KR20200099539A - 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

노에서 소모성 전극의 아크 재용융을 사용하여 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법으로서, 상기 방법은, - 금속 합금의 소모성 전극을 제공하는 단계; - 제 2 전극을 제공하는 단계; - 노 내에 제어된 분위기를 제공하는 단계; - 소모성 전극과 제 2 전극 사이에 아크를 발생시켜서 용융된 상기 소모성 전극을 용융시킴으로써, 용융된 금속 합금 풀을 형성하는 단계; - 상기 소모성 전극과 상기 용융된 금속 합금 풀 사이에서 상기 아크를 유지하는 단계; - 몰드 내로 상기 용융된 금속 합금을 운반하고 정제된 금속 합금의 잉곳을 주조하는 단계를 포함하고, 상기 제어된 분위기를 제공하는 단계는 1-500 Pa 의 Ar 가스 압력에서 상기 노를 통해 Ar 가스를 유동시키는 것을 포함한다.

Description

질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법

본 발명은 소모성 전극의 아크 재용융을 사용하여 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법에 관한 것이다.

진공 아크 재용융 (VAR) 은 크리프 및 피로에 대해 보다 양호한 저항성을 달성하도록 금속 합금들을 정제하는 데 사용되는 프로세스이다. VAR 프로세스에서, 정제될 금속 합금의 소모성 전극은 VAR 노의 진공 챔버에 위치설정되고, 제 2 전극은 소모성 전극 아래에 제공되고, 아크는 전극들 사이에 발생된다. 소모성 전극은 이로써 용융을 시작하고 용융된 금속 합금 풀이 형성된다. 아크는 소모성 전극과 용융된 금속 합금 풀 사이에 유지되고, 용융된 금속 합금은 몰드 내로 운반되고 정제된 금속 합금의 잉곳은 주철이다. US4578795 은 VAR 프로세스 및 노의 예를 개시한다.

특히, VAR 은 예를 들면 우주 항공 산업 적용예들에서, 또는 오일 및 가스 산업에서 사용될 수 있는 금속 합금들, 예를 들면 스테인리스 강 합금들, 철 (Fe), 코발트 (Co) 또는 니켈 (Ni) 에 기초된 초합금들, 및 고합금성 (highly alloyed) 강 합금들을 정제하기 위해 사용된다. VAR 프로세스에서, 비-금속성 함유물들 뿐만 아니라 해로운 원소들, 휘발성 원소들은 금속 합금으로부터 제거될 수 있다. 그러나, VAR 프로세스에서, 또한 금속 합금에 유리한 영향을 주는 휘발성 원소들도 VAR 노 내에서 낮은 압력으로 인해 증발되고 손실될 수 있다. 예를 들면, 금속 합금의 질소 (N) 함량은 전형적으로 VAR 프로세스 중에 감소된다. 많은 경우들에서, 금속 합금의 질소 용해도를 초과하지 않고 따라서 기포들을 형성하지 않고 소모성 전극의 금속 합금에서 질소의 함량을 증가시키는 것은 불가능하다. 기포들은 노 챔버에서 진동들 및 불안정적인 진공 압력을 발생시킴으로써 VAR 프로세스에 부정적인 영향을 준다.

일부 합금들에 대해, 아크 재용융은 질소 손실을 감소시키도록 노 내에서 예를 들면 30 kPa 의 Ar 가스 압력으로 수행된다. 그러나, 이는 안정적이지 못한 아크 및 실질적인 진동을 발생시켜서 제조될 수 있는 잉곳들의 사이즈를 제한한다는 것이 발견되었다.

본 발명의 주 목적은 소모성 전극의 아크 재용융을 사용하여 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 것이고, 이는 적어도 일부 양상에서 상기 언급된 단점들을 경감한다. 특히, 목적은 금속 합금의 질소 함량의 감소가 줄어들 수 있어서 정제된 금속 합금이 정제 전에 금속 합금의 것에 가까운 질소 함량을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

적어도 제 1 목적은 청구항 1 에 따른 방법에 의해 달성된다. 방법의 유리한 실시형태들은 종속항들에 개시된다.

1-500 Pa 의 상대적으로 낮은 압력으로 노를 통해 Ar 가스를 유동시킴으로써, 질소 (N) 의 증발이 방지되고 아크 재용융 프로세스 중에 금속 함금에서 N 의 감소가 이로써 줄어든다. 정제된 금속 합금은 소모성 전극 비-정제된 금속 합금의 것과 가까운 N 함량을 얻을 수 있다.

아르곤 (Ar) 압력 및 다른 프로세스 파라미터들, 예를 들면 아크 전압 및 소모성 전극과 용융된 금속 합금 풀 사이의 전극 갭은 안정적이고 확산된 아크가 소모성 전극과 용융된 금속 합금 풀 사이에서 유지되게 해야만 한다. Ar 가스 압력은 플라즈마가 생성되지 않도록 충분히 낮아야 한다. 플라즈마는 아크가 저해받음으로써 정적으로 되게 만들 수 있고, 이는 소모성 전극의 바람직하지 않은 용융 및 증가된 질소 증발화를 발생시킨다. Ar 가스 압력을 충분히 낮게 유지함으로써, 아크는 소모성 전극 표면을 빠르게 스캔하는 것이 가능하고 이로써 용융 프로세스는 제어를 보다 용이하게 한다.

하나의 실시형태에 따르면, Ar 가스 압력 (P_Ar) > 2 Pa 이다. 또 다른 실시형태에 따르면 P_Ar ≥ 5 Pa 이다. 또 다른 실시형태에 따르면 P_Ar ≥ 10 Pa 이다. 또 다른 실시형태에 따르면 P_Ar ≥ 20 Pa, 및 추가의 또 다른 실시형태에 따르면, P_Ar ≥ 50 Pa 이다. 충분한 Ar 가스 압력의 존재는, 즉 금속 합금에서 N 의 증발을 현저한 방지를 목표로 하는 기술적 효과가 달성되는 것을 보장한다.

상기 언급된 바와 같이, Ar 가스 압력은 너무 높을 필요는 없다. 하나의 실시형태에 따르면 P_Ar ≤ 500 Pa 이다. 하나의 실시형태에 따르면 P_Ar ≤ 400 Pa 이다. 하나의 실시형태에 따르면 P_Ar ≤ 300 Pa 이다. 하나의 실시형태에 따르면 P_Ar ≤ 200 Pa 이다.

하나의 실시형태에 따르면 Ar 가스 압력은 2 내지 500 Pa 이다. 하나의 실시형태에 따르면, Ar 가스 압력은 1-100 Pa 이다. 또 다른 실시형태에 따르면, Ar 가스 압력은 2-50 Pa, 및 추가의 또 다른 실시형태에 따르면, Ar 가스 압력은 5-50 Pa 이다.

전극 갭은 바람직하게 5-15 mm, 보다 바람직하게 7-12 mm, 및 심지어 보다 바람직하게 8-10 mm 의 범위 내일 수 있다.

아크를 유지하는 데 사용되는 평균 아크 전압은 20-25　V 의 범위 내일 수 있다.

하나의 실시형태에 따르면, 방법은 드롭-쇼트 (drop-short) 제어에 의해 전극 갭을 제어하는 단계를 포함한다. 전극 갭이 드롭-쇼트 설정 포인트, 즉 드롭-쇼트 주파수 또는 드롭-쇼트 주기를 유지함으로써 제어되는 방법이 드롭-쇼트 제어에 의해 본원에서 의도된다. 드롭-쇼트 제어는 전극 갭을 제어하는 것을 용이하게 한다. 예를 들면, 드롭-쇼트 주파수는 0.5-10 s^-1, 예를 들면 1-4 s^-1 로 설정될 수 있다. 전극 갭은 전압 제어를 사용하여, 즉 전압 설정 포인트를 유지함으로써 대안적으로 제어될 수 있다.

하나의 실시형태에 따르면, 방법은 아크를 발생시키기 전에 노를 통해 Ar 가스의 안정적인 유동을 확립하는 단계를 포함한다. 안정적인이라는 것은 이와 관련하여 단지 Ar 가스 압력 범위 내에, 또는 사전규정된 그 하위범위 내에서 변동하는 것을 칭한다. 이는 안정적이고 확산된 아크를 발생시키고 유지하고 안정적인 용융 속도를 얻기 위한 조건들을 개선시킬 것이다.

하나의 실시형태에 따르면, 노를 통해 Ar 가스를 유동시키는 것은 일정한 또는 본질적으로 일정한 Ar 가스 압력으로 Ar 가스를 연속적으로 유동시키는 것을 포함한다. “본질적으로 일정한” 이란 본원에서 Ar 가스 압력이 원하는 Ar 가스 압력 값으로부터 ±10　% 초과만큼 편차를 허용하지 않는다는 것을 의도한다. 용융 중에 일정한 또는 본질적으로 일정한 Ar 가스 압력을 유지함으로써, 안정적이지 못한 아크를 발생시킬 수 있는 요동들이 방지된다.

금속 합금은 스테인레스 강 합금, 철 (Fe), 코발트 (Co) 또는 니켈 (Ni) 에 기초한 초합금, 또는 고합금성 강 합금일 수 있다. 특히, 금속 합금은 적어도 0.001-0.20 중량 % (wt. %), 바람직하게 0.025-0.10 wt. % 의 질소 함량을 갖는 금속 합금일 수 있다. 방법은 특히 질소가 금속 합금에 용해되는 금속 합금들에 대해 유용한 데, 왜냐하면 용해된 질소는 금속 질화물에서 결합된 질소보다 VAR 중에 분해될 가능성이 보다 크기 때문이다.

본 발명의 추가의 이점들 뿐만 아니라 유리한 특징들은 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 실시형태들은 다음에 첨부된 도면을 참조하여 예로써 추가로 설명된다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 방법의 흐름도이다.

본 발명의 실시형태에 따른 노에서 소모성 전극의 아크 재용융을 사용하여 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법이 도 1 에서 흐름도로 개략적으로 예시된다. 방법은 다음의 단계:

A: 금속 합금의 소모성 전극을 제공하는 단계;

B: 제 2 전극을 제공하는 단계;

C: 1-500 Pa 의 Ar 가스 압력에서 노를 통해 Ar 가스를 유동시키는 것을 포함하는 노 내에 제어된 분위기를 제공하는 단계:

D: 소모성 전극과 제 2 전극 사이에 아크를 발생시켜서 소모성 전극을 용융시킴으로써, 용융된 금속 합금 풀을 형성하는 단계;

E: 소모성 전극과 용융된 금속 합금 풀 사이에서 아크를 유지하는 단계;

F: 용융된 금속 합금을 몰드 내로 운반하고 정제된 금속 합금의 잉곳을 주조하는 단계를 포함한다.

정제될 금속 합금으로 이루어지는 소모성 전극은 예를 들면 스테인리스 강 합금, 철 (Fe), 코발트 (Co) 또는 니켈 (Ni) 에 기초된 초합금, 또는 고합금성 강 합금일 수 있다. 금속 합금은 적어도 0.001-0.20 중량 % (wt. %), 예를 들면 0.025-0.10 wt. % 의 질소 함량을 가질 수 있다. 소모성 전극은 원통형일 수 있다.

소모성 전극은 VAR 노의 노 챔버에서 냉각된 도가니, 예를 들면 워터 재킷에 의해 둘러싸인 워터-냉각된 도가니 내에 위치설정된다. 도가니의 내부 직경은 소모성 전극의 직경보다 크다. 구동 메카니즘은 노 내에 소모성 전극의 위치를 제어하기 위해 사용되고 그것이 용융될 때에 하부의 소모성 전극을 하강시키도록 사용된다.

제 2 전극은 하나의 실시형태에 따르면 소모성 전극과 동일한 금속 합금을 포함하지만, 또 다른 실시형태에 따르면 상이한 금속 합금으로부터 형성될 수 있는 데, 왜냐하면 제 2 전극으로부터 금속 합금을 포함하는 형성된 잉곳의 일부는 정제된 금속 합금의 남아있는 잉곳으로부터 용이하게 분할될 수 있기 때문이다. 제 2 전극은 냉각된 도가니 내에서 소모성 전극 아래에 위치설정된다. 갭은 전극들 사이에 형성되고, 상기 갭은 구동 메카니즘을 사용하여 제어될 수 있다.

Ar 가스 압력은 1 Pa 만큼 낮을 수 있지만, 다른 실시형태들에 따르면 적어도 2 Pa 또는 적어도 5 Pa 일 수 있다. Ar 가스 압력은 최대 500 Pa 일 수 있지만, 최대 100 Pa 또는 50 Pa 로 제한될 수 있다. Ar 가스는 제 2 전극 위의 제 위치에서 노 내로 진입될 수 있어서, Ar 가스는 아크가 발생될 때 용융된 금속 합금 풀에 걸쳐 유동된다. 안정적인 Ar 가스 압력은 바람직하게 아크를 발생시키기 전에 확립된다. Ar 가스 압력은 바람직하게 용융된 금속 합금 풀에 걸쳐 Ar 가스를 연속적으로 유동시키고, 이로써 아크를 안정적으로 유지하는 데 기여함으로써 아크 재용융 프로세스 중에 일정하게 또는 본질적으로 일정하게 유지된다.

아크는 소모성 전극을 통해 전류를 통과시킴으로써 발생될 수 있다. 음의 전압은 접지 포텐셜로 제 2 전극을 유지시키면서 소모성 전극에 적용된다. 전압, 전류 및/또는 전극 갭은 안정적이고 확산된 아크를 유지하도록 제어될 수 있다. 하나의 실시형태에 따르면, 전극 갭은 드롭-쇼트 제어에 의해 제어되고, 즉 전극 갭은 드롭-쇼트들의 원하는 검출된 속도에 기초하여 제어된다. 그러한 드롭-쇼트 제어는 예를 들면 US4578795 에 설명된다.

전극들이 위치설정되는 냉각된 도가니는 용융된 금속 합금이 고화되어 잉곳이 주철되는 몰드를 형성한다. 주철 잉곳은 따라서 소모성 전극보다 큰 직경을 갖는다.

예 1

400 mm 의 직경을 갖는 두개의 소모성 전극들이 표준 UNS N06985 에 상응하는 원소 조성을 갖는 테스트 합금, 즉 상대적으로 높은 Mo 함량 및 Co 및 Cu 의 첨가를 갖는 안정화된 오스테나이트 NiCrFe 합금으로 제조되었다. 재용융 전에, 테스트 합금은 0.037 중량 % (wt.%) 의 N 을 함유하였다.

소모성 전극들의 제 1 전극은 진공에서 VAR 을 사용하여, 즉 용융된 금속 합금 풀에 걸쳐 Ar 을 유동시키지 않고 재용융되었다. 노 내에 압력은 대략 0.15 Pa 이었다. 안정적인 용융 속도는 9 kA 의 전류, 20-21 V 의 전압 및 6 kg/min 의 용융 속도를 갖는 드롭-쇼트 제어 (3.5 s^-1) 를 사용하여 달성되었다.

소모성 전극들의 제 2 전극은 용융된 금속 합금 풀에 걸쳐 Ar 을 유동시키지 않고 아크 재용융을 사용하여 재용융되었다. 재용융 프로세스 중에, Ar 가스 압력은 변경되었고 상이한 레벨들로 안정화되도록 허용되었다. Ar 가스 압력이 200　Pa 초과로 증가될 때에 (용융 속도를 감소시킴) 아크가 안정적이지 못하게 되고 플라즈마가 10 kPa 의 Ar 가스 압력에서 발생되어 드롭-쇼트 주파수에서 신속한 증가를 발생시킨다는 것에 주목되었다.

재용융된 테스트 합금의 수용된 잉곳들로부터의 샘플들은 노에서 다양한 Ar 가스 압력들에 상응하는 위치들에서 취해졌고 원소 조성과 관련하여 분석되었다. N 함량과 관련하여 분석의 결과들은 표 1 에 도시된다. 알 수 있는 바와 같이, 5　Pa 및 170 Pa 의 Ar 가스 압력들이 재용융 전과 유사한 N 함량을 유지하기 위해 특히 명백히 유리하다는 것이 발견되었다. 테스트 합금의 다른 합금 원소들은 재용융 프로세스에 의해 현저하게 영향을 받지 않는다.

[표 1]

예 2

소모성 전극은 Sanicro 28 (표준 UNS N08028) 에 따른 조성을 갖는 테스트 합금, 즉 Mo, Mn 및 Cu 의 첨가를 갖는 오스테나이트 NiCrFe 합금으로부터 형성되었다. 재용융 전에, 테스트 합금은 0.085 wt.% 의 N 을 함유하였다.

소모성 전극은 Ar 이 5 Pa 의 안정적인 Ar 가스 압력에서 용융된 금속 합금 풀에 걸쳐 유동하는 아크 재용융을 사용하여 재용융되었다. 4.8 kg/min 의 안정적인 용융 속도가 7.5 kA 의 전류 및 22.2 V 의 전압을 갖는 드롭-쇼트 제어 (3 s^-1) 를 사용하여 달성되었다. 7.5 kg/min 의 제 2 안정적인 용융 속도가 10.5 kA 의 전류 및 22.5 V 의 전압을 갖는 드롭-쇼트 제어 (1.5 s^-1) 를 사용하여 달성되었다.

재용융 후에, 샘플은 재용융된 잉곳으로부터 취해졌고 원소 조성과 관련하여 분석되었다. N 함량이 0.085 wt.% 내지 0.077 wt.% 로 줄어들고, 즉 9　% 의 감소로 줄어들었다는 것이 발견되었다. 대조적으로, 진공에서 상응하는 합금의 재용융 중에, N 함량은 0.096 wt.% 내지 0.080 wt.% 로 줄어들고, 즉 17 % 감소로 줄어들었다.

본 발명은 물론 상기 설명된 실시형태에 제한되지 않지만, 많은 변경예들에 대한 많은 가능예들은 첨부된 청구항에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에게는 명백할 것이다.

Claims (11)

1. 노에서 소모성 전극의 아크 재용융을 사용하여 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법으로서,
   - 상기 금속 합금의 소모성 전극을 제공하는 단계;
   - 제 2 전극을 제공하는 단계;
   - 상기 노 내에 제어된 분위기를 제공하는 단계;
   - 상기 소모성 전극과 상기 제 2 전극 사이에 아크를 발생 (striking) 시켜서 상기 소모성 전극을 용융시킴으로써, 용융된 금속 합금 풀 (pool) 을 형성하는 단계;
   - 상기 소모성 전극과 상기 용융된 금속 합금 풀 사이에서 상기 아크를 유지하는 단계;
   - 용융된 금속 합금을 몰드 내로 운반하고 정제된 금속 합금의 잉곳을 주조하는 단계를 포함하고,
   상기 제어된 분위기를 제공하는 단계는 1-500 Pa 의 Ar 가스 압력에서 상기 노를 통해 Ar 가스를 유동시키는 것을 포함하는, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 Ar 가스 압력은 2 내지 500 Pa 인, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 Ar 가스 압력은 1-100 Pa, 예를 들면 2-50 Pa, 예를 들면 5-50 Pa 인, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 소모성 전극과 상기 용융된 금속 합금 풀 사이의 전극 갭은 상기 아크가 안정적이고 확산되게 유지되도록 제어되는, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 전극 갭은 5-15 mm, 예를 들면 7-12 mm, 및 예를 들면 8-10 mm 의 범위 내에 있는, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 방법은 드롭-쇼트 (drop-short) 제어에 의해 상기 전극 갭을 제어하는 단계를 포함하는, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방법은 상기 아크를 발생시키기 전에 상기 노를 통해 Ar 가스의 안정적인 유동을 확립하는 단계를 포함하는, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 노를 통해 Ar 가스를 유동시키는 것은 일정한 또는 본질적으로 일정한 Ar 가스 압력으로 Ar 가스를 연속적으로 유동시키는 것을 포함하는, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 아크를 유지하는 데 사용되는 평균 아크 전압은 20-25　V 의 범위 내인, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 스테인리스 강 합금, 초합금 또는 고합금성 (highly alloyed) 강 합금인, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 적어도 0.001-0.20 중량 % (wt. %), 예를 들면 0.025-0.10 wt. % 의 질소 함량을 갖는, 질소-함유 금속 합금을 정제하기 위한 방법.
    

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