Desulfurization Behavior of Incoloy® 825 Ni superalloys by CaO-Al2O3-MgO-TiO2 Slags

Abstract

Ni-based superalloy, which has excellent high-temperature strength and corrosion resistance, is mainly used in aviation materials, high-performance internal combustion engines, and turbines for thermal and nuclear power generation. For this reason, refining the impurities in Ni-based superalloys is a very important technical task. Nevertheless, the original technology for the melting and refining of Ni-based superalloys is still insufficient. Therefore, in this study, the effect of the CaO-Al2O3-MgO-TiO2 slag on the removal efficiency of an impurity element sulfur in Incoloy® 825 superalloy, one of the representative Ni-based superalloys, was investigated. The desulfurization behavior according to the change of TiO2 content and CaO/Al2O3 (= C/A, basicity) ratio as experimental variables was observed at 1773 K (1500 oC). Although the TiO2 content in the slag increases to 15 mass pct, the mass transfer coefficient of sulfur in molten alloy showed a constant value. Alternatively, under the condition of C/A > 1.0 of slag, the mass transfer coefficient of sulfur showed a constant value, whereas under the condition of C/A < 1.0, the mass transfer coefficient of sulfur greatly decreased as CaO decreased. Hence, in the desulfurization of Incoloy® 825 superalloy using the CaO-Al2O3-MgO-TiO2 slag, the TiO2 content in the slag does not have a considerable effect on the desulfurization rate and desulfurization mechanism (metal phase mass transfer controlled regime), but the basicity of the slag has a significant effect on desulfurization mechanism. When the slag basicity decreases below the critical level, i.e., C/A < 1.0, which is corresponding to sulfur distribution ratio, L_s < 200, it was confirmed that the desulfurization mechanism shifts from the metal phase mass transfer controlled regime to the slag phase mass transfer controlled regime due to the variation in the physicochemical properties of the slag such as viscosity and sulfide capacity. In addition, the different desulfurization rates between steel and Ni alloy melts were discussed by employing the diffusivity of sulfur in both systems. |우수한 고온강도와 내식성을 가진 Ni계 초합금(Ni-base superalloy)은 주로 항공재료 혹은 고성능 내연기관, 화력 및 원자력 발전용 터빈 등에 사용되고 있으며, 이러한 용도로 인하여 Ni계 초합금에서의 불순물 정련은 매우 중요한 기술적 과제이다. 주로 Ni-계 초합금의 정련 기 술에 관해서는 ESR (Electro-Slag Remelting), VAR (Vacuum Arc Remelting), VIM (Vacuum Induction Melting) 등 특수용해·정련 공정에 관한 이전의 연구들이 보고된 바 있으나, 이러한 특수용해· 정련 공정은 고순도의 제품 제조에는 유리한 반면 고가의 공정 비용이 수반된다. 따라서, 본 연구에서는 공정비용 절감을 위한 래들정련 기술의 적용 가능성을 검토하고자, 대표적인 Ni-계 초합금 중 하나인 Incoloy® 825 합금 내의 불순원소인 S 정련 효율에 미치는 CaO-Al2O3-MgOTiO2 슬래그의 영향을 규명하고자 하였다. 이 때 실험 변수로 TiO2 함량과 CaO/Al2O3(=C/A) 비가 변화함에 따른 탈황 거동을 1500oC에서 유도로와 관상로를 통해 관찰하였다. 슬래그 내의 TiO2 함량이 0-15%까지 변화함에도 불구하고 용강 중 S의 물질전달계수 는 일정한 수치를 보였다. 한편, 슬래그의 C/A>0.9 조건에서는 S의 물질전달계수가 일정한 값 을 보인 반면, C/A<0.9 조건에서는 CaO 감소에 따라 S의 물질전달계수가 크게 감소함을 확인하 였다. 결론적으로, CaO-Al2O3-MgO-TiO2 계 슬래그를 이용한 Incoloy® 825 합금의 탈황 조건에서 슬래그 중 TiO2 함량은 탈황 속도와 탈황 메커니즘에 (metal phase mass transfer controlled) 큰 영 향을 미치지 않으나, 슬래그의 염기도가 임계 수준 이하로 감소할 경우 슬래그의 물리화학적 특성 변화로 인해 탈황 메커니즘은 슬래그측 물질이동으로 (slag phase mass transfer controlled) 천 이 되는 것으로 확인되었다. 한편, Incoloy® 825 합금 melt에서 S의 물질이동계수는 log 𝑘𝑚 = −4.3이고 동일 온도의 steel melt에서 S의 물질이동계수는 log 𝑘𝑚 = −3.7으로 약 1/5 낮은 것으로 관찰되었다. 이는 Ni melt와 Fe melt에서 S의 확산 계수는 1550 oC에서 각각 𝐷𝑆 𝑁𝑖 = 7.63 × 10−11 𝑚2 ∙ 𝑠 −1 , 𝐷𝑆 𝐹𝑒 = 4.5 × 10−9 𝑚2 ∙ 𝑠 −1로 약 60배 차이가 있다고 알려져 있는데, Incoloy® 825 합금 melt와 본 연구 그룹에서 연구한 steel melt 내 S의 물질전달계수의 차이는 각각의 melt에 서 S의 확산 계수 차이에 기인하는 것으로 평가되었다