WO2014148687A1 - 탈산 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 장치 및 정련 방법 - Google Patents

탈산 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 장치 및 정련 방법 Download PDF

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문병문
김강준
이재윤
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Definitions

  • the present invention relates to a refining apparatus and a refining method of titanium scrap and sponge titanium, and more particularly to a refining apparatus and a refining method of titanium scrap and sponge titanium, which can produce a high purity titanium ingot.
  • Titanium is growing not only in the aircraft market but also in the demand for general industrial and consumer products, and global demand will continue to outpace production.
  • VAR vacuum arc remelting
  • EBM electron beam melting
  • PAM plasma arc melting
  • titanium scraps with high impurities oxygen, nitrogen, etc.
  • oxygen, nitrogen, etc. which are mainly generated during the processing of plates and wires, do not require refining process. It is difficult to obtain titanium.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a titanium scrap and sponge titanium refining method that can remove oxygen from the molten metal by supplying plasma gas into the molten metal for efficient refinement of the titanium scrap. .
  • the present invention is a titanium scrap and sponge titanium refining apparatus that can efficiently remove oxygen in the melt by supplying calcium gas with an inert gas around the melt to form an airflow curtain wall for efficient refining of titanium scrap And a refining method.
  • the present invention provides a method for refining titanium scrap and sponge titanium, comprising the step of supplying plasma gas from the top of the crucible to the surface of the titanium molten metal to remove oxygen contained in the molten metal.
  • the plasma gas may include argon and hydrogen.
  • the argon and hydrogen may be supplied in a volume ratio ranging from 1: 0.03 to 1: 0.5.
  • Hydrogen ions and electrons contained in the plasma gas may react with the oxygen atom of the molten metal on the molten surface.
  • the plasma gas is supplied from the upper portion of the crucible to the surface of the titanium molten metal, and oxygen molecules in the atmosphere are adsorbed on the surface of the molten metal to form a titanium oxide film to remove oxygen contained in the molten metal. It provides a method for refining titanium scrap and sponge titanium comprising a step of.
  • the excess hydrogen atoms emitted from the plasma gas may be combined with the hydrogen molecules and consumed.
  • the present invention is the melting step in which the molten metal and the inner wall does not contact due to the magnetic field of the induction coil in the crucible, and by supplying calcium gas from the lower portion of the crucible to the space between the inner wall of the crucible and the molten metal It provides a method for refining titanium scrap and sponge titanium comprising the step of removing oxygen from the molten metal.
  • the calcium gas may form an airflow curtain wall over the entire circumference of the molten metal.
  • the present invention is the melting step of the molten metal and the inner wall does not contact due to the magnetic field of the induction coil in the crucible,
  • It provides a method for refining titanium scrap and sponge titanium comprising the step of removing oxygen from the molten metal by supplying calcium gas from the lower portion of the crucible to the space between the inner wall of the crucible and the molten metal.
  • the unreacted calcium gas in the calcium gas may contact the plasma to generate calcium ions, and the generated calcium ions may further include removing oxygen from the molten metal.
  • the present invention is a vacuum chamber
  • a crucible which is located inside the vacuum chamber and is melted without contact between the molten metal and the inner wall due to the magnetic field of the induction coil;
  • It provides a titanium scrap and sponge titanium refining apparatus comprising a calcium gas supply means for supplying calcium gas from the lower portion of the crucible to the space between the inner wall of the crucible and the molten metal.
  • Located on the top of the crucible may further comprise a collecting plate for collecting the impurity gas generated during melting.
  • the calcium gas may be injected over the entire circumference of the molten metal to form an airflow curtain wall.
  • the calcium gas supply means The calcium gas supply means,
  • a calcium gas generating unit for generating calcium gas by vaporizing solid calcium in the heat
  • It may comprise a plurality of injection units for injecting the calcium gas supplied to the calcium gas generating unit from the lower portion of the crucible to the upper portion.
  • a mixing chamber connected to the calcium gas generating unit and mixing the inert gas supplied to the outside with the calcium gas supplied to the calcium gas generating unit and supplying the calcium gas to the injection unit.
  • the mixing chamber may be provided with heating means for heating the inert gas.
  • oxygen can be removed from the molten metal by injecting calcium gas around the molten metal during the refining of the titanium scrap and the sponge titanium, thereby producing a high purity titanium ingot.
  • FIG. 1 is a process schematic diagram for explaining the principle of plasma refining applied to the titanium scrap and sponge titanium refining method according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are state diagrams for explaining an oxygen removal mechanism through hydrogen ions applied to a titanium scrap refining method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a state diagram showing the internal airflow state of the titanium scrap and sponge titanium refining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a state diagram showing that the calcium gas of the titanium scrap and sponge titanium refining apparatus according to an embodiment of the present invention is injected to form an airflow curtain wall (wall).
  • FIG 5 is an exemplary view showing a configuration required for the generation of calcium gas of the titanium scrap and sponge titanium refining apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B are graphs showing standard generation free energy values of reaction of oxygen atoms and oxygen molecules of titanium and calcium with temperature.
  • 7A and 7B are graphs showing standard generation free energy values of reaction of oxygen atoms and oxygen molecules of titanium and calcium with temperature.
  • plasma gas is supplied from the upper portion of the crucible to the titanium molten surface to remove oxygen contained in the molten metal.
  • impurities having a lower vapor pressure than titanium evaporate.
  • the molten metal is pickling titanium scrap; Washing the titanium scrap; And dissolving the titanium scrap.
  • Plasma 11 is emitted from the plasma torch 10 and impurities evaporate at the surface of the titanium melt 32.
  • the gas emitted from the plasma 11 may include a pilot gas and a shield gas.
  • the pilot gas stabilizes the plasma flame, and the shield gas is supplied after the plasma flame stabilizes.
  • the pilot gas may comprise argon and the shield gas may comprise argon and hydrogen.
  • the argon and hydrogen may be supplied in a volume ratio ranging from 1: 0.03 to 1: 0.5.
  • Hydrogen ions and electrons contained in the plasma gas may react with the oxygen atom of the molten metal 32 and the surface of the molten metal 32. Hydrogen ions and electrons contained in the plasma gas react with oxygen atoms and are released as water vapor. Therefore, oxygen of the molten titanium 32 is removed.
  • oxygen molecules in the atmosphere are adsorbed on the surface of the molten titanium 32 in the crucible to form a titanium oxide film 32 ′.
  • the excess hydrogen atoms emitted from the plasma gas may be combined with the hydrogen molecules and consumed.
  • the oxygen removal can be explained next.
  • Table 1 shows the standard free energy values of the reaction of titanium and hydrogen with oxygen atoms and oxygen molecules over temperature.
  • melting is performed without contact between the molten metal and the inner wall due to the magnetic field of the induction coil in the crucible, and the bottom of the crucible. And supplying calcium gas to the space between the inner wall of the crucible and the molten metal to remove oxygen from the molten metal.
  • a mixed gas (mixed gas of inert gas and calcium gas) is injected through the injection units 41 and 42 installed under the crucible 30, gas is injected into the gap between the ingot 50 and the inner wall 35 and the molten metal is melted. Gas injected through the space between the 32 and the inner wall 35 to the lower surface of the collecting plate 60 is delivered. Accordingly, as shown in FIG. 3, the gas injected from the injection units 41 and 42 vertically forms the airflow curtain wall F C between the upper portion of the crucible 30 and the collecting plate 60. In other words, the gas stream flowing in the circumferential direction of the molten metal 32 forms the airflow curtain wall Fc as much as the circumferential region of the molten metal 32.
  • the airflow curtain wall Fc formed as described above not only removes oxygen generated during melting of the crucible 30 but also blocks diffusion of impurity gas generated during melting into the vacuum chamber 20.
  • the airflow curtain wall Fc serves to guide the impurity gas rising from the crucible 30 to be concentrated in the lower region of the collecting plate 60. That is, the mixed gas injected from the lower part of the crucible 30 is directly injected to the lower surface of the collecting plate 60 through the gap of the non-contact crucible to form an airflow curtain wall Fc, and the airflow curtain wall Fc is In order to prevent the impurity gas generated during melting of the metal from being diffused into the vacuum chamber 20, the impurity gas rising from the crucible 30 is guided to the collecting plate 60 while maintaining the impurity gas in the airflow curtain wall Fc. At the same time serves to remove oxygen in the molten metal (32).
  • melting is performed without contact between the molten metal and the inner wall due to the magnetic field of the induction coil in the crucible, and molten plasma gas at the top of the crucible. Removing oxygen contained in the molten metal by supplying it to a surface; and removing oxygen from the molten metal by supplying calcium gas from a lower portion of the crucible to a space between the inner wall of the crucible and the molten metal.
  • the unreacted calcium gas in the calcium gas may contact the plasma to generate calcium ions, and the generated calcium ions may remove oxygen from the molten metal.
  • the oxygen removal can be explained next.
  • Table 2 shows the standard free energy values of the reaction of titanium and calcium oxygen atoms and oxygen molecules with temperature.
  • the present invention may include a plasma torch 10, a vacuum chamber 20, a crucible 30, a collecting plate 60, and calcium gas supply means.
  • the plasma torch 10 is positioned above the crucible 30 and serves to supply plasma gas.
  • an injection hole 21 for injecting an inert gas for example, argon gas or helium gas
  • the inlet 21 may be one or more (in this embodiment, three are formed on the side of the vacuum chamber is taken as an example).
  • the outlet 22 is formed in the upper portion of the vacuum chamber 20. The outlet 22 serves to discharge the gas inside to the outside in order to maintain the vacuum degree of the vacuum chamber 20.
  • the crucible 30 is provided in the form in which the induction coil 31 is wound on the outside. That is, as an electromagnetic crucible, an alternating current is applied to induce a change in a magnetic field to form an induction current on the metal surface to be melted, and the metal is melted by Joule's Heat generated from the induction current.
  • the direct melting method by electromagnetic induction can melt a material such as metal in a short time, and thus high productivity can be expected.
  • the induced current acts on the magnetic field to generate an electromagnetic force (Lorentz force) in the molten metal (32).
  • the generated electromagnetic force is always directed toward the center of the crucible according to the Fleming's left hand law even when the direction of the coil current is changed and due to the pinch effect such as electromagnetic pressure, the molten metal and the crucible 30 Contact with the inner wall 35 can be prevented. As a result, a space (gap) is formed between the inner wall 35 of the crucible 30 and the molten metal 35.
  • the collecting plate 60 is a means for condensing and collecting impurities contained in the impurity gas generated in the molten metal 32 of the crucible 30 to the surface.
  • the collecting plate 60 may be provided with cooling means to form a temperature difference with the inside of the vacuum chamber 20.
  • the collecting plate 60 is preferably located at an upper portion of the crucible 30 vertically as shown in FIGS. 3 to 5. Accordingly, the impurity gas rising from the crucible 30 is positioned so that it is directly exposed.
  • the calcium gas supply means is located at the lower side of the crucible 30. Specifically, the calcium gas supply means is provided to inject calcium gas around the molten metal 32, and a plurality of injections capable of injecting the inside of the vacuum chamber 20 (specifically, the space between the molten metal and the inner wall of the crucible) Units 41 and 42 are provided.
  • the calcium gas may be generated through the calcium gas generating unit 100, and the calcium gas generating unit 100 is charged with a solid calcium 120 inside the heating coil in this state.
  • the calcium 120 is vaporized through the 110 to generate calcium gas, which is then injected at a high pressure through the injection units 41 and 42.
  • the injection unit (41, 42) is arranged so that a plurality of nozzles wrapped around the molten metal 32 to form an airflow curtain wall (Fc) between the lower surface of the collecting plate 60 and the molten metal 32 as shown in FIG. Can be configured to do this.
  • the injection units 41 and 42 may be injected in a state where not only calcium gas but also inert gas (argon gas) is mixed.
  • a mixing chamber 200 may be provided between the injection units 41 and 42 and the calcium gas generating unit 100.
  • the mixing chamber 200 has a heating coil 210 inside the chamber in order to prevent condensation / condensation by lowering the temperature of calcium gas in the process of mixing low temperature inert gas and high temperature calcium gas supplied from the outside. It is preferable that this is provided.
  • the calcium gas generating unit 100 and the mixing chamber 200 and the injection unit is communicated through the supply line, these supply lines can be configured to be opened and closed by installing valves (V 1 , V 2 ).
  • the titanium scrap and sponge titanium refining apparatus of the present invention configured as described above injects mixed gas (mixed gas of inert gas and calcium gas) through the injection units 41 and 42 installed at the bottom of the crucible 30. Gas is injected into the gap between the inner wall 35 and the injected gas is passed through the space between the molten metal 32 and the inner wall 35 to the lower surface of the collecting plate 60. Accordingly, as shown in FIG. 3, the gas injected from the injection units 41 and 42 vertically forms the airflow curtain wall F C between the upper portion of the crucible 30 and the collecting plate 60. In other words, the gas stream flowing in the circumferential direction of the molten metal 32 forms the airflow curtain wall Fc as much as the circumferential region of the molten metal 32.
  • mixed gas mixed gas of inert gas and calcium gas
  • the airflow curtain wall Fc formed as described above not only removes oxygen generated during melting of the crucible 30 but also blocks diffusion of impurity gas generated during melting into the vacuum chamber 20.
  • the airflow curtain wall Fc serves to guide the impurity gas rising from the crucible 30 to be concentrated in the lower region of the collecting plate 60. That is, the mixed gas injected from the lower part of the crucible 30 is directly injected to the lower surface of the collecting plate 60 through the gap of the non-contact crucible to form an airflow curtain wall Fc, and the airflow curtain wall Fc is In order to prevent the impurity gas generated during melting of the metal from being diffused into the vacuum chamber 20, the impurity gas rising from the crucible 30 is guided to the collecting plate 60 while maintaining the impurity gas in the airflow curtain wall Fc. At the same time serves to remove oxygen in the molten metal (32).
  • Milling cutting scrap of Ti-6Al-4V alloy is crushed to a suitable size and pickled. It was washed with alcohol and distilled water and dried to prepare a dissolving and refining charging material.
  • the inner diameter of the copper material is 50mm inside the melting and refining main chamber, there is a circular cold crucible 30 without a bottom.
  • a graphite pile is located under the circular cold crucible 30, and a Ti-6Al-4V alloy in the form of a rod is charged thereon for seeding purposes.
  • the electromagnetic induction coil 31 which is supplied with electric power of up to 100 kW, is wrapped around the cold crucible. At this time, when the current flows through the induction coil 31, the charging material is dissolved in the cold crucible 30 by the electromagnetic induction phenomenon, and when the initial melting is completed, the additional scrap material is continuously charged into the crucible from the raw material charging material supply device installed at the top. do.
  • the ingot withdrawal device was able to withdraw the solidified ingot in the vertical lower direction.
  • chamber internal vacuuming and argon gas purging were performed prior to this dissolution refining experiment. This process was carried out three times in this experiment as a process to prevent titanium having a high affinity for oxygen from reacting with moisture in the air and to prevent contamination of additional external impurities.
  • the power proceeded to the power of 10kW for the first time, and the power increased by 10kW every minute, and the bar loaded into the crucible was melted at about 35kW. About 1 minute from the point of complete dissolution, the raw material was continuously loaded into the scrap, and the feed rate and ingot withdrawal rate were optimized and determined.
  • the distance between the lower end of the plasma and the melt was maintained between about 1 cm and 10 cm by adjusting the power value of the induction coil.
  • a plasma nontransfer mode was performed in which a (-) pole was connected to the lower tip of the plasma torch and a (+) pole was connected to the lower end of the withdrawal chamber.
  • the plasma refining process was performed by converting the positive electrode into the transfer mode in which the positive electrode changes from the lower end of the withdrawal chamber to the molten part. At this time, the voltage ranged from 200V to 350V and the current ranged from 20A to 60A.
  • argon gas is 1 to 5 liters / min as a pilot gas and argon gas and hydrogen gas are combined as a shield gas at a flow rate of 5 to 25 liters / min. It became a supply. At this time, argon and hydrogen were maintained at a volume ratio in the range of 1: 0.03 to 1: 0.5 to conduct a refining experiment.
  • the refining time was 30 minutes.
  • the length of the Ti-6Al-4V alloy rod extracted through this experiment was about 45 cm, and the amount of scrap used for this was 4 kg.
  • Tables 3 and 4 below show the analysis results of metal components, oxygen and hydrogen gas before and after dissolution refining of the Ti-6Al-4V scrap according to the embodiment.

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Abstract

본 발명은 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련을 위해 탈산가스를 용탕 표면으로 공급하여 용탕에 포함된 산소를 제거할 수 있는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련 방법 및 정련장치을 개시한다. 본 발명은 티타늄 스크랩을 정련하기 위한 티타늄 스크랩 정련 방법으로서, 플라즈마 상태로 수소이온과 전자를 용탕내로 공급하는 것으로 산화물 피막을 형성한 티타늄 용탕 표면에서 산소를 제거하는 것을 특징으로 한다. 또한, 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

탈산 가스를 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 장치 및 정련 방법
본 발명은 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 장치 및 정련 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고순도의 티타늄 잉곳을 제조할 수 있는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 장치 및 정련 방법에 관한 것이다.
티타늄은 항공기 시장뿐 아니라 일반 공업용, 민생품 수요도 꾸준히 성장하는 추세를 보여 지속적으로 세계 수요가 생산을 상회할 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 곤란하다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 효율적인 티타늄 스크랩의 정련을 위해 플라즈마 가스를 용탕내로 공급하여 용탕 내에 산소를 제거할 수 있는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 효율적인 티타늄 스크랩의 정련을 위해 용탕 주위로 불활성 가스와 함께 칼슘가스를 공급하여 기류 커튼 월(wall)을 형성함으로써 용탕 내에 산소를 효율적으로 제거할 수 있는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련 장치 및 정련 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 플라즈마 가스를 도가니의 상부에서 티타늄 용탕 표면으로 공급하여 상기 용탕에 포함되어 있는 산소를 제거하는 공정을 포함하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법을 제공한다.
상기 플라즈마 가스는 아르곤 및 수소를 포함할 수 있다.
상기 아르곤과 수소는 1:0.03 내지 1:0.5 범위의 부피비로 공급될 수 있다.
상기 산소 제거 공정은
상기 용탕 표면에 플라즈마 가스를 확산시키는 단계;
상기 확산된 플라즈마 가스가 상기 용탕 표면에 흡착되는 단계; 및
상기 플라즈마 가스에 포함된 수소이온 및 전자가 상기 용탕의 산소원자와 상기 용탕 표면에서 반응하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 플라즈마 가스를 도가니의 상부에서 티타늄 용탕 표면으로 공급하고, 상기 용탕 표면에 분위기 중의 산소분자가 흡착되어 티타늄 산화물 피막이 형성되어 상기 용탕에 포함되어 있는 산소를 제거하는 공정을 포함하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법을 제공한다.
상기 산소 제거 공정은
상기 용탕 표면에 플라즈마 가스를 확산시키는 단계;
상기 플라즈마 가스에서 방출된 수소이온 및 전자가 상기 용탕의 산소원자와 산화물 피막에서 반응하는 단계; 및
상기 플라즈마 가스에서 방출된 잉여의 수소 원자가 수소분자로 결합하여 소모되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 도가니 내에서 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 단계, 및 상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 용탕의 산소를 제거하는 단계를 포함하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법을 제공한다.
상기 칼슘가스는 상기 용탕의 둘레 전체에 걸쳐 기류 커튼 월을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 도가니 내에서 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 단계,
상기 도가니의 상부에서 플라즈마 가스를 용탕 표면으로 공급하여 용탕에 포함되어 있는 산소를 제거하는 단계, 및
상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 용탕의 산소를 제거하는 단계를 포함하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법을 제공한다.
상기 칼슘가스 중 미반응 칼슘가스가 플라즈마와 접촉하여 칼슘이온을 생성하는 단계, 및 생성된 칼슘이온이 용탕의 산소를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 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 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치를 제공한다.
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 포함하여 이루어질 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.
본 발명에 따르면, 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련을 위해 플라즈마 상태의 수소이온과 전자가 용탕에 제공됨으로써 불순물인 산소를 효율적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련시 용탕 둘레로 칼슘가스를 주입함으로써 용탕 내에서 산소를 제거할 수 있어서 고순도의 티타늄 잉곳을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련 방법에 적용된 플라즈마 정련의 원리를 설명하기 위한 공정 모식도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 스크랩 정련 방법에 적용된 수소이온을 통한 산소 제거 메커니즘을 설명하기 위한 상태도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련 장치의 내부 기류상태를 보여주는 상태도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 칼슘가스가 분사되어 기류 커튼 월(wall)을 형성한 것을 보여주는 상태도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치의 칼슘가스 생성에 필요한 구성을 보여주는 예시도이다.
도 6a 및 6b는 온도에 따른 티타늄과 칼슘의 산소 원자 및 산소 분자와의 반응의 표준생성 자유에너지값을 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 7b는 온도에 따른 티타늄과 칼슘의 산소 원자 및 산소 분자와의 반응의 표준생성 자유에너지값을 나타낸 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는 이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 가스를 도가니의 상부에서 티타늄 용탕 표면으로 공급하여 상기 용탕에 포함되어 있는 산소를 제거한다. 또한, 플라즈마 가스를 공급함으로써 티타늄 보다 증기압이 낮은 불순물은 증발된다. 상기 용탕은 티타늄 스크랩을 산세하는 단계; 티타늄 스크랩을 세척하는 단계; 및 티타늄 스크랩을 용해하는 단계를 거칠 수 있다.
상기 플라즈마 토치(10)로부터 플라즈마(11)가 방출되고 티타늄 용탕(32)의 표면에서 불순물들이 증발한다.
플라즈마(11)로부터 방출되는 가스의 경우 파일럿 가스(Pilot gas) 및 쉴드 가스(Shield gas)를 포함할 수 있다. 파일럿 가스는 플라즈마 불꽃을 안정화시키며, 쉴드 가스는 플라즈마 불꽃의 안정화 이후에 공급된다.
상기 파일럿 가스는 아르곤을 포함할 수 있고, 상기 쉴드 가스는 아르곤 및 수소를 포함할 수 있다.
상기 아르곤과 수소는 1:0.03 내지 1:0.5 범위의 부피비로 공급될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 산소 제거 공정은
용탕(32) 표면에 플라즈마 가스를 확산시키는 단계;
상기 확산된 플라즈마 가스가 상기 용탕(32) 표면에 흡착되는 단계; 및
상기 플라즈마 가스에 포함된 수소이온 및 전자가 상기 용탕(32)의 산소원자와 상기 용탕(32) 표면에서 반응하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 가스에 포함된 수소이온 및 전자가 산소원자와 반응하여 수증기로 방출된다. 따라서, 티타늄 용탕(32)의 산소가 제거된다.
또한, 도 2b를 참조하면, 본 발명은 도가니 내의 티타늄 용탕(32) 표면에 분위기 중의 산소분자가 흡착되어 티타늄 산화물 피막(32`)이 형성되고, 산소 제거 공정은
상기 용탕(32) 표면에 플라즈마 가스를 확산시키는 단계,
상기 플라즈마 가스에서 방출된 수소이온 및 전자가 상기 용탕의 산소원자와 산화물 피막(32`)에서 반응하는 단계; 및
상기 플라즈마 가스에서 방출된 잉여의 수소 원자가 수소분자로 결합하여 소모되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 산소 제거는 다음으로 설명될 수 있다.
표 1
Ti(g) + O(g) = TiO(g) Ti(g) + O2(g) = TiO2(g) 2H+(g) + O(g) + 2e-(g) = H2O(g) 4H+(g) + O2(g) + 4e-(g) = 2H2O(g)
온도(℃) ΔG(kCal) 온도(℃) ΔG(kCal) 온도(℃) ΔG(kCal) 온도(℃) ΔG(kCal)
0 -152.7277 0 -178.0306 0 -836.538 0 -1561.609
200 -147.4496 200 -171.9621 200 -824.736 200 -1543.734
400 -141.9746 400 -165.8035 400 -811.482 400 -1523.205
600 -136.4084 600 -159.6246 600 -797.26 600 -1500.879
800 -130.7876 800 -153.4398 800 -782.326 800 -1477.214
1000 -125.1274 1000 -147.2504 1000 -766.839 1000 -1452.502
1200 -119.4342 1200 -141.0543 1200 -750.904 1200 -1426.941
1400 -113.7104 1400 -134.8475 1400 -734.599 1400 -1400.671
1600 -107.9562 1600 -128.6254 1600 -717.979 1600 -1373.799
1800 -102.1709 1800 -122.3834 1800 -701.086 1800 -1346.402
2000 -96.35358 2000 -116.1171 2000 -683.955 2000 -1318.544
2200 -90.50308 2200 -109.8224 2200 -666.61 2200 -1290.275
2400 -84.61842 2400 -103.4958 2400 -649.075 2400 -1261.635
2600 -78.69888 2600 -97.13418 2600 -631.366 2600 -1232.658
2800 -72.74407 2800 -90.73501 2800 -613.5 2800 -1203.371
3000 -66.7539 3000 -84.29626 3000 -595.487 3000 -1173.799
3200 -60.72852 3200 -77.8163 3200 -577.34 3200 -1143.962
3400 -54.6682 3400 -71.29389 3400 -559.068 3400 -1113.878
3600 -48.57333 3600 -64.72811 3600 -540.679 3600 -1083.564
3800 -42.44436 3800 -58.11835 3800 -522.181 3800 -1053.034
4000 -36.2818 4000 -51.46424 4000 -503.581 4000 -1022.3
4200 -30.08619 4200 -44.76564 4200 -484.883 4200 -991.374
4400 -23.85807 4400 -38.0226 4400 -466.094 4400 -960.267
4600 -17.59798 4600 -31.23539 4600 -447.218 4600 -928.987
4800 -11.30651 4800 -24.40449 4800 -428.259 4800 -897.542
5000 -4.984267 5000 -17.5306 5000 -409.221 5000 -865.941
5200 1.3681288 5200 -10.61455 5200 -390.107 5200 -834.19
5400 7.750085 5400 -3.657301 5400 -370.922 5400 -802.296
5600 14.161043 5600 3.3400688 5600 -351.667 5600 -770.265
5800 20.600485 5800 10.376399 5800 -332.344 5800 -738.101
6000 27.067945 6000 17.450449 6000 -312.958 6000 -705.809
표 1은 온도에 따른 티타늄과 수소의 산소 원자 및 산소 분자와의 반응의 표준생성 자유에너지값을 나타낸다.
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.
상기 표 1과 도 6a, 6b를 참조하면 반응에 따른 깁스 자유에너지 변화량을 알 수 있고, 티타늄의 녹는점인 1600℃에서 “Ti(g) + O(g) = TiO(g)”반응의 경우 ΔG는 -107.96kCal이고, “Ti(g) + O2(g) = TiO2(g)”반응의 경우 ΔG는 -128.63kCal인 반면, “2H+(g) + O(g) + 2e- = H2O(g)”반응의 경우 ΔG는 -717.9kCal임을 알 수 있다. 따라서, 티타늄과 산소의 반응에 비해 ΔG가 낮으므로 자발적인 반응임을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련 방법은 도가니 내에서 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 단계, 및 상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 용탕의 산소를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
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.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련 방법은 도가니 내에서 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 단계, 상기 도가니의 상부에서 플라즈마 가스를 용탕 표면으로 공급하여 용탕에 포함되어 있는 산소를 제거하는 단계, 및 상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 용탕의 산소를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 칼슘가스 중 미반응 칼슘가스는 플라즈마와 접촉하여 칼슘이온을 생성할 수 있고, 생성된 칼슘이온은 용탕의 산소를 제거할 수 있다.
상기 산소 제거는 다음으로 설명될 수 있다.
표 2
Ti(g) + O(g) = TiO(g) Ti(g) + O2(g) = TiO2(g) Ca+2(g) + O(g) + 2e-(g) = CaO 2Ca+2(g) + O2(g) + 4e-(g) = 2CaO
온도(℃) ΔG(kCal) 온도(℃) ΔG(kCal) 온도(℃) ΔG(kCal) 온도(℃) ΔG(kCal)
0 -152.7277 0 -178.0306 0 -650.75 0 -1190.032
200 -147.4496 200 -171.9621 200 -635.283 200 -1164.826
400 -141.9746 400 -165.8035 400 -619.502 400 -1139.244
600 -136.4084 600 -159.6246 600 -603.541 600 -1113.441
800 -130.7876 800 -153.4398 800 -587.452 800 -1087.466
1000 -125.1274 1000 -147.2504 1000 -571.263 1000 -1061.351
1200 -119.4342 1200 -141.0543 1200 -554.995 1200 -1035.121
1400 -113.7104 1400 -134.8475 1400 -538.664 1400 -1008.801
1600 -107.9562 1600 -128.6254 1600 -522.284 1600 -982.409
1800 -102.1709 1800 -122.3834 1800 -505.867 1800 -955.964
2000 -96.35358 2000 -116.1171 2000 -489.422 2000 -929.48
2200 -90.50308 2200 -109.8224 2200 -472.957 2200 -902.969
2400 -84.61842 2400 -103.4958 2400 -456.477 2400 -876.439
2600 -78.69888 2600 -97.13418 2600 -439.986 2600 -849.898
2800 -72.74407 2800 -90.73501 2800 -423.489 2800 -823.349
3000 -66.7539 3000 -84.29626 3000 -407.604 3000 -798.031
3200 -60.72852 3200 -77.8163 3200 -392.368 3200 -774.017
3400 -54.6682 3400 -71.29389 3400 -377.191 3400 -750.125
3600 -48.57333 3600 -64.72811 3600 -362.07 3600 -726.345
3800 -42.44436 3800 -58.11835 3800 -347.001 3800 -702.673
4000 -36.2818 4000 -51.46424 4000 -331.982 4000 -679.102
4200 -30.08619 4200 -44.76564 4200 -317.009 4200 -655.627
4400 -23.85807 4400 -38.0226 4400 -302.081 4400 -632.242
4600 -17.59798 4600 -31.23539 4600 -287.196 4600 -608.944
4800 -11.30651 4800 -24.40449 4800 -272.351 4800 -585.728
5000 -4.984267 5000 -17.5306 5000 -257.546 5000 -562.591
5200 1.3681288 5200 -10.61455 5200 -242.777 5200 -539.529
5400 7.750085 5400 -3.657301 5400 -228.043 5400 -516.54
5600 14.161043 5600 3.3400688 5600 -213.344 5600 -493.619
5800 20.600485 5800 10.376399 5800 -198.677 5800 -470.766
6000 27.067945 6000 17.450449 6000 -184.042 6000 -447.977
표 2는 온도에 따른 티타늄과 칼슘의 산소 원자 및 산소 분자와의 반응의 표준생성 자유에너지값을 나타낸다.
상기 표 2와 도 7a, 7b를 참조하면 반응에 따른 깁스 자유에너지 변화량을 알 수 있고, 티타늄의 녹는점인 1600℃에서 “Ti(g) + O(g) = TiO”반응의 경우 ΔG는 -107.96kCal이고, “Ti(g) + O2(g) = TiO2”반응의 경우 ΔG는 -128.63kCal인 반면, Ca+2(g) + O(g) + 2e- = CaO”반응의 경우 ΔG는 -435.44kCal이고 “2Ca+2(g) + O2(g) + 4e- = 2CaO”반응의 경우 ΔG는 -808.72kCal임을 알 수 있다. 따라서, 티타늄과 산소의 반응에 비해 ΔG가 낮으므로 자발적인 반응임을 알 수 있다.
또한, 도 3 내지 도 5와 같이, 본 발명은 플라즈마 토치(10), 진공 챔버(20), 도가니(30), 포집판(60), 및 칼슘가스 공급수단을 포함할 수 있다.
상기한 구성에 있어서, 플라즈마 토치(10)는 도가니(30)의 상부에 위치하며, 플라즈마 가스를 공급하는 역할을 한다. 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 3 내지 도 5와 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 5와 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 3과 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.
실시예
Ti-6Al-4V 합금재질의 선반가공 절삭스크랩을 적절한 일정크기로 분쇄한 후 산세한다. 이를 알콜 및 증류수로 세척한 후 건조시켜 용해 및 정련용 장입재료를 준비하였다.
용해정련용 메인챔버 내부에는 구리 재질의 내경이 50mm이며 바닥이 없는 원형 냉도가니(30)가 위치한다. 그 원형 냉도가니(30) 하부에는 흑연 더미가 위치하고 있으며 그 위에 봉재 형태의 Ti-6Al-4V 합금을 시드(seed)목적으로 장입하였다. 또한 냉도가니 주변을 최대 100kW급의 전력이 공급되는 전자기 유도코일(induction coil)(31)이 감싸게 된다. 이때 유도코일(31)에 전류가 흐르면 전자기 유도현상에 의하여 냉도가니(30) 내부에 장입재가 용해되게 되고 초기 용해가 완료되면 상부에 설치된 원료 장입재 공급장치로부터 도가니 안으로 연속적으로 스크랩원료를 추가 장입한다. 잉곳 인출장치를 통하여 수직 하단부 방향으로 응고된 잉곳 인출이 가능하도록 하였다.
본 용해정련 실험에 앞서 챔버 내부 진공화 및 아르곤 가스 퍼징(purging) 작업을 실시하였다. 이는 산소와의 친화성이 큰 티타늄이 대기 중 수분과 반응하는 것을 억제할 뿐만 아니라 추가적인 외부 불순물의 오염을 방지하기 위한 과정으로써 본 실험에서는 3번 반복하여 진행하였다.
유도용해공정 시 최초 10kW의 전력으로 진행하여 1분마다 10kW씩 전력 상승하였고, 약 35kW에서 냉도가니 내부에 장입된 봉재가 용해되었다. 완전 용해된 시점부터 약 1분정도 대기 후 연속 스크랩원료장입을 실시하였는데 이때의 원료 공급속도와 잉곳의 인출속도를 최적화하여 결정하고 실시하였다.
완전용해가 되어 내부 용탕(32)의 유동이 어느 정도 안정된 이후에는 유도코일의 전력값을 조절하여 플라즈마 하단부와 용탕사이의 거리를 약 1cm~10cm 사이로 유지시켰다. 다음으로 (-)극이 플라즈마 토치 하단부 팁에 연결되어 있고 (+)극은 인출챔버 하단부에 연결이 되어 있는 상태인 플라즈마 비이송(nontransfer) 모드를 실시하였다. 비이송모드에서 정상작동이 되는 것을 확인 후 (+)극이 인출 챔버 하단부에서 용탕부로 바뀌는 이송(transfer)모드로 변환하여 플라즈마 정련공정을 실시하였다. 이때 전압은 200V ~ 350V, 전류는 20A ~ 60A 범위로 하였다.
또한 플라즈마로부터 방출되는 가스의 경우 파일롯 가스(Pilot gas)로는 아르곤 가스가 1~5 liter/min의 속도로 쉴드 가스(shield gas)로는 아르곤 가스 및 수소 가스가 합쳐서 5~25 liter/min 의 유량으로 공급이 되었다. 이때, 아르곤과 수소는 1:0.03 내지 1:0.5 범위의 부피비로 유지시켜서 정련 실험을 진행하였다.
이러한 조건을 바탕으로 정련시간은 30 분간 진행되었다. 이 실험을 통해 인출된 Ti-6Al-4V 합금 봉재의 길이는 약 45 cm, 이를 위해 사용된 스크랩의 양은 4 kg이었다.
아래의 표 3 및 4는 상기 실시예에 따른 Ti-6Al-4V 스크랩의 용해 정련 전/후의 금속 성분, 산소 및 수소가스의 분석결과를 나타낸다.
표 3
금속 성분 정련 전(스크랩) 정련 후(잉곳)
Ba 0.00 % 0.00 %
Cd 0.00 % 0.00 %
Co 0.13 % 0.13 %
Cr 0.02 % 0.03 %
Cu 0.03 % 0.04 %
Mn 0.00 % 0.00 %
Ni 0.02 % 0.03 %
Pb 0.09 % 0.10 %
V 3.73 % 3.59 %
Zn 0.00 % 0.00 %
Fe 0.20 % 0.21 %
Al 6.93 % 6.83 %
Si 0.10 % 0.06 %
표 4
성분 종류 정련 전(스크랩) 정련 후(잉곳)
H 0.0251 % 0.0240 ~ 0.0290 %
O 0.5356 % 0.3130 ~ 0.4125 %
상기 표 3 및 4의 결과로 알 수 있듯이 금속성분 및 수소성분의 경우는 변화가 거의 없었으며 산소(%)는 23 내지 42 % 감소된 것을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
10 : 플라즈마 토치 11 : 플라즈마
20: 진공 챔버 21: 주입구
22: 배출구 30: 도가니
31: 유도코일 32: 용탕
32‘: 산화막이 형성된 용탕
35: 내벽 41,42: 분사유닛
50: 주괴 60: 포집판
100: 칼슘가스 생성유닛 200: 혼합챔버

Claims (15)

  1. 플라즈마 가스를 도가니의 상부에서 티타늄 용탕 표면으로 공급하여 상기 용탕에 포함되어 있는 산소를 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 가스는 아르곤 및 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 아르곤과 수소는 1:0.03 내지 1:0.5 범위의 부피비로 공급되는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  4. 제1항 내지 제3항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 제거 공정은
    상기 용탕 표면에 플라즈마 가스를 확산시키는 단계;
    상기 확산된 플라즈마 가스가 상기 용탕 표면에 흡착되는 단계; 및
    상기 플라즈마 가스에 포함된 수소이온 및 전자가 상기 용탕의 산소원자와 상기 용탕 표면에서 반응하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용탕 표면에 분위기 중의 산소분자가 흡착되어 티타늄 산화물 피막이 형성되고,
    상기 산소 제거 공정은
    상기 용탕 표면에 플라즈마 가스를 확산시키는 단계,
    상기 플라즈마 가스에서 방출된 수소이온 및 전자가 상기 용탕의 산소원자와 산화물 피막에서 반응하는 단계; 및
    상기 플라즈마 가스에서 방출된 잉여의 수소 원자가 수소분자로 결합하여 소모되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  6. 도가니 내에서 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 단계, 및 상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 용탕의 산소를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 칼슘가스는 상기 용탕의 둘레 전체에 걸쳐 기류 커튼 월을 형성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  8. 도가니 내에서 유도코일의 자기장으로 인하여 용탕과 내벽이 접촉하지 않은 상태로 용융이 이루어지는 단계,
    상기 도가니의 상부에서 플라즈마 가스를 용탕 표면으로 공급하여 용탕에 포함되어 있는 산소를 제거하는 단계, 및
    상기 도가니의 하부로부터 상기 도가니의 내벽과 상기 용탕 사이의 공간으로 칼슘가스를 공급하여 용탕의 산소를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 칼슘가스 중 미반응 칼슘가스가 플라즈마와 접촉하여 칼슘이온을 생성하는 단계, 및 생성된 칼슘이온이 용탕의 산소를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄의 정련방법.
  10. 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 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 도가니의 상부에 위치하여 용융시 발생하는 불순물 가스를 포집하는 포집판을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 칼슘가스는 상기 용탕의 둘레 전체에 걸쳐 분사되어 기류 커튼 월을 형성하는 것을 특징으로 하는 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
  13. 제10항에 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 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
  14. 제13항에 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 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 혼합챔버에는 상기 불활성 가스를 가열하기 위해 가열수단이 구비된 것을 특징으로 하는 이용한 티타늄 스크랩 및 스폰지 티타늄 정련장치.
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