KR100668079B1

KR100668079B1 - 일체형 복합 프로브

Info

Publication number: KR100668079B1
Application number: KR1020040114439A
Authority: KR
Inventors: 채성은; 김광천; 이만업; 김효상
Original assignee: 주식회사 포스코; 주식회사 우진
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2007-01-11
Also published as: KR20060075626A

Abstract

본 발명은 일체형 복합 프로브에 관한 것으로, 센서부와, 용강이 유입되도록 선단이 개방된 중공의 샘플링 케이스와, 상기 샘플링 케이스의 개방측에 연결되어 세라믹 블록의 상단으로 노출되는 석영관이 포함되는 시료 채취부와, 상기 센서부와 시료 채취부가 선단으로 노출되도록 관통 결합되는 세라믹 블록과, 상기 세라믹 블록의 선단과 센서부와 시료 채취부를 덮는 마개 형상의 스틸캡과, 상기 스틸캡의 외부면을 감싸는 형상으로 결합되는 종이캡을 포함하고, 상기 석영관의 선단측 입구와 외벽측 둘레가 덮여지도록 결합되는 유리관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 프로브가 제공된다. 이에 따라서, 1회의 프로브 측정으로 온도측정(측온)또는 산소측정(측산) 및 성분 분석용 시료를 동시에 채취할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 복합 프로브에서 필연적으로 야기된 시료채취 과정 중에서 시료의 오염을 방지할 수 있어 성분의 극한제어가 요구되는 고부가가치 강 즉, 극저탄소강, 극저린강, 질소규제강 등에서도 매우 청정한 시료채취가 가능한 효과가 있다.

프로브, 용강, 용탕, 측산, 측온, 센서, 시료 채취, 석영관, 샘플링 케이스.

Description

일체형 복합 프로브 {Hybrid single combination probe}

도 1은 종래의 TSO 복합 프로브를 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1의 복합 프로브에 의해 채취된 시료를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 복합 프로브를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 센서부를 도시한 측면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 센서부 110 : 측산 센서

120 : 측온 센서 130 : 브림

200 : 시료 채취부 210 : 샘플링 케이스

220 : 석영관 230 : 유리관

300 : 세라믹 블록 310 : 내화 시멘트

320 : 스틸캡 330 : 종이캡

340 : 세라믹 슬리브 350 : 외부지관

360 : 내부지관 370 : 콘넥터

380 : 홀더지관

본 발명은, 제철소 노외 정련 공정에서 측온 랜스의 홀더에 장착된 후 용탕에 침지시켜 용융 금속의 온도측정과 산소측정 및 시료채취 과정에서, 오염이 없는 성분 분석용 시료를 채취할 수 있도록 구성된 다기능 고정도 일체형 복합 프로브에 관한 것이다.

통상적으로 극저 탄소강과 같은 고청정강에서의 측온, 측산 및 시료채취는 측온 또는 측산이 가능하도록 구성되는 측산 프로브를 이용하여 측정한 후, 고청정한 시료를 채취하기 위한 목적으로 극저 탄소강 전용의 극저 샘플러(Sampler) 또는 극저 TS(Temperature, Sample) 프로브(PROBE)를 별도로 사용하고 있다.

이와 같이 측산 프로브와 고청정 시료채취용 프로브(샘플러)를 각각 운용할 경우에는 측산 프로브와 시료채취용 프로브(샘플러)가 각각 요구됨에 따라 원가상승의 요인은 물론 프로브 측정 시 작업 공정이 번거롭기 때문에 작업능률이 저하되어 생산성의 하락을 초래하는 문제가 있었다.

도 1은 종래의 TSO 복합 프로브를 도시한 단면도이다.

전술한 문제점을 해소하기 위한 종래의 기술로서 측온 및 측산과 시료 채취를 동시에 수행할 수 있는 TSO(Temperature, Sample, Oxygen) 복합 프로브가 있다.

이와 같은 TSO 복합 프로브는 시료 채취를 위한 용강의 유입구가 프로브 측면에 형성되고 상기 유입구를 통해 유입되는 용강을 담을 수 있도록 구성되는 샘플링 케이스가 포함되고, 프로브의 선단에 측산 및 측온 센서(120) 등을 포함하는 센 서부가 구비되어 용강의 특성에 대한 정보를 얻을 수 있도록 구성된다.

그러나, 상기 TSO 복합 프로브는 시료채취 과정 중 탕구캡이 용융되어 주변의 내화물 등과 함께 혼입되므로 시료에 성분오염이 수반될 수밖에 없는 구조이다.

또한, 건전한 시료 채취를 위해서는 시료채취를 위한 유입구가 RH(RH-OB) 침적관(용강의 환류관 통상 500mm) 아래까지 도달해야 하나, 현재 통상적인 RH 공정에서의 프로브의 침지깊이는 550~600mm내외이기 때문에 요구되는 깊이를 충족시키지 못한다.

따라서, 종래의 프로브를 사용하여 시료를 채취할 때 용탕의 유입구가 침적관의 측부(통상 프로브 선단에서 150mm 내외에 유입구가 있음)에 위치할 수밖에 없어 용탕의 성분을 대표할 수 있는 개소에서 건전한 시료를 채취할 수 없었다.

상기와 같은 시료 채취의 문제점은 침적관의 측부에서 용강의 환류 및 정련반응이 불균일하기 때문에 용탕의 성분 또한 불균일성을 가질수 밖에 없음에 기인한다.

종래의 복합 프로브는 프로브 측면 방향에서 용강이 유입되어 유입구(14)를 통해 채워지는 구조로 되어 있기 때문에 시료 채취 후 유입구(14) 측에 응고되는 부분인 상실부(20)를 수작업으로 절단해야만 하는 등 작업이 번거롭고, 샘플링 케이스(16)에서 시료의 분리도 용이하지 않다는 단점이 있다.

한편, 극저 샘플러를 사용하여 수동으로 시료채취를 하는 경우는 우선 고열 및 용강 비산에 의해 작업자의 화상위험 등 안전상의 문제점이 있으며, 용탕의 부 력 때문에 바람직한 침지 깊이의 확보가 곤란하고, 작업자에 따라 샘플링 위치 및 침지깊이가 달라지므로 인적요인에 의한 분석용 시료의 성분편차가 발생되기 쉬워 분석값의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있었다.

또한, 이송 장치에 의해 자동으로 극저 샘플러를 운용하는 방법으로는 건전한 시료채취는 가능하지만 상술한 사용상의 번거로움과 원가상승 요인이 있어 실제 공정에서 운용이 곤란하다.

또한, 측산 센서가 프로브 선단 중앙의 센서 고정용 지관에 조립되는 종래의 TSO 프로브는, 측정 중 용강 침투에 의한 센서 용손을 방지하기 위해 프로브 선단에 내화 시멘트를 수작업으로 도포하며, 탕구 성형 및 탕구캡(12) 부착 작업 또한 내화 시멘트를 이용하여 수작업으로 도포하는 방법으로 이루어지기 때문에 숙련된 작업자가 작업을 하더라도 탕구 성형 작업불량, 탕구캡(12)에 시멘트 부착, 주형 내의 이물질 혼입 등 문제가 발생되기 쉬운 단점과 아울러 수용성의 내화 시멘트로 성형함에 따라 센서의 절연저항이 저하되므로 프로브의 강제 건조작업이 필수적으로 수반되어야 하는 번거로움이 있었다.

본 발명은 상기 전술한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 측온 및 측산 기능 외에도 시료의 채취가 가능하며, 시료채취 과정 중에서 시료의 오염을 방지하여 성분의 극한제어가 요구되는 고부가 가치 강 즉, 극저 탄소강, 극저린강, 질소규제강 등에서도 매우 청정한 시료채취가 가능한 일체형 복합 프로브를 제공하는데 목적이 있다.

아울러, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급된 목적들에 국한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상으로는, 센서부와, 용강이 유입되도록 선단이 개방된 중공의 샘플링 케이스와, 상기 샘플링 케이스의 개방측에 연결되어 세라믹 블록의 상단으로 노출되는 석영관이 포함되는 시료 채취부와, 상기 센서부와 시료 채취부가 선단으로 노출되도록 관통 결합되는 세라믹 블록과, 상기 세라믹 블록의 선단과 센서부와 시료 채취부를 덮는 마개 형상의 스틸캡과, 상기 스틸캡의 외부면을 감싸는 형상으로 결합되는 종이캡을 포함하고, 상기 석영관의 선단측 입구와 외벽측 둘레가 덮여지도록 결합되는 유리관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 프로브에 의해 달성된다.
여기서, 상기 세라믹 블록의 선단에 내화 시멘트가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 센서부는 산소농도를 측정하기 위한 측산 센서를 포함하고, 상기 측산 센서는 상기 시료 채취부 유입구 중심에서 20mm이상 이격되지만 상기 센서부의 선단을 벗어나지 않는 위치에 결합되도록 한 것이 바람직하다.
또한, 상기 측산 센서는 5도 이상 기울어져 상기 센서부에 결합되되, 상기 측산 센서의 선단이 스틸캡 내측면을 벗어나지 않는 기울기 내에서 결합된 것이 바람직하다.
그리고, 상기 세라믹 블록은 센서부와 시료 채취부가 관통 결합되는 선단면이 단차지는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일체형 복합 프로브의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 복합 프로브를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 센서부를 도시한 정면도 및 측면도이다.

본 발명은 프로브 지관 선단의 내주연에서 내부지관(360) 및 내화 시멘트로 고정되어 조립되는 세라믹 블록(300)과, 상기 세라믹 블록(300)의 상단면쪽으로 일정길이 돌출되도록 관통 조립된 T, O(Temperature, Oxygen) 센서 또는 T센서 등을 포함하는 센서부(100)와, 상기 센서부(100)와 나란하게 관통 조립되어 용강의 일부를 채취하는 시료 채취부(200)와, 상기 세라믹 블록(300) 상단에 결합되어 상기 센서부(100) 및 시료 채취부(200)를 덮는 스틸캡(320)과, 상기 스틸캡(320) 표면을 덮는 종이캡(330)을 포함한다.

상기 시료 채취부(200)는 상기 세라믹 블록(300)의 하부로 시료의 취출이 용이하도록 설계된 샘플링 케이스(210)와, 상기 샘플링 케이스(210)의 주입구에서 세라믹 블록(300)을 관통하여 세라믹 블록(300) 상단부로 일정길이 돌출되도록 조립되는 석영관(220)과, 상기 석영관(220) 상단부에는 스틸캡(320)의 혼입 등에 의한 시료의 오염방지 목적으로 돔(Dome)형의 유리관(230)이 씌워진 시료 채취부(200)를 포함하여 구성된다.

상기 센서부(100)는 일반적으로 측온, 측산소자를 고정하는 세라믹 하우징 및 플라스틱 재질의 플러그에 고순도의 알루미나계 시멘트로 충전된 일체형의 측산 센서(110)가 상기 세라믹 블록(300)의 센서 수용홀에 구비되고, 상기 세라믹 블록(300)의 센서 수용홀 하단으로 연통관이 설치되어, 상기 측산 센서(110)의 보상도선 및 연장선이 상기 연통관을 관통하여 내부지관(360)의 홈과 외부지관(350) 사이로 처리된다. 또한, 상기 도선들은 내부지관(360) 말단부에 설치된 콘넥터(370)에 결선되어, 프로브 측정 시 용탕 및 샘플링 케이스(210)에서 방출되는 고열에도 손상이 없도록 처리된다.

상기 세라믹 블록(300) 상단은 원기둥형의 계단 턱으로 돌출된 돌기부에 상기 센서부(100)와 시료 채취부(200)를 덮는 스틸캡(320)이 부착되고, 상기 스틸캡(320) 외부에는 종이캡(330)이 부착되어 프로브가 용강에 침지될 때 상기 스틸캡(320)이 용융되는 시간을 지연시킨다.

상기 세라믹 블록(300) 하단은 프로브 외부지관(350)과 콘넥터(370)가 취부되는 내부지관(360)에 의해 고정되고, 프로브의 최외각 즉, 외부지관(350) 외주연에는 세라믹 슬리브(340)가 취부되며, 상기 콘넥터(370) 후단에는 프로브 장착시 홀더가 유도되어 콘넥터(370)에 접속되도록 홀더지관(380)을 밀착 고정하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 복합 프로브에서는 종래의 프로브가 가지고 있는 측온, 측산값의 안정성 및 재현성을 그대로 유지하는 것이 매우 중요한 과제가 된다. 그 이유는 종래의 TSO 복합 프로브에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 센서부(100)가 프로브 선단 중앙에 일정 길이로 돌출되게 설치되고, 시료 채취부(200)는 측산 센서(110) 탑재부 후미의 프로브 내부에 위치하여 있으므로, 측정 시 소자 상호간의 간섭이나 영향이 없다. 그러나 본 발명에 따른 복합 프로브의 경우는 시료 채취부(200)와 측산 센서(110)가 프로브선단 세라믹 블록(300)에서 관통되는 상태로 근접하여 조립될 수밖에 없는 구조이므로, 소자상호간에 간섭을 주게 되어 프로브 측정 시 소자 상호간의 열간섭에 의한 측온편차 발생과 석영관(220)의 열화 등에 의한 측산값의 편차가 발생하기 쉽다.
또한, 석영관(220) 주입구에 측온소자 또는 측산소자가 근접 조립될 경우는 시료채취 시 용강의 흐름이 방해되어 시료충전성이 저하될 수 있다. 따라서 측산 센서(110)와 시료 채취부(200)의 간격을 일정치 이상으로 유지해야 하나 현실적으로 프로브 외경의 제약 문제가 있고, 소자의 길이를 증가시키면 원가상승의 요인이 되며, 소자간의 간격을 필요이상으로 하면 불필요하게 스틸캡(320)과 종이캡(330)의 크기가 증가됨으로써 시료충전성의 저하를 초래할 수 있다.

따라서, 종래의 표준형 측산소자 즉, 센서부(100)를 그대로 사용하기 위해서는 센서부 브림(130) 상단부의 외경을 최소화시키고, 기존의 측산소자와 측온소자간 간격을 유지하면서 센서 간의 간격을 확보하기 위해 두 소자를 서로 일정한 각도로 경사지게 조립하면 소자 상호간의 간섭에 의한 측온 및 측산값의 편차발생이 생기지 않으며, 측정값의 정확도와 응답성이 개선될 수 있다.

본 발명에서는 산소농도를 측정하기 위한 측산 센서(110)의 배치가 시료 채취시 석영관(220)의 유입구 중심에서 20mm이상 이격되되 상기 센서부의 선단을 벗어나지 않는 위치에 결합되고, 측산 센서(110)는 5도 이상 기울어져 상기 센서부에 결합되되, 상기 측산 센서의 선단이 스틸캡 내측면을 벗어나지 않는 기울기 내에서 결합되었을 때, 측산값의 정확도가 향상된 것을 실험을 통해 확인하였다.

또한, 도 3에서처럼, 센서부(100)와 시료 채취부(200)가 관통 결합되는 세라믹 블록(300)의 선단면을 2mm이상 단차지도록 형성하여 석영관(220) 주입구와 센서부(100)의 돌출 위치를 각기 다르게 하는 방법에 의해서도 측산 및 측온값의 정확도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 종래의 복합 프로브에 비해 시료 취출 작업이 용이하도록 세라믹 블록(300)의 헤드부를 보호지관 외부로 노출하여, 프로브 측정 후 세라믹 블록(300)의 헤드부에 타격을 가함에 의해 간단하게 시료를 취출할 수 있고, 또한 샘플링케이스는 좌우가 둘 이상의 부재에 의해 분리되는 착탈형으로 클립과 내화 시멘트에 의해 고정되어 있으므로 시료 분리성도 매우 양호하다.

한편, 프로브 선단에 설치된 시료 채취부(200)를 구조적으로 살펴보면 상기 세라믹 블록(300)의 샘플링 케이스(210) 수용부에 청결성이 유지된 샘플링 케이스(210)가 소량의 내화 시멘트로 고정되고, 상기 샘플링 케이스(210) 주입구에 조립된 석영관(220)은 세라믹 블록(300)을 관통하여 상단 방향으로 일정길이 돌출되며, 석영관(220)을 덮는 돔 형상의 유리관(230)이 상단에 조립됨으로써 일체화된 시료 채취부(200)가 구비된다.

시료 채취시 유입구가 되는 석영관(220)은 세라믹 상단면에서의 열간섭 및 성분오염을 방지하지 위하여 세라믹 블록(300) 상단으로부터 15mm이상 돌출되도록 조립되고, 유리관(230)은 용탕에 노출 시 내열 충격성이 양호하고, 연화점이 낮은 Pyrex재질이 바람직한데, 그것의 두께가 0.6~0.7mm의 범위일 때 시료 채취시 시료 충전성 및 성분건전성이 양호한 시료의 채취가 가능하다.
그와 같은 이유로서 유리는 용융시에도 점성이 매우 큰 물질이기 때문에, 그 것의 두께가 두꺼우면 시료채취시 용강의 주입 초기에 주입구인 석영관(220)의 입구를 협소화시킬 수 있어 시료 충전성이 저하되고, 반대로 이의 두께가 얇으면 쉽게 깨지거나 시료 채취시 용융된 스틸캡(320)이 혼입되어 시료의 성분오염이 발생되기 쉽기 때문이다. 따라서, 스틸캡(320)의 재질은 시료 채취시 혼입되더라도 성분오염의 최소화가 가능하도록 침지되는 용강의 재질과 동일한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 스틸캡(320)과 종이캡(330)에 의해 청정성이 확보된 샘플링 케이스(210), 석영관(220), 유리관(230)으로 구성되는 용융금속의 시료 채취부(200)는 기존의 복합프로브의 시료채취과정에서 발생된 성분 분석용 시료의 오염이 최소화되어 고청정한 시료의 채취가 가능하고, 또한 시료 채취시 석영관(220)에 의해 형성되는 시료의 핀 부분에서 건전성이 매우 양호한 강중 가스(특히 질소)분석을 가능하게 한다.

또한, 세라믹 블록(300)이 용강에 직접 접촉되는 부위에 내화 시멘트(310)를 일정 두께이상으로 도포하면 프로브 측정중 세라믹 블록(300)에서의 가스발생을 억제하고 내열성이 확보되는 바, 이를 위해 상기 내화 시멘트(310)의 두께를 0.5mm이상으로 도포하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 복합 프로브에 의해 용강의 온도 및 산소량을 측정하고 시료를 채취하는 작업은 다음과 같이 이루어진다.

먼저 본 발명에 따른 복합 프로브가 건전한 시료를 채취할 수 있는 깊이까지 용강 내부로 침지된다. 이때, 프로브 선단 최 하부에 형성되는 종이캡(330)이 1차로 연소되고, 다음으로 스틸캡(320)이 용융된다. 이와 같이 스틸캡(320)이 용융되면 센서부(100)와 직접 용강이 접촉되므로 용강의 온도 및 산소량을 측정할 수 있게 되며, 그 다음으로 시료 채취부(200)의 유리관(230)이 용강의 온도에 의해 서서히 연와되며 용융됨에 따라 석영관(220)을 따라 용강이 주입되어 샘플링 케이스(210)로 채워짐에 따라 시료 채취 작업이 실시된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 따르면 1회의 프로브 측정으로 온도측정(측온)또는 산소측정(측산) 및 성분 분석용 시료를 동시에 채취할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 복합 프로브에서 필연적으로 야기된 시료채취 과정 중에서 시료의 오염을 방지할 수 있어 성분의 극한제어가 요구되는 극저탄소강, 극저린강, 질소규제강 등에서도 매우 청정한 시료채취가 가능하다.
따라서, 별도로 극저성분 제어용 시료채취부의 운용이 불필요하게 되고, 또한 상기 석영관에 의해 형성되는 시료의 핀 부위는 강중 가스(특히 질소)분석용 시료로 활용될 수 있는 장점이 있다.
즉, 1회의 프로브 측정으로 신뢰성이 있는 다기능 계측(측온, 측산, 고청정강 성분분석용 시료채취, 시료의 핀 부위 분석)정보를 용탕처리 공정에 신속하게 제공할 수 있어 공정제어 능률향상, 정련시간의 단축, 시료채취 및 가공의 편리성 제공에 따른 분석시간이 단축되는 장점이 있어 제강공정의 생산성 향상에 크게 기여하게 된다.

Claims

센서부와,

용강이 유입되도록 선단이 개방된 중공의 샘플링 케이스와,

상기 샘플링 케이스의 개방측에 연결되어 세라믹 블록의 상단으로 노출되는 석영관이 포함되는 시료 채취부와,

상기 센서부와 시료 채취부가 선단으로 노출되도록 관통 결합되는 세라믹 블록과,

상기 세라믹 블록의 선단과 센서부와 시료 채취부를 덮는 마개 형상의 스틸캡과, 상기 스틸캡의 외부면을 감싸는 형상으로 결합되는 종이캡을 포함하고,

상기 석영관의 선단측 입구와 외벽측 둘레가 덮여지도록 결합되는 유리관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 프로브.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 세라믹 블록의 선단에 내화 시멘트가 구비되는 것을 특징으로 하는 복합 프로브.
청구항 1에 있어서, 상기 센서부는 산소농도를 측정하기 위한 측산 센서를 포함하고,

상기 측산 센서는 상기 시료 채취부 유입구 중심에서 20mm이상 이격되되 상기 센서부의 선단을 벗어나지 않는 위치에 결합되도록 한 것을 특징으로 하는 복합 프로브.
청구항 5에 있어서, 상기 측산 센서는 5도 이상 기울어져 상기 센서부에 결합되되, 상기 측산 센서의 선단이 스틸캡 내측면을 벗어나지 않는 기울기 내에서 결합된 것을 특징으로 하는 복합 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 세라믹 블록은 센서부와 시료 채취부가 관통 결합되는 선단면이 단차지는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 프로브.
삭제