KR20090069807A - 금속 용탕의 유동도 측정관, 장비 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 용탕의 유동도 측정관, 장비 및 방법에 대하여 개시한다. 본 발명은 반분 가능한 고체 금속으로 용탕의 유동도를 측정하는 관에 있어서, 세로로 긴 튜브 형태의 반분 가능한 본체; 상기 본체의 반분 면을 합체하여 고정하는 금형 홀더; 상기 반분 면에 도포되어 상기 면을 통한 내외부 공기 순환을 차단하는 진공 그리스; 상기 본체의 유입 종단과 대응되는 위치에 존재하는 타단에 진공을 유입하여 상기 유입 종단에 상기 용탕이 유입되도록 하는 진공 커플러를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명은 진공 흡입 방식 유동도 측정 장비의 유동도 측정관으로 반분 가능한 금속관을 사용하여 생산적이며, 측정 관 자체는 고정하고 용탕 도가니를 상측으로 이동시켜 측정 관을 침착하는 방법을 사용하여 전자동 공정을 지원한다.
유동도, 표준 스파이럴 시험, 주형, 주조, 유동도 측정
Description
본 발명은 금속 용탕의 유동도 측정관, 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 유동도 측정관으로 반분 가능한 금속관을 사용하여 생산적이며, 침착 방식에 있어서도 측정 관을 고정하고, 용탕 도가니를 상측으로 이동하는 방법을 사용함으로써 전자동 공정을 지원하는 금속 용탕의 유동도 측정관, 장치 및 방법에 관한 것이다.
주조기술은 목적으로 하는 형상의 주형을 만들고, 변형저항이 큰 고체상태의 금속을 변형저항이 적은 액체상태로 용해하여 이를 주형에 주입한 다음 응고시켜 원하는 형상의 주물을 제작하는 기술이다. 주조기술은 인간이 금속을 발견한 이후로 사용된 가장 오래된 제조방법 중의 하나로 ,대단히 복잡한 형상의 부품도 쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있다.
주조기술은 중력주조, 저압주조 및 고압주조 등의 다양한 종류가 있으며, 적극적인 생산성 향상을 위한 생산 설비 도입과 함께 현시대의 요구에 대응하여 성장해 왔다.
주조방안 설계시에는 용탕, 레이아웃, 주조조건, 탕구계의 설계, 금형 냉각 조건, 인서트 금형, 압출 장치관계 및 중자관계 등의 조건을 고려하여야 하며, 이들의 설정에 따라 주조 성형시 충전과 응고 중에 발생하는 결함의 정도나 위치, 형상도 달라진다.
따라서, 품질이 우수한 주조품을 제조하기 위해서는 상위의 조건들을 적절히 설정 또는 변경하면서 주조 결함을 제어할 필요가 있다. 그러나, 상위의 조건들을 제어하여 제작된 실제 금형을 실제 현장에서 검증하며 수정 및 보완하려면 시간 및 경제적 비용이 매우 많이 소요된다.
때문에, 시뮬레이션 프로그램을 통해 전술한 조건들을 적용하여 가상 주형에 가상 주물이 제작되는 과정을 수치해석하여 최적의 금형 및 주조 설계 방안을 도출하는 것이 일반적이다.
이러한 수치해석 중에서 용탕이 주형에 채워져서 응고되는 과정에 대한 해석을 응고해석이라고 하며, 응고해석은 잠열, 응고시간, 온도분포 및 유동도의 해석,그리고 수축공 예측 등을 통해 가능하다.
그중 유동도는 주조공법에서 금속이 주형에 주입될 때 냉각에 의해서 액상금속이 응고되어 정지하게 되는 성질에 대한 비교척도이며, 응고해석의 매우 중요한 변수이다.
유동도는 여러 가지 방법으로 측정될 수 있는데, 표준 스파이럴(Spiral) 방식 및 진공 흡입 방식 측정 방법이 가장 보편적으로 사용된다. 이하, 도면과 함께 유동도 측정 방법에 대해 살펴본다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 유동도 측정 장비를 도시한 개략도이다. 도 1은 표준 스파이럴 방식, 도 2는 진공 흡입 방식을 사용한 유동도 측정 장비를 도시하였다.
도 1의 표준 스파이럴 방식의 유동도 측정 장비는 나선형 스파이럴 채널의 타단에 가압 발생시에 용탕이 나선형 스파이럴 채널의 일단으로부터 흐르는 거리를 계측하여 유동도를 판단한다.
도 2의 진공 흡입 방식의 유동도 측정 장비는 용탕이 들어있는 도가니(220)에 석영관 또는 금속 튜브(210)를 삽입하고 반대쪽에서 진공으로 흡입함으로써 용탕이 흡입된 거리를 계측하여 유동도를 측정한다.
이때, 도 1 및 도 2 측정에서 유동도의 길이는 인치 단위로 측정되는 것이 일반적이다.
유동도의 길이는 합금의 성분, 가스함유량, 주형 재료, 주형 온도의 차이, 계면 열전달 계수의 차이, 주형의 열 저항의 차이에 의하여 달라진다. 이하, 도 3a 내지 도 4b와 함께 유동도를 좌우하는 변수에 대해 좀더 자세히 살펴본다.
도 3a 내지 도 3c는 종래기술에 따른 주형의 재료별 유동도의 길이를 도시한 모식도이다.
여기서, 도 3a은 순금속을, 도 3b는 합금을, 도 3c는 미세조직 공정합금을 용탕으로 사용하였을 때의 유동도 측정을 통해 생성된 용탕의 응고 모식도이다. 도 3a 내지 도 3b에서 주형의 재료에 따라 유동도 길이에 차이가 발생함을 해석할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 용탕 가열 온도에 따른 유동도 차를 도시한 도면이다. 도 4a는 용탕 가열 온도를 달리하여 유동도를 측정한 시편의 사진이며, 도 4b는 용탕 가열 온도 및 유동도 측정관의 내경에 따른 유동도 측정결과를 그래프로 도시하였다.
이때, 도 4a 및 도 4b에서 유동도 측정관(320)의 재질은 순 알루미늄이며, 주형의 조건은 일정하다고 가정한다.
도 4a 해석결과 용탕의 가열 온도가 높을수록 유동도 길이가 길어짐을, 도 4b 해석결과 용탕의 가열 온도가 높을수록, 유동도 측정관 내경의 지름(410)이 증가할수록 유동도가 어느 정도 일정하게 증가함을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 2의 종래기술에 따른 진공 흡입 방식 유동도 측정 장비는 유동도 측정관으로 석영관 또는 금속관을 사용하며, 유동도 측정시에 용탕이 담긴 고정상태의 도가니에 석영 또는 금속관의 일단을 침착시킨 다음, 타단의 공기를 진공으로 흡입하며, 용탕 흡입 정도 계측하여 유동도를 측정한다.
그런데, 석영관은 녹는점이 낮아 저융점 금속에만 적용가능하고, 중력주조에는 적용하기는 어려우며, 석영관 및 금속관을 포함하는 유동도 측정관(320)은 가늘고 긴 파이프 형태로 구성되어 이동에 불안정하고, 고온의 용탕에 침작시의 이동은 더욱 불안정할 수밖에 없다.
때문에, 종래의 유동도 측정관은 고온의 용탕에 파이프 형태의 유동도 측정관을 원하는 깊이만큼 침착하기 싶지 않을 뿐만 아니라, 한번 유동도를 측정 이후에는 고체 상태가 된 용탕을 제거하기 위해서는 관 자체를 파괴해야하므로 일회적인 사용만 가능하다.
본 발명은 진공 흡입 방식 유동도 측정 장비의 유동도 측정관으로 반분 가능한 금속관을 사용하여 생산적이며, 측정 관 자체는 고정하고 용탕 도가니를 상측으로 이동시켜 측정 관을 침착하는 방법을 사용하여 전자동 공정을 지원하는 금속 용탕의 유동도 측정관, 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 금속 용탕의 유동도 측정관은, 반분 가능한 고체 금속으로 용탕의 유동도를 측정하는 관에 있어서, 세로로 긴 튜브 형태의 반분 가능한 본체; 상기 본체의 반분 면을 합체하여 고정하는 금형 홀더; 상기 반분 면에 도포되어 상기 면을 통한 내외부 공기 순환을 차단하는 진공 그리스; 상기 본체의 유입 종단과 대응되는 위치에 존재하는 타단에 진공을 유입하여 상기 유입 종단에 상기 용탕이 유입되도록 하는 진공 커플러를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른, 반분 가능한 금속 튜브형태로 구성되고, 상기 반분 틈새가 소정물질로 채워져 진공을 유지하며 용탕을 흡입하여 유동도를 측정하는 유동도 측정관; 소정온도로 가열하여 액체상태가 된 금속인 용탕을 담는 도가니; 유동도 측정관이 상기 용탕에 소정깊이 침착되도록 상기 도가니를 수동 또는 자동으로 상측으로 이동하여 상기 유동도 측정관의 일단에 진공이 흡입되게 하는 침착 제어기를 포함하고, 상기 유동도 측정관에 상기 용탕이 유입되는 정도를 측정 하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 장비가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 (a) 주조할 금형에 따라 유동도 측정관의 재질, 내경, 두께 및 길이를 설계하는 단계; (b) 상기 설계한 반분 가능한 유동도 측정관의 각 구성요소를 제작하는 단계; (c) 상기 유동도 측정관의 각 구성요소를 조립하고, 반분 면을 통해 외부 공기가 유입되지 않도록 처리하는 단계; (d) 유동도 측정 장비에 상기 유동도 측정관을 고정하고, 상기 측정 관 일단을 용탕에 침착하고, 타단을 진공상태로 만들며 상기 용탕을 흡입하는 단계; (e) 상기 유동도 측정관을 분리하여 유동도를 측정하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있는 금속 용탕의 유동도 측정 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 (f) 유동도 측정관을 용탕의 표면으로부터 미리 설정한 소정간격 이격하여 고정하는 단계; (g) 소정온도로 가열된 용탕이 담긴 도가니를 상측으로 이동하여 상기 유동도 측정관의 일단을 미리 설정된 소정깊이로 침착하는 단계; (h) 소정시간이 경과 후 상기 용탕으로부터 상기 유동도 측정관을 분리하는 단계; (i) 상기 유동도 측정관을 반분하여 용탕의 유동도를 측정하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있는 금속 용탕의 유동도 측정 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 금속 용탕의 유동도 측정관, 장치 및 방법은 진공 흡입 방식 유동도 측정 장비의 유동도 측정관으로 반분 가능한 금속관을 사용하여 생산적이며, 측정 관 자체는 고정하고 용탕 도가니를 상측으로 이동시켜 측정 관을 침착하 는 방법을 사용하여 전자동 공정을 지원한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예에서는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 금속 용탕의 유동도 측정 장비를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 용탕의 유동도 측정 장비는 진공 흡입방식(Vacuum Suction Type)을 사용하여 진공압 조절이 가능하므로 진공도 차이를 변화시켜 유동도 효과를 관찰할 수 있다는 장점이 있다.
유동도 측정 장비는 반분 가능한 금속 튜브형태로 구성되며, 상기 반분 틈새가 소정물질로 채워져 진공을 유지하며 용탕을 흡입하여 유동도를 측정하는 유동도 측정관(320); 소정온도로 가열하여 액체상태 금속이 된 용탕을 담는 도가니(310); 수동 또는 자동으로 상기 도가니(310)가 상측으로 이동하도록 하고, 상기 유동도 측정관(320)이 상기 용탕에 소정깊이 침착되도록 하여 상기 유동도 측정관(320)의 일단에 진공이 흡입되게 하는 침착 제어기(330)를 포함한다.
유동도 측정관(320)은 반분 가능한 가늘고 긴 튜브 형태로 구성되어 일단을 용탕에 침착하고, 타단에 진공을 흡입하여 흡입되는 용탕의 길이를 측정하여 유동도를 측정하는 관이다.
유동도 측정관(320)의 금형주조 환경 재현에 적합한 내경과 두께로 구성하 며, 반분 틈새는 소정물질로 채워져 진공을 유지하도록 한다.
예컨대, 유동도 측정관(320)은 재질은 SKD61, 금형 내경 4mm, 금형두께, 15mm, 길이 400mm, 반분 틈새는 진공 그리스를 사용하여 채워져 진공도를 유지하도록 제작될 수 있다.
도가니(310)는 용탕을 담는 일종의 그릇으로 침착 제어기(330)로 이동이 제어되는 선반에 고정되어 침착 제어기(330)의 제어에 따라 소정 높이 상측으로 이동하여 유동도 측정관(320)의 일단을 용탕에 침착시킨다.
이때, 도가니(310)는 용탕의 가열온도에서 고체 상태를 유지하는 강도의 재질로 구성되어야 한다.
침착 제어기(330)는 유동도 측정관(320)의 일단에 흡입되는 진동의 압력을 조절하는 진공압 조절부(미도시); 유동도 측정관(320)이 사용자가 설정한 소정 깊이만큼 용탕에 침착되도록 도가니(310) 상하측 이동을 제어하는 용탕 이동부(미도시)를 포함한다.
도 6에 본 발명의 일실시예에 따른 유동도 측정관(320)을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 유동도 측정관(320)은 세로로 긴 튜브 형태의 반분 가능한 본체(610); 상기 본체(610)의 반분 면을 합체하여 고정하는 금형 홀더(620); 반분 면에 도포되어 상기 면을 통한 내외부 공기 순환을 차단하는 진공 그리스(630); 본체(610)의 유입 종단(640)과 대응되는 위치에 존재하는 타단에 진공을 유입하여 유입 종단(640)에 용탕이 유입되도록 하는 진공 커플러(650)를 포함한다.
본체(610)는 반분 가능한 세로로 길고 조립시 내부가 빈 튜브 형태로 구성되 며, 주조 공정에 측정에 알맞은 재질, 내경, 두께 및 길이로 구성되는 것이 바람직하다.
본체(610)는 용탕과 가까운 일단에 위치하여 용탕의 표면으로부터 미리 설정한 소정깊이 침작되는 유입 종단(640)을 포함한다.
금형 홀더(620)는 본체(610)의 반분 면 및 유동도 측정관(320)을 유동도 측정 장비에 고정한다.
진공 그리스(630)는 반분 면에 도포되어 반분 면을 통하여 내외부 공기가 순환되지 않도록 분할 틈새를 채운다.
유입 종단(640)은 용탕이 담긴 도가니(310)에 침착되어 유동도 측정에 사용되는 용탕이 유입 경로를 제공한다.
진공 커플러(650)는 유입 종단(640)과 대응되는 위치에 존재하는 타단에 진공을 유입하여 유입 종단(640)에 용탕이 유입되도록 한다.
한편, 본체(610), 금형 홀더(620), 진공 그리스(630), 유입 종단(640)을 포함하는 유동도 측정관(320)은 용탕의 가열 온도에서 용해되지 않는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 용탕의 유동도 측정 방법을 도시한 흐름도이다. 이하, 도 7을 참조하여 설명한다.
먼저, 주조할 금형에 따라 실 환경과 부합하는 규격의 반분 가능한 유동도 측정관(320)의 재질, 내경, 두께 및 길이를 설계한다(S710).
이어서, 설계한 재질, 내경, 두께 및 길이의 유동도 측정관(320)의 각 구성 요소를 제작한다(S720).
그리고, 유동도 측정관(320)의 각 구성요소를 조립하고, 반분 면에 진공 그리스(630) 등을 도포하여 외부 공기가 유입되지 않도록 처리한다(S730).
그 다음에는, 조립된 유동도 측정관(320)을 유동도 측정 장비에 고정하고, 측정 관 일단을 용탕에 침착하고, 타단을 진공상태로 만들며 용탕을 흡입시켜 유동도를 측정한다(S740).
이때, 유동도 측정 전에는 용탕의 온도를 유동도를 측정하고자하는 소정온도까지 가열하고, 유동도 측정을 시작한 후에는 용탕을 소정온도로 유지하는 것이 바람직하다.
이후, 용탕의 유동이 멈추면 유동도 측정관을 반분하여 내부에 응고된 용탕의 유입 길이를 계측하여 유동도를 측정한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 용탕의 유동도 측정 방법을 도시한 흐름도이다. 이하, 도 8을 참조하여 설명한다.
먼저, 유동도 측정 장비에 유동도 측정관(320)을 용탕의 표면으로부터 소정간격만큼 이격시켜 고정한다(S810).
이때, 유동도 측정관(320)의 용탕 유입되는 끝단은 용탕의 표면에 대해 수평 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
이어서, 소정온도로 가열된 용탕이 담긴 도가니를 상측으로 이동하여 유동도 측정관(320)이 소정깊이로 침착된다(S820).
그리고, 소정시간이 경과 후 용탕의 이동이 멈추면(S830), 용탕 및 유동도 측정 장비로부터 유동도 측정관(320)을 분리하며(S840), 유동도 측정시에는 용탕을 소정온도로 유지한다.
그 다음으로, 유동도 측정관을 반분하여 내부에 흡입되어 응고된 용탕의 유동도 길이를 측정한다(S850).
반분한 유동도 측정관(320) 내부에 흡입되어 응고된 용탕은 비교적 용이하게 제거가능하므로 이후 유동도 측정관(320)을 재사용할 수 있다.
이때, 유동도 측정은 소정 횟수 반복을 통해 측정된 평균 유동도 길이의 연산결과로 산출하는 것이 바람직하다.
이상, 바람직한 실시예 및 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성에 대하여 설명하였다. 그러나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 기술 분야의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 유동도 측정 장비를 도시한 개략도.
도 3a 내지 도 3c는 종래기술에 따른 주형의 재료별 유동도의 길이를 도시한 모식도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 용탕 가열 온도에 따른 유동도 차를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 금속 용탕의 유동도 측정 장비를 도시한 도면.
도 6에 본 발명에 따른 유동도 측정관을 도시한 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 금속 용탕의 유동도 측정 방법을 도시한 흐름도.
Claims (11)
- 반분 가능한 고체 금속으로 용탕의 유동도를 측정하는 관에 있어서,세로로 긴 튜브 형태의 반분 가능한 본체;상기 본체의 반분 면을 합체하여 고정하는 금형 홀더;상기 반분 면에 도포되어 상기 면을 통한 내외부 공기 순환을 차단하는 진공 그리스;상기 본체의 유입 종단과 대응되는 위치에 존재하는 타단에 진공을 유입하여 상기 유입 종단에 상기 용탕이 유입되도록 하는 진공 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정관.
- 제1항에 있어서, 상기 본체, 상기 금형 홀더, 상기 진공 그리스, 상기 유입 종단은,상기 용탕의 가열 온도에서 용해되지 않는 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정관.
- 제1항에 있어서, 상기 유입 종단은,상기 용탕과 가까운 일단에 위치하여 사용자 설정에 따라 용탕의 표면으로부터 미리 설정한 소정깊이 침작되는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정관.
- 반분 가능한 금속 튜브형태로 구성되고, 상기 반분 틈새가 소정물질로 채워져 진공을 유지하며 용탕을 흡입하여 유동도를 측정하는 유동도 측정관;소정온도로 가열하여 액체상태가 된 금속인 용탕을 담는 도가니;유동도 측정관이 상기 용탕에 소정깊이 침착되도록 상기 도가니를 수동 또는 자동으로 상측으로 이동하여 상기 유동도 측정관의 일단에 진공이 흡입되게 하는 침착 제어기를 포함하고,상기 유동도 측정관에 상기 용탕이 유입되는 정도를 측정하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 장비.
- 제4항에 있어서, 상기 유동도 측정관은,실제의 금형주조 환경 재현에 적합한 내경 및 두께로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 장비.
- 제4항에 있어서, 상기 침착 제어기는,상기 유동도 측정관의 일단에 흡입되는 진동의 압력을 조절하는 진공압 조절부;상기 유동도 측정관이 사용자가 설정한 소정 깊이만큼 용탕에 침착되도록 도가니를 상하측 이동을 제어하는 용탕 이동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 장비.
- (a) 주조할 금형에 따라 유동도 측정관의 재질, 내경, 두께 및 길이를 설계하는 단계;(b) 상기 설계한 반분 가능한 유동도 측정관의 각 구성요소를 제작하는 단계;(c) 상기 유동도 측정관의 각 구성요소를 조립하고, 반분 면을 통해 외부 공기가 유입되지 않도록 처리하는 단계;(d) 유동도 측정 장비에 상기 유동도 측정관을 고정하고, 상기 측정 관 일단을 용탕에 침착하고, 타단을 진공상태로 만들며 상기 용탕을 흡입하는 단계;(e) 상기 유동도 측정관을 분리하여 유동도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (d) 및 상기 (e)단계 이전에,상기 용탕을 유동도를 측정하고자하는 소정온도로 유지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 방법.
- (f) 유동도 측정관을 용탕의 표면으로부터 미리 설정한 소정간격 이격하여 고정하는 단계;(g) 소정온도로 가열된 용탕이 담긴 도가니를 상측으로 이동하여 상기 유동도 측정관의 일단을 미리 설정된 소정깊이로 침착하는 단계;(h) 소정시간이 경과 후 상기 용탕으로부터 상기 유동도 측정관을 분리하는 단계;(i) 상기 유동도 측정관을 반분하여 용탕의 유동도를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 (f)단계에서 유동도 측정관은,용탕 유입 경로인 일단이 상기 용탕의 표면에 대해 수평 상태인 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 (i)단계 이후에,(j) 상기 유동도 측정관 내부에 흡입되어 응고된 용탕이 제거되는 단계;(k) 다음 유동도 측정시에 상기 유동도 측정관이 재사용되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 용탕의 유동도 측정 방법.
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