KR101287498B1 - 다회 측정 온도 프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주물제작 공정에서 주물용탕의 온도를 측정하는데 사용되는 다회(多回) 측정 온도 프로브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로브용 홀더에 장착된 후 용탕에 침지시켜 용융금속의 온도를 측정하는 종래의 1회용 온도 프로브를, 내열성 및 내구성을 혁신적으로 향상시킨 새로운 구조로 전환함으로써, 다회의 용융금속 측정이 가능하도록 된 온도 프로브에 관한 것이다.
본 발명인, 다회 측정 온도프로브는, 주물제작 공정에서 주물용탕의 온도를 측정하는데 사용되는 프로브에 있어서, 석영관에 삽입 결합되는 열전대가 보호용기 내에서 1차 내열시멘트로 고정되는 센서부와; 상기 센서부의 열전대가 연장되며 피복이 되어있는 보상도선과, 상기 보상도선과 연결되는 컨넥터와, 상기 컨넥터와 센서부를 고정하는 내부지지체로 구성된 유니트부와; 상기 유니트부를 보호하는 외부지관과; 상기 외부지관 및 유니트부 선단을 마감하는 2차 내열시멘트와; 상기 외부지관 외부에 취부되며 상기 2차 내열시멘트의 측면에 부착되는 세라믹 파이버관으로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 한 개의 프로브로 다회 측정 가능한 프로브를 제공하여 주물 공정에서의 온도 제어를 위해 사용되는 소모성 프로브를 재사용 할 수 있으므로, 원가 절감 및 환경 오염을 저감할 수 있는 효과가 있다. 또한 정확한 용탕 온도 측정으로 전기로의 전력 소모량 감소, 용탕의 온도 조정을 위해 첨가되는 첨가제(승온재, 냉각재) 절감이 가능하여 제조 원가 절감 및 품질 향상을 기대할 수 있다.

Description

다회 측정 온도 프로브{Temperature probe enabling multiple measuring}

본 발명은 주물제작 공정에서 주물용탕의 온도를 측정하는데 사용되는 다회(多回) 측정 온도 프로브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로브용 홀더에 장착된 후 용탕에 침지시켜 용융금속의 온도를 측정하는 종래의 1회용 온도 프로브를, 내열성 및 내구성을 혁신적으로 향상시킨 새로운 구조로 전환함으로써, 다회의 용융금속 측정이 가능하도록 된 온도 프로브에 관한 것이다.

일반적으로, 제철소의 주물제작 공정은 대부분 용해(전기로)-조형-주입-탈사-출고-주물사 처리공정으로 이루어져 있으며, 이 중 용해공정은 전기로에 철 스크랩과 선철, 회수철, 가탄제, 페로실리콘, 접종제 등을 장입 순서에 따라 넣고 녹인 후 온도와 성분정보를 확인하고 출탕을 실시하게 된다. 이 때 온도와 성분제어는 주물의 품질을 결정하는 중요인자이다.

만약 주물제조 공정에서 용탕의 온도가 적절하지 못하면, 주물의 품질이 저하될 뿐만 아니라, 용탕 유입구 막힘과 같은 조업 중단사고를 유발하게 된다. 이에 주물공정에서 용융금속의 온도제어를 위해 소모형 열전대를 이용하여 단속적으로 침지시켜 측온 작업을 실시하고 있다.

통상 온도 프로브는 열전대(백금계열)가 석영관 및 내열 보호 용기 내에 거치되어 내열 시멘트로 보호되며, 상기 보호 용기에는 프로브와 홀더가 전기적으로 접속할 수 있도록 하는 컨넥터가 취부되어 있으며, 이와 같은 열전대, 석영관, 내열용기, 내열 시멘트 및 컨넥터를 포함하여 구성된 측온센서와, 용탕 침지 시 상기 측온센서를 보호하기 위한 외부지관으로 구성되어 있다.

그러나 상기와 같은 종래기술에 의하면, 소모형 온도 프로브를 이용하여 온도측정을 실시하는 경우는 석영관 및 보호용기의 크랙, 백금소선 단선, 내열 시멘트 균열 및 컨넥터 열화와 같은 문제점이 발생하여 통상 2~3회 이상 측정이 불가능한 문제점이 발생한다. 그리고 2회 이상 측정 시에는 백금소선의 오염 발생으로 측정된 온도값이 오차가 발생되어 정확한 온도측정이 불가능하다.

또한, 소모형 프로브 사용량이 많아져 다회의 측온작업에 따른 원가부담이 증가되고 있으며, 또한 측온 후 폐기되는 프로브에 의하여 환경오염의 문제를 발생시키고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명은 소모형 온도 프로브의 구조를 개선하여 한 개의 온도 프로브로 적어도 5회 이상 정확하게 온도 측정이 가능하여 품질 향상, 원가 절감 및 환경오염을 저감할 수 있는 다회 측정 온도 프로브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인, 다회 측정 온도프로브는, 주물제작 공정에서 주물용탕의 온도를 측정하는데 사용되는 프로브에 있어서, 석영관에 삽입 결합되는 열전대가 보호용기 내에서 1차 내열시멘트로 고정되는 센서부와; 상기 센서부의 열전대가 연장되며 피복이 되어있는 보상도선과, 상기 보상도선과 연결되는 컨넥터와, 상기 컨넥터와 센서부를 고정하는 내부지지체로 구성된 유니트부와; 상기 유니트부를 보호하는 외부지관과; 상기 외부지관 및 유니트부 선단을 마감하는 2차 내열시멘트와; 상기 외부지관 외부에 취부되며 상기 2차 내열시멘트의 측면에 부착되는 세라믹 파이버관으로 구성됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, 상기 보상도선은 내열성 피복재료로 추가 피복됨을 특징으로 하고, 또한 상기 컨넥터는 열변형 온도가 100℃ 이상인 플라스틱 재질을 사용하는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 유니트의 컨넥터는 세라믹파이버관 끝단부보다 밖에 위치하는 것을 특징으로 하고, 또한 상기 내부지지체의 외부는 알루미늄 호일이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 2차 내열시멘트의 두께는, 5~8mm 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 한 개의 프로브로 다회 측정 가능한 프로브를 제공하여 주물 공정에서의 온도 제어를 위해 사용되는 소모성 프로브를 재사용 할 수 있으므로, 원가 절감 및 환경 오염을 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한 정확한 용탕 온도 측정으로 전기로의 전력 소모량 감소, 용탕의 온도 조정을 위해 첨가되는 첨가제(승온재, 냉각재) 절감이 가능하여 제조 원가 절감 및 품질 향상을 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 다회 측정 온도 프로브의 단면 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 소모형 온도 프로브의 단면 개념도이다.
도 3은 본 발명에 의한 다회 측정 온도 프로브의 유니트의 단면 개념도이다.
도 4는 종래 기술에 의한 소모형 온도 프로브의 단면 개념도이다.

이하 본 발명의 구체적인 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 다회 측정 온도 프로브의 단면 개념도이다. 도 2는 종래 기술에 의한 소모형 온도 프로브의 단면 개념도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 온도 프로브(10)는 도 2 및 도 4에 나타난 종래 기술의 온도 프로브와 달리 열전대(14)와 컨넥터(16) 사이에 내부지지체(15)와 보상도선(17)을 사용하여 일정 거리를 확보하고 있다.

도 1 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 온도 프로브(10)는, 주물제작 공정에서 주물용탕의 온도를 측정하는데 사용되는 프로브에 있어서, 석영관에 삽입 결합되는 열전대가 보호용기 내에서 1차 내열시멘트로 고정되는 센서부(18)와; 상기 센서부(18)의 열전대가 연장되며 피복이 되어있는 보상도선(17)과, 상기 보상도선과 연결되는 컨넥터(16)와, 상기 컨넥터와 센서부를 고정하는 내부지지체(15)로 구성된 유니트부(20)와; 상기 유니트부를 보호하는 외부지관(31)과; 상기 외부지관 및 유니트부 선단을 마감하는 2차 내열시멘트(12-2)와; 상기 외부지관 외부에 취부되며 상기 2차 내열시멘트의 측면에 부착되는 세라믹 파이버관(32)를 포함하여 구성된다.

다시 말하면, 본 발명의 온도 프로브(10)는, 보호 용기(11)에 내열 시멘트(12) 및 석영관(13)으로 결합되어 있는 열전대(14)가 내부지지체(15)에 삽입 설치되고, 상기 내부지지체(15)에는 상기 열전대(14)와 전기적으로 접촉하기 위한 컨넥터(16), 상기 컨넥터(16)와 열전대(14)를 전기적으로 연결하는 보상도선(17)이 일체화된 유니트(20)로 구성되며, 또한 상기 유니트를 보호하기 위한 외부지관(31) 및 스플래쉬 방지용 세라믹 파이버관(32)을 포함하여 구성된다.

상기와 같이 주요부를 유니트로 구성한 이유는 실제 로(爐)에서 프로브 침지 깊이는 최대 70mm 정도로 세라믹 파이버관(32)의 길이를 벗어나지 않는다. 만약 기존의 소모형 프로브와 같은 센서 구조일 경우 컨넥터(16)가 세라믹파이버관(32) 내부에 위치하여 측온 시간 동안 컨넥터(16)가 열화 되어 접촉 및 장착불량이 발생하여 더 이상 반복 측정을 할 수가 없는 문제가 필연적으로 발생한다.

또한 컨넥터(16) 열화로 인해 발생하는 가스 및 합성 수지의 석영관(13) 내 유입으로 인해 열전대(14)가 오염되고 이로 인해 열전대(14) 단선 및 측온 편차가 발생한다. 하지만 상기 유니트(20)의 구조로 컨넥터(16)가 세라믹파이버관(32) 끝단부보다 밖에 위치하면 온도 프로브(10)의 반복 측정 시에도 컨넥터(16)가 열화 되는 것을 방지할 수 있다. 상기 컨넥터(16)는 센서부(18)와 계측기 간에 전기적인 신호를 주고받는 중요한 역할을 하고 있다.

상기와 같이, 본 발명은 플라스틱 재질로 이루어진 컨넥터(16)를 센서부(18)와 상당히 이격되게 배치함으로써, 컨넥터(16)의 열화로 인해 발생하는 가스 및 합성수지의 유입으로부터 열전대(14)의 오염 혹은 단선을 방지하여 열전대(14)를 보호할 수도 있다.

또한, 종래의 프로브는 1회용으로 사용되는 것이기에 열 변형 온도가 낮은 컨넥터 재질을 사용하고 있다. 이에 따라 측정 중에 가열된 센서부(18)의 잠열이 컨넥터(16)까지 지속적으로 전도되어 컨넥터(16)의 열 변형을 야기한다. 따라서 열 변형에 의한 접촉 및 장착 불량을 방지하기 위하여 본 발명은 PP(열 변형 온도 120℃)나 NYLON-66(열 변형 온도 240℃)와 같이 열 변형 온도가 높은 재질을 사용하여 프로브 반복 측정 시 접촉 및 장착불량을 미연에 방지하였다. 상기 재질 모두 적합하게 사용 가능하나, 가능한 경우에는 상기 재질 중에서 제품 성형 및 가공성이 다소 좋은 PP 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 적어도 본 발명의 컨넥터는 열 변형 온도가 100℃ 이상인 플라스틱 재질을 사용하는 것이 좋다.

상기 유니트(20)의 외부는 세라믹파이버관(32)로 보호되지만 계속되는 반복 측정 횟수의 증가에 따라, 열 전달에 의한 내부지지체(15)의 소손이 진행되어 센서부(18)로의 용탕 침투, 센서부(18) 탈락과 같은 문제가 발생한다. 이러한 내부지지체(15)의 소손을 방지하기 위하여 본 발명은 알루미늄 호일을 내부지지체(15)의 외부에 코팅하여 외부로부터의 열 전달을 일부 차단하여 내부지지체(15)의 과도한 소손을 방지하였다.

또한 상기 보상도선(17)은 외부로부터의 열 전달에 의한 열화 소손을 방지하기 위해 폴리이미드 캡틴 재질의 내열 테이프나 유리실(Glass yarn)과 같은 내열성 피복재질로 보호하여 측온 정확도를 향상시켰다.

또한 세라믹 재질로 된 보호용기(11)가 노출되어 있을 경우 반복 측정에 따른 열 충격에 의해 보호용기(11)가 파손되어 용융금속의 침투 가능성이 내재하여 더 이상 반복 측정을 할 수 없다. 하지만 센서부(18)가 세라믹 파이버관(32) 및 내열 시멘트(12)로 보호되는 경우 아래 사진과 같이 다회 반복 측정 시에도 센서부(18)가 원형 그대로 보존되어 좀 더 안정적인 측정이 가능하다. 이 때 내열 시멘트(12)의 두께는 품질에 영향을 미치는 주요인자로 내열 시멘트(12)의 두께가 증가할수록 프로브 내열도가 확보되어 센서 성능이 향상된다. 그러나 이로 인하여, 백금선 길이 증가, 시멘트 충전량 증가 및 작업성 저하와 같은 문제로 이어 지므로 내열 시멘트(12)의 충전두께는 적절히 규제할 필요가 있다.

측정결과에 따르면, 내열 시멘트(12)를 3mm 두께를 충전했을 경우 내열 시멘트(12) 부족으로 반복측정에 의한 세라믹 파이버관(32)의 외부 균열 및 센서부(18) 열 전달이 발생하여 측온편차가 20℃ 이상 발생하였으며 반복 측정 횟수도 2~3회 정도로 열위 하였다. 반면 내열 시멘트(12)를 5mm 이상의 두께로 충전했을 경우 세라믹 파이버관(32)의 균열이 발생하지 않았으며 반복 측정 횟수도 9~10회 정도로 우수하였다.

그러나 내열 시멘트(12)를 8mm 이상으로 충전하였을 경우, 내열 시멘트(12)의 양생 및 건조과정에서 발생하는 수축현상으로 인해 석영관(13) 파손 위험이 높아지며, 센서부(18) 선단의 돌출 높이가 낮아 온도측정 시간이 길어지는 문제가 발생하였다. 따라서, 충전 내열 시멘트(12)의 두께는 5~8mm정도가 가장 적절 하였다. 본 발명은 상기와 같이 센서부(18)의 파손 방지를 위해 세라믹 파이버 및 내열 시멘트로 보호시켜 측온 정확도를 향상시켰다.

하기 표 1은 종래의 온도 프로브와 본 발명의 온도 프로브에 의한 온도 측정 사례를 비교한 결과이다. 여기서 본 발명은 2차 내열 시멘트 충전 두께 별로 반복 시험을 실시하였다.

사용횟수	측정시간	2차 시멘트 충전 두께
		Ref. (종래의 프로브) (비교예1)	3mm (비교예2)	3mm (비교예3)	5mm (본발명1)	5mm (본발명2)	8mm (본발명3)	8mm (본발명4)
1	14:15	1662	F	1663	1661	1654	-	1660
2	14:45	-	F	-	1624	1622	1621	1619
3	09:40	1581		1553	1558	1567	1577	1581
4	09:50			1622	1606	1623	1626	1614
5	10:00				1587	1591	1586	1584
6	11:40				1599	1599	1599	1598
7	12:18				1590	1587	1587	1589
8	12:25				1582	1589	1581	1583
9	12:35				1575	1576	1573	1574
10	12:45					1576	1580	1581

측정 결과에 따르면, 현장에서 종래 프로브(비교예1) 및 비교예 2, 3의 경우 2~3회 측정 시 백금선 단선 및 컨넥터 열 변형에 의한 측정불량이 발생하였으나, 본 발명에 의한 다회 측정 가능한 온도 프로브의 경우는 9회 이상 측정한 결과 측정 실패가 발생하지 않았으며, 측정파형의 안정성 및 측정값의 정확도 또한 종래와 비교하여 양호하였다.

이상에서 설명된 본 발명의 다회 측정 온도 프로브를 다시 요약하면, 본 발명인 다회 측정 온도 프로브(10)는, 열전대(14)와 전기적으로 접촉하기 위한 컨넥터(16)가 보호용기(11)와 내열 시멘트(12)에 의해 보호되어 있는 센서부(18)와 외부지관(31)과 스플래쉬 방지를 위한 세라믹 파이버관(32)을 포함하는 것이다.

또한, 센서 조립방법을 변경하여, 열전대(14)와 컨넥터(16)가 일체형 구조로 형성되는 것이 아니라, 보호용기(11)에 내열 시멘트(12) 및 석영관(13)으로 결합되어 있는 열전대(14)가 내부지지체(15)에 삽입 설치되고, 상기 내부지지체(15)에는 상기 열전대(14)와 전기적으로 접촉하기 위한 컨넥터(16), 상기 컨넥터(16)와 열전대(14)를 전기적으로 연결하는 보상도선(17)이 일체화 된 유니트(20)로 구성되는 것이다.

또한 상기 유니트(20)를 보호하기 위해 장축의 외부지관(31) 및 스플래쉬 방지용 세라믹 파이버관(32)을 포함하여 구성되며, 상기 유니트(20)의 외부는 내부지지체(15)의 열화 소손을 방지하기 위하여 알루미늄 호일로 코팅된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 기초로 상세히 설명되었지만, 본 발명에 기재된 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 점은 분명하다. 또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

10 : 온도 프로브 11 : 보호용기 12 : 내열시멘트
12-1 : 1차 내열시멘트 12-2 : 2차 내열시멘트
13 : 석영관 14 : 열전대 15 : 내부지지체
16 : 컨넥터 17 : 보상도선 18 : 센서부
20 : 유니트 31 : 외부지관 32 : 세라믹 파이버관

Claims (6)

1. 주물제작 공정에서 주물용탕의 온도를 측정하는데 사용되는 온도 프로브에 있어서,
   석영관에 삽입 결합되는 열전대가 보호용기 내에서 1차 내열시멘트로 고정되는 센서부와;
   상기 센서부의 열전대가 연장되며 피복이 되어있는 보상도선과, 상기 보상도선과 연결되는 컨넥터와, 상기 컨넥터와 센서부를 고정하는 내부지지체로 구성된 유니트부와;
   상기 유니트부를 보호하는 외부지관과;
   상기 외부지관 및 유니트부 선단을 마감하는 2차 내열시멘트와;
   상기 외부지관 외부에 취부되며 상기 2차 내열시멘트의 측면에 부착되는 세라믹 파이버관으로 구성되되,
   상기 온도 프로브는, 상기 보호 용기에 상기 1차 내열 시멘트 및 상기 석영관으로 결합되어 있는 상기 열전대가 상기 내부지지체에 삽입 설치되고,
   상기 내부지지체에는 상기 열전대와 전기적으로 접촉하기 위한 컨넥터, 상기 컨넥터와 상기 열전대를 전기적으로 연결하는 상기 보상도선이 일체화된 유니트로 구성되는 것을 특징으로 하는 다회측정 온도프로브.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 보상도선은 내열성 피복재료로 추가 피복됨을 특징으로 하는 다회측정 온도 프로브
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 컨넥터는 열 변형 온도가 100℃ 이상인 플라스틱 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 다회측정 온도 프로브
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 유니트의 컨넥터는 세라믹 파이버관 끝단부보다 밖에 위치하는 것을 특징으로 하는 다회측정 온도프로브.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 내부지지체의 외부는 알루미늄 호일이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 다회측정 온도 프로브
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차 내열시멘트의 두께는, 5~8mm 인 것을 특징으로 하는 다회측정 온도 프로브
   
   
   
   
   
   
   

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