KR20160073344A - 열 분석을 위한 샘플링 장치 - Google Patents

Abstract

금속 고체화의 열분석을 위한 샘플링 장치가 개시된다. 상기 샘플링 장치는 적어도 제1 캐비티 및 제2 캐비티를 포함하고, 상기 제1 및 제2 캐비티는 분석할 용융 금속으로 충전되도록 구성되고 각 캐비티는 열 분석 동안 온도 감응 수단들을 포함하도록 구성된다. 공통 충전 주입구의 주입 개구는 본질적으로 샘플링 장치의 최상부 부분에 접하는 제1 수평면에 평행한 제2 평면에 배치되고 상기 제1 수평면 아래에 위치한다.

Description

열 분석을 위한 샘플링 장치{A SAMPLING DEVICE FOR THERMAL ANALYSIS}

본 발명은 금속 고체화의 열 분석용 샘플링 장치에 관한 것으로, 상세하게는 캐스팅의 생산에 있어서 열 분석용 샘플링 장치에 관한 것이다.

열분석은 특정 용융 물질의 고체화 동안의 온도 변화에 따른 변수를 관측하는 기술로, 그 미세 구조 및 이에 따른 고체 형태의 물질의 특성을 결정할 수 있다. 이는 용융물(melt)로부터 샘플을 채취하고, 이를 샘플 용기에 옮기고, 열전쌍 또는 당해 기술 분야에서 공지된 다른 장치와 같은 온도 감응 수단에 의하여, 상기 샘플의 고체화 동안에 시간-의존적인 온도 변화를 기록하고 평가함으로써 수행된다.

주철(cast-iron) 또는 알루미늄 합금과 같은 용융 물질의 고체화 공정을 조절하기 위하여 열분석을 사용할 때, 가장 중요한 문제는 상기 샘플 용기 및 샘플양이 가능한 한 열적 평형을 이루도록 하고, 상기 샘플로부터 제어되고, 재현 가능한 열 제거 속도를 제공하는 것이다. 그 이유는 상 변화 동안의 온도 변화를 측정하는 것을 가능하게 하기 위함이고, 이를 숙지하는 것은 특정 고체화 공정을 제어하기 위하여 필수적이다.

열분석은 열평형이다. 냉각 곡선의 최종적인 형태 및 이에 따른 해상도(resolution)는 고체화 동안에 방출되는 열과 상기 샘플링 장치 및 대기로 손실되는 열 사이의 평형에 의해 결정된다. 예를 들어, 주철 200g의 고체화에 의해 방출되는 열의 양이 정해진 것은 명백하다. 만약, 200g의 샘플이 빠르게 냉각되는 용기에 함유되면, 더 천천히 냉각되는 용기에 있을 때에 비하여, 고체화에 의해 방출되는 열이 손실되는 열을 덜 초과하게 될 것이다. 그 결과, 더 빠른 용기의 냉각이 상기 냉각 곡선에 더 적은 해상도(resolution)를 제공할 것이다. 상기 용기에 의해 야기된 빠른 냉각은 또한, 진정을 유도하거나 냉각 중에 영향을 미침으로써 상기 철의 진정한 고체화 동작을 변화시킬 수 있다. 상기 고체화에 의해 방출되는 열로부터 가능한 한 많은 정보를 추출해내기 위해서, 상기 고체화에 의해 제공되는 정보를 차단하거나 희석하지 않는 것이 필요하다. 열분석 샘플링 장치의 또 다른 주요 요구사항은 이것이 일관된 샘플링 조건을 보장해야 한다는 것이다. 우수한 미세구조와 사양 외의(out-of-spec) 미세구조 사이의 방출열의 차이가 매우 작기 때문에, 측정되는 모든 변수들은 샘플링 기술의 차이가 아니라, 철의 차이에 기인한다는 것이 중요하다.

열 분석용 샘플링 장치는 적어도 고온에서의 치수적으로 안정성 및 용융 샘플의 어떠한 원하지 않는 반응을 일으키지 않는 점에서 분석될 용융물의 온도를 견딜 수 있는 물질 뿐만 아니라 다양한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 흑연(그라파이트), 세라믹 재료, 스틸 또는 이들의 조합으로 샘플링 장치를 구성하는 것이 알려져 있다.

일반적으로 캐스트 철 미세 구조 평가에 사용되는 열 분석 샘플링 장치는 전형적으로 당 기술분야에서 “모래 컵(sand cups)”으로 알려져 있는 화학적으로 결합된 모래로 구성된다. 샘플링 장치의 이들 타입은 그러나 열 분석 동안 미세 구조 예측의 정확도에 영향을 미칠 단점을 갖는다. 모래 컵은 일반적으로 용융 철의 안전한 봉쇄를 확보하기 위해 두꺼운 모래 벽을 가지며, 이는 베셀이 샘플 철로부터 열을 추출하고 고체화 동작에 영향을 미치는 열 싱크로서 동작하도록 하는 높은 열 용량을 야기한다. 모래 컵은 일반적으로 큰 방사선 열 손실을 초래하고 샘플 체적의 상부, 측부 및 하부로부터 열 손실의 불균형을 초래하는 열린 표면을 갖는다. 게다가, 고체화에 방사 열 변화는 고체화 과정 동안 열의 핫 스팟의 이동을 야기한다. 또한, 모래 컵, 특히 상기 컵의 열린 표면으로부터 채워진 이들은, 충전 동안 산소의 혼입 및 샘플 체적(조작 일관성) 모두의 변동이 쉽다. 게다가, 기존의 모래 컵에 있는 열전대(thermocouples)는 견고하게 장착되고 각 분석에 소비된다. 결과적으로, 열전쌍 교정 변동 및 측정 접합의 위치는 직접 열 분석의 정확도에 영향을 미친다. 이들 열전대의 단순화된 연결의 위치는 샘플로부터 기본적인(rudimentary) 커넥터에 이들이 개별적으로 통과되듯이 2개의 와이어의 불균일한 열 전달 조건 때문에 편향될 수 있다.

EP 1925936은 화학적으로 결합된 모래로 구성된 일반적인 샘플링 장치의 단점을 극복하는 용융 금속의 열 분석용 샘플링 장치를 개시한다. 상기 샘플링 장치는 컨테이너로서 상기 컨테이너의 상부 측 상에 하나의 공통 충전 주입구를 포함하고 적어도 2개의 캐비티들을 포함하며, 각 캐비티는 온도 감응 부재를 둘러싸도록 구성된 보호관을 갖는다. 상기 공통 충전 주입구는 상기 캐비티에서 종료되는 적어도 2개의 충전 채널로 분지된다. 상기 샘플링 장치는 스틸 또는 섬유상 내화 피복 재료를 성형하여 제조된다.

이전에 알려진 샘플링 장치의 다른 예로서 WO 96/23206 및 EP 1 034 419가 개시되어 있다. 상기 샘플링 장치들은 분석 동안 액체 금속의 샘플 및 열 분석의 센서를 포함하는 컨테이너를 포함한다. 이들 샘플링 장치의 컨테이너는 일관된 샘플 양으로 용기를 채우기 위해 분석되는 물질의 용융 배쓰 내에 침지된다. 상기 컨테이너는 그 후 용융 배쓰에서 제거되고 샘플 양은 고체화 동안 시간에 따른 온도를 기록하면서 고체화된다.

상기 샘플링 장치들은 화학적으로 결합 된 모래로 구성된 종래의 샘플링 장치와 관련된 문제의 적어도 일부를 해결하는 반면, 특정 상황에서는 덜 바람직 할 수 있다. 예를 들어, 그들은 종종 모래 컵보다 높은 제조 비용을 갖는 경향이 있다. 그들은 또한 동시에 여러 베셀을 채우기 위해 설계되지는 않는다.

본 발명의 목적은 샘플링 장치가 저 비용을 쉽게 제조할 수 있고 열 분석시 신뢰할 수 있는 결과가 지속적으로 작업자의 기술과 분야에 관계없이 달성될 수 있도록 하는 것에 있다.

이러한 목적은 독립 청구항 1에 따른 샘플링 장치로 달성된다. 실시예들은 종속 청구항들에 의해 정의된다.

본 발명에 따른 금속 고체화의 열분석용 샘플링 장치는 상부 측과 하부 측을 포함한다. 상기 상부 측의 최상부가 제1 수평면을 정의한다. 상기 샘플링 장치는 적어도 2 개의 캐비티들을 포함하고, 이들은 분석할 용융 금속으로 충전되도록 구성된다. 캐비티들은 각각 실질적으로 열 분석시 용융 금속을 둘러싸기 위한 것이고, 이들은 충전 개구 및 가능한 통기구 또는 충전 동안 캐비티로부터 가스성 물질을 배출하기 위한 채널 등과 같은 이들의 기능에 필요한 개구와 함께 제공된다. 열 분석의 목적을 위해, 온도 감응 수단이 상기 캐비티들 각각의 내부에 적어도 부분적으로 제공되고, 이에 따라 상기 캐비티들은 온도 감응 수단을 포함한다. 상기 샘플링 장치는 상기 샘플링 장치의 상부 측 상에 주입 개구(inlet opening)를 갖는 하나의 공통 충전 주입구(common filling inlet )를 포함한다. 바람직하게는 상기 공통 충전 주입구는 상기 샘플링 장치의 단일 충전 주입구이다. 상기 공통 충전 주입구는 다수의 충전 채널들로 분지되는 샘플링 장치의 상부 측으로부터 거리를 두고 있다. 각 충전 채널은 각각의 캐비티로 열린다. 공통 충준 주입구의 주입 개구는 상기 제1 수평면 아래에서 상기 제1 수평면과 본질적으로 평행한 제2 평면에 배치된다. 그리하여 상기 공통 충전 주입구의 주입 개구는 샘플링 장치의 상부 측의 최상부 아래에 수직으로 배치된다.

적합하게는, 공통 충전 주입의 주입 개구는 적어도 하나의 제1 캐비티 및 제2 캐비티의 최상부 내부 표면에 접하는 수평면 및 제1 수평면 사이 거리의, 적어도 20%, 바람직하게는 25%인 제1 수평면으로부터의 거리에 배치된다. 제1 수평면과 이들 각각 최상부 내부 표면 사이에서 다른 거리를 갖는 캐비티들의 경우, 캐비티의 최상부 내부 표면과 접하는 수평면이 바람직하게는 상기 제1평면과 최소 거리를 갖는 캐비티의 최상부 내부 표면에 접하는 수평면이다.

상기 공통 충전 주입구의 주입 개구는 적어도 하나의 상기 제1 캐비티와 제2 캐비티의 최상부 내부 표면에 접하는 평면에 본질적으로 수평으로 배치될 수 있다.

상기 샘플링 장치는 열린 대기(open atmosphere )에 상기 캐비티들 각각을 연결하는 오픈 통기 채널들을 포함할 수 있다. 이러한 통기 홀 또는 채널은 샘플 충전 동안 캐비티로부터 가스성 물질을 캐비티로부터 배출되도록 한다. 각 캐비티는 적합하게는 각각의 통기 채널/홀 및 각각의 충전 채널을 제외하고는 실질적으로 밀폐되어 있다.

상기 샘플링 장치는 상기 공통 충전 주입구의 개구와 동심(concentric) 및 외측 반경으로 상기 샘플링 장치의 상부 측에 배치된 링 형상의 오목부를 더 포함할 수 있다. 대안적으로 상기 샘플링 장치는 상기 샘플링 장치의 상부 측에 배치된 런-오프 채널을 더 포함할 수 있다. 이러한 채널의 목적은 충전 개구의 총 체적이 하나의 샘플로부터 다음에 일정하도록 상기 충전 개구로부터 멀리 초과 용융 금속을 배출하는 것이다. 상기 런-오프 채널은 안전한 방향, 즉 작업자 또는 다른 민감한 장치로부터 떨어진 방향으로 초과 용융물을 제거하도록 구성된다.

상기 캐비티들은 동일한 기하학적 형상을 갖고, 및/또는 동일한 수평면(즉, 제1 수평면으로부터 동일한 수직 거리에 배치된 이들 중심)에서 이들 각각의 중심에 배치되는, 동일한 내부 체적을 가지거나 가지지 않을 수 있다. 캐비티들 각각이 상기 캐비티들이 동일한 내부 체적 및/또는 기하학적 형상을 갖는지 여부에 관계없이, 동일한 수평면에 배치된 최상부 내부 표면을 갖도록 샘플링 장치의 캐비티들을 배치하는 것이 타당하다

상기 샘플링 장치에서, 적어도 하나의 캐비티에 열 분석 동안 의도적으로 이들 내부에 포함된 상기 용융 금속의 고체화 동작을 변경하도록 구성된 물질이 제공될 수 있다. 예를 들어, 만일 요구된다면, 상기 샘플 양과 마주하는 하나 또는 그 이상의 캐비티의 내부 벽에 용융 금속의 고체화 동작을 변경하도록 구성된 반응성 코팅이 제공될 수 있다. 이들 코팅은 캐비티의 내부 벽 상에 적절한 코팅 조성물과 같은 또는 슬러리를 블러싱하는 것에 의해 제공되고 고 상기 코팅이 형성되는 것과 같이 상기 코팅이 건조된다. 또한 샘플링 장치의 다른 캐비티는 이러한 코팅이 없거나 또는 다른 방식으로 고체화의 변경을 의도하는 다른 코팅을 포함하는 반면에, 하나의 캐비티 벽 상에 코팅이 제공될 수 있다. 이에 의해, 다른 조건 또는 다른 목적을 위해 동시에 동일한 용융물의 고체화 동작을 결정하는 것이 가능할 수 있다. 반응성 코팅 대신, 파우더 또는 입장 물질이 하나 또는 그 이상의 코팅에 제공될 수 있고 캐비티의 벽 상에 코팅이 없이 캐비티 내에 포함될 수 있다. 상기 물질은 또한 수송 및 취급 중에 캐비티로부터의 이탈을 방지하기 위해 희생 봉투(sacrificial envelope)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 물질의 페이스트가, 예를 들어 “블로브”(blob)와 같이, 캐비티의 벽의 일부에 부착될 수 있다.

상기 샘플링 장치는 만일 요구되는 경우 분석될 용융 금속을 채우도록 구성된 추가의 캐비티를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 샘플링 장치는 세 개, 네 개, 또는 다섯 개의 캐비티를 포함할 수 있다. 상기 캐비티들은 동일한 공통 충전 주입구를 적절하게 분배하고, 상기 공통 충전 주입구로부터 동일한 거리에 적절하게 배치된다.

게다가, 상기 샘플링 장치는 적합하게는 열 분석 동안 적어도 하나의 온도 감응 수단들을 포함하는 보호관을 포함할 수 있다. 이러한 상기 보호관은 상기 샘플링 장치의 적어도 하나의 벽을 통해 연장될 수 있고, 온도 감응 수단들을 삽입할 수 있도록 하나의 단부에서 오픈될 수 있다. 상기 보호관은 예를 들어 캐비티를 통해 방사상으로 연장될 수 있고 온도 감응 수단들이 상기 보호관으로 삽입되도록 구성된 적어도 하나의 단부 개구를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 보호관은 폐쇄 단부(closed end)를 포함할 수 있고, 상기 폐쇄 단부가 본질적으로 상기 캐비티의 중심에 배치되도록 반경 방향으로 캐비티로 연장될 수 있다. 상기 보호관은 만일 요구되는 경우 복수의 온도 감응 수단들을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 열 분석을 위한 키트에 관한 것으로 이는 적어도 두 개의, 바람직하게는 복수의, 온도 감응 수단들, 예로서 열전대(thermocouples )를 포함하고, 상술한 샘플링 장치를 포함한다. 온도 감응 수단들의 숫자는 일반적으로 샘플링 장치의 캐비티 수와 대응하고, 다만 캐비티 내에서 다른 위치로부터 냉각 곡선을 얻기 위해 샘플링 장치의 캐비티의 수보다 많을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 모래 컵을 도시한다.
도 2는 예시적인 제1실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 3은 예시적인 제2실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 4는 예시적인 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 5는 예시적인 또 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 6은 예시적인 또 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 7은 예시적인 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 8은 예시적인 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 9는 예시적인 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 10은 예시적인 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 단면도를 도시한다.
도 11은 예시적인 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 평면도이다.
도 12는 예시적인 또 다른 실시 예에 따른 샘플링 장치의 평면도이다.

본 발명은 첨부 된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 발명은 도시 된 실시 예에 한정되지 않고 첨부 된 청구항의 범위 내에서 변화 될 수 있다. 또한, 상기 도면들은 몇몇 특징들이 더욱 명확하게 그 샘플링 디바이스의 특징 또는 내용을 설명하기 위해 과장 될 수 있으므로 비율로 도시된 것으로 간주되지 않는다.

본 발명을 나타내는 도면에는, 상기 캐비티들이 바람직한 실시예로서 구형 형상으로 도시되어 있다. 그러나, 상기 캐비티들은 편원 회전 타원체, 평평한 상부 또는 하부를 갖는 구형, 타원체, 큐브, 스퀘어 프리즘, 정 다각형 프리즘, 세개 또는 그 이상의 양면 프리즘 등, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 원하는 경우, 다른 형상을 가질 수 있다. 게다가, 상기 캐비티들은 이를 테면 도면에 도시된 것과 같이 동일한 형상을 가질 수 있고, 또는 요구되는 경우 서로 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다. 게다가, 상기 캐비티들의 사이즈는 동일하거나 또는 서로 다른 고형화율을 제공하기 위해 동일한 샘플링 장치에서 서로 각각으로부터 다를 수 있다. 서로 다른 기하학적 형상을 갖는 캐비티들의 경우, 상기 캐비티들의 내부 체적은 필수적으로 실질적으로 달라야할 필요는 없다. 캐비티들의 사이즈와 체적은 본 발명에 개시된 사항의 견지에서 당업자에 의해 의도하는 목적에 따라 구성될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따라 모래 컵(100)으로 불리우는 것이 도시되어 있다. 상기 모래 컵은 화학적으로 결합된 모래로 구성되고 열 분석에 의해 분석될 용융 금속을 포함하도록 구성된 컨테이너(102)의 상부에 주변 대기를 향해 열린다. 상기 컨테이너(102)의 열린 표면은 차례로 용융 금속의 고체화에 영향을 주는 용융 금속 표면으로부터 방사선 열 손실을 야기한다. 본질적으로, 일정한 경우 충분히 정확한 판독이 불가능한 열 손실의 불균형이 존재한다.

도 1에 도시된 종래 기술과 대조적으로, 용융 샘플은 본질적으로 본 발명에 따른 샘플링 장치의 캐비티들에 밀폐된다. 이로 인해, 용융 금속의 열린 표면으로부터 방사선을 통한 열 손실이 본질적으로 제거된다. 본질적으로 밀폐된 것은 본 발명에서 상기 캐비티의 각각 하나가 각각의 캐비티 벽에서 요구되는 개구, 상기 캐비티의 충전 개구를 구성하는 개구, 잠재된 통기 구멍(들) 및 온도 감응 수단들을 삽입하는데 필요한 개구(들)을 제외하고는 밀폐된 것을 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 샘플링 장치(1)의 제1 실시예의 단면도를 도시한다. 상기 샘플링 장치(1)는 적어도 제1 캐비티(2) 및 적어도 하나의 제2 캐비티(3)를 포함한다. 상기 캐비티들(2, 3)은 열 분석에 의해 분석되는 용융 금속을 함유하도록 구성된다. 분석되는 용융 금속은 공통 충전 주입구(4)를 통해 캐비티들(2, 3) 내로 도입되고, 이는 주입 개구로부터 수직 거리에 샘플링 장치 내부 복수의 충전 채널(5)로 차례로 분지된다. 상기 공통 충전 주입구는 바람직하게는 충전 주입구의 수직 중심 축(B)가 캐비티들의 각각의 중심 사이의 중간에 배치되도록 캐비티들 사이에 실질적으로 배치된다. 게다가, 공통 충전 주입구(4)는 공통 충전 주입구로 용융 금속의 충전을 용이하게 하기 위해 적어도 부분적으로 절두 원추형 형상(shape of a truncated cone)을 적절히 가질 수 있다.

상기 공통 주입구(4)는 용융 금속이 단지 하나의 주입 개구(7)를 통해 상기 샘플링 장치(1)로 충전되는 것을 확보하고, 이에 따라 각 캐비티가 개별적으로 충전될 경우와 같이 작업자가 캐비티들 내로 동일한 양이 채워지도록 하는 것이 필요 없도록 한다. 각 충전 채널(5, 6)은 캐비티의 주입구에서 샘플링 장치의 각 캐비티(2, 3)로 열린다. 도 2에 도시된 바와 같이, 충전 채널(5, 6)은 실질적으로 캐비티(2, 3)의 중심과 같은 높이로 캐비티(2, 3) 내에 개방된다.

캐비티(2, 3)의 각각은 적어도 열 분석 동안, 적어도 하나의 온도 감응 수단들(미도시)이 제공된다. 상기 온도 감응 수단들은 용융 금속의 고체화 동안 온도를 측정하도록 구성되고, 측정은 용융 금속의 고체화 과정 동안 변화를 결정하기 위해 시간에 걸쳐 기록된다. 도 2에서는, 보호관(12)이 각 캐비티(2, 3)에 도시되어 있다. 상기 보호관(12)은 열 분석 동안 온도 감응 수단들을 보호하고 포함하기 위한 것이다. 다만 열 분석 동안에 소모되는, 소모성 온도 감응 수단들이, 도 1에서 도시된 종래 기술과 같이, 사용되는 듯 하다. 가능한 보호관(12)의 이점은 온도 감응 수단들이 열 분석이 종료된 후에도 또 다른 샘플에 재사용된다는 점에 있고, 그리하여 샘플링 장치의 비용을 저감시킨다. 재사용 가능한 온도 감응 수단들은 비용을 증가시키지 않고 소비성 대응부분에 비해 보다 정확히 만들 수 있다. 샘플링 장치(1)는 하나의 분석을 위해 사용되며, 다른 샘플 량을 위해 재사용되도록 의도되는 것은 아니다.

도 2에 도시된 바와 같이, 공통 충전 주입구(4)의 주입 개구(7)는 샘플링 장치(1)의 상부 표면 또는 측(8) 상에 배치되고 다만 샘플링 장치의 최상부 표면(9)보다 낮은 레벨에 배치된다. 이는, 공통 충전 주입구(4)의 주입구 개구(7)가 샘플링 장치(1)의 상부 측(8)의 최상부 부분(9)에 의해 정의되는 제1 수평면(A)과 평행한 제2 평면에 배치된다는 것을 의미한다. 게다가, 주입구 개구가 이러한 방식으로 배치된다는 것은 샘플링 장치가 가능한 물질의 최소 량으로 제조될 수 있다는 것을 보장하는 것이고, 즉 캐비티의 벽은 매우 얇게 만들어지고, 이로 인해 열 분석 동안 열 싱크로서 작용하는 샘플링 장치의 벽(11)의 리스크를 최소화한다. 샘플링 장치의 벽이 열 싱크로 작용하는 경우, 이는 용융 금속의 고체화에 부정적 영향을 끼칠 수 있고, 이로 인해 열 분석 동안 달성된 결과의 정확도가 변경된다.

이전에는, 캐비티의 일관된 충전을 보장하기 위해 캐비티의 레벨 이상으로 주입구를 채우도록 배치되는 것이 필요한 것으로 고려되었다. 그러나, 본 발명자들은 본 발명에 따르면 충전 주입구의 위치에도 불구하고 여전히 캐비티의 일관 충전이 달성될 수 있음을 알게되었다.

본 발명에 따른 샘플링 장치는 이들 실시예에 상관없이, 적어도 두 개의 캐비티들을 포함한다. 이것에 의해 판독의 정확도가 증가된, 동일한 용융 금속 샘플에 대한 두 개의 개별적 결과가 제공되는 이점이 있다. 또한 두 개의 캐비티에 의해 동시에 동일한 용융물의 다양한 측면을 분석하는 것도 가능하다. 예를 들어, 캐비티들 가운데 하나는 다른 첨가제들로부터 자유롭고, 이에 따라 실제 용융 금속을 분석하고 반면에 다른 캐비티는 용융 금속의 고체화 동작에 영향을 주는 물질이 제공될 수 있다. 예로서 핵 전위 연구의 목적으로, 접종제를 첨가하거나 또는 황 및/또는 텔루륨의 첨가 또는 황 및/또는 의도적 흑연의 성장 거동을 변경하는 환원성 산화물을 첨가, 또는 오스테나이트가 페라이트 및 펄라이트로 고상 변형하는 분석의 강화를 위한 물질을 첨가하는 등에 의해 탄소 당량 분석 등의 목적에 의할 수 있다. 용융 금속의 고체화 거동을 변경하도록 하나 이상의 물질의 첨가는 이전에 공지된 방법에 따라 만들어질 수 있다. 예를 들면, 이들 물질은, 상기 물질을 포함하는 코팅 조성의 예를 들어 침지, 세정, 분무 또는 브러싱과 같은 방식으로 캐비티의 내부 벽에 적용될 수 있는 기능성 또는 반응성 코팅의 형태로 첨가될 수 있다. 상기 물질은 또한 경우에 따라 분말, 과립의 형태로 첨가될 수 있거나 단지 캐비티 내부 벽에 부착되지 않고 캐비티 내로 도입될 수 있고, 상기 분말/과립은 선택적으로 희생 봉투에 포함되거나 또는 상기 물질을 함유하는 페이스트 형성에 의하거나, 또는 작은 공 “블로브” 또는 이와 같은 것으로 이를 형성하고 캐비티의 내부 벽의 일부분에 상기 공을 접착하는 것에 의한다.

도 3은 각 캐비티들의 하부에서 캐비티(2, 3)들로 오픈된 충전 채널들(5, 6)을 제외한 도 2에 도시된 실시예와 대응되는 샘플링 장치(1)의 다른 실시예의 단면도를 도시한 것이다. 용융 금속이 캐비티들 내 수직 상향으로 본질적으로 도입될 수 있도록 각각의 캐비티들의 저면으로부터 캐비티를 개방하는 것을 허용하는 것이 가능하다.

상기 충전 채널들(5, 6)은 본질적으로 수평한 충전 채널들로서 도 2 및 도 3 모두에 도시되어 있다. 그러나 상기 충전 채널들은 요구되는 경우 상기 캐비티들을 향해 공통 충전 주입구로부터 위 또는 아래로 약간 경사지도록 배치되고 본 발명은 수평 충전 채널에 한정되지 않은 것을 가능하게 한다.

도 2 및 3은 오직 두 개의 캐비티들이 도시된 반면, 샘플링 장치는 적절하게 적어도 세 개의 캐비티들을 포함할 수 있다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같은 동일한 방식으로, 세 개 또는 그 이상의 캐비티를 포함하는 샘플링 장치는 적절하게는 중앙에 배치된 공통 충전 주입구를 가지고, 이들 중심축(B)은 각 캐비티들의 중심으로부터 본질적으로 동일 거리에서 배치된다. 세 개 또는 그 이상의 캐비티들의 사용은 어떠한 첨가제가 없이 또한 두 개의 캐비티를 포함하는 샘플링 장치를 참조하여 개시된 바와 같이 대응하는 방식에서 다른 캐비티에 다른 첨가제의 사용이 없이 고체화의 평가가 가능하다

공통 충전 주입구의 중심축(B)이 여기에 개시된 모든 실시예를 위한 샘플링 장치의 중심 축에 대응하는 것이 바람직하다.

도 4는 도 2에 도시된 것과 유사한 샘플링 장치(1)의 다른 실시예의 단면도를 도시한 것이다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 샘플링 장치는 이들 상부 측에 일 형상의 오목부(13)를 더 포함한다. 상기 오목부는 상기 공통 충전 주입구(4) 및 이의 동심의 방사상 외측에 배치된다. 상기 오목부(13)의 목적은 상기 캐비티들이 용융 금속으로 채워질 때, 공통 충전 주입구의 주입 개구의 엣지(14)를 통해 흐르는 임의의 초과 용융 금속을 수용하기 위함이다. 상기 오목부(13)는 그리하여 초과 용융 금속을 위한 통 역할을 하고 샘플링 장치의 측 상에 흐르는 용융 금속을 회피하기 위한 안전한 장치를 제공한다.

상기 샘플링 장치는 적절하게 도 5에 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 샘플 위로 개방 대기를 갖는 각 캐비티(2, 3)가 연결된 캐비티들의 벽들에서 채널(15) 또는 오픈 통기 구멍들을 더 포함할 수 있다. 이러한 통기 구멍들 또는 채널들은 캐비티를 채우기 전에 캐비티들 내에 함유된 공기를 가능하게 하는 목적을 제공하고, 용융 금속이 노출될 때 샘플링 장치를 제조하는 재료에 의존하여, 고체화의 개시 이전 및 충전 동안 캐비티들로부터 벗어난 용융 금속과 함께, 휘발성 가스들은 수지 또는 가능한 첨가된 물질로부터 해방되고, 그리하여 캐비티들이 완전하게 충전될 수 있음을 보장한다. 게다가, 상기 통기 구멍들 및 채널들은 어떤 경우에는 추가적으로, 충전 동안 캐비티들이 충전되어 갈 때, 캐비티들로부터 탈출하는 초과 용융 금속을 적어도 부분적으로 허용하는 목적을 제공한다. 그러나, 공통 충전 주입구(4)의 주입 개구(7)는 샘플링 장치의 최상부 표면보다 낮은 레벨에 배치되고, 통기 구멍들 또는 채널들(15)을 통해 용융 금속의 증가가 대부분의 경우 최소화될 것으로 예상된다. 가능한 첨가된 물질이 통기 구멍들 또는 채널들을 통해 씻겨 내려갈 수 있는 캐비티를 통해 넘치는 용융 금속이 없는 것이 확보되도록 이들 레벨은 조정될 수 있다.

도 6은 샘플링 장치의 또 다른 실시예의 단면도를 도시한 도면이다. 이 경우, 샘플링 장치(1)는 도 4에 도시된 링 형상의 오목부(13) 뿐만 아니라 도 5에 도시된 통기 구멍들 또는 채널들을 포함한다. 충전 채널들(5, 6)은 캐비티들의 하부에서 캐비티들로 개방되어 있으나, 충전 채널들은 임의 높이, 예로서 캐비티들의 적어도 하나의 중심에 대응 또는 이러한 높이 및 캐비티의 하부 부분 사이 임의의 높이에서 캐비티들로 개방될 수 있는 것이 자연스럽게 타당하다. 또한, 이들이 각 캐비티 하부에서 개방되고, 이로 인해 캐비티들에서 용융 금속의 충전이 본질적으로 수직 상향으로 수행되고, 즉 용융 금속이 캐비티 내에서 상승하는 것이 달성되도록 충전 채널을 배치하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 공통 충전 주입구의 주입 개구는 샘플링 장치의 상부 측의 최상부 부분에 접하는 수평면으로 구성된 제1 평면에 평행한 제2 평면에 배치된다. 제2 평면은 제1수평면 보다는 낮은 높이에서 배치되고 제1 수평면 및 제1 평면은 배제하나 다만 캐비티의 내부 표면의 최상부 부분에 접하는 평면은 포함하는, 캐비티의 내부 표면의 최상부 부분에 접하는 평면 사이 임의의 높이에 배치될 수 있다. 이 경우 캐비티들은 서로 다른 사이즈를 가지고 또는 샘플링 장치 내의 다른 수직 거리에 배치될 수 있고, 상기 평면은 샘플링 장치(제1 평면)의 최상부 부분에 근접한 내부 평면의 최상부 부분을 갖는 캐비티의 상기 평면에 대응하는 캐비티의 내부 표면의 최상부에 접한다.

도 7은 도6에 도시된 실시예와 유사한, 샘플링 장치(1)의 또 다른 실시예의 단면도를 도시한 것이다. 도 7에 따른 상기 샘플링 장치는 충전 채널(5, 6)의 레벨에서 도 6에 따른 샘플링 장치와 상이하다. 게다가, 공통 충전 주입구(4)의 주입 개구가 배치된 제2 평면(C)은 캐비티의 최상부 내부 표면에 접하는 평면이다. 이는, 충전 이후 용융 금속이, 충전이 완료되고 캐비티가 완전히 충전된 이후 이후 공통 충전 주입구에서와 같이 캐비티에서 동일한 높이가 될 것을 의미한다.

도 8은 도 6에 도시된 것과 유사한 샘플링 장치의 다른 실시예의 단면도를 도시한 것이다. 도 6에 따른 샘플링 장치와 대조적으로, 도 8에 도시된 샘플링 장치는 또한 적어도 하나의 축 방향으로 연장되는 슬롯(16)을 공통 충전 주입구의 상부 측, 즉, 공통 충전 주입구(4)의 주입 개구(7)에서 포함한다. 상기 슬롯의 목적은 충전 동안 초과 용융 금속이 주입 개구의 엣지(14)를 넘어 흐를 필요 없이 링 형상의 오목부(13)로 슬롯(16)을 통해 흐르는 것을 허용하기 위함이다. 상기 슬롯(16)은 그리하여 상기 샘플링 장치의 다른 부분 상에 용융 금속이 흐르는 리스크를 제한하는 안전한 방안을 제공한다.

도 9는 다른 실시예의 단면도가 도시된 것으로, 통기 구멍들 또는 채널들(!5)의 축 연장이 캐비티의 중심을 통해 수직 평면에 평행한 수직 평면에 배치되어 있다. 사실, 통기 구멍 또는 채널(15)은 캐비티의 벽(11) 어딘가에 배치될 수 있다. 그러나 이는 통기 구멍 또는 채널이 캐비티의 상부 측에 배치되는 것이 바람직하다.

캐비티의 중심을 통해 연장된 수직 평면이 아닌 다른 평면 내에서 통기 홀 또는 채널의 배치는, 이러한 상기 수직 평면에 평한 평면에 관해서, 추가의 장점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 잠재적인 보호관(12)이 캐비티를 통해 연장하고, 도 10에 도시된 바와 같이 캐비티의 반대 측 상 벽에 지지될 수 있도록 하는 것이 가능하다. 이러한 구성에 의해, 상기 보호 튜브는 별도의 캐비티에 고정될 수 있거나, 하나의 폐쇄 단부는 대조적으로 두 개의 개방 단부와 튜브로서 제조될 수 있다. 도 10에 도시되어 있지는 않지만, 온도 감응 수단들이 캐비티 내에 임의의 바람직한 위치에 배치된 온도 측정 정션과 함께 이들의 단부로부터 보호관 내에 도입될 수 있도록 전체 샘플링 장치를 통해 보호관으로 배치되는 것이 바람직하다.

도 11은 통기 구멍 또는 채널(15)을 각각 갖는 세 개의 캐비티들을 포함하는 샘플링 장치의 실시예의 상부를 도시한 도면이다. 상기 공통 충전 주입구는 도 2~10에 도시된 실시예에 대응하는 원추의 형태이고, 도 11에 도시된 하부 표면(4’) 뿐만 아니라, 원뿔의 벽(4’’)의 형태이다. 공통 충전 주입구(4)의 주입 개구부(7)는 샘플링 장치의 상부 측 또는 표면(8) 의 최상부 부분(9)의 평면 아래의 평면에 배치된다. 상기 샘플링 장치는 링 형상의 오목부(13)와 이전 도 8에 개시된 축방향으로 연장된 슬롯(16)를 더 포함한다.

도 12는 샘플링 장치의 또 다른 실시예의 상부를 도시한 도면이다. 런-오프 채널(17), 예를 들면 그루브와 같이 형성된 것은, 샘플링 장치의 상부 측(8)에 배치되고, 공통 충전 주입구의 상부 측으로부터(축방향으로 연장된 벽(4’’) 및 하부 표면(4’)에 의해 도면에 도시됨) 샘플링 장치의 측 표면(18)에 실행된다. 런-오프 채널의 목적은, 충전이 완료될 때, 샘플링 장치 부근의 가능성이 존재하는 주변 장비 손상이 없고 또는 운영자 또는 다른 사람의 부장을 일으키는 위험이 없도록, 임의의 초과 용융 금속이 원하는 방향으로 안전하게 샘플링 장치로부터 제거되는 것을 확보하기 위함이다. 상기 런-오프 채널은 바람직하게는 초과 용융 금속이 쉽게 측 표면을 향해 흐르는 것을 확보하도록 샘플링 장치의 측 표면을 향해 공통 충전 주입구로부터 수직 방향에서 약간 경사져 있다. 샘플링 장치에 부착되거나 그렇지 않을 수 있는, 리셉터클은 직접 런-오프 채널의 하류 단부에 초과 용융 금속을 수집하기 위해 적절히 사용될 수 있다. 상기 리셉터클은 가능하게는, 만일 요구되는 경우, 열 분석 전에 샘플링 장치로부터 제거될 수 있다.

도 11 및 12에 도시되어 있지는 않지만, 상기 샘플링 장치는 도 11에 도시된 링 형상의 오목부(13)와 도 12에 도시된 런-오프 채널(17)을 모두 포함할 수 있다. 이러한 경우, 런-오프 채널의 상류는 바람직하게는 링 형상의 오목부로부터 초과의 용융 금속을 배출할 수 있도록 링 형상의 오목부와 연결되어 있다.

상기 샘플링 장치는 모래, 또는 모래 기반의 물질, 특히 화학적으로 결합된 모래로 구성될 수 있다. 만일 요구되는 경우, 상기 샘플링 장치는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 원하는 경우, 예컨대 스틸과 같은 다른 재료의 외부 하우징을 포함할 수 있다. 그러나, 외부 하우징은 필요하지 않고, 모래 자체가 샘플링 장치의 충분한 안정성을 제공한다. 샘플링 장치는 또한 합성 모래 또는 절연 내화물, 캐스팅 가능 내화물, 섬유 천 또는 코팅된 스틸과 같은 재료로 구성될 수 있다. 또한 이들 재료의 경우, 요구되는 경우, 샘플링 장치는 선택적으로 하우징(동일 또는 다른 재료)을 포함할 수 있다.

상기 샘플링 장치는 원하는 경우 또한 임의로 외부 지지 수단을 포함할 수 있다. 이러한 지지 수단은 예를 들면 열 분석시 즉 샘플링 장치의 작업 동안, 뿐만 아니라 보호관의 삽입 동안 가능한 보호관들의 하나 이상과 함께 각각의 온도 감응 수단들의 적절한 정렬의 목적을 제공한다.

이러한 용융 캐스팅 등의 용융 금속의 온도를 측정하기에 적합한 온도 감응 수단의 임의의 유형이 본 발명에 따른 샘플링 장치와 관련하여 사용될 수 있다. 이러한 온도 감응 수단의 일례는 열전대(thermocouple)이다.

온도 감응 수단은 열 분석시 적합하게, 손상되지 않고 열 분석시 소모하지도 않도록 하기 위하여 보호관 내에 배치 될 수 있다. 따라서, 온도 감응 수단은 열 분석 종료 후 샘플링 장치로부터 제거되고 다른 장치 디바이스에서 재사용 될 수 있다. 게다가, 요구되는 경우, 예를 들어 온도 감응 수단의 출력을 높이기 위해 또는 측정 에러를 감소시키기 위해, 캐비티 내의 다른 위치로부터 냉각 곡선을 얻는 목적을 위해, 동일한 보호관에서 복수의 온도 감응 수단들이 배치될 수 있다.

샘플링 장치는 상기 개시된 실시 예와 도면에 도시 된 바에 따라 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 보호 튜브는 샘플링 장치에 수직으로 배열 될 필요는 없고, 예를 들면 수평 및 수직 평면에 각지거나 실질적으로 수평으로 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 샘플링 장치는 주로 그레이 캐스트 철 (또한 라멜라 캐스트 아이언으로 알려짐 - GJL), 콤팩티드 그라파이트 철 CGI(또한 버미큘러 그라파이트 철로 알려짐-GJV) 및 연성철(또한 노듈라 그라파이트 철 또는 회전 타원형 그라파이트 철-GJS)의 열 분석을 위해 개발되었다. 그러나, 상기 샘플링 장치는 또한 열 분석을 위해, 특히 용융 금속에 용융된 다른 물질을 분석하기 위해 사용될 수 있다.

Claims (15)

1. 상부 측 및 하부 측을 갖는 금속 고체화 (solidifying metal)의 열 분석을 위한 샘플링 장치로서, 상기 상부 측의 최상부가 제1 수평면을 정의하고, 상기 샘플링 장치는 적어도 제1 캐비티 및 제2 캐비티를 포함하고, 상기 제1 및 제2 캐비티는 분석할 용융 금속으로 충전되도록 구성되고 각 캐비티는 열 분석 동안 온도 감응 수단들(temperature responsive means)을 포함하도록 구성되며, 상기 샘플링 장치는 상기 샘플링 장치의 상부 측 상에 주입 개구(inlet opening)를 갖는 하나의 공통 충전 주입구(common filling inlet )를 포함하고, 상기 공통 충전 주입구는 복수의 충전 채널들로 분지되고, 각 충전 채널은 상기 캐비티들 가운데 하나에서 종결되고(ending), 상기 공통 충전 주입구의 주입 개구는 본질적으로 상기 제1 수평면에 평행한 제2 평면에 배치되고 상기 제1 수평면 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공통 충전 주입구의 주입 개구는
   적어도 하나의 상기 제1 캐비티와 제2 캐비티의 최상부 내부 표면에 접하는 평면에 본질적으로 수평으로 배치되는 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
3. 제1항 내지 제2항 가운데 어느 한 항에 있어서,
   상기 샘플링 장치는
   열린 대기(open atmosphere )에 상기 캐비티들 각각을 연결하는 오픈 통기 채널들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
4. 제3항에 있어서,
   각 캐비티는
   각각의 충전 채널과 각각의 통기 채널을 제외하고 실질적으로 밀폐된 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
5. 제1항 내지 제4항 가운데 어느 한 항에 있어서,
   상기 샘플링 장치는
   상기 샘플링 장치의 상부 측에 배치된 런-오프 채널을 더 포함하고,
   상기 런-오프 채널은 상기 공통 충전 주입구로부터 상기 샘플링 장치의 측 표면을 향해 소정의 방향으로 가능한 초과 용융 금속(possible excess molten metal)을 가이드 하도록 구성된 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
6. 제1항 내지 제5항 가운데 어느 한 항에 있어서,
   상기 샘플링 장치는
   상기 공통 충전 주입구의 개구와 동심(concentric) 및 외측 반경으로 상기 샘플링 장치의 상부 측에 배치된 링 형상의 오목부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 공통 충전 주입구의 벽은
   이들 상부에서 축 방향으로 연장된 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
8. 제1항 내지 제7항 가운데 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 캐비티들은 동일한 내부 체적(internal volume)을 갖는 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
9. 제1항 내지 제8항 가운데 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 캐비티는 열 분석 동안 의도적으로 이들 내부에 포함된 상기 용융 금속의 고체화 동작을 변경하도록 구성된 물질이 제공되고, 상기 제1 캐비티는 이와 같은 물질로부터 자유로운 것을 특징으로 하는,
   샘플링 장치.
10. 제1항 내지 제9항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플링 장치는
    분석되는 용융 금속으로 채워지도록 구성된 적어도 세 개의 캐비티들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    샘플링 장치.
11. 제1항 내지 제10항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비티들 각각의 중심은 상기 제1수평면으로부터 동일한 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    샘플링 장치.
12. 제1항 내지 제11항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비티들 각각은 열 분석 동안 적어도 하나의 온도 감응 수단들을 포함하는 보호관을 포함하고, 상기 보호관은 바람직하게는 상기 샘플링 장치의 적어도 하나의 벽을 통해 연장되는 것을 특징으로 하는,
    샘플링 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 보호관은
    캐비티를 통해 반경 반향으로 연장되고
    온도 감응 수단들을 상기 보호관으로 삽입하기 위한 적어도 하나의 단부 개구(end opening)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    샘플링 장치.
14. 제12항에 있어서,
    상기 보호관은
    폐쇄 단부(closed end)를 포함하고
    상기 폐쇄 단부가 본질적으로 상기 캐비티의 중심에 배치되도록 반경 방향으로 캐비티로 연장되는 것을 특징으로 하는,
    샘플링 장치.
15. 금속 고체화의 열 분석을 위한 부품 키트로서,
    상기 키트는
    적어도 두 개의 온도 감응 수단들 및
    상기 제1항 내지 제14항에 따른 샘플링 장치를 포함하는,
    키트.

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