KR100390267B1 - 용융물로부터방사되는전자기파의측정방법및측정장치 - Google Patents

용융물로부터방사되는전자기파의측정방법및측정장치 Download PDF

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KR100390267B1 KR10-1998-0704701A KR19980704701A KR100390267B1 KR 100390267 B1 KR100390267 B1 KR 100390267B1 KR 19980704701 A KR19980704701 A KR 19980704701A KR 100390267 B1 KR100390267 B1 KR 100390267B1
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Abstract

용융물(3), 특히 금속 용융물의 내부로부터 방사되는 전자기파를 측정하는 방법으로서, 가스로 충전된 중공 공간(26)이 송풍 가스에 의하여 용융물(3)내에 형성되고, 용융물(3)로부터 방사되는 전자기파를 송풍 가스를 통하여 관찰하고 전자기파를 광학 시스템(20)을 거쳐 검파기(22)에 공급하여 평가함으로써 온도 및/또는 화학 성분을 측정한다.
측정치의 오류를 방지하기 위하여, 광학 시스템(22)의 광축(38)에 대하여 경사지고, 광학 시스템(20)의 광축(38)에 그려진 한계 반경(41)을 지나서 실재하는 전자기파(36, 37, 39, 40)로부터 전자기파가 방사되지 않게 하고, 전자기파(36, 37, 39, 40)를 광학 시스템(20)의 파형 분산 수단(42)으로 광학 시스템(20)의 광축(38)으로부터 반사시켜 광학 시스템(20)의 광축(38)에 대하여 대체로 평행인 전자기파만이 광학 시스템(20)에 후속하여 배열된 검파기(22)에 도달하게 하고, 광학 시스템(20)을 광축을 조정하면서 중공 공간(26)에 대하여 이동시켜서 전자기파를 방사하는 강도가 이를 평가하는 동안 최대로 되게 한다(도 2).

Description

용융물로부터 방사되는 전자기파의 측정 방법 및 측정 장치{METHOD AND DEVICE FOR MEASURING ELECTROMAGNETIC WAVES EMANATING FROM A MELT}
전로(轉爐) 또는 임의의 다른 금속 반응로에서 선철을 정련하거나 또는 이러한 금속 용융로내의 다른 용융물을 처리하는 제강 생산에 있어서, 활성 처리 공정중에 용융물의 온도 및/또는 용융물의 분석을 가능한 한 지속적이고 신속하게 얻을 수 있도록 처리 공정을 가능한 짧게 유지하고, 추구하는 목표 분석에 가능한 한 가깝게 도달할 수 있도록 항상 노력하고 있다. 특히, 화학 반응이 고속으로 진행되어 적절한 시간내에 정련 공정 또는 처리 공정을 차단할 수 없는 위험을 내포하므로 신속함이 필요하다. 이러한 장치에 있어서 일반적인 매우 조악한 운전 조건으로는 이들 목적을 달성하지 못한다. 금속 반응로(전로, 전기로, 등)에서의 강 생산에 있어서, 용선 또는 임의의 다른 비철 금속 용융물(예를 들면, 구리, 니켈, 알루미늄)의 2차 야금 처리는, 각 처리 단계 이후에 용융물 온도 및/또는 분석을 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 용융물, 특히 금속 용융물 내부로부터 발생되는 특히 가시광선 영역, 이에 인접한 자외선(UV, ultra violet) 영역 및 적외선 영역의 전자기파를 측정하는 방법 및 이 방법을 실행하는 장치에 관한 것으로서, 송풍 가스에 의하여 가스로 충전된 중공 공간을 용융물내에 형성하고, 송풍 가스를 통하여 용융물로부터 방사되는 전자기파를 관찰하며, 전자기파를 광학 시스템을 거쳐 검파기에 제공하여 평가함으로써 온도 및/또는 화학 성분을 측정한다.
도 1은 본 발명에 따른 설비 전체의 일부 단면 개략도이고,
도 2 및 도 3은 도 1을 상세하게 상이한 형상으로 확대한 도면이고,
도 4는 도 3과 유사한 특정 실시예를 나타내는 도면이고,
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 2의 평면의 횡단면을 각각나타내는 도면이고,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 빔 통로의 개략도이고,
도 9는 도 3과 유사한 바람직한 실시예를 나타내는 도면이고,
도 10은 도 4와 유사한 가스 공급관의 단면도이고,
도 11은 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여, 예를 들면, 전로 플레임(flame)의 스펙트럼 분석 또는 형성된 파장의 단색광에 대한 흡수 효과로부터 정련 공정을 종료하는 정확한 시점에 대한 힌트를 얻기 위한 시도가 행해져 오고 있다. 그러나, 심하게 변하는 송풍 조건, 용융물 용기상의 발포 슬래그 및 배가스에 많이 함유된 분진으로 인하여 용기의 온도 및 용융물의 분석에 대한 충분하고 정밀한 결론을 얻을 수 없다.
또한, 열전대(熱電對)가 캡슐로 싸인 전로의 내화 라이닝내에 삽입하는 온도측정기(DE-B-14 08 873)가 제안되어 있고, 이것은 전로 내부 및 정련할 용융물의 메니스커스(meniscus) 하부에 위치하는 전로의 운전 위치에 돌출된다. 그러나 열전대의 내구성이 불충분할 뿐만 아니라, 측정 장치를 강력 냉각시키는 것이 필요하므로 측정 결과에 역효과를 가져온다.
또한, 소정 시점에서 용융물에 함침된 랜스(lance)를 통하여 용융물의 온도를 측정하는 것이 공지되어 있다. 이 방법을 전로에서의 제강 생산에 적용하는 경우, 전로를 끝까지 기울였다가 다시 바로 세워야 하므로, 철제 용기의 온도가 40℃까지 손실되어 바람직하지 않다. 또한, 이 방법은 전로를 기울이기 전에 송풍 랜스를 먼저 신장시켜야 하고, 측정 후 전로를 다시 세워야 하기 때문에 시간이 많이소모된다. 필요하다면 단지 차후에 송풍 랜스를 회수한 후, 송풍을 계속할 수 있다. 다른 결점으로는 용융물내의 측정점이 임의로만 선택될 수 있어서 거의 다시 재생하기 어렵다는 것이다. 또한, 탐침의 투입 깊이를 정확히 측정할 수 없어서 이것도 거의 재생할 수 없다.
용융물의 화학 분석을 측정하는 것은 실제 더욱 복잡하다. 이를 위하여, 용융물에 함침된 랜스로 샘플을 채취하는 것이 알려져 있다. 전로에서 제강 생산시, 이들 샘플을 채취하는 데 또한 시간이 많이 걸리고-전로를 마찬가지로 기울여야 하고[수직 서브랜스(sublance) 측정은 제외]-, 이 샘플을 실험실로 보내야 하기 때문에 단점을 지닌다.
전로에서의 제강 생산에서, 온도 및 탄소 함유물의 정지점(停止点)을 측정함으로써 신속하게 탄소를 분석하는 것이 알려져 있다. 따라서, 탄소의 동등물을 단지 얻을 수 있을 뿐이므로, 실제 탄소 함유량을 계산할 때는 용융물내에 수반하는 부재 중 일부를 고려해야 한다.
또한, 서브랜스에 의하여 탄소 및 산소 활동도를 분석하고, 전로의 샘플 및 온도 측정치를 얻는 것이 알려져 있다. 그러나, 이것은 서브랜스 수단 자체(및 샘플)가 매우 고가이며, 마모성이 매우 높고, 송풍 공정의 종료를 위하여 액체 슬래그에만 적용할 수 있으므로 바람직하지 않다.
유럽특허 EP-B-0 162 949에는 전로 공간내의 슬래그면으로부터 방사된 광을 사용하여 철제 송풍 전로에서의 슬래그 형성을 관찰하는 방법이 공지되어 있다. 여기서, 광은 광전기적 신호로 변환 및 처리되고, 각종 신호를 발포 슬래그 형성의표준으로 사용한다. 전로의 측벽에 삽입된 수용기(receptor)는 슬래그/용융물 욕조상에 위치하고, 용융물 욕조 온도 및 용융물 조성을 측정하는 데는 적합하지 않다.
미국특허 US-A-4,830,601에는 버너 플레임의 중앙부로부터 조사된 광을 스펙트럼으로 분석 평가하는 방법 및 그 장치가 공지되어 있다. 여기서는 광스펙트럼으로 연료 공급 및 공기 연소를 검사한다, 조사된 광은 광섬유 전도체를 통하여 평가 전자 장치에 전달되고, 연소 공기 및 연료의 공급은 작성된 가스 분석의 함수로서 제어된다.
작업 압력을 상승시켜 고온 환원로에서 환원 가스를 생산하는 공정의 온도를 측정하는 유사한 장치가 독일특허 DE-A-40 25 909에 공지되어 있다.
유럽특허 EP-A-0 214 483에는 상부로부터 산소 또는 산소 함유 가스를 용선의 표면상에 송풍함으로써 철의 화학 성분을 확인하는 것이 공지되어 있고, 용융물 표면으로부터 발생하는 광을 분광 광도계에서 검출하여 철의 화학 성분을 측정한다.
미국특허 US-A-4,619,533 및 유럽특허 EP-A-0 362 577에는 전술한 종류의 방법이 공지되어 있고, 우선 금속 용융물로부터의 방사는 광섬유 도파관(導波管)을 거쳐 검파기에 전달된다. 유럽특허 EP-A-0 362 577에 있어서, 레이저광은 금속면상에 집광되어 플라즈마를 발생한다. 금속면으로부터 조사된 플라즈마광은 렌즈 시스템 및 광섬유 도파관을 거쳐 기초 분석을 위해 분광 광도계에 제공된다. 렌즈 시스템은 조정 가능한 렌즈를 포함한다. 2개의 철선의 강도, 즉 원자선의 강도 및 이온선의 강도가 최소로 되도록 렌즈를 조정한다.
전술한 방법에 있어서, 예를 들면 용융물의 내부로부터 발생하는 전자기파를 검출할 때, 가스로 충전된 중공 공간을 형성하기 위하여 가스를 송풍하는 것은 금속 용융물을 수용하는 금속 용융로의 규격 매니스커스 하부에 위치한 벽개구를 통하여 영향을 받는 것이 바람직하다. 금속 용융로의 전술한 개구의 용융물 방향의 전이 영역, 즉 개구의 가장자리 영역에는, 용융물로부터 방사된 전자기파의 반사로 인하여 개구가 매우 작더라도 측정치에 오류를 야기한다. 송풍 가스로 인하여 고형화된 용융물의 버섯 형상의 피각(incrustation)이 형성되는 경우, 개구의 가장자리를 전체 원주 둘레에 둘러싸고 용융물을 향하여 위치된 비드(bead) 형상을 가지는 피각은 개구를 보호하는 기능에도 불구하고 크기 및 위치를 계속해서 변화시키는 장애 요인을 포함하므로, 피각의 표면 또는 피각에서 용융물로의 전이 영역에서 발생하는 발광이 측정 결과에 오류를 야기한다. 용융물 표면에서만 발생하는 광이 수광되어 검파기에 전달되는 경우에 한하여 정확하게 측정될 수 있다는 것을 알았다. 개구의 가장자리 영역 또는 피각으로부터의 반사는 임의의 다른 표시로 인지할 수 없게 심한 장애, 즉 측정치의 오류를 야기한다.
본 발명의 목적은 전술한 결점 및 곤란함을 방지하고, 용융물(예를 들면, 강, 스테인리스강, 합금철 및 비철금속 용융물)의 원하는 측정치의 측정이 실제적으로 시간이 지연되지 않고, 특히 지속적일 뿐만 아니라 건성 슬래그의 점성에도 간단한 방식으로 가능한 전술한 방법 및 이 방법을 실행하는 장치를 제공하는 것이다. 측정 공정 자체 및 제철 작업의 조악한 조건으로 인한 측정치의 오류가 확실하게 방지되고, 측정치의 오류는 용융물내에 생성된 중공 공간을 매우 작게 하더라도배제된다.
본 발명에 있어서, 전술한 목적은 광학 시스템의 광축에 대하여 경사진 전자기파로 달성되고, 전자기파는 전자기파를 광학 시스템의 광축에 대하여 경사지고 광학 시스템의 광축에 그려진 한계 반경 이내에 있는 전자기파로부터 조사되지 않게 함으로써 검출에서 배제되는 중공 공간의 가장자리 영역으로부터 발생하며, 전자기파를 광학 시스템의 광축으로부터 분산 및 집속 렌즈 수단과 같은 광학 시스템의 파형 분산 수단으로 멀리 반사시키고, 광학 시스템의 광축에 대략 평행인 전자기파만이 광학 시스템에 후속하여 배열된 검파기에 도달하며, 광학 시스템을 광축을 조정하면서 중공 공간에 대하여 이동시킴으로써, 조사되는 전자기파의 강도가 이를 평가하는 동안 최대로 된다.
바람직한 실시예에 있어서, 파형 분산 수단의 다음에는 집속 수단 또는 집속 수단 시스템과 같은 파형 결속 수단이 후속하고, 광학 시스템의 광축에 대하여 대략 평행인 전자기파는 파형 결속 수단에 의하여 집속되어 검파기에 직접 또는 광섬유 도파관을 거쳐 공급되지만, 경사파 및 한계 반경을 지나 존재하는 파형은 이러한 집속에 포함되지 않는다.
다른 바람직한 실시예는 파형 분산 수단 및 연속하여 배열된 파형 결속 수단 모두가 그들의 광축을 조정하면서 중공 공간에 대하여 이동하여, 방사된 전자기파가 그 평가에서 최대치가 산출되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 특히 강한 피각 형성 및/또는 강한 한쪽 면만의 피각형성, 즉 특히 피각 형성이 쉬운 용융물 또는 작은 직경의 용융물내의 중공 공간에서도 최적의 측정 결과를 얻는 것이 가능하다.
용융물 분석을 행하기 위하여, 에너지를 가스로 충전된 중공 공간을 통하여 용융물에 적절하게 공급하여 이 공급된 에너지에 의하여 용융물의 일부가 증발되고, 송풍 가스를 용융물과 화학 반응을 일으키게 하여 용융물의 일부를 증발시키는 것이 바람직하다.
측정 과정을 보호하기 위하여, 용융물로의 유입구 상에 가스로 충전된 중공공간을 형성하도록 유입된 가스는 탄화수소 함유 보호 매체를 함유하는 가스 재킷 또는 다수의 가스 재킷으로 둘러싸이는 것이 적합하고, 바람직하게는 불활성 가스와 혼합된다. 이것은 고형화된 용융물의 피각 형성부에 가스 공급을 확실하게 하고, 측정에 필요한 설비를 실질적으로 유연하게 처리할 수 있게 하며, 수명을 연장시킨다.
용융물의 온도 또는 화학 분석의 측정을 사전에 계산되거나 측정된 변수, 예를 들면 배가스 분석에서의 탄소 계산 또는 측정시 용융물 분석의 대략적인 계산과 결합하는 경우 및 예를 들면 용선과 망간, 크롬, 탄소 함유물과 같은 용융물의 개별 성분의 함유물만을 측정하는 경우, 본 발명의 방법을 단순하고 신속하게 할 수 있다. 또한, 용융물 및 슬래그 용융물에 함유된 기타 성분, 즉 혼합물의 함유량이 이로부터 계산된다.
본 발명에 따른 방법의 정확도는, 측정시 중공 공간내 및/또는 바로 전방에 가스 혼합물을 도입하여 용융물의 실제 온도에 가능한 근접 온도로 조정함으로써 강화할 수 있다.
용융물의 화학 분석은 일치되게 변화되고, 용융물 또는 용융물과 슬래그는가스 또는 용융물내에 도입된 각종의 상이한 가스에 의하여 완전하게 혼합되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 가스로 충전된 중공 공간은 용융물의 상면상에, 예를 들어 용융물내에 함침되는 광학 장치, 광섬유 도파관, 검파기등을 포함하는 가스 공급관에 의하여 형성된다.
본 방법의 발명을 실시하기 위한 장치는
용융물을 수용하는 용융로,
용융로의 개구와 연결되고, 개구를 향하고 즉 용융물을 향하는 가스 배출구를 포함하는 가스 공급관,
가스 배출구를 관측하는 광학 시스템,
용융물로부터 방사되는 전자기파를 기록하는 검파기 및
전자기파를 검파기에 전도하는 선택적인 도파관
을 포함하며,
분산-집속 렌즈 시스템과 같은 광파 분산 수단 및/또는
금속으로 만들어진 용융로에 대하여 이동 가능하도록, 바람직하게는 피봇 가능하도록 배열된 광학 시스템을 특징으로 한다.
바람직한 실시예는,
접속 렌즈 또는 연속하여 배열된 집속 렌즈 시스템과 같은 파형 분산 수단에 후속하도록 배열된 파형 결속 수단 및
파형 결속 수단의 집속 영역에 위치한 검파기 또는 여기에 배열되어 검파기에 이르는 광섬유 도파관을 특징으로 한다.
가스 플러싱 수단(gas flushing means), 특히 전면상의 렌즈 시스템을 세정하는 가스 플러싱 수단을 포함하는 보호관을 광학 시스템용으로 장착하는 것이 바람직하다. 이것은 특히, 예를 들면 슬래그 포머(slag formers), 분말, 특히 분탄과 같은 고체를 가스 공급관을 통하여 측정 시간 동안 용융물내로 송풍하는 경우에 필요하다.
다른 바람직한 실시예에서 파형 분산 수단은 용융물 방향으로 놓인 가스 출구 개구에 대하여 피봇 가능하고, 파형 분산 수단의 광축과 가스 출구 개구의 단면적과의 교차점을 그 단면적 이내에서 조정 가능한 것을 특징으로 한다.
파형 분산 수단 및 파형 결속 수단 양자 모두가 피봇 가능하도록 장착되는 것이 적합하고, 피봇 가능한 장착은 카던식(cardanic) 장착으로 실현하는 것이 바람직하다.
파형 결속 수단의 집속 영역에는 광섬유 도파관의 입구 또는 검파기 중 어느 하나가 장착된다.
적합한 실시예에서는 가스 공급관의 단부가, 탄화수소 가스를 공급하는 관에 연결 가능한 재킷 환형 공간을 구비한 이중 튜브 노즐 또는 다중의 튜브 노즐로 형성된 것을 특징으로 한다. 따라서, 고형화된 용융물의 피각이 형성되고, 이것은 다중 튜브 노즐이 용기, 즉 벽돌 용기내에 잘 보호된 방식으로 배열되도록 가스 주입구를 둘러싼다.
가스 공급관의 단부는 노즐 개구가 탄화수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 불활성 가스, 증기, 오일 또는 물 및/또는 그 혼합물용 하나 이상의 공급관에 연결 가능한 다중 채널 노즐로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 측정 처리를 실행하는 동안 일반적으로 환형갭을 통하여 도입된 가스 또는 액체의 양 및/또는 성분을 조정함으로써 재킷 노즐의 내구성 및 측정의 정확도를 최적으로 할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 가스 공급관의 가스 배출구 방향으로 위치한 레이저빔 장치가 구비되어 있고, 유럽특허 EF-A-0 362 577에 공지되어 있는 바와 같이, 접속 수단이 레이저빔 장치와 결합하는 것이 적합하다.
파형 분산 수단을 포함하고, 용융물내에 매입되는 가스 공급관을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 설비를 운전하는 방법은, 용기에 도달하는 설비 부분을 보호하기 위하여, 용융물의 파괴, 즉 온도를 상승시키거나 또는 용융물을 과열하면서 탄화수소함유 보호 매체의 공급을 지속적으로 또는 단계별로 증가시킴으로써 제어한다.
본 발명의 청구항 3은 도 9에 관한 것이고, 청구항 21은 도 5 및 도 6에 관한 것이다.
다음에, 본 발명을 개략도로 나타낸 여러 가지 예시적인 실시예를 들어 상세하게 설명한다.
금속으로 된 용융로(1), 예를 들면, 일반적으로 용융로(1)에 충전되어 있는 용선(3)의 메니스커스(4) 아래에 위치한 높이의 슬래그층(2)로 덮여있는 용선(3)을 수용하는 내화라이닝된 용융로(진공 용기, 전기로 또는 임의의 다른 반응로 등을 또한 구비할 수 있음)는 가스 공급관(7)이 측벽(6)에 삽입되어 있고, 용융로 측벽(6)의 내측(9)상에 가스 배출구(8)에 의하여 용융로(1)의 내측(10)으로 개방된 개구(5)를 가진다. 예를 들면, 산소, 질소, 공기, 천연가스 또는 그 혼합물과 같은 상이한 가스, 및 선택적으로 예를 들면 분탄 및/또는 슬래그 포머(former) 및/또한 분진 등의 고체가 가스 공급관(7)을 통하여 도입될 수 있고, 전술한 가스는 고체용 반송 매체로서 선택적으로 작용한다. 가스는 탱크(11)에 저장되어 필요에 따라 관(12)을 통하여 배출된다. 고체는 하나 또는 여러 개의 반송 용기(13)에 저장되거나 또는 실재하는 시스템으로부터 배출되어 도 1에 따른 공기와 같은 반송 가스의 도움으로 용융로(1)에 공급된다. 가스 성분, 가스 종류 및 양은 개략적으로 나타낸밸브 스탠드(14)에 의하여 영향을 받는다.
도 2에 나타낸 실시예에 있어서, 가스 공급관(7)의 단부는 재킷노즐(15)로 설계되어 있고, 이 중 질소와 선택적으로 혼합된 탄화수소 가스가 재킷노즐의 중앙 튜브(16)를 둘러싸는 환형갭(17)을 통하여 용융로(1)내로 도입되어, 파쇄 반응으로 인하여 재킷노즐(15)의 마우스를 보호하는 환형의 피각(18)의 형성이 일어나게 된다. 또한 가스 공급관(7)의 단부는 내구성이 문제가 되지 않으면 단순한 튜브(보호 가스 재킷이 없는)로 설계할 수 있다. 여러 개 인접하여 배열된 전자기파용 통로 개구가 구비될 수 있는 스크린(19)으로 구비된 재킷노즐(15)의 축방향 및 그 사이에 정렬되어 배열된 분지관(16')이 중앙 튜브(16)내로 개방된다. 스크린(19)의 후방에는 접속 렌즈로서 작용하는 광학 시스템(20)이 구비되어 있고, 광학 시스템(20)의 후방에는 예를 들어 유리 섬유 전도체인 광섬유 도파관(21)의 단부가 구비되어 있다. 광섬유 도파관(21)은 전자기파에 반응하는 검파기(22)에 연결되고 증폭기 및 전자 평가 장치(23)와 결합된다.
광섬유 도파관(21) 및 광학 시스템(20)은 보호 튜브(24)에 설치되는 것이 바람직하다. 불활성 가스는 관(25)을 통하여 분지관(16')내로 주입될 수 있어서 광학 시스템(20)에 분진을 확실하게 배제하는 것이 바람직하다.
설비는 다음 방식으로 기능한다.
온도를 측정하기 위하여, 고체가 아닌 단지 가스, 바람직하게는 불활성 가스를 가스 공급관(7)을 통하여 융융로(1)내로 송풍한다. 이렇게 함으로써, 환형의 피각(18)이 형성된 즉시 가스 압력으로 인하여 가스로 채워진 중공 공간(26)이 형성되므로 피각 및 용융물 표면(27)에 의하여 범위가 정해진다. 피각(18)으로 보호되고 있는 가스용 자유 통로 개구의 최저 크기는 대략 0.2 ∼ 1.0 ㎠이 예상된다.
가스로 충전된 중공 공간(26)을 한정하는 용융물(3)의 용융물 표면(27)으로부터 전자기파가 특히 가시광 영역 및 자외선 영역으로 방사된다. 개방 스크린 즉 플랩 및 광학 시스템(20)을 거친 이들 전자기파는 광섬유 도파관(21)으로 들어가고, 이를 거쳐 검파기(22)로 들어간다. 전자 평가 장치(23)는 자연적으로 방사된 전자기파와 동등한 온도로 측정할 수 있게 한다.
도 3에 나타낸 실시예에 있어서, 보호 튜브(24)는 광섬유 도파관(21)과 함께 단부 영역이 재킷노즐(15)로 설계되어 있는 가스 공급관(7)내에 바로 돌출한다. 보호 튜브(24)는 상세하게 도시되어 있지 않으나 질소로 플러싱(flush)할 수 있다.
가스 공급관 길이 방향의 횡단면을 나타낸 도 4에 있어서, 가스 공급관(7)의 단부 영역은 다중채널 노즐로 이루어져 있다. 다중채널 노즐의 중앙에는, 보호 튜브(24) 및 광섬유 도파관(21)을 포함하는 광학 시스템(20)이 구비되어 있다. 보호 튜브(24)에는 서로 반경 방향으로 구비된 2개의 환형갭 체적(25, 26)에 의하여 원주가 둘러싸여 있고, 이를 통하여 예를 들면 탄화수소 가스가 용융로(1)내로 주입될 수 있다.
2개의 환형갭 체적(28", 28"') 사이에 배치된 다른 환형갭 체적(28)은 반경 방향 웨브에 의하여 여러 개의 채널(28')로 분할되고, 채널 각각은 단면으로 보아 부분 원주 영역에 걸쳐 연장되어 있다. 이들 채널(28')을 통하여, 예를 들면 산소, 불활성 가스 또는 그 혼합물과 같은 다른 가스가 전로내로 도입될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 측정 설비를 나타내는 것으로서, 용융물 분석을 행하는 데 사용될 수 있는 레이저빔 장치(29)를 포함한다. 이 경우, 광섬유 도파관(21)을 포함하는 보호 튜브(24)는 가스 공급관(7)과 약간 동심으로 설치되어 있다. 레이저빔 장치(29)에 의하여 발생된 레이저빔(30)은 가스 배출구(8)쪽으로 경사져서 가스 배출구(8)의 대략 중앙을 관통하므로, 용융로 내부의 용융물이 전이부에서 증발되어 가스 거품-액체로 된다. 도 5에 파형 화살표로 나타낸 바와 같이, 증발된 용융물로부터 방사된 전자기파(31)는 광섬유 도파관(21)으로 검출되어, 전자 평가 장치(23)에 의하여 평가된다. 레이저빔(30)은 집속 렌즈를 통하여 집속되고, 초점은 용융물(3)의 가스질 표면과 액체 표면 사이의 개구(5)에 형성되는 것이 바람직하다. 설비는 빔의 방향으로 이동할 수 있는 것이 적합하고, 이에 따라 최적의 초점 위치 설정을 확실하게 한다. 가스 공급관(7)은 그 단부 영역이 재킷노즐로 이루어지고, 탄화수소 가스, 불활성 가스 또는 그 혼합물이 환형 공간 즉 환형갭(17)을 통하여 용융로(1)내로 주입된다.
도 6은 약간 변형된 형태에 따른 가스 공급관(7)의 단부 영역의 단면도이다. 가스 공급관(7)의 외측은 더블재킷(32)으로 이루어져 있고, 이 더블재킷에 의하여 형성된 환형 공간(33)을 통하여 탄화수소 가스, 질소등이 주입된다. 가스 공급관(7)의 내부 체적은 반경 방향 및 종축 방향으로 연장된 벽(35)에 의하여 여러 차례, 즉 도시한 예시적인 실시예에 따른 대체로 동일한 크기의 4개의 공간(34)으로 분할된다. 공간(34) 중 하나를 통하여, 레이저빔(30)은 용융로(1)의 내부로 향하고, 제2 공간(34)을 통하여 광섬유 도파관(21)을 포함하는 렌즈 시스템으로 이루어지는 보호 튜브(24)가 통과한다. 각각의 공간(34)에는 예를 들어 산소, 불활성 가스 또는 그 혼합물과 같은 상이한 가스가 공급될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 바람직한 빔 통로의 개략도이다. 중공 공간(25) 및 개구(5)의 가장자리 영역으로부터 각각 발생되는 전자기파(36), 특히 피각(18)으로부터 반사된 전자기파(37)는 물론 광학 시스템(20)의 광축(38)에 경사지게 전파되는 전자기파(39) 및 광학 시스템(20)의 광축(38)에 그려진 한계 반경(41)을 지나서 실재하는 전자기파(40)는 예를 들어 분산 및 집속 렌즈 시스템으로서 이루어진 파형 분산 수단(42)에 의하여 광학 시스템(20)의 광축(38)으로부터 굴절된 상기 전자기파에 의한 검출이 배제된다.
파형 분산 수단(42) 다음에는 파형 결속 수단(43)이 있고, 이것에 의하여 광학 시스템(20)의 광축(38)에 대하여 대체로 평행인 전자기파가 집속된다. 그러나 광학 시스템(20)의 광축(38)에 대하여 경사지고, 광학 시스템(20)의 광축(38)로부터 줄을 그은 한계 반경(41)을 지나서 실재하는 전자기파(39, 40)는 이러한 집속으로 포함되지 않는다.
도 7에서의 변형예와 도 8에서의 변형예 사이의 상이함은, 검파기(22)가 파형 결속 수단(43)의 집속 대역(44)에 직접 위치되어 전자 평가 장치를 포함하는 검파기에 연결되는 경우 및 도 8에 있어서 광섬유 도파관의 입구(45)가 집속 대역에 위치되어 전자 평가 장치를 포함하는 검파기에 연결되는 경우에서 알 수 있다.
도 9에 나타낸 실시예에 있어서, 파형 분산 수단(42) 및 파형 결속 수단(43)을 포함하는 것이 바람직한 광학 시스템(20)이, 개구(5)의 단면내의 각각의 포인트가 광학 시스템(20)의 광축에 의하여 도달 가능하도록 중앙 튜브(16)에 피봇 가능하게 장착되어 있다. 이러한 이동 가능 장착은 광학 시스템에 결합되고 도 9에 화살표로 나타낸 여러개의 압력 매체 실린더(46) 또는 카던식 장착에 의하여 실현될 수 있다. 따라서, 도 9에 나타낸 바와 같이 피각이 한 쪽에만 성장되어 있는 용융물(3)을 향할 수 있도록 광학 시스템(20)의 광축(38)을 조정할 수 있고, 이로써 피각으로 인한 측정치의 오류가 방지될 수 있다. 이 경우, 광학 시스템(20)은 방사되는 전자기파의 강도가 이를 평가하는 동안 최대가 될 때까지 피봇되어 있다. 이것은 광학 시스템(20)의 광축이, 예를 들어 물때(18)의 가장자리 영역 또는 개구(5)의 가장자리 영역의 방향이 아닌 용융물(3)의 방향으로 실질적으로 향하고 있다는 기준을 이룬다. 광학 시스템(20)의 배치는 최대 강도가 발생되도록 광학 시스템(20)을 자동적으로 조정하는 전자기적 구동에 의하여 실행될 수 있다. 또한, 광학 시스템(20)을 이중 화살표(47)로 나타낸 바와 같이 축방향으로 또한 배치할 수 있고, 여기에 전기 모터 또는 압력 실린더를 마찬가지로 장착할 수 있다.
도 10은 도 4와 유사한 도면으로서, 동심으로 배열된 4개의 원통형 튜브(24, 48, 49, 50) 및 원통형 튜브 사이에 각각 장착되어 있는 중간 공간(51, 52, 53)을 포함하는 가스 공급 튜브의 단면도이다. 가장 내측의 튜브(24)가 측정을 행하는 가스 공급 튜브로서 기능한다. 광학 시스템(20), 광섬유 도파관(21) 및 선택적으로 검파기(22)가 장착되어 있다. 원통형 튜브(24, 48) 사이의 위로 반경 방향으로 후속하는 중간 공간(51)에는 홈(55)이 이미 내화재의 외주에 배치되어 있는 내화재(54)가 충전되고, 이것은 원한다면 시트 메탈 커브(56)와 정렬된다. 보호 가스, 예를 들면 CH4, CH4+ N2등은 이들 홈을 통하여 가스 공급관(7)의 단부로 향한다. 원주 방향으로 그 위에 반경 방향으로 후속하는 환형 공간(52)에는 대체로 1/4만큼 내화재(54)가 충전되어 있고, 환형 공간(52)의 잔여 3/4은 비워져 있고 산소 또는 다른 가스와 혼합된 산소를 공급하는 기능을 한다. 반경 방향 가장 바깥쪽 환형 공간(53)이 또한 보호 가스를 공급하는 기능을 한다.
도 11에 나타낸 실시예에 있어서, 광학 시스템(20) 및 신호 센서[광섬유 도파관(21) 및/또는 검파기(22)]가 설치되어 있는 가스 공급관(7)이, 도 11에 나타낸 화살표(57, 58)의 방향으로 이동시키는 상세하게 도시하지 않은 배치 메커니즘에 의하여, 위로부터 용융물의 상단면(59)을 통하여 용융물(3)내로 이동하고, 이로써 가스로 채워진 중공 공간(26)이 용융물내에 형성된다. 또한, 이 경우 가스 공급 튜브(7)의 단부는 재킷 노즐로 이루어질 수 있어서 보호 가스 재킷을 형성한다.
측정은 2가지 상이한 기본 원리, 즉 파이로미터(pyrometer) 및 스펙트로미터(spectrometer)에 의하여 실행될 수 있다. 이어서, 평가는 2가지 시스템과 상이한 특정 전자 평가 장치를 통하여 행해진다.
순온도 측정의 경우에 방사되는 발광은 용융물 분석용으로 의도된 발광과는 상이하다. 용융물을 분석하는 동안, 레이저에 의해 발생되고 플라즈마에 의해 방사되는 스펙트럼이 관찰된다(자외선 영역).

Claims (24)

  1. 용융물(3), 특히 금속 용융물의 내부로부터 방사되는 특히 가시광선 영역, 인접하는 자외선(UV, ultra violet) 영역 및 적외선 영역의 전자기파를 측정하는 방법에 있어서,
    송풍 가스에 의하여 가스로 충전된 중공 공간(26)을 용융물(3)내에 형성하고, 상기 송풍 가스를 통하여 상기 용융물(3)로부터 방사되는 전자기파(31)를 관찰하며, 상기 전자기파를 광학 시스템(20)을 거쳐 검파기(22)에 제공하여 평가함으로써 온도 및/또는 화학 성분을 측정하는 방법으로서,
    광학 시스템(22)의 광축(38)에 대하여 경사지고 중공 공간(26)의 가장자리영역으로부터 발생하는 전자기파(39, 36, 37)는, 광학 시스템(20)의 광축(38)에 대하여 경사지고 광학 시스템(20)의 광축(38)에 그려진 한계 반경(41)을 지나서 실재하는 전자기파(36, 37, 39, 40)에 따른 전자기파(31)가 방사되지 않게 하여 검파에서 제외시키고,
    상기 전자기파(36, 37, 39, 40)를 분산 및 접속 렌즈 시스템과 같은 광학 시스템(20)의 파형 분산 수단(42)으로 광학 시스템(20)의 광축(38)으로부터 반사시켜 광학 시스템(20)의 광축(38)에 대하여 대체로 평행인 전자기파만이 광학 시스템(20)에 후속하여 배열된 검파기(22)에 도달하게 하고/하거나, 상기 전자기파의 평가동안 상기 전자기파의 방사 강도가 최대로 될 때까지 광축을 조정하면서 상기 광학 시스템(20)을 상기 중공 공간(26)으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 전자기파의 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파형 분산 수단(42)에는 집속 렌즈 또는 집속 렌즈 시스템과 같은 파형 결속 수단(43)이 후속하고, 상기 광학 시스템(20)의 광축(38)에 대체로 평행인 전자기파는 상기 파형 결속 수단(43)에 의하여 집속되어 직접 또는 광섬유 도파관(21)을 거쳐 검파기(22)에 공급되지만, 경사파 및 한계 반경을 지나서 존재하는 전자기파(36, 37, 39, 40)는 이러한 집속에 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파형 분산 수단(42) 및 이에 연속하여 배열된 파형 결속 수단(43) 양자 모두를, 상기 전자기파의 평가동안 상기 전자기파의 방사 강도가 최대로 될 때까지 광축을 조정하면서, 상기 중공 공간(26)으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    가스로 충전된 중공 공간을 통하여 에너지를 상기 용융물(3)에 공급하고, 상기 용융물(3)의 일부는 공급된 에너지, 특히 상기 용융물(3)과 화학 반응을 일으키는 송풍 가스에 의하여 증발되어, 상기 용융물(3)의 일부가 증발되도록 하는 것을특징으로 하는 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융물(3)로 유입되는 위치상에 가스 충전된 상기 중공 공간(26)을 형성하는 상기 송풍 가스는, 탄화수소함유 보호 매체, 바람직하게는 불활성 가스와 혼합된 매체를 함유하는 가스 재킷 또는 다수의 가스 재킷으로 둘러싸인 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융물(3)의 온도 및/또는 화학 분석의 측정은 배가스 분석의 탄소 수치 또는 측정시 상기 용융물(3) 분석의 대략적인 수치와 같은 사전 계산 및/또는 측정된 매개 변수와 결합되는 것을 특징으로 하는 측정 방법
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융물(3)의 각 성분, 예를 들면 용선에 함유된 망간, 크롬, 탄소 등의 함유량만이 측정되고, 상기 용융물(3) 및 슬래그 용융물(2)에 함유된 기타 성분 또는 화합물의 함유량은 상기 측정으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정하는 동안, 가스 혼합물을 도입함으로써 상기 중공 공간(26)내 및/또는바로 그 전방에서 가능한 한 상기 용융물(3)의 실제 온도에 근접하도록 온도를 조정하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융물(3)의 화학 분석은 일치되도록 변하고, 상기 용융물(3) 또는 상기 용융물(3) 및 슬래그(2)는 상기 용융물(3)내에 도입된 가스 또는 여러 가지의 상이한 가스에 의하여 완전히 혼합되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스로 충전된 상기 중공 공간(26)은 상기 용융물(3)의 상면(59)상에 형성되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하는 장치로서,
    상기 용융물(3)을 수용하는 용융로(1),
    상기 용융로(1)의 개구(5)에 연결되고, 상기 개구(5) 방향 즉 상기 용융물(3) 방향으로 위치한 가스 배출구(8)를 포함하는 가스 공급관(7),
    상기 가스 배출구(8)를 관측하는 광학 시스템(20),
    상기 용융물(3)로부터 방사되는 상기 전자기파(31)를 기록하는 검파기(22) 및
    상기 전자기파(31)를 상기 검파기(22)에 전도하는 선택적인 상기 도파관(7,21)을 포함하고,
    분산-집속 렌즈 시스템과 같은 광파 분산 수단 및/또는
    금속으로 만들어진 상기 용융로(1)에 대하여, 이동할 수 있도록, 바람직하게는 피봇 가능하게 배열된 상기 광학 시스템(20)을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파형 분산 수단(42)에 후속하여 배열된 접속 렌즈 또는 연속 배열된 집속 렌즈 시스템과 같은 파형 결속 수단(43) 및
    상기 파형 결속 수단(43)의 집속 영역(44)에 위치한 상기 검파기(22) 또는 집속 영역에 배열되어 상기 검파기(22)에 연결된 상기 광섬유 도파관(21)을 특징으로 하는 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    가스 플러싱 수단(25), 특히 앞면상의 렌즈 시스템(20)을 세정하는 가스 플러싱 수단을 포함하는 보호 튜브(24)가 광학 시스템용으로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 파형 분산 수단(42)은 상기 용융물(3) 방향으로 위치한 가스 배출구(8)에 대하여 피봇 가능하고, 상기 파형 분산 수단(42)의 광축(38)과 상기 가스 배출구(8)의 단면적과의 교차점은 그 단면적내에서 조정 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 파형 분산 수단(42) 및 상기 파형 결속 수단(43) 양자 모두는 피봇 가능하도록 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 피봇 가능 장착은 카던식(cardanic) 장착으로 실현되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 파형 결속 수단(43)의 상기 집속 영역(44)에는 상기 광섬유 도파관(21)의 입구(45)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 파형 결속 수단(43)의 상기 집속 영역(44)에는 상기 검파기(22)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 가스 공급관(7)의 단부는 탄화수소 가스를 공급하는 관에 연결할 수 있는 재킷 환형 공간(17)을 가진 이중 튜브 노즐(15) 또는 다중 튜브 노즐(15)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 가스 공급관(7)의 단부는, 탄화수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 불활성 가스, 증기, 오일 또는 물 및/또는 이들의 혼합물용의 하나 또는 다수의 공급관에 연결할 수 있는 노즐 개구를 지닌 다중 경로 노즐로 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 가스 공급관(7)의 상기 가스 배출구(8) 방향으로 위치한 레이저빔 장치(29)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 레이저빔 장치(29)는 집속 수단과 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제11항에 있어서,
    상기 용융물(3)내에 잠기고, 상기 파형 분산 수단(42)을 포함하는 상기 가스 공급관(7)을 특징으로 하는 장치.
  24. 상기 용융로(1)내에 잠긴 장치부(7, 21, 23, 15)를 보호하기 위하여, 보호 매체의 공급을 단계별로 제어하거나 탄화수소함유 보호 매체의 공급을 상기 용융물(3)의 파괴와 함께 계속 증가시키면서, 즉 온도가 상승하거나 상기 용융물(3)이 과열되는 것을 특징으로 하는 제11항에 따른 장치의 작업 방법.
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