KR100897764B1 - 용융 금속 함유물 센서 프로브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용융 금속(12)이 통과하는 감지 통로(26)를 가지고 그 통로를 통하여 두개의 전극들(20, 28) 사이에 직접적 전류 경로가 형성되는 용융 금속 함유물 센서 프로브를 제공한다. 통로(26) 내의 중앙 감지 영역을 통한 함유물(72)의 통과는 전류 경로의 저항을 변화시켜 샘플 내의 입자의 크기와 수를 나타내는 감지될 수 있는 펄스를 발생시킨다. 종래에는 유동을 원활하게 하는 원통형 입구가 있거나 없는 원통형 통로가 사용되거나 통로 입구의 재료를 가열 유동시켜 임의의 형태로 평탄화된 프로파일을 가진 통로가 사용되었다. 유동하는 금속은 자기유도 자기장 및 임계치 이상의 전류가 흐를 때 "컨디셔닝" 유동을 일으키는 전자기력을 발생시킨다. 높은 수준의 배경 노이즈는 펄스 검출을 어렵게 하는데, 입구(62)로부터 감지 영역까지의 통로의 유동 단면적이 서서히 감소하도록 가공하고, 양호하게는 포물선 또는 타원 프로파일(56)을 가지도록 하여 프로브 동작을 개선하는 방안이 제안되었다. 양호하게는 출구(68)도 또한 동일한 프로파일을 가질 수 있다. 벽 표면을 1.016 마이크로미터(40 마이크로인치) 보다 양호한 평탄도를 가지도록 가공하여 추가의 개선을 이룩할 수 있다. 이 정도의 정밀하고 평탄한 벽을 가진 통로는 요구되는 최적 시험 및 컨디셔닝 전류와 관한 시스템의 설계를 용이하게 한다.
금속 함유물, 센서, 프로브, ESZ
Description
본 발명은 용융 금속 함유물 센서 프로브에 관한 것으로서 ESZ(전기 감지 영 Electric Sensing Zone} 방법이라 알려진 방법을 사용하는 장치에서 용융 금속 내의 함유물의 숫자, 크기 및 크기 분포를 검출하는 센서 프로브에 관한 것이다. 본 발명은 또한 용융 금속 함유물 센서 프로브를 제작하는 방법에 관한 것이다. 센서 프로브는 알루미늄, 마그네슘 및 스틸과 같은 액상 금속의 품질을 제어하기 위해서 사용되며 특히 센서 프로브는 유동 용융 금속을 신속하게 온-라인 모니터링할 수 있도록 해주는 점에서 유용하다.
광석으로부터 금속을 생산하고 제련하는 과정에서 필연적으로 편의상 "함유물"이라 지칭하는 물질이 생성되는데, 이는 침전된 이차상 입자(precipitated secondary phase particles), 슬래그의 적하물 및 가스, 거품 등을 포함하고 이들은 모두 어느 정도 금속의 성질을 열화하는 영향을 준다. 폐금속(scrap metal)이 독자적으로 또는 정련된 순정 금속과 함께 리사이클 또는 정련되는 경우 더욱 많은 양과 다양한 종류의 함유물이 생성될 수 있는데, 이는 폐금속에 다양한 산화물, 부식물, 오염물, 유류, 페인트 등이 존재하기 때문이다. 생산된 압연 또는 주조 제품에 이러한 함유물이 존재하면, 피로 수명, 강도, 부식성, 마모성, 파단성, 표면 균일성, 공극성 등의 관점에서 일반적으로 바람직하지 않으며, 특히 함유물의 크기가 (예들 들어 15 마이크론 이상) 큰 함유물이 존재하는 경우에 그러하다. 예들 들어, 알루미늄 음료 캔의 생산은 80 마이크론 정도의 두께를 가지는 캔 벽에 예를 들어 60 마이크론 정도의 큰 함유물이 존재하는 경우에는 심도 있는 드로잉 과정에서 금속이 파단될 수 있고 내용물이 가압되었을 때에 캔이 샐 수가 있다. 초박판 시트 및 식각 플레이트의 생산에 있어서는 청결성이 필수적으로 요구된다. 따라서 금속이 의도된 용도를 위하여 충분한 청결성을 가지는지 여부를 필수적으로 결정하여야 하고, 사용된 정련 과정이 충분히 청결한 금속을 생산하는지 여부를 결정하여야 한다.
특히 용융 알루미늄 내의 함유물을 정량적으로 검출할 수 있고 온-라인 방식으로 동작할 수 있는 방법 및 장치가 알루미늄 산업 분야에서 널리 사용되고 있는데 이러한 것들은 LiMCA 시스템(Limca Research Inc.의 상표)이라 알려져 있다. 이러한 기술들은 예들 들어 미국특허 제4,555,662호, 제4,600,880호 및 4,763,065호에 설명되고 제시되어 있다. 상업적 제품들이 라이센스 하에 캐나다 퀘벡주 퀘벡시 소재의 Bomem사에 의하여 생산되고 있다. 다른 금속의 정련 및 리사이클링 도중의 함유물 검출을 위한 방법 및 장치는 개발 중에 있다.
ESZ 방법은 용융 금속에 적용되기 이전에 쿨터 계수기(Coulter counter)라고 알려진 장치에서 수용액 내의 함유물을 측정하기 위해서 사용되었고, 이 방법은 모든 함유물이 그것이 포함되어 있는 도전성이 높은 액상 금속에 비하여 상이한 (통상 훨씬 낮은) 도전성을 가진다는 사실을 이용한다. 용해된 금속의 측정된 볼륨이 전기적 절연 재료로 구성되고 진공 장치를 튜브의 내부에 연결하는 튜브의 벽 또는 바닥에 형성된 특정 크기(알루미늄의 경우에 통상 300 마이크론의 지름)의 오리피스로 구성된 감지 영역을 통과한다. 진공 장치를 튜브의 내부에 연결하고 오리피스의 대향 면에 배치된 두개의 전극 사이에서 감지 영역을 통과하는 일정한 전류가 유지된다. 함유물 입자가 오리피스를 통과할 때에 오리피스를 통한 전류 경로의 전기적 저항이 함유물의 볼륨의 크기에 비례하여 변화하고, 이러한 변화는 두개의 전극 사이 또는 통상적으로 이러한 목적을 위하여 전류 경로 내에 설치된 두개의 다른 전극들 사이의 전압 펄스로 감지된다. 각 펄스의 진폭은 각 함유물의 크기를 나타내고 펄스의 수는 샘플 볼륨 내의 함유물의 수를 나타낸다. 액상 금속의 질을 낮은 도전성 함유물의 수효 및 크기 분포로서 모니터링하는 대신에, LiMCA 시스템은 그레인 정련제로서 알루미늄 실리콘 캐스팅 합금에 첨가된 티타늄 이붕화물(TiB2) 입자를 검출 및 분석하기 위해서 사용될 수 있다. 티타늄 이붕화물은 용융 알루미늄보다 도전성이 강하며 반대 극성의 전압 펄스가 감지되었다.
알루미늄 합금을 시험하기 위하여 현재 사용되는 온라인 감지 프로브는 절연성, 내열성 재료로 구성되고 금속 내로 낮추어진 샘플링 튜브를 사용하는데, 이 튜브는 용융 금속이 감지 영역 오리피스를 통과하거나 그 하부 단부까지 흡인되는 챔버를 구성한다. 이때에 오리피스를 형성하기 위해서 사용되는 통상의 방법은 튜브의 직경을 통하여 적절한 직경을 가지는 홀을 드릴로 뚫고 그 재료를 용융 시키기에 충분한 온도의 강한 국소 화염을 사용하여 입구 개구부를 가열하여 그곳에 작용하는 표면장력을 이용하여 둥그런 에지가 형성되도록 유동시키는 방법을 사용한다. 전류 공급 전극 및/또는 감지 전극은 하나는 튜브의 내측에 위치하고 하나는 튜브의 외측에 위치하는 두개의 막대 형태를 가지거나, 적절한 도전 재료가 튜브의 내측 및 외측 벽들에 인가된 동심원 튜브 형태를 가질 수 있다. ESZ 방법이 적절히 동작하기 위해서는 전류 경로가 전기적 감지 영역을 완전히 관통하는 것이 필요하고, 액상 금속 내부 및 샘플링 튜브 외측 사이에 원치 않는 누설이 없어야 한다.
모든 입자는 ESZ를 통과할 때 펄스를 발생시키므로, 동일한 크기를 가지나 예를 들어 밀도가 상이한 다른 유형의 비도전성 입자들은 동일한 크기의 전압 펄스를 발생시키게 되므로, 용융체 내의 상이한 유형의 함유물을 구별할 수 없다. 알루미늄 산업에서 사용되는 가스 배출 장치는 용융 알루미늄 내에 염의 미소 기포 및 미소 적하를 발생시킨다. 이러한 미소 기포 및 미소 적하는 LiMCA 프로브와 간섭하여 함유물 계수에 부정확성을 야기시킨다. 실제로 미소 기포는 고형의 함유물에 비하여 상대적으로 해가 작으며, 따라서 금속 품질 제어 관점에서 서로를 구별할 필요가 있다. DSP(Digital Signal Processing) 기술을 적용하면 입자를 보다 잘 구별할 수 있는데, 이 방법은 펄스 높이 외의 다른 변수들을 고려하여 신호로부터 더욱 많은 정보를 추출할 수 있도록 한다. McGill DSP 시스템을 사용하면 각 펄스는 6개의 다른 펄스 변수들로 특성화될 수 있는데, 이들은 시작 슬로프, 종료 슬로프, 최대 전압까지의 시간, 전체 신호기간, 시작 및 종료 시간이다.
성공적이고 지속적인 라인상의 동작을 통하여 일찍이 LiMCA 시스템이 "컨디셔닝(conditioning)"이라 부르는 과정을 사용한다는 것이 알려져 있는데, 이 과정 은 용융 금속의 인입률이 감소되었거나 전압 기저선에 불안전성이 관측되었을 때 새로운 샘플을 취하기 이전에 오리피스를 통하여 약 300마이크로초 동안 60 암페어인 감지 전류에 비하여 200-300 암페어의 전류를 통과시키는 과정을 포함한다. 통상 높은 전류의 흐름은 이러한 문제들을 해결하는 것이 발견되었는데, 이는 높은 전류가 오리피스의 벽에 부착되어 알루미늄 및 다른 입자가 오리피스를 통과하는 흐름을 방해하는 입자들을 제거하기 때문으로 추측된다. 이러한 컨디셔닝 효과의 메카니즘이 알루미늄 용융액 내에서의 LiMCA의 성공적 실행의 관건이며 아마도 다른 금속의 경우에도 그러하리라 생각된다. 컨디셔닝 과정의 주된 메카니즘이 밝혀진 것으로 믿어지며 새로이 제공된 감지 프로브의 구조 및 제조 방법은 종래보다 더욱 효과적으로 이 과정을 실행시킬 것으로 믿어진다.
본 발명의 주된 목적은 새로운 구조를 가진 용융 금속용 함유물 센서 프로브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 주된 목적은 용융 금속 함유물 센서 프로브를 제작하는 새로운 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 감지 영역 내의 입자 통과를 모니터링하기에 용이하고 감지 영역을 통과하는 높은 전류의 짧은 펄스를 사용하여 달성되는 컨디셔닝 과정을 개선하는 개선된 프로파일을 가지는 감지 오리피스 및 그 제작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 용융 금속에 침지되어 ESZ 방법에 의하여 그 안의 함유물을 검출 하는 용융 금속 함유물 센서 프로브를 제공하는데, 프로브은 전기적 절연성 내열 재료로 형성된 센서 프로브 몸체를 포함하고, 그 몸체의 벽의 최소한 일부에 용융 재료를 몸체의 일 측으로부터 다른 측으로 흐르도록 하기 위한 감지 통로를 포함하고, 감지 통로는 그 내부에 전기적 감지 영역을 제공하고 종축을 따라 연장되며;
상기 감지 통로의 입구로부터 전기적 감지 영역을 향할 때에 감지 통로의 유동 단면적이 점차로 감소하며;
입구로부터 전기적 감지 영역을 향한 감지 통로의 프로파일이 준선(directrix)이 감지 통로의 종축과 일치하고 초점이 센서 프로브 몸체 내에 포함되고 감지 통로로부터 이격되어 있는 포물선 및 하나의 축이 감지 통로 종축과 평행하고 몸체 내에 위치하며 다른 축의 연장선이 전기적 감지 영역을 통과하는 타원 중에 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 전술한 바와 같은 용융 금속 함유물 센서 프로브를 제작하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 머시닝 작업에 의하여 프로브의 벽 내에 전술한 특정 프로파일로 감지 통로를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 용융 금속 내에 침지되어 ESZ 방법에 의하여 금속 내 함유물을 검출하는 용융 금속 함유물 센서 프로브를 제공하는데, 프로브는 전기적 절연성 내열 재료로 형성된 센서 프로브 몸체를 포함하고, 그 몸체의 벽의 최소한 일부에 용융 재료를 몸체의 일 측으로부터 다른 측으로 흐르도록 하기 위한 감지 통로를 포함하고, 감지 통로는 그 내부에 전기적 감지 영역을 제공하고 종축을 따라 연장되며;
상기 감지 통로의 입구로부터 전기적 감지 영역을 향할 때에 감지 통로의 유 동 단면적이 점차로 감소하며;
감지 통로의 벽 표면이 머시닝 작업에 의하여 1.016 마이크로미터(40 마이크로 인치)보다 양호한 평탄도를 가지도록 가공된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 용융 금속 함유물 센서 프로브 및 그 내부에 감지 통로를 형성하는 방법의 양호한 실시예가 첨부한 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 알루미늄 내의 함유물을 측정하기 위하여 LiMCA 시스템을 사용하는 종래 장치의 개략도;
도 2-4는 도 1의 장치에 사용된 종래의 샘플링 튜브 용기의 하부를 따라 절개한 종단면도로서 종래의 ESZ 샘플링 통로의 상이한 프로파일을 보여주는 도면;
도 5는 본 발명에 따라 포물선 프로파일을 가지도록 샘플링 튜브 측벽에 형성된 감지 통로의 확대도;
도 6은 본 발명에 따라 타원 프로파일을 가지도록 샘플링 튜브 측벽에 형성된 감지 통로의 확대도;
도 7은 계산 피일드 내의 전위 분포 선도;
도 8은 피일드 내의 전류 밀도 선도;
도 9는 피일드 내의 자기유도 자속 밀도 선도;
도 10은 피일드 내의 특성 전자기력 분포 선도;
도 11은 계산된 금속 유동 벡터 선도;
도 12는 선택된 축상 이격 점들에서의 축방향 유동 속도를 보여주는 도면;
도 13은 동일한 축상 이격 점들에서의 방사상 유동 속도를 보여주는 도면;
도 14는 전류가 금속 유동의 컨디셔닝을 유발하는 임계치 이상일 때의 금속 유동 벡터를 보여주는 도면.
도 1은 LiMCA 시스템을 이용하는 종래의 장치를 매우 간략히 도시한다. 예를 들어, 트로프(trough; 10)는 시험될 용융 금속(12)을 금속이 용융된 고로로부터 가스 제거기, 필터 베드 및 캐스터 등의 후속 처리 장치로 이송한다. 유동 상태 또는 고정 시험 용기(도시 안됨) 내의 용융 금속을 통상 감압에 의하여 샘플 수용 시험 용기(14) 내로 흡인하여 용융 금속의 청결도를 온라인 상에서 즉시 검사할 수 있다. 샘플 수용 시험 용기(14)는 통상 길쭉한 교체가능 튜브로서, 그 하단부가 막혀있고 개방 상단부가 단부 캡(16)에 탈착가능하도록 장착된다. 캡은 수직 상하 운동이 가능하도록 장착되는데, 그리하여 튜브는 임의로 유동류(12) 내로 침지되거나 그로부터 꺼낼 수 있는데 이러한 장착 장치는 도면상에 스탠다드(18)로 도식적으로 표현되어 있다. 단부 캡은 그로부터 하방으로 돌출되는 4개의 전극을 가지는데, 그 중 3개는 튜브의 내부로 들어가고 4번째 전극은 튜브 외부에 위치한다. 3개의 내부 전극 중의 하나는 금속 막대로 형성된 전류 전달 전극(20)인데 그 상부가 단열 재료(22)로 싸여져 있고 용기 벽 내에서 감지 통로(26)와 바로 인접하는 노출된 하부 팁(24)만이 용기로 들어오는 용융 금속과 전기적 접촉을 하게된다. 외부 전극(28)도 또한 전류 전달 전극이며 단부 캡(16)에 의하여 제1 전극(20)과 평행하게 연장되도록 장착되고 그 노출된 하부 팁(29)이 또한 감지 통로(26)와 바 로 인접한다. 그 결과 감지 통로(26)를 통과하여 전극들(20 및 28) 사이에 형성되는 전류 경로에는 발라스트 저항기(32)를 경유하여 배터리(30)로부터 전류가 공급된다. 발라스트 저항기는 전류를 "컨디셔닝" 값으로 증가시키기 위하여 원하는 때에 스위치(33)에 의하여 션트(shunt)될 수 있다. 배터리 리드의 하나는 온/오프 스위치(31)와 전류계(34)를 포함한다. 단부 캡(16)은 또한 시험 용기 내부로부터 3로 밸브(36)로 유체 연통을 제공하는데, 이는 용기의 내부가 감압 소스 또는 아르곤 등의 적절한 차폐 불활성 가스 또는 대기와 선택적으로 연결되도록 한다. 감압 소스는 저장기(38)를 포함하는데 이는 펌프(40)에 의하여 밸브(36)를 통하여 시험 시간 사이에 필요에 따라 배기된다. 두개의 전극들(20, 28)은 차동 증폭기(42) 및 로그 증폭기(44), 피크 검출기(46) 및 다채널 분석기(48)와 연결되는데 다채널 분석기는 또한 기록기로 사용될 수도 있다.
사용 전에 용기(14)의 내부가 아르곤 또는 질소 등의 가스로 세척되고 나서 용기가 금속(12) 내로 하강된다. 그리고 밸브(36)가 동작하여 용기 내부를 감압 저장기에 연결되어 용융 금속이 통로(26)를 통하여 원활하고 신속하게 흡입된다. 충분한 양의 금속이 용기로 들어가서 전극(20)의 팁(24)과 접촉하여 팁이 잠기게 되면 통로를 통하여 두개의 전극들(20, 28) 사이에 전류 경로가 형성된다. 충분한 금속이 용기 내로 들어와 금속 레벨 검출기(52)의 하부 레벨 전극(50)을 접촉하면 분석기/기록기(48)가 스위치 온되고, 금속이 상부 레벨 검출 전극(54)을 접촉하면 스위치 오프된다. 액상 금속(12)과 전극(20 및 28) 간의 접촉 면적이 팁(24 및 29)으로 제한되므로, 측정되는 전압의 차이는 단지 감지 통로(26)를 통과하는 함유 물에 의한 금속의 변위에 의하여만 발생한다. 이러한 함유물이 감지되면 정상 상태 값보다 높거나 낮은 전압 펄스를 발생시킨다. 그리하여 각 입자가 통로(26)를 통과할 때 액상 금속의 체적을 변화시키고 전극들(20, 28) 사이의 전기적 저항, 펄스의 크기를 변화시키는데, 이들은 통로의 단면 유동 면적과 입자의 크기간의 비에 관련되어 있다. 전압 펄스들은 큰 직류 신호에 중첩된 상대적으로 낮은 진폭의 신호이며 이들은 차동 전치증폭기(42)로 공급되어 큰 직류 성분과 고주파 노이즈를 제거하기 위하여 필터링된다. 높은 레벨의 노이즈에서 이러한 펄스들을 정확하고 신뢰성있게 검출하는 것은 매우 어렵고 검출될 수 있는 함유물의 크기를 15-20 마이크로미터로 제한한다. 로그 증폭기(44)는 신호의 동적 범위를 확대하고, 그 출력이 신호를 샘플링하고 분석기(48)에 의하여 처리될 수 있는 고정 길이의 이산 펄스들을 발생시키는 피크 검출기로 제공된다. 분석기는 이러한 펄스들의 수를 세고 이들의 크기를 분석한다. 따라서 분석기의 출력은 입자 수의 도수 분포(histogram)이고 이로부터 샘플 내의 입자 밀도 및 입자 크기 분포가 결정될 수 있다.
제안된 감지 통로 직경은 100-5000 마이크로미터이며, 알루미늄이나 마그네슘 같은 저용융점 금속에 대하여는 통상 200 내지 500 마이크로미터이며, 이 값은 일차적으로 용융체 내의 함유물과 측정될 전형적 함유물의 크기에 따라 선택된다. 알루미늄 내에서 샘플링하기 위하여 용기(14)는 전형적으로 내화 물질의 튜브로 구성되는데 예를 들어 동일한 길이의 보어(26)를 제공하기 위해서 1mm의 두께를 가지는 붕소규화 글래스가 사용된다. 알루미늄을 샘플링하기 위하여 사용될 때에 감지 통로는 약 300 마이크로미터의 직경을 가진다. 도 2는 예를 들어 스틸을 시험하기 위해서 종래 기술의 장치 내의 하나의 통로 형태를 보여주는데, 이는 길이 방향을 따라 균일한 직경을 가지는 드릴로 형성된 홀을 포함한다. 도 3은 도 2의 드릴된 홀의 입구가 통로 내로 연장되는 원뿔 형태의 진입부를 형성하여 확대된 형태를 도시하는데 이러한 형태는 통로 내에 층류를 형성하는데 도움을 준다. 도 4는 알루미늄을 위한 센서 프로브에 통상 사용되는 통로의 유형을 보여주는데 여기서 튜브는 가열에 의하여 쉽게 연화될 수 있는 재료로 형성된다. 그리하여 화염이 도 2에 도시된 바와 같은 실린더형 홀에 충분한 온도와 홀 주위의 재료를 녹일 수 있는 열 용량으로 인가되어, 재료는 표면 에너지의 작용에 의하여 그 연부, 특히 원형 입구 연부가 어느 정도 평탄하고 임의로 둥그렇게된 프로파일을 가지도록 변형될 때까지 유동된다. 가장 작은 직경을 가지는 통로의 부분 또는 용융 과정의 비균일성 때문에 정확히 원형이 아닌 경우 가장 작은 등가 직경을 가지는 통로의 부분은 감지 영역을 구성한다. 감지 영역의 직경은 통로로 삽입되는 게이지 로드에 의하여 쉽게 측정될 수 있으나, 얻어지는 감지 통로의 프로파일은 튜브가 제작되는 재료나 제작자의 기술을 포함하여 통로가 형성되는 특정 가열 조건들에 따라 변화하므로, 그 벽이 유동 축에 대하여 진정으로 평탄하고 균일하다는 보장이 없다. 그러한 튜브의 상업적 제품의 오리피스를 검사해 보면 그 형상이 어느 정도 불규칙하며, 그러한 오리피스를 통과하는 유동의 해석에 사용되는 수학적 공식의 개발이 요구되어 왔으며, 실질적 타협안으로서 최소한 2차 다항식을 관측된 형상에 맞추는 것이 요구되어 왔다. 그러한 라운딩 작업이 실제로 상대적으로 안정적인 신호를 얻는 것 을 가능하게 하는 것이 발견되었으므로, 당시에는 이것이 요구되는 모든 것으로 생각되었다. 작은 함유물 입자가 명확히 검출될 수 있는 펄스를 발생하도록 하기 위해서는 가능한 한 유효 단면적이 작아야 하나, 단면적이 너무 작은 경우에 유체 인입량이 급격히 감소하고 전압 기저선이 급격히 불안정해지기 때문에 단면적이 너무 작아서도 안 된다. 이러한 불안정성 등의 원인은 비도전성 재료의 함유물이 전자기력에 의하여 통로 벽으로 끌리거나 이하에서 더욱 상세히 설명하는 바와 같이 벽과 충돌하게 되어 통로를 통과하는 금속의 바람직한 평탄한 층류를 감소시키거나 파괴하기 때문이라 믿어진다. 물론 크기가 큰 함유물은 통로를 통과하지 못하고 보어를 거의 막아버리게 된다. 시험 정확성의 점차적 감소, 시험 별로 또는 시험 도중의 기저선 측정값의 불안정성이 LiMCA 시스템의 시동시부터 발견되었다. 다행이 이러한 문제가 일찍이 발견되었기 때문에 전술한 바와 같이 그러한 방해들을 제거하는 것으로 믿어지는 "컨디셔닝" 과정에 의하여 시험 이전에 이 장치를 원래의 정확성 및 안정성을 가지도록 복원할 수 있었다. 이러한 현상이 발생하는 메카니즘은 아직 정확히 알려지지 않았다.
이러한 문제를 경감하지 위한 하나의 제안이 Doutre에게 허여된 미국특허 제5,834,928호에 기재되어 있다. 이에 따르면 금속이 감지 통로로 배출되기 직전에 감지 통로의 폭이 넓은 업스트림을 통하여 전달되는데, 이러한 광폭 통로는 전류 경로 내에 위치한 비도전성 표면으로 정해지고 감지 통로보다 2 내지 10배의 일정한 수력학적 직경을 가지는 유동 영역을 제공한다. 이 발명은 함유물들이 용융 금속과 다른 도전성을 가지는 입자이므로 이들이 자기유도 자속 및 그로 인한 전자기력에 의하여 영향을 받는다는 사실에 기초하고 있다. 입자들이 (통상의 경우로서) 낮은 도전성을 가지면 전자기력에 의해 입자들은 유동축으로부터 방사상으로 외측으로 밀치는 힘을 받고, 도전성이 높은 입자들은 유동축을 향하는 힘을 받게 된다. 통로 앞에 광폭 통로를 형성하면 용융 금속이 감지 통로로 들어가기 이전에 실질적으로 모든 액체 및 기체 함유물을 제거할 수 있는 효과가 있는데, 이러한 액체 및 기체 함유물은 고체 함유물과 같은 정도로 금속의 성질을 열화시키지는 않는다. 도입 통로는 또한 보다 큰 입자들을 포착하고 이들이 감지 통로로 들어가는 것을 방지하여, 작은 함유물을 보다 정확히 검출할 수 있도록 보다 작은 오리피스를 가진 샘플링 튜브가 사용될 수 있도록 한다. 그러나 보다 큰 함유물을 측정하기 위한 다른 시험에서는 보다 큰 오리피스를 가지고 도입 통로가 없는 샘플링 튜브를 사용할 수 있다.
액체 금속 유동에 포함되고 전류 흐름의 영향을 받는 입자들의 운동의 상세한 수학적 해석이 본원 발명자인 Mei LI 및 Roderick R.L. GUTHRIE의 논문 "Numerical Studies of the Motion of Particles in Current-Carrying Liquid Metals Following in a Circular Pipe", Metallurgical and Materials Transactions B, Volume 31B, 2000년 4월, 357-364면에 제시되어 있다. 이 논문은 본 명세서의 일부로서 참조된다. 이러한 운동의 다음과 같은 비수학적 설명도 당업자가 본 발명의 내용을 이해하고 적용하기에 충분하다고 믿어지며, 보다 상세한 수학적 설명이 필요한 경우에만 상기 논문을 참조하면 될 것이다.
성공적 동작을 위하여 상대적으로 크고 일정한 직류신호에 대하여 감지 영역 을 통한 함유물의 통과에 의하여 발생되는 작은 단일 펄스를 정확하게 검출하고 측정하는 것이 본질적으로 어려우므로, 가능한 배경 "노이즈"를 줄이기 위하여 부속 기기의 설계에 주의를 기울여야 한다. 예를 들어, 미리 진공화된 진공 저장기(38)가 제공되는데 이는 시험 중에 펌프를 턴오프하여 동작중 전기적 간섭을 일으키지 않기 위함이다. 동일한 이유로 교류 전원으로부터 온라인 직류 공급을 받는 대신에 재충전용 배터리(30)를 사용한다. 가능한 한 전자적 장애를 줄이기 위해서 전자 회로의 설계에 주의하여야 하며, 노이즈의 근원이 될 수 있는 접지 루프를 최소화하여야 한다.
이하에서 보다 상세히 설명하고 예를 들어 위의 Doutre 특허로부터 알 수 있는 바와 같이, 감지 통로는 그 자체가 본질적으로 전자기 회로 요소를 구성한다. 그리하여 시험되는 금속은 강력한 전기장 아래서 감지 통로를 통하여 이동하는 높은 도전성을 가지는 "와이어"로 볼 수 있고 따라서 상대적으로 높은 자속과 강력한 전자기력을 발생시키고, 이는 ESZ 내의 입자 및 유동 피일드에 기계적 영향을 미친다. 그러므로 매우 좁은 감지 통로를 통과하는 빠른 용융 금속의 흐름이 가능한 한 평탄하도록 최대한의 주의를 기울이지 않으면, 감지 통로 자체가 해로운 배경 노이즈의 근원이 될 수 있다. 그러한 노이즈는 예를 들어 ESZ 내의 유체 흐름에 작용하는 전자기장의 작용, 통로 프로파일 및 통로 벽의 표면 상태 등에 의한 흐름의 와류 또는 요동의 결과 발생될 수 있다. 그러한 모든 와류 및 요동은 작지만 무시할 수 없는 전기역학적 노이즈를 발생시킨다. 시스템의 만족스러운 동작을 위하여 요구되는 유동 속도는 예를 들어 2-5m/s와 같이 상대적으로 고속이고, 이러한 속도에서는 쉽게 흐름이 동요되고 난류가 발생할 수 있어 유효한 측정치가 얻어질 수 없게 될 수 있다. 예를 들어 휘저은 액체는 유체의 점성과 온도에 의하여 결정되는 크기의 와류를 포함하고, 그러한 와류는 검출될 입자의 크기인 15-50 마이크로미터와 같은 오더의 크기를 가질 수 있다.
그리하여 단지 감지 통로의 입구를 평탄하게 하여 평탄한 흐름을 만드는 시도만으로는 불충분하고, 감지 통로의 최소한 인입부 및 양호하게는 출구부가 포물선 또는 타원 형태의 선택된 정밀한 점진적 프로파일을 가지도록 하여야 한다고 믿어진다. 그리하면 흐름이 달성 가능한 한도로 층류 형태가 되고 요동 및 내부 와류의 발생이 최소화된다. 높은 유동 속도가 사용되면 정상적으로 유체의 느린 유동 컬럼과 함께 존재하는 정지 경계층(stagnant boundary layer)이 아주 얇아지고, 또한 동작 온도에 따라 통로 벽이 상대적으로 빠른 속도로 침식되어 튜브를 사용할 수 없을 정도로 통로의 직경이 넓어진다. 그리하여 통로 벽의 초기 평탄도가 생각했던 것보다 중요하며, 통상 "평탄한" 벽이라 부르는 종래 사용되던 표준적 거칠기도 금속이 통과하면서 배경 노이즈를 발생시키는 요동 및 와류를 형성하기에 충분할 수 있다고 믿어진다. 이러한 목적을 위하여 본 발명의 실시예는 우선 적절한 직경의 파일럿 홀을 형성하고 요구되는 최대 개시 직경으로 홀을 확대하는 동시에 충분한 정밀도로 포물선 또는 타원 형태의 프로파일을 형성하여 감지 통로(26)를 형성한다. 이러한 과정은 예를 들어 상보적 프로파일을 가지고 우선 한 측면으로부터 파일럿 홀 내로 진입하고 다른 측면으로부터 진입하는 회전 연마 기구(84)를 사용하여 이루어질 수 있다. 이러한 장치에 의한 연마 가공은 필요한 경우 유사한 프로파일을 가지는 랩핑(lapping) 기구에 의하여 마무리하여 보충될 수 있다. 고급 머시닝에 의한 표준 표면 가공의 정밀도는 약 1.016마이크로미터(40마이크로인치)이나, 이러한 정도의 표면은 현미경 검사에서 노이즈를 발생시킬 수 있는 동요 및 와류를 발생시킬 수 있는 리지 및 돌출부가 발견되므로 불충분한 것으로 믿어진다. 그 대신에 양호하게는 0.254 마이크로미터(10 마이크로인치) 또는 더욱 양호하게는 0.127 마이크로미터(5 마이크로인치)의 표면 정밀도를 달성하는 것이 바람직하다. 이 정도의 표면 정밀도는 기존의 연마 및 랩핑 기구에 의하여 달성할 수 있다. 감지 통로 벽의 초정밀 평탄 가공은 포물선 또는 타원 형태의 프로파일 뿐만 아니라 현재까지 제안된 평탄한 임의의 곡면을 가진 임의의 다른 프로파일에 적용될 수 있을 정도로 충분히 중요하다. 정밀하게 제작된 회전 기구에 의하여 간편하게 제작될 수 있는 표면이 흐름 축에 대하여 본질적으로 대칭 형상을 가지게 되므로, 포물선 및 타원형 표면보다는 노이즈 억제 효과가 떨어질 수 있으나 반원형 프로파일도 유력한 대안의 하나이다.
포물선의 곡률은 다음 다항식의 계수로서 표현될 수 있다:
Y = Ax2 + R
이때 A는 계수이며 R은 감지 영역 스로트(throat)의 반경이다. A가 제로인 경우 통로는 원통형이며, A가 매우 커질 때는 칼날 형태가 된다. 이 계수의 양호한 범위는 1.0 내지 5.0이며 더욱 양호하게는 2.0 내지 4.0이다. 이하에서 설명되는 곡선의 계수값은 2.15이다.
유사하게 타원의 곡률은 다음 다항식의 계수 λ= b/a로 표현된다:
(X/a)2 + (y/b)2 = 1
이 때, a 및 b는 각각 x 및 y 방향의 절반 축의 길이이다. 계수 λ의 바람직한 범위는 0.2 내지 2.5이며 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2.0의 범위이다. 평가된 곡선에 사용된 특정 계수값은 0.5이다.
도 5는 감지 통로(26)를 포함하는 감지 용기(14)의 벽의 일부를 확대한 도면이다. 본 발명에 따라 벽은 포물선형 프로파일을 가지고, 본 실시예에서 사용된 계수가 2.15이고, 포물선의 준선은 중앙의 종방향 유동축(58)과 일치하며, 이 축을 중심으로 포물선이 회전하여 벽(56)을 형성되며, 각 포물선의 초점이 용기 벽 내의 원에 놓이는 점(60)이다. 액상 금속(12)은 유동축(58)을 따라 감지 통로의 도입구(62)로 흘러들며, 전체적으로 화살표(64)의 방향으로 흐르고, 금속이 용기 내로 흘러드는 속도는 흐름이 평탄한 층류를 이루고 통로에서 유동 단면적이 가장 작고 전기적 감지 영역을 구성하는 중앙부(66) 또는 스로트를 향하게 하는 속도이다. 용융 금속은 통로 출구를 통하여 방출되는데 실제로는 영역(66) 및 출구(68) 사이의 포물선 프로파일의 일부와 근사하다기 보다는 제트류의 형태를 가진다. 전류(I)는 전극들(20, 28) 사이에서 화살표(70) 방향으로 흐른다.
도 6은 감지 통로(26)를 포함하는 감지 용기(14)의 벽의 일부를 확대한 도면이다. 본 발명에 따라 벽은 타원형 프로파일을 가지고 주축(80)은 감지 영역 종축(58)과 평행하고 용기 벽 내에 위치하며 종축(82)의 연장선은 전기적 감지 영 역(66)을 통과한다. 포물선 프로파일의 경우와 같이, 중앙 종방향 유동축(58)을 중심으로 타원형 프로파일이 회전하여 감지 통로의 벽을 형성한다.
용융 금속의 흐름을 물리적으로 관찰하는 것은 매우 어려운데 이는 금속이 흐르는 파이프를 투명한 재료로 제작할 수 없기 때문이다. 유체 내의 입자의 동적 운동의 수학적 계산은 또한 매우 어려우며 단순화를 위한 가정을 도입하는 것이 필수적이다. 그리하여 원통형 좌표계를 사용하는 2차원 시뮬레이션이 사용된다. 계산 영역은 도입구 경계(76)와 대응하는 출구 구형 캡(78) 사이인데, 도입구 경계는 축(58) 상에 위치한 점 C에 중심한 도입구 구형 캡이며 이 점은 축(58)과 통로 도입구 모서리에서의 통로벽(56)의 원뿔형 접선과의 교차점이고, 출구 구형 캡은 통로 출구 모서리에서의 통로벽의 원뿔형 접선면의 꼭지점인 점 C'에 중심을 두고 있으며 계산 목적을 위한 감지 통로의 유효 길이를 결정한다. 실제로 ESZ의 통과 시간은 입자가 통로의 물리적 길이를 통과하는데 걸리는 시간이 아니라, 실제로는 발생된 펄스의 높이가 적절한 검출 및 인식을 위하여 전자 회로에 의하여 설정된 문턱값보다 높은 영역을 통과하는 시간이다. 계산 길이는 입자의 크기에 따라 증가된다. 금속 유동과 감지 전류의 출구 경계는 감지 통로의 스로트(66)인 것으로 한다. 또한, 계산의 단순화하고 정확도를 높이기 위해서 계산 경계 내에서 변수들의 비직교 그리드가 설정되었고 10-5ms의 미소 시간 단계가 사용되었다.
도입구 경계(76)에서 액체 속도 및 전류 밀도가 모두 균일하고 경계에 대하여 연직인 것으로 가정하였고, 출구 경계(76)에서 전위가 일정하고 배출 속도 구배 가 제로인 것으로 가정하였다. 연속성을 위하여 인입 속도 및 배출 속도를 일치시키기 위해서 임의의 산술적 계산에 대하여 반복적인 보정이 이루어졌다. 스로트(66)를 지난 지점에서는 용융 금속이 제트 유동을 하는 것으로 가정하였다. 즉 출구 측의 측벽의 확산을 무시하고 액체가 단지 스로트에서와 동일한 축방향 속도 분포로 통과하는 것으로 가정하였다. (실온에서 행한) 물을 사용하는 시스템에 대한 실험 결과 제트 흐름이 발생한다는 사실이 발견되었고, 용융 금속의 흐름에도 동일한 가정이 적용하는 것이 안전하다고 판단된다. 통로벽을 따라 미끄럼이 없으며 튜브와 내부와 외부 사이에 전류의 흐름이 없다는 경계 조건이 적용되었다. 매질이 비저항이 Pe인 하나의 연속적인 재료(용융 금속)와 비저항이 Peff인 산재되어 분산된 구형 함유물로 구성되어 있다고 가정하고, 고려되는 입자들이 주변 전류의 흐름을 방해하지 않도록 서로 충분한 거리를 두고 분산되어 있다고 가정한다.
LiMCA 시스템은 통상 약 700oC의 온도에서 용융 알루미늄을 대상으로 하여 사용된다. 이 온도에서 알루미늄의 밀도는 2.368x103kg/m3이고 비저항은 0.25x10-6Ωm이다. 가장 일반적인 함유물은 알루미나 및 가스 미소거품이며 이들은 밀도는 3.8x103kg/m3 및 제로이고, 본질적으로 비도전성이다. 티타늄 이붕화물의 함유물도 고려되었는데 이는 그 밀도가 4.5x103kg/m3이고 비저항이 알루미나의 0.09x10-6
Ωm 보다 낮기 때문이다. 완전한 도전성을 가지는 입자에 의하여 발생되는 전압 펄스는 음으로 비도전성 입자의 경우와 반대이고, 동일한 크기의 비도전성 입자보다 두 배의 피크 비저항을 가진다. 한편 용융 알루미늄 내의 TiB2 입자도 도전성이 크기 때문에 반대 극성의 전압 펄스를 발생시키지만, 전압 피크의 높이는 동일한 크기의 비도전성 입자의 경우의 3/4 정도이다.
감지 영역의 수렴 부분으로 들어가는 용융 알루미늄의 흐름을 예측하기 위하여 금속이 동일한 성질을 가진 비압축성 물질로 간주되고, 흐름이 이상적인 동작 조건인 층류이며 정상류라고 간주된다. 금속 흐름의 속도는 4.6m/s이고 ESZ 오리피스 입구에서의 레이놀즈 넘버는 오리피스의 지름에 따라 약 400이다. 전류는 자기 유도 자기장을 발생시키고 그리하여 이동하는 금속에 포함된 모든 입자들은 대응하는 전자기장과 그로 인한 전자기력의 영향을 받는다. 도 7은 계산 피일드 내의 전위 분포를 보여주며, 도 8은 전류 밀도, 도 9는 자기 유도 자속 밀도, 도 10은 특성 전자기력을 보여준다. 도 7은 계산 피일드 내에서 계산된 등위 곡선 및 각 전위값을 보여주는데, 오리피스의 중앙 단면을 따른 등전위선 L이 가장 높은 값을 가진다. 이 위치는 내부 양 전극(22)으로부터의 전류가 ESZ의 오리피스의 스로트로 들어가는 지점이다. 전위 구배는 오리피스의 스로트 부근에서 가장 크고, 오리피스의 입구 또는 출구로 가면서 점차 작아진다. 통상의 측정 전류인 60 암페어를 사용할 경우 전체 오리피스를 통한 전압 강하는 약 0.105 볼트이다. 이러한 전위 분포는 도 8의 전류 밀도 분포를 일으키고 이에 대응한다. 전위 분포와 마찬가지로 전류 밀도도 오리피스의 중앙 영역에서 매우 높고, 스로트로부터 거리가 멀어질수록 감소한다. 도 9는 오리피스 내의 자기유도 자속의 등밀도 선도를 보여준 다. 자속 밀도는 중앙 축(58)으로부터 통로벽을 향함에 따라 증가한다. 표준 측정 전류값(60 암페어)과 유도 자속의 상호작용은 도 10과 같은 분포의 전자기력을 발생시킨다.
도 11은 계산된 금속 흐름 속도 벡터를 보여주고, 도 12는 감지 통로 내에서 축 방향으로 이격된 3개의 선택된 지점 R, S 및 T에서의 축방향 속도의 프로파일을 보여준다. 도 14는 동일한 3개의 선택된 지점 R, S 및 T에서의 방사상 속도의 등가 프로파일을 보여준다. 오리피스의 스로트(66) 부근에서 전류 밀도 및 자속 밀도가 강할수록 그 곳에서 입구 및 출구 영역(62, 68)보다 훨씬 강한 전자기력이 발생한다. 전자기력은 통로 벽 근처에서 높으나, 중앙 축(58)에 가까워지면서 감소하여 중앙 축에서는 거의, 그리고 이론적으로도 제로가 된다. 이러한 전자기력 피일드 내에서 용융 알루미늄 내에 부유하는 비도전성의 입자는 금속의 흐름과 반대 방향으로 작용하는 반대 방향 축력을 받고, 용융 금속의 주 흐름의 외측으로 벽(56)을 향하는 방사 방향의 힘을 받는다. 예를 들어 TiB2와 같이 알루미늄보다 도전성이 큰 입자는 금속 흐름과 동일한 방향의 힘과 방사상으로 축 중심을 향하는 힘을 받는다. 통상의 측정 전류 I가 흐를 때 진공 소스(38)에 의하여 발생되는 축방향 유동력은 반대 방향의 전자기력보다 훨씬 크다. 따라서 전자기력은 유체의 유동에 거의 영향을 주지 못한다. 그러나, 방사상으로 작용하는 힘은 거의 방해를 받지 않으므로 유체에 매우 효과적으로 작용한다.
이러한 축방향 및 방사상 전자기력의 크기는 전류 I의 크기에 직접 관계되고 전류가 커짐에 따라 동시에 증가한다. 도 14에 제시된 계산에서는 전류의 문턱값에서 증가하는 후방으로 작용하는 축력이 통로 스로트를 향할 때 더욱 강해져서 금속 흐름을 역전시켜 금속을 스로트(66)로부터 입구(62)로 이동시킬 수 있고 그 결과 통로의 입구에서 강한 환상 와류가 발생할 수 있음을 보여준다. 이때 금속은 단지 와류와 벽 사이에서만 감지 영역 내로 흐를 수 있고, 통로벽에서 와류 흐름의 속도가 금속 흐름에 더해진다. 실제로 250 암페어의 컨디셔닝 전류에서 벽에서의 최대 속도가 4.64m/s에서 최소한 6.15m/s로 증가한 것이 발견되었다. 그리하여 컨디셔닝의 효과는 벽 부근에서의 빠른 유체 속도가 벽에 부착되어 있는 함유물의 침전물 또는 잔재를 와류 내로 긁어내어 금속 흐름 속으로 다시 투입시킬 수 있기 때문인 것으로 보는 것이 합리적이다.
이러한 현상은 ESZ 입구의 정확한 형상과 상호작용하는 자기적 핀치 효과, 임계 전류값에서 ESZ 입구에서 강한 흐름 역전을 일으키는 오리피스 내의 압력이 형성되는 현상이 조합된 결과이다. 그리하여 본 발명에서 지금까지 사용되어 온 임의로 형성된 "평탄한" 라운드된 통로 또는 원통형 또는 원뿔형 입구 통로 대신에 정확히 형성된 감지 통로를 사용하는 것은 강력하고 분명한 장점이 있다. 전술한 바와 같이 이때에 알루미늄에 사용되는 LiMCA 시스템에서 통상 250-300 암페어의 컨디셔닝 전류를 사용하는데, 이러한 전류가 대부분의 경우에 효과적인 것으로 알려졌다. 바람직한 계수 범위의 낮은 한계인 1.0의 계수를 가진 포물선 프로파일을 사용하는 경우 와류가 일어나는 임계 전류값이 165 암페어이며, 이 값은 바람직한 계수 범위의 상한인 5.0의 계수를 가진 프로파일에서는 더욱 낮아지는 것이 발견되 었다. 따라서 새로운 프로파일은 낮은 컨디셔닝 전류가 컨디셔닝 와류를 발생시킬 수 있으므로 작은 용량을 가진 배터리를 사용할 수 있다.
유동하는 액상 금속을 측정함에서 발생하는 다른 일반적 문제는 전술한 바와 같이 입자들이 방사상 외측으로 밀리는 힘을 받고 동시에 어느 정도 유동축을 따라 후방으로 밀리는 힘을 받는다는 점이다. 이러한 현상은 표준 시험 동안에 감지 영역을 통과는 입자의 전체 수를 감소시키는데, 이는 LiMCA 시스템 이전에 사용되던 느리고, 비싸면서 복잡한 종래의 방법에 의하여 동일한 용융 금속을 시험할 때 확인된다. 통과 비율은 동작 변수가 충분히 주의깊이 선택되지 않으면 50% 까지 떨어질 수 있다. 입자들의 통과 차단은 분명히 불확정적 또는 부적절한 프로파일을 가지고 벽이 거친 감지 통로를 금속 흐름이 통과할 때 전자기력의 작용에 의하여 입자들이 무작위 운동을 하기 때문이다. 그리고 본 발명에 따라 점진적으로 변화하는 포물선 또는 타원 형태의 프로파일을 사용하고 통로벽을 보다 평탄하고 정밀하게 가공하면 통과 차단되는 입자의 비가 크게 감소할 수 있다. 예를 들어, 중앙 축(58)을 향한 방사상 속도를 가지는 비도전성 입자들이 통로벽에 포획되고 그 중심이 벽으로부터 반경만큼 떨어져 있다고 가정하면, 다항 계수 2.15를 가진 포물선 프로파일 통로에서 크기가 20-240㎛인 입자들의 계산된 포획 계수는 단지 5%이고 다항 계수가 1.0일때도 8% 정도밖에 되지 않는다.
본 시스템을 마그네슘에 적용할 때 발생되는 문제는 용융 금속의 공격에 저항성이 있는 튜브(14)의 재료를 발견하는 것이다. 액체 마그네슘의 물성은 알루미 늄의 경우와 크게 다르지 않고, 700oC의 온도에서 밀도가 1.577x103kg/m3이고 점성이 1.23x10-3kg/ms이고 비저항은 0.28x10-6Ωm이다. 콤팩트화된 실리카 튜브가 이러한 금속에 대하여 저항성을 가지나 온도 충격에 의하여 쉽게 파열되는 경향이 있고 높은 파손율을 가진다. 최근에는 통로를 붕소 질화물의 디스크 내에 형성하고 이를 두개의 스틸 튜브로 지지하고 그중 내측 튜브가 샘플링 챔버를 형성하도록 하는 방법이 제안되었다. 그러나 이러한 방법들 중 어느 것도 알루미늄의 경우와 같이 가열 가공에 의하여 입구를 평탄하게 할 수 없었고, 그 대신에 통로의 ESZ 스로트에 원통형 보어를 형성하고 입구와 출구에 원뿔형 개구를 형성하였다. 이 경우에 발생하는 배경 노이즈가 약 30-50㎶로서 약 10㎶인 알루미늄의 통상적 배경 노이즈 보다 상당히 높고, 통과 차단을 회피하기 위한 감지 오리피스의 직경이 400-500㎛로 상당히 커서 신뢰성 있게 검출할 수 있는 입자의 최소 크기가 증대되는 문제가 있다. 계산에 의하면 60 암페어의 알루미늄을 위한 표준 동작 전류에서도 원뿔형 입구 내부에 강한 전자기 핀치력과 그에 의한 강한 축방향 후방 압력에 의하여 큰 토로이드(toroidal) 와류 또는 재순환 영역이 형성될 수 있는 것이 발견되었다. 그러한 와류는 자체로 배경 노이즈를 발생시킨다. 이러한 점이 입자들이 와류에 휩쓸린 큰 통로에서 입자들이 감지 영역의 스로트에 도달할 수 없는 이유를 설명하는 것으로 믿어진다. 이들은 와류에 휩쓸려 응집하여 통로를 차단하거나 통과하더라도 부정확한 계수를 일으키는 큰 입자를 형성할 수 있다. 본 발명에 따라 정확하게 형성된 프로파일을 가진 통로를 사용하고 특정된 평탄도로 통로 표면을 가공 하면 와류가 형성되는 전류를 정확하고 신뢰할 수 있는 시험을 위해서 요구되는 60 암페어보다 높일 수 있고, 필요한 경우에 적절한 컨디셔닝을 위하여 충분한 축방향 속도를 가진 와류가 형성되는 높은 전류값을 예측할 수 있다.
스틸이 또한 신속하고 신뢰성 있는 함유물 검출이 요구되는 금속인데, 이는 함유물의 존재에 의하여 자연조건에 의하여 치명적으로 영향을 받는 도장성, 피팅(pitting), 부식성 및 반사도와 같은 표면 특성뿐만 아니라 연성, 강도, 연장성, 가공성, 용접성, H.I.C. 및 피로 강도 등의 많은 특성들이 함유물의 존재에 의하여 나쁜 영향을 받기 때문이다. 현재에 사용되는 방법은 상대적으로 장시간을 요하고 비용이 고가이며, 본질적으로 온-라인 상에서 작동될 수 없다. 생산되는 스틸의 등급 및 부수 처리 동작에 따라 전형적으로 50-200㎛ 범위의 직경을 가진 큰 함유물이 존재할 수 있다. 용융 알루미늄에 대하여 LiMCA 시스템이 적용된 이래 용융 스틸에 사용되는 센서 프로브를 개발하기 위하여 많은 노력이 투입되었다. 초기에는 스틸이 사전에 적절히 환원되어 있는 경우에 사용 가능한 합성 붕소-질화물/실리카(융합된 석영) 튜브가 사용되었다. 붕소 질화물 튜브의 일부는 용융액에 잠겨졌고 그 속에서 화학적으로 안정된 상태로 유지되는 한편 석영 상부 몸체는 용융액 위에 위치하여 연속적인 충전 및 방출 동작을 제어하기 위해서 필요한 시각성을 제공한다. 이러한 구조는 붕소 질화물과 실리카 사이에서 누출이 발생하기 쉬운 것이 발견되었기 때문에 포기되고 대신에 그래파이트 강화 내부 전극에 의하여 지지되고 원통형 ESZ를 사용하는 일체형 실리카 튜브가 사용되었다. 그러한 장치는 때로는 성공적으로 동작하였으나 상대적으로 높은 배경 노이즈를 가지는 문제가 있었고, 더욱이 높은 배경 노이즈가 컨디셔닝에 의하여 항상 해결될 수 없다는 사실이 알려졌다. 액화 규소-붕소 스틸의 적정 성질은 용융 온도가 1350oC, 밀도가 7.0x103kg/m3, 점성이 7.0x10-3kg/ms이고 비저항은 1.40x10-6Ωm이다.
ESZ 내에서의 액화 스틸 유동의 속도 벡터가 20암페어의 동작 전류 및 200 암페어의 컨디셔닝 전류를 사용하여 조사되었고, 알루미늄의 경우보다 낮은 전류값을 사용한 점은 스틸의 비저항이 훨씬 높다는 점과 관련된다. 양자의 경우에 최대 속도는 중앙 축을 따라 형성되는 점에서 공통이나, 놀랍게도 최대 속도가 통상의 시험 동작보다 컨디셔닝 동작에서 낮다는 것이 발견되었다. 이것은 입구 영역에서 재순환 영역이 형성되고 전류의 증가가 ESZ 벽 부근에서 유동 속도를 극적으로 증가시키는 용융 알루미늄에서의 컨디셔닝 효과와 반대이다. 높은 전류를 사용한 스틸 내의 컨디셔닝 동작의 낮은 효과는 ESZ의 원통형 형상을 사용한 직접적 결과로 생각되고, 본 발명에 따른 포물선형 또는 타원형 프로파일을 가진 감지 통로를 사용하고 통로의 벽 표면을 고도로 평탄화하면 이러한 비정상적 결과를 없앨 수 있고, 결국 알루미늄 및 마그네슘에서 얻은 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 2.15의 계수를 가진 포물선 프로파일 통로를 사용하는 스틸에 관한 계산 결과 4 m/s에서 임계 전류가 184 암페어이고 2 m/s에서 임계 전류가 86 암페어이다. 이를 동일한 조건에서 알루미늄에 대하여 측정한 값인 110 및 58 암페어와 비교하면 정확한 통로의 디자인을 사용한 경우 스틸의 임계 전류가 예상했던 대로 높다는 점을 보여준다.
정확하게 형성된 프로파일을 가지는 감지 통로을 사용하고 표면을 평탄하게 가공하는 이점은 그러한 절차에서 사용될 감지 및 컨디셔닝 전류의 값들을 결정하고 조절할 수 있다는 점이다. 따라서 정확한 측정을 위해서 층류를 교란시키지 않으면서 시험 전류가 충분히 높고, 역으로 컨디셔닝 전류가 강한 와류를 발생시키는 것이 필수적이다. 와류가 발생하는 임계 전류값은 또한 금속의 유동 속도, 통로 스로트의 직경 등의 상호 연관된 다른 변수들에 종속된다. 통로 직경의 선택은 이상에서 설명되었다. 흐름 속도의 선택은 의미 있는 결과를 얻기 위하여 금속이 챔버 내로 흐를 때 시험이 무한정 긴 시간을 요구하지 않고 충분히 큰 샘플이 챔버 내로 흘러들어야 하는 요구조건에 의하여 결정된다. 사용된 통로 직경이 작으므로 유동 속도가 통상 2-4 m/s 정도로 상대적으로 커야한다. 층류로부터 와류로의 전이가 전자기력이 흐름 속도를 이기는 지점의 전류에 의존하므로, 임계값은 또한 흐름 속도에 종속된다.
이하의 표는 금속이 알루미늄이고 다항계수 A가 0.1 내지 10이고, 직경이 300㎛이고 길이가 1mm인 포물선 프로파일을 가진 감지 통로에서 임계 전류값 I의 이러한 값들에 대한 상호의존성의 예를 보여준다. 이 표로부터 임계 전류값이 가장 높은 값에서 비현실적으로 낮은 값으로 점차 감소하는 것을 알 수 있다:
| 값 A | 4m/s 흐름 | 3m/s 흐름 | 2m/s 흐름 |
| 0.1 | 450 암페어 | 340 암페어 | 231 암페어 |
| 1.0 | 165 암페어 | 126 암페어 | 87 암페어 |
| 2.15 | 110 암페어 | 84 암페어 | 58 암페어 |
| 3.8 | 70 암페어 | 54 암페어 | 38 암페어 |
| 10.0 | 11 암페어 |
타원 프로파일을 가진 통로에 대한 대응하는 표는 다음과 같다:
| 값 A | 4m/s 흐름 |
| 0.2 | 370 암페어 |
| 0.5 | 175 암페어 |
| 1.0 | 140 암페어 |
| 2.0 | 47 암페어 |
참고 번호의 설명
10: 용융 금속을 전달하는 트로프
12: 용융 금속
14: 샘플 수용 시험 용기(교환가능 튜브)
16: 시험 용기 단부 캡
18: 단부 캡 지지 스탠다드
20: 내부 전류 전달 전극
22: 전극(20) 주위 절연 물질
24: 전극(20)의 하부 팁
26: 전극 벽 내의 감지 통로
28: 외부 전류 전달 전극
29: 전극(28)의 하부 팁
30: 배터리
31: 배터리 리드 내의 스위치
32: 발라스트 저항기
33: 스위치 션팅 저항기
34: 전류기
36: 3로 밸브
38: 진공 소스 저장기
40: 펌프
42: 차동 증폭기
44: 로그 증폭기
46: 피크 검출기
48: 다중 채널 분석기/기록기
50: 금속 레벨 검출기의 하부 레벨 전극
52: 금속 레벨 검출기
54: 금속 레벨 검출기의 상부 레벨 전극
56: 감지 통로(26)의 벽
58: 중앙 종 유동축 및 포물선 준선
60: 포물선 초점
62: 감지 통로 입구
64: 금속의 흐름을 보여주는 화살표
66: 감지 통로 스로트; 적정 ESZ 영역
68: 감지 통로 출구
70: 흐름 방향을 보여주는 화살표
72: 입자
74: 입자 운동의 방향을 나타내는 화살표
76: 입구 경계의 계산 영역
78: 출구 경계의 계산 영역
80: 타원 프로파일의 주축
82: 타원 프로파일의 종축
84: 회전형 프로파일을 가진 연마 도구
Claims (26)
- 용융 금속(12) 내에 침지되어 그 안의 함유물(72)을 낮은 값의 측정 전류와 높은 값의 컨디셔닝 전류를 사용하는 전기 감지 영역(ESZ) 방법에 의하여 검출하는 용융 금속 함유물 센서 프로브(14)에 있어서, 상기 프로브는 전기적 절연 내열 재료로 형성된 센서 프로브 몸체(14)를 포함하고, 상기 프로브 몸체의 벽중 적어도 일부에 상기 프로브 몸체의 한쪽에서 다른 쪽까지 용융 금속을 흐르도록 하는 감지 통로(26)를 가지고, 상기 감지 통로는 그 내부에 전기적 감지 영역을 가지고 종축(58)을 따라 연장되며,상기 감지 통로(26)의 유동 단면적이 그 입구(62)에서 상기 전기적 감지 영역까지 점차로 감소되고,상기 감지 통로의 입구(62)로부터 상기 전기적 감지 영역까지 상기 감지 통로(26)의 프로파일은, 준선(58)이 상기 감지 통로의 종축과 일치하고 초점(60)이 상기 센서 프로브 몸체(14) 내에 위치하여 상기 감지 통로(26)로부터 이격되며 계수A가 1.0 내지 5.0 범위 안에 있는 포물선과, 제1 축이 상기 감지 통로의 종축과 평행하고 상기 프로브 몸체 내에 위치하며 제2 축의 연장선이 상기 전기적 감지 영역을 통과하며 계수λ가 0.2 내지 2.5 범위 안에 있는 타원으로부터 선택되고,상기 감지 통로의 벽은 적어도 그 입구로부터 상기 전기적 감지 영역까지 1.016 마이크로미터(40 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도를 갖도록 기계가공되므로써,상기 전기적 감지 영역에 소정값의 측정 전류가 인가되면 상기 전기적 감지 영역을 통해 평탄한 층상 유동이 얻어지고, 상기 전기적 감지 영역에 소정값의 컨디셔닝 전류가 인가되면 상기 감지 통로 입구에서 와류 컨디셔닝 유동이 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 용융금속 함유물 센서 프로브.
- 제1항에 있어서, 상기 전기적 감지 영역으로부터 상기 감지 통로의 출구(68)까지 상기 감지 통로(26)의 프로파일은, 준선(58)이 상기 감지 통로의 종축과 일치하고 초점(60)이 상기 센서 프로브 몸체(14) 내에 위치하여 상기 감지 통로(26)로부터 이격되며 계수A가 1.0 내지 5.0 범위 안에 있는 포물선과, 제1 축이 상기 감지 통로의 종축과 평행하고 상기 프로브 몸체 내에 위치하며 제2 축의 연장선이 상기 전기적 감지 영역을 통과하며 계수λ가 0.2 내지 2.5 범위 안에 있는 타원으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브.
- 제1항에 있어서, 상기 감지 통로의 입구(62)로부터 상기 전기적 감지 영역까지의 상기 감지 통로(26)는, 2.0 내지 4.0 범위 내의 포물선 계수를 사용할 때는 포물선형 프로파일이고 0.5 내지 2.0 범위 내의 타원 계수를 사용할 때는 타원형 프로파일인 것을 특징으로 하는 센서 프로브.
- 제2항에 있어서, 상기 전기적 감지 영역으로부터 상기 감지 통로의 출구(68)까지의 상기 감지 통로(26)는, 2.0 내지 4.0 범위 내의 포물선 계수를 사용할 때는 포물선형 프로파일이고 0.5 내지 2.0 범위 내의 타원 계수를 사용할 때는 타원형 프로파일인 것을 특징으로 하는 센서 프로브.
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- 제1항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.254 마이크로미터(10 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도로 기계가공되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브.
- 제8항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.127 마이크로미터(5 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도로 기계가공되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브.
- 용융 금속(12) 내에 침지되어 그 안의 함유물(72)을 낮은 값의 측정 전류와 높은 값의 컨디셔닝 전류를 사용하는 전기 감지 영역(ESZ) 방법에 의하여 검출하는 용융 금속 함유물 센서 프로브(14)를 제작하는 방법에 있어서, 상기 프로브는 전기적 절연 내열 재료로 형성된 센서 프로브 몸체(14)를 포함하고, 상기 프로브 몸체의 벽중 적어도 일부에 상기 프로브 몸체의 한쪽에서 다른 쪽까지 용융 금속을 흐르도록 하는 감지 통로(26)를 가지고, 상기 감지 통로는 그 내부에 전기적 감지 영역을 가지고 종축(58)을 따라 연장되며,상기 방법은 머시닝 가공에 의하여 상기 벽 내에 상기 감지 통로(26)를 형성하는 단계를 포함하므로써, 적어도 상기 감지 통로(26)의 입구(62)로부터 상기 전기적 감지 영역까지 상기 벽 표면이 1.016 마이크로미터 (40 마이크로인치)의 표면 정밀도를 가지며,이렇게 형성된 상기 감지 통로의 유동단면적은 그 입구로부터 상기 전기적 감지 영역까지 점차로 감소되고,상기 감지 통로의 입구(62)로부터 상기 전기적 감지 영역까지의 상기 감지 통로(26)의 프로파일은, 준선(58)이 상기 감지 통로의 종축과 일치하고 초점(60)이 상기 센서 프로브 몸체(14) 내에 위치하여 상기 감지 통로(26)로부터 이격되며 계수A가 1.0 내지 5.0 범위 안에 있는 포물선과, 제1 축이 상기 감지 통로의 종축과 평행하고 상기 프로브 몸체 내에 위치하며 제2 축의 연장선이 상기 전기적 감지 영역을 통과하며 계수λ가 0.2 내지 2.5 범위 안에 있는 타원으로부터 선택되므로써,상기 전기적 감지 영역에 소정값의 측정 전류가 인가되면 상기 전기적 감지 영역을 통해 평탄한 층상 유동이 얻어지고, 상기 전기적 감지 영역에 소정값의 컨디셔닝 전류가 인가되면 상기 감지 통로 입구에서 와류 컨디셔닝 유동이 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 용융금속 함유물 센서 프로브 제작 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 전기적 감지 영역으로부터 상기 감지 통로의 출구(68)까지 상기 감지 통로(26)의 프로파일은, 준선(58)이 상기 감지 통로의 종축과 일치하고 초점(60)이 상기 센서 프로브 몸체(14) 내에 위치하여 상기 감지 통로(26)로부터 이격되며 계수A가 1.0 내지 5.0 범위 안에 있는 포물선과, 제1 축이 상기 감지 통로의 종축과 평행하고 상기 프로브 몸체 내에 위치하며 제2 축의 연장선이 상기 전기적 감지 영역을 통과하며 계수λ가 0.2 내지 2.5 범위 안에 있는 타원으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 감지 통로의 입구(62)로부터 상기 전기적 감지 영역까지의 상기 감지 통로(26)는, 2.0 내지 4.0 범위 내의 포물선 계수를 사용할 때는 포물선형 프로파일이고 0.5 내지 2.0 범위 내의 타원 계수를 사용할 때는 타원형 프로파일인 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 감지 영역으로부터 상기 감지 통로의 출구(68)까지의 상기 감지 통로(26)는, 2.0 내지 4.0 범위 내의 포물선 계수를 사용할 때는 포물선형 프로파일이고 0.5 내지 2.0 범위 내의 타원 계수를 사용할 때는 타원형 프로파일인 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
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- 제10항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.254 마이크로미터(10 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도로 기계가공되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.127 마이크로미터(5 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도로 기계가공되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
- 용융 금속(12) 내에 침지되어 그 안의 함유물(72)을 낮은 값의 측정 전류와 높은 값의 컨디셔닝 전류를 사용하는 전기 감지 영역(ESZ) 방법에 의하여 검출하는 용융 금속 함유물 센서 프로브(14)에 있어서, 상기 프로브는 전기적 절연 내열 재료로 형성된 센서 프로브 몸체(14)를 포함하고, 상기 프로브 몸체의 벽중 적어도 일부에 상기 프로브 몸체의 한쪽으로부터 다른 쪽으로 용융 금속을 흐르도록 하는 감지 통로(26)를 가지고, 상기 감지 통로는 그 내부에 전기적 감지 영역을 가지고 종축(58)을 따라 연장되며,상기 감지 통로(26)의 유동 단면적이 그 입구(62)로부터 상기 전기적 감지 영역까지 연속적으로 평탄하게 점차로 감소되고, 상기 전기적 감지 영역으로부터 그 출구까지 연속적으로 평탄하게 점차로 증가되며,상기 감지 통로는 그 감지 통로를 통과하는 유동방향의 종축을 중심으로 대칭이 되고 1.016 마이크로미터(40 마이크로인치) 미만의 벽 표면 정밀도를 갖도록 머시닝 가공에 의해 제작되므로써,상기 감지 통로에 소정값의 측정 전류가 인가되면 상기 감지 통로를 통해 평탄한 층상 유동이 얻어지고, 상기 감지 통로에 상응하는 소정값의 컨디셔닝 전류가 인가되면 상기 감지 통로의 입구에서 와류 컨디셔닝 유동이 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 용융금속 함유물 센서 프로브.
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- 제19항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.254 마이크로미터(10 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도로 기계가공되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브.
- 제21항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.127 마이크로미터(5 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도로 기계가공되는 것을 특징으로 하는 센서 프로브.
- 용융 금속(12) 내에 침지되어 그 안의 함유물(72)을 낮은 값의 측정 전류와 높은 값의 컨디셔닝 전류를 사용하는 전기 감지 영역(ESZ) 방법에 의하여 검출하는 용융 금속 함유물 센서 프로브(14)를 제조하는 방법에 있어서, 상기 프로브는 전기적 절연 내열 재료로 형성된 센서 프로브 몸체(14)를 포함하고, 상기 프로브 몸체의 벽중 적어도 일부에 상기 프로브 몸체의 한쪽에서 다른 쪽까지 용융 금속을 흐르도록 하는 감지 통로(26)를 가지고, 상기 감지 통로는 그 내부에 전기적 감지 영역을 가지고 종축(58)을 따라 연장되며,상기 방법은 상기 감지 통로(26)의 종축을 중심으로 대칭이 되고 유동 단면적이 상기 감지 통로의 입구(62)로부터 상기 전기적 감지 영역까지 연속적으로 평탄하게 점차로 감소되고 상기 전기적 감지 영역으로부터 그 출구까지 연속적으로 평탄하게 점차로 증가되도록 머시닝 가공에 의해 벽에 상기 감지 통로를 형성하는 단계를 포함하고,상기 머시닝 가공에 의해 상기 감지 통로를 통해 1.016 마이크로미터(40 마이크로인치) 미만의 벽 표면 정밀도가 생성되므로써,상기 감지 통로에 소정값의 측정 전류가 인가되면 상기 감지 통로를 통해 평탄한 층상 유동이 얻어지고, 상기 감지 통로에 상응하는 소정값의 컨디셔닝 전류가 인가되면 상기 감지 통로 입구에서 와류 컨디셔닝 유동이 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
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- 제23항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.254 마이크로미터(10 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 감지 통로(26)의 벽이 0.127 마이크로미터(5 마이크로인치) 미만의 표면 정밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 센서 프로브 제작 방법.
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