KR930001133B1 - 붕소의 합금방법과 그 방법에 의해 산출된 붕소합금 - Google Patents

Abstract

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Description

붕소의 합금방법과 그 방법에 의해 산출된 붕소합금

본 발명의 방법의 종료후, 철 용융물중 B%와 슬랙중 B₂O₃%를 비교한 그라프.

본 발명은 붕소 함량이 0.001 내지 15중량%인 붕소합금의 제조 방법 및 본 방법에 의해 산출된 붕소합금에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방법은 상기에 한정하지 않고, 금속 용융물 내 붕소 화합물을 현장 환원시킴으로써 결정형 및 무정형의 붕소합금을 제조하는데 있어 특히 효과가 있다.

붕소는 중금속으로서 금속 및 비금속의 양쪽 성질을 나타내기 때문에 합금 조성물중에 붕소를 함유시키면 합금도 또한 금속 및 (또는)비금속의 성질을 갖도록 처리할 수 있다.

철-붕소 합금 용융물은 경화시 철의 결정형 구조를 유지하며, 합금중에 사용된 붕소는 강도, 경화성, 인성, 연신성, 열적 안정성 및 에나멜성을 증가시킨다. 결정형 붕소 합금은 와이어 또는 공구를 제조하는데 사용되고 있다.

1.4중량% 이상의 붕소를 함유하는 철-붕소 합금은 또한 다시 처리하여 고상의 무정형 구조로 형성시킬 수 있다. 이들 무정형 철-붕소 합금은 전기 분야의 용도용으로 사용되는 종래의 규소 강에 비하여 보다 낮은 철심손(core loss)을 갖는다는 사실이 발견되었기 때문에, 전기 분야의 용도로서의 무정형 합금의 사용이 연구대상으로 되고 있다. 이를테면, 철, 규소, 붕소 및 탄소를 함유하는 무정형의 철-붕소 합금은 변압기 또는 고주파 전환심의 제조용으로 이용될 수 있다.

어떤 비철합금은 더 처리되어, 붕소의 함량에 관계없이 무정형 물질을 형성할 수가 있기 때문에, 철-붕소 합금과 비철-붕소 합금간에는 어떠한 중요한 비교가 행해질 수 없다.

결정형 비철-붕소 합금, 이를테면 붕소, 망간, 크롬, 닉켈 및 코발트를 함유하는 합금은 시계 케이스 및 시계 끈의 다이 캐스팅에 사용할 수 있다.

또 비철-붕소 합금, 이를테면 닉켈-기재 알루미늄 합금은 더 처리되여 무정형 물질을 형성하여 면도날 또는 자동차 타이어용 금속 벨트의 제조에 사용할 수 있다.

붕소는 여러가지 형태, 이를테면 산화붕소, 붕산, 사붕산나트륨(붕산), 메타붕산칼슘, 휘붕광, 라쏘라이트, 울렉사이트, 프로버타이트, 언더라이트, 커어나이트, 쿠르나코바이트 및 싸쏘라이트로 존재한다. 이들 불순 화합물은 광가공 회사들에 의해 거의 순수한 붕소로 가공 처리된다. 산화붕소는 특수한 환원 방법들에 의해 전형적으로 18% 붕소를 함유하는 철-붕소 합금으로 전환된다. 가공된 철-붕소 합금은 하기의 특허들에 기재된 바와 같시 철용융물용 첨가제로서 주물공장 및 강가공공장에 판매된다.

미합중국 특허 제1,562,042호에는 강을 용융시키기 위해 후-첨가시키는 상용 철-붕소 첨가제에 대하여 기재되어 있다. 이 첨가제는 약 18%의 붕소와 다량의 철 및 소량의 알루미늄인 잔여 성분을 함유한다. 이 첨가제는 단광(團鑛)내에 산화붕소, 알루미늠 및 산화철을 혼합시키고, 알루미나-열반응이 일어날 수 있을 정도로 단광을 작열시켜 철-붕소 첨가제를 형성시킴으로써 제조된다. 이 첨가제는 붕소 중량%의 약 3/4이하가 최종 강과 합금될 정도의 양으로 용융강을 보충시켜 주기 위한 용도로서 각종의 강 제분소 또는 주물공장으로 이송된다.

또 미합중국 특허 제2,616,797호는 강도와 경화성을 증가시키기 위해 용융강에 후-첨가시키는 1.5 내지 2.8중량%의 붕소를 함유하는 철-붕소 합금 첨가제를 생성하는 테르밋 반응을 사용하고 있다. 이 합금 첨가제는, 강과 혼합시, 약 0.01 내지 0.03중량%의 붕소를 함유한다.

전술한 미합중국 특허 제1,562,042호 및 제2,616,797호에는 결정형 철-붕소 합금의 제조에 사용되는 첨가제에 대하여 기재되어 있으나, 미합중국 특허 제1,562,0 42호에 기재된 첨가제는 단광형태의 첨가제가 16 중량%의 붕소를 함유하기 때문에 무정형의 철-붕소 합금을 제조하는데 사용할 수가 있다.

하기 미합중국 특허들에는 1.4중량% 이상의 붕소를 함유하는 철-붕소 합금을 무정형의 합금으로 전환시키는 방법에 대하여 기재되어 있다.

미합중국 특허 제4,133,679호 및 제4,255,189호에는 몰리브덴 또는 텅스텐을 포함하여 6 내지 15원자%의 붕소를 함유하며 철, 닉켈, 코발트 또는 망간중 적어도 하나의 잔여성분을 함유하는 전형적인 무정형 붕소 합금 조성물에 대하여 기재되어 있다. 이들 원소들은 함께 용융된 다음 5psi 압력하의 아르곤 가스를 적용 시킴으로써 용융분사로서 짜내진다. 이 용융 분사는 회전하는 표면상에 부딪쳐서 리본모양을 형성하는 바, 리본모양은 추출되어진 다음 다시 처리된다.

하기 특허들에 기재된 바와 같이 광범위한 목적을 위한 철 용융물내 붕소의 사용이 기술되어 있다.

영국 특허 제1,450,385호 및 미합중국 특허 제3,809,547호에는 철용융물내에 슬랙용 용융제로서 도입되는 붕소 화합물의 사용이 기재되어 있다. 전술한 특허들에는 붕소를 철과 합금시키기 위해 붕소 화합물들로부터 붕소를 회수하는 조작에 대해서는 기재되어 있지 않다.

미합중국 특허 제1,027,620호 및 제1,537,997호에는 철용융물내에서 발견되는 인, 황 및 질소 원소들을 붕소와 화학적으로 반응시키고 주입시키기 전에 제거되는 슬랙을 형성시키므로써 인, 황 및 질소를 제거하기 위한 용융 철에의 붕소 화합물의 첨가에 대해 기재되어 있다. 그러나, 이들 특허에는 철과 합금될 수 있도록 붕소 화합물로부터 붕소를 회수하는 조작에 대해서는 기재되어 있지는 않으나, 붕소를 화학적으로 반응시켜 용융철로부터 분리시키는 슬랙을 형성시키는 것에 대해서는 기재되어 있다. 그리고 미합중국 특허 제1,537,997호에는 용융물내의 질소 함량을 0.0015% 미만으로 감소시키는 것이 기재되어 있다.

동독 특허 제148,963호에는 붕소 총함량이 30 내지 160ppm이 얻어지도록 노 또는 래들내의 용융강에의 산화 붕소 첨가에 대해 기재되어 있다. 붕소의 첨가는 칩브레이커로서 작용하며, 강의 절삭성이 증가된다.

강에 단지 소량의 붕소가 함유되어 있어, 붕소 화합물로부터 붕소가 거의 회수되지 않는다는 사실은 명백하다.

전술한 특허들에는 붕소 합금을 생성시키기 위해 강내의 환원제로 붕소 화합물을 환원시키는 조작에 대해서는 기재되어 있지 않다.

스테인레스강의 제조에 산화 붕소가 사용되지는 않으나, 아르곤-산소 반응기( AOR) 또는 아르곤-산소 탈탄(AOD)에 의한 스테인레스강의 제조법에서는 크롬 산화물, 철산화물 또는 망간 산화물을 강용융물로 다시 환원시키기 위해 환원제를 사용한다. 이것은 종래의 스테인레스강의 전기로 제작법에 비해, 크롬, 철 또는 망간의 개선된 회수법이다. 이하 종래의 AOR법에 대해 기재한다.

제이.엠.싸코만도(J.M.Saccomano)일동에 의해 금속 정기 간행물에 공개된“죠스린 (Joslyn)의 아르곤-산소 반응기 내에서의 스테인레스강의 제작”(1969년 2월 발행, p 59-64)에는 용융물내에 아르곤-산소 가스를 도입시켜 용융물을 탈탄화시킴으로써 크롬을 함유하는 철용융물의 제련법이 기재되어 있다.

스테인레스강의 AOR제작법에 있어서는, 탈탄조작중 산화물로서 통상 용융물의 약 1 내지 2중량%가 슬랙으로 손실되는 바, 이들 산화물로부터 크롬, 철 및 망간원소들의 회수에는 석회, 규소 및 경우에 따라서는 알루미늄을 사용하면 아주 효과적이다. 스테인레스강을 제작하는데 금속 원소들을 함유하는 고철 및 철-합금등은 산화물을 사용하고 환원제를 첨가시키는 방법에 비하면 이들 원소들에 대해 비용이 많이드는 사실상의 근원이 된다. 그러나, 철-붕소의 경우에, AOR형 반응조내에서 강환원제를 사용하여 붕소 화합물을 환원시키면 경제적으로 유리하다. 이론적으로 산화붕소로부저 붕소 1파운드를 환원시키는데 규소 1.95 파운드 또는 알루미늄 2.5파운드를 필요로 한다. 혼합 반응 용기내에서 환원제로서 규소를 사용하는 붕소 산화물의 환원은 산화 붕소가 보다 안정한 산화물(크롬 산화물 보다 안정하며, 규소 산화물과 안정성이 거의 동일함)이기 때문에 즉각적으로 분명하지는 않다.

또한 산화붕소를 강의 통상제작 온도하에 슬랙에 첨가시킬때는 내화 부식이 문제가 된다. 용융물의 첨가제로서 철-붕소의 채용이 당 공업분야의 관례로 되어 왔다.

따라서, 다른 금속들과 합금이 가능한 붕소를 회수하기 위해 값싼 붕소 화합물을 환원시키는 방법이 요망되어 왔다.

본 발명은 중간 단광법 및 다른 종래의 모든 방법들을 대체할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에는 비교적 불순한 형태의 붕소를 사용하여 제련로 또는 혼합 반응용기내에 함유되어 있는 금속 용융물중에 직업 첨가시킨다. 용융물이 충분한 양의 강환원제 또는 탈산제(Si,Al,C,알카리토금속, 제4B족 금속,희토류금속 및 미시메탈)를 함유하고, 용융물과 슬랙의 충분한 혼합이 행해지는 경우. 붕소 화합물은 현장 환원된다. 붕소는 용융물과 합금을 형성한다. 붕소 화합물로서는, 이를테면 삼산화붕소, 붕산, 붕사, 메타붕산칼슘, 휘붕광, 라쏘라이트, 울렉사이트, 인더라이트, 커어나이트, 쿠르나코바이트, 프로버타이트, 싸쏘라이트 및 보다 덜 알려진 형태의 붕산염 또는 붕소화합물중 적어도 하나를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 붕소 합금에는 경화성 또는 전술한 기타의 특성을 얻는데 비교적 소량의 붕소를 함유시킬수 있거나, 다시 처리하여 전형적인 공지의 제품, 이를테면 유리형 또는 무정형의 금속 합금을 제조할 경우에는 전술한 양 보다 붕소의 함량을 증가시켜 함유시킬 수도 있다. 본 명세서에 사용하는 유리형 또는 무정형이라는 용어는 성분 원자들이 불규칙적으로 배열, 즉 장범위 규칙을 이루는 물질의 상태를 의미한다. 전술한 유리형 또는 무정형의 합금 물질은 X-선 영역내의 전자기 복사시에 확산 회절 피이크를 생성하며 이와는 반대로 보다 낮은 붕소 함량과 보다 느린 경화 속도를 갖는, 성분 원자들이 규칙적으로 배열된 강과 같은 결정형 물질은 샤아프한 X-선 회절 피이크를 생성한다.

전자기용의 무정형 철-붕소 합금에는 붕소 약 5중량%이하(바람직하게는, 약 2 .5 내지 4.6중량%), 규소 7.0중량%이하 및 탄소 약 0.5중량% 이하가 함유되고 나머지는 근본적으로 철인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 합금에는 붕소 약 3.0중량%, 규소 약 5.0중량%, 탄소 약 0.1중량%와, 잔류성분으로서 철이 함유되는 것이 이상적이다.

무정형 비철-붕소 합금, 이를테면 닉켈, 코발트, 규소, 게르마늄 또는 구리-기재 합금들은 본 발명의 방법에 의해 제조할 수 있다. 면도날, 반도체 또는 타이어내의 금속 코오드용에 사용할 수 있는 무정형 비철-붕소 합금은 닉켈 약 60 내지 70원자 %, 붕소 약 20 내지 30원자% 및 알루미늄 5 내지 20원자%를 함유한다.

본 발명의 가장 넓은 범위에 의하면, 붕소 화합물을 환원시킬 수 있는 금속 용융물에 환원제를 첨가시키고 ; 상기 용융물에 상피 붕소화합물을 첨가시킨 다음 ; 실질적인 평형이 성취되어 유지되고 전술한 붕소 화합물이 환원되며, 또 전술한 용융물과 그 내에서 붕소 합금이 형성될 수 있도록 상기 용융물, 상기 환원제및 상기 붕소 화합물을 격렬하게 혼합시킴을 특징으로 하는, 금속 용융물의 제공을 포함하여, 금속 용융물내에서 붕소 화합물로부터 붕소를 현장 환원시키고, 붕소와 용융물을 합금시키는 방법이 제공된다.

용융물에 첨가하는 붕소 화합물의 양은 용융물내의 붕소의 최종 바람직한 %에 따라 좌우되는 바, 본 발명에 따르면 붕소 화합물로부터 붕소의 회수량은 화합물내의 붕소 함량에 대하여 40중량% 이상이다.

본 발명의 방법은 반응 혼합용기와 함께 사용하는 유도 전기로, 전기로 또는 염기성 산소로 등과 같은 전형적인 제련 설비를 사용하여 실시되도록 고안 되었으며, 또는 본 발명의 방법은 노자체 내에서 실시된다.

붕소는, 약 0.001 내지 15중량%의 붕소를 함유하는 합금을 제조하기 위해 강에 첨가시키는 공통 원소이다. 0.001중량% 만큼의 작은 양의 붕소는 강의 경화성을 크게 증가시키셔 공구강이나 케이블 또는 담장용의 극히 강한 와이어에 바람직하도록 만든다. 무정형 철-붕소 합금은 약 1.4 내지 15중량%의 붕소를 함유하며, 이를테면 변압기에 사용되는 전기규소강에 적합한 대용 물질로서의 유용성을 지닌다. 무정형 비철-붕소 합금은 반도체, 자기 헤드용 코어, 경납땜 물질 또는 면도날 등의 제조에 사용할 수가 있다.

본 발명의 방법은 강 제분소 또는 주물공장에서 통상 발견할 수 있는 기존 설비, 이를테면 염기성 산소로, 유도 전기로 또는 전기로, AOR 및 종전래들을 사용하여 수행할 수가 있다.

일반적으로 용융물은 염기성 산소로, 유도 전기로, 전기로 등에서 만들어진다. 내용물을 용융시킬때에는, 하기에 기술하는 이유 때문에 슬랙은 부유물을 제거시키는 것이 바람직하다.

나머지 절차는 특정 송풍구 또는 다공성 플럭이 부착 설비되어 있는 노내에서 수행할 수 있으나, 단순한 경제성 때문에 운전 비용이 보다 적게드는 설비내에서 수행할 수 있는 공정에 적합한 노를 사용하는 일은 이상적인 것이 못된다. 따라서 용융물은 격렬하게 혼합시키기 위해 별도의 용기에 이송시켜 복식 용융을 행하여야 한다.

그러나, 공정의 나머지 조작에 용융로를 사용할 경우는 이하 기술하는 바와 같이 송풍구 또는 다공성 플럭이 부착된 혼합용기에서와 같이 운전한다. 또 하나의 조작은 혼합용기내에서 탈탄화시키고, 슬랙을 제거시킨 다음 붕소 첨가 실시를 개시하는 것이다.

혼합 용기로서는 종래의 래들, 송풍구 또는 다공성 플럭이 부착된 래들 또는 AOR등을 사용할 수 있다.

일단 혼합용기내에 용융물(슬랙이 거의 함유되어 있지 않은 용융물이 바람직함)이 주입되면, 환원제, 붕소 화합물 및 슬랙제와 같은 기타 성분들을 용융물에 별도로 또는 동시에 첨가시킬 수 있다. 다른 성분들의 첨가순서는 본 발명의 총괄적인 방법에 거의 영향을 미치지 않고 서로 교환될 수 있으나, 바람직한 순서대로 기타 성분들을 첨가시키는 것이 소정의 효과를 기할 수가 있다.

용융물을 혼합 용기내로 출탕(出湯)시킬때 일반적으로 규소를 함유하게 된다. 용융물중 규소의 함량은 당업자들에게는 공지된 바와 같이 용융물을 형성하는 성분들의 양과 직접적인 관계가 있다. 이를테면, 전기적 강은 일반적으로 다량의 규소를 첨가시켜 제조한다. 용융물에는 약간의 규소가 함유되기 때문에, 기타 성분들의 첨가방법은 붕소 화합물의 환원에 필요한 특정량의 환원제를 먼저 첨가시키는 것이 바람직하다. 이하 기술하는 이유 때문에 환원제의 조성은 2/3 규소 및 1/3알루미늄이 바람직하다.

용융물 출탕시에 규소의 일부 또는 전부가 함유되기 때문에 알루미늄 및 약간의 추가량의 규소를 첨가시켜 주어야 한다. 이들 환원제는 용융물에 첨가시키면 발열반응을 일으키기 때문에 본 조작의 발열 단계에서 환원제를 첨가시키는 것이 소정의 잇점들이 있게 된다. 이들 잇점들중 중요한 것은 용융물의 온도가 증가되는 것이며, 또 용융물의 점도가 감소되어 혼합 효과가 높아지는 것이다.

환원제 첨가가 종료된 후에는 일반적으로 붕소 화합물(들)을 슬랙제와 함께 동시 첨가시키는 것이 바람직하다. 붕소 화합물들은 혼합용기로부터 자유로운 증기의 공발(空發)이 방지되도록 무수 상태 또는 하소시킨 상태가 좋다. 어떤 경우에 있어서는 일반적으로 화합물 총중량에 대하여 3중량%미만의 물 또는 CO₂를 함유하는 붕소 화합물(들)을 사용하는 것이 이상적이다.

붕소 화합물로서는 시판되고 있는 휘붕광 또는 붕산이 바람직하다. 휘붕관 농축물은 최종 건조 조작의 배제가 가능하기 때문에 하소 휘붕광에 비해 염가이나 혼합조작시 증기 및 CO₂의 방출 및 온도 손실 때문에 완전 하소된 휘붕광을 사용하는 것이 보다 실용적일 수 있다. 또 휘봉광은 SiO₂의 중화에 필요한 정확한 량의 석회를 함유하기 때문에 석회 첨가를 최소화하거나 또는 석회 첨가 조작을 배제할 수가 있다.

슬랙제는 주로 석회 (CaO)로 조성되며, 이는 산성 SiO₂를 중화시키는 역할을 한다. 석회는 슬랙중 산화 붕소로부터 붕소의 열화학적 환원 반응을 촉진시키고, 슬랙의 융점을 저하시키는 등 슬랙 성분들의 활성을 변화시키기 위하여 첨가시키는 것이다. 일반적으로 환원 조작후의 CaO:SiO₂비율이 1:1이상이 되게 함으로써 SiO₂로 야기되는 내화 부식을 최소로 하는 것이 바람직하다.

전술한 바를 요약하면 성분들의 첨가 순서는 중요하지 않으나, 먼저 환원제를 첨가시킨 다음 붕소 화합물과 슬랙제를 첨가시키는 것이 바람직하다.

모든 성분들을 일단 첨가시킨 다음에는 용융물과 성분들을 약 5 내지 20분, 바람직하게는 약 10분 동안 격렬하게 혼합시켜 주어야 한다. 본 명세서 상에 있어서“격렬반 혼합”이라는 용어는 금속과 슬랙의 계면운동이 성분들과 금속간 뿐만이 아니고 슬랙과 금속간에 동적 평형이 일어날 수 있고, 규소가 산화 붕소의 주환원제인 철용융물에 대하여 제1도에 도시한 바와 같이 금속과 슬랙간에 평형상태가 얻어질 수 있는 충분한 혼합을 의미한다. 격렬한 혼합은 용융물의 로울링이동에 의해 용기의 하부로부터 용융물이 상승됨과 동시에 용기의 상부로부터 용융물이 하강되는 상태로서 특정지어진다.

격렬한 혼합은 여러가지 방법, 이를테면 가스 분사, 자기교반, 기계적 혼합, 작업자 혼합등, 또는 이들의 조합에 의해 수행할 수 있다. 혼합 용기가 래들인 경우는 일반적으로 혼합은 불활성 가스 교반에 의해 수행된다.

또 혼합 용기가 작은 실험실용 도가니인 경우에는 작업자가 내화 교반기를 사용해 용융물을 교반시킬 수가 있다. 또 혼합 용기가 송풍구 또는 다공성 플럭이 부착된 래들이거나, 또는 AOR인 경우에는 용융물 내에 비산화성 또는 불활성 가스(예 : 아르곤 가스)를 주입시킴으로써 혼합을 수행할 수 있다. 혼합용기에 있어서 용량이 문제되는 경우에는 슬랙제, 붕소 화합물 및 환원제를 2회 이상의 별도 첨가조작, 혼합조작 및 슬랙-제거 조작으로 나누어 수행할 수가 있다.

일반적으로 본 공정을 바람직한 환원도에 따라 어떻게 수행되었는지의 여부에 따라서 슬랙 화학반응, 외관 및 색채가 나타나게 된다. 이를테면, 적당한 성분들을 용융물에 초기에 첨가시켰으나 슬랙중 산화붕소 함량이 아주 높고, 외관 및 색채가 당업자들에게 만족스럽지 못한 경우에는 이상적인 환원도가 얻어지지 못한 것이다.

혼합 조작을 용이하게 하고 융점을 저하시켜 주는 Al₂O₃와 같은 소정의 성분들이 슬랙중에 함유되는 것이 바람직하기 때문에 슬랙중에는 Al₂O₃를 약 10 내지 18%정도로 함유시켜야 한다.

산화마그네슘 내화물질로 내장시킨 흔합 용기내에 1/3Al과 2/3Si로 조성되는 환원제를 사용할 경우에는 전형적인 슬랙으로서는 Al₂O₃가 10 내지 18%, CaO가 25 내지 35%, SiO₂가 25 내지 35%, MgO가 5 내지15% 그리고 B₂O₃가 5 내지 25% 함유되도록 한다. Al₂O₃15%, CaO 30%, SiO₂30%, MgO 8%를 함유하고, 나머지는 실질적으로 B₂O₃인 보다 전형적인 슬랙은 슬랙 염기도 비율(Cao/SiO₂=1)이 양호하고, 적량의 Al₂O₃및 약 2.85%의 붕소를 함유하는 금속을 갖는다.

도면은 최종 용융물내에 5.3%이하 함량의 규소를 환원제로서 사용하여 철용융물중의 붕소 %와 슬랙중 산화붕소 %간의 실험 측정한 평형 곡선을 도시한 것으로서, 용융물중 3% 붕소를 얻기 위해서는 슬랙중 산화 붕소 %는 l8% 이상으로 하여야만 된다. 도면에 도시한 바와 갈이, 용융물중 붕소 %가 높으면 높을수록 평형 상태하에서 슬랙중 산화붕소 %는 그만큼 높아진다.

환원제는 산화붕소를 환원시키기 전에 슬랙내의 안정성이 보다 적은 산화물을 환원시키는 작용이 있기 때문에(산화 붕소는 철산화물 등 기타 산화물에 비해 안정성이 강함), 금속 용융시 초래되는 슬랙을 실질적으로 모두 제거시키는 것이 중요하다. 이것은 또한 슬랙 총량을 극소화시키는 데에도 도움이 된다. 산화 붕소의 일정한 평형 농도하에 슬랙중 산화붕소양은 슬랙용량과 직접적인 관계가 있기 때문에, 용융물중 노잔류 슬랙을 함유하지 않는 최종 붕소 함량을 얻기 위해서는 산화붕소양이 보다 적어지도록 해야만 한다.

혼합 용기내에 최종 평형이 얻어진 후에 슬랙은 용융물로부터 다음 가열단계로 재순환되어 붕소원으로서 작용할 수 있다. 슬랙의 산화붕소% 함량은 신규 가열시 붕소 함량 %가 낮기 때문에 낮은쪽 평형 준위로 감소될 수 있다. 전술한 바와 같이 이중간 슬랙은 최종 붕소 화합물을 첨가시키기에 앞서 부유물을 제거시키는 것이 바람직하다.

탈산제 또는 환원제(C,Al,Si,Ca,Ti,Mg,Zr 또는 희토류 금속)의 선정은 아주 중요하다. 가장 흔한 원소들의 환원 반응은 다음과 같다 :

B₂O₃+3C=2B+3CO (1)

2B₂O₃+3Si=4B +3SiO₂(2)

B₂O₃+2Al=2B+Al₂O₃(3)

탄소는, 그 반응이 흡열반응이나 가장 염가의 환원제이기 때문에 환원제로서 사용할 수 있다. 그러나, 비교적 높은 반응에너지와 높은 조작 온도가 요구되기 때문에 통상 단일 환원제로서는 사용하지 않는다. 환원제로서 탄소를 사용할 경우는 산화 붕소의 환원종료후 최종 탄소 함량이 0.1%이하가 되도록 탄소함량을 저하시켜 주기 위하여 용융물내에 산소를 취입시켜 주는 것이 바람직하다. 과잉의 산소를 사용하여도 갓 환원된 붕소의 일부가 산화되기 때문에 탄소는 가장 바람직하지 못한 환원제라는 사실을 유의해야 한다.

규소는 탄소 다음으로 염가의 환원제이며(슬랙의 붕소 1파운드를 환원시키는 Si의 이론적 소요량은 1.95파운드임), 산화붕소 환원반응(2)는 열역학적으로 낮은 온도에서도 보다 유리하게 수행되고, 반응은 발열반응이나, 반응(2)에서는 산성분(SiO₂)이 슬랙에 첨가되기 때문에 이를 중화시켜 주기 위해 석회(CaO)를 첨가시켜 주어야만 된다. 또 슬랙내 규소 함량이 너무 많아지게 되면 슬랙내 SiO₂의 열역학활성이 증가되어 반응(2)의 속도를 지연시키게 되기 때문에 반응이 왼쪽으로 진행되게 되어 B₂O₃의 환원이 지연되게 된다. 알루미늄은 가장 혼한 3가지 환원제중 가장 고가의 환원제기이기 때문에(슬랙의 붕소 1파운드를 환원시키는데 Al의 이론적 소요량은 2.5파운드임)일반적으로 단일 환원제로서 사용하지 않는다. 그러나 알루미늄은 총공정에 유리한 특성을 지니고 있다. 첫째로, 산화붕소 환원반응(3)이 반응(2)에서와 같이 발열 반응이고 ; 둘째로, 노, AOR 및 래들내의 내장된 내화물질들이 공격을 받지 않으며 ; 셋째로, 전술한 3가지 환원제중 가장 강력한 환원제이다.

알루미늄만으로 전부 조성되는 환원제는 너무 고가이고, 무정형의 전기 용융물에 대하여 최종 알루미늄 함량이 너무 커지며 ; 또한 규소 만으로 전부 조성시킨 환원제는 슬랙내에 부가적인 SiO₂를 형성하여 내화부식의 방지를 목적으로 SiO₂의 중화를 위하여 석회를 첨가시켜 주어야만 하기 때문에 2/3Si와 1/3Al으로 조성되는 환원제가 바람직한 환원제인 것이다. 또 슬랙내에 SiO₂함량이 너무 많아지면 전술한 바와 같이 B₂O₃의 환원이 지연되게 된다.

무정형 철합금의 제조에 있어, 알루미늄은 노즐 막힘과 스트립 주조시 결정상 형성을 초래하기 때문에 합금 중 알루미늄 함량이 가능한 낮도록 바람직하게는 0.010 중량% 미만이 되도록 하는 것은 공지된 사실이다. 그래서 통상의 사고방식에 따라 용융물에 알루미늄을 첨가하면 합금내에 알루미늄의 함량이 높아진다.

그러나, 알루미늄은 B₂O₃의 환원시 Al₂O₃가 생성되며, 이는 슬랙의 일부로 된다. Al₂O₃는 슬랙을 유동화하여 금속과 슬랙의 평형을 이루는데 도움이 되기 때문에, 슬랙내 Al₂O₃가 함유되는 일은 바람직한 것이다.

슬랙은 Al₂O₃약 15%를 함유하는 것이 바람직하며, 이것은 알루미늄을 환원제의 약 1/3로 사용하여 붕소의 약 1/3을 회수하므로써 실질적으로 성취될 수 있다. 따라서 1/3 Al과 2/3Si로 조성시킨 환원제가 바람직하다.

탄산제 또는 환원제량은 질량평형에 의해 용이하게 결정할 수 있다. 이를테면, 붕소 화합물로서 산화붕소를 사용하고 탈산제로서 알루미늄을 사용할시에는 B₂O₃+2 Al→Al₂O₃+2B, 즉 산화붕소 1몰을 붕소로 환원시키는데 알루미늄은 이론적으로 2몰이 소요된다. 그래서, 합금내 붕소의 특정량을 얻는데 요구되는 산화붕소의 양을 알면 환원제의 양은 질량평형에 의해 계산할 수가 있다.

무정형 물질을 제조하기 위해 붕소 1.4 중량%이상을 함유하는 철-붕소 함금 또는 비철-붕소 합금의 용융 금속상(相)을 가동 급냉체표면상에 용착시킨다. 급냉체 표면상에의 용융금속 용착은 통상 용융금속을 급냉체 표면과 인접 위치하는 노즐에 강제 통과시킴으로써 행해진다. 용착 조작직후에 용융금속의 얇은 스트립이 형성되는데, 이것을 무정형 금속 스트립으로 경화시킨다.

스트립은 가느다란 동체로서, 그 두께는 그 길이 폭에 비해 아주 작으며, 이에는 종전 분야에 공지된 바와 같은 시이트, 필라멘트, 리본 등의 동체가 있다.

무정형 스트립 제조시의 중요한 물리적 변수들은 노즐의 오리피스 크기, 급냉체 표면의 속도 및 용융금속의 급냉속도등이다.

일반적으로, 노즐의 오리퍼스는 슬릿상 또는 장방형이며, 오리피스의 길이는 무정형 스트립의 폭을 형성한다. 즉 오리피스의 길이는 급냉체에 인접하여 급냉체 폭과 평행을 이룬다. 일반적으로 오리피스는 그 길이에 있어서는 제한은 없으나, 폭은 약 0.3 내지 약 2밀리미터이다. 전형적으로 급냉체는 회전 휘일로서,용융금속은 회전 휘일의 외측 표면상에 용착된다. 가동 급냉체는 모두 만족스럽게 사용할 수 있으나, 가장 중요한 것은 용착표면의 속도이다. 급냉체 표면의 속도는 약 100 내지 약 2000m/분으로 하는 일이 관례로 되여 왔다.

마지막으로 급냉체는 용융금속이 약 10⁴℃/초의 속도로 냉각되어 무정형 고체 스트립을 형성할 수 있을 정도로 저온이어야 한다. 급냉속도는 보다 느린 경화 속도에서도 통상적으로 일어나는 바와 같은 금속 그자체에서의 결정형의 배열이 방지될 수 있을 정도로 아주 빨라야 한다.

[실시예]

백분율은 모두 용융물 총 중량을 기준으로 한 중량%이다. 철과 철-규소를 100 0파운드 용량의 공기 유도전기로내에서 용융시켰다. 철 용융물을 아르곤가스 주입을 위한 단 한개의 다공성 시판 플럭이 그 하부에 설비되어 있고 내화물로 내장된 1000파운드 용량의 혼합용기내에 턴디시(tundish)에 의해 고온에서 출탕(出湯)시켰다. 가열물은 적은 가열 크기에 의해 부분적으로 기인되는 비교적 높은 열 손실을 극복하기 위하여 가능한 고온 상태에서 출탕시켰다. 슬랙제와 붕소 화합물은 예비 혼합시키고, 그 일부는 흑연으로 내장시킨 유도 전기로 내에서 따로따로 예비용융시켰다. 환원제의 일부는 초기 용융물중에 함유시키고, 일부는 혼합용기에 첨가시켰다.

일부 가열물의 용융물을 도입시키기 전에 가능한한 슬랙제를 고온상태로 하기 위하여 용기 예열도중에 혼합용기에 예비 용융시킨 슬랙제를 첨가하였다. 나머지의 예비혼합된 슬랙제와 환원제는 용융물을 출탕시킨 후에 혼합 용기에 첨가하였다. B₂O₃의 환원을 촉진시키고 최종 출탕 온도를 조절하기 위하여 슬랙과 금속 성분들을 완전히 혼합하였다.

5% Si-3% B 용융물의 액상 온도의 측정치는 약 1148.9℃(2100℉)이었다. 매 가열시 용융물의 초기 규소 함랑 목표치는 3 내지 6%이었다.

처음 2개의 가열물의 경우 욕내에서 이론양의 붕소 1%를 얻기 위하여 충분한 양의 붕소를 함유하는 슬랙을 첨가하였다. 제3의 가열물의 경우에 붕소 함유 강괴를 재용융시킨 다음 슬랙의 첨가를 행하여 용융물의 붕소 함량을 2%로 증가시켰다.

제4의 가열물의 경우에는 최종 금속 화학에 미치는 산소의 효과를 측정하기 위하여 다공성 플럭을 통해 산소를 첨가하였다.

제3의 가열물로 부터의 강괴를 제5의 가열용 출발 금속으로 하여 재용융시키고, 이 방법을 사용하여 붕소 함량을 3%로 증가시켰다. 각 가열물의 상세한 내용에 대해서는 표 및 표 2를 참조하길 바란다.가열물의 제작도중 용융물의 화학은 이용되지 않기 때문에 가열물의 제작시 대책의 결정은 종종“최선의 추측”이 이용된다(이를테면, 아르곤 가스 취입시간, 첨가물질등).

[가열물 1]

CaO 50%, SiO₂25%, B₂O₃25% 등으로 조성되는 예비 용융 성분들 90파운드를 규소 약 6%를 함유하는 철 용융물 900파운드에 첨가시키고, 1000파운드 용량의 혼합용기내에서 아르곤가스를 취입시켜준다. 최종 금속은 분석 결과 Si 4.6%, B 0.25% 및 철 잔류%를 함유하였다. 용융물을 주형내에 주입시켜 결정형강괴를 주조하였다. 용기의 예열 효과가 좋지 않기 때문에 아르곤 가스 취입시간을 짧게 하였으며, 예비 혼합 성분들을 용기에 첨가시키기 전에 예열을 행하지 아니하였다.

슬랙은 분석 결과 B₂O₃가 약간환원되었고(23%→10% B₂O₃), 최종 슬랙은 불완전 반응 때문에 산성을 띄었다(CaO/SiO₂=0.76). 최종 용융물의 액상선을 저하시켜 주기 위하여 용융물을 출탕시키기 전에 용기내에 약간의 코우크스를 첨가하였으나, 급속한 온도낙하 때문에 용기내에 무거운 스컬이 형성되었다. 탭 온도는 약 1360.0℃(248 0℉)이었다.

[가열물 2]

이 가열물에 있어서는 가열물 1에 비하여 B₂O₃함량이 보다 많고, SiO₂를 전연 함유하지 않는 성분들(CaO 43%, B₂O₃43%, Al₂O₃10% 및 CaF₂5%)을 규소 6% 함유하는 철용융물 900파운드에 첨가시키고, 아르곤 가스를 취입시켰다. 산화붕소의 환원을 향상시켜 주기 위내 슬랙 염기도와 Al₂O₃함량을 증가시켜 주었다. 슬랙 성분들을 예비 용융시키고 철제캔내에 주입시킨 다음 용기에 첨가시키기 전에 예열을 행하였다. 용기의 내화 예열효과는 훨씬 양호하였고, 아르곤가스 취입시의 온도 강화는 크게 감소되었다(표 1참조). 온도 손실은 10 내지 20℉/분이었으며, 이것은 전술한 작은 용기내에서의 아르곤 가스 취입 실험을 나타내는 것이다. 최종 금속은 분석 결과 붕소 57%의 회수를 위한 Si 4.2%, B 0.66% 및 철 잔류%이었다.

용융물을 주형내에 주입시켜 결정형 강괴를 주조하였다. 최종 슬랙의 염기도는 0.94이었고, B₂O₃7.6%를 함유하였다.

[가열물 3]

가열물 2로 부터 제조한 강괴(760파운드)를 1000파운드 용량의 유도 전기로 내에서 추가 철 및 철-규소와 함께 재용융시켜 Si 68% 및 B 0.55%의 화학조성의 금속을 얻었다(표 1 및 표 2 참조).

가열물 2와 비교하여 2배 함량의 동일한 산화물 성분들을 철제캔내에서 예비 혼합시키고 혼합용기내에 첨가시키기 전 예열하였다. 붕소 53%를 회수하기 위한 최종 금속의 화학 분석치는 Si 4.1%와 B 1.73% 및 철 잔류%이었다.

이 실험용 금속은 다시 가공을 행하면 무정형 물질을 제조하는데 적합하다. 최종 슬랙의 화학조성은 CaO 40%, SiO₂31%, Al₂O₃7% 및 B₂O₃15%이었다. 전술한 슬랙의 다량 환원은 슬랙의 다용량, 금속내의 붕소 고함량 및(또는) 알루미나 저함량과 같은 가열물 2에서와 만큼의 효과가 나타나지 아니하였다. 환원시 온도 낙하는 전형적이였으며, 가열물을 (1354.4℃)(2470℉)하의 주형내에 어떠한 문제점없이 주입시켰다.

이 합금은 냉각주조와 같은 추가 가공조작을 행하여 무정형 물질을 제조할 수 있었다.

[가열물 4]

이 가열물은 용기를 고온으로 유지하면서 가열물 3 직후에 제조하였다. 석회와 알루미나로 조성되는 성분들을 유도전기로 내에 출탕시키기 20분전 고온 용기내에 첨가시키고, 금속을 혼합용기내에 출탕시킨 후 산화 붕소와 섬광석을 첨가하였다. 붕소 75%를 회수하기 위한 환원 조작후 금속의 이 화학 분석치는 Si 4.1%, B 0.82%, 및 철 잔류%이었다. 슬랙의 화학분석치는 CaO 37%, SiO₂34%, Al₂O₃9%, MgO 15% 및 B₂O₃9%이었고, 슬랙 염기도는 1.1이었다. 환원 조작후 산소 가스를 10분간 취입시켜 산소 취입동안의 붕소 및 규소 손실을 측정하였다. 금속은 분석결과 약간의 붕소가 산소와 결합하여 슬랙내에서 B₂O₃를 추가로 생성하기 때문에 붕소 함량이 0.82%에서 0.7 %로 떨어졌다. 최종 슬랙의 조성은 CaO 32%, SiO₂36%, Al₂O₃9.0%, MgO 19% 및 B₂O₃9%이었다. MgO의 다량증가는 내화물 공격이 있음을 나타낸다.

하기의 가열물 추가실험들은 전술한 가열물의 용융물로 부터 3중량%의 붕소 함량을 지닌 용융물을 수득할 수 있는지의 여부를 결정하기 위한 것이다.

[가열물 5]

가열물 3으로 부터 제조한 강괴 (붕소 1.73%)를 추가철 및 철-규소와 함께 재용융시켜 표 1에 기재한 바와 같은 0분하에서의 실험용 용융물을 얻었다. 900파운드의 가열물을 석회,알루미나,산화붕소 및 섬광석을 이미 첨가시킨 예열 혼합용기내에 1676 .7℃ (3050℉)하에 출탕시켰다(표 2 참조). 아르곤 가스를 22분간 취입시켜 슬랙 및 금속의 교반을 행하였다(금속 및 슬랙의 분석치와 욕 온도는 표 1에 기재되어 있음).

표의 결과치들로 부터 규소에 의한 B₂O₃의 환원반응이 약 12분 내에 종료된다는 사실을 알 수가 있다.

용융물의 붕소 함량은 규소 함량 5.0%에서 1.4%로 부터 2.7%로 증가되었다.

혼합조작 15분후 알루미늄(0.4%) 4파운드를 슬랙과 금속 용융욕내에 첨가하고 다시 8분간 교반하였다.

표 1에 기재된 결과로 부터 알루미늄의 첨가후에 있어서의 금속욕내의 B 및 Si 함량은 2.73%에서 2.85% 및 4.97%에서 5.11%로 각각 증가되었음을 알 수가 있다. 최종 금속의 화학분석치는 붕소 2.80%, 규소 5.13% 및 철 잔류%이었다. 이 실험용 금속은 추가 가공조작을 행하여 전기 응품용의 무정형 합금을 제조할수 있다. 슬랙내의 B₂O₃와 SiO₂함량이 감소된 반면, Al₂O₃함량은 약간 증가되었다. 알루미늄 환원의 발열반응에 기인해서 욕 온도는 보통 속도(20°/분)하에 계속 낙하되지는 아니하였으나, Al 첨가 후 온도는 실질적으로 20℉ 상승되었다.가열물을 제조한 후 결과적으로 3단계환원 조작(가열물 2,3,5)을 사용하여 최저 3% 붕소 함량을 얻을수가 있다. 하기의 가열물 실험들은 단일 환원 조작에 의해 3% 붕소 함량을 수득할 수 있는지의 여부를 결정하기 위한 것이다.

[가열물 6]

본 가열물로서는 슬랙 환원동안 총 규소 첨가량중 철-규소로서 노내에 첨가된 규소 약 절반과 순수한 규소(73파운드)로서 첨가된 나머지 양의 규소를 지닌 900파운드의 가열물을 사용하였다. 적은 혼합 용기내에서의 높은 열 손실을 보상해 주기 위하여 규소 금속을 사용하였다. 성분 물질들은 표 2에 기재되어 있다.

석회 80파운드와 알루미나 및 섬광석 전량을 용기 예열 사이클동안 용기내에 첨가하였다(표 2 참조). 다음에 가열물을 예열 성분 물질들과 함께 용기내에 1693.3℃ (3080℉)에서 출탕시켰다.

가스 취입조작동안 산화붕소와 잔량의 석회를 첨가하였다. 이들 최종 물질들은 예비 용융이나 예비 혼합을 행하지 않은 것이다. 용기내에 성분들을 모두 첨가시킨 후에는 슬랙이 용기 입구의 상부까지 채워지기 때문에 너무 많은 성분 물질들과 금속이 첨가되었다는 사실을 분명히 알 수 있다. 표 1에 기재된 금속 및 슬랙의 화학 조성 모두가 붕소 회수율이 아주 낮다는 사실로 부터 혼합 효과가 아주 양호하지 않음을 알 수 있다. 슬랙은 저온상태로 점성이며 금속과의 혼합성이 양호하지 못하였다. 붕소 5% 상당량으로서 산화붕소를 사용해 첨가하였으나, 최소 붕소 함량은 0.36%에 불과하였다. 산화붕소 함유 슬랙은 고 규소 용융물에 의해 환원되지 아니하였다. 최종 용융물은 규소를 높은 함량(9%)으로 함유하였으나, 슬랙과 금속 혼합이 불충분하여 슬랙은 실리카의 함량이 낮았다. 이 합금은 최종 붕소 함량%가 낮기 때문에 무정형 합금을 제조할 수가 없다.

본 실험으로 부터 격렬한 혼합의 필요성과 중요성을 알 수가 있다. 목적으로 하는 화학 조성을 갖는 제품을 제조할 수 있는 조성물을 제조하기 위해서는 성분 물질들을 모두 용융시켜야만 된다. 그러나, 격렬한 혼합의 부족으로 용융물내에 붕소가 극소량만이 회수되어 최종 금속은 불과 0.36중량%의 붕소를 함유하였다.

또 슬랙 생성은 슬랙제를 용융물에 첨가시킴으로써 크게 증대되고(1), 슬랙제들은 용융 상태에서 혼합 용기저부의 내화물질과 반응(2)할 수 있기 때문에, 혼합 용기내에 용융물을 첨가시키기전 슬랙형성 성분들의 대부분을 첨가시켜서는 안된다는 사실을 또한 알 수가 있다. 다음의 가열물의 경우에는 B₂O₃의 1/3을 환원시키고 슬랙내에 알루미나가 적당량 함유되도록 알루미늄을 사용하였다. 슬랙에는 보다 적은양의 석회가 필요하고, 알루미나의 첨가는 필요로 하지 않기 때문에 알루미늄에 의해 첨가 산화물이 50% 환원되어야만 된다. 보다 낮은 최종 잔여 Al 함량을 얻기 위하여 보다 높은 B₂O₃함량에서 알루미늄을 초기에 첨가하였다.

[가열물 7]

본 가열물에 있어서 용기내의 예비혼합 예열 성분들은 알루미나 또는 섬광석을 전연 함유시키지 아니하였다(표 2 참조). 가열물의 크기는 전술한 가열물들에 있어 봉착된 용량 문제점을 수정하기 위하여 560파운드로 또한 감소시켰다. 가열물을 노로부터 출탕시킨 후 용기에 알루미늄(15파운드)과 규소(25파운드)를 첨가하였다. 표 1로 부터 알 수 있는 바와 같이 Al과 Si는 B₂O₃함량을 61%에서 18%로 환원시킴(20분에서)과 동시에, Al₂O₃(17%)와 SiO₂(29%)를 공급해주었다. 슬랙의 염기도(CaO/SiO₂)는 1.0이었다. 20분에서 금속 붕소함량과 규소 함량은 각각 2.96%와 4.8%이었다.

환원 조작 이후에 슬랙과 금속은 너무 고온이어서 출탕이 불가하여 무수 붕산의 추가 첨가를 결정하였다.

(B₂O₃38파운드). 석회는 첨가시키지 않고 전술한 최종 산화붕소와 함께 규소 또는 알루미늄을 첨가하였다. 금속 붕소함량은 2.96%에서 3.50%까지 중가하였고, 규소 함량은 4.8%에서 3.5%로 떨어졌다. 표 1에 기재된 슬랙의 화학조성 데이터로 부터 B₂O₃의 보다 높은 함량과 환원 반응으로 SiO₂가 증가되기 때문에 슬랙은 또한 보다 많은 산으로 되었다는 사실을 알 수가 있다.

가열물의 황함량은 유도 전기로내에서 0.039%까지 생성되었으나, 혼합 용기내에서의 32분간의 혼합조작후에 0.0006%이었다. 질소는 0.0005%이하로 매우 낮았다. 혼합 조작 20분 후에 있어서 59% 붕소를 회수하기 위한 붕소 함량은 2.96%이었다. 이 합금은 다시 가공을 행하여 무정형 제품을 제조할 수 있다.

다음의 가열물의 제조는 주 붕소화합물로서 하소 휘붕광의 사용을 설명한 것이다.

[가열물 8]

하소 휘붕광은 본 가열물의 B₂O₃주 원료 물질이다. 시판되고 있는 하소 휘붕광은 871.1℃(1600℉)에서 다시 하소를 행하여 잔류 CO₂를 제거하였다. 이 추가 조작에 의해 하소 휘붕광의 밀도는 아주 낮아졌다.

본 가열물의 경우에는 다른 가열물들에 있어서 사용했던 예비혼합과 예열 조작을 채용하지 아니하였다. 슬랙 성분들은 모두(슬랙제, 붕소 화합물 및 환원제) 9분 동안 첨가하였다. 그러나, 전술한 가열물들에 있어서는 2분내에 첨가를 종료하였었다. 환원제는 규소 34파운드와 알루미늄 19파운드를 포함하였다. 적합한 산화붕소 첨가를 위해 B₂O₃26파운드를 또한 첨가하였다. 가열물은 그 온도가 1148.9℃ (2100℉)의 액상 온도에 가까운 1187.8℃(2170℉)로 낙하되었기 때문에 다른 모든 성분들을 첨가시킨 직후(15분)에 출탕시켰다.

금속은 분석결과 Si를 높은 %로 함유하였고, 슬랙은 화학적분석 결과 높은 %의 B₂O₃와 낮은 %의 SiO₂를 함유하였다. 이것은 또한 금속과 슬랙의 평형, 즉 용융물중 붕소 3%와 규소 5% 및 슬랙중 B₂O₃18%를 얻기 위해서는 충분한 혼합의 중요성을 가리켜 준다. 전술한 짧은 혼합시간의 붕소 회수는 43%에 불과하였다.

하기의 가열물의 경우는 신규의 용융물에 붕소를 보충해주기 위하여 전술한 용융물로 부터 얻어지는 고함량의 산화붕소함유 슬랙의 사용을 설명한 것이다.

[가열물 9]

본 가열물에 있어서는 붕소의 원료물질로서 전술한 1000파운드 용융물들중 어느 하나로 부터 얻어지는 슬랙을 첨가한 50파운드 실험용 크기의 규소강 용융물을 사용한 것이다. 초기의 금속 화학분석치는 C 0.056%, S 0.02%, Si 3.08%, B 0.001%미만 및 철 잔류%이었다. 슬랙은 초기에 CaO 31,4%, SiO₂30.3%, MgO 5.0%, Al₂O₃15.9 %, FeO 0.5%, B₂O₃19.9%이었다. 이 슬랙의 일부를 욕에 첨가하고 금속봉을 사용하여 기계적 혼합을 행하였다. 최종 금속 화학분석치는 C 0.057%,S 0.025%, Si 2.40% 및 B 0.29%이었다. 잔류(소실되지 않은) 슬랙의 화학조성은 CaO 27.9%,SiO₂37.8%, MgO 8.4%, Al₂O₃15.2%, FeO 1.0% 및 B₂O₃0.2%이었다. 초기 슬랙중의 B₂O₃는 19 .9%이며, 손실되지 않은 슬랙중의 B₂O₃는 0.2%이었다. 또 초기의 금속 화학조성은 B 0.001%이고, 최종 금속 화학조성은 B 0.29%라는 사실에 유의해야 한다. 전술한 두가지 사실로 부터 전(前) 용융물로 부터 얻어지는 슬랙을 후(後) 용융물의 붕소 원료로서 사용할 수 있다는 것을 알 수가 있다. 유도 전기로 도가니 및 금속 교반봉으로 슬랙이 소실되기 때문에 슬랙 화학조성 또는 용융물 화학조성에 있어서의 변화량에 의해 붕소의 회수량을 산출할 수 없었다.

[가열물 10]

본 실험은 동일한 단일 단계의 붕소 환원방법에 의하여 비철-붕소 합금을 제조할 수 있다는 사실을 설명한 것이다. 다음의 원소분석, 즉 C 0.010%, S 0.0005% 미만, Ni 84.2%, Fe 0.6%, Si 4.97%, Al 0.70% 및 B 0.05% 미만을 갖는 닉켈 기재-금속 내용물 50파운드를 용융시키고, 예비 용융슬랙(표 1 참조)을 포함하는 기타 성분들을 별도의 규소 및 알루미늄과 함께 첨가시킨 다음 기계적 교반을 행하여 산화붕소의 환원조작을 행하였다. 최종 금속의 화학분석치는 Ni 79.3%, Fe 5.5%, Si 7.8% 및 B 1.39 %이었다.

슬랙의 화학분석 결과 잔류 B₂O₃를 37.8% 함유하였다. 이들 분석치로 부터 B₂O₃의 약 30 내지 40%가 슬랙으로 부터 환원되었다는 사실을 알 수가 있다. 가열물 9에서와 같이, 슬랙의 일부가 MgO 도가니와 반응하기 때문에 붕소 회수량이 저하되는 것이다.

전술한 여러개의 실시예들로 부터, 본 발명의 방법에 있어서의 몇가지의 중요한 인자들, 이를테면 혼합용기에 다른 적당한 가열물 크기, 아주 양호한 혼합(격렬한 혼합), 세심한 온도조절, 및 합금들과 슬랙제들의 적절한 첨가등은 목적하는 제품을 제조하는데 중요하다는 사실을 명백히 이해할 수가 있다. 충분한 용적의 슬랙 차폐물에 의해서 공기에 의한 산화를 적절히 방지할 수는 있으나, 혼합 조작도중 용융물 상부에 비산화성 분위기를 제공해 주는 것이 바람직하다.

세심한 온도조절에 관해서는 산화붕소 환원시의 온도 강하는 성분들의 예열에 의해 크게 감소되고, 또 용융물내의 슬랙 용해속도는 슬랙의 예열에 의해 크게 증가되는 바, 이들 두가지 요인들은 모두 소규모 조업에 특히 중요하다. 그러나, 25톤 이상의 공업적 조업에 있어서는 슬랙 성분들의 예비 혼합 또는 예비 용융 조작들을 행할 필요는 없으며 환원제를 적절히 선정함으로써 온도를 부분적으로 조절할 수 있다.

[표 1]

N/A 분석 안함.

* 출발 용융물 온도

* * 슬랙 화학분석

* * 노 내장제 알루미나

[표 2]

** 추정치 *** 재순환 슬랙중의 함량

Claims (12)

1. 붕소 화합물을 환원시킬 수 있는 금속 용융물에 환원제를 첨가시키고 ; 상기 금속 용융물에 상기 붕소 화합물을 첨가시킨 다음 ; 실질적인 평형이 성취되어 유지되고, 붕소 화합물이 환원되며, 상기 용융물과 그 내에서 붕소 합금이 형성될 수 있도록 상기 금속 용융물, 상기 환원제및 상기 붕소 화합물을 격렬하게 혼합시킴을 특징으로 하는, 금속 용융물의 제공을 포함하여 금속 용융물 내에서 붕소화합물로 부터 붕소를 현장 환원시키고 금속 용융물과 붕소를 합금시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 붕소 화합물중 40중량% 이상의 붕소를 상기 금속 용융물과 합금시킴을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전술한 환원제가 알루미늄,규소,티탄,마그네슘,지르코늄,탄소,칼슘 및 희토류 금속중 적어도 하나임을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 붕소 화합물이 산화붕소,붕산,붕사,메타붕산칼슘,휘붕광,라쏘라이트,울렉사이트,프로버타이트,인더라이트,커어나이트,쿠르나코바이트 및 싸쏘라이트중 적어도 하나임을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방법을 실질적으로 비산화성 분위기하에서 수행시킴을 특징으로하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 석회 및 규소를 포함하는 슬랙제를 상기 용융물에 첨가하는 단계를 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 고철을 전기로내에서 용융시키고 ; 용융고철을 혼합용기에 이송시키며 ; 용융고철,석회,붕소광과 철-규소,알루미늄 및 탄소중 적어도 하나를 혼합시킨 다음 ; 가스취입,자기교반 및 기계적혼합중 적어도 한가지 이상으로 격렬한 혼합을 행함을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 붕소합금 용융물을 고속 가동 급냉체 표면상에 용착시켜 금속 용융물의 스트립을 형성시킨 다음, 상기 스트립을 약 10⁴℃/초 이상의 속도로 급냉시켜 무정형 물질로 경화시킴으로써, 붕소합금 용융물이 처리되어 무정형 물질을 제조함을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 저질소함량의 붕소합금을 제조함을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 환원제가 1/3 알루미늄과 2/3 규소임을 특징으로 하는 방법.
11. 붕소 1.4 내지 15중량%, 질소 0.002중량% 미만, 탄소 약 0.2중량% 미만, 알루미늄 약 0.01중량% 미만 및 미량의 잔류원소-함유 철 잔류%로 조성됨을 특징으로 하는, 혼합용기와 함께 또는 단독으로 사용하는 염기성 산소로, 유도 전기로 및 전기로 그 현장에서 산출된 무정형 철-붕소 합금.
12. 붕소 0.01중량% 이상, 질소 0.002중량% 미만, 탄소 약 0.2중량% 미만, 알루미늄 약 0.01중량% 미만, 규소 1 내지 10중량% 및 미량의 잔류 원소-함유 닉켈 잔류%로 조성됨을 특징으로 하는, 혼합 용기와 함께 또는 단독으로 사용하는 염기성 산소로, 유도전기로 및 전기로 그 현장에서 산출된 무정형 닉켈 붕소 합금.

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