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진공 아크 재용해 처리

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목차

1. 개요

진공 아크 재용해(VAR)는 합금을 재용해하여 불순물을 제거하고 균일한 구조를 얻는 데 사용되는 금속 제련 공정이다. 이 공정은 진공 상태에서 직류 전류를 사용하여 전극과 도가니 사이의 아크를 발생시켜 금속을 용해시킨다. VAR은 스테인리스강, 합금강, 티타늄, 니켈 초합금 등 다양한 재료에 적용되며, 항공우주, 원자력 산업 등 고품질의 재료가 요구되는 분야에서 널리 사용된다.

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진공 아크 재용해 처리
진공 아크 재용해 처리
개요
유형금속 정련 공정
설명진공 상태에서 전기 아크를 사용하여 금속을 재용해하고 정련하는 공정
상세 정보
사용 목적고품질 금속 잉곳 생산
적용 금속티타늄
지르코늄
니켈 기반 합금
특수강
공정 단계진공 챔버 내 전극 설치
아크 발생 및 금속 용해
용융 금속의 응고 및 정련
특징불순물 제거
균일한 화학 조성
개선된 금속 조직
장점고청정 금속 생산
제어된 응고 과정
다양한 합금 생산 가능
단점높은 에너지 소비
복잡한 공정 제어

2. 프로세스 설명

VAR를 거쳐야 하는 합금은 일반적으로 진공 유도 용융 (VIM) 또는 용강 (airmelt)에 의해 실린더 형태로 만들어진다.[5]

이 전극이라고 불리는 원통은 크고 원통형으로 밀폐된 도가니에 넣고 금속학적 진공 상태(0.133~13.3 Pa)로 만든다. 도가니 바닥에는 재용해할 합금 소량이 있으며, 용해를 시작하기 전에 상단 전극을 가까이 가져간다. 몇 킬로암페어의 DC 전류를 사용하여 두 조각 사이에 아크를 생성하여 연속적인 용해를 유도한다. 도가니(일반적으로 구리로 제작)는 용융물을 냉각하고 응고 속도를 제어하기 위해 수냉 자켓으로 둘러싸여 있다. 전극과 도가니 벽 사이의 아크 방전을 방지하기 위해 도가니의 직경은 전극보다 크다. 결과적으로 전극은 용융물이 소모됨에 따라 내려야 한다. 전류, 냉각수 및 전극 간격 제어는 공정의 효과적인 제어 및 결함 없는 재료 생산에 필수적이다.[5]

이상적으로는 용융 속도가 공정 주기 동안 일정하게 유지되지만, 진공 아크 재용해 공정의 모니터링 및 제어는 간단하지 않다. 이는 액체 금속 내부의 전도, 복사, 대류와 로렌츠 힘에 의해 발생하는 이류를 포함하는 복잡한 열 전달이 발생하기 때문이다. 풀 형상 및 용융 속도 측면에서 용융 공정의 일관성을 보장하는 것이 합금의 최상의 특성을 보장하는 데 중요하다.[5]

2. 1. VAR 공정의 장점

VAR 공정을 거칠 합금은 일반적으로 진공 유도 용해(VIM) 또는 래들 정련(공기 용해)을 통해 원통형으로 성형된다.[5] 이 전극이라고 불리는 원통은 크고 원통형으로 밀폐된 도가니에 넣고 금속학적 진공 상태(0.133~13.3 Pa)로 만든다. 도가니 바닥에는 재용해할 합금 소량이 있으며, 용해를 시작하기 전에 상단 전극을 가까이 가져간다. 몇 킬로암페어의 DC 전류를 사용하여 두 조각 사이에 아크를 생성하여 연속적인 용해를 유도한다. 도가니(일반적으로 구리로 제작)는 용융물을 냉각하고 응고 속도를 제어하기 위해 수냉 자켓으로 둘러싸여 있다. 전극과 도가니 벽 사이의 아크 방전을 방지하기 위해 도가니의 직경은 전극보다 크다. 결과적으로 전극은 용융물이 소모됨에 따라 내려야 한다. 전류, 냉각수 및 전극 간격 제어는 공정의 효과적인 제어 및 결함 없는 재료 생산에 필수적이다.[5]

이상적으로는 용융 속도가 공정 주기 동안 일정하게 유지되지만, 진공 아크 재용해 공정의 모니터링 및 제어는 간단하지 않다. 이는 액체 금속 내부의 전도, 복사, 대류와 로렌츠 힘에 의해 발생하는 이류를 포함하는 복잡한 열 전달이 발생하기 때문이다. 풀 형상 및 용융 속도 측면에서 용융 공정의 일관성을 보장하는 것이 합금의 최상의 특성을 보장하는 데 중요하다.[5]

2. 2. VAR 공정 제어

VAR 공정을 거칠 합금은 일반적으로 진공 유도 용해(VIM) 또는 래들 정련(공기 용해)을 통해 원통형으로 성형된다. 이 전극이라고 불리는 원통은 크고 원통형으로 밀폐된 도가니에 넣고 금속학적 진공 상태(0.133~13.3 Pa)로 만든다.[5] 도가니 바닥에는 재용해할 합금 소량이 있으며, 용해를 시작하기 전에 상단 전극을 가까이 가져간다. 몇 킬로암페어의 DC 전류를 사용하여 두 조각 사이에 아크를 생성하여 연속적인 용해를 유도한다. 도가니(일반적으로 구리로 제작)는 용융물을 냉각하고 응고 속도를 제어하기 위해 수냉 자켓으로 둘러싸여 있다. 전극과 도가니 벽 사이의 아크 방전을 방지하기 위해 도가니의 직경은 전극보다 크다. 결과적으로 전극은 용융물이 소모됨에 따라 내려야 한다. 전류, 냉각수 및 전극 간격 제어는 공정의 효과적인 제어 및 결함 없는 재료 생산에 필수적이다.

용융 속도는 공정 주기 동안 일정하게 유지되는 것이 이상적이지만, 진공 아크 재용해 공정의 모니터링 및 제어는 간단하지 않다.[5] 이는 액체 금속 내부의 전도, 복사, 대류와 로렌츠 힘에 의해 발생하는 이류를 포함하는 복잡한 열 전달이 발생하기 때문이다. 풀 형상 및 용융 속도 측면에서 용융 공정의 일관성을 보장하는 것이 합금의 최상의 특성을 보장하는 데 중요하다.

3. 재료 및 응용 분야

진공 아크 재용해 공정(VAR)은 매우 다양한 재료에 사용되며, 특정 응용 분야에서는 거의 항상 VAR 처리된 재료를 사용한다. VAR 처리될 수 있는 재료는 다음과 같다.


  • 스테인리스강
  • * 15-5
  • * 13-8
  • * 17-4
  • * 304
  • * 316
  • 합금강
  • * 9310
  • * 4340 & 4330+V
  • * 300M
  • * AF1410
  • * Aermet 100
  • * M50
  • * BG42
  • * Nitralloy
  • * 16NCD13
  • * 35NCD16
  • * HY-100
  • * HY-180
  • * HY-TUF
  • * D6AC
  • * 마레이징강
  • * UT-18
  • * HP 9-4-30
  • 티타늄
  • * Ti-6Al-4V
  • * Ti-10V-2Al-3Fe
  • * Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr
  • 인바
  • 니티놀
  • 니켈 초합금
  • * 인코넬 합금
  • * 하스텔로이 합금
  • * 르네 합금
  • * RR1000
  • 지르코늄
  • 니오브
  • 백금
  • 탄탈
  • 로듐


순수 티타늄과 대부분의 티타늄 합금은 이중 또는 삼중 VAR 공정을 거친다. 항공우주 분야에 사용되는 니켈 기반 초합금은 일반적으로 VAR 공정을 거친다. 원자력 산업에 사용되는 지르코늄 및 니오브 합금은 일반적으로 VAR 공정을 거친다. 순수 백금, 탄탈, 로듐도 VAR 공정을 거칠 수 있다.

3. 1. VAR 처리 가능 재료

진공 아크 재용해 공정(VAR)은 매우 다양한 재료에 사용되며, 특정 응용 분야에서는 거의 항상 VAR 처리된 재료를 사용한다. VAR 처리될 수 있는 재료는 다음과 같다.

  • 스테인리스강
  • * 15-5
  • * 13-8
  • * 17-4
  • * 304
  • * 316
  • 합금강
  • * 9310
  • * 4340 & 4330+V
  • * 300M
  • * AF1410
  • * Aermet 100
  • * M50
  • * BG42
  • * Nitralloy
  • * 16NCD13
  • * 35NCD16
  • * HY-100
  • * HY-180
  • * HY-TUF
  • * D6AC
  • * 마레이징강
  • * UT-18
  • * HP 9-4-30
  • 티타늄
  • * Ti-6Al-4V
  • * Ti-10V-2Al-3Fe
  • * Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr
  • 인바
  • 니티놀
  • 니켈 초합금
  • * 인코넬 합금
  • * 하스텔로이 합금
  • * 르네 합금
  • * RR1000
  • 지르코늄
  • 니오브
  • 백금
  • 탄탈
  • 로듐


순수 티타늄과 대부분의 티타늄 합금은 이중 또는 삼중 VAR 공정을 거친다. 항공우주 분야에 사용되는 니켈 기반 초합금은 일반적으로 VAR 공정을 거친다. 원자력 산업에 사용되는 지르코늄 및 니오브 합금은 일반적으로 VAR 공정을 거친다. 순수 백금, 탄탈, 로듐도 VAR 공정을 거칠 수 있다.

3. 2. 주요 응용 분야

진공 아크 재용해(VAR) 공정은 매우 다양한 재료에 사용되며, 특정 응용 분야에서는 거의 항상 VAR 처리된 재료를 사용한다. VAR 처리될 수 있는 재료는 다음과 같다.

  • 스테인리스강: 15-5, 13-8, 17-4, 304, 316
  • 합금강: 9310, 4340 & 4330+V, 300M, AF1410, Aermet 100, M50, BG42, Nitralloy, 16NCD13, 35NCD16, HY-100, HY-180, HY-TUF, D6AC, 마레이징강, UT-18, HP 9-4-30
  • 티타늄: Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Al-3Fe, Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr
  • 인바
  • 니티놀
  • 니켈 초합금: 인코넬 합금, 하스텔로이 합금, 르네 합금, RR1000
  • 지르코늄
  • 니오브
  • 백금
  • 탄탈
  • 로듐


순수 티타늄과 대부분의 티타늄 합금은 이중 또는 삼중 VAR 공정을 거친다. 항공우주 분야에 사용되는 니켈 기반 초합금은 일반적으로 VAR 공정을 거친다. 원자력 산업에 사용되는 지르코늄 및 니오브 합금은 일반적으로 VAR 공정을 거친다. 순수 백금, 탄탈, 로듐도 VAR 공정을 거칠 수 있다.

4. 한국의 VAR 기술 현황

참조

[1] 서적 Modeling for Casting & Solidification Processing CRC 2001-10-15
[2] 서적 Casting 2008
[3] 서적 Modeling macrosegregation during vacuum arc remelting of Ti-10V-2Fe-3Al alloy
[4] 서적 Titanium: Past, Present, and Future http://books.nap.edu[...] 1983
[5] 문서 2007


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