KR20060017486A - 야금 용기의 수중 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 턴디쉬 등과 같은 야금 용기에 사용하기 위한 수중 센서를 기술한다. 센서는 사용시에 용기 내에서 용융 금속욕의 표면 아래에 있도록 배치된다. 센서는 용기의 벽을 통과하여 알맞게 연장되고 용기의 체적 안으로 돌출한다. 센서의 상단부는 보호 조립체 내에 넣어진다. 본 발명의 보호 조립체는 용기 내에서 용융 금속의 패턴을 제어하기 위해 또는 용기를 빠져나오는 용융 금속을 보다 정확하게 측정하기 위해, 그 형상이 정해질 수 있다. 유익하게는, 본 발명은 예컨대 댐, 충격 패드 또는 배플 등과 같이 유동 패턴 변경에 필요한 기능성과, 센서에 필요한 기능성을 겸비할 수 있다. 이와 같이 두 기능성을 겸비함으로써, 비용이 절감되고 복잡성 감소된다.

Description

야금 용기의 수중 센서{SUBMERGED SENSOR IN METALLURGICAL VESSEL}

본 발명은 야금 용기에 사용하기 적합한 수중 센서에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 연속 주조용 턴디쉬(tundish)에 설치되는 수중 온도 센서에 관한 것이다.

야금 용기 내에 있는 용융 금속의 상태를 연속적으로 모니터링할 수 있다는 것은 경제적 및 품질적 이유에서 매우 바람직하다. 정확한 모니터링은, 예컨대 과열에 의해 야기되는 에너지 소비를 크게 감소시킨다. 용융 금속의 상태를 연속적으로 모니터링하는 것의 다른 유익으로는, 고온 상변화, 화학 반응 및 그 밖의 관련 현상을 측정할 수 있다는 것 등이 있다.

야금 용기 내에 있는 용융 금속의 상태를 측정하는 경우에, 몇가지 문제점이 나타난다. 이러한 문제점으로는, 매우 공격적인 슬래그, 열 충격, 재료 첨가에 의해 야기되는 격한 난류, 아르곤 교반, 스플래싱과 스컬링, 및 용기에 센서를 고정하기 곤란함 등이 있다.

센서는 대개 보호 조립체 내에 넣어진다. 센서로는 산소 센서 등과 같은 화학 센서와, 열전쌍과 같은 온도 센서가 있다. 용융 금속의 온도 측정용 열전쌍은, 예컨대 미국 특허 제4,749,416호에 기술되어 있다. 이러한 종래의 장치는 열전쌍 을 용기의 측벽 또는 바닥에 영구적으로 고정한다. 별법으로서, 열전쌍은 미국 특허 제4,721,533호, 제4,746,534호, 제5,071,258호 및 제6,139,180호에 기술된 가동 보호 조립체를 포함할 수 있다. 가동 보호 조립체는 대개 열전쌍을 부유 슬래그 층을 통하여 용융 금속욕 안으로 삽입한다. 슬래그는 침식성이 매우 강하고, 이 슬래그와 접촉하는 열전쌍 보호 조립체는 양호한 열 전도성과 슬래그 층의 화학 공격을 견뎌낼 수 있는 성질을 겸비하여야 한다. 최저 수명이 100 시간인 것이 바람직하다.

양호한 열 전도성을 갖는 내화 재료는 탄소를 포함한다. 불행히도, 탄소는 슬래그 침식 저항성을 저하시키고, 겨우 10 시간의 작동이 지난 후에 조기 고장을 유발할 수 있다. 또한, 조기 고장은 전선 파손, "기전력 드리프트" 및 고온 화학 반응으로 인해 발생될 수 있다. 보호 조립체 내의 탄소는 센서에 손상을 입히는 화학 반응에 참여함으로써 전술한 고장을 가중시킬 수 있다. 보호 조립체 내에서 열전쌍을 내화성 금속 외피 내부에 넣는 것이, 바람직하지 못한 화학 반응을 감소시키는데 효과적이었다. 불행히도, 이러한 금속 외피는 고가의 것이며 전혀 효과적이지 못하다. 수 밀리그램의 오염물로도, 전선을 특히 결정 경계를 따라 파손시키는 것에 의해, 또는 반응 생성물의 결과로서 열전쌍 주변에 기전력 드리프트를 야기시키는 것에 의해, 열전쌍을 충분히 파괴할 수 있다.

추가 조사에 의하면, 작업자는 대개 용기를 실제 빠져나오는 용융 금속의 상태에 관심이 있다. 연속 주조에 있어서, 금속은 바닥의 출구를 통해 용기를 빠져나간다. 종래 기술의 결점은 센서가 대개 용융 금속욕의 표면 부근에 위치한다는 것이다. 따라서, 센서는 출구 부근이 아니라 표면 부근만을 기록한다. 용기 내에 나타나는 구배는, 용융 금속욕의 표면 부근에서의 측정이 출구 부근에서의 측정과 동일하지 않을 것 같다는 것을 보장한다. 예컨대, 용융 금속욕의 상부 부근의 온도는 대개 출구에서의 온도와 실질적으로 다를 것이다. 종래 기술에 사용된 센서를 길게 하여 출구에 보다 인접하게 연장시킬 수 있지만, 이는 센서에 작용하는 관성력과 부유력을 모두 증대시킨다. 부유력 또는 관성력이 크면, 센서에 대한 제어가 상실되는 위험한 상태가 야기될 수 있다. 이 경우, 센서는 용융 금속욕으로부터 격하게 축출될 것이다. 또한, 긴 센서는 보다 고가이며, 보다 쉽게 조기 고장이 일어난다.

용융 금속욕의 표면을 통해 내려가는 종래의 센서의 다른 단점은 외부 지지체를 필요로 한다는 것이다. 외부 지지체는 매우 불편하며, 용융 금속으로부터의 열 상승으로 인해 그리고 용기가 움직이는 중에 주변 구조 또는 설비와의 충돌로 인해 손상받기 쉽다. 외부 지지체는 용기의 움직임을 방해하지 않아야 한다. 결과적으로, 외부 지지체는 운전을 방해하지 않도록 설치되어야 하거나, 또는 용기를 이동할 때마다 분리, 재배치 및 재연결하여야 한다. 외부 지지체의 방해성은 대개 센서 또는 외부 지지체의 손상을 초래한다.

야금 용기의 출구 부근에서의 측정을 허용하는 동시에, 설치 및 작동하기 쉬운 센서가 요구된다. 센서는 큰 부유력 및 관성력을 회피하는 것이 바람직하다. 센서는 슬래그 침식의 영향을 받지 않아야 하고, 야금 용기의 움직임을 방해하지 않아야 한다. 외부 지지체는 불필요한 것이 바람직하다. 센서는 센서에 해로운 영향을 미치는 내화 재료를 포함하지 않아야 한다.

본 발명은 턴디쉬 등과 같은 야금 용기에 사용하는 수중 센서를 기술한다. 이 센서는 사용시에 용기 내에서 용융 금속욕의 표면 아래에 있도록 배치된다. 이 센서는 용기의 벽을 통해 적절히 연장되고, 용기의 체적 안으로 돌출한다. 센서의 말단이 보호 조립체 내에 넣어진다. 내화 재료가 보호 조립체를 둘러싼다.

본 발명의 목적은, 용융 금속욕 내에서 부유성을 갖지 않거나 또는 센서를 고정하기 위한 외부 지지체 없이 부유력에 저항하는 센서를 야금 용기에 마련하는 것이다. 외부 지지체가 없으면, 용기가 움직이는 중에 외부 지지체가 파괴될 가능성이 배제되고, 외부 지지체의 조작, 재배치, 연결 또는 분리 없이 용기를 움직일 수 있게 된다. 본 발명의 다른 목적은, 야금 용기용 출구가 대개 배치되는 용융 금속욕의 하부를 측정하기에 적합한 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 슬래그의 침식 효과에서 벗어나 있도록 센서를 배치하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 용융 금속 안으로 돌출하는 센서를 용기에 마련하여, 용기 내의 금속 유동의 패턴을 변경 및 제어하는 것이다.

일 실시예에 있어서, 센서는 열전쌍 등과 같은 온도 센서이다. 온도 센서는설치 및 제거가 간단하고 용이하며, 바람직하게는 사용후 버릴 수 있는 것이다. 센서는 용기 내에 있는 용융 금속의 연속적인 온도 측정을 허용한다. 제2 실시예에 있어서, 센서는 용기로부터의 유출 유동을 실제로 측정하기 위해, 예컨대 연속 주조에 사용되는 용기의 출구 부근에 배치된다. 다른 실시예에 있어서, 센서는 용기의 벽을 따라 배치될 수도 있고, 또는 용기의 체적 내부의 댐, 위어(weir) 또는 배플(baffle) 내에 배치될 수도 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 본 발명의 보호 조립체는, 용기 내에 있는 용융 금속의 패턴을 제어하거나 또는 용기를 빠져나가는 용융 금속을 보다 정확하게 측정하도록 형성될 수 있다. 본 발명은 예컨대 댐, 충격 패드 또는 배플을 구비하는 턴디쉬에서 제공되는 바와 같이 유동 패턴의 변경에 필요한 기능성을 겸비할 수 있으며, 이 기능성은 용융 금속의 온도 측정에 요구되는 것이다. 이러한 기능 조합은 턴디쉬의 복잡성 및 비용을 저감시킨다.

본 발명의 그 밖의 이점으로는, 비교적 짧은 보호 조립체를 필요로 하여 비용 절감의 효과가 있다는 것과, 실질적으로 보호 조립체에 압축력만을 인가하는 구조를 필요로 하여 세라믹 구조체가 보다 용이하게 저항하게 한다는 것 등이 있다.

도 1은 센서를 구비한 종래의 야금 용기의 측단면도.

도 2는 센서 및 위어를 구비한 종래의 야금 용기의 측단면도.

도 3a는 본 발명에 따른 센서를 구비한 야금 용기의 측단면도.

도 3b는 도 3a에 도시된 야금 용기의 평면도.

도 3c는 본 발명에 따른 센서의 측면도.

도 4a는 용기의 체적 내로 돌출하는 센서를 구비한 용기의 평면도.

도 4b는 도 4a에 도시된 돌출 센서의 단면도.

도 1은 외부 센서(2)를 구비한 종래의 야금 용기(3)의 측단면도이다. 센서(2)는 용융 금속욕(8)의 상부면(9)을 통해 용융 금속욕(8)에 들어간다. 대개, 상부면(9)은 용융 금속욕(8) 상에 부유하는 슬래그의 층을 포함한다. 센서는, 예컨대 열전쌍 등과 같은 온도 측정 센서일 수 있다. 센서는 보호 조립체(1) 내에 적어도 부분적으로 넣어지고, 대개 적어도 부분적으로 상부면(9)을 통하여 용융 금속욕(8) 안으로 침지된다. 침지는 용융 금속욕 내의 상태를 측정하기 위해 필요한 것이다. 보호 조립체는 대개 내화 세라믹으로 이루어지고, 또한 센서가 넣어지는 내부 외피를 포함할 수 있다. 종래의 보호 조립체는 슬래그에 의한 침식을 견뎌내야 하며, 슬래그-저항성 슬리브를 포함할 수 있다. 외피는 몰리브덴 또는 고순도 알루미늄 등과 같은 금속 또는 내화 세라믹으로 이루어질 수 있다.

금속의 연속 주조에서, 상류 용기(도시 생략)로부터의 상류측 금속 유동(11)이 주입관(6)에 들어간 후, 야금 용기 안에 유입 유동(12)으로서 들어간다. 주입관은 대개 유입 유동(12)을 용융 금속욕(8)의 상부면(9) 아래에 방출한다. 노즐(7)이 용기(3)의 바닥을 통과하는 출구를 형성하여, 용융 금속이 용기로부터 배수될 수 있게 한다. 가속 유동(14)이 노즐(7)로의 진입을 가속한다. 유출 유동(13)이 노즐(7)을 통해 야금 용기(3)를 빠져나간다. 야금 용기에 있어서 용융 금속 유동의 최고 속도는 대개 2개의 영역, 즉 유입 유동(12)으로 나타내어진 주입관(6)의 출구 단부 부근과, 가속 유동(14)이 노즐(7)에 들어가는 지점에서 확인된다.

상부면을 통하여 용융 금속욕에 들어가는 센서는, 침지된 상태로 그리고 적소에 위치한 상태로 유지되도록 임의의 외부 지지체에 부착되어야 한다. 외부 지 지체는 관성력 및 부유력에도 불구하고 센서 위치를 고정하여야 한다. 관성력은 용융 금속욕 내에 있는 용융 금속에 의해 야기된다. 센서는 대개 센서에 의해 옮겨진 용융 금속에 비해 실질적으로 밀도가 낮기 때문에, 부유력이 발생한다. 일반적으로, 부유력은 관성력보다 훨씬 크다. 도 1은 센서 조립체에, 그리고 야금 용기의 커버나 야금 용기 차량 또는 그 밖의 인접하는 구조적 고정물 등과 같은 임의의 편리한 외부 강성 고정물(5)에 부착되는 외부 지지체(4)를 예시한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술은 야금 용기(3) 내에 댐(21)을 포함할 수 있다. 댐(21)은 내부 금속 유동(22)을 상향 편향시키는 데 사용된다. 이러한 편향은 용기 상부에 있어서의 정체를 감소시키고, 센서(2)로 하여금 노즐에 들어가는 가속 유동(14)과 유출 유동(13)의 상태를 보다 정확하게 측정할 수 있게 한다. 물론, 종래의 센서(2)는 실제로 유출 유동(13) 또는 가속 유동(14)을 측정하지는 않는다. 댐(21)은 단지 보다 많은 유동이 센서(2)를 지나게 한다. 댐(21)은 단지 내부 유동(22)을 안내하는 데 사용될 수 있는 돌출부의 한 가지 타입일 뿐이다. 그 밖의 예로는 배플 및 충격 패드가 있다. 임의의 경우에, 이들 기구는 보호 조립체(1)로부터 분리되어, 비용 추가 및 복잡도의 증가를 초래한다.

센서가 용기로부터의 유출 유동을 측정하는 것이 바람직하다. 종래 기술이 갖는 결점은, 센서가 용융 금속욕의 상부에 삽입되지만 용융 금속은 용융 금속욕의 바닥으로부터 빠져나간다는 것이다. 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 제1 실시예를 예시한다. 도 3a는 야금 용기(3)에 사용되는 본 발명에 따른 센서의 단면도이다. 도 3b는 동일한 것의 평면도이다. 도 3c는 센서(2)와, 센서의 상부를 둘러 싸는 보호 조립체(1), 그리고 센서의 하부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 선택적인 보호 슬리브(33)를 포함하는 센서 조립체(36)를 보여주는 도면이다. 센서는 온도 측정 기구, 화학 센서, 또는 당업자에게 공지된 그 밖의 타입의 센서일 수 있다. 보호 조립체는 제1 내화 조성물로 이루어진다. 따라서, 제1 내화 조성물은 알루미나 또는 지르코니아 등과 같은 내화 세라믹을 포함한다. 보호 슬리브는 제2 내화 조성물로 이루어지는데, 이 제2 내화 조성물은 제1 내화 조성물과 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 제1 및 제2 내화 조성물은, 센서를 손상으로부터 보호하기에 충분한 기계적 강도를 제공하기 위해, 프레싱, 경화, 또는 소성될 수 있다.

도 3a는 센서 조립체용 구멍(33)이 형성된 바닥(32)을 구비한 용기(3)를 보여준다. 용기는 임의의 타입의 야금 용기일 수 있지만, 대개는 작동시 용기의 상당 체적이 적절한 시간에 걸쳐 유출되는 턴디쉬 또는 그 밖의 용기이다. 센서 조립체는 구멍(33)을 통과하여 연장된다. 따라서, 보호 조립체(1)는 바닥(32)의 내부면(34) 상에 안착한다. 센서를 손상으로부터 보호하기 위해 보호 슬리브(31)가 사용될 수 있다. 내화 재료(35)가 보호 조립체(1)를 둘러싸는 것이 바람직하다. 내화 재료는 성형 또는 진동 가능한 재료를 비롯한 하나 이상의 내화 조성물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 내화 재료(35)는 보호 조립체(1) 및 내부면(34)에 부착된다. 따라서, 내화 재료는 또한 구멍(33)을 채워서 이 구멍(33)을 통해 용융 금속이 빠져나갈 가능성을 감소시키도록, 보호 조립체(1)의 밑에 사용될 수 있다. 또한, 내화 재료는 용융 금속의 유동에 의해 야기되는 관성력에 대항하여 보호 조립체(1)를 안정화시킬 수 있다.

본 발명의 용기는 용기를 작동 위치로 움직이기 이전에 전술한 바에 따라 실시될 수 있다. 작동 이후에, 용기는 작동 위치 밖으로 이동될 수 있다. 잔류 금속은 턴디쉬로부터 버려질 수 있다. 주조 이후에, 그리고 대개는 잔류 금속을 버리는 동안에 또는 잔류 금속을 버린 이후에, 센서는 폐기 또는 회수된다. 그 후, 용기는 다시 작동 준비 상태로 만들어진다.

본 발명의 센서에서는 용융 금속에 대한 실질적인 수직면 또는 실질적인 상향면이 노출된다. 이러한 상향면 또는 수직면은 부유력을 거의 받지 않거나 전혀 받지 않는다. 사실상, 용융 금속은 주로 보호 조립체에 압축력을 가한다. 대개 보호 조립체를 이루는 내화 세라믹 재료는 압축 하에서 가장 강하므로, 센서 조립제는 외부 지지체를 필요로 하지 않는다.

또한, 용기의 바닥에 센서를 설치하면, 용기의 하부에 있어서의 상태, 특히 유출 유동의 상태가 보다 편리하게 측정될 수 있게 된다. 센서 조립체는 노즐(7)에 인접하게 설치될 수 있다. 용융 금속욕의 상부면을 통하여 연장되는 종래 기술과는 달리, 노즐 부근 설치는 센서를 길게 하는 것을 필요로 하지 않는다. 관성력은 증대되지 않고, 센서 조립체의 제조에 필요한 재료의 양은 변하지 않는다.

도 3a를 참조하면, 유입 유동(12)은 용융 금속욕에 잠겨진 주입관(6)을 통하여 용기(3) 안으로 들어간다. 유출 유동(13)은 노즐(7)을 통해 용기를 빠져나간다. 노즐(7)의 바로 주변에서, 가속 유동(14)이 노즐(7)을 향해 이동한다. 도 3b를 참조하면, 보호 조립체는 용기의 체적 안으로 돌출하고, 가속 유동(14)을 부분적으로 편향시킨다. 가속 유동(14)은 노즐(7)에 들어가서 유출 유동(13)이 된다. 다시 말하자면, 보호 조립체(1)를 용기의 하부에서 노즐(7) 부근에 배치함으로써, 센서가 노즐(7)에 들어가기 직전의 유동의 상태를 측정하는 것이 보장된다. "부근"은 센서가 주조 중에 가속 유동을 측정할 수 있는 노즐 주변의 위치를 의미한다. 센서를 출구 부근에 설치하면, 유출 유동의 실제 상태와 센서 측정치와의 차이가 줄어든다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제2 실시예를 보여준다. 도 4a는 야금 용기에 있는 본 발명에 따른 센서 조립체의 평면도이다. 도 4b는 센서 조립체(36)의 단면도이다. 이 조립체는 보호 조립체(1)와, 센서(2), 그리고 선택적으로 보호관(31)을 포함한다. 이 실시예는 보호 조립체(1)의 다른 기하학적 구조를 보여주는 것으로, 이 실시예에서 보호 조립체(1)는 댐의 형상이다. 이 실시예에서, 이러한 보호 조립체(1)의 형상은 가속 유동(14)을 더 변경하고, 편향시키며, 그리고 제어하기 위해 사용된다. 물론, 배플 형상과, 충격 패드 형상과, 위어, 그리고 당업자에게 공지된 그 밖의 형상을 비롯한 다른 기하학적 구조가 보호 조립체(1)에 사용될 수 있다.

본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음이 명백하다. 따라서, 후술하는 청구범위의 범위 내에서 본 발명이 구체적으로 전술한 바와는 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (13)

1. 출구가 형성된 내부면과, 상부면을 갖는 용융 금속욕을 수용하도록 되어 있는 내부 체적을 갖는 야금 용기로서, 상기 내부면의 구멍을 통하여 상기 용융 금속욕의 상부면 아래로 연장되는 센서 조립체를 포함하고, 이 센서 조립체는 상단부와, 하단부, 그리고 상기 상단부의 적어도 일부분을 둘러싸는 보호 조립체를 갖는 센서를 구비하는 것인 야금 용기에 있어서,

   a) 상기 보호 조립체는 용융 금속의 유동에 충분히 영향을 미칠 수 있도록 상기 내부 체적 안으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
2. 제1항에 있어서, 상기 내부면은 바닥과 복수 개의 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
3. 제2항에 있어서, 상기 센서 조립체는 야금 용기의 바닥을 통과하여 연장되는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 조립체는 출구를 향하는 용융 금속의 유동에 영향을 미치는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 조립체는 출구 부근에 배치되는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 조립체는 상기 내부면의 구멍보다 큰 것을 특징으로 하는 야금 용기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 조립체는 용융 금속의 유동을 상기 용융 금속욕의 상부면을 향하여 안내하는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호 조립체는 댐, 충격 패드, 위어(weir) 및 배플(baffle)로 구성된 그룹 중에서 선택된 하나의 물체를 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서의 하단부는 적어도 부분적으로 보호관에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
11. 제10항에 있어서, 상기 센서는 열전쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부면에서 상기 보호 조립체가 내화 재료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 야금 용기.
13. 제12항에 있어서, 상기 내화 재료는 성형 가능한 재료와 진동 가능한 재료로 구성된 그룹 중에서 선택된 하나의 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 야금 용기.

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