배치된 도가니에 충전한다.

초기 충전이 완료된 후, 상기 챔버 압력은 1mbar 미만으로 낮아지고, 이어서 원하는 경우, 상기 챔버는 아르곤과 같은 불활성 가스로 약 100mbar까지 재충전(backfill) 될 수 있고(누출없는 노 유지를 돕기 위해), 부하물을 용융하도록 전력이 공급된다. 상기 충전물이 용해되는 동안, 납 및 기타 불순물(예컨대, 주석)이 가스 상태에서 추가로 제거된다. 상기 본 발명 이전에, 이들 증기는 로벽, 도가니 코일 등에 응축되어 침착될 수 있고 심지어 희박한 분위기에서도 공기 중의 산소에 노출 될 때 자연 발화될 것이다.

본 발명의 추가 실시양태에 따르면, 상기 생성된 금속열 반응 생성물을 진공 유도 용융 챔버 내의 도가니에 분쇄하여 충전할 수 있고, 상기 챔버 내의 압력을 1mbar 미만으로 감소시키고, 원한다면 상기 챔버를 약 100mbar까지 불활성 기체로 재충전(backfill)할 수 있으며, 이어서 장치에 전력이 인가되어 내부에 함유된 불순물을 기화시키면서 상기 반응 생성물이 용융되고, 상기 기화된 불순물은 냉각된 응축 플레이트의 노출된 표면 상에 응축되며 상기 응축 플레이트는 상기 진공 유도 용융 챔버로 이동하여 상기 도가니 위에 위치하도록 되고, 상기 용융 공정의 완료시, 진공 하에서 표면상에 응축된 불순물을 갖는 챔버로부터 상기 플레이트를 제거하고, 상기 응축된 불순물을 제어가능하게 산화시키고, 20 ppm 이하의 납 함량을 갖는 반응 생성물을 회수한다.

본 개시 내용의 해당 기술분야에서 통상의 기술자라면 과도한 실험없이 본 개시 내용의 장치 및 방법을 제조하고 사용하는 방법을 쉽게 이해할 수 있도록, 본 개시 내용의 바람직한 실시양태들이 특정 도면을 참조하여 상세히 기재된다. 여기서:
도 1은 진공 유도 용융 챔버 내의 도가니와 산화 챔버 간에 응축 플레이트를 병진시키기위한 장치의 일 실시양태를 도시한 개략 부분 측면도이다.
도 2는 진공 유도 용융 챔버 내의 도가니와 응축기 간의 관계를 나타내는 본 발명의 일 실시양태의 개략 부분 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태에서 본질적으로 누출없는 환경을 생성하기 위해 진공 유도 용해로에서 사용될 수 있는 이중 진공 실링 장치의 부분 단면도이다.

유사한 도면부호들로 본 발명의 유사한 구조적 특징이나 양태를 식별하는 도면들이 이제 참조된다. 제한이 아닌 설명과 예시의 목적으로, 본 발명에 따른 진공 유도 용융 챔버의 예시적인 일 실시예의 부분도를 도 1에 도시하고, 이는 일반적으로 도면부호 10으로 표시된다. 본 발명에 따른 진공 유도 용융 챔버의 다른 실시예들이나 그 양태는 도 2~3에서 제공된다.

도 1에 도시하듯이, 진공 유도 용해로(도시되지않음) 내에 위치된 진공 유도 용해 챔버(10)는 이들 간에 위치된 격리 밸브(14)를 통해 인접한 산화 챔버(12)로 연결된다. 도가니(16)는 진공 유도 용융 챔버(10) 내의 회전가능 크래들(18) 내에 안착된다. 상기 회전가능 크래들(18)은 상기 도가니(16)를 틸팅(tilting)하여 용융 작동이 완료되면 용융 금속이 배출될 수 있게 하고 상기 용융 작동 동안 상기 도가니를 백 틸팅(back tilting) 함으로써 용융물의 표면적을 증가시켜 내부에 기화된 불순물의 제거 효율을 증가시킨다. 상기 도가니의 백 틸팅은 또한 충전물 상단에서 브릿징(bridging)을 방지한다. 브릿징은 폭발을 일으킬 수 있는 안전 위험(safety hazard) 요소이다. 응축 플레이트(20)는 내화성 상기 도가니(16) 위에 위치되고 상기 격리 밸브(14)를 지나 산화 챔버(12) 내로 이동하면서 상기 진공 유도 용융 챔버(10) 내외로 병진하도록 구성된다. 상기 응축 플레이트(20), 바람직하게는 일 실시예에서 구리 또는 스테인레스 스틸로 만들어진 수냉식 금속성 응축기는, 상기 응축 플레이트(20)가 진공 유도 용융 챔버(10) 사이에서 상기 격리 밸브(14)를 지나 산화 챔버(12)로 이동하는 것을 허용하는 캐리지 어셈블리(22)에 부착된다. 상기 캐리지 어셈블리(22)는 유압 구동식 피스톤, 회전 스크류 구동식 장치 등을 통해 상기 응축 플레이트(20)의 병진 이동에 영향을 미친다.

응축 플레이트(20)가 챔버(10) 내에 있을 때, 이는 내화 도가니(16) 위에 이격 위치된다. 수단(24)은 응축 플레이트(20)를 상기 캐리지 어셈블리(22)에 부착하고 냉각재가 응축 플레이트(20)로 유입 및 유출되도록 제공된다.

상기 챔버(10)와 산화 챔버(12)를 연결하는 격리 밸브(14)는, 상기 챔버(10)와 산화 챔버(12) 둘 다에서 진공을 유지하고 여전히 노와 응축 챔버가 서로 독립적으로 작동하게하여 상기 응축기가 산화 챔버 내에 있을 때 노로부터 용융물이 배출되고 응축기 상의 응축된 불순물의 산화를 제어 할 수 있도록 하는 수단을 제공하면서, 응축기(20)가 통과할 수 있게 한다.

작동시, 분말 또는 과립 형태의 예컨대 일반적으로 약 2㎜ 미만 두께의 니오븀 정광물(ore concentrate)은 산화 니오븀과 임의로 혼합 또는 대체되고, 알루미늄과 같은 환원제 및 과염소산 칼륨과 같은 에너지 부스터(energy booster)와 추가로 혼합된다. 기타 금속 또는 금속 산화물, 예컨대 니켈, 크롬, 몰리브덴, 코발트, 철 및/또는 이들의 산화물 또한 혼합물에 첨가될 수 있다. 생성된 혼합물은 임의로 진공 챔버 내에 배치될 수있는 금속열 반응기(metallothermic reactor)에 충전된다. 바람직한 실시양태에서, 하전된 금속열 반응기는 고품질 니오븀계 합금철의 생성을 가능하게하는 진공 챔버 내에 배치된다. 상기 금속열 반응은 바람직하게는 감압 하에서 점화된다. 상기 반응이 완료되면, 생성된 합금은 안전하게 처리될 수 있는 지점까지 응고 및 냉각된다. 생성된 합금은 상기 반응기로부터 배출되고 분쇄 된 다음, 진공유도 용융챔버(10) 내에서 용융 도가니(16)에 충전된다. 원한다면, 여기 기술된 상기 금속열 반응에 의해 생성된 합금을 사용하는 대신에, 종래의 외기(open air) 하의 니오븀 정광물의 환원에 의해 생성된 합금이 사용될 수있다. 일단 제조 방법에 관계없이 상기 합금이 용융 도가니(16)에 충전되면, 응축기(20)는 진공유도 용융챔버(10) 내의 용융 도가니(16) 상의 위치로 병진된다. 상기 응축기의 수냉은 순환하는 냉수 또는 상기 응축기를 통과하는 기타 냉각수에 의해 개시된다. 상기 진공유도 용융챔버(10) 및 인접한 산화 챔버(12) 내의 압력은 1mbar 미만으로 낮아진다. 원하는 경우, 상기 챔버 및 인접한 산화 챔버를 최대 약 100mbar의 압력으로 재충전(backfill) 하기위해 불활성 가스가 도입될 수 있고, 전력이 상기 부하물을 용융시키기 위해 인가된다.

도 2에 도시하듯이, 내화 도가니(16)는 그의 수직 축(26)으로부터 회전되거나 응축기(20)와 함께 백 틸팅되도록 된다. 이러한 방식으로, 생성된 용융물의 노출된 표면적이 증가되어 휘발성 불순물의 제거가 향상되고 충전물 상단의 브리징이 방지된다. 납을 포함한 휘발성 요소는 노 내부를 오염시키지 않고 냉각된 응축기 (20)의 표면상에서 신속하고 우선적으로 응축된다. 용융 공정이 완료되면, 표면상에 응축된 불순물을 갖는 응축기(20)는 용융 챔버로부터 배출되어 장치 전체에 걸쳐 감압을 유지하면서 격리 밸브(14)를 통해 인접한 산화 챔버(12) 내로 병진된다. 일단 상기 응축기가 인접한 상기 산화 챔버 내로 배출되면, 격리 밸브(14)가 폐쇄되고, 공기, 산소, 또는 산소와 아르곤 등의 불활성 가스의 혼합물과 같은 산화 가스가 제어된 비율로 산화 챔버(12) 내로 점차 도입됨으로써, 환경과 사람에게 안전 위험을 주지 않는 방식으로 상기 응축된 불순물의 산화를 촉진시킨다. 상기 응축기가 용융 도가니에서 배출되고 진공유도 용융 챔버로부터 인접한 산화 챔버 (12) 내로 통과될 때 상기 응축된 금속성 불순물이 조기에 산화되지 않도록하기 위해, 상기 격리 밸브가 폐쇄될 때까지 공기는 산화 챔버(12)로의 유입이 허용되지 않는다. 진공 유도 용융로는 후술하는 바와 같이 본질적으로 누설없는 구조로 구성되는 것이 바람직하다.

도 3에 도시하듯이, 본질적으로 누설없는 구조를 보장하기 위해, 진공 유도 용해로(28)로의 접근 포트의 실링 표면(30, 32)과 같은 진공 유도 용해로(28)의 모든 실링 표면에는 로(28)의 덮개(34)와 본체(36) 간에 상기 로의 주연부에 대한 이중 진공 실링 배치가 장착된다. 2개의 압축성 실링 요소(38, 38')는 상기 로(28)의 덮개(34)와 본체(36) 간의 주연부를 따라 압축된다. 진공이 상기 로 내에서 흡입되고있을 때, 실링 요소들(38, 38') 간의 공간(40)은 또한 상기 로 내부의 압력(P₁)보다 더 낮은 압력(P₂)으로 진공 펌프(도시되지 않음)에 연결된 도관(42)을 통해 독립적으로 비워진다. 이러한 방식으로, 감압된 환경이 공정 내내 상기 로 내에서 유지되어 본질적으로 외부 대기의 침투를 방지하고 또한 상기 진공 유도 용해로(28)의 덮개(34)와 본체(36) 사이의 계면에서 잠재적 누출 위험에 대한 조기 경보 시스템으로서 기능한다.

원하는 경우, 생성된 니오븀계 합금철은 상기 진공 유도 용해로에서 감압 하에 추가 시간 동안 유지되어 추가의 정련을 달성할 수 있다. 금속열 반응이 대기압에서 수행되는 경우, 궁극적인 니오븀계 합금철의 최종 납 함량은 이러한 방식으로 0.0020wt% 이하, 즉 20ppm 이하로 감소될 수 있고, 상기 반응이 감압 하에 수행되는 경우, 5ppm 미만으로 감소될 수 있다.

상기 응축된 불순물의 제어된 산화가 완료되면, 금속성 불순물의 혼합 산화물의 먼지 형태인 상기 불순물은 인접한 산화 챔버(12)로부터 제거되어 안전한 처리를 위해 집진기(44)에 수집될 수 있다.

실시예

실시예 1- 정련된 페로니오븀 합금의 제조

하기 실시예는 페로니오븀 합금의 납 함량을 20ppm 이하로 감소시키는데 있어 본 발명의 효과를 기술한다.

알루미노테르밋(aluminothermic) 환원 반응에 의해 수득되고 0.075wt%의 납 함량을 갖는 페로니오븀이 본질적으로 누출 방지된 진공 유도 용융 챔버의 용융 도가니에 충전된다. 구리 수냉식 응축기가 진공 유도 용해로 내에 위치되고, 상기 로와 산화 챔버 간의 계면을 형성하는 격리 밸브를 통해 상기 로와 인접한 산화 챔버 사이를 병진시키도록되고 응축기가 상기 용융 도가니 상부에 위치될 수 있다. 상기 응축기는 또한 장치 전체에 걸쳐 감압을 유지하면서 상기 용융 도가니와 함께 회전하도록 구성된다. 페로니오븀 합금이 상기 용융 도가니에 충전되면, 상기 응축기는 상기 용융 도가니 상부의 위치로 이동하고, 상기 응축기의 수냉이 시작되고, 상기 진공 유도 용해로의 챔버 압력은 0.1mbar로 낮아지고 그 다음 아르곤으로 100mbar로 다시 채운다(backfill). 그런 다음, 유도 코일에 전원을 공급하여 상기 충전물을 용해시킨다. 상기 로 내의 온도는 1600℃로 유지된다. 응축기가 도가니 상부에 이격된 로는 원한다면 상기 용융물의 표면적을 최대화하기 위해 기울일 수 있다. 주기적으로 장치로부터 시료들을 꺼내 납 함량을 분석한다. 하기 표 1은 그 결과를 요약한 것이다.

충전물의 완전 용융 후 시간	온도(℃)	Pb wt%
원료	--	0.075
0.33 hr	1600	0.016
1 hr	1600	0.003
2 hr	1600	0.001

진공 유도 용융 공정이 페로니오븀 합금으로부터 납 및 기타 불순물을 99wt%까지 제거한다. 기화된 납 및 기타 불순물은 냉각된 상기 구리 응축기의 노출된 표면에서 응축된다. 감압을 유지하면서 상기 응축기는 도가니에서 회수되어 격리 밸브를 통해 인접한 산화 챔버 내로 통과한다. 일단 상기 격리 밸브가 폐쇄되면, 상기 로는 태핑(tap)될 수 있고 용융물은 도가니에서 응고 몰드로 배출된다. 그 다음 상기 격리 밸브(14)가 폐쇄되고 제어된 방식으로 산소 또는 산소 및 불활성 가스의 혼합물이 상기 산화 챔버 내로 도입되어 심각한 화재나 폭발을 일으킴이 없이 상기 납 및 기타 불순물을 산화시킨다. 상기 불순물의 금속 산화물의 분말 먼지가 상기 챔버 내에 존재하며, 그에 따라 예컨대 아르곤 등의 불활성 가스의 스트림이 상기 장치 내 감압의 도움으로 상기 챔버에 유입되어 안전 위험을 유발하지 않으면서 수집 백 또는 용기와 같은 수거수단에 상기 먼지를 효과적으로 축출하고 제거한다.

실시예 2- 니켈을 함유한 정련된 니오븀계 합금철의 제조

하기 실시예는 니켈을 함유하는 니오븀계 합금의 납 함량을 20ppm 이하로 감소시키는데 있어 본 발명의 효과를 설명한다.

NiNb와의 페로니오븀(ISO 5453)의 블렌드는 도 3에 도시된 방식으로 본질적으로 누출 방지된 진공 유도 용해로 내에 밀봉된 용융 도가니에 충전된다. 실시예 1에서와 같이, 구리 수냉식 응축기는 인접한 산화 챔버로부터 격리 밸브를 통해 용융 도가니 상부에 위치된다. 상기 응축기는 또한, 장치 전체에 걸쳐 감압을 유지하면서, 용융 도가니상의 위치로부터 병진하여 격리 밸브를 통해 인접한 산화 챔버 내로 통과하도록 된다. 일단 NiNb와 함께 페로니오븀 합금이 용융 도가니에 충전되면, 응축기는 용융 도가니 위에 위치되고, 응축기의 수냉이 개시되고, 진공 유도 용해로 및 인접한 산화 챔버의 챔버 압력은 0.1mbar로 낮아지며, 아르곤으로 100 mbar로 다시 채우고(backfill), 이어서 유도 코일에 전력을 인가하여 상기 충전물을 용융시킨다. 로 내의 온도는 1600℃로 유지된다. 주기적으로 상기 장치에서 시료를 꺼내 납 함량을 분석한다. 하기 표 2는 그 결과를 요약한 것이다.

충전물의 완전 용융 후 시간	온도(℃)	Pb% wt
원료	1600	0.075
0.33 hr	1600	0.016
1 hr	1600	0.003
2 hr	1600	0.001

상기 진공 유도 용융 공정은 생성된 페로니오븀 니켈 합금으로부터 납을 광범위하게 제거한다. 기화된 납 및 기타 불순물은 냉각된 구리 응축기의 노출된 표면에서 우선적으로 응축된다. 감압을 유지하면서, 응축기는 도가니 상부의 위치에서 회수되어 격리 밸브를 통해 인접한 산화 챔버로 전달된다. 상기 격리 밸브가 닫히면, 충전물은 응고 몰드 내에 탭핑(tap)된 다음, 진공이 깨어지고 몰드가 상기 로에서 회수될 수 있다. 그 후, 상기 격리 밸브가 폐쇄되고, 제어된 방식으로 아르곤 및 산소의 산화 혼합물이 인접한 산화 챔버로 들어가도록 허용되어 심각한 화재나 폭발을 일으킴이 없이 상기 납 및 기타 불순물을 산화시킨다. 상기 불순물의 금속 산화물의 분말 먼지가 상기 챔버 내에 존재하며, 그에 따라 예컨대 아르곤 등의 불활성 가스의 스트림이 상기 장치 내 감압의 도움으로 상기 챔버에 유입되어 안전 위험을 유발하지 않으면서 수집 백 또는 용기와 같은 수거수단에 상기 먼지를 효과적으로 축출하고 제거한다.

동일한 방식으로, 상기 니켈은 철, 크롬, 코발트 등으로 대체되어 전술한 원소들 또는 이의 혼합물을 함유하는 상응하는 니오븀계 합금철을 얻을 수 있다.

실시예 3- 페로니오븀 니켈 합금의 제조

Nb-정광물, Nb₂O₅, 니켈, KClO₄ 에너지 부스터 및 금속성 알루미늄 분말의 혼합물을 진공 챔버 내의 반응기에 충전한다. 진공을 약 100mbar로 끌어내고 알루미노테르밋 반응(aluminothermic reaction)이 개시된다. 상기 반응이 완료된 후, 물질을 안전한 취급이 가능한 온도로 응고 및 냉각시킨다. 이어서, 압력을 대기압으로 되돌리고 도가니를 상기 진공 챔버로부터 제거한다. 생성된 페로니오븀 니켈 합금은 도가니에서 제거하고 세척 및 분쇄한다.

이어서, 생성된 페로니오븀-니켈 합금을 진공 유도 용해로 내의 용융 도가니에 충전하고 실시예 1에서와 같이 그 내부에서 용융시켜 실질적으로 남아있는 납 및 기타 불순물을 모두 제거한다. 이러한 방식으로, 생성된 합금의 납 함량은 5ppm 미만이다.

실시예 4- 페로니오븀 니켈 합금의 제조

페로니오븀, 정련된 산화니오븀, KClO₄ 온도 부스터, 니켈 및 알루미늄 분말의 혼합물을 진공 챔버 내의 도가니에 충전한다. 진공 상태가 되고 알루미노테르밋 반응이 개시된다. 상기 반응이 완료되면, 생성된 페로니오븀 니켈 합금이 회수되고, 세정되고 진공 유도 용해로에 충전되고 실시예 1에서와 같이 그 내부에서 재용융시켜 실질적으로 남아있는 납 및 기타 불순물을 모두 제거한다.

Claims

저연 니오븀계 합금철을 제조하는 방법에 있어서,
니오븀 정광물을 금속열 반응 챔버에 충전하는 단계와;
상기 정광물을 환원제와 혼합하는 단계와;
상기 반응 챔버 내의 압력을 대기압 미만으로 감소시키는 단계와;
금속열 반응을 개시하는 단계와;
반응 생성물을 응고 및 냉각시킴으로써 반응 생성물을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속열 반응 이전에 생성된 혼합물에 에너지 부스터를 첨가하는 것인 방법.
제1항에 있어서,
크롬, 몰리브덴, 코발트, 철 및 니켈과, 이의 산화물 그리고 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 원소가 상기 금속열 반응 이전에 혼합물에 첨가되는 것인 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속열 반응은 100 내지 300 mbar 범위의 감압 하에서 수행되는 방법.
제1항에 있어서,
상기 니오븀 정광물이 Nb₂O₅, Nb₂O, NbO 또는 이의 혼합물과 혼합되거나 Nb₂O₅, Nb₂O, NbO 또는 이의 혼합물로 대체되는 방법.
제1항에 있어서,
상기 반응 생성물을 분쇄하는 단계와;
분쇄된 생성물을 진공 유도 용해로 내의 용융 도가니에 충전하는 단계와;
상기 진공 유도 용해로 내의 압력을 1mbar 미만으로 낮추는 단계와;
장치에 전력을 인가하고 내부 함유된 불순물을 기화시키면서 상기 분쇄된 생성물을 용융시키고, 상기 도가니 위에 위치되도록 구성된 냉각된 응축 플레이트의 노출된 표면상에 기화된 불순물을 응축시키는 단계와;
진공 하에서 상기 진공 유도 용해로로부터 응축된 불순물을 갖는 상기 응축 플레이트를 제거하는 단계와;
상기 응축된 불순물을 제어가능하게 산화시키는 단계와;
납 함량이 5ppm 이하인 생성된 합금 생성물을 회수하는 단계를 더 포함하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 진공 유도 용해로 내의 압력이 1mbar 미만으로 낮아진 후, 상기 진공 유도 용해로 내의 압력이 불활성 가스로 재충전(backfill)하여 약 100mbar 이하의 압력으로 올려지는 방법.
제7항에 있어서,
상기 응축기 플레이트가 금속 수냉식 응축기인 방법.
제8항에 있어서,
상기 응축기 플레이트가 구리 응축기인 방법.
제6항에 있어서,
상기 불순물이 상기 용융물로부터 실질적으로 제거되면, 상기 응축된 불순물을 갖는 상기 응축 플레이트를 상기 진공 유도 용해로에서 제거하고, 상기 응축 플레이트를 상기 진공 유도 용해로와 인접한 산화 챔버 간에 위치한 격리 밸브를 통해 상기 진공 유도 용해로 및 산화 챔버가 진공 상태에 있는 동안 통과시키고, 상기 격리 밸브를 폐쇄하고, 산화제 또는 혼합물을 제어된 방식으로 상기 산화 챔버 내로 유입시켜 상기 응축된 불순물을 산화시키며, 상기 불순물을 제거 가능한 산화물 먼지로 전환시키는 방법.
제10항에 있어서,
산화가 완료되면, 불활성 가스의 스트림이 상기 산화 챔버로 유입되어 외부의 먼지 수집기로 상기 산화물 먼지를 제거하고 안전하게 제거하는 방법.
저연 니오븀계 합금철을 제조하는 방법에 있어서,
이전에 외기(open air)에서 환원된 니오븀 합금철을 분쇄하는 단계와;
분쇄된 생성물을 진공 유도 용해로 내의 용융 도가니에 충전하는 단계와;
상기 진공 유도 용해로 내의 압력을 1mbar 미만으로 낮추는 단계와;
장치에 전력을 인가하고 내부 함유된 불순물을 기화시키면서 상기 분쇄된 생성물을 용융시키는 단계와;
도가니 위에 위치되도록 구성된 냉각된 응축 플레이트의 노출된 표면상에서 기화된 불순물을 응축시키는 단계와;
진공 하에서 상기 진공 유도 용해로로부터 응축된 불순물을 갖는 상기 응축 플레이트를 제거하는 단계와;
상기 응축된 불순물을 제어가능하게 산화시키는 단계와;
20ppm 이하의 납 함량을 갖는 생성된 합금 생성물을 회수하는 단계를 포함하는 방법.
제12항에 있어서,
상기 진공 유도 용해로 내의 압력이 1mbar 미만으로 낮아진 후, 상기 진공 유도 용해로 내의 압력을 불활성 가스로 재충전(backfill)하여 100mbar 이하의 압력으로 올리는 단계를 더 포함하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 응축기 플레이트는 금속 수냉식 응축기인 방법.
제14항에 있어서,
상기 응축기 플레이트는 구리 응축기인 방법.
제12항에 있어서,
상기 불순물이 상기 용융물로부터 실질적으로 제거되면, 상기 응축된 불순물을 갖는 상기 응축 플레이트를 상기 진공 유도 용해로에서 제거하고, 상기 응축 플레이트를 상기 진공 유도 용해로와 인접한 산화 챔버 간에 위치한 격리 밸브를 통해 상기 진공 유도 용해로 및 산화 챔버가 진공 상태에 있는 동안 통과시키고, 상기 격리 밸브를 폐쇄하고, 산화제 또는 혼합물을 제어된 방식으로 상기 산화 챔버 내로 유입시켜 상기 응축된 불순물을 산화시키며, 상기 불순물을 제거 가능한 산화물 먼지로 전환시키는 방법.
제16항에 있어서,
산화가 완료되면, 불활성 가스의 스트림이 상기 산화 챔버로 유입되어 외부의 먼지 수집기로 상기 산화물 먼지를 제거하고 안전하게 제거하는 단계를 더 포함하는 방법.