KR101946102B1 - 용광로에서 주철과 슬래그의 레벨을 측정하기 위한 방법 및 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 야금 샤프트 노의 도가니 (1) 에서 액체-금속 표면 레벨 (13) 및 슬래그 표면 레벨 (14) 을 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 다음 단계들: 도가니의 외벽 (2) 상의 하나 이상의 지점들에서 다음 변수들을 측정하는 단계로서, 도가니의 외벽 (2) 의 외장 (4; armour) 에 고정된 다수의 스트레인-게이지 센서들 (6) 에 의하여 상기 외벽 (2) 에서 원주방향 스트레인을 측정하고, 도가니의 외벽 (2) 의 외장 (4) 에 고정된 하나 이상의 온도 센서들 (7) 에 의하여 상기 외벽 (2) 의 온도를 측정하는, 상기 변수들을 측정하는 단계; 설정된 파라미터들을 고려하여, 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식으로 도가니의 외벽 상의 다수의 지점들에서 측정된 상기 변수들을 도입하는 단계로서, 상기 방정식의 해는 해석적이고, 상기 방정식은 2 개의 미지수들, 액체 금속 레벨 및 전체 액체 금속/슬래그 레벨을 포함하는, 상기 변수들을 도입하는 단계; 및 상기 방정식을 풀고 도가니 (1) 에서 액체 금속 표면 레벨 (13) 및 슬래그 표면 레벨 (14) 을 제공하는 해석 해를 구하는 단계를 포함한다.

Description

용광로에서 주철과 슬래그의 레벨을 측정하기 위한 방법 및 기기{METHOD AND DEVICE FOR MEASURING LEVELS OF CAST-IRON AND SLAG IN A BLAST FURNACE}

본 발명은 야금 샤프트 노의 도가니 내부에서 액체 금속의 레벨뿐만 아니라 그것의 표면에 부유하는 드로스 (dross) 또는 슬래그의 레벨, 특히 용광로에서 주철의 레벨 및 슬래그의 레벨을 정확히 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 방법은 용광로의 외벽에 장착된 하나 이상의 스트레인 게이지 센서들 (strain gauge sensors) 을 사용하는 것으로 구성된다.

본 발명은 또한 상기 방법에 사용되는 특정한 스트레인 게이지 센서에 관한 것이다.

용광로는 철광석으로부터 주철을 생산하도록 설계된 탄소열 환원로라는 것은 알려진 사실이다. 이를 달성하기 위해서, 고체 코크스와 철광석이 노의 상단을 통하여 스로트 (throat) 로 알려진 구간으로 장입된다. 노의 베이스에서 취입되는 뜨거운 공기 (1,200 ℃) 는 코크스의 연소를 야기한다. 코크스로부터 유도된 탄소는 따라서 산화된다. 이 일산화탄소는 산화철을 환원시킬 것이고, 결과적으로, 금속 철을 분리시킬 것이다. 하지만, 금속 철은 그것이 용광로로 하강할 때 계속해서 탄소로 로딩되고 따라서 주철로 변태된다. 용광로의 출구에서, 주철 이외에, 이 경우에 슬래그로 지칭되는 드로스가 액체 상태로 회수되고; 드로스는 광석의 토상 맥석 (earthy gangue), 회분 (ash) 및 플럭스 (fluxes) 로 이루어진다. 주철의 밀도 미만인 드로스의 밀도 (각각, 대략 7,000 ㎏/㎥ 및 3,000 ㎏/㎥) 는 드로스를 주철 위로 부유시킨다. 따라서, 이런 잔류물들은, 주철이 출탕구 (tap hole) 를 통하여 배출된 후 주철로부터 분리되어야 하는 부산물로 간주된다.

용광로의 관리 및 주조 작동을 개선하기 위해서, 주철의 레벨뿐만 아니라 슬래그의 레벨을 항상 알아야 한다.

액체 슬래그 층 아래에서 발견되는 주철의 표면 레벨을 측정하기 위해서, 주철과 슬래그 사이 전기 전도성 차이를 이용하는 것은 알려진 관행이다. US 특허 4,413,810 은, 금속 욕에 침지된 측정 프로브를 사용함으로써 이 원리를 이용한다. 하지만, 이러한 기기는, 판독을 방해할 수도 있는 용탕 (molten metal) 의 높은 온도 (1,000 ℃ 초과) 로 인해 슬래그 층 두께를 신뢰성있게 표시하도록 허용하지 않는다.

문헌 JP-11281467 은 주철과 슬래그의 계면의 레벨을 측정하기 위해서 주철과 슬래그 사이 밀도 차이를 이용한다. 측정 기기는 주철의 밀도 미만인 벌크 밀도를 가지는 추 (weight) 를 포함한다. 추는 서스펜션에 의해 풀리들 및 권취 기기에 연결된다. 풀리들은 탄성 요소들에 연결되고 탄성 요소들의 변위는 서스펜션에서 추의 길이를 측정하여 따라서 주철의 표면 레벨을 측정하도록 허용한다. 하지만, 이 기술은 슬래그의 표면 레벨을 측정하도록 허용하지 않는다.

문헌 JP 2003-344142 는 이 문제점에 대한 해결책을 제시한다. 이 문헌은, 슬래그 층이 달라지는 경우에도, 주철의 레벨 및 슬래그 층의 두께를 정확히 측정하기 위한 방법 및 장치를 기술한다. 방법은, 슬래그가 부유하는 주철의 표면에서 입사 마이크로파를 사용한다. 반사파들의 세기는 시간에 따라 기록된다. 방법은, 최대 반사 피크 (A) 와 시간적으로 뒤이어 더 낮은 세기의 피크 (B) 를 연속적으로 관찰하는 것을 포함한다. 주철의 표면 레벨은, 마이크로파들의 방출 순간과 피크 (B) 의 순간 사이에 포함되는 기간 동안 마이크로파들의 변위 거리를 측정함으로써 결정된다. 슬래그 층의 두께에 대해 말하면, 그것은 피크 (A) 의 순간과 피크 (B) 의 순간 사이에 포함되는 기간 동안 마이크로파들의 변위 거리를 측정함으로써 결정된다.

도가니 내부에서 지배적인 1,000 ℃ 초과의 온도는 따라서 액체 레벨들의 정확한 측정을 위한 방법들의 개선에 주요 장애물이다.

이런 관점에 따라, 문헌 JP 06-271916 은 도가니 외부에 로케이팅된 측정 기기를 사용하는 것을 제안한다. 이 문헌은 충격파들의 사용에 의하여 슬래그 층의 최고 레벨을 측정하기 위한 방법을 기술한다. 충격파들의 검출기들은 노 외부의 상이한 수직 위치들에 배열된다. 충격파가 방출되어 도가니의 내부로 향하고 반사파의 세기는 파 검출기들에 의해 검출된다. 반사파의 세기가 검출기들 중 하나의 높이에서 바뀔 때 슬래그의 상부 레벨이 측정된다. 하지만, 이 기술은 주철-슬래그 계면의 레벨을 측정하는 것을 허용하지 않는데, 그것을 정확하게 아는 것은 주철을 슬래그로부터 분리하기 위해서 절대적으로 중요하다.

문헌 WO 2011/038875 는, 주형의 적어도 일 부분의 온도 및/또는 팽창을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서가 배열되는 벽을 포함하는, 용탕의 변태를 위한 주형을 개시한다.

주형의 효율적이고 효과적인 모니터링을 허용하기 위해서, 센서는 주형의 벽에 형성된 그루브에 배열된 적어도 하나의 광 도파로를 포함한다.

광 도파로는 그루브의 바닥에 대해 지탱되도록 배치되고 광 도파로에 의해 충전되지 않는 그루브의 공간은 충전 재료에 의해 적어도 대부분 폐쇄된다. 도가니의 차폐부 (shielding) 를 약화시키는 위험을 무릅쓰고 벽에 그루브를 형성하는 것이 금지되는 것을 고려하면 용광로에서 이 기기를 사용하는 것은 가능하지 않을 것이다.

문헌 JP 60 110 821 은, 조동 (crude copper) 의 생산을 위한 복수의 노들 (제련, 슬래그의 분리 등) 을 포함하는 설비를 기술한다. 이 설비는 각각의 노와 연관된 일련의 온도계들 및 스트레인 게이지들에 의하여 제어된다.

문헌 JP 54130958 은 액체 금속을 위한 용기를 기술하고 그것의 벽에, 컴퓨팅 유닛에 연결되는, 스트레인 게이지들과 같은 압력 센서들이 수직 방향을 따라 배열된다. 쌍으로 고려되는 인접한 압력 센서들 사이 압력 차이가 계산되고 논리 회로에서 여러 개의 미리 정해진 값들에 비교되고, 이것은 2 개의 인접한 검출기들 사이에 액체 레벨을 로케이팅시키도록 허용한다. 이 측정은 다소 부정확하고 임의의 가능한 슬래그의 레벨을 측정하도록 허용하지 않는다. 이 방법은 용광로의 두꺼운 벽에 적용될 수 없는데 왜냐하면 스트레인이 그러면 모든 게이지들에 영향을 미치기 때문이다.

US 문헌 2002/0134794 는, 컨테이너 내 유체의 압력과 상관관계가 있는 압력의 응답 특성을 발생시키기 위해, 컨테이너의 외부면에 배치된 스트레인 센서를 갖춘 압력을 모니터링하기 위한 시스템을 포함하고 가압 유체를 수용하도록 된 실린더형 컨테이너를 기술한다. 압력의 응답 특성은, 실린더의 치수들 (평균 반경, 벽의 두께) 및 사용된 재료들의 특성과 관련된 파라미터들 및 주어진 내부 압력 값들에 대해 축선방향 응력 및 반경방향 응력 (이축 응력) 을 정량적으로 결정하는 방정식들을 사용함으로써 유체의 압력에 의해 야기되는 컨테이너의 벽에서 스트레인과 연결된다. 이 응력들의 적용은 탄성 재료에, 각각, 축선방향 스트레인 및 반경방향 스트레인을 야기하고, 이것은 후크의 법칙에 따라 계산될 수 있다.

본 발명은, 종래 기술에서 아직 개시되지 않았고 종래 기술의 단점들을 갖지 않는 적용을 위한 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.

특히, 본 발명은, 용광로 외부에 위치한 하나 이상의 스트레인 게이지 센서들에 의하여 주철의 표면 레벨 및 슬래그의 표면 레벨을 정확히 측정하도록 허용하는 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명의 제 1 양태는 야금 샤프트 노의 도가니에서 액체 금속의 표면 레벨 및 슬래그의 표면 레벨을 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 야금 샤프트 노는 강 차폐부뿐만 아니라 출탕구를 구비한 외벽을 포함하고, 상기 외벽의 상기 차폐부는 액체 금속과 접촉하는 내화물 두께부를 둘러싸게 위치결정되고, 상기 차폐부는 그것의 외부면에 여러 개의 스트레인 게이지 센서들 및 하나 이상의 열 센서들을 구비하고, 상기 센서들은 상기 출탕구의 양측에서 수직 평면에 정렬되도록 장착되고 상기 2 가지 유형들의 센서들은 상기 수직 평면에서 번갈아 배치되고, 상기 방법은,

- 상기 도가니의 상기 외벽의 하나 이상의 지점들에서 변수들을 측정하는 단계로서,

- 상기 차폐부에 부착된 상기 스트레인 게이지 센서들에 의해 상기 외벽의 원주방향 스트레인을 측정하고;

- 상기 차폐부에 부착된 상기 열 센서들에 의해 상기 외벽의 온도를 측정하는, 상기 변수들을 측정하는 단계;

- 상기 노에서 열풍의 순환 압력 (circular pressure) 또는 정압 (static pressure) 을 선택적으로 측정하는 단계;

- 설정된 파라미터들, 즉 상기 샤프트 노의 기하학적 구조, 상기 샤프트 노의 구성 재료들의 성질을 나타내는 파라미터들, 각각의 측정 지점에서 상기 샤프트 노의 외벽의 두께, 액체 금속 및 슬래그의 밀도를 고려하여, 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식에 상기 도가니의 상기 외벽의 여러 지점들에서 측정된 상기 변수들을 도입하는 단계로서, 상기 방정식의 해는 해석적 (analytical) 이고, 상기 방정식은 2 개의 미지수들, 액체 금속의 레벨 및 액체 금속/슬래그의 전체 레벨을 포함하는, 상기 변수들을 도입하는 단계; 및

- 상기 방정식을 풀어 상기 도가니에서 상기 액체 금속의 표면 레벨 및 상기 슬래그의 표면 레벨을 구하는 단계를 포함한다.

전기 노 또는 컨버터와 같은 특정한 야금 샤프트 노들은 과압 하에 작동되지 않고, 그 때문에 압력 측정은 불필요하게 된다.

본 발명의 제 2 양태는 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽에 관한 것으로, 상기 외벽은 차폐부를 포함하고 상기 노의 상기 도가니에서 액체 금속의 표면 레벨과 슬래그의 표면 레벨을 측정하기 위한 기기를 구비하고, 상기 기기는, 상기 차폐부에 부착된, 복수의 스트레인 게이지 센서들 및 하나 이상의 열 센서들을 포함하고, 상기 센서들은 수직 평면에 정렬되도록 장착되고, 상기 2 가지 유형의 센서들은 상기 수직 평면에서 번갈아 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 3 양태는 전술한 바와 같은 외벽을 구비한 도가니를 포함하는 용광로에 관한 것으로, 상기 외벽은 상기 도가니에서 주철의 표면 레벨 및 슬래그의 표면 레벨을 측정하기 위한 기기를 구비한 차폐부를 포함한다.

바람직한 실시형태들에서, 본 발명은 다음과 같은 특징적 세부 특징들 중 하나 또는 알맞은 조합에 의해 추가로 한정될 것이다:

- 상기 외벽의 상기 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식은, 용광로의 경우에,

(1) 이고,

상기 방정식에서 F₁ 및 F₂ 는 각각의 측정 높이에서 주어진 용광로에 대한 상수들이고,

(2)

(3) 이고

(4) 이고,

상기 방정식에서 y 는 측정된 수평 편향 (또는 변위) 이고 측정된 온도에 따라 보정되고, x 는 수직 위치이고, R 은 각각의 높이에서 평균 반경이고, t 는 각각의 높이에서 벽의 두께이고 ν 는 푸아송 비이고,

다른 항들은 상기 샤프트 노의 벽에 인가되는 압력에 의존하고,

- y₀ 은 노즐들의 레벨에서 편향 또는 변위이고;

- ψ 은 상기 노즐들의 레벨에서 변형된 벽의 각도이고;

- LT 는 구조물에 대해 인가된 힘에 비례하는 부하 항이고,

상기 용광로의 도가니는 상이한 기계적 특성을 가지는 재료들, 내화 재료 및 강 쉘로 구성되고 다양한 두께들은 높이에 따라 다르다는 (E_x = 재료 (x) 의 영률) 사실을 고려하도록 최종 변형이 압력 (P) 에 대해 수행되고,

(5);

정압 (P) 과 액체 금속 또는 슬래그의 레벨 (h) 사이 관계는 유형 P=ρ.g.h 의 관계식에 의해 제공되고, 이 식에서 ρ 는 평균 밀도이고 g 는 중력 가속도이고,

- 상기 원주방향 스트레인의 측정 및 상기 온도의 측정은 연속적으로 그리고/또는 실시간으로 수행되고,

- 스트레인 게이지들은 상기 차폐부 자체에 적어도 부분적으로 용접되고;

- 상기 스트레인 게이지 센서는 상기 차폐부에 기계적으로 부착되는 보호 커버를 포함하고 상기 차폐부에 대한 상기 커버의 실링은 탄성 실링 가스켓에 의해 보장되고;

- 상기 스트레인 게이지 센서는 4 개의 스트레인 게이지들을 포함하고, 그 중 2 개의 게이지들은 상기 차폐부에 완전히 부착되지 않고;

- 각각의 열 센서는 백금 저항 온도계이고;

- 상기 측정 기기는 상기 벽 상에 또는 상기 벽 내부에 장착되는 채널 기반의 냉각 회로의 채널들 사이에 배열된다.

본 발명은 용광로에서 사용에 제한되지 않고, 액체 금속을 함유한 임의의 유형의 노 또는 야금 용기에 구현될 수 있다 (전기 노, 컨버터 등).

도 1 은 용광로의 도가니의 종단면 개략도이다.
도 2 및 도 3 은, 본 발명에 따른 측정 기기를 갖춘 용광로의 도가니의 외부 강 차폐부의 2 가지 변형예들의 정면도들이고 이 변형예들은 그것의 냉각 시스템이 서로 상이하다.
도 4 는, 본 발명의 방법에 따라 획득된, 시간이 경과함에 따른 슬래그의 표면 레벨뿐만 아니라 주철의 표면 레벨의 측정 그래픽도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 용광로의 도가니의 강 차폐부에 용접된 스트레인 게이지 센서의 상세도이다.

도 1 은 용광로의 도가니 (1) 의 벽 (2) 의 종단면의 개략도이다. 벽은 내화 재료들 (3) 및 강 차폐부 (4) 로 이루어진다. 본 발명의 기기의 바람직한 실시형태에 따르면, 외벽의 강 차폐부는 삼각형으로 나타낸 열 센서들 (7) 과 번갈아 배치되는 원으로 나타낸 스트레인 게이지 센서들 (6) 을 갖추고 있다. 도 1 은, 강 차폐부 (4) 의 외부면에 부착된, 6 개의 스트레인 게이지 센서들 (6) 및 5 개의 열 센서들 (7) 을 갖는 비제한적인 실시예를 나타낸다. 출탕구 (5) 의 위치결정이 또한 표시되어 있다.

도가니 (1) 내에서 지배적인 고온에서, 내화물들 (3) 은 연화될 수도 있고 그리고/또는 침식 및 부식을 부여받을 수도 있다. 냉각 시스템이 없으면, 그것의 작동 수명은 제한될 것이다. 용광로의 벽들에 매설된 (encased) 플레이트들 및 파이프들을 통하여 물을 순환시킴으로써 냉각이 달성된다. 용광로의 도가니 (1) 는, 도가니의 벽 내부에서 냉각 플레이트들을 통하여 유동하는 물 또는 외벽을 따라 외기에서 유동하는 물 중 어느 하나에 의해 냉각될 수도 있다.

도 2 에서, 물 채널들 (water channels) 의 사용을 기반으로 하는 냉각 시스템이 구현되고, 채널들 (9) 은 개략적으로 수직선들로 나타나 있다.

도 3 에서, 외벽을 따라 외기에서 유동하는 물에 의해 냉각이 달성된다.

도 2 및 도 3 에서, 본 발명의 기기에 따르면, 도가니 (1) 의 외벽 (2) 의 강 차폐부 (4) 는, 예로서, "십자" 형태의 배열체들로 나타낸 2 개의 스트레인 게이지 센서들 (6) 및 직사각형으로 나타낸 하나의 열 센서 (7) 를 구비한다. 화살표들은 데이터를 기록 및 저장하기 위한 기기로의 센서들의 배선 (8) 을 나타낸다.

도 4 는, 시간에 따른 주철의 레벨 (13; 하부 곡선) 뿐만 아니라 슬래그 (14) 의 표면 레벨 (상부 곡선은 주철 및 슬래그의 누적 레벨을 표시함) 의, 본 발명에 따른, 측정 그래픽도이고, 이 레벨들의 거리는 출탕구 (5) 에 대해 측정된다.

도 5 는 도가니 (1) 의 외벽 (2) 의 강 차폐부 (4) 에 부착되는 응력 또는 스트레인 게이지들 (6) 을 기반으로 한 센서의 상세도이다. 센서는 직사각형들로 나타낸 4 개의 개별 측정 게이지들 (10) 을 포함한다. 바람직하게, 2 개의 게이지들은 차폐부 (4) 에 완전히 용접되고, 나머지 2 개의 게이지들은 온도 보정 (게이지들의 팽창) 을 허용하기 위해서 벽에 완전히 용접되지 않는다. 게이지는, 나사들 및 볼트들 (12) 의 시스템에 의하여 차폐부 (4) 에 체결되는 커버 (11) 를 포함한다. 냉각 시스템의 채널들 (9) 은 수직선들로 나타낸다. 차폐부에 대한 커버 (11) 의 실링은 예를 들어 실리콘 (미도시) 으로 만들어진 탄성 실링 가스켓에 의해 보장된다. 도면들에서 센서의 십자형 형태는, 실질적으로 수직인 커버 (11) 및 커버를 차폐부에 체결하는 실질적으로 수평인 크로스 피스의 형태 결과이다. 따라서, 그것은 차폐부에 단단히 고정되고 커버에는 고정되지 않는 게이지들이다.

본 방법의 원리는 다음과 같다: 주철과 슬래그는 도가니 (1) 내부에서 내화물들 (3) 의 벽에 차압을 가하고, 이 압력은 외부 강 벽 (2) 의 차폐부 (4) 로 이동될 것이다.

주철 (13) 및 슬래그 (14) 의 표면 레벨들 변화에 의해 초래되는 용광로에서 정압 변화는 차폐부 (4) 의 스트레인 변화를 유발할 것이다.

순환 압력 ("열풍 (hot blast)", 즉 용광로에서 순환하는 가스의 정압) 의 측정치뿐만 아니라, 차폐부의 스트레인 및 온도의 직접 측정치는 연립 방정식에 대한 입력 데이터이고 이 식의 해석 해는 도가니 (1) 에서 주철 (13) 및 슬래그 (14) 의 표면 레벨들을 제공할 것이다.

연립 방정식은 다음과 같은 설정된 파라미터들을 고려한다:

- 용광로의 기하학적 구조;

- (강 및 내화물의 영률, 푸아송 비 등을 통한) 용광로의 구성 재료들의 성질;

- 각각의 측정 지점에서 용광로의 외벽 (내화물 포함) 의 두께;

- 주철 및 슬래그의 밀도.

차폐부의 외부면에 설치된 열 센서들의 레벨에서 측정된 온도 값들은 다음 방정식에 따라 측정된 스트레인들의 온도 보정을 허용하는 것에 주목해야 할 것이다:

보정된 스트레인 = 측정된 스트레인 - α.ΔT,

이 식에서 α 는 열 팽창 계수이고 ΔT 는 측정된 온도와 기준 온도 사이 차이이다.

여러 측정 지점들을 이용한 계산 결과들은 도 4 에 제공된다 (실선: 전체 슬래그와 주철 레벨; 점선: 주철 레벨). 도 4 는 또한 주조 프로세스의 다른 단계들: 출탕구의 개방 (주조 개시), 주철 용탕의 유동, 가능하다면 여전한 슬래그 축적, 주철 용탕 및 슬래그의 유동 (슬래그 유입), 저레벨 도달 및 가스 유출, 출탕구의 리플러깅 (re-plugging) (주조 종료) 을 보여준다.

원주방향 스트레인 측정 및 온도 측정은 바람직하게 연속적으로 그리고/또는 실시간으로 수행된다.

단 하나의 스트레인 측정 지점만 있는 변형 실시형태에서, 그것은 출탕구 레벨 (예를 들어, 1 미터의 거리) 에 가까워야 하고 단지 주철과 슬래그의 전체 레벨을 계산하도록 허용한다. 이 경우에, 전체 레벨은 출탕구에서 정압 값으로부터 구한다. 이 정압 값은, 스트레인 게이지에 의해 제공된 측정치가 정압, 순환 압력, 도가니의 기하학적 구조 (반경), 벽들 (강, 내화물) 의 두께, 및 각각의 영률 (강, 내화물) 의 함수인 방정식으로부터 미지수로서 구한다. 정압의 함수로서 상기 레벨을 구하기 위해서, 밀도에 대해 3,300 ㎏/㎥ 의 값이 취해지고, 이것은 주철 밀도와 순수 슬래그의 밀도 사이 중간값이다. 스트레인 게이지들로부터의 신호는, 온도 변화와 관련된 중기 변동을 제거하기 위해서 필터링된다. 이것은 디지털 모델들의 결과들과 좋은 상관관계를 제공한다.

제 2 변형 실시형태에서, 적합한 높이에서, 출탕구의 양측에, 노의 모선 (generatrix) 에 대해 배치되는 여러 개의 스트레인 게이지 센서들이 있다. 문제는 중첩 방법을 사용함으로써 간단해진다. 3 가지 가정이 세워지는데: 후크의 법칙은 포함된 모든 재료들에 대해 유효하고, 스트레인들은 구조물의 크기와 비교했을 때 작고, 편향은 인가되는 힘의 작용을 바꾸지 않는다. 노에 작용하는 힘들은 다음과 같다:

- 내부면에 작용하는 가스 압력;

- 액체 금속-슬래그 계면까지 내부벽에 작용하는 정압;

- 노상 (hearth) 에 대한 액체 금속-슬래그 계면의 정압;

- 바닥에 대한 응력;

- 노즐들의 레벨에서의 응력.

문제의 2 개의 미지수들은 항상 액체 금속의 레벨 및 액체 금속-슬래그의 전체 레벨이다. 문제는 하나의 단일 모선에 대해 여러 센서들이 존재함으로써 해결된다.

외벽 (차폐부) 의 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식은 재료의 연속성을 고려하고 노즐들에서 편향, 노즐들에 대한 변형된 벽에 의해 형성된 각도, 및 구조물에 인가되는 힘에 의존하는 부하 항에 의존한다. 이 방정식의 파라미터들은 벽의 구성 재료들 (강 차폐부 및 내화물들) 의 푸아송 비 및 영률에 의존하고, 각각의 높이에서 벽의 두께 및 각각의 높이에서 평균 반경에 의존하는 상수들이다. 또한 높이와 내화물의 가변 두께가 고려된다 (일반 참조문헌: Roark's Formulas for Strain and Stress; Strength of materials, S. Timoshenko).

보다 정확하게, 외벽의 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식은:

(1)

이 방정식에서 F₁ 및 F₂ 는 각각의 측정 높이에서 주어진 용광로에 대한 상수들이다:

(2)

(3) 이고

(4)

이 방정식에서 y 는 측정된 수평 편향 또는 변위이고, x 는 수직 위치이고, R 은 각각의 높이에서 평균 반경이고, t 는 각각의 높이에서 벽의 두께이고 ν 는 푸아송 비이다.

다른 항들은 용광로의 벽에 인가되는 압력에 의존한다:

- y₀ 은 노즐들의 레벨에서 편향 또는 변위이고;

- ψ 은 노즐들의 레벨에서 변형된 벽에 의해 형성된 각도이고;

- LT 는 구조물에 대해 인가된 힘에 비례하는 부하 항이다.

용광로의 도가니는 상이한 기계적 특성을 가지는 재료들 (내화물 및 강 쉘) 로 구성되고 다양한 두께들은 높이에 따라 다르다는 (E_x = 재료 (x) 의 영률) 사실을 고려하도록 최종 변형이 수행된다:

(5)

최종적으로, 정압 (P) 과 액체 금속 또는 슬래그의 레벨 (h) 사이 관계는 유형 P=ρ.g.h 의 관계식에 의해 제공되고, 여기에서 ρ 는 평균 밀도이고 g 는 중력 가속도이다.

응력 또는 스트레인 게이지들의 역할은, 테스트 보디 (여기에서는, 실질적으로 실린더형 보디) 에 의해 받는 스트레인을 전기 저항 변화로 바꾸는 것이다. 보다 정확하게, 게이지의 전기 저항 변화는 그것의 스트레인에 비례한다 (피에조 저항기). 그것은 하기 관계식에 따라 이 비례성을 바꾸는 계수 또는 게이지 인자 k 이다:

ΔR/R = k.ΔL/L

이 식에서 k 는 고려된 재료들 및 온도에 의존하는 상수이다. 그것은 게이지 감도를 특징짓는다.

각각의 게이지는, 인쇄 회로들에 사용된 기법에 따라 그라비어 인쇄에 의해 획득되는, 가요성 절연 지지대에 본딩된 금속 박판으로 만들어진 일련의 밀접 배치된 턴들의 저항 와이어로 구성된다.

스트레인 게이지는 상이한 재료들: 합금 강, 스테인리스 강, 알루미늄, 반도체 등으로 만들어질 수도 있다.

상이한 유형들의 스트레인 게이지 센서들 및 그것의 장착은 실제로 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있고 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.

본 발명에 따른 열 센서들은 바람직하게 백금 저항 온도계들이고, 보다 바람직하게 Pt100 온도계들 (0 ℃ 에서 100 옴 및 100 ℃ 에서 138.5 옴의 저항) 이다.

본 발명의 기기는 다음과 같은 장점들을 제공한다. 기기의 설치는 간단하고 보통 정도의 비용을 수반한다. 기기는, 그것이 고온으로 가열되지 않는 용광로의 외벽에 배치되는 것을 고려하면 용이하고 신속한 설치 및 가능한 교체를 허용한다.

측정 시스템은, 물 채널 회로들 (채널 냉각) 에 의해서뿐만 아니라 외기 분무기들 (분무 냉각) 에 의해서 냉각되는 도가니들에 대해 양호한 결과를 발생시킨다. 하지만, 구현 중, 분무 냉각을 위해, 게이지들이 설치된 섹터의 냉각은 일시적으로 중단되어야 하고, 이것은 용광로의 일시적 셧다운을 수반한다. 이 문제는, 측정 기기가 예를 들어 2 개의 채널들 사이 공간에 설치된다면, "채널 냉각" 유형의 시스템들을 가지는 용광로들에는 존재하지 않고, 용광로의 정상 작동 중 설치가 수행될 수 있다.

센서들은 반드시 모선에 대해 등거리로 이격될 필요가 있다. 센서들의 밀도가 출탕구 가까이에서 더 크다면, 훨씬 더 큰 계산 정확도가 얻어진다.

1. 용광로 도가니
2. 도가니의 벽
3. 내화물들
4. 강 차폐부
5. 출탕구
6. 스트레인 게이지 센서
7. 열 센서
8. 배선
9. 냉각 채널들
10. 스트레인 게이지
11. 커버
12. 볼트들
13. 주철의 표면 레벨
14. 슬래그의 표면 레벨

Claims (10)

1. 강으로 만들어진 차폐부 (4; shielding) 뿐만 아니라 출탕구 (tap hole) 를 구비한 외벽 (2) 을 가지는 야금 샤프트 노의 도가니 (1) 에서 액체 금속의 표면 레벨 (13) 및 슬래그의 표면 레벨 (14) 을 측정하기 위한 방법으로서,
   상기 외벽의 상기 차폐부 (4) 는 액체 금속과 접촉하는 내화물 두께부 (3) 를 둘러싸고, 상기 차폐부 (4) 는 그의 외부면에 복수의 스트레인 게이지 센서들 (6; strain gauge sensors) 및 하나 이상의 열 센서들 (7) 을 구비하고, 상기 센서들 (6, 7) 은 상기 출탕구의 양측에서 수직 평면에 정렬되도록 장착되어서 2 가지 유형들의 상기 센서들은 상기 수직 평면에서 번갈아 배치되고, 상기 방법은,
   - 상기 도가니의 상기 외벽 (2) 의 복수의 지점들에서 이하의 변수들,
   - 상기 차폐부 (4) 에 부착된 상기 스트레인 게이지 센서들 (6) 에 의해 상기 외벽 (2) 의 원주방향 스트레인;
   - 상기 차폐부 (4) 에 부착된 열 센서들 (7) 에 의해 상기 외벽 (2) 의 온도
   를 측정하는 단계;
   - 상기 노에서 열풍 (hot blast) 의 순환 압력 (circular pressure) 또는 정압 (static pressure) 을 선택적으로 측정하는 단계;
   - 설정된 파라미터들, 즉 상기 샤프트 노의 기하학적 구조, 상기 샤프트 노의 구성 재료들의 성질을 나타내는 파라미터들, 각각의 측정 지점에서의 상기 샤프트 노의 외벽의 두께, 액체 금속 및 슬래그의 밀도를 고려하여, 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식에 상기 도가니의 상기 외벽의 다수의 지점들에서 측정된 상기 변수들을 도입하는 단계로서, 상기 방정식의 해는 해석적 (analytical) 이고, 상기 방정식은 2 개의 미지수들, 금속 액체의 레벨 및 액체 금속-슬래그의 전체 레벨을 포함하는, 상기 변수들을 도입하는 단계; 및
   - 상기 방정식을 풀어 상기 도가니 (1) 에서의 상기 액체 금속의 표면 레벨 (13) 및 상기 슬래그의 표면 레벨 (14) 을 구하는 단계
   를 포함하고,
   상기 외벽의 상기 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식은, 용광로의 경우에,
   

   

   (1) 이고,
   상기 방정식에서 F₁ 및 F₂ 는 각각의 측정 높이에서 주어진 용광로에 대한 상수들이고,
   

   

   (2)
   

   

   (3) 이고
   

   

   (4) 이고,
   상기 방정식에서 y 는 측정된 수평 편향 (또는 변위) 이고 측정된 온도에 따라 보정되고, x 는 수직 위치이고, R 은 각각의 높이에서 평균 반경이고, t 는 각각의 높이에서 벽의 두께이고 ν 는 푸아송 비이고,
   다른 항들 (terms) 은 상기 샤프트 노의 벽에 인가되는 압력에 의존하고,
   - y₀ 은 노즐들의 레벨에서의 편향 또는 변위이고;
   - ψ 은 상기 노즐들의 레벨에서의 변형된 벽의 각도이고;
   - LT 는 구조물에 대해 인가된 힘에 비례하는 부하 항 (load term) 이고,
   상기 노즐들은 노의 베이스에 공기를 취입하고,
   상기 용광로의 도가니는 상이한 기계적 특성을 가지는 재료들, 내화 재료 및 강 쉘로 구성되고 다양한 두께들은 높이에 따라 다르다는 (E_x = 재료 (x) 의 영률) 사실을 고려하기 위해 최종 변형 (final transformation) 이 압력 (P) 에 대해 수행되고,
   

   

   (5);
   정압 (P) 과 액체 금속 또는 슬래그의 레벨 (h) 사이 관계는 유형 P=ρ.g.h 의 관계식에 의해 제공되고, 이 식에서 ρ 는 액체 금속/슬래그의 평균 밀도이고 g 는 중력 가속도인 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니 (1) 에서 액체 금속의 표면 레벨 (13) 및 슬래그의 표면 레벨 (14) 을 측정하기 위한 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 원주방향 스트레인의 측정 및 상기 온도의 측정은 연속적으로 그리고/또는 실시간으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니에서 액체 금속의 표면 레벨 및 슬래그의 표면 레벨을 측정하기 위한 방법.
4. 강 차폐부 (4) 뿐만 아니라 출탕구를 포함하고, 도가니에서 액체 금속의 표면 레벨 (13) 및 슬래그의 표면 레벨 (14) 을 측정하기 위한 방법을 구현하기 위해, 상기 차폐부 (4) 는 야금 샤프트 노의 상기 도가니 (1) 에서 상기 액체 금속의 표면 레벨 (13) 과 상기 슬래그의 표면 레벨 (14) 을 측정하기 위한 기기를 구비하는, 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽 (2) 으로서,
   상기 측정 기기는, 상기 차폐부 (4) 의 외부면에 부착된, 복수의 스트레인 게이지 센서들 (6) 및 하나 이상의 열 센서들 (7) 을 포함하고,
   상기 센서들 (6, 7) 은 상기 출탕구의 양측에서 수직 평면에 정렬되도록 장착되고,
   상기 스트레인 게이지 센서들 (6) 이 상기 외벽의 복수의 지점들에서 제 1 변수, 즉 상기 외벽 (2) 의 원주방향 스트레인을 측정할 수 있고, 상기 열 센서들이 상기 외벽의 하나 이상의 지점들에서 제 2 변수, 즉 상기 외벽 (2) 의 온도를 측정할 수 있도록 2 가지 유형들의 상기 센서들이 상기 수직 평면에서 번갈아 배치되어서, 설정된 파라미터들, 즉 상기 샤프트 노의 기하학적 구조, 상기 샤프트 노의 구성 재료들의 성질을 나타내는 파라미터들, 각각의 측정 지점에서의 상기 샤프트 노의 외벽의 두께, 액체 금속 및 슬래그의 밀도를 고려하여, 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식에 상기 도가니의 상기 외벽의 복수의 지점들에서 측정된 상기 제 1 변수와 상기 제 2 변수를 도입할 수 있고, 상기 방정식의 해는 해석적이고, 상기 방정식은 2 개의 미지수들, 액체 금속의 레벨 및 액체 금속-슬래그의 전체 레벨을 포함하고, 끝으로 상기 일반 방정식을 풀어 상기 도가니 (1) 에서 상기 액체 금속의 표면 레벨 (13) 및 상기 슬래그의 표면 레벨 (14) 에 대한 값을 구할 수 있고,
   상기 외벽의 상기 연속 원주방향 스트레인을 통제하는 일반 방정식은, 용광로의 경우에,
   

   

   (1) 이고,
   상기 방정식에서 F₁ 및 F₂ 는 각각의 측정 높이에서 주어진 용광로에 대한 상수들이고,
   

   

   (2)
   

   

   (3) 이고
   

   

   (4) 이고,
   상기 방정식에서 y 는 측정된 수평 편향 (또는 변위) 이고 측정된 온도에 따라 보정되고, x 는 수직 위치이고, R 은 각각의 높이에서 평균 반경이고, t 는 각각의 높이에서 벽의 두께이고 ν 는 푸아송 비이고,
   다른 항들 (terms) 은 상기 샤프트 노의 벽에 인가되는 압력에 의존하고,
   - y₀ 은 노즐들의 레벨에서의 편향 또는 변위이고;
   - ψ 은 상기 노즐들의 레벨에서의 변형된 벽의 각도이고;
   - LT 는 구조물에 대해 인가된 힘에 비례하는 부하 항 (load term) 이고,
   상기 노즐들은 노의 베이스에 공기를 취입하고,
   상기 용광로의 도가니는 상이한 기계적 특성을 가지는 재료들, 내화 재료 및 강 쉘로 구성되고 다양한 두께들은 높이에 따라 다르다는 (E_x = 재료 (x) 의 영률) 사실을 고려하기 위해 최종 변형 (final transformation) 이 압력 (P) 에 대해 수행되고,
   

   

   (5);
   정압 (P) 과 액체 금속 또는 슬래그의 레벨 (h) 사이 관계는 유형 P=ρ.g.h 의 관계식에 의해 제공되고, 이 식에서 ρ 는 액체 금속/슬래그의 평균 밀도이고 g 는 중력 가속도인 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽.
5. 제 4 항에 있어서,
   스트레인 게이지들 (10) 은 상기 차폐부 (4) 자체에 용접되고,
   상기 스트레인 게이지 센서 (6) 는 상기 차폐부 (4) 에 기계적으로 부착되는 보호 커버 (11) 를 포함하고, 상기 차폐부에 대한 상기 커버의 실링은 탄성 실링 가스켓에 의해 보장되는 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 스트레인 게이지 센서 (6) 는 4 개의 스트레인 게이지들 (10) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 게이지들 (10) 중 2 개는 상기 차폐부에 완전히 용접되고, 2 개의 게이지들은 상기 차폐부에 완전히 용접되지 않고, 완전히 용접되지 않은 상기 2 개의 게이지들은 자유 단부의 팽창에 후속하는 온도의 보정을 허용하는 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽.
8. 제 4 항에 있어서,
   각각의 열 센서 (7) 는 백금 저항 온도계인 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽.
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 측정 기기는 상기 벽 상에 또는 상기 벽 내부에 장착되는 채널 기반의 냉각 회로의 채널들 (9) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 야금 샤프트 노의 도가니의 외벽.
10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 외벽 (2) 을 구비한 도가니를 포함하는 용광로로서,
    상기 외벽은 상기 도가니 (1) 에서 주철의 표면 레벨 (13) 및 슬래그의 표면 레벨 (14) 을 측정하기 위한 기기를 구비한 차폐부 (4) 를 포함하는, 외벽 (2) 을 구비한 도가니를 포함하는 용광로.
    

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