KR960016335B1 - 용융 금속중에 용해된 가스 농도 절정용 침적 프로브 - Google Patents

용융 금속중에 용해된 가스 농도 절정용 침적 프로브 Download PDF

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Abstract

없음

Description

용융 금속중에 용해된 가스 농도 절정용 침적 프로브
제 1 도는 용융 금속의 가스 함유량을 측정하는 장치의 개략도.
제 2 도는 제 1 도에 도시된 프로브의 본체를 제 3 도의 2-2선을 따라 절취한 확대 단면도.
제 3 도는 제 2 도의 3-3선을 따라 절취한 프로브의 단면도.
제 4 도는 본 발명에 따른 침적 프로브의 다른 형태를 제 2 도와 유사하게 도시한 단면도.
제 5 도 내지 제12도는 본 발명에 의한 프로브의 또다른 형태를 도시하는 입면도.
제13도 내지 제15도는 프로브의 표면과 용융 금속간의 접촉 정도를 증가시키기 위한 프로브의 상이한 배치를 도시한 도면.
제16도 내지 제18도는 본 발명에 따른 프로브를 사용하여 각기 다른 합금에 대해 측정한 실험 결과의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 프로브14 : 용융 금속
18 : 가스 유입구20 : 순환펌프
22,24 : 역지 밸브26 : 검출 셀
32 : 가스 배출구34 : 세정밸브
54 : 열전대
본 발명은 용융 금속중에 용해되어 있는 수소와 같은 가스의 농도를 측정하여 전체 용융 금속중에 가스의 함량이 얼마인가를 결정하는 측정 장치용 프로브(probe) 및 상기 프로브를 설치한 측정 장치에 관한 것이다. 특히, 용융된 알루미늄이나 알루미늄 합금 등과 같은 용융 금속중에 용해된 수소의 함량을 직접 측정할 수 있는 프로브와 측정 장치에 관한 것이다.
알루미늄이나 그의 합금을 포함하는 여러 금속들은 용융된 상태에서 대기중의 수분과 쉽게 화학 반응하여 가스 상태의 수소를 형성한다. 이러한 수소는 높은 가용성을 갖기 때문에 용융 금속에 쉽게 용해될 것이다. 이러한 현상은 특히 알루미늄이나 그의 합금일 경우 확실히 일어나며, 설명의 편의를 위해서 본 명세서에서는 이러한 금속의 경우를 예로 들어 설명하고자 한다. 알루미늄이나 그의 합금내에 있는 수소의 가용성은 특히 높으며, 약 700℃의 용융점에서 1mL STP/100g 정도이다. 그러나 고형 금속에서의 가용성은 상기 값의 1/10 정도에 불과하며, 이렇게 용해된 수소는 고형 금속의 후속 처리공정에서 많은 문제점을 야기한다. 예를 들면 용융 금속이 응고되는 도중에는 금속으로부터 상당한 양의 가스가 빠져나가는 경향이 높고, 이에 따라 고형 금속내에 기포가 생기게 된다. 상기 기포는 주조 강괴(ingot)에 균열을 발생시키는 원인이 되며, 후속하는 로울링 작업에서 심각한 피해를 가져오고, 결국 얇은 판 제품의 표면에 손상을 입히게 된다. 따라서, 금속을 주조하기에 앞서 용융된 금속에 함유된 가스를 뽑아내는 것이 필요하다. 가스를 뽑아내는 작업은 통상적으로 질소 또는 아르곤 같은 불활성 가스나 염화가스를 미세한 기포가 분포되어 있는 용융 금속에 주입시키는 것으로 이루어진다. 용융 금속중에 가스 추출용 매체를 주입시키기 위해 통상적으로 아르곤에 염소가 희석되어 있는 혼합물이나 하나 이상의 랜스(lance) 또는 회전 임펠러와 함께 사용된다. 가스 추출 작업의 효율을 높이기 위해서는 금속중에 함유된 수소의 정확한 농도의 파악이 중요하며, 이 농도 값에 의해 수소의 전체 함량이 결정되는 것이다. 상기 농도값을 측정하는 기술은 여러가지가 있다. 이러한 측정 기술중 대부분은 고형 금속의 샘플이 필요하고, 더욱이 분위기가 어수선한 주조 공장이 아닌 정결한 실험실에서나 쓸수 있는 매우 정밀한 분석 장치를 필요로 한다. 또한, 이러한 측정 방법은 매우 정밀한 것으로 알려져 있지만 측정 속도가 비교적 늦고, 주조 작업중에 "온라인(on-line)"방식으로 필요한 정보를 얻을 수 없는 단점이 있다.
현재까지 용융 금속중에서의 가스의 농도를 직접 측정하여 공장에서 온라인 식으로 분석 가능한 유일한 방법으로는 랜슬리(Ransley) 등에 허여된 미합중국 특허 제2,861,450호의 "텔레가스(Telegas)"방법이라는 것이 있다. 이 "텔레가스"장치는 용융 금속중에 침적(侵積)되는 침적 헤드를 갖는 프로브를 구비하는데, 상기 헤드는 내부에 챔버를 형성할 수 있도록 세라믹 필터로 막힌 주둥이가 있는 내열성의 비침투성 세라믹 재료로된 뒤집힌 수집용 컵 혹은 벨(bell)을 구비한다. 제 1 모세관은 헤드와 필터를 지나 아래쪽으로 연장하며, 동시에 제 2 모세관은 챔버의 내부로부터 위쪽으로 연장한다. 통상적으로 질소인 일정량의 불활성 가스는 제 1 모세관을 통해서 아래쪽으로 급송되고, 다시 제 2 모세관을 통해 위쪽으로 흡입됨으로써 장치의 내부를 순환하며, 이에 따라 헤드 근처의 용융 금속 내부에 기포를 발생시키고, 상기 헤드에 있는 컵은 위쪽으로 이동하는 기포를 수집한다. 이떼 세라믹 필터는 용융 금속이 유입구로 유입되는 것을 방지한다. 질소는 금속 가까이에 있는 수소중 일부를 수반한 채로 충분한 시간 동안(통상 5~10분) 연속적으로 순환되며, 이러한 순환은 질소/수소의 혼합물에 있는 수소의 분압이 평형값에 도달할 때까지 계속된다. 용융 금속에 용해된 수소의 가동성이 높기 때문에 상기 과정에 의한 수소의 농도 측정값은 곧 용융 금속 전체에서의 수소 농도를 나타낸다고 볼 수 있다.
평형 상태가 이루어지면, 반송 가스중의 수소 농도는 각각의 동일한 특정 셀내에 설치된 2개의 "핫-와이어(hot-wire)"형 측정 수단에 의한 전기 저항값의 차이를 측정함으로써 얻어진다. 상기 셀중 하나는 질소 및 수소의 혼합물을 수용하고, 다른 하나는 열전도성이 질소와 동일한 대기를 수용하다. 저항값의 차이는 브리지 회로에 의해 측정되며, 측정치는 전술한 실험실용의 분석 장치중 하나로 미리 결정된 수소 가스의 농도에 상응하도록 보정된다. 이 측정값은 공지된 여러 방법에 따라 용융 온도에 대해, 그리고 측정 장치에 사용되는 금속 또는 합금에서의 수소의 상이한 가용성에 대해서도 보정되어야 할 것이다.
그러나 이러한 종류의 침적 헤드는 여러 기술적인 문제점을 안고 있다. 첫째, 용융 금속에 대해 견뎌낼 수 있도록 그리고 용융 금속중에 용해된 수소의 확산에 대해서도 내침투성을 지닐 수 있도록 하여 실험 결과치에 오류가 발생하지 않게 상기 프로브를 고밀도의 세라믹 재료로 제조해야 한다는 점이다. 그러나 이러한 재료는 내열성 및 기계적 내충격성이 매우 낮기 때문에 조작을 잘못하면 손상될 뿐만 아니라 완전히 파손될 염려가 있다. 예를 들면, 용융 금속체에 프로브를 침적시키기 전에 이 프로브를 예열하는 것이 필요하고, 약한 내충격성을 고려하여 프로브를 용융 금속에 침적시키고 끄집어낼때 천천히 실시해야 하는 문제가 있다. 또한, 상기 프로브는 이론적으로 20~30회의 정확한 측정을 실시한 후 교체되는 것으로 알려져 있으나 심한 경우에는 용융 금속내에 단 3번을 침적시켜도 교체해야만 하는 경우도 발생한다. 이러한 경우의 일반적인 원인은 가스 혼합물이 프로브로부터 제거되는 분석 공정중에 액체 금속의 스플래싱(splashing : 튀게되는 현상)이 발생하기 때문에, 이로 인해 기공성의 세라믹 소자는 폐색되어 정상적인 기능을 다하지 못하게 하기 때문이다. 또한, 설계상의 문제 때문에 프로브의 제조비가 높은 문제도 있다. 상기 종래 방법은 프로브의 독특한 형상 때문에 신속하고 정확한 측정을 기대하기가 어렵다. 따라서, 만약 프로브가 용융 금속중에 수직을 유지하지 못할 경우, 반송 가스의 일부는 컵의 아래로부터 표면쪽으로 빠져나가기 때문에 측정값의 오류를 가져온다. 또한, 제 1 도관으로부터 기포가 나오는 가스는 이상적으로는 근처의 금속체속으로 균일하게 확산되어야 하나, 실제적으로는 도관의 외부벽에 잔류하는 경향이 있기 때문에 순환 시간이 상당히 증가하는 문제가 있다.
또다른 형태의 침적 프로브는 1985년 8월 26일에서 28일까지 노르웨이, 트론다임에서 개최되었던 "액체 알루미늄과 페로 합금의 정제와 합금"이라는 국제세미나에서 유니온 카바이드 코오포레이숀의 알.엔.도큰과 제이,에프.펠튼이 발표한 "용융 알루미늄에서의 인-라인(In-Line)형의 수소 분석"이라는 논문에 개시되어 있다. 이 프로브는 전술한 "텔레가스" 프로브에서 발견되는 결함 즉, 순환 가스가 프로브의 선단 주위에 엔빌롬(envelope)을 형성하여 반송 가스의 손실과 이에 따른 측정의 부정확성을 해소할 목적으로 이 "텔레가스" 프로브를 대체하고자 하는 것이었다. 이 논문에 의하면, 상기 프로브는 2개의 금속제로된 긴 동심형 튜브로 구성되고, 상기 2개의 튜브는 2개의 더 무거운 금속제 튜브에 부착되어 있다. 후자의 튜브는 그 외부면에 직조체의 세라믹 블랭킷을 구비함으로써 알루미늄중에서 분해되는 것으로부터 보호된다. 상기 2개의 더 무거운 튜브는 프로브의 측정 헤드이며, 세라믹 섬유 직포내의 공간은 용융 알루미늄으로부터의 수소를 아르곤 반송 가스로 전달되는 구역을 제공하게 된다. 상기 반송 가스는 측정 장치의 측정 부위까지 2개의 긴 동심 튜브를 통해 순환된다.
상기 프로브는 가스/알루미늄의 교화면의 면적이 철/알루미늄의 접촉면의 면적과 동일한 강철 구조물로 되어 있다. 그러나 작동 상태의 온도에서 고온의 강철은 수소에 대해 투과성이 있고 산화 반응을 한다. 이렇게 완성된 산화 강철은 용융 알루미늄과 발열 반응을 하고, 산화물은 수소와 반응하여 물이 생성되기 때문에 측정 결과에 오류가 발생한다. 또한, 구조상의 문제 때문에 세라믹 직포에 의해 둘러 쌓인 구역이 순환하는 반송 가스와 실제적으로는 아주 조금, 혹은 전혀 반응하지 못하는 "데드(dead)" 구역이 되고, 더욱이 유입구로부터 유출구까지 "짧은 회로 순환"의 유동 가스를 만들기 때문에 평형 상태에 도달하는 시간이 더욱 길어진다.
따라서, 본 발명은 용융 금속체중에 용해되어 있는 가스의 농도를 측정하는 새로운 형식의 장치를 제공하고자 하는 것으로, 특히 상기 가스의 농도를 직접 "온-라인"방식으로 측정하는 방법을 제공하고, 또한 상기와 같이 알루미늄중의 수소 농도를 측정하는데 사용하는 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명은 용융 금속에 침적시켜 이 용융 금속중에 용해되어 있는 가스의 농도를 결정하는 침적 프로브를 제공하게 되는데, 이 침적 프로브는, 가스는 투과시키고, 액체와 금속은 투과시키지 않으며 상기 용융 금속의 온도에 견딜 수 있는 내열성 재료로된 프로브 본체와, 프로브 본체의 내부로 가스를 유입시키는 가스 유입구와 이 가스 유입구로부터 이격 배치되어 가스를 외부로 배출시키는 배출구를 구비하고, 유입구로부터 배출구쪽으로 통과하는 가스는 용융 금속으로부터 프로브 몸체의 내부로 확산되는 가스를 연행하기 위해 프로브 본체의 내부를 가로질러 유동하게 된다.
또한, 본 발명은 용융 금속에 용해된 가스의 농도를 특정하는 측정 장치를 제공하게 되는데, 이 측정 장치는, 용융 금속에 침적시키기 위한 침적 프로브를 포함하며, 이 침적 프로브는, 가스는 투과시키고, 액체와 금속은 투과시키지 않으며 상기 용융 금속의 온도에 견딜 수 있는 내열성 재료로된 프로브 본체와, 프로브 본체의 내부로 가스를 유입시키는 가스 유입구와 이 가스 유입구로부터 이격 배치되어 가스를 외부로 배출시키는 배출구를 구비하고, 유입구로부터 배출구쪽으로 통과하는 가스는 용융 금속으로부터 프로브 몸체의 내부로 확산되는 가스를 연행하기 위해 프로브 본체의 내부를 가로질러 유동하며, 반송 가스의 공급 수단, 반송 가스 및 그 속에 연행되는 가스를 순환시키는 순환 가스 펌프, 반송 가스와의 혼합물내에 존재하는 가스의 비율을 측정하는 가스 농도 측정 수단, 용융 금속으로부터 프로브 본체 속으로 확산되는 가스를 연행하도록 프로브 본체를 통과하는 반송 가스를 순환시키는 폐쇄 회로를 만들기 위한 반송 가스 공급 수단, 프로브 본체로 향하는 유입구, 프로브 본체로부터 나온 배출구, 가스 순환 펌프 및 가스 농도 측정 수단을 연결하는 도관을 포함한다.
제 1 도에서는 특히 알루미늄 용탕 또는 그의 합금 용탕인 금속체(14)중에 침적될 가스 투과성이고 액체-금속 불투과성인 재료로 만들어진 단일체(12)의 프로브 소자(10)가 도시되어 있다. 상기 금속체(14)는 레들(ladle)이나 실험실 샘플의 경우와 같이 매우 안정된 것이거나, 주조로에서 나오는 용탕 유동류일 수도 있다. 상기 프로브 소자(10)의 특정 구조는 이하에서 상세히 설명된다. 소경(小俓)튜브(16)는 프로브 본체에 있는 가스 유입구(18)로부터 제 1 역지 밸브(22)를 통해 순환 펌프(20)로 연장하며, 다시 제 2 역지 밸브(24)를 통해 청수계(katharometer)(28)의 검출 셀(26)에 있는 가스 배출구로 이어진다. 또다른 소경의 튜브(30)는 프로브, 펌프 및 셀로 이루어진 폐쇄 회로를 구성하도록 단일체(12)로부터 가스 배출구(32)를 빠져나와서 청수계의 검출 셀(26)내에 있는 가스 유입구로 연장한다. 상기 튜브(30)는 T형 접합부를 포함하며, 이 접합부를 통해 가스 회로가 제어 가능한 세정 밸브(34)로 연결되는데, 상기 밸브(34)가 열리게 되면 질소인 세정 가스가 압축 가스 실린더(도시생략)인 공급원으로부터 회로 속으로 유입된다.
제 1 도에 도시한 실시예에 있어서, 반송 가스가 질소인 경우 공기가 적당한 비교 매체가 되기 때문에 청수계의 비교 셀(36)은 대기중으로 개방되어 있다. 그러나, 만약 아르곤 등과 같은 다른 종류의 반송 가스가 사용될 경우, 상기 가스를 함유하고 있는 비교 셀을 밀봉하던지 아니면 상기 셀을 통해 그 가스를 연속적으로 유동시켜야 할 필요가 있다. 각각 셀은 브리지 회로(42)의 아암에 연결되는 미세한 저항선(38,40)을 구비한다. 다른 브리지 아암은 공지된 방법에 의해 저항기(44,46)로 구성되며, 브리지는 조절 저항기(50)를 통해 전지(48)로부터 나오는 작동 전류가 공급되며, 브리지 계측기(52)와 다른 측정 수단들은 2개의 대향하는 접합부 사이에 통상적인 방법으로 연결된다. 프로브 소자(10)에는 열전대(54)가 기계적으로 연결되어 있기 때문에, 이 열전대(54)는 프로브(10)와 함께 용융 금속에 침적되어 금속 온도의 필요한 측정을 위해 사용된다.
상기 열전대(54), 펌프(20), 세정 밸브(34), 그리고 브리지 계측기(52)는 모두 컴퓨터 제어기(56)에 연결되어 있고, 이 컴퓨터 제어기(56)는 각각의 농도 측정 사이클에 따라 측정 장치를 자동적으로 조절하며, 측정 사이클을 통해 나오는 농도 결과치를 디스플레이나 기록 장치(해당 분야에 공지된 통상적인 장치)에 보내도록 배치된다.
통상적인 측정 사이클은 제어기(56)에 의해 세정 밸브(34)가 개방됨으로써 시작하며, 압축 상태의 건조 질소는 전체 회로를 통해 순환하며, 프로브의 유입구(18)와 배출구(32)로 들어가서 프로브의 기공성 본체를 통해 빠져 나온다. 상기 질소의 순환은 회로내에 질소만이 남아 있을 때까지 충분한 시간 동안 계속된다. 측정 사이클이 시작되면, 수분이 모두 제거될 수 있도록 장시간 동안 세정 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 이 세정 작업은 프로브가 용융 금속으로 침적하여 밸브(34)가 닫힐 때까지 유지되고, 회로내에 있는 질소의 압력은 안정치에 신속히 도달할 것이다. 이러한 세척 작업은 실제로 20-50KPa(3-7psi)의 가스압에서 이루어지는데, 상기 가스압은 측정시 2-8KPa(0.25-1psi)까지 떨어진다. 펌프 모터가 작동하면, 회로내의 반송 가스는 단일체(12)내에서 유입구(18)로부터 배출구(32)를 지나 전체 회로내에서 연속적으로 순환하게 된다.
통상 온도(700℃ 초과)에서 액체 알루미늄중의 수소의 이동도가 매우 활발하기 때문에, 이 수소는 기공성이 높은 프로브 본체내로 신속하고 용이하게 들어가서 농도의 평형 상태를 달성하려 하는 경향이 있고, 결국 반송 가스내로 들어가려고 한다. 이 가스의 순환은 충분한 시간 동안 유지되어 평형상태가 되는데, 소요 시간은 대체로 1~10분 정도이다. 이 소요 시간이 완료되는 시점에서 제어기(56)가 작동하여 저항선(38,40)사이의 저항 차이값을 측정한다. 질소/수소의 혼합물은 질소의 존재로 인해 저항선(40)의 온도를 강하시키고, 이에 따라 질소/수소 혼합물중의 수소 분압, 즉 농도를 측정할 수 있다. 그리고 이것이 바로 용융 금속에 함유된 수소의 농도가 된다. 제어기는 공지된 바에 따라 직접 농도값을 측정하도록 배치되며, 서로 다른 금속과 합금내에서 수소의 각기 다른 용해성 때문에 회로(58)로부터 수정을 가해야 한다. 측정 사이클의 측정 작업이 완료되면, 회로는 전술한 바와 같이 세정되어서 새로운 측정 사이클로 들어갈 준비가 된다. 이때 프로브는 작업자의 필요에 따라 금속으로부터 떼어놓거나 또는 소정 위치에 방치될 수 있다.
본 발명에 의한 프로브의 장점은 "텔레가스(Telegas)" 프로브와 비교하면 잘 알 수 있을 것이다. 상기 "텔레가스" 프로브는 밀도가 높은 가스 불투수성 세라믹체로 되어 있기 때문에 질소 반응 가스는 금속 및 이 금속중에 용해되어 있는 수소와 접촉 상태로 세라믹으로부터 금속체 속으로 기포화 된다. 이러한 직접 접촉은 반송 가스내에 수소의 효과적인 잠입을 얻기 위해 필요한데, 상기 종래 장치를 이용하여 이러한 문제를 해결하기는 실질적으로 어렵고, 그 이유는 이미 밝힌 바 있으므로 더 이상 설명하지 않겠다. 이와는 대조적으로 본 발명의 프로브(10)는, 종래 프로브에서 발생하던 기포를 제거하고 프로브 본체 극간내의 가스 혼합과 직접 확산으로 기포를 대체함으로써 적당한 기공도 및 기공의 크기와 투과성의 재질로 구성되고, 그리고 반송 가스가 프로브 본체의 내부 속으로 상당부분을 지나갈 수 있도록 서로 충분히 이격되어 있는 가스 유입구 및 배출구를 구비하는 단일체로 혹은 단일 블록으로 이루어질 수 있다. 소형의 프로브 본체는 주위 금속의 온도까지 곧바로 도달하며, 이에 따라 수소가 상기 단일체의 기공속에 용이하게 확산되기 때문에 수소 가스는 반송 가스와 신속하게 섞여서 소정의 농도 평형 상태를 얻게될 것이다.
본체의 다공도는 백분율로 표시되며, 이것을 간단히 말하면 단일체내에서 기공이 차지하는 체적의 백분율을 의미하는 것이다. 결국 다공도가 높다는 것은 단일체내의 기공 점유율이 높다는 것을 의미한다. 다공도가 높으면, 열적 충격에 견디는 능력이 높아지며, 따라서 프로브가 예열 작업을 거칠 필요없이 용융 금속중에 직접 침적될 수 있는 것이며, 끄집어낼 때도 프로브를 서냉시킬 필요가 없게 된다. 또한, 이 수소가 본체로 확산될 확률이 높으며, 본체내의 질소 가스의 순환과, 이 수소와 질소 가스의 혼합이 쉬워진다. 그러나, 다공도가 높으면 본체는 불가피하게 큰 기공이 많아지며, 이에 따라 기계적 강도가 약해지므로 프로브 본체에 튜브(16,30)를 부착하는데 어려움이 생기고, 더욱이 산업 환경에서 취급하기에는 너무 취약해진다. 또한, 다공도가 높아서 큰 기공이 많아지면, 프로브 몸체로 액체 금속 스며드는 문제가 발생한다. 본 발명에서의 프로브 본체에 적합한 다공도의 범위는 약 5~80% 정도이나, 적당하게는 약 20~60% 정도이고, 가장 적절한 값으로는 약 35~40% 정도이다.
본 발명에 사용되는 프로브의 제료를 선택하는데 있어서 두번째로 중요한 점은 기공의 크기이며, 이 기공의 크기는 매우 넓은 범위, 예컨대, 0.5㎛~2000㎛에서 선택될 수 있다. 그 이유는 금속내의 수소 분자의 크기가 2×10-4㎛(2Å) 정도이고, 두 종류의 가스가 가장 작은 크기의 기공이라도 쉽게 확산될 수 있기 때문이다. 기공 크기의 하한값은 미세 기공 재료를 악화시키는 내열충격성에 의해 결정되고, 상한값은 전술한 기계적 조립에서의 문제점과 큰 기공내로 용융 금속이 잠입하는 가능성이 증대에 따라 결정된다. 예를 들어, 정상적인 작동 조건하의 알루미늄에 있어서, 기공으로의 금속 잠입은 기공의 크기가 1000㎛ 이상일때 시작된다. 따라서, 적당한 기공 크기의 범위는 10㎛~200㎛ 정도이며, 특히 적당하게는 50㎛~200㎛ 정도의 범위이다.
프로브의 재료를 선택하는데 유의해야 할 세번째로 중요한 점으로는 투과도이다. 적당한 다공도 및 기공의 크기를 갖는 프로브라 해도 만약 셀 혹은 기공이 서로에 대해 완전히 폐쇄되어 있다면 가스가 확산될 수 없기 때문에 적절한 시간 내에 가스가 서로 혼합될 수 없다는 문제점이 발생한다.
전술한 바와 같이, 프로브 본체의 다공도는 서로 연결된 기공에 의해 영향을 받기 때문에 가스에 대해 충분한 투과도를 갖는다. 투과도는 가스 또는 액체가 특정한 압력차에서 재료를 통해 어떤 비율로 통과하는가에 의해 결정된다. 투과도는 소정의 낮은 압력차 상태에서 소정의 크기를 갖는 얇은 조각의 재료를 통과하는 유체(본원의 경우는 가스)의 양을 측정함으로써 얻을 수 있다.
낮은 압력차에서 일어나는 유동 상태는 D'Arcy의 법칙, 즉
Figure kpo00001
여기서, Q=공기 유량(㎥/s)
Pe=비투과도(㎡)
L=샘플의 두께(m)
A=샘플의 단면적(㎡)
u=측정온도에서의 공기 점성(1.84×10-5㎏/m.s ; 20℃에서)
△P=압력(Pa)
에 의해서 결정된다.
투과도는 통상적으로 다시(Darcy) 단위로 표시되며,
1Darcy=1×10-12㎡이다.
따라서, 식(1)은
Figure kpo00002
여기서, PD=Darcy 단위로 표시한 투과도로 나타낼 수 있다.
통상적으로 공기 온도가 20℃이고, 압력차가 2in H2O(500Pa)일 경우,
Figure kpo00003
으로 표시된다.
본발명에 의한 프로브에서는 투과도의 범위가 약 2~2,000Darcy, 바람직하게는 10~2,000Darcy, 가장 바람직하게는 10~100Darcy가 된다.
프로브 재료의 기공 크기는 용융 금속이 프로브 본체의 표면층보다 더 많이 잠입할 수 없도록 한 상태에서 반송 가스와 수소가 기공을 통해 쉽게 확산되고, 서로 혼합될 수 있는 정도여야 한다. 따라서, 측정 사이클이 완료된 다음, 고화 금속의 얇은 표면이 프로브의 외부면에 기계적으로 부착되며, 이것은 프로브에 손상을 입히지 않도록 다음 계속되는 측정 사이클 전에 쉽게 떼어낼 수 있다. 이론적으로 프로브 본체의 외면이 금속에 대해 친화성이 있는 것은 금속과 프로브 사이에 확산도가 높은 연결면을 확보할 수 있기 때문에 유리하다고 되어 있으나, 실제로는 친화성이 없는 재질로된 프로브의 단일체는 우수한 결과를 얻게 되는 것으로 밝혀졌고, 특히 프로브와 금속이 후술하는 것처럼 휘져어지는 경우 유리하다는 사실이 밝혀졌다.
전술한 바와 같이, 프로브의 표면 위에 얇은 알루미늄 층이 피복되는 것은 상기 표면이 습식, 즉 친화성이 있고 이것이 습식 상태로 유지된다는 것을 나타낸다. 프로브의 표면이 금속에 대해 친화성을 갖게 하는 것은 제 2 도와 제 3 도에서 (59)로 표시한 점선 내부의 것처럼 알루미늄, 은, 니켈 또는 백금 등으로 얇은 층을 미리 피복시킴으로써 쉽게 달성될 수 있다. 상기 금속층(59)은 침전, 분사, 전극 또는 무전극 상태로의 피복작업 등 공지의 방법으로 피복시킬 수 있고, 이 층의 두께는 약 10㎛~1,000㎛ 정도이다.
용융 알루미늄중 수소의 단원자 상태로부터 반송 가스중으로 잠입되도록 프로브 본체중으로의 분자상 이원자 상태로 전환을 촉진하는 수소에 대하여 촉매 작용을 갖는 물질을 피막(59)에 사용하는 것이 특히 유리한 것으로 판명되었다. 이를 위해 특히 적당한 금속으로는 백금이 있으며, 백금은 시장에서 쉽게 구할 수 있는 무전해 백금 용액에서 희망하는 얇은 피막으로 쉽게 피복될 수 있다. 또한, 백금은 전술한 바와 같이 쉽게 친화하는 성질이 있다. 적절한 공정의 일예로, 먼저 프로브 본체(12)를 약 5초~5분(정확한 시간은 용액의 농도와 필요한 피막의 두께에 따라 결정됨) 정도의 짧은 시간동안 백금용액 속에 침적시킨다. 상기 용액은 통상적으로 염산속에 약 3% 농도의 염화백금(PtCL4)이나 염화 백금수소(H2PtCl4)를 함유하고, 완충제로 납 아세테이트를 선택적으로 추가해서 구성된다. 프로브는 500℃ 이상, 통상적으로는 약 800℃에서 연소되어 염산이 잔존하지 않게 된다. 이렇게 해서 얻어진 피막은 약 1㎛~100㎛의 두께를 갖는데, 적당하게는 0.1㎛~1,000㎛가 좋다. 실제 사용에서는 촉매 피막이 용해되어 없어지며, 만약 프로브 본체의 유효 수명이 충분할 경우 용이하게 재피복될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 피막으로 사용하기에 적합한 또다른 재료의 예로는 팰러듐, 로듐, 또는 니켈 등을 들 수 있다.
프로브의 형상은 크게 중요한 것은 아니지만, 수소가 블록 내부로의 확산을 위한 최소의 통로 길이를 제공할 수 있도록 적어도 한 면 이상의 치수가 작을수록 실용적이 되어 유리하다. 또한, 주어진 프로브의 체적에 대해 가용의 금속 프로브 표면이 최대가 될 수 있는 형상일수록 양호하다. 특히, 제 2 도와 제 3 도에서 도시한 것처럼 모든 방향에서의 입면도가 4각형으로 나타날 수 있는 얇은 웨이퍼의 형태가 좋다. 프로브 본체의 가장자리 모두를 둥글게 처리하여 기계적 충격을 받기 쉬운 날카로운 모서리를 없애는 것이 좋다. 바람직한 최소의 통로 길이를 제공하기 위해 프로브의 두께는 약 0.5㎝~15㎝이며, 최소값은 재료, 즉 완성된 웨이퍼의 기계적 강도에 따라 결정된다. 프로브의 적당한 체적으로는 1㏄~10㏄, 특히 2㏄~5㏄ 정도가 양호하다.
제 1 도 내지 제 3 도에서는, 2개의 튜브(16,30)의 말단부를 수용하는 2개의 평행한 개구(60,62)가 마련된 프로브 본체(12)가 도시되어 있다. 상기 개구(60,62)는 튜브(16,30)가 굽어져 위치하게될 홈(64)으로 연장하며, 튜브는 적당한 내열 시멘트(66)의 층으로 고정된다. 이러한 구조는 2개의 튜브를 알루미나 섬유로된 직조물과 같은 내열 재료의 외장(68)속에 봉하는 것이 용이해지도록 더욱 근접시킬 수 있게 해주며, 동시에 프로브의 작동 조작과 용융 금속으로의 침적시 프로브에 가해지는 비틀림 응력에 대한 저항력을 증가시키는 역할도 한다.
이러한 형태의 측정 장치를 제조하는데 있어서, 평형 상태까지의 도달 시간을 단축시키기 위해 반송 가스의 체적을 가능한 한 작게 유지하는 것이 바람직하며, 이를 위해 좁은 개구의 튜브(16,30), 부피가 작은 순환 펌프(20)와 소형 프로브(10)를 사용하면 된다. 프로브를 채우게 될 가스의 체적은 프로브 속에 있는 기공의 체적과 거의 같다는 것을 알 수 있다. 완벽한 측정 시스템에서의 실제적인 체적은 1㏄~5㏄이며, 합리적인 짧은 반응 시간을 얻기 위한 실제 가스의 유량은 약 50㏄~200㏄/min이다. 그러나 프로브의 체적이 감소하면, 반송 가스로 접근하게 될 용융물중이 금속 및 수소와 그만큼 감소하기 때문에 보상이 요구된다. 본 발명에 의한 프로브중 가장 양호한 예로는 제 4 도에 도시된 것처럼 35~40%의 다공도를 갖는 원형의 알루미나 디스크를 들 수 있는데, 이 프로브의 평균 기공 크기는 약 120㎛이고, 투과도는 25Darcy이다. 프로브 본체의 두께는 0.64㎝, 직경은 2.5㎝이고 체적은 3㏄이다.
프로브를 제작하는데는 상기와 같이 간단한 단일체의 형상으로 하는 것이 편리한데, 이렇게 간단한 형상으로 하면 프로브의 기계적 내충격성이 커진다. 또한, 금속과 프로브 사이의 수소 교환은 프로브의 표면을 통해 일어나고 그리고 반송 가스중으로 수소의 연행은 프로브의 내부에서 일어나도록 프로브 본체는 용융 금속으로 완전히 침적되기 때문에 금속체내에서의 프로브의 위치 및 자세는 임계적인 것은 아니고 오차 발생의 가능성만을 피할 수 있는 것이면 된다. 프로브에서의 혼합 또는 유입 매커니즘이 상기 설명과 같이 내면화(內面化)되었기 때문에, 이 프로브는 고속 이동중인 용융 금속의 유동류에 대해서도 성공적으로 적용될 수 있다. 이는 프로브가 연행에 대해 외부 기포에 의존하는 경우가 아니며 기포는 프로브 속으로 되돌아 오기 전에 씻겨져 버리는 경우이다. 프로브의 재료는 반드시 내화성을 구비하여야 하며, 이것은 다시 말하면 교체될 프로브 본체에도 역시 이러한 내화성이 요구되므로 허용한계를 벗어날 정도까지 연화되지 않은 상태로 침적 온도에 견뎌낼 수 있어야 함을 의미하고, 또 금속과 가능한 한 비반응성을 지녀야 한다. 알루미늄에 사용할 수 있는 가장 적당한 프로브의 재료로는 용착 입상 알루미나이고, 그 입자는 자기 접착제로 서로 결합되어 있다. 이러한 재료는 광범위의 다공도를 지니며 상업적으로 시판되고 있다.
본 발명에서의 프로브는 완전한 비금속으로부터 용이하게 제조될 수 있기 때문에 수소의 확산이나 부식의 문제(수소는 관련된 온도에서 시판되는 대부분의 금속을 통해 확산된다는 문제점)를 피할 수 있다. 이러한 프로브를 제작하기 위해 다공성의 재료를 적절히 선택함으로써, 소형의 단일체에서의 큰 가스 교환면을 얻는 것이 가능하다. 또한 이 경우는 최대한의 본체 체적이 기공에 의해 점유되며 최소한의 "무용(無用)체적"이 고형 물질에 의해 점유된다.
본 발명에 의한 프로브는 여러 가지 형태로 만들 수 있으며, 몇가지 예가 제 4 도 내지 제12도에 도시되고 있다. 앞에서 설명한 것처럼, 제 4 도에 도시된 실시예는 평평한 부분적인 원형 디스크로 되어 있고, 제 5 도의 실시예는 완전한 원형 디스크로 되어 있으며, 유입구(18)와 배출구(32) 사이의 유동로 길이를 증가시키기 위해 튜브 (16),(30)는 프로브 본체(12)속으로 각기 다른 길이로 연장한다. 제 6 도에서는 폭보다 길이가 더 큰 직사각형 형상의 프로브 본체가 도시되어 있으며, 이 실시예에 따른 튜브(16),(30)는 역시 각기 다른 길이만큼 본체 속으로 연장한다. 제 7 도에서는 원형체의 프로브가 도시되어 있으며, 튜브(16),(30)는 서로 반대 방향으로부터 유입된다. 제 8 도의 3각형 형상의 프로브 본체를, 제 9 도는 타원형의 프로브 본체를, 그리고 제10도는 가스 유입구와 배출구를 형성할 수 있는 적당한 재질로 구성되는 약간 완전한 비정형체의 프로브 본체를 각각 도시하고 있다. 제11도는 프로브 본체가 단일체로 될 필요는 없고, 대신 하나 이상의 조각으로 되어 적당한 접합체(도시생략)를 이용하여 서로 부착될 수 있다는 것을 도시한 것이다. 제11도에 도시된 실시예에서는 접합제의 층이 프로브 본체를 통해 유입구에서 배출구로의 가스 확산을 방해하는 장벽이 되지 않도록 유의해야 한다. 또한 이 경우 개구(60,62)는 단면이 반원형인 홈에 의해 만들어진다. 제12도의 실시예는 튜브(16,30)가 연결되고, 프로브 본체의 벽을 통해 수소가 확산된다. 큰 개방 공간(70)을 구비하는 형태의 프로브 본체로서, 이러한 구조는 수소가 질소보다 더 쉽게 확산될 수 있고, 수소만이 프로브 본체내로 확산될 필요가 있기 때문에 다공도가 다소 미약한 재료가 사용될 수 있도록 해준다. 다만 상기 공간(70)의 크기는 프로브의 반응 시간을 증가시키는 것이 되어서는 안된다.
본 발명에 따른 프로브의 용도는 알루미늄이나 그의 합금내에 포함된 수소의 농도를 결정하는 데에만 한정하여 설명되었으나, 물론 다른 금속, 예를 들면 마그네슘, 구리, 아연, 강철 그리고 이들의 합금속에 포함된 수소나 그외의 가스 농도를 측정하는데 사용될 수 있는 것이다.
본 발명에 의한 프로브를 제조하는데 사용되는 인조 및 천연재료의 종류 범위는 매우 넓은데, 물론 그들의 기계적 강도, 다공도, 기공의 크기 및 투과도가 모두 적합해야 할 것이다. 인조 재료의 예로는 다음과 같은 것들이 있다.
a) 시험 조건하에서 금속과 공동으로 사용되어도 충분한 내화성을 잃지 않는 다공성의 세라믹 ; 예를 들어, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 지르코늄, 텅스텐 그리고 티타늄들의 탄화물, 질화물, 산화물.
b) 세라믹 포옴(foam) 및 섬유.
c) 연마재 및 합성물, 특히 규산염과 스피넬(spinel)
d) 금속 모체의 섬유 복합물.
높은 용융점을 갖는 소결금속 분말, 예를 들어, 강철, 티타늄, 텅스텐의 소결금속 분말 ; 이 재료들은 금속 친화성이 있기 때문에 금속 비친화성 재료로 가스 투과성 피막을 입혀야 한다.
e) 다공성 그래파이트 및 다른 탄소를 주성분으로 한 재료 ; 이 재료의 섬유는 적당한 모재내에 매트(mat)형식으로 존재하게 된다.
f) 높은 용융점을 갖는 여과된 다공성 유리 ; 예를 들면, 파이렉스, 알루미노-실리케이트, 자기(porcelain).
천연적으로 얻을 수 있는 재료로는 멀라이트, 사암(砂岩), 경석 같은 것이 있다. 상기 재료들은 필요한 특성과 형상을 구비할 수 있도록 공지의 방법, 예를 들어 소결, 프레싱, 바인딩, 가스 성형, 모울딩, 드릴링, 연마 등의 방법으로 처리된다.
본 발명의 프로브를 유동중인 용융 금속에 침적시키는 작업이 요구될 경우, 프로브를 지나가는 용융 금속의 이동 속도(통상적인 속도는 5㎝/sec)는 프로브 표면과 금속이 적당한 접촉하여 질소/수소의 평형 상태까지 비교적 짧은 반응 시간이 걸리도록 조정된다. 그러나, 어떤 프로브를 사용하더라도 중탕(bath)이 정적인 경우라면 소요시간은 연장된다. 그러나 프로브가 갖는 고유의 구조 때문에 프로브와 용융 금속 사이의 인위적인 상대이동을 조장시키면 정적 상태의 중탕에서도 측정시간을 단축시킬 수 있다. 그러나 이러한 효과는 외부 기포 발생을 초래하는 종래 형식의 프로브에서는 기대할 수 없는 것이었다. 그 이유는 반송 가스가 프로브에 충분히 근접해서 유지되지 않는 경우 순환하는 반송 가스의 상당 부분이 손실되기 때문이다. 따라서, 본 발명에 의한 프로브를 사용하는 경우, 만약 제13도 내지 제15도에 도시된 실시예에 따른 장치를 적용하면 반응 시간을 약 2분~5분 정도로 줄일 수 있다.
제13도에 도시된 장치에서 프로브 소자(10)는 진동기(72)에 장착되고, 이 진동기(72)에 의해 발생하는 프로브(10)의 진동은 프로브 및 금속간의 접촉면을 통한 수소의 확산을 용이하게 만든다. 상기 진동기(72)는 기계적 혹은 자기 변형 타입이 될 수 있고, 어떤 형태의 프로브라도 진동시킬 수 있는 것이다.
제14도에 도시된 장치에 있어서, 프로브는 축(78)에 의해 프로브 지지체에 연결된 전동 편심기(76)의 작동하에서 피벗(74)을 중심으로 록킹(rocking)되도록 장착된다. 이들 두 장치에 있어서, 프로브의 이동범위는 0.5~5Hz, 바람직하게는 1~2Hz로 하고, 기계적은 회유량(廻遊量)은 10~100mm로 한다.
제15도에 도시된 장치에서는, 측정 작업중에 프로브가 고정되는 형식이며, 용융 금속이 모터(82)에 의해 구동되는 소형 임펠러(80)에 의해 프로브 주위에서 순환하는 형식이다. 용융 금속의 순환은 프로브 및 금속간의 접촉면에서 가스의 확산을 용이하게 하는 작용을 한다. 상기 임펠러의 직경은 8cm, 회전속도는 100~400rpm이 적당한 것으로 알려졌다.
본 발명에 의한 상이한 종류의 프로브들이 갖는 효율을 결정하기 위해 종래의 실험용 장치를 사용하여 비교 실험을 하였다. 각각의 프로브는 정적 조건하에서 3회씩 측정하였고, 금속 중탕으로는 각각의 실험에서 700~750℃의 온도를 갖는 소형의 실험용 용광로를 사용하였다. 얻어진 값은 0.05~0.45ml/100g이었고, 최적값은 4개의 상이한 합금에 대해 0.15~0.25ml/100g이었다. 상기 4개의 상이한 합금은 다음과 같다.
a) 시판되는 순수 알루미늄(순도 99.5%)
b) 알루미늄/마그네슘 합금 ; 마그네슘의 중량%는 5%,
c) 알루미늄/아연/마그네슘 합금 ; 아연과 마그네슘의 중량%는 각각 5%와 2%,
d) 알루미늄/리튬의 합금 ; 리튬의 중량%는 3%,
총합적인 프로브간의 재현 정도(84의 수치)는 0.017ml/100g이었고, 동일 프로브의 평균 반복 정도는 0.012ml/100g이었다. 상기 정적 조건하에서의 통상 반응 시간은 8~10분이었다. 상기 값의 정확성은 반송 가스가 질소인 용융식 실험용 분석기에 의한 재현 정도의 값인 0.03~0.05ml/100g과 비교해보면 알 수 있다.
제16도 내지 제18도에서는 다음 금속에 대해 얻어진 실험 결과치를 표시하는 것이다.
제16도 : 705℃의 비합금 알루미늄
제17도 : 709℃, 5% 아연, 2%의 마그네슘의 알루미늄/아연/마그네슘 합금.
제18도 : 720℃, 2.5% 리튬의 알루미늄/리튬의 합금.
실험에 대한 적당한 평형 상태는 비합금 알루미늄의 경우 5분까지이며, 4분이 적정값이다. 알루미늄/아연/마그네슘 합금에 대한 실험 결과치는 더욱 빨라져서 어느 정도의 평형 상태에는 2분, 그리고 완전히 평형 상태가 되는데는 4분이 소요되었다. 알루미늄/리튬 합금에서 완전한 평형 상태는 2분이 걸렸다. 재현 정도는 0.26~0.29ml/100g이었다. 다만 리튬 합금은 종래의 실험방법으로 실험하기에는 난점이 있었다. 대부분의 종래 실험 공정에서는 합금의 고형 샘플은 수소가 방출되는 온도까지 가열되어야 하는데, 이때 리튬도 동시에 방출되었고, 따라서 적당한 재현 정도를 얻기가 힘들었다. 따라서 이 리튬 합금에 대해서는 특수한 처리가 별도로 필요하였다.

Claims (8)

  1. 용융 금속에 프로브를 침적시키고 용융 금속에 용해된 가스와 반송 가스의 혼합물이 평형 상태가 이루어지도록 상기 프로브를 통해 반송 가스를 순환시킴으로써, 그리고 상기 순환을 위해 프로브의 내부로 향하는 가스 유입구(18)와 가스 배출구(32)를 구비하는, 용융 금속중에 용해된 가스의 농도를 결정하는 침적 프로브(10)에 있어서, 상기 용융 금속에서 견딜 수 있는 내열성 재료로 된 프로브 본체(12)를 포함하며, 상기 가스 유입구(18)와 상기 가스 배출구(32)는 서로 이격되도록 배치되어 있기 때문에, 상기 가스 유입구로부터 상기 가스 배출구로 통과하는 가스는 주위의 용융 금속으로부터 프로브 본체의 내부로 확산되는 상기 용해된 가스를 연행하기 위해 프로브 본체의 내부를 가로질러 유동하며, 상기 프로브 본체(12)는 상기 용해된 가스는 투과시키고 용융 금속은 투과시키지 않도록 5 내지 80%의 다공도, 2 내지 2000다시(Darcy)의 투과 및 0.5 내지 2000㎛의 기공 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 용융 금속중에 용해된 가스 농도 결정용 침적 프로브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프로브 본체(12)는 단일체의 블록으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 용융 금속중에 용해된 가스 농도 결정용 침적 프로브.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프로브 본체(12)는 통합체의 블록되어 있는 것을 특징으로 하는 용융 금속중에 용해된 가스 농도 결정용 침적 프로브.
  4. 제1 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 본체(12)는 그 입체의 각 면들중 2개의 면보다 나머지 하나의 면을 더 작게하여 가스의 확산 통로를 짧게 하는 것을 특징으로 하는 용융 금속중에 용해된 가스 농도 결정용 침적 프로브.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 본체(12)와 용융 금속을 서로 상대적으로 이동시키는 수단(72,74-78,80,82)을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융 금속중에 용해된 가스 농도 결정용 침적 프로브.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 본체(12)의 외부면에는 용융 금속과의 친화성을 갖도록 금속으로 된 얇은 피막(59)이 도포되는 것을 특징으로 하는 용융 금속중에 용해된 가스 농도 결정용 침적 프로브.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항중에 어느 한 항에 있어서, 상기 용융 금속내에 있는 단원자의 수소를 프로브의 내부에서 다원자 상태로 전환을 촉진시키는 물질로된 얇은 피막(59)이 프로브 본체(12)의 외부면에 도포되어 있으며, 상기 얇은 피막(59)은 백금, 팰러듐, 로듐, 니켈에서 선택되는 것을 특징으로 하는 용융 금속내의 가스 농도 결정용 프로브.
  8. 용융 금속에 침적되는 침적 프로브(12), 반송 가스의 공급 수단, 반송 가스 및 그 속에 연행되는 가스를 순환시키는 가스 순환 펌프(20), 반송 가스와의 혼합물내에 존재하는 가스의 비율로 측정하는 가스 농도 측정 수단(36-40), 용융 금속으로부터 프로브 본체(12)속으로 확산되는 가스를 연행하도록 상기 프로브 본체(12)를 통과하는 반송 가스를 순환시키는 폐쇄 회로를 만들기 위한 반송 가스 공급 수단, 프로브 본체(12)로 향하는 유입구(18), 프로브 본체(12)로부터 나온 배출구(32), 가스 순환 펌프(20) 및 가스 농도 측정 수단(36-40)을 연결하는 도관(16,30)을 포함하는 용융 금속에 용해된 가스의 농도 측정 장치에 있어서 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 따른 침적 프로브를 구비하는 것을 특징으로 하는 용융 금속에 용해된 가스의 농도 측정 장치.
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