KR100573564B1 - 레이들 포러스 플러그의 잔존 예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이들 포러스 플러그의 잔존 예측 방법에 관한 것으로, 가속도 센서를 이용하여 레이들의 진동을 검출하고, 상기 검출한 레이들의 진동 신호를 증폭하고, 디지털 신호로 변환하며, 디지털 신호로 변환된 상기 진동 신호를 초당 수십 또는 수백회 이상으로 샘플링하여 얻은 샘플링 데이터를 주파수 분석하여 각 주파수별 진동값을 얻고, 상기 각 주파수별 진동값으로부터 레이들 진동지수를 산출한 후, 상기 레이들 진동지수를 기 저장된 포러스 플러스 잔존 길이에 대한 수학식에 적용하여 포러스 플러스 잔존 길이를 산출한다.

레이들, 가속도 센서, 진동지수, 포러스 플러그

Description

레이들 포러스 플러그의 잔존 예측 방법 {Method on the prediction of residual length of porous plug in ladle}

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 포러스 플러그 잔존 예측을 위한 포러스 플러그의 형상도이다.

도 2는 종래 기술의 다른 실시예에 따른 포러스 플러그의 잔존 예측을 위한 포러스 플러그의 형상도이다.

도 3은 종래 기술의 또 다른 실시예에 따른 포러스 플러그 잔존 측정을 위한 장치의 모식도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이들 포러스 플러그 잔존 예측 장치의 구성도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가속도 센서의 부착 위치에 따른 진동 지수의 차이를 보인 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 진동 지수와 레이들 사용회수의 관계를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 진동 지수와 포러스 플러그의 잔존과의 관계를 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >

1: 레이들(Ladle) 2: 포러스 플러그(Porous Plug)

3: 가스 공급용 배관 4: 자동 커플링 장치

5: 유량 제어 밸브 6: 유량계

7: 압력계 8: 가속도 센서

9: 용강(Molten steel) 10: 슬래그(Slag)

21: 저취 가스 제어용 연산기 22: 가속도 센서용 증폭기

23: 연산 컴퓨터

120: 차단밸브 130: 포러스 플러그 철피

140: 캐스타불 내화물 150: 다공질 내화물

본 발명은 제강 공정의 레이들(ladle) 저취 조업에서 저취 가스 노즐로 레이들 바닥 부위에 설치되어 있는 포러스 플러그(plug)에 관한 것으로, 특히 용강에 의한 과다 용손시 발생하는 용강 유출 사고를 방지하고자 포러스(porous) 플러그의 잔존 길이를 예측하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전로 공정에서 취련 완료된 용강은 티밍 레이들(teeming ladle)에 수강되어 다음 공정으로 보내지게 된다. 이와 같은 레이들 내의 용강의 온도 및 성분 균일화 혹은 개재물의 부상을 목적으로 레이들 하부에 설치된 포러스 플러그를 통해 용강 내부로 불활성 가스를 취입하는 공정을 수행한다. 레이들 하부의 포러스 플러그는 다공질의 내화연화로 구성되어 있으므로, 사용 회수가 증가함에 따라 용강의 침투 및 슬래그와의 반응에 의해서 용손이 발생한다. 이러한 포러스 플러그의 용해 손실은 매 작업마다 상이한 용강 성분 및 작업 조건으로 인하여 포러스 플러그 내부로 공급되는 불활성 가스의 유량과 압력 및 취입 시간이 불규칙적이 되므로 포러스 플러그의 다공질연와의 용손 정도를 예측하기가 어렵다. 포러스 플러그가 과다 용손 및 이상 용손이 되는 경우, 이와 같은 상태를 조기에 판단하지 못하면 포러스 플러그를 통해 용강이 유출되는 사고가 발생할 수 있으며, 그렇다고 이를 방지하기 위하여 조기에 포러스 플러그를 교체하는 경우에는 내화물의 원단위 상승 등 원가 손실이 발생한다.

또한 포러스 플러그의 용손에 의해 포러스 플러그의 다공질연와가 손상되는 경우에서는 취입되는 가스가 용강에 공급되지 못하고 외부로 누기되는 현상이 발생하며, 이로 인하여 용강을 충분히 교반시키지 못하는 문제점을 발생시킨다.

따라서, 레이들에 사용되는 포러스 플러그는 목표 수명보다 5~10회 이전 시점부터 레이들 바닥부의 용손 정도를 작업자가 직접 육안으로 관측하여 계속 사용할지 여부를 판단하고 있는 실정이다. 그러나, 레이들 바닥부는 주조 완료 후 남은 슬래그(slag)가 코팅되어 있는 상태이므로 정확하게 포러스 플러그의 용손을 판단하는 것은 상당히 곤란하다.

따라서, 종래에는 상기 곤란성을 해결하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 포러스 플러그의 캐스타불 내화물(140) 사이에 다공질 내화물(150)이 채워져 있고, 포커스 플러그 하부에 원형 또는 사각형의 잔존 확인구를 설치하여 육안으로 잔존 확인구가 관찰되면 사용을 중지하는 방법(일본 실공소 62-8920, 실개평 5-10444), 도 2에 도시된 바와 같이 포러스 플러그(2) 측면에 가스 검출관(110)을 설치하여 불활성 가스의 검출을 통한 잔존을 측정하는 방법(대한민국 공개실용 2000-006409), 도 3에 도시된 바와 같이 탐지봉(240)으로 잔존길이를 측정하는 방법(대한민국 등록실용 0168181) 및 포러스 플러그 후단에 압력 및 유량 변화를 이용하는 방법(대한민국 공개실용 2000-006409) 등이 사용되고 있다.

상기에서, 잔존 확인구를 설치하여 포러스 플러그의 잔존 수명을 예측하는 방법은 잔존 확인구의 크기 및 설치 방법에 따라 포러스 플러그의 잔존 여부를 과대 또는 과소하게 예측할 수 있으며, 전술한 바와 같이 처리 후에 포러스 플러그에 도포되어 있는 슬래그가 있는 경우에서는 측정이 곤란한 여러움이 있다.

또한, 탐지봉(240)을 사용하는 경우에서는 레이들의 깊이가 4∼5m로 길기 때문에 탐지봉의 조정에 어려움이 있으며, 레이들 내부의 열에 의해 탐지봉의 변형 등이 발생하는 경우 잔존 측정의 오차가 발생하는 문제가 있다. 한편 압력 및 유량 변화를 이용하여 포러스 플러그의 잔존을 예측하는 방식은 포러스 플러그의 특성상 사용 회수 및 상태에 따라 포러스 플러그 후단에 가해지는 유량 및 압력의 변화가 발생하기 때문에 정확한 잔존 예측이 곤란하다.

또한 포러스 플러그 측면에 가스 배출관을 설치하는 방식은 상기 배출관을 통해 용강의 유출 현상이 발생할 수 있는 문제점 등이 있다.

상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 레이들 하부에 설치되어 있는 포러스 플러그의 용손에 따른 잔존 길이를 정확하게 예측함으로써, 포러스 플러그의 용손에 따른 용강 유출 사고를 예방하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이들 포러스 플러그 잔존 예측 방법은, 레이들, 포러스 플러그, 자동 커플링 장치를 포함하는 제강 정련에서, 상기 레이들 내의 용강의 온도 및 성분 균일화를 목적으로 취입되는 불활성 가스의 취입용 포러스 플러그의 잔존 예측 방법에 있어서,
상기 레이들의 진동 신호를 검출하는 제1 단계;
상기 레이들의 진동 신호를 디지털 신호로 변환하고 샘플링한 후 주파수 분석하여 각 주파수별 진동값을 얻는 제2 단계;
상기 각 주파수별 진동값으로부터 레이들 진동지수를 산출하는 제3 단계; 및
상기 레이들 진동지수를 이용하여 상기 포러스 플러그 잔존 길이를 산출하는 제4 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 한 실시예에 따른 레이들 포러스 플러그의 잔존 예측 방법을 첨부한 도 4 내지 도 7을 참조로 하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이들 포러스 플러그 잔존 예측 장치의 구성도이다. 도 4에 도시되어 있듯이, 본 발명은 가속도 센서(8)를 사용하여 저취 중에 발생되는 진동 특성(특성 주파수, 진동량)을 측정하여 포러스 플러그(2)의 잔존을 예측하는 방법을 사용한다.

포러스 플러그(2)에 공급되는 가스의 유량 및 압력 등은 저취 가스 제어용 연산기(21)를 통해 측정하며, 가속도 센서(8)에서 얻어지는 신호는 가속도 센서용 증폭기(22)에서 가공한다. 가속도 센서용 증폭기(22)에 의해 처리된 데이터는 연산 컴퓨터(23)를 통해서 수집되고, 연산 컴퓨터(23)는 유량계(6), 유량 제어 밸브(5), 압력계(7) 등을 제어하는 저취가스 제어용 연산기(21)로부터 입력되는 밸브 개도, 유량, 압력 등의 정보와, 증폭기(22)를 통해 수집한 정보를 분석하여 레이들의 잔존을 예측한다.

[실시 예 1]

본 발명의 제1 실시예는 본 발명에서 사용하는 가속도 센서(8)의 신호 처리와, 가속도 센서(8)의 부착 위치에 대한 것이다. 가속도 센서(8)의 부착 위치에 따른 영향을 살펴보기 위해서 제1 실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 가속도 센서(8)를 레이들(1) 하부 철피의 포러스 플러그(2) 주위에 설치하는 경우와, 레이들(1)의 포러스 플러그(2)에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급용 배관(3)을 연결하기 위해 사용되는 자동 커플링 장치(4)에 설치하는 경우를 예로 하였다.

레이들(1)에서 저취 조업을 수행하는 동안에 가속도 센서(8)를 이용하여 진동을 측정한다(S810). 여기서, 얻어지는 진동 신호는 증폭기(22)(amplifier)를 거쳐서 A/D(analog/digital) 변환기를 포함하는 연산 컴퓨터(23)에 수집된다(S820).

본 발명의 실시예에서 사용된 가속도 센서(8)는 B&K사의 압전기(piezoelectric)형 가속도 센서(accelerometer)이며, 가속도 센서용 증폭기(22)는 B&K사의 컨디셔닝(conditioning) 증폭기이고, 연산 컴퓨터(23)의 A/D 변환기는 National Instrument사 제품(제품명: AI-MIO-16XE-10)을 사용하였다. 여기서 나타낸 구성품들은 각각의 기능을 대변하는 제품으로 반드시 상기의 제품으로 구성해야만 본 발명의 효과를 얻는다는 것을 한정하지는 않는다. 즉, 동일한 기능의 다른 제품을 통해서도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

가속도 센서(8)에서 얻어지는 진동 신호는 가속도 센서용 증폭기(22)에 의해 증폭된 후, 연산 컴퓨터(23)의 A/D 변환기에 의해 초당 256회 이상으로 속도로 샘플링된다. 특정시간(1초간) 샘플링된 데이터는 주파수 분석(FFT; Fast Fourier Transformation)을 통해 각 주파수별 진동값을 얻을 수 있다. 여기서 얻어진 각 주파수별 진동량은 다음의 수학식 1을 통해 진동 지수로 환산된다(S830, S840).

f(first)는 1초 동안 수집한 상기 가속도 센서의 출력을 FFT 분석하여 얻은 가장 큰 진동값이고 first는 이 때의 주파수값이며, f(10th)는 상기 가장 큰 진동값으로부터 10번째로 큰 진동값이고 10th는 이 때의 주파수값임.

상기 수학식 1은 1초 동안 수집된 데이터의 FFT분석을 실시한 후에 이 분석값을 바탕으로 피크(peak)가 발생되는 주파수를 검출한 후, peak의 크기별로 정렬하여 가장 큰 피크를 나타내는 주파수의 진동값부터 10번째 피크의 주파수의 진동값을 모두 더한 후에 10의 7승 배를 곱한 값이 된다. 이 식에서 f(x)는 x 헤르쯔(Hertz)에서 대한 FFT분석값으로서, x주파수에서의 진동값을 나타낸다.

여기서, 가속도 센서(8)를 레이들 철피에 부착시키는 경우는 제강 공정에서 사용되는 전체 레이들 각각에 모두 센서를 부착시키는 것이 바람직하고, 자동 커플링 장치(4)에 가속도 센서(8)를 부착하여 레이들의 진동 지수를 측정하는 경우에는 가속도 센서(8)가 레이들(1)에 실제로 부착되지 않으므로 레이들(1)에 실제 부착되었을 때와의 진동지수 상관관계를 알고 있어야 한다.

상기의 상관관계는 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가속도 센서의 부착 위치에 따른 진동 지수의 차이를 보인 도면으로, 회귀분석을 통해 얻어진 값이다.

도 5에 도시되어 있듯이, 가속도 센서(8)를 레이들 하부의 철피에 부착시킨 경우와, 자동 커플링 장치(4)에 부착시킨 경우의 진동 지수의 값은 직선의 상관 관계가 있는 것을 알 수 있으며, 이러한 상관 관계를 회귀분석을 통해 얻어진 수식으로 나타내면, 자동 커플링 진동 지수 = 0.885×(레이들 진동 지수) - 0.149이다.

여기서, 상관계수(R)의 제곱값이 0.977을 나타내므로, 두 경우의 진동지수가 같을 때가 1인 것을 감안하면 상당히 근접한 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 그리고,자동 커플링 장치(4)에 가속도 센서(8)가 부착되는 경우에 얻어진 진동 지수를 상기 상관관계에 따른 수학식을 이용하면 실제 레이들에서 얻어지는 진동 지수로 환산할 수 있게 된다(S840).

[실시 예 2]

본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예에서 얻어진 진동 지수와 레이들 포러스 플러그의 잔존과의 상관성에 관한 것이다. 저취 조업을 수행하는 동안에 얻어진 진동 신호와 레이들 사용회수에 따른 진동 지수의 변화가 도 6에 도시되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 저취 가스의 압력에 따른 영향 및 레이들에 따른 차이를 배제하기 위해서 동일한 레이들을 대상으로 저취 가스의 압력이 3∼4바(bar)로 취입된 경우 측정된 진동 지수의 변화를 나타냈다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 레이들(1) 사용회수가 증가함에 따라 진동 지수가 감소함을 알 수 있으며, 특히 사용회수가 20회 이상의 경우에서 진동지수가 급격히 감소하는 것을 볼 수 있었다. 포러스 플러그의 사용회수가 증가하는 경우에서는 내화물로 구성된 포러스 플러그 상단(용강과 접촉하는 면)에서의 변질층의 형성 또는 지금에 의한 막힘 현상이 발생하게 되며, 이로 인하여 포러스 플러그를 통과하는 가스가 받는 저항(마찰계수)이 커지게 된다. 일반적으로 원형관을 지나가는 유체의 속도는 다음의 수학식 2를 통해 구해진다.

여기서,

는 평균 가스 속도, D는 배관의 직경, L은 배관의 길이,

ΔP은 압력차, ρ은 유체의 밀도, f는 마찰계수이다.

상기 수학식 2에서 보는 바와 같이 유체의 속도(

)는 배관의 직경의 1/2승에 비례하며, 마찰계수(f)의 1/2승에 반비례하게 된다. 상기 수학식 2를 토대로 볼 때, 포러스 플러그(2)의 선단의 막힘 현상이 발생하여 유체의 통과 면적이 작아지거나, 변질층 등에 의해 마찰계수가 커지는 경우에서는 포러스 플러그(2)를 통과하는 가스의 속도가 낮아지게 된다.

즉, 포러스 플러그(2)의 사용회수가 증가할수록 진동지수가 감소하는 원인으로써는, 상기에서 언급한 바와 같은 가스 유속의 감소로 인하여, 저취 가스에 의해 레이들에 공급되는 교반동력이 감소하기 때문에 발생하는 현상으로 생각된다.

이와 같은 진동 지수의 변화와 포러스 플러그의 잔존 길이의 관계를 알아보기 위해서 주조 후에 레이들 하부의 포러스 플러그의 잔존 길이를 측정하였다. 본 발명의 잔존 길이의 측정은 주조 후 레이들 수리장에 도착한 레이들의 포러스 플러그 주위에 부착된 슬래그(10)를 걷어내고, 다공질 내화물의 직경을 측정하여 잔존 길이로 계산한 것이다.

본 발명의 진동 지수와 잔존 길이의 관계는 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 잔존 길이가 150mm이하로 줄어드는 경우 진동 지수가 급격히 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이는 도 6에서 사용회수가 20회 이상에서 진동 지수가 급격히 감소하는 현상과 동일한 것이다. 즉, 저취 조업 중에 얻어진 진동지수가 2.5 이하로 감소하는 경우 잔존 길이가 150mm이하인 것으로 판정할 수 있으며, 그 이상의 잔존 길이는 다음의 수학식 3을 통해 예측할 수 있다(S850).

포러스 플러그 잔존 길이 = 815.2 X Ln(진동지수) - 709.5

상기 수학식 3은 포러스 플러그(2) 잔존 길이에 대한 레이들(1)의 진동지수를 산출하여, 상기 두 데이터를 회귀 분석하여 얻은 것으로, 연산 컴퓨터(23)에 저장되어 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

본 발명은 저취 조업시에 측정된 진동 값을 이용하여 레이들 하부에 설치된 포러스 플러그의 잔존을 예측함으로써, 포러스 플러그의 용손에 따른 용강 유출 사고의 방지하는 방법을 제공할 수 있으며, 이와 더불어 레이들 내화물 관리의 효율성을 제공하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 레이들, 포러스 플러그, 자동 커플링 장치를 포함하는 제강 정련에서, 상기 레이들 내의 용강의 온도 및 성분 균일화를 목적으로 취입되는 불활성 가스의 취입용 포러스 플러그의 잔존 예측 방법에 있어서,

   가속도 센서가 상기 레이들의 진동 신호를 검출하는 제1 단계;

   연산 컴퓨터가 상기 레이들의 진동 신호를 디지털 신호로 변환하고 샘플링한 후 주파수 분석하여 각 주파수별 진동값을 얻는 제2 단계;

   상기 연산 컴퓨터가 상기 각 주파수별 진동값으로부터 레이들 진동지수를 산출하는 제3 단계; 및

   상기 연산 컴퓨터가 상기 레이들 진동지수를 이용하여 상기 포러스 플러그 잔존 길이를 산출하는 제4 단계를 포함하는 레이들 포러스 플러그의 잔존 예측 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가속도 센서는 상기 레이들 하부 철판 또는 자동 커플링 장치로부터 상기 레이들의 진동 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 레이들 포러스 플러그 잔존 예측 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가속도 센서가 상기 레이들 하부 철판으로부터 상기 레이들의 진동 신호를 검출하면, 상기 제3 단계는 상기 각 주파수별 진동값을 다음의 식 1에 적용하여 상기 레이들 진동지수를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이들 포러스 플러그 잔존 예측 방법.

   (식 1)

   

   여기서, f(first)는 1초 동안 수집한 상기 가속도 센서의 출력을 FFT 분석하여 얻은 가장 큰 진동값이고 first는 이 때의 주파수값이며, f(10th)는 상기 가장 큰 진동값으로부터 10번째로 큰 진동값이고 10th는 이 때의 주파수값이다.
4. 제2항에 있어서,

   상기 가속도 센서가 상기 자동 커플링 장치로부터 상기 레이들의 진동 신호를 검출하면, 상기 제3 단계는 각 주파수별 진동값을 다음의 식 2와 식 3에 적용하여 상기 레이들 진동지수를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이들 포러스 플러그 잔존 예측 방법.

   (식 2)

   

   여기서, f(first)는 1초 동안 수집한 상기 가속도 센서의 출력을 FFT 분석하여 얻은 가장 큰 진동값이고 first는 이 때의 주파수값이며, f(10th)는 상기 가장 큰 진동값으로부터 10번째로 큰 진동값이고 10th는 이 때의 주파수값이다.

   (식 3)

   자동커플링진동지수 = 0.885×(레이들 진동 지수) - 0.149
5. 제1항에 있어서,

   상기 제4단계는 상기 레이들 진동지수를 다음의 식 4에 적용하여 포러스 플러스 잔존 길이를 산출하는 것을 특징으로 하는 레이들 포러스 플러그 잔존 예측 방법.

   (식 4)

   포러스 플러그 잔존 길이 = 815.2 X Ln(레이들 진동지수) - 709.5

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