KR20070014754A - 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테인리스강의 제조시 그 용탕중에 침지되어 시료를 채취하는 과정에서 발생되는 시료와 시료채취실 간의 응착현상을 효과있게 방지하여 시료결함을 줄이고 보다 용이한 시료채취를 가능케 한 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브에 관한 것이다.

본 발명은 스테인리스강을 제조할 때에 전기로 공정을 거쳐 용융된 상태로 출탕된 래들내에서 용융금속의 정보를 얻기 위해 침지 사용되는 세라믹 소재의 탕구와 상실, 탕도 및 하실을 갖춘 시료 채취용 프로브에 있어서; 상기 상실의 내벽면에, 탕구와 대응되는 주입구 및 탕도와 대응되는 유통공간을 갖는 원통형상의 냉금을 내장 고정하여서 된다.

본 발명은 큰 비열과 낮은 열전도도를 갖는 용융금속의 시료채취 과정에서 상실에 냉금을 내장함으로써 하실과 샘플의 응착을 미연에 방지할 수 있고, 성분분석을 위해 시료를 하실로부터 분리해 낼 때에도 용이하여 원활한 시료채취가 가능하며, 제강의 정련효율성이 향상되고, 생산성이 증대되며, 유가금속의 산화발생을 감소시켜 제강조업에 따른 원가절감의 효과도 얻을 수 있다.

시료채취실, 프로브, 상실, 하실, 시료, 스테인리스강, 냉금

Description

스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브{PROBE FOR MOLTEN SAMPLE ADHESION PREVENTION OF STAINLESS STEEL}

도 1은 종래 일반강용 프로브의 요부 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 프로브의 일예를 보인 요부 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 프로브의 다른 예를 보인 요부 단면도,

도 4는 도 3의 부분 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 냉금의 예시적인 사시도.

도 6은 본 발명 일예에 따른 요부 단면도

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....몸체 110....지관

200....측온부 210....보상도선

310....탕구 320....상실

330....탕도 340....하실

400....냉금 410....주입구

420....보강부 430....고정홈

440....세라믹접착제

본 발명은 용융금속의 정보를 얻기 위해 사용되는 프로브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테인리스강의 제조시 그 용탕중에 침지되어 시료를 채취하는 과정에서 발생되는 시료와 시료채취실 간의 응착현상을 효과있게 방지하여 시료결함을 줄이고 보다 용이한 시료채취를 가능케 한 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브에 관한 것이다.

일반적으로, 프로프(PROBE)는 용융금속중에 침지되어 용융금속의 온도, 성분등의 정보를 탐지하거나 혹은 용융금속 시료를 채취하는 소모형 계측기기의 일종이다.

이러한 프로브는 도 1의 도시와 같이, 다수의 지관(2)에 의해 몸체(1)가 형성되고, 상기 몸체(1)의 선단에는 용융금속의 온도를 측정하기 위한 열전대소선이 배설되는 측온부(3)가 마련되며, 그와 인접한 상측에는 시료를 채취하기 위한 시료채취부가 구비되는데 상기 시료채취부는 용융금속이 유입될 수 있도록 지관(2)의 일부가 절개되어 형성된 탕구(4)와, 이와 연결된 상실(5) 및 이와 탕도(6)를 통해 연결되며 실질적으로 시료를 수납하는 시료채취실인 하실(7)로 이루어진다.

아울러, 상기 측온부(3)로부터 계측된 미세한 전류신호를 송신하기 위한 보상도선(8)이 상기 지관(2) 사이에 매립된 형태로 배설된 구조를 가진다.

이와 같은 구조의 프로브를 이용하여 스테인리스강의 용탕정보를 측정하는 과정은 용탕이 래들에 태핑(tapping)된 후에 이루어지게 된다.

즉, 스테인리스강은 전기로에 1차 스크랩을 장입한 후 단상 직류 혹은 3상 교류를 통해 발생하는 아크열에 의해 용해를 실시하고, 이어 2차 스크랩을 장입하여 다시 용해, 가열 및 슬래그제조 후 래들로 태핑(tapping)하는 과정을 통해 제조되게 된다.

이때, 스테인리스강의 정보를 계측하기 위해 측온 및 샘플링 작업이 수반되게 되는데, 이 작업은 용탕이 래들에 태핑된 후 래들 내에서 실시되게 된다.

그러나, 스테인리스강 용탕은 고탄소 함량과 고합금상태로 고온의 환경에서 정련과정을 거치기 때문에 일반강보다 큰 비열과 큰 응고잠열을 갖게 되고, 열전도도 또한 1/2 ~ 1/4 수준으로 적다.

이로 인해, 시료채취 작업중 고온의 용탕이 탕구(4)로 유입된 후 상실(5)을 따라 시료채취실인 하실(7)에 이르기까지 유입된 용융시료의 온도 강하 폭이 적어, 하실(7) 내부에서 응고되면서 주철 혹은 주강으로 가공되어 있는 하실(7)의 내벽면과 응착되어 버리는 시료응착 현상을 발생시켜 시료결함을 유발시킴은 물론 이에 따른 시료채취의 어려움을 가중시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 스테인리스강을 제조하기 위한 전기로 공정에서 고온, 고카본, 고합금강의 성분확인 및 예측을 위해 시료를 채취할 때에 프로브의 상실내 냉각능을 크게 하여 주입되는 용탕의 비열이 크고 열전도도가 작은 특성으로 인해 발생되는 하실과 시료의 응착을 방지하여 시료결함을 줄이고, 성분분석용 시료를 용이하게 채취할 수 있도록 한 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 스테인리스강을 제조할 때에 전기로 공정을 거쳐 용융된 상태로 태핑된 래들내에서 용융금속의 정보를 얻기 위해 침지 사용되는 세라믹 소재의 탕구와 상실, 탕도 및 하실을 갖춘 시료 채취용 프로브에 있어서; 상기 상실의 내벽면에, 탕구와 대응되는 주입구 및 탕도와 대응되는 유통공간을 갖는 원통형상의 냉금을 내장 고정하여서 된 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브를 제공함에 그 기술적 특징이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 프로브의 일예를 보인 요부 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 프로브의 다른 예를 보인 요부 단면도이며, 도 4는 도 3의 A부분 확대도이고, 도 5는 본 발명에 따른 냉금의 예시적인 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 프로브는 지관(110)으로 이루어진 몸체(100)와, 몸체(100)의 선단에 마련된 측온부(200) 및 상,하실(320,340)로 이루어진 시료채취부를 포함하고, 상기 측온부(200)와 제어부(미도시)를 연결하는 보상도선(210)이 상기 시료채취부의 양측면을 경유하여 지관(110)에 매립된 상태로 배설된다.

이때, 상기 상실(320)은 통상 세라믹재질이 유리하며, 그 일측면에는 탕구 (310)가 마련되고 하면에는 탕도(330)가 형성되어 하실(340)로 압탕시키는 역할을 담당하게 된다.

아울러, 상기 하실(340)은 상기 탕도(330) 직하에 위치되어 시료의 케이스역할, 시료를 채취하여 수납보관하는 주된 기능을 담당하게 된다.

나아가, 상기 측온부(200)는 필요에 따라 장착되기도 하고 탈착되기도 하는 구조를 가진다.

이러한 구성은 종래 프로브와 동일하거나 혹은 유사한 범주에 있다할 것이다.

아울러, 도 3에 도시된 다른 실시예는 상기 탕도(330)의 형상 차이를 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 상실(320)의 형상에도 변화를 가져오게 되는 바, 측정대상물, 즉 용탕의 소재특성에 따라 다양한 변형예가 있을 수 있다.

예컨대, 상기 도 3에 도시된 탕도(330')는 도 2에 도시된 탕도(330)에 비해 그 상실(320)과 접하는 상단면이 상실(320) 측으로 일정높이 더 돌출된 형상을 이루고 있는 바, 이는 시료 분석을 위한 분리작업시, 하실의 잔류 불요분 생성을 억제하여 상실과 하실의 분리를 용이하게 하기 위한 것이다.

본 발명은 시료채취부를 구성하는 상기 상실(320)의 내주면에 냉금(400)을 내장함에 특징이 있다.

냉금(chiller or chilling block)은 주물 두께가 같지 않아 수축을 파생시키기 쉬운 곳이나 특히 조직을 미세하게 하고 싶은 곳에 갖다 대어서 그 부분의 냉각을 촉진시키는 금속편, 즉 냉각금속을 말한다.

따라서, 상기 냉금(400)은 탕구(310)를 통해 상기 상실(320) 내부로 유입된 용탕의 온도를 강하시키게 되는 것이다.

상기 냉금(400)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 유입된 시료용탕의 열흐름이 냉금(400)을 국부적으로 가열시키거나 유입된 용탕의 원활한 흐름을 위해 일면에 주입구(410)를 갖는 파이프형상, 즉 원통형으로 형성됨이 바람직하다.

또한, 주입된 용탕이 냉금(400)과 가장 큰 마찰을 일으키는 주입구(410) 정면 내측부위는 그 두께를 다른 부위보다 두껍게 한 보강부(420)를 형성함으로써 시료용탕의 온도강하를 보다 더 크게 할 수 있다. 이때, 상기 보강부(420)는 주입구(410)의 주변 두께보다 1.5~2배 정도 더 두껍게 형성됨이 바람직하다.

뿐만 아니라, 상기 냉금(400)을 상실(320) 내부에 삽입하게 되면 이동중이나 사용도중 원통형의 냉금(400)이 상실(320)의 내부에서 회전할 수 있기 때문에 이의 고정이 요구되며, 이를 위해 냉금(400)의 상단면 일부 혹은 하단면 일부에 적어도 하나 이상의 고정홈(430)을 형성하고, 상기 고정홈(430)에 고온용 세라믹접착제(440)를 충전시켜 고정되도록 함이 특히 바람직하다.

아울러, 스테인리스강 전기로의 용탕성분은 고탄소, 고합금상태로 탄소함유량이 2.0 ~ 2.5% 정도이므로 상기 냉금(400)은 통상적인 구리나 주철로는 불가능하며 비열과 열전도도가 우수한 재질이 사용될 것이 요구된다.

이를 위해, 상기 냉금(400)은 0.1%~0.2% C 저탄소강을 사용함이 특히 바람직한데, 이는 높은 융점과 고온특성이 우수하고, 가공 및 사용이 용이하기 때문이다.

또한, 상기 냉금(400)의 두께는 2~6㎜가 적당하고, 좀더 바람직하게는 3± 0.5mm가 유리하다.

이와 같은 이유는, 냉금(400)의 두께가 너무 얇을 경우 주입되는 고온용탕에 의해 용융되어 시료건전성을 헤칠 위험이 있고, 지나치게 두꺼울 경우, 탕도(330)를 지나 하실(340)에 주입되어지는 용탕의 온도 강하폭이 커져, 응고결함을발생시키며 상실부피의 증대를 가져오게 되는 부정적 효과가 지배적이기 때문이다.

나아가, 상기 시료채취실에는 시료의 건전성 확보를 위해 탈산제의 투입도 가능하다.

여기에서, 채취되는 용탕의 냉각을 극대화 하기 위해서는 상실(320) 자체를 비교적 냉각능이 큰 금속재질로 설계하면 가능할 것으로 보이나 채취 완료된 시료의 상,하실(320,340) 부위가 서로 응착되어 원하는 시료의 획득에 또다른 탈착장치를 필요로 하게 되는 단점을 양산하게 되며, 또한 통상 샘플러 혹은 프로브의 외형은 다중 지관(紙管)(110)을 사용하는데 프로브의 지관(110) 내부에는 측온소자의 온도특성을 ㎶의 미세한 수준을 갖는 전류로 전송하는 보상도선(210)이 매립되어 있으므로 하실(340)에 비해 높은 열을 갖게 되는 상실(320)의 용탕열이 그대로 지관(110) 내부의 보상도선(210)까지 유출될 경우 측온편차를 유발시키는 문제를 낳게 된다.

이를 방지하기 위해서는 지관(110)의 두께를 두껍게 하거나 상실(320)의 두께를 두껍게 하는 방안이 있을 수 있으나 이 경우 일회용 소모품인 프로브의 원가증가의 원인이 되며, 무게 증가로 인해 프로브 침지장치에 필요이상의 로드를 가하게 되어 효율적이지 못할 뿐만 아니라, 상실(320)에서 용탕이 응고될 가능성이 있 어 원하는 시료의 획득이 어렵게 된다.

따라서, 상실(320)의 세라믹소재는 시료채취후 시료 분리성과 단열능, 경량등 여러모로 유리한 설계이므로 그 특성을 유지시키면서 원활한 시료채취를 가능케 하기 위해서는 본 발명에서와 같은 냉금(400)을 상실(320) 내부에 장착시켜 유입되는 용탕의 온도강하를 유도하는 것이 시료채취 및 채취후 성분분석을 위한 시료 분리에도 매우 유리하다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명 프로프는 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

전기로에서 용해된 후 래들로 태핑된 스테인리스강 용탕속에 본 발명 프로브가 침지되게 된다.

이에 따라, 스테인리스강 용탕의 성분분석을 위한 시료 채취는 물론 측온 등의 계측이 가능하게 된다.

이때, 프로브의 선단에 마련되는 측온부(200)는 필요에 따라 부착될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있으므로 여기에서는 시료 채취과정에 대해서만 설명하기로 한다.

즉, 프로브의 몸체(100)가 래들에 태핑된 스테인리스강 용탕에 침지되게 되면 용탕중 일부가 탕구(310)를 통해 상실(320)로 유입되게 된다.

유입된 시료용탕은 상실(320)에 내장된 냉금(400)의 내주면과 접촉하게 되고, 이 과정에서 열교환이 일어나면서 시료용탕의 온도강하가 유발되게 된다.

이어, 온도강하된 시료용탕은 탕도(330)를 통해 압탕되면서 하실(340)로 서 서히 유입되게 되고, 하실(340)에 충만되게 되면 초기 탕구(310) 유입시의 온도에 비해 상당히 떨어진 온도분포를 가지게 된다.

따라서, 시료채취실인 하실(340)에서 시료용탕이 응고될 때에 종전에 비해 낮은 용탕 과열도를 갖게 되므로 하실(340)의 내벽면과의 응착현상이 급격히 줄어들게 되며, 이로 인해 시료 분리시에도 용이성을 확보하게 된다.

이하에서는 상기 냉금(400)의 온도 강하에 대한 효과를 예시적으로 설명하기로 한다.

냉금(400)재질은 고온배관용강이나, 배관용합금강 등을 사용하고, 열전도율(k)은 약 46W/m℃, 내부공간은 Φ21㎜ * 44㎜ -> 약 15㎤, 두께(t)를 3㎜로 설계하였다.

1600℃로 탕구(310)을 통해 상실(320)에 유입되는 용탕은 철정압에 의해 매우 빠른 속도와 큰 와류로 인해 순간 상실(320)에 다량이 충전되어지고, 탕도(310)를 통하여 하실(340)로 이동하게 된다.

이는 거의 0.1~0.2초 내의 시간에 이루어지며, 이로 인한 하실(340)에 갇힌 공기의 배출을 원활히 하기 위해 통상적으로 하실(340)과 상실(320) 사이에 밴트를 형성하고 있으며, 밴트가 없는 샘플실의 경우는 시료용탕 내부에 가스가 갇히게 되어 기포결함이 발생하게 된다.

이상적으로는 상실(320)에 샘플용탕이 완전 충전되어 하실(340)로 이동한다고 가정하고, 비열 약 0.5 J/g℃의 스테인리스 용탕이 주입되었을때 냉금으로 전달되어지는 열(q')은 열전도도(k), 온도차(T1-T2), 접촉면적(A) 및 온도차이 간의 거 리(delta x)에 관한 다음 식으로 설명되어 진다.

이때, 접촉면적(A)은 약 25㎠, 냉금(400)과 상실(320)의 온도차(T1-T2)는 용탕접촉면 온도와 상온의 차이인 약 1570℃이고, △x는 두께 3mm 이므로 이를 대입하여 상기 수학식1을 풀면 열(q')은 약 60000W 를 갖게 된다.

이때, 용탕의 온도강하는 열대류와 열전도에 의한 영향이 있겠으나 전자에 의한 영향은 후자에 의한 그것 보다 그 작용이 미미하므로 열전도에 의한 온도 강하만를 살펴보면, 강하된 온도(T3)는 초기 온도(T1), 열(q'), 비열(c), 용탕질량(m)에 관한 다음 식으로 설명될 수 있다.

이때, 내부공간 15㎤에 약 8g/㎤의 용탕이 충진되었다면 용탕질량(m)은 120g이며, 비열(c)는 0.5J/g℃이므로 이를 수학식2에 대입하여 풀게 되면 상실에 머무는 0.1초당 약100℃의 온도 강하를 확인 할 수 있고, 초기온도(T1) 1600℃에서 탕도(330)를 통과하여 하실(340)로 주입되어지는 용탕의 온도는 1400~1500℃정도로 예상할 수 있게 된다.

따라서, 냉금(400)이 없는 종래의 샘플실의 경우는 세라믹의 열전도도가 약0.037W/m℃이므로 상실(320)에서의 열전도에 의한 온도강하는 0.1초당 약 0.1℃미만으로 극히 미미하다.

하지만, 스테인리스 전기로의 용탕은 약 200℃ 가량의 용탕 과열도를 갖고 있는데 상기 냉금(400)으로 인해 하실(340)로 주입되어지는 용탕의 과열도를 100℃ 이하로 강하시킬 수 있게 되므로 종래 프로브에서 발생되었던 용탕의 하실(340)내벽면 응착 결함을 제어할 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 큰 비열과 낮은 열전도도를 갖는 용융금속의 시료채취 과정에서 상실에 냉금을 내장함으로써 하실과 샘플의 응착을 미연에 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 성분분석을 위해 시료를 하실로부터 분리해 낼 때에도 용이하여 원활한 시료채취가 가능하고, 제강의 정련효율성이 향상되며 생산성이 증대됨은 물론 작업시간의 단축을 유도하여 유가금속의 산화발생을 감소시켜 제강조업에 따른 원가절감의 효과도 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 스테인리스강을 제조할 때에 전기로 공정을 거쳐 용융된 상태로 태핑된 래들내에서 용융금속의 정보를 얻기 위해 침지 사용되는 세라믹 소재의 탕구와 상실, 탕도 및 하실을 갖춘 시료 채취용 프로브에 있어서;

   상기 상실의 내벽면에,

   탕구와 대응되는 주입구 및 탕도와 대응되는 유통공간을 갖는 원통형상의 냉금을 내장 고정하여서 된 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 냉금은 0.25% C 이하의 저탄소강 소재로써, 두께 2~6㎜를 갖는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 냉금은 그 상단면 혹은 하단면 일부에 고정홈이 요입형성되고, 상기 고정홈에는 상실의 내벽면과 고정되는 세라믹접착제가 장입된 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브.
4. 청구항 1 또는 청구항2에 있어서,

   상기 냉금은 상기 주입구의 맞은편에 주입구측 두께보다 상대적으로 두꺼운 보강부가 형성된 것을 스테인리스강의 시료응착 방지용 프로브.

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