KR101183836B1 - 고과열도 용융금속용 프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융금속용 프로브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고과열도 용융금속 인 스테인리스 및 페로망간(Fe-Mn) 등의 제강 공정에서 용탕의 정련 정도를 파악하기 위하여 용탕온도 및 시료 채취용으로 사용되는 고과열도 용융금속용 프로브에 관한 것이다.
본 발명인 고과열도 용융금속용 프로브는, 용융금속에 침지되어 시료와 기타 물리적 특성을 검출하는 프로브로써, 다중의 보호관과, 상기 보호관의 일 측면에서 용융금속이 유입되는 탕구를 갖는 상실주형과 탕도를 통해 상기 상실주형의 내부와 연통되며 유입된 용융금속이 응고되어 시료를 형성하는 하실 주형으로 이루어진 시료 채취구를 포함하는 프로브에 있어서, 상기 상실주형은 상기 탕구보다 상측으로 우회되는 상승 탕도와, 상기 상승 탕도의 상부로부터 하실 주형으로 하강하는 하강 탕도를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 용탕 과열도가 큰 강종의 산소 및 불활성 가스가 취입되는 정련 공정에서 상실 주형의 냉각능 향상 및 용탕의 흐름을 제어함으로써 응고 속도를 빠르게 하여 하실로 유입되는 시료에 결함이 발생되지 않는다. 또한 시료의 건전성 향상으로 정확한 분석 값을 활용하여 산소와 불활성 가스의 취련 시간 및 부원료 투입량을 적절하게 조절할 수 있어 정련작업의 효율성이 크게 향상된다.

Description

고과열도 용융금속용 프로브{A Probe Measuring High Overheating Degree Molten Metal}

본 발명은 용융금속용 프로브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고과열도 용융금속 인 스테인리스 및 페로망간(Fe-Mn) 등의 제강 공정에서 용탕의 정련 정도를 파악하기 위하여 용탕온도 및 시료 채취용으로 사용되는 고과열도 용융금속용 프로브에 관한 것이다.

일반적으로, 제철소 정련공정에서는 용융금속에 시료 채취구가 장착된 복합 프로브를 침지시켜 측온, 측산 및 성분분석을 위한 시료채취 작업을 진행하게 된다. 도 1은 종래의 시료채취구가 장착된 복합 프로브의 단면 개념도이다. 도 2는 종래의 시료 채취구의 구조를 설명하기 위한 단면 개념도이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 종래기술에 의한 기존의 시료 채취구(20)는 프로브의 메인지관(10) 내부에 장착되고, 용융금속의 시료가 유입되는 탕구(30)가 설치된다. 종래의 시료 채취구(20)는 도 2에 나타난 바와 같이, 원통형의 상실주형(70)과 역시 원통형의 하실주형(80)으로 구분되고, 탕구(30)로 유입된 용융금속은 상실(71)을 거쳐 하실(81)로 들어가서 응고된다.

종래기술에 의한 기존의 시료채취구(20)는 대부분 상실주형(70)은 원통형의 세라믹(ceramic) 재질이고, 하실주형은 원통형의 강철(steel) 재질로 만들어진다. 상기 세라믹 재질의 상실주형(70)은 Al₂O₃계로 용탕이 하실로 유입되는 통로 역할을 담당하고 있으며, 용탕의 온도를 냉각하는 효과는 극히 미약하다. 그러므로, 용탕은 하실에서만 응고가 이루어지게 되며, 따라서 용탕 과열도(△T)가 큰 강종, 예를 들면 스테인리스, Fe-Mn, Fe-Si 등에서는 그만큼 응고 시간이 오래 걸리게 된다.

<참고: 이론 응고 온도 계산법 예>

㈜ ℃/% = 성분 (C, Mn, Cr 또는 Ni)이 1% 들어가는 경우에 떨어지는 응고온도

□ STS(304: 18Cr-8Ni) 응고 온도 :

1536℃(순철 응고 온도) - 63℃(27+32+3.8) - 17℃(타 성분) = 약 1,450℃

□ Fe-70%Mn 응고 온도 :

1536℃ - 354℃(350+3.8) - 12℃(타 성분) = 약 1,170℃

* STS(304) 용탕 과열도(△T)=1,750℃(측정 온도) - 1,450℃= 300℃ (STS 304)

* Fe-70%Mn 용탕 과열도(△T)=1,750℃(측정 온도) - 1,170℃= 580℃ (Fe-70%Mn)

예를 들어 스테인리스 정련(AOD) 공정에서는 다량의 산소를 취입하여 탄소를 산화시킴에 따라 고온(1600~1800℃)의 용탕이 생성된다. 특히, 탈탄기 중 1, 4단계에서 온도 및 성분을 확인하기 위해서는 서브랜스 프로브를 이용하여 시료 채취 및 측정을 하게 되는데, 용탕이 시료 채취구에 유입될 때의 온도는 1700~1800℃이지만 응고 온도는 낮아 (sts.430 : 약 1490℃, sts.304 : 약 1450℃) 응고 시간이 오래 걸린다. 또한 스테인리스 용융금속은 용탕 과열도(△T)가 클 뿐만 아니라 열전도율이 탄소강 대비 4분의 1 정도로 낮아 응고 시간은 더 길어지게 되고, 그로 인해 응고 결함이 자주 발생하는 문제점이 있다.

또한 페로망간(Fe-Mn)은 그 제조 공정 중 산화기 시에 온도가 1800℃를 상회하게 된다. 그러나, 많이 사용되는 Fe-70%Mn을 기준으로 보면 응고 온도는 약 1270℃ 로써, 용탕 과열도가 약 530℃인 스테인리스 강보다 용탕 과열도(△T)는 더 크다. 이에 따라 응고 시간을 단축하여 채취되는 시료의 응고 결함을 방지하기 위해서는 시료 채취구(20)의 하실(81)에 유입되는 용융금속의 온도를 낮춰야만 하는 문제점이 있다.

또한 정련 반응의 효율성 향상을 위해 톱 앤드 보텀 (Top and Bottom) 취련을 실시하는 정련 공정 중 용탕의 온도가 가장 높은 탈탄기에서 기존 방법의 시료 채취로는 시료 건전성이 확보되지 않아 X-ray 및 발광분석을 실시할 수 없었으며, 따라서 C/S분석을 이용한 [C], [S] 분석 값만을 활용할 수 밖에 없어, 불충분한 분석값을 이용하여 불활성 가스의 취입량 및 합금철과 부원료의 투입량을 조절해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 용탕의 과열도가 큰 강종(스테인리스, Fe-Mn, Fe-Si 등)의 정련 공정(AOD or 전로)에서 온도 측정 및 시료 채취 등에 사용되는 프로브의 상실 주형의 형상을 변경함으로써 시료 채취 성공률 향상에 기여하고, 고온에서 사용 가능한 고품질의 프로브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 프로브 내부에서의 냉각 속도를 빠르게 하여 응고 시간을 단축함으로써, 시료의 건전성을 확보하고, 보다 정확한 용융금속 정보의 분석을 통해 정련공정에서의 생산성을 향상시키고, 부원료를 적정하게 조절하고, 절감하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 고과열도 용융금속용 프로브는, 용융금속에 침지되어 시료와 기타 물리적 특성을 검출하는 프로브로써, 다중의 보호관과, 상기 보호관의 일 측면에서 용융금속이 유입되는 탕구를 갖는 상실주형과 탕도를 통해 상기 상실주형의 내부와 연통되며 유입된 용융금속이 응고되어 시료를 형성하는 하실 주형으로 이루어진 시료 채취구를 포함하는 프로브에 있어서, 상기 상실주형은 상기 탕구보다 상측으로 우회되는 상승 탕도와, 상기 상승 탕도의 상부로부터 하실 주형으로 하강하는 하강 탕도를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 상기 상승 탕도와 하강 탕도가 만나는 접목구간에는 필터가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하고, 또한 상기 상승 탕도의 높이는 탕 구경 대비 100 ~ 136%의 범위인 것을 특징으로 하며, 또한 상기 하강 탕도는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼링(tapering) 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, 상기 하강 탕도의 위치는 하실 주형의 중심부가 아닌 측면부에 위치하는 것을 특징으로 하고, 또한 상기 하강 탕도의 끝 지점의 위치가 탕구보다 낮게 이루어진 것을 특징으로 하며, 또한 하실 주형 내의 용탕에 존재하는 공기가 빠져 나갈 수 있는 밴트 홀의 위치가 하실 주형 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 용탕 과열도가 큰 강종의 산소 및 불활성 가스가 취입되는 정련 공정에서 상실 주형의 냉각능 향상 및 용탕의 흐름을 제어함으로써 응고 속도를 빠르게 하여 하실로 유입되는 시료에 결함이 발생되지 않는다.

또한 시료의 건전성 향상으로 정확한 분석 값을 활용하여 산소와 불활성 가스의 취련 시간 및 부원료 투입량을 적절하게 조절할 수 있어 정련작업의 효율성이 크게 향상된다.

도 1은 종래의 시료채취구가 장착된 복합 프로브의 단면 개념도이다.
도 2는 종래의 시료 채취구의 구조를 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도 3는 본 발명의 시료 채취구가 장착된 복합 프로브의 단면 개념도이다.
도 4는 본 발명에 의한 시료 채취구의 구조를 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도 5는 본 발명에 의한 시료 채취구에 필터가 장착된 것을 보여주는 단면 개념도이다.

본 발명의 발명자들은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 상실주형의 재질 및 구조에 대한 연구를 지속하여 왔으며, 그 해결책의 하나로 SiO₂계인 쉘 몰드(shell mold)로 제작된 상실주형을 개발하였다.

SiO₂계 쉘 몰드(shell mold)는 복잡한 구조의 형상을 구현할 수 있으며, 종래기술에 의한 Al₂O₃계 세라믹보다 냉각효과가 더 크고, 배기능 측면에서도 우수하다. 그러나, 단점으로는 쉘 몰드에 존재하는 탄소[C]에 의한 픽업(pick up) 현상이며, 본 발명에서는 이 문제를 해결하기 위해 용탕이 유입되는 탕도에는 Al₂O₃계 내화 시멘트로 코팅(coating)하였다.

상기와 같은 상실 주형의 재질 변경과 더불어 본 발명은 용탕 과열도가 큰(△T>250℃) 강종에서 시료로 채취되는 용융금속의 응고 온도를 더욱 낮추기 위해 시료채취구 전체의 구조를 새로이 변경하여 시료의 건전성 확보와 시료채취 성공율을 높이도록 하였다.

이하에서는, 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 작용을 보다 상세히 설명한다. 도 3는 본 발명의 시료 채취구가 장착된 복합 프로브의 단면 개념도이다. 도 4는 본 발명에 의한 시료 채취구의 구조를 설명하기 위한 단면 개념도이다. 도 5는 본 발명에 의한 시료 채취구에 필터가 장착된 것을 보여주는 단면 개념도이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 프로브의 메인 지관(1)에 삽입 설치되는 시료 채취구(2)는 외경이 한정되어 있고(Ø42), 탕구(3)의 위치는 프로브 침지 깊이와 연관되어 있다. 용탕이 시료 채취구에 유입되는 힘은 철정압에 의하여 결정되므로 탕구의 위치는 낮을수록 좋고, 채취된 시료를 냉각시키는 효과는 시료 채취구의 탕도가 길수록 유리하다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명은 시료 채취구(2)의 상실주형(7)에 형성되는 탕도를, 탕구(3)보다 상측으로 우회되는 상승 탕도(4)와, 동 상승 탕도의 상부로부터 하실주형(8)으로 하강하는 하강 탕도(6)를 구비하고 있다. 상승 탕도(4)와 하강 탕도(6)가 만나는 부분은 접목구간(5)이라 부른다. 시료 채취구의 탕도(4,5,6)는 길수록 냉각 효과가 크므로, 한정된 시료 채취구의 외경 내에서 탕구(3)의 위치를 하향화해야 하는 환경 하에서, 탕도를 가장 길게 할 수 있는 구조로서 상기와 같은 형태를 채택한 것이다.

상승 탕도(4)와 하강 탕도(6)의 접목 구간(5)은 불가피하게 존재하게 되나, 이 공간에는 슬래그(Slag) 혼입을 억제하기 위하여 도 5에 나타난 바와 같이 필터(9)를 삽입할 수 있다. 필터(9)는 세라믹 필터(Ceramic filter)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 상승 탕도(4)는 용탕 중에 존재하는 가스 (O₂, N₂, Ar 등)를 부상시키는 효과를 가져올 수 있다. 따라서, 상승 탕도(4)의 높이(a)는 탕구(3)의 상부 높이(b)보다 커야 한다. 이는 탕구(3)로 유입된 용탕이 하강 탕도(6)로 바로 유입되는 것을 방지하기 위해서이다. 그러나, 상승 탕도(4)의 높이(a)는 냉각 효과를 높이기 위해서는 클수록 유리하지만, 철정압의 저하로 시료 충전성이 저하될 수도 있고 이것이 시료 건전성에 영향을 줄 수도 있다. 따라서, 환경에 맞는 적정한 높이 책정이 중요하다. 본 발명에서 상승 탕도(4)의 높이(a)는 탕구 구경 ("탕구경" 이라고도 함) 대비 100 ~ 136%의 범위로 설정된다.

상기 하강 탕도(6)는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼링(tapering) 하여 형성할 수 있다. 이와 같은 테이퍼(taper)를 형성하는 것은 용탕 유동성을 향상시키기 위해서이다. 하강 탕도(6)의 길이(L)는 30~40mm로 기존의 시료 채취구에 비하여 길어진다. 따라서 용탕이 긴 하강 탕도(6)를 거치면서 용탕의 온도 감소 효과를 높이면서도, 용탕 유입 속도는 빠르게 할 수가 있다.

또한, 상기 하강 탕도(6)의 위치는 하실 주형(8)의 중심부가 아닌 측면부에 위치한다. 따라서 용탕이 하실 주형(8)의 측면에 접촉되면서 유입되므로 용탕의 응고 시간을 보다 단축할 수 있게 된다.

또한, 상기 하강 탕도(6)의 끝 지점의 위치는 탕구(3)보다 낮게 이루어진다. 이로써 용탕이 하실을 향하여 원활하게 유입될 수 있게 된다.

한편, 기존의 시료 채취구의 상실에 존재하는 밴트 홀 (vent hole)은 상실 주형(7)과 하실 주형(8)의 접촉면에 존재하였다. 그러나, 본 발명은 하실 주형(8) 내의 용탕에 존재하는 공기가 빠져 나갈 수 있는 밴트 홀의 위치를 하실 주형(8) 중앙부에 위치토록 함으로써 밴트(vent) 효과를 더욱 증진시켰다. 이는 용존 가스(Air, N2, Ar 등)는 응고가 제일 늦은 중심부로 모이는 특성을 고려하여 중심부에 가스들이 많이 존재하기 때문이다.

아래의 표 1은 상승 탕도(4)의 높이(a)를 변화시켜 가면서 조업을 수행한 결과 나타난 불량률과 그 불량 유형을 나타내고 있다.

<표 1>

[STS 정련(AOD) 4단계에서의 조업 실시결과]

본 실험에서는 상승 탕도의 높이(a)를 탕구경의 높이인 22mm 이하로 할 경우에는 탕구로 유입된 용탕이 하강 탕도(6)로 바로 유입되어 하실로 흘러 들어감에 따라 응고 속도가 지연되고 따라서 시료 건전성이 확보되지 않았다.

반면, 상승 탕도의 높이(a)가 30mm 이상일 경우에는 시료 충전성이 미흡하여 미충전 현상이 발생하였다. 따라서 상승 탕도(4)의 높이(a)가 시료 건전성 및 충전성에 커다란 영향을 미치는 인자라는 것을 확인할 수 있었다.

1 : 메인 지관 2 : 시료 채취구 3 : 탕구
4 : 상승탕도 5 : 접목 구간 6 : 하강 탕도
7 : 상실 주형 8 : 하실 주형 9 : 필터
10 : 밴트홀

Claims (7)

1. 용융금속에 침지되어 시료를 채취하고 물리적 특성을 검출하는 프로브로써, 다중의 보호관과, 상기 보호관의 일 측면에서 용융금속이 유입되는 탕구를 갖는 상실주형과 탕도를 통해 상기 상실주형의 내부와 연통되며 유입된 용융금속이 응고되어 시료를 형성하는 하실 주형으로 이루어진 시료 채취구를 포함하는 프로브에 있어서,
   상기 상실주형은 상기 탕구보다 상측으로 우회되는 상승 탕도와, 상기 상승 탕도의 상부로부터 하실 주형으로 하강하는 하강 탕도를 가지되,
   상기 하강 탕도는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼링(tapering) 되어 형성된 것을 특징으로 하는 고과열도 용융금속용 프로브.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상승 탕도와 하강 탕도가 만나는 접목구간에는 필터가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 고과열도 용융금속용 프로브.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 상승 탕도의 높이는 탕 구경 대비 100 ~ 136%의 범위인 것을 특징으로 하는 고과열도 용융금속용 프로브.
4. 삭제
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 하강 탕도의 위치는 하실 주형의 중심부가 아닌 측면부에 위치하는 것을 특징으로 하는 고과열도 용융금속용 프로브.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 하강 탕도의 끝 지점의 위치는 탕구보다 낮게 이루어진 것을 특징으로 하는 고과열도 용융금속용 프로브.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   하실 주형내의 용융금속에 존재하는 공기가 빠져 나갈 수 있는 밴트 홀의 위치가 하실 주형 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 고과열도 용융금속용 프로브.
   
   

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