KR100862039B1 - 연속주조공정의 주편 벌징 측정장치 및 방법 - Google Patents

연속주조공정의 주편 벌징 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

슬라브(113) 주편의 측면에 주사되는 레이저 라인 제너레이터(202)에서의 레이저 광의 각도와 이를 촬영하는 이미지 카메라(201)의 설치 각도를 다르게 설정하고, 슬라브(113) 측면의 기준 위치를 측정하며, CCD 셀(302)의 픽셀의 단위길이를 구한 후, 레이저 라인 제너레이터(202)에 의한 레이저 광을 슬라브(113)의 측면에 주사하면서 이미지 카메라(201)를 이용하여 레이저 광의 굴곡을 평면 화상 데이터로 수집하고, 상기 수집된 화상에 나타난 레이저 광의 라인의 기준점과 최대변위점 사이의 픽셀의 수를 구하여, 상기 픽셀의 수로부터 실제 진행방향의 거리(X)를 구하고, 상기 진행방향의 거리로부터 삼각함수 계산에 의하여 수학식 3에 의하여 이에 수직인 실제 벌징 거리를 산출하는 단계를 포함한다.
슬라브(113)의 벌징 정도를 비접촉식으로 온라인으로 정확히 측정할 수 있음은 물론, 이 자료를 선공정에 다시 적용하여 이후 생산되는 슬라브(113)에 대한 품질을 향상시켜 후공정에 투입함으로써, 후공정에서 생산되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 획기적인 발명이다.
슬라브, 엔코더, 제너레이터, 절단기(T.C.M), 레이저 거리계, 카메라, 라인제너레이터, 연산제어 처리부, 연산기, 벌징, 풋롤, 연주기

Description

연속주조공정의 주편 벌징 측정장치 및 방법 {Apparatus and Method for Measuring the Slab Burging in the field of Continuous Mold Process}
도 1은 일반적인 연속주조 공정의 개략도,
도 2는 일반적인 슬라브 측면 보정 과정의 설명도,
도 3은 상기 도 2의 A-A 단면에서 본 벌징 형상의 예시도,
도 4는 본 발명의 시스템 배치 및 구성도,
도 5는 본 발명의 센서 측정 원리의 설명도,
도 6은 본 발명에 의하여 영상으로 취득된 벌징 정도의 예시도,
도 7은 본 발명에 의한 영상에서 벌징 유무의 비교도,
도 8은 이미지 카메라와 레이저 라인제너레이터와의 관계 설명도,
도 9는 이미지 카메라의 기준거리 설명도,
도 10은 그래프와 기하학을 이용한 계산의 예시도,
도 11은 본 발명의 실행시의 순서도이다.
◆ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ◆
101: 래들(Laddle)
102: 용강
103: 롱 노즐(Long Nozzle)
104: 턴디쉬(Tundish)
105: 턴디쉬내 용강
106: 침지 노즐
107: 주형(Mould)
108: 풋롤(Put Roll)
109: 주형내 용강
110: 냉각 롤
111: 연주기 설비내부
112: 절단기(T.C.M; Torch Cutter Machine)
113: 슬라브
114: 쿨링 챔버(Colling Chamber)
201: 이미지 카메라(Image Camera)
202: 레이저 라인 제너레이터(Laser Line Generator)
203: 레이저 거리계(Laser DistanceMeter)
300: 레이저 라인 제너레이터 피사체와의 각도
301: 슬라브 포면 위치
302: CCD 셀(Cell)
400: 벌징 영상 및 연산제어 처리부
본 발명은 연속주조공정의 벌징 측정기 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 용강(102)이 연속하여 주편으로 인발되는 과정에서 그 주편이 정확한 사각형의 틀을 유지하도록 하기 위하여 슬라브(113)의 거리에 따른 레이저 라인 제너레이터(202)의 라인 형상을 이미지 카메라(201)로 취득하여 해당 슬라브(113)의 측면에 벌징이 발생했는지, 그리고 발생하였다면 얼마만큼 발생되었는지를 정밀측정 하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 연속주조 공정의 개략도이다.
통상적으로 사용되는 연속주조공정은 도 1에 도시된 바와 같이 래들(101) 내의 용강(102)이 롱 노즐(103)을 통해 턴디쉬(104) 내부로 주입되고, 턴디쉬 내의 용강(105)은 침지 노즐(106)을 통해 주형(107)에 주입되어 일정한 크기의 제품인 슬라브(113)를 생산하게 된다.
주형 내 용강(109) 위에는 파우더(Powder)를 투입하여 주형(107)과 용강(109)이 융착되지 못하도록 윤활작용을 하며, 주형(107)의 양 옆으로는 풋롤(108)이 구비되어 있어, 초기에 슬라브(113)의 옆면 평탄도를 유지할 수 있도록 하며, 슬라브(113)는 연주기 설비 내부(111)에 있는 다수의 냉각 롤(110)에 의해 슬라브(113) 온도가 낮아지게 되고 일정한 길이로 절단기(T.C.M; 112) 설비에 의해 절단되어 후공정으로 이송된다.
도 2에서 보는 바와 같이 슬라브(113)가 연주기 내부의 냉각 롤(110)에 의해 냉각되는 과정에서 슬라브(113)의 상단부(a - a'), 중심부(b - b') 및 하단부(c - c') 간의 냉각속도 차이 등에 의해서 두께 측에서 볼 때 빨리 냉각되면서 하중을 받지 않는 상단부(a - a')는 초기에 설정한 슬라브(113) 넓이를 유지하지만, 중심부(b - b')의 경우는 냉각속도가 느리면서 하중을 비교적 적게 받으므로 오히려 초기에 설정한 슬라브의 넓이보다 조금 작아지며, 하단부(c - c')의 경우에는 냉각속도는 빠르지만 하중을 모두 받으므로 슬라브(113)의 넓이가 초기보다 오히려 커지는 현상이 발생하게 된다.
이것은 슬라브(113)가 생산되기 전인 연주기 설비 내부(111)에서 생성되는 현상이기 때문에 사전에 확인을 할 수 없을 뿐 아니라, 절단기(T.C.M; 112)로 슬라브(113)을 절단한 뒤에도 고열로 인해 슬라브(113)에 근접하여 육안으로 미세한 벌징에 대한 확인을 할 수 없게 되며, 이의 확인은 슬라브(113)가 완전히 냉각된 뒤 직접 확인이 가능하지만, 이 또한 정확성이 결여된다.
이때는 모든 슬라브(113)의 생산이 완료된 상태이기 때문에 적절한 조치를 취하여 벌징을 사전에 예방할 수 없는 취약점을 가질 수 밖에 없다.
본 발명은 상기의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 액체의 용강을 주형에서 일정한 크기의 고체상태 제품인 슬라브를 생산할 때 발생되는 두께측의 벌징을 측정하여 벌징의 정도를 관리하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명의 목적은 슬라브(113)가 생산됨과 동시에 벌징상태를 비접촉식으로 자동 검출하여 즉시 선공정에서 풋롤(108) 수정에 반영이 될 수 있도록 할 수 있는 연속주조공정의 주편 벌징 측정장치 및 방법을 제공하고자 한다.
삭제
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 주편 벌징의 측정장치와 방법으로 각각 구성된다.
즉, 연속주조공정에서 주조되는 슬라브(113) 주편의 벌징을 측정하는 장치에 있어서, 주편의 측면부의 기준위치와 이미지 카메라(201) 사이의 거리를 측정하는 레이저 거리계(203)와, 상기 측면부의 화상을 취득하는 이미지 카메라(201)와, 상기 이미지 카메라(201)의 화상취득 대상지역에 레이저 라인을 생성하여 벌징 굴곡의 이미지를 취득할 수 있도록 이미지 카메라(201)의 설치 각도와 다른 각도로 설치되는 레이저 라인 제너레이터(202), 및 상기 이미지의 연산에 의하여 수학식 3을 이용하여 벌징 정도를 산출하는 제어처리부(400)를 포함한다.
한편, 본 발명의 방법은 슬라브(113) 주편의 측면에 주사되는 레이저 라인 제너레이터(202)에서의 레이저 광의 각도와 이를 촬영하는 이미지 카메라(201)의 설치 각도를 다르게 설정하는 단계와, 레이저 거리계(203)를 이용하여 슬라브(113) 측면의 기준 위치를 측정하는 단계와, 기준물체의 길이를 상기 이미지 카메라(201)로 촬영하여 이미지 카메라(201)의 CCD 셀(302)의 픽셀의 단위길이를 구하는 단계와, 레이저 라인 제너레이터(202)에 의한 레이저 광을 슬라브(113)의 측면에 주사하면서 이미지 카메라(201)를 이용하여 레이저 광의 굴곡을 평면 화상 데이터로 수집하는 단계와, 상기 수집된 화상에 나타난 레이저 광의 라인의 기준점과 최대변위점 사이의 픽셀의 수를 구하는 단계와, 상기 픽셀의 수로부터 실제 진행방향의 거리(X)를 구하는 단계와, 상기 진행방향의 거리로부터 삼각함수 계산에 의하여 수학식 3에 의하여 이에 수직인 실제 벌징 거리를 산출하는 단계를 포함한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 2는 일반적인 슬라브 측면 보정 과정의 설명도이다.
일반적으로 몰드 내의 측면 상중하 부분에 위치한 풋롤(108)들에 의해 슬라브(113)의 측면부를 적절히 조절함으로써 슬라브(113)가 최종 생산단계에서 두께 측 평탄도를 유지하여 주도록 하고 있었으나, 여기에 대한 조치로 현재 정확히 계산된 조절법이 있는 것이 아니며, 만약에 정확히 계산이 되어 있다고 하여도 주변환경에 의해 그 계산된 조절법으로 두께측 평탄도를 완벽하게 할 수는 없는 것이다.
이렇게 하여 현재는 슬라브(113)가 생산될 때, 도 2에 나타낸 슬라브(113)의 단면(A - A')은 도 3과 같은 형태가 된다. 이것은 후공정에서 고품질의 제품을 생산하는데 문제점으로 작용할 수 있는 것이다.
따라서, 슬라브(113)가 생산되는 시점인 절단기(T.C.M; 112) 위치에서 슬라브(113)의 벌징을 확인함으로써 즉시 선공정에 해당되는 자료를 보내어 벌징을 최소화할 수 있는 장치가 필요한 것이며, 이를 위하여 본 발명이 안출된 것이다.
도 4는 본 발명의 시스템 배치 및 구성도, 도 5는 본 발명의 센서 측정 원리의 설명도, 도 8은 이미지 카메라와 레이저 라인제너레이터와의 관계 설명도이다.
도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이 쿨링 챔버(114) 후단에 레이저 거리계(203)를 양쪽으로 설치하여 이미지 카메라(201)로 찍은 화상의 점당 길이(수식 1)[mm/Pixel]를 구하도록 한다. 이는 도 10에 의하면
이를 위하여는 도 9에 도시된 바와 같이 먼저 기준물체를 놓고 레이저 거리계(203)에 의하여 그 거리(y)를 측정한다. 그리고 이미지 카메라(201)에 의하여 상기 기준물체를 촬영하여 이미지를 구한다. 그 후 상기 기준물체의 실제 폭(B)을 구한다. 그 후 상기 측정된 폭의 길이를 촬영된 이미지의 픽셀의 갯수로 나누어서 단위 픽셀당 길이를 구한다.
그 후 레이저 라인 제너레이터(202)를 슬라브(113)와 일정한 각도(300; Θ)로 이미지 카메라(201)에서 확인이 가능토록 주사를 하면, 이미지 카메라(201)에는 도 6과 같은 형상이 보이게 되며, 여기에서 이미지 카메라(201)로부터 순간 화상을 포착하여 포착된 영상을 분석하면 벌징의 정도를 확인할 수 있게 된다.
이것은 도 8에서 보는 바와 같이 특정한 물체를 일정한 각도로 레이저 빛을 비추었을 때 삼차원의 형상을 이차원 평면의 이미지 카메라(201)로 보게 되면 발생하는 거리에 따른 이미지 크기의 차이를 이용한 것으로서, 이미지 카메라(201)로부터 가까운 점, 다시 말해 벌징이 바깥으로 나온 지점(1)의 경우는 A 지점과 같이 영상이 중심점으로부터 레이저 라인 제너레이터(202) 방향(D') 쪽으로 치우쳐 나오게 되며, 슬라브(113)의 기본폭 값과 동일한 경우 B 지점과 같이 중심 기준점으로 나타나게 되며, 기본위치보다 안으로 들어간 경우는 C 지점과 같이 레이저 라인 제너레이터(202)의 반대 방향(D) 쪽[레이저 라인 제너레이터(202)의 방향에 따라 좌측이 될 수도 있고, 우측이 될 수도 있으나, 도 8에 있어서는 좌측임]으로 나타나게 되는 것이다. 이것은 이미지 카메라(201)의 이미지에 그대로 촬영되어 나오게 되어 A는 a에, B는 b에, C는 c에 각각 매칭이 된다.
여기에서 도 6과 같이 벌징이 발생한 영상이 나오면, 도 8의 CCD 셀(302)을 확대한 도면과 같이 a 지점과 b 지점 간의 점의 수(E)와 b 지점과 c 지점 간의 점의 수(F)를 직접 확인할 수 있게 되며, 여기에서 최저 위치와 최고 위치 간의 차이값(G)을 점으로 구할 수 있다. 또한 이러한 영상은 벌징 측정용 프로세서인 제어처리부(400)의 저장장치(Hard Disk)에 저장하여 추후 재분석이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 이미지 카메라(201)와 레이저 거리계(203)의 위치는 도면에는 각각 다른 위치에 설치되는 것으로 도시되어 있지만, 오히려 근접 또는 동일한 위치에 설치되도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 7에서 보는 바와 같이 영상 취득과 독립적으로 영상 취득의 전 또는 후에 레이저 거리계(203)에서의 슬라브(113)와 이미지 카메라(201)와의 거리값을 구하게 되고, 이에 의하여 CCD 셀(302)의 이미지의 점당 크기를 구할 수 있고, 여기에 대한 수식을 구하는 방식은 다음과 같다.
먼저 도 9와 같이 기준 위치(y; 물체와 이미지 카메라(201)와의 사이의 기준거리)에 일정한 크기의 기준물체(A)를 놓은 다음, 그 물체를 이미지 카메라(201)로 영상을 취득한 뒤, 화면상 점, 즉 픽셀의 수를 확인하여 구하면 되며, 그 후 픽셀의 수로 길이를 나누면 픽셀당 길이를 구할 수 있다. 그 수식은 다음과 같다.
Figure 112002022806509-pat00001
다음으로 실제 벌징의 정도를 측정하는 방법에 대하여 기술한다.
상기와 같이 CCD 셀의 픽셀의 단위길이를 안 후에는 레이저 라인 제너레이터(202)가 슬라브(113)를 일정 각도로 주사하면서 화상을 이미지 카메라(201)로 획득하는 과정이 필요하다.
도 8에서 보는 바와 같은 형태를 그대로 적용하여 보다 자세히 살펴보면, 이는 도식화하여 도 10에서 보는 바와 같이 표현할 수 있으며, 여기서 우리는 기본 사상으로 이미지 카메라(201)의 렌즈를 1:1 방식(피사체와의 거리 : 물체의 크기)으로 가정하였다.
그러면 구하고자 하는 값은 벌징의 높이(Y)가 되며, 높이(Y)는 다음의 변수들에 의해 결정된다. 수식은 레이저 라인 제너레이터(202)가 슬라브(113)를 45°로 비추고, 카메라는 슬라브(113)를 직각으로 촬영하였을 때를 기준으로 하여 구하는 것이 간이하게 된다.
y : 이미지 카메라(201)에서부터 피사체까지의 거리
X : 실제 기준점에서의 상이 맺히는 길이
x : 실제 기준점까지의 거리
x1 : X와 x의 차이(= X - x)
Θ: 레이저 라인 제너레이터(202)와 피사체와의 각도(300)
[여기서는 계산을 쉽게 하기 위해 45°를 기준으로 한다.]
Φ: 이미지 카메라(201)에서 실제 기준점과 피사체와의 각도(300)
먼저 우리는 삼각형 이론에 의해 a의 삼각형과 b의 삼각형의 높이, 즉 우리가 구하고자 하는 높이(Y)는 같다는 것을 알수 있으며, 여기에 착안하여 다음의 두 가지 수식을 만들어낼 수 있다.
Figure 112002022806509-pat00002
여기서 tanΘ의 경우, Θ가 45°이면 그 값은 1이 되므로, 이것을 적용하면,
Figure 112002022806509-pat00003
한편,
Figure 112002022806509-pat00004
이다.
그러므로 상기 두 식을 이용하여 x1의 값을 구할 수 있다.
Figure 112002022806509-pat00005
Figure 112008016278545-pat00024
Figure 112002022806509-pat00007
Figure 112002022806509-pat00008
따라서, 그 결과 수식은 다음과 같다.
Y = X-x1 = x1tanΦ
X = x1 + x1tanΦ = x1 (1+tanΦ)
Figure 112008016278545-pat00009
여기서 Φ는 다음의 수식에 의해 구할 수 있다.
Figure 112008016278545-pat00010
삭제
여기에서 보듯이 실제 레이저 라인 제너레이터(202)의 각도 및 기준 거리 및 이미지 카메라(201)의 각도 등은 본 발명에 있어서 가장 중요한 부분이라고 할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 구성과 작용을 가지는 본 발명에 의하면 슬라브(113)의 벌징 정도를 비접촉식으로 온라인으로 정확히 측정할 수 있음은 물론, 이 자료를 선공정에 다시 적용하여 이후 생산되는 슬라브(113)에 대한 품질을 향상시켜 후공정에 투입함으로써, 후공정에서 생산되는 제품의 품질을 향상시킬 수 있는 획기적인 발명이다.

Claims (2)

  1. 연속주조공정에서 주조되는 슬라브(113) 주편의 벌징을 측정하는 장치에 있어서,
    상기 슬라브(113) 주편의 측면부의 기준위치와 이미지 카메라(201) 사이의 거리를 측정하는 레이저 거리계(203)와,
    상기 측면부의 화상을 취득하는 이미지 카메라(201)와,
    상기 이미지 카메라(201)의 화상취득 대상지역에 레이저 라인을 생성하여 벌징 굴곡의 이미지를 취득할 수 있도록 상기 이미지 카메라(201)의 설치 각도와 다른 각도로 설치되는 레이저 라인 제너레이터(202)와,
    상기 이미지의 연산에 의하여 수학식
    Figure 112008016278545-pat00011
    (여기서, x1: 실제 기준점에서의 상이 맺히는 길이(X)와 실제 기준점까지의 거리(x)의 차이(=X-x), X: 실제 기준점에서의 상이 맺히는 길이, Φ: 이미지 카메라(201)에서 실제 기준점과 피사체와의 각도)을 통해 상기 x1을 구하고, 삼각함수 계산에 의하여 벌징 높이(Y(=X-x1))(여기서, Y: 벌징 높이, X: 실제 기준점에서의 상이 맺히는 길이, x1: X-x)를 산출하는 제어처리부(400)를 포함하도록 구성됨을 특징으로 하는 연속주조공정의 주편 벌징 측정장치.
  2. 연속주조공정에서 주조되는 슬라브(113) 주편의 벌징을 측정하는 방법에 있어서,
    슬라브(113) 주편의 측면에 주사되는 레이저 라인 제너레이터(202)에서의 레이저 광의 각도와 이를 촬영하는 이미지 카메라(201)의 설치 각도를 다르게 설정하는 단계와,
    레이저 거리계(203)를 이용하여 슬라브(113) 측면의 기준 위치를 측정하는 단계와,
    기준물체의 길이를 상기 이미지 카메라(201)로 촬영하여 이미지 카메라(201)의 CCD 셀(302)의 픽셀의 단위길이를 구하는 단계와,
    레이저 라인 제너레이터(202)에 의한 레이저 광을 슬라브(113)의 측면에 주사하면서 이미지 카메라(201)를 이용하여 레이저 광의 굴곡을 평면 화상 데이터로 수집하는 단계와,
    상기 수집된 화상에 나타난 레이저 광의 라인의 기준점과 최대변위점 사이의 픽셀의 수를 구하는 단계와,
    상기 픽셀의 수로부터 실제 진행방향의 거리(X)를 구하는 단계와,
    상기 진행방향의 거리로부터 삼각함수 계산에 의하여 수학식
    Figure 112008016278545-pat00025
    (여기서, x1: 실제 기준점에서의 상이 맺히는 길이(X)와 실제 기준점까지의 거리(x)의 차이(=X-x), X: 실제 기준점에서의 상이 맺히는 길이, Φ: 이미지 카메라(201)에서 실제 기준점과 피사체와의 각도)을 통해 상기 x1을 구하고, 삼각함수 계산에 의하여 이에 수직인 실제 벌징 높이(Y(=X-x1))(여기서, Y: 벌징 높이, X: 실제 기준점에서의 상이 맺히는 길이, x1: X-x)를 산출하는 단계를 포함하도록 구성됨을 특징으로 하는 연속주조공정의 주편 벌징 측정방법.
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