KR101220315B1 - ３차원 레이저 스캔을 이용한 내화물 침식 정도 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내화물의 3차원적인 침식 정도를 판별할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은, 내화물을 3차원 스캔하는 단계; 상기 3차원 스캔에 의해 얻어진 3차원 형상으로부터 상기 내화물의 부피를 계산하는 단계; 상기 계산된 부피로부터 내화물의 측정 밀도를 계산하는 단계; 및 상기 내화물의 측정 밀도와 상기 내화물의 이론 밀도의 차로부터 내화물의 침식 정도를 계산하는 단계를 포함하는 내화물 침식 정도 측정 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 내화물의 손상 없이 내화물의 국부적 부위에 대한 침식 데이터가 아닌 내화물 전체의 침식 데이터를 제공할 수 있게 된다.

Description

３차원 레이저 스캔을 이용한 내화물 침식 정도 측정 방법{Methods for Measuring Three Dimensional Corrosion of Refractory Using Laser Scan}

본 발명은 내화물의 침식 정도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철 공정 등에 사용되는 내화물의 침식 정도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 내화재료와 고온의 용융물이 서로 접촉되는 조건은 제철, 제강공정, 시멘트 제조 공정 또는 유리 제조 공정등에서 발생된다. 이에 따라 이러한 공정들에서는 높은 침식저항성을 갖춘 내화물이 필수적으로 요구된다.

특히, 전기로 또는 정련로 등 용강을 다루는 노는 고온의 용강으로부터 노체를 보호하기 위하여 용강과 접하는 노체 내부에 정형내화물 또는 부정형 내화물을 축조하게 되며, 이렇게 축조된 내화물은 노가 사용됨에 따라 침식이 일어나게 된다.

이와 같이 노 내부의 내화물이 침식된 경우에는 이를 확인하기 위한 별도의 측정장비가 구비되어 있지 못하여, 노체 철피가 적열된 상태를 통해 확인하거나 노체 사용횟수를 가지고 판단하거나 내화물의 탈락(빠짐)상태로 침식여부를 확인하였다.

따라서, 각 공정에 맞는 적정한 내화물을 선정하기 위하여 각 공정조건에서의 내화재료의 침식속도측정은 필수적이다.

종래에는 내화물 침식 반응 연구에 있어서 1차원적 침식 지수인 침식 깊이 또는 2차원적 침식 지수인 침식 면적을 구하기 위하여 내화물 샘플을 절단하여 그 단면을 분석하였다.

그러나, 이러한 방법에서는 샘플의 손상이 불가피하며 또한 임의로 선택된 단 하나의 절단 단면이 샘플 전체를 대표할 수밖에 없는 심각한 문제점이 있다.

한편, 내화물 샘플을 절단하지 않고 침식 지수를 구하는 방법이 제공된 바 있다. 한국공개특허 제2004-3545호는 내화물의 잔존값과 침식정도를 측정할 수 있도록 된 노 내부 내화물 침식상태 확인장치를 제공하는데, 작업자는 작업대를 작업위치로 이동시킨 후 측정봉의 선단을 노 내부로 진입시키고, 측정팁의 선단이 측정하고자 하는 내화물 표면에 닿도록 위치시킨 후 눈금자의 측정값을 읽음으로써 현재 측정팁 위치의 내화물 침식정도를 확인하는 방식을 사용하고 있다. 작업자는 회동관을 따라 측정봉을 슬라이딩시켜 측정팁을 측정하고자 하는 노 위치로 이동시키고, 측정팁이 내화물 침식 부위 및 비침식 부위를 지나면서 굴곡되는데 그 변화량에 해당하는 눈금자의 값으로 침식 부위와 비침식 부위의 차에 의해 내화물의 침식 정도를 확인한다.

이 방식은 1차원적인 침식 지수를 구하는 방식의 일종으로 국부적인 침식의 판별에는 적용 가능하나 내화물 전체의 침식 여부의 판별에는 적합하지 않고, 침식 지점과 비침식 지점의 두께차로부터 침식 여부를 판별하고 있는데, 침식 반응에 의해 두께의 증가가 발생할 수도 있으므로, 침식 여부를 판별하는 데 적합한 방식은 아니다.

따라서, 내화물에 손상을 발생하지 않고 내화물 전체의 침식 정도를 측정할 수 있는 새로운 방법이 요구되고 있다.

상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 내화물의 3차원적인 침식 정도를 판별할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 내화물을 3차원 스캔하는 단계; 상기 3차원 스캔에 의해 얻어진 3차원 형상으로부터 상기 내화물의 부피를 계산하는 단계; 상기 계산된 부피로부터 내화물의 측정 밀도를 계산하는 단계; 및 상기 내화물의 측정 밀도와 상기 내화물의 이론 밀도의 차로부터 내화물의 침식 정도를 계산하는 단계를 포함하는 내화물 침식 정도 측정 방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 스캔 단계는 레이저 스캔에 의해 수행되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 침식 정도 계산 단계는, 상기 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 밀도 데이터에 기초하여 계산될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 침식 정도는 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 중량 분율로 표현될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 침식 정도는 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 부피 분율로 표현될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 침식 정도는 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 평균 두께로 표현될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 내화물의 측정 밀도는 미반응 부착 생성물의 함량에 따라 보정될 수 있다.

또한 본발명은 내화물에 대한 3차원 스캔 데이터를 수신하는 단계; 상기 3차원 스캔에 의해 얻어진 3차원 형상으로부터 상기 내화물의 부피를 계산하는 단계; 상기 계산된 부피로부터 내화물의 측정 밀도를 계산하는 단계; 및 상기 내화물의 측정 밀도와 상기 내화물의 이론 밀도의 차로부터 내화물의 침식 정도를 계산하는 단계를 포함하는 내화물 침식 정도 측정 방법이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공한다.

본 발명에서 상기 침식 정도 계산 단계는, 데이터베이스로부터 상기 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 밀도 데이터를 수신하여 계산될 수 있다.

본 발명에서 상기 침식 정도 계산 단계는, 데이터베이스로부터 상기 내화물의 이론 밀도 데이터를 수신하여 계산될 수 있다.

또한 본 발명의 상기 침식 정도 계산 단계에서, 데이터베이스로부터 미반응 부착 생성물의 함량에 대한 데이터를 수신하고, 상기 내화물의 측정 밀도를 보정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 내화물을 표면 스캔한 정보로부터 내화물의 침식 정도를 판단함으로써 내화물의 손상 없이 내화물의 침식 정도를 측정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 내화물의 3차원 스캔에 의해 내화물의 국부적 부위에 대한 침식 데이터가 아닌 내화물 전체의 침식 데이터를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 방법을 구현하기 위한 절차를 개략적으로 도시한 절차도이다.
도 2는 본 발명에서 사용된 내화물 샘플을 촬영한 사진이다.
도 3은 도 2의 내화물 샘플을 3차원 레이저 스캔하여 그 데이터로부터 3차원 형상을 재현한 시뮬레이션 사진이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 내화물의 침식 정도를 측정하는 절차를 개략적으로 도시한 절차도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 내화물 전체의 표면을 3차원 스캔한다(S100). 본 발명에서 바람직하게는 3차원 표면 스캔 방식은 레이저 스캔 방식이 사용되는 것이 좋다. 물론, 그 밖에 통상적인 광학적, 기계적 스캔 수단이 사용될 수 있으며, 그러한 방식의 사용은 본 발명의 범위에 속한다. 레이저 스캔 방식은 예컨대 He-Ne 레이저와 같은 통상의 레이저 소스로 샘플을 회전시키면서 샘플 표면을 레이저로 주사하고 그 반사광을 검출함으로써 수행될 수 있다. 레이저의 주사 방식으로는 다양한 방식이 사용될 수 있으며, 예컨대 샘플의 회전축을 따라 이동하면서 레이저를 주사하는 방식이 사용될 수 있다. 이와 달리 샘플을 고정한 채 레이저를 샘플 외연을 따라 스캔하는 방식이 사용될 수도 있을 것이다.

스캔된 데이터는 CPU를 가진 연산 장치로 입력되는데, 상기 연산 장치는 스캔 데이터로부터 내화물을 3차원적으로 구현할 수 있고, 이로부터 내화물 전체의 부피를 계산할 수 있다(S110). 본 발명에서 CPU를 포함하는 연산 장치의 선택은 당업자가 적절히 선택할 수 있고, 상용 레이저 스캔 장치에 부가된 연산 장치를 사용할 수도 있을 것이며, 이와 별도로 적절한 소프트웨어가 구동되는 퍼스널 컴퓨터를 사용할 수도 있을 것이다.

도 2는 MgO-C 복합재로 구성된 내화물 샘플을 도시하는 사진이다. 도 3은 도시된 내화물 샘플을 레이져 스캔하고, 스캔 데이터로부터 3차원적인 형상을 구현한 모습을 나타내는 사진이다. 도시된 바와 같이, 샘플의 전체 형상이 3차원적으로 구현 가능하다. 구현된 3차원적인 형상으로부터 해당 형상에 대응하는 부피는 컴퓨터 처리 분야의 당업자에게 매우 용이한 것이며, 이를 계산하는 데에 다양한 알고리즘이 사용될 수 있음은 주지의 사실이다.

다시 도 1을 참조하면, 내화물의 표면 스캔과는 별도로 내화물의 질량이 측정된다(S120). 질량에도 다양한 방식이 사용될 수 있음은 잘 알 수 있고, 예컨대 공지의 저울을 사용하는 것도 가능하다.

다음으로, 측정된 내화물의 부피(V)와 질량(M)으로부터 내화물의 측정 밀도가 계산된다(S130). 본 발명에서 내화물의 밀도(ρ)는 V/M과 같은 간단한 수식으로부터 계산 가능하다.

다음, 내화물의 원래 조성에 의해 결정되는 내화물의 이론 밀도(ρ_th)와 내화물의 측정 밀도(ρ)의 차이를 구한다(S140). 이 밀도 차이는 결국 내화물의 침식 반응에 의해 2차상(phase)이 생성되었음을 말한다.

본 발명에서는 이와 같이 계산된 밀도차로부터 내화물의 침식 정도를 계산할 수 있다(S150).

계산을 위해, 본 발명은 적절한 침식 생성물 데이터베이스를 구비한다. 이 데이터베이스는 내화물의 최초 조성에 대한 정보(조성, 밀도 등), 그리고 상기 최초 조성으로부터 생성 가능한 2차상에 대한 정보(조성, 밀도 등)를 포함한다.

생성 가능한 2차상에 대한 정보는 사전 실험 또는 계산을 통해 구축될 수 있다. 예컨대, 내화물의 최초 조성이 MgO-C이고, 슬래그로 예컨대 CaO·SiO2·Al2O3·MnO 화합물을 사용하는 경우, 양자의 반응에 의해 생성된 화합물들의 조성 및 그 함량 비율은 실험을 통해 측정 가능하다. 반응 생성물의 조성 및 함량 비율은 X선 회절 분석 등 통상의 실험적 방법에 의해 가능하며, 이러한 실험 방법은 당업계에 주지된 기술이므로, 여기서는 설명을 생략한다.

또한, 생성된 화합물의 종류 및 비율은 적절한 데이터베이스가 구축된 이후에는 굳이 실험을 거치지 않더라도 열역학적인 시뮬레이션에 의해 계산 가능하다.

또한, 상기 내화물과 제강 공정의 용탕 성분이 Fe와의 반응에 의한 생성 가능한 생성물에 대한 데이터 또한 손쉽게 구축할 수 있다.

이와 같이, 생성물에 대한 정보가 구축되면, 침식 정도는 다음과 같은 방법에 의해 계산될 수 있다.

예를 들어, MgO-C와 반응하여 A, B, C의 3가지 화합물이 생성되었고 그 이론 밀도는 각각 ρ_A, ρ_B, ρ_C라 하고, 3가지 화합물 사이의 평균적 비율(중량비 또는 몰비)은 a:b:c라고 가정한다.

여기서, 이 경우, 얻어지는 데이터는 다음과 같다. MgO-C의 이론 밀도는 ρ_th 라 한다.

위 표 1을 참조하면, 생성물의 평균 밀도는 다음과 같이 계산될 수 있다.

생성물 평균 밀도(ρ_m) = (ρ_A*a)+(ρ_B *b)+(ρ_A*c) (수식1)

위 수식에 의해 생성물 평균 밀도가 얻어지면, 앞서 도 1을 참조하여 설명하여 측정 및 계산된 밀도차(|ρ-ρ_th|)로부터 침식의 정도를 계산할 수 있다. 왜냐하면, 상기 밀도차(|ρ-ρ_th|)는 원래 조성물을 대체하여 생성된 생성물에 기인한 것이다.

본 발명에서 밀도차로부터 침식 정도의 계산은 다양한 방식으로 수행될 수 있는데, 그 일례를 설명하면 다음과 같다.

예컨대, 내화물 중 생성된 2차상의 분율(중량분율)을 x라 하면, 내화물의 측정 밀도(ρ)와 이론 밀도(ρ_th)사이에는 다음의 관계가 성립한다.

(1-x)*ρ_th + x*ρ_m = ρ (수식 2)

위 수식은 다음과 같이 정리할 수 있다.

x=(ρ-ρ_th)/(ρ_m-ρ_th) (수식 3)

위 수식 3에서 우변의 (ρ-ρ_th)은 도 1과 관련하여 계산된 값이고, 수식 1로부터 계산 가능한 값이다.

따라서, 내화물 중 생성된 2차상의 분율을 x는 위 수식 3에 의해 계산될 수 있다.

본 발명에서 위 2차상의 분율 x는 침식 지수로 사용될 수 있다. 또한, 2차상 분율 x는 중량 기준의 분율이나, 이것은 부피 분율로 환산 가능하고 환산된 부피 분율이 침식 지수로 사용될 수 있다. 또한, 환산된 부피 분율은 내화물 표면의 모폴로지와 밀도로부터 생성물의 두께로 환산 가능하다. 환산된 두께는 생성물의 평균 두께를 의미하므로, 이 값 또한 침식 지수로 활용 가능하다.

상술한 본 발명의 방법에서는 반응 생성물의 태양으로 내화물 조성이 생성된 화합물로 대체되는 것을 가정하였다. 그러나, 내화물 조성을 포함하지 않는 화합물이 생성물로서 내화물 내벽에 부착될 수도 있을 것이다. 이 경우에는 보다 정밀한 계산 및 고려가 필요하다. 이들 미반응 부착 생성물은 내화물과의 반응 생성물이 아니므로 내화물의 침식과는 무관한 것으로 볼 수 있다. 그러나, 내화물의 부피 측정 및 밀도 계산시에는 고려되어야 하며, 이에 기초하여 측정 및 계산 데이터는 보정되어야 한다.

이를 위해, 예컨대 반복적 실험 관찰에 의해 부착된 생성물의 종류 및 함량에 대한 데이터가 파악될 수 있다. 또한 이 데이터는 전술한 데이터베이스에 보관될 수 있다. 파악된 부착 생성물의 종류 및 함량을 고려한 2차상의 분율(x)은 수학식 2 내지 3을 대체하는 다음의 수식에 따라 계산할 수 있을 것이다.

(1-x)*ρ_th + x*ρ_m1 = (ρ- y*ρ_m2) = ρ' (수식 4)

x=(ρ'-ρ_th)/(ρ_m-ρ_th) (수식 5)

(여기서, ρ_m1은 반응 생성물의 밀도, ρ_m2는 미반응 부착 생성물의 밀도, y는 미반응 부착 생성물의 분율로서 0≤y<1의 값이다)

이상 반응 생성물의 종류를 3종으로 한정하여 설명하였지만, 상술한 본 발명의 방법은 생성물의 종류에 무관하게 적용 가능하다. 또한 상술한 본 발명의 알고리즘은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로 구현될 수 있음은 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다. 또한, 상술하지는 않았지만, 상술한 본 발명의 원리에 적절한 가정이나 가설을 부가하여 이를 보다 간략화하거나 추가적 요소를 부가하여 보다 복잡한 수학적 알고리즘의 개발이 가능하다는 것을 당업자라면 누구나 알 수 있다.

이상 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만 이 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 이 분야의 통상의 기술자는 이를 변형하거나 일부 수단을 대체하는 것이 가능하며, 이러한 변형이나 수정은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (11)

1. 내화물을 3차원 스캔하는 단계;
   상기 3차원 스캔에 의해 얻어진 3차원 형상으로부터 상기 내화물의 부피를 계산하는 단계;
   상기 계산된 부피로부터 내화물의 측정 밀도를 계산하는 단계; 및
   상기 내화물의 측정 밀도와 상기 내화물의 이론 밀도의 차로부터 내화물의 침식 정도를 계산하는 단계를 포함하는 내화물 침식 정도 측정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스캔 단계는 레이저 스캔에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 침식 정도 계산 단계는,
   상기 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 밀도 데이터에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 침식 정도는 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 중량 분율로 표현되는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 침식 정도는 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 부피 분율로 표현되는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 침식 정도는 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 평균 두께로 표현되는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 내화물의 측정 밀도는 미반응 부착 생성물의 함량에 기초한 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법.
8. 내화물에 대한 3차원 스캔 데이터를 수신하는 단계;
   상기 3차원 스캔에 의해 얻어진 3차원 형상으로부터 상기 내화물의 부피를 계산하는 단계;
   상기 계산된 부피로부터 내화물의 측정 밀도를 계산하는 단계; 및
   상기 내화물의 측정 밀도와 상기 내화물의 이론 밀도의 차로부터 내화물의 침식 정도를 계산하는 단계를 포함하는 내화물 침식 정도 측정 방법이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
9. 제8항에 있어서,
   상기 침식 정도 계산 단계는,
   데이터베이스로부터 상기 내화물과의 반응에 의해 생성된 생성물의 밀도 데이터를 수신하여 계산되는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
10. 제8항에 있어서,
    상기 침식 정도 계산 단계는,
    데이터베이스로부터 상기 내화물의 이론 밀도 데이터를 수신하여 계산되는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
11. 제8항에 있어서,
    상기 침식 정도 계산 단계에서,
    데이터베이스로부터 미반응 부착 생성물의 함량에 대한 데이터를 수신하고, 상기 내화물의 측정 밀도를 보정하는 것을 특징으로 하는 내화물 침식 정도 측정 방법이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.

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