KR100358009B1 - 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제철소 용융도금공정에 있어서 강판이 아연욕조를 통과하면서 표면에 부착된 아연도금 부착량을 수요가 주문도금량에 맞추기 위해서 욕조의 탕면위에 설치된 에어 나이프의 공기분사압력과 에어 나이프의 립과 강판간의 간격을 적절히 조절하는 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법에 관한 것으로, 에어 와이핑 방식을 이용하는 용융도금공정에서 강판에 부착되는 도금량을 조절하기 위한 방법에 있어서, 강판과 에어 나이프 립간의 간격을 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계와, 도금공정모델의 모델상수를 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계와, 산출된 상기 강판과 에어 나이프 립간의 간격과 상기 모델상수를 토대로 스미스 예측기법을 사용하여 도금공정모델을 계산하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법
본 발명은 제철소 용융도금공정에 있어서 강판이 아연욕조를 통과하면서 표면에 부착된 아연도금 부착량을 수요가 주문도금량에 맞추기 위해서 욕조의 탕면위에 설치된 에어 나이프의 공기분사압력과 에어 나이프의 립과 강판간의 간격을 적절히 조절하는 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법에 관한 것으로, 도금량을 깍아내는 에어 나이프의 위치와 도금량을 측정하는 도금량센서의 거리로 인한 측정지연시간으로 야기되는 수렴속도저하, 발산 등의 종래의 피드백 제어방법이 가지는 문제점을 해결하기 위해서 에어 나이프의 립과 강판간의 거리를 추정해서 도금공정모델의 정합성을 향상시키고 더 나아가 도금량 자동제어성능을 향상시키기 위한 것이다.
도 1은 에어 나이프의 립에서 분사되는 높은 압력의 공기를 강판에 충돌시켜서 도금량을 조절하는 방식인 에어 와이핑 도금량 제어설비의 구성개요를 나타낸다.
에어 와이핑 방식은 아연욕조(2)를 통과하면서 강판(1)의 표면에 부착된 도금량을 기계적인 접촉을 하지 않으면서 도금량을 깍아주는 방법으로서, 강판(1)의 도금표면이 매끈하다는 장점을 가지고 있어서 세계적으로 주종을 이루고 있는 방식이다.
아연욕조(2)를 지나는 강판(1)은 아연이 표면에 잘 부착되도록 하기 위해서 이전의 공정에서 적당한 온도로 가열된다. 가열된 강판(1)이 아연욕조(2)를 통과하면서 도금이 이루어지는데, 부착되는 도금량이 과다하기 때문에 과다한 분량을 적절히 깍아주기 위해서 에어 나이프(Air Knife)(3)를 강판(1)의 전후면에 설치시켜 이 에어 나이프(3)의 립(Lip)(8)을 통해서 높은 압력의 공기를 분사시킨다.
분사되는 공기는 강판(1)의 표면에 충돌하면서 부착된 도금을 적절히 깍아주는데, 유체역학에 의해 해석된 결과에 의하면 남은 도금량 M은 다음 수학식 1과 같이 표현된다.
M = C
상기 수학식 1에서 M은 도금부착량(g/㎡)을 의미하며, S는 강판의속도(m/sec), D는 강판과 립간의 간격(m), P는 분사공기의 압력(psi)을 각각 의미하는데, 이 수학식 1을 도금공정모델이라고 하며, C는 모델상수라 한다.
상기 수학식 1에서 알 수 있듯이 도금량은 강판의 속도 S, 분사공기의 압력P, 강판과 립간의 간격 D에 의해서 주로 결정된다.
설비에 따라서 상이한 값을 나타내는 모델상수 C는 립 틈새의 간격과 아연의 점성도 그리고 강판 표면 거칠기 등에 의해서 결정된다.
상술한 과정을 거쳐서 남은 도금량은 대기 중에서 자연냉각을 시키기 위해서 상당한 거리를 어떠한 과정도 거치지 않는 상태로 올라가 도금량센서(7)를 통해서 부착된 도금량을 측정하게 된다.
측정된 도금부착량을 수요가 주문도금량에 맞추기 위해서 도금량을 조절하기 위한 수단으로 압력 P와 간격 D를 조절하는데, 여기서 강판의 속도 S는 도금 공정상에서 임의로 조절가능한 요소가 아니기 때문에 제어인자로는 제외된다.
도 2는 종래의 도금량 자동제어기의 피드백제어 블록도이다.
현재 도금량센서(7)로부터 측정된 도금부착량 신호 Ms와 주문도금량 신호 Mr의 오차신호 e를 이용하여 PI제어기(12)에서는 도금조절량 Me를 계산한다. 여기에서, PI제어기(12)의 전달함수 Gc(S)는 다음 수학식 2와 같이 된다.
Gc(S)=Kp+Ki
상기 수학식 2에서 Kp는 비례제어이득, Ki는 적분제어이득을 나타낸다. 상기수학식 2의 출력신호는 도금조절량 Me을 나타내는 데, 이를 상기 수학식 1의 모델을 이용한 간격/압력 환산기(13)로부터 압력조절량 ΔP과 간격조절량 ΔD을 계산하게 된다. 도금조절량 Me로부터 압력조절량 ΔP과 간격의 조절량 ΔD를 도출하는 환산식은 각각 다음 수학식 3, 수학식 4와 같다.
P=-1.5tMe
D=tMe
계산된 각각의 조절량 ΔP, ΔD은 해당되는 각각의 압력제어기, 간격위치 제어기에 입력되어 간격과 압력을 조절하여 오차신호 e를 최소화한다. 여기서, 현재의 에어 나이프(3)의 위치와 압력은 위치센서(10)와 압력센서(9)로부터 각각 측정된다.
도 3은 도금량센서(7)의 위치가 에어 나이프(3)로부터 상당한 거리 떨어져 있어서 발생되는 측정지연시간을 극복하기 위한 스미스(Smith) 예측기법의 블록도이다.
도 2와 다른점은 도금량센서(7)의 측정값을 오차신호 e를 계산하기 위해서 바로 사용하는 것이 아니라, 상기 수학식 1의 도금공정모델(15) 계산값에서 모델값의 오차신호 Em을 뺀 예측도금량신호 Ms *를 이용한다는 점이다. 즉 주문도금량 Mr대비 오차신호 e*는 다음 수학식 5와 같다.
e*=Mr-M S*
상술한 바와 같이 종래의 도금량 제어방법에서는 도금량센서의 측정신호를 직접 피드백받아서 사용하는 방식과, 이 방식의 문제점인 측정시간지연으로 인한 제어수렴속도 저하, 발산 등을 해결하기 위해서 도금공정모델의 계산값을 피드백 받는 스미스 예측기법을 사용하는 방식을 사용하였다.
두가지 방식 모두가 도금공정모델을 기초로 한 환산식인 상기 수학식 3, 수학식 4를 이용하여 간격과 압력의 조절량 ΔP, ΔD를 계산하며, 특히 스미스 예측기법에서는 도금공정모델(15)의 출력값을 피드백 신호로 사용하므로 도금공정모델(15)의 정합성이 도금량 자동제어성능을 결정짓는다고 할 수 있다.
한편, 도금공정모델(15)은 상기 수학식 1에서와 같이 강판과 립간의 간격 D를 알아야 계산을 할 수 있다.
도 1에서 나타낸 것과 같이 간격조절용 모터(4)에 각각 설치된 위치센서(10)를 이용해서는 에어 나이프(3) 립의 절대위치는 측정할 수 있으나, 강판과 립간의 간격은 측정할 수 없으므로 도금공정모델(15)의 정합성을 보장할 수 없어서 도금량 자동제어기의 성능을 크게 저하시키는 문제가 있다.
본 발명에서는 측정할 수 없는 강판과 립간의 간격을 추정하여 정합성이 높은 도금공정모델을 제공하고, 이 도금공정모델의 출력값인 도금량 예측값을 피드백하여 간격과 압력을 조절함으로써, 도금량센서의 측정 지연시간을 보상하여 도금량 자동제어성능을 향상시키도록 하는 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 관련된 용융도금공정에서의 에어 와이핑 방식의 도금량 제어설비의 개략적 구성도,
도 2는 종래의 도금량 제어계의 피드백제어 블록도,
도 3은 스미스(Smith) 예측기법을 이용한 도금량 제어계의 피드백제어 블록도,
도 4는 간격 추정방법의 설명을 위한 에어 나이프 주변 배치도,
도 5는 도금공정모델 상수와 간격 추정값 계산을 위한 순서도,
도 6은 본 발명의 수단을 이용한 도금공정모델의 정합성 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 수단을 이용한 스미스 예측기법을 통한 도금량 자동제어 결과를 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 강판 2 : 아연욕조
3 : 에어 나이프 4 : 모터
5 : 압력조절밸브 6 : 송풍기
7 : 도금량센서 8 : 립(Lip)
9 : 압력센서 10 : 위치센서
11 : 안정롤 12 : PI제어기
13 : 압력/간격 환산기 14 : 에어 와이핑 도금공정
15 : 도금공정모델 16 : 시간지연회로
17 : 리드스크류 G : 전후면 립간의 거리
L : 전후면 모터간 총거리 AT1, AT2, AB1, AB2 : 각 모터의 위치
PT, PB :전후면 압력 S : 강판의 속도
G* : 유효간격 MT, MB: 전후면 도금량
DT, DB: 전후면 간격 T : 강판의 두께
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법은, 에어 와이핑 방식을 이용하는 용융도금공정에서 강판에 부착되는 도금량을 조절하기 위한 방법에 있어서, 강판과 에어 나이프 립간의 간격을 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계와, 도금공정모델의 모델상수를 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계와, 산출된 상기 강판과 에어 나이프 립간의 간격과 상기 모델상수를 토대로 스미스 예측기법을 사용하여 도금공정모델을 계산하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 강판과 에어 나이프 립간의 간격을 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계는 다음의 수학식 G=L-(+), G* = G-T , DT =G*TTTTBb, DT = G*BBTTBb을 차례로 거쳐서 계산됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 도금공정모델의 모델상수를 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계는 다음의 수학식 G=L-(+), G* = G-T , C=TTBB 을 차례로 거쳐서 계산됨을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 에어 나이프가 위치한 부분을 위에서 바라본 평면도로서, 실제로 용융도금공정에서 사용되는 에어 나이프의 주변배치를 설명하기 위한 보조도면이다.
간격조절용 모터(4)를 구동시켜 리드스크류(17)를 회전시키면 이 리드스크류(17)에 연결된 에어 나이프(3)가 움직여서 강판(1)의 표면과 에어 나이프(3)의 립(8)간의 간격을 조절한다. 이 에어 나이프(3)의 양단에 에어 나이프(3)의 절대위치를 측정할 수 있도록 위치센서(10)가 설치되어 있다. 이 위치센서(10)는 고정된 모터(4)로부터 에어 나이프(3) 까지의 거리(L1)(L2) 만을 측정할 수 있는 수단으로 사용된다.
그런데, 강판의 에어 나이프 립(8) 대비 상대위치 DT, DB는 안정롤(11) 및 강판의 두께에 따라 항상 변화하기 때문에 상술한 기능을 가진 위치센서(10) 만으로 도금공정모델(15)에 사용될 립과 강판의 간격 D를 구할 수는 없다.
본 발명에서는 전면 간격 DT와 후면간격 DB가 강판의 전면도금량 MT와 후면도금량 MB와 관계가 있음에 착안하여, 도금량센서(7)로부터 측정된 전후면 도금량으로부터 전후면 간격을 추정하는 수단을 제공한다.
도 5는 도금량센서로부터 측정된 전후면 도금량을 이용하여 전후면 간격을 측정하는 과정을 표시한 순서도이다.
단계 1에서 도금량센서(7)로부터 전면도금량 MT와 후면도금량 MB를 수신하게 되면, 단계 2에서 에어 나이프(3) 양단에 설치된 위치센서(10)로부터 고정된 모터(4) 대비 네부분의 에어 나이프(3)의 절대위치 AT1, AT2, AB1, AB2를 측정하고, 전후면 에어 나이프(3)의 공기분사압력 PT, PB을 압력센서(9)로부터 측정한다. 단계 3 에서는 단계 2에서 측정된 AT1, AT2, AB1, AB2로부터 다음 수학식 6과 같이 전후 에어 나이프(3) 립과 립간의 거리 G를 계산한다. 여기서, L은 전후면 모터와 모터간의 총거리를 나타내는 기지의 상수이다.
G=L-(+)
단계 4에서 에어 나이프의 립과 립간의 거리 G에서 강판의 두께 T를 뺀 유효간격 G*를 다음 수학식 7과 같이 계산한다.
마지막으로 단계 5에서는 전후면 압력 PT, PB, 강판의 속도 S, 전후면 도금량MT, MB, 유효간격 G*으로부터 도금공정모델(15)의 상수인 C를 다음 수학식 8에 의거하여 계산하고, 전면간격 DT과 후면간격 DB을 다음 수학식 9 및 수학식 10과 같이 각각 계산한다.
G* = G-T
C=TTBB
DT = G*TTTTBb
DT = G*BBTTBb
계산된 마지막 결과는 도금공정모델(15)의 모델상수 C와 전면간격 DT와 후면간격 DB이다.
상기 5단계를 도금량센서(7)로부터 전후면 도금량이 수신될 때마다 수행해서 항상 최근의 상수 C, 전면간격 DT와 후면간격 DB를 계산 후에 임시 저장장소에 저장한다.
저장된 값들은 도 3에서 상술한 스미스 예측기법에서 사용된 도금공정모델식에서 각 변수로 사용된다.
상술한 단계에 의해서 계산된 모델상수 C와 전후면간격 추정값을 사용한 도금공정모델 출력의 지연시간 τ후의 값과 도금량 센서의 측정값을 비교한 결과는 도 6과 같다.
한편, 상기 정합성이 향상된 도금공정모델을 포함한 도 3의 스미스 예측기법을 활용한 도금량 자동제어 결과는 도 7과 같다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법에 의하면, 스미스 예측기법에서 사용되는 도금공정모델의 정합성을 향상시킬 수 있고, 그 값을 스미스 예측기법에 적용하게 되면 도금부착량과 주문도금량의 오차를 극소화 할 수 있어서 수동조작시 발생하는 미도금을 억제하여 도금품질불량을 막을 수 있으며, 과도금을 극소화하여 과도금으로 인한 아연손실을 막을 수 있어서생산비 절감효과를 제공한다.

Claims (3)

  1. 에어 와이핑 방식을 이용하는 용융도금공정에서 강판에 부착되는 도금량을 조절하기 위한 방법에 있어서, 강판과 에어 나이프 립간의 간격을 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계와, 도금공정모델의 모델상수를 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계와, 산출된 상기 강판과 에어 나이프 립간의 간격과 상기 모델상수를 토대로 스미스 예측기법을 사용하여 도금공정모델을 계산하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강판과 에어 나이프 립간의 간격을 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계는 다음의 수학식 G=L-(+), G* = G-T , DT = G*TTTTBb, DT = G*BBTTBb을 차례로 거쳐서 계산됨을 특징으로 하는 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도금공정모델의 모델상수를 측정도금량을 이용하여 역으로 산출하는 단계는 다음의 수학식 G=L-(+), G* = G-T , C=TTBB 을 차례로 거쳐서 계산됨을 특징으로 하는 용융도금공정에서의 도금량 자동제어방법.
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