KR100780423B1 - 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

열간 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압연강판의 선단부가 열간 사상압연 스탠드들 사이에 위치하였을 때에 가해지는 장력의 편차를 제어하여 압연강판 선단부의 품질불량을 예방하는 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 다수의 스탠드로 구성된 사상압연기 중에서 후단스탠드에 압연강판이 진입하는 시점(t0)부터 루퍼의 장력제어가 수행되기 이전까지 전후단 스탠드에 걸쳐있는 압연강판의 장력을 연산하여 제어하는 장력연산 제어장치에 있어서, 압연강판(2)의 입출측 두께(H,h)와 하중(F)의 데이터 및 각 스탠드의 장력(σ)명령치를 저장하고 있는 SCC(Supervisory Control Computer)(20)와, 후단스탠드에 압연강판(2)의 선단이 진입한 시점을 인식하고 전후단 스탠드의 작업롤(1,1') 회전속도를 피드백신호로 입력받는 데이터 수집부(10)와, 전단스탠드의 모터토크를 검출하는 모터토크 검출부(40)와, 전단스탠드를 구동하는 모터의 가속토크를 검출하는 모터 회전수 측정부(50)와, 후단스탠드의 후방장력과 기준 토크암을 연산하여 계산한 토크암 계수를 적용하여 전방장력을 연산하고 SCC(20)로부터 입력된 장력명령치와 전방장력의 편차를 연산하여 전단스탠드의 작업롤 회전속도를 제어하는 토크연산부(60)를 포함하는 장력연산 제어장치가 제공된다.

Description

열간 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법{Tension operation control system of hot strip mill and its control method}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치의 개략도이고,
도 2는 압연강판이 스탠드의 작업롤에 의해 압연되는 과정에서 토크보존원리를 설명하기 위한 개략도이며,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열간 사상압연기의 장력연산 제어방법에 따른 흐름도이다.
♠도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
1 : i 스탠드의 작업롤 1' : i+1 스탠드의 작업롤
2 : 강판 3 : 로드셀(Load Cell)
4 : 메인모터 10 : 데이터 수집장치
20 : SCC(Supervisory Control Computer)
40 : 모터토크 검출장치 50 : 모터 회전수 측정장치
60 : 토크연산부
본 발명은 압연강판의 선단부에 걸리는 장력을 연산하여 제어하는 장력연산 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전단 스탠드와 후단 스탠드의 사이에 위치한 루터의 작동개시 전에 압연강판에 걸리는 장력을 연산한 후, 전단 스탠드의 압연속도를 제어함으로써, 압연강판 선단부에 걸리는 장력을 제어하는 장력연산 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 루퍼(Looper)는 다수 개의 사상압연기(이하에서는 '스탠드'라 함.)들 사이에 위치하여 전후단 스탠드의 압연속도 및 압하율의 변동에 기인한 압연강판의 장력변동을 완화시키는 장치이다.
상기한 루퍼는 강판의 장력을 일정하게 유지하여 통판성을 양호하게 할 뿐 아니라 강판의 폭을 균일하게 유지시키는 역할을 한다.
따라서, 루퍼는 적정한 장력 제어와 높이 제어가 이루어져야 하는데, 루퍼의 제어가 불량한 상태에서는 강판의 장력 변화 때문에 압연강판의 두께 제어가 효과적으로 이루어지지 않으며, 그 때문에 제품의 두께 변화율이 커져서 두께 및 폭 적중률이 떨어지므로 제품에 막대한 영향을 초래한다.
기존의 루퍼 제어방식은 후단 스탠드(이하에서는 'i+1 스탠드'라 함.)에 압연강판이 진입하고, 약 0.1초 후에 루퍼가 기동하기 시작하여 약 0.6초 이후에 루퍼 비례적분(PI)제어가 개시된다. 이와 같이, 압연강판의 선단부가 후단 스탠드에 진입하여 루퍼의 제어가 개시되기 전까지는 장력제어가 이루어지지 않기 때문에, 양단(i, i+1) 스탠드 사이에 발생하는 매스플로 불일치(mass flow unbalance)를 제어할 수 없으며, 이로 인해 과장력 등의 문제로 폭 불량 및 두께 불량을 갖는 압연강판이 생산된다.
이와 같이, 압연강판 선단부의 장력제어의 불량에 따른 문제점을 보완하기 위해 종래의 기술로서는, 1) 일본 특개평 9-300010호(발명의 명칭; 압연재 장력 추정장치 및 압연기의 루퍼리스 제어장치), 2) 일본 특개평 10-225710호(발명의 명칭; 압연설비에 있어서 스트립의 장력 제어장치), 3) 일본 특출평 11-140573호(발명의 명칭; 열간압연에서 폭 제어방법), 4) 일본 특개평 10-263648호(발명의 명칭; 열간압연 라인에 있어서 판폭제어방법), 5) 일본 특개평 09-248609호(발명의 명칭; 열간사상 압연기의 판폭제어 방법) 등이 기술되어 있다.
그러나, 이들 특허에 있어서, 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.
첫번째로, 상기 1)일본 특개평 9-300010호는 압연강판의 선단부 장력을 연산하여 제어하는 점에서는 본 발명과 유사하지만, 장력의 추정방법으로 하중 및 토크에 대한 전방장력과 후방장력의 영향계수를 구하고, 이를 이용하여 전ㆍ후방장력을 연산하는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나, 상기 1)일본 특개평 9-300010호에서처럼 하중 및 토크에 대한 영향계수를 구하는 것은 다양한 압연조건에서 여러가지 외란 조건을 고려하기 힘들기 때문에 어려움이 따른다.
두번째로서, 상기 2)일본 특개평 10-225710호는 루퍼설비가 없는 압연설비에 있어서 루퍼리스(Looperless)로 압연강판의 압연속도 및 장력을 제어하는 장치에 관한 특허로서, 이 특허에서는 압연강판의 전체에 걸쳐 압연속도를 제어하는 방법에 관하여 기술하고 있다.
세번째로, 상기 3)일본 특출평 11-140573호 내지 5)일본 특개평 09-248609호의 특허들은 압연강판 선단부의 장력을 제어한다는 점에서 본 발명과 유사하지만, 스탠드 사이에 장력측정계를 설치하고 장력측정계를 이용하여 스탠드 사이에 위치한 압연강판의 장력을 측정한다.
그러나, 실제 압연공장에서는 장력을 실측할 수 있는 장력측정계를 설치하기 힘들뿐만 아니라, 설령 설치한다하여도 루퍼 암에 로드셀을 설치하고 루퍼가 압연강판의 하면에 닿는 시각 이후에 장력측정이 가능하기 때문에 앞에서 설명한 문제점인 루퍼제어가 이루어지기 이전에 압연강판 선단부의 장력제어가 곤란하다는 문제점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 스탠드 사이의 장력을 메인모터의 토크암계수를 보정하고 토크차를 연산한 후에 메인모터의 회전속도를 제어함으로써, 압연강판의 폭불량을 감소시키는 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 다수의 스탠드로 구성된 사상압연기 중에서 후단스탠드에 압연강판이 진입하는 시점(t0)부터 루퍼의 장력제어가 수행되기 이전까지 전후단 스탠드에 걸쳐있는 압연강판의 장력을 연산하여 제어하는 장력연산 제어장치에 있어서, 상기 압연강판의 입출측 두께(H,h)와 하중(F)의 데이터 및 각 스탠드의 장력(σ)명령치를 저장하고 있는 SCC(Supervisory Control Computer)와, 상기 후단스탠드에 압연강판의 선단이 진입한 시점을 인식하고 전후단 스탠드의 작업롤 회전속도를 피드백신호로 입력받는 데이터 수집부와, 상기 전단스탠드의 모터토크를 검출하는 모터토크 검출부와, 상기 전단스탠드를 구동하는 모터의 가속토크를 검출하는 모터 회전수 측정부와, 상기 후단스탠드의 후방장력과 기준 토크암을 연산하여 계산한 토크암 계수를 적용하여 전방장력을 연산하고 상기 SCC로부터 입력된 장력명령치와 전방장력의 편차를 연산하여 상기 전단스탠드의 작업롤 회전속도를 제어하는 토크연산부를 포함하는 장력연산 제어장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 상기 토크연산부는 상기 압연강판의 진행방향에 있어 각 스탠드의 작업롤을 기준으로 후방의 장력을 측정하는 후방장력토크연산부와, 상기 후방장력토크연산부로부터 연산된 후방장력(Tb)과 모터토크(GMi) 및 가속토크(GAi )를 이용하여 기준 토크암을 구하는 기준 토크암연산부와, 토크암 계수(a)를 연산하는 토크암연산부와, 계산된 상기 토크암계수를 이용하여 장력을 연산하는 전방장력연산부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 다수의 스탠드로 구성된 사상압연기 중에서 후단스 탠드에 압연강판이 진입하는 시점(t0)부터 루퍼의 장력제어가 수행되기 이전까지 전후단 스탠드에 걸쳐 있는 압연강판의 장력을 연산하여 제어하는 장력연산 제어방법에 있어서, 상기 압연강판의 입출측 두께(H,h)와 하중(F)의 데이터 및 각 스탠드의 장력(σ)명령치를 입력받는 단계와, 상기 압연강판의 선단이 후단스탠드에 진입하는 시각(t0)을 확인하고 상기 루퍼 장력제어의 개시시각 이전인지를 판단하는 단계와, 상기 압연강판의 진입 시각이 루퍼 장력제어 개시시각 이전 일 경우에는 전단스탠드의 모터토크를 검출하고 가속토크를 연산하는 단계와, 장력토크를 연산하기 위해 기준 토크암 계수를 구하고 토크암 계수를 연산하는 단계와, 상기 기준 토크암 계수와 연산된 토크암 계수로부터 전방장력을 연산하는 단계 및, 상기 전방장력과 상기 SCC(Supervisory Control Computer)로부터 입력된 목표장력과의 편차가 과장력일 경우에는 전단스탠드의 작업롤 회전속도를 제어하는 단계를 포함하는 장력제어방법이 제공된다.
아래에서, 본 발명에 따른 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치의 개략도이고, 도 2는 압연강판이 스탠드의 작업롤에 의해 압연되는 과정에서 토크보존원리를 설명하기 위한 개략도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 열간 사상압연기의 장력연산 제어방법에 따른 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치는 각종 압연강판(2)의 사양 및 압연조건 즉, 압연강판(2)의 두께(H,h), 압연하중(F) 및 장력(σ) 등의 명령치를 저장하고 이들의 정보데이터를 송신하는 SCC(Supervisory Control Computer)(20)와, 각 스탠드의 실측 데이터들을 수집하는 데이터 수집장치(10)와, i 스탠드의 작업롤(1)을 구동시키는 메인모터(4)의 모터토크 검출장치(40)와, 메인모터(4)의 가속토크를 검출하는 모터 회전수 측정장치(50)를 포함하며, 상기의 장치들로부터 입력된 정보를 이용하여 i 스탠드의 회전속도를 제어하는 토크연산부(60)를 포함한다.
이런 토크연산부(60)는 압연강판(2)의 진행방향에 있어 각 스탠드의 작업롤(1, 1')을 기준으로 후방의 장력을 측정하는 후방장력토크연산부(61)를 구비한다. 이런 후방장력토크연산부(61)는 1번 스탠드(first stand)의 후방장력을 0(zero)으로 하며, i-1 스탠드의 전방장력을 i 스탠드의 후방장력으로 하는 로직을 구성한다.
또한, 토크연산부(60)는 후방장력토크연산부(61)로부터 연산된 후방장력(Tb)과 모터토크(GMi) 및 가속토크(GAi)를 이용하여 기준 토크암을 구하는 기준 토크암연산부(62)와, 토크암 계수(a)를 연산하는 토크암연산부(63)와, 장력을 연산하는 전방장력연산부(64) 및, 전방장력연산부(64)에서 연산된 장력과 SCC(20)로부터의 목표장력의 편차를 연산하여 i 스탠드의 메인모터(4)의 구동을 제어하는 장력편차연산부(65)를 포함한다.
아래에서는 앞에서 설명한 구성관계를 갖는 장력연산 제어방법에 따른 알고 리즘에 관하여 설명하겠다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 단계(S1)로서, SCC(Supervisory Control Computer)(20)로부터 각종 압연강판(2)의 사양 즉, 각 스탠드에 진입하는 압연강판(2)의 입측두께(H), 상기 스탠드에서 압연된 압연강판의 출측두께(h), 압연하중(F) 및, 스탠드 사이의 단위 장력(σ)의 목표치 등의 설정값을 읽어 들인다.
제2 단계(S2)에서는 데이터 수집장치(10)로부터 압연강판(2)의 선단이 i+1 스탠드에 진입하였는가를 확인한다. 이때, 압연강판(2)의 선단이 i+1 스탠드에 진입하였는지는 i+1 스탠드에 설치된 로드셀(3)에 의해 감지된다. 압연강판(2)의 선단이 i+1 스탠드의 작업롤(1')의 사이로 진입하게 되면, 압연강판(2)의 두께에 따라 로드셀(3)에서 측정된 하중이 변화하게 되고, 변화하는 하중은 데이터 수집장치(10)로 입력되면서, 데이터 수집장치(10)에서는 압연강판(2)의 선단이 i+1 스탠드에 진입한 시각(t0)을 확인한다.
이와 같이, i+1 스탠드에 압연강판(2)의 선단이 진입시각(t0)을 확인하는 이유는 i 스탠드와 i+1 스탠드의 각 작업롤(1, 1')에 압연강판(2)이 걸쳐 있는 상태에서 장력이 발생하기 때문에 장력이 걸리는 시각을 검출하기 위해 i+1 스탠드에 압연강판(2)의 선단이 진입하는 시각(t0)을 확인한다.
제3 단계(S3)는 i 스탠드의 모터토크(GMi)를 검출하는 단계로서, 모터축에 설치된 모터토크 검출장치(40)를 이용하여 검출한다. 모터토크(GMi)는 하기의 수학식 1에 의해 계산된다.
Figure 112001025436274-pat00001
여기에서, GMi는 모터토크이고, GRi는 압연강판의 토크이고, GTi는 장력토크이고, GAi는 가속토크이며, GLossi는 전동기의 로스토크이다.
제4 단계(S4)는 i 스탠드의 메인모터(4)의 회전수를 측정한 후에 가속토크(GAi)를 구한다. 메인모터(4)의 회전수는 메인모터(4)에 설치된 회전수 측정장치(50)에서 측정하며 측정된 회전수를 미분하여 i 스탠드의 메인모터(4)의 가속토크(GAi)를 계산한다.
그리고, 제5 단계(S5)는 1번 스탠드(first stand)의 후방장력을 0(zero)으로 설정한다.
상기의 수학식 1에서 로스토크(GLossi)는 미세함으로 무시할 수 있다. 따라서, 장력토크(GTi)를 구하기 위해서는 압연강판의 토크(GRi)만을 알면 계산할 수 있는데, 일반적으로 압연 중에 압연강판(2)과 작업롤(1, 1')에 작용하는 힘은 도 2에 보이듯이 작용하며 스탠드의 토크보전원리를 적용하면 하기의 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure 112001025436274-pat00002
여기에서 F는 압연하중이고, G는 압연 토크(압연강판 토크(GRi)+장력 토크(GTi))이고, Tb는 후방장력이고, Tf는 전방장력이고, a는 토크암 계수이며, b는 후방장력 암 계수이고, c는 전방장력 암 계수이다. 여기에서, b와 c는 거의 압연강판의 두께에 대해 1/2로 설정한다면, 토크암의 계수(a)만 설정하여 압연강판(2)의 토크(GRi)를 구할 수 있으며, 이를 통해 장력토크(GTi)는 상기 수학식 2에서 구할 수 있게 된다.
한편, 제6 단계(S6)는 수학식 2를 응용하여 기준 토크암 계수(a0)를 수학식 3과 같이 구한다.
Figure 112001025436274-pat00003
토크암 계수(a)는 일반적으로 아래의 수학식 4와 같이 계산된다.
Figure 112001025436274-pat00004
여기에서, λ는 토크암 계수이고, R'는 작업롤 반경이고, H는 입측두께이며, h는 출측두께이며, 현장의 압연공장에서는 토크암 계수가 일반적으로 0.4정도로 설정되어 압연강판을 압연하고 있다.
그러나, 토크암의 길이(ai)는 압연과정 중에서 압연상태에 따라 변동하기 때문에, 토크암의 길이 기준치(ai0)와 압연상태에 따라 변동하는 토크암 길이 보상치(Δai)의 합으로서 수학식 5와 같이 나타낸다.
Figure 112001025436274-pat00005
여기에서, 토크암 길이 보상치(Δai)의 계산은 복잡한데, 여기에서는 재료의 입측판두께(H), 압연하중(F), 롤 갭(S), 선진율(f)의 함수로써, 다음의 수학식 6과 같이 나타낸다.
Figure 112001025436274-pat00006
제7 단계(S7)에서는 상기의 수학식 3 내지 수학식 6에서 계산된 값들을 이용하여 수학식 2의 장력(Tf)을 계산한다.
제8 단계(S8)에서는 상기 제7 단계(S7)에서 구한 장력과 SCC(20)에서 설정된 장력 목표치와 편차를 장력편차연산부(65)를 통해 구한다. 그리고, 제9 단계(S9)에서는 장력의 편차가 설정된 장력편차에 비해 과장력 상태인가를 판단한다.
이때, 장력이 과장력일 경우에는 제10 단계(S10)로서, 장력편차에 따라 i 스탠드의 작업롤 회전속도를 제어한다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법은 압연강판의 선단이 i+1 스탠드에 진입하는 시각(t0)부터 압연속도를 높이기 위해서 가속하는 시각(α)까지의 루퍼제어가 어려운 상태의 압연강판의 선단의 장력을 연산제어함으로써, 품질이 양호한 압연강판으로 압연할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치 및 그 제어방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

  1. 다수의 스탠드로 구성된 사상압연기 중에서 후단스탠드에 압연강판이 진입하는 시점(t0)부터 루퍼의 장력제어가 수행되기 이전까지 전후단 스탠드에 걸쳐있는 압연강판의 장력을 연산하여 제어하는 장력연산 제어장치에 있어서,
    상기 압연강판의 입출측 두께(H,h)와 하중(F)의 데이터 및 각 스탠드의 장력(σ)명령치를 저장하고 있는 SCC(Supervisory Control Computer)와,
    상기 후단스탠드에 압연강판의 선단이 진입한 시점을 인식하고 전후단 스탠드의 작업롤 회전속도를 피드백신호로 입력받는 데이터 수집부와,
    상기 전단스탠드의 모터토크를 검출하는 모터토크 검출부와,
    상기 전단스탠드를 구동하는 모터의 가속토크를 검출하는 모터 회전수 측정부와,
    상기 후단스탠드의 후방장력과 기준 토크암을 연산하여 계산한 토크암 계수를 적용하여 전방장력을 연산하고 상기 SCC로부터 입력된 장력명령치와 전방장력의 편차를 연산하여 상기 전단스탠드의 작업롤 회전속도를 제어하는 토크연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 토크연산부는 상기 압연강판의 진행방향에 있어 각 스탠드의 작업롤을 기준으로 후방의 장력을 측정하는 후방장력토크연산부와, 상기 후방장력토크연산부로부터 연산된 후방장력(Tb)과 모터토크(GMi) 및 가속토크(GAi)를 이용하여 기준 토크암을 구하는 기준 토크암연산부와, 토크암 계수(a)를 연산하는 토크암연산부와, 계산된 상기 토크암계수를 이용하여 장력을 연산하는 전방장력연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 사상압연기의 장력연산 제어장치.
  3. 다수의 스탠드로 구성된 사상압연기 중에서 후단스탠드에 압연강판이 진입하는 시점(t0)부터 루퍼의 장력제어가 수행되기 이전까지 전후단 스탠드에 걸쳐 있는 압연강판의 장력을 연산하여 제어하는 장력연산 제어방법에 있어서,
    상기 압연강판의 입출측 두께(H,h)와 하중(F)의 데이터 및 각 스탠드의 장력(σ)명령치를 입력받는 단계와,
    상기 압연강판의 선단이 후단스탠드에 진입하는 시각(t0)을 확인하고 상기 루퍼 장력제어의 개시시각 이전인지를 판단하는 단계와,
    상기 압연강판의 진입 시각이 루퍼 장력제어 개시시각 이전 일 경우에는 전단스탠드의 모터토크를 검출하고 가속토크를 연산하는 단계와,
    장력토크를 연산하기 위해 기준 토크암 계수를 하기의 식1로 구하고 토크암 계수를 하기의 식2로 연산하는 단계와,
    상기 기준 토크암 계수와 연산된 토크암 계수로부터 전방장력을 연산하는 단계 및,
    상기 전방장력과 SCC(Supervisory Control Computer)로부터 입력된 목표장력과의 편차가 과장력일 경우에는 전단스탠드의 작업롤 회전속도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 사상압연기의 장력연산 제어방법.
    식1
    Figure 112007066144327-pat00007
    식2
    Figure 112007066144327-pat00008
    ,
    Figure 112007066144327-pat00009
    여기에서, a는 토크암 계수이고, F는 압연하중이고, G는 압연 토크이고, Tb는 후방장력이고, b는 후방장력 암 계수이고, λ는 토크암 계수이고, R'는 작업롤 반경이고, H는 입측두께이고, h는 출측두께이고, ai는 토크암의 길이이고, ai0는 토크암의 길이 기준치이며, Δai는 토크암 길이 보상치이다.
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