특별한 제련: 알아야 할 모든 것

1. 소개

1.1 특수 제련 개발

특수 제련은 특수강, 고온 합금, 정밀 합금 및 고합금강을 생산하기 위한 특별하고 효과적인 방법입니다.

철강으로 대표되는 금속 소재는 국가 경제, 국방 건설, 과학 기술 분야 등에서 널리 사용되어 왔습니다.

현대 전자 기술, 항공 우주 기술, 항법 및 에너지 기술 및 기타 분야의 급속한 발전으로 인해 철강 및 합금의 품질과 다양성에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있습니다.

 예를 들어 강철 또는 합금은 고온, 고압, 고속, 동적 하중, 고방사선, 부식성이 강한 매질의 환경에서 안정적으로 작동할 수 있어야 합니다.

그러나 컨버터, 개방형 화로 및 아크 용광로와 같은 기존의 제련 방법은 실제 요구 사항을 충족하기 어렵고 고품질의 제품을 제공 할 수 없으므로 특수 제련 방법을 사용해야합니다.

일반적인 특수 제련 방법에는 유도 용해, 전기 슬래그 야금 등이 있습니다, 플라즈마 아크 용융, 진공 아크 재용융 및 전자빔 용융 공정.

(1) 유도 용해

유도 용해는 전자기 유도의 원리를 사용하여 금속을 가열하고 녹이는 방법입니다.

주파수에 따라 동파로, 중파로, 고파로 나눌 수 있으며, 대기와 구조에 따라 진공 유도로와 플라즈마 유도로 및 기타 용도에 따라 분류할 수 있습니다.

고주파로는 주로 주철 제련에, 고주파로는 주로 실험실 연구에 사용되며 중주파로는 주로 고품질 강철 및 합금 생산에 사용되며 빠른 용융 속도, 높은 생산 효율, 강력한 적응성, 유연한 사용, 우수한 전자기 교반 효과 및 편리한 시동 작동의 장점을 가지고 있습니다.

현재 유도로 제련은 특수강, 정밀 합금, 전기 가열 합금, 고온 합금 및 내식성 합금과 같은 특수 합금을 생산하는 데 중요한 방법이 되었습니다.

(2) 전기 슬래그 야금학

전기 슬래그 야금은 액체 슬래그를 통과하는 전류에 의한 슬래그 저항으로 발생하는 열을 이용해 금속을 가열하고 정련하는 특수 제련 방법입니다.

그 핵심은 초기 정제를 기반으로 철강 및 합금을 더욱 정제하고 잉곳의 결정 구조를 개선하여 고품질 금속 제품을 얻는 것을 목표로 하는 전기 슬래그 재용융(ESR)입니다.

전기 슬래그 재용융은 중형 및 대형 단조품 생산에 적합합니다. 재용해 후 제품은 인과 황 함량이 낮고, 인과 황 함량이 낮습니다. 비금속 내포물, 재용융 잉곳의 조밀한 구조 및 수축 없는 주조로 제품의 품질은 물론 기계적 특성, 가공 성능 및 사용성을 크게 향상시킵니다.

(3) 진공 아크 용융

진공 아크 용융은 낮은 산소 전위와 고온 용융 조건을 형성할 수 있으므로 백금, 탄탈륨, 텅스텐과 같은 내화성 또는 산화성 금속을 용융하는 데 지난 세기 초에 사용되었습니다.

기계 산업의 발전과 함께 진공 소모성 전극 아크 재용해 방법은 티타늄 및 그 합금, 정밀 합금, 고온 합금 및 내화 금속의 생산에 성공적으로 적용되었습니다.

이 제련 방법은 1940년대와 1950년대에 급속히 발전하여 점점 더 큰 용량을 갖추게 되었습니다. 현재까지도 특수 제련에서 진공 아크 용융은 재용해 및 정제를 위한 주요 방법 중 하나입니다.

(4) 전자빔 용융

전자빔 재용융(EBM)은 전자총을 사용하여 고속 전자빔을 열원으로 방출하여 고진공 조건에서 금속을 녹이는 제련 방법입니다.

내화 금속(탄탈륨, 니오븀, 하프늄, 텅스텐, 몰리브덴 등)의 제련으로 시작하여 현재는 반도체 소재, 고성능 자성 합금 및 다음과 같은 일부 특수강 생산으로 확장되었습니다. 베어링 스틸부식 방지 스테인리스 스틸, 초저탄소 순철로 제작되었습니다.

또한 전자빔 재용해로는 특정 내열 합금, 특히 니오븀 또는 탄탈륨을 주성분으로 하는 텅스텐 및 몰리브덴 함유 합금을 제련하는 데에도 사용할 수 있습니다.

(5) 플라즈마 아크 용융

플라즈마 용융은 플라즈마 아크를 열원으로 사용하여 금속을 녹이고 정제하고 재용해하는 새로운 제련 방법입니다.

플라즈마 아크를 야금 열원으로 사용할 때의 잠재적 장점은 집중된 에너지, 고온(5000-300,000 K), 빠른 이온 유속(100-500 m/s), 빠른 가열 및 빠른 반응 등입니다. 가스는 이온화된 상태이며 반응 활동이 강합니다.

환원 가스(수소, 일산화탄소, 알칸, 알켄 등)를 사용하여 전하를 직접 환원하거나 정제하는 등 필요에 따라 가스를 선택할 수 있으며, 잉곳에 잔류 탈산 생성물이 없도록 탈산할 수도 있습니다.

고온 플라즈마 아크의 작용으로 S, P, Pb, Bi, Sn 및 As와 같은 불순물이 휘발하기 쉽습니다. 녹을 수 있습니다. 금속 소재 비금속 재료도 녹일 수 있습니다.

1.2 특수 제련 공장에서 생산되는 주요 제품

특수 제련은 특수강, 고온 합금, 정밀 합금, 고합금강, 내화 금속 및 합금과 같은 고급 합금을 생산하기 위한 특별하고 효과적인 방법입니다, 티타늄 및 티타늄 합금, 전기 가열 합금 등이 있습니다.

(1) 특수한 물리적 특성을 가진 금속 및 합금의 일종인 정밀합금은 주로 구조적 부품보다는 물리적 특성을 바탕으로 항공우주 분야의 정밀 기기, 제어, 원격 측정, 전기 제품, 액세서리 및 전자 장치, 무기 시스템의 센서 및 변환기 등의 중요 소재를 제조하는 데 사용됩니다.

예를 들어 '1J'는 연자성 합금, '2J'는 영구 자성 합금, '3J'는 탄성 합금, '4J'는 열팽창 합금, '5J'는 열 바이메탈, '6J'는 저항 합금을 나타내는 등 중국에서는 숫자 앞에 문자 'J'를 사용하여 합금 종류를 표시합니다.

(2) 고온 합금 (고온 저항 합금 또는 내열 초합금)은 중요합니다. 금속 소재 항공용 가스터빈, 선박용 가스터빈 및 로켓 엔진에 사용됩니다. 크리프 변형 및 크리프 파괴에 대한 저항성이 높고 부식 및 열 충격에 대한 저항성이 높습니다.

1.3 철강 및 합금 용융 품질 평가 지표

(1) 구성 요소 제어:

일반적으로 철강 생산에서 제어되는 C, Mn, Si, P, S 제어 외에도 성분 제어에는 다음과 같은 제어도 포함됩니다. 합금 원소 Cr, Ni, Mo, W, Nb, V, Al, Ti 및 미량 원소 B, Ce, La, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, Sm 등입니다. 성분을 최적으로 제어할 수 있는지 여부는 제련 공정에 따라 크게 달라집니다.

(2) 순도:

철강 및 합금의 순도는 주로 다음과 같은 측면을 포함하여 유해한 불순물 및 가스 함량을 나타냅니다.

1. 비금속 불순물

비금속 불순물은 일반적으로 S, P, Ce, Br, I 등을 의미합니다. 강철 등급마다 S 및 P 함량에 대한 요구 사항이 다릅니다.

예를 들어, 일반 강철의 경우 w(S)≤0.055%, w(P)≤0.045%; 고품질 강철의 경우 w(S)≤0.045%, w(P)≤0.040%. 합금강고급 고급 강철의 경우 w(S)≤0.04%, w(P)≤0.035%, 일부 고온 합금의 경우 w(S)≤0.030%입니다.

Ce, Br, I 등의 경우 일부 기술 표준에서는 0.0025%보다 낮아야 한다고 규정하고 있습니다.

2. 가스

일반적으로 산소, 수소, 그리고 강철의 질소 및 합금을 사용할수록 성능이 향상됩니다.

3. 비금속 내포물

비금속 개재물이 철강 및 합금의 성능에 미치는 영향은 개재물의 양뿐만 아니라 유형, 크기, 형태 및 분포와도 관련이 있습니다.

따라서 비금속 개재물의 함량과 분포 상태는 철강 및 합금의 품질을 평가하는 중요한 지표 중 하나이며, 기존 검사에서는 표준 등급 비교 방법을 사용합니다.

4. 금속 불순물

금속 불순물은 주로 강철 및 합금의 Pb, Sn, As, Sb, Bi 및 기타 미량 원소 불순물을 의미합니다. 금속 불순물의 함량은 철강 및 합금의 성능에 큰 영향을 미칩니다.

5. 캐스트 구조

강철 및 합금 잉곳의 주조 구조는 잉곳의 열간 가공 가소성에 중요한 영향을 미칩니다. 강철의 기계적 특성.

좋은 야금 제품의 주조 구조는 다음과 같은 조건을 가져야합니다 : 사양이 요구 사항을 충족합니다; 표면 품질이 좋다; 수축이 작다; 잉곳이 조밀하다; 구성 및 조직 구조가 균일하고 분리 정도가 작다; 결정 구조가 좋다.

1.4 공정이 철강 및 합금의 미세 구조 및 특성에 미치는 영향

(1) 구성 요소 제어는 강철 및 합금의 성능에 영향을 미칩니다.

제련 방법마다 성분 제어 정도가 다르며, 진공 아크로는 쉽게 산화되는 원소를 제어하는 데 더 효과적이고 전기 슬래그 재용융은 휘발성 원소의 손실이 적습니다.

(2) 순도는 강철 및 합금의 성능에 영향을 미칩니다.

진공 용융은 유해 금속 불순물과 산소 함량이 낮고, 전기 슬래그 재용융은 탈황 능력과 산화물 내포물 제거 능력이 우수합니다.

(3) 미세 구조 제어는 강철 및 합금의 성능에 영향을 미칩니다.

일렉트로슬래그 재용융 잉곳은 원주형 결정 축 발달과 낮은 다공성 분리를 가지고 있습니다.

2. 인덕션 용광로 용해

2.1 인덕션 퍼니스 작동 원리 및 장비

2.1.1 인덕션 퍼니스의 작동 원리

모든 유형의 유도로는 코어가 있든 없든, 저주파, 중간 주파수 또는 고주파에서 작동하든 상관없이 기본 회로는 가변 전원 공급 장치, 커패시터, 유도 코일 및 도가니의 금속 용광로 재료로 구성됩니다(그림 2-1).

(1) 유도가열의 원리

유도 가열의 원리는 다음과 같은 두 가지 전기 기본 법칙에 기반합니다. 첫째, 패러데이의 전자기 유도 법칙입니다.

        E=B-L-v-sin∠(v-B) (2-1)

여기서 L은 자기장 내 와이어의 길이입니다;

(v-B)는 자기 유도 세기의 방향과 속도 방향 사이의 각도입니다.

또 다른 기본 법칙은 줄-렌츠 법칙입니다. 이 법칙은 전기 열 효과의 원리라고도 합니다. 줄-렌츠 법칙은 방정식 (2-3)의 형태로 표현할 수 있습니다:

Q = I ² R t                                    (2-2)

여기서 Q는 줄-렌츠 열(J), I는 전류 강도(A)입니다;

R은 도체의 저항(Ω)이고, t는 도체에 전기가 통전되는 시간(초)입니다.

코어리스 유도로의 유도 코일에 주파수가 f인 교류가 흐르면 유도 코일과 그 주변을 둘러싼 공간에 교류 자기장이 생성됩니다.

교류 자기장의 극성, 자기 유도 강도 및 주파수는 이 교류 자기장을 생성하는 교류 전류에 따라 달라집니다. 도가니에 유도 코일이 늘어서 있고 금속로 재료가 채워져 있으면 교류 자기장의 자기장 선의 일부가 금속로 재료를 통과하게 됩니다.

자기장 선의 교대는 금속로 재료와 자기장 선 사이의 절단 자기장 선의 상대적 움직임과 동일합니다.

따라서 금속로 재료에 유도 기전력(E)이 발생하며, 그 크기는 다음 방정식으로 결정할 수 있습니다:

E = 4.44 Ф- f - n (2-3)

여기서 Ф는 유도 코일의 교류 자기장의 자속(Wb 단위)입니다;

f는 교류의 주파수(Hz)입니다;

n은 퍼니스 재료에 의해 형성된 루프의 회전 수로, 일반적으로 n=1입니다;

위의 방정식을 통해 퍼니스 재료에서 더 큰 유도 전압을 생성하려면 이론적으로 자속, 주파수 및 회전 수를 늘릴 수 있음을 알 수 있습니다.

그러나 유도 코일에 통전 된 후 생성 된 자기장 선은 공기를 통과해야하고 (코어리스 유도로의 경우) 공기는 자기 릴럭 턴스가 높기 때문에 자속이 상대적으로 작아 자속을 증가시키기 어렵고 퍼니스 재료의 회전 수는 일반적으로 l과 같습니다.

따라서 유도 전압을 높이려면 주파수를 높이는 방법을 사용하는 것이 좋습니다.

금속로 재료 자체가 폐쇄 루프 t를 형성하기 때문에 금속로 재료에서 생성되는 유도 전류(I)는

여기서 R은 금속 용광로 재료의 유효 저항(Ω)입니다;

퍼니스 재료의 가열 속도는 유도 전류, 퍼니스 재료의 유효 저항 및 통전 시간에 따라 달라집니다. 유도 전류는 유도 기전력의 크기, 즉 퍼니스 재료를 통과하는 자속의 크기와 이를 통해 흐르는 교류의 주파수에 따라 달라집니다. 유도 전류의 크기는 퍼니스 재료 블록의 크기에 따라 달라집니다.

(2) 전자기 교반

유도 전류가 퍼니스 재료를 통해 흐르면 필연적으로 전자기력을 받아 금속 퍼니스 재료의 방향 이동, 즉 "전자기 교반" 효과를 유발합니다. 이 효과의 이점은 다음과 같습니다:

1) 금속 액체의 균일한 온도.

2) 금속 액체의 균질화.

3) 물리 및 화학 반응의 운동 조건 개선.

2.1.2 인덕션 퍼니스 작업 장비

유도로는 코어리스와 코어형의 두 가지 유형으로 나눌 수 있으며, 후자는 제강에 거의 사용되지 않으므로 여기서는 설명하지 않습니다. 코어리스 유도로의 경우 일반적으로 전원 주파수에 따라 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다: 변압기를 통해 전력망에 직접 연결되고 주로 주철 용해에 사용되는 선로(주파수 50 또는 60Hz), 고주파 전자관 발진기를 사용하고 주로 소규모 실험실 연구에 사용되는 고주파 용광로(주파수 범위 10KHz ~ 300KHz), 중주파 발전기 세트, 트리플러 또는 싸이리스터 정전기를 사용하는 중주파 용광로(주파수 범위 150Hz ~ 10000Hz). 주파수 변환기.

중주파 유도로의 전체 장비 세트에는 전원 공급 장치 및 전기 제어 부품, 퍼니스 본체, 전송 장치 및 수냉 시스템이 포함됩니다.

2.2 인덕션로 용해의 특성

(1) 전자기 유도 가열. 가열 방식이 다르기 때문에 유도로는 전기 아크 가열에 필요한 흑연 전극이나 아크 아래의 국부적 과열 영역이 필요하지 않으므로 전극 탄소 증가 가능성을 제거합니다. 유도로는 전기 아크로에서 녹이기 어려운 저탄소 강과 합금을 녹일 수 있어 가스 함량이 낮은 제품을 생산하는 데 유리한 조건을 만듭니다.

(2) 용융 풀에 일정 수준의 전자기 교반이 있습니다. 전자기 유도로 인한 금속 교반은 강철의 균일 한 조성과 온도, 내포물 유착, 성장 및 부유를 촉진합니다. 유도 용해로 용해 과정에서 합금 원소의 손실이 상대적으로 적기 때문에 예측 조성이 더 정확하여 성분 제어에 도움이되고 용해 시간이 단축됩니다.

(3) 용융 풀 표면적의 비율이 작습니다. 이는 용융 금속에서 쉽게 산화되는 원소의 손실을 줄이고 가스 흡수를 줄이는 데 유리합니다. 따라서 유도로는 고합금강 및 합금, 특히 티타늄, 알루미늄 또는 붕소를 포함하는 합금을 용해하는 데 상대적으로 유리한 조건을 만들었습니다. 그러나 유동성이 낮고 반응 강도가 낮아 슬래그와 강철의 계면에서의 야금 반응에 도움이되지 않는 경향이 있습니다. 이러한 이유로 유도로 용해의 원료에 대한 요구 사항은 비교적 엄격합니다.

(4) 입력 전력의 편리한 조정. 유도 용광로 용해 과정에서 입력 전력을 편리하게 조정할 수 있습니다. 따라서 용융 풀의 용융 온도를보다 정확하게 제어하고 용광로를 단열 할 수 있으며 강철을 여러 번 생산하여 한 배치에서 다양한 조성을 가진 제품을 용융 할 수있는 조건을 만들 수 있습니다.

(5) 동일한 전원이 여러 용량의 용광로에 전력을 공급할 수 있으므로(동시에 공급할 수는 없음) 유도 용광로의 유연성은 제련 용량 측면에서 전기 아크로의 유연성보다 더 큽니다.

(6) 높은 열효율. 유도로의 가열 방식과 작은 표면적은 열 방출이 적기 때문에 유도로의 열 효율은 전기 아크 용광로보다 높습니다. 그러나 유도로의 전기 효율은 전기 아크 용광로보다 낮기 때문에 두 유형의 전기로의 총 효율은 비슷합니다.

(7) 연기가 적고 환경 오염이 적습니다. 유도로에서 용해할 때 기본적으로 화염이나 연소 생성물이 없습니다.

(8) 전기로보다 내화물을 더 많이 소비하고 도가니 수명이 더 짧습니다. 도가니의 내화 재료 요구 사항이 높기 때문에 강철 톤당 내화 재료 비용도 전기 아크로보다 높습니다.

2.3 인덕션로 용해 원리

2.3.1 원소의 산화 및 탈산화

산소는 용강에서 두 가지 상태로 존재합니다. 하나는 [O]로 표시되는 용존 산소이며, 온도가 증가함에 따라 용해도가 증가합니다. 다른 하나는 용강에 포함되는 형태로 존재하는 산소입니다. 용강에 탈산 원소가 존재하면 용강 내 용존 산소가 이들과 결합하여 산화물 내포물을 형성합니다. 용강의 산소 공급원에는 주로 용융 및 주조 중 대기 중 산소의 침입, 원료와 함께 유입되는 산소, 내화 재료에서 유입되는 산소가 포함됩니다.

(1) 원소의 탈산 능력

다양한 원소의 산화 난이도를 산화 상태라고 하며, 탈산 능력이라고도 합니다. 특정 온도와 압력에서 특정 농도의 탈산 원소와 평형 상태에서 강철에 용해된 잔류 산소 함량을 말합니다. 산소 함량이 낮을수록 이 원소의 탈산 능력이 강해집니다. 원소의 탈산 반응에 대한 일반적인 공식은 다음과 같습니다:

x[M]+y[O]=M_xO_y                       （2-5）

금속 산화물은 용강에 녹지 않는 순수한 물질로 간주되며 다음과 같은 함량이있는 경우 금속 요소 용강에 산소가 부족한 경우입니다:

공식에서 a_MxOy 는 원소를 탈산시켜 얻은 산화물의 활성을 나타냅니다._[M] 는 강철의 탈산소 원소의 활성을 나타내며, a_[O] 는 강철에서 산소의 활성을 나타냅니다. 탈산 생성물이 순수한 산화물 또는 포화 상태인 경우, A씨는_MxOy 는 1과 같습니다. fM=1, f0=1 또는 fMx.f0y=상수인 경우,

KM = 1/K로 합니다. 그러면 KM = [%M]x.[%O]y (2-8)가 됩니다.

KM의 크기는 원소의 탈산 능력을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. KM 값이 작을수록 원소의 탈산 능력이 강합니다. 그림 2-7과 표 2-8은 1600℃ 온도에서 용융 철과 니켈의 원소 탈산 능력을 비교한 것입니다. 일반적으로 1600℃의 용철에서 탈산 능력이 가장 강한 것부터 가장 약한 것의 순서는 다음과 같습니다: Ba → Ca → Ce → La → Mg → Zr → Al → Ti → B → Si → Mn → W → Fe 순입니다.

(2) 원소의 탈산 효과 및 영향 요인

1. 원소와 산소의 친화력: 원소의 산소 친화력이 강할수록 탈산 능력이 커져 탈산 효과를 개선하는 데 유리합니다.

2. 탈산 원소의 물리적 특성: 여기에는 녹는점, 비중, 끓는점(증기압), 강철 액체에 대한 용해도가 포함됩니다.

3. 탈산 제품의 물리적 특성: 강철 액체의 융점, 비중, 계면 장력, 고융점 산화물과 저융점 액체 복합 산화물을 형성하는 능력, 강철 액체에 대한 용해도는 모두 탈산 효과에 큰 영향을 미칩니다.

(3) 탈산소 원소 및 복합 탈산제의 특성:

1. 알루미늄 탈산 및 알루미늄, 망간 또는 실리콘과 망간을 이용한 동시 탈산: 알루미늄은 산소 친화력이 높은 강력한 탈산제이지만 탈산 능력은 칼슘, 마그네슘, 바륨, 희토류 원소보다 낮고 실리콘, 망간, 티타늄 및 기타 원소보다 높습니다.

2. 탈산화를 위한 칼슘 및 칼슘 합금의 특성: 칼슘은 매우 강력한 탈산제이자 매우 효과적인 탈황 원소입니다. 그러나 끓는점(1484℃)이 낮기 때문에 용융 철에서 증기 상태로 존재하여 효과가 감소합니다. 또한 용철에서 칼슘의 용해도가 매우 낮아 탈산 및 탈황 효과에 영향을 미쳐 이용 효율이 떨어집니다.

2.3.2 확산 탈산 및 침전 탈산

(1) 확산 탈산소

확산 탈산화의 원리: 에너지 분포 법칙에 따르면 확산 탈산 과정에서 산소는 슬래그와 강액 모두에 동시에 용해될 수 있습니다. 특정 온도에서는 다음과 같은 평형 관계가 존재합니다:

(FeO) = Fe(l) + [O] (2-9)

이때 슬래그와 강재 액체 사이의 산소 농도 비율은 일정해야합니다.

확산 탈산화에 영향을 미치는 요인:

a) 확산 탈산 효율에 대한 온도의 영향. 용철의 최대 포화 산소 함량에 대한 온도의 영향은 두 가지이며, 그 관계는 다음 공식으로 표현됩니다: 로그 [%O]포화 = -6320/T + 2.734 (2-11).

b) 강철 슬래그 접촉 조건의 영향.

c) 슬래그 구성의 영향.

(2) 강수량 탈산:

침전 탈산화의 원리: 침전 탈산은 용강에 용존 산소와 반응하여 용강에 불용성인 산화물을 형성하기 위해 용강에 산소 친화력이 철보다 큰 원소를 첨가하는 것을 말합니다. 그런 다음 산화물은 부력에 의해 용강에서 제거되어 용강의 산소 함량을 줄입니다.

강수량 탈산화제의 종류와 적용 범위: 일반적으로 사용되는 강수량 탈산화제는 주로 순수 금속 탈산화제, 니켈 기반 탈산화제, 알루미늄 기반 탈산화제, 실리콘-망간 기반 및 실리콘-칼슘 기반 탈산화제를 포함합니다. 칼슘, 바륨, 마그네슘과 같은 강력한 탈산 원소를 포함하는 복합 탈산제를 사용하여 총 산소 함량을 줄이면 총 산소 함량이 ≤0.003%인 강철 액체를 얻을 수 있습니다. 다양한 탈산제를 함께 사용해야만 고순도 강철을 얻을 수 있습니다.

2.3.3 합금 탈황

기본적으로 합금 탈황은 용융 철에 용해된 황을 고융점 화합물(예: CaS, MgS, CeS) 또는 황화물 산화물로 전환하는 작업을 포함합니다. 용철에서 이러한 황화물의 용해도는 황화철보다 훨씬 낮기 때문에 강철에서 황을 제거하거나 분산시킬 수 있습니다. 탈황의 주요 방법은 정제제 또는 슬래그 반응을 사용하는 것입니다.

(1) 정제제 탈황 처리

정제제 탈황의 기본 원리는 황과 친화력이 높은 물질을 사용하여 황화물을 형성하는 것입니다. 이러한 황화물은 용융 철에 불용성이거나 용해도가 매우 낮으며 합금 액체보다 밀도가 낮습니다. 황에 대한 다양한 원소의 상대적 친화도는 1몰의 황과 반응하는 각 원소의 표준 자유 에너지 변화로 측정할 수 있습니다. 같은 온도에서 표준 자유 에너지의 값이 작을수록 원소와 황 사이의 친화력이 커집니다. 다른 원소들의 황에 대한 상대적 친화도는 La, Ca, Ba, Mg, Mn, Fe의 순서로 감소합니다.

(2) 슬래그 반응 탈황

슬래그 반응 탈황은 알칼리성 유도 용광로에서만 수행할 수 있습니다. 탈황 공정은 다음 세 단계로 나눌 수 있습니다:

1. 금속 액체의 황 이온은 슬래그 계면으로 확산되고, 슬래그의 산소 이온은 슬래그-강 계면으로 확산됩니다;

2. 슬래그 인터페이스에서 다음과 같은 반응이 일어납니다: [s] + (o2-) = (s2-) + [o] (2-12)

3. 생성된 황 원자는 슬래그로 확산되고, 생성된 산소 원자는 강철로 확산됩니다. 경험적으로 탈황 반응 속도는 슬래그 내 황 이온의 확산에 의해 결정됩니다. 방정식 2-12에 표시된 평형 상수 K는 온도에 따라 변하는 상수입니다. 슬래그의 탈황 능력은 일반적으로 분포 계수 Ls로 표현되며, 이는 다음과 같습니다.

N_O^2- 는 슬래그의 알칼리도를 나타내며, 알칼리도가 높을수록 탈황에 유리합니다. 그러나 알칼리도가 너무 높으면 슬래그의 융점과 점도가 증가하여 탈황 속도가 제한되어 탈황에 도움이 되지 않을 수 있습니다. 금속 용융물의 산소 함량이 낮으면 슬래그의 산화철 함량도 낮아져 탈황에 유리합니다. 실험에 따르면 1600℃의 순수 용철에서 황과 산소의 평형 함량 사이에는 관계가 있는 것으로 나타났습니다: [S]/[O] = 4. 온도를 높이는 것은 L을 증가시킬 뿐만 아니라 철강 슬래그의 유동성을 향상시킬 수 있기 때문에 탈황에 유리합니다.

2.3.4 비금속 포함물 제거

많은 수의 비금속이 존재합니다. 강철의 내포물 은 강철 매트릭스의 연속성을 파괴하고 원자 간 힘을 약화시키며 응력 집중을 촉진하고 균열 형성을 유발할 수 있습니다. 특히 합금의 냉간 및 고온 가공 시 가소성, 충격 인성, 피로 성능, 심지어 일부 물리적 특성까지 저하시켜 강철의 기계적 특성을 심각하게 저하시킵니다. 이 효과는 내용물뿐만 아니라 모양과 크기와도 관련이 있습니다.

합금에 잔류하는 수소와 질소는 수화물과 질화물을 형성할 뿐만 아니라 백색 반점과 같은 현상을 일으키기 쉽습니다, 수소 취성및 노화. 기체 형태로 침전된 [H] 및 [N]은 기공을 형성할 수 있습니다. 강철 잉곳스트립 롤링 중에 피하 기포와 같은 결함이 쉽게 발생할 수 있습니다. 대기 유도로는 플로팅 방법을 사용하여 개재물을 제거합니다. 비금속 개재물의 밀도가 용융 금속보다 낮으면 부력에 의해 개재물이 용융 금속과 슬래그의 계면으로 떠서 슬래그에 흡수됩니다.

내포물의 상승 속도는 스토크스의 법칙을 사용하여 계산할 수 있습니다.

2.4 유도로 제련용 원자재

원자재에 대한 요구 사항: 입력 재료의 화학 성분이 정확해야 하고, 금속 재료는 깨끗하고 건조하며 기름과 녹이 없어야 하며, 블록 크기가 적절해야 하고, 모든 재료는 건조한 환경에 보관해야 합니다.

원재료의 종류: 철강 재료: 선철, 산업용 순철, 고철, 반품 재료. 합금 재료: W, Mo, Nb 및 그 철 합금; Ni Cr, Co 및 그 합금; Si, Mn 및 그 합금; V, B 및 그 합금; Al, Ti 및 그 합금; 희토류 금속 및 그 합금; 특수 첨가제. 슬래그 제조 재료: 석회, 형석, 점토 벽돌 조각.

재료 계산:

전하의 구성과 제련된 제품의 목표 조성을 기반으로 용광로에 추가할 각 유형의 원료의 무게를 계산합니다.

유도로는 주로 용융 및 가열 공정에 초점을 맞추기 때문에 성분 계산에 대한 요구 사항이 더 정확합니다. 합금 원소의 회수율을 계산하려면 정확한 계산 방법이 필요합니다.

2.5 인덕션 퍼니스 도가니(레슨 4)

2.5.1 유도로 도가니의 분류 및 품질 요구 사항

(1) 도가니의 분류:

유도로 도가니는 재료에 따라 알칼리성, 산성, 중성의 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 바인더는 붕산입니다.

산성(규사) 또는 알칼리성(마그네시아) 도가니 생산에서 붕산의 역할은 다음과 같습니다:

a. 소결 온도 낮추기.

b. 스피넬의 형성을 촉진합니다.

c. 도가니의 부피 변화율 감소.

도가니는 제조 방식에 따라 프리캐스트 도가니, 현장 성형 도가니, 내화 벽돌 라이닝 도가니로 분류할 수 있습니다.

(2) 도가니의 품질 요구 사항

도가니의 내화 재료에 대한 주요 요구 사항은 다음과 같습니다:

높은 내화성과 고온 구조적 강도.

빠른 가열/냉각에 대한 저항력이 우수합니다.

슬래그 부식에 대한 내성이 우수합니다.

가능한 한 낮은 열전도율.

단열 성능이 우수합니다.

무공해, 무해성, 낮은 휘발성, 강력한 내수분성, 저렴한 비용.

2.5.2 도가니의 준비

(1) 입자 크기 비율:

합리적인 입자 크기 비율은 도가니의 최소 다공성 비율을 보장하기 위해 최상의 체적 밀도를 달성할 수 있으며, 일반적으로 약 20%입니다. 모래 입자 크기의 굵은, 중간, 미세 범위는 용광로의 용량에 따라 달라집니다.

동일한 용량의 마그네시아 도가니의 입자 크기 비율

(2) 형성 방법

유도로 도가니를 성형하는 방법에는 외부 성형과 내부 성형의 두 가지 주요 방법이 있습니다. 바인더의 차이에 따라 내부 성형 방법은 습식 성형과 건식 성형으로 나눌 수 있습니다.

(3) 도가니 제조

외부 성형 도가니의 경우 제조는 도가니를 유도 코일에 설치하는 방법과 퍼니스 입구를 수리하는 방법을 말합니다. 여기서는 내부 성형 도가니의 제조 공정을 소개합니다. 생산 전 준비 작업에는 모래 준비 및 혼합, 유도 코일의 청소 및 검사, 도가니 금형 준비, 성형 도구 및 장비 준비가 포함됩니다.

각 도가니를 만들기 전에 인덕션 코일의 누수, 누수, 절연 손상, 인덕션 코일과 턴 사이의 패스너가 안정적이고 견고한지 여부를 확인합니다.

몰드는 주로 도가니 내부의 모양과 부피를 제어하는 데 사용되는 도가니 코어를 말합니다. 인덕션로 도가니 코어는 강판으로 용접되거나 흑연으로 만들어집니다.

흑연 코어 진동 성형기

(4) 도가니 소결

목적: 도가니의 소형화, 강도 및 부피 안정성을 개선합니다.

프로세스: 모래 재료의 접촉 표면을 고온으로 가열하여 액상 결합을 통해 연속 소결 네트워크를 형성하여 전체 모래 재료를 하나의 전체로 연결합니다.

소결 방법: 고온 소결 및 저온 소결.

A. 마그네시아 도가니의 고온 소결(4단계로 구분)

1단계: 850℃의 소결 온도, 주로 모래 재료의 탈수 반응과 탄산염 분해를 위한 소결 온도입니다.

2단계: 850~1500℃의 소결 온도에서 저융점 화합물이 녹기 시작하고 소결 네트워크가 형성되기 시작하며 도가니 부피가 크게 줄어듭니다. 이 단계에서 가열 속도를 적절히 높일 수 있습니다.

3단계: 소결 온도 1500~1700℃, 감람석과 마그네슘-알루미늄 스피넬이 녹기 시작하고 새로운 화합물이 형성되기 시작하며 소결 네트워크가 형성되고 도가니 부피가 급격히 줄어들면서 밀도와 강도가 크게 증가합니다. 이 단계에서는 가열 속도를 줄여야 합니다.

4단계: 1700-1850℃ 사이의 소결 온도는 주로 포스테라이트의 지속적인 성장을 촉진하고 도가니 단면의 이상적인 소결 층 두께와 소결 구조를 얻기 위해 사용됩니다.

B. 마그네시아 도가니의 저온 소결 (3 단계로 구분)

1단계: 850℃의 온도, 주로 탈수 반응과 탄산염 분해를 위해 느린 가열 속도로 진행됩니다.

2단계: 850℃~1400℃의 온도에서 B2O3를 함유한 저융점 화합물의 소결 네트워크가 빠르게 형성되고 도가니 강도가 증가합니다.

3단계: 850℃~1400℃의 온도에서 예비 소결된 도가니의 소결층 두께를 계속 증가시켜 이상적인 소결 구조를 달성합니다.

2.6 인덕션로 용해 공정

2.6.1 용융 과정

용해에 사용되는 고철에는 일반적으로 일정량의 수분과 기름 오염이 포함되어 있습니다. 이러한 용광로 재료를 용광로에 직접 추가하는 것은 안전하지 않으며, 특히 이미 형성된 용융 풀의 경우 종종 튀는 경우가 많기 때문에 안전하지 않습니다. 동시에 제품의 주요 산소 공급원 중 하나이기도 합니다.

따라서 일부 공장에서는 고철에 예열 또는 건조 시스템을 설치하여 가열 방법을 사용하여 고철에 부착된 수분과 기름 오염을 제거하여 안전한 사용을 보장하고 수소가 유입되는 것을 방지합니다. 또한 예열된 고철을 추가하면 용융 시간을 단축하고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

(1) 충전

원자재 요구 사항:

a. 충전된 물질의 화학 성분이 정확해야 합니다;

b. 금속 소재는 깨끗하고 건조하며 기름기가 없고 녹이 거의 없어야 합니다;

c. 재료 블록의 적절한 크기;

d. 건조 보관.

충전 요구 사항:

용해로 재료의 하층은 조밀해야 하고 상층은 느슨해야 용해 과정 중에 용해로 재료의 상층이 브리징되는 것을 방지할 수 있습니다;

큰 재료를 충전하기 전에 먼저 용광로 바닥에 작고 가벼운 재료 층을 놓아야합니다.

다른 합금이나 강철 재료보다 녹는점이 낮은 일부 합금이나 강철 재료는 용광로 바닥에서 먼저 충전해야합니다.

융점이 높고 쉽게 산화되지 않는 재료는 층이 있는 재료의 상부, 즉 고온 영역에서 충전해야 합니다.

도가니 상단의 저온 영역은 주로 강철 재료로 충전되어야합니다.

자료는 브리징을 방지하기 위해 느슨하게 충전해야 합니다.

(2) 녹이기

용광로 재료의 제련은 액체 금속의 가스 함량 변화 및 합금 원소 회수와 직접적인 관련이 있으며 제련 시간, 도가니 수명 및 에너지 소비와 같은 기술 지표에도 영향을 미칩니다. 용해 기간은 유도로 제련에서 중요한 단계이며 다음과 같은 주요 작업을 수행합니다:

용광로 재료를 빠르게 녹이고, 탈황하고, 합금 원소의 손실을 줄이고, 금속 용융물이 가스를 흡수하지 못하도록 슬래그를 즉시 추가합니다.

(3) 정제

정제 기간은 유도로 제련에서 중요한 연결 고리로, 정제를 통해 탈산, 합금 및 철강 액체의 구성 및 온도 조정과 같은 작업을 완료합니다.

슬래그의 합금 원소 함량을 줄이기 위해 슬래그의 조성을 조정합니다.

강철 액체의 탈산 및 합금화.

(4) 탭핑 및 캐스팅

제련된 강철 또는 합금이 탭핑 요건을 충족하면 탭핑할 수 있습니다. 소용량의 용광로의 경우 직접 주조할 수 있습니다. 대용량 용광로의 경우 먼저 주조 국자에 부은 다음 주조할 수 있습니다. 제품 요구 사항에 따라 잉곳, 주물 또는 소모품 전극으로 주조할 수 있습니다. 주조 태핑 프로세스 또한 진공 주조를 사용할지 비진공 주조를 사용할지, 상단 타설 또는 하단 타설을 사용할지 등 제품의 품질과 공정 흐름에 따라 주조 방법을 선택해야 합니다.

일반적으로 전기 가열 합금과 고온 합금은 추가 정제가 필요하므로 일반적으로 소모성 전극으로 주조하는 반면, 정밀 합금은 일반적으로 진공 주조합니다. 진공 주조는 강철 액체의 2차 산화 및 재흡수를 방지할 수 있습니다. 캐스팅 프로세스를 사용하여 수소와 질소 일부를 효과적으로 제거하여 불순물이 적고 순도가 높은 강철을 얻을 수 있습니다.

2.7 유도로 제련 시 조성 제어(레슨 5)

화학 성분은 강철의 품질과 성능에 큰 영향을 미칩니다. 일부 강철의 종류품질과 성능에 대한 높은 요구 사항을 충족하기 위해서는 기술 사양을 충족하는 것 외에도 화학 성분을 더 엄격한 범위 내에서 제어해야 합니다. 화학 성분 관리는 모든 용광로 제강 공정을 통해 이루어지며 합금 원소의 손실, 물리화학적 특성, 슬래그 물리화학적 상태, 강액 온도, 제련 방법 등과 밀접한 관련이 있습니다.

(1) 합금 원소의 회수율에 영향을 미치는 주요 요인

합금 원소 자체의 물리화학적 특성.

제련 시간. 용융 시간이 길수록 C와 Si의 손실이 커지고, 활성 원소를 첨가하고 두드리는 시간이 길어질수록 합금 원소의 손실이 증가합니다.

제련 온도. 온도가 상승하면 강철 내 합금 원소의 자유 에너지가 감소하여 합금 원소의 용해에 도움이 됩니다. 그러나 온도가 너무 높으면 합금 원소의 손실이 악화됩니다.

슬래그 시스템. 슬래그의 물리화학적 상태는 합금 원소의 회수율에 큰 영향을 미칩니다. 특히 슬래그의 점도와 알칼리도가 더 큰 영향을 미칩니다. 슬래그의 FeO 및 SiO2 함량이 높을수록 원소 손실이 커집니다.

원소의 휘발성 손실. W, Mo, Mn의 산화물로 인한 휘발성 손실에 주의를 기울여야 합니다.

강철 액체의 [O], [N], [S] 함량. 강철의 [O], [N], [S] 함량이 높을수록 원소 손실이 커집니다. 합금 원소를 추가하기 전에 강철 액체를 완전히 탈산, 탈황 및 탈질해야 합니다.

합금 원소를 추가하는 타이밍, 블록 크기 및 방법. 더 많은 활성 원소를 일찍 추가할수록 손실이 커집니다. 합금 원소의 회수율은 분말 형태의 합금 원소를 추가할 때보다 블록 형태의 합금 원소를 추가할 때 더 높습니다. 또한 용광로에 추가하는 것과 국자에 추가하는 것 사이에는 회수율에 약간의 차이가 있습니다.

(2) 합금 원소 회수율 향상 방법

1. 저손실 원소의 제어 방법: 정상적인 제련 조건에서 손실률이 5%보다 낮은 합금 원소를 저손실 원소라고 하며, 여기에는 Ni, Co, Mo, W, Cu 등이 포함됩니다. 저손실 원소는 일반적으로 용광로 전하와 함께 첨가할 수 있으며, 전해 구리는 녹는점이 낮기 때문에 용융이 끝날 때 첨가해야 합니다. 제련 중 Mo와 W의 손실은 주로 산화물에 의한 휘발성 손실 때문입니다.

또한 텅스텐을 함유한 합금은 도가니가 텅스텐을 흡수하여 텅스텐 손실과 부적합한 화학 조성을 초래하므로 새 도가니에서 제련할 수 없습니다. 텅스텐 함유 재료는 또한 다량의 텅스텐 함유 재료가 도가니 바닥에 침전되어 오랫동안 녹지 않는 "바닥 현상"을 일으킬 수 있습니다. W와 Mo의 손실을 줄이려면 제련 중에 충분한 용융과 교반을 보장해야 합니다.

2. 중간 손실 원소의 제어 방법: 중간 손실 원소는 Cr, V, Si, Mn, Nb 등 손실률이 5%에서 20% 사이인 원소를 말하며, 용광로 상황에 따라 첨가량이 달라집니다. 일반적으로 Nb는 정련 마지막에 첨가하고 충분히 교반합니다. Cr이 포함된 강철을 제련할 때는 크롬이 슬래그로 산화되는 것을 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다. 크롬 함량이 높지 않은 경우 완전히 탈산 한 후에 추가하는 것이 가장 좋습니다. FeS의 열 취성 효과를 제거하기 위해 Mn을 첨가할 때는 Mn/S>8을 제어해야 합니다.

3. 고손실 원소에 대한 제어 방법: Ti, Al, Re, Zr 등과 같은 합금 원소는 일반적인 제련 조건에서 손실률이 20%보다 크며 고손실 원소입니다. 일반적으로 최종 탈산 후에 추가해야 합니다. 추가 방법은 탈산 시스템에 따라 다릅니다.

또한 합금 원소의 회수율을 제어하기 위해 합금 원소를 첨가하는 방법과 시기를 종합적으로 고려해야 합니다. 예를 들어 고온 합금을 제련할 때는 Ti를 첨가해야 합니다. 티타늄 스펀지 형태로 티타늄을 첨가하면 최종 탈산 후 첨가하더라도 회수율은 약 70%에 불과합니다. 그러나 티타늄을 Ni-Ti 중간 합금으로 만들어 첨가하면 회수율이 95% 이상에 도달할 수 있습니다.

3. 진공 유도 용융(VIM)

3.1 개요

진공 유도 용융(VIM)은 전자기 유도를 사용하여 금속 도체를 가열하기 위한 와전류를 생성하여 진공 조건에서 재료를 용융하는 방법입니다. 새로운 진공 유도 탈기 및 주입(VIDP) 기술은 작은 용융량, 짧은 진공 펌핑 시간 및 용융 주기, 쉬운 온도 및 압력 제어, 휘발성 원소의 쉬운 회수, 정확한 조성 제어 등의 장점을 가지고 있습니다. 1988년 등장한 이래 선진국의 대규모 진공 유도로의 주요 선택 대상으로 선정되었습니다.

3.1.1 진공 유도로의 장비

진공유도로는 초합금을 생산하는 데 사용되는 장비입니다. 작동 모드에 따라 배치형 용광로와 반연속 작동 용광로로 나눌 수 있습니다. 진공 유도로는 초합금을 정제하고 특수 합금을 주조하는 데 사용할 수 있습니다. 진공 유도로의 지원 장비는 그림 3-1 및 3-2와 같이 전원 공급 및 전기 제어, 용광로 본체, 진공 시스템 및 수냉 시스템의 네 부분으로 나눌 수 있습니다.

3.1.2 진공 유도로의 전원 공급 장치

진공 유도로의 전원 공급 장치에는 다음과 같은 요구 사항이 있습니다:

(1) 인덕터의 단자 전위는 낮아야 합니다. 진공 유도로에서 사용하는 작동 전압은 중주파 유도로보다 낮으며 일반적으로 750V 미만으로 너무 높은 전압으로 인한 진공 상태에서 가스 방전 및 절연 손상으로 인한 사고를 방지합니다.

(2) 고차 고조파가 부하 회로에 유입되는 것을 방지합니다. 사이리스터 주파수 변환 회로를 사용할 때 고차 고조파가 부하 회로에 유입되어 인덕터가 퍼니스 쉘의 전압을 높이고 방전을 유발하는 경우가 종종 있습니다. 따라서 고차 고조파의 유입을 차단하기 위해 전원 공급 장치의 출력 단에 중주파 절연 변압기를 추가해야 합니다.

(3) 진동 회로의 전류가 커야 합니다;

1 - 진공 유도 용융 챔버, 2 - 황삭 밸브, 3 - 고진공 밸브, 4 - 기계식 펌프, 5 - 확산 펌프, 6 - 밸브

3.1.3 진공 유도로의 용광로 본체 구조

진공 유도로의 기존 구조는 퍼니스 본체의 개폐 형태에 따라 단일 챔버 수직 퍼니스와 2 챔버 수평 퍼니스로 나눌 수 있습니다. 진공 유도로의 퍼니스 본체는 주로 퍼니스 쉘, 인덕터, 도가니, 틸팅 메커니즘, 주조 시스템, 수냉 시스템 및 전원 공급 장치로 구성됩니다. 퍼니스 본체의 구조는 도가니 회전 주조 형과 퍼니스 본체 틸팅 주조 형의 두 가지 유형이 있습니다.

진공 유도로의 용광로 본체에는 공급, 교반, 온도 측정 및 샘플링 장치와 같은 액세서리가 장착되어 있습니다. 진공 유도로의 가장 큰 특징은 용광로 쉘 내부에서 제련 및 주조 공정이 수행된다는 것입니다. 퍼니스 쉘은 고정식 퍼니스 쉘과 이동식 퍼니스 쉘로 나뉩니다. 퍼니스 쉘은 내부 진공에 의해 형성되는 강한 압력을 견뎌야 하며 충분한 구조적 강도를 가져야 합니다.

소형 진공 유도로의 용광로 쉘은 비자 성 스테인리스 이중층 구조를 채택합니다. 강판 를 내부 층에, 일반 강판을 외부 층에 용접하고 그 사이로 냉각수를 흐르게 합니다. 대형 진공 유도로는 일부 부품에 이중층 구조를 사용하고 외부에 수도관으로 냉각되는 단층 강판을 사용합니다. 퍼니스 쉘의 가동부와 고정부 사이의 접촉면은 진공 고무 부품으로 밀봉해야 합니다. 진공 시스템의 원리는 그림 3-3에 나와 있습니다.

3.1.4 진공 유도 용해로의 용해 특성

(1) 제품의 가스 함량이 낮고 순도가 높습니다;

(2) 제품 구성의 정밀한 제어;

(3) 원자재에 대한 강력한 적응력;

(4) 진공 조건에서 잉곳으로 주조할 수 있을 뿐만 아니라 복잡한 모양의 주조도 가능합니다.

그러나 진공 유도로 용해에는 몇 가지 문제도 있습니다. 용융 과정에서 용융 금속은 도가니 내화물과 장시간 접촉하여 필연적으로 내화물에 의한 금속 오염을 유발합니다. 둘째, 용융 금속의 응고 조건과 일반적인 주조 방법은 다르지 않으므로 여전히 느슨 함 및 분리와 같은 결함이 있습니다.

표 3-1 다양한 용융 방법으로 생산된 SAE4340 강철의 가스 함량

표 3-2 다양한 용융 방법으로 생산된 SAE4340 강철의 가스 함량

3.2 진공 용융의 이론적 근거

(1) 진공 상태에서의 탄소 탈산

진공 상태에서의 탄소 탈산화 능력은 진공도가 증가함에 따라 크게 증가합니다. 1600℃에서 진공도가 10-3 기압일 때 탄소 탈산화 능력은 알루미늄을 초과하고, 시스템 진공도가 10-5 기압일 때 탄소 탈산화 능력은 대기 조건의 105배에 달합니다. 탄소 탈산은 주로 진공 상태에서 활용됩니다.

(2) 강철의 가스 용해 및 그 영향 요인

용융 금속에서 이원자 기체 분자의 용해도는 대기 중 기체 압력의 제곱근에 비례합니다. 따라서 진공도가 높을수록 금속 내 기체의 용해도는 낮아집니다.

1600℃, PH2=100Kpa에서 합금 원소가 용융 철의 질소 용해도에 미치는 영향과 1600℃, PN2=100Kpa에서 용융 철의 수소 용해도에 미치는 영향도 고려해야 합니다.

3.3 진공 유도 용광로 제련 공정

진공 유도로 제련의 전체 사이클은 충전, 용융, 정제, 합금 및 탈산, 주입 등 몇 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다.

3.3.1 충전

(1) 원자재 요구 사항

진공 유도로에 사용되는 전하 재료는 일반적으로 표면 처리된 깨끗한 원료입니다. 녹 대부분의 합금 원소가 순수한 금속 형태로 첨가되어 탈지됩니다. 충전 중에는 완제품의 품질에 영향을 미치고 용융 중에 튀는 것을 방지하기 위해 습식 충전 재료를 사용해서는 안 됩니다. 충전하는 동안 충전 재료의 상부는 느슨하고 하부는 단단히 조여 용융 과정에서 상부 충전 재료가 끼이거나 용접되어 발생하는 "브리징"을 방지해야 합니다. 대형 재료를 충전하기 전에 도가니 바닥에 작은 경량 재료 층을 깔아야 합니다. 용융성이 높고 산화가 어려운 충전 재료는 도가니의 중간 및 하부에 있는 고온 영역에 적재해야 합니다. Al, Ti, Mn, B 및 희토류와 같은 몇 가지 활성 원소는 별도의 피더에 적재할 수 있습니다.

(2) 충전 요구 사항

I. 충전 재료의 하층은 촘촘하고 상층은 느슨해야 용융 과정에서 상층 충전 재료의 브리징을 방지할 수 있으며, 대형 재료를 충전하기 전에 도가니 바닥에 작은 경량 재료 층을 깔아야 합니다.

II. 용융성이 높고 산화가 어려운 전하 물질은 도가니의 중간 및 하부에 있는 고온 영역에 적재해야 합니다.

III. 금속 탈산화를 위해 좋은 조건에서 쉽게 산화 가능한 전하 물질을 추가해야 합니다.

IV. 휘발성 원소의 손실을 줄이기 위해 합금의 형태로 금속 용융물에 합금을 첨가하거나 불활성 가스를 용융 챔버에 도입하여 특정 용광로 압력을 유지할 수 있습니다.

3.3.2 용융 단계

간헐적으로 작동하는 진공로의 경우, 충전 재료가 로드된 후 진공 챔버가 닫히고 진공이 펌핑됩니다. 진공 챔버의 압력이 0.67 Pa(5×10^-3 mmHg)이 되면 전원을 켜서 충전 물질을 가열할 수 있습니다. 진공 조건에서 충전 재료가 로드된 연속 생산 용광로의 경우 충전이 완료되는 즉시 용융 단계로 들어가도록 전원을 공급할 수 있습니다. 용융 중 전하 물질의 가스 제거 효과를 고려할 때 초기 용융 단계에서는 최대 전력 입력이 필요하지 않습니다. 대신 충전 물질의 가스 제거 상황에 따라 전력을 서서히 증가시켜 과도한 가스 제거로 인한 튀김 현상을 방지해야 합니다. 격렬한 끓음이나 튀김이 발생하면 입력 전력을 줄이거나 퍼니스 압력을 약간 높여 제어할 수 있습니다. 용융 풀이 깨끗하다는 징후는 용융 풀의 표면이 거품이 빠져나가지 않고 평온하다는 것입니다. 그런 다음 정제 단계로 진행할 수 있습니다.

3.3.3 정제 단계

정제 단계의 주요 작업은 액체 금속의 순도를 개선하고 합금을 수행하는 것입니다. 동시에 용융물의 온도와 합금의 온도를 조정해야 합니다. 정제 단계의 목표는 가스 함량을 줄이고, 유해한 불순물을 제거하며, 강철 성분을 적격하게 만드는 것입니다. 정제 단계의 온도는 제련된 금속의 융점 100℃ 이상으로 제어되어야 합니다. 대형 진공 유도 용광로의 진공도는 일반적으로 15-150Pa이며, 소형 용광로의 경우 0.1-1Pa 사이입니다. 정련 시간은 200kg 용광로의 경우 15~25분, 약 1톤의 경우 60~100분입니다.

3.3.4 합금

합금은 합금 원소를 첨가하여 양호한 탈산 및 가스 제거 조건에서 이루어지는 조성 조정을 말합니다. 첨가되는 원소의 종류와 양은 합금 특성에 대한 요구 사항에 따라 결정되며, 첨가 순서와 조건은 합금 원소와 산소의 친화도 및 휘발성에 따라 결정됩니다. 각 원소를 첨가한 후에는 용융을 가속화하고 고른 분포를 보장하기 위해 일정 시간 동안 힘을 증가시키고 교반해야 합니다.

3.3.5 강철 주조 및 타설

합금 단계 후, 도가니의 금속 액체가 목표 조성 및 온도에 도달하고 직진성 의 진공 챔버가 기술 요구 사항을 충족하면 강철을 주조 할 수 있습니다. 단열 캡에 부을 때 진공을 즉시 차단하고 가열제와 단열제를 첨가하여 수축 다공성이 잉곳 본체에 들어가는 것을 방지합니다. 복잡한 조성을 가진 고온 합금의 경우 주조 후 진공을 차단하기 전에 15-20분 동안 진공 상태로 두어야 합니다. 대형 연속 진공 유도 용광로의 경우 잉곳을 진공 상태에서 냉각시킬 수 있습니다.

3.4 요소의 변동성 및 구성 제어

모든 금속(일부 비금속 포함)은 금속의 물리적 특성, 기체 상태 형태(단일 원자, 이원자 또는 다원자 분자) 및 온도에 따라 달라지는 평형 증기압 Poi를 갖습니다. 물질 i의 증기압 Po와 온도 사이의 관계는 다음과 같습니다: (P0은 표준 압력이며 수정할 필요가 없습니다.)

             lg(Po_i/133.3)=AT^-1+BlgT+TC×10^-3+D (3-1)

여기서 Poi의 단위는 Pa입니다. 철강 야금과 관련된 원소의 파라미터 A, B, C, D 및 기타 관련 물리적 특성은 표 3-5에 나와 있습니다. 원소의 증기압이 높을수록 진공 제련 중에 휘발할 가능성이 높아집니다. 표 3-5의 데이터에 따르면, 1873K에서 각 원소에 대한 Poi의 감소 순서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다: Zn, Mg, Ca, Sb, Bi, Pb, Mn, Al, Sn, Cu, Cr, Fe, Co, Ni, Y, Ce, Sl, La, Ti, V, B, Zr, Mo, Nb, W, Ta.

합금 또는 조금속에서 성분 i의 증기압 Pi는 합금 내 i의 농도가 반드시 순수 물질의 농도보다 낮기 때문에 순수 물질 i의 증기압 Poi와 같지 않습니다. 또한 합금의 i 분자와 다른 구성 원소 간의 상호 작용은 i 분자 간의 상호 작용과 같지 않습니다. Pi를 계산하는 공식은 다음과 같습니다:

P_i= a_i .P^o_i，= r _i  .N _i .P^o_i                          (3-2)

공식에서:

AI: 합금 내 성분 I의 활성

RI: I의 활동 계수

Ni: i의 몰 분획 농도

철 합금에서 합금 원소는 비휘발성 원소, 쉽게 휘발하는 원소, 휘발로 제거할 수 있는 불순물 원소의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 비휘발성 원소에는 Ti, V, B, Zr, Mc(Hf), Nb, Ta 및 W가 포함되며, 쉽게 휘발하는 원소에는 Mn, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ca 및 Mg가 포함됩니다. 진공 제련 조건에서 이러한 원소는 다양한 정도로 휘발됩니다. 강철과 합금에는 강철과 합금의 성능에 중대한 영향을 미치는 미량 금속 원소가 포함되어 있습니다. 이러한 원소들은 기존의 화학적 방법으로는 제거하기 어렵습니다. 이러한 원소의 증기압이 높으면 진공 제련 중에 휘발하여 제거할 수 있습니다. 이러한 금속 원소에는 Sn, Pb, Bi, Sb 및 Zn이 포함됩니다.

마그네슘, 지르코늄, 붕소 등과 같은 미량 원소는 미세 합금에 사용되며, Pb, Bi, As, Sb, Sn과 같은 미량 불순물은 강철과 합금에 해롭습니다. 순수 마그네슘은 용융 온도에서 증기압이 높고 밀도가 낮으며 산소에 대한 친화력이 강하기 때문에 마그네슘 합금이 어렵습니다.

진공 제련 시 마그네슘은 용융 후반 단계에서 이원 또는 삼원 합금의 형태로 첨가됩니다. 마그네슘의 회수율을 높이려면 마그네슘을 첨가할 때 다음 사항에 유의해야 합니다:

(1) 용강 온도는 마그네슘을 첨가하기 전에 태핑 온도보다 약 20°C 낮아야 합니다.

(2) 마그네슘을 추가한 후 유지 시간을 조절해야 하며, 일반적으로 두드리기 전 1~5분 이내에 추가합니다.

(3) 마그네슘의 높은 회수율을 보장하기 위해 마그네슘을 첨가하기 전에 아르곤 가스를 용광로에 도입해야 합니다.

강철 및 합금의 미량 유해 원소는 일반적으로 스크랩의 반복 사용으로 축적되거나 일부 철광석에 포함된 저용융성 불순물입니다. 진공 정제는 일반적으로 증기압이 높기 때문에 이러한 유해한 불순물 원소를 제거하는 가장 효과적인 방법입니다. 증기압이 다르고 다른 구성 요소의 영향이 다양하기 때문에 이러한 요소의 휘발 속도는 크게 달라집니다.

3.5 진공 상태에서 금속 용융물과 내화성 물질 간의 상호 작용

유도로 기술의 지속적인 발전으로 코어리스 유도로의 용량이 증가하고 있으며, 생산에 투입된 진공 및 기존 유도로의 용량은 각각 60t과 40t에 달했습니다. 1960년대에 미국은 15t, 30t, 심지어 60t 용량의 VIM(진공 유도 용해로) 용광로를 연속적으로 제조했습니다. 전기로 용량이 증가함에 따라 특수한 물리적 특성을 가진 고순도 내화물에 대한 수요도 함께 증가했습니다.

진공 제련에 사용되는 내화 재료의 작동 조건은 일반적으로 기존 제련에 사용되는 것보다 더 엄격합니다. 이는 많은 내화 재료가 구성 성분에 따라 분해되어 진공 조건에서 용융 금속과 반응하기 때문입니다. 이는 한편으로는 용융 금속을 오염시키고 다른 한편으로는 내화 재료의 부식을 증가시킵니다. 이는 다량의 실리카 및 산화철을 함유한 내화 재료에서 특히 두드러집니다.

진공 제련에 사용되는 내화물에서 발생하는 수축 균열은 기존 제련, 특히 대용량(>2.5t) 코어리스 유도로에서 발생하는 수축 균열보다 더 심합니다. 따라서 대규모 유도로용 내화물은 다음과 같은 특성을 가져야 합니다:

(1) 되돌릴 수 없는 팽창, 수축 균열이 발생하지 않습니다;

(2) 고순도;

(3) 진공 환경에서의 안정성이 우수합니다;

(4) 용융 금속 및 슬래그의 침식을 견딜 수 있습니다.

이러한 특성을 가진 내화 재료에는 고순도 마그네시아 알루미나-스피넬 및 알루미나가 포함됩니다. 최근 몇 년 동안 이러한 내화 재료와 해당 수리 재료 및 바인더의 배치가 크게 발전했습니다.

마그네시아와 알루미나가 반응하여 밀도가 낮은 고순도 마그네시아-알루미나-스피넬을 형성합니다. 마그네시아 알루미나 스피넬로 만든 라이닝은 1647℃의 온도에서 사용할 수 있으며, 상온으로 냉각하거나 차가운 재료로 채운 후 수십 사이클 후에도 균열없이 1647℃에서 가열하여 사용할 수 있습니다. 관련 보고서에 따르면 공칭 용량 6t 유도로의 라이닝은 95% 알루미나를 래밍하여 만들어집니다. 300 및 400 시리즈 스테인리스 스틸을 생산할 때 퍼니스 라이닝은 아무런 처리없이 150 개의 퍼니스에 연속적으로 사용할 수 있습니다.

3.6 유도로 제련에 새로운 기술의 적용

유도로가 발명된 이후 약 80년 동안 장비와 공정 모두에서 상당한 발전이 있었습니다. 그 결과 생산량, 생산성, 제품 품질 및 제품 범위 측면에서 유도 용광로 제련을 개선하기 위한 조치가 채택되었습니다. 이러한 조치에는 합금의 마그네슘 처리, 저산소 전위 탈인, 아르곤 블로잉, 분말 주입, 수소-산소 혼합 가스 탈탄및 액체 강철의 수소 정제.

3.6.1 합금의 마그네슘 처리

고온 니켈 또는 철 기반 합금과 알루미늄 및 티타늄과 같이 다른 합금보다 반응성이 높은 합금 원소를 포함하는 정밀 합금은 열가소성과 같은 만족스러운 특성을 보장할 수 없습니다, 용접성진공 조건에서 제련할 때에도 고온 강도 및 크리프 저항성을 제공합니다. 따라서 정련이 끝날 때 일정량의 마그네슘을 첨가합니다. 금속에 잔류하는 마그네슘은 이러한 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

마그네슘의 특정 물리화학적 특성으로 인해 마그네슘 첨가 과정에서 첨가 방법과 회수율을 제어하기 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 마그네슘의 증기압을 낮추고 녹는점과 끓는점을 높이기 위해 Ni-Mg 및 Ni-Mg-Me와 같은 마그네슘 합금을 사용합니다. 마그네슘 처리 공정은 다음과 같습니다:

(1) 정제 기간이 끝난 후 B와 Ce를 추가해야 하는 경우 용융물의 온도를 조정하여 B와 Ce를 추가한 후 탭핑 온도보다 20℃ 낮아지도록 합니다;

(2) 진공 챔버를 고순도 아르곤 가스로 13~27kPa의 압력으로 채웁니다;

(3) 금속 용융물에 마그네슘이 포함된 블록 모양의 중간 합금 형태로 마그네슘을 추가합니다;

(4) 마그네슘을 첨가한 후 즉시 힘차게 저어주고 마그네슘 손실을 줄이기 위해 너무 오래 저어주지 마세요. 마그네슘을 첨가한 후 1~5분 이내에 강철을 두드려야 합니다.

3.6.2 저산소 전위 탈인산화

합금강을 용해할 때, 특히 용광로 전하로 회수재를 사용할 때는 용해 및 정제 공정 중에 용광로 가스와 슬래그의 산소 전위를 제어하여 합금 원소의 손실을 줄여야 합니다. 따라서 제련 공정 중에 산화 방법을 사용하여 탈인화할 수 없습니다. 저인강이 필요한 경우 인 함량이 사양 요구 사항보다 낮은 원료만 사용할 수 있으므로 생산 비용이 증가합니다. 고 합금강 반환 재료의 제련 중 탈인 문제를 해결하기 위해 최근 몇 년 동안 저 산소 전위 탈인 이론과 실습이 제안되었으며 유도로 제련에도 적용되었습니다.

강철의 칼슘과 인은 다음과 같이 강철 액체의 충분한 탈산 및 탈황 조건에서 반응할 수 있습니다:

3Ca+2[P] = Ca₃P₂ (3-3)

형성된 생성물은 인산칼슘입니다. 반응에 관여하는 칼슘은 금속 칼슘, 칼슘 합금(예: 실리콘-칼슘 합금) 또는 칼슘 화합물(예: CaC2)일 수 있습니다. 금속 칼슘은 낮은 융점(839℃), 높은 증기압(1600℃에서 P = 1.775×105 Pa), 강액에 대한 낮은 용해도 때문에 강액에 첨가된 후 빠르게 증기 형태로 증발하여 기포의 형태로 부유하게 됩니다. 부유 과정에서 칼슘 증기는 강철의 인과 반응하여 Ca3P2를 생성할 수 있지만 칼슘의 이용률은 매우 낮습니다. 대신 칼슘 합금 또는 화합물이 일반적으로 사용됩니다.

Ca₃P₂ 반응에 의해 생성되는 불용성 화합물은 녹는점이 1320℃이고 밀도가 3.3g/cm³인 철강 액체의 불용성 화합물입니다. 제강 온도에서 액체 형태로 떠올라 슬래그에 유입됩니다. 그러나 인화 칼슘은 제강 조건에서 안정적이지 않으며 강력한 환원제입니다. 용광로 대기의 산소 전위가 높고 슬래그에 쉽게 환원 가능한 산화물이 있으면 다음과 같은 반응이 일어납니다:

(캘리포니아₃P₂) + 4O₂  = 3 (CaO)+ (P₂O₅) ； （3-4）

 y (Ca₃P₂) ) + 8 (나_xO_y) = 3y (CaO) + y (P₂O₅) + 8x [나] （3-5）

용광로 가스에 수증기가 있는 경우:

  (캘리포니아₃P₂) 十3H₂O= 3 (CaO) + 2PH3 ↑; （3-6）

PH3는 수증기가 있을 때 용광로 가스와 함께 인을 제거하는 가스이지만 이 가스는 독성이 있으므로 작동 중에 이러한 반응이 일어나지 않도록 예방 조치를 취해야 합니다. Ca가 포함된 용광로 슬래그를 처리할 때는 안전을 보장하기 위해 특별한 조치를 취해야 합니다.₃P₂. 슬래그의 알칼리도가 높으면 CaO.P₂O₅ 더 높은 안정성을 가진 제품이 생산됩니다.

3 (CaO) + (P₂ O₅)= (3 CaO^.P₂ O₅) （3-7）

그러나 실리콘 칼슘과 CaC₂ 저산소 전위 탈인화에 사용되는 실리콘 칼슘은 환원성이 강합니다. 따라서 과량의 실리콘 칼슘 또는 CaC가 있는 경우₂ 슬래그에서 인산칼슘이 분해되고 P₂O₅ 가 감소하여 인이 강철로 되돌아가고 낮은 산소 포텐셜에서 탈인화 효율이 감소합니다.

실제 작업에서는 강철의 낮은 산소 포텐셜을 유지하고 인 함유 슬래그를 적시에 제거하는 것이 칼슘 탈인화 효율을 향상시키는 핵심입니다. 칼슘을 첨가할 때는 칼슘이 격렬하게 가스화되어 튀는 것을 방지하기 위해 예방 조치를 취해야 합니다. CaC₂ 를 탈인산화제로 사용하는 경우 도가니를 덮고 CaC의 산화를 방지하기 위해 환원 또는 불활성 가스로 채워야 합니다.₂ 슬래그에서. Cr 제련 시₁₂MoV 금형강, 사용되는 분말의 양은 10-15kg / t이고 탈인화 속도는 약 0.005%입니다. 분말 분사가 끝나면 즉시 슬래그를 제거하고 새 슬래그를 만듭니다.

3.6.3 아르곤 송풍

래들에서 아르곤 블로잉은 이미 일반 강철 및 저합금 강철의 제련에서 성숙한 기술입니다. 아르곤 기포의 상승에 의존하여 용강을 교반하고 탄소-산소 반응을 촉진하며 기포 표면에서 내포물의 충돌, 성장 및 상승을 부착하고 촉진하며 특정 조건에서 가스를 제거 할 수도 있습니다.

아르곤의 순도가 높고 매우 건조한 경우 아르곤을 분사하면 일부 가스, 특히 수소를 제거 할 수 있습니다. 아르곤 분사 시간이 약 20분일 때 탈수소화 속도는 약 50%에 도달할 수 있습니다. 납과 비소와 같이 제강 온도에서 증기압이 높은 유해한 미량 원소도 아르곤 블로잉을 통해 다른 정도로 제거 할 수 있습니다. 보고서에 따르면 아르곤을 20 분 동안 분사하면 강철에서 70-80%의 납을 제거 할 수 있지만 비소 제거율은 10%에 불과합니다.

3.6.4 파우더 주입

분말 주입 야금은 용강을 정제하기 위해 최근에 개발된 새로운 기술입니다. 래들 분말 주입은 기존의 제강 생산에서 널리 사용되어 왔으며, 다양한 분말제를 사용하여 탈인화, 탈황, 탈산소, 개재물의 형태 제어, 합금 또는 탄소 첨가 등의 야금 작업을 완료할 수 있습니다. 분말 주입 기술은 본질적으로 용강에 고체 물질을 첨가하는 기술입니다.

분말은 운반 가스에 의해 운반되기 때문에 분말과 동시에 유입되는 운반 가스는 용융물의 교반을 유발하여 야금 반응의 동역학 조건을 개선합니다. 따라서 분말 주입은 기존의 고체 재료 첨가 기술보다 더 효과적입니다. 물론 이 첨가 기술은 유도로 용해에도 사용할 수 있습니다.

유도로 용융에서 탈인제(칼슘 합금 또는 칼슘 화합물) 또는 탈황제를 분사할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 탈황제는 주로 석회 기반 분말 (w(CaO) 60-80%, w(CaF₂) 20-40%). 이 탈황제는 구하기 쉽고 저렴하며 용강의 조성 제어에 영향을 미치지 않으며 탈황 속도는 약 30-50%입니다.

널리 사용되는 또 다른 탈황제는 Ca-Si-CaF입니다.₂ (여기서 w(CaF₂)는 20-30%)이며,이 탈황제의 대부분의 실리콘은 용강에 흡수되어 실리콘 함량을 증가시킬 수 있으며 탈황 속도는 40-80%에 도달 할 수 있습니다. 탄소 첨가가 필요하지 않은 강철의 경우 석회 기반 탈황제에 일정 비율의 CaC2를 첨가하여 우수한 탈황 효과를 얻을 수도 있습니다.

병에 담긴 아르곤 가스는 일반적으로 분말 주입을 위한 운반 가스로 사용됩니다. 질소 함량이 필요하지 않은 강종에도 질소를 사용할 수 있으므로 비용을 절감할 수 있습니다. 작동 압력은 일반적으로 0.2-0.3MPa입니다. 분말의 균일한 전달을 보장한다는 전제하에 작동 압력을 가능한 한 최소화해야 합니다. 외부 내화 재료가 있는 강관을 사출 건으로 사용하고 용융 풀 깊이에서 침투 깊이를 뺀 깊이까지 삽입합니다.

3.6.5 아르곤-산소 탈탄

미국 유나이티드 카바이드 코퍼레이션은 유도로에서 Fe-Cr-C-O 4원계의 평형 관계를 연구한 결과 철에 용해된 탄소 및 크롬 함량과 온도에 따른 기체상의 일산화탄소(PCO) 분압 사이에 대응 관계가 있다는 것을 발견했습니다. 특정 크롬 함량 하에서 평형 탄소 함량은 온도가 증가하거나 기체상의 PCO가 감소함에 따라 감소합니다. 따라서 용강과 접촉하는 PCO를 줄일 수 있는 한, 용강의 탄소는 너무 높지 않은 온도에서 낮은 수준으로 감소할 수 있으며 크롬은 너무 많은 산화 손실을 겪지 않습니다.

이를 바탕으로 PCO 분압을 아르곤으로 희석하는 AOD 방법, 즉 아르곤-산소 혼합 가스 블로잉 탈탄이 제안되었습니다. 이 방법은 고온, 큰 크롬 손실, 증가 된 크롬 손실의 단점을 극복합니다. 탄소 함량 흑연 전극, 낮은 용광로 라이닝 수명, 아크 용광로에서 산소 송풍으로 크롬 스테인리스강을 제련할 때 저탄소 크롬 철 또는 금속 크롬의 대량 소비로 인해 빠르게 개발되어 널리 사용되고 있습니다.

AOD 방법은 유도로에서 개발되었으므로 아르곤-산소 탈탄 방법은 유도로 용해에도 적용될 수 있어야 합니다. 유도로에서 크롬 또는 니켈-크롬 스테인리스강을 제련할 때 아르곤-산소 혼합 가스를 분사하여 강에서 탄소를 제거할 수 있습니다.

4. 전기 슬래그 재용해

4.1 전기 슬래그 재용해 장비 및 기본 원리

전기 슬래그 재용해(ESR)는 고품질 철강 및 합금 생산에 널리 사용되는 2차 정련 방법입니다. 이 공정은 슬래그의 전기 저항에서 발생하는 열을 활용하여 수냉식 결정화기에서 소모성 전극을 재용해합니다. 진공 소모성 전극 아크 용융에 비해 ESR은 진공 시스템이 필요하지 않고 교류 전원을 사용하는 경우가 많기 때문에 소형의 고품질 잉곳으로 더 간단하고 쉽게 작동할 수 있는 공정입니다.

4.1.1 전기 슬래그 재용해 장비

진공 소모품 전극 아크 용해에 비해 전기 슬래그 재용해 장비는 비교적 간단하며 전원 변압기 및 단락 장치, 소모품 전극 리프팅 시스템, 바닥 수조가 있는 결정화기, 측정 및 제어 시스템, 공급 및 먼지 제거 시스템 등 여러 구성 요소로 이루어져 있습니다. 여기서는 전력 변압기, 결정화기, 바닥수 탱크 및 다양한 유형의 전기 슬래그 용광로에 대해서만 소개합니다.

(1) 전력 변압기

전기 슬래그 재용해 공정의 고유한 특징은 고전류 및 저전압 AC 또는 DC 전원을 사용한다는 점입니다. 따라서 고전압 입력을 전기 슬래그 용광로의 용량에 맞는 저전압(40-100V) 출력으로 변환하는 데 적합한 변압기를 선택해야 합니다.

(2) 결정화기

결정화기는 전기 슬래그 용광로에서 가장 중요한 구성 요소입니다. ESR 공정 중에 소모품 전극이 결정화기 내부에서 녹고 액체 금속이 강제로 냉각 및 결정화되어 금속 잉곳 또는 주물을 형성합니다. 결정화기는 용광로의 용융실이자 금속 응고를 위한 금형입니다. 모양과 구조가 복잡하며 크게 잉곳형 결정화기, 슬라이딩형 결정화기, 복합형 결정화기의 세 가지 유형이 있습니다(그림 4-4 참조).

1-소모성 전극, 2-슬래그 풀, 3-금속 용융 풀, 4-금속 잉곳;

1-3 잉곳 모드 결정화기;

4-5 슬라이딩형 결정화기; 5-결정화기; 6-하단 물 상자

6-7 분리형; 8-모바일형

4.1.2 전기 아크 재용융의 기본 원리

(1) 재용융의 기본 원칙

전기 아크 재용해 과정에서 전류는 소모성 전극, 슬래그, 금속 용융 풀, 응고된 금속 잉곳 및 바닥 물 상자를 통과하고 마지막으로 단락 회로, 변압기 등을 통해 흐르면서 루프를 형성합니다(그림 4-6 참조). 바이폴라 직렬 전기로의 경우 전류는 소모품 전극 중 하나에서 슬래그를 통해 흐르고(전류의 일부도 금속 용융 풀을 통과한 다음 다시 슬래그로 흐릅니다), 다른 소모품 전극을 통과한 다음 마지막으로 변압기로 돌아와서 루프를 형성합니다.

전기 아크 재용해 공정에는 슬래그 풀 형성, 소모성 전극의 용융, 재용해 금속의 응고, 재용해 잉곳의 수리 및 수축이 포함되며, 이 모든 공정은 연속 작업 절차로 수행됩니다.

전류가 슬래그를 통과할 때 슬래그의 높은 저항으로 인해 슬래그 풀에서 강한 줄 가열이 발생합니다. 단위 시간당 슬래그 풀에 침전된 열 Q는 다음과 같이 표현됩니다:

  Q = I²R (4-1)

여기서: Q - 단위 시간당 발생하는 줄 열, J/s;

I - 전기 전도성 슬래그의 전류 강도, A;

R - 용융 온도에서 슬래그 풀의 저항, Ω.

소모품 전극이 슬래그 층에 삽입되면 소모품 전극의 삽입 부분이 슬래그의 고온에 의해 가열되어 자체 융점을 초과합니다. 그 결과 전극 팁의 표면층이 녹기 시작하여 얇은 액체 금속 층이 형성되어 전극 팁의 상부에 부착됩니다. 동시에 중력 g, 전자기력 R, 슬래그 풀 운동의 세정력 F의 작용으로 전극 끝 표면을 따라 아래쪽으로 흐르고 전극 중앙 부분에 집중되어 용융 방울을 형성합니다. 중력은 용융 방울을 아래로 떨어지게 하고, 슬래그와 용융 방울 사이의 계면 장력 δ는 용융 방울의 낙하를 방지합니다(그림 4-7 참조).

소모품 전극의 용융과 재용융 과정 중 금속 방울의 전이는 다음 세 단계로 나눌 수 있습니다:

1) 소모품 전극 끝에 액체 금속 막이 형성됩니다;

2) 용융 방울로 응집되어 슬래그 층을 통해 금속 용융 풀로 전이됩니다;

3) 금속 용융물 풀의 표면에 들어갑니다.

1 - 슬래그 풀, 2 - 녹은 액체 층, 3 - 금속 용융 풀, 4 - 슬래그 스킨, 5 - 전기 슬래그 잉곳, 6 - 결정화기;

7-바닥 물 상자; 8-변압기; 9-단락; 10-홀더; 11-소모성 전극

4.2 전기 아크 재용융의 장점

전기 아크 재용해 공정은 슬래그 풀 형성, 소모 전극 용해, 재용해 금속 응고, 재용해 잉곳의 수리 및 수축 등 재용해 공정이 모두 연속 작업 절차로 수행된다는 점에서 일반 제련 방식과 차이가 있습니다. 따라서 일련의 장점이 있습니다.

(1) 재용융된 금속은 슬래그에 의해 효과적으로 정제될 수 있습니다.

(2) 금속 잉곳의 결정화 조건을 개선하고 금속의 수율을 높입니다.

(3) 장비가 간단하고 생산 비용이 저렴하며 조작이 쉽습니다.

(4) 제품 종류가 다양하고 적용 범위가 넓습니다.

(5) 전기 아크 재용융은 또한 원형, 정사각형, 직사각형 및 폭 대 길이 비율이 큰 금속 잉곳과 같이 단면이 다른 금속 잉곳을 생산할 수있는 큰 장점이 있습니다. 또한 중공 튜브 블랭크, 압연기 빌릿, 고압 용기, 대형 고압 밸브 및 크랭크 샤프트와 같은 다양한 모양의 중공 파이프 및 주물을 생산할 수도 있습니다.

그러나 전기 아크 재용해는 낮은 생산성, 높은 전력 소비량, 낮은 탈기 효과, Ti 및 Al 원소가 많은 강재를 재용해할 때 화학 성분을 정확하게 제어하기 어렵고 일반 제련 방식에 비해 생산 비용이 높다는 단점이 있습니다.

4.3 전기 아크 재용융을 위한 원자재, 슬래그 시스템 및 공정 파라미터 선택

4.3.1 전기 아크 재용융용 원자재

(1) 소모품 전극

전기 아크 재용융에 사용되는 소모성 전극은 일반적으로 아크 용광로 또는 유도 용광로에서 제련된 금속 잉곳으로, 압연 또는 단조 후 금속 막대로 만들어집니다. 단면은 원형, 정사각형 또는 직사각형이 될 수 있으며 그 종류는 재용융 후 완제품의 단면과 동일해야 합니다. 재용융 과정에서 쉽게 산화되는 원소의 산화 및 연소를 방지하기 위해 특히 Al, Ti, B 및 기타 원소를 포함하는 강철 및 합금을 재용융 할 때 소모품 전극의 표면에 녹과 산화물 피부가 없어야합니다. 재용융 과정에서 연소될 수 있는 쉽게 산화되는 원소(예: Ti, Al 등)를 제외한 다른 원소는 기본적으로 변하지 않습니다. 이러한 쉽게 산화되는 원소의 경우 재용융 공정 중 연소량에 따라 소모성 전극을 준비할 때 일정 범위 내에서 제어해야 합니다. 재용융 과정에서 소모품 전극의 편심을 방지하려면 가능한 한 직선이어야 합니다. 굽힘 반경 미터당 6mm를 초과하지 않습니다.

(2) 잉곳 보호 플레이트

재용융을 시작할 때 바닥 물 상자가 타는 것을 방지하기 위해 잉곳 보호판이라는 금속판을 결정화기 아래 및 바닥 물 상자 위에 놓을 수 있습니다. 잉곳 보호판은 소모품 전극과 동일한 재질로 만들어집니다. 잉곳 보호판의 표면에는 산화물 피부와 녹이 없어야하며 바닥 물 상자의 표면과 밀접하게 접촉하고 우수한 전도 효과를 얻을 수 있도록 매우 평평해야합니다. 잉곳 보호판의 두께는 일반적으로 12-18mm로 선택됩니다.

(3) 점화 슬래그 재료

우리 모두 알다시피, 전기 아크 재용융 시 용융 슬래그는 일정한 전도도를 갖습니다. 슬래그 재료가 고체일 때는 전도도가 낮아서 열을 전도하고 슬래그 풀을 직접 형성하는 데 사용할 수 없습니다. 고체 슬래그를 점화 슬래그 재료로 사용하는 경우 고체 상태에서 충분한 전도도를 가진 슬래그를 찾아야 합니다. 실제로 고체 슬래그에 일정량의 TiO가 포함되어 있는 경우₂이 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 따라서 상당 기간 동안 TiO를 함유한 고체 슬래그는₂ 를 전기 아크 재용융을 위한 점화 슬래그 재료로 사용했습니다.

(4) 슬래그 재료 재용해

슬래그는 전기 아크 재용융 공정에서 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 사용되는 슬래그 시스템은 주로 형석(CaF₂), 알루미나(Al₂O₃), 석회(CaO), 마그네시아(MgO) 등이 있습니다(표 4-1 참조).

4.3.2 전기 아크 재용융을 위한 공정 파라미터 선택

(1) 전기 슬래그 잉곳의 크기

잉곳의 무게와 크기 사이의 관계는 방정식 4-2를 만족합니다.

G-스핀들의 무게, t; D-스핀들의 직경, cm; h-스핀들의 높이, cm; γ-용융 금속의 비중, g/cm³.

표 4-1: 일반적인 슬래그 시스템과 액체 상태에서의 밀도 및 융점.

(2) 결정화기 및 자가 소비 전극의 치수

결정화기의 직경 D는 다음 공식에 의해 결정됩니다:

여기서 D는 결정화기의 평균 직경(밀리미터(mm)), D_pro는 제품의 직경(밀리미터(mm)), M은 블랭크의 가공 여유(잉곳의 경우 M=0, 주물의 경우 M=10-15mm), δ%는 잉곳의 수축(일반적으로 3±0.5%)입니다.

결정화기의 높이 H는 다음 공식에 의해 결정됩니다:

D가 300mm보다 큰 경우 H를 하한으로 삼아야 합니다.

자체 소비 전극 d_pole의 직경은 다음과 같은 경험적 공식으로 결정할 수 있으며, 이는 결정화기의 직경 D에 따라 달라집니다:

여기서 K는 충전 비율(일반적으로 0.4-0.6 중에서 선택)이고, d_pole은 자체 소비 전극의 직경(밀리미터(mm)), D는 결정화기의 직경(밀리미터(mm))입니다.

현재 전 세계 여러 국가에서는 실제 상황에 따라 다양한 충전 비율 K를 선택합니다. K 값이 클수록 에너지 소비를 줄이고 생산성을 향상시키며 잉곳 품질을 개선하는 동시에 재용융 금속의 품질과 안전한 작동을 보장할 수 있습니다. 자체 소비 전극의 직경은 작업의 안전에 영향을 미치므로 너무 커서는 안 됩니다.

자체 소비 전극의 길이 L_pole은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:

여기서 G는 금속 잉곳의 질량(t), n은 하나의 금속 잉곳을 생산하는 데 필요한 자체 소비 전극 수, γ는 재용융 금속의 밀도로 일반적으로 일반 강철의 경우 7.9g/cm3로 간주, Z는 전극 밀도로 주조 전극의 경우 0.95, 단조 및 압연 전극의 경우 대략 1로 간주, ΔL은 전극을 기준으로 결정해야 하는 전극의 테일링 길이입니다. 클램핑 메서드를 사용하며, 일반적으로 (2-3)d로 간주합니다.

(3) 제련 전압

제련 전압은 작동 전압과 재용융 중 라인의 전압 강하의 합을 나타냅니다. 작동 전압은 슬래그 층 전압에 가깝고 실제 전압을 더 정확하게 나타냅니다. 이는 자체 소비 전극의 침수 깊이를 결정하고 만족스러운 잉곳 축 결정 및 표면 품질 형성에 영향을 미치며 원소의 산화 정도와 관련이 있습니다. 용광로 입구 전압을 적절히 높이면 용융 방울을 정제하고 슬래그 온도를 높이며 잉곳 축 결정 성장을 촉진할 수 있습니다. 일반적으로 전도성이 좋고 저항이 낮은 슬래그 시스템의 경우 더 낮은 작동 전압을 선택해야 합니다. Al, Ti 및 강철과 같이 쉽게 산화되는 원소를 포함하는 합금이나 분리되기 쉬운 합금을 제련할 때도 더 낮은 작동 전압을 선택해야 합니다. 작동 전압은 다음 경험적 공식을 사용하여 선택할 수 있습니다:

여기서 U는 볼트(V) 단위의 작동 전압, D는 센티미터(cm) 단위의 결정화기 직경, B는 27-37V로 간주되는 상수입니다.

(4) 제련 전류

제련 전류는 제품 품질과 경제 및 기술 지표에 큰 영향을 미치는 중요한 파라미터입니다. 제련 전류가 증가하면 자가 소비 전극의 침수 깊이가 커져 잉곳의 축 방향 결정에 해를 끼칩니다. 제련 전류는 주로 자가 소비 전극의 단면적과 전류 밀도에 의해 결정됩니다.

I = A*J （4-8）

여기서 A는 자체 소비 전극의 단면적(제곱밀리미터(mm2))이고, J는 전류 밀도(제곱밀리미터당 암페어(A/mm2))입니다.

전류 밀도 J는 다음과 같은 경험적 공식을 사용하여 선택할 수 있습니다:

여기서 d는 자체 소비 전극의 직경(밀리미터(mm))입니다.

(5) 입력 전원

입력 전력은 전압 및 전류 값이 적절한지 확인하거나 장비용 변압기 선택의 기준을 제공하는 데 사용됩니다. 입력 전력은 단위 슬래그 풀 볼륨 입력 전력을 기준으로 결정됩니다. D = 400-800mm인 경우 유효 입력 전력은 0.15-0.30KW/cm입니다.²D = 200-400mm인 경우 유효 입력 전력은 0.30-0.60KW/cm입니다.²D < 200mm인 경우, 유효 입력 전력은 0.60KW/cm보다 큽니다.².

(6) 슬래그의 양 및 슬래그 풀의 깊이

슬래그의 양은 다음 공식을 사용하여 결정되며, 일반적으로 사용되는 슬래그 시스템과 밀도는 표 4-3에 나와 있습니다:

여기서 G는 슬래그의 무게(킬로그램(kg)), D는 결정기의 직경(센티미터(cm)), h는 슬래그 풀의 깊이(센티미터(cm)), γ는 재용융 금속의 밀도(입방센티미터당 킬로그램(kg/cm))입니다.³).

슬래그 풀의 깊이는 다음과 같은 경험적 공식을 사용하여 결정할 수 있습니다:

D ≤250mm일 때 상한을 취하고 D >350mm일 때 하한을 취합니다. 문헌에 따르면 중국의 단상 전기로의 슬래그 양은 30-40kg / t, 중국의 3 상 전기로의 슬래그 양은 60-70kg / t, 해외 슬래그 양은 잉곳 무게의 3-5%입니다.

(7) 냉각수 온도

잉곳 결정화를 촉진하고 사고를 방지하기 위해 결정화기와 바닥 물 탱크에 더 높은 냉각 강도가 필요합니다. 냉각수 압력은 일반적으로 1.5-2.0kg/mm2가 필요하며, 결정화기의 출구 수온은 40-60℃로 제어해야 합니다.

4.4 전기 슬래그 재용해의 야금학적 특성(레슨 11)

전기 슬래그 재용해 공정에는 슬래그 풀의 형성, 자가 소비 전극의 용융, 재용해 금속의 응고, 재용해 잉곳의 보충 및 수축이 포함됩니다. 이러한 프로세스는 연속적인 작업 절차로 수행됩니다.

4.4.1 전기 슬래그 재용융 슬래그 풀의 형성

(1) 슬래그의 기능

재용융 프로세스를 위한 열원입니다.

효과적인 개선.

슬래그 층으로 재용융된 금속을 보호합니다.

또한 재용융 금속의 응고 과정에서 잉곳 표면에 얇고 균일한 슬래그 쉘이 형성되어 고온 슬래그와 직접 접촉하지 않도록 결정화기를 보호하고 잉곳 표면을 매끄럽고 쉽게 탈형할 수 있도록 합니다.

(2) 슬래그의 특성

특정 전기 전도도.

점도와 융점이 낮습니다.

낮은 증기압.

슬래그의 적절한 계면 장력.

슬래그의 밀도가 적당합니다.

슬래그의 적절한 투과성.

(3) 슬래그 시스템 선택

슬래그는 위에서 언급한 슬래그의 물리적 특성 분석을 기반으로 선택해야 합니다. 일반적으로 사용되는 슬래그 시스템은 표 4-1에 나와 있습니다.

슬래그 시스템의 융점은 재용융 금속의 융점보다 100~200℃ 낮아야 하며, 슬래그의 점도도 작아야 합니다. 이렇게 하면 재용해 공정에서 슬래그의 유동성이 좋아져 탈황 및 비금속 개재물 제거에 도움이 됩니다. 또한 잉곳 표면에 얇고 균일한 슬래그 껍질을 형성하여 잉곳 응고를 촉진하고 매끄러운 표면을 얻는 데 도움이 됩니다.

CaF2-CaO 슬래그 시스템은 상당한 탈황 능력을 가지고 있으며, 슬래그의 염기성이 증가함에 따라 탈황 능력이 증가합니다. 황 함유 자유 절삭강을 재용융할 때는 강철의 황 함량을 보장하기 위해 R <1의 산성 슬래그 작업이 필요합니다.

전기 슬래그 재용해 중에는 금속의 [O] 함량 증가와 원소의 연소 손실을 방지하기 위해 슬래그에 불안정한 산화물(FeO, MnO 등)과 가변 원자가 금속의 산화물(MexOy)을 적게 함유하는 것이 더 좋습니다. Al, Ti, B와 같은 원소가 포함된 강철 및 합금을 제련할 때는 슬래그에 SiO2를 포함하지 않아야 합니다.

Na2O 및 K2O와 같은 알칼리 금속 산화물은 융점이 낮고 휘발하기 쉽기 때문에 슬래그에 이러한 산화물이 포함되어서는 안 됩니다.

(4) 슬래그 풀 구축

재용해 공정이 시작될 때 전기 슬래그 재용해 공정의 원활한 진행을 보장하기 위해 재용해 슬래그 풀을 신속하게 설정해야 합니다. 슬래그 풀을 설정하는 방법에는 가시 아크 방법과 비가시 아크 방법의 두 가지가 있으며, 후자는 현재 생산에 주로 사용됩니다. 보이지 않는 아크 방식에서는 주로 고체 전도성 슬래그 점화 방식과 액체 슬래그 방식이 사용됩니다.

4.4.2 자체 소비 전극의 용융

재용융된 금속 방울이 떨어지는 과정에서 전이 특성은 주로 방울이 떨어지는 빈도와 방울 직경의 크기로 나타나며, 이는 금속의 정제에 상당한 영향을 미칩니다.

첫째, 슬래그의 구성이 액적 크기에 큰 영향을 미칩니다. 직경 d_pole=200mm, 결정화기 직경 D_pro=425mm의 ЭП65 강철 자가 소비 전극과 재용융을 위해 첨가된 Al2O3의 양이 다른 CaF2-Al2O3 슬래그 시스템을 사용할 때 액적 품질의 변화는 표 4-2에 나와 있습니다.

표 4-2 액적 융합의 변화.

또한 슬래그 풀의 깊이와 액적 낙하 빈도 및 크기 사이에는 일정한 관계가 있습니다. 단면적이 작은 자가 소비 전극을 사용하는 경우 슬래그 풀의 깊이가 증가하면 액적 낙하 빈도가 감소하고 액적 직경이 증가합니다(표 4-3 참조).

표 4-3 슬래그 풀 깊이, 액적 낙하 빈도 및 액적 직경 간의 관계.

참고: 전극 리프팅 속도는 1.55m/h, 전압은 45V입니다.

일렉트로슬래그 생산에서 재용융 공정의 안정성은 자체 소비 전극의 하강 속도와 밀접한 관련이 있습니다. 전극이 천천히 하강하면 일렉트로슬래그 공정은 아크 공정으로 전환됩니다. 이때 전극의 끝은 평평하고 방울은 일반적으로 전극 표면의 가장자리에 분포합니다(그림 4-18a 참조). 물방울이 떨어지는 순간 아크가 관찰되고 일렉트로 슬래그 프로세스가 불안정합니다. 전극의 하강 속도가 증가하면 전극 끝에 원추형 돌출부가 나타나고(그림 4-18b 참조), 전극 끝 중앙(돌출부의 끝)에 액적이 형성됩니다. 전극 하강 속도가 더 증가하면 슬래그에 삽입된 전극의 원뿔 부분의 크기가 커지고 원뿔 측면의 오목한 부분이 감소합니다.

그림 4-8 전극 용융 특성

a - 낮은 전극 하강 속도, b - 중간 정도의 전극 하강 속도, c - 높은 전극 하강 속도.

전극의 하강 속도가 더 증가하면 전극 끝의 원추형 몸체의 측면이 볼록해지고 전극의 원통형 부분도 슬래그 풀에 일부 묻힙니다. 이때 전극 하강 속도가 증가함에 따라 전류가 느리게 증가하는 것을 관찰할 수 있습니다(그림 4-19 참조).

그림 4-9 전극 하강 속도와 전류의 관계

1 - 전극 직경 180mm, U=80V; 2 - 전극 직경 180mm, U=51V;

3 - 전극 직경 100mm, U=51V; 4 - 전극 직경 80mm, U=51V;

전극 하강 속도가 너무 빠르면 액적 분리로 인해 전극 끝과 용융 금속 풀 표면 사이에 주기적인 아크가 발생하여 슬래그 풀 바닥에서 끓는 현상이 발생합니다. 때로는 전극과 용융 금속 풀 사이에 단락이 발생하여 재용융 공정이 불안정해질 수 있습니다.

요약하면, 일렉트로슬래그 재용융에 큰 단면적 전극을 사용할 때는 전극의 끝이 규칙적인 원뿔 모양이어야 재용융 공정이 가장 안정적입니다.

4.4.3 재용융 금속의 응고

일렉트로슬래그 잉곳의 응고 과정과 기존 잉곳의 응고 과정의 차이점 캐스팅 방법 는 다음과 같습니다:

(1) 일렉트로슬래그 재용융 잉곳의 분리가 다른 방법보다 작습니다;

(2) 일렉트로 슬래그 재용융 공정 동안, 자기 소비 전극의 연속 용융에 의해 새로운 액체 금속이 결정화기 내부에 지속적으로 공급 될 수 있지만, 이는 일반 금형 주조에서는 필요하지 않습니다;

(3) 일렉트로슬래그 잉곳의 표면에 얇은 슬래그 껍질이 있어 축 방향 냉각 속도가 반경 방향 냉각 속도보다 훨씬 크고 결정 구조가 축 방향인 경향이 있습니다;

(4) 일렉트로슬래그 잉곳의 결정 구조는 잉곳 표면의 슬래그 껍질뿐만 아니라 용융 금속 풀의 모양과도 관련이 있습니다.

실습을 통해 용융 금속 풀의 형상에 영향을 미치는 주요 요인에는 자체 소비 전극의 하강 속도, 작동 전류, 작동 전압, 슬래그 풀의 깊이 및 재용융 금속의 열전도도가 포함된다는 것이 입증되었습니다.

4.4.4 보정 수축, 탈형 및 냉각

보상 수축: 보상 수축은 재용융 공정이 끝나기 10~15분 전에 수행하여 수축 구멍이 없는 매끄러운 잉곳을 보장하고 금속 잉곳의 수율을 향상시켜야 합니다.

탈형 및 냉각: 재용융이 완료된 후 금속 잉곳을 10분 동안 식힌 후 탈형해야 합니다. 금형 냉각 시간은 일반적으로 다양한 강철 등급과 잉곳의 크기에 따라 결정됩니다. 탈형 후 합금강은 일반적으로 천천히 냉각해야하며, 천천히 냉각하는 방법에는 공기 냉각, 모래 냉각, 후드 냉각 및 피트 냉각이 포함됩니다.

4.5 일렉트로슬래그 재용융의 야금학적 품질

4.5.1 일렉트로슬래그 공정에서의 탈황 및 탈인산화

전기 슬래그 재용융의 탈황 효과는 중요하며 탈황 속도는 일반적으로 전기 슬래그 재용융의 장점 중 하나 인 50-80%에 도달 할 수 있습니다. 일반적인 제강 방법에서 금속에서 황을 효과적으로 제거하려면 다음 조건을 충족해야 합니다:

(1) 슬래그는 알칼리도가 높아야 합니다;

(2) 슬래그가 잘 흐르게 하려면 슬래그의 온도가 높아야 합니다;

(3) 금속과 슬래그 사이의 접촉 인터페이스는 가능한 한 커야 합니다.

일렉트로슬래그 재용융 공정에는 세 가지 형태의 탈황이 있습니다:

(1) 슬래그 탈황으로, 금속에서 슬래그로 유황이 이동하는 것을 의미합니다.

반응 공식은 다음과 같습니다: [S]+(O^2-)→(S^2-)+[O] (4-12)

반응의 평형 상수는 다음과 같습니다: (4-13)

따라서 방정식 4-13이 산출됩니다: 

슬래그의 산소 이온 함량이 높고 금속의 산소 활성이 낮으면 더 많은 황이 금속에서 슬래그로 전달됩니다. 슬래그의 산소 이온 함량을 높이기 위해 고알칼리성 슬래그를 사용할 수 있습니다. 슬래그 탈황의 화학 반응 공식에서 유황이 제거되면 금속의 산소 함량이 증가해야 함을 알 수 있습니다.

(2) 재용융 공정 중에 가스화 탈황도 수행되는데, 이는 슬래그에서 대기로 황이 전달된다는 것을 의미합니다.

(S^2-) + 3/2{O₂} = (O^2-) ) + {SO₂} (4-15)

이 반응의 평형 상수는 다음과 같습니다:

방정식 4-16이 산출됩니다:

방정식 4-17에서 대기 중 산소 분압이 높고 슬래그 내 산소 이온의 활성이 낮을수록 재용융 공정 중 가스화 탈황에 더 유리하다는 것을 알 수 있습니다. 이 두 가지 반응 과정 사이에는 일정한 모순이 있습니다. 그러나 두 공정 모두 동일한 시스템 내에서 발생하므로 궁극적인 탈황 효과는 이 두 반응 간의 상호 작용의 종합적인 결과여야 합니다.

(3) 금속의 유황이 슬래그로 전이됩니다.

전류 및 전압 극성이 다르면 금속의 황 제거에도 일정한 영향을 미칩니다. 역 직류(즉, 양극에 연결된 자가 소비 전극)를 사용하면 금속의 황이 슬래그로 전이되어 더 나은 탈황 결과를 얻을 수 있습니다. 기본적으로 양극 DC를 사용할 때는 탈황 효과를 관찰할 수 없습니다. 전기 아크 재용해 과정에서 가스화 탈황은 위에서 언급한 세 가지 탈황 방법 중 상당한 비중을 차지합니다. 전반적으로 대기 조건에서 재용해할 때 교류 전원과 고알칼리성 슬래그를 사용하는 것이 가장 좋은 탈황 효과를 얻을 수 있습니다. AC 전원을 사용하는 경우, CaF₂-CaO 슬래그 시스템은 불소 슬래그 시스템에서 탈황 효과가 가장 뛰어납니다.

금속의 탈인화와 관련하여 전통적인 방법은 제련 공정에서 가능한 한 "3고 1저"(높은 알칼리도, 높은 (FeO) 함량, 많은 슬래그 양 및 낮은 온도) 조건을 만드는 것입니다. 그러나 전기 아크 재용해 공정에서는 슬래그의 비산화 특성과 용융 풀의 높은 온도로 인해 우수한 탈인화 결과를 얻기가 어렵습니다.

4.5.2 전기 아크 재용융 중 비금속 개재물 제거

전기 아크 재용융은 금속에서 비금속 개재물을 제거하는 데 매우 효과적입니다. 다음 표는 전기 아크 재용융 후 볼 베어링 강재의 비금속 개재물 함량 변화를 보여줍니다.

표 4-4 전기 아크 재용해 후 볼 베어링 강재의 산화물 내포물 변화

표 4-10: 다양한 조건에서 일렉트로슬래그 재용융 중 [Ti]의 연소 손실.

4.6 일렉트로슬래그 재용융의 응용 분야

(1) 일렉트로슬래그 재용융의 새로운 응용 분야

일렉트로슬래그 재용해 ESR; 일렉트로슬래그 주조 ESC; 일렉트로슬래그 주입 ESP; 일렉트로슬래그 주형 주입 연속 주조 ESMPC; 원심 일렉트로슬래그 주조 CESC;

일렉트로슬래그 핫탑 주조 ESHT; 급속 일렉트로슬래그 재용융 ESRR; 일렉트로슬래그 용접 ESW; 일렉트로슬래그 클래딩 E.S. 클래딩;

일렉트로슬래그 스프레이 형성 E.S. 물수리; 직접 일렉트로슬래그 용융 직접 ESM;

(2) 일렉트로슬래그 제품의 향후 전망

I. 중형 및 대형 단조품 생산에서 재용융은 독점적 인 위치에 있습니다.

II. 고품질 공구강 분야, 다이 스틸듀플렉스 스테인리스 내열강, 질소 함유 초고강도강, 파이프 블랭크 및 냉간 압연 롤에 일렉트로슬래그 재용융은 절대적인 이점을 가지고 있으며 이 분야에서 진공 아크 재용융을 대체할 것입니다.

III. 초합금(고온 합금, 내식성 합금, 정밀 합금, 전기 가열 합금) 분야에서 전기 슬래그 재용융과 진공 아크 재용융은 경쟁 관계에 있습니다. 1980년대 후반에는 일렉트로슬래그 재용융의 생산량이 진공 아크 재용융의 생산량을 넘어섰습니다. 진공 아크 재용융을 따르는 많은 재료는 이전의 기술 평가에 의해 제한을 받는 오래된 재료인 반면, 새로운 일렉트로슬래그 재료는 절대적인 이점을 가지고 있습니다.

IV. 비철금속 생산에서 전기 슬래그 재용융은 초기 단계에 있습니다.

5. 진공 아크 재용융

5.1 개요

진공 아크 재용융은 슬래그가 없는 저압 환경에서 금속 전극과 용융 금속 풀 사이에 생성된 직류 아크를 사용하는 공정입니다. 아크의 고온 효과는 자체 소비 전극을 층층이 녹여 전극 끝에 용융 방울을 형성합니다. 이 방울은 고온 아크 영역을 통해 용융 금속 풀로 들어가 고온 아크에 의해 빠르게 가열되어 정제 및 정련을 거친 후 수냉식 결정화기에서 응고됩니다.

진공 아크로는 낮은 산소 전위와 고온 용융 조건을 생성 할 수 있으므로 백금, 탄탈륨 및 텅스텐과 같은 내화성 또는 쉽게 산화되는 금속을 녹이는 데 적합합니다. 기계 산업의 발전과 함께 진공 자가 소비 아크 재용융 공정은 티타늄 및 티타늄 합금, 정밀 합금, 고온 합금 및 내화 금속 생산에 성공적으로 적용되었습니다. 따라서 1940년대와 1950년대 이후 급속히 발전하고 규모가 커졌습니다. 특수 용융 공정에서 진공 아크 용융은 재용융 및 정제를 위한 주요 방법 중 하나입니다. 진공 아크 용융의 개략도는 그림 5-1에 나와 있습니다.

1. 구리 결정화기, 2. 작동 플랫폼, 3. 광학 관측 시스템, 4. 전극 리프팅 장치, 5. 전극 극, 6. 용광로 본체, 7. 전극, 8. 진공 시스템, 9. 아크, 10. 잉곳, 11. 전기 제어 코일.

진공 아크 퍼니스는 자가 소비형과 비자가 소비형의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 후자는 텅스텐이나 흑연 전극과 같은 고온 내성 도체를 사용하는 진공 아크 퍼니스의 한 유형으로, 용융할 금속을 결정화기에 넣어 아크의 열에 의해 용융 및 정제하는 방식입니다.

용융 과정에서 전극 자체는 소비되지 않거나 최소한의 소비만 이루어지므로 비자가 소비형이라고 합니다. 자가 소비형 아크로는 용융할 금속을 전극으로 사용하여 아크 공정 중에 일정 속도로 녹고 정련을 거치므로 이러한 유형의 아크로를 자가 소비형 아크로라고 합니다. 철강 및 합금 생산에 사용되는 대부분의 진공 아크로는 자가 소비형 아크로이므로, 이후 섹션에서 달리 명시되지 않는 한 모든 참조는 자가 소비형 아크로에 대한 것입니다.

5.2 진공 비자가 소비 아크 용광로 구조의 소개 및 분류

5.2.1 구조 개요

진공 자가 소비 아크 퍼니스에는 다양한 유형이 있지만 기본 구조는 동일합니다. 그림 5-1은 진공 자가 소비 아크 퍼니스를 보여줍니다. 진공 자가 소비 아크 퍼니스의 전체 장비 세트에는 퍼니스 본체, 전원 공급 장비, 진공 시스템, 제어 시스템, 관측 시스템, 수냉 시스템 및 기타 구성 요소가 포함됩니다. 진공 아크 재용해 원리의 개략도와 자가 소비 전극 진공 아크 퍼니스의 구조 개략도는 각각 그림 5-2와 그림 5-3에 나와 있습니다.

1. 금속 자체 소비 전극, 2. 기체 상 영역, 3. 아크 컬럼 영역, 4. 용융 금속 풀, 5. 잉곳.

1. 음극, 2. 전극 공급 메커니즘, 3. 커넥팅 로드, 4. 진공 슬라이딩 씰 슬리브, 5. 퍼니스 본체, 6. 클램프, 7. 짧은 로드, 8. 자체 소비 전극, 9. 구리 도가니, 10. 주조 잉곳, 11. 워터 재킷, 12. 양극, a. 냉각수 입구, b. 냉각수 출구, c. 진공 펌프 배출구입니다.

5.2.2 진공 아크 자가 소비 아크 용광로의 분류

아크 퍼니스의 다양한 특성에 따라 분류 할 수있는 많은 유형의 퍼니스가 있습니다. 퍼니스 본체의 구조에 따라 고정형과 회전형으로 나눌 수 있습니다. 잉곳의 형태에 따라 고정 잉곳과 풀링 잉곳으로 나눌 수 있습니다. 작동 모드에 따라 간헐적 및 연속으로 나눌 수 있습니다.

5.3 강철 및 합금의 재용해 공정

5.3.1 아크 재용융의 단계

아크 재용융 공정은 용접 전극, 아크, 일반 용융, 토핑의 네 단계로 나눌 수 있습니다.

용접은 진공 또는 보호 분위기에서 수행됩니다. 용접되는 자체 소비 전극의 끝에 아크 시작 재료 층(일반적으로 동일한 유형의 칩)이 펼쳐진 다음 전극 막대 를 낮추어 전이 전극과 자체 소비 전극 사이에 아크가 발생하도록 합니다. 아크 영역의 두 끝이 가열되고 다량의 액상이 형성되어 아크가 안정되면 전극봉을 빠르게 내려 아크 영역의 두 끝이 밀착되어 서로 용접되도록 합니다.

아크의 목적은 결정화기 바닥의 자체 소비 전극과 아크 시작 물질 사이에 아크를 형성하고 아크 영역의 온도를 높이고 결정화기 바닥에 일정 크기의 용융 금속 풀을 형성하고 자체 소비 전극과 용융 금속 풀 사이의 안정적인 아크를 유지하며 자체 소비 전극의 재용융을 정상 용해 기간으로 전환하는 것입니다.

일반 용융 기간은 강철 또는 합금이 정제되어 잉곳으로 응고되는 재용융 공정의 주요 단계입니다. 이를 통해 금속에서 가스와 저융점 금속 불순물을 제거하고, 비금속 개재물을 제거하며, 분리를 줄이고, 이상적인 결정 구조를 얻을 수 있습니다.

토핑의 목적은 재용융 잉곳 상단의 수축 공동을 줄이고, 상단의 "V" 수축 영역의 다공성을 줄이며, 최종 부유 및 내포물 제거를 촉진하고, 헤드 절단량을 줄이고, 수율을 높이는 것입니다.

5.3.2 프로세스 매개변수

(1) 자체 소비 전극의 직경

자가 소비 전극의 직경은 재용융된 잉곳의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 직경이 크면 아크 열이 용융 풀의 전체 표면에 고르게 분포되어 용융 풀이 평평해집니다. 따라서 열처리 성능 향상에 유리한 작은 분리, 조밀한 구조 및 원주 결정 방향(원주 입자의 방향과 잉곳의 축 사이의 각도가 작음)을 가진 재용융된 잉곳을 쉽게 얻을 수 있습니다. 일반적으로 전극의 직경을 선택하는 데는 다음 공식이 사용됩니다:

       d/D=0.65～0.85 (5-1)

여기서 d는 자체 소비 전극의 직경(mm)이고, D는 결정화기의 직경(mm)입니다.

강철 또는 합금의 경우, 현재 d/D는 일반적으로 0.7~0.8 범위 내에서 선택됩니다. 잉곳 크기가 클 경우 상한값을 선택하고 잉곳 크기가 작을 경우 하한값을 선택합니다.

또한 전극의 직경은 다음과 같은 경험적 공식으로 결정할 수도 있습니다:

d=D-2δ (5-2)

여기서 δ는 전극과 결정화기 사이의 거리(mm)입니다.

전극이 다면 실린더인 경우 이 값은 전극의 가장자리와 결정화기의 내벽 사이의 거리를 나타냅니다. δ 값을 결정할 때는 에지 아크가 발생할 위험을 없애기 위해 정상 용융 시 아크의 길이보다 큰지 확인해야 합니다.

비철 또는 내화 금속 및 합금의 재용해 시, 특히 첫 번째 진공 재용해 시(다량의 가스 방출이 있는 경우) 가스를 완전히 제거하고 안전한 작동을 보장하기 위해 δ는 강철 재용해 시 선택한 것보다 커야 합니다. 일반적으로 δ는 25~50mm 범위 내에서 선택되며, 잉곳 크기가 클수록 상한값이 커집니다.

표 5-1 용융 전류 결정을 위한 경험적 공식

공식	단위		적용 범위	발언
	나 또는 나	d 또는 D
	iA/cm2	d mm	강철, 합금강, 철 기반 또는 니켈 기반 합금.	i- 전류 밀도  I- 용융 전류  d- 자체 소비 전극 직경  D- 결정화기 직경
	IA	D mm	강철, 합금강 D=145～150 d/D=0.7～0.8
	IA	d mm	철 기반 또는 니켈 기반 합금 d=10～300 d/D=0.65～0.85

(2) 진공도:

진공도는 재용융 공정 중 탈산, 탈기, 원소 휘발, 분해 및 내포물 제거는 물론 아크의 거동과 안전한 작동에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 진공도는 매우 중요한 공정 파라미터입니다. 정제 효과를 개선하려면 용융 챔버의 진공도를 높여야 하지만 아크를 안정화하려면 진공도가 너무 높아서는 안되며 특히 글로우 방전을 유발하는 압력 범위를 피해야 합니다. 용융 챔버의 압력은 약 1.3 Pa로 유지해야 합니다.

(3) 전류:

용융 전류는 자체 소비 전극의 용융 속도와 용융 풀의 온도를 결정합니다. 전류가 크면 아크 온도가 높아지고 전극 용융 속도가 빨라져 재용융된 잉곳의 표면 품질이 향상됩니다. 그러나 용융 풀의 온도가 높으면 용융 풀의 깊이가 깊어지고 재용융된 잉곳의 결정화 방향이 수평을 향하게 됩니다. 그 결과 재용융된 잉곳의 느슨한 발달이 증가하고 조성 편차가 증가하며 이방성이 심화되고 열처리 성능이 저하됩니다.

용융 전류가 작으면 용융 속도는 낮지만 금속 용융 풀의 모양이 얕고 평평하며 결정화 방향이 축을 이루는 경향이 있으므로 재용융 된 잉곳이 조밀하고 수지상 결정 사이로 떠 올릴 수있는 작고 분산 된 내포물이 있는지 확인합니다. 용융 전류의 선택은 전극 직경, 잉곳의 크기, 정제된 제품의 물리적 특성(녹는점, 조성, 점도, 열전도도 등)도 고려해야 합니다. 용융 전류를 선택하기 위한 공식은 표 5-1에 나와 있습니다.

(4) 전압:

고정 전류 조건에서 아크 길이는 아크 전압에 의해 결정됩니다. 아크 길이가 너무 짧으면(15mm 미만) 주기적인 단락이 발생하여 용융 풀의 온도가 변동하여 재용융 잉곳의 결정 구조 및 표면 품질의 균일성에 영향을 미칠 수 있습니다. 아크가 너무 길면 열이 집중되지 않고 용융 풀의 열 분포가 고르지 않으며 재용융 된 잉곳의 결정 구조의 균일성에 영향을 주어 에지 아크의 위험이 증가합니다. 진공 아크 용융에서 아크 길이 제어는 기본적으로 동일합니다. 현재 아크 길이는 대부분 22-26mm 범위 내에서 제어되며, 이는 24-26V의 전압에 해당합니다. 이때 δ의 값은 25mm보다 커야 합니다.

(5) 녹는 속도:

단위 시간당 자가 소비 전극에서 녹아 결정화기로 들어가는 금속 액체의 킬로그램 수를 용융 속도라고 하며, 일반적으로 kg/분으로 표현합니다. 용융 속도(V)는 자가 소비 전극의 상하 운동과 연결된 눈금자가 단위 시간 동안 떨어지는 거리(S, mm/min)로 결정할 수 있습니다. 계산 공식은 다음과 같습니다.

V= K-S (5-3)

여기서 K는 용융 속도 계수, 즉 1mm 떨어질 때마다 백색 소비 전극이 녹이는 자체 소비 전극의 킬로그램 수, 즉 kg/mm입니다. K 값은 전극의 하향 이동과 액체 레벨의 상향 이동 사이의 질량 균형에서 도출할 수 있습니다.

(6) 누수율:

진공 시스템의 누설률 E는 단위 시간당 외부에서 진공 챔버로 침투하는 공기의 양을 말하며, 단위는 μmHg.L/s입니다. 누설률은 특히 용융하기 어렵거나 활성 원소를 포함하는 합금의 경우 재용융된 금속의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 진공 시스템으로 누출된 가스는 진공 챔버의 산소, 질소 및 수증기 분압을 증가시켜 재용융 금속의 산화물과 질화물 수를 증가시켜 합금의 강도와 가소성을 감소시킵니다. 따라서 진공 아크 재용융은 장비의 누설률을 ≤ 6.67Pa.L/s로 제어해야 합니다. 용융하기 어려운 금속과 그 합금을 용융할 때 E에 대한 요구 사항은 0.400-0.667 Pa.L/s입니다.

(7) 냉각 강도:

결정화기의 냉각 강도는 재용융된 잉곳의 응고 공정과 주조 구조에 영향을 미칩니다. 실제 생산에서 냉각 강도는 냉각수의 유량, 압력, 입구 및 출구 수온뿐만 아니라 잉곳 유형, 무게, 강종, 결정화기의 구조 및 제련 온도와 같은 요인에 의해 영향을 받습니다. 이러한 요소의 복잡성으로 인해 냉각수의 유속은 종종 작동 중 경험에 따라 조정되어 입구 및 출구 수온이 필요한 범위 내에 있으면서 용융 속도와 일관된 응고 속도를 유지하고 금속 용융 풀의 모양이 안정적으로 유지되도록 합니다.

결정화기의 출구 수온에 대한 요구 사항은 다음과 같습니다. 하단 결정화기의 입구와 출구 수온의 온도 차이는 3°C 미만이어야 하고, 상단 결정화기의 입구와 출구 수온의 온도 차이는 20°C 이상이어야 하며 출구 수온은 45-50°C 범위 내에 있어야 합니다.

5.4 진공 아크 재용융의 일반적인 야금 품질 문제

5.4.1 거시적 강철의 결함 및 합금

일반적인 거시적 결함에는 주로 표면 품질 저하와 재용융된 잉곳의 균열이 포함됩니다.

(1) 재용융 잉곳의 표면 품질 불량.

진공 아크 재용융의 특징은 저압 환경에서 슬래그 없이 작동한다는 점입니다. 재용융 후 금속 액체는 수냉식 결정화기에서 빠르게 응고되어 재용융된 잉곳에 흉터, 슬래그 내포물, 무거운 자국 및 피부 회전율과 같은 표면 결함이 발생할 수 있습니다.

(2) 균열

열간 가공 중 또는 마감 후 빌릿 또는 소재에 균열이 발생할 수 있습니다. 균열은 원인에 따라 표면 균열, 수축 구멍으로 인한 균열, 입자 간 균열로 나눌 수 있습니다.

5.4.1 강철 및 합금의 미세한 결함

(1) 다공성

응고 중에 수지상 결정 사이의 미세 기공은 부피 수축과 금속 액체의 불충분한 보충으로 인해 형성됩니다. 이 결함은 합리적인 아크 시작 공정 시스템을 선택하고 단시간 동안 입력 전력을 증가시켜 극복 할 수 있습니다 (용융 풀의 온도를 높이고 금속 용융 속도를 응고 속도보다 크게 만들기 위해 용융 전류를 정상보다 10-20% 높여야 함).

(2) 분리

분리는 근본적으로 선택된 결정 분리 공정에 의해 발생합니다. 조성, 잉곳 유형, 잉곳 크기, 용융 속도, 용융 풀 모양, 응고 속도, 자기장 크기 등 결정 분리에 영향을 미치는 다양한 요인이 모두 분리 개발에 영향을 미칩니다.

5.5 진공 아크 재용융의 특성

(1) 용융 공정은 저압 환경에서 수행되어 합금에 대한 외부 공기의 오염을 제거 할뿐만 아니라 강철 및 합금에서 휘발하기 쉬운 융점이 낮은 가스 함량과 유해한 불순물을 감소시켜 합금의 순도를 향상시킵니다.

(2) 알루미늄 및 티타늄과 같은 활성 원소는 재용융 과정에서 연소 손실이 거의 없으며 합금의 화학적 구성이 비교적 안정적입니다.

(3) 용융은 슬래그 또는 내화물이 없는 환경에서 수행되므로 이 두 가지 출처의 이물질이 합금을 오염시키는 것을 방지할 수 있습니다.

(4) 내포물의 유형과 분포를 개선합니다.

(5)이 용융 방법의 응고 조건은 분리도가 낮고 밀도가 높은 고품질 재용융 잉곳의 생산을 보장 할 수 있습니다.

(6) 아크의 높은 온도로 인해 녹는점이 높은 금속과 합금의 재용융이 가능합니다.

(7) 합리적인 밀봉 공정 시스템은 재용융 잉곳 상단의 수축 구멍을 최소화 할 수 있으며 최종 수축 영역의 결정 구조가 잉곳 본체에 더 가까워져 수율을 향상시킬 수 있습니다.

(8) 진공 아크 재용융 중 대기를 제어할 수 있습니다.

(9) 전기 아크 재용융에 비해 재용융 된 잉곳의 표면 품질과 밀도가 떨어지고 수축 구멍을 완전히 제거 할 수 없습니다. 표면 품질이 좋지 않기 때문에 재용융된 잉곳은 일반적으로 벗겨내야 하므로 금속 수율이 낮아집니다.

(10) 유황 및 내포물 제거는 전기 아크 재용해보다 덜 유리합니다.

(11) 고온 합금의 경우 진공 아크 재용해로 생산된 재용해된 잉곳의 열간 가공 성능이 떨어집니다.

(12) 진공 아크 재용융 중에 망간과 같이 휘발하기 쉬운 원소를 포함하는 합금의 조성을 제어하기는 어렵습니다. GCrl5를 재용융할 때 강철의 망간 손실은 15-18%에 도달할 수 있으며 증발된 망간은 결정화기의 내벽에 응축되어 재용융된 잉곳의 표면에 과도한 망간 함량을 유발합니다. 열간 가공 전에 필링 공정을 거쳐야 합니다.

(13) 장비가 복잡하고 유지보수 비용이 높아 합금의 생산 비용이 증가합니다.

5.6 진공 아크 용광로에서 생산되는 품종

(1) 내화성 및 활성 금속과 그 합금(예: W, Mo, Ta, Nb, Zr, Hf, Ti, U).

(2) 특수 합금: 고온 합금 및 정밀 합금.

(3) 특수 스테인리스 스틸 및 내열 스틸.

(4) 중요한 구조용 강철, 특히 대형 주조 잉곳.

(5) 고급 베어링 스틸.

(6) 대형 단면 고속강 및 공구강.

(7) 고순도 비철금속 및 그 합금.

6. 플라즈마 용융

6.1 플라즈마 용융의 특성

플라즈마는 용접, 절단, 분사, 화학 산업뿐만 아니라 금속 산업, 즉 플라즈마 용융에도 널리 사용되는 강력한 고온 열원입니다.

플라즈마 용융은 플라즈마 아크를 열원으로 사용하여 금속과 비금속 재료를 모두 녹일 수 있습니다. 1960년대 초에 야금 분야에 처음 적용되었으며 주로 금속 재료를 정제하고 고순도 및 특수 성능 강철과 합금을 녹이는 데 사용되었으며, 특히 고온 및 정밀 합금 생산에 사용되었습니다.

6.1.1 플라즈마 발생 및 플라즈마 아크의 특성

플라즈마 아크에는 다음과 같은 특징이 있습니다:

• 플라즈마 아크의 고온.
• 플라즈마 아크의 강력한 전도성.
• 플라즈마 아크의 높은 유속.
• 플라즈마 아크의 안정적인 연소.

6.1.2 플라즈마 용융의 장점

플라즈마 용해로는 합금강 및 합금을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 일부 내화 금속 및 W, Mo, Nb, Ta, Zr, Ti 등과 같은 활성 금속도 용해할 수 있습니다. 이 장비는 지속적으로 개선되고 기술이 빠르게 발전하고 있으며 다음과 같은 장점이 있기 때문에 강력한 경제 활력을 가지고 있습니다:

(1) 빠른 용융 속도와 높은 열 효율.

(2) 가스 및 비금속 이물질을 적절히 제거합니다.

(3) 합금 원소의 손실이 적습니다.

(4) 안정적인 작동 전류 및 전압.

(5) 다양한 분위기와 압력에서 작동할 수 있습니다. 플라즈마 용융 중에는 다양한 공정 요구 사항에 따라 용광로에서 다양한 압력과 분위기(예: 환원 또는 불활성)를 사용할 수 있습니다.

(6) 슬래그 정련을 수행 할 수 있습니다. 플라즈마 퍼니스는 용융에 미세한 재료를 사용할 수있을뿐만 아니라 거친 재료, 심지어 유황 함량이 높은 재료도 사용할 수 있습니다.

(7) 탄소가 추가될 가능성을 피합니다.

(8) 소량의 원소 증발. 플라즈마 용융과 다른 용융 방법(예: 진공 아크 용융, 진공 유도 용융, 전자빔 용융)의 차이점은 용융 풀 위에 대기압이 있으므로 금속의 원소 증발량이 적다는 점입니다.

(9) 금속을 질소화할 수 있습니다.

(10) 간단한 장비와 쉬운 온도 조절. 진공로에 비해 플라즈마로는 장비가 간단하고 아크 온도를 비교적 쉽게 조절할 수 있습니다.

(11) 광범위한 재용융 재료. 진공 아크 용광로에 비해 플라즈마 재용해로는 봉을 재용해할 수 있을 뿐만 아니라 블록도 재용해할 수 있습니다.

6.2 플라즈마 용융

가열 방법에 따라 플라즈마 용융에는 주로 플라즈마 아크 용융, 플라즈마 유도 용융, 플라즈마 아크 재용융, 플라즈마 전자빔 용융 등이 포함됩니다.

(1) 플라즈마 아크 용융(PAM)은 플라즈마 아크의 초고온 및 불활성 가스 분위기를 사용하여 내화 도가니에서 내화 금속 및 활성 원소를 용융합니다. 이 공정은 합금 회수율이 높고 효과적인 탈탄이 가능하며 고순도 합금을 생산합니다.

(2) 플라즈마 유도 용해(PIM)는 플라즈마 아크의 초고온 및 불활성 가스 분위기와 유도 가열 및 전자기 교반을 결합한 용해로입니다. PIM은 금속 재료를 효과적으로 탈황, 탈탄, 탈가스화할 수 있으며 휘발성 원소를 제어할 수 있는 장점이 있습니다.

(3) 플라즈마 아크 재용융(PAR)은 불활성 가스 분위기에서 플라즈마 아크를 사용하여 금속과 슬래그를 녹여 수냉식 결정화기에서 응고시켜 우수한 야금 결과를 생성합니다.

(4) 플라즈마 전자빔 재용융(PER)은 아르곤 플라즈마를 사용하여 저진공 상태에서 탄탈륨 음극을 가열하여 열 전자를 방출하게 합니다. 이 전자는 전기장의 영향을 받아 양극 금속 재료와 충돌한 다음 수냉식 결정화기에서 응고됩니다. 이 방법은 스펀지 티타늄 및 기타 내화성 금속을 효과적으로 녹일 수 있습니다.

1 - 플라즈마 건, 2 - 검사 구멍, 3 - 강철 배출구, 4 - 유도 코일, 5 - 도가니, 6 - 용광로 바닥 전극, 7 - 용광로 쉘, 8 - 플라즈마 아크, 9 -... 플라즈마 노즐10 - 합금 먹이 깔때기.

6.2.1 플라즈마 유도 용융(PIM)

플라즈마 유도로는 일반 유도로와 플라즈마 아크 가열 장치를 결합한 것입니다. 유도로에 플라즈마 열원을 추가하여 슬래그 용융을 채택하고 약 1850 ℃의 고온 활성 슬래그를 생성하여 금속의 황 함량을 줄이는 데 유리한 조건을 만들 수 있습니다. 따라서 일반 유도로의 차가운 슬래그와 보호되지 않은 대기의 단점을 피하고 유도로의 정제 능력을 크게 향상시킵니다.

플라즈마 유도로는 일반적으로 정상 압력 조건에서 작동하며 공정에 따라 필요한 경우 음압에서도 작동할 수 있습니다.

더 높은 [N] 함량의 금속을 얻기 위해 플라즈마 유도로는 비활성 가스인 N2 또는 N2+Ar를 작동 가스로 사용할 수 있습니다. 질소 흐름을 통해 플라즈마 아크를 형성하고 동시에 합금을 수행함으로써 금속의 질소 함량이 증가합니다. 때로는 강철 액체의 탈탄을 위해 일부 공장에서는 플라즈마 유도 용광로의 작동 가스로 공기를 사용하기도 합니다.

이러한 유형의 용융 장비는 슬래그 유무에 관계없이 작업을 수행할 수 있다는 중요한 특징이 있습니다. 용융 공정에서 슬래그 작업을 사용해야 하는 경우 탈황, 탈산 및 탈탄 작업을 완료할 수 있습니다. 슬래그 없이 작동하는 경우 금속 액체 표면은 고온 플라즈마 아크에 의해 직접 가열됩니다.

그림 6-1과 같이 플라즈마 유도로는 플라즈마 유도로 본체, 유도로 전원 공급 장치, 플라즈마 건, 플라즈마 아크 발생기의 네 부분으로 구성됩니다.

플라즈마 유도 용융은 탈황, 비금속 불순물 제거, 철강 및 합금의 가스 함량 감소 측면에서 진공 유도 용융에 근접하거나 그 수준을 능가하는 매우 경쟁력 있는 특수 용융 방법입니다.

1 - 플라즈마 건, 2 - 용광로 뚜껑, 3 - 보조 양극, 4 - 강철 배출구, 5 - 교반 코일, 6 - 용광로 안감, 7 - 수냉식 양극, 8 - 텅스텐 음극, 9 - 플라즈마 아크, 10 - 용광로 도어, 11 - 용융 금속, 12 - 용융 슬래그.

6.2.2 플라즈마 아크 용융(PAM)

플라즈마 아크 퍼니스는 플라즈마 아크의 초고온 및 불활성 분위기를 사용하여 내화 재료 도가니에서 내화 금속 및 활성 원소를 녹입니다. 이 합금은 회수율이 높고 효과적으로 탈탄할 수 있으며 순도가 높습니다.

그림 6-2는 일반 아크 퍼니스와 외관이 유사하며 퍼니스 뚜껑 2, 퍼니스 도어 10, 강철 배출구 4, 전자기 교반 장치 5, 플라즈마 건 1 및 하단 양극 7이 장착된 플라즈마 아크 퍼니스를 보여줍니다. 가스 오염을 방지하기 위해 플라즈마 아크 퍼니스는 밀봉할 수도 있습니다.

건은 수냉식 구리 노즐과 수냉식 세륨 텅스텐(또는 토륨 텅스텐) 음극으로 구성됩니다. 노즐은 세륨 텅스텐 음극과 절연되어 있으며 아르곤 가스가 통과할 수 있도록 합니다. 아르곤 가스는 건 슬리브를 통해 건 상부에서 퍼니스 내부로 유입되어 플라즈마로 이온화됩니다. 퍼니스 본체는 내화 재료로 만들어지며 퍼니스 바닥 중앙 부분에는 흑연 막대(또는 강철-구리 수냉식 막대)가 바닥 양극으로 매립되어 있습니다. 전원이 공급되면 하단 양극은 DC 전원 공급 장치의 양극에 연결됩니다.

플라즈마 아크의 고온 및 집중된 열과 이러한 유형의 아크로 인한 약한 혼합으로 인해 용융 풀의 금속이 과열 될 수 있으며 때로는 용광로 바닥에 녹지 않은 청크가있을 수 있습니다. 용융 과정에서 금속의 충분한 교반을 보장하고 용융 풀의 온도와 화학 성분을 균일하게 만들기 위해 용해로 바닥의 내화 재료 외부 층에 두 개의 수냉식 구리 코일을 설치합니다. 작동 전류가 통과하여 자기장을 생성하고 용융 금속을 교반합니다.

1 - 플라즈마 건, 2 - 씰링, 3 - 피드 로드, 4 - 용융 금속 풀, 5 - 잉곳, 6 - 인출 시스템, 7 - 진공 시스템, 8 - 퍼니스 챔버, 9 - 전원 공급 장치, 10 - 결정화기.

밀폐되지 않은 플라즈마 아크로의 경우, 용융 금속의 표면을 덮어 산화 및 흡수를 방지하기 위해 일정량의 슬래그를 생성해야 합니다. 탈황 작업이있는 경우 알칼리 용광로 슬래그를 생산할 수 있으며 슬래그 교체 작업을 사용하여 필요한 황 함량을 달성 할 수도 있습니다.

플라즈마 아크 퍼니스가 보여주는 정제 효과는 매우 중요하며 고속 공구강, 내열강, 베어링강, 초저탄소 스테인리스강, 정밀 합금 및 고온 합금과 같은 다양한 유형의 강철 및 합금을 녹이는 데 사용할 수 있습니다.

플라즈마 아크 용광로는 합금강을 녹이는 것 외에도 합금철을 제련하는 데에도 사용할 수 있습니다. 제강 과정에서 고철이 녹을 때 용광로 벽에 대한 금속 풀의 방사선이 강화되어 용광로 라이닝의 내화 재료 손상을 가속화합니다. 용광로 라이닝의 수명을 연장하기 위해 일부 전기 아크로는 용융 장비로만 사용되며 강철 액체의 정제 작업은 래들에서 수행됩니다.

래들에서 강철 액체를 가열하기 위해 플라즈마 아크 용광로의 작동 원리를 참조하여 플라즈마 래들 가열 장비를 개발했습니다. 예를 들어, 오늘날 미국에서 제작된 220t 플라즈마 래들 2차 가열 장치, 독일 크루프 제철소의 150t 플라즈마 래들 가열로, 이 래들로에 설치된 전류 12kA의 AC 플라즈마 건 등이 있습니다.

6.2.3 플라즈마 아크 재용융(PAR).

플라즈마 아크 재용해 방법은 플라즈마 아크를 사용하여 불활성 또는 제어된 분위기에서 금속을 녹이는 특수 용해 방법입니다. 금속 재용융 공정이라고도 할 수 있습니다. 재용융 과정에서 용융된 금속 방울은 슬래그 층을 통과하여 결정화기에서 응고됩니다. 진공 소모성 전극 아크 재용융 및 일렉트로슬래그 재용융과 마찬가지로 용융과 응고, 즉 금속의 용융과 주조가 동시에 수행됩니다. 재용융된 금속 재료는 바 재료 또는 블록 재료가 될 수 있습니다. 바 소재를 사용하는 경우 플라즈마 아크가 바 소재에 직접 닿아 용융됩니다.

잉곳의 크기에 따라 플라즈마 재용융은 단일 건 작동 또는 다중 건 작동으로 수행 할 수 있습니다. 싱글 건 작동의 경우 플라즈마 건은 퍼니스 챔버 중앙에 수직으로 설치되며, 공급봉은 퍼니스 본체 측면의 재료 로딩 홀에서 퍼니스 챔버로 연장됩니다(그림 6-3 참조). 다중 건 작동의 경우 이송봉이 퍼니스 바로 위에서 퍼니스 내부로 연장되고 여러 플라즈마 건(4~6개)이 이송봉 주위에 배치되고 퍼니스 측벽에서 기울어져 있습니다.

블록 재료를 재용융할 때 전하를 빠르고 완전히 녹이려면 깔때기 트로프를 통해 용융 풀의 중앙에 전하를 추가해야 합니다. 플라즈마 아크 재용해로의 용광로 쉘은 일반적으로 스테인리스 스틸의 이중층 구조를 채택하고 중간에 수냉을 사용합니다. 결정화기는 퍼니스 챔버 바닥 중앙에 배치되고 전원 공급 장치의 한쪽 끝은 플라즈마 건의 전극에 연결되고 다른 쪽 끝은 응고 된 금속 잉곳을 통해 용융 풀에 연결됩니다.

재용융 전에 퍼니스는 비워지고, 플라즈마 건 작동 가스로 아르곤 가스가 사용됩니다. 작동 중에는 퍼니스 내부의 가스가 펌핑되는 동안 퍼니스 챔버로 가스가 유입되고 퍼니스 내부의 압력이 일정 수준으로 유지됩니다.

플라즈마 아크 용광로 및 플라즈마 유도 용광로와 비교하여 플라즈마 재용융의 차이점은 수냉식 결정화기를 사용하여 금속을 동시에 녹이고 응고한다는 것입니다. 플라즈마 아크의 고온으로 인해 용융 금속 표면에 슬래그 풀이 형성되고 잉곳 표면에 얇은 슬래그 쉘 층이 형성되어 우수한 주조 구조가 형성 될 수 있습니다. 재용융 과정에서 금속은 아르곤 가스 보호 기능이 있으므로 금속의 화학 성분 변동이 적고 가스 및 비금속 개재물의 함량이 낮습니다. 플라즈마 재용융 강철의 총 개재물 양과 산소 함량은 전자빔 재용융에 이어 두 번째에 불과합니다.

현재 이 용융 방법은 베어링 강, 합금 구조용 강, 내식성 강, 질소 함유 합금강, 내화 금속 및 그 합금, 고온 금형강, 정밀 합금 및 활성 금속을 용융하는 데 사용할 수 있습니다.

7. 전자빔 용해로 재용해

7.1 개요

전자빔 용융(EBM)은 전자빔의 높은 에너지 밀도를 이용해 금속에 열을 가해 녹이는 야금 방법입니다. 이 기술은 주로 희귀 금속, 귀금속, 내화 금속의 용융, 정제 및 재활용을 위해 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 또한 반도체 재료와 내화 금속 및 그 합금의 단결정을 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다.

전자빔 재용융(EBR)은 전자총에서 방출되는 고속 전자빔을 열원으로 사용하여 고진공 조건에서 금속 재료를 정제하는 정제 공정입니다. 전자빔의 운동 에너지는 열 에너지로 변환되어 금속을 녹이고 정제합니다. 그런 다음 녹은 금속은 수냉식 결정화기에서 냉각되어 고체화된 방울을 형성합니다.

EBM은 고진공 조건에서 진행되기 때문에 과열 온도가 높고 액체 상태의 유지 시간이 길어 금속을 효과적으로 정제하고 정제할 수 있습니다. 이 공정은 가스 제거, 탈산 및 휘발성 금속 불순물과 같은 불순물을 제거할 수 있습니다. 잉곳을 주조하는 과정에서 불순물은 위로 떠올라 잉곳의 상단에 모이고, 녹는점이 높은 금속은 표면에 집중됩니다. 잉곳의 상단을 제거하고 외층을 정제하면 고순도 금속 잉곳을 얻을 수 있습니다. 전자빔 용해로의 개략도는 그림 7-1에 나와 있습니다.

1 - 오일 확산 펌프, 2 - 기계식 펌프, 3 - 루츠 펌프, 4 - 공장 바닥, 5 - 작동 플랫폼, 6 - 로딩 밸브, 7 - 로딩 로드 밀기 메커니즘, 8 - 로딩 로드, 9 - 전자빔 편향 시스템, 10 - 전자총, 11 - 전자총 진공 인터페이스, 12 - 전자빔, 13 - 용융 챔버, 14 - 결정화기, 15 - 수냉식 잉곳 몰드 베이스, 16 - 잉곳 카, 17 - 견인 메커니즘, 18 - 견인 메커니즘 프레임입니다;

전자빔 재용해 공정은 탄탈륨, 니오븀, 하프늄, 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 내화 금속을 녹이는 것으로 시작되었지만 현재는 반도체 재료, 고성능 자성 합금 및 베어링 강, 부식 방지 스테인리스 강 및 초저탄소 순철과 같은 일부 특수 강 생산으로 확장되었습니다. 또한 전자빔 재용해로는 특정 내열 합금, 특히 니오븀 또는 탄탈륨을 주성분으로하는 텅스텐과 몰리브덴을 포함하는 합금을 녹이는 데에도 사용할 수 있습니다. 보고서에 따르면 구소련도 구리와 니켈을 녹이기 위해 전자빔 용해로를 사용했다고 합니다. 전자빔 용융은 강철 및 합금과 같은 금속 재료를 녹이는 데 사용되는 것 외에도 다양한 특성을 가진 세라믹과 유리를 녹이는 데에도 사용할 수 있습니다.

전자빔 용융 기술의 특징은 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

(1) 전자빔 용융은 진공 조건에서 수행되므로 재료의 용융 상태를 언제든지 제어 할 수 있으므로 고순도 내화 재료를 얻을 수 있습니다.

(2) 전자빔의 높은 에너지 밀도는 빔의 수렴과 발산을 제어하여 용융 풀 표면의 에너지 밀도를 쉽게 조정할 수 있어 내화성 금속을 녹일 수 있습니다.

(3) 자동화 제어가 쉽게 이루어지며 특히 현대 컴퓨터 기술, 전자 기술 및 자동화 기술을 적용하여 안전하고 신뢰할 수 있습니다. 이를 통해 내화성 물질에서 고순도 물질을 쉽게 추출하고 얻을 수 있습니다.

(4) 용융 재료의 화학적 조성을 정밀하게 제어할 수 있어 특정 성능 요구 사항을 충족하는 희귀 내화성 금속 및 고순도 금속 재료를 생산할 수 있습니다.

그러나 이 재용융 방식은 생산성이 낮고 장비 구조가 복잡하며 고전압 직류 전원을 사용해야 하고 장비 투자 비용이 높다는 몇 가지 단점이 있습니다. 따라서이 용융 방법은 특수 용융의 주요 방법이되기가 어렵습니다. 생산 비용 측면에서는 전자빔 재용융이 가장 높습니다. 일반 용해 방법을 사용하여 특수강을 생산하는 비용을 1로 간주하면 동일한 용량과 강종을 용해하는 다른 용해 방법의 비용은 다음과 같습니다: 전기로 재용해의 경우 1.75, 플라즈마 아크 재용해의 경우 2.03, 진공 아크 재용해의 경우 2.4, 전자빔 재용해의 경우 2.72입니다.

7.2 전자빔 재용융의 기본 원리

전자빔 재용융의 작동 원리는 음극과 양극이 진공 챔버에 배치되고 각각 DC 전원 공급 장치의 음극과 양극에 연결되는 진공 다이오드의 작동 원리와 유사합니다. 음극이 다른 전원에 의해 가열되면 온도가 상승하고 음극 물질의 일부 자유 전자가 열로 인해 여기되어 방출됩니다.

음극과 양극을 특정 전압의 직류 전원에 연결하면 여기된 전자는 특정 강도의 전기장을 받고 가속되어 양극으로 향하게 됩니다. 전자빔 재용해로에서는 빠르게 움직이는 전자가 양극 금속 재료에 충돌하고 전자의 운동 에너지가 양극에서 열 에너지로 변환되어 가열 및 용융됩니다. 전자빔 재용융의 공정 원리는 그림 7-2에 나와 있습니다.

7.3 전자빔 재용해로의 주요 장비

전자빔 재용해로는 용해로 본체, 진공 시스템, 전기 시스템의 세 가지 주요 부품으로 구성됩니다. 용해 장비의 개략도는 그림 7-3에 나와 있습니다.

1. 전자빔 발생 시스템, 2. 진공 밸브, 3. 진공 시스템, 4. 초점 및 편향 시스템, 5. 작업 챔버, 6. 공작물, 7. 고전압 전원 공급 장치, 8. 자기 렌즈 전원 공급 장치, 9. 편향 코일 전원 공급 장치, 10. 제어 시스템.

이 섹션에서는 전자총을 중심으로 퍼니스 본체의 주요 부품을 소개합니다. 또한 진공 챔버, 결정화기, 공급 및 당김 메커니즘도 있습니다.

7.3.1 전자총

전자총은 전자빔 재용해로에서 전자빔을 발생시키는 핵심 부품입니다. 축형 건, 횡형 건, 환형 건 등 다양한 구조적 형태를 가지고 있습니다. 현재는 축방향 건이 더 널리 사용되고 있습니다.

축방향 전자총의 외형은 원통형이며, 내부 구조는 그림 7-4에 나와 있습니다. 전자총의 원리 다이어그램과 3차원 시뮬레이션 모델은 각각 그림 7-5와 7-6에 나와 있습니다. 전자빔은 블록 음극에서 방출되어 양극에서 가속되고 초점 코일에 의해 초점을 맞춘 후 편향 코일의 제어하에 매우 빠른 속도로 가열된 금속으로 향하여 금속을 용융시킵니다.

전자총은 전자빔 방출 소자, 빔 형성 음극, 가속 양극, 이온 수집기, 전자빔 집속 시스템, 전자빔 편향 시스템으로 구성됩니다. 전자빔 방출 소자는 가열 음극(3)과 방출 음극(4)으로 구성됩니다.

가열 음극은 이중 나선형으로 감긴 텅스텐 와이어로 만들어집니다. 40~50A(전압 5V)의 교류 전류가 텅스텐 와이어를 통과하면 약 2800℃까지 가열할 수 있습니다. 가열 음극과 발광 음극 사이의 전압은 1500V DC로, 텅스텐 와이어에서 열 전자가 방출되어 전기장 아래에서 발광 음극에 부딪칩니다.

1. 절연 세라믹 냄비; 2. 진공 펌핑 포트; 3. 필라멘트; 4. 블록 음극; 5. 가속 양극; 6. 냉각수 입구 / 출구; 7,9. 초점 코일; 8. 전자 빔; 10. 가이드 튜브; 11. 편향 코일.

1. 필라멘트 가열 전원 공급 장치; 2. 필라멘트; 3. 편향 코일 전원 공급 장치; 4. 가속 전압 전원 공급 장치; 5. 초점 코일 전원 공급 장치; 6. 전자 빔, 7. 포커싱 코일, 8. 양극(접지), 9. 음극.

1. 리드 홀더; 2. 전자빔 생성 시스템; 3. 티 커넥터; 4,5. 첫 번째 및 두 번째 마그네틱 렌즈, 6. 진공 밸브, 7. 자기 편향 시스템.

7.3.2 결정화기

전자빔 퍼니스의 결정기는 보라색 구리로 만들어지고 수냉식인 진공 아크 퍼니스의 결정기와 유사합니다. 결정화기의 바닥에는 고정식 및 이동식(잉곳을 당기는 데 사용)의 두 가지 유형이 있습니다. 또한 결정화기 내부 공동의 단면은 금속 제품의 다양한 요구 사항에 따라 원형, 링 또는 직사각형으로 만들 수 있습니다.

7.3.3 수유 장치

전자빔 퍼니스는 용융과 응고를 동시에 진행하는 일종의 장비입니다. 금속 막대가 지속적으로 녹으면 녹지 않은 막대는 즉시 전자빔 폭격 영역으로 밀어 넣어야 합니다. 공급 메커니즘은 대부분 기계식 변속기에 의해 구동됩니다. 공급 장치에는 세로 및 가로의 두 가지 유형이 있으며 양면 교대 공급이있는 가로 유형도 있습니다.

7.3.4 당기는 메커니즘

바닥이 움직일 수 있는 결정화기의 경우 당기는 메커니즘을 설치해야 합니다. 이는 결정화기의 금속이 계속 응고될 때 용융 풀의 특정 높이를 유지하기 위해 이미 응고된 금속 잉곳을 지속적으로 아래로 당겨야 하기 때문입니다. 전자빔 퍼니스의 당김 메커니즘은 기계식 변속기를 채택하거나 유압식 변속기.

7.4 전자빔 재용융 공정과 그 야금학적 특성

7.4.1 전자빔 재용융 공정

(1) 퍼니스를 시작하기 전에 장비의 숨겨진 위험으로 인한 사고 또는 뜨거운 유지 보수를 피하기 위해 퍼니스의 모든 부품을주의 깊게 검사해야합니다. 반면에 재용해할 용광로 재료를 준비해야 합니다.

(2) 용융하기 전에 결정화기와 로드 재료를 설치한 다음 퍼니스를 밀봉하고 배기합니다. 퍼니스의 진공도가 (1~3)×10mmHg (0.00133~0.00399Pa)에 도달하면 음극을 가열하고 동시에 물로 냉각하기 시작합니다.

(3) 전원을 공급하기 시작할 때 전력이 너무 높지 않아야 합니다. 결정화기에 일정량의 금속 액체가 있고 금속 풀의 깊이가 일정하여 정상적인 용융 속도에 도달하면 점차적으로 전력을 높입니다.

(4) 재용해 과정에서 전자빔이 결정화기 벽에 부딪혀 손상되어 사고가 발생하지 않도록 특별한주의를 기울여야합니다. 재용융 과정에서 당기는 타이밍은 금속 풀의 액체 레벨에 따라 결정되어야하며 당기는 속도와 금속 용융 속도 간의 조정에도주의를 기울여야합니다.

7.4.2 전자빔 재용융의 야금학적 특성

전자빔 재용해법은 고진공 및 고온 조건에서 강철 또는 합금을 정제하고 정제하는 용해법입니다. 다른 철강 및 합금의 특수 용해 방법과 비교할 때 다음과 같은 특징이 있습니다:

(1) 전자빔 재용융은 매우 높은 진공 조건(최대 ~0.00133Pa)에서 수행됩니다. 진공 유도 용광로 및 진공 아크 용광로보다 진공도가 훨씬 높습니다. 따라서 금속에서 가스, 비금속 개재물 및 특정 유해 요소를 훨씬 더 완전하고 철저하게 제거하며 정제 및 정제 반응 속도가 다른 진공로보다 높습니다.

(2) 재용해 과정에서 용해로 재료의 용해 전력과 용융 풀의 가열 전력을 개별적으로 조정할 수 있습니다. 따라서 용융 속도가 변하더라도 용융 풀의 필요한 온도를 유지할 수 있습니다.

(3) 양극에서 방출되는 전자 빔의 에너지가 매우 높기 때문에 금속 용융 풀은 매우 높은 온도에 도달 할 수 있습니다 (용융 풀의 표면 온도는 1850 ℃에 도달 할 수 있음). 이는 재용융 공정 중 정제 반응에 도움이 될뿐만 아니라 탄탈륨, 니오브, 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 고 융점 금속을 녹이는 데에도 적용 할 수 있습니다.

(4) 전자빔의 제어성이 우수하여 전자빔을 제어하여 용융 풀의 가열 위치를 제어 할 수 있으므로 용융 풀 온도가 균일하게 분포되도록 할 수 있습니다. 이를 통해 표면 품질과 결정 구조가 우수한 금속 잉곳을 얻을 수 있습니다.

(5) 전자빔 퍼니스는 막대 재료를 녹일 수 있을 뿐만 아니라 블록, 칩 또는 분말 금속 재료를 녹이도록 설계할 수도 있습니다.

7.5 전자빔 재용융의 효과

전자빔 재용융 재료는 높은 품질을 가지며 저융점 및 쉽게 증발하는 원소의 함량을 매우 낮은 수준으로 줄일 수 있습니다. 다음 금속의 제련 및 정제에 사용할 수 있습니다. 표면이 매끄럽고 가소성이 충분한 냉간 가공용 티타늄 및 니켈 잉곳 생산, 고순도 텅스텐 및 몰리브덴 잉곳 생산, 진공 아크로에서 녹인 납에 비해 재용융 납은 순도가 높아 핵 잠수함 원자로의 제어 부품에 사용할 수 있으며 정제된 바나듐 잉곳은 핵 잠수함 원자로의 부품 제조에 사용할 수 있습니다.

철강용 전자빔 용융의 주요 장점은 금속 및 비금속 불순물과 불순물 원소를 크게 줄인다는 것입니다. 특수강 및 초내열 합금의 연속 흐름 용융 또는 냉간 베드 정제는 생산 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

7.5.1 금속 내 가스 및 내포물 제거

전자빔 용융의 가장 큰 특징은 고진공, 고온, 액체 금속을 장시간 유지할 수 있다는 점입니다. 따라서 가스, 불순물 원소 및 저가의 산화물을 제거하는 데 매우 유용합니다. 다양한 재료에 대한 실험을 통해 전자빔 재용융 후 얻은 재료의 순도가 가장 높아 금속의 성능을 크게 개선하고 향상시킬 수 있다는 사실도 입증되었습니다. 전자빔 재용융 방법은 합금뿐만 아니라 순수 금속에 대해서도 우수한 탈기 능력을 가지고 있습니다. 일부 특수 목적 금속의 경우 여러 재용융 방법을 통해 더 높은 순도를 달성할 수 있습니다.

재용융 후 금속의 가스 함량은 재용융 횟수 및 각 재용융 시간과 관련이 있습니다. 재용융 시간이 길수록 금속의 산소 및 질소 함량이 낮아집니다. 그러나 재용융 시간을 연장하면 용융 속도가 감소하여 생산 속도가 낮아지고 생산 비용이 증가하므로 종합적으로 고려해야 합니다.

전자빔 재용융 방식은 금속에서 비금속 개재물을 제거하는 데에도 이상적인 효과를 발휘합니다.

7.5.2 금속 속성 개선

전자빔 재용융은 금속의 가스 및 내포물 함량을 크게 줄이고 응고 조건을 개선하는 능력으로 인해 재용융 된 금속의 특성이 크게 향상됩니다. 보고서에 따르면 전자빔 재용융 후 내열 합금의 질소, 수소 및 산소 함량은 각각 60-70%, 40-50% 및 70-80%로 감소하고 합금 성능이 크게 향상됩니다. 전자빔 재용융 구조용 강철의 경우 일반 용융 방법에 비해 재료의 연신율은 35%, 단면 수축은 65% 증가했으며 등방성 계수는 0.6에서 0.9로 증가했습니다.

8. 제련 공정의 비교 및 선택

8.1 일반적인 팽창 합금 용해 공정

확장 합금은 유리 또는 세라믹 재료로 밀봉된 합금 유형을 말합니다. 중국에는 이러한 유형의 합금에는 29가지 등급과 다양한 사양이 있습니다. 유리로 밀봉하는 주요 합금은 4J29, 4J49, 4J52, 4J54 및 4J6이며 세라믹으로 밀봉하는 주요 합금은 4J33 및 4J34입니다.

그중 4J29는 고정 팽창 합금에 속하며 -60℃ ~ +400℃ 범위의 특정 선형 팽창 계수를 가지고 있습니다. 단단한 유리와 일치하고 밀봉하는 데 사용되며 전기 진공 산업에서 밀봉 구조 재료로 널리 사용됩니다. 국내 수요가 연간 수백 톤에 달할 정도로 사용량이 비교적 많으며 제품의 주요 공급 방식은 스트립입니다.

4J36은 0℃~+100℃, -60℃~+100℃ 범위에서 팽창계수가 매우 낮은 저팽창 합금입니다. 온도 변화 범위 내에서 거의 일정한 치수의 부품을 제조하는 데 사용되며 라디오, 정밀 기기, 계측기 등과 같은 산업 분야에서 널리 사용됩니다.

8.1.1 확장 합금 관련 표준

일부 등급의 확장 합금에 대한 조성 요구 사항 및 관련 지표는 표 8-1, 8-2, 8-3 및 8-4에 나와 있습니다.

표 8-1 확장 합금 구성 요구 사항

표 8-2 4J36 합금의 조성 요구 사항

표 8-3 4J36 합금의 투과성과 온도와의 관계

표 8-4 상온에서 4J36 합금의 기계적 특성

8.1.2 팽창 합금 4J36의 정제

확장 합금의 제품 형태에는 주로 와이어, 스트립, 튜브 및 원형 바 스톡이 포함됩니다. 가장 널리 사용되는 형태는 스트립이며 생산에 사용되는 주요 장비로는 전기로, 단조 해머(3-5t), 슬래빙 밀, 어닐링로, 교정기, 연삭기 등이 있습니다, 아르곤 아크 용접4롤(멀티롤) 냉간 압연기, 연속 어닐링 용광로, 표면 처리 장비 등입니다.

8.2 일반적인 연자성 합금 용융 공정

19세기 철-니켈 합금의 최초 발견부터 20세기의 일련의 실험 연구와 진공 정제의 사용에 이르기까지 합금의 특성은 크게 향상되었습니다. 연구의 심화와 실제 응용의 필요성에 따라 몰리브덴, 구리 및 크롬과 같은 다른 원소가 이진 시스템에 추가되어 유명한 슈퍼 인바 합금, 초기 투과성이 높은 구리-페말로이 합금, 전기 저항이 높은 크롬-니켈-철 합금과 같은 일련의 재료가 만들어졌습니다. 두 가지 기본 파라미터는 자결정 이방성 상수 K와 자기 변형 상수 λ로, 합금의 기술적 자화 과정과 자기 특성을 결정합니다.

철-니켈 연자성 합금. 이러한 합금의 특징은 주로 약한(또는 중간) 자기장에서 높은 투자율과 매우 작은 보자력, 우수한 가공 성능, 복잡한 모양의 장치로 만들 수 있음, 우수한 녹 저항성, 일부 재료는 직사각형 히스테리시스 루프, 매우 낮은 잔류 자기 또는 상당한 범위의 자기장에서 일정한 투자율과 같은 특정 가공 후 특수 자기 특성을 가짐을 포함합니다.

8.2.1 관련 합금의 화학적 구성

표 8-5는 몇 가지 일반적인 연자성 합금의 화학적 조성 요구 사항을 보여줍니다.

표 8-5 연자성 합금의 화학적 조성(%)

8.2.2 연자성 합금 1J86의 성능 특성

1J86 합금은 주로 81% 니켈과 6% 몰리브덴을 함유하고 있습니다. 이 합금은 1J77 및 1J85에 비해 μi가 높고 Hc가 낮으며 μm 값이 이에 가깝습니다. 합금에 6% 몰리브덴이 포함되어 있기 때문에 저항이 더 높아져 더 높은 주파수에서 자기 성능이 향상됩니다. 더 높은 정적 자기 특성을 얻기 위해 실리콘이나 망간은 자기 특성에 미치는 영향이 니켈과 몰리브덴보다 덜 중요하기 때문에 합금에 첨가하지 않습니다. 합금에 1% 망간과 소량의 실리콘을 첨가하는 것은 합금의 온도 안정성과 열간 가공성을 향상시키기 위한 것입니다.

8.3 고온 합금 제련 공정

8.3.1 관련 합금의 화학적 구성

표 8-6은 몇 가지 일반적인 고온 합금의 필수 화학 성분을 보여줍니다.

8.3.2 고온 합금 제련 공정

고온 합금이 고온 저항성과 내식성이라는 요구되는 특성을 갖도록 하려면 합금은 특정 화학 성분, 순도 및 적절한 미세 구조를 가져야 하며 합금의 성분과 순도는 제련 기술에 따라 달라집니다. 따라서 제련 공정은 고온 합금 생산 공정의 핵심 연결고리입니다.

고온 합금은 합금화도가 높기 때문에 텅스텐, 몰리브덴, 니오브, 크롬과 같은 중원소와 알루미늄, 티타늄, 붕소와 같은 쉽게 산화되는 원소를 다량 함유하고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 고온 합금은 제련 공정에 대한 엄격한 요구 사항이 있으며 일반적으로 진공 제련을 사용합니다. 현재 대부분의 합금은 진공 유도로 또는 대기 유도로에서 용해된 후 진공 소모로 또는 전기 슬래그 재용해를 거쳐 순도를 개선하고 우수한 미세 구조와 특성을 얻습니다.

고온 합금 제련을 위한 국내외 장비로는 아크로, 유도로, 진공 유도로, 진공 아크 로, 일렉트로슬래그 로 등이 있습니다. 또한 전자빔 용광로와 플라즈마 용광로도 있습니다.

중국의 오랜 생산 관행에서 지속적인 탐구와 개발로 인해 표 8-7과 같이 초기 아크로 제련에서 현재 제련 공정에 이르기까지 다양한 제련 방법 조합이 이루어졌습니다.

표 8-7 일반적인 니켈 기반 및 철 기반 고온 합금을 용융하는 공정 경로

8.3.3 야금 공정 경로 선택

특수 제련의 경우 공정 흐름 체계에는 여러 가지 일반적인 옵션이 있습니다. 단일 제련 방법을 사용하여 직접 용해하거나 이중 또는 삼중 공정을 채택할 수 있습니다. 제련의 종류와 품질에 따라 적절한 공정 방식을 선택해야 합니다. 다양한 제련 방법의 장단점은 에너지 소비, 장비 투자, 기술 및 경제 지표, 제련 품질 등의 측면에서 종합적으로 고려해야 합니다.

표 8-8 일반적인 특수 제련 공정 흐름