KR100399223B1 - 전로조업에서용강중탄소농도제어방법및제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전로 조업에 있어서 용강중 탄소농도를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 배가스중의 CO, CO2농도와 배가스 유량을 측정하여 탈탄속도를 계산하고 탈탄속도를 취련시간에 대하여 적분함으로써 총탈탄량을 구하는 방식으로 배가스 정보가 입수되는 싸이클마다 실제 정보에 의해 탈탄모델이 필요로 하는 정보를 신속하고 연속적으로 제공함으로써 용강중 탄소농도 제어의 정도를 가일층 높이도록 하는 기술의 제공에 관한 것이다.

본 발명은 전로 조업에 있어서, 취련중 서브랜스 측정 시점을 기점으로 배가스 정보가 입수되는 싸이클에 대응하여 동적모델과 연계된 배가스 정보의 탄소수치식을 수치해석에 의해 해석함으로써 탈탄천이특성치(β)를 실시간으로 역산하고, 이 값을 다시 동적제어 모델인 지수함수형 탈탄곡선에 적용하여 취련종료 시점까지의 취입산소량을 일정 싸이클마다 재설정하는 것을 특징으로 하는 전로 조업에서 용강중탄소농도 제어 방법과, 동 방법의 실행을 위해 탈탄량 계산부(21)와 최대탈탄속도 계산부(22), 탈탄천이점 연산부(23), 취입산소량 계산부(24)를 포함하여 이루어진 탄소농도 제어수단(20)을 설치 구비한 탄소농도 제어장치를 제공한다.

Description

전로조업에서 용강 중 탄소농도 제어방법 및 제어장치

본 발명은 전로 조업에 있어서 용강중 탄소농도를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명에 관련된 전로 취련은 랜스를 이용하여 초음속의 기체 산소를 용선 상부에 분사하여 탄소 등의 불순물을 산화 제거하여 용강을 제조하는 공정으로서, 품질과 원가 측면에서 취련 종점에서의 용강중 탄소농도의 예측 제어는 매우 중요하다.

그러나, 전로 내부에서 반응은 20분 이내의 극히 짧은 시간 동안 진행되는 반면 제어 인자는 무수히 많기 때문에 종점 탄소농도를 정확히 예측 제어하기 위해서는 고도의 기술이 필요하다.

종래의 탄소농도 제어 방법으로는 정적제어와 동적제어가 있다.

정적제어는 취련 전에 측정한 용선과 고철 등 주원료의 온도와 조성으로부터 취입 산소량과 냉각재 투입량 등의 기본적인 작업 조건을 결정하는 방법으로서, 취련 종점의 용강중 탄소농도의 제어 정도는 극히 낮으므로 정적제어법만을 단독으로 사용하는 경우는 거의 없으며 동적제어를 병용하는 경우가 많다.

동적제어는 취련 도중에 용강에 서브랜스를 침지하여 특정한 용강중 탄소농도와 온도정보를 이용하여 서브랜스 측정시점부터 취련 종점까지의 취입산소와 냉각재 투입량 등을 결정하여 용강중 탄소농도와 온도를 제어하는 방법이다.

서브랜스를 이용한 동적제어법에서는 서브랜스 측정시점에 탄소농도 측정치와 목표 탄소농도를 미리 설정한 탈탄 수식모델에 대입하여 계산을 실시한다.

일반적으로 전로에서 탈탄속도와 용강중 탄소농도의 관계는 도1에 나타낸 바와 같으며, 수식으로는 다음 식(1)과 같이 지수함수형의 형태를 취한다.

위 식(1)에서 W_ST는 용강중량, C는 용강중 탄소농도, O₂는 랜스 취입 산소이며, C_O는 탈탄속도가 0이 되는 탄소농도, α는 최대탈탄속도, β는 탈탄천이특성치로서 전로 정련의 말기 탈탄거동을 지배하는 가장 중요한 파라메타이다.

-dC/dO₂=α인 직선과 에서 탈탄곡선에 그은 접선이 교차하는 점의 탄소농도는 1/β+C_O이므로 β의 역수를 탈탄천이점으로 설정할 수 있다. β의 야금학적 의미에 의하면, β값이 클수록 탈탄반응이 잘 일어남을 의미한다. 전로 정련에 있어서 동적제어의 성패는 현재의 진행 중인 정련에 가장 적절한 β값을 어떻게 정확히 예측하여 모델에 적용하는가에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.

종래의 동적제어에서는 위 식(1)의 α값은 이론적인 값은, 그리고 β값은 적당한 상수를 채택하였다. 취련이 종료되면 용강 시료를 채취하여 실제 탄소농도와 예측 탄소농도의 오차로부터 β값을 역산한 후 이동평균법이나 지수평활법 등의 학습기법을 사용하여 새로운 β값을 산출하고, 이 값을 다음 정련에 적용하는 방법을 사용하여 왔다.

그러나 이 방법은 강종의 변화, 취련 조건의 변화 혹은 부원료나 냉각재의 투입조건의 변화에 민감하게 대응하지 못하며, 이로 인하여 제어의 정도가 낮아지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 연구된 것으로, 상기 식(1)의 탈탄모델중 최대탈탄속도와 탈탄천이특성치를 종래에 사용해왔던 학습치 대신 취련중 발생하는 배가스 정보, 즉 배가스 조성과 배가스 유량을 이용하여 현재 정련에 가장 적합한 최대탈탄속도와 탈탄천이특성치를 배가스 정보가 입수되는 싸이클마다 실시간으로 계산하여 탈탄모델에 적용함으로써 기존 방법의 오차를 감소시키는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다. 본 방법은 배가스중의 CO, CO₂농도와 배가스 유량을 측정하여 탈탄속도를 계산하고 탈탄속도를 취련시간에 대하여 적분함으로써 총탈탄량을 구하는 방식으로 배가스 정보가 입수되는 싸이클마다 실제 정보에 의해 탈탄모델이 필요로 하는 정보를 신속하고 연속적으로 제공함으로써 제어의 정도를 가일층 높일 수 있다는 장점이 있다.

도1은 지수함수형 모델에 의한 전로 취련 말기의 탈탄 거동의 개략도,

도2는 본 발명의 취련 종점 탄소농도 제어 장치의 구성도,

도3은 취련중 배가스 정보를 이용하여 계산한 탈탄속도의 변화 및 최대탈탄속도의 결정 방법을 나타내는 그래프,

도4는 종래 방법에 의한 취련 말기 탄소농도 변화와 배가스 정보에 의해 매싸이클마다 탈탄천이특성치를 실시간으로 역산하여 모델에 적용한 경우의 탄소농도 변화를 비교한 그래프,

도5는 종래 방법에 의한 종점 탄소농도 예측치와 실제 탄소농도의 비교도,

도6은 본 발명의 방법을 적용한 후의 종점 탄소농도 예측치와 실제 탄소농도의 비교도.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 용강 2 : 전로

3 : 랜스 4 : 배가스 분석계

5 : 배가스 유량계 6 : 서브랜스

7 : 배가스 후드 20 : 제어수단

21 : 탈탄량 계산부 22 : 최대탈탄속도 계산부

23 : 탈탄천이점 연산부 24 : 취입산소량 계산부

25 : 모니터

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전로 조업에 있어서, 취련중 서브랜스 측정 시점을 기점으로 배가스 정보가 입수되는 싸이클에 대응하여 동적모델과 연계된 배가스 정보의 하기 탄소수치식을 수치해석에 의해 해석함으로써 총취련 예정시간의 30∼50%에 해당하는 정련구간의 탈탄속도의 평균치를 최대탈탄속도(α)로 설정하여 배가스 정보를 이용하여 계산한 다음, 서브랜스 측정 이후의 동적제어 모델인 지수함수형 탈탄곡선에 적용하여 탈탄천이특성치(β)를 실시간으로 역산하는 단계와; 상기 역산된 탈탄천이특성치를 다시 동적제어 모델인 지수함수형 탈탄곡선에 적용하여 취련종료 시점까지의 하기 수학식에서 취입산소량(△O₂(t)을 일정 싸이클마다 재설정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 전로 조업에서 탄소농도 제어 방법을 제공한다.

△O₂(t): 서브랜스 측정 이후 t까지의 취입산소량.

t: 취련 경과 시간

W_ST(t): 시간 t에서의 용강중량

C: 용강중 탄소농도

Co: 탈탄속도가 0이 되는 탄소농도

α: 최대탈탄속도

β: 탈탄천이특성치

또한, 본 발명은 용강을 취련하는 전로와, 초음속의 기체 산소를 분사하는 랜스와, 일정 싸이클마다 배가스 조성을 연속 측정하는 배가스 분석계와, 배가스의 유량을 상기 배가스 분석계와 동일한 싸이클로 측정하는 배가스 유량계와, 취련 말기의 용강중 탄소농도 정보를 제공하는 서브랜스와, 배가스를 정해진 곳으로 회수하는 통로 역할을 하는 배가스 후드를 포함하는 전로 설비에 있어서,

상기 배가스 정보를 이용하여 탈탄량을 누적 계산하는 탈탄량 계산부와; 배가스 정보를 이용하여 총취련 예정시간의 30∼50% 구간의 탈탄속도의 평균치를 구하여 최대탈탄 속도로 설정하는 기능을 가진 최대탈탄속도 계산부와; 배가스탈탄량과 지수함수형 탈탄곡선을 연계하여 배가스정보가 입수되는 싸이클마다 탈탄천이특성치를 계산하여 동적제어 모델에 제공하는 탈탄천이점 연산부와; 상기 탈탄천이점 연산부로부터 제공된 탈탄천이특성치에 의해 탄소농도를 적중시키기 위해 취련 종료시점까지 취입해야 하는 산소량을 계산하는 취입산소량 계산부를 포함하는 탄소농도 제어수단을 설치구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 전로 조업에서 용강중 탄소농도 제어장치를 제공하게 된다.

이하에서, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성을 더욱 상세히 설명한다.

도2는 전로 조업에 있어서 용강의 취련 종점 탄소농도를 제어하기 위한 본 발명에 따른 장치의 구성개요도이다.

본 장치가 적용된 전로 설비는 용강(1)을 취련하는 전로(2)와, 초음속의 기체 산소를 분사하는 랜스(3), 일정한 싸이클마다 배가스 조성을 연속적으로 측정하는 배가스 분석계(4), 배가스의 유량을 상기 배가스 분석계(4)와 동일한 싸이클로측정하는 배가스 유량계(5), 취련 말기에 정확한 탄소농도 정보를 제공하는 서브랜스(6), 그리고 배가스를 정해진 곳으로 회수하는 통로 역할을 회수하는 통로 역할을 하는 배가스 후드(7)를 포함하여 구성된다. 도2에서 20은 본 발명의 제어수단을 나타내며, 이 제어수단(20)은 배가스 정보를 이용하여 탈탄량을 누적 계산하고 관리하는 탈탄량 계산부(21), 배가스 정보를 이용하여 총취련 예정시간의 30∼50% 구간의 탈탄속도의 평균치를 구하여 최대탈탄속도 α로 설정하는 기능을 가진 최대탈탄속도 계산부(22), 배가스 탈탄량과 지수함수형 탈탄곡선을 연계하여 배가스 정보가 입수되는 싸이클마다 탈탄천이특성치 β를 계산하여 동적제어 모델에 제공하는 탈탄천이점 연산부(23), 상기 탈탄천이점 연산부(23)로부터 제공된 β값에 의해 탄소농도를 적중시키기 위해 취련 종료시점까지 취입해야 하는 산소량을 계산하는 취입산소량 계산부(24)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

취입산소량 계산부(24)에 의해 계산된 산소는 랜스 취입산소량을 제어(26)하며, 산소 취입에 따른 탄소농도의 변화는 모니터(25)에 나타난다.

상기 장치를 사용한 본 발명의 탄소농도 제어 방법은 다음과 같다.

도3은 전로 취련 중 배가스중 CO, CO₂농도와 배가스 유량의 변화 및 랜스에서 분사되는 산소유량으로부터 계산한 탈탄속도의 변화를 나타낸 그림이다. 탈탄속도는 초기에는 매우 낮은 상태에서 직선적으로 상승하다가 탈탄이 가장 왕성한 시기에 이르면 최고의 탈탄속도를 계속 유지한다. 이후 탄소농도가 낮아지면 탈탄속도는 다시 직선적으로 감소한다. 전로 정련에서 탄소는 가스로 제거되므로 탈탄속도는 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.

여기서, t: 취련 경과 시간, -(dC/dO₂)_t: t 에서의 탈탄속도,

W_ST(t): t에서의 용강중량, CO(t),CO₂(t): t 에서의 CO, CO₂농도,

k : 단위 환산인자, Q_off(t): t 에서의 배가스 유량,

Q_O2(t): t 에서의 랜스 취입산소 유량.

도3에서 알 수 있듯이 전로 조업에서 총취련예정시간의 30%가 경과하면 최대탈탄속도에 도달하므로 이를 기점으로 하여 일정기간 동안의 탈탄속도 평균치를 최대탈탄속도 α로 설정할 수 있다.

본 연구에서는 30∼50% 구간의 탈탄속도 평균치를 α로 채택하였으며 이 기능은 도 2의 최대 탈탄속도 계산부(22)가 담당한다.

상기 식(2)으로 표시된 탈탄속도는 단순한 탄소수치식이므로 서브랜스 측정이후에도 유효하며, 탈탄속도를 취입산소에 대하여 적분하면 서브랜스 측정 이후의 총탈탄량을 구할 수 있다.

여기서, △C(t) : 서브랜스 측정 이후부터 t까지의 %로 표시되는 총탈탄량.

그러므로, 서브랜스 측정 이후 배가스 정보로부터 예측된 탄소농도는 하기식으로 표시되며, 도 2의 탈탄량 계산부(21)가 이 계산을 수행한다.

C(t)_off= C_SL- △C(t)---------------------------------------(4)

여기서, C(t)_off: 배가스 정보로부터 예측한 t에서의 탄소농도,

C_SL: 서브랜스 측정 탄소농도.

식(4)의 탄소농도를 식(1)과 연계함으로써 서브랜스 측정 이후의 임의 시점 t에서의 β값을 역산할 수 있다.

식(1)을 취입산소에 대하여 적분하면 하기 식(5)이 도출된다.

여기서 △O₂(t) : 서브랜스 측정 이후 t까지의 취입산소량.

식(5)의 C(t) 대신에 (4)식의 C(t)_off를 대입하면 β를 구할 수 있다.

식(5)는 비선형이므로 해를 구하기 위해서는 바이섹션(Bisection)법 혹은 뉴턴-랩슨(Newton-Rhapson)법 등 공지의 수치해석법을 사용한다.

이 계산은 도2의 탈탄천이점 연산부(23)가 수행한다. 일단 β를 구하면 다시 식(5)에 C(t)대신에 목표탄소농도를 대입하여 탄소농도를 적중시키기 위한 산소 취입량을 계산하는 한편, 식(5)을 정리한 다음 식(6)에 의해 탄소농도를 계산한다.

식(6)으로 계산된 탄소농도를 취입산소량에 대하여 나타낸 곡선이 도4의 곡선(2)이며, 기존의 학습 파라메타를 사용한 탈탄곡선(1)과 비교 도시하였다.

그림에서 알 수 있듯이 곡선(1)은 서브랜스 측정 시점에 미리 정해진 학습 파라메타를 1회만 사용하므로 취련중에 발생하는 조업 조건 변화에 대응하지 못하는 반면, 곡선(2)은 배가스 정보가 입수되는 싸이클마다 실시간으로 β값을 탈탄모델에 제공하므로 종점 탄소농도 제어 정도가 높아진다.

300톤 전로를 대상으로 본 발명에 의한 탄소농도 제어의 정확도를 평가하였다. 총 139 히트(heat)분의 조업 데이터를 분석하여 기존의 학습 파라메타를 사용하였을 경우 종점 실적 탄소농도와 모델의 예측 탄소농도의 산점도를 도시한 결과 실적치와 계산치의 차이인 잔차의 표준편차는 0.018%, ±0.02%의 적중율은 80%에 불과하였으나 본 발명의 방법을 적용한 결과 잔차의 표준편차는 0.010%로 대폭 감소하였고, ±0.02%의 적중율은 92%로서 10%이상 향상되어 본 발명의 탁월한 제어 정도를 확인할 수 있었다. 또한, 탄소농도 적중율 향상에 의한 가탄제 원단위 절감, 과취 방지에 의한 출강 실수율 향상 등의 효과를 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 전로 조업에 있어서, 취련중 서브랜스 측정 시점을 기점으로 배가스 정보가 입수되는 싸이클에 대응하여 동적모델과 연계된 배가스 정보의 하기 탄소수치식을 수치해석에 의해 해석함으로써 총취련 예정시간의 30∼50%에 해당하는 정련구간의 탈탄속도의 평균치를 최대탈탄속도(α)로 설정하여 배가스 정보를 이용하여 계산한 다음, 서브랜스 측정 이후의 동적제어 모델인 지수함수형 탈탄곡선에 적용하여 탈탄천이특성치(β)를 실시간으로 역산하는 단계와;

   상기 역산된 탈탄천이특성치를 다시 동적제어 모델인 지수함수형 탈탄곡선에 적용하여 취련종료 시점까지의 하기 수학식에서 취입산소량(△O₂(t))을 일정 싸이클마다 재설정하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 전로 조업에서 탄소농도 제어 방법.

   △O₂(t): 서브랜스 측정 이후 t까지의 취입산소량.

   t: 취련 경과 시간

   W_ST(t): 시간 t에서의 용강중량

   C: 용강중 탄소농도

   C₀: 탈탄속도가 0이 되는 탄소농도

   α: 최대탈탄속도

   β: 탈탄천이특성치
2. 용강을 취련하는 전로(2)와, 초음속의 기체 산소를 분사하는 랜스(3)와, 일정 싸이클마다 배가스 조성을 연속 측정하는 배가스 분석계(4)와, 배가스의 용량을 상기 배가스 분석계(4)와 동일한 싸이클로 측정하는 배가스 유량계(5)와, 취련 말기의 용강중 탄소농도 정보를 제공하는 서브랜스(6)와, 배가스를 정해진 곳으로 회수하는 통로 역할을 하는 배가스 후드(7)를 포함하는 전로 설비에 있어서,

   상기 배가스 정보를 이용하여 탈탄량을 누적 계산하는 탈탄량 계산부(21)와, 배가스 정보를 이용하여 총취련 예정시간의 30∼50% 구간의 탈탄속도의 평균치를 구하여 최대탈탄 속도로 설정하는 기능을 가진 최대탈탄속도 계산부(22)와;

   배가스탈탄량과 지수함수형 탈탄곡선을 연계하여 배가스정보가 입수되는 싸이클마다 탈탄천이특성치를 계산하여 동적제어 모델에 제공하는 탈탄천이점 연산부(23)와;

   상기 탈탄천이점 연산부(23)로부터 제공된 탈탄천이특성치에 의해 탄소농도를 적중시키기 위해 취련 종료시점까지 취입해야 하는 산소량을 계산하는 취입산소량 계산부(24)를 포함하는 탄소농도 제어수단(20)을 설치 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 전로 조업에서 용강중 탄소농도 제어 장치.