KR0157222B1 - 1회용 용융금속용 개재물의 감지기 - Google Patents

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로데릭 굿데리에
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Abstract

지지부재(42)에 분리가능하게 연결된 1회용 프로브가 이루어진 용융금속 개재물의 감지기에 관한 것으로, 상기 프로브가 그 내벽에 설치된 내부전극(48)과 외벽에 설치된 외부전극을 갖춘 내열재료의 튜브(44)로 구성되고, 프로브가 용융금속속에 잠겨졌을 때 그 한쪽 벽에 형성되어 있는 오리피스(45)를 통해 튜브내부로 용융금속이 원추형편향부재(49)를 한쪽으로 밀어부치면서 들어갈 때 용융금속에 함유되어 있는 개재물을 2개의 전극사이에서 가변되는 전압을 측정하여 모니터하는 한편, 상기 튜브(44)는 전기적 전도성이 있는 내열재질로 만들어져 내부전극(48)을 이루고 있으며, 튜브속에 형성된 부압의 영향을 받거나 레이놀즈계수가 2000이하인 흐름인 유연한 흐름에 의해 용융금속이 튜브내부로 주입되게 되고, 또 상기 튜브내부가 직경이 작은 구멍이 형성된 냉각구역(52)에 의해 2개의 체임버(40a, 40b)로 나누어져, 상기 체임버중의 한쪽 체임버로 유입되는 용융금속이 냉각구역에서 응고되어 유입된 용융금속의 양이 많을지라도 다른쪽 체임버로 더 이상 유입되지 못하게 하여 진공원을 보호해주며, 상기 오리피스(45)에는 금속막(46)이 씌워지고, 이 금속막(46)은 프로우브가 슬래그층을 통과하여 용융금속속으로 유입될 때 프로브내부에 슬래그가 들어가지 못하도록 해주는 슬래그 브레이커 커버(47)에 의해 보호되어져 있는 한편, 상기 전극과 프로브 몸체의 재료는 용융금속내에서 약 2분간의 사용수명을 가질 수 있는 조건하에서 여러 가지 적절한 것으로 할 수가 있다.

Description

[발명의 명칭]
1회용 용융금속용 개재물의 감지기
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 용융금속을 정련(精鍊)하는 동안 침전된 2차적인 상(相)으로 변화된 입자나 슬래그의 적하 및/또는 공기기포 등과 같이 용융금속중에 함유되어 있는 개재물(介在物)의 함유량을 검출하기 위한 장치에 관한 것이다.
상기한 바와 같은 개재물은 감지구역내에서의 용융금속의 흐름에 불연속성을 유발하게 되므로 용융금속의 흐름이 불연속적인 것으로 감지하게 된다(이하에서는 상기한 바와 같은 각종 개재물을 약칭으로 개재물 이라 한다).
일반적으로 이러한 모든 개재물은 금속의 요구되는 기술적성질에 대해 다소간의 해로운 영향을 미치게 되므로, 요구하는 바대로 금속이 충분하게 청정(淸淨)되었는지를 확인하고, 또 채택한 정련방법이 금속을 충분하게 청정시킬수 있는 것인지 아닌지를 보기위해 상기 개재물의 개수와 크기에 대한 정확한 정보를 알아야 하는 것이 더욱더 필수적으로 되고 있다.
[산업의 적용성]
본 발명이 적용될 수 있는 용융금속의 범위는 넓고, 강철제조에 있어서의 정련과, 알루미늄정련, 구리정련, 티타늄정련, 마그네슘정련 및 이들 금속의 합금을 정련하는데 필요로 하는 용융금속을 포함하는 바, 여기서는 실예로서 강철 제조에 있어서의 용융강철을 기본으로 하여 설명한다.
[배경기술]
본 발명에 관련되는 종래기술중의 하나가 1985년 11월에 특허된 미국특허 제 4,555,662호에 게재되어 있는 바, 이 특허는 개재물의 수량 측정방법에 관한 것으로, 현재 이 방법을 일반적으로 액체금속순도분석(Liquid Metal Cleanliness Analysis ; 간략히 LiMCA)법이라하는데, 이 LiMCA방법 및 그 장치는 원칙적으로 알루미늄을 정련할 때 비금속성 개재물을 검출하기 위해 개발되었지만 철 및 강철의 정련에도 이를 적용시킬 수 있도록 연구되어 왔다.
한편, 상기 LiMCA방법은 때로 전기감지구역방법(Electric Sensing Zone Method ; 간략히 ESZ)이라 불리우기도 하는데, 이 방법은 전도체인 유체중에 함유되어 있는 개재물이 전기적으로 절연된 오리피스를 통과하여 지나갈 때, 이 오리피스를 통과하여 흐르는 유체의 전기적 저항이 입자의 체적에 비례하여 변화하는 것을 이용하는 것으로서, 저항의 순간적인 변화는 오리피스의 양쪽에 있는 2개의 전극사이에서 전위차의 펄스로 검지되게 되고, 이를 이용하여 입자의 개수와 크기가 다음과 같은 방법으로 직접 측정되어지게 된다.
먼저, 상기 입자가 지름이 d인 구형이고, 오리피스가 직경인 D인 원통이라고 가정하면, 이 입자가 오리피스를 통과하여 지나갈 때 전기저항의 변화 R은 다음식으로 주어지게 된다.
△R= (4ρd3) / (πD4)---------------(1)
여기서 ρ는 유체의 고유저항이다.
실제적용에 있어서 상기 식(1)은 교정인자 F(d/D)에 의해 정정 되어져야 하는데, 이 교정인자는 다음 식으로 주어진다.
F(d/D) = [ 1 - 0.8(d/D)3]-1------------(2)
따라서 상기 △R은 정확하게 다음식과 같이 표현되어 진다.
△R= (4ρd3) / (πD4)×[ 1 -0.8(d/D)3]-1---(3)
오리피스를 통하여 흐르는 전류를 I라 하면, 직경 d의 입자가 상기 피스를 통과할때의 전위차 V는 다음과 같은 식으로 주어진다.
△V = I(△R) ------------------(4)
상기한 바와 같은 원칙을 적용하여 연속적으로 (약 30∼40분 이상동안)용융금속의 개재물을 검출하는데 사용하는 개재물감지 프로브(probe)가 있는바, 이 감지프로브는 석영튜브 내면에 지지되어 있으면서 수냉식 지지구에 지지되어 있는 제 1 내부전극을 구비하고 있고, 상기 튜브의 하단 가까이에 오리피스가 형성되어 있으며, 상기 튜브는 수냉식 지지구에 개스킷을 매개하여 긴밀하게 연접되어 있다. 그리고 상기 튜브의 바깥쪽에 별도의 봉으로 이루어진 제 2 외부전극이 오리피스 가까이 까지 뻗어있는 구조로 되어있다.
이러한 프로브를 이용하여 측정을 할 때 금속을 받아들이는 체임버 역할을 하는 중공(中空)의 제 1 전극내부는 완전히 비워진 상태로 있다가 상기 오리피스를 통해 용융금속이 빨려져 들어오게 되는 바, 이때 상기 내부전극과 외부전극 사이에서의 전기저항 변화를 측정하여 일반적인 증폭수단으로 이를 증폭시킴으로써 개재물의 크기와 개수를 결정한다.
그리고 상기 튜브가 완전하게 채워지면 부압(負壓)이 고압(高壓)으로 대체되어 이 고압으로 튜브내부의 용융금속을 바깥으로 밀어내 튜브가 비워지게 한 다흠, 다시 처음부터의 검출사이클을 되풀이 하는데, 이러한 검출동작은 튜브를 교체하여아 할 때까지 가능한 많은 횟수를 반복하게 된다.
상기한 바의 감지프로브 등은 알루미늄용탕속에 있는 개재물을 검출하여 입자크기의 분포를 결정하기 위해 상기 LiMCA방법을 이용해 연속적으로 측정하는데 사용되는 것으로서, 용융알루미늄은 용융온도가 약 700℃로 비교적 낮으므로 상기한 바와 같은 튜브(내열유리 및 석영)와 전극(강철와이어)등을 이루는 여러 가지 다른 재질이 함유되게 된다.
그러나 철 및 티타늄과 같은 금속의 용융에서는 그 작업온도가 알류미늄 경우보다 훨씬 높은바(약1550℃), 이러한 온도에서는 프로브의 저항성이 약화되고 전극이 가열된다는 심각한 문제점이 있기 때문에 이러한 종래의 감지기를 적용시키기가 어렵다.
지금까지 사용되어온 용융점이 높은 금속용 개재물 감지기는 모두 연속측 정용 타입으로 되어 있는바, 즉 일단 프로브를 용융금속속에 집어 넣으면 물로 냉각시켜가면서 이러한 프로브의 최대시간인 사용수명 30∼40분동안 연속적으로 측정하도록 되어 있다.
이러한 종래의 연속측정용 개재물 감지기의 프로브는 용융금속속에 있는 개재물의 레벨변화를 연속적으로 모니터할 수 있다는 잇점이 있으나 다음과 같은 결점을 가지고 있다.
(1) 철 또는 강철과 같이 용융점이 높은 용융금속의 탕속에 사용할때는 반응 및 열에 대한 충분한 저항성을 보장하기 위해 프로브 몸체를 석영과 같은 고품질재료로써 만들어야 하므로 프로브의 가격이 비싸진다.
(2) 용융점이 높은 금속에 사용할 때 개개의 프로브가 비싼가격의 재료로 만들어짐에도 불구하고 이 프로브의 수명은 냉각을 시켜도 단 30∼40분이다.
(3) 충분한 내열성을 갖기 위해 프로브지지기구에 수냉기구가 반드시 갖추어져야 하므로, 그 결과 프로브와 프로부지지기구가 커지게 되어 조작하기 어렵고 프로브를 승강시키기 위한 기구 역시 커져야만 하므로 장비의 가격이 높아지게 된다.
[본 발명의 설명]
따라서 본 발명은 값이 비싸지 않은 프로브를 갖추고 조작하기 쉬우면서 고용융점 금속에 사용하기에 알맞은 개재물 감지기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용융금속속에 집어넣어 이 용융금속 속에 있는 개재물을 전기적 감지구역방법으로 검출하는 용융금속 개재물의 감지기에 있어서, 상기 개재물을 검출하기 위해 용융금속 속에 삽입되는 프로브와 이 프로브를 지지해 주기 위한 지지기구가 서로 분리할 수 있게 연결되고, 또 상기 프로브가 단 1회의 측정만 하도록 된 프로브로 된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 프로브는 용융금속 속으로 삽입되는 부분에 용융금속이 내부로 유입될 수 있게 하는 오리피스를 갖춘 전기적 절연체의 튜브와, 이 튜브의 내벽 및/또는 외벽에 각각 설치되어 내부 및 외부전극 역할을 하는 전기적 전도체인 내부튜브 및/ 또는 외부튜브로 이루어져 있다.
상기 프로브는 전기적 절연체로 만들어진 튜브의 오리피스에 해당 용량보다 용융점이 낮은 재질로 만들어진 금속막이 덮어 씌워져, 프로브의 내부를 부압(負壓)상태로 만들어 줄 수 있도록 밀봉시키고, 프로브가 용융금속 속으로 주입될 때 상기 오리피스를 막고 있던 금속막이 용해되어 내부의 부압에 의한 영향을 받아 용융금속이 금속내부로 유입되어지게 한다.
한편, 전기적 절연체인 튜브내부는 2개의 체임버로 이루어져, 이들 체임버가 이 체임버의 직경보다 훨씬 작은 직경의 구멍으로 상호연결되고, 상기 구멍이 냉각구역을 이루도록 하여, 오리피스가 개방되었을 때 상기 제1체임버로 유입되는 용융금속이 상기 냉각구역에서 응고되도록 함으로써 다음 체임버에 유입되어 들어가지 못하도록 한다.
따라서 본 발명은 용융온도가 최소한 1500℃이상인 철 및 강철과 같은 금속의 정련은 기본적으로 단일 가마처리(batch treatment; 예컨대 컨버터내에서 처리, RH처리등)를 하고, 연속적인 주조작업에서도 단일 가마내에 있는 개재물의 레벨을 급격하게 변하지 않는 점을 이용한 것으로서, 즉 통상적인 사용을 위한 강철을 정련하는데 있어서는 연속적인 주조작업중이라 할지라도 일반적인 개재물의 레벨을 연속하여 모니터할 필요가 없고, 많은 경우에 있어서는 각 가마의 대표적인 개재물 레벨치만 결정하면 충분한 것이다.
그러므로 본 발명은 1회용 프로브를 채택하였고, 또 이 프로브는 급속 해제(quick-release) 조인트로 프로브를 그 지지기구에 간단하게 연결 및 분리시킬 수 있도록 한 구조를 사용하여 그 효과를 높이는 한편, 본 발명의 프로브는 그 입구쪽에 형성되어 개재물을 검출하기 위한 오리피스를 구비하고 있는 용융금속 주입체임버와, 이 체임버의 뒤쪽에 구비되어 다음의 제 2체임버와 연결시켜주는 냉각구역 및, 상기 오리피스앞에 설치되어 이 오리피스를 밀폐시켜주고 있다가 용융금속과 접촉하면 용해되어 상기 용융금속 주입체임버를 개방시키는 금속막으로 이루어져 있다.
그러므로 본 발명에 따른 구조는 다음과 같은 여러가지 유리한 효과를 갖는다.
(1) 프로브 몸체의 비용을 낮춘다. 이 프로브는 1회용이므로, 값이 싼 재질로 만들 수 있고 무게를 줄일 수 있다. 그러나, 그 사용수명을 최소한 2분 길게는 10분이 되도록 만들 수 있으므고 1회측정만으로 충분한 조건에서는 사용하기에 전혀 문제가 없다.
(2) 조작이 쉽고 조작기구를 간단하게 할 수 있다. 1회용 프로브는 가벼우므로 다루기 쉽고, 또 수냉기구를 사용할 필요가 없으므로 프로브의 조작기가 간단해지며, 조작자가 프로브지지기구를 자신의 손에 잡고 측정을 할 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 장치를 사용하여 1개의 가마에 대표적인 측정을 함으로써 프로브의 비용을 줄일수 있고 조작기구 사용을 줄일 수 있게 된다.
[도면의 간단한 설명]
이하 종래의 ESZ방법과 그 장치를 더욱 자세히 설명하고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브를 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.
제1(a)도 및 (b)도는 ESZ방법으로 개재물을 검출하는 원리를 설명하는 개략도이고,
제2도는 ESZ방법을 이용하여 개재물을 연속적으로 측정하는 별도의 외부 전극을 갖춘 종래의 개재물 감지프로브의 종단면도.
제3도는 본 발명에 따른 1회용 프로브가 외부 배출시스템에 연결된 실시예를 제2도와 같은 방법으로 도시한 종단면도.
제4도는 본 발명에 따른 1회용 프로브가 내부진공체임버를 갖추고 있어 외부배출시스템을 필요로 하지 않는 실시예를 제2도와 같은 방법으로 도시한 종단면도.
제5도는 본 발명에 따른 1회용 프로브의 또 다른 실시예에 대한 종단면도.
제6도는 제5도의 6-6선 단면도.
제7도 및 제8도는 본 발명의 실시예와 종래의 프로브로 측정한 동일한 용융강철속에 있는 개재물의 입자크기 분포를 나타낸 그래프이다.
[종래방법과 그 장치의 설명]
제1(a)도는 벽에 형성된 직경 D의 부도체의 오리피스(10)를 통해 전도체인 유체(14), 즉 용융금속이 유동하는 상태를 도시한 것으로, 상기 유체중에 편승되어 있는 직경 d의 비전도체의 매개물입자(12)가 상기 오리피스를 통과하면서 상기 개개의 매개물입자가 각각의 전기적 저항변화를 일으키게 하고 그 결과 제1(b)도에 도시한 바와 같은 전위차 펄스 △V를 발생시키게 된다.
제2도는 상기한 바의 원칙을 적용하여 연속적인 측정을 하도록한 종래의 개재물 감지기에 대한 단면도로서, 외부전극이 이 감지기의 몸체부분으로부터 분리되어 있는 것으로 이 도면에는 도시되어 있지 않고, 전기전도성 내열재질로 만들어진 중공(中空)의 내부전극(21)이 석영튜브(20)내면에 지지되어 흑연보강부재(22)를 통해 전극봉(23)과 연결되어 있다.
상기 석영튜브(20)의 하단부가까이에는 오리피스(24)가 형성되어 있고, 또, 이 튜브(20)의 주변에는 슬래그를 막아주는 보호층(25)이 둘러싸여져 있으며, 이러한 석영튜브(20)전체 구조를 0-링(26)이 장착된 커플러(27)를 통해 수냉식 지지구(28)에 걸려져 있다.
또 용융금속중의 개재물 측정 감지기의 선행기술의 한 예로써 유럽 공개특허 공보 EP-Al65,035가 있다. 즉 이 감지기는 외부전극(10)과 내부전극(12)이 공간부(38)를 두고 절연상태로 상부의 헤드부재(30)(32)에 직결하여 내외전극으로 프로브의 용기를 이루고 있고 프로브 하단부에는 개구를 형성하여 그 중앙부에 소공의 오리피스(16)가 형성된 원판(14)를 프랜지(24)와 절연 디스크(26)(28)로 장착한 구조로 되어 있으며, 측정시에는 프로브의 일부만을 용융알루미늄에 침지하고 프로브헤드의 구멍(36)으로 배기하여 프로브 내부를 감압시키어 오리피스로 유입되는 용융금속의 전기저항치를 내외전극(10)(12)에 의하여 측정하에 되어 있다.
이러한 구성의 감지기는 700℃정도의 저온에는 비교적 적합하나, 본 발명의 감지기처럼 1550℃의 고온용강(溶鋼)의 슬래그층 하부 깊숙히(1m이상) 집어 넣어 1회용으로 측정하는 감지기로는 구조상 사용할 수 없다.
프로브와, 프로브헤드부분이 모두 용융금속속에 침지되면 고열로 인하여 프로브헤드의 가스킷의 유약으로 기밀성의 유지가 불가하여 급배기 작용에 의한 프로브 내부의 감압이 거의 불가능하여 용융금속을 흡입을 할 수 없기 때문에 개재물의 측정이 불가능 하게 된다. 또 외부전극(10)과 내부전극(12)을 공간부(38)로 두면 용강의 고열와 압력에 의하여 전극판의 소재가 유약하게 되면서 내외 두 전극이 유착되므로 역시 측정불능으로 된다. 또 공간부(38)에 내화물질을 채워도 상기한 바와 같이 프로브헤드의 기밀성유지가 어렵기 때문에 개지물의 측정이 어렵고 프로브헤드를 강한 수냉으로 하면 전극(10)(12)을 통한 냉각작용으로 오리피스를 통과하는 용탕이 응고되어 측정 불가능하게 된다. 또 내열성이 강한 재질로 구성했다고 해도 용융강의 경두 슬래그층이 두텁기 때문에 프로브의 일부만을 침지하면 슬래그층에 의하여 오리피스에 대향된 전극에 비전도성 피막이 피복되기 쉬워 측정기능이 상실되는 등의 문제가 있어 본 발명의 목적으로는 대체 사용할 수도 없고 기술적용도 불가하다.
[본 발명 실시태양]
제3도는 외부 흡입시스템을 적용시킨 본 발명의 감지기(40)구조를 도시한 것으로서, 이 실시예에 있어서는 프로브(41)와 프로브 지지기구(42)가 상호 분리할 수 있도록 소정의 연결수단에 의해 연결되어 있다.
본 발명의 프로브는 1회만 사용한 후 폐기하도록 된 것이므로 프로브와 프로브 지지기구(42)사이를 기밀상태로 할 필요는 없으나, 의사(擬沙)노이즈신호가 발생되지 않도록 하기 위해 전기적으로 양호한 연결은 필수적이다.
그리고 상기 프로브(41)는 용융금속유입 체임버를 제공하는 중공의 원통튜브(44)를 갖추고 있는바, 이 원통튜브(44)는 직경이 작은 구멍이 형성되어 있는 냉각부(52)에 의해 외부체임버(40a)와 내부체임버(40b)로 나누어져 있고, 상기 용탕유입 체임버의 내부는 소정의 연결수단에 의해 프로브 지지기구(42)를 거쳐 외부흡입 시스템(도시안됨)에 연결되어 상기 체임버내부를 부압(진공압)상태로 유지시켜 주게 되어 있다.
한편, 몸체부재(44)의 선단에 형성된 오리피스(45)앞에는 강철보다 용융점이 낮은 재료, 예컨대 알루미늄등으로 만들어진 금속막(46)이 설치되어 있고, 프로브전체의 선단에는 역시 용융점이 낮은 재료로 된 원추형의 슬래그 브레이커 카바(47)가 설치되어 상기 오리피스(45)와 금속막(46)을 보호해 주도록 되어 있으며, 상기 외부체임버(40a)내에는 전기 전도성재질로 된 중공의 원통내부전극(48)이 내벽면에 밀착설치되어 내부전극을 이루도록 되어 있는 한편, 상기 원통 튜브(44)의 바깥면에는 원통외부전극(50)이 설치되어 있는데, 이 원통외부전극(50)은 전기절연층(51)에 의해 상기 몸체부재(44) 및 내부전극(48)과 분리되어 있다.
상기 슬래그 브레이커 카바(47)와 금속막(46)은 모두 오리피스(45)를 밀폐시켜 원통튜브(44)내부의 체임버를 공기흡입에 의해 발생되는 진공압을 유지시키는 한편, 프로브가 슬래그층을 거쳐 용융금속 속으로 들어갈 때 슬래그가 원통튜브(44)속으로 들어가지 못하게 하는 역할을 한다.
이러한 상기 2가지 부재(46, 47)의 작용으로 인해 슬래그가 프로브속으로 들어오지 못하고, 또 원통튜브(44)또는 내부전극(48)의 내면에 슬래그가 달아 붙지 않게 되므로 슬래그로 인한 전기적 접촉의 불량 및 불안정한 신호의 발생이 일어나지 않게 된다.
상기 플래그 브레이커 카바(47)과 금속막(46)의 용융점은 측정하고자 하는 용융금속의 용융점보다 최소한 10℃이하가 되게 하는 것이 바람직하고, 그 두께는 0.1~1.0mm로 하는 것이 바람직한데, 이 두께의 칫수는 사용하기 전에 그 자체의 강도를 유지해줌과 더불어 프로브를 용융금속속에 집어 넣을 때 빨리 녹아 약 2분동안의 사용가능시간내의 프로브내부로 용융금속이 주입되어 들어갈 수 있도록 하기 위한 것이다.
실제 사용할 때 상기 프로브부분(41)은 가마안에 있응 용융금속의 탕(湯)표면 아래로 최소한 1내지 2m정도 추진되어 내려가야 하는데, 이 깊이에서는 슬래그층과 강철의 비교적 높은 밀도 때문에 오리피스(45)에 거의 정적인 수두압이 작용하게 되고, 이러한 정적수두압은 어떤 실시예에 있어서는 프로브속으로 용탕이 주입되게 하는데 충분한 압력으로 작용할 수 있지만, 일반적으로는 프로브내부의 압력을 줄임으로써 용융금속의 주입이 쉽게 이루어지게 된다.
용탕주입통로를 이루는 상기 원통튜브(44)는 프로브속으로 용융급속을 주입시켜 주기 위한 용기역할을 하고, 상기 원통튜브(44)속으로 정정수두압, 또는 흡입력에 의해 용융금속이 오리피스(45)를 통해 흡입되어 들어올 때 이 용융금속속에 함유되어 있는 개재물입자의 크기와 개수가 상기 전극(48, 50)사이의 전기적 저항의 변화로써 측정되어지게 된다.
이러한 목적으로 상기 전극(48, 50)은 케이블(56)에 의해 외부의 측정장치와 연결되고, 상기 원통튜브(44)는 용융점이 높은 금속 또는 전기 전도성이 있는 세라믹 및 기타 다른 적절한 재료로 만들어지는 바, 이에 대해서는 나중에 더욱 자세히 설명한다. 그리고 상기 튜브(44)의 내부는 제3도에서 화살표로 나타낸 바와 같이 배출 시스템에 직접적으로 연결된다.
상기 원통튜브(44)의 직경은 일반적으로 2.5∼10.0㎝로 하고, 그 벽두께는 1∼5mm의 범위로 하며, 상기 전극(48)의 두께는 원통튜브(44)의 두께와 같은 범위로 한다. 그리고 상기 외부체임버(40a)의 길이는 약 2.5∼l0㎝정도로 하고, 외부체임버(40a)와 내부체임버(40b)를 분리시키는 냉각구역(52)은 0.1~5mm범위의 직경을 갖는 원형단면을 갖도록 하며, 그 길이는 1∼10mm의 범위내에 있게 한다.
상기 내부체임버(40b)는 대체적으로 외부체임버(40a)와 거의 동일한 폭으로 하고, 이들 체임버(40a, 40b)의 체적을 변화시키고자 할 때에는 그 길이를 가변시킴으로써 이루어지게 한다. 그런데 이들 체임버의 칫수와 용융금속의 유속은 용융금속이 상기 냉각구역(52)에서 응고되어지게 하여 용탕이 내부체임버(40b)와 배기시스템에 접근하지 못하도록 결정한다. 또한 주입되는 용융금속의 량은 외부체임버(40a)의 체적과 동일한 량만큼만 주입되게 함으로써 이 외부체임버의 체적은 이미 알고 있는 사항이기 때문에 펄스의 전체적인 개수만 세어지면 용융금속의 단위체적당 개재물의 개수를 결정할 수 있게 된다.
그리고 상기 절연층(51)은 5∼15mm범위의 두께를 가지고 외부원통전극은 2∼6mm범위의 두께를 가지면, 이들의 특정 두께는 어느정도 이들 요소에 대한 재료의 선택에 따라 달라진다. 그리고 외부체임버(40a)의 내부에는 원추형 편향부재(49)가 오리피스(46)가까이에 그 원추형꼭지점이 오리피스쪽을 향하도록 설치되어 있는 바, 그 설치상태가 제6도에 평면으로 도시되어 있고, 이러한 편향 부재(49)로서의 적절한 재료는 예컨대 얇은 1% 카본스틸이다.
따라서 오리피스(45)를 통해 유입되는 용융금속이 상기 편향부재(49)를 치면 체임버(40a)의 안쪽으로 굽어지면서 용융금속이 상기 냉각구역(52)의 구멍에 즉시 닿지 못하도록 하고, 이 외부체임버(40a)가 완전히 채워지기 전에 상기 구멍을 막아줌으로써 소정의 시간동안 외부체임더(40a)로 주입되는 용융금속의 량을 줄여 주게 된다.
한편, 상기 프로브(즉 튜브(44), 배기시스템등)는 이 프로브가 용융금속속에 소정시간동안 삽입되어 작동되어지도록 하기 위해 그 주변이 보호내화 재료로된 내화층(55)으로 둘러싸여져 있는바, 이 내화층은 Mg0 또는 A1203와 같은 내화재질로 만들거나 종이로 만들어진 값싼 재질로도 할 수가 있다.
본 발명의 1회용 프로브는 급속해제 조인트(quick-release joint)와 같은 적절한 연결기구에 의해 재사용이 가능한 프로브지지기구(42)의 홀더에 연결되어 있어, 측정을 실시한 후 프로브부분은 홀더에서 분리하여 버리고, 다음 측정을 하고자 할 때에는 상기 홀더에 새로운 프로브를 장착하여 사용한다.
제4도에 도시한 장치는 제3도의 장치와 기본적으로 그 구조 및 작동방법이 동일하나 원통튜브(44)의 구조가 상이한 바, 이 원통튜브(44)의 내부체임버(40b) 내부에 아무것도 없이 완전하게 비우고 약 1∼90KPa의 압력으로 감압시킨 다음 금속막(45)으로 프로브를 밀봉시킨다. 따라서 상기 금속막(45)과 슬래그 브레이커 커버(47)에 의해 밀봉되는 외부체임버(40a)는 진공압(부압)상태로 유지되게 되고, 이 상태에서 프로브를 용융금속속에 집어 넣는다.
여기서 프로브를 프로브지지기구에 연결시키는 방법을 설명하지는 않았지만 프로브내부를 흡입시스템에 연결시키는 수단을 갖추고 있는 한 제3도의 프로브와 동일한 홀더를 사용할 수가 있고, 외부전극(50)의 배치와 보호절연층(55)의 설치 등을 제3도의 프로브와 동일하게 할 수 있다.
상기 슬래그 브레이커 커버(47)와 금속막(46)이 용해되면 곧바로 튜브(44)의 외부체임버(40a)속으로 용융금속이 흡입되어 들어와 냉각구역(52)에서 응고되면 상기 외부체임버(40a)속에 소정량의 용융금속이 주입된 상태에서 흡입이 중지되는데, 상기 외부체임버(40a)와 내부체임버(fOb)의 체적비율에 따라 흡입력이 결정되고, 또 소정의 초기 흡입압력이 결정되지만, 일반적으로 내부체임버(40b)의 체적에 대한 외부체임버(40a)의 체적비는 대개 1:1 이내로 하는 것이 바람직하고, 냉가구역(52)의 칫수와 외부체임버(40a)의 칫수는 제3도의 프로브와 동일하게 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 프로브가 용융금속속으로 깊이 들어가면 높은 정적수두압이 가해지게 되므로 프로브내부의 압력을 낮추어줄 필요는 없고, 용융금속이 외부체임버(40a)속으로 주입되어져 들어감에 따라 이 체임버(40a)내부의 압력이 높아지면서 대기압상태로 바뀌어 이 압력이 냉각구역(52)에 있는 구멍을 통해 내부체임버(40b)로 전달되게 되는바, 상기한 바와 같은 내부체임버(40b)의 체적이면 이러한 작용이 이루어지게 하기에 충분하다.
또한 제5도의 실시예는 기본적으로 제3도 및 제4도의 실시예와 동일한 구조이고 그 작동방법 또한 동일하며 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였다.
상기 3개의 실시예 모두는 수평방향으로 도시되어 있지만 실제 사용할 때에는 슬래그 브레이커 커버(47)가 앞을 향하도록 하여 용융금속속에 수직으로 삽입하게 되어 있으며, 상기 원통부재(44)는 강철로 만들어져 별도의 내부전도성전극(48)이 필요치 않으므로 이 부재의 참조부호를 44(48)와 같이 함께 나타내었다.
그리고 상기 외부체임버(40a)속으로 주입되는 용융강철이 그 강철내벽에 용접 되듯이 접촉하게 되기 때문에 전기적 접촉이 양호하게 되고, 상기 내부전극과 외부전극은 서로 분리되어 내화재료로된 절연층(55)에 의해 몸체44(48)의 주변으로 부터 절연되어 있는 한편, 상기 2개 실시예에서의 원통형 걸연층(51)앞부분은 그 중심에 오리피스(45)가 형성되어 있는 별개의 얇고 편편한 원형디스크(53)로 대체되어 있다. 또한 상기 외부전극(50)은 강철로 만들 수가 있으며, 상기 절연층(51)은 가능한 장치의 앞쪽을 향하여 뻗어나와 전극의 가능한 많은 부분이 일반적인 2분간의 사용시간중에 용탕과 충분한 접촉이 이루어지도록 되어 있다.
상기 오리피스(45)의 크기는 연구결과에 따른 금속의 순도와 개재물의 성질에 따라 비교적 폭넓게 변화시킬 수가 있는바, 그 최소치는 200미크론이 적당하지만 일부 종류의 강철에서는 250미크론 정도의 개재물이 포함되어 있으므로 오리피스의 크기를 1.2mm로 하여야 할 필요가 있는 경우가 있다. 오리피스를 이렇게 크게 하면, 프로브내부의 압력을 낮추기 않고 또 아래에서 설명하는 바와 같이 프로브내부가 대기압 이상인 경우에도 용융금속의 정적수두압만으로 프로브속으로 용융금속이 유입되게 된다.
강철속에서 발견되는 알루미나 또는 알루미나 실리케이트와 같은 일부 개재물은 내화재질에 달라붙는 경향이 있기 때문에, 이들 개재물이 오리피스에 축적되거나 이 오리피스를 최소한 부분적으로 차단시키게 되기 때문에 이러한 현상이 일어나지 않도록 하는 것이 중요하다.
이러한 현상을 최소한으로 줄이는 방법중의 하나는 오리피스의 입구와 출구의 모형을 부드럽게 라운드지게 하여, 프로브로 유입되는 용융금속의 흐름이 가능한 난류화되지 않고 재순환하지 않게 하는 것인데, 오리피스의 등심선 구멍형상을 경제적으로 쉽게 라운드형상으로 가공할 수 있게 하는 것은 디스크(53)의 재질선택에 따라 영향을 받게 된다. 예컨대 실리카튜브에 있어서는 먼저 시계 제조용 다이아몬드드릴을 이용하여 구멍을 뚫은 다음, 마이크로 토오치(산소-아세틸렌)로 상기 뚫은 구멍의 선단을 가열하여 실리카를 부분적으로 녹이므로써 그 표면에 가해진 에너지에 의해 구멍이 원하는 바의 형상이 되도록 한다. 이 때 처음 드릴로 뚫는 구멍의 크기는 다음 과정을 거친 최종적인 오리피스의 원하는 바 크기가 되도록 선택하여야 하는데, 별도의 내화디스크(53)를 사용함으로써 프로브에 설치하기전에 상기한 바의 방법으로 출구와 입구를 편리하게 형성시켜 줄 수가 있다.
한편, 교류발생과 부착물에 의한 잠재적 방해를 피하기 위한 다른 방법으로서는 유동물(flow)의 레이놀즈수(Reynolds number)를 2000이하로 하는 것인데, 그 이상으로 하면 오리피스의 형상에 따른 유체의 통로를 유선형으로 한다고 하더라도 유동물(유체)의 흐름이 난류화되기 때문이다.
이 레이놀즈수는 다음 관계식으로 주어지는바,
여기서, ρ = 유체의 밀도
v = 유동속도
d = 오리피스의 직경
μ = 유체의 점성계수이다.
상기한 바에서 ρ와 μ는 적용하는 방법에 의해 셋팅되어지고, V와 d만이 프로브의 설계에 의해 결정되어지며, 또 이들은 상호 밀접한 관계를 가진다. 그런데 d의 선택은 측정하고자 하는 개재물의 크기에 따라 약간 제한되지만 V는 두 체임버(40a 및 40b)의 체적의 비율, 구멍(52)의 크기, 두 체임버내의 내부 압력등과 같은 프로브의 내부구조에 의해 조절되어 질 수 있다. 그리고 직경이 큰 오리피스가 필요하다면 비교적 압력차를 작게하여 유동속도를 요구되는 바의 정도로 느리게 할 필요가 있다.
[재료-전극 ]
용융금속과 전극사이의 전기적접촉이 좋도록 하여 LiMCA시그날이 전기적 노이즈에 의해 불분명하게 되지 않도록 하기 위해 2개의 전극사이의 유동경로가 전기적 감지구역을 따라 전극에 대해 가능한 많은 용융금속의 접촉이 이루어지도록 하는 것이 중요한바, 전극의 재질을 적당한 것으로 선택함으로써 분명히 전극 이 용융금속과 반응하지 않게 되어 전기적으로 절연시키는 산화물 또는 다른 비 전도층을 형성시키지 못하게 하여야 한다.
예컨대 용해된 산소를 함유하는 용해된 구리속에 있는 철전극은 그 표면이 산화되어 전류를 구리속으로 부드럽게 통과시킬 수가 없으므로, 대신 구리와 함께 고용체를 형성시키고 조금씩 용해되는 니켈을 사용하여야 한다.
반면에 용탕에 대한 활성이 없고 또 친화력이 없는 전극재료(예를들어 용융알루미늄 속의 흑연과 같이)는 바람직한 것이 못되는바, 왜내하면 표면의 산화물 필름으로 인해 또는 물체가 금속의 자유표면 아래로 밀려내려갈 때 부득이하게 형성되는 얇은 개스경계층 때문에 전극과 용융금속사이에서 전류의 통과가 저항을 받기 때문이다.
흑연을 전극의 재질로 사용하는 경우도 만약에 용융금속속에 용해된 산소가 상당양(약 10 ppm이상)포함되어있을 경우에는 문제가 되는바 이는 오신호(誤信號)를 보내거나 심지어는 신호의 통로를 완전히 봉쇄할 수 있는 일산화 탄소버블을 생성하는 경향이 있기 때문이다.
도움이 되는 한가지 방식은 LiMCA 방식에서 채택한 바와 같이 시험 전류의 적용에 앞서 단시간동안 다량의 조절 전류를 사용하는 것 인데 이는 전극과 용융금속 사이의 전기적 저항을 증가시키게되는 그 지역에 있는 산소 또는 개스층을 태워버리는데 도움이 되는 것으로 믿어지기 때문이다. 또한 전극의 재질을 선택함에 있어서 용융금속에 대하여 화학적으로 약간 반응하는 재질을 택하는 것도 유용하다. 용융알루미늄의 경우에는 연강 전극이 사용될 수 있는바, 이는 알루미늄철(FeA3)과 같은 중간합금(intermetallics)을 형성하지만 동시에 전극과 용융금속의 사이에 양호한 전기적 및 열의 통로를 형성하기 때문이다.
용융강철, 특히 함유산소레벨이 낮은 알루미늄킬드 용융강철인 경우에 있어서는 탄소가 전기 전도성이 좋고, 또 강철속에 천천히 용해되어 들어가기 때문에 좋은 재료이고, 또 저탄소강인 경우에서는 탄소가 90℃에 약간 못미치는 접촉각도를 가지므로, 용융금속과의 접촉상태가 비교적 좋다고 할 수 있다. 참고로 흑연을 선택하는 순수한 효과는 전극이 용융금속과 실제 순간적으로 양호한 접촉이 이루어진다는데 있다. 또한 흑연을 일반적인 강철제조온도(1500∼1650℃)에서 용해되지 않으므로 프로브몸체를 지지하는데 필요한 기계적 강도를 제공할 수가 있다. 또한 흑연은 일반적인 강철제조온도(1500∼1650℃)에서 용해되지 않으므로 프로브몸체가 실리카(silica)와 같은 전기적 절연체의 재질로 되어 있을 경우에 그 프로브몸체에 대하여 기계적지지를 제공하는데도 사용될 수 있으므로 매우 유용하며, 튜브44는 실시예 제3도 및 제4도에 있는 동심의 내부 및 외부 흑연 전극안에 포함되어 있다.
실리카는 약 1740℃정도에서 녹고 강철이 용융되는 온도에서는 약간 연화되게 되므로 프로브 몸체를 지지해주기 위한 그러한 지지구를 필요로 하게 된다.
제5도의 실시예와 연관하여 설명한 바와 같이 흑연에 대한 대체물로서 강철 또는 텅스텐이나 몰리브텐과 같은 기타 용융점이 높은 금속이 있는바, 이러한 재료로 된 전극은 용융강철과 친화력이 있다는 잇점이 있고, 또 몰리브텐과 텅스텐은 용융금속에 대한 가용성이 한정되어 있어 일단 산화오염물질을 제거 및 용해시키고나면 완전한 전기적 접촉이 이루어지게 된다.
강철의 경우에 있어서는 대체적인 순수강철로 된 외부전극이 1540℃에서 용해된다기 보다는 용융되고, 이는 상기 내화층(55)에 의해 제한을 받게 되므로 이에 따라 그 성질에 맞추어 적절한 두께와 재질의 절연 내화재를 선정하여야 하며, 기타 다른 적절한 전극재료로서는 지르코디보라이드(ZrB2)가 있지만 이것은 값이 비싼재료이다.
[재료-오리피스 지지체]
오리피스(45)가 형성되어 있는 프로브부분을 이루는 바람직한 전기적 절연 및 단열재료는 용융된 실리카인바, 이는 연화에 관한 문제가 있기는 하지만 쉽게 구할 수가 있고 가격이 싸며, 등심선 형상으로된 오리피스를 필요한대로 비교적 쉽게 형성시킬 수가 있기 때문이다. 또한 실리카는 철과 강철에 의해 화학적으로 영향을 받으므로 용탕이 이를 통과할 때 오리피스가 깨끗해지게(확공)되므로 좋은 상태의 신호를 얻게 된다. 그리고 상기한 바와 같은 고압의 초기 조절 전류를 사용하는 것이 유익하고, 실리카와 강철사이의 접촉시간을 최대로 하는 것이 좋으며, 유동속도를 너무 빨리하는 것은 좋지 않다는 것을 알수 있었다.
기타 다른 적절한 재료로서는 이미 채택하여 왔던 보론-니트라이드(BN)와 알루미나(A1203)가 있는데, 상기 보론-니트라이드를 사용하면 오리피스를 쉽게 만들 수가 있지만 그 선단을 라운드지게 하기가 어려운 한편, 산소 함유량이 많은 (예: 1,000ppm이상) 금속은 보론-니트라이드가 빨리 부식되기 때문에 피해야 한다.
이하 본 발명은 다음의 실례들로써 더욱 상세히 설명한다.
용융강철속에 있는 개재물의 농도는 제4도의 프로브를 이용하여 측정되었는바, 상기 슬래그 브레이커 커버(47)와 금속막(46)은 알루미늄으로 만들어지고, 원통튜브(44)은 스테인레스 강으로 만들어지며, 내.외부전극은 흑연으로 만들어지는 한편, 오리퍼스(45)가 형성되어지는 내화절연층(51)은 석영으로 만들어졌다.
그리고 상기 오리피스의 직경은 300 마이크로미터이고, 외부체임버(40a)의 체적은 50㎠, 내부체임버(40b)의 체적은 100㎠ 및 튜브내부의 초기압은 75KPa였다.
상기 프로브는 손으로 잡은 홀더를 이용하여 연속으로 주조하기 위한 용기(tundish)속에 있는 1565℃ 용융강철속으로 집어넣어, 이 강철용탕속에 있는 비철개재물의 입자크기분포와 농도를 측정하였는바, 이 용융강철의 혼합물은 다음 표 1과 같다.
측정된 바와 같은 개재물의 입자크기 분포는 프로브를 강철용탕속에 90초동안 담가 두었을 때 도달한 정적상태는 제7도에 도시된 바와 같았고, 비교를 위하여 동일한 용융강철속에 있는 비철금속 개재물의 농도와 입자크기 분포는 제2도에 도시된 바와 장치를 이용하여 ESZ 또는 LiMCA방법에 의해 측정하였는바, 그 결과는 제8도에 도시된 바와 같이 제7도의 결과와 거의 유사하였다.
제2도의 프로브는 알류미늄으로 만들어진 프로브 지지기구와, 황동으로 만들어진 커플러(27), 알루미늄으로 만들어진 수냉식 홀더(28), 강철로 만들어진 내부전극봉(23), 흑연으로 만들어진 내부전극(21), 석영튜브(20), 세라믹섬유로 만들어진 방열차단재, 고알루미나시멘트로 만들어진 슬래그방지층(25) 및, 내열고무로 만들어진 0-링(26)을 구비한 구조로 되어 있다.
아래 표 2는 상기한 제2도에 도시한 비교예의 프로브와 제3도 및 제4도에 도시한 바의 본 발명에 따른 프로브에서 각 프로브당 무게와 비용 및 전체 장비의 비용을 비교하여 나타낸 것으로서, 비교예의 무게가 5㎏인 반면에 본 발명의 프로브 무게는 I㎏이고, 각 프로브쌍 비용은 약 10%절감되며, 전체장비의 비용은 10∼ 15%절감되었다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 프로브는 비교예와 비교하여 비교적 값이 비싸지 않지만, 연속측정용인 종래의 프로브에 비해 충분하게 정확한 측정을 할 수가 있으며, 조작하기가 쉬우므로 여러 가지 편리한 점이 있다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 석영튜브(종래기술) 21 : 내부전극(종래기술)
22 : 흑연보강부재(종래기술) 23 : 전극봉(종래기술)
24 : 오리피스(종래기술) 25 : 슬래그 방지층(종래기술)
26 : 0-링(종래기술) 27 : 커플러(종래기술)
28 : 수냉식지지구(종래기술) 40 : 감지기
40a : 외부체임버 40b : 내부체임버
41 : 프로브 42 : 프로브지지구
44 : 원통튜브 44(48) : 몸체부재
45 : 오리피스 46 : 오리피스금속막
47 : 슬래그 브레이커 커버 48 : 원통내부전극
49 : 원추형편향부재 50 : 원통외부전극
51 : 절연층 52 : 냉각구역
53 : 내화디스크 55 : 내화층

Claims (5)

  1. 용융금속중에 침지하여 엘렉트릭 센싱죤법(E. S. Z. 법)에 의해 용융금속중의 개재물을 검출하는 감지기로서, 개재물을 검출하는 프로브와 이 프로브지지구를 절연내화물을 개재하여 분리가능하게 접속되는 구성으로 한 1회용 프로브 타입으로, 상기 프로브의 적어도 선단 일부에 용융금속 유입용의 오리피스를 구비한 절연튜브로 구성하고, 이 튜브의 내측과 외측에 도전성 내통과 외통을 각각의 전극으로 장착하며, 상기 프로브의 내부를 밀폐감압구조로 하여 용융금속중에 상기 프로브를 침지하였을 때, 상기 오리피스를 차폐하고 있는 금속막이 용해 하여 프로브내에 이 오리피스를 통하여 용융금속이 유입되는 구조로 한 것을 특징으로 하는 1회용 용융금속용 개재물의 감지기.
  2. 제1항에 있어서, 용융금속중에 침지하여 엘렉트릭 센싱죤법에 의하여 용융금속중의 개재물을 검출하는 감지기로서, 개재물을 검출하는 프로브와 이 프로브 지지구를 절연내화물체를 개재하여 분리 가능하게 접속하는 구성으로 한 1회용 프로브 타입으로, 상기 프로브 본체를 절연내화물로 구성하고 적어도 그 선단부를, 선단에 각각 내연(內延) 플랜지가 형성되어 서로 절연된 내측 및 외측에 도전성의 내통과 외통으로 구성하여서 각각 전극으로 하며, 상기 내연 프랜지 사이에 오리피스를 형성한 절연판을 협지하고 상기 프로브 내부를 밀폐감압 구조로 하여 용융금속중에 상기 프로브를 침지하였을 때 상기 오리피스를 차폐한 금속막이 용융하여 상기 프로브 내에 오리피스를 통하여 용용금속이 유입되는 구조로 형성한 것을 특징으로 하는 1회용 용탕 개재물의 감지기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도전성 외통의 내연 플랜지의 절연판을 둘러 싼 주연부를 제외한 적어도 이 도전성의 외통전체를 절연재층으로 피복한 것을 특징으로 하는 1회용 용융금속용 개재물의 감지기.
  4. 제1항 내지 제3항중의 어느 1항에 있어서, 상기 내통을 내측전극으로 하고 외통을 설치함이 없이 외측전극은 별도로 간격을 두고 형성한 것을 특징으로 하는 1회용 용융금속용 개재물의 감지기.
  5. 제1항 내지 제3항중의 어느 1항에 있어서, 밀폐감압구조의 상기 프로브내부에 냉각구역을 구성하는 세공(細孔)으로 연관된 2개의 체임버를 구성한 것을 특징으로 하는 1회용 용융금속용 개재물의 감지기.
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