KR100815738B1 - 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법 - Google Patents

스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스트립 캐스팅(strip casting) 공정에서 주조롤의 롤갭을 조정함으로써 스트립의 두께를 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 스트립의 목표두께 및 주조롤 목표하중을 이용하여 주조롤갭을 설정하는 단계, 주조롤갭 실측치 및 주조롤 하중실측치, 주조시간 및 주조롤 밀상수를 이용하여 스트립 예측두께를 계산하는 단계, 상기 스트립 예측두께를 이용하여 롤편심에 의한 두께변동량 및 롤닢으로 응고되어 들어오는 소재의 특성에 따른 두께변동을 구하는 단계, 상기 두께변동량, 두께변동 및 주조시간을 이용하여 스트립 두께제어를 위한 주조롤갭 기준치를 계산하는 단계 및 주조롤갭이 상기 주조롤갭 기준치를 추종하도록 제어하는 단계를 포함한다.
Figure R1020060086425
스트립 캐스팅, 쌍롤형 박판주조기, 주조, 롤갭, 두께, 하중

Description

스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING A STRIP THICKNESS IN STRIP CASTING PROCESS}
도 1은 스트립 캐스팅 공정에 적용되는 쌍롤형 박판주조기의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법을 보이는 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1A,1B :주조롤 2 : 노즐
3w,3d : 에지댐 4 : 용강풀
5 : 스트립 6w,6d : 롤갭 검출기
7w,7d : 롤갭 조정 실린더 8w,8d : 하중 검출기
9w,9d : 서보밸브 10 : 주조롤갭 설정부
11 : 스트립 두께 예측부 12 : 두께변동 연산부
13 : 스트립 두께 제어부 14 : 주조롤갭 제어부
본 발명은 스트립 캐스팅(strip casting) 공정에서 스트립 두께 제어방법에 관한 것으로서, 특히 스트립 캐스팅 공정에서 두께정도가 높은 스트립을 안정적으로 얻기 위해 주조롤갭, 하중 및 주조시간을 이용하여 스트립 두께를 예측함으로써 주조롤갭을 제어하여 스트립의 두께를 제어하도록 하는 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법에 관한 것이다.
스트립 캐스팅 공정은 용강으로부터 직접 2~6mm 두께의 열연 스트립을 생산하는 공정으로서, 열간 압연공정을 생략하여 제조원가, 설비투자비용, 에너지 사용량, 공해가스 배출량 등을 획기적으로 저감할 수 있는 새로운 철강 공정 프로세스이다.
일반적인 스트립 캐스팅 공정에 사용되는 쌍롤형 박판주조기는 도 1에 도시한 바와 같이 턴디쉬(미도시)로부터 용강이 노즐(2)을 통해 두 개의 주조롤(1A,1B)과 양측면에 부착된 에지댐(3)으로 형성되는 공간에 공급되고 서로 반대 방향으로 두 주조롤(1A,1B)을 회전시키면서 상기 주조롤(1A,1B)과 용강의 접촉을 통해 주조롤 내부로의 열유출에 의해 용강을 급속도로 응고시켜 스트립(5)을 제조하는 장치이다.
쌍롤형 박판주조기에서의 스트립 두께 정밀도는 주편 중심부의 응고쉘의 생성 상태에 의해 변동하고, 용탕레벨, 용탕온도, 주조속도, 주조롤갭, 주조롤 하중 등의 다양한 조업조건에 의하여 복잡하게 변화한다. 스트립 두께 정밀도가 높은 얇은 스트립을 안정하게 얻기 위해서는 이러한 조업조건을 적정하게 제어하는 것이 필요하다.
종래에 사용되고 있는 주조롤갭 제어방법에서는, 롤닢부분에서 용강이 완전응고가 이루어지는 시간을 고려하여 주조롤 속도를 설정하고, 주조실험을 통해 획득된 데이터를 근거로 초기 주조롤갭을 설정하여 지속적으로 유지시키거나 목표 주조롤 하중을 유지하도록 롤갭을 제어하는 방식을 사용하고 있다. 이 방식은 설정된 주조롤 속도, 주조롤갭, 목표 주조롤 하중이 정확하지 않으면 정확한 두께를 얻기가 곤란한 문제점을 갖고 있다.
일본특허공개공보 평4-167950호에는 롤하중을 검출하고, 롤하중 검출치와 목표치가 일치하도록 롤갭을 변경하고, 스트립 두께 및 용탕레벨을 검출하여 스트립 두께 편차와 용탕레벨의 편차를 이용하여 롤속도를 증감하는 것에 의해 스트립 두께를 제어하는 방법을 제시하였는데, 스트립 두께 검출기는 브레이크 아웃 등의 조업 중 트러블에 의하여 용탕을 덮어 쓸 우려가 있어 쌍롤 하류측에 가능한 한 떨어진 장소에 설치된다. 쌍롤로부터 설치거리에 따라 제어에 생기는 시간지연 때문에 스트립 두께 제어성을 향상하는 것은 어렵다는 결점이 있다.
또한, 일본특허공개공보 평7-51256호에는 스트립 두께를 실측하지 않고, 롤갭, 롤하중, 롤냉각수 온도, 쌍롤을 지지하는 프레임 냉각수 온도 등으로부터 프레임의 휨량, 프레임 및 롤 열변형량을 예측하여 스트립 두께를 추정 및 이용하는 두께 제어방법이 개시되어 있다. 다양한 조업조건에 맞는 프레임 휨량 및 열변형량을 예측하는 모델을 개발하는 것이 결코 쉽지 않기 때문에, 이 방법을 이용하여 목표 스트립 두께를 얻는 것은 용이하지 않다.
나아가, 일본특허공개공보 평11-90587호는 롤갭을 일정하게 유지시키고 검출된 롤하중이 설정하중 보다 크면 롤속도를 빠르게 하고 설정하중 보다 작으면 롤속도를 느리게 하여 스트립의 두께를 제어하는 방법에 관한 것으로, 롤에 과대한 하중이 걸리는 것을 방지할 수는 있지만 목표두께를 정확하게 얻기가 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 스트립 캐스팅 공정에서, 예측된 스트립 두께를 롤닢으로 응고되어 들어오는 소재의 특성에 따른 두께변동과 주조롤 편심에 따른 두께변동으로 분리하여 두께제어를 위해 이용하고 주조시간에 따른 주조롤 열팽창에 따른 두께변화를 보상하여 두께정도를 높일 수 있는 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 서보밸브와 주조롤갭 조정실린더의 조정을 통해 주조롤갭을 제어하는 쌍롤형 박판주조 설비를 이용한 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법에 있어서,
스트립의 목표두께(ht) 및 상기 목표두께에 따른 주조롤 목표하중(Ft)을 이용하여 하기 수식1에 의해 주조롤갭(RGt)을 설정하는 제1단계; 주조롤갭 검출기와 하중 검출기로부터 검출된 주조롤갭 실측치(RGM)와 주조롤 하중 실측치(FM), 주조시간(t) 및 주조롤 밀상수(M)를 이용하여 하기 수식2에 의해 스트립 예측두께(hE)를 계산하는 제2단계; 상기 스트립 예측두께(hE)를 이용하여 하기 수식3에 의해 롤편심에 의한 두께변동량(dhr) 및 롤닢으로 응고되어 들어오는 소재의 특성에 따른 두께변동(hm)을 구하는 제3단계; 상기 구해진 두께변동량(dhr), 두께변동(hm), 스트립 목표두께(ht) 및 주조시간(t)을 이용하여 하기 수식4에 의해 스트립 두께제어를 위한 주조롤갭 기준치(RGr)를 계산하는 제4단계; 및 주조롤갭이 상기 계산된 주조롤갭 기준치(RGr)를 추종하도록 서보밸브와 주조롤갭 조정실린더를 제어하는 제5단계를 포함한다.
이때, 상기 주조롤 밀상수(M)는 하기 수식5에 의해 계산된다.
[수식1]
Figure 112006064823924-pat00001
(a0:주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터, M:주조롤 밀상수)
[수식2]
Figure 112006064823924-pat00002
(a1:주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터)
[수식3]
Figure 112006064823924-pat00003
Figure 112006064823924-pat00004
Figure 112006064823924-pat00005
(c0,c1,c2,c3:주조롤 편심주파수에 따라 미리 설정된 파라메터)
[수식4]
Figure 112006064823924-pat00006
Figure 112006064823924-pat00007
Figure 112006064823924-pat00008
Figure 112006064823924-pat00009
(RG1,RG2,RG3:주조롤갭 조정량, Kg1,Kg2:게인)
[수식5]
M = b0+ b1 x Ft
(b0, b1 : 주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터)
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 구현될 수 있다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전반에 걸쳐 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면부호가 기재된다.
도 2는 본 발명이 적용되는 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어장치의 구성 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 스트립 캐스팅 공정에 적용되는 쌍롤형 박판주조설비에서는 두 개의 주조롤(1A,1B)과 양측면에 부착된 에지댐(3w,3d)으로 형성된 공간에 노즐(2)을 통해 용강이 공급되고 서로 반대 방향으로 두 주조롤(1A,1B)을 회전시키면서 상기 주조롤(1A,1B)과 용강의 접촉을 통해 주조롤 내부로의 열유출에 의해 용강을 급속도로 응고시켜 스트립(5)을 제조한다.
주조롤갭 검출기(6w,6d)는 두 개의 주조롤 사이의 갭(RG)을 검출한다. 주조 롤갭 조정실린더(7w,7d)는 한쪽 주조롤(1B)에 축에 부착된 초크(15w,15d)에 하중을 인가하여 주조롤갭을 조정하도록 한다. 이때, 상기 주조롤에 인가된 하중은 주조롤 하중검출기(8w,8d)에서 검출한다. 상기 주조롤 조정실린더(7w,7d)는 서보밸브(9w,9d)에 의해 제어된다. 즉, 주조롤갭을 조정하기 위해서는 서보밸브(9w,9d)로 롤갭조정신호를 출력하고, 서보밸브(9w,9d)에서 상기 롤갭조정신호에 따라서 주조롤 조정실린더(7w,7d)의 동작을 제어하고, 상기 주조롤 조정실린더(7w,7d)가 초크(15w,15d)에 하중을 인가함으로써 두 개의 주조롤(1A,1B) 사이의 롤갭이 조정되는 것이다.
주조롤갭 설정부(10)는 상위 컴퓨터(미도시) 등에서 미리 설정된 주조조건에 따른 스트립의 목표두께(ht) 및 상기 목표두께에 따른 주조롤 목표하중(Ft)을 이용하여 목표 주조롤갭(RGt)을 계산하여 설정한다. 상기 스트립의 목표두께(ht) 상기 주조롤 목표하중(Ft)은 스트립 캐스팅에서의 주조조건에 따라서 설정될 수 있다. 예컨대, 스트립의 종류, 중량, 길이 등의 정보 또는 쌍롤형 박판주조설비의 조건에 따라 설정될 수 있다. 이때, 미리 설정된 주조조건에 따른 스트립의 목표두께(ht) 및 상기 목표두께에 따른 주조롤 목표하중(Ft)와 목표 주조롤갭(RGt)간의 관계를 회귀분석을 통해 분석하여 소정의 관계식을 도출하고, 이에 따라 필요한 파라메터들을 도출한다. 이들 파라메터들은 하기에서 보다 구체적으로 설명한다.
스트립 두께 예측부(11)는 주조롤갭 검출기(6w,6d)에서 검출된 주조롤갭 실 측치(RGM) 및 주조롤 하중검출기(8w,8d)에서 검출된 주조롤 하중 실측치(FM)를 입력 받아 상기 도출된 파라메터들을 이용하여 스트립의 예측두께(hE)를 계산한다.
두께변동 연산부(12)는 상기 스트립 두께 예측부(11)에서 계산된 스트립 예측두께(hE)를 이용하여 주조롤의 편심에 의한 두께변동량(dhr) 및 롤닢으로 응고되어 들어오는 소재의 특성에 따른 두께변동(hm)을 연산한다.
스트립 두께 제어부(13)는 상기 두께변동 연산부(12)에서 연산된 주조롤 편심에 의한 두께변동량(dhr), 소재의 특성에 따른 두께변동(hm) 및 주조시간(t)을 이용하여 스트립 두께 제어를 위한 주조롤의 기준롤갭(RGr)을 계산한다.
주조롤갭 제어부(14)는 상기 주조롤갭 검출기(6w,6d)에서 검출된 주조롤갭 실측치(RGM)를 실시간으로 입력 받고, 상기 실시간으로 입력되는 주조롤갭 실측치(RGM)가 상기 스트립 두께 제어부(13)에서 계산된 주조롤의 기준롤갭(RGr)을 추종하도록 하기 위하여 상기 서보밸브(9w,9d)를 제어한다. 상기 서보밸브(9w,9d)는 상기 주조롤갭 조정실린더(7w,7d)를 조정하여 주조롤(1B)에 축상에 구비된 초크(15w,15d)에 압하력을 인가함으로써 주조롤갭(RG)을 제어하도록 한다. 이로써, 상기 주조롤갭(RG)이 상기 주조롤의 기준롤갭(RGr)을 추종하게 되어 스트립의 두께가 제어된다.
본 발명에 따른 상기의 주조롤갭 설정부(10), 스트립 두께 예측부(11), 두께변동 연산부(12), 스트립 두께 제어부(13) 및 주조롤갭 제어부(14)는 통상적으로 마이크로프로세서(microprocessor), 소프트웨어(software) 또는 프로그램(program) 등으로 구현될 수 있으며, 나아가 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 소정의 하드웨어 등으로도 구현할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법을 보이는 흐름도이다.
우선, 도 2에서 스트립 캐스팅 공정에서 박판(스트립) 제조가 시작되면 상부의 턴디쉬(미도시)에서 노즐(2)을 통해 두 주조롤(1A,1B)과 에지댐(3w,3d)에 의해 형성된 용강풀(4)에 용강이 주입되고, 상기 두 주조롤(1A,1B)의 회전에 의해 용강이 하부로 빠져나오면서 응고되어 스트립(5)이 제조된다. 이때, 주조롤갭 검출기(6w,6d) 및 주조롤 하중 검출기(8w,8d)에서 주조롤갭 실측치(RGM) 및 주조롤 실측하중(FM)을 각각 검출한다. 상기 주조롤갭은 서보밸브(9w,9d) 및 주조롤갭 조정실린더(7w,7d)의 동작에 의해 제어된다.
이러한 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법을 도 3을 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 우선 상위컴퓨터(미도시)에 의해 미리 설정된 스트립의 목표두께(ht) 및 상기 목표두께에 따른 주조롤 목표하중(Ft)을 이용하여 하기 수식1에 의해 목표 주조롤갭(RGt)을 설정한다(S301).
[수식1]
Figure 112006064823924-pat00010
(여기서, a0:주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터, M:주조롤 밀상수)
이때, 상기 주조롤의 밀상수(M)는 M = b0+ b1 x Ft 의 식에 의해 구해진다.
(여기서, b0, b1 : 주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터)
이어, 상기 주조롤갭 검출기(6w,6d) 및 주조롤 하중검출기(8w,8d)로부터 측정된 주조롤갭 실측치(RGM)와 주조롤 하중 실측치(FM), 주조시간(t) 및 주조롤 밀상수(M)를 이용하여 하기 수식2에 의해 스트립 예측두께(hE)를 계산한다(S303).
[수식2]
Figure 112006064823924-pat00011
(여기서, a1:주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터)
이어, 상기와 같이 계산된 스트립 예측두께(hE)를 이용하여 하기 수식3에 의해 주조롤의 편심에 의한 두께변동량(dhr) 및 롤닢으로 응고되어 들어오는 소재의 특성에 따른 두께변동(hm)을 구한다(S305). 이때, 스트립 예측두께(hE)와 소정의 밴드패스필터(band pass filter)(Gbpf)를 이용하여 주조롤의 편심에 의한 두께변동량(dhr)을 구하고, 상기 스트립 예측두께(hE)와 상기 두께변동량(dhr)의 차이로부터 두께변동(hm)을 계산한다.
[수식3]
Figure 112006064823924-pat00012
Figure 112006064823924-pat00013
Figure 112006064823924-pat00014
(여기서, c0,c1,c2,c3:주조롤 편심주파수에 따라 미리 설정된 파라메터)
이어, 상기와 같이 구해진 두께변동량(dhr), 두께변동(hm), 스트립 목표두께(ht) 및 주조시간(t)을 이용하여 하기 수식4에 의해 스트립 두께제어를 위한 주조롤갭 기준치(RGr)를 계산한다(S307).
[수식4]
Figure 112006064823924-pat00015
Figure 112006064823924-pat00016
Figure 112006064823924-pat00017
Figure 112006064823924-pat00018
(여기서, RG1,RG2,RG3:주조롤갭 조정량, Kg1,Kg2:게인)
계속하여, 상기 쌍롤형 박판주조 설비에서 두 주조롤의 롤갭이 상기에서 계산된 주조롤갭 기준치(RGr)를 추종하도록 서보밸브(9w,9d) 및 롤갭조정 실린더(7w,7d)를 제어한다(S309).
여기서, 상기한 파라메터들, 즉 a0,a1,b0 및 b1은 본 발명자들이 미리 설정된 주조조건에서 주조실험을 반복하여 도출한 파라메터들로서, 반복된 주조실험에서 얻어진 각종 데이터들을 수집하여 초기 목표 주조롤갭(RGt), 목표로 하는 스트립 두께(ht), 상기 목표로 하는 스트립 두께(ht)에 대응하기 위한 주조롤 하중(Ft) 및 상기 주조롤의 밀상수(M)와의 관계를 회귀분석을 통해 분석한 결과로부터 얻어진 상수들이다. 이러한 파라메터들은 주조조건에 따라 달라질 수 있으며 주조시 얻어지는 각종 데이터들을 이용하여 회귀분석을 통해 얻어질 수 있다. 또한, 다른 파라메터, 즉 c0,c1,c2,c3는 적용된 주조롤의 편심주파수에 따라 결정되는 파라메터들로서, 스트립 예측두께(hE)와 소정의 밴드패스필터(band pass filter)(Gbpf)를 이용하여 주조롤의 편심에 의한 두께변동량(dhr)을 구할 때, 적용되는 상수를 나타낸다. 즉, 스트립 예측두께(hE)와 주조롤 편심에 의한 두께변동량(dhr)의 관계로부터 얻어지는 파라메터들이다. 이러한 파라메터들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 반복되는 주소실험 데이터를 이용하여 용이하게 도출할 수 있을 것이다.
삭제
상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 롤닢으로 응고되어 들어오는 소재의 특성에 따른 두께변 동과 주조롤 편심에 따른 두께변동을 제어할 수 있고 주조롤 열팽창에 따른 두께변화를 보상하여 스트립 두께 정도가 높은 스트립을 생산할 수 있다.

Claims (2)

  1. 서보밸브와 주조롤갭 조정실린더의 조정을 통해 주조롤갭을 제어하는 쌍롤형 박판주조 설비를 이용한 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법에 있어서,
    스트립의 목표두께(ht) 및 상기 목표두께에 따른 주조롤 목표하중(Ft)을 이용하여 하기 수식1에 의해 목표 주조롤갭(RGt)을 설정하는 제1단계;
    [수식1]
    Figure 112007077025383-pat00019
    (a0:주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터, M:주조롤 밀상수)
    주조롤갭 검출기와 하중 검출기에서 검출된 주조롤갭 실측치(RGM)와 주조롤 하중 실측치(FM), 주조시간(t) 및 주조롤 밀상수(M)를 이용하여 하기 수식2에 의해 스트립 예측두께(hE)를 계산하는 제2단계;
    [수식2]
    Figure 112007077025383-pat00020
    (a1:주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터)
    상기 스트립 예측두께(hE)와 밴드패스필터(Gbpf)를 이용하여 하기 수식3에 의해 롤편심에 의한 두께변동량(dhr) 및 롤닢으로 응고되어 들어오는 소재의 특성에 따른 두께변동(hm)을 구하는 제3단계;
    [수식3]
    Figure 112007077025383-pat00021
    Figure 112007077025383-pat00022
    Figure 112007077025383-pat00023
    (c0,c1,c2,c3:주조롤 편심주파수에 따라 미리 설정된 파라메터)
    상기 구해진 두께변동량(dhr), 두께변동(hm), 스트립 목표두께(ht) 및 주조시간(t)을 이용하여 하기 수식4에 의해 스트립 두께제어를 위한 주조롤갭 기준치(RGr)를 계산하는 제4단계; 및
    [수식4]
    Figure 112007077025383-pat00024
    Figure 112007077025383-pat00025
    Figure 112007077025383-pat00026
    Figure 112007077025383-pat00027
    (RG1,RG2,RG3:주조롤갭 조정량, Kg1,Kg2:게인)
    주조롤갭이 상기 계산된 주조롤갭 기준치(RGr)를 추종하도록 서보밸브와 롤갭조정실린더를 제어하는 제5단계; 를 포함하고,
    상기 주조롤 밀상수(M)는 하기 수식5에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 스트립 캐스팅 공정에서의 스트립 두께 제어방법.
    [수식5]
    M = b0+ b1 x Ft
    (b0,b1:주조조건에 따라 미리 설정된 파라메터)
  2. 삭제
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