KR102759921B1 - 용융 금속의 온도를 측정하기 위한 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융 금속욕의 온도를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 코어형 와이어 및 검출기를 포함한다. 코어형 와이어는 광섬유, 제1 금속 튜브, 유기 재료의 충전재 층, 및 충전재 층을 수용하는 제2 금속 튜브를 포함한다.

Description

용융 금속의 온도를 측정하기 위한 장치 및 시스템

본 발명은 용융 금속욕(molten metal bath)의 온도를 측정하기 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다.

금속 제조 공정 동안에 야금 용기 내의 용융 금속욕의 온도를 측정하는 데 이용가능한 몇몇 수단 및 방법이 있다. 용융 금속욕의 온도, 특히 전기 아크로(electric arc furnace, EAF)의 용융 환경에서 철 또는 강의 온도를 측정하기 위한 이들 수단 중 하나는 금속 튜브에 의해 둘러싸인 광섬유를 용융 금속 내로 침지시키는 것을 수반한다. 금속 튜브에 의해 둘러싸인 광섬유는 코어형 와이어(cored wire)로도 종종 지칭된다. 광섬유는 열 방사선을 수용할 수 있고, 열 방사선을 용융 금속으로부터 검출기, 예컨대 고온계(pyrometer)로 전달할 수 있다. 용융 금속욕의 온도를 결정하기 위해 적합한 기구가 검출기와 연관될 수 있다.

용융 금속욕의 온도를 측정하기 위해, 코어형 와이어는 용융 금속욕 내로 이송될(fed) 수 있고, 용융 금속욕에서 코어형 와이어가 미리 결정된 시간 간격에 걸쳐 소모될 수 있다. 광학 코어형 와이어의 선단 팁이 야금 용기 내로 침지되어, 용융 금속욕을 향해 가는 중에 먼저 고온 분위기에, 뒤이어 슬래그(slag) 층 및 이어서 용융 금속욕에 직면한다. 용융 공정의 상태에 따라, 금속욕은 또한, 예를 들어 스크랩(scrap)으로부터 유래되는 잔류 미용융 부분을 포함할 수 있다. 코어형 와이어의 침지된 부분이 용융 금속욕 내에서 용융될 것이다. 일단 온도 측정이 종료되면, 광학 코어형 와이어의 팁은 용융 금속욕로부터 부분적으로 후퇴될 수 있다. 이어서, 후퇴된 광학 코어형 와이어의 팁은 다음 온도 측정을 위한 새로운 선단 팁이다. 따라서, 그러한 장치는 일련의 침지 사이클들 형태의 반연속 온도 측정에 적합하다.

일반적으로, 유리화되지 않은(unvitrified) 광섬유의 이용가능성이 정확한 온도 측정을 위해 필수적인 것으로 밝혀졌다. 특히 선단 팁의 조건이 중요하다.

종래 기술에서 알려진 장치들 중 많은 것은 튜브 내에 위치된 광섬유를 사용함으로써 흔히 구성된다. 광학 와이어와 금속 튜브 사이의 간극은 흔히 충전재로 충전되어, 침지 동안 용융 금속욕의 열로부터 광섬유를 보호한다. 층상 구조는 상대적으로 긴 시간 동안 광섬유를 저온에서 유지하는 것을 돕는다. 광섬유를 파괴할 승온으로부터의 실투(devitrification)가 지연된다.

미국 특허 제7748896B2호는 측방향으로 둘러싸는 커버를 가진 광섬유를 포함하는 장치를 개시하는데, 여기서 커버는 복수의 층으로 광섬유를 둘러싸며, 하나의 층이 금속 튜브를 포함하고 중간 층이 금속 튜브 아래에 배열된 무기 재료로부터 형성된다. 액체 금속욕 내에서의 이러한 튜브의 침지 동안, 외측 튜브는 용융될 것이고, 느슨하게 보유된 충전재는 표면으로 부유하여, 중앙에 배열된 광섬유를 액체 금속욕에 노출시키는 경향이 있을 것이다.

또한, 추가적인 보호 구조를 포함하는 소모성 광섬유가 제안되었다. 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제H10176954A호는 금속 튜브에 의해 간격을 가지고 둘러싸인 섬유를 기술한다. 이러한 금속 튜브 둘레에 절연 코팅으로 제조된 튜브가 배열되고, 이는 이어서 외측 금속 튜브에 의해 둘러싸인다. 이러한 구조는 내측 금속 튜브가 너무 빠르게 용융되는 것을 방지한다. 절연 재료로 제조된 코팅은 탄소 입자를 함유할 수 있어서, 내측 금속 튜브는 대응하는 튜브 부분이 용융 금속욕에 침지될 때까지 용융되지 않는다.

종래 기술에서 제안된 장치는 측정 전에 광섬유를 가혹한 조건으로부터 격리시키는 데 도움을 주지만, 장치는 소정 조건 하에서 절연 코팅의 제어되지 않는 분해를 겪을 수 있다.

광학 코어의 실투 속도와 동일하거나 이보다 더 빠른 속도로 광섬유가 소모되어야 하는 것이 침지된 광섬유에 의한 정확한 온도 측정의 기술분야에서 잘 알려져 있다. 실투 속도는 용융 금속 침지 동안 광학 코어에 입력된 열 및 주변 환경에의 노출로부터 광학 코어에 입력된 열의 양의 함수이다. 따라서, 코어형 광섬유는 침지 위치에서의 복사 열, 슬래그 온도뿐만 아니라 특정 노의 용융 온도와 같은 노출전(pre-exposure) 조건들에 비례하여 소모되게 되어야 한다.

모든 경우에, 코어형 와이어의 일정 길이가 이전의 측정 동안 노 내에 이미 있었다. 광학 코어형 와이어의 연속적인 특성 때문에, 광학 코어형 와이어의 인접한 미사용된 부분은 노 내부로부터의 복사 열, 제강 공정의 방출 가스로부터의 대류 가열, 또는 용융 슬래그 커버와의 일시적 접촉으로부터의 전도에 의한 고온으로 인해 열적으로 변화될 수 있고/있거나, 연속적인 금속을 따른 열전달은 광학 코어형 와이어 코일의 고온 섹션으로부터 저온 섹션까지 퍼진다. 사용되지 않았지만 손상된 부분을 절단하는 것이, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제H10176954A호에 의해 교시된 해결책이었다. 그러한 기계적 추가 공정 단계는 측정 장비에 대해 추가적인 요구사항을 생성하고, 코어형 와이어의 소모가 상당히 증가된다.

유럽 특허 출원 공개 제3156835A1호 및 유럽 특허 출원 공개 제3156834A2호에서, 코어형 와이어에 대한 추가 개선이 개시되어 있다. 용융 금속욕에의 노출 시 제어된 방식으로 용융되는 저밀도 내화성 재료를 포함하는 중간 층이, 온도 측정치를 획득하기 전에 실투를 피하기에 충분히 긴 광섬유를 보호하는 데 사용된다. 중간 층의 재료는 용융 금속욕의 표면을 향해 부유하는 덩어리(gob)를 형성한다. 제안된 장치들은 중간 층의 더 제어된 분해를 위한 해결책을 제공하지만, 이들은 소정의 응용 시나리오들에 대해 문제가 될 수 있는 증가된 응답 시간을 겪을 수 있다.

전술된 바와 같이, 종래 기술로부터 알려진 구성은 전체 응용 범위에 걸쳐 필요한 응답 시간 내에 원하는 품질을 갖는 정확한 측정을 제공하지 않을 수 있다. 용어 "응용 범위"는 용융 금속욕의 온도 측정이 수행되는 온도 범위를 지칭한다. 또한, 이는 코어형 와이어가 응용 환경에 의해 상이한 영향들을 받게 될 수 있는 연속적인 다중 측정을 지칭한다.

본 발명의 목적은 위에서 논의된 문제들 중 적어도 하나를 해결하는, 용융 금속욕의 온도를 측정하기 위한 개선된 장치 및 시스템을 제공하는 것이다. 구체적으로, 목적들 중 하나는 넓은 응용 범위에 걸쳐 더 신뢰할 수 있는 온도 측정치를 획득하기 위해 개선된 장치를 제공하는 것이다. 더욱 더 구체적으로, 목적은 측정 동안 및 그 후에 장치의 용융 및 분해 거동을 개선하는 것이다. 다른 목적은 코어형 와이어의 소모를 최소화할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

이들 목적은 독립항들에 따른, 용융 금속욕의 온도를 측정하기 위한 장치 및 시스템에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들이 종속항들에서 한정된다.

본 발명에 따른 장치는,

(a) 침지 단부 및 반대편 단부를 갖는 코어형 와이어로서,

(a1) 광섬유,

(a2) 광섬유를 수용하는 제1 금속 튜브,

(a3) 제1 금속 튜브를 둘러싸는 충전재 층, 및

(a4) 충전재 층을 수용하는 제2 금속 튜브

를 포함하는, 상기 코어형 와이어; 및

(b) 광섬유에 의해 전송되는 신호를 수신하기 위한 검출기로서, 코어형 와이어의 반대편 단부에 결합되는, 상기 검출기

를 포함하고,

제1 금속 튜브는 140 N 이상의 항복 힘을 가지며, 충전재 층은 0.3 내지 1.1 g/㎤ 범위의 밀도를 갖고, 10 질량% 이하의 회분(ash) 함량을 갖는 유기 재료인 충전재 층 재료를 포함한다.

놀랍게도, 종래 기술에서 발생하는 문제가 제1 금속 튜브 및 충전재 층의 특성들을 적절하게 선택함으로써 극복될 수 있음이 밝혀졌다. 구체적으로, 140 N 이상의 항복 힘을 갖는 제1 금속 튜브 및 0.3 내지 1.1 g/㎤ 범위의 밀도를 갖는 충전재 층을 사용함으로써, 획득가능한 측정 품질을 개선하는, 금속욕에의 광섬유의 더 제어가능한 노출이 얻어질 수 있음이 밝혀졌다.

본 발명은 용융 금속욕의 온도를 측정하기 위한 장치를 제공한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "욕"은 용기 내의 용융물을 기술하기 위해 사용되는데, 여기서 용융물의 소정 물리적 파라미터들이 결정되는 것으로 여겨진다. 용융 금속욕의 용융 금속은 특별히 제한되지 않는다. 바람직한 실시예에 따르면, 용융 금속은 용융 강이다. 용어 "용융 금속욕"은 임의의 고체 또는 기체 부분의 존재를 배제하지 않는다.

금속 용융물들의 온도는 상이할 수 있고, 일반적으로 금속의 조성 및 용융 공정의 스테이지에 의존한다. 전형적으로, 용융 금속욕의 온도는 1500 내지 1700℃이다.

본 발명은 코어형 와이어를 포함한다. 여기서, 용어 "코어형 와이어"는 케이싱, 특히 금속 튜브 내에 포함된 광섬유를 지칭하는 데 사용될 수 있다. 케이싱은 광섬유를 완전히 에워쌀 수 있거나, 케이싱이 광섬유를 완전히 에워싸지 않도록 적어도 부분적으로 개방될 수 있다.

본 발명에 따른 코어형 와이어는 침지 단부 및 반대편 단부를 갖는다. 코어형 와이어의 침지 단부는 선단 팁이 용융 금속욕에 있는 상태로 적용 시 침지되도록 구성된 장치의 부분으로서 이해되어야 한다. 바람직한 실시예에 따르면, 코어형 와이어는 소모성 코어형 와이어이다. 바람직하게는, 온도를 측정하기 위해 사용될 때, 코어형 와이어는 침지 단부로부터 반대편 단부를 향하는 방향으로 소모되며, 각각의 측정 시퀀스 후에 장치의 다른 부분이 침지 단부가 될 것이다. 반대편 단부는 검출기에 연결되고, 측정 동안 소모되지 않을 것이다.

코어형 와이어는 광섬유를 포함한다. 광섬유는 가요성의 투명 섬유이다. 광섬유는 광섬유의 2개의 단부들 사이에서 광을 전달하는 수단으로서 가장 흔히 사용된다. 광섬유는 유리 또는 플라스틱, 바람직하게는 석영 유리로부터 형성될 수 있다. 가장 일반적으로는 구배-굴절률(graded index) 섬유들이 의도된 응용들을 위해 사용된다.

바람직한 실시예에 따르면, 장치는 단일 광섬유를 포함할 수 있다.

추가 실시예에서, 장치는 복수의 광섬유들을 포함할 수 있다.

광섬유는 제1 금속 튜브에 의해 수용된다.

침지된 동안, 코어형 와이어는 용융 금속에 의해 침지된 장치에 대해 작용하는 부력을 받게 된다. 신뢰할 수 있는 측정을 위해, 측정이 수행될 때 광섬유가 용융 금속욕 내로 소정 깊이까지 침지되는 것이 중요하다. 제1 금속 튜브는 이들 굽힘력에 저항하여, 광학 코어가 일정하게 용해될 때까지 광학 코어를 침지 방향으로 잠기게 유지하여야 하는데, 이는 제1 금속 튜브의 소정의 기계적 강성을 요구한다.

본 발명에 따르면, 제1 금속 튜브의 항복 힘은 140 N 이상이다.

제1 금속 튜브는 제1 튜브 벽 두께(T1), 외경(D1), 내경(I1), 제1 금속 튜브의 벽들의 두께에 의해 한정된 단면적(CW1), 외경에 의해 한정된 총 단면적(TC1), 및 내경에 의해 한정된 내측 단면적(IC1)에 의해 한정될 수 있다.

본 발명의 맥락에서 항복 힘은 제1 금속 튜브의 항복 응력과 제1 금속 튜브의 단면적(CW1)의 곱으로서 정의된다.

통상의 재료의 경우, 항복 응력 값들은 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 스테인리스강 SS304의 항복 응력은 195 MPa인 것으로 확인될 수 있다.

제1 금속 튜브는 0.15 내지 0.3 mm, 바람직하게는 0.2 내지 0.25 mm의 벽 두께(T1)를 가질 수 있다.

제1 금속 튜브는 금속 시트(sheet)로부터 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 금속은 철 또는 강, 바람직하게는 스테인리스강일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 제1 튜브의 금속은 1400 내지 1500℃의 범위, 더욱 더 바람직하게는 1430 내지 1480℃의 범위의 융점을 가질 수 있다.

바람직한 실시예에서, 제1 금속 튜브의 선형 밀도는 5 내지 12 g/m, 더욱 더 바람직하게는 8 내지 10 g/m의 범위일 수 있다. 장치의 선형 밀도는 단위 길이당 그의 질량에 의해 정의된다.

제1 금속 튜브는 1.5 내지 2.5 mm 범위의 외경(D1)을 가질 수 있다. 추가의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 금속 튜브는 1.2 내지 2.2 mm의 범위의 내경(I1)을 가질 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 제1 금속 튜브 벽 두께(T1)는 제1 금속 튜브 외경(D1)의 15% 미만이다.

추가의 바람직한 실시예에서, 제1 금속 튜브의 벽들의 두께에 의해 한정된 단면적(CW1)은 제1 금속 튜브의 총 단면적(TC1)의 45% 미만이다.

바람직하게는, 제1 금속 튜브의 내경에 의해 한정된 내측 단면적(IC1)은 1.4 내지 3.5 ㎟의 범위이다.

바람직한 실시예에서, 광섬유의 단면적은 제1 금속 튜브의 외경에 의해 한정된 총 단면적(TC1)을 4% 이하만큼 차지할 수 있다.

본 발명에 따른 코어형 와이어의 제1 금속 튜브는 충전재 층에 의해 둘러싸인다. 바람직한 실시예에서, 충전재 층은 복수의 단편(piece)들을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 충전재 층은 섬유들을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 충전재 층의 섬유들은 로프(rope)를 형성할 수 있다. 섬유들의 다수의 그룹들로 형성된 로프가 유리할 수 있음이 밝혀졌는데, 그 이유는 코어형 와이어가 용융물 내로 이송되는 때에 섬유들이 코어형 와이어의 개방된 단부로부터 미리 방출될 수 없음을 보장하기 때문이다. 본 발명의 맥락에서의 로프는 더 크고 더 강한 형태로 조합되도록 함께 꼬아지거나 편조된(braided) 섬유들의 그룹이다.

추가의 실시예들에서, 충전재 층 재료는 웨브(web), 네트, 직조 또는 편직 구조물의 형태를 가질 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서, 충전재 층은 적어도 2개의 하위 층들로 형성될 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 충전재 층은 접착제 또는 수지를 포함할 수 있거나, 접착제 또는 수지가 없을 수 있다. 바람직하게는, 접착제 또는 수지의 양은 충전재 층의 총 질량을 기준으로 2 질량% 미만이다.

본 발명에 따르면, 충전재 층은 유기 재료를 포함한다.

본 발명의 맥락에서의 유기 재료는 30 질량% 이상 정도까지의 원소 수준으로 탄소(C)를 함유하는 재료로서 이해되어야 한다. 예를 들어, 키틴(chitin)의 기본 단위의 합계 식(sum formula)은, 몰 질량이 203.2 g/mol이고 47.3 질량%의 탄소 함량을 초래하는 C₈H₁₃NO₅이다.

바람직하게는, 유기 재료는 천연 유래 재료, 천연 또는 합성 중합체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 더 바람직하게는, 유기 재료는 다당류일 수 있는데, 가장 바람직하게는 리그닌(lignin), 키틴, 셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 더욱 더 바람직하게는, 유기 재료는 면, 울, 황마(jute), 대마(hemp), 코이어(coir), 사이잘(sisal), 목재, 아마(flax) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 충전재 층은 적어도 2개의 충전재 층 재료들을 포함한다.

추가의 실시예에서, 충전재 층의 적어도 2개의 재료들 중 하나는 내염재(flame retardant)일 수 있다. 그러한 재료 조합은 충전재 층의 분해 거동의 제어를 도울 수 있다.

유기 재료는 10 질량% 이하, 바람직하게는 8 질량% 이하, 더욱 더 바람직하게는 6 질량% 이하의 회분(ash) 함량을 갖는다.

회분 함량은 재료가 완전히 연소된 후 잔류하는 재료의 불연성 성분을 나타낸다. 유기 재료는 100% 미만의 회분 함량을 가질 수 있다. 대조적으로, 무기 재료, 예를 들어 유리는 최대 100%의 불연성 함량을 가질 수 있다. 재료의 회분 함량은 현재 유효한 버전의 ASTM 1131에 따른 열중량(thermogravimetric) 분석에 의해 결정된다.

본 발명에 따른 낮은 회분 함량을 갖는 유기 재료는 비-슬래그-형성(non-slag-forming) 가연성 재료인 것으로 밝혀졌다. 비-슬래그-형성은 재료가 용융 금속욕에서 용융되거나 실질적으로 용해되지 않고, 전형적으로 용융 금속욕을 덮는 슬래그 층에 잔류하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 대조적으로, 무기 재료는 용융되고, 장기적인 지속기간 동안 광학 코어 둘레에 잔류하며, 최종적으로 용융 금속욕을 덮는 슬래그 층에 기여하는 경향이 있다.

그러나, 측정 사이클 후 장치가 용융 금속욕과 접촉한 후에 그러한 유기 재료가 연소를 중단하지 않을 수 있음이 밝혀졌다. 충전재 층의 그러한 장기적인 열화를 받은 장치는 연속적인 측정 사이클들에서 정확한 온도 측정치들을 획득하는 데 적합하지 않은데, 그 이유는 새로운 선단 팁을 갖는 광섬유는 보호되지 않은 채로 남겨져 실투되기 쉽기 때문이다. 손상된 부분은 제거되어야 하여서, 장치의 증가된 소모를 초래한다.

놀랍게도, 충전재 층 재료의 밀도가 이러한 불리한 열화 거동에 영향을 미칠 수 있음이 밝혀졌다.

본 발명에 따르면, 충전재 층은 0.3 내지 1.1 g/㎤의 범위, 바람직하게는 0.4 내지 1.0 g/㎤의 범위, 더욱 더 바람직하게는 0.4 내지 0.8 g/㎤의 범위의 밀도를 갖는다.

충전재 층의 밀도는 코어형 와이어 내에 배열되어 제1 금속 튜브와 제2 금속 튜브 사이의 체적을 점유할 때의 충전재 층 재료의 밀도로서 이해되어야 한다. 충전재 층의 밀도는 일반적으로, 코어형 와이어에 적용되기 전의 충전재 층 재료의 밀도와 상이할 수 있다. 충전재 층의 밀도는 제1 금속 튜브와 제2 금속 튜브 사이에서 충전재 층 재료를 압축함으로써 달성될 수 있다. 바람직하게는, 충전재 층의 밀도는 그의 적용 전의 충전재 층 재료의 밀도보다 더 높다.

재료는 그의 최대 밀도에 의해 특징지어질 수 있는데, 이는 재료가 가능한 한 압축될 때 달성될 수 있는 최고 밀도이다.

바람직한 실시예에서, 충전재 층 재료의 최대 밀도는 0.5 내지 3 g/㎤, 더욱 더 바람직하게는 1.0 내지 2.0 g/㎤이다.

충전재 층의 층 밀도가 충전재 층 재료의 최대 밀도의 50% 이하, 더욱 더 바람직하게는 40% 이하, 가장 바람직하게는 30% 이하인 것이 유리할 수 있다. 충전재 층의 층 밀도가 충전재 층 재료의 최대 밀도의 10% 초과, 더욱 더 바람직하게는 20% 초과인 것이 유리할 수 있다. 충전재 층의 밀도가 충전재 층 재료의 최대 밀도의 10 내지 50%의 범위, 더 바람직하게는 20 내지 40%의 범위인 것이 바람직할 수 있다.

유리하게는, 제1 금속 튜브 및 충전재 층은 직접 접촉하는데, 즉 추가적인 층 또는 간극 없이 접촉한다.

바람직한 실시예에서, 충전재 층의 두께는 제1 금속 튜브의 벽 두께(T1)보다 더 크다.

본 발명에 따르면, 제2 금속 튜브는 충전재 층을 수용한다.

전형적인 측정 시퀀스 동안, 코어형 와이어는 소정 지점에서 용융 금속욕에 도달한다. 침지될 때, 제2 금속 튜브는 용융되고 금속욕 내로 용해될 것이다. 충전재 층은 제1 금속 튜브 및 광섬유를 당면한 가열로부터 절연시킬 것이다. 용융 금속과의 접촉 시, 충전재 층은 분해되어 제1 금속 튜브를 노출시킬 것이다. 제1 금속 튜브가 용융되면서, 광섬유는 용융 금속욕에 직접 노출되고, 온도 측정이 수행될 수 있다.

제2 금속 튜브는 제2 튜브 벽 두께(T2), 외경(D2), 내경(I2), 제2 금속 튜브의 벽들의 두께에 의해 한정된 단면적(CW2), 외경에 의해 한정된 총 단면적(TC2), 및 내경에 의해 한정된 내측 단면적(IC2)에 의해 한정될 수 있다.

제2 금속 튜브는 0.5 내지 1.0 mm, 바람직하게는 0.7 내지 0.9 mm의 벽 두께(T2)를 가질 수 있다.

제2 금속 튜브는 금속 시트로부터 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 금속은 50% 초과의 철(Fe) 함량을 갖는 강, 바람직하게는 저탄소(C)강 또는 스테인리스강일 수 있다.

추가의 바람직한 실시예에서, 제2 금속 튜브의 금속은 1450 내지 1550℃, 더욱 더 바람직하게는 1480 내지 1520℃의 범위의 융점을 가질 수 있다.

추가의 바람직한 실시예에서, 제2 금속 튜브의 선형 밀도는 200 내지 300 g/m의 범위, 더욱 더 바람직하게는 220 내지 260 g/m의 범위일 수 있다.

바람직한 실시예에서, 측방향으로의 제2 금속 튜브의 시트의 에지들은 중첩 부분을 형성하지 않을 수 있다. 측방향은 장치의 침지 단부로부터 반대편 단부를 향해 축에 의해 정의된다.

추가의 바람직한 실시예에서, 측방향으로의 제2 금속 튜브의 시트의 에지들은 중첩하여 시임(seam)부분을 구축할 수 있다. 더욱 더 바람직하게는, 시임 부분은 기계적으로 형성될 수 있고, 가장 바람직하게는 시임 부분은 접착제, 아교 또는 용접에 의해 밀봉되지 않을 수 있다.

제2 금속 튜브는 9 내지 14 mm 범위의 외경(D2)을 가질 수 있다. 추가의 바람직한 실시예에 따르면, 제2 금속 튜브는 8 내지 13 mm의 범위의 내경(I2)을 갖는다.

유리하게는, 제2 금속 튜브는 가스 투과성일 수 있다. 그러한 설계는 코어형 와이어의 내부 구조물 내의 가스가 금속 튜브 내부로부터 멀어지게 이동할 수 있게 할 것이다. 충전 층의 분해 동안, 빠져나갈 수 있는 가스가 생성될 수 있다. 가스 투과성 설계는 또한 환경으로부터의 가스, 예를 들어 주변 공기 내에 함유된 산소가 코어형 와이어에 들어가게 한다.

바람직한 실시예에서, 광섬유는 코어형 와이어에서 중앙에 배열되고, 이는 측정 결과의 품질 및 신뢰성을 더 개선한다.

바람직한 실시예에서, 충전재 층은 제1 금속 튜브와 제2 금속 튜브 사이의 공간을 균질하게 충전할 수 있다.

유리하게는, 광섬유는 측방향으로 균일하게 단열된다.

또한, 바람직한 실시예에서 제1 금속 튜브가 제2 금속 튜브 내에 동심으로 배열됨이 밝혀졌다. 바람직하게는, 제2 금속 튜브는 제1 금속 튜브와 직접 접촉하지 않는다.

제2 금속 튜브의 금속의 융점이 제1 금속 튜브의 금속의 융점보다 더 높은 것이 유리할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제2 금속 튜브의 금속의 융점은 제1 금속 튜브의 금속의 융점보다 20℃ 이상, 더 바람직하게는 40℃ 초과, 가장 바람직하게는 60℃ 초과 더 높다.

바람직한 실시예에서, 제1 금속 튜브(D1)의 외경은 제2 금속 튜브(D2)의 외경의 30% 이하, 더 바람직하게는 20% 이하이다.

또한, 제1 금속 튜브(D1)의 외경이 제2 금속 튜브(D2)의 외경의 10 내지 30%의 범위, 더욱 더 바람직하게는 15 내지 25%의 범위인 것이 바람직할 수 있다.

제1 금속 튜브의 선형 밀도가 제2 금속 튜브의 선형 밀도의 10% 미만인 것이 유리할 수 있음이 밝혀졌다.

일 실시예에서, 충전재 층의 두께는 제1 금속 튜브의 벽 두께보다 더 클 수 있다. 추가의 실시예에서, 충전재 층의 두께는 제2 금속 튜브의 벽 두께(T2)보다 더 클 수 있다.

바람직한 실시예에서, 충전재 층의 두께는 제1 금속 튜브에 의해 형성된 층의 두께 및 제2 금속 튜브에 의해 형성된 층의 두께보다 더 크다.

추가의 실시예에 따르면, 장치는 복수의 광섬유들을 포함할 수 있고, 섬유들의 각각은 제1 금속 튜브에 의해 둘러싸일 수 있다. 다른 바람직한 실시예에 따르면, 별도의 제1 금속 튜브에 의해 각각 둘러싸인 복수의 광섬유들이 제2 금속 튜브 내에 배열된다.

본 발명에 따르면, 장치는 광섬유에 의해 전송되는 신호를 수신하기 위한 검출기를 포함하고, 검출기는 코어형 와이어의 반대편 단부에 결합된다.

본 발명의 맥락에서의 검출기는 고온계일 수 있다.

본 발명은 또한 본 명세서에 기술된 바와 같은 장치, 및 장치의 선단 팁을 용융 금속욕 내에 이송하기 위한 이송 수단을 포함하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 용어들에서 장치의 선단 팁은 장치의 침지 단부의 팁으로서 이해될 수 있다.

본 발명의 맥락에서, 이송 수단은 용융 금속욕 내로의 코어형 와이어의 이송을 허용하는 수단으로서 이해될 수 있다. 그러한 수단은 코일, 이송기(feeder), 스트레이트너(straightener), 안내 튜브, 및 송풍 랜스(blowing lance)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

시스템은 장치를 위한 진입 지점을 갖고 용융 금속욕을 보유하는 노를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 근본적인 발상은 후속적으로, 도면에 도시된 실시예들과 관련하여 더 상세히 기술될 것이다. 본 발명을 예시하는 목적을 위해, 현재 바람직한 실시예들이 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명이 도시된 정확한 배열 및 수단으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

본 명세서에서:
도 1은 코어형 와이어의 개략 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 상이한 실시예들에 따른 코어형 와이어들의 개략도들을 도시한다.
도 3은 용융 금속욕의 온도를 측정하기 위한 시스템에 매립된 장치의 개략도를 도시한다.

도 1은 외측 금속 튜브(5)(제2 금속 튜브), 충전재 층(4), 및 광섬유(2)를 수용하는 내측 금속 튜브(3)(제1 금속 튜브)를 포함하는 코어형 와이어(1)의 개략도를 단면도로 도시한다.

도시된 실시예에서, 외측 금속 튜브는 기체 투과성 구성을 허용하는 통기구(6)를 포함한다.

도 2의 A 내지 E는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 코어형 와이어(1' 내지 1''''')들의 개략도들을 도시한다. 예시된 실시예들의 조합들이 또한 본 발명에 따라 가능할 수 있음이 이해되어야 한다.

도 2의 A는 외측 금속 튜브(5')를 형성하는 시트의 에지들이 중첩되지 않는 제1 실시예에 따른 코어형 와이어(1')의 단면을 도시한다. 충전재 층 재료(4')는 제1 튜브(3')와 외측 튜브(5') 사이의 공간을 균일하게 충전한다.

도 2의 B는 충전재 층(4")이 섬유들을 포함하는 제2 실시예에 따른 코어형 와이어(1")의 단면을 도시한다.

도 2의 C는 충전재 층(4''')이 몇몇 하위 층을 포함하는 제4 실시예에 따른 코어형 와이어(1''')의 단면을 도시한다.

도 2의 D는 충전재 층(4'''')이 2개의 상이한 섬유상 재료를 포함하는 제3 실시예에 따른 코어형 와이어(1'''')의 단면을 도시한다.

도 2의 E는 외측 금속 튜브(5''''')를 형성하는 시트의 에지들이 중첩되어 시임 부분(7)을 형성하는, 바람직한 외측 튜브 마감을 가진 제5 실시예에 따른 코어형 와이어(1''''')의 단면을 도시한다.

도 3은 용융 금속욕의 온도를 측정하기 위한 시스템에 매립된 장치(8)의 개략도를 도시한다. 시스템은 코어형 와이어(1) 및 고온계(12)를 포함하는 장치(8)를 포함하는데, 장치는 코일(9) 상에 적어도 부분적으로 위치되고 측정을 수행하기 위해 코일(9)로부터 적어도 부분적으로 권취해제된다. 장치의 일 단부(10)가 고온계(12)에 연결되고, 고온계는 이어서 장치(8)에 의해 획득된 데이터를 처리하기 위한 컴퓨터 시스템(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 장치(8)는, 침지 단부(11)가 이송기(13)에 의해 안내 튜브(14)를 통하여, 진입 지점(15)을 갖고 용융 금속욕(16)을 수용하는 용기 내에 이르는 상태로 이송된다. 코일(9)로부터 진입 지점(15)까지 연장되는 장치(8)의 일부의 온도는 낮은 것으로 간주될 수 있으며, 이는 실온 내지 최대 100℃ 범위의 온도일 수 있다. 일단 용융 금속욕(16)의 방향으로 진입 지점(15)을 통과하면, 최대 1700℃ 또는 심지어 더 높은 고온 분위기에 먼저 직면하고, 뒤이어 슬래그 층(17)이, 이어서 용융 금속욕(16)이 뒤따른다. 용기에의 진입 지점(15)에는 안내 튜브(14) 내로의 금속 및 슬래그 침투를 방지하기 위한 송풍 랜스(18)가 설비될 수 있다. 후속적으로, 코어형 와이어는 측정이 취해질 수 있는 요구되는 침지 깊이까지 용융 금속욕(16) 내로 이송될 것이다.

측정 시퀀스의 이러한 지점까지, 광섬유(2) 및 그의 선단 팁은 이를 둘러싸는 층들에 의해 기계적으로 보호되고 단열된다. 장치(8)의 선단 팁이 최대 1850℃의 온도를 가진 용융 금속욕(16) 내로 잠길 때, 외측 튜브가 먼저 용융되어 충전재 층을 용융 금속욕(16)에 노출시킬 것이다. 유기 재료를 포함하는 충전재 층은 그러한 조건에 처해질 때 연소되기 시작하여, 선단 팁을 용융 금속에 노출시킬 것이다.

측정 시퀀스 후, 용융 금속욕에 침지된 코어형 와이어의 부분(19)이 용융되고 이에 의해 소모될 것이다.

측정이 취해진 후, 고온 분위기 내에 위치되고 슬래그 층을 통해 연장되는 장치의 부분(20)은 코일(9)의 방향으로 뒤로 이송될 수 있고 다음 측정을 위해 재사용될 수 있다.

유기 재료는 용융 금속에 노출될 때 대부분 분해되기 때문에 충전재 층 재료로서 일반적으로 적합하다. 코어형 와이어에서 충전재 층으로서 이용될 때, 이러한 연소 거동은 주의깊게 제어되어야 한다. 코어형 와이어의 반대편 단부의 방향으로 용융 금속욕 내로 침지된 코어형 와이어의 부분보다 더한 열화가 방지되어야 한다.

새로운 선단 팁을 가진 광섬유가 용융 금속욕 용기에서 가혹한 환경에 대해 보호되지 않은 채로 남겨지므로, 충전재 층의 그러한 장기적인 분해를 받은 장치는 정확한 온도 측정치를 획득하는 데 적합하지 않을 수 있다.

충전재 층의 밀도와 구조 및 외측 금속 튜브의 가스 투과성이 이러한 원치 않는 분해 거동에 대해 지배적으로 영향을 미친다는 것을 시험들이 보여주었다.

본 발명에 따른 코어형 와이어의 예시적인 구성(예 1)은 0.2 mm의 두께 및 200 MPa의 항복 응력을 가져 238 N의 항복 힘을 생성하는 스테인리스강(SS316) 튜브 내에 매립된 구배-굴절률 62.5/125 μm 재킷 광섬유를 포함한다. 0.5 g/㎤의 밀도를 가진 면 섬유의 절연 층이 제1 금속 튜브를 에워싼다. 이러한 조립체는 10 내지 16 mm의 외경을 가진 스테인리스강의 0.8 mm 두께의 외측 층에 의해 둘러싸인다.

종래 기술에 따른 예(예 2)에서, 0.13 mm의 두께를 가져 94 N의 항복 힘을 생성하였던, 광섬유를 수용하는 튜브를 제외하고는, 예 1에 따라 코어형 와이어를 구성하였다.

종래 기술에 따른 추가 예(예 3)에서, 0.2 g/㎤였던 충전재 층의 밀도를 제외하고는, 예 1에 따라 코어형 와이어를 구성하였다.

예시적인 구성들의 측정 성능을 시험하기 위해, 코어형 와이어를 고온계에 연결하였고, 전기 아크로 내의 용융 금속욕에 도입하였다. 획득된 온도 데이터를 종래의 침지 열전쌍으로 수신된 데이터와 비교하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 획득가능한 데이터의 품질이 개선되었다.

[표 1]

추가적으로, 그러한 개선된 온도 측정치들은 코어형 와이어의 총 코일 길이에 걸쳐 획득가능하였다.

Claims (15)

1. 용융 금속욕(molten metal bath)의 온도를 측정하기 위한 장치로서,
   (a) 침지 단부 및 반대편 단부를 갖는 코어형 와이어(cored wire)로서,
   (a1) 광섬유,
   (a2) 상기 광섬유를 수용하는 제1 금속 튜브,
   (a3) 상기 제1 금속 튜브를 둘러싸는 충전재 층, 및
   (a4) 상기 충전재 층을 수용하는 제2 금속 튜브
   를 포함하는, 상기 코어형 와이어; 및
   (b) 상기 광섬유에 의해 전송되는 신호를 수신하기 위한 검출기로서, 상기 코어형 와이어의 상기 반대편 단부에 결합되는, 상기 검출기
   를 포함하고,
   상기 제1 금속 튜브는 140 N 이상의 항복 힘을 가지며,
   상기 제1 금속 튜브는 상기 제1 금속 튜브의 벽들의 두께에 의해 한정되는 단면적(CW1) 및 상기 제1 금속 튜브의 외경에 의해 한정되는 총 단면적(TC1)을 갖고, 상기 제1 금속 튜브의 상기 벽들의 상기 두께에 의해 한정되는 상기 단면적(CW1)은 상기 제1 금속 튜브의 상기 총 단면적(TC1)의 45% 미만이며,
   상기 충전재 층은 0.3 내지 1.1 g/㎤ 범위의 밀도를 갖고, 10 질량% 이하의 회분(ash) 함량을 갖는 유기 재료인 충전재 층 재료를 포함하며, 상기 충전재 층 재료는 섬유들로부터 형성되는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유는 상기 코어형 와이어의 중심에 배열되는, 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전재 층은 적어도 2개의 충전재 층 재료들을 포함하는, 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전재 층은 적어도 2개의 하위 층들로 형성되는, 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 금속 튜브는 제1 튜브 벽 두께(T1) 및 제1 튜브 외경(D1)을 갖고, 상기 제1 튜브 벽 두께(T1)와 상기 제1 튜브 외경(D1)의 비는 15% 미만인, 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 금속 튜브는 가스 투과성인, 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광섬유의 단면은 총 단면적(TC1)을 4% 이하만큼 차지하는, 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 금속 튜브는 상기 제2 금속 튜브 내에 동심으로 배열되는, 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 금속 튜브의 선형 밀도는 상기 제2 금속 튜브의 선형 밀도의 10% 미만인, 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 금속 튜브의 금속의 융점은 상기 제1 금속 튜브의 금속의 융점보다 더 높은, 장치.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전재 층의 두께는 상기 제1 금속 튜브의 벽 두께보다 더 큰, 장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전재 층의 두께는 상기 제2 금속 튜브의 벽 두께보다 더 큰, 장치.
13. 제1항 또는 제2항의 장치, 및 상기 장치의 선단 팁을 용융 금속욕 내에 이송하기 위한 이송 수단(feeding means)을 포함하는, 시스템.
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