KR100797264B1 - 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 유도가열 최종목표온도 제어 장치는, 유도가열오븐에서 열풍기의 입측 및 출측 스트립 온도에 기초하여 상기 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산하는 길이방향 스트림 온도 계산부; 상기 계산된 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도와, 상기 유도가열오븐의 출측 스트립 온도의 차를 계산하는 온도차 계산부; 상기 온도차 계산부에서 계산된 온도 차가 설정된 허용 범위를 초과하면, 상기 스트립의 실제 방사율을 측정하는 방사율 측정부; 및 상기 측정된 실제 방사율이, 설정된 스트립의 최종 목표 온도에 대응하는 방사율이 되도록, 상기 유도가열오븐의 가열 온도를 제어하는 방사율 제어부를 포함하며, 이에 의해, 유도가열오븐에서 스트립의 최종목표온도를 보다 용이하게 제어할 수 있다.
강판, 코팅, 유도가열, 최종목표온도, PMT, 제어, 스트립, 방사율, 온도

Description

코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for controlling peak metal temperature by induction heating of coating strip}
도 1은 본 발명에 적용되는 칼라코팅라인의 유도가열오븐 전후의 설비 배치를 나타낸 모식도,
도 2는 도 1의 실제 공정상의 구성 예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 다수의 열풍기와 유도가열장치로 구성된 유도가열오븐의 길이방향 온도모델을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 칼라코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치를 도시한 블록도, 그리고
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 칼라코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 스트립(strip)의 온도 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 바람직하게는, 칼라코팅강판 생산라인에서 유도가열장치를 이용하여 신너를 증발시키고 도료를 코팅하는 생산 공정에 있어 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
칼라코팅강판 생산라인이란 강판의 표면에 도료를 롤 코터(Roll Coater)를 이용하여 도포 후 도료에 포함된 신너 성분을 열풍로 혹은 배기구가 설치된 유도가열로와 같은 가열설비로 증발 및 배출하여 표면에 도료가 코팅되도록 하는 생산 공정이다. 이때의 강판의 온도는 약 200 내지 270 가량 도달하게 되며 이런 강판의 최종 목표 온도를 PMT(Peak Metal Temperature)라고 하며 도료 메이커에서 제시된다.
따라서 칼라코팅라인의 제어관점에서 중요한 것은 제시된 최종 목표 온도(PMT)에 강판의 온도가 정확히 추종되고 있는지 모니터링 하며 필요시 히트 사이클이라고 불리는 스트립의 진행 방향 길이별 혹은 시간별 가열패턴을 정확히 제어하는 것이 중요하다.
만약 도장 강판의 최종 목표 온도(PMT)가 높게 제어가 된 경우에는 도료의 과열에 의한 변색결함이 발생할 수 있고, 최종 목표 온도(PMT) 보다 낮게 제어된 경우에는 도료의 미건조에 의한 롤 표면에 부착 및 벗겨짐이 발생할 수 있다.
첫째, 이러한 최종 목표 온도(PMT)를 측정하는 방법은 여러 가지 방법이 있을 수 있으나 수지 코팅라인 등에는 파장 3~5 마이크로미터 대역의 방사온도계가 설치되어 그 온도를 측정하고 있다. 방사온도계를 이용하는 것은 일반적인 사항인 것이다. 그러나 여기서 중요한 것은 방사온도계의 온도는 스트립 표면의 도료의 색깔 및 두께에 따라 바뀔 수 있다는 것이다. 따라서 수지의 흑백톤과 다르게 변화가 심한 칼라 코팅라인에는 방사율의 테이블 방식으로 저장하여 적용하는 것은 한계가 있다.
둘째, 도료는 신너를 용매로 사용하고 있다. 따라서 수지코팅과는 차이점인데 수지는 수용성이라서 용매인물의 비열 및 열용량이 일정하지만 신너는 증발온도가 80 ~ 240도까지 분포하므로 히트사이클의 조정이 필수적이다.
셋째, 상온에서 투입되는 스트립이 최종적으로 200도 이상으로 가열되는 공정에서 유도가열장치의 사이사이에 150도의 열풍(Hot Air)을 공급하는 블로워(blower)가 존재한다. 스트립을 통과하여 가스(fume)와 함께 배출되는 열풍(Hot Air)에 의하여 스트립의 온도가 상승할 수 있으나 기존에는 이러한 상황을 고려하지 않고 있다. 단지 유도가열에 의한 전력 투입만을 고려한 것이 있으나, 이는 열풍에 의한 승온량 혹은 열손실을 고려하지 않은 것으로 최종 목표 온도(PMT) 제어정도에 영향을 미치게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 칼라코팅강판 생산라인에서 유도가열장치를 이용하여 신너를 증발시키고 도료를 코팅하는 생산 공정에 있어 유도 가열된 코팅강판의 최종목표온도를 정확하게 맞춤으로써 스트립의 표면품질 손상을 방지할 수 있는 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치는, 유도가열오븐에서 열풍기의 입측 및 출측 스트립 온도에 기초하여 상기 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산하는 길이방향 스트림 온도 계산부; 상기 계산된 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도와, 상기 유도가열오븐의 출측 스트립 온도의 차를 계산하는 온도차 계산부; 상기 온도차 계산부에서 계산된 온도 차가 설정된 허용 범위를 초과하면, 상기 스트립의 실제 방사율을 측정하는 방사율 측정부; 및 상기 측정된 실제 방사율이, 설정된 스트립의 최종 목표 온도에 대응하는 방사율이 되도록, 상기 유도가열오븐의 가열 온도를 제어하는 방사율 제어부를 포함한다.
상기 길이방향 스트림 온도 계산부는 열평형방정식
Figure 112006096272309-pat00001
에 기초하여 상기 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산한다.
상기 방사율 측정부는
Figure 112006096272309-pat00002
에 기초하여 상기 스트립의 실제 방사율을 측정한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 코팅강판의 유 도가열 최종목표온도 제어 방법은, 유도가열오븐에서 열풍기의 입측 및 출측 스트립 온도에 기초하여 상기 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산하는 길이방향 스트림 온도 계산 단계; 상기 계산된 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도와, 상기 유도가열오븐의 출측 스트립 온도의 차를 계산하는 온도차 계산 단계; 상기 계산된 온도 차가 설정된 허용 범위를 초과하면, 상기 스트립의 실제 방사율을 측정하는 방사율 측정 단계; 및 상기 측정된 실제 방사율이, 설정된 스트립의 최종 목표 온도에 대응하는 방사율이 되도록, 상기 유도가열오븐의 가열 온도를 제어하는 방사율 제어 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 길이방향 스트림 온도 계산 단계는, 상기 유도가열오븐의 열풍기 입측 및 출측 온도에 기초하여 열전달 경계조건을 계산하는 단계; 설정된 유도가열 전력투입량 및 유도가열 주파수에 기초하여 유도가열 투입전력(qg)을 계산하는 단계; 및 상기 열전달 경계조건 및 유도가열 투입전력이 계산되면, 상기 스트립의 폭, 두께, 속도, 비열, 및 비중과, 도료 폭, 두께, 속도, 비열, 및 비중이 고려된 열평형방정식인
Figure 112006096272309-pat00003
에 기초하여, 상기 유도가열오븐의 길이방향 스트립 온도를 계산하는 단계를 포함한다.
상기 방사율 측정 단계는
Figure 112006096272309-pat00004
에 기초하여 상기 스트립의 실제 방사율을 측정한다.
본 발명에 따르면, 칼라 코팅시 발생하는 가스(fume)를 제거하기 위한 열 풍(Hot Air)기와 유도가열투입전력의 영향을 고려한 정밀한 실시간 수치해석 온도모델을 구동하고, 알려진 몇몇의 소재의 방사율 정보와 상기의 온도모델을 이용하여 방사율을 모르는 소재의 방사율을 정확히 추정해 낼 수 있다. 이를 통해 추정된 방사율을 통해 스트립의 방사율을 보정하여 정확한 스트립의 판온, 즉, 최종목표온도(PMT)를 정확하게 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 방사온도계의 측정값과 다수의 샘플에 의하여 측정된 방사율 정보 및 열풍온도가 고려된 유도가열 승온 모델의 의하여 유도가열 투입전력과 열풍에 의한 승온 또는 열손실 및 다양한 방사율 변화에 대한 스트립 온도분포 및 방사율보정방법을 제공함으로써, 최종적으로 유도 가열된 스트립의 최종 목표 온도(PMT)를 정확하게 맞춤으로써 스트립의 표면 품질을 보장할 수 있는 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 칼라코팅라인의 유도가열오븐 전후의 설비 배치를 나타낸 모식도이다.
도시된 스트립의 칼라 코팅 라인은 스트립의 코팅 이송 절차에 따라, 전해크롬설비(10), 프라임 코터(prime coater)(20), 프라임 오븐(30), 피니쉬 코터(40), 피니쉬 오븐(50), 롤 코터(roll coater)(60), 유도가열오븐(200), 냉각기(70), 및 건조기(80)로 구성될 수 있다.
여기서, 롤 코터(60)는 픽업롤(62), 적용롤(64), 및 백업롤(66)로 구성된다.
도 2는 도 1의 실제 공정상의 구성 예를 도시한 도면이다.
도시된 바에 따르면, 유도가열오븐(200)의 전단에는 입측 판온 측정을 위한 방사 온도계(120)가 배치되고, 후단에는 출측 판온 측정을 위한 방사 온도계(140)가 배치된다.
또한 유도가열오븐(200)은 열풍기(hot air blower)(210) 및 유도가열장치(220)를 포함하여 구성된다.
롤 코터(60)에 의하여 스트립에 신나와 도료가 묻게 되면, 열풍기(210)와 유도가열장치(220)를 통과하면서 도료중의 신너가 증발하여 도료의 코팅이 된다. 유도가열오븐(200)은 이러한 열풍기(210)와 유도가열장치(220)가 각각 4개, 3개로 구성되어 있다.
유도가열오븐(200)의 입측 및 출측에 배치된 방사온도계(120,140)는 통상 스트립의 상부에 설치되지만, 칼라코팅라인의 스트립의 하부면은 서비스코팅으로 색상의 변화가 상대적으로 적은 면이다. 따라서 본 실시예에서 방사온도계(120,140)는 최종 목표 온도(PMT) 자체의 의미가 강판의 온도이므로, 그 설치 위치를 스트립의 하부면 즉 서비스 코팅면으로 설정 배치한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 다수의 열풍기와 유도가열장치로 구성된 유도가열오븐(200)의 길이방향 온도모델을 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 열풍기(210)의 열풍에 의한 스트립 승온량 혹은 열손실량과 유도가열전력투입에 의한 승온량을 이용하여 유도가열오븐(200) 길이방향의 모든 온도를 계산해 낸다. 기존의 유도가열모델은 아래 수학식 1의 형태를 갖는다.
Figure 112006096272309-pat00005
여기서, m: 질량, cp : 열용량, T : 온도, t : 시간, qg :유도가열투입전력, 및 eff: 효율이다.
기존의 수학식 1은 오직 유도가열투입전력에 의한 승온량만을 고려하고 있고 나머지 오차는 'eff'항으로 사용함으로써, 실험적으로만 결정이 가능하며 정확한 예측이 불가능하다.
왜냐하면 스트립의 온도는 유도가열투입전력 뿐만 아니라 열풍(Hot Air)에 의하여 결정되기 때문이다. 그리하여 본 발명에서는 아래 수학식 2와 같은 열평형방정식을 사용한다.
Figure 112006096272309-pat00006
여기서, k: 열전달 계수, y :스트립 두께방향 변수이다.
또한 열전달 경계조건으로 스트립 표면에서의 열풍에 의한 대류열량을 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006096272309-pat00007
여기서, qs : 스트립 표면 (Surface) 열량, h : 대류전달계수, Ts : 스트립표면온도, T∞ : 열풍온도이다.
상기와 같은 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 수치해석프로그램을 가동시키면, 2초 이내에 유도가열오븐(200) 길이방향 전체의 스트립 온도를 계산해낼 수 있다. 온도의 변화는 크게 심하지 않으므로 2초정도의 계산주기는 충분히 용납할 수 있다. 이에 따라 유도가열투입 전력 및 열풍로 열손실까지 고려된 정확한 온도식이 얻어지며, 기존 수식에 사용되던 효율항(eff)을 사용하지 않아도 된다.
이제 상기와 같이 개발된 온도모델과 이미 알고 있는 도료의 방사율 정보로부터 조업조건 변화시 방사율 계산을 자동으로 하는 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 칼라코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치를 도시한 블록도이다.
길이방향 스트림 온도 계산부(310)는 열풍기(210)의 입측 및 출측에 배치된 온도 측정부(260,270)로부터 측정된 스트립의 온도정보에 기초하여 유도가열오븐(200)의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산한다.
온도차 계산부(320)는 길이방향 스트림 온도 계산부(310)에서 계산된 유도가열오븐(200)의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도와, 유도가열오븐(200)의 출측에 배치된 방사온도계(140)에 의해 측정된 출측 스트립 온도 차를 계산한다.
방사율 측정부(330)는 온도차 계산부(320)에서 계산된 온도 차가 설정된 허용 범위를 초과하면, 스트립의 실제 방사율을 측정한다.
이에 따라, 방사율 제어부(340)는 측정된 실제 방사율이, 설정된 스트립의 최종 목표 온도에 대응하는 방사율이 되도록, 유도가열오븐(200)의 열풍기(210) 및 유도가열기(220)를 제어한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 칼라코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4에서 유도가열오븐(200)을 통과하는 스트립의 실제 온도(TR)는 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006096272309-pat00008
여기서, TR : 실제 온도, Tm : 측정된 온도,
Figure 112006096272309-pat00009
: 실제 방사율,
Figure 112006096272309-pat00010
: 측정된 방사율, λ: 방사온도계의 파장, C2 : 알려진 상수이다.
수학식 4는 어떤 알고 있는 온도 Tm 와 방사율 정보
Figure 112006096272309-pat00011
에서, 현재 작업되고 있는 실제 방사율
Figure 112006096272309-pat00012
과 실제온도인 TR 과의 관계를 나타낸 식이다.
수학식 4를 변형하여 아래 수학식 5로 나타내면 알고 있는 온도와 방사율 및 또 다른 온도로부터 방사율을 구하는 식이 된다.
Figure 112006096272309-pat00013
만약 어떤 도료를 측정하던 중 용접점이 바뀌어 방사율 정보를 모르는 도료가 코팅된 스트립의 온도가 측정된 경우에는 방사율 정보가 틀리기 때문에 온도는 정확한 값을 읽지 못한다. 이런 경우 용접전 통과 전에 측정되던 온도 Tm 와 방사율 정보
Figure 112006096272309-pat00014
을 이용하고, TR에는 모델로부터 계산된 온도를 대입하면 수학식 5로부터 실제 방사율이 구하여진다.
먼저, 길이방향 스트립 온도 계산부(310)는 열풍기(210)의 입측 온도 및 출측 온도에 기초하여 열전달 경계조건(q"s)를 계산한다(S110). 길이방향 스트립 온도 계산부(310)는 설정된 유도가열 전력투입량 및 유도가열 주파수에 기초하여 유도가열 투입전력(qg)을 계산한다(S120).
열전달 경계조건(q"s) 및 유도가열 투입전력(qg)이 계산되면, 길이방향 스트립 온도 계산부(310)는 스트립의 폭, 두께, 속도, 비열, 및 비중과, 도료 폭, 두께, 속도, 비열, 및 비중이 고려된 열평형방정식인 수학식 2에 기초하여, 유도가열로의 길이방향 스트립 온도(Tca)를 계산한다(S130).
유도가열로의 길이방향 스트립 온도(Tca)를 계산되면, 온도차 계산부(320)는 유도가열로의 길이방향 스트립 온도(Tca)와 유도가열오븐(200)의 출측 스트립 온 도(Tout) 차를 계산한다(S140).
이에 따라, 온도 차가 설정된 온도차를 초과하면, 방사율 측정부(330)는 수학식 5에 기초하여 실제 스트립의 방사율을 측정한다(S150). 실제 방사율이 측정되면, 방사율 제어부(340)는 실제 방사율이 설정된 최종 목표 온도(PMT)에 대응하는 방사율이 되도록 방사율을 보정하고 이에 따른 유도가열오븐(200)의 가열온도를 제어한다(S160).
이상에서는 본 발명에서 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 및 균등한 타 실시가 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부한 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
상술한 본 발명에 따르면, 칼라 코팅시 발생하는 가스(fume)를 제거하기 위한 열풍(Hot Air)기와 유도가열투입전력의 영향을 고려한 정밀한 실시간 수치해석 온도모델을 구동하고, 알려진 몇몇의 소재의 방사율 정보와 상기의 온도모델을 이용하여 방사율을 모르는 소재의 방사율을 정확히 추정해 낼 수 있다. 이를 통해 추정된 방사율을 통해 스트립의 방사율을 보정하여 정확한 스트립의 판온, 즉, 최 종목표온도(PMT)를 정확하게 제어할 수 있다.

Claims (6)

  1. 유도가열오븐에서 열풍기의 입측 및 출측 스트립 온도에 기초하여 상기 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산하는 길이방향 스트림 온도 계산부;
    상기 계산된 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도와, 상기 유도가열오븐의 출측 스트립 온도의 차를 계산하는 온도차 계산부;
    상기 온도차 계산부에서 계산된 온도 차가 설정된 허용 범위를 초과하면, 상기 스트립의 실제 방사율을 측정하는 방사율 측정부; 및
    상기 측정된 실제 방사율이, 설정된 스트립의 최종 목표 온도에 대응하는 방사율이 되도록, 상기 유도가열오븐의 가열 온도를 제어하는 방사율 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 길이방향 스트림 온도 계산부는 열평형방정식
    Figure 112006096272309-pat00015
    에 기초하여 상기 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산하는 것을 특징으로 하는 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 방사율 측정부는
    Figure 112006096272309-pat00016
    에 기초하여 상기 스트립의 실제 방사율을 측정하는 것을 특징으로 하는 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 장치.
  4. 유도가열오븐에서 열풍기의 입측 및 출측 스트립 온도에 기초하여 상기 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도를 계산하는 길이방향 스트림 온도 계산 단계;
    상기 계산된 유도가열오븐의 길이방향 전체에 대한 스트립 온도와, 상기 유도가열오븐의 출측 스트립 온도의 차를 계산하는 온도차 계산 단계;
    상기 계산된 온도 차가 설정된 허용 범위를 초과하면, 상기 스트립의 실제 방사율을 측정하는 방사율 측정 단계; 및
    상기 측정된 실제 방사율이, 설정된 스트립의 최종 목표 온도에 대응하는 방사율이 되도록, 상기 유도가열오븐의 가열 온도를 제어하는 방사율 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 길이방향 스트림 온도 계산 단계는,
    상기 유도가열오븐의 열풍기 입측 및 출측 온도에 기초하여 열전달 경계조건을 계산하는 단계;
    설정된 유도가열 전력투입량 및 유도가열 주파수에 기초하여 유도가열 투입전력(qg)을 계산하는 단계; 및
    상기 열전달 경계조건 및 유도가열 투입전력이 계산되면, 상기 스트립의 폭, 두께, 속도, 비열, 및 비중과, 도료 폭, 두께, 속도, 비열, 및 비중이 고려된 열평형방정식인
    Figure 112006096272309-pat00017
    에 기초하여, 상기 유도가열오븐의 길이방향 스트립 온도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 방사율 측정 단계는
    Figure 112006096272309-pat00018
    에 기초하여 상기 스트립의 실제 방사율을 측정하는 것을 특징으로 하는 코팅강판의 유도가열 최종목표온도 제어 방법.
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