KR20170062906A - 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐, 이에 의해 제조되는 티타늄 분말 - Google Patents

고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐, 이에 의해 제조되는 티타늄 분말 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게 본 발명의 일실시예에서 용융 도가니 및 노즐은 소정의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 크고, 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 관계를 가지는 금속의 산화물을 포함하여 제조됨에 따라 티타늄의 반응성이 억제되어 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소가 유입되는 문제점을 해소할 수 있으며, 이에 의해 고순도의 티타늄 분말 제조를 가능하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 용융 도가니 및 노즐을 구비하는 가스분무장치로부터 제조되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.15 내지 0.18wt%인 것을 특징으로 할 수 있으며, 티타늄 분말 제조의 양산성을 저해하지 않으면서도 고품질의 티타늄 분말을 제조할 수 있다는 이점이 있다.

Description

고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐, 이에 의해 제조되는 티타늄 분말{Crucible and nozzle of gas atomizer for high purity titanium powder, and titanium powder obtained thereof}
본 발명은 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온에서 티타늄 용탕과 반응하지 않는 금속의 산화물을 포함하여 용융 도가니 및 노즐을 제조함에 따라 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소의 유입이 억제되는 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐에 관한 것이다.
가스분무법에 의한 금속분말은 금속 잉곳(ingot)을 진공 유도 용해로에 장입하여 금속 용탕을 제조한 뒤, 용탕을 분사노즐을 통하여 흘려주면서 질소나 아르곤 같은 불활성 가스를 분사함으로써 제조된다. 이러한 진공 유도 용해로 시스템은 1000 내지 2000℃의 온도 조건에서 금속 용탕을 제조하기 때문에 내화성이 우수한 금속산화물 재질의 도가니 및 노즐을 사용하고 있으며, 실리카나 알루미나 재질의 도가니가 가장 널리 사용되고 있다.
이때, 철이나 니켈 분말을 제조하는 경우에는 문제되지 않으나, 티타늄 분말을 제조하는 경우에는 규소나 알루미늄 대비 티타늄의 반응성이 상대적으로 커서 티타늄이 쉽게 산화됨에 따라 고순도 티타늄 분말을 제조하기 곤란하다는 문제점이 있었다. 또한, 티타늄의 고반응 특성에 의해 티타늄 용탕과 접촉하는 도가니 및 노즐의 내측이 파손되고 티타늄 용탕이 오염되는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 흑연 도가니를 사용하는 방법이 제안되었으나, 이 또한 도가니로부터 다량의 탄소가 티타늄 용탕으로 유입되어 고순도의 티타늄 분말을 제조하기에는 어려움이 있었다.
또 다른 해결책으로 냉 도가니 용융법이나 비접촉식 도가니를 이용하는 방법이 제안되었으나, 이러한 방법들은 고비용이 요구되며 공정단계가 복잡하여 티타늄 분말의 양산성이 현저히 낮다는 문제점이 있었다. 따라서, 고순도의 티타늄 분말을 제조하기 위한 신규한 소재의 도가니 및 노즐에 관한 기술개발이 요구되는 실정이다.
관련하여 미국특허 제 2013-0247818호(발명의 명칭: Silica Crucible And Method For Fabricating The Same, 이하 종래기술 1이라고 한다.)는 실리카 도가니에 관한 기술에 관하여 개시하고 있으며, 보다 구체적으로는 내면 및 외면을 갖는 유리 실리카 본체로서, 유리 실리카 본체의 내면은 용융 물질 또는 분말 물질을 수용하기에 적합한 공동(cavity)을 형성하는 유리 실리카 본체 및 유리 실리카 본체의 내면에 형성된 제1 코팅층 및 외면에 형성된 제2 코팅층을 포함하며 제1 코팅층은 미리 정해진 온도에서 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 티타늄, 지르코늄, 라듐, 크로뮴, 셀레늄, 바륨, 이트륨, 세륨, 하프늄, 탄탈륨, 주석 또는 실리콘의 복합재(composite)를 열분해함으로써 형성되고, 제1 코팅층은 비균질 구조 물질로 구성되고, 유리 실리카 본체와 코팅층 간의 균질성 구조 물질 및 비균질 구조 물질에 의하여 경계면이 형성되며, 제2 코팅층은 크리스토발리트 결정질을 포함하고, 제2 코팅층은 실리카 도가니의 공동에 용융 물질 또는 분말 물질을 수용하기 이전에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리카 도가니에 관한 기술을 개시하고 있다.
US 2013-0247818
종래기술 1은 내구성 및 내화성이 우수한 실리카 도가니에 관한 기술을 개시하고 있으나, 실리카 도가니는 티타늄 용탕의 반응성을 충분히 억제하지 못하여 티타늄 용탕의 오염 및 산화 문제를 해소할 수 없다는 문제점이 있었다. 또한, 종래기술 1에서와 같이 상이한 소재를 포함하여 다층구조로 도가니를 제조하는 경우, 소재간의 열팽창 차이로 인하여 도가니에 미세 균열이 발생할 수 있다는 문제점도 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고순도의 티타늄 분말을 제조하기 위하여 티타늄 용탕과 반응성이 극히 낮은 소재를 이용한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐에 관한 기술을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 상기 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐을 사용하여 산소함량이 적은 고순도의 티타늄 분말을 제공하여 티타늄 소재의 품질 향상에 기여하는 것을 또 다른 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니에 관한 기술을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 용융 도가니는 1500 내지 2000℃의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 높고, 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 금속의 산화물을 포함하여 제조되고, 금속의 산화물에 의해 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소의 유입이 억제되어 고순도 티타늄 분말의 제조를 가능케 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 있어서, 금속의 산화물은 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물, 하프늄 산화물 및 칼슘 산화물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 혼합물 일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일실시예에 있어서, 용융 도가니는 상기 금속의 산화물로 이루어지는 단일층 구조물 일 수 있다.
또한, 상기 용융 도가니를 구비하는 가스분무장치로부터 제조되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.20 내지 0.25wt% 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 노즐에 관한 기술을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 노즐은 1500 내지 2000℃의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 높고, 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 금속의 산화물을 포함하여 제조되고, 금속의 산화물에 의해 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소의 유입이 억제되어 고순도 티타늄 분말의 제조를 가능케 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에서, 가스분무장치용 노즐에 포함되는 금속의 산화물은 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물 하프늄 산화물 및 칼슘 산화물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 혼합물 일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 일실시예에서 노즐은 상기 금속의 산화물을 포함하는 단일 구조물일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치에 관한 기술을 제공한다. 본 발명의 일실시예에서 가스분무장치는 티타늄 용탕을 형성하기 위한 용융 도가니 및 용융 도가니의 하부에 설치되며 티타늄 용탕을 출탕시키기 위한 노즐을 구비하고, 용융 도가니 및 노즐은 1500 내지 2000℃의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 높고, 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 금속의 산화물을 포함하여 제조되는 것 일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에서, 상기 용융 도가니 및 노즐을 동시에 구비하는 가스분무장치를 사용하여 제조되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.15 내지 0.18wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 티타늄 용탕과의 반응성이 극히 낮은 소재를 이용한 가스분무장치용 융용 도가니 및 노즐을 사용함으로써, 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소의 유입이 억제되어 산소 함량이 적은 고순도의 티타늄 분말을 제조할 수 있다는 제 1효과, 본 발명에 따른 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐을 이용하면 티타늄 분말 제조의 양산성을 저하시키지 않으면서도 고품질의 티타늄 분말을 제조할 수 있다는 제2효과를 갖는다.
종래기술에 따른 도가니 및 노즐은 용탕 제조 시 발생하는 열의 차폐를 위해 내화성이 높은 세라믹(실리카나 알루미나) 소재를 사용하는데, 실리카나 알루미나와 같은 소재의 금속성분은 티타늄보다 산화능이 낮기 때문에 실리카나 알루미나에 포함된 산소가 고온의 조건에서 티타늄 용탕으로 유입되면서 티타늄 용탕의 산소 농도를 증가시키는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명에 따른 용융 도가니 및 노즐은 내화성이 우수하면서도 티타늄 용탕 보다 산화능이 높은 금속의 산화물을 사용함으로써 산소 함량이 극히 적은 고순도의 티타늄 분말 제조를 가능케 할 수 있다.
또한, 알루미나 혹은 실리카를 이루는 금속성분은 티타늄과의 친화력이 높아 고온의 조건에서 티타늄 용탕과 반응함에 따라 상기 금속성분이 불순물로 혼입되고, 이에 의해 알루미나나 실리카에 포함되는 산소 또한 유입되면서 티타늄의 순도를 상당히 저하시키는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명은 티타늄과의 반응성이 낮은 소재를 사용함으로써 티타늄 용탕의 오염 문제를 해소함에 따라 고순도의 티타늄 분말을 제조할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 도가니 및 노즐은 금속분말 제조가 용이한 가스분무장치에 용이하게 적용되어 티타늄 분말 제조의 양산성은 저하시키지 않으면서도 티타늄 분말의 품질을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 도가니 및 노즐은 티타늄 용탕과의 반응성이 낮은 소재를 사용함으로써, 도가니 및 노즐의 수명이 향상되는 부수적인 효과도 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에서 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치의 작동과정을 설명하기 위한 단면 모식도이다.
도 2는 종래기술에 따른 도가니 소재인 알루미나와 철 산화물 및 니켈 산화물의 온도에 따른 ΔGo 값의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 3은 종래기술에 따른 도가니 소재인 알루미나와 티타늄 산화물의 온도에 따른 ΔGo 값의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4는 알루미나 및 다양한 금속산화물들의 온도에 따른 ΔGo 값의 관계를 보여주는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 금속 분말 제조를 위한 가스분무장치의 작동 상태를 나타내는 모식도이다. 이를 참조하면, 가스분무장치는 크게 티타늄 잉곳을 용융시켜 티타늄 용탕을 제조하기 위한 용해용 챔버(100) 및 제조된 용탕을 분말 형상으로 제조하기 위해 분사하는 분무용 챔버(200)가 구비된다. 또한, 용해용 챔버(100)는 티타늄 잉곳이 장입되어 용탕이 제조되는 용융 도가니(10), 티타늄 잉곳을 용해시키기 위한 고주파 유도 코일(20), 분무용 챔버(200)로 용탕을 출탕시켜 분사하기 위한 노즐(30)로 구성될 수 있다. 본 발명은 금속 분말을 제조하기 위하여 상기와 같은 가스분무장치를 이용할 시, 티타늄 용탕의 높은 반응성으로 인하여 용융 도가니 및 노즐을 구성하는 성분이 티타늄 용탕으로 유입되고 이에 의해 티타늄 용탕의 산소 농도가 증가하는 문제점을 해소하고자 안출된 것이다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 티타늄 분말 제조를 위한 가스분무장치용 용융 도가니 및 노즐에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명은 가스분무장치에 사용되는 용융 도가니에 관한 것이며, 보다 구체적으로 본 발명에 따른 용융 도가니는 1500 내지 2000℃의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 높고 티타늄 용탕과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 금속의 산화물을 포함하여 제조되는 것일 수 있으며, 이와 같은 특성을 가지는 금속의 산화물을 포함하여 제조되는 용융 도가니는 티타늄 용탕과의 반응성이 극히 낮기 때문에 용탕으로 불순물 및 산소의 유입을 억제하는 것을 특징으로 할 수 있다.
산소 함량이 적은 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위하여 티타늄 용탕이 제조되는 용융 도가니는 티타늄의 융점인 1700℃ 이상의 온도 바람직하게는 2000℃까지 견딜 수 있으면서도 티타늄 보다 산화능이 높은 소재를 사용하여 티타늄 용탕으로 산소가 유입되는 것을 방지할 수 있도록 제조되어야 한다. 본 발명은 티타늄 보다 산화능이 높은 소재를 선정하기 위하여 티타늄 산화물, 알루미나 및 각종 금속산화물들의 온도에 따른 표준 깁스 자유에너지 변화(ΔGo) 값을 분석하였으며, 이의 결과를 도 2 내지 도 4에 도시하였다.
도 2 내지 도 4는 산화물들의 온도에 따른 표준 깁스 자유에너지(ΔGo) 값의 관계를 보여주는 ellingham diagram이다. 이하, 도 2 내지 도 4에 나타낸 그래프를 참조하여 본 발명에 따른 용융 도가니 소재에 관하여 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이 종래기술에서 가장 널리 사용되고 있는 도가니 소재는 알루미나(Al2O3)이다. 도 2를 참조하면 알루미나는 1000 내지 2000℃의 온도 범위에서 철 산화물(Fe2O3) 및 니켈 산화물(NiO)과 비교했을 때, 표준 깁스 자유에너지 변화가 훨씬 더 큰 음의 값을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 표준 깁스 자유에너지 변화 값이 더 큰 음의 값을 가지는 것은 더욱 안정한 화합물을 형성함을 의미한다. 즉, 알루미나 소재의 도가니에서 철과 니켈은 산화물의 형성이 용이하지 않기 때문에 고순도의 철과 니켈 분말 제조가 가능할 수 있다.
도 3은 몇 가지 티타늄 산화물과 알루미나의 온도에 따른 표준 깁스 자유에너지 변화 값을 나타낸 것으로, 이를 참조하면 TiO(titanium monoxide)를 제외하고는 알루미나가 티타늄 산화물(TiO2, Ti3O5 및 Ti2O3) 보다 더 큰 음의 값을 가지고 있기는 하나, 그 차이가 철 산화물 및 니켈 산화물과 비교했을 때 훨씬 작은 것을 확인할 수 있다. 특히, TiO의 경우에는 1100℃를 넘는 온도에서는 알루미나보다 산화물의 형성이 유리한 것을 확인할 수 있다. 티타늄 용탕을 제조하기 위해서는 티타늄의 융점인 1700℃의 온도로 가열하는데, 이때 알루미나 보다 산화물 형성이 유리한 TiO가 형성되면서 티타늄 용탕의 산소 함량이 증가하여 고순도의 티타늄 분말을 제조하기 곤란할 수 있다.
도 4는 알루미나 및 다양한 금속산화물의 온도에 따른 표준 깁스 자유에너지 변화 값을 보여주는 그래프이다. 이를 참조하면, 마그네슘 산화물과 이트륨 산화물 및 지르코늄 산화물은 티타늄 산화물 보다 더 큰 음수 값을 가지는 것을 확인할 수 있고, 이를 이용하여 제조되는 도가니는 티타늄 용탕의 산화물 형성을 억제할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
본 발명은 상기와 같이 도출된 티타늄 산화물과 몇 가지 금속산화물의 표준 깁스 자유에너지 변화 값을 통하여 티타늄 분말 제조에 적합한 용융 도가니 소재를 선정하였다.
티타늄 분말 제조용 용융 도가니 소재를 선정하기 위하여 고려되어야 할 사항은 티타늄과 도가니 소재의 혼합 엔탈피(enthalpy of mixing, ΔHmix)이다. 티타늄과 도가니를 이루는 금속의 혼합 엔탈피가 양(+)의 값이면 두 물질이 혼합될 시 에너지가 증가되는 것을 의미하며, 이는 두 금속의 혼합이 용이하지 않은 것을 의미한다. 티타늄과 도가니를 이루는 금속의 혼합 엔탈피가 0인 경우에는, 티타늄과 도가니를 이루는 금속의 친화력이 동등하여 이 또한, 두 금속의 혼합이 용이하지 않은 것을 의미한다. 이와 달리, 티타늄과 도가니를 이루는 금속의 혼합 엔탈피가 음(-)의 값이면 두 금속이 혼합될 시, 에너지가 방출되는 것을 의미하며 이는 두 물질의 친화도가 높아 쉽게 혼합물을 형성하는 것을 의미한다. 즉, 1500℃ 이상의 고온의 온도로 가열할 시, 티타늄과 도가니 소재의 혼합 엔탈피가 더 큰 음의 값을 가질수록 도가니를 이루는 금속이 티타늄 용탕에 불순물로 유입될 가능성이 증가한다. 또한, 일반적으로 도가니에 적합한 내화성 소재는 산소를 다량 함유하는 금속의 산화물로 이루어지며, 도가니에 포함된 금속성분이 티타늄 용탕에 혼입되면서 남는 산소가 티타늄 용탕으로 더 유입됨으로써 불순물과 산소의 함량까지 증가하여 티타늄 분말이 순도가 현저히 저하되는 문제점을 유발할 수 있다.
따라서 본 발명은 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 금속의 산화물을 선정하기 위하여 티타늄과 다양한 금속 원소들의 혼합 엔탈피를 계산하였으며, 이를 표 1과 표 2에 나타내었다.
표 1은 티타늄과 종래기술에 따른 도가니 소재에 사용되는 알루미늄의 혼합 엔탈피를 나타낸 것이다.

원소
ΔHmix [kJ/mole]

Al
Ti
-30
상기 표 1을 참조하면, 종래기술에 따른 알루미나 소재의 도가니를 이루는 알루미늄은 티타늄과 음(-)의 혼합 엔탈피 관계를 가짐에 따라 알루미늄 및 산소가 용탕으로 유입되어 순도가 저하되는 문제점을 야기할 수 있음을 알 수 있다.
표 2는 상기 ellingham diagram 분석을 통해 선정된 지르코늄, 마그네슘 및 이트륨과 티타늄의 혼합 엔탈피를 분석한 결과이다.

원소
ΔHmix [kJ/mole]

Ti
Zr
0

Ti
Mg
16

Ti
Y
15
상기 표 2를 참조하면, 지르코늄은 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0이고, 마그네슘, 이트륨은 티타늄과 양(+)의 혼합 엔탈피 관계를 가짐에 따라 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물 및 이트륨 산화물을 사용하여 도가니를 제조하는 경우, 도가니로부터 티타늄 용탕으로 금속(지르코늄, 마그네슘, 이트륨)성분이 유입되거나 이에 의해 남는 산소와 티타늄 용탕이 반응하여 티타늄 용탕의 순도가 저하되는 문제점을 해소 할 수 있다.
본 발명은 ellingham diagram 분석 및 혼합 엔탈피 분석을 통하여 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니 소재로 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물 및 이트륨 산화물이 적합할 수 있음을 확인하였으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 용융 도가니는 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물뿐 만 아니라 하프늄 산화물 및 칼슘 산화물 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하여 제조될 수 있다. 이와 같은 화합물은 내화성이 우수하면서도 티타늄 용탕과 반응성이 현저히 작아 고순도의 티타늄 분말 제조를 가능하게 할 수 있고, 도가니의 내구성을 향상시킬 수 있다는 이점을 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 용융 도가니를 구비하는 가스분무장치를 사용하여 제조되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.20 내지 0.25wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따라 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물 및 이트륨 산화물 중에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물은 용융 도가니의 내측 표면에 코팅되어 제조될 수도 있다. 일반적으로 금속 용탕을 제조하기 위한 가열장치는 진공 유도 용융 방식을 사용하며, 이때 1000℃ 이상 더욱 바람직하게는 1500 내지 2000℃의 온도로 도가니가 가열되기 때문에 장치의 다른 부분으로 열이 확산되는 것을 방지하기 위하여 열차폐 특성이 우수한 소재로 도가니를 제조하여야 한다. 본 발명에 따른 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물 및 이트륨 산화물은 티타늄 용탕의 반응성을 제어할 뿐만 아니라 내화성이 우수한 특성을 가짐에 따라 이를 도가니의 내측 표면에만 적용할 경우에는 내화성이 다소 저하되는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 도가니를 제조할 때 내면과 외면의 소재를 달리하는 경우, 소재 간의 견고한 접착 특성을 부여하는 공정을 추가함에 따라 도가니 제조 공정이 복잡하고 공정 비용이 증가하는 문제점이 있을 수도 있으며, 내면과 외면에 포함되는 소재의 열전도율 차이로 도가니에 미세한 균열이 발생하는 문제점을 유발할 수도 있다. 따라서, 용융 도가니는 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물, 하프늄 산화물 및 칼슘 산화물 중에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 포함하는 단일 구조물로 제조되는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
또한, 본 발명은 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 노즐에 관한 기술을 제공하며, 본 발명의 일실시예에 있어서 노즐은 1500 내지 2000℃에서 티타늄보다 산화능이 높은 금속의 산화물을 포함하여 제조되고, 금속의 산화물은 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상이며, 상기 금속의 산화물에 의해 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소의 유입이 억제되어 고순도의 티타늄 분말이 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명의 노즐은 상기 용융 도가니와 동일한 목적을 가지고 동일한 소재로 제조됨에 따라 이에 관한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
다만, 본 발명의 일실시예에서 상기 노즐을 포함하는 가스분무장치로부터 제조되는 티타늄 분말의 산소 함량은 0.30 내지 0.34wt% 일 수 있는데, 이는 상대적으로 티타늄 용탕이 머무르는 시간과 접촉하는 면적이 용융 도가니 보다 노즐에서 더 작기 때문일 수 있다.
보다 고순도의 티타늄 분말을 제조하기 위하여 가스분무장치는 상기 용융 도가니 및 노즐을 모두 구비하는 것이 바람직할 수 있으며, 이러한 가스분무장치로부터 제조되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.15 내지 0.18wt% 인 것을 특징으로 할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 용융 도가니 및 노즐은 티타늄 용탕을 제조하기 위한 장치에 얼마든지 적용될 수 있으며, 이를 적용함으로써 티타늄 제품의 순도를 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명의 효과를 구체적으로 설명하기로 한다.
<용융 도가니 및 노즐의 제조>
하기 표 1에 기재된 금속산화물을 포함하는 용융 도가니 및 노즐을 제조하였다. 실시예는 용융 도가니 및/또는 노즐에 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물 및 이트륨 산화물 중에서 선택되는 금속산화물을 포함하며, 비교예는 용융 도가니 및 노즐 모두 알루미나(Al2O3)만을 포함하여 제조되었다.
<가스분무장치를 이용한 티타늄 분말의 제조>
상기 제조된 용융 도가니 및 노즐을 가스분무장치의 진공유도용해로 내에 장착한 뒤, 산소농도 0.14%의 grade 1 티타늄 잉곳 2kg을 1700℃의 온도로 설정된 용융 도가니에 장입하여 티타늄 용탕을 형성하였다. 다음으로, 티타늄 용탕을 용융 도가니 하부에 설치된 노즐을 통하여 출탕시켰다. 다음으로, 출탕된 용탕을 20bar의 아르곤 가스를 이용하여 초음속 제트노즐을 통해 분사하여 티타늄 액정을 형성시켰다. 다음으로, 티타늄 액적을 급속 냉각시킨 뒤, 수집부에서 티타늄 분말을 수집하였다.
<티타늄 분말의 산소함유량 분석>
본 발명에 따른 도가니 및 노즐을 사용하여 제조된 티타늄 분말과 종래기술에 따른 도가니 및 노즐을 사용하여 제조된 티타늄 분말의 순도를 비교하여 본 발명의 효과를 분석하기 위하여 산소 분석기(Leco 사)를 이용하여 제조된 티타늄 분말 내 산소함량을 분석하였으며, 이의 결과를 표 3에 나타내었다. 하기 표 3에 나타낸 순도는 표 4를 기준으로 결정되었다.

도가니 재질
노즐 재질
산소함유량 [wt%]
순도
실시예 1 ZrO2


Al2O3 		0.23 Grade 2
실시예 2 MgO 0.24 Grade 2
실시예 3 Y2O3 0.22 Grade 2
실시예 4 ZrO + MgO 0.23 Grade 2
실시예 5 ZrO2 + Y2O3 0.22 Grade 2
실시예 6 MgO + Y2O3 0.23 Grade 2
실시예 7


Al2O3 		ZrO2 0.3 Grade 3
실시예 8 MgO 0.31 Grade 3
실시예 9 Y2O3 0.29 Grade 3
실시예 10 ZrO + MgO 0.30 Grade 3
실시예 11 ZrO2 + Y2O3 0.28 Grade 3
실시예 12 MgO + Y2O3 0.29 Grade 3
실시예 13 ZrO2 ZrO2 0.16 Grade 1
실시예 14 MgO MgO 0.17 Grade 1
실시예 15 Y2O3 Y2O3 0.16 Grade 1
비교예 1 Al2O3 Al2O3 0.42 > Grade 4

O
N
C
H
Fe
Al
V
잔여물

Grade 1
0.18
0.03
0.08
0.015
0.2

0.4

Grade 2
0.25
0.03
0.08
0.015
0.3

0.4

Grade 3
0.35
0.05
0.08
0.015
0.3

0.4

Grade 4
0.40
0.05
0.08
0.015
0.5

0.4

Grade 5
0.20
0.05
0.08
0.015
0.4
5.5 - 6.75
3.5 - 4.5
0.4
상기 표 3을 참조하면, 알루미나(Al2O3)를 포함하는 종래기술에 따른 도가니 및 노즐을 이용하여 제조되는 티타늄 분말은 산소함량이 0.42wt%로 grade 4의 티타늄 분말이 제조되는 것을 확인할 수 있다. 반면에 본 발명에 따른 도가니 및/또는 노즐을 이용하여 제조되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.16 내지 0.31wt%로 종래기술에 따른 도가니 및 노즐을 사용하여 제조된 티타늄 분말 대비 순도가 우수한 것을 확인 할 수 있다. 특히, 티타늄 보다 산화능이 높은 지르코늄, 마그네슘, 이트륨의 산화물을 도가니와 노즐에 모두 적용하는 경우, 수득되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.16 내지 0.17wt%로 grade 1의 고순도 티타늄 분말이 제조될 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 표 3의 순도 분석 결과를 참조하면, 티타늄보다 산화능이 높은 금속의 산화물을 도가니에만 적용하는 경우, 노즐에만 적용하는 경우보다 높은 순도의 티타늄 분말을 수득할 수 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 노즐보다 도가니에서 티타늄 용탕의 머무름 시간이 길고, 접촉하는 면적 또한 넓기 때문인 것으로 판단할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 용해용 챔버
10: 용융 도가니
20: 고주파 유도 코일
30: 노즐
200: 분무용 챔버
50: 가스분사부
300: 분말 수집부

Claims (13)

  1. 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니에 있어서,
    상기 용융 도가니는 소정의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 크고 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 관계를 가지는 금속의 산화물을 포함하며,
    상기 금속의 산화물에 의해 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소의 유입이 억제되는 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속의 산화물을 이루는 금속은 1500 내지 2000℃에서 티타늄보다 산화능이 큰 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속의 산화물은 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물, 하프늄 산화물 및 칼슘 산화물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융 도가니는 상기 금속의 산화물로 이루어지는 단일층 구조물인 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 용융 도가니를 구비하는 가스분무장치로부터 제조되는 티타늄 분말의 산소함량은 0.20 내지 0.25wt%인 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 용융 도가니.
  6. 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 노즐에 있어서,
    상기 노즐은 소정의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 크고 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 관계를 가지는 금속의 산화물을 포함하며,
    상기 금속의 산화물에 의해 티타늄 용탕으로 불순물 및 산소의 유입이 억제되는 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 노즐.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속의 산화물을 이루는 금속은 1500 내지 2000℃에서 티타늄보다 산화능이 큰 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 노즐.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속의 산화물은 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물, 하프늄 산화물 및 칼슘 산화물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 노즐.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 노즐은 상기 금속의 산화물로 이루어지는 단일층 구조물인 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치용 노즐.
  10. 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치에 있어서,
    티타늄 용탕을 형성하기 위한 용융 도가니 및 상기 용융 도가니의 하부에 설치되며 상기 티타늄 용탕을 출탕시키기 위한 노즐을 구비하고,
    상기 용융 도가니 및 상기 노즐은 소정의 온도 범위에서 티타늄보다 산화능이 크고, 티타늄과의 혼합 엔탈피가 0 이상인 관계를 가지는 금속의 산화물을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 금속의 산화물은 지르코늄 산화물, 마그네슘 산화물, 이트륨 산화물, 하프늄 산화물 및 칼슘 산화물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 티타늄 분말을 제조하기 위한 가스분무장치.
  12. 청구항 10에 따른 가스분무장치를 사용하여 제조되는 티타늄 분말.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 티타늄 분말은 산소함량이 0.15 내지 0.18wt%인 것을 특징으로 하는 티타늄 분말.
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