KR101766009B1 - 용융 금속의 온도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융물의, 특히 용융 금속의 온도를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 광섬유 및 안내 튜브를 포함하고, 안내 튜브는 잠입 단부 및 이 잠입 단부에 대향하는 제2 단부를 구비하며, 광섬유는 안내 튜브 내에 부분적으로 배열되고, 안내 튜브의 내경은 광섬유의 외경보다 크며, 제1 플러그가 안내 튜브의 잠입 단부에 또는 안내 튜브의 잠입 단부에 근접하게 안내 튜브 내에 배열되고, 광섬유는 플러그를 통해 급송되며, 그리고 플러그는 광섬유와 안내 튜브 사이의 갭을 감소시킨다.

Description

용융 금속의 온도 측정 장치{DEVICE FOR MEASURING THE TEMPERATURE OF A MOLTEN METAL}

본 발명은 용융물(melt), 특히 용융 금속, 예컨대 용강(molten steel)의 온도를 광섬유로 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

용강 제조를 위한 전기 아크로(Electric Arc Furnace; EAF) 프로세스는 금속 성분의 노 장입, 용융, 제련, 슬래그 배제(de-slagging), 태핑(tapping) 및 노 턴어라운드(furnace turnaround) 작업들로 구성되는 배치 프로세스(batch process)이다. 히트(heat)로 불리는 강의 각 배치(batch)는 태핑으로 불리는 프로세스에서 용융로로부터 제거되고, 그에 따라 강 제조의 주기적인 배치 속도에 대한 기준은 보통 탭간 시간(tap-to-tap time)으로 지칭되는 시간의 단위이다. 현대의 EAF 작업은 60분 미만의 탭간 사이클을 목표로 하고, 오히려 약 35-40분 정도이다.

가능한 빠른 탭간 시간을 촉진하는, EAF 생산성에서 이루어지는 많은 발전들은, 증가된 전력 입력(350-400kWh/t의 범위), 및 노 내로의 대안적인 형태의 에너지 입력(산소 랜싱(lancing), 산소-연료 버너)에 관련된다. 가장 발전된 EAF 작업들은 총 전력 입력의 20-32%를 공급하는 18-27N㎥/t 정도의 보충 산소를 소비한다. 부가적으로, 보다 빠른 노 이동을 허용하는 구성요소들의 개량은, 노가 가동하지 않는 시간의 양을 감소시켰다. EAF 작업자의 산업적 목표는, 동시에 전력 입력으로부터 최대 이득을 얻도록 하는 가운데 고정 비용을 감소시키기 위해 최대의 생산성을 야기하도록, 노 작동 시간을 최대화하는 것이었다. EAF에서 강의 하나의 히트의 제조에 소비되는 시간의 대부분은 용융 프로세스 단계에서이다.

용융 기간은 EAF 작업의 핵심이며, 대부분의 현대 EAF에서 2 단계 프로세스로 이루어진다. 전기 에너지가 흑연 전극을 통해 공급되고, 용융 작업에서 가장 큰 기여인자이다. 강 스크랩(steel scrap)을 용융하기 위해서, 300kWh/t의 이론적인 최소값이 필요하다. 강의 융점 이상의 온도를 갖는 용융 금속을 제공하기 위해서는 부가적인 에너지가 요구된다. 전형적인 탭 온도 요건에 대해, 요구되는 총 이론적인 에너지는 통상 350-400kWh/t의 범위 이내에 있다. 그러나, EAF 제강은 에너지 효율은 단지 55-65%이고, 그 결과 총 등가 에너지 입력은, 60-65%가 전력에 의해 공급되고 나머지 요구가 화석 연료 연소 및 제련 프로세스에서의 화학적 산화 에너지에 의해 공급되는, 가장 현대의 작업에 대해 통상 650kWh/t의 범위이다.

제1 금속 장입 도중에 통상, 전극이 스크랩 내로 충분하게 진입할 수 있을 때까지 중간 전압 탭이 선택된다. 전극 아크와 용융 용기의 측벽 사이에서의 미용융 스크랩의 위치는 손상으로부터 노 구조체를 보호하여, 긴 아크(long arc)(고전압) 탭이 진입(boring) 이후에 사용될 수 있도록 한다. 스크랩의 약 15%가 초기 진입 기간 도중에 용융된다. 노 벽에서 특정 노즐들을 통해 부가되는 화석 연료 연소는 스크랩 가열 및 열적 균일성에 기여한다. 노 분위기가 가열됨에 따라, 아크 발생이 안정화되는 경향이 있어, 평균 파워 입력이 증대될 수 있다. 긴 아크는 스크랩에 대한 전력 전달을 최대화하고, 금속의 액체 풀(liquid pool)의 초기 부분(beginnings)이 노 바닥(furnace hearth)에 형성될 것이다. 일부의 특정 EAF 타입에 대해서, "핫힐(hot-heel)"로 불리는 이전 히트로부터 남겨져 유지되는 작은 풀과 더불어 배치 용융 프로세스를 시작하는 것이 바람직한 실행이다.

충분한 스크랩이 제2 장입물의 체적을 수용하도록 용융되었을 때, 장입 프로세스가 반복된다. 일단 강의 용융 풀이 노 내에 생성되면, 이제 화학적 에너지가, 산소-연료 버너들 및 산소 랜싱과 같은, 몇 개의 소스를 통해 공급된다. 일단 용융 금속 높이가 충분하고 방해 스크랩이 없으면, 산소가 용융조(bath) 내로 직접 랜싱될 수 있다.

최종 스크랩 장입물이 완전히 용융되는 시간에 다다르면, 노 측벽들은 아크로부터의 높은 복사에 노출될 수 있다. 결과적으로, 전압이 감소되어야만 하며, 또는 전극을 에워싸는 폼형 슬래그가 생성되어야 한다. 슬래그층은 폼 형성 도중에 1미터 초과의 두께를 가질 수 있다. 이때 아크는 묻히게 되고 노 쉘을 보호할 것이다. 부가적으로, 보다 많은 양의 에너지가 슬래그 내에 보유되고, 더 높은 에너지 효율을 야기하도록 용융조로 전달된다. 이러한 프로세스는 강을 덮는 슬래그층에 다량의 히트를 생성할 것이고, 후술하는 이유로 인해 프로세스 제어 측정을 위한 매우 독특하고 어려운 환경을 생성하는, 강 온도보다 최대 200℃까지 높은 온도를 야기할 것이다.

히트에 대한 탭간 시간을 감소시키기 위해, 많은 경우에 있어서, 특히 핫힐과 더불어 작동하는 현대 EAF 작업에 있어서, 산소가 히트 사이클 전체에 걸쳐서 용융조 내로 취입될 수 있다. 이러한 산소는, 알루미늄, 규소, 망간, 인, 탄소 및 철을 포함하는 용융조 내의 여러 성분들과 반응할 것이다. 이러한 반응들은 모두 발열 반응이고(즉, 열을 발생시킴), 스크랩의 용융을 돕도록 에너지를 공급할 것이다. 형성되는 금속 산화물들은 결국 슬래그 내에 잔류할 것이다.

최종 스크랩 장입물 및 원재료가 실질적으로 용융될 때, 평평한 용융조 상태가 도달된다. 이 시점에, 용융조 온도 및 화학 분석 샘플이, 근사적인 산소 제련 기간 및 탭까지의 나머지 작동 시간을 결정하기 위해, 취해진다.

이용가능한 원재료의 활용, 노 설계, 지역적인 작동 관행 및 지역적인 생산 경제성에 의존하여 달라질 수 있는 특정 지역의 프로세싱 단계들과 무관하게, 노로의 많은 형태의 에너지 입력이, 고형 스크랩 및 슬래그 성분들의 정확한 화학적 조성의 그리고 태핑을 위한 요구되는 온도의 용강 및 슬래그로의 변환 도중에 탭간 시간을 최소화하고 에너지 효율을 향상시키기 위해, 다양한 전략들에서 채택될 수 있을 것이다.

다른 제강 프로세스에서와 같이, EAF의 탭간 제조 프로세스는, 주어진 에너지 입력 및 히트 출력 하에서 프로세스 종료점을 예측하기 위해 원재료의 양 및 품질을 고려하는 수학적 모델에 의해 안내된다. 그러한 변수들의 리스트가 EP 0747492A1 에서 확인될 수 있다. EAF 성능을 제어하고 예측하기 위해 사용되는 다수의 프로세스 모델이 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 변환기(converter)로서의 용광로(blast furnace)의 전형적인 제강 프로세스에 비교될 때, EAF 프로세스에 사용되는 원재료들의 변동이 훨씬 크고, 그에 따라 끊임없는 조정을 필요로 한다. 프로세스를 교정하고 안내하기 위해 요구되는 이러한 모델들에 대한 여러 정보 입력들 중 하나가 용융 금속의 온도이다.

최상의 그리고 최신의 용융 금속 온도 정보를 EAF 작업자에게 제공하는 것은 뒤따르는 요건을 만족시켜야 한다:

- 벌크 금속(bulk metal)을 대표하는 정확한 온도,

- 노 기울기와 무관한 일정한 잠입 깊이,

- 연속적인 또는 거의 연속적인 이용가능성,

- 잠입 깊이 조정을 위한 용융조 레벨 결정.

전형적으로, 용융 금속의 온도 측정은, 미국 특허 제2993944호에 개시된 바와 같은 잘 알려진 일회용 열전쌍들(thermocouple)을 이용하여 성취된다. 이러한 열전쌍들은 적절한 계측장비에 열전쌍 신호를 전달하기 위해 맞춰진 전기 배선 및 접속부를 갖는 스틸 폴(steel pole)을 이용하여 작업자에 의해 수동으로 잠입될 수 있다. 추가적으로, 많은 자동 열전쌍 잠입 기계 시스템이, 현재 www.more-oxy.com으로부터 대중적으로 입수가능하거나 Metzen 등의 논문(MPT International 4/200, pp.84)에 개시된 것과 같이, 열전쌍 잠입을 제공하기 위해 활용된다.

일단 용융 금속의 풀링(pooling)이 성립되면, 용융조 온도가 느리게 증가할 것이다. 주어진 에너지 입력에 대해, 미용융 스크랩의 함량이 높을수록 온도 증가 속도가 낮아질 것이다. 모든 스크랩이 용융되면, 용융조의 온도는 프로세스의 종점을 향해 약 35℃-70℃/분 정도로 매우 빠르게 증가한다. 최적의 프로세스 종점, 즉 금속이 태핑될 준비가 된 시간을 예측하기 위해서, 프로세스 제어 모델은, 다양한 에너지 입력을 정지할 최상의 순간에 대한 정확한 예측을 생성하기 위해 정확하고 충분히 높은 빈도로 측정되는, 온도 정보를 가질 필요가 있다. 로봇 잠입 장치들을 이용하는 측정 프로세스는, 접근 해치(access hatch)가, 일반적인 설명이 미국 공개 특허 제2011/0038391호 및 미국 특허 제7767137호에 나타나 있는, 전형적으로 슬래그 도어(slag door)가, 일회용 열전쌍을 지지하는 기계적 아암의 삽입을 허용하도록 개방되는 것을 필요로 한다. 가장 현대적 작업에 있어서, 이러한 도어는 또한, 잠입 랜스의 것과 유사한 조작기(manipulator)에 의해 제위치에 놓이게 되는, 산소-연료 버너들 및 산소 랜스들을 위한 노에의 접근을 제공하기 위해 사용된다. 보다 최근에는, 여러 부가적인 포트들이 또한, 미국 특허 제6749661호에 개시된 바와 같은 버너를 위해 노 쉘의 둘레부 주위에 제공될 수도 있다.

프로세스에서 늦게 온도를 얻기 위한 슬래그 도어의 개방은, 다량의 공기가 노에 진입하는 것을 허용한다. 이러한 개방의 결과는, 국부적인 영역을 냉각시키는 것 및 질소를 위한 소스를 제공하는 것이다. 아크발생(arcing) 도중에, 질소는, EAF 프로세스의 바람직하지 않은 유출물인 NOx로 변환된다. 이러한 개방을 통해 노의 슬래그를 배제하는 것이 필요하지만, 온도를 취득하기 위해 또한 이러한 개방을 이용하는 로봇 잠입 장비의 사용은, 반복적인 온도 측정이 요구될 때의 기간 도중에 노 내부를 불필요한 질소 침입 및 의도하지 않은 슬래그 배제에 노출시킨다.

금속 제련 프로세스의 종료 단계 도중의 빠른 온도 상승에 따라, 최상의 상황 하에서의 프로세스 제어 모델을 위한 갱신 시간은, 현대의 고출력 노와 보조를 맞출 수 없다. 이상적으로, 제련의 종료 도중의 빠른 온도 갱신 및 태핑 이전의 마지막 몇 분 동안의 연속적인 온도 정보는, 모델 예측 정밀도 및 종료점 결정을 위한 최상의 조합을 제공한다. 전형적인 로봇 시스템에 대한 1분의 현실적인 시험간 시간은, 그러한 동적 프로세스의 스폿 측정의 유용성을 제한한다. 종래의 일회용 열전쌍들 및 로봇 잠입 장비는, 정확한 종점 결정을 위해 사용될 때 프로세스 모델의 예측 성공율을 궁극적으로 감소시키는, 낮은 샘플링 빈도 이외의 몇가지 추가적인 제한을 받게 된다.

용융 및 제련 프로세스 도중에, 용융조는 온도 구배를 갖는 반면, 용융조의 표면은 벌크 용융 금속의 온도보다 충분히 높은 온도를 갖는다. 금속의 고온 및 저온 스폿이 노 내부의 전체에 걸쳐 위치하게 되어, 내부를 균질화하는 것을 돕기 위한 특수 버너 및 방향성 화석 연료형 히터의 사용을 필요로 한다. EP 1857760 A1호에 개시된 바와 같이, 하나의 저온 스폿은, 일회용 열전쌍의 잠입이 전형적으로 전형적인 로봇 잠입 장비의 큰 접근 요구로 인해 일어나는 곳인, 슬래그 도어의 영역에 존재한다. 미국 특허 제2886617호에 개시된 바와 같이, 용융조를 더욱 균질화하며 그리고 노에서 슬래그를 배제하고 노를 태핑하기 위해, EAF는, 노를 '요동'시키는 능력, 즉 노의 수평 위치를 전후방으로 기울이는 능력을 갖고 있다.

거의 모든 로봇 잠입 장치들은 슬래그 도어의 영역에 장착되고 작업 플로어(operating floor)상에 장착되며, 그에 따라 기울어진 노의 각도로 인해서 기울어지지 않는다. 이 때문에, 이러한 조작기는 모든 상황 하에서 항상 용융조 내로 일회용 열전쌍을 배치할 수는 없다. 나아가, 열전쌍의 잠입 깊이는 로봇 장치의 기계적 아암의 관절부와 연관되며, 이 때문에 노 기울어짐의 각도로 인한 용융조 레벨 변화에 즉시 맞출 수 없다. 이는 EAF 프로세스의 작동 모델을 위한 벌크 온도를 반영하는 위치에서 반복적으로 측정하기 위해 중요하지만, 수동 또는 자동 랜스에 의해 취해지는 실제 온도 측정은, 안정적인 잠입 깊이를 지향하는데 대한 어려움을 보이고, 잠입 랜스의 위치가 노의 요동 및 실제 용융조 레벨에 대해 정렬되지 않으며 그리고 온도 정밀도에 도움이 되는 위치에 있지 않은 동안에는, 이용가능하지 않다.

본 발명은, EAF의 측벽을 통해 예측가능한 용강 잠입 깊이까지 20초 미만의 온도간 측정 빈도로, 온도 장치를 삽입할 수 있는 잠입 장비 및 용융 금속 잠입식 소모성 광섬유를 이용하여, 야금 용기(metallurgical vessel) 내의 온도를 측정한다. 요구시 단독으로 또는 빠른 연속으로, 샘플링하는 능력은, 저가로 거의 연속적인 온도 데이터를 제공하는 빠른 연속의 측정 능력과 함께, 프로세스 도중의 핵심 시간(key time)에 EAF 작업에 대한 수학적 예측 모델을 갱신할 수 있는 측정 전략을 가능하게 한다.

광학적 검출기를 향해 복사를 집중시키기 위해 영구적인 광학적 광 가이드를 이용하는 다양한 제강 용기에 설치되는 종래 기술의 수많은 온도 측정 장치들이 존재한다. 이러한 종래 기술의 예들이, 일본 특허공개 제61-91529호, 일본 특허공개 제62-52423호, 미국 특허 제4468771호, 미국 특허 제5064295호, 미국 특허 제6172367호, 미국 특허 제6923573호, 국제공개 제98/46971 A1호 및 국제공개 제02/48661 A1호에서 확인될 수 있다. 이러한 종래 기술의 공통점은, 광학적 광 가이드가 영구적이고, 이 때문에 복잡한 설비를 이용하여 손상으로부터 보호될 필요가 있다는 것이다. 이러한 보호 수단들은, 조립체를 냉각하거나 광학적 요소와의 물리적 접촉으로부터 금속을 제거하기 위한 가스 퍼징(gas purging), 비교적 영구적이거나 제강 용기의 라이닝과 함께 약간 침식가능한 보호 피복층, 및 정확한 온도를 결정하기 위해 광 파장(들) 및 강도에 대한 복잡한 방사율 보정을 포함할 수도 있다.

일본 특허공개 제08-15040호는 소모성 광섬유를 액체 금속 내로 급송하는 방법을 개시한다. 일본 특허공개 제62-19727호에 개시된 바와 같은 소모성 광섬유는, 용융 금속 내로 예측가능한 깊이로 잠입될 때, 용융 금속으로부터 방출되는 복사광을 흑체 상태에서 수용하여, 잠입된 소모성 광섬유의 반대편 단부에 장착되는 광전 변환 소자를 이용하는 복사선의 강도가 용융 금속의 온도를 결정하기 위해 사용될 수 있도록 한다. 피. 클라이먼스(P. Clymans)의 "잠입식 광섬유 고온계의 응용(Applications of an immersion-type optical fiber pyrometer)"에 간결하게 상술된 종래 기술의 과학적인 원리는, 광섬유가 흑체 상태를 달성하는 깊이로 잠입되어야 한다는 것이다. 긴 길이의 감긴 재료를 사전결정된 깊이까지 급송하는데 필요한 장비 및 소모성 광섬유를 이용하는 용융 금속의 연속 측정은, EP 0806640 A2 및 일본 특허 제3267122호와 같이 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 소모성 광섬유가 보다 높은 온도의 금속 내로 잠입되는 가혹한 산업 환경에서, 또는 정해진 기간 동안 사전결정된 깊이를 유지하는 슬래그 커버(slag covering)를 갖는 금속의 존재시에, 이루어져야 하는 측정은, 온도가 상승함에 따라 광섬유의 고유의 취약성으로 인해 어려운 것으로 증명된 바 있다. 이미 금속 피복된 광섬유를, 가스 냉각과 같은 추가적인 보호(일본 특허공개 제2000-186961호), 금속 피복된 광섬유 위에 적층되는 추가적인 복합 재료(EP 655613 A1), 절연 피막(일본 특허공개 제06-058816호) 또는 추가적인 금속 커버들(미국 특허 제5163321호 및 일본 특허 제3351120호)에 의해 보호하는 것이 필요해지게 된다.

고온 사용을 위한 상기 개선들은, 연속적인 온도 판독을 제공하기 위해 소모성 광섬유 조립체의 비용을 크게 증대시키는 단점을 갖는다. EAF에서 보다 높은 온도를 측정할 때 직면하게 되는 상태와 정확하게 동일하지는 않지만, 일본 특허 제3351120호는 광섬유의 소모 속도에 대한 인식을 갖도록 하는데 유용하다. 개시된 예에서, 광섬유를 코일로부터 급송하기 위한 매우 복잡한 기계적 장치가 사용된다. 코일은 추가적인 3㎜ 두께의 스테인리스강 튜브로 다시 피복되는 금속 피복 광섬유로 구성된다. 용광로 탭 스트림의 철 내의 연속적인 온도 측정에 대한 개선된 온도 정밀도에 대해 권장되는 개시된 계산값은, 놀라운 500㎜/s이다. 광섬유 및 이 광섬유를 둘러싸는 스테인리스강 외부 튜브의 비용은, 이러한 권장된 급송 속도로 소모하기에 비싸다.

연속적인 온도 측정의 실제 경제성은, 연속적인 정보의 이익을 여전히 획득하는 가운데, 가능한 한 최소량의 광섬유를 소비하는 것에 의존한다. 최소량의 노출되는 광섬유를 동반하는 가운데 광섬유를 측정 지점으로 가져가는 것이, 미국 특허 제5585914호 및 일본 특허공개 제2000-186961호에 개시되어 있으며, 여기서 단일의 금속 피복된 광섬유가, 노 벽에 장착될 수 있고 가스가 이를 통해 분사되는 영구적인 노즐을 통해 급송된다. 이러한 장치들은 측정 지점에 광섬유를 성공적으로 전달할 수 있지만, 막힘 및 지속적인 유지보수로 인한 부담을 갖게 된다. 급송 모드의 단계에서, 진동이, 광섬유가 노즐에 용착되는 것을 방지하기 위해 필요하게 된다. 부적절한 가스 압력으로 인해 포트가 막히거나 폐색되면, 측정은, 노즐이 수리될 때까지 회복 가능성 없이 중단된다. EP 0802401 A1 은, 어떠한 문제점이 광섬유가 노즐을 통과하는 것을 방해하는 것을 해결하기 위한 도구 세트를 제공하는, 이동가능한 캐리지(carriage)상에 위치하게 되는 일련의 펀치 로드(punch rod) 및 안내 튜브에 의해, 노에 대한 막힌 개구부의 문제를 해결한다. 그러나, 이들은, 측정 데이터가 획득될 수 없는 폐색된 접근 포트를 뚫기 위한 전략이다. 일단 이러한 포트들이 막히게 되면, 제강 프로세스에서 중요한 시기에 있을 수 있는 온도 데이터를 획득하는 것이 불가능하다.

측정 비용 및 잠입 장비의 복잡성을 더욱 증가시키는 추가적인 문제가 연속적으로 급송되는 광섬유에 대해 발생한다. 잠입식 광섬유는 단지 그의 광학적 품질을 유지하고, 그에 따라 열 및 오염에 대해 보호되는 상태로 머무르거나 그의 열화 속도보다 더 높은 속도로 갱신된다면, 정확한 온도로 복귀한다. 용융조 온도의 광학적 신호는, 용강 내에 잠입된 부분에 대해 흑체 상태에서 정확하게 얻어진다. 그러나, 위쪽의 나머지 비잠입된 부분은 완전한 광 가이드로 남아 있어야 한다. 상승된 온도에서, 광섬유의 실투(devitrification)가 일어날 것이고, 광 투과성은 감소하며, 감소된 강도의 함수로서 온도의 오차가 증가한다. 일본 특허공개 제09-304185호 및 미국 특허 제7891867호는, 광섬유 소모 속도가 실투 속도보다 커야 하고 이에 의해 새로운 광섬유 표면이 항상 이용가능하다는 것을 보장하는, 급송 방법을 개시한다. 간단한 실험실 시험은, 광 신호가, 1580℃ 미만의 온도에서 약 1.0s이고 1700℃에서 잠입될 때 단지 0.1s 인, 매우 짧은 기간 동안에 안정한 상태로 머무른다는 것을 보여준다. 보다 낮은 온도의 금속에 대한 해결책이긴 하지만, 상승된 온도에서의 시험을 위해 실투 속도보다 빠른 속도의 광섬유 급송 속도는, 단순 금속 피복된 광섬유에 대해 비용이 많이 든다. EAF의 가혹한 상태에서 상승된 온도를 측정하는 경우에, 종래 기술에 개시된 추가의 보호 방법들은 또한, 광섬유와 동일한 속도로 소모된다. 이것은, 전술한 이중 피복된 광섬유에 대해 엄청나게 비용이 많이 들게 한다.

일본 특허공개 제2010-071666호는, 기밀 환경 및 랜스 튜브와 광섬유 사이에 기밀 밀봉을 갖는 측정 랜스를 이용하는, 용융 금속 내에서의 측정을 위한 광섬유 온도 측정 장치를 개시한다.

본 발명은 연속적인 측정보다는 스폿 측정을 제공하는 것이 선호되는 종래 기술을 회피하려고 한다. 발명된 것은, 가혹한 환경에서 잠입된 광섬유와 연관된 문제를 해결하는 가운데, EAF 용융 프로세스의 수학적 모델의 갱신 요구를 충족시키기 위해 충분히 높은 샘플링 빈도로 이용되기에 적합한 온도 측정을 위한 저비용의 해결책이다. 본 발명은, 광섬유를 우선 슬래그와의 접촉 없이 슬래그 커버를 통해 용융 금속 내로 잠입시키는 것, 제어된 급송에 의해 측정 기간 동안 사전결정된 잠입 깊이를 유지하는 것, EAF 내부의 높은 주변 열에서 실투에 대항하여 비잠입된 부분을 보호하는 것, 측정 이후에 비사용 광섬유를 제거하고 다시 감는 것, 다시 감을 때 용융조 레벨을 측정하는 것으로 구성되는 거의 연속적인 온도 측정 출력을, 그리고 초기 시작 상태를 항상 되풀이 하도록 측정 프로세스를 반복하기 위한 잠입 장비를 제공한다.

본 발명에 의해 해결되는 문제는 공지의 방법 및 장치를 개선하는 것이다. 최상이자 최신의 용융 금속 온도 정보를 EAF 작업자에게 제공하는 것은, 뒤따르는 요건을 만족시켜야 한다:

- 벌크 금속을 대표하는 정확한 온도,

- 노 기울기와 무관한 일정한 잠입 깊이,

- 연속적 또는 거의 연속적인 이용가능성,

- 잠입 깊이 조정을 위한 용융조 레벨 결정.

문제점은 독립 청구항에 따른 장치에 의해 해결된다.

용융물의, 특히 용융 금속의 온도를 광섬유로 측정하기 위한 방법이, 광섬유 가 일회용 안내 튜브를 통해 용융물 내로 급송되고, 광섬유 및 일회용 안내 튜브의 잠입 단부가 둘 모두 급속 속도를 갖는 가운데 용융물 내로 잠입되며, 둘 모두의 급송 속도는 서로 독립적인 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 잠입의 제1 단계에서, 일회용 안내 튜브 및 광섬유는 용융물 내로 잠입되고, 제2 단계에서, 광섬유는 용융물 내로 일회용 안내 튜브보다 더 빠른 속도로 더 깊게 잠입된다. 일회용 안내 튜브의 잠입 단부가 용융물 내로 잠입된 후에 제2 단계가 시작되는 것이 바람직하다. 나아가, 잠입의 제3 단계에서, 광섬유가 정지되거나 용융물로부터 회수되는 것이 바람직하다.

본 방법의 유리한 실시예에 있어서, 일회용 안내 튜브 및/또는 광섬유의 속도는 잠입 도중에 변화한다. 추가로, 광섬유 및 일회용 안내 튜브가 상이한 속도로 이동하게 되는 것이 유리하다. 온도에 부가하여, 또한 용융물의 상부 표면이 결정되는 것이 유리하다.

광섬유 및, 잠입 단부와 이 잠입 단부에 대향하는 제2 단부를 구비하는 (바람직하게는 일회용) 안내 튜브를 포함하는, 용융물의, 특히 용융 금속의 온도를 측정하기 위한 본 발명의 장치는, 광섬유는 일회용 안내 튜브 내에 부분적으로 배열되고, 안내 튜브의 내경은 광섬유의 외경보다 크며, 제1 플러그 또는 안내 튜브의 직경 감소부가 안내 튜브의 잠입 단부에 또는 안내 튜브의 잠입 단부에 근접하게 안내 튜브 내에 배열되고, 제2 플러그가 안내 튜브의 제2 단부에 또는 안내 튜브의 제2 단부에 근접하게 안내 튜브 내에 배열되며, 광섬유는 플러그들 또는 안내 튜브의 직경 감소부를 통해 급송되고, 제1 플러그 및 바람직하게 제2 플러그 또는 안내 튜브의 직경 감소부도 또한 광섬유와 안내 튜브 사이의 갭을 감소시키거나 심지어 폐쇄하는 것을 특징으로 한다. 안내 튜브의 직경 감소부는 또한 대안적으로 안내 튜브의 잠입 단부에서의 또는 그에 인접한 안내 튜브의 단면적 감소부로서 이해될 수 있다. 바람직하게, 안내 튜브는 일회용일 수 있고, 이것은 반드시 공구를 사용하는 일 없이 (예를 들면, 손상된 경우) 안내 튜브가 용이하게 교체될 수 있다는 것을 의미한다. 바람직하게, 갭의 면적은 2㎟ 미만, 보다 바람직하게는 1㎟ 미만까지 감소하게 된다. 갭은 심지어 폐쇄될 수도 있다. 바람직하게, 플러그 중 하나 또는 둘 모두는 탄성을 갖고, 보다 바람직하게 탄성 재료로 이루어진다. (제1 플러그가 안내 튜브 내에 배열되는 경우) 안내 튜브의 잠입 단부로부터의 제1 플러그의 광섬유 출구의 거리는 안내 튜브의 내경의 5배 이하인 것이 또한 바람직하다. 제2 플러그가 안내 튜브 내에 배열되면, 제2 플러그는 제1 플러그 또는 안내 튜브의 직경 감소부와 안내 튜브의 제2 단부 사이에 배열된다.

바람직하게, 적어도 제1 플러그(또는 제1 및 제2 플러그)는, 적어도 잠입 단부에서 원추 형상을 가지며, 플러그의 벽 두께는 잠입 단부를 향해 감소하게 된다. 적어도 제1 플러그의 내경은 잠입 단부를 향해 감소되는 것이 유리할 수 있다.

상기 장치는, 광섬유 및 안내 튜브를 급송하기 위한 섬유 코일 및 급송 메커니즘을 더 포함하고, 급송 메커니즘은, 하나는 광섬유를 급송하기 위한 것이며 다른 하나는 안내 튜브를 급송하기 위한 것인, 적어도 2개의 독립적인 급송 모터를 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 장치는, 급송 모터들이 각각 별개의 속도 제어장치와 조합되는 것을 특징으로 한다.

나아가, 본 발명은, 상기 설명에 의해 규정된 바와 같은 방법에서의 전술한 장치의 사용 방법에 관한 것이다.

본 발명은 EAF에서 제강의 마지막 프로세싱 단계들을 제어하는데 요구되는 온도 측정을 달성하기 위해 이용된다. 이러한 목적에 유용하게 되도록, 상기 장치는,

- 프로세스 모델의 정확한 갱신 및 태핑에 대한 작업자 정보를 제공하는 샘플링 빈도로 정확한 온도 측정을 제공해야하고,

- 중간 측정이 최저 비용을 제공해야 하며,

- 금속 온도를 대표하는 금속 측정 위치를 제공해야 한다.

이것은 장치에 의해 성취된다:

-. 계측장비에 항상 연결되는, 연속 온도 측정 요소가, 즉 광섬유가,

- 항상 이용가능하고,

- 연결을 기다리는 이용가능성(availability)의 손실이 없으며,

- 금속 및 슬래그 내에서의 빠른 반응 시간-낮은 접촉 시간을 갖고

- 저비용임

-. 외부 금속 튜브가,

- 용융조로 향하는 빠른 가속 도중에 광섬유를 지지하고 - 금속으로부터 멀어지게 구부러지는 것을 회피하고,

- 광섬유가 금속에 들어가는 것을 보장하며 - 슬래그를 향한 상방으로의 편향을 회피하며,

- 광섬유가 액체 슬래그와 접촉하는 것을 방지하고 - 오염을 회피하고,

- 광섬유의 비잠입 부분을 차갑게 유지하며 - 실투를 회피하며

- 회수되는 광섬유의 곧음(straightness)을 유지하는 가이드가 있고 - 다음 사용을 위해 광섬유를 준비하고,

- 일회용이며 - 새로운 직선형 조각이 매번 사용되며 - 치수가 보장되며,

- 가스 플러그들이 튜브 내의 가스의 체적을 에워싸고 - 튜브 내부의 정압의 생성을 허용하고,

- 비이상적인 광섬유 단부를 수용하기 위한 가요성임.

-. 기계를 이용하여 충분히 긴 길이에 걸쳐서 강 용융조 내에 광섬유를 잠입시킴: 상기 기계는,

- EAF 측벽 상에 장착되고,

- 바람직하게 20s 사이클 시간을 가지며,

- 인코더 및 유도성 위치 장치를 사용하여 항상 직접적으로 및 간접적으로 광섬유의 단부의 위치를 모니터하고,

- 외부 튜브 및 가스 플러그를 개장하며 그리고, 이들 모두의 내측에 그리고 이들 모두를 통해 광섬유를 배치하고,

- 비사용 광섬유를 다시 감는 도중에 사용된 외측 튜브 및 가스 플러그를 EAF 내로 배출하고,

- 거의 순간적인 감속을 동반하여 +2000㎜/s 급송을 가능하게 하며,

- 광섬유 및 외부 튜브를 EAF 내로 상이한 속도로 삽입하고,

- 가역적 그리고 독립적인 가역적 구동 능력(양 방향으로 이동함)을 가지며,

- 광섬유의 풀림 및 다시 감기를 위한 모멘텀 보상 액추에이터를 갖고,

- 온도 및 용융조 레벨 감지를 위한 원격 계측장비를 갖는다.

미국 특허 제5585914호는, 간헐적인 광섬유 급송이 간헐적인 온도를 제공한다는 것을 인식하고 있다. 요구시 온도 이용가능성이 야금 프로세스를 안내하기 위해 충분할 때, 연속적인 온도에 대한 요구는 그러한 데이터에 대한 기술적 필요에 의해 지지되지 않게 된다.

상기 개시에 있어서, 20s 오프 시간을 동반하는 10s 동안의10mm/s 급송이 LD 프로세스에 적절한 것으로 설명되어 있다. 오프 시간 도중에, 광섬유는, 외부 재킷이 노즐에 용착되는 것을 방지하기 위해 진동되어야만 한다. 급송 및 대기 시간 모두의 도중에, 가스가, 외부 광섬유 재킷의 외경에 의해 그의 직경이 1.8㎜ 내지 4.2㎜ 가 되도록 고정되는 노즐을 통해, 퍼지된다. 이러한 노즐을 통해, 오일이 공급되는 하우징 내에 수용되는 일련의 고무 플러그들에 의해 수용되는 퍼지 가스(purged gas)를 유동시킨다.

또한, EP 0802401 A1 은, 가스 퍼지식 안내 튜브 또는 광섬유의 연장된(그렇지만 잠입되지 않은) 부분을 보호하기 위한 "연장 수단(extension means)"을 통해 급송되는 광섬유를 이용하는, 2 - 3s 지속기간의 요구시 온도 판독을 제공한다. 이러한 외부 튜브들은 모두 소모성이 아니다. 잠입 기계는 광섬유의 실투된 부분을 절단하도록 장비되고, 따라서 새로운 표면이 4 - 5 회의 잠입마다 제공된다.

일본 특허 제3351120호는, 둘 모두 동시에 금속 내로 급송되는, 추가적인 소모성 외부 금속 튜브와 함께 연속적으로 급송되는 금속 피복된 광섬유를 개시한다. 급송 기계가 또한 설명된다. 일본 특허 제3351120호의 소모성 보호 튜브는, 광섬유의 일체형 부분인 것처럼 광섬유의 외부 상에 연속적으로 존재하고 있다. 본 발명은, 광섬유와 분리되고 구별되는 일회용 외부 튜브를 이용한다. 광섬유를 또한 공급하는 것 없이 일본 특허 제3351120호의 외부 금속 튜브를 공급하지 않을 수 있다. 광섬유로부터의 추가적인 외부 금속 튜브의 분리는 본 발명에서 독특한 것이다. 이것은 또한 다른 문제에 대한 해결책을 제공한다. EP 0802401 A1 은, 광섬유의 잠입을 돕기 위한 연장 튜브 또는 안내 튜브에 대한 필요성을 인식하고 있지만, 안내 튜브는 금속 표면까지 완전히 연장되지 않는다. 이것은 잠입가능하지 않고, 일회용이 아니며, 이 때문에 광섬유는 결코 완전하게 안전하지 않다.

실제로, 우리는 그것을 노즐과 동일하게 취급할 수 있고, 둘 다 막힘의 문제를 겪는다. 사실, 설명된 노즐 및 안내 튜브 모두는, 재료 침입으로부터 그들의 구멍들의 막힘을 회피하기 위한, 추가적인 메커니즘을 구비한다. 종래 기술은, 광섬유가 그를 통해 급송되는 노즐로 슬래그/강이 진입하는 것을 방지하기 위한 퍼지 가스의 중요성을 명확하게 인식하고 있다. 이러한 노즐들이 일회용이 아니므로, 안내 튜브와 잠입 단부 사이에서 퍼지 가스를 밀봉하기 위한 방법은, 오일을 동반하는 전형적인 영구적 시일이다.

본 발명에 있어서, 적어도 하나의 (바람직하게 일회용의) 가스 플러그를 갖는 일회용 외부 튜브는, 양호하게 수용된 시스템을 제공한다. 이러한 시스템은, 외부 퍼지 가스를 추가하는 대신에, 튜브 내에, 제1 플러그 뒤에 또는 바람직하게 2개의 플러그 사이에 이미 존재하는 가스의 열 팽창을 이용할 수 있고, 이에 의해 종래 기술에 내재된 퍼지 가스 공급의 문제점을 해결할 수 있다. EP 0802401 A1 에 있어서, 안내 튜브 또는 연장 튜브는 금속과 접촉하지 않는다. 그의 개방 단부는 가열된 가스 팽창 도중에 가압을 제공할 수 없다. 미국 특허 제5585914호의 영구적 밀폐 공간에서, 일단 가스는 팽창하면, 금속 침입에 대한 변위를 더 이상 제공할 수 없다. 일본 특허 제3351120호에 있어서, 외부 튜브와 광섬유 사이의 공간은 유한하게 길고, 가스의 압축성으로 인해, 잠입 단부에서 가스의 가열 팽창을 제공하기 위해 사용될 수 없다. 자가-퍼징 외부 튜브의 독창성은 단지 외부 튜브의 사용후 폐기 가능성의 개념과 더불어 가능할 수 있다. 본 발명의 이러한 특징은, 전체 종래 기술들 중에서 독창적이다. 이러한 특징은, 종래 기술이 연속적으로 급송되는 광섬유로부터의 연속적인 측정을 유지하는 것과 관련된 문제점을 해결하고 있었기 때문에, 자명하지 않다.

이하에서, 본 발명은 예를 통해 설명된다.
도 1은 종래 기술의 소모성 광섬유를 도시하고,
도 2a는 안내 튜브를 갖는 금속 코팅된 광섬유의 선단 섹션을 도시하며,
도 2b는 안내 튜브를 갖는 금속 코팅된 광섬유의 대안적인 선단 섹션을 도시하고,
도 2c는 금속 코팅된 광섬유의 또 다른 대안적인 선단 섹션을 도시하며,
도 3은 맞춰진 안내 튜브를 갖는 금속 코팅된 광섬유의 선단 섹션을 도시하고,
도 4a는 광섬유를 잠입시키기 이전의 잠입 장치를 도시하며,
도 4b는 광섬유를 잠입시킨 이후의 잠입 장치를 도시하고,
도 4c는 용융 금속 바가지(ladle) 또는 턴디쉬(tundish)와 같은 상기한 용융물 용기를 갖는 도 4b에 따른 잠입 장치를 도시하고,
도 5는 잠입 도중에 외부 튜브의 잠입 단부 및 광섬유의 잠입 단부 모두의 위치에 대한 도면을 도시한다.

장치가 예를 통해 하기와 같이 설명된다. 도 1은, 광섬유, 이 광섬유를 피복하는 재킷(jacket), 및 플라스틱 재킷의 표면을 피복하는 보호 금속 튜브를 포함하는, 전형적으로 액체 금속의 측정에 이용되는 종래 기술의 소모성 광섬유(10)를 도시한다. 광섬유(10)는, 전형적으로 석영 유리로 이루어진 등급 지수 다중모드 섬유(graded index multimode fiber)는, 62.5㎛ 직경의 내부 코어(11), 및 폴리이미드 또는 유사한 재료(13)로 피복된 125㎛ 직경의 외부 클래딩(12)을 구비한다. 보호 금속 튜브(14)는 전형적으로, 1.32㎜ 외경(OD) 및 0.127㎜ 벽 두께의 스테인리스강이다. 금속 피복된 광섬유가 바람직하지만, 보호 금속 튜브(14) 및/또는 폴리이미드 또는 유사한 재료(13)가 단일 플라스틱 재료로 교체되는 추가의 실시예들이 의도된 본 발명으로부터 벗어나는 것은 아니다.

도 2a는 일회용 외부 안내 튜브(40)에 부착되는 제1 가스 구속 탄성 플러그(32)를 통해 스풀(20)로부터 급송(feed)되는, 금속 코팅된 광섬유(10)의 선단 섹션(10')을 도시한다. 제1 가스 구속 플러그(32)는 튜브(40)의 잠입 단부(50)에 근접하게 된다.

도 2b는 일회용 외부 안내 튜브(40)의 잠입 단부(50)의 반대편에 부착되는 제2 가스 구속 탄성 플러그(30)를 통해 스풀(20)로부터 급송되는, 금속 코팅된 광섬유(10)의 선단 섹션(10')을 도시한다. 제1 가스 구속 플러그(32)는 튜브(40)의 잠입 단부(50)에 근접하게 된다.

광섬유(10) 및 일회용 외부 안내 튜브(40)는, 고정된 배열 상태에 있지 않고, 이 때문에 서로 독립적으로 이동할 수 있으며, 그에 따라 플러그들(30, 32) 사이의 가스 체적(31)을 유지하는 가운데 상이한 속도로 슬래그층(51)을 통해 용융조(52) 내로 독립적으로 삽입될 수 있다. 일회용 안내 튜브(40)는 바람직하게 0.8 내지 1㎜의 벽 두께를 갖는 저탄소강이지만, 세라믹 및 유리, 판지(cardboard) 및 플라스틱, 또는 이들 재료의 조합 뿐만 아니라 다양한 금속 재료로부터 선택될 수도 있다. 일회용 안내 튜브(40)가 용융조와 반응하는 재료로 선택되는 경우에, 잠입 부분(50)은, 튐(splash) 저감을 위해 본 기술분야에 알려진 재료의 코팅 또는 피복의 적용에 의해 일회용 안내 튜브(40)의 내부에서 용융 금속을 튀기지 않는 방식으로 준비되는 것이 바람직하다.

플러그(30) 없이 슬래그층(51)을 통과하여 강 내에 개방 단부형 일회용 안내 튜브(40)를 잠입시키는 것은, 이러한 튜브 내에 슬래그 및 강의 침입을 야기할 것이다. 제련 프로세스에서 발생하는 용융 슬래그는, 광섬유 구조체 내로 용이하게 흡수되는 산화철과 같은 산화물이 많다. 슬래그 및 강을 수용하는 일회용 외부 안내 튜브(40)를 통해 공급되는 광섬유(10)는, 일회용 외부 안내 튜브(40)의 개방 단부에 도달하기 이전에 손상될 것이다. 30㎝ 의 잠입 깊이를 갖고 양 단부에서 개방되는 2m 길이의 바람직한 일회용 외부 안내 튜브(40)에 대해, 일회용 외부 안내 튜브(40) 내부에서의 용융 물질의 솟아오름(upwelling)은 최대 30㎝ 까지일 수 있다. 폐쇄 단부형 일회용 외부 안내 튜브(40)의 경우에, 솟아오름은 대략 16㎝ 일 것이다. 이것은, 온도 상승으로 인한 팽창을 받을 밀폐된 공기의 가스 팽창을 무시하고 계산된다. 시험이, 일회용 외부 안내 튜브(40)의 내경(ID)과 광섬유(10)의 금속 피복의 외경 사이의 에어 갭을 감소시킴으로써 강의 침입이 최소화될 수 있다는 것을, 보여준다. 어쨌든 이러한 갭을 최소한으로 감소시키는 것이 매우 바람직하며, 실제로 10㎜의 내경을 갖는 튜브에 대해, 이러한 갭은 2㎟ 미만, 바람직하게는 1㎟ 미만이어야 한다. 이 갭은 심지어 폐쇄될 수도 있다. 보다 작은 내경을 갖는 튜브는, 밀폐된 공기의 보다 빠른 가열 속도로 인해 보다 큰 갭을 허용할 것이다.

본 발명의 바람직한 특징 중 하나는, 일회용 안내 튜브(40)상에 또는 그 내에 부착되는 한 쌍의 가스 구속 플러그들 사이에 수용되는 가스의 체적의 열 팽창을 이용하여 용융물의 침입을 회피하는 것이다. 잠입 단부 반대편의 단부를 특정 밀봉 품질로 효과적으로 밀봉하기 위한 탄성 플러그들(30, 32)의 사용은, 팽창하는 가스가 잠입 도중에 액체 강의 충전 압력에 대항하는 정압(positive pressure)을 보유할 것을 보장할 것이며, 그에 따라 일회용 안내 튜브(40)를 청정한 상태로 유지하는 것을 보장한다. 그럼에도 불구하고, 예를 들면 갈바닉 코팅(예컨대, Zn)과 같은, 최소의 온도에서 증기를 발생시키는 재료의 내부 코팅과 같은, 잠입 도중에 일회용 안내 튜브(40) 내에 과압(overpressure)을 생성하는 임의의 수단이 또한 강의 침입을 회피시킨다. 일회용 외부 안내 튜브(40) 내에 정압을 생성시키는 것을 지향하는 주요 개념은, 광섬유(10)의 자유로운 급송을 방해할 수 있는 일회용 안내 튜브(40) 내부의 금속, 슬래그 또는 다른 오염물의 솟아오름 및 침입을 회피시키는 것이다.

플러그들(30, 32)은 광섬유의 외경보다 작은 (비작동) 직경을 갖는 구멍을 통해 급송을 제공하고, 이전의 잠입으로 인해 초래된 비이상적인 광섬유 단부를 보상하기 위해 적절하게 탄성적이어야 한다. 열탄성 재료 Santoprene(Santoprene은 엑슨 모빌(Exxon Mobile)의 상품명임)은, 측정 기간 도중에 탄성적이고 대단히 온전한 상태를 모두 유지하는 것으로 알려진, 하나의 그러한 재료이다. 그러나, 그러한 재료는, 목재 또는 다른 적합한 플라스틱과 같은 다른 재료일 수도 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 플러그들(30, 32)은 각각의 일회용 외부 안내 튜브(40)와 함께 교체된다. 각각의 교체는 적절한 밀봉을 보장하지만, 플러그(30)는 다수의 일회용 외부 안내 튜브와 함께 재사용되고 유지보수의 이유로 교체되는 방식으로 구성될 수 있다. 도 2b 및 도 2c에서, 일회용 외부 안내 튜브(40)의 말단 단부에서의 플러그(30)의 바람직한 위치는 설치가 용이하도록 선택된다. 그러나, 플러그(30)를 잠입 단부에 보다 근접하게 배치하는 것 또한 동일하게 수용가능하다. 도 2b 의 플러그들(30, 32)의 디자인은, 튜브 단부들 상에 놓이는 립들(lips)을 보여주는, 일회용 안내 튜브(40)의 말단부에서의 그의 배치를 용이하게 한다. 탭들(tab) 또는 접착제에 의한 튜브(40)에의 플러그들의 고정을 돕기 위해, 플러그의 외표면 상에 성형된 또는 엠보싱된 수단들뿐만 아니라, 다른 구성이 가능하다. 플러그(32)의 정확한 실시예는, 외부 튜브로부터의 공기의 누출을 제한하여 그에 따라 내부 압력의 축적을 보장하는 플러그의 주 목적에서 벗어남이 없이, 위치설정, 배치 및 그의 위치의 고정의 용이성을 반영하여야 한다. 도 2c는 튜브(40)의 잠입 단부에 근접한 가스 구속 플러그(32)에 대한 대안적인 위치를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 튜브(40)의 잠입 단부와 플러그(32)로부터의 광섬유의 출구 위치 사이의 바람직한 거리는, 튜브(40)의 내경의 5배 이하이다. 플러그(32)의 잠입 단부의 반대편에서, 플러그의 내부 윤곽은, 튜브(40)의 내부 벽을 향해 좁아져, 말단부에서의 플러그(32)의 두께가 광섬유의 직경의 1/3 이하가 되며, 그에 따라 급송 도중에 잠입 단부를 향해 일관성있는 안내를 보장하도록 한다. 플러그(32)는 또한, 탭들 또는 접착제에 의한 튜브(40)의 플러그들의 고정을 돕기 위해 플러그의 외표면 상에 성형된 또는 엠보싱된 수단을 갖도록 구성될 수도 있다. 플러그들은 원추 형상을 가지며, 이에 의해 플러그들의 벽 두께가 잠입 단부를 향해 감소하게 된다.

도 2c와 유사하게, 그의 잠입 단부에 또는 그의 잠입 단부 근처에 안내 튜브(40)의 직경 또는 단면적의 감소부가 플러그(32) 대신에 사용될 수 있다(도 3).

강 튜브 내로의 잠입 도중에 강 튜브 내로의 강의 침입은,

- 잠입 깊이의 증가,

- 튜브 길이의 증가,

- (다른 하나의 단부에서) 에어 갭의 증가,

- 보다 낮은 용융조 온도,

- 보다 두꺼운 벽 두께,

- 강 용융조의 보다 높은 산소 함량과 더불어, 증가한다.

잠입 장치가 도 4에서 설명된다. 기계(100)는, 일회용 외부 안내 튜브(40)에 대해 플러그들(30, 32)의 조립체가 정렬되어서 광섬유(10)가 플러그(30)를 통해 일회용 외부 안내 튜브(40)의 내부로 삽입되고 바로 플러그(32)를 빠져나갈 수 있도록 하는 방식으로, 적절하게 구성되고 설치된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 튜브(40) 및 플러그들(30, 32)은 사전조립되고 기계(100) 상에 탑재될 수 있다. 일회용 외부 안내 튜브(40) 및 광섬유(10)는 모두, 적절한 접근 패널(80)을 통해 EAF의 측벽을 관통하여 약 3000㎜/s로 급송된다. 이러한 패널들(80)은 기계(100)의 부분이 아니다. 기계(100)는 독립적인 100% 가역적 구동 또는 급송 모터들(25; 45)을 구비한다. 모터(25)는 광섬유(10)를 구동하고, 모터(45)는 일회용 안내 튜브(40)를 구동하며, 따라서 양 방향으로의 일회용 외부 안내 튜브(40)의 속도는 양 방향으로의 광섬유(10)의 속도와 독립적이다.

기계(100)는 일회용 외부 안내 튜브(40)의 속도보다 느리거나, 동일하거나 빠른 속도로 용융조 내로의 광섬유(10)의 독립적인 급송을 가능하게 한다. 바람직하게, 광섬유(10)는 더 빠르게 급송되어서, 일회용 외부 안내 튜브(40)의 잠입 단부(50) 및 광섬유(10)의 선단 섹션(10') 모두가 대략 동일한 시간에 금속의 사전결정된 표면에 도달하도록 한다. 일단 용융조 레벨 위치에 도달하면, 일회용 외부 안내 튜브(40)는 용융 금속(52) 내의 거의 정지된 위치까지 감속된다. 광섬유(10)의 선단 섹션(10')은 약 0.7s 동안 약 200㎜/s로 강 내로 더 깊게 느리게 계속 이동한다. 일회용 외부 안내 튜브(40) 및 광섬유(10)는 모두, 2개의 금속 표면이 함께 용착되는 것을 회피하기 위해 상이한 속도로 끊임없이 이동하여, 종래 기술에서 언급된 문제점을 해결하도록 한다.

광섬유(10)의 가속 및 감속의 문제는, 일회용 외부 안내 튜브(40)를 이동시키는 것보다 복잡하다. 광섬유(10)는, 광섬유 소모로 인해 끊임없이 변하는 코일 중량을 갖는 코일 또는 스풀(20)로부터 끊임없이 풀리고 다시 감긴다. 급송 기계는 코일 또는 스풀(20) 자체뿐만 아니라 코일에 연결된 고온계(pyrometer)의 중량으로부터의 탄성 스프링 백 효과를 회피하기 위해 부가적인 메커니즘과 맞춰져야 된다. 이것은, 광섬유 이동을 제어하기 위해 서보 모터 또는 급송 모터(25)를 사용함으로써 해결된다. 하나의 급송 모터(25)는, 급송 모터(25)가 매우 빠르게 가속할 수 있도록 하는 방식으로, 광섬유(10) 및 사전-급송 광섬유(10)의 풀림 및 재감김을 처리한다.

소모성 광섬유(10)는, 용융 금속으로부터 방출된 복사광을 수용하고, 감겨진 소모성 광섬유의 반대편 단부 상에 장착되며 그리고 복사의 강도를 측정하는 관련 계측장비와 조합되는 광전 변환 소자로 복사광을 이송하여, 이 복사광을 금속의 온도를 결정하기 위해 이용하도록 한다. 광섬유 코일 또는 스풀(20) 및 계측장비는 멀리 떨어져서 위치하게 되며 그리고 EAF로부터 분리되어 있지만 제강 환경의 가혹한 상태를 견디기에 적합하게 강인하다. 광섬유(10)의 잠입 단부의 위치는 끊임없이 알려지고, 잠입 사이클의 잠입, 측정 및 제거 부분 전체에 걸쳐서 기계 계측장비에 의해 모니터된다. 기계는, 광섬유 통과 길이를 결정하는 위치 인코더(position encoder), 및 광섬유 단부를 기록하는 유도 스위치를 구비한다.

측정이 완료된 후에, 소모성 광섬유(10) 및 일회용 외부 안내 금속 튜브(40)는 모두, 광섬유(10)가 용융조 내에 상대적으로 더 깊게 머물도록 하는 방식으로 상이한 속도로 강으로부터 회수된다. 이러한 이동 도중에, 사전결정된 위치들 사이에서 추출되는 광섬유(10)의 길이와 연관될 때의 광 강도의 변화로 인해, 용융조-레벨을 결정하는 것이 가능하다. 이후에, 사후 측정 용융조 레벨 결정은 다음 잠입을 위해 사용된다. 또한, 용융조 레벨이, 본 발명의 방법으로부터 벗어남이 없이, 문헌에 잘 개시된 다양한 기술을 이용하여, 잠입 도중에 결정될 수 있다는 것이 예상된다.

일단 광섬유(10)가 EAF 내부에서 제거되면, 그 시점에 일회용 외부 안내 튜브(40)의 방향은 노 내부를 향해 반전된다. 이어서, 일회용 외부 안내 튜브(40)는 노 내부에서 꺼내지고, 처리되며 그리고 소모된다. 새로운 일회용 외부 안내 튜브(40) 및 가스 플러그들(30, 32)이 다음 측정을 위한 광섬유(10)를 수용하도록 위치하게 된다. 나머지 광섬유(10)는 제거 도중에 다시 감져지고, 시작 위치로 복귀하게 된다.

본 발명의 주요 능력은,

- 광섬유의 정확한 풀림(payout) 및 재감김,

- 광섬유 단부의 감지,

- 일회용 외부 안내 튜브의 탑재,

- 가스 플러그들의 탑재 및 위치,

- 시작 위치에서 가스 플러그들 내로의 광섬유 안내,

- 광섬유 및 일회용 외부 안내 튜브 모두에 대한 완전 가역 구동,

- 광섬유 및 일회용 외부 안내 튜브에 대한 독립적인 속도 프로파일,

- 레벨 감지를 위한 광섬유 출력의 기록,

- 용융조 레벨에 대한 기울기 보상을 위한 노 쉘에의 부착가능성 이다.

본 방법은 전체 사이클 설명에 대한 예를 통해 설명된다. 이러한 개념은 우리에게 EAF의 작업자 자유 제어를 제공하여 준다. 최상의 작업은 연이어(약 5회) 복수의 온도 잠입을 취해야 한다는 것이 예상된다. 각각의 잠입은 약 2s 이며; 전체 사이클 시간은 단일 히트 도중에 20s 미만이어야 한다.

도 5의 개략도는, 측정 사이클의 2회 잠입 도중에 일회용 외부 안내 튜브(40)의 잠입 단부(50) 및 광섬유(10)의 잠입 단부 또는 선단 섹션(10')의 위치를 모두에 대한 도면을 제공한다. 광섬유 이동에 대해서, 광섬유의 단부 위치가 추적된다.

튜브 이동에 따라, 일회용 안내 튜브(40)의 잠입 단부의 위치가 표시된다. 튜브(40)의 잠입 단부에서 또는 그 근처에 가스 플러그(32)가 있다. 일회용 외부 안내 튜브(40)의 잠입 단부(50)의 반대측에는 가스 플러그(30)가 있다. 이러한 개략도를 위해, 일회용 외부 안내 튜브(40)는 이미 잠입 위치에 준비된다. 가스 플러그들(30, 32)은 이미 단부에 부착되어 있고, 광섬유(10)는 용융 금속을 향해 가스 플러그(32)로부터 약간 연장되어 있다. 나타나는 상대적인 치수들은, 철강 공장(steel shop) 별로 변화가능한 실제 노 사이즈에 대해 절대 거리가 예측된다는 것을 이해시킬 설명 목적을 위한 것이다.

외부 금속 튜브 내부의 광섬유의 시간 0 에서의 시작 위치 1은 용융 금속/용융조-레벨 위의 350㎝ 에 설정된다. 외부 금속 튜브의 잠입 단부의 시간 0 에서의 시작 위치 1은 용융조-레벨 위의 150㎝에 위치하게 된다. 광섬유(10)가 위치 1로부터 위치 2까지 공급되는 한편, 일회용 외부 안내 튜브(40)가 거의 고정 상태로 유지된다. 위치 2 내지 4를 커버하는 시간 0.8s와 1.2s 사이에, 광섬유(10)와 일회용 외부 안내 튜브(40)는 모두 용융 슬래그(51) 바로 위의 위치로 전진한다. 시간 1.2s 및 위치 4에서, 광섬유는, 슬래그(52)를 관통하여 용융 금속(52) 내로 통과하는 일회용 외부 안내 금속 튜브(40)보다 약간 빠르게 전진된다. 일회용 외부 안내 금속 튜브(40)는, 광섬유(10)가 용융 금속 내로 위치 6 및 시간 1.5s에서 최대 잠입에 도달하도록 약 200㎜/s로 전진하는 가운데, 느려진다. 광섬유(10) 및 일회용 외부 안내 튜브(40) 모두는 0.1s 내에 추출된다. 광섬유(10)는, 일회용 외부 안내 금속 튜브(40)의 나머지는 위치 7에서 방향이 반전되고 폐기되는 가운데, 탑재 위치 8로 복귀하도록 계속해서 회수되고 다시 감겨진다. 광섬유(10)는 폐기되는 일회용 외부 안내 튜브(40)의 나머지 부분에 의해 여전히 보호된다.

Claims (11)

1. 광섬유 및, 잠입 단부와 이 잠입 단부에 대향하는 제2 단부를 구비하는 안내 튜브를 포함하는, 용융 금속의 온도를 측정하기 위한 장치에 있어서,
   상기 광섬유는 상기 안내 튜브 내에 부분적으로 배열되고, 상기 안내 튜브의 내경은 상기 광섬유의 외경보다 크며, 상기 안내 튜브의 제1 플러그가 상기 안내 튜브의 잠입 단부에 또는 상기 안내 튜브의 상기 잠입 단부에 근접하게 안내 튜브 내에 배열되고, 상기 광섬유는 상기 플러그를 통해 급송되며, 상기 플러그는 상기 광섬유와 상기 안내 튜브 사이의 갭을 감소시키고,
   제2 플러그가 상기 안내 튜브의 제2 단부에 또는 상기 안내 튜브의 제2 단부에 근접하게 상기 안내 튜브 내에 배열되고, 상기 제2 플러그는 상기 제2 단부를 효과적으로 밀봉하며, 상기 안내 튜브의 제1 플러그와 함께 안내 튜브 내에 가스의 체적을 봉입하는 것인, 온도 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 광섬유는 상기 플러그들을 통해 급송되며, 상기 플러그들은 상기 광섬유와 상기 안내 튜브 사이의 갭을 감소시키는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 갭의 면적은 2㎟ 미만으로 감소하게 되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 플러그들 중 적어도 하나는 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 플러그들 중 적어도 하나는 탄성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 제1 플러그가 상기 안내 튜브 내에 배열되는 경우에, 상기 안내 튜브의 잠입 단부로부터의 상기 제1 플러그의 광섬유 출구의 거리는 상기 안내 튜브의 내경의 5배 이하인 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
7. 제 2항에 있어서,
   상기 제2 플러그는 상기 안내 튜브 내에서 상기 제1 플러그와 상기 안내 튜브의 제2 단부 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   적어도 상기 제1 플러그는 적어도 그의 잠입 단부에서 원추 형상을 가지며, 상기 플러그의 벽 두께는 잠입 단부를 향해 감소하게 되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   적어도 상기 제1 플러그의 내경은 잠입 단부를 향해 감소하게 되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 온도 측정 장치는, 스풀 및, 상기 광섬유와 상기 안내 튜브를 급송하기 위한 급송 메커니즘을 포함하고,
    상기 급송 메커니즘은, 하나는 상기 광섬유를 급송하기 위한 것이며 다른 하나는 상기 안내 튜브를 급송하기 위한 것인, 적어도 2개의 독립적인 급송 모터를 포함하며,
    상기 광섬유(10)는 스풀로부터 풀리거나 다시 감기도록 구성되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 급송 모터들은 각각, 별개의 속도 제어장치와 조합되는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.

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