KR101067480B1

KR101067480B1 - 쌍롤형 박판 제조 장치에서 용강높이 제어방법

Info

Publication number: KR101067480B1
Application number: KR1020040048908A
Authority: KR
Inventors: 김윤하; 이대성; 김홍주
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2011-09-27
Also published as: KR20060000053A

Abstract

본 발명은 용탕으로부터 직접 박판을 주조하는 쌍롤형 박판 제조방법에서 용강높이 제어의 경우 이상 원인에 의해서 용강의 높이가 급격히 상승할 경우 이를 감시하여 사전에 조치함으로써 주조롤을 포함한 주조설비에 손상이 가지 않도록 안전하게 주조할 수 있는 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 쌍롤식 박판주조공정에 있어서, 용강높이가 용강위험높이를 초과하는지 비교하는 단계; 용강높이가 용강위험높이를 초과하지 않는 경우에는 용강제어기에서 나오는 출력을 스토퍼 레퍼런스로 사용하는 단계; 용강높이가 용강위험높이를 초과하는 경우에는 용강높이 경계경보를 발령하는 단계; 용강높이 경계경보중 용강높이가 위험수위 아래로 내려오는 경우에는 용강높이 경계경보를 해제하는 단계; 용강높이 경계경보를 발령되면 용강높이가 계속하여 상승중인지를 비교하는 단계; 경계경보가 발령중 용강높이가 계속하여 상승하는 경우 용강목표치와 현재용강높이와의 차이를 계속하여 더하여 용강높이오차적분A로 표현하는 단계; 경계경보가 발령중 용강의 높이 상승이 멈추거나 하강중인 경우에 용강목표치와 현재 용강높이와의 차이를 계속하여 더하여 용강높이오차적분B로 표현하는 단계; 이와 같이 더해진 값들인 용강높이오차적분A와 용강높이오차적분B에 각각 가중치 "kp1, kp2"를 곱하여 K=K1+K2를 구성하는 단계; 기존의 스토퍼초기위치인 스토퍼초기위치A에서 K= (K1+K2)를 빼는 단계; 이와 같이 얻어진 스토퍼 초기위치인 스토퍼초기위치B를 최종적인 스토퍼 초기위치로 사용하는 단계; 용강제어기(28)의 출력에 스토퍼초기위 치B를 더하여 최종의 스토퍼 레퍼런스로 사용하는 단계; 상기한 프로세스를 반복하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍롤형 박판 제조 장치에서 용강높이 제어방법을 제공한다.

쌍롤, 박판주조, 용강높이, 제어

Description

쌍롤형 박판 제조 장치에서 용강높이 제어방법{Method for controlling the melt level in the thin strip caster of twin roll type}

도 1은 박판 주조 공정의 개략도,

도 2는 용강높이제어 기본 알고리즘의 예시도,

도 3은 용강높이 예시도,

도 4는 본 발명의 용강높이 제어알고리즘의 예시도,

도 5는 본 발명의 용강높이 제어알고리즘의 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 고정롤(fixed roll) 2 : 이동롤 (moving roll)

3 : 턴디쉬(tundish) 4 : 침지노즐

5 : 스토퍼(stopper) 7 : 용강

8 : 용강 높이 검출센서 9 : 롤 닙 (roll nip)

10 : 리더 스트립(leader strip) 21 : 스토퍼 (stopper)

22 : 모터 (motor) 23 : CCD 카메라

25 : 섬프 (sump)

27 : 용강높이 측정장치(melt level signal processor)

28 : 용강제어기 (level controller)

29 : 스토퍼제어기 (stopper controller)

30 : 스토퍼 액츄에이터 (stopper actuator)

31 : 스토퍼초기위치 보상기 (initial stopper position compensator)

주조중, 특히 주조공정이 정상상태에 도달하기 전인 주조초기에 외부의 이상원인에 의해서 턴디쉬로부터 침지노즐을 통한 용강의 흐름이 원활하지 못해서 롤과 롤 사이의 섬프에 형성되는 용강의 높이가 급하게 변화할 경우가 있다. 공정이 안정화되기 전인 초기에 나타나는 이러한 현상을 제어하기는 간단한 문제가 아니다. 주조초기에는 공정의 흐름에 대한 정보가 아직 부족하고 공정이 불안정한 상태이기 때문이다. 이와 같은 경우 용강이 목표치를 초과하여 높이 상승한다면 롤에 치명적인 결과를 가져올 수도 있다.

그러므로, 이와 같은 경우에 용강이 상승하는 비율을 사전에 파악하여 조치할 수 있다면 사전에 롤과 주변 설비를 보호할 수 있는 획기적인 방법이 될 것이다.

박판 주조의 중요한 공정은 도 1에 표시된 바와 같이 서로 반대 방향으로 회전하는 두 개의 롤(1, 2) 사이에 있는 섬프(sump)(7)에서 일어난다. 턴디쉬(3)로부터 처음 용강이 침지노즐(4)을 통해서 두 개의 롤 사이의 섬프로 공급되면 이 용강은 0.2초 내에 리더 스트립(10)과 두 롤 사이에서 응고되어서 압하된다. 이때 용강과 응고되는 리더스트립 과 그 이후에 응고되어 따라나오는 박판은 롤 반발력(RSF)을 발생시킨다. 이 압하력은 롤 뒤편에 장착된 로드 셀로 감지한다. 당시 두 롤의 측면은 세라믹 사이드 댐으로 막혀있으며 이는 용강이 롤의 측면으로 유출되는 것을 방지하기 위함이다. 용강의 응고 능력은 주조 롤의 냉각능력에 비례한다. 또한, 응고 능력은 두 롤 사이의 거리, 즉 롤 갭, 롤의 주조 속도(회전 속도), 섬프(sump) 내의 용강의 높이에 영향을 받는다. 용강의 높이는 탕면높이 검출센서(8)를 이용해서 측정한다. 일반적으로 용강이 응고되면 이는 롤 사이에서 압하력을 발생시킨다. 그리고 응고 압하율은 롤 갭 및 주조 속도에 영향을 받는다. 롤 갭은 거리 측정 장치를 이용해서 측정한다. 예를 들어서 롤 갭이 너무 크거나 혹은 주조 속도가 너무 빠르면 응고점이 롤 닙(9)의 중심선보다 더 밑으로 내려가게 되어 압하력이 점점 작아지게 되고 이는 용강의 미응고 및 판 파단을 발생시킨다. 반대의 경우에는 응고점이 위로 상승하게 되고 높은 압하력을 발생시킨다. 그러므로 롤 갭, 주조 속도, 압하력은 박판의 응고성을 나타내는 대표적인 주조 파라미터들이다. 기본적으로 용강의 높이 제어는 고도의 정밀성과 안정성을 요구한다. 그러므로 용강의 높이는 주조 시작 직후부터 목표 값을 유지하는 것으로 간주한다. 따라서 압하력은 롤 갭과 주조 속도 사이의 상호 관계에서 나타나는 결과로 볼 수 있다.

용강높이제어의 기본적인 개념은 도 2를 참조하여 설명할 수 있다.

쌍롤을 이용하여 박판을 제조하는 공정에서 용강높이제어는 기본적으로 다음과 같은 단계로 수행된다.

주조가 시작되면 스토퍼(21)가 미리 정해진 최대높이로 열린다. 이는 최소한의 시간에 최대로 용강을 주입시켜서 주조초기에 용강과 리더스트립(10)과의 응고를 확실하게 하기 위함이다.

섬프(25)내의 용강이 일정높이에 도달하면 용강제어루프가 폐회로로 구성되면서 용강높이에 따라서 스토퍼(21)의 제어가 시작된다.

즉, CCD카메라(23)로부터의 신호를 용강높이 측정장치(27)가 용강제어기(28)로 보내면, 목표용강높이에 따른 모델레퍼런스와 계산되어 용강높이레퍼런스를 만들고, 스토퍼초기위치와 대비되어 스토퍼제어기(29)를 거쳐 스토퍼 액튜에이터(30)를 움직이고, 이는 다시 모터(22)를 움직여 스토퍼(21)를 움직인다.

이 때 용강제어루프에는 스토퍼초기위치라고 하는 일정한 값의 스토퍼 높이를 상수값으로 항상 포함하고 있다. 이는 정상상태에서의 스토퍼 높이에 가능한 빨리 도달하기 위함인데 이 값이 없으면 용강높이제어가 정상상태에 도달하는데 긴 시간을 필요로 하게 되며, 이 값은 모델링을 통한 계산치와 주조실험에서 얻어지는 경험치를 토대로 결정된다.

상기한 기본 개념을 바탕으로 용강제어루프가 가동되고 있으나, 주조중 용강 공급시스템의 불안정한 상태가 발생한다면 이는 외란으로 작용하여 용강높이의 안정제어에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 경우에 따라서는 이러한 과정이 막대한 설비손실을 초래할 수도 있다. 상기에서 언급한 바와 같이 처음으로 주조가 시작된 후 정상상태에 도달하여 주조가 정상적으로 진행되는 도중 턴디쉬로부터 침지노즐을 통해 롤과 롤 사이의 섬프로 용강이 유입되는 과정에서 용강의 거동에 영향을 주는 외란으로 인해서 용강의 흐름이 변화할 수 있다. 특히 공정이 불안정한 주조초기에 이러한 현상이 발생한다면 이는 안정된 탕면제어에 커다란 외란으로 작용할 것이다. 이 경우 최악의 경우에 제어불가능한 용강의 상승으로 이어져서 롤과 롤 주변의 설비를 손상시키는 결과를 초래할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 주조중 발생할 수 있는 용강의 거동에 영향을 주는 외란으로 인한 용강의 흐름을 사전에 감지, 대처함으로써 안정된 탕면제어를 통하여 롤과 주변 설비를 보호할 수 있는 방법을 찾아내는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 쌍롤식 박판주조공정에 있어서, 용강높이가 용강위험높이를 초과하는지 비교하는 단계; 용강높이가 용강위험높이를 초과하지 않는 경우에는 기존의 방법대로 용강제어기에서 나오는 출력을 스토퍼 레퍼런스로 사용하는 단계; 용강높이가 용강위험높이를 초과하는 경우에는 용강높이 경계경보를 발령하는 단계; 용강높이 경계경보중 용강높이가 위험수 위 아래로 내려오는 경우에는 용강높이 경계경보를 해제하는 단계; 용강높이 경계경보를 발령되면 용강높이가 계속하여 상승중인지를 비교하는 단계; 경계경보가 발령중 용강높이가 계속하여 상승하는 경우 용강목표치와 현재용강높이와의 차이를 계속하여 더하여 용강높이오차적분A로 표현하는 단계; 경계경보가 발령중 용강의 높이 상승이 멈추거나 하강중인 경우에 용강목표치와 현재 용강높이와의 차이를 계속하여 더하여 용강높이오차적분B로 표현하는 단계; 이와 같이 더해진 값들인 용강높이오차적분A와 용강높이오차적분B에 각각 가중치 "kp1, kp2"를 곱하여 K=K1+K2를 구성하는 단계; 기존의 스토퍼초기위치인 스토퍼초기위치A에서 K= (K1+K2)를 빼는 단계; 이와 같이 얻어진 스토퍼 초기위치인 스토퍼초기위치B를 최종적인 스토퍼 초기위치로 사용하는 단계; 용강제어기(28)의 출력에 스토퍼초기위치B를 더하여 최종의 스토퍼 레퍼런스로 사용하는 단계; 상기한 프로세스를 반복하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍롤형 박판 제조 장치에서 용강높이 제어방법을 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 이러한 위험을 해소할 수 있는 알고리즘에 대해서 설명한다.

도 3은 용강높이 예시도이다.

주조중 용강높이가 외란에 의해서 목표로 관리하는 높이인 용강위험높이보다 위로 상승하게 되는 경우 그 경계높이를 정의하여 이 높이를 초과하는 경우 경계경보를 발령하고 그렇지 않은 경우에는 경계경보를 해제한다. 경계경보가 발령되면 컴퓨터는 실시간으로 용강높이가 계속 상승중인지 아닌지를 판단하게 되며, 용강높 이가 계속하여 상승중인 경우 그 오차, 즉, 현재 용강높이와 용강목표치의 차이를 더하게 되며(A), 경계경보가 발령중이더라도 용강의 높이 상승이 멈추거나 하강하는 경우에는 마찬가지로 현재 용강높이와 용강목표치의 오차를 더하는 과정을 계속한다(B).

이는 실제적으로 오차로 나타나는 부분의 면적을 의미하는데, 이 부분의 면적크기는 용강이 목표치를 넘어선 위험척도를 의미한다. 이 값에 가중치를 곱하여 이를 조절함으로써 위험상황을 조절할 수 있는 중요한 변수로 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 용강높이 제어알고리즘의 예시도이다.

용강높이 제어시스템에는 주조가 시작되면 기본으로 유지하는 스토퍼 높이가 있다. 이는 스토퍼초기위치라고 하는 스토퍼 위치 DC level (상수값)으로 모델링을 통한 계산치와 주조실험에서 얻어지는 경험치를 기반으로 정해지는 값이다. 이는 주조시작 후 용강이 빠른 시점에 목표치에 도달하게 하는 역할을 하는 없어서는 안 될 값이다. 이 상수값에 제어기의 출력이 추가로 더해져서 실제 스토퍼제어기의 최종 레퍼런스로 사용된다.

용강이 급격하게 상승하는 경우 이 용강의 피드백을 받아서 정상적인 제어기의 출력을 이용하여 제어하는 데는 한계가 있다. 이와 같은 경우에는 제어기를 통하지 않고 스토퍼 초기위치인 DC level에 직접 개입하여 스토퍼 위치의 기준선을 급하게 하강시키는 것이 효과적이다. 이 경우 얼마만큼의 높이를 하강시키는지 그 판단의 기준을 상기한 바와 같이 용강오차의 합인 면적을 이용하게 된다. 즉, 이 부분의 면적크기에 가중치 "kp"를 곱하여 이 값을 스토퍼초기위치에서 뺌으로써, 위험한 경우 용강제어기(28)를 거치지 않고 스토퍼위치를 낮출 수 있는 장점이 있다.

알고리즘:

if(melt_level > alarm_level)

LEVEL_ALARM SET;

else

LEVEL_ALARM RESET;

endif

if(LEVEL_ALARM == SET)

if(melt_level > old_level)

error_sum1 = error_sum1 + error1;

else if (melt_level < old_level)

error_sum2 = error_sum2 + error2;

K1 = error_sum1*kp1;

K2 = error_sum2*kp2;

K = K1 + K2;

Init_stp_pos = init_stp_pos - K;

else

Init_stp_pos = old_init_stp_pos;

endif

여기에서, error1: "제3도"의 영역 "A"에 해당하는 높이오차(level error), error2: "제3도"의 영역 "B"에 해당하는 높이오차(level error), error_sum1: "제3도"의 용강높이오차적분A(melt level error integration_A), error_sum2: "제3도"의 용강높이오차적분B(melt level error integration_B)이다.

이상과 같은 알고리즘을 구현하는 부분이 도 4의 스토퍼초기위치 보상기(31)이다.

상기 알고리즘을 구현하는 플로우챠트는 도 5와 같다.

(S1) 용강높이가 용강위험높이를 초과하는지 비교한다. 용강높이가 용강위험높이를 초과하지 않는 경우에는 기존의 방법대로 용강제어기(28)에서 나오는 출력을 스토퍼위치 레퍼런스로 사용한다.

(S2) 용강높이가 용강위험높이를 초과하는 경우에는 용강높이 경계경보 (LEVEL_ALARM SET)를 발령한다.

(S3) 용강높이 경계경보중 용강높이가 위험수위 아래로 내려오는 경우에는 용강높이 경계경보 (LEVEL_ALARM RESET)를 해제한다.

(S4) 용강높이 경계경보를 발령되면 용강높이가 계속하여 상승중인지를 비교한다.

(S5) 용강높이가 계속하여 상승하는 경우 용강목표치와 현재 용강높이와의 차이를 계속하여 더하여 용강높이오차적분A(melt level error integration_A) 으로 표현한다.

(S6) 경계경보 발령중 용강의 높이 상승이 멈추거나 하강하는 경우에는 이와 같이 오차를 더하여 용강높이오차적분B(melt level error integration_B)로 표현한다.

(S7) 상기의 경우 용강높이오차적분A(melt level error integration_A)에는 가중치 "kp1"을 곱하여 K1로, 용강높이오차적분B(melt level error integration_B)에는 가중치 "kp2"를 곱하여 K2로 표현한다. 최종적인 값 "K"는 K=K1 + K2이다.

여기에서 "kp1, kp2"는 조정가능한 변수들이며, 통상적으로 kp1 > kp2이다.

(S8) 기존의 스토퍼초기위치인 스토퍼초기위치A(initial stopper position_A)에서 K(K1+K2)를 뺀다.

(S9) 이와 같이 얻어진 스토퍼초기위치인 스토퍼초기위치B(initial stopper position_B)를 최종적인 초기스토퍼위치로 사용한다. 용강제어기(28)의 출력에 스토퍼초기위치B(initial stopper position_B)를 더하여 최종의 스토퍼 레퍼런스로 사용한다.

(S10) 상기한 프로세스를 반복한다.

본 발명은 쌍롤형 박판 제조방법에서 탕면높이제어의 경우 이상원인에 의해서 탕면의 높이가 급격히 상승할 경우 즉, 턴디쉬로부터 침지노즐을 통해 롤과 롤사이의 섬프로 용강이 유입되는 과정에서 용강의 거동에 영향을 주는 외란으로 인 해서 용강의 흐름이 변화하는 경우 이를 감시하여 사전에 조치할 수 있는 제어방법에 특징이 있다. 이를 구현하기 위한 구체적인 수단으로 용강오차의 적분값을 사용하였다. 이 경우의 장점은 미분제어기와는 달리 적분값을 판단의 기준으로 하기 때문에 노이즈로 인한 급격한 신호의 변경시에도 판단에 큰 영향을 미치지 않는다는 것이다.

특히, 본 발명에서는 상기한 바와 같은 단계로 이루어지는 제어 알고리즘을 이용하여 탕면높이제어의 경우 이상원인에 의해서 탕면의 높이가 급격히 상승할 경우 이를 감시하여 사전에 조치함으로써 주조롤을 포함한 주조설비에 손상이 가지 않도록 안전하게 주조할 수 있다.

본 발명을 이용하면 쌍롤형 박판 제조방법에서 탕면높이제어의 경우 이상원인에 의해서 탕면의 높이가 급격히 상승할 경우 즉, 턴디쉬로부터 침지노즐을 통해 롤과 롤 사이의 섬프로 용강이 유입되는 과정에서 용강의 거동에 영향을주는 외란으로 인해서 용강의 흐름이 변화하는 경우 이를 감시하여 사전에 조치할 수 있는 장점이 있으며, 특히 주조롤을 포함한 주조설비에 손상이 가지 않도록 안전하게 주조할 수 있는 경제적인 장점이 있다.

Claims

쌍롤식 박판주조공정에 있어서,

용강높이 측정장치에 의해 측정된 용강높이가 용강위험높이를 초과하는지 용강제어기(28)에서 비교하는 단계;

상기 측정된 용강높이가 용강위험높이를 초과하지 않는 경우에는 상기 용강제어기(28)에서 나오는 출력을 스토퍼 레퍼런스로 사용하는 단계;

상기 측정된 용강높이가 용강위험높이를 초과하는 경우에는 용강높이 경계경보를 발령하는 단계;

상기 용강높이 경계경보중 용강높이가 위험수위 아래로 내려오는 경우에는 용강높이 경계경보를 해제하는 단계;

상기 용강높이 경계경보가 발령되면 용강높이가 계속하여 상승중인지를 컴퓨터에서 비교하는 단계;

상기 용강높이 경계경보가 발령중 용강높이가 계속하여 상승하는 경우 상기 컴퓨터에서 용강목표치와 현재 용강높이와의 차이를 계속하여 더하여 용강높이오차적분A로 표현하는 단계;

상기 경계경보가 발령중 용강 높이의 상승이 멈추거나 하강중인 경우에 상기 컴퓨터에서 용강목표치와 현재 용강높이와의 차이를 계속하여 더하여 용강높이오차적분B로 표현하는 단계;

상기 컴퓨터에서 이와 같이 더해진 값들인 용강높이오차적분A에 가중치 kp1을 곱하여 K1을 만들고, 용강높이오차적분B에 가중치 kp2를 곱하여 K2를 만들어 K=K1+K2를 구성하는 단계;

상기 컴퓨터에서 기존의 스토퍼초기위치인 스토퍼초기위치A에서 상기 K를 빼는 단계;

상기 컴퓨터에서 이와 같이 얻어진 스토퍼 초기위치인 스토퍼초기위치B를 최종적인 스토퍼 초기위치로 사용하는 단계;

상기 용강제어기(28)의 출력에 상기 스토퍼초기위치B를 더하여 최종의 스토퍼 레퍼런스로 사용하여 스토퍼의 높이를 조절함으로써 용강높이를 제어하는 단계;

상기한 프로세스를 반복하는 단계;

로 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍롤형 박판 제조 장치에서 용강높이 제어방법.