KR20010032079A

KR20010032079A - 폐가스 조성 감지용 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20010032079A
Application number: KR1020007005202A
Authority: KR
Inventors: 오트센데이비드케이쓰; 알렌도프사라윌리암스; 허바드개리리; 로젠버그데이비드에지치얼
Original assignee: 로렌스 더블유. 카바나흐; 아메리칸 아이언 앤 스틸 인스티튜트
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2001-04-16
Also published as: CA2309217C; KR100558229B1; JP2001523818A; AU8388398A; BR9814176A; DE69827662D1; US5984998A; EP1031024B1; ATE282824T1; AU734837B2; WO1999026058A1; EP1031024A1; CA2309217A1

Abstract

제강 공정에서의 폐가스 데이터의 비침입성 수집을 위한 장치 및 방법은, 제강로(100)에 의해 생성된 폐가스을 통과하도록 레이저 비임(300)을 투과시키고 동조 범위에서 다수의 파장을 통해 레이저 비임을 반복적으로 주사하도록 그 투과 정도를 조절하고 아울러 폐가스를 통해 투과된 레이저 비임을 검출(400)하여 검출된 레이저 비임을 전기 신호로 변환(600)시키는 장치 및 단계를 포함한다. 이 전기 신호는 제강 공정의 분석 및/또는 제어에 사용되는 폐가스의 특성을 판단하기 위해 처리된다.

Description

폐가스 조성 감지용 방법 및 장치{Method and Apparatus for Off-gas Composition Sensing}

정부 권익의 고시

미국 정부는 미국 에너지부에 의해 재정된 협정서 제DE-FC07-93ID13205호에 따라 본 발명의 권리를 갖는다.

발명의 분야

본 발명은 전반적으로 제강(steelmaking)에서의 개선에 관한 것으로, 특히 제강 공정에서 동적 공정 특성(dynamic process characteristics)을 측정하는 데 있어서의 개선에 관한 것이다.

발명의 배경

제강 산업에서의 종래의 제어 기술은 정적 컴퓨터 모델(static computer model), 예컨대 피드포워드 열 및 물질 균형 컴퓨터 모델(feed-forward heat and material balance computer model)에 의존한다. 출발 물질[예컨대, 선철(pig iron), 고철 강(scrap steel), 산소, 용제 등]의 조성 및 중량이 모델에 입력되고, 산소 유량 및 송풍 시간이 모델에 의해 계산된다. 고철 강의 미지의 조성으로 인해, 최종 강철 제품에서의 요구되는 탄소의 최종 적정 농도 및 용융 온도를 성취하는 데 있어서 상당한 부정확성을 야기한다. 그러나, 제강 공정의 공정 특성을 감시하기 위한 실용적인 실시간 방법을 종래에는 이용할 수 없었고, 따라서 공정의 동적 제어가 수행될 수 없다.

실시간 공정 감시 및 동적 공정 제어의 이용 불능성은 순산소 공정 등의 현재의 제강 공정에 대해 상당한 안전 및 효율 문제를 야기한다. 이러한 공정은 용융 금속을 강철로 변태시키기 위해 용융 금속 내에 함유된 탄소와 함께 산소를 연소시킨다. 안전하고 효율적인 변태는 공정 변수들이 소정의 공정 특성(예컨대, CO, CO₂, 및 H₂O의 온도 및 농도)을 양호한 또는 최적의 값으로 유지하도록 제어될 것을 요구한다. 현재에는 온라인이 없으므로, 최대 안전성 및 효율성을 확보하기 위한, 이러한 공정 특성을 측정하거나 감시하는 실시간 방법 및 동적 조절이 이루어질 수 없다.

특히, 순산소 공정을 사용하여 강철을 생산하는 현재의 상업적 방법은 비교적 높은 탄소 함량(약 4 중량%까지)을 함유하는 출발 물질을 ″히트(heat)″라 하는 일괄 공정(batch process)에서 출발 물질에 산소를 고속으로 송풍함으로써 변태시키는 것을 포함한다. 산소는 출발 물질 내에 함유된 탄소와 연소하여 탄소 함량을 감소시키며, 요구되는 합금에 따라 0.03 내지 0.6 중량% 수준의 탄소를 함유하는 강철이 얻어진다. 출발 물질은 용융 금속 및 용제(총괄적으로 ″바스(bath)″라 함)를 포함하고, 제강 공정 동안에 이들은 노(furnace) 내에서 용융 상 및 슬래그 상(slag phase)을 형성한다.

상기 공정은, 바스를 담는 내화 라이닝을 갖는 대형 용기, 바스 내로 산소를 송풍하는 산소 랜스(lance), 및 제강 공정에 의해 생성된 가스들을 제거하는 배기 도관을 포함하는 순산소전로(basic oxygen furnace; BOF) 내에서 수행된다. 이들 가스들은 총괄적으로 폐가스(off-gas)라 한다. 공정에 의해 생성되는 주요 가스들 중 하나는 산소와 탄소의 1차 반응 생성물인 일산화탄소(CO)이다. 일산화탄소가 노(furnace)로부터 빠져나가기 전에 이러한 CO를 산소와 더욱 반응시키기 위한 여러 방안이 존재한다. CO와 산소의 이러한 후연소(post-combustion) 반응은 상당한 발열 반응이고, 따라서 노 내의 슬래그 상 및 용융 상 모두에 대해 열을 방출한다. 이러한 추가 열은 강철 변태 공정을 가속화시킨다.

상업적 제강이 갖는 주요 문제점은 CO를 효율적으로 사용하는 것, 즉 CO의 후연소를 효율적으로 제어하는 것인데, 이는 산소 유량의 적절한 제어를 필요로 한다. 불충분한 산소가 주입된다면, CO의 최대 유효 사용이 성취되지 않는다. 한편, 너무 많은 산소가 주입된다면, 산소가 낭비되므로 비용 효율적이지 못하고, 폐가스가 너무 고온이 되어 내화 라이닝 및 배기 도관 벽에 악영향을 미친다. 통상적으로, CO의 후연소는 상업적으로 이용 가능한 질량 분광(MS) 흡수법 또는 비분산 적외선(NDIR) 흡수법을 사용한 시간 평균 방식으로 감시된다. 이들 방법은 폐가스의 샘플이 추출 및 냉각되어 분석될 것을 요구하여서, 데이터 획득에 있어서 상당한 시간 지연이 있다. 후연소 가스 농도의 몇몇 지수는 표준 열전대 기술을 사용하여 배기 도관에서의 벽과 냉각수 온도를 감시함으로써 얻어질 수도 있다. 그러나, 이러한 기술은 감도, 정확도 및 응답 시간에 있어서 심각하게 제한된다. 폐가스 내의 CO 및 Co₂농도의 온라인 실시간 측정이 없다는 것은 CO의 최적의 후연소를 보장하는 종래의 제강 공정에서의 산소 유량의 효율적인 제어를 방해한다.

현재의 상업적 제강 방법이 갖는 다른 주요 문제점은 금속의 탄소 함량에 대한 연속적인 실시간 데이터를 제공하는 온라인 방법이 없다는 것이다. 많은 상업적 강철 분쇄에 있어서, 탄소 최종 적정 농도는 예상 최종 적정점에서 공정을 정지시키고 용융 강철의 샘플을 추출하여 오프라인 화학 분석을 수행하는 것에 의해 결정된다. 다른 기술은 ″센서 랜스″ 기술의 사용을 포함하는데, 이는 소모성 센서가 구비된 수냉식 랜스를 노 내로 하강시키는 것을 요구한다. 소모성 센서는 산소 송풍의 예상 최종 적정점 부근에서 액체 강철 내에 침지되고, 금속 샘플이 추출되며, 샘플의 냉각 곡선이 측정된다. 이때, 이러한 냉각 곡선은 강철의 탄소 농도와 연관될 수 있다. 이들 두 방법은 연속 데이터라기 보다는 히트당 단일 데이터만을 얻는다.

탄소 최종 적정점 검증을 위한 다른 방법은 배기 가스가 냉각되고 입자들이 제거된 후에 배기 가스 내의 CO 및 CO₂를 결정하도록 MS 흡수법 또는 NDIR 흡수법을 사용한다. 이들 방법은 가스를 처리하기 위한 폐가스 처리 시스템의 사용을 요구하며, 이러한 시스템은 광범한 유지 보수를 요구한다.

연속 데이터가 없는 결과로서, 때때로 제강업자는 용융 금속이 적절하게 탈탄되는 것을 보장하도록 히트가 ″블로잉 플랫(blown flat)″ 기술에 의지한다. ″블로잉 플랫″ 기술은 용융물 내의 탄소 농도를 요구되는 범위의 하한으로, 즉 0.03 중량%까지 감소시키기 위해 과도한 산소를 사용한다. 용기에 유출 꼭지가 설치되어 강철이 래들(ladle)로 전달된 후에, 래들 내에 물질을 첨가함으로써 탄소 농도가 요구되는 수준까지 다시 상향 조절된다.

그러나, 이러한 공정은 몇 가지 이유로 인해 비효율적이다. 첫째, 용융물 내의 탄소의 완전한 산화를 보장하기 위해 과도한 산소가 사용되어 추가 비용을 필요로 한다. 둘째, 과도한 산소의 사용은 분해된 탄소가 매우 낮은 농도로 감소된 때 용융 바스 내의 철이 산화되게 한다. 이러한 산화는 상업적 제품의 일부를 형성하여야 하는 철이 슬래그 상 내에 있게 되는 산화철로 손실되게 한다. 마지막으로, 블로잉 플랫 공정은 불필요한 추가 공정 시간의 소비를 요구하여서, 산업 공정에서의 작업량을 감소시키고, 결과적으로 비용을 증가시키고 이익을 감소시킨다.

기존의 제강법이 갖는 또 다른 중요한 문제점은 고온 금속 화학 및 용제 첨가물의 소정 조합이 사용될 때 반응성이 높은 포말성 슬래그층의 생성인데, 이는 산소 블로잉[″슬로핑(slopping)″이라고 부름] 동안에 BOF 용기로부터의 대량의 액체 슬래그의 방출을 일으킨다. 이러한 슬로핑은 용기 입구 및 배기 후드 상에서의 바람직하지 못하고 급속한 슬래그의 축적과, 랜스 상에서의 스컬의 축적 증가를 일으킨다. 슬로핑은 랜스 변수(예컨대, 바스 위의 랜스 높이 및 산소 유량)를 조정함으로써 제어될 수 있지만, 이는 기존의 제강 기술이 노로부터 방출된 액체 슬래그량을 검출할 수 없기 때문에 자동적으로 제어하기 어렵다.

기존의 제강법이 갖는 또 다른 난점은 노 내의 대량의 수분의 존재로부터 기인한다. 노 내의 대량의 수분은 용융물 표면에서의 수소 분자의 급속한 형성을 일으켜 폭발의 위험성으로 인한 주요 안전성 위험 요인을 생성시킨다. 과도한 수분의 존재는 수냉식 산소 랜스 또는 수냉식 폐가스 배기 덕트로부터의 냉각수의 바람직하지 않은 누설에 의해 일어날 수도 있다. 종래로부터, 제강 전로 내의 수소 형성 가능성은 산소 랜스를 통한 냉각수 유량의 입력 및 출력과 배기 후드 시스템을 감시함으로써 결정된다. 유량의 차이가 크거나 유량의 갑작스런 변화는 노 용기 내로의 위험한 누설을 나타낼 수 있었다. 그러나, 유량 감시가 위험한 수준의 수소를 발생시킬 수도 있는 수분 발생원을 나타내는 동안에, 이러한 방법은 실제로 존재하는 수소 수준을 나타내지 못하여, 폭발에 대한 충분한 안전 장치를 제공하지 못한다.

종래 감시 기술의 상기 제한에 접근하려는 노력으로, 수냉식 추출 탐침을 사용하여 노 입구 근처에서 가스를 샘플링하는 방법에 대한 연구가 수행되었다. 다음에, 추출된 가스는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 또는 질량 분광 측정법 중 하나로 분석되었다. FTIR법은 상기 방법에 비해 가스상의 농도를 측정하는 비교적 실시간의 응답을 제공한다. 그러나, 추출 탐침은 노 입구 위라는 그 위치로 인해 수명이 제한된다. 또한, 폐가스 온도는 추출 탐침 내에 위치된 열전대에 의해 상기 기술로 측정되는데, 이러한 열전대는 응답 시간이 느리다.

따라서, 신뢰성 있는 비침입식 방법을 사용하여 폐가스 특성에 대한 실시간의 연속적인 데이터를 제공할 수 있는 감시 방법의 개선이 필요하다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 제조 공정에서 동적인 공정 특성을 감시하는 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 제강 공정의 분석 및/또는 동적 제어를 가능하게 하기 위해 폐가스 특성에 대한 실시간 데이터를 얻는 비침입식 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양호한 실시예에 따르면, 레이저 비임을 제강로에 의해 발생된 폐가스를 통해 투과하는 수단(또는 단계)이 제공되는데, 이는 레이저 비임 파장의 동조 범위를 갖는다. 폐가스를 통해 투과된 레이저 비임을 검출하고 검출된 레이저 비임을 전기 신호로 변환하는 수단(또는 단계)과 함께, 레이저 비임을 그 동조 범위 내의 복수개의 파장을 통해 반복적으로 주사하기 위해 투과를 제어하는 수단(또는 단계)도 제공된다.

또 다른 양호한 실시예에 따르면, 레이저 비임을 제강로의 폐가스를 통해 투과하는 수단 또는 단계가 제공되며, 레이저 비임은 투과된 레이저 비임을 검출하고 검출된 레이저 비임에 대응하는 전기 신호를 발생시키고 제강로 내의 배기 가스의 적어도 하나의 특성을 결정하도록 전기 신호를 처리하기 위해 투과 동안에 파장의 레인지를 통해 반복적으로 주사된다.

또 다른 양호한 실시예에 따르면, 레이저 비임을 제강로에 의해 발생된 폐가스를 통해 투과하도록 배열된 동조식 다이오드 레이저와, 주입 전류를 동조식 다이오드 레이저에 제공하기 위해 동조식 다이오드 레이저에 전기적으로 접속되고, 파장이 복수개의 파장을 통해 반복적으로 주사되는 레이저 비임을 레이저가 출력하도록 레이저에 제공된 주입 전류를 변화시키는 제어 회로와, 레이저 비임을 수용하여 수용된 레이저 비임에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 검출기를 포함하는 제강로 내의 폐가스의 비침입식 수집을 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 폐가스의 적어도 하나의 특성을 결정하기 위해 전기 신호를 수용 및 처리하는 컴퓨터를 포함할 수도 있다. 또한, 제어 회로는 레이저 비임을 복수개의 파장을 통해 주사하는 동안에 레이저 비임을 파장 변조하기 위해 주입 전류를 변화시키도록 구성될 수도 있고, 검출기는 변조된 레이저 비임의 조화 신호를 검출하는 로크인 증폭기를 포함할 수도 있다.

통상의 숙련자들은 본 발명의 다른 목적 및 태양을 첨부 도면을 참고로 아래에 설명된 양호한 실시예들의 상세한 설명으로부터 명백하게 이해할 수 있다.

도1은 순산소전로(basic oxygen furnace)에 적절한 본 발명의 구성을 도시한 개략도이다.

도2는 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라서 취한 도1에 도시된 순산소전로의 단면도이다.

도3은 레이저 공급원 모듈의 부품을 도시한 개략도이다.

도4는 검출기 모듈의 부품을 도시한 개략도이다.

도5는 파수의 함수로 측정 및 계산된 투과율 값을 도시한 그래프이다.

도6은 경과된 블로잉 시간의 함수로서 레이저 투과율 및 온도 값을 도시한 그래프이다.

도7은 경과된 블로잉 시간의 함수로서 레이저 투과율 및 흡수비 값을 도시한 그래프이다.

도8은 경과된 블로잉 시간의 함수로서 H₂O의 흡수도를 도시한 그래프이다.

도9a는 실험실에서 CO 및 수증기의 실험적으로 측정된 직접 흡수 스펙트럼의 그래프이다.

도9b는 도9a의 스펙트럼의 실험적으로 측정된 2차 조화 스펙트럼과 계산된 2차 조화 스펙트럼의 그래프이다.

도10a는 파수의 함수로서 계산된 투과율 값을 도시한 그래프이다.

도10b는 도10a에 도시된 투과율 값의 그래프로부터 계산된 2차 조화 투과율 값을 도시하고, 또한 측정된 2차 조화 투과율 값을 도시한 그래프이다.

도11은 경과된 블로잉 시간의 함수로서 탄소 일산화물의 첨두 강도비를 도시한 그래프이다.

도12는 경과된 블로잉 시간의 함수로서 탄소 일산화물과 탄소 이산화물의 첨두 강도 값의 비를 도시한 그래프이다.

도13은 경과된 블로잉 시간의 함수로서 폐가스(off-gas) 방출 강도 신호(상부 곡선)와 2f 신호 강도(하부 곡선)를 도시한 그래프이다.

본 발명은 비 침입식인 광학 센서 시스템이다. 이 시스템은 제강로에 의해 산출된 폐가스의 특성을 측정함으로써 제강 공정의 동적 처리 특성을 감시한다. 이는 파수의 범위를 통하여 레이저 비임을 주사하는 동안 폐가스를 통하여 동조식 다이오드 레이저를 투과하고 적외선 광학 검출기 모듈을 갖는 비임을 검출함으로써 얻어질 수 있다. 그 다음, 결과 신호는 CO 및 CO₂의 농도, 온도, 탄소 최종 적정점 수준(즉, 탄소 함유량), 노 슬로핑(furnace slopping) 및 수증기 농도와 같이 처리 특성들을 나타내는 레이저 투과율 및 흡수 강도를 해석하도록 처리된다.

일반적으로, 본 발명에 따른 광학 센서 시스템은 4개의 개별 섹션, 즉 ⑴ (조합된 전자 모듈을 갖는) 동조식 레이저 공급원, ⑵ 검출기 모듈, ⑶ 제강로, 예를 들어 순산소전로(BOF)에 의해 산출되는 폐가스를 통하여 지나가는 레이저 공급원으로부터 검출기 모듈까지의 광학 통로 및 ⑷ 데이터 수집/표시/출력 모듈을 포함한다.

본 발명의 양호한 실시예의 구조물은 양호한 실시예의 작동의 설명에 따른 도1 내지 도4를 고려하여 설명될 것이다. 비록 양호한 실시예가 순산소전로를 참고로하여 설명되어 있더라도, 본 발명은 이러한 적용예에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 광학적 조준선이 레이저 비임 투과에 유용하게 할 수 있는 제강 공정의 제어와 폐가스 흐름의 해석에 일반적으로 적용할 수 있다. 순산소전로에 더하여, 다른 예들은 전기아크로 및 저취산소전로(bottom-blown oxygen furnace)를 포함한다.

도1은 입구(105)를 갖는 순산소전로(100)에 적합한 본 발명의 배치를 도시한다. 노는 열 차폐부(110, 120)에 의해 둘러 싸인다. 배기 후드(130)는 폐가스를 모으기 위하여 노(100)의 입구(105)에 가깝게 위치(예를 들어, 약 3 피트 정도로 분리)되어 있다. 수직으로 조절 가능한 산소 랜스(oxygen lance; 140)은 노 내에 산소를 주입하도록 노(100) 내에 삽입 가능하다.

도1에 도시된 바와 같이, 노 입구 바로 위에 위치된 광학 통로(200)는 노(100)의 대향 측면에서 열 차폐부(110, 120) 뒤에 각각 장착된 동조식 레이저 공급원(300) 및 적외선 신호 검출기 모듈(400)과 연결한다. 구멍은 레이저 공급원(300)과 검출기 모듈(400) 사이의 레이저 비임 통로를 제공하도록 열 차폐부(110, 120) 내에 구비된다. 양호한 실시예에서 이들 구멍은 약 3 인치의 직경을 갖지만, 그 크기가 임계치는 아니다. 전자 모듈(500)은 레이저 공급원(300)에 인접한 열 차폐부(110)의 측면 상에 위치된다. 레이저 공급원(300)과 전자 모듈(500)은 적절한 전선(550c)에 의해 상호 연결되고, 검출기 모듈(400)과 전자 모듈(500)은 적절한 전선(550b, 550a)에 의해 원격에 위치된 데이터 수집/표시/출력 모듈(600)에 각각 연결된다.

도2는 도1에 도시된 절단선 Ⅱ-Ⅱ를 따라서 취한 노(100)의 단면도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 광학 통로(200)는 노의 중심으로부터 산소 랜스(140)의 일 측부로 오프셋되어 있다.

레이저 공급원, 검출기 모듈 및 데이터 수집/표시/출력 모듈의 추가의 상세한 설명은 도3 및 도4를 고려하여 설명된다.

도3에 도시된 바와 같이, 레이저 공급원(300)은 2개의 동조식 적외선 레이저(310, 315)를 포함한다. 레이저(310, 315)는 그들의 전기 특성 및 광학 특성에 있어서 유사하다. 레이저(310)는 폐가스 측정에 능동적으로 사용되는 한편 레이저(315)는 예비로 확보되어 있다. 사용될 레이저는 [전자 모듈(500)에 관하여 아래에서 논의되는] 컴퓨터 제어에 의해 선택되고, 비임 통로는 제거 가능한 미러(320)의 유무에 의해 결정된다. 양호한 실시예에서, 레이저(310, 315)의 각각은 1900 내지 2200 ㎝^-1(4.55 내지 5.26 ㎛)의 파수에서 적어도 0.01 ㎝^-1의 스펙트럼의 분해 가능하다. 작동시, 사용된 레이저는 가능한 작동 범위보다 좁은, 예를 들어 2111 내지 2115 ㎝^-1의 동조 범위 내에서 작동하도록 구성된다. 더욱이, 제강 공정의 다른 형태를 위한 또는 아래에 설명된 것들 이외의 다른 폐가스 특성을 결정하기 위한 최적의 동조 범위를 선택함으로써, 양호한 실시예는 이러한 다른 종류의 제강 공정에 사용되도록 또는 다른 폐가스 특성을 결정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 1700 내지 2500 ㎝^-1(4.00 내지 5.88 ㎛)의 넓은 범위에서 작동할 수 있는 레이저는 적절한 동조 범위를 선택하는 데 있어서 보다 더 큰 적응성을 제공하는 데 사용될 수 있다.

양호한 실시예에서, 레이저(310, 315)는 매사츄세츠주 앤도버의 레이저 포토닉스 인크(Laser Photonics Inc.)에 의해 제조된 모델 엘5621 레이저와 같은 중간적외선 대역의 극히 좁은 라인폭 방사(0.0005 cm^-1)를 하는 상업적으로 구매 가능한 납-염-다이오드(lead-salt-diode) 반도체 레이저이다. 이들 레이저는 다이오드 주입 전류를 조절함으로써 2 내지 4 cm^-1의 범위에 대해 연속으로 파장이 변화될 수 있다. 이들은 위험하지 않으며, 1등급 레이저이다.

액체 질소의 온도로 냉각될 수 있는 진공 가능 듀어 하우징(330, evacuable dewar housing)이 레이저에 연결된다. 듀어 하우징(330)으로부터의 레이저 출력은 확산되는 적외선 비임이며, 따라서, 렌즈(350a, 350b)가 각 비임 경로에 제공되어 각 비임을 조준한다. 렌즈(350a, 350b)는 f/1, 1.5 in의 초점 길이의 칼슘-플로라이드 렌즈이다. 미러(355a, 355b, 355c, 355d)는 레이저 비임을 방향전환하기 위해 제공되며, 미러(355d)는 노의 폐가스를 통해 비임 경로의 위치를 변경하도록 조절 가능한 원격 작동 미러이다. 레이저(310)로부터의 도3의 실선은 동조식 다이오드 레이저(TDL) 비임 경로를 도시한다.

따라서, 적외선 파장의 TDL 레이저는 보이지 않기 때문에, 가시 정렬 비임이 TDL 조준선을 따라 투과되어 센서 설치 중 검출기 모듈과 TDL 비임의 신속하고 정확한 정렬을 돕는다. 정렬 비임은 가시 정렬 레이저(360)에 의해 발생되며 미러(365a, 365b)에 의해 TDL 비임 경로의 좁은 밴드 광 필터(370)의 제2 표면으로 안내된다. 적외선 TDL 비임 및 가시 레이저 비임은 필터(370)의 제2 표면 상에서 결합되어, 안정되고 정확하게 일치된 레이저 비임을 형성한다. 도3의 은선은 레이저(360)로부터 비임 결합 필터(370)까지 가시 레이저 비임 경로를 도시한다.

도3에서 도시된 바와 같이, 기준 비임이 비임스플리터로서 기능하도록 칼슘 플로라이드 창(375)을 TDL 비임 내로 삽입함으로써 제공된다. 창(375)은 저압 (약 40 torr) CO로 충전된 가스 셀(380)을 통해 미러(378)를 경유하여 입사 레이저 비임 출력의 약 5 내지 10%를 향하게 한다. 가스 셀(380)에 존재하는 비임은 인듐-안티모나이드(InSb) 또는 다른 적절한 재질의 적외선 기준 검출기(385) 상의 칼슘 플로라이드 렌즈(382)에 의해 초점이 맞추어지며, 적외선 기준 검출기는 증폭기(386)에 의해 증폭되는 검출 신호를 출력한다. TDL이 주입 전류 동조 범위를 통해 스캐닝되기 때문에 좁은 흡수 라인의 특성 흡수 패턴이 형성된다. 이러한 특정 패턴은 다이오드 레이저의 온도 튜닝이 올바르게 세팅되었는지 그리고 소정의 다이오드-전류 튜닝 범위가 스캐닝되었는지를 확인하기 위해 사용된다.

레이저 공급원(300)의 성분은 적절한 환경 제어를 위해 제공된 외피(390)로 둘러싸인다. 외피(390)는 외피 내로 먼지의 침입을 방지하기 위해 기밀 밀봉된다. 외피는 냉각을 위해 외부에 장착된 추가의 열 절연부(393)와 함께 이중 벽의 물 재킷(392)으로 구성된다. 레이저 공급원(300)의 내부 성분은 외피 내에 양의 압력을 형성하는 (도시되지 않은) 기구에 의해 냉각된 건조 공기의 스트림에 의해 추가로 냉각된다. 냉각수 및 냉각된 건조 공기는 모두 제강 플랜트의 설비에 의해 공급된다.

외피(390)는, TDL 비임의 조사를 허용하도록 하나의 벽에 장착된, 칼슘 플로라이드 또는 다른 적절한 적외선 투과 재질로 된 창(395)을 갖는다. 창(395)은, 검출된 TDL 신호에서 간섭 줄무늬[″에탈론(etalon)″]의 형성을 방지하도록, TDL이 작동되는 파장 범위에 대해 반사 방지 피막된다. 외부 창 표면은 표면 상에 먼지 및 찌꺼기의 축적을 방지하도록 도시되지 않은 기구에 의해 건조된 기구-공기(instrument-air)로 세척된다. 모터 구동 셔터(397)가 측정이 이루어지지 않을 때 창(395)의 표면을 보호하기 위해 외피(390)의 외부에 제공된다. 모터 구동 셔터(397)는 모터(398)에 의해 구동되어 수동으로 또는 컴퓨터 제어로 작동될 수 있다.

안정된 기부를 제공하기 위해, 레이저 공급원(300)은 외피(390) 내에 장착된 광학 부품을 위한 안정성을 제공하기에 충분한 두께(적어도 1 인치)의 알루미늄 또는 강철 벌집형 기부판으로 구성된 (도시되지 않은) 판 상에 장착된다. 기부판은 폐가스 스트림(off-gas stream)에 인접한 플랫폼 상에 절연되어 견고히 장착된다. 장착 플랫폼은 레이저 공급원(300)을 지지할 정도로 충분한 강성을 가져야 하며, 제강 처리 및 폐가스 스트림에 의해 발생된 복사 및 대류 열 부하를 최소화하기 위해 열 실드에 의해 보호되어야 한다.

(도1에서 도시된) 전자 모듈(500)은 동조식 다이오드 레이저의 출력을 제어하고 안정화하는 데 필요한 표준 전자 부품을 포함한다. 추가의 부품은 레이저 공급원(300) 내의 여러 부품(가시 다이오드 정렬 레이저(360), 원격 작동 미러(355d), 기준 검출기 증폭기(386) 및 셔터 모터(398))을 위한 전원을 포함한다. 이들 부품은 이루어진 측정 타이밍에 따라 레이저 공급원 부품에 전력을 공급하기 위해 데이터 수집/표시/출력 모듈(600)에 의해 원격 제어 가능하다. 전자 모듈(500)은 도시되지 않은 기구에 의해 건조 공기에 의해 냉각되고 세척된다. 레이저 공급원(300) 및 데이터 수집/표시/출력 모듈(600)에 전자 모듈(500)을 연결하는 케이블은 전자 모듈 하우징 내의 두 개의 구멍을 통과한다.

이러한 구멍들은 레이저 공급원 및 검출기 모듈 내의 유사 구멍과 같이 건조 정화 공기용 출구로서 이용된다.

도1에 도시된 대로, 레이저 비임은 산소 랜스(lance)(140)에 인접한 BOF(100) 내의 폐가스를 통과한다. 레이저 비임의 흡수는 파수의 함수로서 가변되고, 폐가스 내의 진동식으로 여기된 가스상 분자에 단지 기인한 각각의 흡수 라인은 검출기 모듈(400)에 의해 감시될 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 조준선을 따라 가열 대역 외부의 CO, CO₂및 H₂O 분자에 의해 야기된 광학 흡수로 인한 부정확성은 가스 농도 및 온도를 계산함으로써 피할 수 있게 된다. 광학 통로를 따른 분자 흡수 외에, 레이저 비임은 가스 유동 내에 포함된 매우 많은 소립자에 의해 야기된 산란으로 인해 폐가스를 통한 그 통로 내에서 심하게 감쇠될 수 있다. 이러한 감쇠로 인해 몇몇 적용에 있어서 통로 단축 장치의 사용을 필요로 하게 된다. 통로 단축 장치는 레이저 비임의 조준선을 따라 폐가스 유동 내로 짧은 거리 만큼 연장하는 대향 관을 포함할 수 있다. 관들은 공기 또는 몇몇 불활성 가스의 유동으로서 세척되고, 입자를 충분히 지닌 폐가스를 통해 광학 통로 길이를 단축시키는 작용을 한다. 통로 단축 장치는 광학 요소들을 포함하고 있지 않기 때문에, 값싼 재료로부터 형성될 수 있고 슬래그 부착물이나 부유하는 찌꺼지들로부터의 충격 손상으로 인한 갑작스런 고장이 발생하는 경우에 대비해 일회용 품목이 되도록 고려된다.

흡수 및 감쇠외에, 검출기 모듈(400)에서의 추가의 광학 간섭은 입자 및 폐가스 스트림 내의 가스 분자로부터의 넓은 밴드 방출을 변동시킴으로써 생성된다. 또한, 폐가스 스트림 내의 난류 및 광학 통로를 따른 큰 열적 차이로 인해 투과된 레이저 비임은 검출기 모듈(400) 내로 침투할 때 임의의 형태로 나아가게 된다. 따라서, 매우 약하게 투과된 비임을 적절히 검출하도록 매우 민감한 형상이 검출기 모듈(400)에 요구된다.

도4는 적외선 신호 검출기 모듈(400)의 바람직한 실시예의 구조를 도시한 것이다. 도4에 도시된 대로, 검출기 모듈의 부품들은 레이저 공급원(300)에서 기술된 외피와 유사한 물 재킷식 기밀 밀봉 외피 내에 수용된다.

외피(410)는 검출기 모듈의 부품들에 대한 냉각 및 주변 제어를 제공한다. 외피는 검출기 모듈 부품들에 대한 안정된 기초를 제공하기 위해 레이저 공급원(300)에서 기술된 것과 유사한 (도시되지 않은) 기부판 상에 장착된다.

반사 방지 코티된 칼슘 불화물 창(430)은 외피(410)의 벽에 마련된다. 창(430)은 TDL 비임을 검출기 모듈 내로 투과하는 데 이용되는 한편 또한 고온 가스 및 먼지의 침투에 대해 모듈을 밀봉하는 역할을 한다. 레이저 공급원의 칼슘 불화물 창(395)과 함께, 반사 방지 코팅은 검출된 신호에서의 에탈론(etalon)의 형성을 줄이고, 창(430)의 외부면은 그 표면 상의 먼지 입자들의 축적을 방지하도록 도시되지 않은 기구에 의해 건조 기구 공기로 정화된다. 모터(437)에 의해 구동된 셔터(435)는 측정을 하지 않을 때 창(430)을 보호하도록 제공된다.

미러(440a, 440b)은 검출기 모듈 내로 침투하는 레이저 비임을 InSb, 또는 다른 적절한 재료 및 검출기(450)로 안내하기 위해 마련된다. 검출기(450)는 1 mm 직경의 검출기 표면을 갖는다. 2개 이상의 개구(460a, 460b)는 뜨거운 배경 및 실험상의 소음 수준을 줄일 뿐만 아니라 원하지 않는 축을 벗어난 빛이 검출기(450)와 부딪치는 것을 물리적으로 차단하기 위해 검출기 모듈 내의 조준선을 따라 마련된다. 빠른(즉, 낮은 f수의) 칼슘 불화물 렌즈(470)가 투과된 레이저 비임을 검출기 표면 상에 집중하는 데 이용된다. 바람직한 실시예에서, f수가 1인 렌즈가 이용된다. 이러한 고집중 효율 및 작은 화상 크기는 폐가스를 가로지르는 동안 레이저 비임의 조정으로 인해 신호 손실을 줄이게 된다. 좁은 밴드 광 필터(480a, 480b)의 조합체는 합성 필터 대역여파기가 최적 레이저 파장 조정 범위 주위에 중심이 오도록 검출기(450) 바로 앞에 배치된다. 이는 레이저 검출에 필수적인 파수 범위에서의 빛만이 검출기에 도달하도록 원하지 않는 넓은 대역의 광을 제한한다. 바람직한 실시예에 이용된 검출기에 있어서, BOF 폐가스 내에 존재하는 배경 상태와 30 cm^-1이하의 대역여파기는 만족스런 동적 범위에 대해 충분히 투과된 레이저 신호를 제공하는 한편 검출기가 과부하되는 것을 방지하는 데 바람직하게 이용되어야 한다. 증폭기(490)는 검출기(450)에 의해 검출 신호 출력을 증폭하기 위해 제공된다.

데이터 수집/표시/출력 모듈(600)은 일예로 PC를 기본으로 한 컴퓨터 제어 시스템과 같은 데이터 처리 컴퓨터(610)를 포함한다. 데이터 수집/표시/출력 모듈(600)은 또한 100 KHz 로크-인 증폭기(620)를 포함하고, 그 증폭기를 통해 검출기 모듈(400)로부터의 신호는 (이하에 논의된) 조화 검출 작동 모드에서 루우트를 정하게 된다. 컴퓨터(610)는 (증폭기(386)에 의한 증폭 후의) 기준 검출기(385)와 (조화 검출 모드에서 100 KHz 로크-인 증폭기(620)와 증폭기(490)에 의한 증폭 후의) 검출기(450)로부터의 흡수 스펙트럼과, 시스템의 신호 대 소음비를 최대화하기 위해 검출기(450)로부터 신호의 컴퓨터 평균 주기 샘플을 수용한다. 시간 평균 측정당 1 내지 5초의 총 응답 시간은 노의 상태 및 소정의 신호 대 소음비에 따라 달성된다(즉, 더 장시간에 걸친 평균 이상의 표본들은 신호 대 소음비를 향상시키게 된다.) 처리 후에, 데이터는 스크린 출력으로서 표시될 수 있고, 프린터에 출력될 수 있거나, 소정 상태와 만나게 되는 경보가 울리도록 출력되는 프로세스 제어 신호를 발생하는 데 이용될 수 있고(일예로, 폭발을 가져오는 수소 생성을 야기할 수 있는 위험한 수량이 검출되고) 또는 프로세스 인자를 제어하기 위해(일예로, 랜스 내의 산소 유량을 가변하기 위해) 출력된다.

이제 바람직한 실시예의 작동에 대해 도5 내지 도13을 참고로 하여 논의하기로 한다. 2개의 특정한 작동 모드, 즉 직접 흡수 모드 및 조화 검출 모드가 가능하다. 직접 흡수 모드에서, 투과된 적외선 레이저 비임은 폐가스 내의 가스-상 종류(일예로, CO, CO₂및 H₂O)로 인한 흡수 특징들을 검출하기 위해 직접 분석되고, 실시간 프로세스 제어를 허용하도록 가스 온도 및 농도 면에서 결과들이 설명된다. 이러한 작동 모드는 평균 최대 투과된 레이저 동력이 본래 레이저 동력의 적어도 10 %가 되도록, 직경이 작고 비교적 적은 먼지를 적재하고 있는 폐가스 스트림에 특히 적절하다.

조화 검출 모드에서, 입사 레이저 비임은 파장 범위에 걸쳐 주사되는 것 외에 고주파수에서 (진폭 또는 파장이) 변조된다. 투과된 레이저 비임은 고주파수 변조의 제1 또는 제2 조화 주파수에서 상 반응 장치(일예로, 도4에 도시된 로크-인 증폭기(620))를 이용하여 검출 및 처리된다. 폐가스 내의 가스-상 종류(일예로, CO, CO₂및 H₂O)로 인한 흡수 특징들이 관측되고, 실시간 프로세스 제어를 허용하도록 가스 온도 및 농도 면에서 결과들이 설명된다. 이러한 작동 모드는 평균 최대 투과된 레이저 동력이 본래 레이저 동력의 10 % 이하가 되도록, 직경이 크고 비교적 많은 먼지를 적재하고 있는 폐가스 스트림에 특히 적절하다.

직접 흡수 모드에 대해서는 우선 도5 내지 도8을 참고로 하여 논의하기로 한다. 간략하게, 전술된 도1 내지 도4의 구조는 다음과 같이 작동한다. 동조식 레이저 공급원(300)은 소정 범위의 파장에 걸쳐 주사되는 레이저 비임을 출력한다. 레이저는 폐가스 온도의 결정에 있어 최대 정확도를 위해 적어도 3 cm^-1의 파수 범위에 걸쳐 주사되는 것이 바람직하다. 직접 흡수 모드의 바람직한 실시예에서, 레이저는 2111 내지 2115 cm^-1의 파수 범위에 걸쳐 주사된다. 다른 파장 범위가 다른 제강 공정으로부터 폐가스 스트림의 특징을 나타내기 위한 센서 성능을 최적화하는 데 이용될 수 있다. 레이저 출력 동력은 적절한 검출 반응도를 보증하기 위해 적어도 100 마이크로와트(microwatts)로 되어야 하나, 레이저는 단지 단일 모드에서 레이저를 쏘아야 한다. 리이드-염 다이오드 레이저 공급원을 이용할 때, 레이저 작동 온도는 액체 질소 냉각제 사용을 최소화하면서 적절한 파장 제어를 위해 85 내지 110 K 사이로 되어야 한다.

전자 모듈(500)은 레이저 온도와 주입 전류를 모두를 조절한다. 양호한 실시예에서, 전자 모듈은 TDL(310)이 1000 ㎐의 주파수의 파장 동조 범위에서 주사되도록 주입 전류를 조절한다. 레이저 비임은 BOF(100)의 폐가스(off-gas)를 통과하며, 여기에서 임의의 파장이 폐가스의 CO, CO₂및 H₂O 분자의 분자 진동-회전 천이 운동(transition)에 의해 흡수된다. 검출 모듈(400)은 전달된 레이저 비임을 검출해서 데이터 처리 컴퓨터(610)로 데이터를 출력한다. 컴퓨터(610)는 사전에 계산된 이론적 투과 스펙스럼을 저장해서, 후술하는 평균 가스 농도, 온도 및 다른 특성의 측정치를 결정하기 위해 계산된 투과 스펙트럼과 레이저 투과율 및 CO와 CO₂의 흡수율과 같은 검출된 데이터의 특성을 비교한다.

특히, CO와 CO₂에 대한 개별 분자 천이 운동의 흡수 강도는 잘 한정된 관계에서 그들의 온도 및 농도 모두에 따른다. 측정된 투과 스펙트럼을 이론적 계산값에 맞춤으로써, 평균 가스 농도와 온도의 측정이 광학적 조준선을 따라 이루어질 수 있다. 이론적 계산은 다음의 방법에 기초한다.

(1) (동위 원소¹²C¹⁶O,¹³C¹⁶O,¹²C¹⁸O,¹²C¹⁷O 및¹³C¹⁸O에 대한) 개별 CO 진동 천이 운동에 대한 흡수 파수(ν_ⅰ)와 저에너지 준위(E″)가 10 까지의 저진동 콴텀수(v″)에 대해 계산되었다.[본 명세서에서 인용 설명으로 합체된 1991년, 375에 개재 제이. 몰. 스펙.(J. Mol. Spec.)의 알. 파렌크(R. Farrenq) 등의 방법 사용]

(2) 그 후, 이들 값은 CO 흡수율 스펙트럼을 계산하기 위한 데이터로서 사용되었으며, 계산된 CO 흡수 특성의 형상은 ″보이트 프로파일″(Voigt profiles)로 지칭된다.[본 명세서에서 인용 설명으로 합체된 1977년, 555에 개재된 제이. 콴트. 스펙트로스크. 래디아트. 트랜스퍼(J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer)의 제이. 에이치. 피에루이시(J. H. Pierluissi) 등의 방법 사용)]. ν_ⅰ와 E″ 이외의 입력값은 대기 단위에서 분압으로 표현된 CO 농도인 C_CO와, 흡수 가스 매체를 통한 통로 길이인 L과, 가스 온도인 T(켈빈 온도)와, [본 명세서에서 인용 설명으로 합체된 1991년, 339에 개재된 제이. 콴트. 스펙트로스크. 래디아트. 트랜스퍼의 피. 엘. 바기스(P. L. Varghese) 및 알. 케이. 핸슨(R. K. Hanson)의 작업에서 실험적으로 결정된] 계산 온도에서 CO 흡수 특성에 대한 충돌 폭의 반값인 γ_ⅰ과, (매사츄세츠주, 노스 앤도버, 나인 빌리지 웨이에 위치한 온타르 코포레이션(Ontar Corp.)의 하이트랜(HITRAN) 1992 데이터베이스 제2.31판에 기초한 하이트란 데이터로부터 얻은) 라인 강도인 S이다.

(3) CO 흡수 스펙트럼은 1500 내지 2100 K의 온도에서 50K의 간격으로 계산되었다. 측정된 관련 양은 레이저 투과율인 T(ν)이며, 이것은 소정 파수(ν)에 대해 검출된 레이저 강도(I)에 대한 입사 레이저 강도(I₀)의 비율로 표현된다. 최종 투과 스펙트럼은 흡수 스펙트럼[a(ν)]에 직접 관련된 것으로서,

a(ν)= -log(T(ν))이다.

도5는 측정이 파일럿 스케일(pilot-scale) BOF의 입구 위로 투과된 레이저 비임으로 이루어져서 계산된 투과 스펙트럼과 비교된 예에 대한 데이터를 보여주고 있다. 실선 커브는 레이저 비임의 투과를 보여주고 있으며, 상기 관계를 거쳐 측정된 CO 흡수율을 지시한다. 점선 커브는 0.5 m의 광학 경로와 1435K의 온도와 0.12 대기 분압과 1 기압의 전체 대기압을 사용해서 CO에 대한 투과 특성을 이론적으로 계산한 것을 나타낸다. 실험적 투과에서 별표로 표시된 특성은 CO 계산에서는 생성되지 않는 뛰어난 CO₂흡수이다.

(4) 일련의 계산된 CO 흡수 스펙트럼을 사용하면, 온도에 가장 민감한 CO 흡수 라인이 확인되었으며[예컨대, 도5에서 2112.6 cm^-1(ν_ⅰ)와 2113.0 cm^-1(ν_j)에서의 특성], 흡수비인 R_T는 온도의 함수로서 R_T=a(ν_ⅰ)/a(ν_j)로 계산된다.

(5) 그 후, 전체 (1500 내지 2100 K) 온도 범위에 걸쳐 두 개의 선택된 CO 흡수 특징에 대한 흡수비를 표현하는 수학적 함수를 산출하기 위해 (공지된 커브에 맞는 기술을 사용해서) 이들 다양한 비율 R_T에 대한 9원 방정식이 만들어진다.

상기 방법을 이용하면, 가스 온도는 광 센서 신호로 실시간으로 계산될 수 있다. (도5에 도시된 바와 같은) 파수의 함수로서 투과 데이터는 매초마다 발생되고, 특정 파수에서의 투과도의 크기가 산출된다. 투과도는 전술한 관련 식을 이용하여 컴퓨터(610)에 의해 흡수값으로 신속하게 변환된다. 이 때, 소정의 흡수 특성에 대한 흡수 비가 R_T에 대한 다항 피트(fit)의 입력으로 사용되고, 그 온도 값이 컴퓨터에 의해 표시되고 메모리 내에 저장된다. 또한 주목해야 할 것은 흡수가 광 통로 길이를 따른 CO의 농도에 직접적으로 비례하므로, CO의 부분 압력이 이 계산으로부터 실시간으로 산출될 수 있다는 것이다.

도6은 열을 통한 시간의 함수로서 온도 및 레이저 투과도의 그래프를 도시한다. 온도(상부 곡선)는 전술한 바와 같이 계산된다. 도6에 도시된 레이저 투과도(하부 곡선)은 2114.1 cm^-1의 파수에서 첨두 투과도의 값이다. 폐가스 스트림을 통한 최대 레이저 투과도는 광학적 조준선을 따른 적외선 흡수 가스의 농도에 관련될 뿐만 아니라 폐가스 내에 혼입된 다수의 입자들에 의해 야기되는 산란과도 관련이 있다. 2114.1 cm^-1에서는, CO 및 CO₂분자 흡수가 거의 예상되지 않고, 보고된 레이저 투과는 먼지 입자들에 의한 산란으로 인해 레이저 비임의 감쇠를 주로 나타낸다. 레이저 투과에서의 실질적인 증가는 파일럿 스케일 실험 중에 측정된 바와 같이 약 1300초에서 O₂블로잉 시간에 개시되는 것으로 관측된다.

도6에 도시된 데이터에서 몇개의 갭들은 산소가 2톤의 연구용 BOF에서 블로잉되는 중에 센서 랜스가 금속 샘플들을 추출하기 위한 노로 하강될 때 발생되었다. 하강될 때 센서 랜스는 각각의 샘플 추출 중에 대략 20초 동안 적외선 레이저 비임을 효과적으로 차단하였다. 이러한 상황은 상업용의 표준 BOF에서는 발생되지 않는다.

현재, 가스 온도 및 농도의 실시간 측정을 위한 상기 방법은 이산화탄소[계산된 투과 스펙트럼(대시 곡선)에서 적합하지 않은 도5에서의 소량의 흡수 특성, 그 주요 부분은 별표로 표시됨]에 대해 사용될 수 없다. 상기 제강 방법을 실시하는데 있어서 주된 문제점은 전술한 계산에서 사용되고 주 관건인 고온에서의 온도의 함수로서 CO₂흡수 천이에 대한 기본적인 데이터가 없다는 것이다.

그러나, 산소 블로잉을 통해 2 개의 가스들의 흡수 라인에 대한 흡수 강도의 비를 단순히 트랙킹함으로써 CO 및 CO₂의 농도를 알 수 있었다. 이용된 비 함수는 R_Abs= Abs_CO/ (Abs_CO+ c * [Abs_CO2])이고, Abs_CO및 Abs_CO2는 각각 2112.6 및 2113.8 cm^-1에서의 CO 및 CO₂흡수 특성의 실시간 흡수값이고(도5 참조), c는 CO 및 CO₂흡수값의 비 R_Abs가 실험적으로 관측된 CO 및 CO₂의 농도비와 대략 동등하도록 선택된 값의 상수이다. 도7은 레이저 투과 신호(도6에서 반복된 하부 곡선)와 [경과된 블로잉 시간의 함수로 플록(plot)된] 가열 중에 함수 R_Abs의 그래프를 도시한다. 여기서, 상수 ″c″는 10과 동일한 값으로 선택됨으로써, 도7에 도시된 바와 같이 대부분의 산소 블로우(상부 곡선) 중에 (실험적으로 관측된 CO 및 CO₂의 농도비와 유사한) 약 0.8의 R_Abs의 값이 도출된다. 비율 함수의 값은 상기 그래프에서 약 1350초에서 하강하기 시작하여 약 1500초에서 급격히 감소된다.

블로잉 중에 추출된 금속 샘플들의 분석(또 다시, 도6 및 도7에 도시된 데이터에서 갭들을 초래함)은 0.7%의 탄소 함유량에서 R_Abs에서의 초기 하강 및 최대 레이저 투과도에서 증가가 발생하는 것을 도시한다. 측정된 상기 2 개의 광학 특성들에서의 중대한 변화들은 0.03 %의 용융 탄소 함유량까지 계속된다. 컴퓨터(610)는 R_Abs를 계산 및 표시할 수 있고, 초기 하강은 탄소 함유량이 약 0.7 %가 될 때에 표시되도록 이용될 수 있다.

파일럿 스케일 실험 중에, 가스 온도의 측정값과 최대 레이저 투과 및 R_Abs의 양자의 거동은 약 10번의 가열에 걸쳐 반복적으로 수행됨으로써, 상기 방법이 가스 온도의 실시간 값과, CO/CO₂의 상대적인 농도와, 최대 레이저 투과도가 0.1보다 큰 장치에서 최종 적정 용융 탄소 값을 도출하기 위해 충분히 사용될 수 있음을 나타내었다.

수소의 존재는 예를 들어 2114.5 cm^-1의 파수에서의 특정값인 물 흡수 라인에 대응되는 투과 스펙트럼을 모니터링함으로써 검출된다. 도8은 경과된 블로잉 시간의 함수로서 물 흡수도의 그래프를 도시한다. 흡수가 급격히 증가(즉, 상기 스펙트럼에서 투과가 감소)하는 천이를 명확히 볼 수 있는 데, 이는 높은 레벨의 수증기를 표시한다. 파일럿 스케일 BOF에서의 통상의 제강 공정 중에, 산소 블로잉 시퀀스에서 및 샘플링 랜스에 의한 분석용 금속 샘플들의 추출 중에 그 초기 단계에서 용융물에 플럭스가 추가되었을 때에만 단지 짧게 물 흡수선이 관측되었다. 또한, 수증기는 예비 가열 주기(도8에 도시안됨) 중에 폐가스 내에 검출될 수 있다. 노 내화 라이닝의 예비 가열은 석탄 또는 목탄을 연소시키도록 산소를 블로잉함으로써 수행되고, 강성 물 라인 흡수는 상기 조건들 하에서 연속적으로 관측된다. 다른 시간에서의 흡수도의 첨부는 수증기의 비정상으로 높은 레벨을 표시하고, 컴퓨터(610)는 잠재적으로 가능하게 있을 수 있는 수소의 위험한 레벨의 경고 또는 신호를 조작작에게 알리기 위해 특정 임계치 이상의 수증기 레벨의 검출이 사용될 수 있도록 2114.5 cm^-1에서의 신호 레벨을 모니터링할 수 있다. 이러한 것은 단지 수소가 존재한다는 사실을 간접적으로 표시하는데, 그 이유는 검출되는 것이 수소가 아닌 H₂O이기 때문이다. 그러나, 모니터링이 실제 폐가스에서 끝나기 때문에, 이러한 모니터링 방법은 과도한 수소 공급원이 될 수 있는 물이 누출되는 수냉 랜스 또는 배기 덕트로 유입되고 그로부터 배출되는 유동을 검출하는 종래 방법보다 더 신뢰성이 있다.

조화 검출 모드의 조작의 양호한 실시예는 도9 내지 도13을 참조하여 설명된다. 직접 흡수 모드와 상이한 점에 대해서만 상세히 설명된다.

이 모드에서, TDL 비임은 레이저가 그 파장 동조 범위에 걸쳐 주사될 때 주입 전류를 50 KHz의 정현 파형으로 신속히 변경시킴으로써 파장이 변조된다. 이러한 모드의 양호한 실시예에서, 레이저 비임 파장은 약 2090 내지 2093 cm^-1의 파수 범위에 걸쳐 주사된다. 그 뒤, 검출기에서 투과된 레이저 신호의 제2 조화는 로크 인 증폭기(620)에서 100 KHz에서 검출된다. 상기 방법은 그 초기 강도로부터 5차수의 매그니튜드로 감쇠된 TDL 비임의 검출을 가능케 하는 것으로 판명되었다. 레이저 동조와 파장 변조의 정밀한 주파수는 결정적이지 않다(수 기가헤르쯔 이상의 고주파수 파장 변조도 가능하다). 동조 범위에 걸친 레이저를 주사하는 주파수와 파장 변조의 주파수 사이의 비는 양호하게는 적어도 1:1,000이다.

조화 검출 모드에서 폐가스 특성을 결정하는 아래의 논의에서, 제공된 실시예들은 상업적인 실제 크기의 순산소전로에 대한 것으로 파장 변조 신호들은 로크인 증폭기를 사용하여 제2 조화 주파수에서 복조된다. 그 결과적인 파형은 부정화 흡수 첨부를 갖는 투과 스펙트럼의 수학적 제2 유도식과 유사하다. 간단히, 이러한 측정 및 계산된 제2 조화 신호들은 ″2f″ 신호로 언급된다.

계산된 또는 실험적 직접 흡수 스펙트럼을 대응하는 제2 조화(″2f″) 스펙트럼으로 변환시키는 (이후에 설명될) 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 계산된 2f 신호가 생성된다. 입력 스펙트럼은 표준 투과 스펙트럼 또는 비표준 센서 신호일 수 있다. 이러한 알고리즘은 제1 조화(″1f″) 스펙트럼 또는 필요하다면 더 높은 다른 조화 스펙트럼을 생성하도록 사용될 수도 있다. 이러한 접근법은 측정된 2f 스펙트럼이 용이하게 해석되는 단순 투과 스펙트럼으로 용이하게 역전될 수 없기 때문에 폐가스 온도와 조성에 대해 조화 스펙트럼의 양적 해석에 필요하다. 이전의 연구 논문(특히, 응용 물리학 학사인 제이. 레이드와 디. 래브리의 1981년 연구 논문 203 쪽; 본 명세서에 참조되어 합체됨)은 현존하는 역전 과정은 거의 투명하고 본원에 부적절한 가스 매체에 대해서만 성공적이라는 것을 보여준다.

현재의 접근법은 전술한 직접 흡수법에서 수행되는 것과 유사하다. 이것은 우리가 일련의 폐가스 온도와 농도에 대해 계산된 2f 스펙트럼을 구성할 수 있게 한다. 이후에, 소정 레이저 파장 동조 범위에 대해 이러한 변수에 가장 민감한 스펙트럼 특성은 선택되고, 예컨대 CO에 대한 2개의 2f 흡수 라인의 강도비의 함수 피트(fit)가 유도되어 폐가스 온도의 실시간 값을 생성하기 위해 실험적으로 관측된 센서 데이터를 맞추기 위해 사용된다. 첨두 폭과 파수 위치를 포함하는 흡수 라인 형상 정보도 이러한 목적으로 사용될 수 있다.

투과 스펙트럼을 2f 스펙트럼으로 변환시키는 소프트웨어 알고리즘은 검출기 모듈 신호의 전기 출력 상에 로크 인 증폭기(lock-in amplifier)의 작동을 모방하고 이하의 작동을 수행한다. (전술한 직접 흡수법에 따라 계산되거나 실험적으로 측정된) 입력 투과 스펙트럼은 삼차스플라인 피팅을 사용하여 추가 데이터 지점을 보간함으로써 확장된다. 파수 동조 범위를 통한 레이저의 주사이 시간에 대해 선형이기 때문에, 결과적으로 확장된 투과 스펙트럼은 시간에 대한 투과 강도로서 나타낸다. 이러한 설명에서, 적어도 10개의 데이터 지점이 평가되는 고주파수 조화(이러한 예에서는 제2 조화에 대해 100 ㎑)의 각 사이클에 대해 나타난다.

이후에, 확장된 투과 스펙트럼의 강도는 파수 동조 범위를 통해 주사될 때 고주파수 변조에 의한 레이저 파수의 사인곡선형 변조의 작동을 나타내도록 적시에 재분배된다. 사인곡선형 재분배의 최대 진폭은 실험 변조 진폭과 동일하고, 사인곡선형 재분배의 주파수는 실험치 50 ㎑와 동일하다.

수학적으로 확장되고 ″변조된″ 투과 스펙트럼은 실험 로크 인 증폭기 주파수에서의 사인파, 즉 100 ㎑에서의 제2 조화 주파수에 의해 승산된다. 결과적인 함수는 저역 함수로 수학적으로 필터링된다. 최초 투과 스펙트럼을 확장시키기 위해 사용된 추가 데이터 지점은 실험 데이터와의 디지털 비교를 단순화하도록 제거되고, 결과는 실험적으로 측정된 데이터와 기본적으로 동일한 수학적 2f 스펙트럼이다.

예는 도9a와 도9b에 도시되어 있다. 도9a는 도1 내지 도4를 참조하여 전술한 폐가스 센서 구성으로 실험실에서 얻어진 일산화탄소와 수증기의 실험적 비표준 직접 흡수 스펙트럼을 도시한다. 도9b는 측정된 2f 스펙트럼(실선 곡선)과 도9a의 직접 흡수 스펙트럼으로부터의 전술한 알고리즘을 사용하여 계산된 2f 스펙트럼(쇄선 곡선)을 도시한다. 도9b의 측정되고 계산된 2f 스펙트럼은 훌륭하게 일치한다.

도10a는 0.5 atm의 부분압, 3.65 m의 통로 길이 및 1900 K(2960 ℉)에서의 CO에 대한 계산된 투과 스펙트럼을 도시한다. 도10b는 도10a의 스펙트럼으로부터 계산된 2f 스펙트럼을 (쇄선 곡선으로서) 도시한다. 도10b는 산소 블로잉 공정 동안에 실물 크기의 BOF에서 측정된 실험적인 2f 스펙트럼(실선 곡선으로서)을 도시한다. 도10b의 2개의 곡선의 비교는, 계산된 2f 스펙트럼에서의 CO₂의 기여를 포함하지 않고도 측정되고, 측정되고 계산된 2f 신호들에서의 다양한 흡수 특성의 위치, 형상 및 상대 강도의 양호한 일치를 도시한다. 2091.55 ㎝^-1에서의 특성(″a″)은 온도에 특히 민감한 CO 흡수 라인이고, 2091.92 ㎝^-1에서의 CO 특성(″b″)은 변하는 온도에 대해 상당히 일정하다. 이러한 2개의 강도비는 도11에 도시된 바와 같이 산소 블로우를 통한 폐가스 온도를 트래킹하기 위해 사용될 수 있다.

도11은 도10b에서의 특성(a, b)의 강도비의 그래프를 도시한다. 또한, 도10b의 계산된 2f 스펙트럼에서의 이러한 특성의 강도비는 계산되고, 이러한 강도비는 약 1750 K 내지 1900 K의 온도 범위에 상응하는 0.5 내지 0.9 범위 상의 온도에 대해 실질적으로 선형인 것을 알 수 있다. 도11에 도시된 실험 강도비는 이러한 선형 관계에 기초한 대응 온도, 예컨대 약 1825 K의 온도에 상응하는 0.7의 값으로 변환될 수 있다.

CO와 CO₂의 상대 농도는 도10b의 특성(″a″, ″c″)을 사용하여 결정된다. 도10b에 도시된 대부분의 강한 흡수 특성은 일산화탄소에 기인한다. 그러나, 2092.23 ㎝^-1에서의 도10의 실험 곡선의 특성(″c″)과 같은 견부(shoulder)는 폐가스의 CO₂에 기인한다. CO와 CO₂특성(각각 ″a″, ″c″)의 강도는 각각 I_CO및 I_CO2로 나타내고, 함수에서 합성된다.

비율(Ratio) = I_CO/(I_CO+ [k * I_CO2])

여기서, 상기의 R_Abs에 대한 방정식에서와 같이 ″k″는 실험적으로 관측된 결과와 유사한 비율을 발생하기 위해 사용되는 임의의 상수이다.

도12는 산소 블로우에 걸친 CO 및 CO₂의 상대 농도를 트랙킹하는 데에 사용되는 이러한 강도 비율의 그래프를 도시한다. 도12의 그래프는 k = 0.1의 값을 이용하여 도11의 그래프에 의해 도시된 열에 대응된다. 도12에 도시된 바와 같이, CO/CO₂의 비율은 모든 블로우에 있어서 아주 안정적이다. 그러나, 용융물이 탈탄화 공정의 최종 단계에 접근함에 따라 폐가스(off-gas) 내의 CO는 CO₂로 직접 산화된다. 이러한 지점에서, 상기 비율 함수의 값은 (도12에 도시된 바와 같이 대략 1250 초의 경과 블로잉 시간에서 시작하여) 신속히 하강한다. 다양한 CO 및 CO₂흡수 특성에 대한 비율 함수의 값은 최종 용융된 탄소 함유량을 연속 센서 데이터가 최종 용융된 탈탄화 공정 중에 얻어질 수도 있는 적용예의 경우에 실시간으로 판단하는 데에 유용할 수도 있다.

1700 내지 2500 ㎝^-1(4.00 내지 5.88 ㎛)의 범위 내의 TDL 동조 영역의 경우에, 최종 적정점 탄소 함유량을 판단하는 이 방법은 잘 적용되지 않는다. 이는 통상 산소 블로우의 최종 적정점에서 CO₂흡수도가 아주 크게 증가하고 폐가스를 통과하는 레이저 비임이 아주 크게 약화되기 때문이다. 이러한 경우에, 최종 적정점 탄소 함유량을 모니터하기 위해 제2의 방법이 사용될 수도 있다. ″2f″ 스펙트럼이 매 초당 (도10b에서 실선으로 도시된 바와 같이) 파장의 함수로 기록되고, (이하에서 ″2f″ 스펙트럼이라 불리는) 2f 스펙트럼의 평균 절대값이 각 스펙트럼에 대해 컴퓨터(610)에 의해 계산된다. 이러한 2f 신호 강도는 컴퓨터(610)에 의해 표시되고 산소 블로우 전체에 걸쳐 메모리에 저장된다. 2f 신호 강도의 시간 거동은 블로잉 시간과 축적된 산소에 대한 고유한 특성과 반복 응답성을 나타낸다. 도13은 실제 크기의 BOF로 열에 대한 O₂블로잉 시간의 함수로 2f 신호 강도(하부 곡선)를 도시한다(이는 도11 및 도12에 도시된 열과 상이하다). 대부분의 열의 경우에, 2f 신호 강도는 용융물 탈탄화 공정의 최종 단계 중에 영(zero)이 된다. 더욱이, 아주 낮은 최종 용융 탄소 농도를 갖는 열의 경우에, 2f 신호 강도는 CO₂농도의 결과적인 감소에 의해 산소 블로잉의 종료 전에 영이 되지 않는다. 또한, 산소 블로잉의 종료 근처에서의 2f 신호 강도의 소멸(disappearance) 및 재발현(reappearance) 시간은 2f 신호 강도가 영이 될 때 보다 긴 파장(낮은 파장수)이 보다 짧은 주기 중에 발생되도록 레이저의 파장과 관련된다. 이러한 2f 신호 강도 곡선의 특성은 폐가스 센서를 특정 제강 공정에서의 특정 용융 탄소 함유량의 측정에 맞춰지는 데에 유용하고, 이는 더 조사 중에 있다.

좁은 밴드 광 필터(480a, 480b)를 통해 검출기(450)로 향하는 전체 방출량은 3 ㎝^-1의 레이저 동조 범위에서는 아무런 스펙트럼 특성을 보이지 않는다. 폐가스 방출 강도 신호는 이 신호가 로크 인 증폭기(620)를 통하기 전에 검출기(450) 및 증폭기(490)의 전기 출력 신호의 다수 샘플을 취함으로써 단일 레이저 주사에 의해 평가된다. 이러한 다수 샘플은 컴퓨터(610)에 의해 실시간으로 평균되고, 그 결과는 전체 산소 블로우를 통해 표시되고 메모리 내에 저장된다. 이러한 표시의 예는 도13에 (상부 곡선으로) 도시되어 있다. 대략 1100초의 경과 블로잉 시간에서 시작하는 폐가스 방출의 급격한 감소는 0.06 내지 0.03 중량 % 사이의 용융 탄소 함유량과 관련될 수 있다. 따라서, 탄소 함유량이 이 범위 내에 있다는 평가는 강도 비율을 이용하는 보다 광범위하게 적용가능한 기술이 사용될 수 없을 때에도 검출기 신호로부터 얻어질 수 있다. 2f 신호 강도와 전체 방출 방법의 조합은 이들 2가지 측정법의 독립적인 특성에 의해 최종 용융 탄소 함유량에 대해 훨씬 정밀하게 관련되도록 측정하는 데에 사용될 수 있다.

노로부터의 액체 슬래그의 배출[즉, ″슬로핑″]에 관한 추가 정보는 도13에 도시된 폐가스 방출 신호로부터 추출될 수 있다. 경과 블로잉 시간이 400 내지 600초 사이인 방출 강도(상부 곡선) 내의 급격한 감소는 노의 슬로핑과 잘 관련된다. 이러한 감소는 센서의 가시 영역을 통한 슬래그 입자의 배출에 의해 발생된다. 신호 강도의 급격한 변화는 컴퓨터(610)에 의해 검출될 수 있고 노의 작업자에게 노의 슬로핑이 임박하다 또는 진행 중이라는 것을 알려주는(또는 공정 제어기에 신호를 제공하는) 데에 사용될 수 있다. 산소 랜스의 위치 및/또는 산소 유동비는 슬로핑의 방지 및 정지를 위해 (수동적으로 또는 자동적으로) 조절될 수 있다.

비록 본 발명의 특정 실시예가 기술되었으나, 본 발명은 이 실시예로 한정되지는 않는다. 예컨대, 파장의 범위는 양호한 실시예들에 사용된 것과 동일할 필요는 없다. 오히려, 관심있는 특성 라인을 포함하는 임의의 범위가 사용될 수 있고, 당업자는 본 발명의 기술이 CO, CO₂및 H₂O 농도 외의 다른 특성을 분석하도록 구성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 양호한 실시예에 기술된 BOF 외의 다른 간 제조 공정에 본 발명을 적용함에 있어서 최적의 결과를 얻도록 상이한 범위가 필요할 수도 있다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 본 발명은 동조식 다이오드 레이저 및 InSb 검출기만으로 한정되는 것은 아니다. 대신에, 검출에 충분한 동력 수준으로 소정 범위의 파장에 걸쳐 주사가능한 임의의 방사 공급원이 사용될 수도 있고, 투과된 비임의 검출에 적합한 재료로 제조된 임의의 검출기가 사용될 수 있다. 이러한 관점에서, 레이저 공급원 모듈 및 검출기 모듈의 미러, 렌즈 및 다른 구성 요소의 정밀한 배치가 꼭 필요한 것은 아니라는 것을 알 수 있다. 레이저 비임을 안내 및 초점 형성하는 것과 검출기로부터 불필요한 부품을 필터링하는 것과 같은 동일한 배치가 사용될 수 있다.

그러므로, 당업자는 본 발명이 양호한 실시예의 구성 및 작동에 관하여 기술되었으나 본 발명이 전술한 특정 구성 및 작동으로 한정되지 않는다는 것을 알 수 있다. 반대로, 본 발명의 요지 및 범위를 벗어나지 않고서도 당업자에 의해 개시된 실시예의 다양한 변경이 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은 이들 변경 및 청구의 범위에 개시된 본 발명의 범위 내에 포함되는 다른 모든 변경을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

제강용 노 내의 폐가스 데이터를 비침입식으로 수집하기 위한 장치에 있어서,

제강용 노에 의해 생성된 폐가스를 통해서 레이저 빔을 송신하기 위한 것으로 레이저 빔 파장의 동조 범위를 갖는 송신 수단과,

레이저 빔 자체의 동조 범위 내에서 다수의 파장에 걸쳐 레이저 빔을 반복적으로 주사하도록 상기 송신 수단을 제어하는 제어 수단과,

폐가스를 통해서 송신된 레이저 빔을 검출하여 이렇게 검출된 레이저 빔을 전기 신호로 변환하는 검출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 제어 수단이 레이저 빔 자체의 동조 범위 내에서 다수의 파장에 걸쳐 레이저 빔을 주사하는 동안에 레이저 빔의 파장 변조를 수행하기 위한 수단을 포함하고, 검출 수단이 폐가스를 통해서 송신된 파장 변조된 레이저 빔의 조화를 검출하기 위한 위상 감지 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제강용 노 내의 폐가스 데이터를 비침입식으로 수집하기 위한 방법에 있어서,

레이저 빔 파장의 동조 범위를 갖는 레이저를 사용하여 제강용 노에 의해 생성된 폐가스를 통해서 레이저 빔을 송신하는 단계와,

레이저 빔 자체의 동조 범위 내에서 다수의 파장에 걸쳐 레이저 빔을 반복적으로 주사하는 단계와,

폐가스를 통해서 송신된 레이저 빔을 검출하는 단계와,

검출된 레이저 빔을 전기 신호로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 레이저 빔을 반복적으로 주사하는 단계가, 레이저 빔 자체의 동조 범위 내에서 다수의 파장을 통해서 레이저 빔을 주사하는 동안에 레이저 빔의 파장 변조를 수행하는 단계를 포함하고, 검출 단계가 폐가스를 통해서 송신된 파장 변조된 레이저 빔의 조화를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제강용 노 내의 폐가스의 특성을 모니터링하기 위한 장치에 있어서,

제강용 노에 의해 생성된 폐가스를 통해서 송신 중에 파장 범위에 걸쳐 반복적으로 주사되는 레이저 빔을 송신하기 위한 송신 수단과,

송신된 레이저 빔을 검출하여 이렇게 검출된 레이저 빔에 대응하는 전기 신호를 발생하기 위한 검출 수단과,

제강용 노 내의 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하도록 전기 신호를 처리하는 처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서, 처리 수단이, 폐가스의 계산된 이론적 특성을 저장하기 위한 수단과, 폐가스의 적어도 한가지 측정된 특성을 결정하도록 전기 신호와 상기 계산된 특성을 비교하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서, 처리 수단이, 전기 신호로부터 하나 이상의 미리 선택된 파장 정보를 추출하기 위한 수단과, 이렇게 추출된 정보에 기초하여 폐가스의 적어도 한가지 이상의 특성을 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서, 처리 수단이, 두개의 파장에 대한 흡수값을 사용하여 비율값을 결정하기 위하여 그리고 온도값을 결정하도록 이론적 스펙트럼 계산으로부터 결정된 다항식에 상기 비율값을 사용하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서, 송신 수단이 파장 범위에 걸쳐 레이저 빔을 주사하는 동안에 송신된 레이저 빔의 파장 변조를 수행하기 위한 수단을 포함하고, 검출 수단이 변조된 레이저 빔의 조화를 검출하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 처리 수단이, 전기 신호로부터 적어도 두개의 미리 선택된 파장에 관한 강도 정보를 추출하기 위한 수단과, 한쌍 이상의 미리 선택된 파장의 강도 정보의 비에 기초하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 검출 수단이 검출기를 포함하고, 처리 수단이 검출기 상에 입사되는 전체 방출 강도를 결정하기 위한 수단과 결정된 방출 강도에 기초하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 처리 수단이, 신호 강도의 평균(2f)을 계산하기 위한 수단과, 상기 계산된 신호 강도의 평균(2f)을 사용하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하기 위한 결정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서, 처리 수단이 검출기 상에 입사되는 전체 방출 강도를 결정하기 위한 수단을 포함하고, 상기 결정 수단이 적어도 한가지의 폐가스 특성을 결정하도록 계산된 신호 강도의 평균(2f)과 전체 방출 강도를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
제강용 노 내의 폐가스의 특성을 모니터링하는 방법에 있어서,

제강용 노에 의해 생성된 폐가스를 통해서 송신 중에 파장의 범위에 걸쳐 반복적으로 주사되는 레이저 빔을 송신하는 단계와,

송신된 레이저 빔을 검출하는 단계와,

검출된 레이저 빔에 대응하는 전기 신호를 발생하는 단계와,

제강용 노 내의 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하도록 전기 신호를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 처리 단계가 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하도록 저장된 폐가스의 계산된 이론적 특성과 전기 신호를 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 처리 단계가, 전기 신호로부터 하나 이상의 미리 선택된 파장의 정보를 추출하여 이렇게 추출된 정보에 기초하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서, 처리 단계가, 두개의 파장에 대한 흡수값을 사용하여 비율값을 결정하는 단계와, 온도값을 결정하도록 이론적 스펙트럼 계산으로부터 결정된 다항식을 상기 비율값에 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 송신 단계가 파장의 범위에 걸쳐 레이저 빔을 주사하는 동안에 송신된 레이저 빔의 파장 변조를 수행하는 단계를 포함하고,검출 단계가 변조된 레이저 빔의 조화를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서, 처리 단계가, 전기 신호로부터 두개 이상의 미리 선택된 파장의 강도 정보를 추출하여 한쌍 이상의 미리 선택된 파장에 대한 강도 정보의 비에 기초하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서, 처리 단계가 검출기 상에 입사되는 전체 방출 강도를 결정하여 이렇게 결정된 방출 강도에 기초하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서, 처리 단계가, 신호 강도의 평균(2f)을 계산하는 단계와, 상기 계산된 신호 강도의 평균(2f)을 사용하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 처리 단계가 검출기 상에 입사되는 전체 방출 강도를 결정하는 단계를 포함하고, 결정 단계가 상기 계산된 신호 강도의 평균(2f)과 전체 방출 강도를 사용하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제강용 노 내의 폐가스 데이터를 비침입식으로 수집하기 위한 장치에 있어서,

제강용 노에 의해 생성된 폐가스를 통해서 레이저 빔을 송신하도록 배열된 동조식 다이오드 레이저와,

상기 동조식 다이오드 레이저에 주입 전류를 제공하도록 동조식 다이오드 레이저에 전기적으로 연결되고, 상기 동조식 다이오드 레이저가 다수의 파장에 걸쳐 반복적으로 주사하는 레이저 빔을 출력하도록 동조식 다이오드 레이저에 제공된 주입 전류를 변화시키는 제어 회로와,

레이저 빔을 수용하여 이 레이저 빔에 대응하는 전기 신호를 생성하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제23항에 있어서, 상기 장치가, 전기 신호를 수신하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하도록 상기 전기 신호를 처리하는 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제23항에 있어서, 제어 회로가 다수의 파장에 걸쳐 레이저 빔을 주사하는 동안에 레이저 빔을 파장 변조하도록 주입 전류를 변화시키고, 검출기가 변조된 레이저 빔의 조화 신호를 검출하기 위해 로크-인 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제25항에 있어서, 상기 장치가, 전기 신호를 수신하여 폐가스의 적어도 한가지 특성을 결정하도록 상기 전기 신호를 처리하는 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.