KR20240045249A - 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브 - Google Patents
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Abstract
내화성 랜스 어셈블리 및 복합체 내화성 랜스의 다양한 구현예가 기술된다. 일 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리가 제공되며, 이는: 용융물 내에 침지될 수 있는 침지 팁을 갖는 침지 튜브, 및 이의 대향 단부에 커플링되어 그 내부에 광학 경로를 정의하는 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 형성하는 연장 튜브를 포함하되, 상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는, 사용 시, 침지된 용융 표면을 형성하고 탐침하도록 불활성 가스로 주입될 수 있다. 상기 어셈블리는 상기 복합체 튜브를 길이방향으로 케이싱하고 상기 복합체 튜브 및 상기 침지된 용융 표면의 유체 오염을 감소시키도록 불활성 가스로 주입될 수 있는 쉬라우드를 추가로 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2021년 8월 5일자로 출원된, "내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브(REFRACTORY LANCE ASSEMBLY AND REFRACTORY LANCE TUBE)"로 명명된 미국 특허 가출원 제63/229,749호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 개시 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
기술 분야
본 발명은 화학야금 공정 및 모니터링, 그리고 특히, 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브에 관한 것이다.
다양한 화학야금 공정에서, 용융 물질의 화학 조성을 적시에 측정하는 것은 효율적인 공정 제어를 달성하는 데 있어서 필수적이다. 일반적으로, 조업 파라미터 조정을 알리고, 결과적으로 원하는 조성 또는 특성의 제품을 얻는 데 있어서, 특정 구성요소의 정량적 측정이 요구된다. 그러나 고온을 포함하는, 화학야금 공정에 포함되는 가혹한 조건은 용융 물질의 직접적인 조성 측정을 어렵게 만든다. 이는 특히 1500℃ 이상의 용융 물질 유동이 일반적인 철강 산업에 해당된다.
고융점을 갖는 용융 물질의 조성 측정을 위해 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 가장 간단한 방법은 용융된 물질의 조에서 샘플을 채취하여 이를 냉각 또는 급냉시키고, 분석을 위해 이를 힘들게 가공한 다음, 마지막으로 오프라인 실험실 장비를 사용하여 조성을 분석하는 것이다. 이 방법의 한 가지 단점은 샘플 채취와 조성 측정 사이에 불가피하게 발생하는 시간 지연(몇 분 내지 몇 시간)이다. 또한 해당 방법의 오프라인 특성으로 인해, 용융 물질의 실시간 및/또는 연속적인 조성 측정이 불가능하므로, 작업자는 특정 응용 분야에 따라, 측정을 위해 개별적인 시점을 선택해야 한다.
고융점의 용융 물질에 대한 보다 연속적인 조성 측정치를 얻기 위해 다양한 간접 감지 수단이 사용될 수 있다. 간접 감지는 용융 물질 온도, 산소 활성 또는 오프-가스 조성과 같은, 직접 조성 측정에 비해 취득이 덜 복잡한 특성을 측정하고, 알려진 물질 관계를 활용하여 간접적으로 측정된 해당 특성을 용융 물질의 조성과 다시 연관시키는 것을 포함한다. 간접 방법은 정확도 측면에서 한계를 갖는다. 예를 들어, 온도 측정과 같은 특정 간접 방법은 온도의 영향을 크게 받는 일부 원소 또는 화합물의 측정에만 관련이 있다, 또한 특정 가정(예를 들어, 열역학적 평형의 가정)에 대한 의존은 계산된 조성의 오류(예를 들어, 동역학 효과가 무시됨)로 이어질 수 있다.
따라서 용융 물질의 직접적인, 실시간 및 연속적인 조성 측정치를 제공하기 위해 레이저 유도 분해 분광법(laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)을 사용할 수 있다. 일반적인 구성에서, LIBS는 원격 위치에서 용융 물질의 목표 지점을 향해 짧은 고에너지 레이저 펄스를 반복적으로 방출하여 물질을 제거하거나 기화시켜 플라즈마를 형성하는 단계를 포함한다. 플라즈마는 분광계를 통해 분석되는 전자기 방사선을 방출하며, 다른 분광 기술과 마찬가지로, 이러한 분석은 플라즈마의 스펙트럼 시그니처 분석을 통한 원소 조성 및/또는 농도와 상관 관계를 갖는다. 용융 물질의 조성 측정을 수행하기 위해 기존 LIBS를 사용하는 시스템의 한 가지 단점은 용융 표면이 벌크 용융물과 야금학적으로 상이한 경우가 많으며, 이에 따라 벌크 용융물에 대한 적절한 대표 측정을 제공하지 못할 수 있다는 것이다. 이는 용융물의 표면 물질과 대기 사이에서 발생하는 반응(예를 들어, 산화), 또는 용융물 표면에 떠 있는 잔류 슬래그, 피드 및 다른 불순물과 같은 다양한 이유에 기인할 수 있다.
이에 대처하기 위해, 일부 LIBS 접근법은 대체적으로 불활성 가스로 채워진 랜스를 용융물 내로 삽입하고, 랜스를 통해 레이저 펄스를 유도하는 단계를 포함한다. 용융물 내에 랜스를 삽입할 때, 대체적으로 랜스에는 측정 지점에서 용융된 물질의 정수압 균형을 맞추는 동시에 용융 표면을 상대적으로 정적으로 유지하기에 충분한 압력이 존재한다. 상대적으로 정적인 표면에 대한 조성 측정은 LIBS 측정을 단순화하지만 다른 야금학적 문제를 야기한다. 주로, 용융 물질(특히 금속)은 일반적으로 이질적이며, 다양한 프릴, 개재물 등으로 구성된다. 따라서, 정체된 표면의 측정은, 재차적으로, 특히 용융 조가 정체된 경우, 벌크 용융물을 대표하지 못할 수 있다.
이를 위해, 2005년 6월 21일로 출원된 Lucas 등의 미국 특허 제6,909,505호는, 랜스의 팁을 (슬래그 아래의) 용융 물질 내에 삽입하는 단계, 랜스의 팁에서 용융 물질 내로 버블이 형성되도록 랜스를 통해 가스를 유동시키는 단계, 및 이에 이어서 LIBS로 버블의 내부 표면 상의 조성을 측정하는 단계로 이루어지는 "버블링 접근법(bubbling approach)"을 기술한다. 이와 같이, 버블링 접근법은 용융 물질의 실시간, 인라인 조성 측정치를 얻을 수 있는 방법을 제공한다. 버블링 접근법은 검출기에서 수신되는 플라즈마 방출 광의 변동을 유발하는 버블의 무작위 변동과 같은 자체적인 문제를 야기하지만, 측정 표면이 벌크 용융물의 새로운 물질로 지속적으로 리프레시되기 때문에 야금학적 관점에서는 우수한 것으로 간주된다. 이러한 버블링 접근법은 일반적으로 최대 1000℃의 융점을 갖는 용융 알루미늄, 아연, 납 및 다른 저융점 금속에 효과적이다.
버블링 접근법에 사용되는 것과 같은 실시간 연속 LIBS 조성 측정을 위한 기존 랜스는, 낮은 기계적 강도, 용융물 내로의 삽입 동안의 열 충격, 용융 물질 및/또는 슬래그에 의한 부식, 및 용융 조건에서의 화학적 반응을 포함하는, 고온에서의 심각한 문제점을 겪는다. 예를 들어, 이러한 랜스는 일반적으로 내부식성 및 열충격 저항성을 나타내는 알루미나와 같은 다공성 세라믹으로 제조된다. 그러나 다공성 세라믹의 기공 크기는 6 nm 내지 500 μm 범위 내에서 상이할 수 있기 때문에, 이러한 랜스는 일반적으로 투과될 수 있으며, 특히 민감한 LIBS 측정을 수행해야 하는 경우 문제가 될 수 있다. 다른 공지된 랜스는 융합 실리카 또는 SiAlON II로 제조되며, 이들 둘 모두는 고온에서 부식 및 열충격에 충분히 강하지 않다. 또 다른 공지된 랜스는 고온을 견디기 위해 추가의 냉각 메커니즘을 요구하며, 이는 안전 위험을 초래하기 때문에 바람직하지 않다.
이러한 배경 정보는 본 출원인이 본 발명과 관련성이 있다고 생각하는 정보를 공유하기 위하여 제공된다. 전술한 정보가 반드시 선행 기술을 구성하거나 관련 기술의 일반적이고 통상적인 상식의 일부를 형성한다고 인정할 의도는 없으며, 그러한 방식으로 해석되어서도 안 된다.
다음의 내용은 본원에 기술된 대체적인 발명 개념(들)의 단순화된 요약을 제시하여, 본 개시의 일부 양태의 기본적인 이해를 제공한다. 이러한 요약은 본 개시에 대한 포괄적인 개요가 아니다. 본 발명의 내용은 본 개시물의 구현예의 핵심적이거나 중요한 요소들을 제한하거나, 이하의 설명 및 청구범위에 의해 명시적 또는 묵시적으로 설명되는 범위를 넘어 해당 범위를 설명하고자 하지 않는다.
내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브에 대한 필요성이 존재하며, 본 개시는 공지된 기술의 단점 중 일부를 극복하거나 적어도 이에 대한 유용한 대안을 제공한다. 본 개시의 일부 양태는, 내화성 랜스 어셈블리, 및 이에 따른 내화성 랜스 튜브의 예시를 제공한다.
일 양태에 따르면, 용융물을 광학적으로 탐침하기 위해 광학적 감지 시스템과 함께 이용되는 내화성 랜스 어셈블리가 제공된다. 내화성 랜스 어셈블리는 용융물 내에 침지될 수 있는 침지 팁을 갖는 침지 튜브, 및 이의 대향 단부에 커플링되어 광학적 감지 시스템과의 광학적 정렬을 위해 그 내부에 광학 경로를 정의하는 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 형성하는 연장 튜브를 포함한다. 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는, 사용 시, 불활성 가스로 주입될 수 있으며, 침지 팁을 통해 용융물 내에 침지된 용융 표면을 형성하고, 상기 광학 경로를 통해 상기 불활성 가스에 노출된 상기 침지된 용융 표면을 광학적으로 탐침한다. 내화성 랜스 어셈블리는 또한 그 사이에 케이싱 체적을 정의하도록 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 길이방향으로 케이싱하는 쉬라우드(shroud)를 포함한다. 침지 튜브의 대향 단부와 연장 튜브의 커플링부는 케이싱 체적 내에서 케이싱되는 한편, 침지 팁은 용융물 내의 침지를 위해 이로부터 길이방향으로 연장된다. 케이싱 체적은 커플링부를 통해 길이방향으로 연장된 복합체 튜브 및 침지된 용융 표면의 유체 오염을 감소시키도록 불활성 가스로 주입될 수 있다.
일 구현예에서, 쉬라우드는 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 동축으로 케이싱한다.
일 구현예에서, 쉬라우드는 커플링부를 넘어 침지 팁을 향하여 적어도 1인치만큼 연장된다.
일 구현예에서, 쉬라우드는 커플링부를 넘어 침지 팁을 향하여 적어도 2인치만큼 연장된다.
일 구현예에서, 침지 튜브 및 연장 튜브는 유사한 열팽창 계수를 갖는다.
일 구현예에서, 침지 튜브는 적어도 1500℃의 온도에서 구조적 무결성을 유지하도록 내부식성 및 열충격 내성을 갖는 한편, 연장 튜브는 비교적 이보다 낮은 내부식성 및 열충격 내성으로 정의된다.
일 구현예에서, 침지 튜브의 대향 단부는 연장 튜브의 커플링 단부 내에 꼭 맞게 수용되거나, 그 반대로 꼭 맞게 수용된다.
일 구현예에서, 침지 튜브는 비다공성 세라믹 실린더를 포함한다.
일 구현예에서, 비다공성 세라믹 실린더는, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 함유하는 질화붕소, 또는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아를 포함하는 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN) 중 어느 하나로 제조된다.
일 구현예에서, 침지 튜브의 적어도 침지 팁은 절연 비다공성 세라믹층으로 코팅된 세라믹 실린더를 포함한다.
일 구현예에서, 세라믹 실린더는 산화알루미늄(알루미나)을 포함한다.
일 구현예에서, 절연 비다공성 세라믹 층은, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코니아를 함유하는 질화붕소, 또는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아를 포함하는 ZSBN 중 어느 하나로 제조된다.
일 구현예에서, 연장 튜브는 몰리브덴, 크롬, 이리듐, 니오븀, 오스뮴, 텅스텐, 탄탈륨, 또는 이들의 합금 중 어느 하나 이상으로 제조된 금속 실린더를 포함한다.
일 구현예에서, 연장 튜브는 SiAlON, 또는 SiAlON II 중 어느 하나 또는 둘 모두로 제조된 비다공성 세라믹 실린더를 포함한다.
일 구현예에서, 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는 침지 튜브와 연장 튜브 사이의 커플링부에서 커플러를 추가로 포함하며, 여기에서 커플러는 붕규산, 또는 붕산칼슘 중 어느 하나 또는 둘 모두로 제조된다.
일 구현예에서, 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는 침지 튜브 및 연장 튜브를 커플링시키는 커플러를 추가로 포함하며, 여기에서 커플러는 침지 튜브 및 연장 튜브의 단부가 그 안에 수용될 수 있는 하나 이상의 페룰(ferrule)을 포함하며, 이에 따라 하나 이상의 페룰은 커플링부를 덮는 절연 덮개(sheath)를 형성한다.
일 구현예에서, 연장 튜브는 2개 이상의 열 사이클에서 재사용 가능한 한편, 침지 튜브는 하나 이상의 대안적인 침지 튜브로 교체될 수 있다.
일 구현예에서, 케이싱 체적 내의 불활성 가스는 용융 표면 산화를 감소시키기 위해 용융물을 향하여 방출되도록 가압된다.
일 구현예에서, 불활성 가스는 아르곤 가스를 포함한다.
일 구현예에서, 광학적 감지 시스템은 레이저-유도 분해 분광(LIBS) 시스템을 포함하며, 광학적 측정은 LIBS 조성 측정을 포함하며, 광학 경로는 LIBS 시스템과 광학적 정렬을 이루는 광학 윈도우에서 종결된다.
일 구현예에서, 용융물은 적어도 부분적으로 용융된 철, 강철, 니켈, 구리, 백금, 또는 이들의 합금을 포함한다.
또 다른 구현예에 따르면, 용융물을 광학적으로 탐침하기 위한 내화성 랜스 튜브가 제공되며, 이는: 용융물 내에 침지될 수 있는 침지 팁을 갖는 침지 튜브, 및 이의 대향 단부에 커플링되어 그 내부에 광학 경로를 정의하는 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 형성하는 연장 튜브를 포함하며; 여기에서 침지 튜브는, 적어도 1500℃의 온도에서 부식 및 열충격에 실질적으로 내성인 비다공성 세라믹으로 적어도 부분적으로 제조된다.
일 구현예에서, 침지 튜브는 적어도 하나의 대안적인 침지 튜브로 대체될 연장 튜브에 해제가능하게 커플링된다.
일 구현예에서, 비다공성 세라믹은, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 함유하는 질화붕소, 또는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아로 구성된 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN) 중 어느 하나 이상으로 제조된다.
일 구현예에서, 연장 튜브는 금속으로 제조된다.
일 구현예에서, 금속은 몰리브덴, 크롬, 이리듐, 니오븀, 오스뮴, 텅스텐, 탄탈륨, 또는 이들의 합금 중 어느 하나 이상을 포함한다.
일 구현예에서, 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는 침지 튜브와 연장 튜브 사이의 커플러를 추가로 포함하며, 여기에서 커플러는 붕규산, 또는 붕산칼슘 중 어느 하나 또는 둘 모두로 제조된다.
일 구현예에서, 침지 튜브는 침지 팁이 적어도 부분적으로 비다공성 세라믹으로 코팅된 산화알루미늄(알루미나) 튜브를 포함한다.
일 구현예에서, 용융물은 적어도 부분적으로 용융된 철, 강철, 니켈, 구리, 백금, 또는 이들의 합금을 포함한다.
다른 양태, 특징부 및/또는 이점은, 다음에 이어지는, 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 제공된 이의 특정 구현예의 비제한적인 설명을 읽음으로써 보다 명백해질 것이다.
본 개시의 몇몇 구현예는 단지 예로서, 다음의 첨부된 도면을 참조하여 제공된다:
도 1은 일 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리의 개략도를 도시하며, 여기에서 복합체 튜브를 둘러싸는 슬리브 또는 쉬라우드는 일 단부에서 개방된다.
도 2는 또 다른 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리의 측면도를 도시하며, 여기에서 복합체 튜브를 둘러싸는 슬리브 또는 쉬라우드는 일 단부에서 폐쇄된다.
도 3은, 도 2에 나타낸 섹션 A-A에서의, 해당 내화성 랜스 어셈블리의 길이방향 단면도이며, 이는 제1 및 제2 튜브 사이의 커플링부를 나타낸다.
도 4는, 도 2에 표시된 바와 같은 섹션 D-D에서의, 도 2 및 도 3에 도시된 내화성 랜스 어셈블리의 단면도이다.
도 5는, 도 2 내지 도 4에 도시된 내화성 랜스 어셈블리의 확대도로서, 도 3에 나타낸 바와 같은 상세 섹션 E 및 F를 예시하며, 제2 튜브의 길이가 가변적임을 나타낸다.
도 6은, 각각 도 2 내지 도 5에 도시된 내화성 랜스 어셈블리의 하부 및 상부 투시도로서, 슬리브 또는 쉬라우드로 케이싱된 커플링이 구비된 복합체 튜브를 도시한다.
도 7은 실험 1일차에서의, 주어진 용융 샘플에 대해 얻어진 보정 곡선의 그래프로서, 여기에서 측정은 종래의 실험실 기술(x-축) 및 또 다른 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리를 사용하는 LIBS(y-축)로 수행되었으며, 이는 유사한 결과가 얻어짐을 나타낸다.
도 8은 2일차에서의, 동일한 주어진 용융 샘플에 대해 얻어진 보정 곡선의 그래프로서, 재차적으로, 종래의 실험실 기술(x-축) 및 소정의 실험 설정 변경이 이루어진 내화성 랜스 어셈블리를 사용하는 LIBS(y-축)로 수행되었으며, 이 또한 유사한 결과가 얻어짐을 나타낸다.
도 9는, 또 다른 실험에서의, 주어진 용융 샘플에 대한 조성 측정치, 특히 구성 성분 농도의 그래프로서, 측정은 종래의 실험실 기술(x-축) 및 추가의 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리를 사용하는 LIBS(y-축)로 수행되었으며, 이는 유사한 결과가 얻어짐을 나타낸다.
도면 내의 요소들은 단순성과 명확성을 위해 설명되었으며, 반드시 실제 축척에 맞게 도시되지는 않는다. 예를 들어, 도면 내의 일부 요소의 치수는 본원에 개시된 다양한 구현예의 이해를 용이하게 하기 위해 다른 요소에 비해 상대적으로 강조될 수 있다. 또한, 상업적으로 구현 가능한 구현예에서 유용하거나 필요한, 통상적이지만 공지되어 있는 요소는 본 개시된 다양한 구현예를 이해하기 위한 시야를 방해하지 않도록 종종 설명되지 않는다.
도 1은 일 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리의 개략도를 도시하며, 여기에서 복합체 튜브를 둘러싸는 슬리브 또는 쉬라우드는 일 단부에서 개방된다.
도 2는 또 다른 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리의 측면도를 도시하며, 여기에서 복합체 튜브를 둘러싸는 슬리브 또는 쉬라우드는 일 단부에서 폐쇄된다.
도 3은, 도 2에 나타낸 섹션 A-A에서의, 해당 내화성 랜스 어셈블리의 길이방향 단면도이며, 이는 제1 및 제2 튜브 사이의 커플링부를 나타낸다.
도 4는, 도 2에 표시된 바와 같은 섹션 D-D에서의, 도 2 및 도 3에 도시된 내화성 랜스 어셈블리의 단면도이다.
도 5는, 도 2 내지 도 4에 도시된 내화성 랜스 어셈블리의 확대도로서, 도 3에 나타낸 바와 같은 상세 섹션 E 및 F를 예시하며, 제2 튜브의 길이가 가변적임을 나타낸다.
도 6은, 각각 도 2 내지 도 5에 도시된 내화성 랜스 어셈블리의 하부 및 상부 투시도로서, 슬리브 또는 쉬라우드로 케이싱된 커플링이 구비된 복합체 튜브를 도시한다.
도 7은 실험 1일차에서의, 주어진 용융 샘플에 대해 얻어진 보정 곡선의 그래프로서, 여기에서 측정은 종래의 실험실 기술(x-축) 및 또 다른 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리를 사용하는 LIBS(y-축)로 수행되었으며, 이는 유사한 결과가 얻어짐을 나타낸다.
도 8은 2일차에서의, 동일한 주어진 용융 샘플에 대해 얻어진 보정 곡선의 그래프로서, 재차적으로, 종래의 실험실 기술(x-축) 및 소정의 실험 설정 변경이 이루어진 내화성 랜스 어셈블리를 사용하는 LIBS(y-축)로 수행되었으며, 이 또한 유사한 결과가 얻어짐을 나타낸다.
도 9는, 또 다른 실험에서의, 주어진 용융 샘플에 대한 조성 측정치, 특히 구성 성분 농도의 그래프로서, 측정은 종래의 실험실 기술(x-축) 및 추가의 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리를 사용하는 LIBS(y-축)로 수행되었으며, 이는 유사한 결과가 얻어짐을 나타낸다.
도면 내의 요소들은 단순성과 명확성을 위해 설명되었으며, 반드시 실제 축척에 맞게 도시되지는 않는다. 예를 들어, 도면 내의 일부 요소의 치수는 본원에 개시된 다양한 구현예의 이해를 용이하게 하기 위해 다른 요소에 비해 상대적으로 강조될 수 있다. 또한, 상업적으로 구현 가능한 구현예에서 유용하거나 필요한, 통상적이지만 공지되어 있는 요소는 본 개시된 다양한 구현예를 이해하기 위한 시야를 방해하지 않도록 종종 설명되지 않는다.
본 명세서의 다양한 구현예 및 양태가 아래에 논의되는 상세 내용을 참조하여 기술된다. 다음의 설명 및 도면은 본 명세서를 예시하는 것이며, 본 명세서를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서의 다양한 구현예에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적인 세부사항이 설명된다. 그러나, 특정 경우, 본 명세서의 구현예에 대한 간결한 논의를 제공하기 위해 공지되어 있는 세부사항 또는 종래의 세부사항은 설명되지 않는다.
이하에서, 다양한 장치, 기구, 시스템 및 프로세스가 본 개시의 구현을 위한 구현예를 제공하기 위해 설명될 것이다. 이하에서 설명되는 모든 구현예는 청구된 구현예를 제한하지 않으며, 임의의 청구된 구현예는 아래에 설명된 것과 상이한 프로세스 또는 장치를 포함할 수 있다. 청구된 구현예는 후술하는 장치 또는 프로세스의 중 어느 하나의 모든 특징부를 갖는 장치 또는 프로세스, 또는 후술하는 장치 또는 프로세스의 다수 또는 전부에 공통적인 특징부에 한정되지 않는다. 아래에 설명된 장치 또는 프로세스는 청구된 주제의 구현예가 아닐 수도 있다.
이에 더하여, 본 명세서에 설명된 구현예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 구체적인 세부사항이 제시된다. 그러나, 숙련된 기술자는 본 명세서에 기술된 구현예가 이러한 구체적인 세부사항 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 경우, 본 명세서에 기술된 구현예를 모호하게 하지 않기 위해, 이미 공지된 방법, 절차 및 구성요소는 상세히 설명되지 않는다. 이는, 예를 들어, 종래의 LIBS 시스템과 같은 광학적 감지 시스템을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 요소는 하나 이상의 기능을 "수행하도록 구성"되거나 이러한 기능을 "위해 구성"되는 것으로 설명될 수 있다. 일반적으로, 기능을 수행하도록 구성되거나 기능을 수행하기 위해 구성되는 요소는, 해당 기능을 수행하는 것이 가능하거나, 해당 기능을 수행하기에 적합하거나, 해당 기능을 수행하도록 적용되거나, 해당 기능을 수행하도록 작동 가능하거나, 해당 기능을 수행하도록 구조화되거나, 그렇지 않으면 해당 기능을 수행할 수 있다.
본 명세서의 목적상, "X, Y, Z 중 적어도 하나" 및 "X, Y 및 Z 중 하나 이상"이라는 표현은 단지 X, 단지 Y, 단지 Z, 또는 항목 X, Y, 및 Z 중 둘 이상의 임의의 조합(예를 들어, XYZ, XY, YZ, ZZ, 등)으로서 해석될 수 있다. 이와 유사한 논리가 "~ 중 적어도 하나" 및 "~ 중 하나 이상"의 경우, 해당 항목 중 이상에 적용될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서 및 청구항 전체에 걸쳐, 다음의 용어는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 본 명세서에서 명백하게 연관된 의미를 취한다. 본원에서 사용되는 "구현예 중 하나에서" 또는 "다양한 구현예 중 적어도 하나에서"라는 문구는 반드시 동일한 구현예를 지칭하는 것은 아니지만, 반드시 동일한 구현예를 지칭할 수도 있다. 이에 더하여, 본원에서 사용되는 "또 다른 구현예에서" 또는 "일부 구현예에서"라는 문구는 반드시 상이한 구현예를 지칭하는 것은 아니지만, 반드시 상이한 구현예를 지칭할 수도 있다. 따라서, 이하에서 설명되는 바와 같이, 다양한 구현예는 본원에 개시된 혁신의 범위 또는 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 용이하게 조합될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "또는"은 포괄적인 "또는" 연산자이며, 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 용어 "및/또는"과 동등하다. 용어 "~을 기초로 하는"이라는 용어는 배타적이지 않으며 문맥에서 명확하게 달리 지시하지 않는 한 설명되지 않은 추가 요소를 기초로 할 수 있다. 또한, 본 명세서 및 청구항 전반에 걸쳐, "일", "한" 및 "하나"의 의미는 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 참조를 포함한다. "~에"의 의미에는 "~ 내에" 및 "~ 상의"가 포함된다.
본원에서 사용되는 용어 "~을 포함하는"은 해당 항목이 비-배타적이며, 임의의 다른 추가적인 적합한 항목, 예를 들어, 하나 이상의 추가 특징부(들), 구성요소(들), 요소(들) 및/또는 단계(들)을 적절하게 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
일부 표현에서, 용어 "랜스"는 용융물에 삽입될 수 있는 (복합체) 튜브를 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 다른 표현에서 해당 용어는 문맥이 나타내는 바와 같이, (복합체) 튜브 및 이의 그 슬리브 또는 쉬라우드를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 일부 문맥에서, 용어 "랜스"는 전술한 해석들 중 어느 하나 또는 둘 모두일 수 있다.
용어 "용융물"은 본원에서 용융 금속을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 용융 물질을 지칭하기 위해 사용되며, 화학야금 공정(들)을 거치는 용융물 및 시험 목적으로 채취되는 샘플 용융물 모두를 포함한다. 또한, "용융물"은 불순물, 프릴, 내재물(내인성 및 외인성 둘 모두), 슬래그 등을 포함하는 것으로 이해되어야 하지만, "용융물"은 또한 고순도의 용융물을 포함할 수 있다.
철 및 강철과 같은 고융점의 용융 물질에 사용되는 공지된 LIBS 조성 측정 기술을 활용하기 위해, 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브가 상이한 구현예에 따라 특정 구현 기준을 충족하도록 본원에서 제안된다. 구현 기준은, 몇몇의 예를 들어, 작동 조건 또는 용융 유형에 기초하여 상이할 수 있으며, 따라서 상이한 구현예가 하나 이상의 상이한 구현 기준을 충족할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서 이들 구현 기준은 구현 기준의 비제한적인 예로서 본원에 제공되며, 이는 내화성 랜스 튜브 및/또는 어셈블리의 사용 사례에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 랜스는 고온에 대한 내성을 가질 필요가 있다. 순수 철의 용융 온도는 1537℃이다. 그러나 실제로, 특정 용광로의 온도 제어의 난이성으로 인해 철이 용융되는 동안 온도는 종종 1650℃ 이상으로 상승한다. 이러한 고온에서, 랜스에 있어서 기계적 강도는, 열충격에 대한 내성에 더하여 제2 요구 사항이 될 수 있다. 랜스에서 발생하는 임의의 손상, 균열 또는 누출로 인해 대기 또는 가스(예를 들어, 산소 또는 질소)가 랜스(특히 본원에서의, 광학적 측정이 수행되는 튜브)가 랜스 내로 진입함으로써, 민감한 LIBS 시스템의 조성 측정이 변경되고, 수득된 스펙트럼 판독값에 잠재적으로 영향을 미칠 수 있게 된다. 같은 이유로, 랜스는 용융된 물질(일반적으로 금속) 및/또는 용융 슬래그에 의한 부식에 대해 내성을 가질 필요가 있다. 내부식성은 랜스의 수명을 연장하는 것을 포함하여, 다른 이유로도 유용하거나 필요할 수 있다. 이러한 맥락에서, "부식"은 부식, 용해, 침식, 화학적 반응성 또는 랜스를 손상시키거나 파괴할 수 있는 모든 프로세스 중 하나 이상을 포함하여 광범위하게 해석되어야 한다. 부식은 또한, 특정 환경에서 (그렇지 않으면 부식으로 인한) 랜스 중 하나 이상의 물질의 화학적 반응성의 결과로 발생할 수 있는 가스 방출을 포함한다. 내부식성은 또한 LIBS 시스템과 연관된 비용을 줄이기 위해 랜스를 반복적으로 사용하는 것을 보장할 수 있게 한다.
내부식성의 필요조건은 특정 용융 금속에 대해 내성이 있는 랜스 물질이 일반적으로 용융 슬래그에 잘 저항하지 않는다는 사실로 인해 더욱 복잡해질 수 있다. 예를 들어, 용강은 부식성이 높지만, 용강에 내성인 물질(즉, 산성 물질)은 일반적으로 용융 슬래그(염기성 물질)에 잘 견디지 못한다. 따라서, 용융된 물질 및 슬래그 둘 모두에서 내부식성을 갖는 적합한 물질이 일부 구현예에서 요구될 수 있다. 이러한 내부식성은 침지 가능한 랜스의 일 부분에 특히 관련될 수 있지만, 또한 용광로 내에 배치되고 랜스와 유사한 조건에 노출될 임의의 슬리브 또는 쉬라우드와 관련될 수 있다.
내부식성의 필요조건에 추가하여 보다 관련되는 것은, 해당 고온에서 화학적으로 불활성이거나 적어도 안정적이어야 한다는 랜스의 잠재적인 필요조건이다.
높은 융점의 용융된 물질에 대한 공지된 LIBS 조성 측정 기술의 활용에 있어서의 추가적인 제약은, 능동적 냉각 시스템이 이로부터 발생하는 안전 문제로 인해 일반적으로 해당 기술 분야 또는 과학 분야에서 허용되지 않거나 바람직하지 않은 것으로 간주될 수 있다는 것이다. 따라서, 고융점의 금속에 대해 사용될 수 있지만 냉각 시스템을 사용하지 않는 랜스가 바람직하거나, 적어도 냉각을 요구하는 시스템에 대한 유용한 대안을 제공할 수 있다.
본원에 기술된 바와 같이, 구현예는 고융점를 갖는 금속으로부터 비교적 정확한 조성 측정치를 얻기 위해, LIBS와 같은 광학적 감지 시스템과 함께 이용될 수 있는, 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브의 상이한 예를 제공한다. 실제로, 이러한 구현예 중 일부는 전술한 구현 기준 중 하나 이상을 달성함으로써, 종래의 시스템의 단점들 중 일부를 해결하거나, 적어도 개선할 수 있다.
이제, 도 1을 참조하여, 그리고 예시적인 일 구현예에 따른, 대체적으로 번호 10을 사용하여 참조되는 내화성 랜스 어셈블리가 설명된다. 내화성 랜스 어셈블리(10)는, 용융물(50)을 광학적으로 탐침하고, 특히 용융물(50)로부터 광학적 조성 측정치를 수득하기 위해, 광학적 감지 시스템(상세히 도시되지 않음, "LIBS" 참조)과 함께 이용된다. 내화성 랜스 어셈블리(10)는 대체적으로 이를 관통하는 광학 경로(점선으로 표시됨)를 정의하는 복합체 튜브(12)를 포함한다. 복합체 튜브(12)는 용융물(50) 내 또는 그 안으로 침지 또는 삽입 가능한 제1 단부(침지 팁)(14.1) 및 연장 튜브(16)(또는 제2 튜브)가 길이방향으로 이의 길이가 연장되도록 커플링되는 제2 (대향) 단부(14.2)를 갖는 침지 튜브(14)(또는 제1 튜브)한다. 이와 같이, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)는 복합체 튜브(12)을 형성하며, 이는 본원에서 길이방향으로 연장된 복합체 튜브로 상호교환적으로 지칭된다.
도시된 바와 같이, 복합체 튜브(12)에 의해 정의되는 광학 경로는 광학적 감지 시스템("LIBS")과의 광학적 정렬을 위한 것이다. 이러한 구현예에서, 복합체 튜브(12)는, 사용 시, 가압된 불활성 유체, 특히 불활성 가스로 추가로 주입될 수 있으며, 제1 단부 또는 침지 팁(14.1)을 통해 용융물(50) 내에 침지된 용융 표면(52)을 형성하고, 광학 경로를 통해 상기 불활성 가스에 노출된 상기 침지된 용융 표면을 광학적으로 탐침한다. 이러한 광학 경로 및 불활성 가스 경로를 아래에서 보다 상세히 기술된다.
내화성 랜스 어셈블리(10)는, 복합체 튜브(12)와 쉬라우드(18) 사이에 케이싱 체적(20)(또는 빈 공간)을 정의하도록, 이격된 위치에서 제1 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이의 적어도 접합부 또는 커플링부를 케이싱하는(즉, 둘러싸는) 쉬라우드(18)(또는 슬리브)를 추가로 포함한다. 이러한 맥락에서, 쉬라우드(18) 및 케이싱 체적에 의해 케이싱되는 접합부 또는 커플링부는, 튜브(14, 16) 사이의 접합부, 또는 실제로 튜브(14, 16) 사이의 커플링부를 형성하는 하나 이상의 구성요소를 지칭할 수 있다. 이러한 구현예에서, 쉬라우드(18)는 복합체 튜브(12)(의 적어도 일 부분)를 길이방향으로 케이싱하고, 침지 팁(14.1)은 용융물(50)과의 침지를 위해 이로부터 길이방향으로 연장된다. 사용 시, 커플링부를 통한 복합체 튜브(12) 및 침지된 용융 표면(52)의 유체 오염을 감소시키기 위해, 케이스 체적(20)에는 그 내부로 가압된 불활성 유체, 특히 불활성 가스(예를 들어, 아르곤 가스)가 주입될 수 있으며, 이에 따라 불활성 유체를 수용할 수 있다. 예를 들어, 불활성 가스는 복합체 튜브(12)에서 (예를 들어, 커플링부를 통해, 튜브(14, 16) 중 하나의 길이를 따라, 또는 다른 방식으로) 누출이 발생하는 경우, 케이싱 체적(20)으로부터 광학 경로로 진입할 수 있음으로써, 광학 경로의 잠재적인 외부 유체 오염을 방지하거나 감소시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 쉬라우드(18)는 복합체 튜브(12)를 길이방향으로 케이싱한다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(18)는 복합체 튜브(12)의 일 단부로부터 연장 튜브(16)의 길이를 따라, 그리고 접합부 또는 커플링부를 가로질러 연장되어, 복합체 튜브(12)를 동축으로 둘러싼다. 특히, 이러한 구현예에서 쉬라우드(18)는 침지 튜브(14)의 제2 단부(14.2)를 덮도록, 접합부 또는 커플링부를 넘어 적어도 1 또는 2인치(또는 2 내지 5 cm)만큼 연장된다. 이와 관련하여, 전술한 바와 같이, 해당 도면은 실제 치수에 맞게 도시되지 않을 수 있으며, 이에 따라, 복합체 튜브(12)에 대한 쉬라우드(18)의 비례적인 길이는 정확하지 않을 수 있다.
이러한 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이의 접합부에 배열된 커플링부(22)를 포함한다. 따라서, 쉬라우드(18)는 커플링부(22)을 덮고, 커플링부(22)에서 누설이 발생하는 경우, 케이싱 체적(20)으로부터의 불활성 가스는 광학 경로 내로 유입될 수 있다.
이러한 구현예에서, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)는 상이한 길이의 튜브를 포함하며, 여기에서 침지 튜브(14)는 연장 튜브(16)보다 짧다. 이러한 상이한 튜브 길이는, 예를 들어, 침지 튜브(14)가 연장 튜브(16)보다 더 비싸거나, (열, 용융물(50)과의 반응 또는 다른 인자로 인해) 침지 튜브(14)가 연장 튜브(16)보다 더 높은 부식 또는 마모에 노출되고, 보다 빈번한 교체를 필요로 하는 경우에 유리할 수 있다. 이러한 특정 예에서, 침지 튜브(14)의 길이는 대략 5 cm이고, 연장 튜브(16)의 길이는 약 2 m이므로, 연장 튜브(16)의 (연장된) 길이는 용융물(50)에 도달하기 위해 필요한 침지 튜브(14)의 길이를 감소시킨다. 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)의 다수의 대안적인 적절한 길이가 이용될 수 있으며, 다른 구현예는 동일하거나 유사한 길이의 튜브를 제공할 수 있다.
연장 튜브(16)는 침지 튜브(14)와 유사한 열팽창 계수를 갖는다. 당업계의 숙련자에게 공지된 바와 같이, 열팽창 계수는 결과적으로 온도에 대한 변형 값을 반영할 수 있으며, (높은 결합 강도로 인해) 열팽창 계수가 낮은 물질은 낮은 변형 값을 갖게 된다. 따라서, 이러한 맥락에서, 유사한 열팽창 계수를 갖는 물질은 유사한 결합 구조를 갖는 임의의 둘 이상의 물질을 포함하거나, 대안적으로, 상이한 결합 구조를 갖지만 유사한 팽창 및/또는 변형 특성을 갖는 임의의 둘 이상의 물질을 포함할 수 있다. 또한, 이와 관련하여, 낮은 열팽창 계수를 갖는 물질은 특정 온도(예컨대 1500℃ 초과의 온도)에서 열팽창 정도의 하한에 해당하는 해당 계수를 갖는 모든 물질을 포함할 수 있다. 이러한 특정 구현예에서, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)는 낮은 열팽창 계수를 갖는 하나 이상의 상이한 내화성 물질로 제조된다. 따라서, 이러한 하나 이상의 상이한 내화성 물질은 또한 낮은 변형 값을 나타내므로, 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이의 접합부 및 이에 따른 커플링부(22)에 보다 낮은 팽창 압력이 가해지는 것을 보장한다.
침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)는, 기계적 강도의 현저한 손실, 또는 부식 또는 다른 열화 없이 적어도 1500℃를 견딜 수 있으며, 따라서 적어도 사전에 정의된 기간(예를 들어, 단일 열 용융 사이클, 또는 적어도 2회의 용융 사이클) 동안 사용 가능한 상태로 유지될 수 있는, 하나 이상의 상이한 내화성 물질로 제조될 수 있다. 복수의 상이한 내화성 물질 및/또는 물질 조합은, 비다공성 세라믹 및 높은 융점을 갖는 금속을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 상이한 구현예에 적합할 수 있다. 침지 튜브(14) 및/또는 연장 튜브(16)가 적어도 1500℃를 견딜 수 있는 하나 이상의 상이한 내화성 물질로 제조됨으로써, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 높은 용융 온도를 갖는 용융물에 효과적으로 이용 가능하다. 그러나, 이러한 구현예에서 단지 침지 튜브(14)만이 적어도 1500℃를 견딜 수 있어야 하며, 그 이유는 침지 튜브만이 용융물(50) 내에 적어도 부분적으로 삽입될 수 있기 때문이다(실제로, 침지되는 것은 단지 침지 팁(14.1)임). 침지 튜브(14)가 하나 이상의 부품으로 구성되는 구현예에서, 용융물 내에 삽입될 부품만이 적어도 1500℃를 견딜 수 있을 필요가 있을 수 있다. 이는, 예를 들어, 단지 침지 팁(14.1)만을 포함할 수 있다.
이러한 구현예에서, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16) 둘 모두는 부식 및 열충격에 강한 하나 이상의 내화성 물질로 제조된다. 이러한 특성은 부식성 금속을 사용하는 용도 및/또는 극도의 열 및/또는 반복적인 열 순환을 요구하는 용도에서의 해당 내화성 랜스 어셈블리(10)의 이용을 가능하게 한다. 재차적으로, 해당 문맥에서의 용어 "부식"은 전술한 바와 같이, 광범위하게 해석될 수 있다. 부식은, 예를 들어, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)에서의 미세 크랙의 형성 및/또는 침투를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 부식은 하나 이상의 내화성 물질의 산화를 포함할 수 있다. 침지 튜브(14)는 용융물(50)에 삽입되는 동안 열충격을 거칠 수 있는 한편, 연장 튜브(16)는 (이는, 도시된 바와 같이, 일반적으로 용융물(50) 내로 삽입되지는 않을지라도) 용융물(50) 부근 및/또는 용융물(50)이 유지되는 용광로 내로 반입될 때 열충격을 거칠 수 있다. 내화성 랜스 어셈블리(10)를 통상적으로 대기 온도 및 압력 하의 외부 환경으로부터 1500℃ 이상의 온도의 용광로 내부 및/또는 용융물(50) 내로 이동시키는 것은 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16) 중 하나 또는 둘 모두가 열충격을 거치는 결과를 야기할 수 있다. 내화성 랜스 어셈블리(10)의 기계적 및/또는 화학적 안정성을 보존하기 위해, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16) 둘 모두에 대해 열충격에 대한 내성이 요구될 수 있다.
침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)의 하나 이상의 내화성 물질은 서로 상이한 내부식성 및 열충격 내성 특성을 가질 수 있다. 특히, 침지 팁(14.1)에서 용융물(50) 내로 적어도 부분적으로 삽입 가능한 침지 튜브(14)는, 침지 튜브(14)의 길이로 인해 통상적으로 용융물(50)로부터 이격되는 (그리고 용융물(50)에 삽입되지 않는) 연장 튜브(16)와 대조적으로 보다 높은 내부식성 및 열충격 내성을 가질 수 있다. 침지 튜브(14)의 하나 이상의 내화성 물질은 1500℃를 초과하는 온도의 용융물 내에 삽입될 수 있을 정도로 부식 및 열충격에 충분히 저항할 수 있다. 한편, 연장 튜브(16)의 하나 이상의 내화성 물질은 (1500℃의 용융물(50) 내에 삽입되지 않은 상태에서) 용융물(50) 바로 위의 온도를 견딜 수 있도록 부식 및 열충격에 충분히 저항할 수 있으며, 통상적으로 사용 중인 용광로 내부에 적어도 부분적으로 위치된다.
이러한 특정 구현예에서, 침지 튜브(14)의 제2 단부(14.2)는 그 안에 있는 연장 튜브(16)의 제1 단부(16.1)를 꼭 맞게 수용한다. 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)는 각각 이러한 꼭 맞는 피팅부를 이루기 위한 외경 및 내경을 갖는다. 간섭 피팅부를 형성할 수 있는 이러한 꼭 맞는 피팅부는 커플링부(22)의 일 부분을 형성할 수 있으며, 침지 튜브(114)와 연장 튜브(16) 사이의 접합부를 적어도 부분적으로 밀봉할 수 있다. 다른 구현예에서, 침지 튜브(14)의 제2 단부(14.2)는 연장 튜브(16)의 제1 단부(16.1) 내에 꼭 맞게 수용될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)는 유사한 직경을 가질 수 있으며, 여기에서 각각의 튜브의 단부는 서로에 대해 수평으로 접하며 커플링부(22)는 이들을 결합한다. 실제로, 복합체 튜브(12)의 다양한 커플링이 본 개시의 일반적인 성질 및 범위를 벗어나지 않으면서 고려된다.
이제 침지 튜브(14)(때때로 "침지 탐침"으로 지칭됨)를 논의하면, 침지 튜브(14)의 (제1 단부에서의) 침지 팁(14.1)은 도시된 바와 같이, 용융물(50) 내로 적어도 부분적으로 삽입될 수 있다. 침지 튜브(14)는, 사용 중 내화성 랜스 어셈블리(10)가 삽입되는 용융물(50) 및/또는 용광로로부터 발생하거나 이에 의해 야기되는 온도 노출로부터 쉬라우드(18) 및 커플링부(22)를 이격시킬 수 있는 길이를 갖는다. 특히, 쉬라우드(18) 또는 커플링부(22) 둘 모두는 용융물(50)에 삽입되지 않으며, 어떠한 방식으로든 용융물(50)과 접촉하지 않는다. 바람직하게는, 쉬라우드(18) 및 커플링(22)이 용융물(50)로부터 거리를 유지하도록 함으로써, 이들 부품은 침지 튜브(14)와 비교하여, 특히 침지 팁(14.1)과 비교하여, 낮은 내화성, 낮은 내부식성 및/또는 낮은 열충격 내성을 가질 수 있다.
이러한 구현예에서, 침지 튜브(14)는 비다공성 세라믹 실린더를 포함하며, 여기에서 침지 팁(14.1)은 이의 하단부에서 정의된다. 비다공성 세라믹은 일반적으로 열팽창 계수가 낮고 고온에서의 기계적 강도가 우수하며 부식 및 열충격 둘 모두에 강하다. 비다공성 세라믹은 일반적으로 불투과성이라는 추가적인 잠재적 이점을 제공한다. 이러한 구현예에서, 침지 튜브(14)는 원형 단면을 갖지만, 다양한 상이한 형상(예를 들어, 정사각형, 삼각형, 직사각형, 다각형) 및/또는 치수를 갖는 침지 튜브(14)가 다른 구현예에 대해 고려될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 비다공성 세라믹 실린더(14)의 두께가 클수록 보다 높은 내부식성을 제공하는 반면, 두께가 작을수록 내부식성이 낮아지며, 이에 따라, 비다공성 세라믹 실린더(14)의 두께는 내화성 랜스 어셈블리(10)의 특정 의도된 용도에 기초하여 선택될 수 있다. 이러한 구현예에서, 비다공성 세라믹 실린더(14)는 대략 2 내지 3 mm의 두께를 가지며, 대략 20 mm의 내경, 및 대략 25 mm 내지 30 mm, 구체적으로 24 mm 내지 26 mm의 외경을 갖는다. 비다공성 세라믹 실린더(14)의 외경은 연장 튜브(16)와 결합될 수 있는 정도이며, 전술한 바와 같이, 특히 연장 튜브(16)의 제1 단부(16.1)에 꼭 맞는 피팅을 이루는 정도이다.
이러한 구현예에서, 비다공성 세라믹 실린더(14)는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 45%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 포함하는 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN)을 포함한다. ZSBN은 1500℃ 초과의 온도에서 내부식성이며 열충격 저항성이다. 특히, ZSBN의 지르코니아, 질화붕소 및 붕규산 유리의 조합은 특히 증가된 내부식성 및 열충격 내성과 관련하여, 하나 이상의 개별 구성 요소보다 우수한 특성 및/또는 특징을 나타낼 수 있다. 특히, 이러한 구현예에서, ZSBN은 지르코니아의 내부식성 및 질화붕소의 열충격 내성을 조합함으로써, 열팽창 계수가 낮고, 1500℃를 견딜 수 있으며, 부식 및 열충격 둘 모두에 강한 내화성 물질을 제조할 수 있게 한다.
그러나, 전술한 바와 같이, 낮은 열팽창 계수를 갖는 임의의 적합한 물질(들)은, 예를 들어, 비다공성 세라믹을 포함하여, 침지 튜브(14)를 위한, ZSBN에 대한 실행 가능한 대안물을 제공할 수 있다. 다른 구현예에서, 비다공성 세라믹 실린더(14)는, 예를 들어, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 포함하는 질화붕소 또는 ZSBN을 포함할 수 있지만, 상이한 비율의 지르코니아 및/또는 상이한 매트릭스 조성물로 이루어질 수 있다.
이러한 구현예에서의 침지 튜브(14)의 ZSBN 조성물은, 용융된 물질에 삽입 가능한 랜스를 제조하기 위해 종래에 사용되던, 고온에서 일반적으로 구조적 완전성을 상실하고 용융되는 다공성 세라믹에 대한 틀림없이 명백한 대안인 일반적인 비다공성 세라믹을 사용하는 종래 기술에 비해, 적어도 부분적으로 유리할 수 있다. 예를 들어, SiAlON 및 SiAlON II는 약 1000℃에서 1200℃ 범위까지 사용할 수 있는 비다공성 세라믹일 수 있지만, 해당 범위를 초과하는 온도에 노출되는 경우 해당 랜스는 구조적 무결성을 잃고 용융될 수 있다. 종래에 사용되는 다른 합성 물질은 반복적인 열순환을 견디지 못할 수 있다. 예를 들어, 융합된 실리카는 보다 높은 온도를 견디는 것처럼 보이지만, 시험 시, 고온에서 단지 몇 분 동안 1회의 열 사이클만을 견딜 수 있다. 또한, 종래에 사용되는 다른 물질은 이러한 고온에서 충분한 내부식성을 제공하지 못할 수 있다. 예를 들어, 탄화규소 및 흑연은 적절한 열충격 내성을 갖지만 내부식성이 부족한 것으로 보이며, 몇 분 내에 용강 중에 용해된다. 지르코니아 및 마그네시아는 그 자체로 내부식성을 나타내지만, 열충격 저항이 우수하지 않기 때문에 통상적으로 사용 중 랜스에는 균열 또는 다른 손상이 발생하게 된다. 알루미나 자체는 이와 유사하며 부식에 강하지만 열충격에 강하지는 않다. 그러나, 본 구현예의 ZSBN은 침지 튜브(14)가 고온, 특히 1500℃를 넘는 온도에서 구조적 무결성을 유지할 수 있도록 하는 낮은 열팽창 계수를 가질 수 있으며, 부식 및 열충격 둘 모두에 보다 내성을 갖는다.
본 개시의 다른 특정 구현예(미도시)에서, 침지 튜브(14)는 용융물(50) 중에 삽입될 세라믹 실린더의 적어도 일 단부에 절연 비다공성 세라믹층으로 코팅된 세라믹 실린더를 포함한다. 이러한 구현예에서, 절연 비다공성 세라믹층은 세라믹 실린더를 단열하는 역할을 할 수 있으며, 이는 용융물에 삽입될 때 세라믹 실린더가 거치는 열충격을 감소시키고, 세라믹 실린더의 구조적 무결성을 유지할 수 있게 한다. 이러한 구현예에서, 절연 비다공성 세라믹층은 세라믹 실린더의 길이를 따라 수 인치 연장된다. 일 구현예에서, 세라믹 실린더는 알루미늄 산화물(알루미나)로 제조되며, 절연 비다공성 세라믹층은 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 45%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 포함하는 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN)을 포함한다. 그러나, 절연 비다공성 세라믹층은 적어도 1500℃를 견딜 수 있고, 특히 이러한 온도에서 부식 및 열충격에 대해 내성을 갖는, 예를 들어, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 포함하는 질화붕소, 또는 상이한 성분으로 이루어진 ZSBN을 포함하는, 하나 이상의 다른 내화성 비다공성 세라믹으로 이루어질 수 있다. 전술한 특정 구현예와 비교하여, 이러한 대안적인 구현예의 한 가지 이점은, 1500℃를 견딜 수 있으며, 충분한 내부식성 및 열충격 내성을 갖는 물질이 더 적게 요구된다는 것이다. 특히, 이는 전체 튜브가 아닌 세라믹 실린더 상의 절연 비다공성 세라믹층을 필요로 한다. 적합한 비다공성 세라믹 물질이 고가인 경우, 비다공성 세라믹 물질로 다른 튜브를 코팅하는 것이 보다 경제적일 수 있다. 세라믹 실린더는 일반적으로 이의 외부 표면 상에 절연 비다공성 세라믹층이 코팅됨으로써, 용융물로부터 물질이 튀어나와 실린더에 닿을 경우에서의 세라믹 실린더의 부식을 방지한다. 세라믹 실린더에 대한 절연 비다공성 세라믹층의 접착력을 향상시키기 위한 추가적인 기술은, 본 개시의 일반적인 범위 및 성질에 양호하게 부합되도록 의도된, 예컨대, 메쉬드 본딩 등에 의해, 침지 튜브의 제작 동안 사용될 수 있다. 다른 구현예에서, 절연 비다공성 세라믹층은 침지 팁(14.1)을 단순하게 코팅할 수 있다는 점을 추가로 이해해야 한다.
본 구현예로 돌아가서, 도 1을 계속 참조하면, 커플링부(22)는 탈착가능하며, 침지 튜브(14)는 하나 이상의 대안적인 침지 튜브(미도시)와 상호교환될 수 있다. 이러한 구현예에서, 하나 이상의 대안적인 침지 튜브는 침지 튜브(14)와 동일한 조성을 가지며 ZSBN 튜브를 포함한다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 대안적인 침지 튜브의 조성은, 예를 들어, 의도된 용도에 따라 침지 튜브(14)와 유사하거나 상이하다. 침지 튜브(14) 및 하나 이상의 대안적인 침지 튜브는 가변 길이의 튜브를 포함할 수 있으며, 이는, 커플링부(22)에 의해 연장 튜브(16)에 커플링될 수 있는, 상이한 의도된 용도 등을 위한 대안적인 침지 튜브(14) 길이를 제공한다.
이제 연장 튜브(16)(때때로 "침지 랜스" 또는 "랜스 연장부"로 지칭됨)를 논의하면, 연장 튜브(16)는 1500℃를 넘는 온도를 포함하는 2회 이상의 열 사이클에서 재사용 가능할 정도로 부식에 대한 내성을 갖는다. 전술한 바와 같이, 연장 튜브(16)는 침지 튜브(14)와 유사한 열팽창 계수를 갖는다. 이러한 예에서, 침지 튜브(14)는 ZSBN을 포함하므로, 연장 튜브(16)는 ZSBN의 낮은 열팽창 계수와 유사한 낮은 열팽창 계수를 갖는다. 이러한 구현예에서, 연장 튜브(16)는 비다공성인 금속 실린더를 포함함으로써, 사용 중 광학 경로로 진입하는 임의의 가스를 차단한다. 실제로, 금속의 비다공성은, 결과적으로, 연장 튜브(16)의 내부식성에 기여한다. 대부분의 금속은 또한 본질적으로 열충격에 강하다.
이러한 구현예에서, 연장 튜브(16)는 원형 단면을 갖지만, 다양한 상이한 형상(예를 들어, 정사각형, 삼각형, 직사각형, 다각형) 및/또는 치수를 갖는 연장 튜브(16)가 다른 구현예에 대해 고려될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 연장 튜브(16)의 형상 및/또는 치수가 침지 튜브(14)와 일치해야 할 필요는 없다. 금속 실린더(16)의 두께가 클수록 보다 높은 내부식성을 제공하는 반면, 두께가 작을수록 내부식성이 낮아지며, 이에 따라, 금속 실린더(16)의 두께는 내화성 랜스 어셈블리(10)의 특정 의도된 용도에 기초하여 선택될 수 있다. 이러한 구현예에서, 금속 실린더(16)는, 대략 2 내지 3 mm의 두께를 가지며, 전술한 바와 같이 침지 튜브(14)의 제2 단부(14.2) 내부에 꼭 맞게 피팅되어 침지 튜브(14)와 정합될 수 있는, 26 mm 내지 26 mm의 내경 및 28 mm 내지 32 mm의 외경을 갖는다.
이러한 구현예에서, 금속 실린더는 구체적으로 몰리브덴으로 이루어진다. 2622℃의 융점을 갖는 몰리브덴(Mo)은 비교적 안정적이다. 다른 구현예에서, 금속 실린더(16)는, 예를 들어 크롬, 이리듐, 니오븀, 오스뮴, 텅스텐, 탄탈륨 또는 몰리브덴 또는 전술한 금속 중 어느 하나의 적합한 합금을 포함하는, 다른 적합한 금속으로 이루어질 수 있다. 또 다른 구현예에서, 연장 튜브(16)는, 예를 들어, SiAlON 및 SiAlON II 중 어느 하나 또는 둘 모두로 제조된 비다공성 세라믹 실린더를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 연장 튜브(16)는 비다공성 세라믹, 또는 이와 유사한 것으로 코팅된 금속 실린더를 포함할 수 있다.
이제 커플링(22)으로 돌아가면, 해당 구현예에서, 커플링부(22)는 내화성 물질로 제조된다. 전술한 바와 같이, 커플링부(22)는 침지 튜브(14)와 유사한 내열성을 요구하지 않을 수 있지만, 이러한 구현예에서 커플링부(22)는 용광로 내부의 열을 견딜 수 있다. 특히, 이러한 예에서의 커플링부(22)는 붕규산염 또는 붕산칼슘으로 제조된다.
이러한 특정 구현예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 커플링부(22)은 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이에 배치된 페룰 형태의 튜브 커넥터를 포함한다. 페룰(22)은 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16) 상의 상보적인 외부 나사산 표면(미도시)과 체결되는 내부 나사산 표면(미도시)을 포함한다. 이와 같이, 이러한 구현예에서, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16)(함께 꼭 맞게 피팅됨)는 대향 측면에서 페룰(22) 내부에 수용되며, 이에 따라, 페룰(22)은 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이의 접합부를 덮는 절연 슬리브 또는 덮개를 형성한다. 유리하게는, 이러한 배열은 접합부를 적어도 부분적으로 밀봉함으로써, 임의의 대기 오염물이 복합체 튜브(12)의 광학 경로로 진입하는 것을 방지하고, 벌크 용융물의 대표적인 표면 및/또는 광학적 감지 시스템("LIBS")에 의해 취해진 광학적 측정치가 잠재적으로 변경되는 것을 방지한다. 따라서, 복합체 튜브(12)는 실질적으로 불투과성이거나, 달리 말하면 절연된 것으로서 설명될 수 있다. 일부 구현예에서, 커플링부(22)는 페룰과 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16) 중 하나 또는 둘 모두 사이의 접합부를 추가로 밀봉하기 위해 하나 이상의 밀봉부를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이러한 구현예에서, 커플링부(22)(구체적으로, 페룰)은 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이의 탈착가능한 커플링부를 정의한다. 바람직하게는, 이러한 탈착가능한 커플링부(22)는 침지 튜브(14)가 부식되거나 마모되었을 경우, 침지 튜브(14)를 하나 이상의 대안적인 침지 튜브(미도시)로부터의 제1 교체 튜브로 교체할 수 있게 하며, 결과적으로, 제1 교체 튜브를 하나 이상의 대안적인 침지 튜브로부터의 제2 교체 튜브로 교체할 수 있게 한다. 따라서, 이러한 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 2회 이상의 열 사이클 라운드를 위한 재사용이 가능한 어셈블리를 제공한다.
본원에 미도시된, 내화성 랜스(10)의 다른 구현예에서, 복수의 적층된 페룰은 튜브 커넥터(22)를 형성함으로써, 침지 튜브(14) 및 연장 튜브(16 )를 결합하고 절연 슬리브를 생성하는 유사한 기능을 제공할 수 있다. 재차 본원에 미도시된 다른 구현예에서, 커플링부(22)는, 본 개시의 대체적인 범위 및 성질에 양호하게 부합되도록 의도된, 예를 들어, 붕규산 또는 붕산칼슘 중 어느 하나로 이루어진, 세라믹계 결합 형태의 결합부를 포함할 수 있다. 커플링부(22)로서 결합부가 제공되는 경우, 침지 튜브(14)는 연장 튜브(16)에 단단히 부착되며, 교체될 수 없다(또는 추가적인 결합-용해 단계에 의해서만 교체될 수 있음). 다른 구현예에서, 커플링(22)은 하나 이상의 체결 수단을 포함할 수 있다. 하나 이상의 체결 수단은 너트 및 키 중 하나 또는 둘 모두, 또는 유사한 체결 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 커플링부(22)는 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이에 단단한 커플링을 제공하기 위해 하나 이상의 페룰에 더하여 체결 수단(너트 또는 키)를 포함할 수 있다. 커플링부(22)의 다양한 다른 구성요소 및/또는 구성이 추가적인 구현예에서 사용될 수 있으며, 이는 본 개시의 성질 및 범위 내에 속하도록 의도된다. 일부 구현예에서, 커플링부(22)는 접합부에서 적어도 부분적인 밀봉부를 생성할 수 있지만, 다른 보완적인 특징부가 해당 기능을 제공할 수 있기 때문에, 커플링부(22)가 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이에 밀봉된 커플링부(또는 불투과성 밀봉부)를 생성할 필요는 없다.
이제 광학 경로를 논의하면, 이러한 구현예에서, 광학 경로는, 광학적 감지 시스템("LIBS")의 광학적 감지 수단이 이를 통해 용융물(50)을 광학적으로 탐침하거나, 그렇지 않으면 이로부터 광학적 측정치를 수득할 수 있도록, 복합체 튜브(12)를 통한 방해받지 않는 경로를 제공한다. 이러한 구현예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 경로는 가스 채널 또는 가스 유동 경로를 추가적으로 정의하며, 이는 사용 시 침지 튜브(14)의 제1 단부(14.1)에서의 방출을 위한 복합체 튜브(12)를 통한 불활성 가스의 유동을 허용함으로써 광학적 감지 시스템에 의해 광학적 측정치가 측정될 수 있는 버블(52)을 형성한다. 즉, 불활성 가스는, 용융물(50)에 대한 광학 탐침이 주입된 불활성 가스에 대해 노출된 조건 하에서 해당 침지된 용융 표면에 대해 격리되도록, 복합체 튜브를 통해 주입되어 용융물 내의 침지된 용융 표면(예를 들어, 버블(52)의 내부 표면)을 형성할 수 있다. 즉, 광학적 측정치는 용융물(50) 내의 불활성 가스에 의해 형성된 버블(52)의 내부 침지된 용융 표면으로부터 취해질 수 있으며, 이에 따라 용융물(50) 조성을 보다 정확하게 반영할 수 있다. 전술한 바와 같이, 용융물(50) 내로 버블링된 가스는 용융물(50)과 반응하지 않거나 오염시키지 않을 수 있는 불활성 가스, 예컨대 아르곤일 수 있다. 아르곤은 광학 경로로부터 오염 입자 물질을 제거하기 위해 추가로 기능할 수 있으며, 이에 따라 정확한 광학적 측정을 유지할 수 있게 한다. 이러한 구현예에서, 아르곤은 도시된 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리(10)의 상단부에 배열된 유입구(17)에 의해 가스 채널로 진입한다. 이러한 유입구(17)는 상류의 가압된 불활성 유체 공급원(미도시)에 연결될 수 있다. 본원에 도시되지 않은 일부 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 복합체 튜브(12)에 의해 정의된 가스 채널 내로의 불활성 가스, 예컨대 아르곤의 유동을 제어하는 수단을 포함할 수 있다. 특히, 일부 구현예는 가스 채널 내에서 비교적 일관된 압력을 유지하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이러한 수단은 압력 밸브 등을 포함할 수 있다.
이제 쉬라우드(18)를 논의하면, 이는 해당 실시예에서 2개 또는 3개의 나사에 의해 복합체 튜브(12)에 연결된다(쉬라우드(18)를 복합체 튜브에 연결하기 위한 다양한 수단이 적어도 일 단부에서 고려됨). 바람직하게는, 사용 중, 복합체 튜브(12)(침지 튜브(14), 연장 튜브(16) 또는 커플링부(22))에 파단, 균열 또는 다른 손상이 발생하여 밀봉부의 누출 또는 파손이 발생하는 경우, 케이싱 체적(20) 내의 불활성 가스는, 압력 차이에 기인하여(Venturi 효과와 유사함), 이를 통해 침투하고 복합체 튜브(12) 내의 광학 경로에 진입할 수 있다. 따라서, 연장 튜브(16)가 금속을 포함하고, 침지 튜브(14)는 ZSBN을 포함하는 이러한 구현예에서, 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이, 케이싱 체적(20) 내의 커플링부(22)를 둘러싸는 가압된 불활성 가스는 금속 및 ZSBN의 자연 팽창에서의 임의의 차이를 보상할 수 있으며, 이에 따라 광학적 측정치가 수득되는 복합체 튜브(12)의 광학 경로의 임의의 오염을 방지할 수 있다.
케이싱 체적(20) 내의 가압된 불활성 가스로부터 야기되는 적어도 부분적인 밀봉은 접합부를 밀봉하기 위한 커플링부(22)의 임의의 요구조건을 감소시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특히, 커플링(22)부는 접합부를 적어도 부분적으로 밀봉할 수 있지만, 케이싱 체적(20) 내의 가압된 불활성 가스는 외부적으로 양압을 인가함으로써 이를 보완할 수 있으며, 이에 따라 커플링부(22)가 밀봉부를 생성하지 않거나, 커플링부(22)에 임의의 누출이 발생하는 경우, 케이싱 체적(20) 내의 가압된 불활성 가스는 이를 통해 광학 경로로 유입(또는 흡수)되어, 광학 경로의 대기 오염(이는 벌크 용융물의 대표 표면을 오염시킬 수 있음)을 방지할 수 있다. 따라서, 쉬라우드(18) 및 사용 중, 케이싱 체적(20) 내의 가압된 불활성 가스는 커플링부(22)에 추가하여 복합체 튜브(12)를 위한 2차 밀봉 수단을 생성할 수 있다.
이러한 구현예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 쉬라우드(18)는 복합체 튜브(12), 특히 연장 튜브(16), 커플링(22) 및 침지 튜브(14)의 상단부(14.2)를 케이싱하거나 캡슐화하는 원통형 몸체를 갖는다. 이러한 구현예에서, 쉬라우드(18)는 대략적으로 40 mm 내지 50 mm의 내경을 갖는다. 쉬라우드(18)는 하나 이상의 내화성 물질로부터 제조되지만, 쉬라우드(18)는 일반적인 사용에서 용융물(50) 내에 삽입되지 않을 수 있기 때문에, 침지 튜브(14)에 필적하는 내부식성 및/또는 열충격 내성을 필요로 하지 않는다. 도시된 바와 같이, 침지 튜브(14)는, 사용 시, 쉬라우드(18)가 용융물(50)의 상부에서의 이격된 위치에서 위치되도록, 쉬라우드(18)의 하부 에지를 넘어 연장된다.
케이싱 체적(20)은, 기술된 바와 같이, 복합체 튜브(12)와 쉬라우드(18) 사이에 형성된다. 따라서, 케이싱 체적(20)의 공간은 복합체 튜브(12) 및 쉬라우드(18)의 각각의 체적에 의존한다. 쉬라우드(18)는 복합체 튜브(12)를 중심으로 동축을 이루며 배열되며, 그 사이의 케이싱 체적(20)을 정의한다. 특히, 케이싱 체적(20)은, 일부 구현예에서, 불활성 가스가 그 내부에 수용될 경우 커플링부(22)에 적어도 양압을 인가하도록 충분히 형상화되고 치수화될 필요가 있을 수 있다. 이러한 구현예에서의 내화성 랜스 어셈블리(10)는 쉬라우드(18)에 배열된 유입구(24)를 포함하며, 가압된 불활성 가스는 이를 통해 케이스 체적(20) 내로 수용된다. 유입구(24)는 상류의 가압된 불활성 가스 공급원(미도시)에 연결될 수 있다. 이러한 구현예에서의 내화성 랜스 어셈블리(10)는 쉬라우드(18) 내에, 특히 이의 하단부에 배열되는 유출구(26)를 추가로 포함하며, 가압된 불활성 가스는 이를 통해 케이싱 체적(20)으로부터 외부 환경(내화성 랜스 어셈블리(10)의 외부)으로 방출된다. 따라서, 이러한 구현예에서, 캐이싱 체적(20)은 구체적으로 빈 공간으로 간주될 수 있다. 유출구(26)를 통해 케이싱 체적(20)으로부터 방출되는 임의의 가압된 불활성 가스는, 용융물(50)의 상부 표면으로 침전되거나 가라앉을 수 있으며, 이에 따라 용융물(50)의 상부 노출된 층의 산화 전위를 추가로 감소시킬 수 있다. 산화 전위의 감소는, 일부 구현예에서, LIBS로 수행되는 광학 탐침의 정확도를 추가로 향상시킬 수 있다.
이러한 특정 구현예에서, 전술한 바와 같이, 가압된 불활성 유체는 가스, 특히 아르곤(Ar)을 포함하며, 상류의 가압된 불활성 유체 공급원은 가압된 아르곤 공급원을 포함한다. 따라서, 이러한 구현예에서 나타낸 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 2개의 아르곤-함유 채널, 또는 아르곤 유동 경로를 포함하며, 이 중 하나는 광학 경로를 가로질러 용융물(50) 내로 버블을 발생시키고, 다른 하나는 침지 튜브(14)와 연장 튜브(16) 사이의 접합부를 밀봉한다. 이러한 구현예에서 아르곤이 채널 또는 경로 둘 모두에서 이용되지만, 다른 구현예에서는 임의의 불활성 유체(및 각 채널에서의 잠재적으로 상이한 유체)가 사용될 수 있다는 것을 인지해야 한다. 아르곤 가스는 공기보다 무거우며, 따라서 전술한 바와 같이, 유출구(26)를 빠져나갈 때 침전될 것으로 예상된다는 것을 추가로 이해해야 한다. 다른 비교적 무거운 불활성 가스 또한 해당 목적에 적합할 수 있다. 또한, 아르곤 가스는 열전도율이 낮기 때문에, 예를 들어 공기와 달리 보다 양호한 절연체이다. 다른 상대적으로 절연성이 있는 단원자 가스, 또는 추가적으로 가스의 조합 또한 해당 목적에 적합할 수 있다.
이러한 구현예의 한 가지 이점은 내화성 랜스 어셈블리(10)가 1500℃를 초과하는 온도를 견디기 위해 어떠한 냉각 메커니즘 또는 냉각 유체를 필요로 하지 않는다는 것을 포함할 수 있다. 복합체 튜브(12) 및 쉬라우드(18) 둘 모두 내화성 물질로 제조될 수 있으며, 이러한 경우 적어도 침지 튜브(14) 또는 최소한 침지 팁(14.1)은 1500℃를 넘는 온도를 견딜 수 있다. 이와 같이, 가압된 불활성 가스(이러한 구현예에서, 가압된 불활성 가스는 아르곤임)는, 내화성 랜스 어셈블리(10)를 냉각시키기 위해 냉각될 필요가 없다. 그럼에도 불구하고, 내화성 랜스 어셈블리(10)의 작동에 반드시 필요한 것은 아니지만, 일부 구현예에서, 압축된 아르곤 가스가 비교적 낮은 수준의 냉각을 제공할 수 있다는 것을 인지해야 한다.
이제 광학적 감지 시스템을 논의하면, 이러한 구현예에서, 광학적 감지 시스템은 도 1에 나타낸 바와 같이, 레이저-유도 분해 분광법(LIBS) 시스템을 포함한다. 보다 구체적으로, 내화성 랜스 어셈블리(10)는, 용융물(50)로부터 LIBS 조성 측정치의 형태로 광학적 측정치를 얻기 위해, 광학 윈도우에서 LIBS 시스템에 기계적으로 연결될 수 있다. LIBS 시스템은, 예를 들어, 짧고 강력한 레이저 펄스의 방출을 위한 레이저 공급원(예를 들어, 액티브 Q-스위칭이 구비된 플래시 램프-펌핑 또는 다이오드-펌핑 고상 레이저 공급원), 레이저가 방출되는 광학 윈도우, 레이저와 동일한 측면에 있는 검출 수단(예를 들어, 라인 또는 2-D 카메라, 또는 강화된 CCD(charge-coupled device) 카메라), 및 검출된 방사선으로부터 스펙트럼 정보를 추출하기 위한 적어도 하나의 분광계를 포함할 수 있다. LIBS 시스템에 대한 이러한 기계적 연결부의 부품을 구성하는 모든 구성요소는 내열성일 수 있으며, 심지어 1500℃ 초과의 온도를 견딜 수 있을 수 있다. 이러한 기계적 연결부의 부품을 형성할 수 있는 구성요소는, 예를 들어, 칼라, 체결 수단, 밀봉부 등을 포함할 수 있다.
숙련된 기술자는 LIBS 시스템의 민감도를 대체적으로 이해할 것이며, 따라서, 사용 중 임의의 균열, 누출 또는 다른 현상이 발생하는 경우, 복합체 튜브(12)의 광학 경로에 진입할 수 있는 가압된 불활성 가스(구체적으로, 아르곤)을 포함하는 커플링부(22) 및 케이싱 체적(20) 둘 모두에 의해, 복합체 튜브(12)의 광학 경로가 대기에 의해 오염되지 않도록 보장하는 것의 이점을 인지할 것이다.
사용 시 내화성 랜스 어셈블리(10)는, 예를 들어 열충격을 방지하기 위해, 침지 튜브(14)를 용융물(50) 내로 삽입하기 전 예열을 필요로 할 수 있다. 이러한 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 용광로 내에서, 용융물(50) 바로 위(일반적으로 단지 수 밀리미터 위)의 위치에 침지 튜브(14)를 위치시키고, 버블링을 시작하고 LIBS 조성 측정을 얻기 위해 침지 튜브(14)의 제1 단부(14.1)(구체적으로, 침지 팁)를 용융물(50) 내에 천천히 삽입하기 전, 사전 결정된 기간 동안 해당 위치에 내화성 랜스 어셈블리(10)를 유지함으로써 예열된다. 내화성 랜스 어셈블리(10)의 이러한 예열은 내화성 랜스 어셈블리(10)가 연결된 LIBS 시스템을 활성화하기 전에 수행될 수 있다.
용융물(50)(구체적으로, 버블(52)의 침지된 용융 표면에서의 용융물)로부터 취해진 LIBS 조성 측정치는, 예를 들어, 스펙트럼 시그니쳐로서 작업자에게 제시될 수 있는 원소 조성 및/또는 농도를 포함하거나, 그렇지 않은 경우, 백분율, 수준 등의 원소 조성 및/또는 농도를 제공하도록 추가로 처리될 수 있다. 조성 측정치는 작동 조건이 (예를 들어, 용융물의 조성 및/또는 농도와 관련하여) 원하는 결과를 생성하기 위한 것인지, 또는 온도와 같은 하나 이상의 작동 조건에 대한 조정이 필요한지의 여부를 작업자에게 알릴 수 있다. LIBS 조성 측정치는 또한 용융물(50) 중 하나 이상의 개재물(미도시)로부터의 조성 측정치를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 개재물은 일반적으로, 예를 들어 슬래그로부터 유래할 수 있는 외인성 개재물, 및 용융 공정 중에 발생하는 내인성 개재물을 포함한다. 특히, 개재물은 산화철, 구리 또는 니켈 산화물, 또는 용융물(50) 중에 용해되지 않는 임의의 다른 고체 금속간 성분을 포함할 수 있다. 이러한 개제물은 또는 비금속 개재물을 포함할 수 있다. 용융물(50) 중 하나 이상의 개재물로부터의 LIBS 조성 측정치 수득은, 적어도 부분적으로, 해당 용융물(50)의 순도 또는 청정도를 나타낼 수 있다. 특히, 이러한 구현예에서는, LIBS 시스템과 조합된 내화성 랜스 어셈블리(10)를 통해 식별될 수 있는 개재물의 존재 뿐만 아니라, 원하는 경우 해당 개재물의 특정 조성 또한 식별될 수 있다. 개재물 조성의 식별은 용융 공정에 정보를 제공할 수 있다; 예를 들어, 개재물을 감소시키기 위해, 용융물(50)을 특정 온도(들)에 노출시킬 수 있다.
이러한 구현예에서, 용융물(50)은 적어도 부분적으로 용융된 금속을 포함한다. 예를 들어, 적어도 부분적인 용융된 금속은 철, 스틸, 니켈, 구리, 백금, 및 이들의 합금일 수 있다. 내화성 랜스 어셈블리(10)의 구체적인 응용은 1500℃를 초과하는 용융 온도가 요구되는 철강 산업에서 고려된다. 예를 들어, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 제강 정련 공정에서 사용될 수 있다. 그러나, 본 개시를 참조하여 숙련된 기술자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 높은 용융 온도를 갖는 임의의 금속으로부터 LIBS 조성 측정값을 수득하는 데 사용될 수 있다. 내화성 랜스 어셈블리(10)는 특히, 예를 들어, 결과적으로 민감한 LIBS 측정에 영향을 미칠 수 있는, 산화되기 쉬운 용융 철 금속에 사용될 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이, 사용 중, 침지 튜브(14)의 일 단부 또는 팁만이 용융물(50)에 침지되고, 단부 또는 팁은 통상적으로 용융 금속에 도달하기 전에 용융 슬래그와 접촉한다.
이러한 구현예에서, LIBS 시스템은 용융물(50)에서(특히, 버블(52)의 침지된 용융 표면에서) (스펙트럼 프로파일의 일부로서의) 산소 스펙트럼 라인을 모니터링하도록 배열된 추가의 분광계를 추가로 포함한다. 산소 스펙트럼 라인은, 일부 구현예에서, 용융물(50) 내에서, 구체적으로 용융물(50)의 버블(52)의 내부 표면에서의 산화물 형성을 나타낼 것이다. 산소(O2) 농도에 대한 정보는 (LIBS 시스템 정확도에 영향을 미칠 수 있는) 가능한 산화의 발생을 작업자에게 알리는 데 관련될 수 있으며, 이는 LIBS 조성 측정치가 수득되는 동안 작업자가 용융물(50)의 산화를 방지하기 위한 조치를 취할 수 있도록 할 수 있다. 달리, 적용 가능한 경우, 산소 농도에 대한 정보는 열 사이클 동안 또는 열 사이클 후 용융물(50)에서 예상되는 용융 특성을 작업자에게 알리는 데 관련될 수 있다.
이러한 구현예에서, LIBS 시스템은 예를 들어 합금강 및 주철의 원하는 특성을 달성하는 데 중요한 강철 중 탄소(C) 농도를 측정하기 위해 247.8nm 스펙트럼 라인을 특정적으로 이용할 수 있다. 숙련된 기술자에게 공지된 바와 같이, 강철 중 탄소는 0.001%(또는 10 μg/g) 미만 내지 2% 이상의 질량 분율을 포함할 수 있으며, 특히 가장 민감한 라인이 진공 자외선(VUV) 파장 범위에 있기 때문에, 해당 파장에 적합한 검출 시스템과 방사선의 강한 흡수를 회피하기 위한 진공 또는 불활성 가스 조건이 필요하다는 점에서, 낮은 수준에 대한 분광화학적 측정은 난이도가 높다. 전술한 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리(10)의 침지 튜브(14)는 용융물(50) 내에 직접 삽입되며, 따라서, 용융 표면과 검출 사이의 거리를 최소화하고, 전술한 바와 같이, 복합체 튜브(12)에 아르곤을 충진하여 용융물(50) 내로 버블을 형성함으로써, 용융면의 산화를 최소화한다. 바람직하게는, 예를 들어 193 nm 라인을 대신하여 247.8 nm 라인을 사용하여, 긴 광섬유가 사용될 수 있도록 할 수 있다. 특히, 원자 분광법에서는, 193.1 nm 또는 247.8 nm에서 탄소 라인을 모니터링하여 원자 방출 분광법에 의한 탄소 검출을 수행할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 247.8 nm는 철 라인으로부터 간섭을 받게 되고, 193 nm는 간섭은 없지만 LIBS의 광섬유를 통한 전송에 흡수가 발생하게 된다. 247.8 nm를 사용하기 위해, 247.8의 탄소 라인과 동일한 여기 수준을 갖는 다른 철 라인을 사용할 수 있다. 탄소 라인 247.8 nm를 간섭 라인에서 차감시킬 수 있으며, 이에 따라, 193 nm 탄소 라인에 의존하는 대신, 이를 광섬유에서 사용할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리(10)의 특정 응용이 철강 산업에서 고려된다. 예를 들어, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 레들 야금 설비(LMF) 및 진공 탈가스 장치(VD)와 같은 제강 2차 야금에 활용될 수 있다. 내화성 랜스 어셈블리(10)는 해당 공정에서 요구되는 온도를 견딜 수 있기 때문에, 실시간 연속 조성 측정을 통해 합금 및 플럭스 사용의 추세를 보다 양호하게 파악할 수 있으며, 이에 따라, 배치를 비우기 전에 각각의 샘플을 수득하고 분석하는 데 필요한 처리 시간을 없앨 수 있는 동시에, 시간이 지남에 따라 상당한 비용 절감 효과로 이어질 수 있다. 이를 설명하기 위해, 사이클 타임이 40분이며, 이 중 4분은 다음 공정 결정을 내리기 전에 샘플을 수집하고 분석하는 데 필요한, 일반적인 배치를 가정한다. 이러한 시나리오에서, LIBS에 커플링된 내화성 랜스 어셈블리(10)를 사용하여 실시간 연속 조성 측정치가 취해질 수 있는 경우, 최대 10%의 생산성 향상이 가능해진다. LIBS에 커플링된 내화성 랜스 어셈블리(10)는 일반적으로 물리적으로 샘플링할 수 없는 진공 하 VD에서 특히 유용할 수 있다. 또 다른 예에서, 내화성 랜스 어셈블리(10)는 고로 제선 공정, 특히 고로 출선구에서의 용선 또는 선철의 조성 측정을 위해 이용될 수 있다. 여기에서, 용선 생산에 있어서의 평균 용선 중 실리콘(Si)의 감소를 통해 비용 절감이 달성될 수 있다. 이러한 용도 및 이점은 복합체 튜브(12) 자체뿐만 아니라 내화성 랜스 어셈블리(10), 및 본원에 설명된 다른 구현예 모두에 적용될 수 있다.
이제, 도 2 내지 6을 참조하여, 그리고 추가의 예시적인 일 구현예에 따른, 대체적으로 번호 200을 사용하여 참조되는 내화성 랜스 어셈블리가 설명된다. 이러한 구현예에서의 내화성 랜스 어셈블리(200)는 도 1의 예시적인 구현예와 원칙적으로 유사하며, 따라서 간결함을 위해 가능한 경우 공유된 특징부는 생략될 것이다. 이러한 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리(200)는 1500℃ 이상의 온도에서 부식 및 열충격에 실질적으로 내성인 복합체 튜브(108)(도 3에 가장 잘 도시됨)를 포함한다. 복합체 튜브(108)는, 이를 통한 광학 경로(110)를 정의하며, 용융물 내에 삽입 가능한 제1 단부(102.1)와, 이의 길이를 길이방향으로 연장시키기 위해 연장 튜브(104)(또는 제2 튜브)와 커플링되는 제2 단부(제1 단부와 대향함)를 갖는 침지 튜브(102)(또는 제1 튜브), 및 침지 튜브(102)와 연장 튜브(104) 사이의 접합부에 배열되어 접합부를 적어도 부분적으로 밀봉하는 커플링부(106)을 포함한다.
내화성 랜스 어셈블리(200)는, 복합체 튜브(108)와 쉬라우드(202) 사이에, 사용 시 가압된 불활성 유체를 수용하는, 케이싱 체적(204)(또는 빈 공간)을 정의하도록 이격된 위치에서 침지 튜브(102)와 연장 튜브(104) 사이의 적어도 접합부를 둘러싸는 쉬라우드(202)(또는 슬리브)를 추가로 포함함으로써, 복합체 튜브(108)에 누출이 발생하는 경우, 상기 가압된 불활성 유체는 상기 케이싱 체적(204)으로부터 광학 경로(110)로 진입함으로써, 일관된 측정을 유지하기 위해 상기 광학 경로(110)의 오염을 방지한다. 이러한 구현예에서, 쉬라우드(202)는, 연장 튜브(104), 커플링부(106) 및 침지 튜브(102)의 제2 단부를 덮는 것으로 재차 도시되어 있다. 본원에 도시되지 않은 일부 구현예에서, 쉬라우드(202)는 기밀 밀봉부를 생성하기 위해 하나 이상의 밀봉부를, 예를 들어 쉬라우드(202)와 침지 튜브(102) 사이에, 추가로 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구현예와 유사하게, 이러한 어셈블리는 침지 튜브(102)와 연장 튜브(104) 사이의 접합부를 적어도 부분적으로 밀봉할 수 있으며, 일반적으로 커플링부(106) 아래의 침지 튜브(102)의 적어도 1인치를 덮을 수 있다. 그러나, 쉬라우드(202)가 커플링부(106), 또는 침지 튜브(102)를 완전히 케이싱하거나 덮지 않고, 커플링부(106)가 충분한 밀봉을 유지할 것으로 예측되는 다른 구현예가 고려된다.
이러한 구현예에서, 침지 튜브(102) 및 연장 튜브(104)는 유사한 열팽창 계수를 갖는다. 침지 튜브(102)는 전체적으로 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아를 포함하는, 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN) 형태의 비다공성 세라믹으로 제조되며, 연장 튜브(104)(침지 튜브보다 길이가 더 김)는 몰리브덴으로 제조된 금속 실린더를 포함한다. 이러한 특정 구현예에서, 도 2 내지 6에 도시된 바와 같이, 침지 튜브(102) 및 연장 튜브(104)는 유사한 직경을 가질 수 있으며, 여기에서 각각의 튜브(102, 104)의 단부는 서로에 대해 수평으로 접한다. 내화성 랜스 어셈블리(10)는 침지 튜브(102)와 연장 튜브(104) 사이의 이러한 접합부에 하나 이상의 밀봉부를 포함할 수 있다.
이러한 구현예에서, 복합체 튜브(108)는 상기 침지 튜브(102)와 상기 연장 튜브(104) 사이의 접합부에 배열되는, 침지 튜브(102) 및 연장 튜브(104)의 각각의 단부가 그 내부에 수용되어 상기 접합부 주위에 절연 덮개를 형성하는 튜브 커넥터 형태의, 커플러(106)를 추가로 포함한다. 튜브 커넥터(106)는 붕규산 또는 붕산칼슘 중 어느 하나로 제조된다.
이러한 구현예에서, 광학 경로(110) 내로의 유입구는 참조 번호 206으로 표시되며, 해당 구현예에서, 이는 아르곤 가스가 내화성 랜스 어셈블리(200) 내로 주입되는 곳이다. 그러나, 이러한 구현예에서, 쉬라우드(202)는 침지 튜브(102)에 근접한 단부에서 폐쇄 또는 밀봉됨으로써, 케이싱 체적(204)은 고정되거나 한정된 체적을 갖는다. 도시된 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리(200)는, 참조 번호 208로 표시된 유출구를 추가로 포함한다. 이러한 구현예에서, 유출구(208)는 케이싱 체적(204) 내에서 일정한 소정의 압력을 유지하기 위해 케이싱 체적(204)으로부터 아르곤 가스를 방출하는 일방향 압력 밸브를 포함한다.
이러한 구현예에서, 참조 번호 300은 내화성 랜스 어셈블리(200)를 LIBS 시스템에 연결하는데 사용되는 기계적 커플링부를 광범위하게 의미한다. 기계적 커플링부(300), 및 실제로 지시자 "E"로 둘러싸인 내화성 랜스 어셈블리(200)의 부분은 가변적이며, 예를 들어, 내화성 랜스 어셈블리(200)가 커플링될 특정 LIBS 시스템에 따라 달라질 수 있다는 것을 인지해야 한다.
이제 도 7 내지 9를 논의하면, 이들 그래프는, 종래의 실험실 기술("실험실 분석"), 및 또 다른 구현예에 따르는, LIBS 시스템에 커플링된 내화성 랜스 어셈블리를 사용하여 용융물로부터 취한 조성 측정치의 비교를 나타낸다. 해당 실험에 사용된 내화성 랜스 어셈블리는 이전 도면에 예시된 구현예와 유사하지만 동일하지는 않다.
도 7 및 8은 전술한 제철 응용 분야를 위해 설정된 실험실 규모의 실험에서의 이틀 동안의 시험 결과를 나타내며, 특히 선철의 실리콘(Si) 또는 망간(Mn)의 측정을 통해 이의 유용성을 입증한다. 실험 설정은 용융된 선철을 유지하기 위한 유도로, 및 크레인을 통해 유도로 위에 위치되는 LIBS 시스템에 커플링된, 일 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리(10)로 구성되었다. LIBS 시스템의 탐침은 1064 nm 파장에서 펄스당 300 mJ 에너지를 제공하는 Q-스위치 Nd:YAG 펄스 레이저로 구성되었다. LIBS 시스템의 광섬유는 플라즈마에 의해 방출되는 방사선을 수집하고 이를 상업적으로 이용가능한 분광계를 사용하여 원격으로 분석할 수 있게 한다. 여기에서, 3600 라인/mm 격자가 장착된 55 cm 초점 거리의 Czerny-Turner 분광계 및 CCD 카메라를 사용하여, 288.16 nm에서 Si(I), 및 293.31 nm에서 Mn(II)를 측정하였다. 또한, 탐침에는 193.09 nm에서 탄소를 측정하기 위한 맞춤형 진공 자외선(VUV) 분광계가 포함된다. 파장이 약 200 nm 이하로 감소함에 따라, 방사선은 대기 중의 산소 및 광섬유에 의해 점점 더 차단되었다. 따라서, 이러한 파장을 측정하기 위해, 플라즈마에 대해 직접적인 라인을 볼 수 있는 분광계가 설치되었다.
해당 실험에서, 절차는 유도로에서 약 35 kg 선철의 초기 충전물을 용융시키는 단계를 포함하였다. 용융된 용선은 약 0.15 중량% Si 및 0.01 중량% Mn의 초기 농도를 함유하였다. 용융된 충전물의 온도를 1480℃ 내지 1530℃로 상승시켰다(조 온도 측정을 통해 측정됨). 이어서, 크레인을 사용하여 내화성 랜스 어셈블리(10), 특히 침지 튜브의 단부 또는 팁을 하강시키고, 예열을 위해 몇 분 동안 용융물 위 약 2 인치에 위치시켰다(다른 예열 방법은 사용되지 않음). 예열된 후, 침지 튜브의 단부 또는 팁을 용융물 내에 삽입하고, LIBS 시스템의 탐침을 활성화하여, 아르곤이 복합체 튜브를 통해 유동하여 용융물 내에 버블을 형성하도록 하고, 내부 기포 표면으로부터 초당 2회의 레이저 펄스(2Hz)의 주파수로 최소 10분 동안 조성 측정을 수행하였다. 이에 이어서, 침지 튜브를 조로부터 제거하였다. 종래의 실험실 조성 분석, 특히 최적 방출 분광법(optimal emission spectroscopy, OES)을 위해 조 샘플을 채취하고, 일정한 조 온도를 보장하기 위해 온도 측정을 수행하였다. 후속하여, 관심 원소의 농도를 증가시키기 위해 철(II) 황화물(FeSi) 및 철 망간(FeMn)의 조 첨가물을 첨가하고, 첨가물이 용융물에서 균질화되도록 약간의 시간 동안 대기하였다. 해당 절차는 (일반적으로 최소 6회 추가에 대해) 여러 번 반복되었으며, 충분한 노 라이닝 무결성 및 안전성을 보장하기 위해 최대 온도에서 약 2시간의 가동 후 종료되었다.
전술한 바와 같이, 도 7 및 8은 2일 간의 시험 결과를 교정 곡선으로서 나타낸다. 두 도면 모두에서, 도면으로부터 나타낸 바와 같이, 상부 점선은 Si/Fe 신호를 반영하는 한편, 하부 점선은 Mn/Fe 신호를 반영한다. 수평 축은 기술된 바와 같이, 종래의 기존 샘플링 기술을 사용하여 측정된, 용융물 중 Si 및 Mn 원소의 농도(중량%)를 반영한다. 수직 측은 LIBS 시스템에 커플링된 내화성 랜스 어셈블리로 직접적으로 측정된, 특성 스펙트럼 선에서 측정된 광자 수의 비율로서 표시되는, Si 및 Mn 원소의 농도를 반영한다. 선택된 2개의 Si 및 Mn 스펙트럼 라인에서 측정된 광자 계수는, 공지된 정규화 절차에 따라, 이에 상응하는 Fe 스펙트럼 라인에서 측정된 광자 계수로 나뉜다. 도 7 및 8 둘 모두에서, 점선은 데이터에 대한 2차 다항식 최소 제곱 피팅에 해당한다. 오차 막대의 수직 높이는 2의 표준 편차에 해당한다(평균 100개 스펙트럼/데이터 포인트당 50초 측정 사용). 본 결과는 Si 및 Mn 측정에 대해, 각각 ±0.008% 및 ±0.013%의 측정 정확도에 해당한다.
숙련된 기술자는 이러한, 일단 확립된 검량선이 LIBS 기술의 기초가 된다는 점을 인식할 것이다. 주어진 기준 조건 세트(LIBS 시스템 구성, 광학 기하학, 대략적인 용융 화학 및 온도 등)에 대해, 설정된 검량선은, 시스템에 의해 임의의 지점에서 측정된 광자 계수를 사용하여, 임의의 시스템의 화학적 조성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 2일 동안의 검량선에 대한 상세한 비교는 이들이 미미하게 오프셋된다는 것을 나타낸다. 이는 2일 사이에 해당 실험 설정이 수정되었기 때문에 예상되는 것이었다. 특히, 1일차(도 7)에는, 29인치(73.7 cm) 길이의 내화성 랜스 어셈블리가 사용되었고, 2일차(도 8)에는 24인치(61.0 cm)의 내화성 랜스 어셈블리가 사용되었다. 다른 모든 조건이 동일하게 유지되는 경우, 보다 짧은 내화성 랜스 어셈블리는 LIBS 레이저의 레이저 펄스를 보다 작은 영역에 집중시키며, 이는 플라즈마 온도와 상대적 광자 방출 강도를 변경시킬 수 있다. 또한, 버블 표면 상의 레이저 초점은 두 측정일 사이에 다소 상이한 지점으로 설정되었다. 숙련된 기술자는 상용 시스템의 경우, 이러한 파라미터가 일정하게 유지되어야 하거나, 그렇지 않은 경우(이러한 파라미터의 변경이 설계상의 이점을 제공하는 경우) 다수의 검량선을 통해 해석되어야 한다는 것일 인지할 것이다. 이러한 변경에도 불구하고, 도 7 및 8은, 종래의 샘플링 기술로 측정한 값과 본 개시의 내화성 랜스 어셈블리 및 즉LIBS 시스템에 따라 측정한 값 사이에서, 직접적인 관계를 갖는 검량선 추세를 나타낸다.
도 9는, 주어진 샘플에 대한 조성 측정치, 특히 구성 성분 농도의 측정치의 그래프로서, 측정은 종래의 실험실 기술(수평축) 및 일 구현예에 따른 내화성 랜스 어셈블리를 사용하는 LIBS(수직축)로 수행되었으며, 이는 유사한 결과가 얻어짐을 나타낸다. 이러한 특정 실험실 설정에서, 용융물은 구리-니켈 매트(matte)였다. 범례에 나타낸 바와 같이, 상이한 표시는, 특히 구리(Cu)-원, 니켈(Ni)-삼각형, 철(Fe)-사각형, 코발트(Co)-플러스 기호(+), 및 황(S)-다이아몬드를 포함하는, 구리-니켈 매트 중 상이한 원소에 대해 취해진 조성 측정치를 나타낸다. 수평축은 특히, 구리-니켈 매트 용융물로부터 시험 샘플을 획득하고, 시험 샘플을 제조한 다음, 실험실 분석을 수행함으로써, 종래의 실험실 기술로 결정된 구리-니켈 매트 용융물의 농도를 반영한다. 수직축은 LIBS 시스템에 커플링된 내화성 랜스 어셈블리로 직접적으로, 즉 실시간 및 연속 측정으로 제공됨으로써 결정된 구리-니켈 매트의 농도를 반영한다. 도시된 바와 같이, 이러한 추세는 종래의 샘플링으로 취해진 측정치와 내화성 랜스 어셈블리 및 LIBS 시스템으로 실시간으로 취해진 측정치 간의 직접적인 관계를 반영한다. 그러나, 내화성 랜스 어셈블리 및 LIBS 시스템으로 취해진 측정은 실시간으로 분석 시간을 단축하여 동일한 결과를 얻을 수 있도록 함으로써 효율성을 높인다. 분석 시간의 단축은 해당 분석과 관련된 에너지 비용, 특히 로의 온도 유지와 관련된 에너지 비용을 줄일 수 있다. 또한, 고온 야금 공정에 대해, 본 개시에 의해 활용될 수 있는 분석 시간의 전반적인 감소에 의해 온실 가스 배출이 감소될 수 있다.
따라서, 도 7 내지 9는, 본 내화성 랜스 어셈블리의 구현예가 조성 측정치를 수득하는 데 있어서 종래의 실험실 기술에 대한 적절한 대안을 제공한다는 것을 예시한다. 추가적으로, 숙련된 기술자가 본 개시를 참조하여 인지할 수 있는 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리의 구현예는 매우 높은 온도에서 활용될 수 있으며, 종래의 실험실 기술과 상이한 결과를 생성할 수 있는 임의의 심각한 대기 오염을 겪지 않을 수 있다(용융된 벌크의 대표적인 표면이 보존됨).
본 개시의 또 다른 양태(미도시)는 1500℃ 이상의 온도에서 부식 및 열충격에 실질적으로 내성을 갖는, 적어도 일부에 비다공성 세라믹을 포함하는 제1 단부를 갖는 튜브를 포함하는 내화성 랜스 튜브를 제공하며, 이에 따라, 상기 제1 단부는 1500℃ 이상의 온도에서 용융물 내에 삽입될 수 있다. 다른 구현예에서, 비다공성 세라믹은, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 함유하는 질화붕소, 또는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아로 구성된 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN) 중 어느 하나 이상을 포함한다. 내화성 랜스 튜브는, 전술한 바와 같이, 내화성 랜스 어셈블리를 제공하기 위해, 튜브의 제1 단부가 쉬라우드 또는 슬리브로부터 돌출되도록 쉬라우드 또는 슬리브 내로 수용될 수 있다.
따라서, 일부 구현예에서, 고온의 용융 물질에 사용하기에 적합한 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브가 제공될 수 있다. 일부 구현예에서, 1500℃ 이상의 온도를 견딜 수 있는 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브가 제공될 수 있다. 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브는 능동 냉각 시스템을 필요로 하지 않을 만큼 충분히 내열성이 있을 수 있으며, 작동 중 안전성이 향상시킨다. 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브의 구현예는 철강 산업에 사용될 수 있고/있거나 온도 제어가 어려운 용광로에서 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 불투과성이고, 고온에서의 사용 중 손상, 균열 또는 누출 형성을 방지하도록 충분한 기계적 강도를 제공하는 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브가 제공될 수 있다. 또한, 일부 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브는 용융 금속 및/또는 용융 슬래그에 의한 부식에 내성이 있을 뿐만 아니라 열충격에 내성이 있을 수 있다. 일부 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브는 고온에서 실질적으로 화학적으로 안정적일 수 있다. 예를 들어, 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브는 고온에서 산화되지 않을 수 있다. 바람직하게는, 전술한 이점에 추가하여, 일부 구현예에서, 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브는 재사용 가능하며, 2회 이상의 열 사이클에 걸쳐 반복적으로 이용될 수 있다. 이러한 재사용성은 LIBS 시스템 및/또는 금속 프로세싱 또는 모니터링과 연관된 비용을 줄일 수 있다.
내화성 랜스 어셈블리 또는 튜브는 내화성 랜스 키트(미도시)의 일부로서 제공되는, 본원에 개시된 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브의 추가의 구현예가 고려된다. 하나의 예시적인 키트는 침지 튜브, 탈착식 커플링 및 복수의 길이 가변식 연장 튜브를 포함할 수 있다. 또 다른 예시적인 키트는 복수의 침지 튜브, 탈착식 커플링, 및 다용도 연장 튜브를 포함할 수 있다. 키트는 본원의 다른 구현예에 개시된 바와 같은 쉬라우드 또는 슬리브를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
본원에 개시된 내화성 랜스 어셈블리 및 내화성 랜스 튜브의 다양한 구현예는, LIBS 시스템과 같은, 보다 광범위한 광학적 감지 또는 탐침 시스템의 일부를 형성할 수 있다는 것을 인지해야 한다. 일 구현예에서, 높은 조업 온도에서 용융물의 구성요소를 측정하기 위해 작동하는 LIBS 시스템이 제공될 수 있으며, 여기에서, LIBS 시스템은 다음 중 하나 이상을 포함한다: 용융물에 침지될 수 있는 내화성 랜스 어셈블리(전술한 구현예 중 어느 하나와 유사한 특징부를 가짐); 짧고 강력한 레이저 펄스를 방출하는 레이저 공급원; 내화성 랜스 어셈블리의 광학 경로 내로 레이저가 방출되는 광학 윈도우; 레이저와 동일한 측면에 있는 광학 윈도우 상의 검출 수단; 및 검출된 방사선으로부터 스펙트럼 정보를 추출하기 위한 적어도 하나의 분광계(일부 구현예에서, 다양한 스펙트럼 정보를 추출하기 위한 다중 분광계). 이러한 광범위한 LIBS 시스템은 본 개시의 또 다른 양태를 형성하는 것으로 고려된다.
본 개시의 다른 구현예는 추가적으로, 용융물(미도시)의 구성요소를 광학적으로 탐침 또는 측정하는 방법과 관련될 수 있다. 일 구현예에서, 용융물의 구성요소를 탐침하는 방법이 제공될 수 있으며, 이는 다음의 광범위한 단계를 포함한다:
· 내화성 랜스 어셈블리를 제공하는 단계로서, 내화성 랜스 어셈블리는 복합체 튜브 및 복합체 튜브를 적어도 부분적으로 케이싱하는 쉬라우드를 포함하며, 여기에서 복합체 튜브는 침지 튜브, 연장 튜브 및 선택적으로, 이들 사이의 커플러를 포함하는, 단계;
· 침치 튜브의 적어도 침지 팁이 예열되도록, 내화성 랜스 어셈블리를 예열하는 단계;
· 침치 튜브의 침치 팁을 용융물 내에 삽입하는 동시에, 복합체 튜브와 쉬라우드 사이에 불활성 가스를 주입하는 단계.
방법의 일부 구현예에서, 불활성 가스는 또한 복합체 튜브를 통해 주입됨으로써 침지 팁에서 버블을 발생시켜 탐침을 위해 침지된 용융 표면을 형성할 수 있다. 일부 구현예에서, 방법은 부식, 균열 또는 다른 마모가 발생한 후, 침지 튜브를 교체 침지 튜브로 대체하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기에서 연장 튜브는 일반적으로 2회 이상의 열 사이클에서 재사용 가능하다.
전술한 모든 장점은 이러한 고융점 금속에 사용되는 기존 샘플링 기술에서 발생하는 시간 지연 및 오류 없이, 고온에서 용융 금속(산화되지 않음)의 실시간 인라인 및 직접(또는 인-시츄) 조성 측정치를 수득하는 방법을 제공하는 데 있어서 가장 의미를 갖는다.
본 개시의 구현예는 종래 기술에 비해 다양한 이점을 제시한다. 본원에 제시된 장점은 완전한 목록을 제공하기 위한 것이 아니라, 단순히 고려되는 이점 중 적어도 몇몇을 설명하기 위한 것이다. 숙련된 기술자는 본 개시의 대체적인 범위 및 본질에 잘 속하도록 의도된 본 개시의 추가적인 장점 및/또는 응용을 인지할 것이다.
본 개시는 예시적인 목적을 위해 다양한 구현예를 설명하지만, 이러한 설명은 해당 구현예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 본원에 기술되고 예시된 본 출원인의 교시는, 본 구현예에서 벗어나지 않는, 다양한 대안, 변형예, 및 균등물을 포함하며, 이의 일반적인 범위는 첨부된 청구범위에 정의되어 있다. 본 방법 자체에 요구되거나 고유한 정도를 제외하고, 본 개시에 기술된 방법 또는 프로세스의 단계 또는 해당 단계에 대한 특정 순서는 의도되거나 암시되지 않는다. 많은 경우, 방법 단계의 순서는 기술된 방법의 목적, 효과, 또는 의미의 변경 없이 변경될 수 있다.
본 개시에 상세히 도시되고 기술된 정보는 전술한 본 개시의 목적, 본 개시의 현재의 바람직한 구현예를 충분히 달성하게 할 수 있으며, 따라서, 본 개시에 의해 광범위하게 고려되는 주제를 대표한다. 본 개시의 범위는 통상의 기술자에게 명백할 수 있는 다른 구현예를 완전히 포함하며, 이에 따라, 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 수 있으며, 여기에서 단수로 이루어지는 요소에 대한 언급은, 명백하게 달리 기술되지 않는 한, "단지 하나뿐인 하나"를 의미하는 것이 아니라, "하나 또는 그 이상"을 의미한다. 전술한 바람직한 구현예 및 추가의 구현예의 요소에 대한, 당업자에 의해 고려되는 바와 같은 모든 구조적 및 기능적 등가물은 본 청구범위에 포함되는 것으로 의도된다. 또한, 본 개시에 의해 해결되고자 하는 각각의 모든 문제를 해결하기 위한 시스템 또는 방법에 대한 어떠한 요구도 존재하지 않으며, 해당 문제가 본 청구범위에 포함되기 위한 요건은 존재하지 않는다. 추가적으로, 본 개시에서 어떠한 요소, 구성요소 또는 방법 단계도 해당 요소, 구성요소 또는 방법 단계가 청구범위에서 명백하게 인용되는지의 여부와 상관없이 공개적으로 전용되도록 의도되지 않는다. 그러나, 첨부된 청구범위에 제시된 바와 같이, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 형태, 물질, 공작물 및 제작 재료의 세부 사항에 대한 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 점은, 당업자에게 명백할 수 있는 바와 같이, 본 개시에 또한 포함된다.
Claims (29)
- 용융물을 광학적으로 탐침하기 위해 광학적 감지 시스템에 사용되는 내화성 랜스 어셈블리로서, 상기 내화성 랜스 어셈블리는:
상기 용융물 내에 침지될 수 있는 침지 팁을 갖는 침지 튜브, 및 이의 대향 단부에 커플링되어 상기 광학적 감지 시스템과의 광학적 정렬을 위해 그 내부에 광학 경로를 정의하는 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 형성하는 연장 튜브로서, 상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는, 사용 시, 불활성 가스가 주입되어 상기 침지 팁을 통해 상기 용융물 내에 침지된 용융 표면을 형성하고, 상기 광학 경로를 통해 상기 불활성 가스에 노출됨으로서 상기 침지된 용융 표면을 광학적으로 탐침하는, 침지 튜브 및 연장 튜브; 및
상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 길이방향으로 케이싱하여 그들 상에 케이싱 체적을 정의하는 쉬라우드로서, 상기 침지 튜브의 상기 대향 단부와 상기 연장 튜브의 커플링부는 상기 케이싱 체적 내에서 케이싱되는 한편, 상기 침지 팁은 용융물 내의 침지를 위해 이로부터 길이방향으로 연장되고, 상기 케이싱 체적은 상기 커플링부를 통해 상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브 및 침지된 용융 표면의 유체 오염을 감소시키도록 상기 불활성 가스로 주입될 수 있는 쉬라우드;
를 포함하는 것인, 내화성 랜스 어셈블리. - 제1항에 있어서, 상기 쉬라우드는 상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 케이싱하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 쉬라우드는 상기 커플링부를 넘어 상기 침지 팁을 향하여 적어도 1인치만큼 연장되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제3항에 있어서, 상기 쉬라우드는 상기 커플링부를 넘어 상기 침지 팁을 향하여 적어도 2인치만큼 연장되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침지 팁 및 상기 연장 튜브는 유사한 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침지 튜브는 적어도 1500℃의 온도에서 구조적 무결성을 유지하도록 내부식성 및 열충격 내성을 갖는 한편, 상기 연장 튜브는 비교적 이보다 낮은 내부식성 및 열충격 내성으로 정의되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침지 튜브의 상기 대향 단부는 상기 연장 튜브의 커플링 단부 내에 꼭 맞게 수용되거나, 그 반대로 꼭 맞게 수용되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침지 튜브는 비다공성 세라믹 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제8항에 있어서, 상기 비다공성 세라믹 실린더는, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 함유하는 질화붕소, 또는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아를 포함하는 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN) 중 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침지 튜브의 적어도 상기 침지 팁은 절연 비다공성 세라믹층으로 코팅된 세라믹 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제10항에 있어서, 상기 세라믹 실린더는 산화알루미늄(알루미나)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 절연 비다공성 세라믹층은, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코니아를 함유하는 질화붕소, 또는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아를 포함하는 ZSBN 중 어느 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장 튜브는 몰리브덴, 크롬, 이리듐, 니오븀, 오스뮴, 텅스텐, 탄탈륨, 또는 이들의 합금 중 어느 하나 이상으로 제조된 금속 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장 튜브는 SiAlON, 또는 SiAlON II 중 어느 하나 또는 둘 모두로 제조된 비다공성 세라믹 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는 상기 침지 튜브와 상기 연장 튜브 사이의 커플링부에서 커플러를 추가로 포함하며, 여기에서 상기 커플러는 붕규산, 또는 붕산칼슘 중 어느 하나 또는 둘 모두로 제조되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는 상기 침지 튜브와 상기 연장 튜브 사이의 상기 커플링부에서 커플러를 추가로 포함하며, 여기에서, 상기 커플러는 상기 침지 튜브 및 상기 연장 튜브의 단부가 그 안에 수용될 수 있는 하나 이상의 페룰을 포함하며, 이에 따라 상기 하나 이상의 페룰은 상기 커플링부를 덮는 절연 덮개를 형성하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장 튜브는 2개 이상의 열 사이클에서 재사용 가능한 한편, 상기 침지 튜브는 하나 이상의 대안적인 침지 튜브로 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱 체적 내의 상기 불활성 가스는 용융 표면 산화를 감소시키기 위해 용융물을 향하여 방출되도록 가압되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 광학적 감지 시스템은 레이저-유도 분해 분광(LIBS) 시스템을 포함하며, 광학적 측정은 LIBS 조성 측정을 포함하며, 상기 광학 경로는 상기 LIBS 시스템과 광학적 정렬을 이루는 광학 윈도우에서 종결되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 용융물은 적어도 부분적으로 용융된 철, 스틸, 니켈, 구리, 백금, 또는 이의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 어셈블리.
- 용율물을 탐침하기 위한 내화성 랜스 튜브로서:
상기 용융물 내에 침지될 수 있는 침지 팁을 갖는 침지 튜브, 및 이의 대향 단부에 커플링되어 그 내부에 광학 경로를 정의하는 길이방향으로 연장된 복합체 튜브를 형성하는 연장 튜브를 포함하되,
상기 침지 튜브는, 적어도 1500℃의 온도에서 부식 및 열충격에 실질적으로 내성인 비다공성 세라믹으로 적어도 부분적으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브. - 제22항에 있어서, 상기 침지 튜브는 적어도 하나의 대안적인 침지 튜브로 대체될 상기 연장 튜브에 해제가능하게 커플링되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브.
- 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 비다공성 세라믹은, 질화붕소, 적어도 40%의 지르코늄 이산화물(지르코니아)을 함유하는 질화붕소, 또는 질화붕소 및 붕규산 유리의 매트릭스 중 약 45%의 지르코니아로 구성된 지르코니아 규산염 질화붕소(ZSBN) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브.
- 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연장 튜브는 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브.
- 제25항에 있어서, 상기 금속은 몰리브덴, 크롬, 이리듐, 니오븀, 오스뮴, 텅스텐, 탄탈륨, 또는 이들의 합금 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브.
- 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이방향으로 연장된 복합체 튜브는 상기 침지 튜브와 상기 연장 튜브 사이에 커플러를 추가로 포함하며, 여기에서 상기 커플러는 붕규산, 또는 붕산칼슘 중 어느 하나 또는 둘 모두로 제조되는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브.
- 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침지 튜브는 상기 침지 팁이 적어도 부분적으로 상기 비다공성 세라믹으로 코팅된 산화알루미늄(알루미나) 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브.
- 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 용융물은 적어도 부분적으로 용융된 철, 스틸, 니켈, 구리, 백금, 또는 이의 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내화성 랜스 튜브.
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