KR20060121193A - 용융 재료의 분석 방법, 장치 및 액침 센서 - Google Patents

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제이크 플레세르스
비토리노 투셋
마크 샤인스
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Abstract

발광 분광 분석법을 이용하여 주철이나 주강, 슬래그, 유리 또는 용암과 같은 용융 금속을 분석하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 적어도 하나의 방출 분광계와 적어도 하나의 여기 장치(excitation device)를 구비하는 감지 요소가 사용되어, 분석 대상 재료를 여기시키고 감지 요소에 존재하는 분광계에 의해 분석 대상 복사선의 부분적 발생 또는 완전한 발생을 가능하게 한다. 상기 감지 요소는 분석 대상의 용융 재료와 접촉하여, 분광계에 의해 제공되는 분석 원소를 포함하는 정보를 전달한다. 본 발명은 또한 액침 센서에 관한 것이다.

Description

용융 재료의 분석 방법, 장치 및 액침 센서{METHOD FOR ANALYSIS OF A MOLTEN MATERIAL, DEVICE AND IMMERSION SENSOR}
본 발명은 발광 분광 분석법을 이용하여 고온 용융 재료를 분석하는 분석 방법에 관한 것이다. 이러한 분석 방법은 융융 철 또는 강과 같은 용융 금속의 분석에 특히 적합하지만, 슬래그, 유리, 용암 또는 임의의 다른 유체, 고온 재료를 분석하는 데 사용될 수도 있다. 본 발명은 또한 발광 분광 분석법을 이용한 본 발명의 분석 방법에 사용되는 신규의 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 금속, 슬래그 또는 용암 용융물과 같은 용융 재료 또는 유리를 분석하기 위한 액침 센서에 관한 것으로, 이 액침 센서는 액침 캐리어, 복사선 검출기, 복사선의 기록 및 추가의 전송을 위한 복사선 안내 시스템, 그리고 액침 캐리어 상에 또는 그 내부에 위치된 신호 인터페이스를 포함한다.
본 발명의 바람직한 적용 범위는 금속, 용암, 유리 또는 슬래그 욕의 분석 분야를 포함하며, 상기 재료는 부분적으로 또는 완전히 용융된 상태로 있고, 다른 내화 용융 재료를 포함한다.
예컨대 용융 강, 용융 알루미늄, 용융 유리 또는 용융 용암 등과 같이 300℃ 이상의 온도를 갖는 고온 용융물의 조성을 분석하는 기술 분야는 상당히 광범위하 다. 일반적으로 사용되는 방법은 샘플을 채취할 필요가 있는데, 이 샘플을 1차 냉각하고, 부분 냉각 또는 완전 냉각 후에 상기 샘플에 다양한 분석 절차를 실행한다.
다양한 분석 기법을 사용할 수 있으며, 이 분석 기법은 정성적으로 확인되거나 정량적으로 첨가되는 조성물의 성분에 따라서 선택된다. 이러한 선택은, 분석 대상 재료가 존재하는 물리적 형태〔강 제련 전로(轉爐)의 강 욕(steel bath), 제련소의 내화 재료의 욕, 오븐 내의 용융 유리, 또는 화산의 용암〕와, 원하는 유형의 작업(재료에 대한 실용적 접근, 분석 위치에서의 환경, 분석 절차로 인한 결과를 얻기 전의 가용 시간)과 같은 작동 조건과 관련한 실질적 성질에 의해 결정된다.
설명의 편의상, 본 명세서는 다른 고온 용융 재료에 본 발명의 분석 방법을 적용할 수도 있지만 금속 용융 질량의 분석 분야에 초점을 맞추고 있다.
용융 금속의 분석 분야에 있어서는, 매우 신속하게 실행할 수 있고, 샘플의 준비를 위한 작업 시간이 그다지 소요되지 않고, 소정 양의 다수 성분을 동시에 처리할 수 있기 때문에, 분광 분석법이 가장 일반적으로 사용되는 기술이다. 분광 분석법은, 분석 대상 재료를 이루는 성분의 이온화를 달성하는 방식으로 분석 대상 재료를 여기시키는 사실을 기초로 한다. 그 후, 방출된 복사선을 분광계에서 분석하고, 이 분광계는 상기 복사선을 존재하는 재료에 대응하는 상이한 파장으로 분리한다. 분광계는 다양한 타입으로 구별되어 있으며, 관련 분야에서 가장 일반적인 것은 광전증배관 검출기 또는 CCD(Charged Coupled Device) 시스템 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductors)를 포함하는 것이다. 발광 분광 분석법을 이용하는 분석 장치는 실험실용의 장치 또는 고정된 재료를 분석하기 위한 휴대용 장치이다.
발광 분광 분석법의 경제적 이득은 알려져 있으며, 금속 제조 시의 전체 상관 관계를 추적하고, 제어하고, 모니터할 수 있기 때문에 통상적으로 사용되고 있다. 이득에 대한 강한 요구로 인하여, 본질적으로 제조 공정의 수익에 대하여 비용을 적절하게 최소로 하는 가장 간단하고 가장 신속한 방법을 찾게 되었다.
이러한 수익성을 얻기 위한 방법을 찾는 중에, 샘플의 채취를 생략한 상태로 유체 금속의 투여와 관련한 여러 방법을 조사하였고, 이들 방법은 현재에 실험실에서 개발되고 있거나, 파일럿 라인 상에서 어느 정도 개발된 중간 제품의 상태로 있다.
현재의 방법은, 예컨대 레이저 빔을 이용하여 원거리에서 물체를 여기시키는 것을 포함하며, 그 후 물체가 빔에 의한 여기에 기인한 유도 복사선을 방출하며, 이 복사선을 방출 분광계에 의해 분석하며, 방출 분광계는 분석 대상의 여기된 물체로부터 어느 정도 제거되고, 실제로 실용적인 적용 방법에 따라, 예컨대 강 밀(steel mill)에서의 작업 조건에 따라 위치 결정된다. 분석 대상의 물체로부터 진행하는 복사선은 예컨대 유리 섬유를 통하여, 텔레스코프 등을 통하여 다양한 방법으로 분광계로 안내될 수 있다.
CCD 기술에 기초한 검출기를 사용하고 있는 분광계를 소형화하고 단순화하기 위한 연구 개발이 현재 진행중인 것으로 알려져 있으며, 그 제조 비용은 물체 상태 에 따라 사용 시에 산업상 이득을 얻을 수 있을 정도로 충분히 낮아질 것이다. 산업 생산에 이미 사용되고 있는 기술과 현재에 개발 중에 있는 기술 모두를 포함한 다양한 기술 모두는, 분광 분석법으로 분석되는 복사선을 발생시키기 위하여 대상물을 여기시키는 요소를 분석 대상물의 외측에 배치하는 것을 기초로 하고 있다. 현재에는, 이를 위하여 분석 대상물의 근처에, 예컨대 컨버터 내에 배치된 금속 욕에 위치 결정되는 레이저 시스템을 종종 필요로 한다. 또한, 상기 레이저 시스템은 또한 레이저 빔을 지향시키기 위한 상이한 타겟팅 장비를 필요로 한다.
실제의 산업 생산에 있어서는, 강 작업과 같은 용융 금속의 생산 위치 주변의 환경 조건 및 화산 주변의 용암 분석을 위한 환경 조건은 이러한 조건을 모니터링하는 데 사용된 장치에 대해 매우 공격적이며, 이러한 연결에 있어서 광학 장치는 특히 민감하다. 그 결과, 상기 레이저 장비를 사용하게 되면 기술적 문제점이 초래되며, 레이저가 방출한 복사선을 수반하는 장비에 의한 여기를 이용하는 분광 분석법의 광범위하고 집중적인 적용과 관련한 모든 개발은 사고를 유발하기 쉽고, 매우 어렵게 된다.
용융 재료를 분석하는 액침 센서와 같은 기술은 WO 03/081287에 알려져 있다. 이 특허에는, 용융 알루미늄에 침지되는 캐리어 튜브가 개시되어 있다. 캐리어 튜브 내에는 렌즈 시스템이 배치되어 있다. 튜브의 상단에는 광섬유가 배치되어 있고, 이 광섬유는 광학 시스템을 통하여 한편으로 분광 사진기에 연결되어 있고, 다른 한편으로 레이저에 연결되어 있다. 용융물이 방출하는 복사선은 광섬유를 통하여 분광 사진기로 안내되고, 여기서 복사선을 분석하여 용융 알루미늄의 조 성과 관련한 분석 결과를 유도한다.
본 발명의 목적은 발광 분광 분석법을 이용하여 용융 재료를 분석하는 신규한 분석 방법을 제공하는 것으로, 이 분석 방법은 주철 또는 주강과 같은 용융 금속의 분석에 특히 적합하지만, 슬래그, 유리, 용암, 또는 다른 고온 유체 재료의 분석에도 또한 적용될 수 있다.
상기 목적은 독립항의 특징부에 의해 본 발명에 따라 달성될 수 있다. 유리한 실시예가 종속항에 기재되어 있다. 본 발명에 따르면, 주철 또는 주강과 같은 용융 금속의 분석에 특히 적합하지만, 슬래그, 유리, 용암, 또는 300℃ 이상, 바람직하게는 500℃ 이상의 온도를 갖는 다른 유체 재료의 분석에도 또한 적용될 수 있는, 발광 분광 분석법을 이용하여 용융 재료를 분석하는 분석 방법이 제공되며, 이 분석 방법에 있어서는,
적어도 하나의 방출 분광계를 구비하는 소위 "감지 요소(sensitive element)"를 사용하며,
- 분석 대상 재료를 여기시키고, 감지 요소에 존재하는 분광계에 의해 분석되는 복사선의 일부 또는 전부를 발생시킬 수 있도록 적어도 하나의 여기 장치(excitation device)를 구비하는 감지 요소가 사용되고,
- 상기 감지 요소는 분석 대상의 재료와 접촉하도록 되어 있고,
- 분석 신호로서 지시되고, 분석 대상의 용융 재료와 접촉하는 시점과 상기 재료에서의 용융에 따른 파괴 시점 사이에 감지 요소가 방출하는 정보가 기록되고, 전달된 정보는 감지 요소에 존재하는 분광계에 의해 생성된 분석 원소(analysis element)를 포함하며,
- 판독 직후에 또는 처리 후에, 전달된 분석 신호로부터 분석 대상 재료의 적어도 부분적인 화학 원소 조성을 유도할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 분석을 실시하기 위한 분석 방법에 사용된 감지 요소는 방출 분광계뿐 아니라, 분석 대상 재료를 여기시키고 존재하는 분광계에 의해 분석되는 복사선의 일부 또는 전부를 발생시키기 위한 여기 장치를 구비하므로, 상기 감지 요소의 사용은 분석 대상 재료의 근처에 위치 결정되는 레이저와 같은 외부 여기 장치의 사용과 관련한 문제에 대한 해결책을 제시한다. 따라서, 이 분석 방법은 분석 대상 재료의 자가-여기(self-excitation)를 위한 시스템을 사용하는 것을 포함하여, 국부적 분광계, 즉 분석 대상의 용융 재료와 접촉하게 되는 요소에 존재하는 분광계에 의해 분석될 수 있는 방출 스펙트럼이 방출된다. 이들 독립형의 자가-여기 장치는 1 회용 센서 또는 폐기 가능한 센서로서의 감지 요소에 일체로 되어 있다.
본 발명의 분석 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 실질적 작업 조건, 예컨대 측정에 사용된 소위 기초 복사선(base radiation)의 측정 및 제어 기법을 고려하여 조절 기법(modulation technique)을 사용한다. 바람직하게는, 상기 재료의 여기 없이 분석 대상 재료가 방출하는 스펙트럼을 적어도 1회 측정한다. 그 후, 이러한 방식으로 얻은 기초 복사선의 스펙트럼을 분석 대상 재료의 여기 후에 감지 요소에 의해 기록된 스펙트럼으로부터 뺀다. 이러한 작업 결과를 기초로 하여, 기초 복사선과는 독립적인 분석 신호가 감지 요소에 의해 전달된다.
본 발명의 분석 방법의 다른 실시예에 따르면, 분석 대상 재료의 여기 단계 이전에, 상기 감지 요소가 전달하는 신호를 보정하기 위하여, 분석 대상 재료의 온도를 적어도 1회 측정한다. 분석 대상 재료의 여기 후의 재료에 대한 방출 특성 곡선에 있어서의 (파장, 진폭, 대역의) 임의의 이탈을 온도와는 독립적으로 고려해야 한다.
본 발명의 분석 방법의 다른 실시예에 따르면, 측정과 관련한 선택의 적정성을 평가하기 위하여 분석 대상 위치의 공간상 배치를 또한 적어도 1회 측정한다. 이러한 측정은, 상기 공간상 배치가 예컨대 욕의 에지 또는 산화면의 근처에 의미 있게 위치되는 것을 확인하는 것에 중요성이 있다. 이들 위치에 배치된 재료의 분석이 욕 내에 위치된 분석 대상 재료의 분석을 나타내지 않을 수 있는 위험이 존재한다.
본 발명의 분석 방법의 다른 실시예에 따르면, 전기적 여기(electric excitation)의 발생을 위한 적어도 하나의 여기 장치가 제공되며, 이 여기 장치는 바람직하게는 인터럽션 장치를 구비한 적어도 하나의 하전된 캐패시터를 포함한다. 캐패시터는 선택적으로 배터리에 의해 제공될 수 있고, 1 내지 2000 회의 방전을 발생시킬 수 있고, 각각의 방전은 적어도 10 nsec(나노초) 지속되어야 하며, 방전의 세기는 적어도 0.01 암페어이다.
본 발명의 분석 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 화학적 여기를 발생시키는 적어도 하나의 여기 장치가 제공되며, 이 여기 장치는 바람직하게는 분석 대상의 용융 재료와 접촉하여 고에너지 화학 반응을 발생시키는 유체를 바람직하게는 1000 ml 미만의 양으로 수용하고, 이 화학 반응은 분석 대상 재료를 여기시키고, 감지 요소에 존재하는 분광계에 의해 분석되는 복사선을 발생시키며, 이 화학 반응은 바람직하게는 폭발성 화학 반응이다. 본 발명의 분석 방법의 다른 실시예에 따르면, 여기 장치는 화학 반응에 의한 여기에 사용된 유체를 수용하기 위한 용기를 포함하며, 이 용기의 목적은, 선택적으로 소정 위치에 존재하고 복사선 빔의 분석에 사용된 분광계의 하나 이상의 부품의 파괴 및 재료의 소비를 관리함으로써, 분석 대상 재료와 존재하는 여기 장치 또는 여기 재료 사이의 접촉 지속 시간을 조절하는 것이다. 이러한 경우에, 여기 장치로서 용기를 이용하는 것에 특징이 있고, 여기 장치는 파열 밸브로서 지칭되는 장치를 갖추고 있고, 이 파열 밸브는 용융 온도가 분석 대상 금속의 용융 온도를 적어도 10℃ 초과하는 금속 또는 금속 합금으로 구성되고, ULC 강의 경우에는, 예컨대 텅스텐이 첨가된 강을 밸브의 재료로서 사용할 수 있다.
본 발명의 분석 방법의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 분석 대상의 재료는 용융 금속이고, 여기 장치는 본질적으로 화학 물질이고, 유체, 바람직하게는 물을 이용하며, 사용된 최소 유체 용적은 바람직하게는 0.01 ml이다.
본 발명은 또한 상기 분석 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 본질적으로, 분석 대상의 용융 재료와 접촉하는 상기 감지 요소가 이 감지 요소를 적어도 부분으로 에워싸는 재킷을 포함하고, 이 재킷은 (작업 조건하에서) 가용성인 재료, 바람직하게는 질석(vermiculite)으로 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실용적인 실시예에 따르면, 상기 재킷은 용융에 의한 감지 요소의 파괴를 지연시키도록 기하학적으로 구성되며, 이러한 재킷의 기하형상은 바람직하게는 분광계의 감지 부분과 분석 대상의 재료, 바람직하게는 용융 금속의 접촉을 촉진한다. 본 발명의 장치의 다른 실시예에 따르면, 분석 대상의 용융 금속과 접촉하는 요소는 제어된 내부 분위기를 갖는 엔클로저(enclosure) 내에 수용되고, 이 러한 엔클로저는 적어도 하나의 가스 또는 가스 혼합물을 포함하는 분위기, 바람직하게는 질소 및/또는 아르곤을 함유하는 분위기를 포함하며, 이 엔클로저는 진공 상태로 위치되어 있고, 바람직하게는 진공의 경우에 적어도 10-1 mmHg ± 10% 압력으로 설정된다.
본 발명은 분석 대상 물체의 재료를 여기시키기 위한 외부 시스템(레이저 시스템 또는 기타의 시스템)을 필요로 하지 않는다. 본 발명의 분석 방법을 이용하면, 분광 분석용 장치를 단순화할 수 있고, 관련한 경제적 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 목적은 특히 용융 금속의 분석을 위한 액침 센서에 의하여 또한 달성되며, 이 액침 센서는 침지 가능한 캐리어, 복사선 검출기, 및 복사선을 기록하고 재전송하며 침지 가능한 센서 상에 또는 그 내부에 배치된 신호 인터페이스를 갖는 복사선 안내 시스템을 포함하며, 상기 복사선 검출기와 복사선 안내 시스템의 적어도 일부는 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치되고, 상기 신호 인터페이스는 복사선 검출기와 연결되어 있다. 용융 금속이 방출하는 광 복사선을 침지 가능한 캐리어에서 전기 신호로 미리 변환할 수 있고, 이 전기 신호를 많은 다양한 방법으로 재전송할 수 있으므로, 추가의 신호 전송이 현저히 간단하게 된다. 복사선 검출기는 더 이상 장기간 사용하도록 배치될 필요가 없으며, 복사선 검출기는 측정 후에 자체의 기능을 상실하고, 이에 따라 매우 간단하고 비용 효율적으로 설치될 수 있다. 복사선 검출기의 작동은 더 이상 필요하지 않게 된다.
바람직하게는, 복사선 검출기는 복사선의 기록 및 전기 신호로의 변환을 위한 장치를 구비하며, 특히 복사선 검출기를 가시광선, 자외선, 적외선, X-선 및/또는 극초단파를 기록하고 전기 신호로 변환하도록 설계하는 것이 실용적이다. 이로 인하여, 모든 유형의 광 또는 기타 복사선을 기록할 수 있고, 용융물의 분석에 사용할 수 있다. 침지 가능한 캐리어를 개별 부품이 배치되어 있는 튜브로서 구성하는 것이 특히 편리한데, 그 이유는 운반 중에 개별 부품을 보다 확실하게 보호할 수 있기 때문이다. 침지 가능한 캐리어를 용융 재료에서 소모될 수 있는 재료, 특히 유기 재료로 구성하는 것이 또한 바람직하다.
상기 신호 인터페이스를 전기 커플링이나 광 커플링으로서 또는 (신호의 유선 또는 무선 전송을 위한) 트랜스미터로서 구성하는 것이 또한 유리하다. 따라서, 외부에서 충돌하는 광 신호를 복사선 안내 시스템에 커플링하고, 복사선 검출기로부터 나오는 신호를 와이어 또는 케이블 접속을 거쳐서 또는 심지어 트랜스미터에 의하여 무선으로 재전송하는 것이 가능하게 된다. 특히, 이로 인하여 사용 후에 침지 가능한 캐리어를 외부 시스템으로부터 용이하게 분리하고, 폐기한 후에, 새로운 침지 가능한 캐리어를 커플링 부분을 매개로 외부 시스템(컴퓨터, 복사선 생성용 레이저, 무선 세그먼트, 또는 기타 시스템)에 접속된 라인에 연결할 수 있다. 침지 가능한 캐리어는 바람직하게는 기계적 커플링에 연결되며, 바람직하게는 캐리어 랜스(carrier lance)에 결합된다. 이러한 캐리어 랜스는 측정 장치의 유지를 위하여 야금 분야에서는 일반적인 것이다. 신호 라인이 캐리어 랜스 내로 뻗어 있다. 신호 인터페이스가 트랜스미터로서 구성되어 있는 경우에, 복사선 검출기로부터 방출된 신호는 무선으로 컴퓨터에 전달될 수 있다. 여기서, 복사선 검출기에 성분의 신호 평가를 제공하는 것이 기본적으로 가능하게 되므로, 단지 결과만이 재전송된다. 침지 가능한 캐리어에 도달하는 전기 신호를 광 신호로 변환하는 것을 또한 생각할 수 있다. 이 경우에, 침지 가능한 캐리어에 도달하는 신호는 무선으로 또는 케이블 없이 무선으로 전송될 수 있고, 무선 신호는 광 신호로 변환된다. 이로 인하여 무접촉 측정이 가능하게 되고, 센서와 평가 장치 또는 신호 생성 장치 사이의 고정 접속이 불필요하게 되는데, 그 이유는 이러한 목적을 위하여 충분히 비용 효율적이고, 소형이며, 강력한 구성 요소를 제공하는 것이 가능하기 때문이다.
신호 평가를 위한 신호 증폭기 및/또는 프로세서를 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치하는 것이 유리하며, 복사선 안내 시스템이 광 및/또는 자기 렌즈, 광섬유, 거울, 불꽃 방전 갭(spark discharge gap), 및/또는 셔터(shutter)를 포함하는 것이 또한 유리하다. 불꽃 방전의 발생을 위한 시스템 또는 다른 복사선 방출 시스템을 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 위치 결정하는 것이 또한 실용적이다. 유리하게는, 광 분광계, X-선 분광계 및/또는 질량 분광계를 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치할 수 있다.
분석 대상의 용융 재료의 표면을 깨끗이 세정할 수 있는 가스 전달 장치를 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치하는 것이 중요할 수 있으며, 복사선이 측정 대상의 표면에 집속될 수도 있고, 그 표면에 불꽃이 발생할 수도 있다.
침지 가능한 캐리어가 튜브로서 구성되는 경우에, 가스 전달 라인을 튜브 내측에 배치하여, 액침 센서의 침지 시에 용융 금속이 튜브를 관통하는 것을 방지하는 것도 바람직하다. 특히, 빙정석 용융물, 철 또는 강 용융물, 또는 심지어 유리, 용암, 구리 용융물과 같이 고온에서 용융되는 재료를 전술한 바와 같은 방식으로 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기본 구조/방법을 도시하고,
도 2는 본 발명의 대안의 구조/방법을 도시하고,
도 3은 본 발명의 방법의 다른 실시예를 도시하고,
도 4는 융융 금속에 침지된 액침 센서의 개략도를 도시한다.
이하에서는, 도면을 참고로 본 발명을 예시적으로 설명한다.
도 1은 개발 중에 있거나 산업용의 중간 생산 단계에 적용되는 분석 방법을 도시하고 있다. 용기(7) 내에 분석 대상의 금속(1) 또는 임의의 고체 또는 유체 재료가 있고, 금속에 충돌하는 빔(3)을 방사하여 복사선(4)을 방출하도록 가열을 실행하는 레이저 시스템(2)이 도시되어 있고, 상기 복사선(4)은 적어도 부분적으로 분광계(5)를 향하여 지향되고, 이 분광계는 상이한 분석 및/또는 신호 처리 시스템(6)에 연결되어 있으며, 이 시스템은 복사선(4)에 포함된 정보/분석 신호의 해석을 가능하게 하여, 그로부터 금속(1)의 분석을 유도할 수 있게 한다.
도 2는 용융 금속 욕의 분석에 사용될 수 있는 대안의 방법을 도시하고 있다. 도 2에는 분석 대상의 재료가 도시되어 있고, 이 재료는 금속 욕(1)과 접촉하는 CCD 분광계와 함께 용기 내에 포함된 금속 욕이며, 분광계(8)는 분석된 욕(1)에서의 용융에 의해 특정 시간 경과 후에 파괴된다. 상기 분광계(8)에는 복사선 검출기가 장착되어 있고, 상기 복사선은 먼저 격자 또는 결정을 갖는 여러 개의 성분으로 분리될 수 있다. 상기 검출기는 CCD 검출기 등일 수 있고, 이 검출기는 추가의 분석 및/또는 적절한 분석 및/또는 신호 처리 시스템(6)에서의 작동 처리를 위하여 검출기가 제공하는 데이터를 안테나(10)로 전달하는 트랜스미터 시스템을 구비하고 있다.
도 2에 도시된 장치의 사용은 여기 장치(2)를 사용하여 분석 대상의 금속 욕(1)에서의 여기를 유도함으로써 시작되며, 이 여기 장치는 일반적으로 분광계(8) 근처의 소정 위치에서 금속 욕(1)에 충돌하는 빔(3)을 방사하는 레이저이며, 이 분광계는 여기용 레이저(2)로부터의 빔(3)에 의해 유도된 복사선과 욕(1)에서 유래하는 복사선을 기록 및 분석한다. 분광계(8)에 의한 분석 작업의 결과는 전송 경로(9; 예컨대 무선 또는 케이블을 통한 웨이브 형태)를 거쳐 기록 장치/안테나(10)로 전송되고, 이는 정보/분석 신호의 기억 또는 분석 및/또는 신호 처리 시스템(6)으로의 재전송에 적합할 수 있고, 이로 인하여 금속 욕의 화학적 조성을 측정하기 위한 유도 복사선에 대한 분석의 해석을 가능하게 한다. 물론, 전체 분석 및 전송 과정의 실행은 용융에 의한 상기 분광계(8)의 파괴 전에 실시된다.
바람직하게는 컨버터, 강 밀 도가니, 또는 용융 및/또는 환원 오븐(reduction oven)인 용기(7) 내에 수용된 도 3에 도시된 금속 욕(1)을 분석하기 위하여, 감지 요소(11)가 내부에 배치되어 있고, 이 감지 요소는 적어도 하나의 분광계와 분석 대상의 욕(1)을 이루는 금속의 자기-여기를 위한 시스템을 수용한다. 그 후, 감지 요소(11)가 분석 대상의 욕(1)과 접촉할 때에 여기가 수동으로, 자동으로 또는 그외의 방식으로 시작되고, 기록 장치/안테나(10)를 매개로 감지 요소(11)로부터 나오는 신호(9)가 기록되며, 이 신호는 감지 요소(11)에 위치된 분광계에 의해 실행되는 측정의 결과를 해석하기 위하여 분석 및/또는 신호 처리 시스템((6)에 의해 처리될 수 있다. 그 결과, 유체 금속과 접촉하는 감지 요소의 외측에서 임의의 여기 시스템이 생략됨으로 인하여 설비가 간단하게 된다. 단지 감지 요소를 금속 욕 내로 도입하고, 무선으로 또는 예컨대 케이블 접속을 매개로 물리적으로 감지 요소로부터 나오는 데이터의 복원을 위한 장치에 사용되는 장비만이 남게 된다.
도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 액침 센서는 용융 철(1)이 수용된 용기/도가니(7)에 부분적으로 침지되어 있다. 침지 가능한 캐리어(12)가 카드보드 튜브로서 구성되어 있고, 여기서 복사선 안내 시스템이 일방향 거울(13) 및 렌즈(14)와 함께 배치되어 있다. 튜브 내에는, 용융 철(1)로부터 나오는 복사선을 기록하고 이 복사선을 전기 신호로 변환하는 분광계(8)가 또한 배치되어 있다. 전기 신호는 신호 라인(15)을 매개로 커플링(16)으로 재전송된다. 커플링(16)은 액침 센서를 외부의 파워 서플라이 시스템에 연결하는 데 사용된다. 이러한 목적을 위하여, 레이저 소스가 광섬유(17)를 매개로 커넥터/커플링(16)에 연결되어 있고, 신호 케이블(18)이 액침 센서를 컴퓨터와 연결하며, 가스 라인(19)이 튜브〔액침 캐리어(12)〕 내로의 가스 공급을 가능하게 하며, 여기서 튜브 자체는 커플링(16)과 용융 철(1) 사이의 가스 라인을 구성한다. 광섬유(17)가 광 개구(20; light aperture)에 연결되어 있다. 레이저 광선이 거울(13)과 렌즈(14)에 의하여 광 개구(20)를 통하여 용융 철(1)에 집속된다. 용융 철(1)로부터 반사된 광은 거울(13)에 의해 분광계(8)에 입력되는 신호로 지향된다. 이러한 목적을 위하여, 거울(13)은 일방향 거울로서 구성되어 있다.
이들 구체적으로 설명한 실시예 이외에, 위에서 이미 설명한 실시예도 마찬가지로 생각할 수 있다. 침지 단부로부터 멀어지게 향하는 튜브의 단부에서, 캐리어 랜스가 삽입될 수 있고, 이 랜스에서 튜브가 침지 과정 중에 유지될 수 있다.
발광 분석법에 의한 본 발명의 분석 방법을 사용할 수 있는 산업 분야는 매우 넓으며, 단순히 강 밀에서의 취급 작업으로 한정되지 않고, 아연 도금에서와 같이 금속의 분리를 위한 욕으로서 사용할 수도 있는 다른 야금 욕의 조성의 분석에 의한 모니터링에 사용될 수도 있다. 발광 분광 분석법에 의한 분석을 실시하기 위하여 필요한 산업상의 제조 공정은 중단되지 않고, 그에 따라 시간 손실이 발생하지 않으므로, 생산성의 현저한 증가를 기대할 수 있다.

Claims (41)

  1. 발광 분광 분석법에 의해 300℃ 이상, 바람직하게는 500℃의 용융 온도를 갖는 용융 재료를 분석하는 분석 방법으로서, 적어도 하나의 방출 분광계를 구비하는 소위 "감지 요소(sensitive element)"를 사용하며,
    - 분석 대상 재료를 여기시키고, 감지 요소에 존재하는 분광계에 의해 분석되는 복사선의 일부 또는 전부를 발생시킬 수 있도록 적어도 하나의 여기 장치(excitation device)를 구비하는 감지 요소가 사용되고,
    - 상기 감지 요소는 분석 대상의 용융 재료와 접촉하도록 되어 있고,
    - 분석 대상 용융 재료와 접촉하는 시점과 상기 용융 재료에서의 용융에 따른 파괴 시점 사이에 감지 요소가 전달하는 분석 신호가 기록되고, 전달된 분석 신호는 감지 요소에 존재하는 분광계가 제공하는 분석 원소(analysis element)를 포함하며,
    - 판독 직후에 또는 처리 후에, 전달된 분석 신호로부터 분석 대상 재료의 적어도 부분적인 화학 원소 조성을 결정하는 것인 용융 재료의 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서, 조절 기법(modulation technique)을 사용하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재료의 여기 없이 분석 대상 재료가 방출 하는 스펙트럼을 적어도 1회 측정하고, 이러한 방식으로 얻은 기초 복사선(base radiation)의 스펙트럼을 분석 대상 재료의 여기 후에 감지 요소가 취한 스펙트럼으로부터 빼는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 감지 요소가 전달하는 신호를 보정하기 위하여, 분석 대상 재료의 온도를 적어도 1회 측정하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 여기 절차 이전에, 상기 감지 요소가 전달하는 신호를 보정하기 위하여, 분석 대상 재료의 온도를 적어도 1회 측정하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 적정성을 결정하기 위하여 분석 위치의 공간상 배치를 적어도 1회 측정하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 여기 장치는 전기적 여기(electric excitation)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  8. 제7항에 있어서, 여기의 생성을 위한 여기 장치는 1 내지 2000회의 방전(discharge)을 발생시키고, 각각의 방전은 적어도 10 nsec(나노초) 지속되며, 방전의 세기는 적어도 0.01 암페어인 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 여기 장치 중 적어도 하나는 화학적 여기를 발생시키는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 여기 장치는 분석 대상의 용융 재료와 접촉하게 되는 유체를 바람직하게는 1000 ml 미만의 양으로 수용하고, 이러한 접촉은 분석 대상 재료의 여기에 영향을 끼치는 고에너지 화학 반응이 일어나는 방식으로 발생하며,
    감지 요소에 존재하는 분광계에 의해 분석되는 복사선이 발생하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  11. 제9항에 있어서, 화학 반응은 자연 폭발성이 있는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 여기 장치는 화학 반응에 의한 여기에 사용된 유체를 수용하기 위한 용기를 포함하여, 분석 대상 재료와 존재하는 여기 장치 사이의 접촉 지속 시간의 조절(modulation)을 허용하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  13. 제12항에 있어서, 분석 대상 재료와 존재하는 여기 장치 사이의 접촉 지속 시간의 조절에 사용된 용기는 국부적 분광계(local spectrometer)의 하나 이상의 부품의 소모 및 후속 파괴에 따라 작동하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 여기 장치는 화학적 여기를 발생시키고, 유체를 포함하며, 최소 유체 용적은 0.01 ml인 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 여기 장치는 화학적 여기를 발생시키고, 물을 사용하는 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분석 대상 재료는 용융 금속, 바람직하게는 주철 또는 주강인 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분석 대상 재료는 슬래그, 유리 또는 용암인 것을 특징으로 하는 용융 재료의 분석 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 하나에 따른 발광 분광 분석법에 의한 분석 방법을 실행하기 위한 장치로서,
    분석 대상 용융 재료와 접촉하는 상기 감지 요소는 이 감지 요소를 적어도 부분적으로 에워싸는 재킷을 포함하고, 이 재킷은 가용성 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 가용성 재료는 질석(vermiculite)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 재킷은 용융에 의한 감지 요소의 파괴를 지연하는 방식으로 기하학적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 재킷은, 재킷의 기하형상이 분광계의 감지 부분과 분석 대상의 용융 재료의 접촉을 촉진하는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 분석 대상의 용융 금속과 접촉하는 요소는 제어된 내부 분위기의 엔클로저(enclosure)에 수용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 엔클로저는 적어도 하나의 가스를 포함하는 분위기, 바람직하게는 질소 또는 아르곤을 함유하는 분위기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 엔클로저는 진공 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제22항에 있어서, 상기 엔클로저는 적어도 10-1 mmHg ± 10% 압력의 진공 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제18항 내지 제25항 중 어느 하나의 항에 있어서, 전기적 구조를 갖는 여기 장치를 포함하고, 여기의 생성을 위한 상기 여기 장치는 인터럽션 장치(interruption device)를 구비한 적어도 하나의 하전된 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제18항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 있어서, 여기의 생성을 위한 여기 장치는 적어도 하나의 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 용융 재료, 특히 금속, 슬래그, 용암 용융물 또는 유리를 분석하기 위한 액 침 센서로서, 침지 가능한 캐리어, 복사선 검출기, 복사선을 기록하고 재전송하며 침지 가능한 센서 상에 또는 그 내부에 배치된 신호 인터페이스를 갖는 복사선 안내 시스템을 포함하며,
    상기 복사선 검출기와 복사선 안내 시스템의 적어도 일부는 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치되고, 신호 인터페이스가 복사선 검출기와 연결되어 있으며, 상기 침지 가능한 캐리어는 용융 재료로 소모될 수 있는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  29. 용융 재료, 특히 금속, 슬래그, 용암 용융물 또는 유리를 분석하기 위한 액침 센서로서, 침지 가능한 캐리어, 복사선 검출기, 복사선을 기록하고 재전송하며 침지 가능한 센서 상에 또는 그 내부에 배치된 신호 인터페이스를 갖는 복사선 안내 시스템을 포함하며,
    상기 복사선 검출기와 복사선 안내 시스템의 적어도 일부는 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치되고, 신호 인터페이스가 복사선 검출기와 연결되어 있으며, 상기 침지 가능한 캐리어는 기계적 커플링에 연결되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 복사선 검출기는 복사선의 기록 및 전기 신호로의 변환을 위한 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  31. 제28항 내지 제30항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 복사선 검출기는 가시광선, 자외선, 적외선, X-선 및/또는 극초단파를 기록하고 전기 신호로 변환하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  32. 제28항 내지 제31항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 침지 가능한 캐리어는 튜브로서 구성되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  33. 제28항 내지 제32항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 침지 가능한 캐리어는 용융 재료에서 소모될 수 있는 재료, 특히 유기 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  34. 제28항 내지 제33항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 신호 인터페이스는 전기 커플링이나 광 커플링으로서 또는 트랜스미터로서 구성되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  35. 제28항 내지 제34항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 침지 가능한 캐리어는 기계적 커플링에 연결되며, 바람직하게는 캐리어 랜스(carrier lance)에 결합되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  36. 제28항 내지 제35항 중 어느 하나의 항에 있어서, 신호 평가를 위한 신호 증 폭기 및/또는 프로세서가 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  37. 제28항 내지 제36항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 복사선 안내 시스템은 광 및/또는 자기 렌즈, 광섬유, 거울, 불꽃 방전 갭(spark discharge gap), 화학적 여기를 위한 여기 장치 및/또는 셔터(shutter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  38. 제28항 내지 제37항 중 어느 하나의 항에 있어서, 광 분광계, X-선 분광계 및/또는 질량 분광계가 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  39. 제28항 내지 제38항 중 어느 하나의 항에 있어서, 복사선 방출 장치가 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  40. 제28항 내지 제38항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가스 라인 장치가 침지 가능한 캐리어 상에 또는 그 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
  41. 제40항에 있어서, 상기 가스 라인 장치는 가스 라인과 라인 커플링을 포함하는 것을 특징으로 하는 액침 센서.
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