KR20030052573A - 비접촉식 용융금속의 유속 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융금속의 속도를 비접촉식으로 측정할 수 있는 방법에 관한 것으로, 용융금속 근처에 전자석을 배치하고, 전자석의 양 극 중앙과 전자석의 한쪽 극에 자기 센서(4)(3)를 배치하고, 상기 전자석으로 교류 자기장을 용융금속에 인가하고, 용융금속의 병진운동에 의한 유도자장을 전자석의 중앙에 위치한 자기 센서(4)로 측정하고, 전자석의 극에 위치한 자기 센서(3)로는 용융금속과 전자석 사이의 거리를 측정하며, 센서와 용융금속간의 거리와 용융금속의 속도성분을 모두 포함하는 중앙 자기 센서(4)의 출력에 거리의 정보만 가지고 있는 극에 위치한 자기 센서(3) 출력을 보정하여 용융금속의 속도성분만 추출하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 용융금속의 유속 측정방법을 제공한다.

Description

비접촉식 용융금속의 유속 측정방법{METHOD FOR MEASURING VELOCITY OF MOLTEN METAL}

본 발명은 용융상태에 있는 금속의 거동을 확인하는 데에 유용하게 사용될 수 있는 비접촉식 용융금속의 유속 측정방법에 관한 것이다.

용융금속의 유속은 일반 산업공정에서 설비의 효율적인 운용과 제품의 품질향상, 대량 생산을 위하여 반드시 측정해야 하는 경우가 많다. 용융금속의 유속측정에는 압력차, 초음파, 와전류, 레이저 등 여러 가지 방법이 사용되고 있으나, 측정 대상체가 존재하는 공간에서의 환경적인 여건이나 경제적인 여건 등을 고려할 경우 적용이 곤란한 경우가 빈번히 발생하고 있다. 특히 용융금속의 유동은 알루미늄 제조산업과 철강 제조산업에서 턴디쉬, 교반래들, 유도로, 연속주조 등 많은 공정에서 관찰할 수 있고, 이러한 공정에서 용융금속의 거동을 관찰하고 이를 적합하게 제어하는 것에 의해 생산품의 품질을 향상시킬 수 있게 되므로 용융금속의 유속측정은 매우 중요한 기술이라 할 수 있는 바, 그럼에도 불구하고 온도, 분진, 파우더 비산 등의 여러 가지 제약조건 때문에 실제의 작업현장에 적용이 가능한 적절한 방법의 개발이 아직 미흡한 상태이다.

용융금속의 유속을 측정하기 위하여 종래에 사용한 바 있는 방법은 다음의 몇 가지 경우와 같다. 그 첫번째로 용융금속에 막대(probe)를 담구어 막대 근처에서 발생하는 용융금속의 와류(vortex)를 이용하는 방법으로, 이는 와류의 주기를 막대에 부착한 스트레인 게이지(strain gauge)로 측정하여 유속으로 환산하는 것이다. 두 번째로는 용융금속과 동일 조성의 구형 막대를 용융금속 중에 담구어 구형막대가 녹는 시간과 유속을 환산하여 유속을 측정하는 방법이 있다. 세 번째 방법은 영구자석과 전극막대를 이용하는 방법으로, 영구자석근처에 두 전극을 두어 용융금속의 유속에 의해 발생하는 유도기전력을 측정하여 유속을 환산하는 방법이다. 마지막으로, 영구자석을 몰드(mold)의 벽에 부착하여 용융금속에 직류 자장을 인가하고, 용융금속 내에 유도되는 와전류에 의한 자장을 측정하는 방식으로 유속을 측정하는 방법이 있다.

그러나 상기의 방법들은 용융금속에 유속측정장치를 침지해야 하거나 영구자석을 사용하여야 하므로 유속을 정확히 측정하는 것이 어려울 뿐만 아니라 영구자석을 사용해야 하는 경우는 그 영구자석이 놓인 위치의 온도변화에 아주 민감하다는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 배경에서 연구된 것으로, 자성 코어를 지닌 전자석과 코일을 두어 자기장을 용융금속에 인가하고, 자기 센서로 유도자장을 측정하여 두 자기센서에 의한 신호를 이용하여 거리에 대한 영향을 보정함으로써 센서와 용융금속 간의 거리에 무관하게 용융금속의 유속을 비접촉식으로 측정할 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 방법으로 용융금속의 유속을 측정하기 위한 장치의 도식적인 구성도,

도 2는 본 발명의 방법에 의한 측정에 있어서 거리에 따른 극 센서의 출력 그래프,

도 3은 본 발명의 방법에 의한 측정에 있어서 거리 보정 후 속도와 중앙 센서 출력 관계를 나타내는 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

1 : 전자석 코어 2a,2b : 코일

3 : 극 자기 센서 4 : 중앙 자기 센서

5 : 용융금속

상기의 목적은 본 발명에 따라 자성 코어에 코일을 권선하고 이 코일에 교류의 전류를 인가하여 전자석을 형성하는 단계와, 상기 전자석의 두 극 사이에 유도자장의 유속에 수직한 성분을 읽을 수 있게 자기 센서를 배치하는 단계와, 상기 전자석의 한 극에 거리를 측정하는 역할을 하는 자기 센서를 배치하는 단계와, 상기 전자석과 자기 센서들을 용융금속에 닿지 않게 용융금속 근처에 배치하는 단계와, 두 센서의 출력을 서로 보정하는 단계를 포함하는 비접촉식 용융금속의 유속 측정 방법을 제공함으로써 달성된다.

이하에서, 본발명을 첨부 도면에 예시된 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

비접촉식으로 용융금속의 유속을 측정하기 위해서는 도 1에 예시된 바와 같이 전자석 코어(1)에 코일(2a,2b)을 권선하고 상기 코일(2a,2b)에 교류 전류를 인가하여 주위의 환경이 변할 경우에도 일정한 알엠에스(RMS) 자기장을 발생시킬 수 있게 하고, 전자석의 두 극 사이의 중앙에 용융금속의 유동방향에 수직한 방향의 유도 자기장을 측정할 수 있는 자기 센서(4)를 위치시키고, 전자석의 한 극에는 용융금속과 전자석간의 거리를 측정할 수 있는 자기 센서(3)를 위치시킨다. 전자석 코어(1)는 자성물질이므로 그 특성이 온도에 영향을 받게 된다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 전자석 코어(1)는 냉각장치에 부착되어 있다.

자기 센서(3,4)로는 흔히 사용되는 홀(Hall)센서나, 서치코일(search coil)등을 사용할 수 있는데, 홀센서의 경우는 온도에 따른 편차가 있으므로 냉각장치가 필요하며, 서치코일의 경우는 냉각장치가 따로 필요치 않으나 신호처리부의 증폭을 크게 하여야 한다. 전자석에 의한 자기장은 용융금속 내에 와전류를 유발시키게 되는데, 전자석 사이에 형성되는 와전류는 서로 상쇄 보강을 일으켜 하나의 큰 와전류 환을 형성하게 된다. 상기의 큰 와전류 환에 의하여 전자석 중간에는 유도자장이 발생하게 되므로 그 위치에 자기 센서(4)를 위치시켜 유도자장의 용융금속 표면에 수직한 성분을 측정하여 유속을 환산하게 된다. 만약 용융금속의 표면과 전자석간의 거리가 일정하고, 전자석 코어에 감긴 코일에 일정한 전류를 인가하면 유도자장은 용융금속의 유속과 선형적으로 비례하게 된다. 그러나, 용융금속의 표면과 전자석간의 거리가 변할 경우는 자기 센서가 검출한 와전류에 의한 유도자장의 값도 변하게 된다. 그러므로 실제 용융금속의 속도를 측정하는 시스템에서 거리에 대한 보정이 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 자기 센서를 전자석의 극에 배치하여 교류 자기장에 의해 용융금속에 유도되는 와전류에 의한 교류 유도자기장을 자기 센서(3)로 검출하여 센서와 용융금속간 거리를 측정하였다. 도 2는 용융금속(5)과 전자석 (1)간의 거리에 따른 센서(3)의 출력을 나타내었는데, 거리가 클 수록 센서의 출력은 증가함을 알 수 있다. 하기 식(1)과 같이 중앙 센서(4)에서 검출되는 인가자기장에 의한 유도자기장(Bc)은 용융금속의 속도에 의한 자기장(Bv)과 센서-용융금속 간의 거리에 의한 유도자기장(B_H)을 모두 포함하고 있다.

Bc = ∫(Bv,B_H)---------------------------------(1)

그러나, 전자석의 극에서 측정한 자기장은 도2와 같이 속도와 무관한 거리에 대한 유도자기장(B_H)을 측정한다. 따라서 이를 식(1)에 대입하면 보정한 교류자기장의 값(B′_DC)은 아래 식(2)과 같이 순수한 용융금속의 속도에 의한 항만 남게 된다.

B′_{DC =}g(Bv)----------------------------------(2)

따라서, 중앙 자기 센서(4)의 출력에 극 자기 센서(3)의 출력을 보정하면 도 3과 같이 용융금속의 속도를 안정적으로 측정할 수 있다.

본 발명의 방법은 상술한 바와 같은 단계들을 통해 용융금속의 유속을 측정함으로써 고온의 용융금속의 거동을 관측하여 이를 제어하기 위한 신뢰성있는 자료로 사용하여 생산제품의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (2)

1. 용융금속의 유속을 측정하는 방법으로서, 자성물질의 전자석 코어(1)를 두고, 상기 전자석 코어에 감긴 코일(2a,2b)에 교류전류를 인가하여 전자석을 형성하고, 상기 전자석의 두 극 사이의 중앙에 자기 센서(4)를 두어 용융금속의 표면에 수직한 유도자장의 성분을 측정하고, 상기 전자석의 한 극에는 자기 센서(3)를 두어 자기장을 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 용융금속의 유속 측정방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 중앙 자기 센서(4)의 출력에 극 자기 센서(3)의 출력을 보정하여 센서와 용융금속 간의 거리에 무관하게 용융금속의 속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 용융금속의 유속 측정방법.