이후, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 주편 두께 측정장치의 설치 모습을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 A방향에서 바라본 일측면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 주편 두께 측정장치(100)는 주조방향을 따라 복수개 정렬된 세그먼트(segment; 10)를 통과하는 주편(S), 즉 고온의 열간주편의 두께(thickness; t)를 측정하는 장치로서, 세그먼트(10)에 내장된 복수의 롤러(11, 12, 13, 14)사이의 공간, 즉 주편(S)의 진행방향을 따라 수평하게 서로 인접하는 상부롤러(11, 13)사이의 이격공간과 하부롤러(12, 14)사이의 이격공간에 수직으로 설치된다. 세그먼트(10)내의 롤(11, 13)과 롤(12, 14)사이의 이격공간은 협소하기 때문에 본 실시예에 따른 열간주편 두께 측정장치(100)는 롤의 이격공간의 폭(w2)보다 작은 크기의 폭(w1)을 갖도록 설계된다. 물론, 롤과 롤 사이의 피치, 즉 이격공간의 폭(w2)이 커짐에 따라서 주편 두께 측정장치(100)의 폭(w1)도 커질 수 있다.
한편, 세그먼트(10)내에 주편 두께 측정장치(100)를 설치하기 위해서 용접 방식, 볼트 체결방식 등 다양한 방식을 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 주편 두께 측정장치의 내부 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 센서부의 내부 구성도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 주편 두께 측정장치(100)는 수직방향(y방향)으로 연장되는 지지몸체부(110)와, 지지몸체부(110)의 일측에서 수평방향(x방향)으로 구동하는 마스터게이지부(120)와, 지지몸체부의 양단에 수평하게 결합되는 센서지지부(130) 및 센서지지부(130)의 일단에 교차하는 방향으로 결합되고 한 쌍의 탐촉자(146)를 수직방향(y방향)으로 구동시켜 주편(S)과 접촉에 의해 주편의 두께(t)를 산출하기 위한 변위값을 측정하는 센서부(140)를 포함한다.
본 실시예에서는 지지몸체부(110)가 세그먼트(10;도2참조) 내에 구비되는 복수의 롤러(11, 12, 13, 14;도2참조)에 수직으로 설치된다. 이에 따라, 주편 두께 측정장치(100)는 수증기와 분진이 발생되고 고온 상태로 유지되는 열악한 설치 환 경에서 장시간 노출되기 때문에 변형될 가능성이 높다. 이를 방지하기 위해서 본 발명에 따른 주편 두께 측정장치(100)를 구성하는 지지몸체부(110), 마스터게이지부(120), 센서지지부(130) 및 센서부(140)의 내부에는 냉각수가 순환되는 냉각수회로(111, 121, 131, 141)가 각각 구비된다.
또한, 주편 두께 측정장치(100)는 1000℃ 이상의 고온에도 잘 견딜 수 있도록 내열성이 우수한 내열합금을 재질로 하여 제작된다. 본 실시예에서 사용되는 내열합금으로는 인코넬(Inconel)계 또는 스테인레스(Stainless)계의 내열합금이 사용되며, 인코넬계 내열합금보다 내열성이 약한 스테인레스계 내열합금을 주편 두께 측정장치(100)에 적용하는 경우에는 보다 강력한 냉각수단이 요구되어 냉각수회로(111, 121, 131, 141)의 구성, 냉각수의 온도 및 냉각수의 종류가 달라진다.
마스터게이지부(120)는 센서부(140)에서 측정된 변위값을 주편의 두께(t)로 산출하기 위한 기준이 되는 초기 위치값을 측정하는데, 이를 위해 지지몸체부(110)의 중앙부에 결합되는 마스터게이지 실린더(125)와, 마스터게이지 실린더(125)의 피스톤(126)에 연결되어 지지몸체부(110)의 일측 수평방향(x방향)으로 전진 또는 후진되는 냉각챔버(127) 및 냉각챔버(127)의 내측에 위치 고정되어 초기 위치값의 기준이 되는 마스터게이지(master gage; 128)를 포함한다.
마스터게이지(128)은 고온에 노출되어도 열적 변형이 일어나지 않고 항상 일정한 길이를 유지하며 내열성이 우수한 인코넬 재질로 이루어진다. 또한, 초기 위치값 측정시 한 쌍의 탐촉자(146)가 직접 접촉하는 마스터게이지(128)의 상부면과 하부면은 편평하게 제작된다. 이러한 마스터게이지(128)를 측면에서 감싸 위치 고 정시키는 냉각챔버(127)는 내부에 냉각수가 순환되는 냉각수회로(121)가 구비되고, 마스터게이지 실린더(125)의 일측으로 냉각수가 주입되고 배출되는 주입관(122)과 배출관(123)이 구비된다. 그리고, 주입관(122)과 배출관(123)과 인접하여 마스터게이지 실린더(125)를 구동시키기 위해 동력원으로서의 압축공기(compressed air)가 주입되는 압축공기 공급관(124)이 구비된다. 냉각챔버(127)의 상하 양단은 개방되어 있어서 마스터게이지(128)가 냉각챔버(127)의 내측에서 지지되면 냉각챔버(127)의 개방된 상하 양단면으로 마스터게이지(128)의 편평한 상부면과 하부면이 노출된다.
위와 같이 구성된 마스터게이지부(120)에서 마스터게이지(128)는 주편의 두께(t) 측정 개시 전에는 마스터게이지 실린더(125)와 근접한 위치에서 정지하고 있다가, 주편의 두께(t) 측정이 개시되면 수평방향(x방향)으로 밀려 상부센서(140a)와 하부센서(140b)사이로 이동하고, 마스터게이지(128)의 상부면과 하부면으로 직접 접촉하는 한 쌍의 탐촉자(146)에 의해 초기 위치값이 측정된다. 초기 위치값의 측정이 완료되면 마스터게이지(128)는 측정 개시전의 위치로 복귀한다. 단, 마스터게이지부(120)의 구동 전, 즉 초기 위치값이 측정되기 전에 열적 변형을 일으키지 않는 마스터게이지(128)의 수직길이는 작업자에 의해 인식된다.
센서지지부(130)는 센서부(140)가 주편(S)의 상측 및 하측에 위치하도록 지지몸체부(110)의 양단에 수평하게 결합된다.
센서지지부(130)는 지지몸체부(110)의 상단에 결합되는 상부센서지지부(130a)와, 지지몸체부(110)의 하단에 결합되는 하부센서지지부(130b)로 구분되 며, 그 내부에는 냉각수가 순환되는 냉각수회로(131)가 각각 형성된다. 상부센서지지부(130a)와 하부센서지지부(130b)의 일측으로는 냉각수를 냉각수회로(131)에 공급 및 배출시키기 위한 주입관(132)과 배출관(133)이 돌출 형성된다.
상부센서지지부(130a)와 하부센서지지부(130b)의 차이점으로는 상부센서지지부(130a)의 내측에는 상부센서지지부(130a)의 일단에 교차하는 방향으로 결합되는 상부센서(140a)를 회전시킬 수 있는 회전실린더(135)가 구비된다. 본 실시예에서는 상부센서(140a)를 회전시킬 수 있도록 함으로써 주조 완료시 주편(S)의 꼬리부분이 비정상적으로 구부러져 주편 두께 측정장치(100)를 통과할 때 꼬리부분이 상부센서(140a)를 타격하여 손상 또는 파손되는 위험을 방지한다. 회전실린더(135)는 상부센서지지부(130a)의 일측에 구비된 압축공기 공급관(134)을 통해 제공된 압축공기에 의해서 구동한다.
본 실시예에서는 일자형의 지지몸체부(110)의 양단에 상부센서지지부(130a)와 하부센서지지부(130b)를 수평하게 결합하였으나, 변형예로서 지지몸체부(110)를 "ㄴ"자 형상이나 또는 "ㄷ"자 형상으로 변형시켜 센서지지부(130)의 일부 또는 전부를 지지몸체부(110)와 일체화시킬 수 있다.
센서부(140)는 상부센서지지부(130a)의 일단에 교차하는 방향으로 결합되어 탐촉자(146)를 하측방향을 향해 전진 또는 후진시키는 상부센서(140a)와, 하부센서지지부(130b)의 일단에 교차하는 방향으로 결합되어 탐촉자(146)를 상측방향을 향해 전진 또는 후진시키는 하부센서(140b)를 포함한다. 상부센서(140a)와 하부센서(140b)는 수직방향(y방향)을 따라 일직선상에서 마주보도록 위치하여 주편(S)의 두께(t)를 정확하게 측정할 수 있다.
본 실시예에서 상부센서(140a)와 하부센서(140b)는 동일한 구성으로 이루어진다. 단, 하부센서(140b)는 하부센서지지부(130b)의 일단에 단순 결합되지만, 상부센서(140a)는 상부센서지지부(130a)에서 회전가능하도록 결합되며, 이를 위해 상부센서(140a)와 상부센서지지부(130b) 사이에는 회전부(138)가 구비된다.
상부센서(140a)의 내부 구성을 살펴보고, 하부센서(140b)와의 차이점을 설명하기로 한다.
상부센서(140a)는 상부센서지지부(130a)의 일단에 교차하는 방향으로 결합되며 냉각기체(gas)가 통과하도록 내부공간이 비어있는 센서몸체(145)와, 센서몸체(145)의 하단면을 관통하여 일단에 센서부 보호커버(146a)와 탐촉자(146)가 부착되는 구동막대(rod; 147)와, 센서몸체(145)의 내부공간에 구비되고 구동막대(147)의 타단이 연결되어 구동막대(147)를 수직방향으로 왕복시키는 탐촉자 구동실린더(148)와, 탐촉자 구동실린더(148)의 일측에 부착되어 탐촉자 구동실린더(148)의 변위값을 측정하는 접촉식 변위센서(149a)와, 센서몸체(145)의 내부공간에 위치하는 구동막대(147)의 외주면 일측에 구비되어 구동막대(147)의 변위값을 측정하는 변위측정자기(Linear variable differential transformer; LVDT)센서(149b) 및 센서몸체(145)의 내부공간에 위치하는 구동막대(147)의 외주면 일측과 센서몸체(145)의 내부면 일측 사이에 결합되어 탐촉자(146)를 주편(S)의 상부면으로 밀어 보다 강하게 탐촉자(146)를 주편(S)에 접촉시키는 탄성부재(149c)를 포함한다.
(하부센서(140b)에서는 구동막대(147)가 선체몸체(145)의 상단면을 관통하여 상하로 구동한다)
고온의 환경에 노출되는 센서몸체(145)에는 내부에 냉각수가 순환되는 냉각수회로(141)가 형성되고, 탐촉자(146)가 관통되는 일단면의 반대측 면에는 냉각수가 주입되고 배출되는 주입관(142)과, 배출관(143)이 돌출 형성된다. 또한, 주입관(142)과 배출관(143) 사이에는 센서몸체(145)의 내부공간을 냉각시키기 위하여 냉각기체가 공급되는 냉각기체 공급관(142a)이 형성된다. 냉각기체 공급관(142a)을 통해 센서몸체(145)의 내부로 들어간 냉각기체는 센서몸체(145)의 내부를 냉각시킨 후 구동막대(147)가 관통되는 센서몸체(145)의 하단면 또는 상단면을 통해 외부로 배출된다. 이때, 냉각기체의 배출흐름을 일정한 방향으로 유도하기 위하여 센서몸체(145)와 센서부 보호커버(146a)사이에 냉각기체 유도커버(145)가 결합된다. 한편, 탐촉자(146)를 구동시키는 탐촉자 구동실린더(148)에 동력원인 압축공기를 제공하는 압축공기 공급관(144)이 센서몸체(145)의 일측에 구비된다.
위와 같이 구성된 주편 두께 측정장치를 사용하여 주편의 두께(t)를 측정하는 본 발명에 따른 주편 두께 측정방법을 도 5를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
우선, 주편 두께 측정장치에 사용된 마스터게이지(128)의 수직길이(L)가 여러 방식으로 측정되어 인식된다. 마스터게이지(128)는 주편 두께 측정장치가 고온에 노출되더라도 다른 부분과 달리 길이가 변형되지 않아 계측의 기준이 되며, 이를 통해 주편의 두께(t) 측정시 보정수단으로 사용된다.
이러한 마스터게이지(128)를 이용하여 주편(S)이 주편 두께 측정장치를 통과하기 전, 마스터게이지(128)의 상부면 및 하부면에 직접 접촉하는 한 쌍의 탐촉 자(146)에 의해서 초기 위치값(Sup, Sdown)이 측정된다. 이때의 초기 위치값은 상부센서(140a)와 하부센서(140b)의 내부에 구비된 접촉식 변위센서(149a;도4참조)에 의해서 측정된다.
또한, 주편(S)이 세그먼트(10;도2참조)를 통과하면 주편(S)의 상측과 하측에 각각 이격되어 위치하는 상부센서(140a)와 하부센서(140b)에서 탐촉자(146)를 수직방향으로 이동시켜 주편(S)의 상부면과 하부면에 탐촉자(146)가 직접 접촉할 때 변위측정자기센서(149b)에서 감지된 값을 변위값(Vup, Vdown)으로 측정한다.
따라서, 주편(S)의 두께(t)는 아래의 식과 같이 산출된다.
t = L + (Sup - Vup) + (Sdown - Vdown)
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 주편 두께 측정장치(100) 및 주편 두께 측정방법을 통해 도 6에 도시된 실험예와 같이 주편(S)의 두께를 정확하게 측정할 수 있다. 여기에서, 도 6은 주편 두께 측정장치(100)를 이용하여 10시간 연속적으로 주편의 두께를 측정한 결과와 매시간마다 주편(S)을 정체시키고 버어니어 캘리퍼스를 이용하여 주편의 두께를 직접 측정한 결과를 함께 나타낸 그래프이다.
그래프에서 보는 바와 같이, 각 결과는 0.1% 이내의 범위에서 일치하였으며, 고온, 고습의 가혹한 조건에서 10시간 이상 장치를 운용해 본 결과, 측정 개시부터 종료시까지 주편 측정데이터의 신뢰성이 우수함을 확인할 수 있다.
이하에서는 앞서 설명한 본 발명에 따른 주편 두께 측정장치를 이용한 주편 두께 측정시스템에 관하여 살펴보기로 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주편 두께 측정시스템의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 주편 두께 측정시스템은 주편에 직접 접촉하여 상기 주편의 두께를 산출하기 위한 초기 위치값 및 변위값을 제공하는 측정유닛(300)과, 측정유닛(300)을 동작시키는 구동 명령이 입력되고, 주편의 두께를 포함하는 주편 측정데이터 및 주조정보를 온라인상에서 실시간으로 디스플레이하는 클라이언트유닛(400)과, 구동 명령을 통해 측정유닛(300)을 구동 제어하며, 초기 위치값 및 변위값을 주편 측정데이터로 변환시키고 클라이언트유닛(400)에 주편 측정데이터 및 주조정보를 제공하는 서버유닛(500)을 포함한다.
측정유닛(300)은 열적 변형을 받지 않는 마스터게이지에 탐촉자를 직접 접촉하여 초기 위치값을 측정하고, 주편의 상하부면에 탐촉자를 직접 접촉하여 변위값을 측정하는 주편 두께 측정장치(100)와, 주편 두께 측정장치(100)의 일측에 연결되어 동력원 및 냉각제를 제공하는 공급부(200)로 이루어진다.
여기에서 주편 두께 측정장치(100)는 수직방향으로 연장되는 지지몸체부와, 지지몸체부의 일측에서 수평방향으로 구동하는 마스터게이지를 구비한 마스터게이지부와, 지지몸체부의 양단에 수평하게 결합되는 센서지지부 및 센서지지부의 일단에 교차하는 방향으로 결합되고 한 쌍의 탐촉자를 수직방향으로 구동시켜 주편과 접촉에 의해 주편의 두께를 산출하기 위한 상기 변위값을 측정하는 센서부를 포함한다.
클라이언트유닛(400)은 온라인상에서 실시간으로 주편 두께 측정시스템에 접속하여 구동 명령을 입력할 수 있으며, 이에 따른 결과(주편 측정데이터 및 주조정 보)를 확인할 수 있는 유닛으로서 원격의 장소에 설치가 가능하며, 서로 다른 여러 장소에서 동시 또는 이시에 사용이 가능한 적어도 하나 이상의 단말기(410)로 구성된다.
그런데, 본 실시예에서는 복수의 단말기(410)를 사용할 경우에 서로 다른 원격의 장소에서 동시 다발적으로 주편 두께 측정시스템에 접속이 이루어져 주편 두께 측정장치(100)의 구동 명령을 입력함으로써 주편 두께 측정장치(100)의 구동에 혼란을 일어날 가능성이 발생하기 때문에 복수의 단말기(410)를 통해 주편 두께 측정시스템에 접속하기 위해서는 사용자 인증단계를 거치도록 시스템을 구축하였다. 한편, 사용자 인증이 이루어진 모든 단말기(410)를 통해서 주편 측정데이터 및 주조정보는 제한없이 실시간으로 열람할 수 있지만, 주편 두께 측정장치(100)를 구동시키는 구동 명령을 입력하기 위해서 주조공정과 관계있는 자를 선별하는 추가적인 사용자 인증단계를 구축할 수 있다.
서버유닛(500)은 클라이언트유닛(400)에서 입력된 구동 명령을 통해 측정유닛(300)을 구동 제어하며, 주편 측정데이터가 저장되는 메인서버(520)와, 메인서버(520)에 주조정보를 실시간으로 제공하는 주조정보 제공서버(540) 및 측정유닛(300)에서 측정된 주편의 초기 위치값 및 변위값을 주편 측정데이터로 변환시켜 메인서버(520)로 전송하는 데이터변환부(560)를 포함한다. 주조정보 제공서버(540)에 저장되는 연속주조 정보는 클라이언트유닛(400)의 단말기(410)에 의해서 새로운 정보가 입력되어 실시간으로 업데이트된다.
메인서버(520)에는 측정유닛(300)의 주편 두께 측정장치(100)와 공급부(200) 를 각각 제어하기 위한 제어부(미도시)가 포함되어 있으며, 제어부에 전송되는 각 종 신호는 전력선통신(Power Line Communication; PLC)방식으로 제어된다.
제어부에 의해 제어되는 각종 신호로는 클라이언트유닛(400)에서 입력된 구동 명령에 의한 동작 개시 또는 정지 신호, 주편 두께 측정장치(100) 및 공급부(200)의 장치 오류(error) 신호 등이 있다.
장치 오류 신호가 발생되어 메인서버(520)에 전송되면 제어부는 측정유닛(300)의 손상, 파손 등을 방지하기 위하여 즉시 측정유닛(300)에 보호 신호를 보내어 측정유닛(300)의 동작을 정지시키거나 일련의 과정을 통해 측정유닛(300)을 다르게 구동시키는 쌍방향 통신이 이루어진다.
또한, 제어부에서는 측정유닛(300)에서 측정된 초기 위치값 및 변위값을 주편 측정데이터로 변환시키고 이를 메인서버(520)의 저장부(미도시)에 저장한다.
데이터변환부(560)는 주편 두께 측정장치(100)에서 측정된 아날로그 형식의 초기 위치값 및 변위값을 디지털 신호로 변환시키고, 변환된 주편 측정데이터를 메인서버(520)로 전송한다. 이렇게 전송된 주편 측정데이터는 메인서버(520)에 저장되고 다시 클라이언트유닛(400)의 열람 요청에 의해서 클라이언트유닛(400)에 제공된다.
전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 열간주편 두께 측정장치를 통해서 세그먼트 내의 협소한 공간내에 설치가 가능하고 세그먼트를 통과하는 열간주편의 두께를 직접 접촉식 방식으로 용이하게 측정할 수 있다. 또한, 고온에도 잘 견디는 내열합금의 재질을 사용하고 냉각수회로를 내부에 구비하여 주편과 주편 주위의 열 악한 환경에서도 우수한 운전신뢰성 및 측정데이터를 확보할 수 있다.
한편, 위와 같은 열간주편 두께 측정장치를 이용하여 네트워크 측정시스템을 구축함으로써 온라인 상에서 실시간으로 주편의 두께를 측정할 수 있으며, 이에 따른 주편의 측정데이터 및 연속주조 정보를 원격의 장소에서도 손쉽게 확인할 수 있는 편의성이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 열간주편 두께 측정장치 및 이를 이용한 네트워크 측정시스템은 연속주조 공정의 생산성을 향상시키는 동시에 주편의 이상유무를 용이하게 판단하여 내부 품질이 우수한 주편을 제조할 수 있는 효과가 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.