KR101751794B1 - 타이타늄정련용해로 및 타이타늄정련방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 유도가열 및 플라즈마를 포함하는 가열수단을 이용하여 타이타늄스크랩을 용해하여 타이타늄용탕을 형성하고, 상기 가열수단으로 타이타늄용탕이 포함하는 여러 가지 금속불순물 및 산소를 제거하는 방식으로 타이타늄스크랩을 정련하며, 정련된 물질을 냉각하여 타이타늄잉곳을 제조하는 타이타늄정련용해로 및 이를 이용한 타이타늄정련방법에 관한 것으로, 내부에 용해대상을 수용하는 타이타늄용탕부, 내부에 상기 타이타늄용탕부를 포함하는 메인챔버부, 금속불순물을 제거하는 제1기능 및 산소를 제거하는 제2기능을 구비하는 가열원부, 상기 타이타늄용탕부에 타이타늄스크랩을 공급하는 스크랩공급부 및 상기 타이타늄용탕부로부터 타이타늄용융체를 인출하는 잉곳인출부를 포함하여 이루어지고, 상기 가열원부는 상기 제1기능을 수행하는 유도코일부와 상기 제1기능 및 상기 제2기능을 수행하는 플라즈마생성부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로를 제공한다.
Description
본 발명은, 타이타늄정련용해로 및 타이타늄정련방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유도가열 및 플라즈마를 포함하는 가열수단을 이용하여 타이타늄스크랩을 용해하여 타이타늄용탕을 형성하고, 상기 가열수단으로 타이타늄용탕이 포함하는 여러 가지 금속불순물 및 산소를 제거하는 방식으로 타이타늄스크랩을 정련하며, 정련된 물질을 냉각하여 타이타늄잉곳을 제조하는 타이타늄정련용해로 및 이를 이용한 타이타늄정련방법에 관한 것이다.
타이타늄은 고가이기는 하나, 강도 및 경도가 높고, 가벼우며, 녹는점이 높기 때문에 항공우주산업에서 엔진, 동체 또는 각종 부품을 만드는데 사용되며, 미사일, 군용장갑차량 또는 우주선 제작에도 많은 양의 타이타늄이 사용된다. 또한 타이타늄은 내부식성이 아주 커서 바닷물에서도 부식되지 않기 때문에, 선박의 추진축 등 선박부품, 해수담수화장치의 열교환기, 수족관의 난방 및 냉방기, 낚시도구, 잠수부 칼, 해양감시장치의 부품 등에 사용되며, 잠수함 재료로도 사용된다. 또한 타이타늄은 화학약품에 잘 부식되지 않아 반응기, 화학물질 이동파이프와 용기 등 화학공업과 제지공업에서 사용되는 여러 장치와 설비를 만드는데 사용되며, 특히 산이나 염소를 사용하는 산업에 많이 사용된다. 또한 타이타늄은 생체적합성이 탁월한 것으로 여겨져 인공관절, 임플란트, 인공심장박동 조절기, 안경테 등에도 사용된다. 또한 휴대폰과 시계의 케이스, 장신구, 골프클럽 등 운동 기구, 자동차부품 등에도 타이타늄이 사용된다. 따라서 고가의 타이타늄을 저렴하게 얻을 수 있는 방법을 고안한다면 여러 산업분야의 발전을 도모할 수 있다.
타이타늄이 고가인 이유는 희소금속이라서가 아니라 타이타늄을 추출하여 가공하는 공정이 많은 비용을 요하기 때문이다. 그러므로 광석으로부터 타이타늄을 추출하여 타이타늄을 얻기보다는 타이타늄을 재활용하는 방법을 생각할 수 있는데, 특히 타이타늄 가공과정에서 발생하는 타이타늄스크랩을 재활용하면 10배의 이익을 얻을 수도 있다. 그러나 현재 국내 시장은 대부분의 타이타늄을 수입에 의존하고 있어 타이타늄스크랩의 생산량 자체가 많지 않고, 타이타늄스크랩을 재활용하는 기술도 그 기반이 매우 취약하다고 할 수 있다.
한편 타이타늄스크랩을 정련하여 이를 재활용하려면 타이타늄스크랩을 용해하는 공정이 필수적인데, 타이타늄은 철(Fe), 구리(Cu) 등 다른 일반적인 금속들보다 용융상태에서의 활성이 매우 크므로 일반적인 용해방법은 사용할 수가 없다. 일단 타이타늄스크랩을 용해하기 위해서는 타이타늄스크랩이 대기에 노출되는 것을 피해야 하므로 일반적으로 고진공상태가 필요하다. 또한 용융된 타이타늄스크랩은 도가니 물질과도 반응할 수 있으므로 용융된 타이타늄스크랩과 반응하지 않도록 수냉에 의하여 저온을 유지하는 도가니를 사용할 필요가 있다. 이러한 조건들이 만족되면 용해 시 타이타늄을 오염시키지 않는 고온의 청정 열원이 필요하다. 타이타늄스크랩의 용해방법은 상기 열원의 종류에 따라 플라즈마아크용해(Plasma Are Melting, PAM)법, 진공아크재용해(Vacuum Arc Remelting, VAR)법, 전자빔용해(Electron Beam Melting, EBM)법 등이 있다. 플라즈마아크용해(Plasma Are Melting, PAM)법은 고속, 고온의 플라즈마를 타이타늄스크랩에 직접 분사하여 빠른 시간 안에 타이타늄스크랩을 용해시키는 방법이고, 진공아크재용해(Vacuum Arc Remelting, VAR)법은 진공아크용해로 내에서 전극과 타이타늄스크랩 사이에 강력한 아크를 발생시켜 타이타늄스크랩을 용해시키는 방법이며, 전자빔용해(Electron Beam Melting, EBM)법은 고진공 분위기하에서 전자빔을 타이타늄스크랩에 조사하여 타이타늄스크랩을 용해시키는 방법이다. 이와 관련하여 대한민국 등록특허 10-1402129호(발명의 명칭 : 타이타늄 봉재를 제조하기 위한 연속식 비소모성 진공아크용해장치, 이하 종래기술 1이라 한다.)에서는 몸체와, 상기 몸체의 하부 후방에 설치하는 전후진실린더와, 상기 전후진실린더의 선단부에 장착하여 전후방향으로 이동할 수 있도록 형성하는 이동몸체와, 상기 이동몸체의 상부에 수직방향으로 설치하는 승하강실리던와, 상기 승하강실린더의 상부에 설치하는 히터와, 상기 히터의 상부면에 형성하는 장입홈과, 상기 몸체의 상부에 형성하는 진공챔버와, 상기 진공챔버의 일측에 형성하는 확인창과, 상기 진공챔버의 양측에서 내부로 돌출하도록 형성하여 상기 장입홈의 내부에 용해한 상태의 봉재를 뒤집기 위한 손잡이와, 상기 진공챔버의 타측에 형성하는 진공밸브와, 상기 진공챔버의 상부에 형성하여 텅스텐 전극을 상하방향으로 이동시키기 위한 제1이동부재와, 상기 진공챔버의 전방 일측에 형성하여 텅스텐 전극을 전후 및 좌우방향으로 이동시키기 위한 제2이동부재와, 상기 몸체의 일측에 설치하는 컨트롤박스와, 아크발생부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이타늄 봉재를 제조하기 위한 연속식 비소모성 진공아크용해장치가 개시되어 있다. 또한 국제 공개특허 2015/071312호(발명의 명칭 : 금형으로 주조된 전극 상에 연결 헤드를 고정하기 위한 공구, 관련 시설 및 방법, 이하 종래기술 2라 한다.)에서는 소스금속피드가 용융리셉터클에 투입되고, 이것이 정련허스를 거쳐, 몰드로 이동하게 되는 시설로 용융장치는 플라즈마토치 또는 전자총을 사용하는 시설이 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래기술 1이 저진공 분위기하에서 용해작업이 행해지므로 타이타늄스크랩이 산소 등에 의해 오염될 수 있는 우려가 있다는 제1문제점, 종래기술 2가 플라즈마토치와 전자총을 모두 사용한 금속용해장치로 종래기술 1보다 많은 장점을 가지기는 하나 타이타늄은 산소와의 친화도(affinity)가 강해서 산소의 제거가 문제인데도 산소를 제거하기 위한 구성을 갖추지 않고 있다는 제2문제점, 종래기술 1 및 종래기술 2는 용해된 타이타늄스크랩을 수용하는 도가니 같은 부위가 마모될 수 있다는 제3문제점을 해결하려 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위해 안출되는 본 발명은, 타이타늄스크랩을 정련하는 공정을 수행하는 타이타늄정련용해로에 있어서, 내부에 용해대상을 수용하는 타이타늄용탕부, 내부에 상기 타이타늄용탕부를 포함하는 메인챔버부, 금속불순물을 제거하는 제1기능 및 산소를 제거하는 제2기능을 구비하는 가열원부, 상기 타이타늄용탕부에 상기 타이타늄스크랩을 공급하는 스크랩공급부 및 상기 타이타늄용탕부로부터 타이타늄용융체를 인출하는 잉곳인출부를 포함하여 이루어지고, 상기 가열원부는 상기 제1기능을 수행하는 유도코일부와 상기 제1기능 및 상기 제2기능을 수행하는 플라즈마생성부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로를 제공한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 용해대상은 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)의 일부 및 상기 타이타늄스크랩을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 용해대상은 상기 가열원부에 의하여 가열되어, 상기 금속불순물 및 상기 산소를 포함하는 타이타늄용탕을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 타이타늄용탕부는 하부의 일부가 개방되고, 상기 용해대상을 수용하는 기능을 구비하는 냉도가니를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 냉도가니는 수냉구조를 구비하고, 상기 타이타늄용탕을 냉각하여 반고체상태인 상기 타이타늄용융체로 제조하는 기능을 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 냉도가니는 상기 유도코일부에 의하여 유도되는 자기장을 투과시키는 복수개의 슬릿(slit) 및 상기 슬릿(slit)에 의하여 분할되는 복수개의 세그먼트(segment)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 유도코일부는 상기 타이타늄용탕을 전자기유도를 통하여 상기 냉도가니로부터 이격시키는 기능을 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 유도코일부는 상기 냉도가니의 둘레방향으로 상기 냉도가니의 외측에 밀착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 플라즈마생성부는 플라즈마건제어유닛 및 상기 타이타늄용탕의 소정의 위치에 수소이온 및 전자를 조사하여 상기 제2기능을 수행하는 플라즈마건을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 플라즈마건제어유닛은 소정의 정련효과를 확보하기 위하여 상기 타이타늄용탕의 수위에 대응하여 상기 플라즈마건의 출력을 조절하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 플라즈마건제어유닛은 소정의 정련효과를 확보하기 위하여 상기 타이타늄용탕의 수위에 대응하여 상기 플라즈마건을 수직운동시키는 기능을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 잉곳인출부는 상기 타이타늄용융체를 소정의 냉각수단을 통하여 타이타늄잉곳으로 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 타이타늄정련용해로를 이용하여 상기 타이타늄스크랩을 정련하는 타이타늄정련방법에 있어서, 상기 메인챔버부 내부를 진공 또는 불활성기체 분위기로 만드는 단계, 상기 타이타늄용탕부 내부의 소정의 위치에 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)을 설치하는 단계, 상기 유도코일부의 유도가열에 의하여 상기 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)의 일부가 용해되어 타이타늄용융풀(titanium melt pool)이 형성되는 단계, 상기 스크랩공급부가 상기 타이타늄스크랩을 상기 타이타늄용융풀(titanium melt pool)에 공급하는 단계, 상기 가열원부에 의하여 공급된 타이타늄스크랩이 용해되어 타이타늄용탕이 형성되는 단계, 가열원부가 상기 제1기능 및 상기 제2기능을 수행하는 단계, 상기 타이타늄용탕이 냉각되어 반고체상태인 상기 타이타늄용융체로 제조되는 단계, 상기 잉곳인출부가 타이타늄용융체를 타이타늄용탕부로부터 인출하면서 냉각하여 타이타늄잉곳을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지고, 타이타늄스크랩을 공급하는 단계 내지 타이타늄용융체를 인출하면서 냉각하여 타이타늄잉곳을 제조하는 단계는 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련방법을 제공한다.
본 발명은 진공 또는 불활성기체 분위기하에서 플라즈마와 유도가열을 이용한 빠르고 연속적인 정련이 진행되므로 타이타늄스크랩의 오염의 우려가 없다는 제1효과, 유도가열 및 플라즈마를 이용하여 금속불순물을 증발시킬 수 있다는 제2효과, 플라즈마로 수소이온 및 전자를 용해된 타이타늄스크랩에 조사하여 용해된 타이타늄스크랩이 포함하는 산소를 제거할 수 있다는 제3효과, 정련된 타이타늄뿐만 아니라 정련된 타이타늄합금도 제조될 수 있다는 제4효과, 유도코일에 의한 전자기유도 현상을 이용하여 냉도가니와 타이타늄용탕이 접촉하지 않기 때문에 냉도가니를 반영구적으로 사용할 수 있다는 제5효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따르면 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명인 타이타늄정련용해로의 일실시예로서, 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)이 냉도가니 내부에 설치된 모습을 나타내는 모식도.
도 2는 본 발명인 타이타늄정련용해로의 일실시예로서, 타이타늄용융풀(titanium melt pool)이 형성된 모습을 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명인 타이타늄정련용해로의 일실시예로서, 타이타늄용탕이 형성된 모습을 나타내는 모식도.
도 4는 본 발명인 타이타늄정련용해로의 일실시예로서, 타이타늄잉곳이 제조된 모습을 나타내는 모식도.
도 5는 일실시예로서, 냉도가니 및 유도코일부의 일부를 나타내는 모식도.
도 6은 냉도가니 및 유도코일부의 일실시예를 나타내는 평면도.
도 7은 전자기유도에 의하여 타이타늄용탕과 냉도가니가 이격되는 모습을 설명하는 개념도.
도 8은 각 금속별 온도에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명인 타이타늄정련용해로의 일실시예로서, 타이타늄용융풀(titanium melt pool)이 형성된 모습을 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명인 타이타늄정련용해로의 일실시예로서, 타이타늄용탕이 형성된 모습을 나타내는 모식도.
도 4는 본 발명인 타이타늄정련용해로의 일실시예로서, 타이타늄잉곳이 제조된 모습을 나타내는 모식도.
도 5는 일실시예로서, 냉도가니 및 유도코일부의 일부를 나타내는 모식도.
도 6은 냉도가니 및 유도코일부의 일실시예를 나타내는 평면도.
도 7은 전자기유도에 의하여 타이타늄용탕과 냉도가니가 이격되는 모습을 설명하는 개념도.
도 8은 각 금속별 온도에 따른 증기압의 변화를 나타내는 그래프.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 도면에 표시된 도면 부호 중 괄호 안에 삽입된 도면 부호는 상위 구성요소를 의미한다. 예를 들어, 도 1에서 310은 유도코일부(310)를 의미하지만, (300)은 유도코일부(310)보다 상위 구성요소인 가열원부(300)를 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 타이타늄정련방법은 타이타늄스크랩(111)을 정련하여 고순도의 타이타늄잉곳(113b)을 제조하는 방법으로 본 발명의 타이타늄정련용해로(10)를 이용하므로, 타이타늄정련방법을 상술하면서 타이타늄정련용해로(10)에 대하여도 상술하여, 중복된 설명을 피하고자 한다. 그리고 타이타늄정련방법에 의한 공정을 타이타늄정련공정이라고 하기로 하며, 이하 같다. 타이타늄정련용해로(10)는 타이타늄스크랩(111)을 정련하는 공정을 수행하고, 타이타늄용탕부(100), 메인챔버부(200), 가열원부(300), 스크랩공급부(400) 및 잉곳인출부(500)를 포함하여 이루어진다. 타이타늄정련용해로(10)의 일실시예를 도시하고 있는 도 1을 참조하면, 메인챔버부(200)는 그 내부에 타이타늄용탕부(100)를 포함하고, 타이타늄정련공정에서 상기 타이타늄용탕부(100)는 용해대상을 수용하게 된다. 여기서 용해대상이란 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부 및 타이타늄스크랩(111)이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)에 대하여는 후술하며, 상기 타이타늄스크랩(111)은 스크랩공급부(400)에 의하여 타이타늄용탕부(100)로 공급된다. 타이타늄용탕부(100)에 공급된 타이타늄스크랩(111)은 가열원부(300)에 의하여 가열되어 용해되는데, 가열원부(300)는 유도코일부(310) 및 플라즈마생성부(320)를 포함하나, 다른 가열수단을 배제하는 것은 아니다. 플라즈마생성부(320) 및 스크랩공급부(400)는 도 1에 도시된 바와 같이 메인챔버부(200)의 외측에 존재하고 그 일부가 메인챔버부(200)와 연결되어 있을 수 있으나, 플라즈마생성부(320) 및 스크랩공급부(400)의 위치를 제한하는 것은 아니다. 용해된 타이타늄스크랩(111)은 타이타늄용융체로 되어 잉곳인출부(500)가 타이타늄용융체를 인출하게 되는데, 이에 대해서는 후술하기로 하며, 본 발명의 타이타늄정련방법을 이하 각 단계별로 상술하기로 한다.
첫째, 메인챔버부(200) 내부를 진공 또는 불활성기체 분위기로 만든다. 메인챔버부(200) 내부를 진공 분위기로 만들 수 있고, 메인챔버부(200) 내부를 진공 분위기로 만든 다음 불활성기체 분위기로 만들 수도 있다. 메인챔버부(200) 내부를 진공 분위기로 만들 경우, 진공펌프를 메인챔버부(200)와 연결하여 메인챔버부(200) 내부의 기체분자를 배출시킬 수 있다. 타이타늄정련공정은 타이타늄스크랩(111)을 정련하여 고순도의 타이타늄잉곳(113b)을 제조하는 공정이므로, 타이타늄용탕부(100)에 공급된 타이타늄스크랩(111)은 타이타늄정련공정 중에 메인챔버부(200) 내부의 기체(타이타늄스크랩(111)과 반응시키기 위하여 의도적으로 메인챔버부(200) 내부에 주입한 기체가 있다면 이러한 기체는 제외하며, 이하 같다.)와 반응하지 않는 것이 좋다. 따라서 메인챔버부(200) 내부를 진공 분위기로 만들 필요가 있는데, 본 발명은 전자빔용해(Electron Beam Melting, EBM)법을 사용하지 않으므로, 고진공상태가 필수적인 것은 아니다. 메인챔버부(200) 내부를 진공 분위기로 만든 다음 불활성기체 분위기로 만들 수도 있는데, 이는 타이타늄스크랩(111)이 메인챔버부(200) 내부의 기체와 반응하는 것을 방지하고, 용해된 타이타늄스크랩(111)에 포함된 타이타늄이 증발하는 것을 방지하기 위함이다. 불활성기체로 메인챔버부(200) 내부를 충진하였을 때 압력은 대기압 정도가 되어도 타이타늄정련공정은 원활히 진행될 수 있으며, 상기 불활성기체는 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
둘째, 타이타늄용탕부(100) 내부의 소정의 위치에 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)을 설치한다(도 1). 도 1에 도시된 일실시예에 따르면, 타이타늄용탕부(100)는 하부의 일부가 개방된 냉도가니(110)를 포함할 수 있다. 냉도가니(110)의 형태는 도 1 내지 도 6 모두에서 원기둥의 형태를 도시하고 있으나, 이는 일실시예일 뿐이며, 타원기둥이나 각기둥도 될 수 있는 등, 다른 형태를 배제하는 것은 아니다. 냉도가니(110)가 존재하는 경우, 전술한 용해대상을 냉도가니(110)가 수용하게 되고, 특히 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)은 냉도가니(110) 하부의 개방된 부분에 위치하여 냉도가니(110) 바닥의 일부가 된다. 물론 상기 타이타늄용탕부(100) 내부의 소정의 위치를 냉도가니(110) 하부의 개방된 부분으로 한정하는 것은 아니다. 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)은 고순도의 타이타늄으로 제조하는 것을 제안한다. 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)은 타이타늄스크랩(111) 정련 후에 제조될 타이타늄잉곳(113b)에 대하여 타이타늄잉곳(113b)의 최하부에서 타이타늄잉곳(113b)을 지지하는 역할을 하지만, 타이타늄잉곳(113b)의 최하부에 위치하기 때문에, 불순물을 증발시켜 타이타늄스크랩(111)을 정련하는 본 발명의 방식(후술할 것임.)으로는, 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)이 불순물을 많이 포함할 경우 이를 정련하기 쉽지 않기 때문이다. 더구나 도 1에 도시된 일실시예에서는 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 절반이 냉도가니(110)에 포함되어 있고, 나머지 절반이 잉곳인출부(500)에 포함되어 있는데, 이러한 경우 잉곳인출부(500)에 포함되어 있는 절반의 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)은 불순물을 제거하기 더욱 어렵다. 또한 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 형태는 도 1 내지 도 4에서는 원기둥의 형태를 도시하고 있으나, 다른 형태를 배제하는 것은 아니다. 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)은 도 1에 도시된 바와 같이 풀러(puller)(510)와 결합될 수 있는데, 풀러(puller)(510)가 하강하면서 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)을 포함하는 타이타늄용융체를 냉도가니(110) 밑으로 잡아당겨 타이타늄잉곳(113b)을 제조할 수 있다. 자세한 내용은 후술한다.
셋째, 유도코일부(310)에 전류를 인가하여 유도가열의 방법으로 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부를 가열 및 용해함으로써 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)을 형성한다(도 2). 유도코일부(310)는 복수개의 유도코일(311)로 이루어지고(이에 한정하지 않음.), 타이타늄정련용해로(10)의 일실시예를 나타낸 도 1 및 냉도가니(110)와 유도코일부(310)의 일실시예를 나타낸 도 5에 도시된 것과 같이 냉도가니(110)의 둘레방향으로 냉도가니(110)의 외측에 밀착되어 있을 수 있다. 이 경우, 유도코일부(310)에 전류를 인가하면 냉도가니(110)의 내부를 관통하는 자기장이 유도되어, 도 1에 도시된, 냉도가니(110)에 포함된 절반의 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)이 유도가열로 인해 용해되어, 도 2에 도시된 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)로 될 수 있다. 도 6은 냉도가니(110) 및 유도코일부(310)의 일실시예를 나타내는 평면도인데, 도 5 및 도 6을 참조하여 더욱 자세히 설명하자면, 도 5를 위에서 바라보았을 때 도 6과 같이 반시계방향으로 전류가 흐르도록 유도코일부(310)에 전류를 인가하였다면, 암페어법칙에 의하여 자기장은 도 5에서 위를 향하는 방향(도 6에서는 지면을 뚫고 나오는 방향)으로 유도되고, 냉도가니(110) 내부의 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)에는 렌츠의 법칙에 의하여 유도코일부(310)에 흐르는 전류와 반대방향인 시계방향의 유도전류가 흐르게 되고, 이 유도전류에 의하여 줄열이 발생하여 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부가 용해되게 된다. 이러한 과정에서 유도코일부(310)에 의하여 유도되는 자기장을 냉도가니(110) 내부로 원활하게 투과시키기 위하여, 도 5및 도 6에 도시된 바와 같이 냉도가니(110)는 유도코일부(310)에 의하여 유도되는 자기장을 투과시키는 복수개의 슬릿(slit) 및 상기 슬릿(slit)에 의하여 분할되는 복수개의 세그먼트(segment)를 포함할 수 있다(도 6에서는 모든 슬릿(slit) 및 모든 세그먼트(segment)에 도면 부호를 붙이지는 않았음.). 복수개의 세그먼트(segment) 각각의 폭(각 슬릿(slit) 간 간격)은 도 5 및 도 6에서는 동일한 것으로 나타내었지만, 이는 일실시예일 뿐이며, 냉도가니(110)의 형태, 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 형태 또는 여러 가지 공정조건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 형태가 사각기둥이고, 그 평단면이 가로가 길고 세로가 짧은 직사각형이라면, 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)이 고르게 가열되지 않을 수 있다. 이때 세그먼트(segment)의 폭(슬릿(slit) 간 간격)을 조절함으로써 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)을 고르게 가열할 수 있다.
넷째, 스크랩공급부(400)가 타이타늄스크랩(111)을 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)에 공급한다(도 2). 스크랩공급부(400)에 타이타늄스크랩(111)을 장입하면, 스크랩공급부(400)는 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)에 타이타늄스크랩(111)을 공급하는데, 스크랩공급부(400)에 타이타늄스크랩(111)을 장입하기 전에, 타이타늄스크랩(111)이 용해효율이 떨어질 정도로 크기가 큰 경우 소정의 크기로 잘라낼 필요가 있고, 타이타늄스크랩(111)이 타이타늄정련공정을 마친 후에도 불순물이 많이 남아있게 될 정도로 오염되어 있는 경우 타이타늄스크랩(111)을 산세한 후 세척할 필요가 있으나, 이러한 공정들이 필수적인 것은 아니다. 도 2에 도시된 바와 같이 스크랩공급부(400)가 냉도가니(110)의 우측 상부에 위치하여 타이타늄스크랩(111)을 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)의 표면에 떨어뜨릴 수 있으나, 다른 방법을 배제하는 것은 아니다.
다섯째, 가열원부(300)가 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)에 공급된 타이타늄스크랩(111)을 가열 및 용해하여 타이타늄용탕(113a)을 형성한다(도 3). 유도코일부(310) 및 플라즈마생성부(320) 2개의 가열원이 타이타늄스크랩(111)을 용해하나, 다른 가열수단을 배제하는 것은 아니다. 전술한, 유도코일부(310)의 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부의 용해방식과 같이, 유도코일부(310)는 전술한 유도가열의 방식으로 타이타늄스크랩(111)을 용해할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한 플라즈마생성부(320)는 플라즈마건(321)을 포함할 수 있는데, 도 3에 도시된 일실시예와 같이, 이러한 플라즈마건(321)이 타이타늄용탕부(100)의 연직상방에 위치하여 고온의 플라즈마를 타이타늄스크랩(111)에 조사함으로써 타이타늄스크랩(111)을 용해할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 타이타늄스크랩(111)이 용해되면 용해된 타이타늄스크랩(111)은 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)과 합쳐져 타이타늄용탕(113a)을 형성하게 된다.
여섯째, 가열원부(300)가 금속불순물을 제거하는 제1기능 및 산소를 제거하는 제2기능을 수행한다. 타이타늄용탕(113a)은 금속불순물, 산소 또는 금속불순물 및 산소를 포함할 수 있는데, 이 경우 유도코일부(310) 및 플라즈마생성부(320)가 타이타늄용탕(113a)을 가열하여 타이타늄보다 증기압이 높은 금속불순물을 기화시킴으로써 금속불순물을 제거하는 제1기능을 수행하고, 플라즈마생성부(320)가 플라즈마건(321)으로 타이타늄용탕(113a)의 소정의 위치에 수소이온 및 전자를 조사함으로써 산소를 제거하는 제2기능을 수행한다.
상기 금속불순물은 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 또는 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si)이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 도 8에서는 각 금속별 온도에 따른 증기압이 도시되어 있다. 유도코일부(310)는 상기에서 설명한 유도가열을 통하여, 플라즈마생성부(320)는 플라즈마건(321)으로 조사하는 고온의 플라즈마를 통하여 타이타늄용탕(113a)을 가열하는데, 도 8에서 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si) 모두 타이타늄보다 증기압이 높으므로, 그러한 증기압에 도달하기 위해 증발하게 된다. 특히 유도코일부(310)는 제1기능을 수행함에 있어서, 전자기유도를 통하여 타이타늄용탕(113a)을 냉도가니(110)로부터 이격시키는 기능을 더 구비할 수 있는데, 이에 대하여 도 5, 도 6 및 상기 전자기유도를 설명하는 개념도인 도 7을 참조하여 설명하고자 한다. 도 5를 위에서 바라보았을 때 도 6과 같이 반시계방향(도 7에서는 지면을 뚫고 들어가는 방향)으로 전류가 흐르도록 유도코일부(310)에 전류를 인가하면, 암페어법칙에 의하여 자기장은 도 5에서 위를 향하는 방향(도 6에서는 지면을 뚫고 나오는 방향, 도 7에서는 위를 향하는 방향)으로 유도되고, 냉도가니(110) 내부의 타이타늄용탕(113a)에는 렌츠의 법칙에 의하여 유도코일부(310)에 흐르는 전류와 반대방향인 시계방향(도 7에서는 지면을 뚫고 나오는 방향)의 유도전류가 흐르게 되며, 플레밍의 왼손법칙에 의하여 타이타늄용탕(113a)의 중앙부를 향하여 로렌츠힘이 작용하게 된다. 따라서 타이타늄용탕(113a)은 냉도가니(110)로부터 이격될 수 있다. 또한 유도코일부(310)에 반대방향의 전류를 인가하여도 같은 결과를 얻을 수 있다. 또는 냉도가니(110)의 복수개의 세그먼트(segment)도 상기 전자기유도에 관여하는 것으로 고려하여도 위와 같은 결과를 얻을 수 있는데, 도 5를 위에서 바라보았을 때 도 6과 같이 반시계방향(도 7에서는 지면을 뚫고 들어가는 방향)으로 전류가 흐르도록 유도코일부(310)에 전류를 인가하면, 암페어법칙에 의하여 자기장은 도 5에서 위를 향하는 방향(도 6에서는 지면을 뚫고 나오는 방향, 도 7에서는 위를 향하는 방향)으로 유도되고, 냉도가니(110)의 복수개의 세그먼트(segment) 및 냉도가니(110) 내부의 타이타늄용탕(113a)에는 렌츠의 법칙에 의하여 유도코일부(310)에 흐르는 전류와 반대방향인 시계방향(도 7의 세그먼트(segment)에서는 세그먼트(segment)의 왼쪽일부에 지면을 뚫고 들어갔다가 세그먼트(segment)의 오른쪽일부로 지면을 뚫고 나오는 방향, 도 7의 타이타늄용탕(113a)에서는 지면을 뚫고 나오는 방향)의 유도전류가 흐르게 된다. 그리고 복수개의 세그먼트(segment)에 시계방향으로 흐르는 유도전류에 의해 유도되는 자기장도 암페어법칙에 의하여 도 5에서 위를 향하는 방향(도 6에서는 지면을 뚫고 나오는 방향, 도 7에서는 위를 향하는 방향)을 가지게 된다. 따라서 플레밍의 왼손법칙에 의하여 타이타늄용탕(113a)의 중앙부를 향하여 로렌츠힘이 작용하게 되어 타이타늄용탕(113a)은 냉도가니(110)로부터 이격될 수 있고, 유도코일부(310)에 반대방향의 전류를 인가하여도 같은 결과를 얻을 수 있다. 이와 같은 현상을 일종의 핀치효과(pinch effect)라고도 할 수 있는데, 이렇게 타이타늄용탕(113a)이 냉도가니(110)와 이격됨으로써, 타이타늄용탕(113a)이 냉도가니(110)의 중앙부로 모여져 가열원부(300)에 의해 가열되는 효과가 있기 때문에, 타이타늄용탕(113a)을 냉도가니(110)와 접촉시켜 가열하는 경우보다 용해효율이 좋을 뿐만 아니라, 금속불순물도 더 효율적으로 제거할 수 있으며, 냉도가니(110)를 반영구적으로 사용할 수 있다. 다만 앞에서 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부를 용해할 때 설명한 바와 같이, 복수개의 세그먼트(segment) 각각의 폭(각 슬릿(slit) 간 간격)이 일정할 필요는 없는데, 냉도가니(110)의 형태, 타이타늄스크랩(111)의 조성, 타이타늄스크랩(111)내의 금속불순물의 분포, 타이타늄스크랩(111)의 형태 또는 로렌츠힘을 받고 있는 타이타늄용탕(113a)의 형태를 고려하여 세그먼트(segment)의 폭(슬릿(slit) 간 간격)에 변화를 줌으로써 타이타늄용탕(113a)의 중앙부를 향하는 로렌츠힘의 세기를 조절하여, 타이타늄스크랩(111)의 용해속도 또는 금속불순물의 제거속도를 조절할 수 있으나, 세그먼트(segment)의 폭(슬릿(slit) 간 간격)을 정하는데 고려할 요소 및 로렌츠힘의 조절에 의해 조절되는 것들을 이에 한정하는 것은 아니다.
또한 플라즈마생성부(320)는 플라즈마건(321)이 타이타늄용탕(113a)의 소정의 위치에 수소이온 및 전자를 조사하게 하여 타이타늄용탕(113a)이 포함하는 산소를 제거하는 제2기능을 수행할 수 있는데, 이때의 화학반응은 다음 반응식 1과 같다.
[반응식 1]
2H+(g) + O(g) + 2e- = H2O(g)
알려진 바에 의하면, 타이타늄의 녹는점인 섭씨1600도에서 상기 반응식 1의 깁스자유에너지(Gibbs free energy)변화량은 -717.9kcal로 음의 값이므로, 상기 반응식 1의 반응은 자발적이라고 할 수 있다. 플라즈마생성부(320)는 플라즈마건(321) 외에도 플라즈마건제어유닛(322)을 포함할 수 있는데, (가) 플라즈마건제어유닛(322)은 타이타늄용탕(113a)의 수위에 대응하여 플라즈마건(321)의 출력을 조절하는 기능을 수행할 수 있다. 타이타늄정련공정의 초반에는 타이타늄용탕(113a)이 생성되면서 타이타늄용탕(113a)의 수위가 높아지겠지만, 타이타늄정련공정을 진행하다 보면 타이타늄용탕(113a)의 수위가 높아질 수도 있고, 타이타늄용탕(113a)의 수위가 낮아질 수도 있다. 따라서 플라즈마건제어유닛(322)은 타이타늄용탕(113a)의 수위를 감지하는 센서, 제어부 및 구동부를 갖추어, 먼저 타이타늄용탕(113a)의 수위를 감지하고 그 수위에 대한 신호를 제어부로 보낸 다음, 제어부에서는 플라즈마건(321)의 출력을 조절하는 제어신호를 구동부로 보내고, 구동부에서 플라즈마건(321)의 운전전압, 운전전류 또는 운전전압 및 운전전류를 조절함으로써, 소정의 정련효과를 확보할 수 있으나, 이러한 방법에 한정하는 것은 아니다. 소정의 정련효과는 특정한 시간 내에 타이타늄정련공정을 수행하거나 타이타늄용탕(113a)이 포함하는 산소를 특정한 정도까지 제거하는 것이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, (나) 플라즈마건제어유닛(322)은 타이타늄용탕(113a)의 수위에 대응하여 플라즈마건(321)을 수직운동시키는 기능을 수행할 수 있는데, 플라즈마건제어유닛(322)은 타이타늄용탕(113a)의 수위를 감지하는 센서, 제어부 및 구동부를 갖추어, 먼저 타이타늄용탕(113a)의 수위를 감지하고 그 수위에 대한 신호를 제어부로 보낸 다음, 제어부에서는 플라즈마건(321)의 지표면으로부터의 높이를 조절하는 제어신호를 구동부로 보내고, 구동부에서 상기 높이를 조절하여 플라즈마건(321) 및 타이타늄용탕(113a) 간 거리를 조절함으로써, 소정의 정련효과를 확보할 수 있으나, 이러한 방법에 한정하는 것은 아니다. 구동부가 상기 높이를 조절하는 방법은 유·공압실린더의 변위를 이용하는 방법, 모터 및 랙앤피니언(rack and pinion) 세트를 이용하는 방법, 모터 및 디스크와 벨트를 이용하는 방법 또는 모터 및 스프로킷(sprocket)과 체인을 이용하는 방법 중 하나 이상이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 소정의 정련효과는 특정한 시간 내에 타이타늄정련공정을 수행하거나 타이타늄용탕(113a)이 포함하는 산소를 특정한 정도까지 제거하는 것이 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 플라즈마건제어유닛(322)에 의하여 플라즈마건(321) 및 타이타늄용탕(113a) 간 거리는 타이타늄정련공정이 진행됨에 따라 증가할 수도 있고, 일정하게 유지될 수도 있으며, 감소할 수도 있으나, 거리의 증가와 감소가 모두 있을 수 있음을 배제하는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 플라즈마건(321) 및 타이타늄용탕(113a) 간 거리는 일정하게 유지하는 것을 제안하는데, 후술하겠지만 타이타늄정련공정은 타이타늄스크랩(111)의 공급, 타이타늄스크랩(111)의 용해, 타이타늄용탕(113a)의 정련 및 타이타늄용융체의 인출의 과정이 시간간격 없이 연속적으로 이루어지기 때문에, 타이타늄스크랩(111)이 일정한 속도로 공급된다면, 공급된 타이타늄스크랩(111)을 일정한 속도로 용해하고, 타이타늄용탕(113a)을 일정한 속도로 정련하며, 타이타늄용융체를 일정한 속도로 인출할 필요가 있기 때문이다. 또한, (다) 플라즈마건제어유닛(322)은 타이타늄용탕(113a)의 수위에 대응하여 플라즈마건(321)의 출력 및 플라즈마건(321)의 지표면으로부터의 높이를 조절하는 기능을 수행할 수 있다. 이는 소정의 정련효과를 확보하기 위하여 상기 출력 및 높이를 최적화시키려는 것으로, 상기 (가) 및 상기 (나)에서 설명한 방법으로 수행할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
일곱째, 타이타늄용탕(113a)이 냉각되어 타이타늄용융체(미도시)로 제조된다. 가열원부(300)는 타이타늄용탕(113a)을 가열하며 제1기능 및 제2기능을 수행하는데, 이와 동시에 타이타늄용탕(113a)의 냉각이 이루어진다. 상기에서 설명한 것과 같은 냉도가니(110)가 존재하는 경우, 냉도가니(110)를 구성하는 복수개의 세그먼트(segment) 각각의 내부에 냉각수가 흘러 냉도가니(110) 내부의 타이타늄용탕(113a)을 냉각할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 도 5에서는 냉도가니(110)의 일실시예로 냉각수를 내포하여 수냉구조를 구비한 냉도가니(110)를 도시하고 있는데, 세그먼트(segment)의 내부로 흘러들어간 냉각수는 세그먼트(segment) 내부의 구분된 구역을 거쳐 다시 밖으로 흘러나오게 된다. 이렇게 순환되는 냉각수에 의하여 냉각수는 일정한 냉각온도를 유지하며 타이타늄용탕(113a)을 냉각하는 기능을 수행할 수 있으나, 가열원부(300)에 의하여 타이타늄용탕(113a)의 가열도 동시에 이루어지고 있기 때문에, 이 단계에서 타이타늄용탕(113a)이 완전한 고체로 냉각되지는 않는다. 따라서 타이타늄용탕(113a)은 이 단계에서 냉각되기는 하나, 반고체상태가 되는데 이러한 반고체상태의 물질을 타이타늄용융체라고 하기로 한다.
여덟째, 잉곳인출부(500)가 타이타늄용융체를 타이타늄용탕부(100)로부터 인출하면서 냉각하여, 타이타늄잉곳(113b)을 제조한다(도 4). 도 4에 도시된 일실시예에 따르면, 잉곳인출부(500)는 하부가 개방된 냉도가니(110)의 하부에 연결되어, 냉도가니(110)의 개방된 하부를 통하여 타이타늄용융체를 냉도가니(110)로부터 인출할 수 있다. 도 4에서 풀러(pull)는 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)에 직접적으로 연결된 상태에서, 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)을 포함하는 타이타늄용융체를 아래로 잡아당기는데, 잉곳인출부(500)는 소정의 냉각수단을 갖추어 타이타늄용융체를 천천히 냉도가니(110) 밖으로 인출시키면서 타이타늄용융체를 냉각할 수 있다. 상기 소정의 냉각수단은 아르곤(Ar), 헬륨(He) 또는 기타 냉매가 될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 타이타늄용융체가 냉각되어 형성된 완전한 고체상태의 물질을 타이타늄잉곳(113b)이라고 하기로 한다. 타이타늄스크랩(111)을 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)에 공급하고, 공급된 타이타늄스크랩(111)이 용해되어 타이타늄용탕(113a)을 형성하며, 타이타늄용탕(113a)의 금속불순물 및 산소를 제거하는 정련과정을 거친 후에, 정련된 타이타늄용탕(113a)을 냉각하여 타이타늄용융체로 만들고, 타이타늄용융체를 인출하면서 냉각하여 타이타늄잉곳(113b)을 제조하는 과정은 시간간격 없이 연속적으로 이루어지기 때문에, 효율적으로 타이타늄을 정련할 수 있다.
이러한 타이타늄정련방법을 거쳐 제조된 타이타늄잉곳(113b)에 대한 성분 분석 결과를 이하 표 1을 통하여 나타내었다.
| 정련 전(타이타늄스크랩) | 정련 후(타이타늄잉곳) | |
| 코발트(Co) | 0.13% | 0.117% |
| 실리콘(Si) | 0.10% | 0.06% |
| 산소(O) | 0.5356% | 0.3130 ~ 0.4125% |
상기 표 1의 결과를 살펴보면, 금속불순물 중 코발트(Co)는 정련 전에는 타이타늄스크랩(111)에 0.13%만큼 포함되어 있었지만, 정련 후에는 타이타늄잉곳(113b)에 0.117%만큼 포함되어 있어, 10% 감소의 정련효과가 있었음을 알 수 있다. 또한 금속불순물 중 실리콘(Si)은 정련 전에는 타이타늄스크랩(111)에 0.10%만큼 포함되어 있었지만, 정련 후에는 타이타늄잉곳(113b)에 0.06%만큼 포함되어 있어, 40% 감소의 정련효과가 있었음을 알 수 있고, 산소는 정련 전에는 타이타늄스크랩(111)에 0.5356%만큼 포함되어 있었지만, 정련 후에는 타이타늄잉곳(113b)에 0.3130 내지 0.4125%만큼 포함되어 있어, 23 내지 42% 감소의 정련효과가 있었음을 알 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
10 : 타이타늄정련용해로
100 : 타이타늄용탕부
110 : 냉도가니
111 : 타이타늄스크랩
112a : 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)
112b : 타이타늄용융풀(titanium melt pool)
113a : 타이타늄용탕
113b : 타이타늄잉곳
200 : 메인챔버부
300 : 가열원부
310 : 유도코일부
311 : 유도코일
320 : 플라즈마생성부
321 : 플라즈마건
322 : 플라즈마건제어유닛
400 : 스크랩공급부
500 : 잉곳인출부
510 : 풀러(puller)
100 : 타이타늄용탕부
110 : 냉도가니
111 : 타이타늄스크랩
112a : 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)
112b : 타이타늄용융풀(titanium melt pool)
113a : 타이타늄용탕
113b : 타이타늄잉곳
200 : 메인챔버부
300 : 가열원부
310 : 유도코일부
311 : 유도코일
320 : 플라즈마생성부
321 : 플라즈마건
322 : 플라즈마건제어유닛
400 : 스크랩공급부
500 : 잉곳인출부
510 : 풀러(puller)
Claims (13)
- 타이타늄스크랩(111)을 정련하는 공정을 수행하는 타이타늄정련용해로(10)에 있어서,
내부에 용해대상을 수용하는 타이타늄용탕부(100);
내부에 상기 타이타늄용탕부(100)를 포함하는 메인챔버부(200);
금속불순물을 제거하는 제1기능을 수행하는 유도코일부(310), 및 상기 제1기능과 산소를 제거하는 제2기능을 수행하는 플라즈마생성부(320)를 포함하는 가열원부(300);
상기 타이타늄용탕부(100)에 상기 타이타늄스크랩(111)을 공급하는 스크랩공급부(400); 및
상기 타이타늄용탕부(100)의 하부에 연결된 잉곳인출부(500);
를 포함하여 이루어지고,
상기 용해대상은 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부 및 상기 공급된 타이타늄스크랩(111)을 포함하고,
상기 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부는 상기 유도코일부(310)에 의해 가열 및 용해되어 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)이 되고,
상기 공급된 타이타늄스크랩(111)은, 상기 유도코일부(310) 및 상기 플라즈마생성부(320)에 의해 가열 및 용해되면서 상기 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)과 합쳐져, 상기 금속불순물 및 상기 산소를 포함하는 타이타늄용탕(113a)이 되고,
상기 잉곳인출부(500)는, 상기 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 나머지에 결합되어 하강하면서 상기 타이타늄용탕(113a)이 반고체화된 것인 타이타늄용융체를 상기 타이타늄용탕부(100)의 하부로 인출하는 풀러(puller)(510), 및 상기 인출되는 타이타늄용융체를 냉각하여 타이타늄잉곳(113b)으로 제조하는 냉각수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 타이타늄용탕부(100)는 하부의 일부가 개방되고, 상기 용해대상을 수용하는 기능을 구비하는 냉도가니(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
- 청구항 4에 있어서,
상기 냉도가니(110)는 수냉구조를 구비하여, 상기 타이타늄용탕(113a)을 상기 타이타늄용융체로 제조하는 기능을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
- 청구항 4에 있어서,
상기 냉도가니(110)는 상기 유도코일부(310)에 의하여 유도되는 자기장을 투과시키는 복수개의 슬릿(slit) 및 상기 슬릿(slit)에 의하여 분할되는 복수개의 세그먼트(segment)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
- 청구항 4에 있어서,
상기 유도코일부(310)는 상기 타이타늄용탕(113a)을 전자기유도를 통하여 상기 냉도가니(110)로부터 이격시키는 기능을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
- 청구항 4에 있어서,
상기 유도코일부(310)는 상기 냉도가니(110)의 둘레방향으로 상기 냉도가니(110)의 외측에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
- 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마생성부(320)는, 상기 공급된 타이타늄스크랩(111) 및 상기 타이타늄용탕(113a)에 플라즈마를 조사하는 플라즈마건(321), 및 상기 타이타늄용탕(113a) 수위에 대응하여 상기 플라즈마건(321)의 출력과 높이를 조절하는 플라즈마건제어유닛(322)을 포함하고,
상기 플라즈마건제어유닛(322)은 상기 타이타늄용탕(113a)의 상기 수위를 감지하는 센서, 상기 센서가 상기 수위를 감지하면 제어신호를 생성하는 제어부, 및 상기 제어신호를 수신하여 상기 출력과 상기 높이를 조절하는 구동부를 포함하고,
상기 구동부는 유압실린더, 공압실린더, 랙앤피니언 세트, 디스크와 벨트, 및 스프로킷과 체인 중 하나 이상을 이용하여 상기 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
- 청구항 9에 있어서,
상기 플라즈마건(321)은 상기 타이타늄용탕(113a)에 수소이온 및 전자를 조사하여 상기 제2기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련용해로.
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- 청구항 1의 타이타늄정련용해로(10)를 이용하여 상기 타이타늄스크랩(111)을 정련하는 타이타늄정련방법에 있어서,
(I) 상기 메인챔버부(200) 내부를 진공 또는 불활성기체 분위기로 만드는 단계;
(II) 상기 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부는 상기 타이타늄용탕부(100)에 포함되고 나머지는 상기 풀러(puller)(510)에 결합되도록, 상기 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)을 설치하는 단계;
(III) 상기 유도코일부(310)의 유도가열에 의하여 상기 타이타늄시드잉곳(titanium seed ingot)(112a)의 일부가 용해되어 상기 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)이 형성되는 단계;
(IV) 상기 스크랩공급부(400)가 상기 타이타늄스크랩(111)을 상기 타이타늄용융풀(titanium melt pool)(112b)에 공급하는 단계;
(V) 상기 유도코일부(310) 및 상기 플라즈마생성부(320)에 의하여 상기 (IV)단계에서 공급된 타이타늄스크랩(111)이 용해되어 상기 타이타늄용탕(113a)이 형성되는 단계;
(VI) 상기 유도코일부(310)가 상기 제1기능을 수행하고, 상기 플라즈마생성부(320)가 상기 제1기능 및 상기 제2기능을 수행하는 단계;
(VII) 상기 타이타늄용탕(113a)이 반고체화되어 상기 타이타늄용융체로 제조되는 단계;
(VIII) 상기 풀러(puller)(510)가 상기 (VII)단계에서 제조된 타이타늄용융체를 상기 타이타늄용탕부(100)의 하부로 인출하면서, 상기 냉각수단이 상기 인출되는 타이타늄용융체를 냉각하여 상기 타이타늄잉곳(113b)으로 제조하는 단계;
를 포함하여 이루어지고,
상기 (IV)단계 내지 상기 (VIII)단계는 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타이타늄정련방법.
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