KR100530337B1 - 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도피드포워드 방법 - Google Patents

연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도피드포워드 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법을 제공하기 위한 것으로, 이러한 본 발명은 구동롤의 회전에 따라서 몰드 밖으로 유출되는 용강양이 몰드 레벨 변동에 미치는 영향을 억제하여 몰드레벨 변동을 저감시키는 피드포워드 제어기는,
의 형태를 갖는 전달함수의 계산값에 의해 고주파 및 저주파 영역에서 위상앞섬/지연방법으로 제어를 수행함으로써, 제철소 연속주조공정 중 주조속도를 피드포워드 제어기에 사용하는 경우 평균 주조속도를 사용하고 피드포워드 제어기를 수학적인 방법에 근거해 구성하여 몰드에서 발생하는 몰드의 용강레벨 변동을 방지할 수 있다.

Description

연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법{Method for casting speed feed forward for suppressing mold level fluctuation in continuous casting process}
본 발명은 연속주조공정에서 주조속도 피드포워드 방법에 관한 것으로, 특히 제철소 연속주조공정(Continuous Casting Process) 중 주조속도를 피드포워드 제어기에 사용하는 경우 평균 주조속도를 사용하고 피드포워드 제어기를 수학적인 방법에 근거해 구성하여 몰드에서 발생하는 몰드의 용강레벨 변동(Fluctuation)을 방지하기에 적당하도록 한 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법에 관한 것이다.
일반적으로 지금까지 연구되고 발표된 결과에 의하면 몰드레벨의 변동은 슬라브 제품에 표면결함을 유발하는 것으로 알려져 왔다.("Continuous Casting Mould Level Control by Theory", SICE, Summer Seminar 1992, 5~9 July, 1992, Izu, Japan, pp. 133~140, 및 "Robust Molten Steel Level Control for Continuous Casting", Proceedings of the 35th Conference on Decision and Control, Kobe, Japan, Dec. 1996, pp. 1245~1250 등)
몰드레벨 변동이 클수록 슬라브의 표면결함율은 더 증가하여 후속공정인 열연공정, 냉연공정에 큰 영향을 미치게 되어 좋은 제품을 생산하는 것이 불가능하다. 몰드레벨 변동을 야기하는 인자(Factor)들은 여러 종류가 있고 각각의 연주기 작업조건에 따라서 다양하게 분류된다.
그래서 본 발명에서는 도 1과 같이, 몰드(3) 하부에 설치되어 있는 구동롤(4) 사이에서 발생하는 비정상 벌징(Unsteady Bulging)에 의해서 몰드(3) 아래로 유출되는 반응고된(Semi-Solidified) 용강양(Semi-Solified Steel Quantity)의 변동이 몰드레벨 변동에 미치는 영향을 저감하도록 한다.
상기 언급한 비정상 벌징에 의한 몰드하부 용강양의 변동이 몰드레벨 변동에 미치는 영향을 제거하기 위하여, 종래에는 단순히 검출된 주조속도(10)에 몰드단면적을 곱셈하고 이 값을 피드포워드 제어기에 입력하여 사용하였다. 그러나 종래의 기술은 피드포워드 제어기를 수학적으로 결정하지 않고 실제 적용시 단순히 실험적으로 반복적용하여 피드포워드 제어기를 구성하였다.
따라서 비정상벌징 등 여러 가지 이유에 의해서 주조속도(10)가 변동하는 경우 피드포워드 제어기가 수학적으로 설계되지 않는 경우 몰드레벨 변동을 억제하기 보다 오히려 제어계를 불안정하게 만들어 몰드레벨 변동을 증폭하는 경우가 발생하여 사용이 불가능하게 될 수 있는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 제철소 연속주조공정 중 주조속도를 피드포워드 제어기에 사용하는 경우 평균 주조속도를 사용하고 피드포워드 제어기를 수학적인 방법에 근거해 구성하여 몰드에서 발생하는 몰드의 용강레벨 변동을 방지할 수 있는 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법은,
래들 하부의 특정위치를 개공하여 노즐을 통해 턴디쉬로 연결하여 래들로부터 용강을 턴디쉬로 공급할 수 있으며, 턴디쉬 하부 특정위치를 개공하여 슬라이드 게이트 및 침지노즐을 이용하여 몰드 내로 용강을 공급할 수 있게 하고 몰드 하부의 구동롤을 이용하여 몰드 내의 반응고 용강을 인발함에 따라 몰드레벨 측정센서값을 입력받아 슬라이드 게이트 위치 제어값을 서보앰프로 출력할 수 있는 피드백/피드포워드 제어기로 구성된 연속주조공정의 몰드레벨 제어시스템에 있어서,
상기 구동롤의 회전에 따라서 몰드 밖으로 유출되는 용강양이 몰드 레벨 변동에 미치는 영향을 억제하여 몰드레벨 변동을 저감시키는 피드포워드 제어기는,
(여기서, GF(s)는 피드포워드 제어기의 동작을 위한 전달함수이고, TN 은 슬라이드 게이트의 시정수이며, Kp 는 슬라이드 게이트의 개방 단면적에 의해서 구성된 노즐의 유출계수이고, s는 라플라스변환을 위한 변수이다)의 전달함수에 의한 계산값에 의해 고주파 및 저주파 영역에서 위상앞섬/지연방법으로 제어를 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 도1은 래들(13), 턴디쉬(11), 몰드(3) 및 몰드레벨(16) 변동 억제를 위한 제어시스템을 보여주는 개략도이다.
그래서 제강공장에서 성분이 조정된 용강은 래들(13)을 이용하여 연주공장으로 이송되고 연주작업이 시작되며 래들(13)의 롱노즐(Long Nozzle)(12)이 개방되면서 턴디쉬(11)로 용강이 흘러들어가게 된다. 턴디쉬(11)에 용강이 적정수준이상 되면 턴디쉬(11) 하부 슬라이드 게이트(1)가 개방되어 몰드(3)에 용강을 채우게 된다. 몰드(3)에 용강이 적정레벨까지 상승하면 구동롤(4)을 구동하여 반응고된 용강을 인발하게 된다.
구동롤(4)의 회전에 의해서 용강이 유출되면 몰드내의 용강레벨이 낮아지게 되는데 이것은 몰드레벨 측정센서(5)에 의해서 검출되어 피드백 제어기(14)로 입력되며 피드백/피드포워드 제어기(14,15)의 출력값은 서보앰프(8)로 출력되고 서보앰프(8)의 출력은 서보밸브(7)로 출력되어 유압실린더(6)를 구동하여 슬라이드 게이트(1)를 개방하게 된다. 즉, 몰드레벨(16)이 높으면 슬라이드 게이트(1)를 닫아 턴디쉬(11)로부터 몰드(3)로의 유강유입을 차단하여 몰드레벨(16)을 낮추고 반대로 몰드레벨(16)이 낮으면 슬라이드 게이트(1)를 더 많이 개방하여 턴디쉬(11)로부터 더 많은 용강이 몰드(3)로 유입되게 만든다.
이와 같은 일련의 동작은 폐루프(Closed Loop) 시스템으로 구성되어 자동적으로 몰드레벨(16)을 원하는 값(18)으로 조정하게 된다. 내부루프에서 서보앰프(8)는 유압실린더 이동거리 측정장치(LVDT)(9)를 이용하여 유압실린더(6)의 이동거리를 측정한다. 몰드레벨(16)을 원하는 값(18)으로 제어하는 방법의 우수성은 일반적으로 피드백/피드포워드 제어기(14,15)의 성능에 달려있다.
도2는 도1의 개략도에서 폐루프 몰드레벨 제어시스템을 블록도로 표현한 것이다.
도2에서 (14)는 피드백 제어기로서 함수로는 K(s), (15)는 피드포워드 제어기로서 함수로는 GF(s), (23)은 피드백/피드포워드 제어기(14,15)의 출력(22), 즉 제어입력(u)과 슬라이드 게이트(1)의 이동거리(x)(24)와의 관계를 표시하는 전달함수(GN(s)), (25)는 슬라이드 게이트(1)의 이동거리(x)(24)에 대한 턴디쉬(11)로부터 몰드(3)로의 용강유입양(Qin)(27)의 관계를 나타내는 전달함수(GM1(s)), (33)은 구동롤(4)의 회전에 의해서 유출되는 용강양(Qout)(32)과 용강유입양(Qin)(27)의 차(Difference)와 몰드레벨(L)(16)과의 관계를 보여주는 전달함수(GM2(s))이다.
이때, 상기 전달함수(23)에서 TN 은 슬라이드 게이트(1)의 시정수(Time Constant), 전달함수(25)에서 Kp 는 슬라이드 게이트(1)의 개방 단면적에 의해서 구성된 노즐(Nozzle)의 유출계수(Coefficient of Discharge)이며, Td 는 턴디쉬(11)로부터 상기 개방 단면적으로 구성된 노즐을 통하여 유입된 용강이 몰드(3)에 도달하기까지 걸리는 시간으로서 Kp 및 Td 는 실험적으로 구한다.
또한, 상기 전달함수(33)에서 Tm 은 몰드(3) 안으로의 용강유입량(27)과 몰드(3) 밖으로의 용강유출양과의 차와 몰드레벨(16)과의 관계를 구성함에 있어서 몰드(3)내에서 용강의 출렁임(Sloshing)의 영향을 표현하기 위한 시정수이다. 또한 전달함수(5)에서 TL 은 몰드레벨 측정센서(5)의 시정수이다.뿐만 아니라, uf는 전달함수(GF(s))에 의한 피드포워드 제어기의 입력을 나타내고, u는 제어입력을 나타내는 것으로 uf=GF(s)ㆍQout 값이 입력되는 것이다.나아가, e는 지수함수(exponential function)를 나타내고, AM은 몰드단면적, VC는 평균 주조속도를 나타내며, Lm은 측정된 몰드레벨, Ld는 몰드레벨 출력값, 즉 원하는 몰드레벨값을 나타낸다.아울러, 상술한 전달함수 및 모든 관계식에 표시된 s는 라플라스(Laplace) 변환시 사용되는 변수로서, 보통 t를 변수로 사용하나 제어기에서 통상적으로 s를 변수로 사용한다.
도2에서(30)은 평균 주조속도이며 이 값의 실제연산은 구동롤(4)에서 순시 주조속도(10)값을 받아서 피드포워드 제어기(15)에서 계산한다. (31)은 용강유출양의 변동을 표현하는 것이며 평균 주조속도(30)와 몰드(3) 단면적(29)과의 곱은 평균 용강유출양(28)을 나타내며 상기 (31)과 합하여 순시 용강유출양(32)을 구성하게 된다.
도3은 본 발명의 일실시예에 의한 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법을 보인 몰드레벨 제어시스템의 블록구성도로서, 도2에서 용강유출양 변종값(31)을 전달함수(33)의 후단으로 이동시켜 구성한 도2의 변형블록도이다.
도3에서 몰드레벨 측정센서(5)의 출력값(19)과 몰드레벨 설정값(18)의 오차값(20)이 계산되어 피드백 제어기(14)로 입력된다. 한편 상기 방법에 따라서 계산된 평균 용강유출양(28)은 피드포워드 제어기(15)로 입력되어 구동롤(4)의 회전에 따라서 몰드(3) 밖으로 유출되는 용강양을 보상(Compensation)하게 된다.
이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 이용하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도3에서 평균 주조속도(30)는 피드포워드 제어기(15)에서 순시 주조속도(10)값을 입력받아 계산하게 되는데 이동평균(Moving Average)법을 사용하거나 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용하여 제1고조파를 계산하여 이 제1고조파보다 낮은 차단주파수를 갖는 저주파 필터를 설계하여 피드포워드 제어기내에서 구현한다.
도3에서 구동롤(4)의 회전에 의한 용강유출양을 피드포워드 제어기(15)를 이용하여 보상하기 위해서는 피드포워드 제어기(15)는 하기와 같이 계산된다. 구동롤(4)의 회전에 의한 용강유출양을 피드포워드 제어기(15)를 이용하여 보상하기 위해서는 피드포워드 제어기(15)는 하기와 같이 계산된다. 구동롤(4) 회전에 의한 용강유출양을 정확히 보상하기 위해서는 다음의 수학식1이 성립해야 한다.
상기 수학식1로부터 다음의 수학식2와 같이 피드포워드 제어기를 계산할 수 있다.즉, 도 3에서 제어 원리상 안정된 제어기로 인하여 시간이 충분히 지나면 측정된 몰드 레벨(Lm)은 원하는 몰드 레벨출력값(Ld)에 수렴하여 e = 0이 된다.따라서, 피드백 제어기는 작동하지 않게 되며, 이때는 피드포워드 제어기도 작동하지 않아야 하므로 Qin = Qout이 되게 되므로 결국, 상기 수학식1이 성립하게 된다.
상기의 피드포워드 제어기는 PD(Proportional-Differential) 제어기 형태이며 평균 주조속도(30)를 이용하여 피드포워드 제어기(15)의 입력을 구성한다.
피드포워드 제어기(15)가 PD 제어기 형태이므로 피드포워드 제어기(15)의 입력값이 순간적으로 크게 변하면 제어계를 불안정하게 만들어 용강유출양에 의한 몰드레벨(16) 변동을 보상하기 보다는 오히려 증폭하게 된다.
본 발명에서 피드포워드 제어기(15)의 입력값으로 평균 주조속도(30)를 이용하는 것은 이런 이유 때문이다. 상기 피드포워드 제어기에서 고주파 및 저주파에서 위상앞섬/지연방법(Phase Lead / Lag Method)으로 피드포워드 제어기의 성능을 다소간 향상시킬 수 있다.
상기의 수학식2와 같이 계산된 피드포워드 제어기는 PC(Personal Computer) 또는 PLC(Programmable Logic Controller)에서 사다리꼴형(Trapezoidal Type) 이산화)(Discretization) 방법을 적용하여 구현된다.
피드포워드 제어기(15)에서 계산된 출력(21)은 피드백 제어기(14)의 출력에 가산되어 서보앰프(8)로 출력되어 용강유출양이 몰드레벨 변동에 미치는 영향을 억제하게 된다.
이처럼 본 발명은 제철소 연속주조공정 중 주조속도를 피드포워드 제어기에 사용하는 경우 평균 주조속도를 사용하고 피드포워드 제어기를 수학적인 방법에 근거해 구성하여 몰드에서 발생하는 몰드의 용강레벨 변동을 방지하게 되는 것이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법은 구동롤의 회전에 따른 용강유출양이 몰드레벨 변동에 미치는 영향을 신속히 보상하여 몰드레벨 변동을 억제함으로써 슬라브의 표면결함율을 저감시킬 뿐만 아니라 안전사고 예방 및 생산성 향상의 효과를 갖게 된다.
도1은 일반적인 연주기의 턴디쉬, 몰드 주위 부분 및 관련 제어시스템의 개략구성도이고,
도2는 도1에서 몰드레벨 제어시스템의 블록구성도이며,
도3은 본 발명의 일실시예에 의한 연속주조공정에서 몰드레벨 변동억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법을 보인 몰드레벨 제어시스템의 블록구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 슬라이드 게이트 2 : 침지노즐
3 : 몰드 4 : 구동롤
5 : 몰드레벨 측정센서 6 : 유압실린더
7 : 서보벨브 8 : 서보앰프
9 : 유압실린더 이동거리 측정장치 10 : 주조속도
11 : 턴디쉬 12 : 롱 노즐
13 : 래들 14 : 피드백 제어기
15 : 피드포워드 제어기 16 : 몰드의 실제 용강레벨
17 : 턴디쉬의 용강레벨 18 : 몰드레벨 설정값
19 : 몰드레벨 센서 측정값

Claims (2)

  1. 래들 하부의 특정위치를 개공하여 노즐을 통해 턴디쉬로 연결하여 래들로부터 용강을 턴디쉬로 공급할 수 있으며, 턴디쉬 하부 특정위치를 개공하여 슬라이드 게이트 및 침지노즐을 이용하여 몰드 내로 용강을 공급할 수 있게 하고 몰드 하부의 구동롤을 이용하여 몰드 내의 반응고 용강을 인발함에 따라 몰드레벨 측정센서값을 입력받아 슬라이드 게이트 위치 제어값을 서보앰프로 출력할 수 있는 피드백/피드포워드 제어기로 구성된 연속주조공정의 몰드레벨 제어시스템에 있어서,
    상기 구동롤의 회전에 따라서 몰드 밖으로 유출되는 용강양이 몰드 레벨 변동에 미치는 영향을 억제하여 몰드레벨 변동을 저감시키는 피드포워드 제어기는,
    (여기서, GF(s)는 피드포워드 제어기의 동작을 위한 전달함수이고, TN 은 슬라이드 게이트의 시정수이며, Kp 는 슬라이드 게이트의 개방 단면적에 의해서 구성된 노즐의 유출계수이고, s는 라플라스변환을 위한 변수이다)
    의 전달함수에 의해 계산되는 값에 의해 고주파 및 저주파 영역에서 위상앞섬/지연방법으로 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 연속주조공정에서 몰드레벨 변동 억제를 위한 주조속도 피드포워드 방법.
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