KR20170079410A - 슬래그 제어 및 냉각능 향상을 위한 샘플러 및 이를 구비하는 복합 프로브 - Google Patents

슬래그 제어 및 냉각능 향상을 위한 샘플러 및 이를 구비하는 복합 프로브 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 용융금속에 침지되어 내부에 상기 용융금속이 유입 가능한 샘플러는, 일측에 형성되어 상기 용융금속이 유입되는 탕구 및 타측에 형성되어 상기 용융금속이 유출되는 탕도, 상기 탕구와 상기 탕도 사이에 형성되는 상실(上室)을 가지는 상실주형; 상기 상실주형에 연결되며, 상기 탕도를 통해 유출된 상기 용융금속이 개방된 일측을 통해 채워지는 하실(下室)을 가지는 하실주형; 그리고 상기 탕도와 상기 하실주형의 개방된 일측 사이에 설치되어, 상기 탕도로부터 상기 하실에 이르는 통로를 제공하는 이동부재를 포함하되, 상기 통로는 상기 탕도와 인접한 입구와 상기 하실과 인접한 출구, 그리고 상기 입구와 상기 출구 사이에 위치하며 최소단면적을 가지는 연결구를 가진다.

Description

슬래그 제어 및 냉각능 향상을 위한 샘플러 및 이를 구비하는 복합 프로브{SAMPLING DEVICE AND COMPLEX PROBE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 샘플러 및 이를 구비하는 복합 프로브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상실과 하실을 연결하는 통로를 제공하는 이동부재를 포함하는 샘플러 및 이를 구비하는 복합 프로브에 관한 것이다.
일반적으로, 제철소 정련공정에서는 용융금속에 샘플러가 장착된 복합 프로브를 침지시켜 측온, 측산 및 성분분석을 위한 시료채취 작업을 진행하게 된다.
예를 들어, 스테인리스 정련(AOD) 공정에서는 다량의 산소를 취입하여 탄소를 산화시킴에 따라 고온(1600~1800℃)의 용탕이 생성된다. 특히, 산화기에서 온도 및 성분을 확인하기 위해서는 서브랜스 프로브를 이용하여 온도 측정 및 시료 채취를 하게 되는데, 용탕이 샘플러에 유입될 때의 온도는 1700~1800℃이지만 응고 온도는 낮아(sts.430 : 약 1490℃, sts.304 : 약 1450℃) 응고 시간이 오래 걸린다. 또한, 스테인리스 용융금속은 용탕 과열도(△T)가 클 뿐만 아니라 열전도율이 탄소강 대비 4분의 1 정도로 낮아 응고 시간은 더 길어지게 되고, 그로 인해 응고 결함이 자주 발생하는 문제점이 있다.
또한, 페로망간(Fe-Mn)은 그 제조 공정 중 산화기 시에 온도가 1800℃를 상회하게 된다. 그러나, 많이 사용되는 Fe-70%Mn을 기준으로 보면 응고 온도는 약 1170℃ 로써, 용탕 과열도가 약 300℃인 스테인리스 강보다 용탕 과열도(△T)는 더 크다.
<참고: 이론 응고 온도 계산법 예>
Figure pat00001
㈜ ℃/% = 성분 (C, Mn, Cr 또는 Ni)이 1% 들어가는 경우에 떨어지는 응고온도
□ STS(304: 18Cr-8Ni) 응고 온도 :
1536℃(순철 응고 온도) - 63℃(27+32+3.8) - 17℃(타 성분) = 약 1,450℃
□ Fe-70%Mn 응고 온도 :
1536℃ - 354℃(350+3.8) - 12℃(타 성분) = 약 1,170℃
* STS(304) 용탕 과열도(△T)=1,750℃(측정 온도) - 1,450℃= 300℃ (STS 304)
* Fe-70%Mn 용탕 과열도(△T)=1,750℃(측정 온도) - 1,170℃= 580℃ (Fe-70%Mn)
한국공개특허공보 2004-0050751호(2004.06.17.)
본 발명의 목적은 용탕의 과열도가 큰 강종(스테인리스, Fe-Mn, Fe-Si 등)의 정련 공정(AOD or 전로)에서 시료 채취 성공률을 향상시키고, 고온에서 사용 가능한 샘플러 및 이를 구비하는 복합 프로브를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 용탕의 냉각 속도를 조정함으로써, 시료의 건전성을 확보하고, 보다 정확한 용융금속 정보의 분석을 통해 정련공정에서의 생산성을 향상시킬 수 있는 샘플러 및 이를 구비하는 복합 프로브를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 용융금속에 침지되어 내부에 상기 용융금속이 유입 가능한 샘플러는, 용융금속에 침지되어 내부에 상기 용융금속이 유입 가능한 샘플러는, 일측에 형성되어 상기 용융금속이 유입되는 탕구 및 타측에 형성되어 상기 용융금속이 유출되는 탕도, 상기 탕구와 상기 탕도 사이에 형성되는 상실(上室)을 가지는 상실주형; 상기 상실주형에 연결되며, 상기 탕도를 통해 유출된 상기 용융금속이 개방된 일측을 통해 채워지는 하실(下室)을 가지는 하실주형; 그리고 상기 상실과 하실 사이에 설치되어, 상기 상실로부터 상기 하실에 이르는 통로를 제공하는 이동부재를 포함하되, 상기 통로는 상기 탕도와 인접한 입구와 상기 하실과 인접한 출구, 그리고 상기 입구와 상기 출구 사이에 위치하며 최소단면적을 가지는 연결구를 가진다.
상기 통로의 내주면은 상기 입구로부터 상기 연결구를 향해 내측경사지고, 상기 연결구로부터 상기 출구를 향해 외측경사질 수 있다.
상기 통로의 직경은, 상기 입구로부터 상기 연결구를 향해 점진적으로 감소하고, 상기 연결구로부터 상기 출구를 향해 점진적으로 증가할 수 있다.
상기 탕도는 상기 연결구보다 크고 상기 입구 및 상기 출구보다 작은 직경을 가질 수 있다.
상기 연결구는 상기 출구보다 상기 입구에 근접할 수 있다.
상기 이동부재는 세라믹 또는 금속 재질일 수 있다.
상기 통로는 상기 상실 및 상기 하실의 길이방향과 나란한 중심축을 기준으로 대칭을 이룰 수 있다.
상기 샘플러는, 상기 탕구와 상기 탕도 사이에 설치되는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 샘플러는, 상기 하실에 삽입되고 티타늄과 알루미늄을 포함하는 탈질제를 더 포함할 수 있다.
상기 탈질제는, 원통형 코일; 그리고 장변의 중심을 기준으로 절곡되어 이분된 상태로 상기 코일의 중앙에 실장되며, 이분된 부분을 양변으로 하는 삼각 형상의 단면을 형성하는 직사각형의 평판을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 복합 프로브는, 용융금속에 침지된 상태에서 측부에 형성된 개구를 통해 상기 용융금속을 내부로 유입 가능한 메인지관; 그리고 상기 메인지관의 내부에 내장되며, 내부에 상기 용융금속이 유입 가능한 샘플러를 포함하되, 상기 샘플러는, 일측에 형성되어 상기 용융금속이 유입되는 탕구 및 타측에 형성되어 상기 용융금속이 유출되는 탕도, 상기 탕구와 상기 탕도 사이에 형성되는 상실(上室)을 가지는 상실주형; 상기 상실주형에 연결되며, 상기 탕도를 통해 유출된 상기 용융금속이 개방된 일측을 통해 채워지는 하실(下室)을 가지는 하실주형; 그리고 상기 탕도와 상기 하실주형의 개방된 일측 사이에 설치되어, 상기 탕도로부터 상기 하실에 이르는 통로를 제공하는 이동부재를 포함하되, 상기 통로는 상기 탕도와 인접한 입구와 상기 하실과 인접한 출구, 그리고 상기 입구와 상기 출구 사이에 위치하며 최소단면적을 가지는 연결구를 가진다.
본 발명의 실시예에 의하면, 본 발명의 목적은 용탕의 과열도가 큰 강종(스테인리스, Fe-Mn, Fe-Si 등)의 정련 공정(AOD or 전로)에서 시료 채취 성공률을 향상시킬 수 있다. 또한, 용탕의 냉각 속도를 조정함으로써, 시료의 건전성을 확보하고, 보다 정확한 용융금속 정보의 분석을 통해 정련공정에서의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 복합 프로브를 개략적으로 나타내는 절개도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플러를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 샘플러를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시한 탈질제를 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 5를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 복합 프로브를 개략적으로 나타내는 절개도이다. 복합 프로브(10)는 장축을 형성하는 다중의 메인지관(11)이 샘플러(30)의 외부를 감싸고, 프로브(10)의 하단에는 용탕의 온도, 성분 등의 정보를 탐지하는 센서부(20)가 필요에 따라 부착되며, 이를 전기신호로 연결해주는 보상도선이 프로브 상단 보호관 내부에 커넥터(22)를 통해 홀더(23)로 연결된다. 센서부(20)는 필요에 따라 온도 측정용 열전대, 산소 측정용 센서, 탕면을 측정할 수 있는 레벨 센서, 기타 특정 원소 검출용 센서 등이 탑재될 수 있다. 홀더(23)는 서브랜스 등의 승강 장치에 연결되어 전로 등의 용강과 같은 용융금속에 침지된 후 인양된다. 커넥터(22)는 프로브(10)와 홀더의 전기적, 기계적인 접속을 제공한다.
메인지관(11)은 일반적으로 지관으로 형성되며, 샘플러(30)는 메인지관(11)의 내부에 실장된다. 메인지관(11)은 용강 등의 용융금속이 유입되는 개구(12)를 가진다. 샘플러(30)는 유입된 용탕이 임시 체류하는 상실(32)과, 상실(32)로 용탕이 유입될 수 있도록 천공된 탕구(31), 상실(32)에서 와류가 안정화되고 일부 온도강하가 이루어져서 하실(34)로 유입될 수 있도록 하는 탕도(33)를 가지는 원통형의 상실주형을 포함한다. 또한, 샘플러(30)는 상실주형과 연결되어 상실(32)과 연통되며 시료를 형성하게 되는 하실(34)을 가지는 원통형의 하실주형을 포함한다. 탕구(31)로 유입된 용융금속은 상실(32)을 거쳐 하실(34)로 들어가서 응고된다.
상실(32)은 일반적으로 알루미나(Al2O3) 계열의 세라믹 재료로 구성되며, 하실(34)은 내열강으로 구성된다. 상실주형은 용탕의 온도를 냉각하는 효과가 극히 미약하므로, 용탕은 하실(34)에서만 응고가 이루어지며, 용탕 과열도(△T)가 큰 강종, 예를 들면 스테인리스, Fe-Mn, Fe-Si 등에서는 그만큼 응고 시간이 오래 걸린다. 탕구(31)는 직경 차이에 의한 걸림턱을 갖도록 단차지게 구성하며, 후술하는 탕구부재인 탕구케이스(40)가 걸릴 수 있도록 구성함이 바람직하다.
그리고, 개구(12)와 탕구케이스(40) 사이에는 내열시멘트(도시안함)가 접착용도로 사용되며, 탕구케이스(40)의 상면(42)에는 용탕 상층에 부유하고 있는 슬래그의 유입을 막고, 제작, 이송중 상실(32) 내부로 침투될 수 있는 이물질을 막기 위해 종이 혹은 강으로 이루어진 캡(도시안함)을 부착시킴이 바람직하다.
이때, 상기 샘플러(30)는 용탕의 대표성분을 확인하기 위해 존재하는 측정장비이고, 채취된 시료는 상하로 절단되어 하단면을 분석장비(XRF, Emission, ICP 등)로 분석하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플러를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 다중의 메인지관(11)이 샘플러(30)의 외부를 감싸고, 프로브(10)의 하단에는 용탕의 온도, 성분 등의 정보를 탐지하는 센서부(20)가 필요에 따라 부착되며, 센서부(20)는 필요에 따라 온도 측정용 열전대, 산소 측정용 센서, 탕면을 측정할 수 있는 레벨 센서, 기타 특정 원소 검출용 센서 등이 탑재될 수 있다. 홀더(23)는 서브랜스 등의 승강 장치에 연결되어 전로 등의 용강과 같은 용융금속에 침지된 후 인양된다. 커넥터(22)는 프로브(10)와 홀더(23)의 전기적, 기계적인 접속을 제공한다.
샘플러(30)는 메인지관(11)의 내부에 실장되며, 메인지관(11)은 용강 등의 용융금속이 유입되는 개구(33a)를 가진다. 상실주형은 유입된 용탕이 임시 체류하는 상실(32)과, 상실(32)로 용탕이 유입될 수 있도록 천공된 탕구(31), 상실(32)에서 와류가 안정화되고 일부 온도강하가 이루어져서 하실(34)로 유입될 수 있도록 하는 탕도(33)를 가진다. 또한, 샘플러(30)는 상실주형과 연결되어 상실(32)과 연통되며 시료를 형성하게 되는 하실(34)을 가진다. 탕구(31)로 유입된 용융금속은 상실(32)을 거쳐 하실(34)로 들어가서 응고된다.
필터(13)는 유입된 용탕의 흐름 및 하실(34)로의 유입 용탕 온도을 제어하기 위해 탕구(31)와 탕도(33) 사이에 설치될 수 있다. 특히, 필터는 슬래그(slag) 혼입을 억제하기 위하여, 세라믹 필터(ceramic filter)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이동부재(50)는 상실(32)과 하실(34) 사이(또는 탕도(33))에 설치되며, 입구(51) 및 출구(53), 연결구(52)로 구분되는 통로를 가진다. 탕구(31)로 유입된 용융금속은 상실(32)을 거쳐 이동부재(50)의 통로를 통과한 후 하실(34)로 들어가서 응고된다.
연결구(52)는 입구(51)와 출구(53) 사이에 위치하여 입구(51) 및 출구(53)보다 작은 최소 직경(또는 단면적)을 가지며, 연결구(52)는 출구(53) 보다 입구(51)에 근접하게 배치된다. 통로의 내주면은, 입구(51)로부터 연결구(52)를 향해 내측경사지고, 연결구(52)로부터 출구(53)를 향해 외측경사진다. 탕도(33)는 연결구(52) 보다 크고 입구(51) 및 출구(53) 보다 작은 직경을 가진다. 이는 탕도(33)를 통해 이동하는 용융금속이 이동부재(50)를 거치지 않고 바로 하실(34)로 이동하는 것을 방지하기 위함이다 통로는 상실(32) 및 하실(34)의 길이방향과 나란한 중심축을 기준으로 대칭을 이룬다..
용융금속이 이동부재(50)의 통로를 통해 상실(32)로부터 하실(34)로 이동함에 따라, 용융금속은 통로의 내주면을 따라 이동하는 과정에서 통로의 내주면이 가지는 접촉면적을 통해 일정 속도로 냉각을 유도할 수 있으며, 접촉면적을 조정하여 냉각속도를 조정할 수 있다.
또한, 연결구(52)로부터 출구(53)에 이르는 통로의 내주면에서, 상면의 경사는 하실(34)을 향하여 용융금속의 유입을 원활하게 하며, 용융금속의 표면장력에 의해 경사진 하면을 따라 흐르므로, 직각으로 형성된 경우에 비해 용융금속과의 접촉면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 일반적으로 하실(34)에 용융금속이 유입되면서 응고될 때, 내부 가스 등의 요인으로 인해 중심부가 패이는 현상으로 응고된다. 이때, 경사진 하면을 통해 용융금속이 더 유입될 수 있어, 중심부가 패이는 현상이 발생하더라도 분석에 부리가 없는 시료를 채취할 수 있어 샘플링 실패율을 낮출 수 있다.
특히, 경사진 하면으로 형성된 이동부재로 인해, 용융금속의 충진이 증가하면서 상부면의 응고가 종래에 비해 지연되며, 이로 인해 하실(34) 내부의 가스가 배출될 수 있는 시간을 확보할 수 있도록 함으로써 시료 내부에 가스로 인한 기포 등의 불량을 방지할 수 있다. 이동부재(50)는 용융금속의 냉각성능을 향상하기 위해 금속재질로 하는 것이 바람직하나, 세라믹 재질일 수 있다.
한편, 종래 탕구 성형을 실리카계 시멘트로 하였으나, 작업자의 숙련도 등에 따라 구경이 작아지는 경우가 있었다. 이를 해결하고 분석용 시료의 오염을 최소화하기 위하여, 앞서 설명한 탕구 케이스(400)를 알루미나 재질로 설계하여 취부하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 안정적인 용탕 유입으로 시료 충전성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 샘플러를 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 4 및 도 5는 도 3에 도시한 탈질제를 나타내는 사진이다.
고질소 스테인리스강을 생산하는 경우, 질소 용해도가 0.1wt%까지 높게 올라가 분석용 시료의 기포 결함을 유발시킨다. 따라서, 질소와 친화력이 높은 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)을 탈질제(62)로 사용하여 시료 건전성을 확보하는 것이 바람직하다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 탈질제(60)는 평판(62)과 코일(64)을 포함할 수 있다. 평판(62)은 장변의 중심을 기준으로 절곡된 직사각형 평판일 수 있으며, 코일(64)은 높이방향을 따라 감겨진 원통 형상일 수 있다. 평판(62)은 절곡된 상태로 코일(64)의 중앙에 실장되며, 이를 통해 탈질능을 충분히 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 한정된 공간에 탈질제(60)를 효과적으로 배치할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
13 : 필터 20 : 센서부
22 : 커넥터 23 : 홀더
30 : 샘플러 31 : 탕구
32 : 상실 33 : 탕도
34 : 하실 50 : 이동부재
51 : 입구 52 : 연결구
53 : 출구

Claims (14)

  1. 용융금속에 침지되어 내부에 상기 용융금속이 유입 가능한 샘플러에 있어서,
    일측에 형성되어 상기 용융금속이 유입되는 탕구 및 타측에 형성되어 상기 용융금속이 유출되는 탕도, 상기 탕구와 상기 탕도 사이에 형성되는 상실(上室)을 가지는 상실주형;
    상기 상실주형에 연결되며, 상기 탕도를 통해 유출된 상기 용융금속이 개방된 일측을 통해 채워지는 하실(下室)을 가지는 하실주형; 및
    상기 상실과 하실 사이에 설치되어, 상기 상실로부터 상기 하실에 이르는 통로를 제공하는 이동부재를 포함하되,
    상기 통로는 상기 탕도와 인접한 입구와 상기 하실과 인접한 출구, 그리고 상기 입구와 상기 출구 사이에 위치하며 최소단면적을 가지는 연결구를 가지는, 샘플러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통로의 내주면은 상기 입구로부터 상기 연결구를 향해 내측경사지고, 상기 연결구로부터 상기 출구를 향해 외측경사진, 샘플러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통로의 직경은,
    상기 입구로부터 상기 연결구를 향해 점진적으로 감소하고, 상기 연결구로부터 상기 출구를 향해 점진적으로 증가하는, 샘플러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탕도는 상기 연결구보다 크고 상기 입구 및 상기 출구보다 작은 직경을 가지는, 샘플러.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연결구는 상기 출구보다 상기 입구에 근접한, 샘플러.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이동부재는 세라믹 또는 금속 재질인, 샘플러.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통로는 상기 상실 및 상기 하실의 길이방향과 나란한 중심축을 기준으로 대칭을 이루는, 샘플러.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 샘플러는, 상기 탕구와 상기 탕도 사이에 설치되는 필터를 더 포함하는, 샘플러.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 샘플러는, 상기 하실에 삽입되고 티타늄과 알루미늄을 포함하는 탈질제를 더 포함하는, 샘플러.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탈질제는,
    원통형 코일; 및
    장변의 중심을 기준으로 절곡되어 이분된 상태로 상기 코일의 중앙에 실장되며, 이분된 부분을 양변으로 하는 삼각 형상의 단면을 형성하는 직사각형의 평판을 포함하는, 샘플러.
  11. 용융금속에 침지된 상태에서 측부에 형성된 개구를 통해 상기 용융금속을 내부로 유입 가능한 메인지관; 및
    상기 메인지관의 내부에 내장되며, 내부에 상기 용융금속이 유입 가능한 샘플러를 포함하되,
    상기 샘플러는,
    일측에 형성되어 상기 용융금속이 유입되는 탕구 및 타측에 형성되어 상기 용융금속이 유출되는 탕도, 상기 탕구와 상기 탕도 사이에 형성되는 상실(上室)을 가지는 상실주형;
    상기 상실주형에 연결되며, 상기 탕도를 통해 유출된 상기 용융금속이 개방된 일측을 통해 채워지는 하실(下室)을 가지는 하실주형; 및
    상기 탕도와 상기 하실주형의 개방된 일측 사이에 설치되어, 상기 탕도로부터 상기 하실에 이르는 통로를 제공하는 이동부재를 포함하되,
    상기 통로는 상기 탕도와 인접한 입구와 상기 하실과 인접한 출구, 그리고 상기 입구와 상기 출구 사이에 위치하며 최소단면적을 가지는 연결구를 가지는, 복합 프로브.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 통로의 직경은,
    상기 입구로부터 상기 연결구를 향해 점진적으로 감소하고, 상기 연결구로부터 상기 출구를 향해 점진적으로 증가하며,
    상기 탕도는 상기 연결구보다 크고 상기 입구 및 상기 출구보다 작은 직경을 가지는, 복합 프로브.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 연결구는 상기 출구보다 상기 입구에 근접한, 복합 프로브.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 샘플러는, 상기 하실에 삽입되고 티타늄과 알루미늄을 포함하는 탈질제를 더 포함하되,
    상기 탈질제는,
    원통형 코일; 및
    장변의 중심을 기준으로 절곡되어 이분된 상태로 상기 코일의 중앙에 실장되며, 이분된 부분을 양변으로 하는 삼각 형상의 단면을 형성하는 직사각형의 평판을 포함하는, 복합 프로브.
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