KR101053391B1 - 플라즈마 튜브를 이용한 스트립 온도 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

플라즈마 튜브를 이용한 스트립 온도 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소둔로의 외벽면에 설치되어 스트립의 온도를 상기 스트립과의 접촉없이 측정하는 비접촉식 온도측정부, 상기 비접촉식 온도측정부가 설치된 부위에서 상기 소둔로 벽을 관통하는 개구부 및 구멍을 포함하며, 상기 구멍이 상기 개구부와 연통하도록 상기 소둔로 내벽면에 설치된 플라즈마 전극을 포함하는 스트립의 온도 측정장치 및 상기 플라즈마 전극에 전원을 가하여 발생된 플라즈마 튜브 및 상기 온도측정부를 이용하여 스트립의 온도를 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 기존에 소둔로 내의 온도를 측정하기 위하여 소둔로 내에 설치되어야 하는 사이팅 튜브를 플라즈마 튜브로 대체함으로써 시스템을 간소화할 수 있으며, 냉각수의 유출이나 열 흐름을 방해할 수 있는 위험 요소를 제거할 수 있어 공정의 안정화를 기대할 수 있다. 나아가 사이팅 튜브의 설치 및 유지로 인하여 드는 비용과 시간을 절감할 수 있으며 에너지 효율도 향상시킬 수 있다.
사이팅 튜브, 플라즈마 튜브, 소둔로, 비접촉식 온도측정부, 스트립

Description

플라즈마 튜브를 이용한 스트립 온도 측정장치 및 측정방법{Temperature Measuring Apparatus and Method Using Plasma Tube}
본 발명은 소둔로 내의 스트립 온도를 측정하는 스트립 온도 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철강공정의 고온 소둔로 내에서 기존의 수냉식 사이팅 튜브를 대체할 수 있는 플라즈마로 이루어진 튜브를 이용하여 스트립 온도를 측정할 수 있는 새로운 형태의 플라즈마 튜브를 이용한 스트립 온도 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
고온 소둔로 내에서 소둔 처리되는 강편, 강판 등(이하 '스트립')의 온도를 측정하는데 있어서 스트립에 직접 접촉하기 보다는 비접촉식 방법이 사용되어 왔다.
비접촉식 방법으로 스트립의 온도를 측정하는 경우에는 노벽면으로부터 복사되는 복사에너지가 스트립 표면에서 반사되어 노이즈를 유발할 수 있는 바, 비접촉식 적외선 온도계(복사온도계)로 유입되는 노이즈를 제거하는 과정이 필수적이다. 이를 위해서 종래의 스트립 온도 측정 장치는 도 1과 같이 소둔로 내에 수냉식 사이팅 튜브를 설치하여 사용하는 것이 일반적이었다.
그런데, 수냉식 사이팅 튜브는 소둔로 내에서 다양한 문제점을 일으킬 수 있다. 우선 사이팅 튜브를 제어하는 시스템은 매우 복잡하다는 점이 문제되며, 냉각수를 사용할 경우, 냉각수가 소둔로 내에 유출될 위험이 존재한다.
나아가, 물리적으로 소둔로 내에 존재할 수 밖에 없는 사이팅 튜브로 인하여 열흐름이 방해를 받을 수 있어 에너지의 손실이 문제될 수 있으며, 별도의 장치가 소둔로 내에 삽입되는 구조로 인한 구조상의 불안정성과 복잡성 역시 문제점으로 제기되어 왔다.
그 밖에도 수냉식 사이팅 튜브는 설치에 소요되는 비용 및 시간이 크며, 관리도 쉽지 않다.
종래의 수냉식 사이팅 튜브가 존재함으로 인한 문제점을 해결하면서도 정확한 스트립 온도 측정이 가능한 신개념의 플라즈마 사이팅 튜브를 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 소둔로의 외벽면에 설치되어 스트립의 온도를 상기 스트립과의 접촉없이 측정하는 비접촉식 온도측정부, 상기 비접촉식 온도측정부가 설치된 부위에서 상기 소둔로 벽을 관통하는 개구부 및 전원이 가해지면 상기 비접촉식 온도측정부와 상기 스트립 사이에 플라즈마 튜브를 형성하는 플라즈마 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정장치를 제공한다. 이 경우, 상기 플라즈마 전극은 상기 개구부와 연통하도록 상기 소둔로 내벽면에 설치된 형태일 수 있으며, 또한 상기 플라즈마 전극은 중심이 같고 직경이 작은 내측 튜브 및 직경이 큰 외측 튜브가 각각 다른 전극으로 사용되는 플라즈마 전극일 수 있다.
나아가 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 소둔로 내부에 설치된 플라즈마 전극에 전원을 가하여 비접촉식 온도측정부로부터 상기 스트립까지 플라즈마 튜브를 발생시키는 단계 및 상기 소둔로 벽을 관통하는 개구부 및 상기 개구부와 연통하는 상기 플라즈마 튜브를 통해 상기 비접촉식 온도측정부로 상기 스트립의 온도를 측정하는 온도측정 단계를 포함하는 스트립의 온도 측정방법을 제공한다.
본 발명의 각 실시예에 의할 때, 기존에 소둔로 내의 온도를 측정하기 위하여 소둔로 내에 설치되어야 하는 사이팅 튜브를 플라즈마 튜브로 대체함으로써 시스템을 간소화할 수 있으며, 냉각수의 유출이나 열 흐름을 방해할 수 있는 위험 요소를 제거할 수 있어 공정의 안정화를 기대할 수 있다. 나아가 사이팅 튜브의 설치 및 유지로 인하여 드는 비용과 시간을 절감할 수 있으며 에너지 효율도 향상시킬 수 있다.
이하 플라즈마를 이용한 스트립 온도 측정장치를 첨부된 도 2 및 도 3을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 3에서는 스트립(107)을 소둔로 내에서 소둔 처리하는 모습을 모식적으로 나타낸다. 상기 소둔로의 외벽면, 바람직하게는 상부 외벽면에는 온도측정부(101) 가 설치된다. 상기 온도측정부(101)는 측정하고자 하는 스트립과의 직접적인 접촉 없이도 온도측정이 가능한 비접촉식 온도측정부를 사용할 수 있다.
또한, 상기 소둔로 내부에는 플라즈마를 생성할 수 있는 전극이 설치된다. 상기 전극은 플라즈마를 발생시킬 수 있다면 어떠한 형태도 가능하다.
도 2는 전극 구성에 관한 바람직한 일견지를 나타내는데, 소둔로의 벽에서 온도측정부(101)가 접촉하는 부분에는 개구부가 존재하며, 상기 개구부와 연통할 수 있도록 구멍을 가지는 구멍형 플라즈마 전극(203)이 상기 소둔로 내벽면에 설치될 수 있다. 본 견지에서는 스트립이 접지 전극의 역할을 수행한다.
도 3은 전극 구성에 관한 다른 견지를 나타내는데, 서로 다른 직경을 가진 2개의 원통형 메쉬(mesh) 튜브 전극(303)을 사용할 수 있다. 상대적으로 직경이 작은 내측 튜브(303a) 및 상대적으로 직경이 큰 외측 튜브(303b)를 각각 다른 전극으로 사용한다. 이러한 전극은 메쉬 구조이므로 소둔시 가스의 흐름을 방해하지 않는 특징이 있다.
상기 온도측정부(101)는 상기 개구부 및 상기 플라즈마 튜브를 통해 비접촉식으로 소둔로 내부에 위치한 스트립(107)의 온도를 측정할 수 있다.
상기 구멍형 플라즈마 전극(203)은 전원이 가해지면 스트립(107)을 접지 전극으로 이용하며 플라즈마 튜브(201)를 발생시킨다. 그리고 상기 메쉬 튜브 전극(303)는 직경이 큰 메쉬 튜브 또는 직경이 작은 메쉬 튜브 중 어느 한쪽을 + 또는 -로 이용하여 전원을 가한다. 형성된 플라즈마 튜브(201)가 종래의 사이팅 튜브의 역할을 수행하여 관통홀(202) 외부의 노이즈들을 차단 및 반사한다.
플라즈마 생성에 필요한 가스는 연속 소둔로 내에 존재하는 비활성 가스를 이용한다. 또한, 전극의 위치 및 모양을 다르게 하여 필요한 위치에서 다양한 모양, 바람직하게는 원통형 모양의 플라즈마 튜브(201)를 발생시킬 수 있다. 상기 플라즈마 튜브(201)는 내부에 관통홀(202)이 존재하는 기둥 형태라면 어떠한 형태도 적용할 수 있으며, 바람직하게는 반사율이 일정하고 구조가 간단한 원통형을 사용할 수 있다.
이하 플라즈마를 이용한 스트립 온도 측정방법을 도 2 내지 4를 이용하여 상세히 설명한다.
소둔로에서 스트립을 소둔하면서 온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 소둔로 내벽면에 설치된 플라즈마 전극에 전원을 가한다. 전원이 가해지면 상기 플라즈마 전극은 상기 스트립을 접지전극으로 하고 소둔로 내부의 분위기 가스(H2, N2 등의 비활성 가스)를 이용하여 상기 스트립 상부 표면까지 플라즈마 튜브를 발생시킨다.
플라즈마 형성에는 가스 및 전압을 이용한 종래의 어떠한 방법도 사용될 수 있다. 다만, 소둔로 내에 튜브 형태의 플라즈마를 형성하기 위해서 가장 간단하게는 전극을 이용할 수 있다. 도 2와 같이 소둔로 내벽면(110)에 전극(203)을 설치하고, 접지(ground) 전극의 역할을 스트립(107)이 수행하도록 하거나, 도 3과 같이 서로 다른 직경을 가진 2개의 원통형 메쉬(mesh) 튜브 전극(303)을 전극으로 사용할 수 있다.
플라즈마의 조밀한 전자와 이온의 전기장은 소둔 처리되는 스트립(strip, 107)을 제외한 다른 물체, 예를 들어 소둔로의 벽(109, 110), 복사 튜브(radiant tube, 103, 104) 등으로부터의 열 복사를 차단할 수 있다. 이러한 역할은 기존의 수냉식 사이팅 튜브(도 1 참고)가 수행하는 열 복사 노이즈 차단 기능과 동일하다. 하지만, 플라즈마의 발생으로 열 복사를 차단하는 것이므로, 냉각수의 유출이나 열 흐름을 방해하는 등의 문제점이 나타나지 않는다.
이렇게 플라즈마 튜브(201)가 형성된 후, 상기 플라즈마 튜브(201)의 관통홀(202), 상기 소둔로 벽을 관통하는 개구부 및 상기 개구부와 연통하는 상기 플라즈마 전극의 구멍을 통해 소둔로 외부에 설치된 온도측정부(101)로 스트립의 온도를 비접촉식으로 측정할 수 있는 것이다.
바람직한 견지에서, 상기 플라즈마 튜브(201)의 생성시 플라즈마의 주파수 대역(파장 대역)을 고려함으로써 보다 효과적으로 노이즈 차단을 할 수 있다. 도 4를 참고하면, 플라즈마 튜브(201)는 플라즈마의 전자 밀도에 따라 특정 주파수를 전후로 복사광의 반사 특성이 급격하게 변화하는 특성을 이용할 수 있다.
상기 플라즈마의 전자밀도는 인가되는 전원의 전압, 주파수, 소둔로 내의 가스 밀도 등에 의하여 변하될 수 있다. 다만, 소둔로 내의 가스밀도를 변화시키는 것은 현실적으로 매우 어렵고 조작이 불편하기 때문에, 가해지는 전원의 전압과 주파수를 변화시키는 방법으로 플라즈마의 전자밀도를 제어한다.
상기 특정 주파수를 플라즈마 주파수(plasma frequency)라 하며, 본 명세서에서는 ωp라 한다. 또한, 도 3에서 볼 수 있는 급격한 반사 특성의 변화 시점을 플라즈마 에지(plasma edge)라 한다.
플라즈마 주파수는 이론식으로 표현하면 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112009020070710-pat00001
단, ωp : 플라즈마 주파수(plasma frequency), N : 전자밀도(electron density), e : 전자 전하(electron charge, 1.6022 * 10-19 C), e = 전기적 유전율(electric permittivity)을 의미. m* : 전자의 유효 질량
상기 플라즈마 주파수보다 작은 주파수의 복사광들은 플라즈마 튜브(201)를 투과하지 못하고 반사된다 반면, 상기 플라즈마 주파수보다 큰 주파수를 가지는 복사광들은 플라즈마 튜브를 투과할 수 있다.
상기 수학식 1에 따라 플라즈마 주파수를 스트립 온도 측정에 사용되는 복사 온도계의 측정 주파수 대역을 고려하여 조절한다. 바람직하게는 플라즈마 주파수 wp를 측정 주파수의 최대값 이상으로 제어한다.
이 경우, 플라즈마를 발생시키기 위해서 AC, DC 전원을 직접 사용할 수도 있으며, RF, 마이크로웨이브를 사용할 수 있다. DC, AC 전원을 사용하는 경우에는 전원의 전압 및 주파수를 제어하여 플라즈마 전자밀도를 조절하며, RF(radio frequency) 전원을 사용하는 경우에는 입력 파워(Input Power)를 조절하여 전자밀도를 제어한다.
플라즈마 주파수를 측정 주파수의 최대값 이상으로 조절하면, 플라즈마 주파수보다 작은 주파수의 복사광들에 대해서는 효과적으로 플라즈마 튜브(201)의 반사 특성을 이용하여 차단할 수 있으며, 소둔로의 온도를 측정하는 온도측정부(101)가 일반적으로 가지고 있는 자체 필터 기능에 의해 측정 주파수 대역을 초과하는 큰 주파수 영역은 차단이 가능하다.
따라서, 가해지는 전압 및 주파수를 제어하여 플라즈마 전하밀도를 조절함으로써 ωp를 측정 주파수 대역의 최대값 이상이 되도록 설정하면(수학식 1 참고), 측정 주파수 영역 이하의 주파수 대역을 가지는 외부 복사광 노이즈를 효과적으로 반사할 수 있어 소둔로의 온도 범위, 규모 기타 주변 환경의 변화에 효율적으로 대응할 수 있다.
도 1은 종래의 사이팅 튜브(sighting tube)가 장착된 스트립 온도 측정장치 및 온도측정부를 모식적으로 나타낸 도면.
도 2는 소둔로 내벽면에 설치된 구멍형 플라즈마 전극으로 플라즈마 튜브를 형성하여 스트립 온도를 측정하는 장치의 모습을 나타낸 도면.
도 3은 메쉬형 플라즈마 전극으로 플라즈마 튜브를 형성하여 스트립 온도를 측정하는 장치의 모습을 나타낸 도면.
도 4는 플라즈마의 주파수에 따른 반사특성을 나타낸 그래프.
* 주요 도면부호의 설명
101 온도측정부
102 사이팅 튜브
103 상부 복사 튜브
104 하부 복사 튜브
105 허스롤
106 분위기 가스
107 스트립
108 롤 구동 모터
109 소둔로 외벽
110 소둔로 내벽
111 퍼지 가스
112 냉각수 튜브
113 증폭기 소자
114 디텍터
201 플라즈마 튜브
202 관통홀
203 소둔로 내벽면에 부착된 플라즈마 전극
303a, 303b : 메쉬형 플라즈마 전극

Claims (10)

  1. 소둔로의 외벽면(109)에 설치되어 스트립(107)의 온도를 상기 스트립(107)과의 접촉없이 측정하는 비접촉식 온도측정부(101);
    상기 비접촉식 온도측정부(101)가 설치된 부위에서 상기 소둔로 벽(109, 110)을 관통하는 개구부; 및
    전원이 가해지면 상기 비접촉식 온도측정부(101)와 상기 스트립(107) 사이에 플라즈마 튜브(201)를 형성하는 플라즈마 전극(203, 303)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 전극(203)은,
    상기 개구부와 연통하도록 상기 소둔로 내벽면(110)에 설치된 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 튜브(201)는 상기 플라즈마 전극(203) 및 상기 소둔로 내의 스트립(107)을 각각 다른 전극으로 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 플라즈마 튜브(201)는 원통형인 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 전극(303)은 중심이 같고 직경이 작은 내측 원통형 메쉬 전극(303a)과 직경이 큰 외측 원통형 메쉬 전극(303b)으로 구성된 원통형 메쉬 전극이며,
    상기 내측 원통형 메쉬 전극(303a)과 상기 외측 원통형 메쉬 전극(303b)이 각각 다른 전극으로 사용되는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정장치.
  6. 비접촉식 온도측정부(101)를 이용하여 소둔로 내부의 스트립(107)의 온도를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 소둔로 내부에 설치된 플라즈마 전극(203)에 전원을 가하여 상기 비접촉식 온도측정부(101)로부터 상기 스트립(107)까지 플라즈마 튜브(201)를 발생시키는 단계; 및
    상기 소둔로 벽을 관통하는 개구부 및 상기 개구부와 연통하는 상기 플라즈마 튜브(201)를 통해 상기 스트립(107)의 온도를 측정하는 온도측정 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 온도측정 단계는 온도 측정시 플라즈마 주파수를 측정 주파수 대역의 최대값 이상이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전원은 AC 전원, DC 전원, RF 전원 또는 마이크로웨이브 전원 중 하나인 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전원이 AC 전원 또는 DC 전원인 경우에는 상기 전원의 전압 또는 주파수 중 1 이상을 제어하여 플라즈마 전자밀도를 조절하는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전원이 RF 전원인 경우에는 상기 전원의 입력 파워(Input Power)를 제어하여 플라즈마 전자밀도를 조절하는 것을 특징으로 하는 스트립의 온도 측정방법.
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