KR100809563B1

KR100809563B1 - 재료 샘플의 화학 분석용 장치 및 이를 위한 금속로

Info

Publication number: KR100809563B1
Application number: KR1020037004124A
Authority: KR
Inventors: 라마세데르노르베르트; 하이쯔요하네스; 그루버요한; 보이에를디터
Original assignee: 지멘스 브이에이아이 메탈스 테크놀로지스 게엠베하 앤드 컴퍼니
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2008-03-04
Also published as: US7006216B2; AU2001291462A1; EP1322939A1; BR0114292A; ATA16472000A; AT409553B; CZ2003905A3; KR20030028581A; CA2425621A1; US20030218747A1; ZA200302380B; EP1322939B1; ATE361466T1; WO2002027301A1; DE50112457D1

Abstract

고체 또는 액체 재료 샘플(8)을 레이저 유도 발광 분광학에 따라 화학 분석하는 장치에는 레이저 빔(11)을 발생시키는 레이저 소스(10), 레이저 빔을 편향시키는 편향 장치, 레이저 빔(11)을 집속하는 집속 장치, 및 상기 재료 샘플(8) 상의 레이저 빔(11)에 의하여 점화된 플라스마(25)의 반사광(26)을 스펙트로미터와 같은 평가 장치(28)로 안내하는 장치(14)를 포함한다.

재료 샘플(8)에 의하여 영향을 받지 않도록 레이저 소스(10) 및 평가 장치(28)를 재료 샘플(8)로부터 멀리 떨어지게 배열할 수 있도록, 적어도 하나의 이동가능한 조인트(12)가 구비되고 레이저 빔(11)용의 캐버티를 갖는 암(14)이 레이저 소스(10)와 재료 샘플(8) 사이에 제공되어 레이저 빔(11)을 안내하고, 상기 암의 마디(12)에는 미러 또는 프리즘으로 구성되는 편향 장치가 제공됨으로써 레이저 소스(10) 및 평가 장치(28)가 재료 샘플(8)과 독립적으로 이동할 수 있도록 배열된다.

레이저 빔, 레이저 소스, 편향 장치, 집속 장치, 평가 장치, 플라스마, 반사, 스펙트로미터, 조인트, 암, 미러, 프리즘

Description

재료 샘플의 화학 분석용 장치 및 이를 위한 금속로 {DEVICE USED FOR THE CHEMICAL ANALYSIS OF MATERIAL SAMPLES AND CORRESPONDING METALLURGICAL VESSEL}

본 발명은 고체 재료 또는 용융물, 특히 철강 융윰물과 같은 금속로 내에 들어있는 금속 용융물을 레이저-유도 발광 분광학에 따라 화학 분석하는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 레이저 빔을 발생하는 레이저 소스, 레이저 빔을 편향시키는 편향 장치, 레이저 빔을 집속하는 집속 장치, 및 재료 샘플 상의 레이저 빔에 의하여 점화된 플라스마의 반사광을 스펙트로미터와 같은 평가 장치로 안내하는 장치를 포함한다.

이와 같은 방식으로, 예를 들면, 철, 탄소, 규소, 망간, 구리, 크롬, 니켈, 알루미늄, 주석, 아연, 바나듐, 티타늄, 유황 및 인과 같은 고체 또는 액체 재료 샘플, 즉 금속 샘플의 상대량이 결정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 재료 샘플 표면 상에 집중된 레이저 빔에 의하여 플라스마가 점화으로써 평가 장치, 특히 스펙트로미터의 민감한 모든 부품, 평가 및 제어 컴퓨터, 및 레이저 소스가 재료 샘플의 임의의 영향(열, 먼지, 방사능 등)을 받지 않을 수 있다.

레이저-유도 발광 분광학을 사용하여 금속 샘플을 분석하는 것이, 예를 들면, US 4,645,342 A에 공지되어 있다. 상기 문서에 따르면, 분석 시스템은 레이저 소스로 구성되며, 레이저 빔은 플라스마 브레이크를 유발하는, 분석하려는 철강 샘플의 표면 상에 집중된다. 일반적으로, 펄스 길이 1 fs 내지 109 ms 및 광파 길이 120 nm 내지 20000 nm인 선회가능한 레이저 빔이 사용된다. 플라스마에 의하여 산란된 광은 샘플에 포함된 소자의 스펙트럼선을 포함하므로 스펙트로미터를 사용하여 정확도가 매우 높게 발광을 분석함으로써 샘플의 성분을 추정할 수 있다.

US 4,986,658 A에는, 레이저-유도 발광 스팩트럼을 수신하는 시스템이 개시되어 있고, 여기에서 모든 구성품은 냉각 케이싱에 내장되어 있다. 상기 어셈블리는 고온의 액체 금속 샘플을 분석할 수 있도록 선택되었다. 그러나, 이렇게 분석할 때 전체 검출 시스템, 특히 집속 렌즈는 상기 어셈블리의 치수가 크기 때문에, 예를 들어, 노즐 내 여러 고정 위치가 시작부터 정해지도록 금속 용융뮬에 매우 근접하게 배치되어야 한다. 집속 렌즈는 초점 거리가 짧아서 초점 깊이가 매우 낮기 때문에 작은 거리도 매우 신중하게 관찰해야 한다. 따라서, 어셈블리에는 삼각 측량법에 따른 추가의 광거리 미터가 구비된다.

EP 0 362 577 A에는 창이 제공된 노즐에 레이저-유도 발광 분석에 따른 분석 시스템을 광 결합시키는 방법이 예시되어 있다. 따라서, 발광을 광섬유 내에 결합시키는 장치가 금속로의 외면에 설치될 수 있을 뿐만 아니라 레이저도 금속로의 외측에 위치될 수 있다. 또한 금속 용융물이 들어있는 금속로의 외면은 환경 조건이 매우 열악하므로 부속 구조물에는 열, 먼지 및 슬래그 배출로부터 보호될 수 있는 정교한 장치가 제공되어야 한다. 따라서, 특히 레이저 소스를 조정 및 유지하는데는 상당한 비용이 관련된다.

안정적인 액체 표면을 긴급하게 분석하기 위하여 노즐을 동작시키는 것은 노즐 내에 연기가 발생하고, 금속 용융물이 내부 노즐 말단에 응결되며, 액체 레벨에 강력한 교반이 일어나고, 노즐이 신속하게 마모될 수 있으므로 곤란하다.

WO 97/22859에는 금속 용융물에 의하여 산란된 광을 결정하는 장치가 개시되어 있으며, 이로써 노즐의 특정 형상 때문에 노즐의 말단에 충분히 안정적인 액체 금속면을 제공할 수 있고 각종의 기체를 사용할 수 있다. 액체 표면에 의하여 산란된 광을 분석함으로써 온도를 정확하게 측정할 수 있고, 또는 집속된 레이저 빔과 결합하여 용융물을 화학 분석할 수 있다.

WO 99/49301에는 레이저-유도 발광 분광학에 의한 교정이 필요없는 분석 방법이 개시되어 있다. 상기 방법에 있어서, 레이저-유도 플라스마의 온도는 단일 소자의 상이한 라인을 비교함으로써 정해진다. 커다란 스펙트럼 영역을 포함함으로써, 공지된 기준과 임의의 비교를 하지 않고 샘플의 성분을 판정할 수 있다. 그러나, 스펙트럼을 포함시키고 이들 스펙트럼을 평가하는 것은 많은 시간이 소요되므로 신속한 온라인 분석에는 부적합하다.

본 발명의 목적은 전술한 단점 및 곤란함을 해소하고, 특히 금속 산업 분야에서 외부의 열악한 조건 하에서 레이저-유도 발광 분석에 따라 분석 시스템을 계속적으로 동작시키는데 적합한 전술한 유형의 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 시스템의 민감한 구성품 모두, 예를 들면, 스펙트로미터를 일반적으로 포함하는 평가 장치, 평가 및 제어 컴퓨터, 및 레이저 소스를 가능한 한 샘플 표면으로부터 멀 리 배치하는 것이, 이러한 방식으로 하게 되면, 동작 및 유지관리 도중에 열악한 환경 조건으로 보호받기 위한 조치 비용이 상당히 감소될 수 있기 때문에 바람직하다.

그러나, 종래 기술에서는, 상기 문제는 금속 산업에서 특히 재료 샘플 상에 플라스마 브레이크를 발생시킬 수 있도록 레이저 광을 보다 큰 거리에 걸쳐 전달할 수 없었기 때문에 해소되지 못하였다. 레이저-유도 발광 분석을 응용할 수 있는 다른 가능성, 예를 들면, 핵 반응로의 방사능 전하 영역의 재료 샘플을 분석할 때 또는 우주 목적에 상기 방법을 사용할 때에도 유사한 문제가 일어난다. 나이트 및 공동 저자(A.K. Knight 등, Applied Spectroscopy, 54,331 (2000)의 문헌에는 레이저-유도 발광 스펙트럼을 수신하는 시스템이 기재되어 있고, 상기 시스템은 미래의 화성 탐사에 결합되도록 설계된 것으로서 이를 이용하여 샘플을 최종 편향 미러로부터 20 m 거리에서 레이저 빔으로 분석할 수 있으나, 최종 미러와 분석하려는 재료 샘플 사이의 직선인 자유롭게 검사가능한 경로를 전제로 한다. 그러나 금속 산업에서는 먼지 및 연기에 의한 공기 오염, 자유 공간의 부족 및 집성체에의 자유로운 접근성 때문에 제공되지 않았다. 또한, 금속로는 일반적으로 움직일 수 있고, 즉 기울어질 수 있으며, 동작 도중에 진동 및 추력을 받는다는 점을 고려해야 한다.

본 발명의 목적은, 레이저 소스와 재료 샘플 사이에, 적어도 하나의 이동가능한 조인트가 구비되고 레이저 빔용의 캐버티를 갖는, 레이저 빔 안내용 암이 제공되고, 미러 또는 프리즘으로 구성되는 편향 장치가 암의 관절부에 제공되며, 레 이저 소스 및 평가 장치는 재료 샘플과는 독립적으로 이동하도록 배열됨으로써 달성된다.

상기 장치의 도움으로, 열악한 환경(재료 샘플이 추력 및 진동을 받는 환경) 하에서 레이저-유도 발광 분광 및 전로와 같은 이동가능한 샘플 컨테이너로 샘플과 레이저 소스 사이에 커다란 거리를 유지하면서 계속 분석할 수 있다.

재료 샘플과 레이저 소스 사이에 필요한 이동성 및 연결될 거리에 따라, 암에는 복수 개의 이동가능한 조인트가 구비되고, 선택적으로는 하나 또는 복수 개의 고정 조인트 및 미러 및/또는 프리즘 형상의 편향 장치가 암 부분에 의하여 상호 연결된 조인트, 및 선택적으로는 암의 말단에만 전적으로 제공된다.

암에 미러 및/또는 프리즘으로 또한 형성되는, 스펙트로미터에 반사광을 안내하는 보조 부품이 구비되는 경우 특히 구조가 간단하게 되므로, 반사광을 스펙트로미터에 안내하는 가요성의 광-소스 가이드가 미러 및/또는 프리즘에 추가로 또는 그 대신에 제공되는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 샘플의 온도를 판정할 수 있도록 평가 장치에 파이로미터가 추가로 구비된다.

특정 응용을 위하여, 평가 장치에는 사진 촬영용 장치가 제공되는 것이 적합하다.

집속 장치 배열은 재료 샘플 앞의 끝에서 두번째 조인트와 마지막 조인트 사이 또는 재료 샘플 앞의 마지막 조인트와 재료 샘플 사이 어디에나 제공될 수 있다. 예를 들면, 금속로의 내화 라이닝의 마모로 인한 샘플의 위치 변경에 적합하도록, 집속 장치는 레이저 빔의 길이방향으로 이동가능하는 것이 바람직하고, 집속 장치의 이동은 반사광에 의하여 제어되는 것이 적합하다.

재료 샘플의 위치 변경을 고려할 수 있도록, 두 개의 조인트 사이 또는 조인트와 재료 샘플 사이에 배열된 암 부분은 집속 장치와 재료 샘플 사이의 거리를 일정하게 유지시키기 위하여 이동가능한 장치에 의하여 신축자재로 신장 및 후퇴시킬 수 있다.

고온 재료 샘플의 화학 분석을 위하여, 암에는 열 보호 장치가 제공되는 것이 바람직하고, 또한 암에는 냉각 장치가 제공되어 이 장치에 의하여 액체 등의 냉각 매체 또는 아르곤 등의 순환 가스가 암을 통과할 수 있다. 이와 관련하여, 암에 온도를 측정하는 장치 및 암 내의 임의의 온도 차이를 최소화하는 제어 회로가 구비되는 경우 바람직하다.

암의 이동성을 최적으로 하기 위하여, 레이저 빔 및 선택적으로 반사광은 특히 미러 및/또는 프리즘으로 구성되는 편향 장치에 의하여 이동가능한 축의 회전축에 대하여 회전 방향으로 대칭이 되도록 안내된다.

공간 절약 구조는 미러 형상의 편향 장치에 세그멘트로 배열된 반사층이 제공되고, 하나의 반사층은 레이저 빔용으로 다른 하나의 반사층은 반사용으로 제공되는 것을 특징으로 한다.

공간 절약형인 다른 구조에 있어서, 집속 장치에는 세그멘트형 렌즈 및/또는 미러가 구비된다.

재료 샘플을 포함하는 컨테이터가 암의 중량을 받는 것을 방지하고, 재료 샘 플 또는 재료 샘플을 수용하는 철강제품 전로와 같은 금속로의 임의의 진동을 균형을 이루도록, 암은 바람직하게는 평형추, 중량 평형추를 거쳐 모멘트가 없는 방식으로 공간 내에 위치되는 것이 적합하다.

본 발명에 따른 장치를 적용하는 특히 중요한 분야는 금속 산업, 특히 제철 산업 분야이다. 금속 용융물의 화학 성분을 판정하는 도중에, 금속 용유물을 수용하는 금속로의 쇼크형 이동이 계속해서 일어나고, 금속로의 내화 라이닝과 외부 케이싱 사이에 변위된다. 본 발명에 따른 구조에 있어서, 내화 라이닝이 위치를 변위시킬 수 있는 금속로의 상기 쇼크형 이동 및/또는 진동을 균형을 이루게 할 수 있다.

금속 산업에서, 본 발명은 철강제품 전로와 같은 경사식 금속로 용도로 특히 바람직하고, 여기에서 암의 일부는 이동성을 제한하지 않으므로 바람직한 방식인 경사축과 평행으로 배열되거나 또는 경사축에 직접 배열된다. 철강 용융물의 화학 분석을 판정하는 장치를 포함하는 철강제품 전로는 전술한 WO-A-97/22859에 공지되어 있다.

다음에, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 철강제품 전로용 장치의 수평 단면도이다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 상세 II의 수직단면도 및 일부를 도시한 도시한 도면이다.

도 3a 및 도 3b, 및 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 장치의 변형예의 도면 이다.

도 5는 도 1의 상세 V의 도면이다.

도 6은 도 4a의 상세 VI의 도면이다.

도 7은 도 6의 선 VII-VII를 따라 절취된 단면도이다.

도 8은 중량 평형추를 포함하는 본 발명에 따른 장치의 실시예의 측단면도이다.

도 1은 화살표(3)로 표시된 바와 같은 자신의 리프팅 러그(2)를 중심으로 피벗가능하거나 또는 경사가능한 철강제품 전로(1)의 수평단면도이다. 리프팅 러그(2)는 필로우 블록(5)(도 8 참조)을 거쳐 베이스 또는 전로 스캐폴드(4) 상에 각각 지지되는 도시되지 않은 베어링에 배열된다. 전로(1)는 내화 라이닝(7)이 자신의 내부에 제공된 철강 케이싱(6)을 갖는다. 전로(1)의 내부에는 철강 용융물(8)이 들어 있다.

레이저 유도 발광 분광학의 도움으로 화학 분석을 실행하기 위하여, 레이저 소스(10)가 전로(1)로부터 멀리 떨어진 보호 케이싱(9) 내에 제공된다. 화살표로 예시된 바와 같이 레이저 소스(10)에 의하여 발생된 레이저 빔(11)은 복수 개의 이동가능한 조인트(12) 및 하나의 고정 조인트(13)가 구비된 암을 가로질러 전로(1)의 철강 케이싱(6) 및 전로의 내화 라이닝(7)으로 통하는 개구(15)로 안내된 다음 전로(1) 내부에 위치된 철강 용융물(8) 쪽으로 향한다. 두 개의 암 부분(16)에 각각 연결되는 암(14)의 이동가능한 조인트(12)는 도 2에 예시된 바와 같은 형상을 갖는 것이 바람직하다. 도 2에 예시된 암 부분(16)은 회전축(18)을 중심으로 서로 대향하여 피벗될 수 있도록 힌지 연결부(17)에 의하여 상호 연결된다. 암(14)은 레이저 빔(11)용의 연속되는 캐버티(19)를 갖는다. 캐버티(19)의 편향 포인트에는, 레이저 빔(11)을 편향시키는 미러(21) 또는 프리즘이 각각의 경우에 제공된다. 조인트(12)에 의하여 연결된 두 개의 암 부분(16)이 도 2에 이중 화살표(22)로 예시된 바와 같이 서로 대향하여 비틀릴 수 있다.

도 2에 예시된 바와 같이 조인트(12)의 미러(21) 각각은 쌍으로 장착되어, 암 부분(16)이 회전축(18)과 동일한 두 개의 미러(21)의 연결축을 중심으로 반사광의 성질을 변경시키지 않고 자유롭게 회전할 수 있다. 암 부분(16)을 형성하는 직선의 안정성 파이프에 의하여 각각 연결되는 복수 개의 조인트(12)를 결합시킴으로써. 이동가능한 암은 길이 2m 이상으로 기다랗게 제조될 수 있다.

미러(21)는 연마된 금속면(예를 들면, 연마된 구리), 예를 들어 선택적으로망간 불화물로 제조된 얇은 보호층이 또한 제공된 기판 상에 퇴적된 금속층(예를 들면, 진공-금속 알루미늄 또는 은), 또는 기판 상에 또한 가해진 유전체층 시스템으로 구성된다.

도 1에 따르면, 제1 암 부분(16')은 리프팅 러그(2)를 통과한다. 그러나, 상기 리프팅 러그를 통하여 전도될 수 있다(도 8 참조). 제1 조인트(12')로부터 시작되는 암 부분(16)은 지지 장치(23)에 의하여 포트의 외부에 고정된다.

레이저 빔의 방향으로 마지막에 있는 두 개의 암 부분(16", 16"')은 고정 조인트(13)에 의하여 상호 연결되므로, 전로(1)의 내화 라이닝(7)을 통과하는 마지막 암 부분(16"')은 내화 라이닝(7)과 견고하게 연결된다. 상기 마지막 암 부분(16"')에 임의의 손상을 주지 않고 내화 라이닝(7)이 전로(1)의 철강 케이싱(6)에 대하여 이동할 수 있도록, 개구(15)는 마지막 암 부분(16"')의 외경보다 더 큰 직경으로 철강 케이싱(6) 영역에 설계된다. 상기 마지막 암 부분(16"')은 매우 작은, 적합하기로는 5 내지 50 mm 사이 범위의 내경을 갖는다.

집속 장치(24)는 끝에서 두번째 또는 마지막 암 부분(16", 16"') 어느 한 곳에 위치된다. 상기 집속 장치(24)는 도 4a에 예시된 바와 같이 설계되거나, 또는 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 고정 조인트(13) 내부에 제공될 수도 있고, 편형 장치(21)를 동시에 구성하는 볼록 렌즈 또는 오목 미러에 의하여 형성될 수 있다.

마지막 암 부분(16"')의 캐버티의 좁은 말단 직경으로 충분하게 안정적인 철강 용융물 표면이 생기게 되어 플라스마(25)가 집속된 레이저 빔(11)에 의하여 점화된다. 플라스마(25)에 의한 발광 및 이하 반사광(26)이라고 하는 철강 용융물 표면으로부터의 다른 광은 도 1에 도시된 바와 같이 광 도파관(27)을 거쳐 적절한 평가 장치(28)로 안내된다. 검출 장치(29) 및 평가 컴퓨터(30)가 제공된 상기 평가 장치(28)는 보호 케이싱(9) 내에 또한 위치된다.

개략적으로 예시된 공급 장치(31)는 플러싱 및/또는 냉각 매체를 암(14)으로 유입시킨다. 또한, 암(14)을 충분하게 공급하는 제어 시스템이 구비되고, 온도를 측정하는 장치가 암(14)에 제공되는 것이 바람직함으로써, 이 장치의 도움으로 플러싱 및/또는 냉각 매체를 가진 암(14) 공급을 조절할 수 있다. 암(14)은 바람직하기로는 그 외측 상에 열 보호부가 제공되고, 자신의 캐버티(19)는 공급 장치(31) 로부터 이어지며 냉각 매체를 수용하는 라인(32), 예를 들면 아르곤과 같은 플러싱 가스 공급 라인에 연결된다. 따라서, 집속 장치(24) 또한 열 영향으로부터 보호된다. 마지막 암 부분(16"')의 내부 또는 마지막 고정 조인트(13)의 내부에는, 창이 제공되어 전로(1)의 내부로부터 방사되는 열을 회피하고, 상기 창은 반사 손실이 최소로 되는 각도로 레이저 빔에 결합된다.

평가 장치(28)의 도움으로, 철강 용융물(8)의 화학 성분을 판정할 수 있을 뿐만 아니라 반사광(26)으로부터 검출가능한 다른 일부 정보, 즉 철강 용융물(8)의 온도, 레이저 유도 플라스마(25)의 온도, 철강 용융물(8)의 표면의 정확한 위치 및 철강 용융물(8) 표면의 비디오 상을 도출해 낼 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예(도 4a 참조)에 있어서, 레이저 빔(11) 및 반사광(26), 즉 플라스마 발광 및 샘플 표면으로부터 나오는 임의의 다른 광은 하나의 암(14)을 통하여 안내되고, 미러(21)는 조정가능한 강한 레이저 빔 방사(11)에 의하여 손상되지 않고 레이저 빔(11) 및 복귀 반사광(26) 양자 모두의 전체 필요한 스펙트럼 영역을 가로질러 충분하게 높은 반사율을 갖는다. 이것은, 풀 미러인 경우, 적절한 재료 선택, 적절한 레이저 파장 선택 또는 적절한 빔 직경 선택에 의하여 달성될 수 있다. 예를 들면, 적외선 매체로부터 전체 가시 범위를 거쳐 자외선 영역까지 상대적으로 높은 반사율(특히, 알루미늄, 구리 등)을 갖는 미러 시스템이 있다. 충분하게 큰 직경의 레이저 빔용으로 선택된 경우, 특히 미러(21)가 추가로 냉각되고 전체 암(14)이 적절한 보호 가스(예를 들면, 아르곤)로 플러싱되는 경우, 상기 미러(21)는 고성능 레이저 경우에 사용될 수 있다.

도 2b에 예시된 세그멘트 미러를 사용할 수도 있다. 여기서, 고성능 레이저 미러(33)에 의하여 형성된 추가 장치는 각각의 미러(21) 중앙에 삽입되고, 상기 레이저 미러는 특정하게 반사하는 제2 링 미러(34)에 의하여 반경방향으로 둘러싸인다. 레이저 유도 발광 분광학에 종종 사용되는 파장 1064nm의 조정가능한 Nd.YAG 레이저를 사용할 때, 레이저 파장에 적합한 유전체 고성능 미러가 예를 들어 사용될 수 있다. 망간 불화물층이 구비되고 특히 자외선 범위에 매우 높은 반사성을 나타내는 고반사성 알루미늄 미러에 매입된다. 상기 미러(21)의 기능은 미러(21)의 정확한 형상에 좌우되지 않는다는 점이 분명하다. 둥근 미러(21) 대신에, 또한 직사각형 또는 타원형 미러(21) 및 임의로 결합된 다른 형상의 미러도 사용될 수 있다. 따라서, 레이저 빔(11)의 직경은 당연히 고성능 미러(33)의 직경과 동일하거나 또는 유사하다.

레이저 빔(11)에 의하여 샘플 표면 상에 밝은 플라스마(25)를 발생시키기 위하여, 레이저 빔(11)은 전술한 바와 같은 집속 장치(24)의 도움으로 집중되어야 한다. 상기 집중을 위하여, 하나 또는 복수 개의 광 렌즈(35)를 평면 미러(21) 또는 오목 미러(36)와 함께, 가능하게는 추가의 평면 미러(21)와 결합시켜 사용된다(도 3b 참조). 도 3a 및 도 3b에는 상기 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 평면 미러(21) 및 오목 미러(36) 양자 모두는 풀 미러 또는 세그멘트 미러로서 설계될 수 있다. 렌즈(35)를 사용하는 경우, 상이한 파장의 상이한 초점 거리로 안내할 수 있는 렌즈 오차를 고려해야 하므로, 복귀 광이 상기 렌즈(35)에 의하여 제어되는 경우 문제를 야기한다. 이와 반대로, 오목 미러(36)는 항상 분산되지 않는 다. 그러나, 수색성 렌즈 시스템이 사용될 수 있다. 양자 모두의 경우, 도 1에 도시된 철강 전로의 예에 대한 집속 소자의 일반적인 초점 거리 f는 약 1000mm로 제공된다.

실제로, 샘플 표면의 위치는 일정하지 않고 제조 공정, 예를 들면, 금속로(전로(1))의 경우 벽돌 라이닝 재료(7)을 연소시키는 공정 중에 변할 수 있다. 따라서, 상기 변화를 보정하기 위하여 집속 장치(24) 내에 조정 수단(도 6 참조)을 일체로 할 수 있다. 도 4a에는 레이저 빔(11) 및 반사광(26)이 하나의 암(14)를 통하여 안내되는 경우의 어셈블리가 예시되어 있고, 도 4b에는 반사광(26)이 추가의 광 도파관(27)을 가로질러 완전하게 또는 부분적으로 안내되는 경우가 예시되어 있다.

도 4a에 있어서, 레이저 빔(11)은 암(14)을 가로질러 안내되고, 레이저 유도 플라스마(25)를 점화시키기 위하여 집속 장치(24)에 의하여 재료 샘플(8) 상에 집속된다. 이렇게 할 때, 레이저 빔(11)은 예를 들면 세그멘트 미러(21)의 중앙부(33) 둘레에 90도 만큼 추가로 편향된다. 재료 샘플(8)과 마지막 편향 미러(21) 또는 렌즈 시스템(24) 사이 거리의 임의의 진동을 보정하기 위하여, 렌즈 시스템(24)은 조정 장치(37) 상에 장착된다. 또한, 조정 장치는 개별 렌즈(35) 사이의 거리를 변화시키면서 렌즈 시스템(24) 자체에 일체로 형성될 수 있다.

플라스마(25) 또는 재료 샘플(8) 자체에 의하여 발광된 반사광은 세그멘트 미러(21) 둘레에 편향되고, 다시 렌즈 시스템(24)과 함께 동일한 암(14)을 가로질러 평가 장치(28)로 안내된다. 복귀 신호, 즉 반사광(26)이 조정 장치(37)에 의하여 샘플 거리 변수의 함수로서 검출되는 경우, 렌즈 시스템(24)과 재료 샘플(8) 사이의 정확한 거리는 이 함수로부터 계산될 수 있다.

도 4b는 상기 어셈블리의 변형예의 도면이다. 레이저 빔(11)은 암(14)을 가로질러 안내되고, 집속 장치(24)에 의하여 집속되어 플라스마(25)를 재료 샘플 상에 점화시키기 위하여 편향 미러(21)의 도움에 의하여 재료 샘플(8)로 편향된다. 플라스마(25) 또는 재료 샘플(8) 자체에 의하여 발광된 반사광(26)은 빔 스플리터(38)에 의하여 레이저 빔으로부터 분리되고 편향되어 렌즈 시스템에 고정된 추가 렌즈(39)를 거쳐 광 도파관(27)에 결합된다. 상기 광 도파관을 거쳐, 상기 분리된 레이저 빔은 평가 장치(28)로 안내된다. 조정 장치(37)로 인하여 렌즈 시스템과 샘플 사이의 거리가 변할 수 있다.

도 4b에 따르면, 빔 스플리터(38)는 구멍(40)을 가진 미러에 의하여 실현될 수 있지만 다른 광 소자, 예를 들면, 부분적으로 투과성 또는 파장-의존 미러로 또한 구성될 수 있다. 또한, 다른 위치에서, 상기 빔 스플리터(28)는 도 1에 도시된 바와 같이 레이저 빔(11)의 코스로부터 반사광(26)을 완전하게 또는 부분적으로 결합해제하는데 사용될 수 있다. 상기 배열의 연속 구조 또한 가능하여 각종의 평가 장치(28), 예를 들면, 하나 또는 여러 개의 스펙트로미터, 파이로미터 및 비디오 카메라에 의하여 반사광(26)을 평가한다. 이렇게 할 때, 상기 빔 스플리터(38) 및 평가 장치(28)는 장치의 어셈블리 내 상이한 포인트에 위치될 수 있다. 예를 들면, 레이저 빔(11) 및 재료 샘플에 의하여 분산된 적외선 광은 암(14)을 가로질러 안내될 수 있고, 적외선 광은 암(14)의 말단에서 결합해제되어 온도 측정을 위하여 파이로미터로 보내질 수 있다. 자외선 및 가시 스펙트럼 범위의 레이저 유도 플라스마(25)의 반사광(26) 중 일부는 도 4b에서와 같이 편향 미러(21) 앞에서 결합해제되어 기다란 광 도파관(27)을 가로질러 샘플에 포함된 예를 들면 요소 철, 탄소, 규소 및 구리의 상대량을 레이저 유도 발광 분광학 방법에 의하여 측정하는 스펙트로미터로 안내된다. 종래의 광 도파관(27)을 거쳐 제한된 범위까지만 전달되는 스펙트럼 범위 185nm 이하의 플라스마에 의하여 발광된 반사 중 다른 부분은 광 도파관(27) 입구 앞에서 여전히 결합해제된다. 하나의 도파관에 적합한 미니스펙트로미터에 의하여, 샘플 내의 유황 함유량이 측정된다. 또한, 재료 샘플(8)의 가시상은 광 도파관(27) 입구 옆에 장착된 소형 비디오 카메라에 기록된다. 본 발명에 따른 장치를 여러 가지로 변형시킬 수 있다는 점이 명백하다.

본 발명에 따른 장치의 장점은 레이저 빔(11)이 상대적으로 긴 거리를 가로질러 양호한 품질, 예를 들면, 거의 변하지 않고 발산이 적은 모드 프로파일을 특히 나타내는 품질로 암(14)을 통해 전달된다. 따라서, 한편으로는 레이저 소스(10)를 분석하려는 재료 샘플(10)이 충분히 먼 거리에 위치된 산업 금속 집합체(1)로부터 멀리 이동시켜 열악한 환경 조건 하에서 보호를 위한 조처 비용을 상당히 감소시키고, 다른 한편으로는 빔의 양호한 품질 때문에, 레이저 빔(11)을 암(14)으로부터 벗어날 때 충분히 큰 초점 거리로 집속될 수 있다. 예를 들면, 금속로(1)(예를 들면, 철강 전로(1))의 개구(15)에서 시스템이 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 예를 들면 유리 섬유 베이스의 가요성 광 도파관에 의하여 레이저 광을 전송하는 것이 상이하므로, 레이저 광은 매우 작은 초점 거리가 사용되거나 또는 커다란 렌즈 또는 오목 미러가 집속에 사용되도록 빔의 출력에 서 높이 발산된다.

고강도 방사에는 작은 초점 영역이 필요하다. 이외에, 특히 1마이크로세컨드 이하의 펄스 길이를 갖는 짧은 펄스를 가진 레이저를 레이저 유도 발광 분광학 방법에 사용하여 분리된 발산을 방지하고 플라스마(25)의 열 배경을 일시적으로 필터링할 수 있다. 그러나, 고강도의 상기 짧은 펄스를 가진 레이저 빔(11)을 유리 섬유를 거쳐 전달하는데 대하여는, 완전한 기술적인 해결책을 아직 찾지 못하였다. 이와는 반대로, 본 발명에 따라 제공된 암(14)에는 안정성 파이프(41)를 거쳐 상호 연결된 조인트(12)가 구비된다. 파이프(41)의 길이는 파이프(41)의 안정성에 의하여 제한되므로, 수미터의 길이는 문제가 되지 않는다.

또한, 가변 길이를 갖는 신축자재인 부재가 암(14)에 일체로 구성될 수 있다. 상기 암(14)은 독단적으로 결합될 수 있고, 추가의 냉각 장치를 포함할 수 있는 산업상 적합한 변형예인 가스 및 먼지 침투불능의 실시예로서 용이하게 제조될 수 있다. 이렇게 할 때, 2차원 또는 3차원으로 독자적으로 이동가능한 암(14)이 구성될 수 있고, 이로써 레이저 빔(11)은 공간의 거의 어떤 포인트 상에 집속될 수 있다. 그러나, 임의의 반사는 미러(21)의 개수를 기하급수적으로 증가시키는 손실을 야기한다는 점을 고려해야 한다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 있어서, 레이저 빔(11) 및 분석을 위해 재료 샘플(8)로부터 평가 장치(28)로 복귀된 반사광(26)은 동일한 암(14)을 가로질러 안내된다. 이 때, 예를 들면 마지막 암 부분(16)의 파이프(41) 한쪽의 가열 또는 암(14)의 진동에 의하여 재료 샘플 상에 레이저 초점 위치를 조정하는 것은 반사광(26)의 강도에 실질적으로 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 평가 장치(28)가 동일 암(14) 내의 동일 미러(21)를 사용하여 재료 샘플 상의 플라스마의 동일 영역을 항상 감시하기 때문이다. 이와 반대로, 재료 샘플 상의 레이저 초점 위치를 변경시키는 경우, 반사광(26)을 각기 다르게 복귀시킬 때 강도가 변할 수 있다.

도 5에는 금속로(1), 예를 들면, 금속 외부 케이싱(6) 상의 마지막 고정 마디의 지지부가 예시되어 있다. 마지막 암 부분(16"')이 내화 재료(7) 내에 매입되기 때문에, 상기 암 부분(16"')이 중량을 받는 경우 변형될 수 있다. 이러한 변형을 방지하기 위하여, 마지막 암 부분(16"')에 견고하게 연결된 마지막 마디(13)는 인장 재킷(42) 및 나사산을 가진 로드(43)에 의하여 금속로(1)의 금속 외부 케이싱(6)에 견고하게 고정된다. 콘 형상의 셸 상에 대략 위치되는 상이한 세 방향으로 적합하게 연장되는 인장 재킷(42)의 도움으로, 마지막 조인트(13)가 정확하게 조정되어 마지막 암 부분(16"')이 임의의 중량을 받지 않고 마지막 조인트(13)를 통해 돌출하고 암(14)은 금속로(1)의 내부로 돌출한다. 인장 재킷(42)의 도움으로, 내화 재료(7)가 금속로(1)의 외부 케이싱(6)에 대하여 변형된 경우 임의의 시간에 재조정될 수 있다.

도 6 및 도 7은 암 부분(16") 내에서 집속 장치(24)가 길이방향으로 이동하는 구체적인 해결책을 예시하는 도면이다. 따라서, 렌즈(35)를 지지하는 파이프부(44)는 모터(M)를 거쳐 전기적으로 구동되거나 또는 기어(46)를 거쳐 수동으로 구동되는 나사산을 가진 로드(45)의 도움으로 이동한다. 렌즈(35)를 표시하는 파이프부(44)는 고정구에 의하여 암 부분(16")으로 안내된다. 파이프부는 자신 의 외면 상에 나사산을 가진 로드(45)에 의하여 천공된 너트를 갖는다.

집속 장치(34)를 암 부분(16")를 따라 이동시키는 대신, 암 부분(16") 자체는 신축자재식으로 될 수 있도록 설계될 수 있으므로, 서로의 내부로 슬라이드가능한 두 개의 파이프는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 나사산을 가진 로드에 의하여 이동될 수 있다.

도 8은 암(14)의 중량 평형추의 가능한 실시예의 도면이다. 암(14)은 편향 롤러(48)에 걸쳐 전도된 로프(49)에 의하여 평형추(50)에 연결되고, 이 평형추는 가이드를 따르거나 또는 보호 프레임(51) 내에서 이동가능 하도록 안내된다. 도 8에 있어서, 암(14)은 철강제품 전로(1)의 리프팅 러그(2)을 통해 안내되지 않고 리프팅 러그(2) 외측에서 전로와 평행으로 안내된다. 이로써 이동이 어느 정도 제한되고, 즉 철강제품 전로(1)는 리프팅 러그(2)를 중심으로 360도 만큼 피벗되지 않고 단지 약간만 피벗된다.

본 발명은 도면에 예시된 예시적인 실시예에만 한정되지 않고 여러 가지 양태로 변형될 수 있다. 예를 들면, 임의의 금속로, 예를 들면, 전기로 및 용융물 가스화로와 같은 다른 용융물 집합체에도 적용될 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 접근하기가 쉽지 않은 임의의 재료 샘플(8), 예를 들면 방사성 샘플에 사용될 수 있다. 특히, 공간이 제한된 경우 레이저 소스(10)와 재료 샘플 사이의 먼 거리를 연결시키는데 적합하다.

Claims

금속로(1)에 포함된 고체 또는 용융된 재료 샘플(8)을 레이저 유도 발광 분광학에 따라 화학 분석하는 장치에 있어서,

레이저 빔(11)을 발생시키는 레이저 소스(10),

상기 레이저 빔을 편향시키는 편향 장치(21),

상기 레이저 빔(11)을 집속하는 집속 장치(24), 및

상기 재료 샘플(8) 상의 레이저 빔(11)에 의하여 점화된 플라스마(25)의 반사광(26)을 평가 장치(28)로 안내하는 장치(14, 21, 27)

를 포함하고,

상기 레이저 소스(10)와 상기 재료 샘플(8) 사이에는, 상기 레이저 빔(11)을 안내하도록 적어도 하나의 이동가능한 조인트(12)를 구비하며 상기 레이저 빔(11)용의 캐버티(19)를 갖는 암(14)이 제공되고, 상기 암의 마디에는 미러(21) 또는 프리즘으로 구성되는 상기 편향 장치가 제공되며,

상기 레이저 소스(10) 및 상기 평가 장치(28)는 상기 재료 샘플(8)과 독립적으로 이동하도록 배열되고,

상기 암(14)에는 상기 반사광(26)을 상기 평가 장치(28)로 안내하기 위한 편향 장치(21)가 제공되는

화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 암(14)에는 복수 개의 이동가능한 조인트(12), 및 하나 또는 복수 개의 고정 조인트(13)가 구비되고,

미러 또는 프리즘 중 어느 하나 또는 양자 모두로 구성되는 편향 장치는 암 부분(16, 16")에 의하여 상호 연결된 상기 조인트(12, 13)에만 제공되되, 상기 암(14)의 말단에 선택적으로 제공되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 평가 장치(28)는 스펙트로미터를 포함하는 화학 분석 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 평가 장치(28)에는 온도를 측정하는 파이로미터가 추가로 구비되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 평가 장치(28)에는 사진을 촬영하는 장치가 구비되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 집속 장치(24)는 상기 재료 샘플(8) 직전에 배열되는 두 개의 조인트(12, 13) 사이에 제공되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 집속 장치(24)는 상기 재료 샘플(8) 앞의 마지막 조인트(13)와 상기 재료 샘플(8) 사이에 제공되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 집속 장치(24)는 상기 레이저 빔(11)의 길이방향으로 이동가능한 화학 분석 장치.
제9항에 있어서,

상기 집속 장치(24)의 이동은 조정 장치(37)를 통해서 반사광(26)에 의하여 제어가능한 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

두 개의 조인트(12, 13) 또는 조인트(13)와 상기 재료 샘플(8) 사이에 배열된 암 부분(16", 16"')은, 상기 집속 장치(24)와 상기 재료 샘플(8) 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 이동가능한 장치에 의하여 신축자재로 신장 및 후퇴가능한 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 암(14)에는 열 보호 장치가 제공되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 암(14)에는 냉각 장치가 제공되며, 상기 냉각 장치에 의하여 액체와 같은 냉각 매체 또는 아르곤과 같은 순환 가스가 상기 암을 통과할 수 있는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 암(14)에는 온도를 측정하는 장치 및 상기 암(14) 내의 임의의 온도차를 최소화시키는 제어 회로가 구비되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 레이저 빔(11) 및 상기 반사광(26)은, 상기 이동가능한 조인트(12)의 회전축(18)에 대하여 대칭으로 회전할 수 있도록 미러(21) 또는 프리즘 중 어느 하나 또는 양자 모두로 구성되는 상기 편향 장치에 의하여 안내되는 화학 분석 장치.
제15항에 있어서,

상기 편향 장치가 미러(21)로 구성되는 경우, 미러(21)로 구성되는 상기 편향 장치에는 세그멘트로 배열된 반사층이 제공되며, 상기 반사층 중 하나는 상기 레이저 빔(11)용으로 제공되고 다른 하나는 상기 반사광(26)용으로 제공되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 집속 장치(24)에는 세그멘트식 렌즈 또는 미러 중 어느 하나 또는 양자 모두가 구비되며, 상기 세그멘트 중 하나는 상기 레이저 빔(11)용으로 제공되고 다른 하나는 상기 반사광(26)용으로 제공되는 화학 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 암(14)은 평형추(50)에 의하여 중량 평형을 이루어 모멘트가 인가되지 않도록 공간 내에 위치되는 화학 분석 장치.
제1항에 따른 용융물(8)의 화학 분석용 장치를 포함하는 철강 산업용의 금속로(1).
제19항에 있어서,

상기 금속로(1)는 경사질 수 있고, 상기 암 부분(16')은 금속로의 경사축과 평행으로 배치되거나 또는 경사축에 배치되는 금속로.