KR100360086B1 - 가열로 내 피가열물의 균일 가열 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로내 피가열물의 균일 가열방법에 관한 것이며, 그 목적은 워킹빔(walking beam)식 가열로에서의 피가열물에 발생되는 스키드마크(skid mark)가 저감되도록 함에 있다.

본 발명은 위킹빔식 가열로에서 피가열물을 가열하는 방법에 있어서, 피가열물이 고정빔과 이동빔에 지지되는 시간을 동일하게 하는 최적의 아이들링 시간을 선정하는 가열로내 피가열물의 균일 가열방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

가열로내 피가열물의 균일 가열방법

본 발명은 위킹빔(walking beam)식 가열로내 피가열물의 균일가열방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피가열물에 발생되는 스키드 마크(skid mark: 자국)이 저감되도록 피가열물을 균일하게 가열하는 방법에 관한 것이다.

통상의 워킹빔(walking beam)식 가열로에서 피가열물의 로내 이동은 일정시간 고정빔(fixea beam)에 지지되다가 피가열물의 장입이나 추출을 위해 이동이 필요할 경우에 이동빔(moving beam)에 의해 피가열물이 로내에서 이동을 하게 된다. 따라서 고정빔에 피가열물이 지지되는 시간이 길기 때문에 지지되는 면의 온도가 낮게 되는데, 이 영역을 스키드 마크(skid mark)라고 지칭한다.

이러한 스키드마크의 존재는 피가열물이 가열로에서 추출된 후 압연과정을 거칠때 타부위보다 온도가 낮기 때문에 열응력의 편차가 생겨 판형상이 불량해지거나 판품 질을 나쁘게 만드는 한 요인이 된다.

한편 지금까지 스키드 마크를 줄이기 위한 노력은 주로 설비측면에서 이루어져 왔다. 예를들어 고정빔에 계속해서 피가열물이 동일한 위치에 지지되는 것을 피하기 위해 스키드의 배열을 지그재그로 설치하거나 사행빔을 채택하여 왔다. 또 다른 방법으로는 스키드 마크가 생성되는 부위에 버너로 가열하여 열보상을 해주는 방법이 개발되어 있다.

그러나, 이러한 방법들은 가열로를 새롭게 축조하거나 대대적인 공사를 필요로 한다.

따라서, 본 발명은 현재의 로상태를 그대로 유지하면서 가열로 운전방법만을 바꿔서 손쉽게 스키드 마크를 줄 일 수 있는 방법을 제시하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명의 또다른 목적은 피가열물에 발생되는 스키드 마크가 저감되도록 최적의 아이들링(ialing)시간을 설정하므로서, 피가열물을 균일하게 가열하는 방법을 제공하고자 하는데 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 고정빔(fixed beam)과 이동빔(moving beam)을 구비한 위킹빔(walking beam)식 가열로에서의 피가열물 가열방법에 있어서,

상기 피가열물의 치수, 로내 체류시간, 장입온도 및 가열로내 분위기 온도 데이타를 기초로 피가열물이 상기 고정빔과 이동빔에 지지되는 아이들링 시간(idling time)을 설정하는 단계;

상기 피가열물이 가열로에 장입되는 시점을 제로(0)로 하여 이로부터 설정된 아이들링 시간까지 피가열물이 지지된 빔의 종류에 따라 일정시간 간격으로 피가열물의 온도에 따른 열전도도 및 비열데이타를 기초로 유한 차분법에 의해 피가열물의 내부온도 분포를 구하는 단계;

상기 아이들링 시간을 변경하면서 각 아이들링 시간에 상기한 동일한 방법에 의해 피가열물의 내부온도 분포를 구하는 단계;

각 아이들링 시간에 따른 내부온도 분포를 이용하여 피가열물의 평균온도와 균열도를 계산하는 단계;

계산된 피가열물의 평균온도와 균열도를 서로 비교하여 최적 아이들링 시간을 설정하는 단계; 및

설정된 최적 아이들링 시간만큼 피가열물을 이동빔과 고정빔을 통해 지지하는 단계

를 포함하여 구성되는 가열로내 피가열물의 균일 가열방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 특징은 위킹빔식 가열로에서 피가열물이 고정빔과 이동빔에 지지되는 적정시간을 결정함에 의해 피가열물의 내부 온도분포의 불균일성을 없애는데 있다.

즉, 통상의 워킹빔식 가열로에서의 조업은 피가열물이 로내에서 이동을 할때만 이동빔이 움직이기 때문에 상대적으로 많은 시간동안 고정빔에 지지되게 되어 고정빔에 지지되는 부위의 온도가 피가열물의 다른 부위보다 온도가 낮아져서 스키드 마크가 발생하게 된다. 따라서, 피가열물이 로내에서 이동을 하지 않을 때에도 일정 시간 간격으로 고정빔과 이동빔에 지지되는 시간(이하, '아이들링 시간' 혹은 '아이들링 모드')을 동일하게 해주면 피가열물의 일정부위(고정빔에 지지되는 부분)에서만 발생되는 스키드 마크를 줄일 수 있을 것이다. 이때, 고려해주어야 할 사항은 고정빔과 이동빔에 지지되는 시간을 어느 정도로 해주는 것이 최적인가를 결정해 주어야 한다. 왜냐하면 고정빔과 이동빔의 교대로 지지되는 시간을 짧게 할수록 피가열물의 내부 온도편차는 줄이고 스키드 마크도 덜 생기게 되는 것은 당연하나 빔을 구동시키기 위한 에너지 손실이 증가하기 때문에 최적의 아이들링 시간을 정해주어야 한다.

이러한 최적 아이들링 시간을 결정하는 본 발명에 의한 방법을 제1도를 통해 설명하면 다음과 같다.

제1도는 위킹빔식 가열로에서 고정빔과 이동빔에 지지되는 시간을 고려한 피가열물 내부의 온도분포 계산 및 최적의 아이들링 시간을 결정해주는 흐름도를 나타낸 것이다.

먼저, 피가열물의 사양(두께, 폭, 길이), 가열로내 분위기 온도, 피가열물의 로내 체류시간, 피가열물의 장입온도등의 자료를 입력한다. 가열로에 피가열물이 장입되는 시점을 계산시간 영으로 두고 계산시간을 증가시키면서 피가열물의 내부온도 분포를 구하는데, 여기서 △t 는 일정시간 간격으로 계산하기 위한 컴퓨터 연산의 시간증분을 나타낸다. 계산에 필요한 피가열물의 물성치(비열 및 열전도도)는 온도에 의존하기 때문에 피가열물의 온도분포 계산중 이에 맞는 값을 선택하여 온도분포 계산을 수행한다.

다음에 아이들링 시간에 따라 피가열물이 고정빔에 지지되는지 혹은 이동빔에 지지되는지를 고려해서 유한 차분법에 의해 피가열물의 내부 온도 분포를 계산한다.

왜냐하면 피가열물이 지지되는 빔의 종류에 따라 온도분포가 다르기 때문이다.

유한차분법을 이용하여 피가열물의 내부온도분포를 구하는 방법의 일례를 들면, 다음과 같다.

즉, 피가열물의 내부온도분포는 하기 식(1)과 같이 표현되는 행렬식을 풀므로써 구해질 수 있다.

상기 식(1)에서 T는 피가열물의 내부온도(여기서는 5개 지점)를 나타내고, t는 시간을 나타내고, △t는 시간증분을 나타내고, 그리고 A, B 및 C는 각각 하기식(2). 식(3) 및 식(4)와 같이 표현되는 계수행렬이다.

(상기식 2에서, Cp: 비열, k: 열전도도, p: 피가열물의 밀도, D: 등분간격)

(상기 식 3에서, Cp: 비열, k: 열전도도, ρ: 피가열물의 밀도, D: 등분간격)

(상기 식 4에서, k: 열전도도, qu: 피가열물 상부에서 들어오는 복사량, q₁: 피가열물 하부에서 들어오는 복사량, D: 등분간격)

이렇게 구한 피가열물의 내부온도 분포를 기초로 하여 전체 평균온도와 균열도를 구한다.

여기서, 균열도란 고정빔에 지지되는 부분의 상부방향(두께방향)의 평균온도와 고정빔과 이동빔의 중간부분의 두께 방향의 평균온도와의 차이를 말한다. 온도 계산 시간이 피가열물이 로내 체류시간을 넘을 때까지 이와 같은 온도분포 계산과정을 반복하여 수행한다. 제1도와 같은 흐름에 의해 구한 피가열물의 평균 온도가 동일한 가열로 조업조건에서 가장 높고, 균열도가 가장 작은 경우의 아이들링 시간을 최적의 아이들링 조건(아이들링 모드)으로 선정하면 된다.

이렇게 구한 최적의 아이들링 조건에 의해 가열로내의 피가열물을 이동빔과 고정빔을 통해 교대로 지지하면 피가열물의 하부면에 스키드 마크발생을 최소화할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

실시예 1

1 가열대, 2 가열대, 3 가열대, 균열대로 이루어진 유효길이 41.5m 인 후판가열로 에서 두께가 220mm 인 슬라브를 가열할 때, 스키드 마크를 최소로 하는 아이들링 시간(아이들링 모드)를 선정하는 과정을 살펴본다.

하기표 1은 계산에 사용된 가열로 조업조건을 나타낸 것이다. 여기서, 아이들링 모드(idling mode)라는 것은 피가열물이 로내 이동을 하지 않고 그 위치에서 고정빔과 이동빔이 상하 운동만을 하는 경우를 아이들링 시간에 따라 구분한 경우를 나타낸 것이다. 예를들어, 본 발명에 의한 계산에서 기존의 아이들링 모드는 11분동안 고정빔에 지지되다가 슬라브가 장입되거나 추출되는 시간동안인 10.5초 동안 이동빔에 지지되는 것을 반복하는 것을 의미하며, 기타 값으로 나타낸 모드는 고정빔과 이동빔의 지지시간을 동일하게 두었을 때 빔이 교대로 지지되는 시간을 의미한다. 즉, 아이들링 모드가 2분 이라는 것은 2분 동안 고정빔에 지지되다가 다음 2분 동안은 이동빔에 지지되고 이런 상황을 슬라브의 로내 이동이 없을 때에도 계속 반복함을 의미한다.

표 1

한편, 제2도의 빗금친 부분은 슬라브(1)의 전체에 온도분포를 대표할 수 있는 온도 분포 계산 영역인 대표부위(control volume)을 나타낸 것이며, 내부의 각점들은 온도분포 계산점들이다. 즉, 각 계산점들의 온도 평균이 피가열물의 전체 평균 온도가 되는 것이다. 선(L1)은 고정빔(2)이 지지되는 두께방향의 온도분포 계산영역을 나타낸다. 따라서, 균열도란 선(L1)위에 놓인 계산점들의 평균온도와 선(L2)위에 놓인 계산점들의 평균온도와의 편차를 나타내는 것이다.

상기 표 1과 같은 조업조건을 기초로 제1도와 같은 과정을 거쳐 슬라브의 온도분포를 계산하고 이를 이용하여 각 아이들링 모드에 따른 슬라브 평균온도와 균열도를 계산하고, 그 결과를 하기표 2에 나타내었다.

표 2

상기표 2에 나타난 바와같이, 아이들링 모드의 적절한 선택으로 슬라브 내부의 균열도를 좋게 할 수 있으며, 다시 말하면 스키드 마크를 줄임에 의해 슬라브의 평균온도도 다소높일 수 있음을 알 수 있다. 즉, 발명예(1-4)의결과와같이 아이들링모드를 1분-5분 으로 하는 경우가 스키드마크를 가장 많이 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이때, 고정빔과 이동빔을 움직이는데 필요한 에너지도 고려한다면 발명예(3-4)의 경우와 같이 아이들링 모드를 3-5분으로 길게 하는 것이 더욱 유리하다.

한편, 최적의 아이들링 모드인 발명예(3)과 종래의 모드를 선택했을 때 가열로에서 추출되는 슬라브의 길이 및 두께방향의 온도분포를 비교한 결과 제3도와 같았다.

제3도에 도시된 바와같이, 발명예(3)과 같이 최적의 아이들링 모드를 선택했을 때 슬라브의 내부온도 분포가 균일해져 스키드 마크를 줄일 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의해 가열로 조업조건을 선택하면 손쉽게 스키드 마크를 줄일 수 있으며, 이렇게 되면 피가열물 내부의 온도편차가 줄어들어 압연 조업시 판형상불량이나 판품질의 저하를 방지해주는 효과를 얻을 수 있다.

제1도는 본 발명에 의해 가열로내의 피가열물의 최적 아이들링 시간을 선정하는 과정을 나타내는 흐름도

제2도는 본 발명에 의한 피가열물의 온도분포 계산을 설명하기 위한 모식도

제3도는 본 발명 및 종래 방법에 의한 피가열물의 길이방향으로의 하부면 온도분포를 나타내는 일례도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 ‥‥‥ 슬라브

2 ‥‥‥ 고정빔

3 ‥‥‥ 이동빔

Claims (1)

1. 고정빔(fixed beam)과 이동빔(moving beam)을 구비한 워킹빔(walking beam)식 가열로에서의 피가열물 가열방법에 있어서,

   상기 피가열물의 치수, 로내체류시간, 장입온도 및 가열로내 분위기 온도 데이타를 기초로 피가열물이 상기 고정범과 이동빔에 지지되는 아이들링 시간(idling time)을 설정하는 단계;

   상기 피가열물이 가열로에 장입되는 시점을 제로(0)로 하여 이로부터 설정된 아이들링시간까지 피가열물이 지지된 빔의 종류에 따라 일정시간 간격으로 피가열물의 온도에 따른 열전도도 및 비열데이타를 기초로 유한 차분법에 의해 피가열물의 내부 온도 분포를 구하는 단계;

   상기 아이들링 시간을 변경하면서 각 아이들링 시간에서 상기와 동일한 방법에 의해 피가열물의 내부 온도분포를 구하는 단계;

   각 아이들링 시간에 따른 내부온도 분포를 이용하여 피가열물의 평균온도와 균열도를 계산하는 단계;

   계산된 피가열물의 평균온도와 균열도를 서로 비교하여 최적 아이들링 시간을 설정하는 단계; 및

   지지하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 가열로내 피가열물의 균일 가열 방법