[논문]DC-ESR법(去)을 이용한 타이타늄 스크랩의 재용융(再熔融)에 관한 연구(硏究)

서영득; 이호성; 손호상

DC-ESR법(去)을 이용한 타이타늄 스크랩의 재용융(再熔融)에 관한 연구(硏究)
Study on the Remelting of Titanium Scrap by DC-ESR Process 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.16 no.4 = no.78, 2007년, pp.33 - 39

서영득 (경북대학교 금속신소재공학과) , 이호성 (경북대학교 금속신소재공학과) , 손호상 (경북대학교 금속신소재공학과)

초록
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직류 ESR(Electro Slag Remelting)장치를 이용하여 타이타늄 스크랩의 재용해 및 정련에 관한 기초연구를 수행하였다. 비소모성 양극으로는 흑연봉을, 슬래그로는 $CaF_2-TiO_2$계를 사용하였다. 재용해한 타이타늄 잉곳의 형상 및 산소 함량에 미치는 슬래그 조성의 영향을 검토하였다. $CaF_2-TiO_2$계 슬래그에서는 잉곳 내부에 슬래그의 혼입이 없는 매우 양호한 형상의 타이타늄 잉곳이 형성되었으며, 산소 함량도 타이타늄스크랩보다 낮은 값을 나타내었다. $CaF_2-TiO_2$계 슬래그에 CaO를 첨가한 경우 잉곳 내부에 슬래그가 혼입되었으며, 산소 농도도 Ti 스크랩 보다 높은 값을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Titanium scrap was re-melted and refined by using a DC-ESR (Direct Current Electro Slag Remelting) apparatus. A graphite rod was used as an anode. The used slag was $CaF_2-TiO_2-CaO$ slag system. The effect of slag composition on the shape and oxygen content of re-melted ingot was studied. The titanium ingot was produced very well from the $CaF_2-TiO_2$ slag system, and the oxygen content of the ingot was less than that of titanium scrap. The addition of CaO into $CaF_2-TiO_2$ slag system made the bad shape of titanium ingot. The oxygen content of the ingot was also higher than that of titanium scrap.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

만들지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 ESR법에의한 슬래그의 저항열과 직류에 의한 용융염 전해효과를 복합한 Ti 스크랩의 재용해와 정련 반응에 대하여검토하였다.

가설 설정

출열(Q&)은 슬래그 용융(Q, 스크랩 용융(0°), 냉각수에 의한 열 손실(0心") 그리고 슬래그 표면의 복사 열손실(0*) 등을 고려하여야 한다. 우선 슬래그의 온도를 Ti의 융점 (1941 K)보다 약 30 K 높은 1973 K로 가정하여 각 성분의 용융에 필요한 열량을 계산하면 CF는 2.476 kJ/ g, TiCh는 1.51 kJ/g, CaO는 1.6kJ/g의 열량이 필요하다. 따라서 CaF“ mass%TiC)2-5 mass%CaO의 슬래그 1500 g을 2시간 동안 용융상태로 유지하기 위해 필요한 단위 시간당 열량은 다음 식과 같이 구할 수 있다.

제안 방법

음극인 구리판 및 몰드는 수냉하였다. DC power supply의 최대전류는 2500 A이고 최대 전압은 50 V이며, 실험 중 전류, 전압 변화를 실시간으로 측정하여 기록하였다.
Ti을 재용해하여 잉곳을 제조하기 위해서는 용탕이 형성되어야 하므로 열 수지를 검토하였다. 출열(Q&)은 슬래그 용융(Q, 스크랩 용융(0°), 냉각수에 의한 열 손실(0心") 그리고 슬래그 표면의 복사 열손실(0*) 등을 고려하여야 한다.
냉각수에 의한 열손실은 냉각수 공급속도(Rw*r=150 g/s)와 냉각 전후의 온도차(AT=40K)를 이용하여 다음식으로 계산하였다.4)
나타내었다. 슬래그는 CaF2-TiC)2계를 기본으로 하고, CaC를 일정량첨가하여 조제하였으며, 고주파 유도 용해로를 이용하여 흑연 도가니 내에서 미리 용해한 것을 응고 후 파쇄하여 사용하였다. 한편 실험에 사용한 Ti 스크랩은 봉상의 것으로 직경은 5~8 mm 정도이며, 약 l~2cm 정도의 길이로 절단하여 사용하였으며, Fig.
슬래그의 완전한 용융을 확인한 후 준비된 Ti 스크랩을 약 7g/min의 속도로 장입하였다. 실험 중에는 지속적으로 극간 거리를 측정하면서 power supply의 전류값을 제어하였다. 약 2 시간 정도 통전 후 전원을 차단하고 몰드와 형성된 Ti 잉곳을 분리하였다.
실험결과 형성된 Ti 잉곳의 형상과 단면을 디지털 카메라로 촬영한 후, 잉곳의 중앙부를 일정한 크기로 절단하여 산소농도 (EITRA ON 900)를 분석하였다. 일부 시편에 대해서는 탄소농도(LECO CS-444)를 분석하였다.
이러한 결과를 확인하기 위하여 비교적 용융이 쉬운 철스크랩 (철못) 2000 g< CaF2-10 mass%TiO₂ 슬래그 중에 분할 투입하여 재 용해 실험을 하였으며, 이때 얻어진 잉곳의 단면을 Fig. 3에 나타내었다. 철 스크랩을 투입하는 동안의 평균 전류값은 약 1290 A, 평균 전압은 약 24.
산소농도 (EITRA ON 900)를 분석하였다. 일부 시편에 대해서는 탄소농도(LECO CS-444)를 분석하였다.

대상 데이터

비소모성 양극 (anode)으로는 직경 50 mm의 흑연봉을 사용하였으며, 음극(cathode)으로는 400 mmx400 mmx 10 mm의 구리판을 사용하였다. 음극 구리판을 보호하기 위해 직경 95 mm, 두께 20 mm 인 구리 base-plat를 음극 구리판 상부에 장착하였다.
원통형 몰드의 높이는 300 mm이며, 상부의 내경은 90 mm이고 하부의 내경은 100mm로써 실험 후 형성된 잉곳을 쉽게 분리할 수 있도록 제작하였다. 비소모성 양극 (anode)으로는 직경 50 mm의 흑연봉을 사용하였으며, 음극(cathode)으로는 400 mmx400 mmx 10 mm의 구리판을 사용하였다.
비소모성 양극 (anode)으로는 직경 50 mm의 흑연봉을 사용하였으며, 음극(cathode)으로는 400 mmx400 mmx 10 mm의 구리판을 사용하였다. 음극 구리판을 보호하기 위해 직경 95 mm, 두께 20 mm 인 구리 base-plat를 음극 구리판 상부에 장착하였다. 양극인 흑연봉은 일정한속도로 상하로 움직일 수 있도록 하였다.
슬래그는 CaF2-TiC)2계를 기본으로 하고, CaC를 일정량첨가하여 조제하였으며, 고주파 유도 용해로를 이용하여 흑연 도가니 내에서 미리 용해한 것을 응고 후 파쇄하여 사용하였다. 한편 실험에 사용한 Ti 스크랩은 봉상의 것으로 직경은 5~8 mm 정도이며, 약 l~2cm 정도의 길이로 절단하여 사용하였으며, Fig. 2에 사용한 스크랩의 형상을 나타내었다. 조성은 Table 2에 나타내었으며 산소 함유량은 0.

이론/모형

본 연구는 Ti 스크랩을 재용해하여 잉곳을 제조하기 위해 DC-ESR 법을 적용한 것으로 결과를 종합하면 다음과 같다.

성능/효과

1) 스크랩 투입 중의 평균 전압이 약 25 므로, 열수지 계산 결과 약 1150 A 이상의 전류를 흘려주면 Ti 스크랩의 용해가 가능할 것으로 판단되었다.
2) CaF2-TiO₂ 슬래그 계에서 1102 농도가 10 mass% 이하인 경우 슬래그의 혼입이 없는 양호한 Ti 잉곳이 형성되었으며, 산소농도도 약 0.25 mass% 이하로 스크랩의 0.33 mass% 보다 낮은 값을 나타내어 본 슬래그계에 의한 Ti 스크랩의 재용해와 전해 정련이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
그리고 CaF2-I0mass% TiO?계 슬래그 중에서 재용해한 잉곳의 탄소농도를 분석한 결과 약 1.2 mass%를나타내어 스크랩의 0.05 mass% 보다 매우 높은 값을나타내었다. Kawakami은 DC-ESR 장치에서 비소모성 탄소전극을 이용한 Ti의 용융염 전해에서 얻어진금속 Ti의 탄소농도가 약 1.
3) CaF2-5 mass% TiO?계어) CaO를 10 mass% 이상 첨가한 경우 용융 스크랩에 슬래그가 혼입되어 양호한 잉곳을 형성할 수 없었으며, 잉곳의 산소농도도 높게 나타났다.
따라서 적절한 조건으로 Ti 스크랩을 재용해하여 잉곳을 형성하는 것이가능할 것으로 생각되었다. 그리고, 재용해 전의 철 스크랩과 재용해한 잉곳의 산소농도를 분석한 결과 각각 320 및 45 ppm을 나타내었다.
따라서 약 29kJ/s의 열량이 공급되어야 Ti 스크랩의용융이 가능함을 알 수 있으며, 전체 열량의 약 88%는냉각수에 의해 손실되는 것으로 계산된다.
3) 관찰에서 확인 되듯이 매우 양호한 잉곳이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 적절한 조건으로 Ti 스크랩을 재용해하여 잉곳을 형성하는 것이가능할 것으로 생각되었다. 그리고, 재용해 전의 철 스크랩과 재용해한 잉곳의 산소농도를 분석한 결과 각각 320 및 45 ppm을 나타내었다.
그리고 소모성 Ti anode를사용하여 잉곳을 제조한 경우에는 슬래그가 대기 중의산소를 흡수하여 Ti의 융점이 상승하였기 때문에 충분한 용융 풀을 형성하지 못한 것으로 보고하였다. 본 연구에서는 슬래그 조성은 다르나 TiO₂ 농도가 10 mass% 이상으로 증가하거나 CaO가 다량으로 첨가되면급격하게 산소농도가 증가하였다. 이러한 결과는 대기중의 산소 영향보다는 슬래그의 전기전도도, 밀도 및 점도 등의 물성변화와 산화도의 영향이 보다 큰 것으로생각된다.
6 V를 나타내었다. 실험 후 잉곳의 단면 사진(Fig. 3) 관찰에서 확인 되듯이 매우 양호한 잉곳이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 적절한 조건으로 Ti 스크랩을 재용해하여 잉곳을 형성하는 것이가능할 것으로 생각되었다.

후속연구

4) 본 연구의 DC-ESR 법에 의해 Ti 스크랩을 재용해하기 위해서는 점도가 낮으면서 전기전도도가 낮은슬래그를 사용하는 것이 필요할 것으로 생각된다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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Wei Chiho and Xiang Shunhua, 1993 : ElectricalConductivity of Molten Slags of $CaF_2+Al_2O_3\;and\;CaF_2Al_2O_3+CaO$ Systems for ESR, ISU International. 33(2), pp. 239-244

상세보기
M. Kawakami et al., 2006 : An Attempt at Direct Ingot Making of Titanium by the Electro-Winning from Molten Slag with DC-ESR Unit, Sohn International Symposium, Advanced Processing of Metals and Materials, 7, F. Kongoli and R.G. Reddy, pp. 373-381, TMS, Sandiago, August, 2006, Printed in USA

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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