KR19980036159U - 용강의 용존 산소농도 측정을 위한 산소 프로브의 산소 센서 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 표준극으로 지르코니아 고체 전해질을 사용함으로서 탈산처리를 위한 용강의 용존 산소 농도를 측정하는 산소 프로브의 산소 센서에 관한 것으로, 지르코니아 고체전해질의 선단부위는 미코팅처리하고, 후단부는 열충격에 의한 크랙방지용 ZrO2를 코팅함을 특징으로 한다.
Description
도 1 은 일반적인 산소센서를 장착한 산소프로브를 도시한 개략 구성도
도 2 는 종래의 산소센서를 도시한 개략 구성도
도 3 은 용강, 알루미나도포층, 표준전극간의 기전력 관계를 도시한 그래프도
도 4 는 본 고안에 따른 산소센서를 도시한 개략 구성도
도 5 는 가로축을 미도포 프로브 측산치로 하고 세로축을 ZrO2반도포량으로 하여 서로의 상관관계를 나타낸 그래프도
도 6 은 가로축을 종래의 센서로 하고, 세로축을 본 고안의 센서로 하여 농도를 비교한 그래프도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 ... 지르코니아 고체전해질
12 ... 후단부
14 ... 선단부
본 고안은 용강중 산소농도 측정을 위한 프로브에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용존 산소 농도의 정도향상을 위하여 지르코니아(Zirconia) 고체전극을 축소하고 크랙 저감을 위해 지르코니아 옥사이드(ZrO2)로 하반부를 절반 도포한 산소 센서에 관한 것이다.
통상 제강공정의 전로공정에서는 용선중의 탄소, 규소, 인 기타의 불순원소를 제거할 목적으로 용선중에 산소를 취입하여 산화 정련을 행하게 된다. 정련이 진행됨에 따라 용선중의 산소량은 점차 증가하여 전로 취련 말기에는 상당량의 산소가 용강중에 남게 된다.
이 용존 산소는 조괴시에 탄소와 반응해서 기포(CO 가스)를 생성하여 불건전한 제품의 원인이 되거나 산화물 등의 개재물을 생성하여 강질을 나쁘게 한다.
탈산은 이러한 산소를 용강에 제거하려는 것이며, 산소함량을 저하시켜 개재물을 감소시킬 뿐 아니라 개재물의 형태나 분포 등도 조정하려는 것이다.
탈산제의 첨가방법은 대부분의 강종은 전로에서 취련후 출강시 래들에 수동이나 슈트(Chute)를 써서 용강내에 투입한다. 이때 투입되는 탈산제의 량은 출강직전에 측산되는 용존 산소량에 따라 달라진다.
일반적인 탈산제의 조건은 산소와의 친화력이 철(Fe) 보다 커야하고 이 종류에 속하는 원소에는 규소, 망간, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 알루미늄 등이 있으며, 이러한 원소들은 보통 합금으로 만들어 첨가한다. 둘째로 탈산제는 용강중에 급속히 용해되어야 하므로 페로망간(Fe-Mn)과 같이 잘 녹지 않는 것은 작게 만들 필요가 있다. 셋째로 탈산생성물의 부상속도가 커야한다. 탈산생성물이 빨리 떠오르기 위해서는 액상이 되는 것과 비중이 작아야 한다. 탈산생성물이 용강중에 남으면 비금속 개재물이 되어 강의 품질을 해치므로 이것이 적을수록 청정도가 높은 고급강이 된다. 탈산원소를 한 종류만 첨가하는 것을 단독탈산, 두가지 이상 첨가하는 것을 복합탈산이라 하며 후자가 가장 많이 이용되고 있다.
그러나 극저탄소강([C]≤70ppm)등과 같은 강종은 탈가스 설비(RH-OB)에서 탈탄 반응을 목적으로 전로에서 산소취련 후 출강중에 탈산제를 투입하지 않는다. 이러한 미탈산 강종은 전로에서 출강후 탈가스 설비(RH-OB)에서 산소를 불어 넣어 반응을 유도한 다음 알류미늄을 탈산제로 투입하여 탈산을 실시한다. 즉 탈산제로 투입되는 알루미늄의 투입량은 용강의 용존 산소 농도에 따라 투입된다. 그러므로 적정 투입량을 도출하기 위하여는 용강중에 함유되어 있는 용존산소를 정확히 알 필요가 있어 산소 센서가 부착된 프로브를 이용하여 측산을 실시한다.
이러한 산소 센서를 장착한 산소프로브는 도 1 과 같이 구성되어 있다.
이러한 측산 프로브(100)를 용강에 침적시키면 산서 센서 부위의 몰리브덴 전극봉(110)과 지르코니아 고체 전해질(120) 내부에 있는 크롬옥사이드/크롬(Cr2O3/Cr)(124)이 표준극으로 작용한다. 이때 용강과 표준극 사이에 산소분압의 차이로 산소이온이 이동되어 몰리브덴 전극폭과 지르코니아 고체 전해질 내부에 있는 크롬옥사이드/크롬(Cr2O3/Cr)(124)이 표준극 사이에 기전력이 발생된다. 또한 열전대(130)에 의해 측정된 온도가 측정된다. 따라서 용강의 용존 산소 농도는 기전력과 온도값으로 부터 연산기를 통하여 계산된다. 용존 산소 계산식은 열역학에 의하여 구해지며 그 식은 하기 식 1 에 나타난 것과 같다.
α[0](wt.%) = K[Pe1/4+ Po2 1/4) EXP(FE/RT) - Pe1/4]2... 식 1
여기에서, 보정계수(Pe) = EXP(56.23 - 171,243/T)
표준극 산소 분압(Po2) = EXP [(-171,600 + 37.02)/RT]
F(파라데이 상수) = 23.066(ca/mol ·V)
E(V) = 기전력(mV)
R(기체상수) = 1.987(Cal/mol ·K)
T(K) = 273 + 온도(℃)
종래의 산소 센서부위중 지르코니아 고체 전해질(120)은 도 2 에 나타난 것과 같이 알루미나(122)로 코팅되어 있다. 이것은 용강중에 침적될 때 열충격 보완을 목적을 실시되었으나, 오히려 이 알루미나 코팅층이 용강과의 기전력의 차이를 발생시켜 용존 산소의 정도치를 감소시키므로 알루미나 도포층에 의한 용존 산소의 정도를 변화시키지 않는 산소 프로브의 개발이 필요하게 되었다.
[고안이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 고안은 이러한 종래의 문제점을 해결하고 용존 산소 농도의 측정정도를 향상시킬 수 있고 크랙의 저감이 가능하도록 된 용강의 용존 산소농도 측정을 위한 산소 프로브의 산소 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
[고안의 구성 및 작용]
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 고안은, 표준극으로 지르코니아 고체 전해질을 사용함으로서 탈산처리를 위한 용강의 용존 산소 농도를 측정하는 센서에 있어서, 상기 지르코니아 고체전해질의 선단부위는 미코팅처리하고, 후단부는 열충격에 의한 크랙방지용 ZrO2를 코팅함을 특징으로 하는 용강의 용존 산소농도 측정을 위한 산소 프로브의 산소 센서를 마련함에 의한다.
용존 산소 농도값에 미치는 알루미나 도포층의 영향은 다음과 같다. 도 3 은 종래의 알루미나 도포층인 경우의 기전력을 나타낸 것이다. 여기에서 301은 용강, 302는 알루미나 도포층에 의한 국부적인 평형지역, 303은 알루미나 도포층, 304는 지르코니아 전해질, 305는 용존산소측정을 위한 표준전극을 나타낸다. 도면에서 보는 바와 같이 실제 용강의 용존 산소 농도측정을 위한 기전력 값은 산소 프로브에 의해 측정된 기전력 값과 a[0] 와 a[0]'의 차이를 보이고 있다. 즉 알루미나가 도포된 전해질에서 발생되는 기전력 참값에 가까운 도포된 물질이 없을 경우에 비하여 [a[0] - a[0]] 정도의 차이가 있음을 알 수 있다.
따라서 본 고안자등은 용강중의 용존 산소 농도는 도포층이 없는 전해질을 사용하여 측정하는 것이 참값에 근접할 수 있음을 알았다.
이에 종래의 산소 센서에 알루미나를 코팅하지 않는 것을 시험하였다.
산소 측정값은 종래의 산소 센서를 사용하는 것과 비교할 때 재현성 측면에서 양호하였다.
그러나, 알루미나를 코팅하지 않을 경우에는 도 3 에 나타난 것과 같이 코팅된 경우에 비하여 [a[0] - a[0]] 정도의 기전력이 높게 발생된다. 따라서 안정된 기전력이 발생될 때까지는 오랜 시간이 소요된다. 이런 문제는 산소 프로브의 침적시간이 코팅된 경우에 비하여 기전력이 안정되는 시간이 증가함으로 작업성이 열위해졌다.
기전력이 조기에 안정화될 수 있도록, 즉 침적 시간이 증가하는 것을 해결하기 위하여 산소 센서부위의 몰리브덴 전극봉과 지르코니아 고체 전해질을 축조하였다. 그러나 기전력은 조기에 안정되었으나, 크기 축소로 인한 지르코니아 고체 전해질의 하단부에 크랙이 발생하여 기전력이 나타나지 않는 등 불량율이 증가하였다.
도 4 는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 지르코니아 고체 전해질을 나타낸 것이다. 이는 지르코니아(10) 하단부(12)의 크랙에 따른 불량율을 억제하기 위하여 하단부에 코팅을 실시하였다. 즉 용강중의 용존 산소 농도를 실제값에 가까워지도록 센서부위의 선단부(14)는 코팅을 실시하지 않았으며, 후반부는 용강침적시 열충격에 의한 크랙 저감을 위하여 알루미나 대신 용강의 용존 산소 농도에 영향을 적게 주는 ZrO2코팅을 실시하였다.
하기 표 1 은 종래 프로브, 지르코니아 하단부만 ZrO2로 코팅한 프로브, 크기를 축소하고 전체를 코팅하지 않는 프로브의 불량율을 나타낸 것이다.
[표 1]
여기에서, 종래 프로브, 지르코니아 하단부만 ZrO2로 코팅한 프로브는 불량율이 유사하지만, 크기를 축소하고 천체를 코팅하지 않은 프로브의 경우 불량율이 다른 것에 대비하여 높게 나타났다.
도 5 는 지르코니아 하단부만 ZrO2로 코팅한 프로브와 크기를 축소하고 전체를 코팅하지 않는 프로브의 산소 측정 값을 비교한 그래프도이다. 이에 의하면 지르코니아 하단부만 ZrO2로 코팅한 프로브와 크기를 축소하고 전체를 코팅하지 않는 프로브의 산소 측정 값의 편차는 유의 수준 5%일 경우 두 프로브의 측정 산소값은 차이가 없었다.
즉, 코팅을 실시하지 않는 것이 실제 용강의 산소 농도에 가깝다고 가정할 때, 지르코니아 고체 전해질의 하단부만 코팅한 것은 실제로 용강의 산소 농도 값에 영향을 주지 않음을 확인하였다.
이와 같이 미코팅으로 인한 침적시간이 증가하는 것을 방지하기 위하여 지르코니아 고체 전해질의 전체크기는 기존의 경우 4.6mmΦ×35mm에서 3.75mmΦ×30mm로 축소되었다. 이에 따라 전체 산소 센서부는 종래 26.7mmΦ에서 21.1mmΦ로 축소가 가능해졌다.
산소 센서부위의 크기 축소가 가능해짐에 따라 산소 센서를 사용하는 각종 프로브(TO Probe, TSO Probe, Oxygen Probe)의 전체 지관 크기도 축소되어 경제적인 효과 및 작업성이 개선되었다.
이하, 본 고안을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
[실시예]
도 6 은 종래 산소 프로브로 측산했을 경우 250ppm 이하의 값에서 본 고안과 종래품과의 상관관계를 나타낸 것이다. 종래품과 본 고안과의 상관 관계식은 Y = 0.005X2+ 0.8787X + 14.753으로 산출되었다. 그리고, 이는 도면상의 (20)으로 나타난다. 도 6 에서 알 수 있는 바와 같이 종래품과 본 고안의 용존 산소 농도차는 있으나 우수한 상관관계가 있음을 알 수 있어 본 고안의 것으로 전환이 가능함을 알 수 있다.
하기 표 2 는 종래품의 용존 산소 농도값에 대한 본 고안품의 용존 산소 농도값을 보정한 표이다(단위는 ppm임).
[표 2]
상기 표 2 에서 알 수 있듯이 종래품의 용존 산소 농도값은 알루미나 코팅 영향에 의하여 미코팅한 본 고안 대비 용존 산소 농도가 낮게 측산되었다. 그러므로 종래의 용존 산소 농도값을 기준으로 진행되었던 작업에 혼란을 방지하기 위하여 본 고안에 종래의 용존 산소값을 테이블화 하였다.
[고안의 효과]
상술한 바와 같이 본 고안에 따른 용강의 용존 산소농도 측정을 위한 산소 프로브의 산소 센서에 의하면, 표준극으로 사용되는 지르코니아 고체 전해질에 알루미늄을 코팅하지 않고 선단부위는 미코팅, 후단부는 열충격에 의한 크랙방지를 위한 ZrO2코팅으로 이루어짐으로서, 센서의 크기를 축소함이 가능하여 그를 수용하는 전체 지관의 크기도 축소되는 효과를 가진다.
Claims (1)
- 표준극으로 지르코니아 고체 전해질을 사용함으로서 탈산처리를 위한 용강의 용존 산소 농도를 측정하는 센서에 있어서,상기 지르코니아 고체전해질의 선단부위는 미코팅처리하고, 후단부는 열충격에 의한 크랙방지용 ZrO2를 코팅함을 특징으로 하는 용강의 용존 산소농도 측정을 위한 산소 프로브의 산소 센서.
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| KR101246204B1 (ko) * | 2011-02-25 | 2013-03-21 | 현대제철 주식회사 | 용강 속의 산소 농도 조정 방법 |
| CN110261459A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-09-20 | 北京科技大学 | 一种用于控制气氛中极低氧含量并测量其氧分压的装置 |
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