WO2023128361A1 - Apparatus for manufacturing titanium ingot and method for manufacturing titanium ingot using same - Google Patents

Apparatus for manufacturing titanium ingot and method for manufacturing titanium ingot using same Download PDF

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WO2023128361A1
WO2023128361A1 PCT/KR2022/019755 KR2022019755W WO2023128361A1 WO 2023128361 A1 WO2023128361 A1 WO 2023128361A1 KR 2022019755 W KR2022019755 W KR 2022019755W WO 2023128361 A1 WO2023128361 A1 WO 2023128361A1
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titanium
melting
ingot
plasma arc
molten metal
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/019755
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
노윤경
이초롱
염종택
홍재근
박찬희
장근
유재섭
Original Assignee
(주)동아특수금속
한국재료연구원
한국인닥타썸(주)
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00Obtaining refractory metals
    • C22B34/10Obtaining titanium, zirconium or hafnium
    • C22B34/12Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • C22B9/20Arc remelting

Definitions

  • the present invention relates to a titanium ingot manufacturing apparatus and a method for manufacturing a titanium ingot using the same, and more particularly, to a titanium ingot to which PAM (Plasma Arc Melting) and ISM (Induction Skull Melting) are continuously applied.
  • the invention relates to a method for manufacturing a high-purity titanium ingot, a titanium alloy ingot, for example, a titanium alloy ingot for biomaterials using a manufacturing apparatus.
  • Biomaterials for plastic surgery or dentistry require excellent strength, toughness, wear resistance, and corrosion resistance, as well as biocompatibility that is harmless to the human body and combines with living bone.
  • Representative metal materials for living organisms that exhibit these characteristics include Ni-Cr-based stainless steel (316L), Co-Cr-Mo alloy developed under the trade name of vitalium, and titanium (Ti) alloy, and these metal materials are currently It accounts for more than 70% of implant materials for implantation in the body.
  • Stainless steel and Co-Cr-Mo alloys have been used for biomedical purposes since the 1930s and 1940s, respectively, and Ti alloys have been reported in 1952 by Per-Ingvar Br ⁇ nemark of Sweden for the osseointegration phenomenon in which Ti surfaces combine with bone tissue.
  • Ti alloy is light, non-magnetic, and has excellent biocompatibility as well as mechanical properties such as corrosion resistance, strength, and toughness.
  • Ti metal and Ti alloy are not bioactive, they are evaluated to have better biocompatibility than other biomaterials (stainless steel, vitallium) or polymer materials (PMMA, polymethyl metaacrylate) in bone formation patterns.
  • Ti-6Al4V alloy (composition: wt.%), which is most commonly used for biomedical purposes, is an alloy with a ( ⁇ + ⁇ ) type two-phase structure. come. Therefore, high-quality titanium alloy powder and ingot manufacturing technology is required.
  • titanium scrap is melted using a heating means including induction heating and plasma to form titanium molten metal, and the titanium molten metal is formed by the heating means.
  • a titanium refining and melting furnace that refines titanium scrap by removing various metal impurities and oxygen, including titanium scrap, and cools the refined material to produce titanium ingots and a titanium refining method using the same.
  • a titanium molten metal part for processing a main chamber part including the titanium molten metal part therein, a heating source part having a first function of removing metallic impurities and a second function of removing oxygen, and a scrap supplying titanium scrap to the titanium molten metal part.
  • a technology related to a titanium refining melting furnace characterized in that it comprises, is disclosed, and also, in Korean Patent No. 10-1441654, a step of washing titanium alloy scrap, a tungsten electrode so that an arc occurs in a certain direction
  • a method for manufacturing a titanium bar using a continuous non-consumable vacuum arc melting method comprising the step of processing the tip into a sharp point and installing it in a vacuum arc melting furnace, and the step of charging scrap into the inside of the hearth installed inside the vacuum arc melting furnace.
  • Korean Patent Registration No. 10-1370029 discloses a titanium scrap refining method capable of removing oxygen contained in the molten metal by supplying hydrogen plasma to the surface of the molten metal for refining the titanium scrap.
  • One of the various problems of the present invention is to provide a titanium ingot manufacturing apparatus capable of greatly improving purity while increasing meltability.
  • One of the various problems of the present invention is to provide a method for manufacturing a titanium ingot using the titanium ingot manufacturing apparatus.
  • One of the various tasks of the present invention in order to solve the above problems, is to shorten the distance between the plasma arc and the titanium alloy to completely melt the metal material and completely remove impurities to refine the titanium alloy and to obtain titanium through an induction skull melting process To provide a method for manufacturing a titanium alloy ingot for biomaterials by manufacturing an alloy ingot.
  • Titanium ingot manufacturing apparatus includes a plasma arc melting unit for melting metal scrap with a plasma arc; an induction skull melting unit for melting the molten metal melted by the plasma with an induction current; and an ingot drawing unit for drawing out the metal ingot melted and solidified by the induction current, and the plasma arc melting unit and the induction skull melting unit may be disposed in one chamber in this order.
  • a disposition height of the plasma arc melting unit may be higher than a disposition height of the induction skull melting unit.
  • the plasma arc melting unit may include a cold hearth and a plasma torch
  • the induction skull melting unit may include a cold crucible and an induction coil
  • one end of the cold hearth may be disposed above the cold crucible.
  • a method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention includes melting titanium scrap with a plasma arc; melting the molten titanium scrap by an induction skull method; and casting a titanium ingot with molten titanium sequentially through the plasma arc and the induction skull method.
  • the titanium scrap may be in the form of rods, chunks, chips, clips, or sponges.
  • the plasma arc melting step may include inputting the titanium scrap into a plasma arc melting unit; Melting titanium scrap into primary titanium molten metal by driving a plasma torch; and separating inclusions by flowing the primary titanium molten metal on a cold hearth or vaporizing the inclusions into vapor.
  • the cold hearth may be made of a water-cooled copper vessel.
  • the melting by the induction skull method may include introducing the primary titanium molten metal into an induction skull melting unit; melting the primary titanium molten metal into a secondary titanium molten metal by driving an induction coil; and purifying the secondary titanium molten metal in a cold crucible.
  • the plasma arc melting step and the melting step by the induction skull method may be performed independently of each other.
  • the plasma arc melting step and the melting step by the induction skull method may be continuously performed.
  • the method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention solves both economic effects and environmental problems at the same time by using scrap, and also reduces production costs and improves productivity due to the use of copper melting instead of ceramic refractories It is characterized by the melting of metal materials and the production of high-purity titanium ingots by independently applying two heating processes.
  • FIG. 1 is a view for explaining a titanium ingot manufacturing apparatus according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a step of melting titanium using a plasma arc melting unit according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining a step of melting titanium using an induction skull melting unit according to exemplary embodiments of the present invention.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used to describe components of an embodiment of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term.
  • titanium may be used as “titanium”, and conversely, the term “titanium” may be used as “titanium”, and both “titanium” and “titanium” correspond to the element symbol Ti (Titanium). It can be interpreted as meaning a metal that
  • both “melting” and “melting” may mean that a material in a solid state absorbs thermal energy and changes into a material in a liquid state.
  • FIG. 1 is a view for explaining a titanium ingot manufacturing apparatus according to exemplary embodiments of the present invention.
  • a titanium ingot manufacturing apparatus 1 may include a plasma arc melting unit 10, an induction skull melting unit 20, and an ingot drawing unit 30. can
  • the plasma arc melting unit 10 may include a plasma arc melting furnace (PAM Furnace), and may include a cold hearth 13 and a plasma torch 15.
  • PAM Furnace plasma arc melting furnace
  • the metal introduced into the plasma arc melting unit 10 may be titanium scrap 100, and the titanium scrap 100 may be made of various types of raw materials such as rods, lumps, chips, clips, and sponges.
  • the cold hearth 13 may be made of, for example, a water-cooled copper container, and may precipitate High Density Inclusions (HDIs) and Low Density Inclusions (LDIs) from molten metal or vaporize them into vapor. By removing it, it can play a role of increasing the purity of the cast metal.
  • the water-cooled copper container may be a reusable copper crucible, and in this case, the copper crucible that may be destroyed or lost due to a high melting temperature may be controlled by a metal skull formed on the inner wall of the crucible. Therefore, a reaction with molten metal due to the use of a conventional ceramic crucible can be prevented.
  • High-density inclusions may be, for example, metal compounds such as WC and TaC, low-density inclusions may be metal compounds such as TiN and TiC, and high-density inclusions may be deposited on the bottom surface of the cold hearth 13 and low-density inclusions can be vaporized.
  • FIG. 1 shows that the bottom surface of the cold hearth 13 has a flat shape
  • the concept of the present invention is not necessarily limited thereto, and the cold hearth 13 may have a non-flat bottom surface. Or, it may have a bottom surface having a step difference of different heights. That is, the bottom surface of the cold hearth 13 may be configured to have a different shape for more efficiently removing high-density inclusions and/or low-density inclusions.
  • the plasma torch 15 is configured to generate a plasma arc to melt metal scrap and may be referred to as a plasma arc generator. Meanwhile, the plasma arc may be replaced with an electron beam. Although not shown, the movement of the plasma torch 15 up and down and/or left and right on the cold hearth 13 may be controlled, and the rotation of the plasma torch 15 may be controlled so that the spraying direction of the plasma arc may be adjusted. there is.
  • the titanium scrap 100 injected into the plasma arc melting unit 10 may be melted into the primary titanium molten metal 110 by a plasma arc generated from the plasma torch 15 and sprayed, Inclusions 105 included in the primary titanium molten metal 110 may be precipitated and removed as the primary titanium molten metal 110 flows on the cold hearth 13 .
  • the induction skull melting unit 20 may include an induction skull melting furnace (ISM Furnace) and may include a cold crucible 23 and an induction coil 25 .
  • ISM Furnace induction skull melting furnace
  • the cold crucible 23 may provide a space for accommodating the metal primarily melted through the plasma arc melting unit 10, and may be formed of, for example, a water-cooled copper crucible.
  • the induction coil 25 may be configured to induction-heat molten metal by generating a magnetic field by generating a current, and may be formed in a wound form of, for example, a high-frequency coil made of copper.
  • the induction coil 25 may also be referred to as a high frequency coil.
  • the magnetic field generated by the induction coil 25 can be adjusted by controlling the frequency of a power supply (not shown), and the molten metal can be secondarily melted by the magnetic field.
  • the primary titanium molten metal 110 injected into the induction skull melting unit 20 may be remelted into the secondary titanium molten metal 120 by a magnetic field formed by the induction coil 25, Thereafter, the secondary titanium molten metal 120 may be solidified on the cold crucible 23 and cast into a titanium ingot 150 . At this time, the secondary titanium molten metal 120 may be formed by additionally removing impurities or gases included in the primary titanium molten metal 110, and thus the purity and quality of the finally cast titanium ingot 150 are greatly improved. It can be.
  • the arrangement height of the plasma arc melting unit 10 may be higher than the arrangement height of the induction skull melting unit 20, and one end of the cold hearth 13 may be disposed above the cold crucible 23. there is.
  • the molten metal that is, the primary titanium molten metal 110 charged into the induction skull melting unit 20 is completely transformed into a uniform phase by convection in the cold crucible 23 through induction heating.
  • secondary titanium molten metal 120 may be formed.
  • the secondary titanium molten metal 120 in contact with the cold crucible 23 may be solidified by a water-cooled segment (not shown), and then the cold crucible 23 and the secondary titanium melt due to the generated skull.
  • a boundary layer of thin metal is formed between the molten metal 120, and the boundary layer acts as thermal resistance to reduce the heat transferred from the secondary titanium molten metal 120 to the cold crucible 23, extending the life of the cold crucible 23. can fulfill its role.
  • the melting method by the induction skull melting unit 20 may be performed by melting the metal in a metal-to-metal manner in a cold crucible 23, that is, a water-cooled copper crucible, without a refractory material in a vacuum state, and melting with the absence of a refractory material.
  • a reaction between the metal, that is, the secondary titanium molten metal 120 and oxygen may be suppressed.
  • the side surface of the secondary titanium molten metal 120 may be pushed inward from the inner side wall of the cold crucible 23, which means that the side surface of the secondary titanium molten metal 120 does not form a contact with the inner side wall of the cold crucible 23. Since there is no physical contact, it is possible to prevent the water-cooled segment from being short-circuited and reduce heat loss to the cold crucible 23 .
  • the ingot drawing unit 30 may be configured to draw a metal ingot formed by ingoing primary and secondary melted molten metal, that is, the titanium ingot 150 .
  • the ingot drawing unit 30 may be controlled so that the metal ingot is drawn through an up-and-down motion.
  • the plasma arc melting unit 10 and the induction skull melting unit 20 may be disposed in one chamber in this order, and thus the plasma arc melting (PAM) process and the induction skull melting ( ISM) process may be performed sequentially and continuously.
  • PAM plasma arc melting
  • ISM induction skull melting
  • the titanium ingot manufacturing apparatus 1 may be configured by sequentially disposing the plasma arc melting unit 10 and the induction skull melting unit 20, and metal scrap A plasma arc melting (PAM) process and an induction skull melting (ISM) process are sequentially and continuously performed through the silver titanium ingot manufacturing apparatus 1 to be cast into a metal ingot, thereby improving the meltability of metal scrap and The purity of the finally cast metal ingot can be increased.
  • PAM plasma arc melting
  • ISM induction skull melting
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention.
  • a method for manufacturing a titanium ingot includes melting titanium scrap 100 with a plasma arc (S-1), melting the molten titanium scrap by an induction skull method It may include a step (S-2), and a step (S-3) of casting a titanium ingot with molten titanium sequentially through the plasma arc and the induction skull method.
  • the titanium scrap 100 may be melted into primary titanium molten metal 110 through a plasma arc melting step (S-1), and the primary titanium molten metal 110 is an induction skull. It may be re-melted into the secondary titanium molten metal 120 through the melting step (S-2). Thereafter, the secondary titanium molten metal 120 may be solidified and cast into a titanium ingot 150 .
  • FIG 3 is a view for explaining a step of melting titanium using the plasma arc melting unit 10 according to exemplary embodiments of the present invention.
  • the titanium scrap 100 is put into the plasma arc melting unit 10 (S11), and the titanium scrap 100 is driven by driving the plasma torch 15. ) into primary titanium molten metal 110 (S12), and flowing the primary titanium molten metal 110 on the cold hearth 13 to separate the inclusions 105 by precipitating them or vaporizing them into steam. (S13) may be included.
  • FIG 4 is a view for explaining a step of melting titanium using the induction skull melting unit 20 according to exemplary embodiments of the present invention.
  • the induction skull melting step (S-2) includes the step of inputting the primary titanium molten metal 110 into the induction skull melting unit 20 (S21) and driving the induction coil 25 to It may include melting the titanium molten metal 110 into the secondary titanium molten metal 120 (S22), and purifying the secondary titanium molten metal 120 on the cold crucible 23 (S23).
  • the plasma arc melting step (S-1) and the induction skull melting step (S-2) may be performed independently of each other, and the plasma arc melting step (S-1) and the induction skull melting step (S-2) may be performed continuously.
  • the method for manufacturing a titanium ingot according to the present invention is performed by independently and continuously applying two different melting processes to improve the meltability of titanium scrap 100 and minimize inclusions 105.
  • a process of removing impurities in the raw material using PAM can be applied first, and then, only pure molten metal molten metal from which low-density and high-density inclusions are removed can be used for ISM (Induction Skull Melting) Induction skull melting) may be charged into a cold crucible, and the purity of the finally manufactured metal ingot may be further improved by additionally remelting the pure molten metal.
  • PAM Pullasma Arc Melting
  • the concept of the present invention is not necessarily limited thereto, and the titanium ingot manufacturing apparatus and the titanium ingot manufacturing method according to exemplary embodiments of the present invention can be used in various technical fields other than the above-described technical fields, for example, titanium alloy ingots. It can be applied to the manufacturing method of.
  • titanium scrap 100 may be used as a titanium alloy scrap, and accordingly, the primary titanium molten metal 110 and the secondary titanium molten metal 120 are also 1 It may be referred to as a primary titanium alloy molten metal and a secondary titanium alloy molten metal.
  • the titanium scrap 100 is melted into a primary titanium molten metal 110 and a secondary titanium molten metal 120 through a plasma arc melting unit 10 and an induction skull melting unit 20. Melting may be performed through substantially the same or similar steps as the above-described titanium ingot manufacturing method, and additionally, the step of injecting alloy components into the primary titanium molten metal 110 or the secondary titanium molten metal 120 is further performed.

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Abstract

An apparatus for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention may comprise: a plasma arc melting unit for melting metal scrap with a plasma arc; an induction skull melting unit for melting the molten metal melted by the plasma with an induced current; and an ingot drawing unit for withdrawing the metal ingot that is solidified after being melted by the induced current, wherein the plasma arc melting unit and the induction skull melting unit may be disposed in one chamber in the order named.

Description

타이타늄 잉곳 제조 장치 및 이를 이용한 타이타늄 잉곳의 제조 방법Titanium ingot manufacturing apparatus and manufacturing method of titanium ingot using the same
본 발명은 타이타늄 잉곳 제조 장치 및 이를 이용한 타이타늄 잉곳의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PAM(Plasma Arc Melting, 플라즈마 아크 용융)와 ISM(Induction Skull Melting, 유도 스컬 용융)를 연속적으로 적용한 타이타늄 잉곳 제조 장치를 이용하여, 고순도의 타이타늄 잉곳, 타이타늄 합금 잉곳, 예를 들어, 바이오 소재용 타이타늄 합금 잉곳을 제조하기 위한 방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a titanium ingot manufacturing apparatus and a method for manufacturing a titanium ingot using the same, and more particularly, to a titanium ingot to which PAM (Plasma Arc Melting) and ISM (Induction Skull Melting) are continuously applied. The invention relates to a method for manufacturing a high-purity titanium ingot, a titanium alloy ingot, for example, a titanium alloy ingot for biomaterials using a manufacturing apparatus.
성형외과용이나 치과용 생체재료에서는 강도, 인성, 내마모성, 내식성이 우수함과 동시에 인체에 무해하고 생체골과 결합하는 생체친화성이 요구된다. 이러한 특성을 발현하는 대표적인 생체용 금속재료에는 Ni-Cr계 스테인리스강(316L), 비탈륨(vitallium)이란 상품명으로 개발된 Co-Cr-Mo합금 및 타이타늄(Ti)합금이 있으며 이들 금속재료는 현재 체내 이식용 임플란트 재료의 70% 이상을 차지하고 있다. 스테인리스강과 Co-Cr-Mo합금은 각각 1930년대와 1940년대부터 생체의료용으로 실용되었고, Ti 합금은 1952년 스웨덴의 Per-Ingvar Brεnemark에 의해 Ti 표면이 골조직과 결합하는 골융합(osseointegration) 현상이 발표된 후, 1965년에 최초로 치과용 임플란트에 적용되었으며 본격적인 상업화는 1970년대 중반부터 이루어졌다. Ti 합금은 가볍고 비자성이며 내식성, 강도, 인성 등의 기계적 특성과 함께 생체적합성도 매우 우수하여 오늘날에는 치과에서는 충전물(inlay), 크라운, 치근으로, 정형외과에서는 골절고정재, 인공관절 등에, 순환기 외과에서는 페이스메이커, 스텐트 등에 널리 이용되고 있다. Ti 금속 및 Ti 합금은 생체활성은 아니지만 골형성 패턴에서 다른 생체용 금속재료(스테인리스, 비탈륨)나 고분자 재료(PMMA, polymethyl metaacrylate)보다 생체적합성이 우수한 것으로 평가되고 있다. 현재 생체의료용으로 가장 많이 이용되는 Ti-6Al4V 합금(조성은 wt.%)은 (α + β)형 2상 조직을 갖는 합금으로 원래 항공기의 구조부품 용도로 개발되었으나 생체의료용으로도 적합성이 검증되어 왔다. 따라서, 고품질의 타이타늄 합금분말 및 잉곳의 제조 기술이 요구되어 진다. Biomaterials for plastic surgery or dentistry require excellent strength, toughness, wear resistance, and corrosion resistance, as well as biocompatibility that is harmless to the human body and combines with living bone. Representative metal materials for living organisms that exhibit these characteristics include Ni-Cr-based stainless steel (316L), Co-Cr-Mo alloy developed under the trade name of vitalium, and titanium (Ti) alloy, and these metal materials are currently It accounts for more than 70% of implant materials for implantation in the body. Stainless steel and Co-Cr-Mo alloys have been used for biomedical purposes since the 1930s and 1940s, respectively, and Ti alloys have been reported in 1952 by Per-Ingvar Brεnemark of Sweden for the osseointegration phenomenon in which Ti surfaces combine with bone tissue. Afterwards, it was first applied to dental implants in 1965, and full-scale commercialization took place in the mid-1970s. Ti alloy is light, non-magnetic, and has excellent biocompatibility as well as mechanical properties such as corrosion resistance, strength, and toughness. Today, it is used in dentistry as inlays, crowns, and tooth roots, in orthopedics, fracture fixation materials, artificial joints, etc., and in circulatory surgery. It is widely used in pacemakers and stents. Although Ti metal and Ti alloy are not bioactive, they are evaluated to have better biocompatibility than other biomaterials (stainless steel, vitallium) or polymer materials (PMMA, polymethyl metaacrylate) in bone formation patterns. Currently, Ti-6Al4V alloy (composition: wt.%), which is most commonly used for biomedical purposes, is an alloy with a (α + β) type two-phase structure. come. Therefore, high-quality titanium alloy powder and ingot manufacturing technology is required.
우리나라의 경우, 타이타늄 합금분말 및 타이타늄 합금잉곳의 제조에 관한 인프라가 구축되어 있지 않아 대부분 타이타늄 봉재와 합금분말을 외국에 의존하다보니 가격이 비쌀 뿐만 아니라 시장 활성화에 어려움을 겪고 있다.In the case of Korea, the infrastructure for manufacturing titanium alloy powder and titanium alloy ingot is not established, so most of the titanium rods and alloy powder are dependent on foreign countries, so the price is expensive and it is difficult to activate the market.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 일예로, 국내등록특허 제 10-1751794호에서는 유도가열 및 플라즈마를 포함하는 가열수단을 이용하여 타이타늄 스크랩을 용융하여 타이타늄 용탕을 형성하고, 상기 가열수단으로 타이타늄 용탕이 포함하는 여러 가지 금속불순물 및 산소를 제거하는 방식으로 타이타늄 스크랩을 정련하며, 정련된 물질을 냉각하여 타이타늄 잉곳을 제조하는 타이타늄 정련용융으로 및 이를 이용한 타이타늄 정련방법에 관한 것으로, 내부에 용융대상을 수용하는 타이타늄 용탕부, 내부에 상기 타이타늄 용탕부를 포함하는 메인 챔버부, 금속불순물을 제거하는 제1기능 및 산소를 제거하는 제2기능을 구비하는 가열원부, 상기 타이타늄 용탕부에 타이타늄 스크랩을 공급하는 스크랩 공급부 및 상기 타이타늄 용탕부로부터 타이타늄 용융체를 인출하는 잉곳 인출부를 포함하여 이루어지고, 상기 가열원부는 상기 제1기능을 수행하는 유도코일부와 상기 제1기능 및 상기 제2기능을 수행하는 플라즈마 생성부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄 정련 용융로에 관한 기술이 개시되어 있으며, 또한, 국내등록특허 제10-1441654호에는 타이타늄 합금 스크랩(Scrap)을 세척하는 단계, 아크가 일정한 방향으로 발생하도록 텅스텐 전극의 끝을 뾰족하게 가공하여 진공아크용융로에 설치하는 단계, 진공아크 용융으로의 내부에 설치하는 하스의 내부에 스크랩을 장입하는 단계 등로 이루어지는 연속식 비소모성 진공아크용융법을 이용한 타이타늄 봉재의 제조방법이 개시되어 있으며, 국내등록특허 제10-1370029호에는 타이타늄 스크랩의 정련을 위해 수소 플라즈마를 용탕 표면으로 공급하여 용탕에 포함된 산소를 제거할 수 있는 타이타늄 스크랩 정련 방법이 개시되어 있다.As an example for solving the above problems, in Korean Patent Registration No. 10-1751794, titanium scrap is melted using a heating means including induction heating and plasma to form titanium molten metal, and the titanium molten metal is formed by the heating means. It relates to a titanium refining and melting furnace that refines titanium scrap by removing various metal impurities and oxygen, including titanium scrap, and cools the refined material to produce titanium ingots and a titanium refining method using the same. a titanium molten metal part for processing, a main chamber part including the titanium molten metal part therein, a heating source part having a first function of removing metallic impurities and a second function of removing oxygen, and a scrap supplying titanium scrap to the titanium molten metal part. It includes a supply unit and an ingot take-out unit for withdrawing molten titanium from the titanium molten metal unit, and the heating source unit includes an induction coil unit performing the first function and a plasma generating unit performing the first function and the second function. A technology related to a titanium refining melting furnace, characterized in that it comprises, is disclosed, and also, in Korean Patent No. 10-1441654, a step of washing titanium alloy scrap, a tungsten electrode so that an arc occurs in a certain direction A method for manufacturing a titanium bar using a continuous non-consumable vacuum arc melting method comprising the step of processing the tip into a sharp point and installing it in a vacuum arc melting furnace, and the step of charging scrap into the inside of the hearth installed inside the vacuum arc melting furnace. This is disclosed, and Korean Patent Registration No. 10-1370029 discloses a titanium scrap refining method capable of removing oxygen contained in the molten metal by supplying hydrogen plasma to the surface of the molten metal for refining the titanium scrap.
종래의 타이타늄 스크랩 정련기술은 타이타늄 합금을 플라즈마와 유도용융을 동시에 가하여 타이타늄 스크랩을 용융하여 타이타늄 용탕을 형성시키고, 이 때 가해지는 열에 의해 용탕에 포함된 여러가지 금속 불순물 및 산소가 제거되는 방식으로 타이타늄 스크랩을 정련하는 것이다. 플라즈마에 의한 금속의 용융은 금속재료와 플라즈마 토치와의 거리가 짧을수록 금속의 용융성은 증가한다. 하지만, 금속재료와 플라즈마 토치와의 거리가 비교적 길수 밖에 없어 완전한 용융이 어려우며 고밀도 불순물이 제거되지 않아 고품질이 요구되는 분야, 예를 들어, 바이오 소재에 적용하기 위한 타이타늄 합금을 정련 및 제조하기에는 적합하지 않다.Conventional titanium scrap refining technology applies plasma and induction melting to titanium alloy at the same time to melt titanium scrap to form titanium molten metal, and the heat applied at this time removes various metal impurities and oxygen contained in the molten metal. is to refine Melting of metal by plasma increases the melting property of the metal as the distance between the metal material and the plasma torch decreases. However, since the distance between the metal material and the plasma torch is relatively long, complete melting is difficult and high-density impurities are not removed, making it not suitable for refining and manufacturing titanium alloys for application to high-quality fields such as biomaterials. not.
본 발명의 다양한 과제 중 하나는, 용융성을 증대시키면서 순도를 크게 향상시킬 수 있는 타이타늄 잉곳 제조 장치를 제공하는 것이다.One of the various problems of the present invention is to provide a titanium ingot manufacturing apparatus capable of greatly improving purity while increasing meltability.
본 발명의 다양한 과제 중 하나는, 상기 타이타늄 잉곳 제조 장치를 이용하여 타이타늄 잉곳을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.One of the various problems of the present invention is to provide a method for manufacturing a titanium ingot using the titanium ingot manufacturing apparatus.
본 발명의 다양한 과제 중 하나는, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마 아크와 타이타늄 합금과의 거리를 짧게 하여 금속재료를 완전히 용융 시켜 불순물을 완전히 제거하여 타이타늄 합금을 정련하고 유도 스컬 용융 공정으로 타이타늄 합금 잉곳을 제조하여 바이오소재용 타이타늄 합금 잉곳의 제조방법을 제공하는 것이다.One of the various tasks of the present invention, in order to solve the above problems, is to shorten the distance between the plasma arc and the titanium alloy to completely melt the metal material and completely remove impurities to refine the titanium alloy and to obtain titanium through an induction skull melting process To provide a method for manufacturing a titanium alloy ingot for biomaterials by manufacturing an alloy ingot.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳 제조 장치는 금속 스크랩을 플라즈마 아크로 용융시키기 위한 플라즈마 아크 용융부; 상기 플라즈마에 의해 용융된 금속 용탕을 유도 전류로 용융시키기 위한 유도 스컬 용융부; 및 상기 유도 전류에 의해 용융된 후 응고된 금속 잉곳을 인출하기 위한 잉곳 인발부;를 포함할 수 있으며, 상기 플라즈마 아크 용융부와 상기 유도 스컬 용융부는 이 순서대로 하나의 챔버에 배치될 수 있다.Titanium ingot manufacturing apparatus according to exemplary embodiments of the present invention includes a plasma arc melting unit for melting metal scrap with a plasma arc; an induction skull melting unit for melting the molten metal melted by the plasma with an induction current; and an ingot drawing unit for drawing out the metal ingot melted and solidified by the induction current, and the plasma arc melting unit and the induction skull melting unit may be disposed in one chamber in this order.
상기 플라즈마 아크 용융부의 배치 높이는 상기 유도 스컬 용융부의 배치 높이보다 높을 수 있다.A disposition height of the plasma arc melting unit may be higher than a disposition height of the induction skull melting unit.
상기 플라즈마 아크 용융부는, 콜드하스 및 플라즈마 토치를 포함할 수 있고, 상기 유도 스컬 용융부는, 냉도가니 및 유도 코일을 포함할 수 있으며, 상기 콜드하스의 일단부는 상기 냉도가니의 상부에 배치될 수 있다.The plasma arc melting unit may include a cold hearth and a plasma torch, the induction skull melting unit may include a cold crucible and an induction coil, and one end of the cold hearth may be disposed above the cold crucible. .
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳의 제조 방법은 타이타늄 스크랩을 플라즈마 아크로 용융시키는 단계; 상기 용융된 타이타늄 스크랩을 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계; 및 상기 플라즈마 아크 및 상기 유도 스컬 방법을 통해 순차적으로 용융된 타이타늄으로 타이타늄 잉곳을 주조하는 단계;를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention includes melting titanium scrap with a plasma arc; melting the molten titanium scrap by an induction skull method; and casting a titanium ingot with molten titanium sequentially through the plasma arc and the induction skull method.
상기 타이타늄 스크랩은 막대, 덩어리, 칩, 클립, 스폰지의 형태일 수 있다.The titanium scrap may be in the form of rods, chunks, chips, clips, or sponges.
상기 플라즈마 아크 용융 단계는, 상기 타이타늄 스크랩을 플라즈마 아크 용융부로 투입시키는 단계; 플라즈마 토치를 구동시켜 타이타늄 스크랩을 1차 타이타늄 용탕으로 용융시키는 단계; 및 상기 1차 타이타늄 용탕을 콜드하스 상에서 유동시킴으로써 개재물을 침전시키거나 또는 증기로 기화시켜 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.The plasma arc melting step may include inputting the titanium scrap into a plasma arc melting unit; Melting titanium scrap into primary titanium molten metal by driving a plasma torch; and separating inclusions by flowing the primary titanium molten metal on a cold hearth or vaporizing the inclusions into vapor.
상기 콜드하스는 수냉식 구리 용기로 이루어질 수 있다.The cold hearth may be made of a water-cooled copper vessel.
상기 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계는, 상기 1차 타이타늄 용탕을 유도 스컬 용융부로 투입시키는 단계; 유도 코일을 구동시켜 상기 1차 타이타늄 용탕을 2차 타이타늄 용탕으로 용융시키는 단계; 및 상기 2차 타이타늄 용탕을 냉도가니 상에서 정제하는 단계;를 포함할 수 있다.The melting by the induction skull method may include introducing the primary titanium molten metal into an induction skull melting unit; melting the primary titanium molten metal into a secondary titanium molten metal by driving an induction coil; and purifying the secondary titanium molten metal in a cold crucible.
상기 플라즈마 아크 용융 단계와 상기 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계는 서로 독립적으로 수행될 수 있다.The plasma arc melting step and the melting step by the induction skull method may be performed independently of each other.
상기 플라즈마 아크 용융 단계와 상기 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계는 연속적으로 수행될 수 있다.The plasma arc melting step and the melting step by the induction skull method may be continuously performed.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳의 제조방법은 스크랩을 이용한 것으로 경제적인 효과와 환경적 문제를 동시에 해결하였고, 또한 세라믹 내화재 대신 구리 용융으로의 사용으로 인해 생산비를 절감시키고 생산성을 향상시켰으며, 두 번의 가열 공정을 독립적으로 적용하여 금속 재료의 용융성과 고순도의 타이타늄 잉곳을 제조하는 점에 특징이 있다.The method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention solves both economic effects and environmental problems at the same time by using scrap, and also reduces production costs and improves productivity due to the use of copper melting instead of ceramic refractories It is characterized by the melting of metal materials and the production of high-purity titanium ingots by independently applying two heating processes.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a titanium ingot manufacturing apparatus according to exemplary embodiments of the present invention.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 아크 용융부를 이용하여 타이타늄을 용융시키는 단계를 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for explaining a step of melting titanium using a plasma arc melting unit according to exemplary embodiments of the present invention.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 유도 스컬 용융부를 이용하여 타이타늄을 용융시키는 단계를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a step of melting titanium using an induction skull melting unit according to exemplary embodiments of the present invention.
이하, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. The detailed descriptions that follow are provided to provide a comprehensive understanding of the methods, devices and/or systems described herein. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification. Terminology used in the detailed description is only for describing the embodiments of the present invention and should in no way be limiting. Unless expressly used otherwise, singular forms of expression include plural forms. In this description, expressions such as "comprising" or "comprising" are intended to indicate any characteristic, number, step, operation, element, portion or combination thereof, one or more other than those described. It should not be construed to exclude the existence or possibility of any other feature, number, step, operation, element, part or combination thereof.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used to describe components of an embodiment of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term.
한편, 이하에서는 “타이타늄”의 용어는 “티타늄”으로 사용될 수 있고, 반대로 “티타늄”의 용어가 “타이타늄”으로 사용될 수도 있으며, “타이타늄” 및 “티타늄”은 모두 원소기호 Ti(Titanium)에 해당하는 금속을 의미하는 것으로 해석될 수 있다. 또한, “용해”와 “용융” 모두 고체상태의 물질이 열에너지를 흡수하여 액체상태의 물질로 변하는 것을 의미할 수 있다.Meanwhile, in the following, the term “titanium” may be used as “titanium”, and conversely, the term “titanium” may be used as “titanium”, and both “titanium” and “titanium” correspond to the element symbol Ti (Titanium). It can be interpreted as meaning a metal that In addition, both “melting” and “melting” may mean that a material in a solid state absorbs thermal energy and changes into a material in a liquid state.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a titanium ingot manufacturing apparatus according to exemplary embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳 제조 장치(1)는 플라즈마 아크 용융부(10), 유도 스컬 용융부(20), 및 잉곳 인발부(30)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a titanium ingot manufacturing apparatus 1 according to exemplary embodiments of the present invention may include a plasma arc melting unit 10, an induction skull melting unit 20, and an ingot drawing unit 30. can
플라즈마 아크 용융부(10)는 플라즈마 아크 용융으로(Plasma Arc Melting Furnace; PAM Furnace)로 구성될 수 있으며, 콜드하스(13) 및 플라즈마 토치(15)를 포함할 수 있다.The plasma arc melting unit 10 may include a plasma arc melting furnace (PAM Furnace), and may include a cold hearth 13 and a plasma torch 15.
플라즈마 아크 용융부(10)에 투입되는 금속은 타이타늄 스크랩(100)일 수 있으며, 타이타늄 스크랩(100)은 막대, 덩어리, 칩, 클립, 스폰지 등 다양한 형태의 원료로 이루어질 수 있다.The metal introduced into the plasma arc melting unit 10 may be titanium scrap 100, and the titanium scrap 100 may be made of various types of raw materials such as rods, lumps, chips, clips, and sponges.
콜드하스(13)는, 예를 들어, 수냉식 구리 용기로 이루어질 수 있으며, 용융 금속으로부터 고밀도 개재물(High Density Inclusions; HDIs) 및 저밀도 개재물(Low Density Inclusions; LDIs)을 침전시키거나 또는 증기로 기화시켜 제거함으로써, 주조 금속의 순도를 높이는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 수냉식 구리 용기는 재사용이 가능한 구리 도가니일 수 있으며, 이때 높은 용융온도에 의해 파괴, 손실될 수 있는 구리 도가니는 도가니 내벽에 생성되는 금속 스컬에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 종래 세라믹 도가니의 사용으로 인한 용탕금속과의 반응을 방지할 수 있다.The cold hearth 13 may be made of, for example, a water-cooled copper container, and may precipitate High Density Inclusions (HDIs) and Low Density Inclusions (LDIs) from molten metal or vaporize them into vapor. By removing it, it can play a role of increasing the purity of the cast metal. For example, the water-cooled copper container may be a reusable copper crucible, and in this case, the copper crucible that may be destroyed or lost due to a high melting temperature may be controlled by a metal skull formed on the inner wall of the crucible. Therefore, a reaction with molten metal due to the use of a conventional ceramic crucible can be prevented.
고밀도 개재물은 예를 들어, WC, TaC 등과 같은 금속 화합물일 수 있고, 저밀도 개재물은 예를 들어, TiN, TiC 등과 같은 금속 화합물일 수 있으며, 고밀도 개재물은 콜드하스(13) 바닥면에 침전될 수 있고, 저밀도 개재물은 증기로 기화될 수 있다.High-density inclusions may be, for example, metal compounds such as WC and TaC, low-density inclusions may be metal compounds such as TiN and TiC, and high-density inclusions may be deposited on the bottom surface of the cold hearth 13 and low-density inclusions can be vaporized.
한편, 도 1은 콜드하스(13)의 바닥면에 편평한 형상을 가지는 것을 도시하고 있으나, 본 발명의 개념은 반드시 이에 한정되지 않으며, 콜드하스(13)는 편평하지 않고 경사진 바닥면을 가질 수도 있고, 혹은 서로 다른 높이의 단차를 가지는 바닥면을 가질 수도 있다. 즉, 콜드하스(13)의 바닥면은 고밀도 개재물 및/또는 저밀도 개재물을 보다 효율적으로 제거하기 위한 다른 형상을 가지도록 구성될 수 있다.Meanwhile, although FIG. 1 shows that the bottom surface of the cold hearth 13 has a flat shape, the concept of the present invention is not necessarily limited thereto, and the cold hearth 13 may have a non-flat bottom surface. Or, it may have a bottom surface having a step difference of different heights. That is, the bottom surface of the cold hearth 13 may be configured to have a different shape for more efficiently removing high-density inclusions and/or low-density inclusions.
플라즈마 토치(15)는 플라즈마 아크(Plasma Arc)를 발생시켜 금속 스크랩을 용융시키기 위한 구성으로 플라즈마 아크 발생부로 지칭될 수 있다. 한편, 플라즈마 아크는 전자빔(Electron Beam)으로 대체될 수도 있다. 비록 도시하지는 않았으나, 플라즈마 토치(15)는 콜드하스(13) 상에서 상하 및/또는 좌우로 움직임이 제어될 수도 있으며, 플라즈마 아크의 분사 방향이 조정 가능하도록 플라즈마 토치(15)의 회전이 제어될 수도 있다.The plasma torch 15 is configured to generate a plasma arc to melt metal scrap and may be referred to as a plasma arc generator. Meanwhile, the plasma arc may be replaced with an electron beam. Although not shown, the movement of the plasma torch 15 up and down and/or left and right on the cold hearth 13 may be controlled, and the rotation of the plasma torch 15 may be controlled so that the spraying direction of the plasma arc may be adjusted. there is.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 아크 용융부(10)에 투입된 타이타늄 스크랩(100)은 플라즈마 토치(15)로부터 발생되어 분사된 플라즈마 아크에 의해 1차 타이타늄 용탕(110)으로 용융될 수 있으며, 1차 타이타늄 용탕(110)에 포함된 개재물들(105)은 1차 타이타늄 용탕(110)이 콜드하스(13) 상에서 유동됨에 따라 침전되어 제거될 수 있다.In exemplary embodiments, the titanium scrap 100 injected into the plasma arc melting unit 10 may be melted into the primary titanium molten metal 110 by a plasma arc generated from the plasma torch 15 and sprayed, Inclusions 105 included in the primary titanium molten metal 110 may be precipitated and removed as the primary titanium molten metal 110 flows on the cold hearth 13 .
유도 스컬 용융부(20)는 유도 스컬 융해로로(Induction Skull Melting Furnace; ISM Furnace)로 구성될 수 있으며, 냉도가니(23) 및 유도 코일(25)을 포함할 수 있다.The induction skull melting unit 20 may include an induction skull melting furnace (ISM Furnace) and may include a cold crucible 23 and an induction coil 25 .
냉도가니(23)는 플라즈마 아크 용융부(10)를 통해 1차적으로 용융된 금속을 수용하기 위한 공간을 제공할 수 있으며, 예를 들어, 수냉구리 도가니로 이루어질 수 있다.The cold crucible 23 may provide a space for accommodating the metal primarily melted through the plasma arc melting unit 10, and may be formed of, for example, a water-cooled copper crucible.
유도 코일(25)은 전류를 발생시켜 자기장을 형성시킴으로써 용융 금속을 유도 가열시키기 위한 구성일 수 있으며, 예를 들어, 구리로 이루어진 고주파 코일이 권선된 형태로 이루어질 수 있다. 유도 코일(25)은 고주파 코일로 지칭될 수도 있다. 유도 코일(25)에 의해 발생된 자기장은 전원장치(미도시)의 주파수를 제어함으로써 조절될 수 있으며, 상기 자기장에 의해 용융 금속이 2차적으로 용융될 수 있다.The induction coil 25 may be configured to induction-heat molten metal by generating a magnetic field by generating a current, and may be formed in a wound form of, for example, a high-frequency coil made of copper. The induction coil 25 may also be referred to as a high frequency coil. The magnetic field generated by the induction coil 25 can be adjusted by controlling the frequency of a power supply (not shown), and the molten metal can be secondarily melted by the magnetic field.
예시적인 실시예들에 있어서, 유도 스컬 용융부(20)에 투입된 1차 타이타늄 용탕(110)은 유도 코일(25)에 의해 형성된 자기장에 의해 2차 타이타늄 용탕(120)으로 재용융될 수 있으며, 이후 2차 타이타늄 용탕(120)은 냉도가니(23) 상에서 응고되어 타이타늄 잉곳(150)으로 주조될 수 있다. 이때, 2차 타이타늄 용탕(120)은 1차 타이타늄 용탕(110)에 포함된 불순물 내지 가스를 추가적으로 제거함으로써 형성될 수 있으며, 이에 따라 최종적으로 주조된 타이타늄 잉곳(150)의 순도 및 품질이 크게 향상될 수 있다.In exemplary embodiments, the primary titanium molten metal 110 injected into the induction skull melting unit 20 may be remelted into the secondary titanium molten metal 120 by a magnetic field formed by the induction coil 25, Thereafter, the secondary titanium molten metal 120 may be solidified on the cold crucible 23 and cast into a titanium ingot 150 . At this time, the secondary titanium molten metal 120 may be formed by additionally removing impurities or gases included in the primary titanium molten metal 110, and thus the purity and quality of the finally cast titanium ingot 150 are greatly improved. It can be.
일 실시예에 있어서, 플라즈마 아크 용융부(10)의 배치 높이는 유도 스컬 용융부(20)의 배치 높이보다 높을 수 있으며, 콜드하스(13)의 일단부는 냉도가니(23)의 상부에 배치될 수 있다.In one embodiment, the arrangement height of the plasma arc melting unit 10 may be higher than the arrangement height of the induction skull melting unit 20, and one end of the cold hearth 13 may be disposed above the cold crucible 23. there is.
예시적인 실시예들에 있어서, 유도 스컬 용융부(20)에 장입된 용융금속 즉, 1차 타이타늄 용탕(110)은 유도 가열을 통해 냉도가니(23) 내에서 대류 작용에 의해 균일한 상으로 완전히 용용됨으로써 2차 타이타늄 용탕(120)이 형성될 수 있다. 이때, 냉도가니(23)에 접촉하는 2차 타이타늄 용탕(120)은 수냉동 세그먼트(미도시)에 의해 응고될 수 있으며, 이후 생성된 스컬(skull)로 인해 냉도가니(23)와 2차 타이타늄 용탕(120) 사이에 얇은 금속의 경계층이 생기게 되는데, 상기 경계층이 열 저항으로 작용하여 2차 타이타늄 용탕(120)에서 냉도가니(23)로 전달되는 열을 줄여 냉도가니(23)의 수명을 연장시키는 역할을 수행할 수 있다. In exemplary embodiments, the molten metal, that is, the primary titanium molten metal 110 charged into the induction skull melting unit 20 is completely transformed into a uniform phase by convection in the cold crucible 23 through induction heating. By melting, secondary titanium molten metal 120 may be formed. At this time, the secondary titanium molten metal 120 in contact with the cold crucible 23 may be solidified by a water-cooled segment (not shown), and then the cold crucible 23 and the secondary titanium melt due to the generated skull. A boundary layer of thin metal is formed between the molten metal 120, and the boundary layer acts as thermal resistance to reduce the heat transferred from the secondary titanium molten metal 120 to the cold crucible 23, extending the life of the cold crucible 23. can fulfill its role.
또한, 유도 스컬 용융부(20)에 의한 용융법은 진공상태에서 내화재 없이 냉도가니(23) 즉, 수냉구리 도가니에서 금속 대 금속으로 금속을 용융시키는 방식으로 수행될 수 있으며, 내화재의 부재로 용융 금속 즉, 2차 타이타늄 용탕(120)과 산소와의 반응이 억제될 수 있다.In addition, the melting method by the induction skull melting unit 20 may be performed by melting the metal in a metal-to-metal manner in a cold crucible 23, that is, a water-cooled copper crucible, without a refractory material in a vacuum state, and melting with the absence of a refractory material. A reaction between the metal, that is, the secondary titanium molten metal 120 and oxygen may be suppressed.
또한, 2차 타이타늄 용탕(120)의 측면부는 냉도가니(23)의 내부 측벽에서 안쪽으로 밀어내어질 수 있는데, 이는 2차 타이타늄 용탕(120)의 측면부가 냉도가니(23)의 내부 측벽과의 물리적 접촉이 없어, 상기 수냉동 세그먼트가 전기 단락되는 것을 방지하고 냉도가니(23)로의 열 손실을 감소시키는 효과를 가질 수 있다.In addition, the side surface of the secondary titanium molten metal 120 may be pushed inward from the inner side wall of the cold crucible 23, which means that the side surface of the secondary titanium molten metal 120 does not form a contact with the inner side wall of the cold crucible 23. Since there is no physical contact, it is possible to prevent the water-cooled segment from being short-circuited and reduce heat loss to the cold crucible 23 .
잉곳 인발부(30)는 1차 용융 및 2차 용융된 용융금속이 잉고되어 형성된 금속 잉곳 즉, 타이타늄 잉곳(150)을 인출하기 위한 구성일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 잉곳 인발부(30)는 상하 운동을 통해 금속 잉곳이 인출되도록 제어될 수 있다.The ingot drawing unit 30 may be configured to draw a metal ingot formed by ingoing primary and secondary melted molten metal, that is, the titanium ingot 150 . In one embodiment, the ingot drawing unit 30 may be controlled so that the metal ingot is drawn through an up-and-down motion.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 아크 용융부(10) 및 유도 스컬 용융부(20)는 이 순서대로 하나의 챔버에 배치될 수 있으며, 이에 따라 플라즈마 아크 용융(PAM) 공정과 유도 스컬 용융(ISM) 공정이 순차적으로 연속적으로 수행될 수 있다.In exemplary embodiments, the plasma arc melting unit 10 and the induction skull melting unit 20 may be disposed in one chamber in this order, and thus the plasma arc melting (PAM) process and the induction skull melting ( ISM) process may be performed sequentially and continuously.
전술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳 제조 장치(1)는 플라즈마 아크 용융부(10)와 유도 스컬 용융부(20)가 순차적으로 배치되어 구성될 수 있고, 금속 스크랩은 타이타늄 잉곳 제조 장치(1)을 통해 플라즈마 아크 용융(PAM) 공정과 유도 스컬 용융(ISM) 공정이 순차적으로 연속적으로 수행되어 금속 잉곳으로 주조될 수 있으며, 이에 따라 금속 스크랩의 용융성이 향상되고 최종적으로 주조된 금속 잉곳의 순도가 증대될 수 있다.As described above, the titanium ingot manufacturing apparatus 1 according to exemplary embodiments of the present invention may be configured by sequentially disposing the plasma arc melting unit 10 and the induction skull melting unit 20, and metal scrap A plasma arc melting (PAM) process and an induction skull melting (ISM) process are sequentially and continuously performed through the silver titanium ingot manufacturing apparatus 1 to be cast into a metal ingot, thereby improving the meltability of metal scrap and The purity of the finally cast metal ingot can be increased.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳의 제조 방법은 타이타늄 스크랩(100)을 플라즈마 아크로 용융시키는 단계(S-1), 상기 용융된 타이타늄 스크랩을 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계(S-2), 및 상기 플라즈마 아크 및 상기 유도 스컬 방법을 통해 순차적으로 용융된 타이타늄으로 타이타늄 잉곳을 주조하는 단계(S-3)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a method for manufacturing a titanium ingot according to exemplary embodiments of the present invention includes melting titanium scrap 100 with a plasma arc (S-1), melting the molten titanium scrap by an induction skull method It may include a step (S-2), and a step (S-3) of casting a titanium ingot with molten titanium sequentially through the plasma arc and the induction skull method.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 타이타늄 스크랩(100)은 플라즈마 아크 용융 단계(S-1)를 거쳐 1차 타이타늄 용탕(110)으로 용융될 수 있으며, 1차 타이타늄 용탕(110)은 유도 스컬 용융 단계(S-2)를 거쳐 2차 타이타늄 용탕(120)으로 재용융될 수 있다. 이후, 2차 타이타늄 용탕(120)은 응고되어 타이타늄 잉곳(150)으로 주조될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2 together, the titanium scrap 100 may be melted into primary titanium molten metal 110 through a plasma arc melting step (S-1), and the primary titanium molten metal 110 is an induction skull. It may be re-melted into the secondary titanium molten metal 120 through the melting step (S-2). Thereafter, the secondary titanium molten metal 120 may be solidified and cast into a titanium ingot 150 .
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 플라즈마 아크 용융부(10)를 이용하여 타이타늄을 용융시키는 단계를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a step of melting titanium using the plasma arc melting unit 10 according to exemplary embodiments of the present invention.
도 3을 참조하면, 플라즈마 아크 용융 단계(S-1)는, 타이타늄 스크랩(100)을 플라즈마 아크 용융부(10)로 투입시키는 단계(S11), 플라즈마 토치(15)를 구동시켜 타이타늄 스크랩(100)을 1차 타이타늄 용탕(110)으로 용융시키는 단계(S12), 및 1차 타이타늄 용탕(110)을 콜드하스(13) 상에서 유동시킴으로써 개재물(105)을 침전시키거나 또는 증기로 기화시켜 분리하는 단계(S13)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, in the plasma arc melting step (S-1), the titanium scrap 100 is put into the plasma arc melting unit 10 (S11), and the titanium scrap 100 is driven by driving the plasma torch 15. ) into primary titanium molten metal 110 (S12), and flowing the primary titanium molten metal 110 on the cold hearth 13 to separate the inclusions 105 by precipitating them or vaporizing them into steam. (S13) may be included.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 유도 스컬 용융부(20)를 이용하여 타이타늄을 용융시키는 단계를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a step of melting titanium using the induction skull melting unit 20 according to exemplary embodiments of the present invention.
도 4를 참조하면, 유도 스컬 용융 단계(S-2)는, 1차 타이타늄 용탕(110)을 유도 스컬 용융부(20)로 투입시키는 단계(S21), 유도 코일(25)을 구동시켜 1차 타이타늄 용탕(110)을 2차 타이타늄 용탕(120)으로 용융시키는 단계(S22), 및 2차 타이타늄 용탕(120)을 냉도가니(23) 상에서 정제하는 단계(S23)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the induction skull melting step (S-2) includes the step of inputting the primary titanium molten metal 110 into the induction skull melting unit 20 (S21) and driving the induction coil 25 to It may include melting the titanium molten metal 110 into the secondary titanium molten metal 120 (S22), and purifying the secondary titanium molten metal 120 on the cold crucible 23 (S23).
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 아크 용융 단계(S-1)와 유도 스컬 용융 단계(S-2)는 서로 독립적으로 수행될 수 있으며, 플라즈마 아크 용융 단계(S-1)와 유도 스컬 용융 단계(S-2)는 연속적으로 수행될 수 있다.In exemplary embodiments, the plasma arc melting step (S-1) and the induction skull melting step (S-2) may be performed independently of each other, and the plasma arc melting step (S-1) and the induction skull melting step (S-2) may be performed continuously.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 타이타늄 잉곳의 제조 방법은 타이타늄 스크랩(100)의 용융성 향상 및 개재물(105)의 최소화를 위해, 2 차례의 서로 다른 용융 공정을 독립적 및 연속적으로 적용함으로써 수행될 수 있다.As described above, the method for manufacturing a titanium ingot according to the present invention is performed by independently and continuously applying two different melting processes to improve the meltability of titanium scrap 100 and minimize inclusions 105. can
즉, 먼저 PAM(Plasma Arc Melting, 플라즈마 아크 용융)을 이용하여 원소재 내의 불순물을 제거하는 공정을 적용할 수 있으며, 이후 저밀도 및 고밀도 개재물이 제거된 순수한 용융 금속 용탕만이 ISM(Induction Skull Melting, 유도 스컬 용융) 냉도가니로 장입될 수 있고, 상기 순수한 용융 금속 용탕을 추가적으로 재용융하여 최종적으로 제조된 금속 잉곳의 순도를 보다 향상시킬 수 있다.That is, a process of removing impurities in the raw material using PAM (Plasma Arc Melting) can be applied first, and then, only pure molten metal molten metal from which low-density and high-density inclusions are removed can be used for ISM (Induction Skull Melting) Induction skull melting) may be charged into a cold crucible, and the purity of the finally manufactured metal ingot may be further improved by additionally remelting the pure molten metal.
다만, 본 발명의 개념은 반드시 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 타이타늄 잉곳 제조 장치 및 타이타늄 잉곳의 제조 방법은 전술한 기술분야 이외에도 다양한 기술분야, 예를 들어, 타이타늄 합금 잉곳의 제조 방법에 적용될 수 있다.However, the concept of the present invention is not necessarily limited thereto, and the titanium ingot manufacturing apparatus and the titanium ingot manufacturing method according to exemplary embodiments of the present invention can be used in various technical fields other than the above-described technical fields, for example, titanium alloy ingots. It can be applied to the manufacturing method of.
일 실시예에 있어서, 상기 타이타늄 합금 잉곳의 제조 방법의 경우, 타이타늄 스크랩(100)은 타이타늄 합금 스크랩으로 사용될 수 있으며, 이에 따라 1차 타이타늄 용탕(110) 및 2차 타이타늄 용탕(120)도 각각 1차 타이타늄 합금 용탕과 2차 타이타늄 합금 용탕으로 지칭될 수 있다.In one embodiment, in the case of the titanium alloy ingot manufacturing method, titanium scrap 100 may be used as a titanium alloy scrap, and accordingly, the primary titanium molten metal 110 and the secondary titanium molten metal 120 are also 1 It may be referred to as a primary titanium alloy molten metal and a secondary titanium alloy molten metal.
이와는 달리, 상기 타이타늄 합금 잉곳의 제조 방법은, 타이타늄 스크랩(100)을 플라즈마 아크 용융부(10)와 유도 스컬 용융부(20)를 통해 1차 타이타늄 용탕(110)과 2차 타이타늄 용탕(120)으로 용융시키는 것은 전술한 타이타늄 잉곳의 제조 방법과 실질적으로 동일하거나 유사한 단계를 통해 수행될 수 있으며, 추가적으로 1차 타이타늄 용탕(110) 또는 2차 타이타늄 용탕(120)에 합금 성분을 투입시키는 단계를 더 포함할 수 있다.Unlike this, in the method of manufacturing a titanium alloy ingot, the titanium scrap 100 is melted into a primary titanium molten metal 110 and a secondary titanium molten metal 120 through a plasma arc melting unit 10 and an induction skull melting unit 20. Melting may be performed through substantially the same or similar steps as the above-described titanium ingot manufacturing method, and additionally, the step of injecting alloy components into the primary titanium molten metal 110 or the secondary titanium molten metal 120 is further performed. can include
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although various embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will understand that various modifications are possible to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. . Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

Claims (10)

  1. 금속 스크랩을 플라즈마 아크로 용융시키기 위한 플라즈마 아크 용융부;a plasma arc melting unit for melting metal scrap with a plasma arc;
    상기 플라즈마에 의해 용융된 금속 용탕을 유도 전류로 용융시키기 위한 유도 스컬 용융부; 및an induction skull melting unit for melting the molten metal melted by the plasma with an induction current; and
    상기 유도 전류에 의해 용융된 후 응고된 금속 잉곳을 인출하기 위한 잉곳 인발부;를 포함하며,Including; an ingot drawing unit for withdrawing a solidified metal ingot after being melted by the induced current,
    상기 플라즈마 아크 용융부와 상기 유도 스컬 용융부는 이 순서대로 하나의 챔버에 배치된 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳 제조 장치.The titanium ingot manufacturing apparatus, characterized in that the plasma arc melting unit and the induction skull melting unit are arranged in one chamber in this order.
  2. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 플라즈마 아크 용융부의 배치 높이는 상기 유도 스컬 용융부의 배치 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳 제조 장치.Titanium ingot manufacturing apparatus, characterized in that the arrangement height of the plasma arc melting unit is higher than the arrangement height of the induction skull melting unit.
  3. 제1항에 있어서,According to claim 1,
    상기 플라즈마 아크 용융부는, 콜드하스 및 플라즈마 토치를 포함하고,The plasma arc melting unit includes a cold hearth and a plasma torch,
    상기 유도 스컬 용융부는, 냉도가니 및 유도 코일을 포함하며,The induction skull melting unit includes a cold crucible and an induction coil,
    상기 콜드하스의 일단부는 상기 냉도가니의 상부에 배치된 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳 제조 장치.Titanium ingot manufacturing apparatus, characterized in that one end of the cold hearth is disposed on the upper part of the cold crucible.
  4. 타이타늄 스크랩을 플라즈마 아크로 용융시키는 단계;melting titanium scrap with a plasma arc;
    상기 용융된 타이타늄 스크랩을 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계; 및melting the molten titanium scrap by an induction skull method; and
    상기 플라즈마 아크 및 상기 유도 스컬 방법을 통해 순차적으로 용융된 타이타늄으로 타이타늄 잉곳을 주조하는 단계;를 포함하는 타이타늄 잉곳의 제조 방법.Casting a titanium ingot with molten titanium sequentially through the plasma arc and the induction skull method.
  5. 제4항에 있어서, According to claim 4,
    상기 타이타늄 스크랩은 막대, 덩어리, 칩, 클립, 스폰지의 형태인 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳의 제조 방법.The titanium scrap is a method for producing a titanium ingot, characterized in that in the form of rods, lumps, chips, clips, sponges.
  6. 제4항에 있어서, According to claim 4,
    상기 플라즈마 아크 용융 단계는,The plasma arc melting step,
    상기 타이타늄 스크랩을 플라즈마 아크 용융부로 투입시키는 단계;Injecting the titanium scrap into a plasma arc melting unit;
    플라즈마 토치를 구동시켜 타이타늄 스크랩을 1차 타이타늄 용탕으로 용융시키는 단계; 및Melting titanium scrap into primary titanium molten metal by driving a plasma torch; and
    상기 1차 타이타늄 용탕을 콜드하스 상에서 유동시킴으로써 개재물을 침전시키거나 또는 증기로 기화시켜 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳의 제조 방법. A method for manufacturing a titanium ingot, comprising the step of precipitating inclusions by flowing the primary titanium molten metal on a cold hearth or vaporizing and separating inclusions.
  7. 제6항에 있어서, According to claim 6,
    상기 콜드하스는 수냉식 구리 용기로 이루어진 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳의 제조 방법.The method of manufacturing a titanium ingot, characterized in that the cold hearth is made of a water-cooled copper container.
  8. 제6항에 있어서, According to claim 6,
    상기 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계는,The step of melting by the induction skull method,
    상기 1차 타이타늄 용탕을 유도 스컬 용융부로 투입시키는 단계;Injecting the primary titanium molten metal into an induction skull melting unit;
    유도 코일을 구동시켜 상기 1차 타이타늄 용탕을 2차 타이타늄 용탕으로 용융시키는 단계; 및melting the primary titanium molten metal into a secondary titanium molten metal by driving an induction coil; and
    상기 2차 타이타늄 용탕을 냉도가니 상에서 정제하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳의 제조 방법.A method for manufacturing a titanium ingot, comprising: purifying the secondary titanium molten metal on a cold crucible.
  9. 제8항에 있어서, According to claim 8,
    상기 플라즈마 아크 용융 단계와 상기 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계는 서로 독립적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳의 제조 방법.The method of manufacturing a titanium ingot, characterized in that the plasma arc melting step and the melting step by the induction skull method are performed independently of each other.
  10. 제9항에 있어서, According to claim 9,
    상기 플라즈마 아크 용융 단계와 상기 유도 스컬 방법으로 용융시키는 단계는 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 타이타늄 잉곳의 제조 방법.The method of manufacturing a titanium ingot, characterized in that the plasma arc melting step and the melting step by the induction skull method are performed continuously.
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