KR102531449B1 - The fabricating method of titanium ingot - Google Patents
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Abstract
전자빔 용해장치에서 전자빔의 출력에너지 또는 전자빔의 형상 중 하나 이상을 설정하는 단계; 설정된 전자빔에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산하는 단계; 상기 용해부피에 따라 완전 용해되는 티타늄 소재량을 산출하여 몰드에 티타늄 소재를 투입하는 단계; 상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하여 용융하는 단계; 및 용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성하는 단계;를 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법을 제공한다.Setting at least one of the output energy of the electron beam or the shape of the electron beam in the electron beam melting device; Calculating a melting volume of titanium in response to the set electron beam; Calculating the amount of completely dissolved titanium material according to the dissolution volume and injecting the titanium material into the mold; melting the titanium material by irradiating the electron beam; And drawing the molten titanium to form a titanium ingot; provides a titanium ingot manufacturing method comprising a.
Description
본 발명은 불순물 제거가 용이하며 용해속도를 제어하고 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 티타늄 잉곳 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a titanium ingot capable of easily removing impurities, controlling a dissolution rate, and growing a high-purity ingot.
티타늄과 같은 고융점을 가지는 금속은 일반적으로 진공 아크용해(Vacuum Arc Remelting; VAR) 또는 플라즈마 아크용해(Plasma Arc Melting; PAM)를 이용하여 용융시키며 잉곳(Ingot)을 제조할 수 있다. A metal having a high melting point, such as titanium, can be melted using vacuum arc remelting (VAR) or plasma arc melting (PAM) to produce an ingot.
진공아크용해는 용해 소재 Electrode 제조 공정이 별도로 필요하고, 수직방향으로만 용해될 수 있으므로 잉곳의 균일성(uniformity)이 떨어지며, 연속공정이 불가능할 수 있다. 플라즈마 아크용해는 전류 크기, 가스 유량, 원료 점도 등의 용해 공정 변수가 많으며, 플라즈마 구배 제어가 어려운 단점이 있다. 또한, 상기 두 가지 공정 모두 4N5급(순도99.995%) 이상의 반도체용 고순도 잉곳 제조에는 어려움이 있다.Vacuum arc melting requires a separate manufacturing process for the melting material electrode, and since it can only be melted in the vertical direction, the uniformity of the ingot is reduced, and a continuous process may be impossible. Plasma arc melting has many melting process variables such as current size, gas flow rate, and raw material viscosity, and it is difficult to control the plasma gradient. In addition, both of the above two processes have difficulties in manufacturing high-purity ingots for semiconductors of 4N5 class (99.995% purity) or higher.
이를 해결하기 위하여 한국등록특허 제10-1012843호에서는 '티타늄 원료를 용해로의 상부로 연속적으로 투입하는 단계; 상기 용해로의 용해출력을 6.0kwh/kg 이상, 15kwh/kg 이하로 하여 상기 티타늄 원료를 용해하는 단계; 및 용해된 티타늄 원료에 의해 형성된 용탕을 용해로의 하부에서 냉각하면서 인발하여 티타늄 잉곳을 만드는 단계;를 포함하는 티타늄 잉곳의 연속주조방법' 에 대한기술이 공지된 바 있으며, 일본공개특허 제1997-025522호에서는 '전자 빔 용해법에 의해 티타늄 또는 티타늄을 주성분으로 해 합금 원소를 함유하는 티탄 합금으로 구성되는 원료를 용해함으로써 고순도 금속 재료를 제조하는 방법에 있어서 수소, 파라핀 탄화수소, 암모니아, 할로겐 및 일산화탄소로 구성되는 군에서 선택된 적어도 1종의 가스에 의해 상기 원료의 용탕을 정제하는 것을 특징으로 하는 고순도 금속 재료 제조 방법'에 대한 기술이 공지된 바 있다. In order to solve this problem, Korea Patent Registration No. 10-1012843 'continuously injects titanium raw material into the upper part of the melting furnace; Melting the titanium raw material by setting the melting output of the melting furnace to 6.0 kwh/kg or more and 15 kwh/kg or less; and drawing the molten metal formed by the molten titanium raw material while cooling it in the lower part of the melting furnace to make a titanium ingot; a technique for a continuous casting method for a titanium ingot including a method has been known, and Japanese Patent Publication No. 1997-025522 has been disclosed. In the heading, 'A method for producing a high-purity metal material by melting a raw material composed of titanium or a titanium alloy containing titanium as a main component and alloying elements by an electron beam melting method, consisting of hydrogen, paraffinic hydrocarbons, ammonia, halogens and carbon monoxide. A technique for 'a method for producing a high-purity metal material' characterized by refining the molten metal of the raw material by at least one gas selected from the group is known.
그러나 상기의 기술들은 시간 지연 없이 연속적으로 이루어지므로 잉곳의 생산성은 높일 수 있으나 고순도의 티타늄을 제조하기는 한계가 있을 수 있으며, 탈산 및 불순물 금속 감소를 위하여 가스를 투입해야 하는 단점이 있다.However, since the above techniques are performed continuously without time delay, the productivity of ingots can be increased, but there may be limitations in manufacturing high-purity titanium, and there is a disadvantage in that gas must be injected for deoxidation and impurity metal reduction.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고융점을 가지는 티타늄의 용해 속도를 제어하며 용융 및 잉곳 성장을 시킬 수 있는 티타늄 잉곳 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a titanium ingot capable of melting and growing an ingot while controlling the melting rate of titanium having a high melting point.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 불순물 제거가 용이하며 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 티타늄 잉곳 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다. In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for manufacturing a titanium ingot that can easily remove impurities and grow into a high-purity ingot.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 전자빔 용해장치에서 전자빔의 출력에너지 또는 전자빔의 형상 중 하나 이상을 설정하는 단계; 설정된 전자빔에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산하는 단계; 상기 용해부피에 따라 완전 용해되는 티타늄 소재량을 산출하여 몰드에 티타늄 소재를 투입하는 단계; 상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하여 용융하는 단계; 및 용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성하는 단계;를 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법을 제공할 수 있다.In order to solve the above problem, the present invention comprises the steps of setting at least one of the output energy of the electron beam or the shape of the electron beam in the electron beam melting device; Calculating a melting volume of titanium in response to the set electron beam; Calculating the amount of completely dissolved titanium material according to the dissolution volume and injecting the titanium material into the mold; melting the titanium material by irradiating the electron beam; It is possible to provide a titanium ingot manufacturing method comprising a; and drawing the molten titanium to form a titanium ingot.
상기 티타늄의 용해부피를 연산하는 것은, 상기 설정된 전자빔에 대해 완전 용해되는 용융 깊이에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산하는 것을 포함할 수 있다.Calculating the dissolution volume of titanium may include calculating the dissolution volume of titanium corresponding to a melting depth at which the set electron beam completely melts.
상기 티타늄 소재의 투입량을 산출하는 것은, 연산된 용해부피와 티타늄의 밀도로부터 티타늄의 질량을 산출하는 것을 포함할 수 있다.Calculating the input amount of the titanium material may include calculating the mass of titanium from the calculated melting volume and density of titanium.
상기 전자빔 출력에너지를 설정하는 것은, 전자빔이 조사되는 티타늄 소재의 표면 온도를 고려하여 설정하는 것을 포함할 수 있다.Setting the electron beam output energy may include setting it in consideration of the surface temperature of the titanium material irradiated with the electron beam.
상기 전자빔 출력에너지를 설정하는 것은, 20 내지 40kV의 가속전압 조건에서 0.5A 이상 2A 이하의 전류를 인가하는 것을 포함할 수 있다.Setting the electron beam output energy may include applying a current of 0.5 A or more and 2 A or less under an accelerating voltage condition of 20 to 40 kV.
상기 전자빔 용해장치는, 전자빔을 1차 집속하는 제1 코일과, 1차 집속된 전자빔을 2차 집속하는 제2 코일을 포함하고, 상기 전자빔의 형상을 설정하는 것은, 상기 제1 코일에 인가되는 전류와 제2 코일에 인가되는 전류를 조절하며 티타늄 소재 상에 조사되는 전자빔의 형상을 조절하는 것일 수 있다.The electron beam melting device includes a first coil for primary focusing the electron beam and a second coil for secondary focusing the primarily focused electron beam, and setting the shape of the electron beam is applied to the first coil It may be to adjust the shape of the electron beam irradiated onto the titanium material by controlling the current and the current applied to the second coil.
상기 전자빔의 형상을 설정하는 것은, 상기 티타늄 소재 상에 조사되는 전자빔의 형상이 링 형상 또는 원 형상을 가지도록 설정하는 것일 수 있다.Setting the shape of the electron beam may be to set the shape of the electron beam irradiated onto the titanium material to have a ring shape or a circular shape.
상기 제1 코일과 상기 제2 코일에 인가되는 전류를 조절하는 것은, 35.5kV 가속전압과 0.5A의 전자빔 조건에서 제1 코일에 인가되는 전류:제2 코일에 인가되는 전류의 비는 1:1 또는 3.5:1인 것일 수 있다.Adjusting the current applied to the first coil and the second coil is such that the ratio of the current applied to the first coil: the current applied to the second coil is 1:1 under the condition of an accelerating voltage of 35.5 kV and an electron beam of 0.5 A. or 3.5:1.
상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하는 것은, 상기 몰드에 대해 상기 전자빔이 소정의 속도로 회전하며 스캔하는 것을 포함할 수 있다.Irradiating the electron beam to the titanium material may include scanning the mold while rotating the electron beam at a predetermined speed.
상기 티타늄 잉곳 제조방법은, 상기 용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성하는 단계 이후, 상기 산출된 티타늄 소재량을 다시 몰드에 투입하고 상기 전자빔을 조사하여 용융하고 잉곳을 형성하는 단계를 반복하며 잉곳을 지속적으로 성장시키는 것일 수 있다.The titanium ingot manufacturing method, after the step of drawing the molten titanium and forming the titanium ingot, puts the calculated amount of titanium material into the mold again, irradiates the electron beam to melt, and repeats the step of forming the ingot. may be continuously growing.
본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조방법은 고융점을 가지는 티타늄의 용해 속도를 제어하며 용융 및 잉곳 성장을 시킬 수 있으며, 불순물 제거가 용이하며 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 장점이 있다. The method for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention has the advantage of controlling the melting rate of titanium having a high melting point, melting and growing an ingot, and being able to easily remove impurities and grow into a high-purity ingot.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 용해장치를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 제1 코일 및 제2 코일의 자기장 해석 결과를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 열원 해석을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔의 형상 조절을 나타낸 사진,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 챔버의 전자빔의 형상 조절을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 조건에 대한 티타늄 표면온도와 용융 깊이를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 조건에 대한 용융깊이를 나타낸 그림,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 에너지 밀도에 대한 용융깊이를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조방법으로 제조한 티타늄 잉곳의 표면을 나타낸 사진,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 제1 코일 및 제2 코일의 권취횟수에 따른 티타늄 표면온도를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 제1 코일 및 제2 코일의 인가 전류에 따른 티타늄의 표면온도를 나타낸 그래프,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일의 권취회수에 따른 전자빔의 입자궤적을 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view showing an electron beam melting apparatus for manufacturing titanium ingots according to an embodiment of the present invention;
2 is a view showing a first coil and a second coil of an electron beam melting apparatus for manufacturing titanium ingots according to an embodiment of the present invention;
3 is a graph showing the magnetic field analysis results of the first coil and the second coil for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph showing electron beam heat source analysis for manufacturing titanium ingots according to an embodiment of the present invention;
5 is a photograph showing shape control of an electron beam for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention;
6 is a view showing shape control of an electron beam in an electron beam chamber for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph showing titanium surface temperature and melting depth for electron beam conditions for manufacturing titanium ingots according to an embodiment of the present invention;
8 is a diagram showing the melting depth for electron beam conditions for manufacturing titanium ingots according to an embodiment of the present invention;
9 is a graph showing melting depth versus electron beam energy density for producing titanium ingots according to an embodiment of the present invention;
10 is a photograph showing the surface of a titanium ingot manufactured by a method for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention;
11 is a graph showing the titanium surface temperature according to the number of windings of the first coil and the second coil for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention;
12 is a graph showing the surface temperature of titanium according to the applied current of the first coil and the second coil for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention;
13 is a diagram showing particle trajectories of electron beams according to the number of windings of the first coil or the second coil of the electron beam melting apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments introduced below are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the embodiments described below. Also, in the drawings, the lengths and thicknesses of layers and regions may be exaggerated for convenience. Like reference numbers indicate like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 용해장치를 나타낸 단면도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 용해장치의 제1 코일 및 제2 코일을 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 제1 코일 및 제2 코일의 자기장 해석 결과를 나타낸 그래프, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 열원 해석을 나타낸 그래프, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔의 형상 조절을 나타낸 사진, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 챔버의 전자빔의 형상 조절을 나타낸 도면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 조건에 대한 티타늄 표면온도와 용융 깊이를 나타낸 그래프, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 조건에 대한 용융깊이를 나타낸 그림, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 에너지 밀도에 대한 용융깊이를 나타낸 그래프, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조방법으로 제조한 티타늄 잉곳의 표면을 나타낸 사진, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 제1 코일 및 제2 코일의 권취횟수에 따른 티타늄 표면온도를 나타낸 그래프, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 제1 코일 및 제2 코일의 인가 전류에 따른 티타늄의 표면온도를 나타낸 그래프, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일의 권취회수에 따른 전자빔의 입자궤적을 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view showing an electron beam melting apparatus for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a first coil and a second coil of the electron beam melting apparatus for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention Figure 3 is a graph showing the magnetic field analysis results of the first coil and the second coil for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is an electron beam heat source analysis for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the
도 1 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조방법은 전자빔 용해장치에서 전자빔의 출력에너지 또는 전자빔의 형상 중 하나 이상을 설정하는 단계; 설정된 전자빔에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산하는 단계; 상기 용해부피에 따라 완전 용해되는 티타늄 소재량을 산출하여 몰드에 티타늄 소재를 투입하는 단계; 상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하여 용융하는 단계; 및 용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 13 , a method for manufacturing a titanium ingot according to an embodiment of the present invention includes setting at least one of an output energy of an electron beam or a shape of an electron beam in an electron beam melting device; Calculating a melting volume of titanium in response to the set electron beam; Calculating the amount of completely dissolved titanium material according to the dissolution volume and injecting the titanium material into the mold; melting the titanium material by irradiating the electron beam; and forming a titanium ingot by drawing the molten titanium.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳은 도1과 같은 전자빔 용해 장치(10)를 이용하여 제조할 수 있다. 상기 전자빔 용해 장치(10)는 전자빔 챔버(100), 용융 챔버(200), 잉곳 챔버(300)를 포함할 수 있으며, 전자빔 챔버(100), 용융 챔버(200) 또는 잉곳 챔버(300)는 진공 분위기를 위한 진공펌프와 연결될 수 있다. First, a titanium ingot according to an embodiment of the present invention can be manufactured using the electron
전자빔 챔버(100)는 전자빔을 생성하는 전자총(130)과, 상기 전자총(130)으로부터 방출된 전자빔을 집속하는 제1 코일(110)과, 1차 집속된 전자빔을 2차 집속하는 제2 코일(120)을 포함하고, 상기 제2 코일(120)에서 집속된 전자빔(1)을 조사하여 티타늄 소재(M)를 용융할 수 있다. 예로써, 티타늄 소재(M)는 스크랩의 형태로 제공될 수 있으며, 제1 코일(110) 또는 제2 코일(120)은 포커스 유도자기코일로 구비될 수 있다.The
상기 전자빔 챔버(100)의 하부에 결합되는 용융챔버(200)는 상기 티타늄 소재(M)가 용융된 용탕을 냉각하여 잉곳을 형성하는 몰드(210)와, 상기 몰드(210) 내부로 티타늄 소재(M)를 공급하는 원료공급부(220)를 포함할 수 있고, 잉곳챔버(300)는 상기 용융챔버(200)와 결합되며 상기 몰드(210)로부터 잉곳을 인발하여 잉곳을 성장시키는 잉곳풀러(310)를 구비할 수 있다. 상기 몰드(210) 내부로 티타늄 소재(M)를 공급하는 원료공급부(220)는 전자빔(1)에 의한 티타늄 소재(M)의 용해 속도에 따른 속도로 원료를 공급하는 것이 바람직하다. The
예로써, 상기 몰드(210)는 구리 등의 열전도율이 우수한 금속재로 형성될 수 있으며, 상하에 개구가 형성된 원통형일 수 있다. 지지판(311) 또한 구리와 같은 열전도율이 우수한 금속재로 형성될 수 있다. 몰드(210)는 전자빔(1)으로 인해 용융 및 정제된 고융점 금속 용탕을 냉각 응고하여 잉곳을 형성할 뿐만 아니라, 전자빔(1)으로 인한 티타늄 소재(M)의 용융 시 내열 용기로서의 기능도 가질 수 있다.For example, the mold 210 may be formed of a metal material having excellent thermal conductivity, such as copper, and may have a cylindrical shape with openings formed at the top and bottom. The support plate 311 may also be formed of a metal material having excellent thermal conductivity such as copper. The mold 210 not only forms an ingot by cooling and solidifying the molten high-melting point metal melted and refined by the
상기 잉곳 풀러(310)는, 상기 몰드(210) 내부에 위치하고 상기 몰드 (210) 하부의 개구를 막으며 형성된 잉곳을 지지하는 지지판(311)과, 상기 지지판(311)을 하부로 이동시키면서 상기 잉곳을 인발하는 인발구동부(315)를 포함하는 것일 수 있다. 즉, 몰드(210)의 하부 개구를 막고 있던 지지판(311)을 소정의 속도로 하방으로 끌어 내려감으로써, 티타늄 용탕이 응고한 원기둥형 잉곳은 연속적으로 주조될 수 있다.The ingot puller 310 includes a support plate 311 located inside the mold 210 and supporting an ingot formed by blocking an opening at the bottom of the mold 210, and moving the support plate 311 downward to remove the ingot. It may include a drawing drive unit 315 for drawing out. That is, by pulling down the support plate 311 blocking the lower opening of the mold 210 at a predetermined speed, the cylindrical ingot in which the molten titanium is solidified can be continuously cast.
나아가서, 상기 몰드(210) 또는 상기 지지판(311)의 내부는 상기 몰드(210) 또는 상기 지지판(311)을 냉각하는 냉각수단(230, 330)을 더 포함할 수 있다. 즉, 티타늄 소재(M)가 몰드(210)에서 전자빔(1)으로 인해 용융 및 정제되며, 몰드(210) 또는 상기 지지판(311)을 냉각하는 냉각수단에 의해 냉각되며 잉곳이 성장될 수 있다. 몰드(210) 및 지지판(311)을 구성하는 금속재를 냉각함으로써 몰드(210) 벽면 또는 지지판(311) 표면과의 티타늄 간의 합금화를 방지하고, 잉곳을 하부로 이동시킬 때 몰드 벽면과의 분리가 용이할 수 있다. 예를 들어, 냉각수단(230, 330)의 온도는 18도 내지 20도를 유지할 수 있으며, 증류수의 순환을 통하여 냉각이 이루어질 수 있다. 또한, 전자빔(1) 조사 공정 이후 티타늄 잉곳의 산화를 방지하기 위하여 상기 잉곳챔버(300) 및 용융챔버(200)는 10-6torr 이하의 진공도로 24시간 이상 유지하며 티타늄 잉곳을 냉각시킬 수 있다. Furthermore, the inside of the mold 210 or the support plate 311 may further include cooling means 230 or 330 for cooling the mold 210 or the support plate 311 . That is, the titanium material M is melted and refined by the
상기 티타늄 소재(M)와 상기 지지판(311) 사이에 상기 잉곳과 동일 소재의 더미 부재(320)가 개재될 수 있다. 이 경우, 상기 더미 부재(320)는 잉곳과 동일 소재인 티타늄으로 구성되는 얇은 판상체일 수 있으며, 티타늄 용탕의 하부가 몰드(210)에 의해 냉각되고 응고되는데 더미 부재(320)와 일체화되어 잉곳이 형성될 수 있다. 인발구동부(315)는 티타늄 용탕이 교반되지 않을 정도의 저속, 예를 들어 0.2 회전/분 내지 2회전/분의 범위로 지지판(311)을 자전시키며 하부로 이동하며 잉곳을 성장시킬 수 있다. 또한, 티타늄 소재(M)의 공급 시 지지판(311)을 자전시키면서 티타늄 소재(M)를 공급하여 회전 방향으로 적절히 분산시킬 수 있다.A
본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조방법은 먼저, 전자빔 용해장치(10)에서 전자빔의 출력에너지 또는 전자빔의 형상 중 하나 이상을 설정할 수 있다. In the titanium ingot manufacturing method according to an embodiment of the present invention, one or more of the output energy of the electron beam or the shape of the electron beam may be set in the electron
상기 전자빔의 형상을 설정하는 것은, 상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류와 제2 코일(120)에 인가되는 전류를 조절하며 티타늄 소재(M) 상에 조사되는 전자빔(1)의 형상을 조절하는 것일 수 있다.Setting the shape of the electron beam adjusts the current applied to the
상기 전자빔의 형상을 설정하는 것은, 상기 티타늄 소재(M) 상에 조사되는 전자빔의 형상이 링 형상 또는 원 형상을 가지도록 설정하는 것일 수 있다. 즉, 코일에 인가되는 전류 제어를 통하여 자기장을 변화시켜 전자총(130)으로부터 방출된 전자들을 집속하거나 분산시킴으로써 티타늄 소재(M) 상에 조사되는 전자빔(1)은 링 형상 또는 원 형상을 가질 수 있다. Setting the shape of the electron beam may be to set the shape of the electron beam irradiated onto the titanium material M to have a ring shape or a circular shape. That is, the
자속밀도(B)는 진공투자율(Tm/A)을 μ0, 코일 반경(m)을 R, 코일전류(A)를 I, 코일감은 횟수를 n이라 할 때 하기의 식1과 같다.The magnetic flux density (B) is as shown in
예를 들어, 제1 코일(110) 또는 제2 코일(120)에 인가한 전류의 크기는 0.2A 내지 0.8A의 범위로 제어할 수 있는데, 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)의 n은 1000, R은 0.04라 할 때의 자기장 해석 결과는 도 3과 같다. 제1 코일(110) 주변의 자기장은 1.03×10-4T, 제2 코일(120) 주변의 자기장은 6.03×10-5T이다. 만약 제1 코일(110)에 약 700mA, 제2 코일에 약 220mA의 전류를 가하고 티타늄 소재(M)에 조사되는 전자빔(1)이 직경 약 2cm로 제어될 때 전자빔 열원 해석은 도 4와 같다. For example, the magnitude of the current applied to the
예를 들어, 본 발명의 몰리브덴 잉곳 제조를 위한 전자빔 용해장치는 전자빔 가속전압은 20~35.5kV, 전자빔 전류는 0.2~2.0A, 제1 코일의 권취 횟수는 5,000~10,000회, 제1 코일의 코일반경은 65~70mm, 제2 코일의 권취 횟수는 5,000~10,000회, 제2 코일의 코일 반경은 75~85mm일 수 있다. 나아가서, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 인가하는 전류 또는 권취 횟수를 제어함으로써, 전자빔의 형상을 조절할 수 있다.For example, in the electron beam melting device for producing molybdenum ingots of the present invention, the electron beam acceleration voltage is 20 to 35.5 kV, the electron beam current is 0.2 to 2.0 A, the number of windings of the first coil is 5,000 to 10,000 times, and the coil of the first coil The radius may be 65 to 70 mm, the number of windings of the second coil may be 5,000 to 10,000 times, and the coil radius of the second coil may be 75 to 85 mm. Furthermore, the shape of the electron beam can be adjusted by controlling the current applied to the
상기 전자빔 용해장치(10)에 있어서, 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)는 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)보다 크면, 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. 나아가서, 상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)는 450mA 이상 720mA 이하이고, 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)는 225mA 이상 320mA이하이면, 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. 바람직하게는 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)와 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)의 비율, A1/A2이 2.5≤A1/A2≤3.2이면 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. In the electron
또한, 상기 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)에 대한 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)의 비율이 증가함에 따라 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 원 형상 전자빔의 단면적은 증가하는 것일 수 있다. In addition, as the ratio of the current A1 applied to the
상기 제1 코일에 인가되는 전류(A1)는 210mA 이상 450mA 미만이고, 제2 코일에 인가되는 전류(A2)는 200mA 이상 240mA 이하이면, 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다. 바람직하게는, 제1 코일에 인가되는 전류(A1)와 제2 코일에 인가되는 전류(A2)의 비율, A1/A2이 0.9≤A1/A2≤1.5이면, 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다. 더 바람직하게는 상기 제1 코일(110)에 인가되는 전류(A1)와 상기 제2 코일(120)에 인가되는 전류(A2)의 차이(A2-A1)는 제1 코일에 인가되는 전류(A1) 또는 제2 코일에 인가되는 전류(A2)의 10% 이하일 수 있다.When the current A1 applied to the first coil is 210 mA or more and less than 450 mA, and the current A2 applied to the second coil is 200 mA or more and 240 mA or less, the shape of the
제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)가 5,000~10,000회이고, 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)가 5,000~10,000회이면, 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. 바람직하게는 제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)와 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)의 비율, N1/N2가 0.5≤N1/N2≤2이면 상기 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 원 형상일 수 있다. When the number of windings (N1) of the
제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)가 500~1,000회이고, 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)가 8,000~10,000회이면, 고융점 금속 원료 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다. 바람직하게는 제1 코일(110)의 권취 횟수(N1)와 제2 코일(120)의 권취 횟수(N2)의 비율, N1/N2가 0.06≤ N1/N2≤0.1이면 상기 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(10)의 형상은 링 형상일 수 있다.When the number of windings (N1) of the
전자빔 용해장치의 제1 코일 또는 제2 코일의 권취회수에 따른 전자빔의 입자궤적을 나타낸 도 13을 참조하면, 코일의 권취 횟수에 따라 전자빔의 형상이 달라짐을 알 수 있다. 예로써, 전자빔 가속전압은 20kV, 전자빔 전류는 1A, 제1 코일의 권취 횟수는 1000회, 제2 코일의 권취 횟수는 10,000회인 경우 전자빔의 형상은 링형(도 13의 a)을 나타낼 수 있으며, 전자빔 가속전압은 20kV, 전자빔 전류는 1A, 제1 코일의 권취 횟수는 5000회, 제2 코일의 권취 횟수는 10,000회인 경우 전자빔의 형상은 원형(도 13의 b)을 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 13 showing the particle trajectory of the electron beam according to the number of windings of the first coil or the second coil of the electron beam melting apparatus, it can be seen that the shape of the electron beam changes according to the number of windings of the coil. For example, when the electron beam acceleration voltage is 20 kV, the electron beam current is 1 A, the number of turns of the first coil is 1000, and the number of turns of the second coil is 10,000, the shape of the electron beam is ring-shaped (a in FIG. 13), When the electron beam accelerating voltage is 20 kV, the electron beam current is 1 A, and the number of turns of the first coil is 5000 and the number of turns of the second coil is 10,000, the shape of the electron beam may be circular (b in FIG. 13).
하기 표 1은 제1 코일(110) 및 제2 코일(120)에 인가된 전류에 대한 티타늄 소재(M)에 조사되는 전자빔(1)의 영역(면적)을 나타낸 것이다. 이 경우, 전자빔 가속전압은 20~ 35.5kV, 전자빔 전류는 0.2~0.7A, 제1 코일의 권취 횟수는 5000~10000회, 제1 코일의 코일반경은 67mm, 제2 코일의 권취 횟수는 5000~10000회, 제2 코일의 코일 반경은 80mm이다.Table 1 below shows the area (area) of the
[cm 2 ]electron beam area
[cm 2 ]
도 5를 참조하면, 상기 시험예1의 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(1)의 형상은 (a), 상기 시험예2의 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(1)의 형상은 (b), 상기 시험예3의 고융점 금속 원료(M) 상에 조사되는 전자빔(1)의 형상은 (c)와 같으며, 각각의 코일에 인가되는 전류에 따라 전자빔의 형상이 달라짐을 알 수 있다. 즉, 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 인가하는 전류를 각각 제어함으로써, 전자빔의 형상을 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 도 6과 같이 제1 코일(110)에서 1차적으로 집속된 빔을 제2 코일(120)에서 집속하는 하는 과정에서 전류를 각각 제어함으로써 링형상(A) 또는 원형상(B)으로 전자빔(1)의 형상이 달라지는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, the shape of the
제1 코일(110)에 인가되는 전류가 제2 코일(120)에 인가되는 전류보다 크면 티타늄 소재(M) 상에 조사되는 전자빔(1)의 형상은 원 형상일 수 있으며, 제2 코일(120)에 인가되는 전류에 대한 제1 코일(110)에 인가되는 전류의 비율이 증가함에 따라 원 형상 전자빔의 단면적은 증가할 수 있다. 또한, 제1 코일(110)에 인가되는 전류와 제2 코일(120)에 인가되는 전류의 차이가 제1 코일(110)에 인가되는 전류 또는 제2 코일(120)에 인가되는 전류의 10%이하이면, 티타늄 소재(M) 상에 조사되는 전자빔(1)의 형상은 링 형상일 수 있다.If the current applied to the
나아가서, 상기 제1 코일(110)과 상기 제2 코일(120)에 인가되는 전류를 조절하는 것은, 35.5kV 가속전압과 0.5A의 전자빔 조건에서 제1 코일(110)에 인가되는 전류:제2 코일(120)에 인가되는 전류의 비는 1:1 또는 3.5:1인 것일 수 있다. 제1 코일(110)에 인가되는 전류:제2 코일(120)에 인가되는 전류의 비가 1:1인 경우 링 형상의 전자빔을 구현할 수 있으며, 제1 코일(110)에 인가되는 전류:제2 코일(120)에 인가되는 전류의 비가 3.5:1인 경우 원 형상의 전자빔을 구현할 수 있다. Furthermore, controlling the current applied to the
상기 전자빔 출력에너지를 설정하는 것은, 전자빔(1)이 조사되는 티타늄 소재(M)의 표면 온도를 고려하여 설정하는 것일 수 있다. 예로써, 상기 전자빔 출력에너지를 설정하는 것은, 전자빔(1)이 조사되는 티타늄 소재(M)의 표면온도가 1668도를 초과하는 것일 수 있다. 즉, 티타늄의 융점이 약 1668도이므로, 전자빔 출력에너지를 티타늄의 표면온도가 융점보다 초과하는 온도가 되도록 전자빔 출력에너지를 설정할 수 있다. Setting the electron beam output energy may be set in consideration of the surface temperature of the titanium material M to which the
상기 전자빔 출력에너지를 설정하는 것은, 20 내지 40kV의 가속전압 조건에서 0.5A 이상 2A 이하의 전류를 인가하는 것을 포함할 수 있다. 도 7에 나타난 바와 같이, 전자빔이 회전하지 않은 상태에서 35.5kV 고정 가속전압 하에서 티타늄이 용융가능한 온도가 나타나는 0.5A 이상 2A 이하의 전류를 인가함으로써 전자빔 출력에너지를 설정할 수 있다. 이와 함께 상기 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 인가되는 전류 또는 제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권취 횟수를 조절하며, 상기 전자빔(1)이 조사되는 티타늄 소재(M)의 표면 온도를 조절할 수 있다.Setting the electron beam output energy may include applying a current of 0.5 A or more and 2 A or less under an accelerating voltage condition of 20 to 40 kV. As shown in FIG. 7, the electron beam output energy can be set by applying a current of 0.5 A or more and 2 A or less at which the temperature at which titanium can be melted appears under a fixed accelerating voltage of 35.5 kV in a state where the electron beam does not rotate. At the same time, the current applied to the
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 전자빔의 출력은 전자빔의 전압과 전류로 결정되는데, 전압은 음극과 양극 사이에 전기장을 형성하는 음극 전압의 절대값이고, 전류는 그리드에 의해 조절되는 전류 값을 의미한다. 즉, 전자총(130)은, 전자를 발생시켜 방출하는 필라멘트를 포함하는 음극, 음극 전방에 소정 거리로 이격되어 설치되고 음극과 전기장을 형성하여 음극으로부터 방출된 전자를 가속하는 양극, 및 음극과 양극 사이에 설치되고 음극에서 방출되는 전자의 양을 제어하여 전자빔 전류량을 조절하는 그리드를 포함한다. 양극을 접지한 상태에서 음극에 음(-)의 전압을 인가하여 음극과 양극 사이에 전기장을 형성하고, 그리드에 음극보다 낮은 전압을 인가하면서 전압을 변화시킴으로써 전자총에서 방출되는 전자빔의 전류량을 조절할 수 있다.As described above, in the present invention, the output of the electron beam is determined by the voltage and current of the electron beam. The voltage is the absolute value of the voltage of the cathode that forms an electric field between the cathode and anode, and the current refers to the current value controlled by the grid. do. That is, the
제1 코일(110)과 제2 코일(120)의 권취 횟수를 조절하며, 상기 전자빔(10)이 조사되는 고융점 금속 원료(M)의 표면 온도를 조절할 수 있다. 일 실시예로, 전자총(130)의 가속전압 35.5kV, 전자빔 전류 1A, 제1 코일 전류 0.6 A 내지 0.7 A, 제2 코일 전류 0.2 A 내지 0.5 A에서, 제1 코일(110)의 권취 횟수 5000 내지 10000회, 제2 코일(120)의 권취 횟수 5000 내지 10000회로 조절하여 티타늄 소재(M)를 융점 1660도 이상으로 가열할 수 있다. 티타늄 소재(M)의 표면 온도는 도 11과 같은 온도분포를 가진다. The number of windings of the
또한, 상기 제1 코일(110)과 제2 코일(120)에 인가되는 전류를 조절하며, 상기 전자빔(10)이 조사되는 고융점 금속 원료(M)의 표면 온도를 조절할 수 있다. 일 실시예로, 전자총(130)의 가속전압 35.5kV, 전자빔 전류 1A, 제1 코일의 권취 횟수 9000 내지 10000회, 제2 코일의 권취 횟수 9000 내지 10000회에서, 제1 코일(110)의 전류 0.57 내지 0.7A, 제2 코일(120)의 전류 0.2 내지 0.5A로 조절하여 티타늄 소재(M)를 융점 이상으로 가열할 수 있다. 티타늄 소재(M)의 표면 온도는 도 12와 같은 온도분포를 가진다. 이는 상기 표1의 시험예 2와 대응하는 결과라 할 수 있다.In addition, the current applied to the
도 12는 전자빔이 회전하는 경우에 대한 것으로, 전자빔 가속전압 35.5kV 대하여 티타늄의 융점 1660도 이상이 되는 전자빔 전류와 제1 코일에 인가되는 전류와 제2 코일에 인가되는 전류는 다음의 표2와 같다.FIG. 12 is for the case where the electron beam rotates, and the electron beam current at which the melting point of titanium is 1660 degrees or more with respect to the electron beam accelerating voltage of 35.5 kV, the current applied to the first coil, and the current applied to the second coil are shown in Table 2 below. same.
상기와 같은 실시예 및 시험예를 기반으로 하여, 설정된 전자빔에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산할 수 있다. 상기 티타늄의 용해부피를 연산하는 것은, 상기 설정된 전자빔에 대해 완전 용해되는 용융 깊이에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산하는 것을 포함할 수 있다.Based on the above examples and test examples, it is possible to calculate the melting volume of titanium in response to the set electron beam. Calculating the dissolution volume of titanium may include calculating the dissolution volume of titanium corresponding to a melting depth at which the set electron beam completely melts.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조를 위한 전자빔 조건에 대한 용융깊이를 나타낸 것으로, 전자빔이 회전하지 않으면서 조사할 때의 전자빔 출력 별 티타늄 용융깊이를 나타낸 것이다. 35.5kV 고정 가속전압조건이 있어서, 0.5A의 빔전류로 전자빔을 티타늄 소재에 조사하면 1.5cm가 용융되고, 1A의 빔전류에서는 2.05cm, 1.5A의 빔전류에서는 2.51cm, 2A의 빔전류에서는 3.0cm가 용융됨을 알 수 있다. 즉, 도 7과 도 8을 참조하면 티타늄의 용융점 약 1668도 이상을 구현할 수 있는 전자빔의 출력은 17.75kW 내지 71kW임을 확인할 수 있다. 이때 티타늄 소재(M)에 조사되는 전자빔의 직경은 25mm 이다.8 shows the melting depth for electron beam conditions for manufacturing titanium ingots according to an embodiment of the present invention, and shows the titanium melting depth for each electron beam output when the electron beam is irradiated without rotating. Under the condition of 35.5kV fixed accelerating voltage, when an electron beam is irradiated on a titanium material with a beam current of 0.5A, 1.5cm is melted, 2.05cm at a beam current of 1A, 2.51cm at a beam current of 1.5A, and 2.51cm at a beam current of 2A. It can be seen that 3.0 cm is melted. That is, referring to FIGS. 7 and 8 , it can be confirmed that the output of the electron beam capable of realizing the melting point of titanium of about 1668 degrees or more is 17.75 kW to 71 kW. At this time, the diameter of the electron beam irradiated to the titanium material M is 25 mm.
도 9를 참조하면, 전자빔 회전 적용 시 전자빔의 출력밀도 증가에 따라 용융깊이가 증가됨을 알 수 있다. 하지만, 소정의 출력 이상에서는 티타늄 소재의 용융과 함께 기화도 발생할 수 있으므로, 전자빔의 출력밀도는 소정의 값 이하로 설정되는 것이 바람직하다고 볼 수 있다.Referring to FIG. 9 , it can be seen that the melting depth increases as the power density of the electron beam increases when electron beam rotation is applied. However, since vaporization may occur along with melting of the titanium material above a predetermined power, it can be seen that it is preferable to set the power density of the electron beam to a predetermined value or less.
전자빔 열원의 크기 x에 대한 티타늄의 용융깊이 y는 다음의 수식 2와 같이 선형의 관계로, 전자빔 에너지와 용융깊이 관계를 나타낼 수 있다.The melting depth y of titanium relative to the size x of the electron beam heat source has a linear relationship as shown in
y=0.496x+1.025 (R2=0.9987) -------- 식(2) y=0.496x+1.025 (R 2 =0.9987) -------- Equation (2)
상기 용해부피에 따라 완전 용해되는 티타늄 소재량을 산출하여 몰드에 티타늄 소재를 투입할 수 있다. 상기 티타늄 소재의 투입량을 산출하는 것은, 연산된 용해부피와 티타늄의 밀도로부터 티타늄의 질량을 산출하는 것을 포함할 수 있다. The titanium material can be injected into the mold by calculating the amount of titanium material completely dissolved according to the dissolution volume. Calculating the input amount of the titanium material may include calculating the mass of titanium from the calculated melting volume and density of titanium.
예로써, 티타늄 소재가 투입되는 몰드의 면적이 10,381mm2일 때, 용융깊이와 몰드의 면적을 곱하면 용해부피가 산출될 수 있다. 그리고, 티타늄의 밀도 4.54g/cc에 부피를 곱하면 하기 표 3처럼 설정된 전자빔에 따른 소재의 투입량이 결정될 수 있다.For example, when the area of the mold into which the titanium material is injected is 10,381 mm 2 , the melting volume can be calculated by multiplying the melting depth by the area of the mold. In addition, when the volume is multiplied by the density of 4.54 g/cc of titanium, the input amount of the material according to the set electron beam can be determined as shown in Table 3 below.
(A)beam current
(A)
다음으로, 투입된 상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하여 용융할 수 있다. 예로써, 상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하는 것은, 상기 몰드에 대해 상기 전자빔이 소정의 속도로 회전하며 스캔하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 전자빔(1)의 회전으로 티타늄 소재(M)의 용탕 영역은 몰드(210) 내부 전체에 걸쳐 고르게 분포될 수 있으며, 예를 들어 약 30rpm의 속도로 전자빔이 회전할 수 있다.Next, the injected titanium material may be melted by irradiating the electron beam. For example, irradiating the electron beam to the titanium material may include scanning the mold while rotating the electron beam at a predetermined speed. That is, the molten metal area of the titanium material M may be evenly distributed throughout the inside of the mold 210 due to the rotation of the
그리고, 용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성할 수 있다. In addition, a titanium ingot may be formed by drawing the molten titanium.
표 4는 전자빔의 회전으로 티타늄을 용융시키되, 35.5kV, 0.5A의 조건으로 출력된 전자빔에 따른 불순물 함유량 및 티타늄의 순도를 나타낸 것이다. 전자빔을 조사하지 않은 상태와 비교해볼 때 불순물 농도가 감소됨을 알 수 있으며, 산소의 경우 다른 불순물에 비하여 농도감소 효과가 뛰어나므로, 전자빔 용융장치(1)를 이용하여 티타늄 소재(M)의 잉곳 성장 시 산화물 생성을 더욱 방지할 수 있으며, 고순도의 티타늄 잉곳을 생산할 수 있음을 알 수 있다. Table 4 shows the impurity content and the purity of titanium according to the electron beam output under conditions of 35.5 kV and 0.5 A, while titanium is melted by rotation of the electron beam. It can be seen that the impurity concentration is reduced when compared to the state in which the electron beam is not irradiated, and in the case of oxygen, the concentration reduction effect is excellent compared to other impurities. It can be seen that the generation of oxides can be further prevented and high-purity titanium ingots can be produced.
나아가서, 상기 티타늄 잉곳 제조방법은, 상기 용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성하는 단계 이후, 상기 산출된 티타늄 소재량을 다시 몰드에 투입하고 상기 전자빔을 조사하여 용융하고 잉곳을 형성하는 단계를 반복하며 잉곳을 지속적으로 성장시키는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 고순도의 티타늄 잉곳을 지속적으로 성장시킬 수 있는 장점이 있다.Furthermore, in the method for manufacturing a titanium ingot, after the step of drawing the molten titanium and forming a titanium ingot, the calculated amount of titanium material is put into the mold again, and the steps of melting by irradiating the electron beam and forming an ingot are repeated. and continuously growing the ingot. Therefore, there is an advantage of continuously growing high-purity titanium ingots.
실험예로써, 더미부재(320) Ti seed가 위치하는 직경 115mm의 몰드에 전자빔 가속 전압 35.5kW, 빔전류 0.5A, 전자빔 조사시간 30분, 제1 코일의 인가전류 710mA, 제2 코일의 인가전류 225mA, 전자빔 회전속도 30rpm, 티타늄 스크랩 피딩량 700g, 진공도를 10-6torr를 유지하며 티타늄 잉곳을 성장시켰다. 그 결과 도 10과 같은 표면을 가지는 고순도의 티타늄 잉곳이 제조되었다.As an experimental example, an electron beam accelerating voltage of 35.5 kW, a beam current of 0.5 A, an electron beam irradiation time of 30 minutes, an applied current of the first coil of 710 mA, and an applied current of the second coil were applied to a mold having a diameter of 115 mm in which the Ti seed of the
본 발명의 실시예에 따른 티타늄 잉곳 제조방법은 고융점을 가지는 티타늄의 용해 속도를 제어하며 용융 및 잉곳 성장을 시킬 수 있으며, 불순물 제거가 용이하며 고순도의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 장점이 있다.The titanium ingot manufacturing method according to an embodiment of the present invention has the advantage of being able to control the melting rate of titanium having a high melting point, melting and growing an ingot, and being able to easily remove impurities and grow into a high-purity ingot.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that it can be done.
1; 전자빔
10; 전자빔 용해장치
100; 전자빔 챔버
110; 제1 코일
120; 제2 코일
130; 전자총
200; 용융 챔버
210; 몰드
220; 원료공급부
230, 330; 냉각수단
300; 잉곳챔버
310; 잉곳풀러
311; 지지판
315; 인발구동부
320; 더미 부재
M; 티타늄 소재One; electron beam
10; Electron Beam Melting Machine
100; electron beam chamber
110; 1st coil
120; 2nd coil
130; electron gun
200; melting chamber
210; Mold
220; Raw material supply department
230, 330; cooling means
300; ingot chamber
310; ingot puller
311; support plate
315; Pull drive unit
320; dummy absence
M; titanium material
Claims (10)
설정된 전자빔에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산하는 단계;
상기 용해부피에 따라 완전 용해되는 티타늄 소재량을 산출하여 몰드에 티타늄 소재를 투입하는 단계;
상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하여 용융하는 단계; 및
용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 전자빔 용해장치는, 전자빔을 1차 집속하는 제1 코일과, 1차 집속된 전자빔을 2차 집속하는 제2 코일을 포함하고,
상기 전자빔의 형상을 설정하는 것은, 상기 제1 코일에 인가되는 전류와 제2 코일에 인가되는 전류를 조절하며 티타늄 소재 상에 조사되는 전자빔의 형상을 조절하는 것인 티타늄 잉곳 제조방법.Setting at least one of the output energy of the electron beam or the shape of the electron beam in the electron beam melting device;
Calculating a melting volume of titanium in response to the set electron beam;
Calculating the amount of completely dissolved titanium material according to the dissolution volume and injecting the titanium material into the mold;
melting the titanium material by irradiating the electron beam; and
Including; drawing the molten titanium and forming a titanium ingot;
The electron beam melting device includes a first coil for primary focusing the electron beam and a second coil for secondary focusing the primarily focused electron beam,
The setting of the shape of the electron beam is to adjust the current applied to the first coil and the current applied to the second coil and to adjust the shape of the electron beam irradiated on the titanium material.
상기 티타늄의 용해부피를 연산하는 것은, 상기 설정된 전자빔에 대해 완전 용해되는 용융 깊이에 대응하여 티타늄의 용해부피를 연산하는 것을 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법. According to claim 1,
Calculating the melting volume of titanium comprises calculating the melting volume of titanium in correspondence with the melting depth that is completely melted with respect to the set electron beam.
상기 티타늄 소재의 투입량을 산출하는 것은, 연산된 용해부피와 티타늄의 밀도로부터 티타늄의 질량을 산출하는 것을 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법.According to claim 1,
Calculating the input amount of the titanium material is a titanium ingot manufacturing method comprising calculating the mass of titanium from the calculated melting volume and density of titanium.
상기 전자빔 출력에너지를 설정하는 것은, 전자빔이 조사되는 티타늄 소재의 표면 온도를 고려하여 설정하는 것을 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법.According to claim 1,
The setting of the electron beam output energy includes setting in consideration of the surface temperature of the titanium material irradiated with the electron beam.
상기 전자빔 출력에너지를 설정하는 것은, 20 내지 40kV의 가속전압 조건에서 0.5A 이상 2A 이하의 전류를 인가하는 것을 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법.According to claim 1,
Setting the electron beam output energy comprises applying a current of 0.5A or more and 2A or less under an acceleration voltage condition of 20 to 40kV.
상기 전자빔의 형상을 설정하는 것은, 상기 티타늄 소재 상에 조사되는 전자빔의 형상이 링 형상 또는 원 형상을 가지도록 설정하는 것인 티타늄 잉곳 제조방법.According to claim 1,
The setting of the shape of the electron beam is to set the shape of the electron beam irradiated on the titanium material to have a ring shape or a circular shape.
상기 제1 코일과 상기 제2 코일에 인가되는 전류를 조절하는 것은, 35.5kV 가속전압과 0.5A의 전자빔 고정 조건에서 제1 코일에 인가되는 전류:제2 코일에 인가되는 전류의 비는 1:1 또는 3.5:1인 것인 티타늄 잉곳의 제조방법.According to claim 1,
Adjusting the current applied to the first coil and the second coil is such that the ratio of the current applied to the first coil: the current applied to the second coil is 1: Method for producing a titanium ingot that is 1 or 3.5: 1.
상기 티타늄 소재에 상기 전자빔을 조사하는 것은, 상기 몰드에 대해 상기 전자빔이 소정의 속도로 회전하며 스캔하는 것을 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법.According to claim 1,
The irradiation of the electron beam to the titanium material includes scanning the electron beam while rotating at a predetermined speed with respect to the mold.
상기 티타늄 잉곳 제조방법은,
상기 용융된 티타늄을 인발하며 티타늄 잉곳을 형성하는 단계 이후, 상기 산출된 티타늄 소재량을 다시 몰드에 투입하고 상기 전자빔을 조사하여 용융하고 잉곳을 형성하는 단계를 반복하며 잉곳을 지속적으로 성장시키는 것을 포함하는 티타늄 잉곳 제조방법.According to claim 1,
The titanium ingot manufacturing method,
After the step of drawing the molten titanium and forming a titanium ingot, the calculated amount of titanium material is put into the mold again, and the electron beam is irradiated to melt and form an ingot, repeating the step of continuously growing the ingot. Titanium ingot manufacturing method to do.
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|---|---|---|---|
| KR1020210169097A KR102531449B1 (en) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | The fabricating method of titanium ingot |
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Citations (3)
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| JPH0925522A (en) | 1995-07-06 | 1997-01-28 | Japan Energy Corp | Production of high purity metallic material |
| KR20100076395A (en) * | 2008-12-26 | 2010-07-06 | 주식회사 포스코 | Method for continuous casting of titanium ingots |
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