KR20210069019A - 용탕 샘플러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용탕욕(molten metal bath)으로부터, 특히 용강욕(molten steel bath)으로부터, 샘플을 취하기 위한 샘플러에 관한 것이며, 상기 샘플러는,
- 침지 단부를 갖는 캐리어 튜브;
- 상기 캐리어 튜브의 침지 단부 상에 배치되는 샘플 챔버 조립체로서, 커버 플레이트 및 하우징을 포함하는 것인 샘플 챔버 조립체
를 포함하고, 상기 하우징은,
- 유입 도관을 위한 제1 개구를 갖는 침지 단부 및 가스 커플러(gas coupler)를 위한 제2 개구를 갖는 대향 단부;
- 침지 단부와 대향 단부 사이에 연장되는 제1 면으로서, 제1 면은 침지 단부에 근접한 제1 오목부, 및 제2 오목부를 가지며, 제1 오목부는 분석 영역이고, 제2 오목부는 통기 영역이며, 분석 영역의 일부는, 제1 개구와 직접 유체 연통하며 유입 도관으로부터의 용강을 수용하도록 구성되는 분배 영역 위에 존재하는 것인 제1 면
을 포함하며,
상기 제1 오목부는, 중앙 길이방향 축선을 따라 오목하게 또는 삼각형으로 형성된 부분원 프로파일의 단면을 갖고,
상기 커버 플레이트 및 상기 하우징은 분배 영역, 분석 영역 및 통기 영역을 포함하는 샘플 캐비티를 형성하도록 함께 조립되게 구성되며, 이에 따라 샘플 캐비티 내에 형성되는 고화된 강 샘플의 분석 표면이 제1 평면에 놓이게 되고,
제1 개구 및 제2 개구는 제1 평면으로부터 떨어져 거리를 두고 있다.
본 발명은 또한 용탕욕(molten metal bath)으로부터, 특히 용강욕(molten steel bath)으로부터, 샘플을 취하기 위한 샘플러에 관한 것이며, 상기 샘플러는,
- 침지 단부를 갖는 캐리어 튜브;
- 캐리어 튜브의 침지 단부 상에 배치되며 커버 플레이트 및 하우징을 포함하는 샘플 챔버 조립체로서, 커버 플레이트는 커버 플레이트와 하우징 사이에서 실질적으로 기밀식 밀봉을 제공하도록 구성되는 밀봉 부재를 포함하며, 상기 밀봉 부재는 샘플 챔버 내의 샘플에 대해 실질적으로 오염을 유발하지 않는 재료로 이루어지는 것인 샘플 챔버 조립체
를 포함한다.

Description

용탕 샘플러{IMPROVED MOLTEN METAL SAMPLER}
본 발명은 용탕욕(molten metal bath)으로부터, 특히 용강욕(molten steel bath) 또는 용선욕(molten iron bath)으로부터, 샘플을 취하기 위한 샘플러에 관한 것이다.
금속이 용융된 상태에서 금속을 처리하는 동안, 상기 처리의 다양한 단계에서, 예컨대 샘플의 야금 구조 또는 화학적 조성의 분석 혹은 평가를 위해 용탕의 대표적인 샘플을 획득해야 할 필요가 있다. 제조 중에 그리고 추가적인 처리 중에 용탕을 분석하기 위한 다양한 방법이 당업계에 알려져 있다.
역사적으로, 고화된 금속 샘플의 조성은 흔히 아크 발광 분광 분석기, 즉 스파크-OES 장비를 이용하여 결정된다. 스파크-OES 시스템은 이 시스템의 신속한 분석 시간 및 내재된 정확성으로 인해 일반적으로 금속 샘플의 화학적 조성을 결정하기에 그리고 용탕의 처리를 제어하기에 가장 효과적인 시스템이다. 따라서, 스파크-OES 분석은 보통 용탕 생산물의 처리를 제어하기 위해 용탕 처리 중에 사용된다.
스파크-OES는 조성에 관한 지식을 얻고자 하는 타겟 샘플의 원자를 여기시키는 것, 그리고 여기 상태로부터 저에너지 상태로의 천이 중에 원자에 의해 방출되는 광자의 파장을 검사하는 것을 수반한다. 주기율표에서의 각각의 원소는, 해당 원소의 원자가 여기 상태로부터 저에너지 상태로 복귀할 때 특징적인 세트의 이산적인 파장을 방출시킨다. 이러한 파장을 탐지 및 분석함으로써, 캘리브레이션 곡선에 따라 샘플의 원소 조성을 결정할 수 있으며, 이에 따라 분광 강도 비[즉, (원소의 절대 복사 파워)/(베이스 금속의 절대 복사 파워)]와 표준 샘플에서의 원소의 농도 사이의 관계를 나타낸다.
분광은 전자기 복사, 예컨대 레이저 또는 엑스레이를 이용한 조사에 의해 생성될 수 있지만, 일반적으로 해당 원자 조성에 관한 지식을 얻고자 하는 타겟에 입사하는, 스파크 발생기에 의해 생성된 쇼트 스파크(short spark)를 통해 스파크-OES를 위해 생성된다. 이러한 경우에 있어서, 상기 타겟은 금속 샘플이다. 스파크 발생장치, 스파크 발생장치의 강도 및 스파크 발생장치의 펄스 범위는 특정한 스파크-OES 장비에 따라 변하게 된다. 스파크 에너지 입력과는 무관하게, 이러한 발광/분광분석장치의 정확도 및 신뢰도는, 샘플로부터 방출되는 복사를 수용하기 위해 사용되는 탐지기 및 광학계의 정확도 및 품질 그리고 금속 샘플 자체의 균일도에 따라 좌우되는 것으로 알려져 있다.
대략적으로 말하자면, 스파크-OES 분석 과정은 스파크-OES 장비, 즉 광학식 발광/분광분석장치의 스테이지(stage)의 사전에 정해진 영역에 아래로 향하는 해당 분석 표면이 있는 상태로 위치하는 전도성 금속 샘플을 이용하여 개시된다. 보다 구체적으로, 상기 샘플은 분광기의 분석 개구에 근접하게 분석 개구에 걸쳐 있도록 위치하게 되며, 애노드가 샘플의 분석 표면에 거의 이웃하게 된다. 일단 샘플의 원하는 위치 설정 및 애노드와 분석 표면의 근접도가 달성되면, 분광기 스테이지에 전기적으로 접속된 전도성 금속 샘플과 애노드 사이에 스파크가 방출된다. 상기 접속은, 대부분의 경우에 있어서, 작은 부하와 조합된 중력에 의해 이루어진다. 광학식 발광/분광분석장치 상의 분석 개구는 보통 폭이 약 12 mm이다. 이러한 거리는, 스파크가 애노드와 장비 하우징 사이에 작용하는 것을 방지한다. 광학 탐지기는 샘플 표면의 파인 재료로부터 방출되는 광을 받는다. 애노드와 금속 샘플 사이의 공간에 의해 부분적으로 형성되는 스파크 챔버는, 잘못된 분석값을 초래하게 되는 공기 유입을 방지하기 위해 아르곤 또는 다른 불황성 가스로 연속적으로 퍼지(purge)된다.
분광분석장치의 분석 개구 상에 평평하게 놓기 위해서, 금속 샘플은 어떠한 연장부도 가질 수 없고, 금속 샘플의 분석 표면은 평활해야만 한다. 샘플 또는 샘플 하우징의 어떠한 부분도 분석 표면의 평면을 파괴할 수 없다. 샘플은 분광분석장치의 분석 개구에 걸쳐 있어야만 하며, 스파크 챔버의 불활성 가스 퍼지를 용이하게 하기에 충분한 그리고 애노드를 향해 인접한 샘플 표면을 제공하기에 충분한 편평도로 되어 있어야만 한다.
금속의 대표적인 분석을 달성하기 위한 과정 및 절차는 Dulski, T.R.의 A Manual for the Chemical Analysis of Metals, ASTM International(1996)에 설명된 바와 같이 당업계에 잘 알려져 있다. 현재까지는, 일반적으로, 금속 샘플 및 금속 샘플의 분석을 위해 사용되는 장비는 서로 무관하며, 이에 따라 금속 샘플 및 금속 샘플의 분석을 위해 사용되는 장비는 서로 영향을 주지 않는다고 판단되었다.
분광 분석에 사용하기 위한 고체 금속의 쿠폰(coupon) 또는 디스크를 제공하는 통상적인 샘플링 디바이스가 알려져 있다. 이러한 샘플링 디바이스에 의해 획득되는 고화된 금속 쿠폰의 기하학적 형상 및 치수는 때때로 금속의 유형 또는 금속조직학적 요구에 대해 특정되어 있다. 스파크-OES 분석을 위한 침지 디바이스에 의해 획득되는 샘플의 일반적인 카테고리는, 28 내지 40 mm의 직경 또는 장축 길이 그리고 디스크 형상 혹은 난형의 형상을 갖는 샘플이다. 가장 흔하게는, 이러한 샘플은 32 mm의 직경 혹은 장축 길이 및 4 내지 12 mm의 두께를 갖는다. 일반적으로 롤리팝 샘플러(lollipop sampler)로 알려져 있는 일부 샘플러는, 사용자의 요구에 따라 둥근 형상으로부터 난형 또는 더 길쭉한 형상까지에 해당하는 다양한 형상의 샘플을 생성할 수 있지만, 대부분의 샘플은 여전히 약 32 mm의 직경 또는 장축 길이를 갖는다. 일반적으로 이중 두께 샘플러로 알려져 있는 다른 샘플러는, 동일한 샘플 내에서 2가지 두께를 조합시킨다.
스파크-OES에 의한 분석을 위해 용탕의 샘플을 획득하도록 구성된 통상의 샘플링 디바이스는, 샘플링 디바이스를 용탕욕 내로 침지시킬 때 용탕으로 충전되도록 구성되는 샘플링 챔버 또는 몰드 캐비티(mold cavity)를 포함한다. 몰드 캐비티 또는 샘플링 챔버를 나타내는 몰드는 보통 평평한 플레이트에 의해 상측 및 하측에서 덮이는 링 또는 2-부품 크램 쉘 유형의 장치이다. 일단 금속의 샘플이 고화되면, 상기 몰드는 폐기되고, 샘플이 냉각되며, 시험실로 운반되고, 분석 표면이 연마되며, 샘플이 분석을 위해 스파크-OES로 운반될 때 추가적인 냉각 단계가 이루어진다.
미국 특허 제3,646,816호는 이러한 유형의 연장 가능한 침지식 샘플러를 설명하고 있고, 여기서는 디스크형 샘플의 2개의 평평한 표면이 뒷댐판(chill-plate)에 의해 형성되어 보다 신속한 냉동을 달성하고 더욱 평활한 한 쌍의 표면을 달성하는데, 이에 따라 분석 이전의 세척을 덜 요구하게 된다. 다른 종래 기술의 특허, 예컨대 미국 특허 제4,211,117호는 유사한 개념과 관련되는 반면, 미국 특허 제4,401,389호 및 제5,415,052호는, 다른 센서와 조합된 전술한 야금 샘플의 예를 제공하는데, 상기 센서들 중 하나는 온도 측정용 센서일 수 있다.
통상적인 샘플링 디바이스에 의해 형성되는 샘플은 분광분석장치 개구에 대해 평행한 방향으로 약 32 mm의 직경을 가지며, 분광분석장치 개구에 대해 수직한 방향으로 4 내지 12 mm의 두께를 갖는다. 통상적인 두께의 고화된 샘플은 주물 표면의 0.8 내지 5 mm만큼의 표면 연마를 필요로 하고, 이에 따라 금속 편석 및 비금속 편석이 없는 분석 표면이 달성된다는 것을 확인되었다. 통상적인 샘플은, 분광분석장치 개구에 대해 평행한 방향으로 직경이 보통 적어도 28 mm이고 상기 분광분석장치 개구에 대해 수직한 방향으로 보통 12 mm 미만의 두께를 갖는 기하학적 형상을 형성하기 위한 준비 과정 이후에만, 전술한 표면 상태를 달성할 수 있다. 준비 과정 이후의 이러한 기하학적 형상은 종종, 샘플 표면을 기계적으로 연마시키는 분석 전 준비 장비에 의해 취급되며, 또한 준비 후 분석 및 제거를 거쳐 다음 샘플을 대기하기까지 샘플을 진행시키는 로봇 매니퓰레이터(robotic manipulator)에 의한 취급에 편리하다.
표면 준비의 필요성을 없애면 분석 시간이 단축되며, 금속 제조업자에게 경제적으로 유리하다. 이러한 문제에 대한 다양한 해법이 EP3336513A1, EP3336514A1, EP3336512A1, 및 EP3336511A1에 설명되어 있다. 이러한 문헌은 직접 분석(DA; direct analysis)에 관한 것이며, 샘플러는 새롭게 개발된 유형의 용탕 침지 샘플러이고, DA 샘플을 생성한다. DA 샘플은 분석 이전에 어떠한 유형의 표면 준비도 필요로 하지 않고, 이에 따라 적시의 화학적 결과의 이용 가능성뿐만 아니라 스파크-OES 분석 방법을 이용함에 따른 시험실 시간 단축 양자 모두에 있어서 경제적으로 현저한 이익을 유발시킬 수 있다. 구체적으로, 전술한 종래 기술은, 분석을 위해 제공되는 전체 샘플 섹션이 균일하게 그리고 바람직하게는 표면 산화 없이 냉각되도록 하는, 샘플 캐비티의 균일한 충전 및 용탕 샘플의 급속한 냉각을 설명하고 있다. 고화 중인 금속의 열 함량은 감소되어, 샘플링된 금속은 샘플링 챔버 몰드로부터 제거되기 이전에 실온 부근의 온도를 갖게 된다. 획득된 샘플은 종래 기술에서 설명하는 것보다 작은 체적을 가지며, 이에 따라 불필요하게 큰 샘플 체적이 용탕 샘플의 신속한 고화를 방해하지 않게 된다. 따라서, EP3336513A1, EP3336514A1, EP3336512A1, 및 EP3336511A1에 설명된 샘플은, 표면 준비 없이 스파크-OES에 의해 분석될 수 있으며, 이에 따라 잠재적인 경제적 이익을 얻게 된다.
그러나, 전술한 종래 기술의 DA 샘플러를 이용하여 획득되는 DA 샘플은, 샘플의 높은 온도, 샘플 챔버에서의 샘플의 불량한 고정, 원치않는 원소에 의한 DA 샘플의 오염, 및/또는 제어되지 못한 부분 충전 또는 조기 충전과 같은 단점을 여전히 갖고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 DA 샘플러의 특성 그리고 이에 따라 획득되는 DA 샘플의 특성을 개선하기 위한 해법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 개선된 샘플 챔버를 제공하는 것이며, 샘플을 오염시키지 않으면서도 또한 최소 외측 치수를 갖는 샘플 챔버의 형성을 가능하게 하는, 샘플 챔버 밀봉용 밀봉 부재를 제공하는 것이다.
본 발명은 용탕욕(molten metal bath)으로부터, 특히 용강욕(molten steel bath)으로부터, 샘플을 취하기 위한 샘플러를 제공하며, 상기 샘플러는,
- 침지 단부를 갖는 캐리어 튜브;
- 상기 캐리어 튜브의 침지 단부 상에 배치되는 샘플 챔버 조립체로서, 커버 플레이트(cover plate) 및 하우징을 포함하는 것인 샘플 챔버 조립체
를 포함하고, 상기 하우징은,
- 유입 도관을 위한 제1 개구를 갖는 침지 단부 및 가스 커플러(gas coupler)를 위한 제2 개구를 갖는 대향 단부;
- 침지 단부와 대향 단부 사이에 연장되는 제1 면으로서, 제1 면은 침지 단부에 근접한 제1 오목부, 및 제2 오목부를 가지며, 제1 오목부는 분석 영역이고, 제2 오목부는 통기 영역이며, 분석 영역의 일부는, 제1 개구와 직접 유체 연통하며 유입 도관으로부터의 용강을 수용하도록 구성되는 분배 영역 위에 존재하는 것인 제1 면
을 포함하며,
- 상기 제1 오목부는, 중앙 길이방향 축선을 따라 오목하게 또는 삼각형으로 형성된 부분원 프로파일의 단면을 갖고,
- 상기 커버 플레이트 및 상기 하우징은 분배 영역, 분석 영역 및 통기 영역을 포함하는 샘플 캐비티(sample cavity)를 형성하도록 함께 조립되게 구성되며, 이에 따라 샘플 캐비티 내에 형성되는 고화된 강 샘플의 분석 표면이 제1 평면에 놓이게 되고,
- 제1 개구 및 제2 개구는 제1 평면으로부터 떨어져 거리를 두고 있다.
유리하게는, 내향으로 움푹하게 파이게 성형된 만입부로 인해, 샘플의 온도는 최소화될 수 있는 반면, 샘플의 두께는 증가하게 될 수 있다. 구체적으로, 샘플의 질량은 부분원 또는 삼각형 형상의 단면의 샘플을 형성함으로써 감소된다. 이는, 스파크 발생 중에 가열의 영향을 증가시키지 않으면서, 샘플링되는 질량을 최대 50%까지 감소시킬 수 있도록 한다. 출원인은, 분광분석장치에 제공될 때의 샘플의 온도 및 샘플의 열 소산 능력이 분석 정확도를 위해 중요하다는 결론에 도달하였다. 샘플은 분광분석장치의 하우징 내에서 분광분석장치에 제공되지만, 출원인은 스파크 위치에서의 기본적인 샘플 두께가 분석의 정확도에 영향을 준다는 결론에 도달하였다. 하우징의 질량은 전체 분석 시구간에 걸쳐 샘플 온도를 동일하게 하는 데 도움이 되며, 결과를 검증하기 위해 적어도 2회의 스파크 분석 결과가 비교된다. 또한, 샘플의 길이는 최소화될 수 있으며, 샘플은 제1 오목부에서 양호한 고정을 나타낸다.
일 실시예에 있어서, 제2 오목부는 오목하게 또는 삼각형으로 형성된 부분원 프로파일의 단면을 가지며, 및/또는 제2 오목부의 깊이는 제1 오목부를 향해 지속적으로 증가한다. 스파크는 샘플의 최대 깊이 축선 상에 집속되도록 의도된다. 10 mm의 샘플 폭을 이용한 분석을 위해 4 mm의 최대 깊이가 사용될 수 있다고 판단된다. 샘플 폭이 증가하면, 이에 따라 샘플의 최대 깊이의 감소가 유발될 수 있다. 이는 샘플 하우징의 국지적인 냉각 용량 저하에 의해 설명될 수 있다. 오목하게 또는 삼각형으로 형성된 샘플 및 통기 영역은 또한, 샘플 캐비티 몰드와 커버 사이의 작은 간격에 형성되는 플래시(flash)의 형성을 감소시킨다. 특히, 통기 영역에 형성된 플래시는 샘플에서의 크랙(crack)을 유발시킬 수 있으며, 샘플의 느슨한 부분을 형성할 수 있고, 이 느슨한 부분은 분광기 분석 챔버 내에 떨어져 전기적 단선을 유발할 수도 있다.
또 하나의 실시예에 있어서, 제1 오목부는 실질적으로 균일한 깊이를 갖거나, 또는 제2 오목부를 향해 또는 침지 단부를 향해 깊이가 커질 수도 있다.
또한, 또 하나의 실시예에 있어서, 샘플 캐비티와 제1 개구 및 제2 개구는 공통의 길이방향 축선을 따라 정렬된다.
또 다른 하나의 실시예에 있어서, 분석 영역, 분배 영역, 및 통기 영역은 복수 개의 인접한 세그먼트로서 구성되며, 각각의 세그먼트는 길이 대 깊이의 비를 갖고, 복수 개의 세그먼트의 길이 대 깊이의 비의 합은 25보다 크다.
일 실시예에 있어서, 분배 영역, 분석 영역, 및 통기 영역은 복수 개의 인접한 세그먼트로서 구성되며, 각각의 세그먼트는 길이 대 깊이의 비를 갖고, 세그먼트들의 길이 대 깊이의 비는 제1 개구로부터의 거리의 증가에 따라 연속적으로 증가한다.
또 다른 하나의 실시예에서는, 분배 영역의 단부로부터 제2 개구를 향해 연장되는 용강의 유동 방향에 있어서 분석 영역의 적어도 일부의 폭 치수가 증가하지 않는다.
일 실시예에 있어서, 분석 영역과 통기 영역의 총 길이는 20 내지 50 mm, 바람직하게는 30 mm이다.
또 하나의 실시예에 있어서, 분석 영역의 단면적은 용강의 유동 방향으로 점차적으로 테이퍼지며, 및/또는 통기 영역의 단면적은 용강의 유동 방향으로 점차적으로 테이퍼진다.
일 실시예에 있어서, 샘플러는, 캐리어 튜브 상에 지지되는 측정 헤드로서, 샘플러 챔버의 적어도 일부를 수용하도록 되어 있는 측정 헤드를 포함한다.
본 발명은 또한 용탕욕(molten metal bath)으로부터, 특히 용강욕(molten steel bath)으로부터, 샘플을 취하기 위한 샘플러를 제공하며, 상기 샘플러는,
침지 단부를 갖는 캐리어 튜브;
상기 캐리어 튜브의 침지 단부 상에 배치되며 커버 플레이트 및 하우징을 포함하는 샘플 챔버 조립체로서, 커버 플레이트는 커버 플레이트와 하우징 사이에 실질적으로 기밀식 밀봉을 제공하도록 구성되는 밀봉 부재를 포함하며, 상기 밀봉 부재는 샘플 챔버 내의 샘플에 대해 실질적으로 오염을 유발하지 않는 재료로 이루어지는 것인 샘플 챔버 조립체
를 포함한다.
여기서, 용어 “샘플러”는 앞서 설명된 바와 같은 직접 분석 샘플러(Direct Analysis sampler)를 가리키기 위해 사용될 수 있다. 용어 “실질적으로 기밀식”은, 시일 또는 조인트가 완전히 기밀될 수 있거나 또는 현저한 정도로 기밀될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, “실질적으로 오염을 유발하지 않는”이란, “오염을 유발하지 않는 재료”에 의해서는, 이 재료로부터의 원치 않는 원소가 샘플 내로 분리(segregation)되지 않거나 또는 분석 표면 상에 퇴적되지 않게 된다는 것을 의미하며, 즉 원치 않는 요소가 전혀 유발되지 않거나 또는 현저한 수준으로 분리가 방지되고, 이때에는 단지 미미한 수준의 원치 않는 요소만이 탐지될 수 있다.
유리하게는, 밀봉 부재는 먼지가 커버 플레이트 또는 하우징에 들러붙는 것을 방지하는데, 먼지는 분광기의 표면을 오염시키며 진행중인 분석 그리고 심지어는 향후의 분석에 영향을 주는 것이다.
일 실시예에 있어서, 밀봉 부재, 바람직하게는 개스킷은 0.05 mm 내지 0.2 mm의 두께, 바람직하게는 0.12 mm의 두께를 갖는다. 추가적인 실시예에서는 다른 두께가 사용될 수도 있지만, 위 언급한 범위로부터 크게 벗어나는 두께는 실제로 실시를 복잡하게 만들게 된다. 또한, 밀봉 부재는, 예컨대 0-링으로서 구현될 수 있다.
또 하나의 실시예에 있어서, 상기 오염을 유발하지 않는 재료는 비-함침형 종이 재료(non-impregnated paper material)이다.
일 실시예에 있어서, 상기 오염을 유발하지 않는 재료는 합성 엘라스토머 또는 천연 엘라스토머를 포함하는 예비 성형품이며, 여기서 예비 성형품 재료는 적어도 섭씨 100도, 바람직하게는 섭씨 120 도 초과의 온도로 조기 경화된다.
또 하나의 실시예에 있어서, 밀봉 부재는, 커버 플레이트에 둘러지게, 특히 적어도 3 mm의 길이에 걸쳐 밀봉 부재의 적어도 하나의 섹션을 구부림으로써 커버 플레이트에 부착된다.
일 실시예에 있어서, 밀봉 부재는, 샘플 챔버 내의 샘플에 대해 실질적으로 오염을 유발하지 않는 저점착성 감압 접착 재료에 의해 커버 플레이트에 부착된다. 상기 접착 재료는 표면의 일부에 걸쳐 적용될 수도 있으며, 바람직하게는 샘플러의 커버 부분에 또는 커버 플레이트를 향하는 밀봉 부재 측에 적용된다. 상기 접착 재료는 밀봉 부재의 에지(절단 측)으로부터 멀리에 적용되는 것이 바람직하다. 샘플러 본체와 커버 플레이트 사이의 공간에 접착제가 적용되는 경우에 있어서, 최선의 양태는 유입 도관으로부터 가능한 멀리에 접착제를 적용하는 것이다. 밀봉 부재의 굽힘 및/또는 접착제의 사용에 관한 목표는, 밀봉 부재가 샘플 챔버 조립체의 개방 중에 커버 플레이트와 함께 제거되는 것을 보장하는 것이고, 이는 밀봉 부재가 샘플러의 본체 부분에 연결된 상태로 유지되어 스파크-OES 장비 상에서의 분석을 방해하는 것을 방지한다.
일 실시예에 있어서, 샘플러는, 캐리어 튜브 상에 지지되는 측정 헤드로서, 샘플 챔버의 적어도 일부를 수용하도록 되어 있는 측정 헤드를 포함한다.
이하의 개략적인 도면은, 일부 예시적인 실시예와 함께 본 발명의 이해를 높이기 위한 본 발명의 양태를 도시하고 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 샘플러의 개략도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 샘플 챔버 조립체의 개략도를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 커버 플레이트 및 밀봉 부재의 개략적인 상부도를 도시한 것이다.
도 3c 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 커버 플레이트 및 밀봉 부재의 개략적인 측면도를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 샘플 챔버 조립체의 하우징의 개략도를 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 샘플 챔버 조립체의 하우징의 개략도를 도시한 것이다.
도 1은 용탕욕으로부터 샘플을 취하기 위한 샘플러(1)를 도시한 것이다. 샘플러(1)는 용강에서의 침지 및 용강의 샘플링에 적합하다. 도시된 샘플러(1)는, 수지 접합식 은사(silica sand)로 제조될 수 있는 측정 헤드(3)를 포함한다. 측정 헤드(3)는 페이퍼 캐리어 튜브(paper carrier tube)일 수 있는 캐리어 튜브(5) 상에 지지된다. 사용 시에, 프로브 홀더(probe holder) 또는 랜스(lance)(도시되어 있지 않음)가 바람직하게는 캐리어 튜브(5)의 내부 체적 내로 삽입되어, 침지 방향(I)으로 용탕욕(도시되어 있지 않음)의 표면 아래로 측정 헤드(3)가 잠기게 하는 데 필요한 기계적 작용을 제공한다.
측정 헤드(3)는, 용탕의 샘플의 수집 및 회수를 위한 샘플 챔버 조립체(7)를 포함한다. 도시된 바와 같은 샘플 챔버 조립체(7)는, 도 2에 보다 상세하게 도시된 바와 같이 하우징(9) 및 커버 플레이트(11)로 이루어지는 2-부품 샘플 챔버이다. 하우징(9)은 바람직하게는, 예컨대 회수되는 금속 샘플에 전기적으로 커플링되게 하기 위한 유사한 열 및 전기 전도도 특성을 갖춘 알루미늄, 구리, 및 다른 금속을 포함하면서도 이로써 한정되지 않는 것인 양호한 열 및 전기 전도체인 하나 이상의 재료로 형성된다. 샘플 챔버 조립체(7)의 하우징(9) 및 커버 플레이트(11)는 도 2에 더욱 양호하게 도시된 바와 같이 클램프(13)에 의해 함께 유지될 수 있으며, 이때 압축력은, 샘플 챔버 조립체(7) 내로 유동하여 샘플 챔버 조립체를 충전시키는 용탕의 힘에 의해 그리고 샘플의 충전 이전의 퍼지 단계(purge phase) 동안의 힘에 의해 샘플 챔버 조립체(7)의 2가지 부품(9, 11)이 분리되게 하려는 경향에 저항하기에 충분하다. 클램프(13)는 금속 클램프일 수 있다.
도 1은 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 갖춘 측정 헤드(3)를 또한 도시하고 있다. 측정 헤드(3)의 제1 단부는 측정 헤드(3)의 침지 단부(15)에 해당한다. 측정 헤드(3)의 제2 단부는 랜스 또는 프로브 홀더를 향하도록 구성된다. 또한, 샘플 챔버 조립체(7)는 제1 단부 및 대향하는 제2 단부를 갖는다. 샘플 챔버 조립체(7)의 제1 단부는 샘플 챔버 조립체(7)의 침지 단부(17)에 해당한다. 당업자라면, 문구 “침지 단부”가 용탕 내에 먼저 침지되는, 본체의 단부를 의미한다는 것을 이해할 것이다. 샘플 챔버 조립체의 제1 단부(17)는 유입 도관(19)에 부착되는데, 여기서 유입 도관은 하우징(9) 내의 개구에 수용되어 있다. 유입 도관(19)은, 용탕욕으로부터 샘플 챔버 조립체(7) 내로의 용탕의 유동을 가능하게 한다. 따라서, 용탕은 샘플 캐비티의 길이방향 축선(X)에 대해 평행하게, 침지 방향(I)에 반대되는 방향으로 샘플 챔버 조립체(7) 내로 도입된다. 유입 도관(7)은 석영 재료, 바람직하게는 용융 석영 재료로 제조될 수 있다.
앞서 설명되고 도면에 도시된 바와 같은 샘플 챔버 조립체(7)는 충전 이전에 사전 가압될 필요가 있다. 이러한 압력 상승은, 요구되는 깊이로 유닛을 보낸 이후에 정해진 충전 모멘트를 획득하기 위해 필요하다. 샘플 챔버 조립체(7)의 충전을 개시하기 이전에 이러한 위치에서 대기 시간 동안 샘플러를 유지시키면, 액체 욕(liquid bath)이 균일하게 되도록 할 수 있다. 이는, 샘플링 유닛의 보호 캡(18) 및 입구 캡(16)이 연소 및/또는 용융되게 할 수 있도록 하기 위해 그리고 보호 캡(16) 및 입구 캡(18)으로부터 나오는 금속 성분이 용융물 내에 분산될 수 있도록 하기 위해 필요하다.
샘플 챔버 조립체(7)에서의 압력 상승을 발생시키기 위해, 샘플 챔버 조립체(7)는 밀봉될 필요가 있다. 최대 누출은 불활성 가스의 인가된 유동에 기초하여 결정될 수 있다. 가스의 최소 유동을 허용하는 것이 유리한 것으로 판단된다. 상기 불활성 가스에 의해, 보관 중에 샘플 챔버 조립체(7)에 들어온 공기/산소가 제거된다. 샘플 챔버 조립체(7)가 샘플 챔버 조립체(7)의 형성 부품들 사이에서 누출을 나타내는 경우에는, 제어되지 않은 충전, 부분적 충전, 또는 조기 충전의 위험이 존재한다. 이러한 모든 실패의 경우에, 샘플을 분석할 수 없거나 또는 편향된 분석 결과가 도출될 수 있다. 샘플 챔버 조립체(7)는 누출 수준(ferrostatic pressure level)을 초과하는 수준으로 사전 가압되어야 할 필요가 있다.
따라서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 밀봉 부재(21)는 샘플 챔버 조립체 내의 샘플에 대해 실질적으로 오염을 유발하지 않는 재료로 이루어지며, 예컨대 적어도 섭씨 100 도의 온도로, 바람직하게는 섭씨 120 도 초과의 온도로 조기 경화되는 합성 엘라스토머 또는 천연 엘라스토머를 포함하는 예비 성형품 혹은 비-함침형 종이 재료로 이루어진다. 전술한 조기 경화 온도는 전체 공정 중에 샘플 챔버 조립체의 최대 온도와 관련되는 것을 이해할 것이다. 샘플 챔버 조립체의 온도가 낮을수록, 조기 경화 온도도 낮아지게 된다. 샘플 챔버 조립체의 온도가 높을수록, 요구되는 경화 온도도 높아지게 된다. 전술한 재료는 용탕욕 내에서 센서의 가열 중에 형성되는 타르와 같은 먼지를 흡수하는 능력을 갖는다.
조립체의 실제 목적을 위해, 커버 플레이트(11)는 하우징(9)와 대략적으로 동일한 폭 및 길이를 가질 수 있다. 커버 플레이트(11)는 바람직하게는 1 mm 내지 5 mm의 두께를 갖는다. 커버 플레이트(11)의 제1 면은 하우징(9)을 향하도록 구성된다. 밀봉 부재(21)는 커버 플레이트(11)의 일 면 상에 마련되어, 샘플 챔버 조립체의 조립 후 구성에 있어서 하우징(9)과 커버 플레이트(11) 사이에 위치하게 된다.
도시된 실시예에 있어서, 밀봉 부재(21)는 샘플 챔버 조립체의 조립 후 구성에 있어서 릿지(ridge)를 에워싸거나 둘러싸는 치수를 갖는 개스킷이다. 밀봉 부재(21)는 샘플 챔버 조립체 내의 샘플에 대해 실질적으로 오염을 유발하지 않는 재료인 저점착성 감압 접착 재료에 의해 커버 플레이트(11)에 부착될 수도 있고, 대안으로 커버 플레이트(11)에 둘러지게, 특히 적어도 3 mm의 길이에 걸쳐 밀봉 부재의 적어도 하나의 섹션을 구부림으로써 커버 플레이트에 부착될 수도 있다.
도 3c는 밀봉 부재(21)가 느슨한 방식으로 배치된 상태에서의 커버 플레이트(11)의 측면도를 도시한 것이다.
도 3d는 밀봉 부재(21)가 접착제(22)와 함께 배치된 상태에서의 커버 플레이트(11)의 측면도를 도시한 것이다.
도 3e는 밀봉 부재(21)가 커버 플레이트(11)의 외측면 상에 절첩된 상태에서의 커버 플레이트(11)의 측면도를 도시한 것이다.
도 3f는 밀봉 부재(21)가 커버 플레이트(11)의 외측면 상에 절첩되고 접착제(22)로 커버 플레이트(11)의 외측면 상에 고정된 상태에서의 커버 플레이트(11)의 측면도를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 샘플 챔버(25’)의 하우징(7’)의 개략도를 도시한 것이며, 도 4b는 도 4a에 도시된 하우징(7’)을 통한 절개부를 도시한 것이다. 도면에 도시된 제1 면(23’)은 분석면이며, 이는 상기 분석면이 하우징(7’)의 기하학적 면으로서, 샘플이 분석면에 수집되고 이에 따라 분석면은 샘플이 분석 중 광학 발광 분광 단계에서 하방으로 향하게 위치하도록 구성되는 것이라는 것을 의미한다.
알 수 있는 바와 같이, 제1 면(23’)은 각각 하우징(7’)의 침지 단부(17’) 및 대향 단부 사이에 그리고 샘플 챔버(25’)의 침지 단부와 대향 단부 사이에 연장된다. 샘플 챔버(25’)의 침지 단부(17’)에 대향하는 제2 단부에는, 바람직하게는 전체적으로 하우징(7’) 내에 수용되는 가스 포트가 마련된다.
도 4a 및 도 4b는 또한, 제1 면(23’)이 움푹하게 파여 용탕의 수집 및 통기를 위한 샘플 챔버(25’)의 다양한 영역 또는 구역을 형성하는 것을 도시한 것이다. 따라서, 제1 면(23’)은, 다음과 같이, 집단적으로 샘플 챔버(25’)의 샘플 캐비티를 형성하는 다양한 오목부를 포함한다. 제1 오목부(27’)는 분석 영역이 되고 제2 오목부(29’)는 통기 영역이 된다. 분석 영역의 일부는, 침지 단부(17’)에서의 개구와 직접 유동 연통되고 유입 도관으로부터 용강을 수용하도록 구성되는 분배 영역 위에 존재하게 된다.
제1 오목부(27’)는, 가늘고 길게 오목형으로 형성되고 하우징(7’)의 제1 면(23’)에 형성되는 만입부 혹은 오목부에 의해 형성된다.
오목하게 형성된 만입부로 인해, 샘플의 온도는 최소화될 수 있는 반면, 샘플의 두께는 증가하게 될 수 있다. 구체적으로, 샘플의 질량은 부분원으로 형성된 샘플을 형성함으로써 감소된다. 이는, 스파크 발생 중에 가열의 영향을 증가시키지 않으면서, 샘플링되는 질량을 최대 50%까지 감소시킬 수 있도록 한다. 또한, 샘플의 길이는 최소화될 수 있으며, 샘플은 제1 오목부(27’)에서 양호한 고정을 나타낸다. 이에 따라 샘플의 낮은 온도는 밀봉부의 온도 요건을 완화시킨다. 샘플의 최대 온도는 밀봉부로부터 떨어져 나온 성분과 관련한 최대 위험을 발생시키는데, 상기 성분은 분석 결과에 영향을 줄 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는, 제2 오목부(29’)가 역시 오목하게 형성되는 프로파일의 단면을 갖는다는 것을 나타낸 것이다. 추가적인 실시예에 있어서, 제2 오목부(29’)의 깊이는 또한 제1 오목부(27’)를 향해 지속적으로 증가한다.
도 5a는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 샘플 챔버(25”)의 하우징(7”)의 개략도를 도시한 것이며, 도 5b는 도 5a에 도시된 하우징(7”)을 통한 절개부를 도시한 것이다.
도시된 하우징(7”)은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같은 하우징에 실질적으로 대응하지만, 제1 오목부(27”)가 가늘고 긴 삼각형 형상의 만입부에 의해 형성되고 제2 오목부(29”)가 또한 가늘고 긴 삼각형 형상의 만입부에 의해 형성된다는 점에서 도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예와 구별된다.
그러나, 당업자는, 마찬가지 결과를 얻기 위해 다각형 형상과 같은 다른 형상이 대신 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
청구범위, 상세한 설명, 및 도면에 개시된 특징들은, 개별적으로 또는 서로의 임의의 조합으로, 청구된 발명의 다양한 실시예에서 필수적일 수 있다.
1 : 샘플러
3 : 측정 헤드
5 : 캐리어 튜브
7, 7’, 7” : 샘플러 챔버 조립체
9 : 하우징
11 : 커버 플레이트
13 : 클램프
15 : 측정 헤드의 침지 단부
16 : 입구 캡
17 : 샘플러 챔버의 침지 단부
18 : 보호 캡
19 : 유입 도관
21 : 밀봉 부재
22 : 접착제
23’, 23” : 제1 면
25’, 25” : 샘플러 챔버
27’, 27” : 제1 오목부(depression)
29’, 29” : 제2 오목부(depression)
I : 침지 방향
X : 길이방향 축선

Claims (6)

  1. 용탕욕(molten metal bath)으로부터, 특히 용선(molten iron)으로부터, 샘플을 취하기 위한 샘플러로서, 상기 샘플러는,
    - 침지 단부를 갖는 캐리어 튜브;
    - 상기 캐리어 튜브의 침지 단부 상에 배치되며 커버 플레이트 및 하우징을 포함하는 샘플 챔버 조립체로서, 상기 커버 플레이트는 커버 플레이트와 하우징 사이에서 실질적으로 기밀식 밀봉을 제공하도록 구성되는 밀봉 부재를 포함하며, 상기 밀봉 부재는 샘플 챔버 내의 샘플에 대해 실질적으로 오염을 유발하지 않는 재료로 이루어지는 것인 샘플 챔버 조립체
    를 포함하는 것인 샘플러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 부재, 바람직하게는 개스킷은 0.05 mm 내지 0.2 mm의 두께, 바람직하게는 0.12 mm의 두께를 갖는 것인 샘플러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 오염을 유발하지 않는 재료는 비-함침형 종이 재료(non-impregnated paper material)인 것인 샘플러.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 오염을 유발하지 않는 재료는 합성 엘라스토머 또는 천연 엘라스토머를 포함하는 예비 성형품이며, 예비 성형품 재료는 적어도 섭씨 100도, 바람직하게는 섭씨 120 도 초과의 온도로 조기 경화되는 것인 샘플러.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는, 커버 플레이트에 둘러지게, 특히 적어도 3 mm의 길이에 걸쳐 밀봉 부재의 적어도 하나의 섹션을 구부림으로써 커버 플레이트에 부착되는 것인 샘플러.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 밀봉 부재는, 샘플 챔버 내의 샘플에 대해 실질적으로 오염을 유발하지 않는 저점착성 감압 접착 재료에 의해 커버 플레이트에 부착되는 것인 샘플러.
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