KR102279383B1 - 철강중 비금속 산화물 신속 평가방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 특징은 OES를 이용하여 철강 시료 속에 존재하는 비금속 산화물의 평가시에, 평가하고자 하는 각각의 비금속 산화물 원소에 대해 발생되는 다수의 슬리트 채널별 분광 피크치를 시간축을 따라 측정하여, 같은 시간대에서 Al 피크치와 여러 원소 피크치가 나타나면 복합 비금속 산화물이나 독립된 비금속 산화물이 동시에 존재하는 것으로 판단하고 Al 피크치만 나타나면 알루미나 단독 비금속 산화물로 판단하고, 상기 비금속 산화물의 크기는 해당 원소피크의 세기에 이중근을 취하여 측정한다는 데 있다.
제1도의 OES 장치의 구성을 나타낸 도면으로서, 시료대 위에 시료(1)를 배치한 후 여기에 전극봉(2)을 통한 전압 발생장치(1)의 전압을 인가하여 상기 시료(3)와 전극봉(2)이 접촉하는 부위에서 전기 스파크가 발생되게 설치하고, 상기 스파크에 의한 형광은 격자(Grating 6)를 거쳐 원호 형상을 가지며 스펙트럼 형광을 선택적으로 통과시키기 위한 슬리트가 마련된 차폐판(7)에 투사되게 설치하고, 상기 차폐판에 형성된 슬리트를 통과한 각 분광신호는 각각 광증배관(8)에서 증폭되어 9번 아날로그 디지털 변환기 (AD Converter)를 거쳐 신호처리장치(10)을 거쳐 신호 출력기(11)에서 신호가 나타나는 것을 보이고 있다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 AlCaO라고 표기된 위치는 Al과 Ca 피크가 동시간대에 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al과 Ca 피크가 동시간대에 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 AlCaO 비금속 산화물이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 AlCaMgO라고 표기된 위치는 Al, Ca, Mg 피크가 동시간대에 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al, Ca, Mg 피크가 동시간대에 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 AlCaMgO 비금속 산화물이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 Al2O3라고 표기된 위치는 Al 피크만 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al 피크만 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 Al2O3 비금속 산화물만이 존재하였다는 증거가 된다. 대부분의 경우는 AlMgO, AlCaO, AlCaMgO 형태의 비금속 산화물로 나타나는 것이 전형적인 비금속 산화물 형태이다. 비금속 산화물의 직경은 측정된 피크 세기의 이중근 값과 비례하는 성질을 이용하여 도출할 수 있다.

Description

철강중 비금속 산화물 신속 평가방법 {Rapid Evaluation Method for Non_metalic Oxide in Steel}
본 발명은 Optical Emission Spectrometer(이하 OES)를 사용하여 철강 속에 존재하는 비금속 산화물의 크기 분포와 조성비 및 Total Oxygen관 관련된 정보를 판단하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 채취된 철강시료나 철강에 전류를 공급하여 전기 스파크를 발생시킨 후 그 곳에서 발생되는 형광을 분광하여 각각의 채널에서 나오는 빛의 강도를 측정함으로 철강이나 철강 속에 포함된 비금속 산화물을 신속하게 평가할 수 있는 방법을 제공하는데 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평가방법은 OES를 이용하여 철강시료나 철강 속에 존재하는 비금속 산화물의 평가시, 평가하고자 하는 각각의 비금속 산화물 원소에 대해 발생되는 다수의 슬리트 채널별 분광 피크치를 시간축을 따라 측정하여, 같은 시간대에서 알루미늄 원소와 여러 원소 피크치가 나타나면 복합 비금속 산화물이나 독립된 비금속 산화물이 동시에 존재하는 것으로 판단하고, 상기 비금속 산화물의 크기는 해당 원소피크의 세기를 비금속 산화물의 크기와 비례하여 측정하는 것으로 특징 지울 수 있다.
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 OES를 사용하여 철강 속에 내재하는 비금속 산화물의 분포를 판단하는 방법에 관한 것으로, 특히 채취된 철강시료에 전류를 공급하여 전기 스파크를 발생시키면 플라즈마광이 발생하고 그곳에서 발생되는 형광을 분광하여 각각의 채널에서 나오는 빛의 강도를 측정함으로 철강 속에 포함된 비금속 산화물을 신속하게 평가할 수 있는 방법에 관한 것이다. OES 장치는 금속 성분만을 평가할 수 있는 장치로서 기본적으로 비금속 산화물은 평가할 수 없는 장치이다. 그러나 본 발명은 상기 OES 장치를 이용하여 고체 상태의 철강 속에 내재하는 여러 가지 비금속 산화물을 정확하고 신속하게 평가하는 것을 가능하게 한다. 철강 제조공정에서 철강의 청정도를 높이는 것은 아주 중요하다. 그 이유로 청정도가 높을수록 고품질의 강을 제조할 수 있고 또한 후 공정에서의 내부 비금속 산화물에 의한 결함을 방지할 수 있기 때문에 철강의 높은 청정도는 부가가치가 높은 제품의 생산을 가능하게 한다.
그러나 철강의 제조 공정 중에는 강의 청정도를 측정하기가 어렵기 때문에 지금까지는 오프라인 방식으로 강의 청정도, 즉 비금속 산화물에 대한 검사를 시행하였다. 지금까지 널리 사용되고 있는 철강 속의 비금속 산화물 평가방법중의 하나로서, 시편을 아주 곱게(1000분의 1mm) 연마하여 현미경으로 관찰하여 비금속 산화물의 크기를 측정함과 동시에 비금속 산화물 크기 분포도를 나타내는 방법이 있다. 그러나 이러한 비금속 산화물 평가법은 다단계 공정이 요구되어 비금속 산화물의 크기에 대한 정보를 도출하는 데에만 상당한 기간(1일 정도)이 소요되는 단점이 있다. 철강의 비금속 산화물 평가법 중 다른 하나로서, 진공 용기 속에 시료를 넣고 전자 빔을 주사하여 시료 속에서 발생되는 X-선을 관찰하는 것으로 비금속 산화물의 성분을 측정하는 방법이 있다. 이 경우 측정된 비금속 산화물의 성분이 무엇인지를 판단하여야 하기 위해서는 비금속 산화물 하나하나를 평가해야 하기 때문에 비금속 산화물의 수가 많은 경우 오랜 시간이 소요된다는 단점이 있다.
이와 같이 종래의 기술에서는 한 개의 시편에 포함된 비금속 산화물의 평가를 하기 위해서는 많은 단계를 거쳐야 할 뿐만 아니라 이러한 평가가 시료의 표면상에서만 실시되고 있고, 또한 기존의 X선을 이용한 금속시편의 비금속 산화물을 정량적으로 평가하기 위해서는 비금속 산화물 하나 하나를 평가해야 하기 때문에 시간이 많이 소요되는 문제가 있었다. 상기한 철강 비금속 산화물 평가방법에서의 단점을 해결하는 또 다른 종래의 시료 평가방법으로서 시료를 용해시켜 비금속 산화물을 시료 속에서 이동시켜 측정하는 방법이 있다. 여기에서 비금속 산화물들은 철보다 가벼우므로 용해시료의 표면으로 부상하게 되며, 이때 전자 빔을 상기 용해 시료상에서 부유중인 비금속 산화물에 조사하여 비금속 산화물의 성분을 평가할 수 있는 방법이 제안된 바 있다.
그러나 이 방법은 시료를 용해시켜야 하는 단점이 있으며 용해시에 비금속 산화물의 크기가 변할 가능성이 있기 때문에 비금속 산화물의 정확한 측정이 불가능하다. 또한 모든 비금속 산화물의 크기 측정을 동시에 실행할 수 없기 때문에 철강 비금속 산화물의 신속한 평가가 이루어지지 않게 된다.
본 발명에서는 이러한 단점을 제거하고 빠른 시간에 비금속 산화물의 성분과 크기를 동시에 평가할 수 있는 새로운 방법을 제안한다. 본 특허를 설명하기 전에 출원번호 10-1998-0014617 (이하 14617번) 을 먼저 간략하게 설명하고자 한다. 14617번은 본 고안을 설명하기 위한 자료로 활용코자 한다. 도2에서 보는 바와 같이 산소 채널에서 발생된 별표(1~9)까지의 신호가 발생된 신호만 수집하여 비금속 비금속 산화물로 신호 처리하는 것을 주요 청구항으로 제시한 바 있다.
그러나, 본 고안에서는 산소 채널의 피크와는 무관하게 신호를 수집하여 [Al] 채널의 신호의 유무를 사용하여 비금속 산화물 신호처리를 하는 것으로 주요 청구항을 제시 하였다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 OES를 이용하여 철강 시료 속에 존재하는 비금속 산화물의 평가시에, 평가하고자 하는 각각의 비금속 산화물 원소에 대해 발생되는 다수의 슬리트 채널별 분광 피크치를 시간축을 따라 측정하여, 같은 시간대에서 Al 피크치와 여러 원소 피크치가 나타나면 복합 비금속 산화물이나 독립된 비금속 산화물이 동시에 존재하는 것으로 판단하고 Al 피크치만 나타나면 알루미나 단독 비금속 산화물로 판단하고, 상기 비금속 산화물의 크기는 해당 원소피크의 세기에 이중근을 취하여 측정한다는 데 있다.
도 1은 OES 장치의 구성을 나타낸 도면으로서, 시료대 위에 1번 시료를 배치한 후 여기에 2번 전극봉을 통한 1번 전압 발생장치의 전압을 인가하여 상기 시료(3)와 전극봉(2)이 접촉하는 부위에서 전기 스파크가 발생되게 설치하고, 상기 스파크에 의한 형광은 6번 격자(Grating)를 거쳐 원호 형상을 가지며 스펙트럼 형광을 선택적으로 통과시키기 위한 7번 슬리트가 마련된 차폐판에 투사되게 설치하고, 상기 차폐판에 형성된 슬리트를 통과한 각 분광신호는 각각 8번 광증배관에서 증폭되어 9번 아날로그 디지털 변환기 (AD Converter)를 거쳐 10번 신호처리장치을 거쳐 11번 신호 출력기에서 신호가 나타나는 것을 보이고 있다.
이와 같이 구성되는 OES 장치의 작동과정을 보면, 시료(3)와 전극봉(2)사이에 전압 발생장치(1)에 의한 전압이 걸리게 되면 시료와 전극봉이 만나는 지점에서 전기 스파크가 발생하게 되고 이를 통하여 시료성분들이 플라즈마화 된다. 이 스파크는 시료속에 존재하는 모든 원소들의 스펙트럼을 포함하는 형광을 발생하여 격자(5)쪽으로 진행하면서 격자의 폭 정도로 퍼지게 된다. 이러한 형광은 격자(5)에서 분광되어 원호상으로 퍼져서 선택적으로 차폐판(7)의 각각의 슬리트로 들어가게 된다. 상기 차폐판(7)에 형성되는 슬리트는 평가하고자 하는 원소의 수만큼 원주상에 만들어지게 되는데, 원소의 특성 스펙트럼에 따라 각각의 파장이 정해지므로 각각의 슬리트별로 특정 원소에 대한 고유의 파장만이 통과되게 된다. 이렇게 해당 슬리트로 들어온 파장(빛)은 광증배관(8)에서 전류신호로 변환되어 신호처리장치(10)에서 평가 되게 된다. 보통 알루미늄의 특성파장은 256㎚, 마그네슘 특성파장은285㎚, 철의 특성파장은 322㎚, 칼슘의 특성파장은 396㎚에 위치한다. 그러므로 차폐판(7)상에 슬리트가 4개 마련된 경우를 예로 든다면, 최 상위의 슬리트에 설치된 광증배관에서는 알루미늄(Al) 파장의 측정신호를 얻고, 두 번째 슬리트에 설치된 광증배관에서는 칼슘(Ca) 파장의 측정신호를 얻고, 세 번째 슬리트에 설치된 광증배관에서는 마그네슘(Mg) 파장의 측정신호를 얻고, 네 번째 슬리트에 설치된 광증배관에서는 철(Fe) 파장의 측정신호를 얻을 수 있다.
이러한 각 광증배관(8)에서 출력되는 스펙트럼은 10번 신호처리장치에 인가되어 일정시간(10초 정도)동안 X축을 시간축으로 하고 Y축을 세기로 하는 직교좌표상에 피크치 형태로 표현되게 처리된다. 이를 제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)에 예시적으로 나타내고 있다. 이때 3번 시료와 2번 전극봉 사이에서 발생되는 스파크는 상기 시료(3)의 표면을 침식시키면서 발생하게 되는데, 이때 시료 내부에 존재하는 비금속 산화물들도 시간의 경과 추이에 따라 발견되고 그때 마다 비금속 산화물에 대한 스파크 형광 스펙트럼이 얻어지게 된다.
보통 주어진 시간(10초정도)동안 초당 300회의 방전으로 3,000회의 방전에 의하여 침식되는 시료(3) 깊이는 0.1mm정도로서 비금속 산화물의 크기가 수 십 ㎛에 이르기 때문에 침식이 진행 되어가면서 그 침식 깊이 위치 별로 새로운 비금속 산화물이 측정되게 된다. 도3에서 나타난 바와 같이 1회 스파크가 발생하면 직경 50㎛ 정도의 크래타가 형성이 된다. 다시 말하면 1회 스파크가 발생되면 직경 50㎛내의 모든 원소는 증발하여 플라즈마화가 된다. 만약 이 50㎛ 속에 알루미나 비금속 산화물의 크기가 10㎛짜리 1개가 있었다면 10㎛ 크기에 해당하는 Al의 피크가 발생하게 된다. 또한 AlCaO 비금속 산화물 10㎛짜리가 존재한 다면 Al 피크와 Ca 피크가 동시에 발생하게 된다. 제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면에서 알루미늄(Al)과, 칼슘(Ca)과, 마그네슘 (Mg)의 스펙트럼을 시간(t)상에서 표현한 것이다. 실제로 스펙트럼은 피크와 피크 사이에 무수히 많은 작은 신호들이 존재하나 그것들은 생략하고 비교적 영향력이 있는 큰 피크만 표시하였다. 이를 좀더 자세하게 살펴보면 다음과 같이 설명이 될 수 있다. 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 AlCaO라고 표기된 위치는 Al과 Ca 피크가 동시간대에 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al과 Ca 피크가 동시간대에 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 AlCaO 비금속 산화물이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 AlCaMgO라고 표기된 위치는 Al, Ca, Mg 피크가 동시간대에 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al, Ca, Mg 피크가 동시간대에 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 AlCaMgO 비금속 산화물이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 Al2O3라고 표기된 위치는 Al 피크만 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al 피크만 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 Al2O3 비금속 산화물만이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면을 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다. Al 채널에서는 피크로 나타난 부분은 알루미나가 존재하는 영역이고, Off_set영역은 알루미나가 없는 기저 (Metal이 존재) 영역이라고 볼 수 있다. 이렇게 피크로 측정되는 이유는 알루미나 비금속 산화물이 Al이 뭉쳐져 있기 때문에 철강 속의 다른 부위보다 Al 농도가 훨씬 높다는 것을 나타낸다. Ca채널에서는 Al 피크와 상관없이 Ca피크가 많이 존재할 수 있는데 이는 철강 속에서 CaO 비금속 산화물로 존재할 수 있다. Mg채널에서도 Al 피크가 동시간대에 없어도 Mg단독으로 피크가 많이 발생되는데 이 또한 MgO 형태의 비금속 산화물이 발생될 수 있다는 것이다. 그러나, 대부분의 경우는 AlMgO, AlCaO, AlCaMgO 형태의 비금속 산화물로 나타나는 것이 전형적인 비금속 산화물 형태이다.
제2도는 출원번호 10-1998-0014617 (이하 14617번)에서 보여준 그림으로 산소(O)와 알루미늄, 망간, 칼슘이 동시간에 함께 측정되는 것만 비금속 산화물로 처리하는 알고리즘으로 하고 있다. 이 경우에는 제5도와 같이 선형성이 아주 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 실제로 산소 피크가 측정장치에서 잘 측정이 되지 않기 때문에 일어 나는 현상으로 파악된다. 특히 산소는 기체 분자이기 때문에 스파크에 의한 플라즈마화 이후에 광 스펙트럼으로 측정이 난해한 결과로 볼 수 있다. 출원번호 14617번은 실험적 내용으로 출원되지 못하고 사고실험을 통하여 선 출원 되어 개념적인 출원이다 보니 실험과 잘 맞아들이지 않았다.
그러나 본 고안에서는 산소 피크를 고려하지 않고 순수하게 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 피크가 측정되는 그 자체로 비금속 산화물로 측정하는 알고리즘을 채택하였다. 실제로 출원번호 14617번과 같이 신호 처리할 경우와 본 고안과 같이 신호 처리할 경우에 본 고안에서 산소채널과 상관없이 신호처리할 경우가 비금속 산화물의 면적과 강중의 산소량과의 선형성이 제4도와 같이 잘 들어맞는 것을 알 수 있었다.
(식1)
Figure 112017046662466-pat00001
위의 식1은 비금속 산화물의 크기를 환산하기 위한 수식을 나타낸 것으로 여기서 I는 측정된 피크 세기를 나타내고, S는 원소별로 상수로 주어지는 감도인자, e는 볼츠만 분포로서 특정원소는 특정파장을 생성하는 것에 해당하고, n는 전자의 개수를 나타낸다.
즉 I ∝ n으로 주어지는 단순식이 되어 진다.
예를 들면 10㎛ 크기의 알루미나 비금속 산화물이 있다고 하자. 이 비금속 산화물에 전기 스파크가 닿아서 Al의 피크세기가 10,000이 측정이 되었다고 하면, 이 비금속 산화물의 면적을 계산하면 3.14 x (5㎛)2 = 78.5㎛2 가 된다. 이 면적 안에 알루미늄의 숫자는 엄청나게 존재하게 되나 이 측정장치로 측정된 알루미늄 원자 속에 존재하였던 전자 중에서 측정장치로 측정된 피크 세기는 10,000이 된 것이다. 피크 세기 I ∝(비금속 산화물의 반경 R)2 라는 공식으로 요약되어 지며, 즉 비금속 산화물의 직경은 측정된 피크 세기의 이중근 값과 비례하는 성질을 이용하여 도출할 수 있다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면을 상세하게 설명하면 다음과 같다. Al 채널에서는 피크로 나타난 부분은 알루미나가 존재하는 영역이고, Off_set영역은 알루미나가 없는 기저 (Metal이 존재) 영역이라고 볼 수 있다. 이렇게 피크로 측정되는 이유는 알루미나 비금속 산화물이 Al이 뭉쳐져 있기 때문에 철강 속의 다른 부위보다 Al 농도가 훨씬 높다는 것을 나타낸다. Ca채널에서는 Al 피크와 상관없이 Ca피크가 많이 존재할 수 있는데 이는 철강 속에서 CaO 비금속 산화물로 존재할 수 있다. Mg채널에서도 Al 피크가 동시간대에 없어도 Mg단독으로 피크가 많이 발생되는데 이 또한 MgO 형태의 비금속 산화물이 발생될 수 있다는 것이다. 그러나, 대부분의 경우는 AlMgO, AlCaO, AlCaMgO 형태의 비금속 산화물로 나타나는 것이 전형적인 비금속 산화물 형태이다.
본 고안에서는 산소 피크를 고려하지 않고 순수하게 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 피크가 측정되는 그 자체로 비금속 산화물로 측정하는 알고리즘을 채택하여 출원번호 14617번과 같이 신호 처리할 경우와 본 고안과 같이 신호 처리할 경우에 본 발명에서 산소채널과 상관없이 신호 처리할 경우가 비금속 산화물의 면적과 강중의 산소량과의 선형성이 제4도와 같이 잘 들어맞는 것을 알 수 있었다.
또한, 식1에서 비금속 산화물의 크기를 환산하기 위한 수식을 제공하였다. 여기서 I는 측정된 피크 세기를 나타내고, S는 원소별로 상수로 주어지는 감도인자, e는 볼츠만 분포로서 특정원소는 특정파장을 생성하는 것에 해당하고, n는 전자의 개수를 나타낸다.
즉 I ∝ n으로 주어지는 단순식이 되어 진다. 피크 세기 I ∝(비금속 산화물의 반경 R)2 라는 공식으로 요약되어 지며, 즉 비금속 산화물의 직경은 측정된 피크 세기의 이중근 값과 비례하는 성질을 이용하여 도출할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 철강내에 존재하는 비금속 산화물의 종류와 크기를 빠른 시간 내에 평가할 수 있을 뿐 아니라 표면과 시료의 내부에 존재하는 비금속 산화물도 평가가 되므로 비금속 산화물 평가에 대한 오차도 줄일 수 있는 특유의 효과를 가져온다. 즉 1회의 평가로 다음의 세 가지에 대한 평가를 신속하게 할 수 있는 효과를 가진다. 첫째는 비금속 산화물의 크기분포, 둘째는 비금속 산화물의 조성비율, 세째는 철강중의 Total Oxygen과 관련된 량을 신속하게 측정할 수 있는 효과를 가진다.
대표도
도1
제1도는 일반적인 OES 장치의 구성을 나타낸 개략도로서 도 1의 각각의 슬리트에서 나오는 광 신호를 전류 변환시켜 채널별로 시간축을 따라 변화하는 크기를 표시한 그래프이다.
1.전압공급장치, 2.전극봉, 3.시료(Sample), 4.플라즈마광(Plasma Light), 5. 렌즈(Lens), 6.격자(Grating), 7.차폐판(Slit), 8.광증배관(Photo Multiplier Tube), 9.아날로그 디지털 변환기(AD Converter), 10. 신호처리장치 (Computer), 11.신호 출력기(Signal Displayer)
제2도는 일반적인 OES 장치에서 아날로그 디지털 변화기를 거쳐 신호 출력기에서 보여지는 비금속 산화물 피크신호
제3도는 OES 장치에서 1회 스파크 방전시 발생하는 스파크 흔적 사진으로 50㎛ 크기 정도로 나타나다.
제4도는 OES 장치에서 알루미늄 피크를 기준으로 하여 여러 가지 철강 시료를 대상으로 측정한 비금속 산화물의 피크를 합산하여 결과를 면적으로 표시하고 이를 Total Oxygen과 비교한 그래프.
제5도는 OES 장치에서 산소 피크가 있을 때를 기준으로 하여 여러 가지 철강 시료를 대상으로 측정한 비금속 산화물의 피크를 합산하여 결과를 면적으로 표시하고 이를 Total Oxygen과 비교한 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 OES를 이용하여 철강 시료 속에 존재하는 비금속 산화물의 평가시에, 평가하고자 하는 각각의 비금속 산화물 원소에 대해 발생되는 다수의 슬리트 채널별 분광 피크치를 시간축을 따라 측정하여, 같은 시간대에서 Al 피크치와 여러 원소 피크치가 나타나면 복합 비금속 산화물이나 독립된 비금속 산화물이 동시에 존재하는 것으로 판단하고 Al 피크치만 나타나면 알루미나 단독 비금속 산화물로 판단하고, 상기 비금속 산화물의 크기는 해당 원소피크의 세기에 이중근을 취하여 측정한다는 데 있다.
제1도는 OES 장치의 구성을 나타낸 도면으로서, 시료대 위에 1번 시료를 배치한 후 여기에 2번 전극봉을 통한 1번 전압 발생장치의 전압을 인가하여 상기 시료(3)와 전극봉(2)이 접촉하는 부위에서 전기 스파크가 발생되게 설치하고, 상기 스파크에 의한 형광은 6번 격자(Grating)를 거쳐 원호 형상을 가지며 스펙트럼 형광을 선택적으로 통과시키기 위한 7번 슬리트가 마련된 차폐판에 투사되게 설치하고, 상기 차폐판에 형성된 슬리트를 통과한 각 분광신호는 각각 8번 광증배관에서 증폭되어 9번 아날로그 디지털 변환기 (AD Converter)를 거쳐 10번 신호처리장치을 거쳐 11번 신호 출력기에서 신호가 나타나는 것을 보이고 있다.
이와 같이 구성되는 OES 장치의 작동과정을 보면, 시료(3)와 전극봉(2)사이에 전압 발생장치(1)에 의한 전압이 걸리게 되면 시료와 전극봉이 만나는 지점에서 전기 스파크가 발생하게 되고 이를 통하여 시료성분들이 플라즈마화 된다. 이 스파크는 시료속에 존재하는 모든 원소들의 스펙트럼을 포함하는 형광을 발생하여 격자(5)쪽으로 진행하면서 격자의 폭 정도로 퍼지게 된다. 이러한 형광은 격자(5)에서 분광되어 원호상으로 퍼져서 선택적으로 차폐판(7)의 각각의 슬리트로 들어가게 된다. 상기 차폐판(7)에 형성되는 슬리트는 평가하고자 하는 원소의 수만큼 원주상에 만들어지게 되는데, 원소의 특성 스펙트럼에 따라 각각의 파장이 정해지므로 각각의 슬리트별로 특정 원소에 대한 고유의 파장만이 통과되게 된다. 이렇게 해당 슬리트로 들어온 파장(빛)은 광증배관(8)에서 전류신호로 변환되어 신호처리장치(10)에서 평가 되게 된다. 보통 알루미늄의 특성파장은 256㎚, 마그네슘 특성파장은285㎚, 철의 특성파장은 322㎚, 칼슘의 특성파장은 396㎚에 위치한다. 그러므로 차폐판(7)상에 슬리트가 4개 마련된 경우를 예로 든다면, 최 상위의 슬리트에 설치된 광증배관에서는 알루미늄(Al) 파장의 측정신호를 얻고, 두 번째 슬리트에 설치된 광증배관에서는 칼슘(Ca) 파장의 측정신호를 얻고, 세 번째 슬리트에 설치된 광증배관에서는 마그네슘(Mg) 파장의 측정신호를 얻고, 네 번째 슬리트에 설치된 광증배관에서는 철(Fe) 파장의 측정신호를 얻을 수 있다.
이러한 각 광증배관(8)에서 출력되는 스펙트럼은 10번 신호처리장치에 인가되어 일정시간(10초 정도)동안 X축을 시간축으로 하고 Y축을 세기로 하는 직교좌표상에 피크치 형태로 표현되게 처리된다. 이를 제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)에 예시적으로 나타내고 있다. 이때 3번 시료와 2번 전극봉 사이에서 발생되는 스파크는 상기 시료(3)의 표면을 침식시키면서 발생하게 되는데, 이때 시료 내부에 존재하는 비금속 산화물들도 시간의 경과 추이에 따라 발견되고 그때 마다 비금속 산화물에 대한 스파크 형광 스펙트럼이 얻어지게 된다.
보통 주어진 시간(10초 정도)동안 초당 300회의 방전으로 3,000회의 방전에 의하여 3번 시료의 침식 깊이는 0.1mm정도로서 비금속 산화물의 크기가 수 십 ㎛에 이르기 때문에 침식이 진행 되어가면서 그 침식 깊이 위치 별로 새로운 비금속 산화물이 측정되게 된다. 도3에서 나타난 바와 같이 1회 스파크가 발생하면 직경 50㎛ 정도의 크래타가 형성이 된다. 다시 말하면 1회 스파크가 발생되면 직경 50㎛내의 모든 원소는 증발하여 플라즈마화가 된다. 만약 이 50㎛ 속에 알루미나 비금속 산화물의 크기가 10㎛짜리 1개가 있었다면 10㎛ 크기에 해당하는 Al의 피크가 발생하게 된다. 또한 AlCaO 비금속 산화물 10㎛짜리가 존재한 다면 Al 피크와 Ca 피크가 동시에 발생하게 된다. 제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면에서 알루미늄(Al)과, 칼슘(Ca)과, 마그네슘 (Mg)의 스펙트럼을 시간(t)상에서 표현한 것이다. 실제로 스펙트럼은 피크와 피크 사이에 무수히 많은 작은 신호들이 존재하나 그것들은 생략하고 비교적 영향력이 있는 큰 피크만 표시하였다. 이를 좀더 자세하게 살펴보면 다음과 같이 설명이 될 수 있다. 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 AlCaO라고 표기된 위치는 Al과 Ca 피크가 동시간대에 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al과 Ca 피크가 동시간대에 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 AlCaO 비금속 산화물이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 AlCaMgO라고 표기된 위치는 Al, Ca, Mg 피크가 동시간대에 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al, Ca, Mg 피크가 동시간대에 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 AlCaMgO 비금속 산화물이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면상에서 Al2O3라고 표기된 위치는 Al 피크만 발견된 신호를 가지고 있는 것이 특징이다. 이 때 이 Al 피크만 측정된 것은 제3도의 스파크 패턴내에서 Al2O3 비금속 산화물만이 존재하였다는 증거가 된다.
제1도의 11번 신호 출력기(Signal Displayer)화면을 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다. Al 채널에서는 피크로 나타난 부분은 알루미나가 존재하는 영역이고, Off_set영역은 알루미나가 없는 기저 (Metal이 존재) 영역이라고 볼 수 있다. 이렇게 피크로 측정되는 이유는 알루미나 비금속 산화물이 Al이 뭉쳐져 있기 때문에 철강 속의 다른 부위보다 Al 농도가 훨씬 높다는 것을 나타낸다. Ca채널에서는 Al 피크와 상관없이 Ca피크가 많이 존재할 수 있는데 이는 철강 속에서 CaO 비금속 산화물로 존재할 수 있다. Mg채널에서도 Al 피크가 동시간대에 없어도 Mg단독으로 피크가 많이 발생되는데 이 또한 MgO 형태의 비금속 산화물이 발생될 수 있다는 것이다. 그러나, 대부분의 경우는 AlMgO, AlCaO, AlCaMgO 형태의 비금속 산화물로 나타나는 것이 전형적인 비금속 산화물 형태이다.
제1도는 일반적인 OES 장치의 구성을 나타낸 개략도로서 도 1의 각각의 슬리트에서 나오는 광 신호를 전류 변환시켜 채널별로 시간축을 따라 변화하는 크기를 표시한 그래프이다.
1.전압공급장치, 2.전극봉, 3.시료(Sample), 4.플라즈마광(Plasma Light), 5. 렌즈(Lens), 6.격자(Grating), 7.차폐판(Slit), 8.광증배관(Photo Multiplier Tube), 9.아날로그 디지털 변환기(AD Converter), 10. 신호처리장치 (Computer), 11.신호 출력기(Signal Displayer)

Claims (5)

  1. OES를 이용하여 철강 시료속에 존재하는 비금속 산화물을 평가하는 방법에 있어서, 시료의 스파크 형광에 대한 스펙트럼이 차폐판에 형성된 다수의 슬리트를 통해 각각의 광증배관에 입력되어 전류신호로 변환된 후 신호처리장치에 입력 처리되어 각각의 시간축 상에서 피크치로 나타나게 하고, 여기에서 얻어지는 알루미늄 피크를 기준으로 하여 알루미늄 피크와 동시간대에 여러 원소 피크가 발견되면 복합 비금속 산화물 판단하고 알루미늄 피크만 발견되면 알루미늄 단독 비금속 산화물로 판단하고, 원소별 비금속 산화물의 크기는 해당 원소의 피크 세기에 이중근을 씌워 그 비금속 산화물의 크기로 판단하는 것을 특징으로 하되,
    산소 피크(채널)의 측정을 배제하고, 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg)의 피크 측정 값 만으로 비금속 산화물을 측정하며 이에 적용되는 알고리즘은 다음의 식을 사용하고,
    Figure 112021032720450-pat00007

    이와 같은 알고리즘을 사용함으로써 비금속 산화물의 면적과 강중의 산소량과의 선형성이 정확하게 측정되는 것을 특징으로 하는 철강중 비금속 산화물 신속 평가방법.
    (위 식에서 I는 측정된 피크 세기, S는 원소별로 상수로 주어지는 감도인자, e는 볼츠만 분포로서 특정원소는 특정파장을 생성하는 것에 해당하고, n는 전자의 개수를 나타냄. 즉, I ∝ n으로 주어지는 단순식이 되므로, 피크 세기 I ∝(비금속 산화물의 반경 R)2 라는 공식으로 요약되며, 비금속 산화물의 직경은 측정된 피크 세기의 이중근 값과 비례하는 성질을 이용하여 도출할 수 있다.)
  2. 청구항 1에서 알루미늄 피크를 기준으로 하여 알루미늄 피크와 동시간대에 여러 원소 피크가 발견되면 복합 비금속 산화물 판단하고 알루미늄 피크만 발견되면 알루미늄 단독 비금속 산화물로 판단하고, 이를 통하여 비금속 산화물의 조성비를 환산할 수 있는 철강중 비금속 산화물 신속 평가방법.
  3. 청구항 2에서 알루미늄 피크를 기준으로 하여 알루미늄 피크와 동시간대에 여러 원소 피크가 발견되면 복합 비금속 산화물 판단하고 알루미늄 피크만 발견되면 알루미늄 단독 비금속 산화물로 판단하고, 여기서는 상기 Al, Ca, Mg 원소만 언급하였으나 철강중의 비금속 산화물에 대하여 여러 원소들로 확장할 수 있는 개념을 가지면서 비금속 산화물의 조성비를 환산할 수 있는 철강중 비금속 산화물 신속 평가방법.
  4. 청구항 1에서 알루미늄 피크를 기준으로 하여 알루미늄 피크와 동시간대에 여러 원소 피크가 발견되면 원소별 비금속 산화물의 크기는 알루미늄 피크와 다른 원소의 피크를 합산한 크기를 고려하여 합한 피크 세기에 이중근을 씌워 그 비금속 산화물의 크기로 판단하는 것을 특징으로 하는 철강중 비금속 산화물 신속 평가방법.
  5. 제 1항에 있어서, OES를 이용하여 철강 시료 속에 존재하는 비금속 산화물을 평가하는 방법에 있어서, 제4도에 나타난 바와 같이 알루미나 비금속 산화물의 피크와 동시에 측정된 원소의 피크와 합한 면적값과 Total Oxygen과의 비례되는 성질을 이용하여 비금속 산화물의 면적값만 측정하면 Total Oxygen의 량을 도출할 수 있는 철강중 비금속 산화물 신속 평가방법.

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