KR100797312B1 - 전기로 용해량 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기로의 용해 작업의 진행 상황을 측정 및 분석하여 정확한 용해 완료 시점을 알아내므로써 과다 통전되는 부분을 억제하여, 투입되는 전기 에너지의 손실를 방지할 수 있도록 하는 전기로 용해량 측정 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 전기로 상부에 대칭되는 세 지점에 설치되어 전기로 내부에 투입된 용해물의 높이를 측정하는 레벨 측정부와, 상기 레벨측정부의 측정값 및 전기로설비의 공정데이타와 전기로에 투입된 투입전력, 통전시간 등의 데이타가 입력되는 데이타입력부와, 상기 데이타입력부로부터 인가된 데이타에 근거한 비중 및 용해물의 부피기준테이블과 실시간 측정데이타가 저장되는 저장부와, 상기 저장부에 저장된 데이타를 읽어들여 투입된 원료의 용해완료시의 체적을 구하고, 이를 전기로의 내부제원에 근거하여 용해완료시의 높이로 연산하고, 상기 레벨측정부로부터 측정된 스크랩의 현재높이를 상기 산출된 용해완료시 높이와 비교하여 용해완료시점을 판단하는 연산부와, 상기 연산부의 판단에 따라 용해완료시 이에 따른 제어출력신호를 출력하는 출력부로 이루어진다.

전기로, 용탕, 용해물, 스크랩, 높이, 레벨센서,

Description

전기로 용해량 측정 장치{APPARATUS FOR GAUGING SOLUBILITY IN ELECTRIC FURNACE}

도 1은 전기로 설비의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2는 종래 용해량 측정 방법을 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명에 의한 전기로 용해량 측정 장치를 나타낸 블럭구성도이다.

도 4는 본 발명의 스크랩 높이 측정원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 전기로 용해 장치에 구비된 레벨 센서의 설치도이다.

도 6은 전기로 내에서 광석의 용해 단계를 나타낸 도면이다.

도 7는 본 발명에 의한 장치에서 이루어지는 용해량 측정 과정을 나타낸 플로우챠트이다.

도 8은 본 발명에서 전기로 내부의 용적을 구하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

31 : 레벨센서 32 : 변압기

33 : 전기로 34 : 데이타입력부

35 : 데이타저장부 36 : 연산부

36 : 출력부

본 발명은 전기로의 용해량 측정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기로의 용해 작업의 진행 상황을 측정 및 분석하여 정확한 용해 완료 시점을 알아내므로써 과다 통전되는 부분을 억제하여, 투입되는 전기 에너지의 손실를 방지할 수 있도록 하는 전기로 용해량 측정 장치에 관한 것이다.

전기로는 제철공정에서 전기적 에너지를 열에너지로 변환하여 원료(고철)를 용해하는 설비로서, 이때의 용해 작업이란 전기적 에너지가 고철에 적절히 통전되어, 공급하는 전기적 에너지가 고철을 용해할 수 있는 열에너지로 변환되는 것을 말한다.

도 1은 전기로 설비를 개략적으로 나타낸 것으로서, 변압기(4)로부터 전원이 전극 아암(2)을 통하여 전극봉(3)에 전달되면, 전극봉(3) 끝단에서 아크(아크)가 발생되며, 이 아크열에 의해 전기로 내부의 고철이 용해된다.

이때, 전기로내에서 스크랩이 용해된 량, 즉, 용해량은 투입된 스크랩량으로부터 이를 용해하는데 필요한 열량을 계산하고, 이로부터 전극봉(3)에 전기가 가해지는 통전시간을 고려한 전력량으로부터 판단한다.

도 2의 그래프에 나타난 바와 같이, 투입된 스크랩을 용해하는 필요한 열량에 대응한 전력량을 가로축에 나타내고, 가해진 전력량별로 전기로 내부의 용해상 태를 구분하여 상기 기준에 따라 용해단계를 판단한다.

도 6은 전기로 내부의 용해단계를 나타낸 것으로, (a)는 전극봉(3)이 통전되어 아크를 발생시키는 아크점화기를 나타내는 것이고, (b)는 아크열에 의해 스크랩내부에 구멍을 뚫는 천공기이고, (c)는 상기 천공기에 형성된 구멍이 커지면서 최초 용강이 만들어지기 시작하는 용탕형성기이고, (d)는 스트랩의 하단부부터 본격적으로 용해가 진행되는 주용해기이고, (e)는 가운데를 중심으로 용해가 이루어지다가 외측에 벽을 이루던 스크랩이 한꺼번에 무너져 내리는 용락기이고, (f)는 전체 스크랩이 용해된 후 용탕을 온도를 일정 온도로 높이는 승열기를 나타낸다.

그런데, 보통 전기로 내부의 상황은 여러 가지 요소에 의해 용해 정도가 다를 수 밖에 없다. 예를 들면, 스크랩의 누적형상, 아크 열의 전달량 등에 따라 용해되는 속도는 빠르거나, 늦어질 수밖에 없다.

따라서, 상기 도 2와 같이 설정된 값보다 용해가 더 빨리 용해가 진행되어 용락기에 들어섰더라도, 종래에는 이를 알 수 없기때문에 설정에 따라 주용해기에 필요한 전력을 공급하는등의 일들이 발생할 수 있으며, 이는 에너지 손실, 즉 과다 통전이 발생시킨다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 전기로의 용해 작업의 진행 상황을 측정 및 분석하여 정확한 용해 완료 시점을 알아내므로써 과다 통전되는 부분을 억제하여, 투입되는 전기 에너지의 손실를 방지할 수 있도록 하는 전기로 용해량 측정 장치를 제공하는데 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 전기로 용해량 측정 장치는

전기로 상부에 대칭되는 세 지점에 설치되어 전기로 내부에 투입된 용해물의 높이를 측정하는 레벨 측정부;

상기 레벨측정부의 측정값 및 전기로설비의 공정데이타와 전기로에 투입된 투입전력, 통전시간 등의 데이타가 입력되는 데이타입력부;

상기 데이타입력부로부터 인가된 데이타에 근거한 비중 및 용해물의 부피기준테이블과 실시간 측정데이타가 저장되는 저장부;

상기 저장부에 저장된 데이타를 읽어들여 투입된 원료의 용해완료시의 체적을 구하고, 이를 전기로의 내부제원에 근거하여 용해완료시의 높이로 연산하고, 상기 레벨측정부로부터 측정된 스크랩의 현재높이를 상기 산출된 용해완료시 높이와 비교하여 용해완료시점을 판단하는 연산부; 및

상기 연산부의 판단에 따라 용해완료시 이에 따른 제어출력신호를 출력하는 출력부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기로 용해량 측정장치의 구성 및 작용에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 전기로 용해량 측정장치의 구성도로서, 전기로 상부에 대칭되는 세 지점에 설치되어 전기로 내부에 투입된 용해물의 높이를 측정하는 레벨 측정부(31)와, 상기 레벨측정부(31)로부터 측정값을, 변압기(32)로부터 전기 제어데이타, 즉 투입전력 및 통전시간을, 전기로설비(33)로부터 공정데이타(고철중량, 크롬, 니켈중량)가 입력되는 데이타입력부(34)와, 상기 데이타입력부(34)로부터 인가된 데이타에 근거한 비중 및 용해물의 부피기준테이블과 실시간 측정데이타가 저장되는 저장부(35)와, 상기 저장부(35)에 저장된 데이타를 읽어들여 투입된 원료의 용해완료시의 체적을 구하고, 이를 전기로의 내부제원에 근거하여 용해완료시의 높이로 연산하고, 상기 레벨측정부로부터 측정된 스크랩의 현재높이를 상기 산출된 용해완료시 높이와 비교하여 용해완료시점을 판단하는 연산부(36)와, 상기 연산부(36)의 판단에 따라 용해완료시 이에 따른 제어출력신호를 출력하는 출력부(37)로 이루어진다.

상기 도 3에 있어서, 상기 데이타입력부(34)는 전기로에 투입되는 원료량을 수집하고, 또한 전기로 제어시스템으로부터 각종 공정데이타를 수집하여 저장부(35)에 저장시킨다. 상기 연산부(36)는 이 저장부(35)에 저장된 데이타를 근거로 데이타의 노멀라이징과정을 거쳐 투입된 스크랩이 용해 완료 되었을 때의 부피를 연산한다.

그리고, 도 5a,b는 본 발명에 따른 레벨측정부(31)의 설치예를 보인 것으로서, 상기 레벨측정부(31)는 도시된 바와 같이, 전기로루프(51)의 대칭되는 세 지점의 냉각용 워터라인(Water Line)이 설치되어 있는 부분에 구멍을 뚫고, 비접촉식 레벨센서(312)를 설치하고, 상기 레벨센서(312)의 좌우에 소정 압력으로 공기를 분사하여 지금부착을 방지하기 위한 공기분사기(311)를 설치하여 이루어진다. 상기 레벨센서(312)에서는 일정주기(0.5초)로 용강 레벨을 측정한다.

상기 측정값을 기준값(각종 데이타에서 산출된 용해완료시의 예측높이)과 비교하여, 기준값보다 작으면 용해작업이 진행중인것으로 판단하고, 레벨센서(312)로부터 측정된 값으로 판단된 스크랩 형상으로부터 용해단계를 예측하여, 용해완료시 변압기의 탭설정 데이타를 전송한다. 또한 이 측정값이 기준값보다 크면, 용해작업이 완료 된 것이므로, 변압기를 오프하기 위한 트립신호를 전송한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 기본 개념은 고체 상태인 스크랩이 노내에서 아크열에 의해 완전히 용해되면, 액체 상태인 용탕으로 변환되는 것에 초점을 맞춘 것이다.

전기로 내에 투입되는 원료의 양은 투입되기 전 전기로 대차에 설치된 로드셀에서 측정되어 전기로 제어시스템에 전달되므로, 투입도니 원료의 량을 전기로 용해작업에 들어가기 전에 미리 알 수 있으며, 이로부터 투입된 원료가 완전히 용해되었을 때의 부피를 계산할 수 있다.

이를 위해 필요한 STS강의 비중은 다음의 표와 같다.

구 분	강 종
7.93	304, 304L, 321, 201, 202, 301, 203, 205, 631
7.98	316, 316L, 316JIL, 309S, 310S, 347, 317, 317L
7.70	430, 420J2, 429, 434, 440A
7.75	410, 420, 403, 405, 410S, 409L

이런 데이타에 근거하여, 전기로에 투입된 원료의 용해완료시의 체적을 다음수학식 1에 의해 구한다.

부피[V] = 용해물의 질량 / 용해물의 비중

그 다음, 전기로의 제원(내부 형상 및 구조)은 이미 알고 있으므로, 상기 부피에 대응되는 전기로 내부에서의 높이를 계산할 수 있다.

즉, 원료가 용해 완료되었을 시의 부피량을 다음 수학식 2에 의하여 전기로 내부의 높이 값으로 나타낸다.

용해완료시의 레벨 = 용해물의 부피 / 전기로 내부 높이에 의한 용적

이를 좀더 구체적으로 설명하면, 다음과 같다.

전기로 내부는 반지름(R)의 구형이므로 전기로 내부에 용해되는 액체의 체적은 도 8에 도시된 바와 같은 반구를 가로방향으로 등분한 반지름 r의 단면적을 더한 것이므로 다음 수학식 3과 같이 나타낸다.

이로부터 다음의 수학식 4에 의해 높이 h의 용해물에 대한 체적 V를 구할 수 있다.

위의 수학식 4와 수학식 1로부터, 체적[V]와 용해물의 높이[h]의 관계는 다음 수학식 5와 같이 구할 수 있다.

상기에서,

,

, a = 1, b = -3R, c = 0, d =3V/π이다.

따라서, 도 5a,b에 도시된 바와 같이 노 상부에 대칭되는 세 지점에 설치된 레벨 측정부(31)로부터 스크랩의 높이를 측정하여 통전시작 전, 스크랩의 높이(Hs)를 구한다.

이때, 세 지점에서 측정하는 것은 전기로 내부의 각 전극봉에서 발생하는 아크열이 스크랩과 반응하는 것이 일정하지 않으며, 스크랩 누적형상이 평탄하지 않기 때문에 120′간격으로 측정하는 것이 전기로 내부 형상을 알아낼 수 있다.

그리고, 운전 중에 일정시간 간격으로 각 센서에서 스크랩의 높이를 측정하면, 노 내부의 높이 변화 추이를 알아낼 수 있다.

노 내부의 높이는 용해 초기에는 기준면보다 상당히 높을 것이고, 용해 말기에는 기준면으로 점차 근접할 것이다.

도 4는 스크랩 높이 측정원리를 표시한 것으로써, 전기로 루프에 설치된 레벨 센서(31)를 이용하여 전기로 루프에서 스크랩 상부와의 거리(Ha)를 측정한다.

이때, 용해된 스크랩의 높이(h)는 수학식 6과 같다.

상기에서, Sh는 전기로 하부에서 레벨센서 설치높이까지의 거리이고, Ha는 레벨센서에서 노내 스크랩까지의 거리이다.

이 측정거리는 시간이 경과함에 따라 스크랩이 용해되므로 점차 길어지며, 실제 측정된 값이다. 이 값과 용해완료시의 기준 높이(H)를 비교하면 용해 완료 시점을 알 수 있는 것이다.

실제 운전의 예를 들면, STS 전기로 용량은 90Ton/Charge이며, 90Ton의 스크랩을 용해하기 위해서 1차 장입시 60 톤의 스크랩의 중량을 측정한 후 1차 용해를 완료하고, 2차로 30 Ton을 투입하여 용해를 완료한다.

1차 장입 60 Ton의 용해완료 기준 높이(H)를 구해보면, 전기로 대차의 로드셀에 의해 측정되어진 STS 304 강종 스크랩 60Ton의 용해완료후 체적[V]은 상기 수학식 1에 의해서, V = 60,000,000/7.93 = 7,566,204 ㎤ 이 된다.

따라서, 용해완료 기준높이[H]는 상기 수학식 4에 의해 H = 68.991㎝로 구해진다.

그러므로, 1차 용해는 스크랩이 투입되기 전에 전기로 하부의 내화벽돌까지의 높이를 측정한 후 이 값에 의해, 전기로 하부 구 반경(529cm)을 보정하고, 수학식 식 4의 반지름(R)값을 변경하여 기준면 H를 구하도록 한 후 스크랩을 투입하여 누적형상에 따라 용해초기의 임의 높이(Hs)를 구한다.

그리고 용해전력이 투입되면 도 4의 용해량에 따라 실제 측정값인 용해물의 높이(Ha)가 Hs부터 점점 낮아지는 값으로 나타나며, 이렇게 측정된 기준면의 높이 H와 비교하여 Ha가 H보다 같거나 작아지면 용해가 완료된 것으로 판단한다.

이어서, 2차 장입 30Ton를 투입하면 레벨은 다시 누적형상에 따라 상승하게 된다. 스크랩의 총 중량이 90 Ton이 되므로 수학식 1에 의해 V = 90,000,000/7.93 = 11,349,306 ㎤ 이 된다. 따라서 2차 용해완료 기준면 [H]는 수학식 4에 의해 H = 84.943㎝로 산출된다. 상기, 1차 용해시와 같이 산출된 기준높이와 측정높이를 비교하여, 용해 완료시점을 판단할 수 있다.

도 6에 나타낸 전기로 내부의 용해단계와 같이, 용해 초기에는 고체상태인 스크랩 누적 형상에 따라 전기로 내부의 레벨이 높게 측정되며, 전력 투입량에 따라 원료가 용해되어 측정되는 전기로 내부 레벨이 점차 기준면으로 접근하는 것을 나타낸다. 따라서 우리는 주기적으로 측정되는 스크랩의 높이로 스크랩의 누적형상을 알 수 있으므로 각 단계별 진행상황을 구할 수 있다.

이에, 상기와 같이 예측된 용해단계로부터 아크점화기부터 천공기, 용탕 형성기, 주용해기, 용락기, 승열기에 따른 변압기의 탭 전환시점을 알아낼 수 있게 도니다.

도 7은 이상 설명한 전기로 용해량 측정장치의 동작을 처리수순에 따라 나타낸 플로우챠트이다.

본 발명은 용해완료시의 용탕의 높이를 기준으로, 레벨센서를 이용하여 측정된 높이를 상기 기준높이와 비교하여 용해완료시점을 판단할 수 있고, 상기 레벨센서에서 측정된 높이의 변화추이로부터 로 내부의 용해진행 단계를 알 수 있으므로서, 이를 통해 전기로의 제어시점을 정확히 판단하여, 변압기 탭변환시점을 가이드 할 수 있는 우수한 효과가 있다. 그리고, 그 결과, 전기로에서의 효율을 높힐 수 있는 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. 전기로 상부에 대칭되는 세 지점에 설치되어 전기로 내부에 투입된 용해물의 높이를 측정하는 레벨 측정부;

   상기 레벨측정부의 측정값 및 전기로설비의 공정데이타와 전기로에 투입된 투입전력, 통전시간 등의 데이타가 입력되는 데이타입력부;

   상기 데이타입력부로부터 인가된 데이타에 근거한 비중 및 용해물의 부피기준테이블과 실시간 측정데이타가 저장되는 저장부;

   상기 저장부에 저장된 데이타를 읽어들여 투입된 원료의 용해완료시의 체적을 구하고, 이를 전기로의 내부제원에 근거하여 용해완료시의 높이로 연산하고, 상기 레벨측정부로부터 측정된 스크랩의 현재높이를 상기 산출된 용해완료시 높이와 비교하여 용해완료시점을 판단하는 연산부; 및

   상기 연산부의 판단에 따라 용해완료시 이에 따른 제어출력신호를 출력하는 출력부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기로 용해량 측정장치.
2. 제 2 항에 있어서, 상기 연산부는

   부피[V] = 용해물의 질량 / 용해물의 비중

   에 의하여, 전기로에 투입된 원료량과 투입된 원료의 비중을 통해 용해완료시 용탕의 부피(V)를 구하고, 상기 산출된 용해완료시의 부피(V)를

   

   에 의해 용해완료시의 높이로 산출하고,

   이렇게 산출된 용해완료시의 높이를 상기 레벨센서로 측정된 현재 스크랩의 높이와 비교하여 상기 산출된 용해완료시의 높이와 동일해질때 용해완료된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전기로 용해량 측정 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   전기로 작업전 내화물의 두께를 측정하고 이로부터 전기로내의 반경을 산출하여, 상기 용해완료시 높이산출식

   

   의 R값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 전기로 용해량 측정 장치.

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