칼슘에 의한 용융 타이타늄의 탈산에 관한 연구

Abstract

타이타늄은 지각을 구성하는 금속 원소 중 4번째로 많은 비율을 차지하고 있지만 지각 중에서 산화물 상태로 존재하는 원광석으로부터 금속 타이타늄을 제련하는 공정은 고도의 기술과 많은 에너지가 소모되어 철이나 알루미늄에 비해 높은 가격을 형성하고 있다. 높은 가격에도 불구하고 철이나 알루미늄 등의 다른 금속에 비하여 타이타늄은 비강도가 높고 내식성이 우수하며 가벼운 특성을 지니고 있어 항공, 우주, 해양 등 각종 산업분야에서 각광 받고 있으며 이용 가치가 매우 큰 금속이다. 그러나 타이타늄은 높은 용융점(1660℃)과 화학적 활성으로 인하여 고온에서 산소와의 강한 친화성을 지니고 있으며 이는 타이타늄의 연성을 현저히 저하 시키게 된다. 타이타늄 내에 산소량이 많아짐에 따라 경도가 증가하게 되고 그에 따라 취성이 증가하여 연성과 피로 저항이 감소되는 문제가 발생한다. 연성의 향상을 위해 타이타늄 내의 산소를 제거 하는 것이 타이타늄 정련에서 중요한 부분을 차지하지만 타이타늄과 산소의 높은 친화력으로 인해 산소 제거에 어려움을 가지고 있다. 본 연구에서는 용융 타이타늄 내에서 일어날 수 있는 반응에 대한 열역학적인 가능성을 검토하고 Factsage 프로그램을 사용하여 칼슘, 탄소, 질소, 수소 등의 원소와 타이타늄 내 산소와의 반응 관계를 Gibbs free energy 값으로 비교를 하였다. 산소 친화력이 높은 칼슘을 통해 타이타늄 내에 산소를 줄여주는 실험을 진행하고 칼슘 이외에 환원반응을 일으키는 원자들을 비교 고찰하였다. 실험은 타이타늄 스크랩을 전자기 유도 용해시킨 후 용융 상태의 타이타늄 용탕에 용융 질량의 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1wt%의 칼슘을 장입하여 칼슘 장입에 따른 타이타늄 내 산소 정련 효과를 확인하였다. 칼슘 장입량 별로 타이타늄 샘플의 내부 불순물 농도 값을 가스분석, ICP 분석한 결과, 칼슘 장입을 통해 타이타늄 내 산소가 상용화 수준으로 감소하는 것을 확인 할 수 있었고 칼슘 이외에 타이타늄 스크랩 내에 잔류하는 탄소와 수소에 의해 산소 정련 반응이 일어났다. 또한 타이타늄 내부에 칼슘이 고용되지 않고 대부분 증발하거나 일부 타이타늄 표면에 응집되어 화합물을 형성하는 것을 확인 할 수 있었다.