KR101114974B1 - 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건식제련 공정에 사용되는 랜스(Lance)에 인위적인 충격을 가하고 그 응력파로 인한 랜스의 진동을 측정하여 랜스의 길이를 측정함으로써 제련 공정에 영향을 주지 않으면서도 가동 중에 즉각적인 랜스 길이의 확인이 가능하게 되는 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템으로서, 랜스를 가진하기 위한 가진기; 랜스의 측면에 부착되어 상기 가진기에 의해 가진되는 랜스의 길이방향 진동을 계측하는 감진부; 상기 감진부가 계측한 진동의 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 분석부; 및 상기 신호 분석부로부터 진동에 대한 주파수 영역 신호를 전달받아 주파수 영역 신호 분석을 통해 공진 주파수를 검출하고 랜스의 겉보기 속도와 해당 공진 주파수를 이용해 랜스의 길이를 측정하는 길이 측정부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

랜스, 길이, 충격반향

Description

충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템{SYSTEM FOR MEASURING LANCE USING IMPACT ECHO METHOD}

본 발명은 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건식제련 공정에 사용되는 랜스(Lance)에 인위적인 충격을 가하고 그 응력파로 인한 랜스의 진동을 측정하여 랜스의 길이를 측정함으로써 제련 공정에 영향을 주지 않으면서도 가동 중에 즉각적인 랜스 길이의 확인이 가능하게 되는 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템에 관한 것이다.

건식제련에서는 원료를 랜스(Lance)를 통해 반응로의 내부로 연속적으로 투입하게 된다.

이러한 제련 공장의 공정도가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 반응로 내부로 원료를 주입되게 되는데, 이때 랜스의 끝단은 용탕 상부 1m 정도에 위치하는 것이 적절하다.

하지만, 도 2에 도시된 바와 같이 실제 공정에서는 여러 가지 요인으로 인해 랜스가 소모되어 끝단 위치가 지정된 위치보다 멀어지게 된다. 통계에 따르면, 매일 평균 90.1 cm의 랜스가 소모되는 것으로 알려져 있다. 용광로 내부에서의 랜스 길이가 최장 1.5 내지 1.8 m임을 감안할 때 이같은 랜스의 일 소모량은 상당히 큰 것이며, 적절한 랜스 위치를 유지시키기 위해서는 랜스의 길이에 대한 주기적인 검측이 필요하다.

통상적으로 제련 공장에서 이루어지는 랜스의 길이에 대한 검측 주기는 4시간이며, 이러한 검측 시 용광로의 가동을 중지시킨 상태에서 노 측면의 관찰구를 통해 노 내부 상황을 육안으로 관찰하여 랜스 소모량을 측량하고 있다. 이러한 육안에 의한 검측 방법은 일시적이지만 공장 가동을 중단해야만 하며, 그 자체가 랜스 소모의 주된 원인 중 하나로 작용하기 때문에 상당한 금전적 손실을 초래하고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템으로서, 랜스를 가진하기 위한 가진기; 랜스의 측면에 부착되어 상기 가진기에 의해 가진되는 랜스의 길이방향 진동을 계측하는 감진부; 상기 감진부가 계측한 진동의 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 분석부; 및 상기 신호 분석부로부터 진동에 대한 주파수 영역 신호를 전달받아 주파수 영역 신호 분석을 통해 공진 주파수를 검출하고 랜스의 겉보기 속도와 해당 공진 주파수를 이용해 랜스의 길이를 측정하는 길이 측정부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 건식제련 공정에 사용되는 랜스에 인위적인 충격을 가하고 그 응력파로 인한 랜스의 진동을 측정하여 랜스의 길이를 측정함으로써 제련 공정에 영향을 주지 않으면서도 가동 중에 즉각적인 랜스 길이의 확인이 가능하게 되는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템에서는 탄성파를 이용한 비파괴 시험인 충격반향 기법(Impact Echo Method)을 적용하게 된다.

실제로, 측정하고자 하는 대상체인 랜스는 일반적인 충격반향 기법과는 많은 차이를 가진다. 우선 랜스는 파이프 형태로 속이 비어 있으며 두께가 얇다. 또한, 랜스의 상부는 랜스 조작을 위한 글러브(Glove) 시스템이 감싸고 있고 그 하부는 용광로 내부에 삽입되어 섭씨 1300도 내외의 고온에 노출되어 있다. 용광로 내부에서는 용탕이 튀거나 광석의 미세입자(Dust)가 달라붙어 랜스의 단면적이 증대되게 되며 또한 용광로 안과 밖의 경계인 루프(Roof)에서 이러한 것들로 인해 랜스가 루프와 결속되게 된다.

따라서 본 발명에서는 랜스 길이 측정에 있어 충격반향 기법의 적용을 저해하는 요인들을 제거하거나 이를 고려하는 방안을 실내 및 현장 실험을 통해 살펴보게 된다.

도 3에는 본 발명에 따른 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템이 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템은 랜스를 가진하기 위한 가진기(10)와, 랜스의 측면에 부착되어 상기 가진기(10)에 의해 가진되는 랜스의 길이방향 진동을 계측하는 감진부(20)와, 상기 감진부(20)에 동작전원을 공급하고 감진부(20)에서 계측된 진동 신호를 증폭하는 신호 조절부(30)와, 상기 신호 조절부(30)를 통해 상기 감진부(20)가 계측한 진동의 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 분석부(40)와, 상기 신호 분석부(40)로부터 진동에 대한 주파수 영역 신호를 전달받아 주파수 영역 신호 분석을 통해 공진 주파수를 검출하고 랜스의 겉보기 속도와 해당 공진 주파수를 이용해 랜스의 길이를 측정하는 길이 측정부(50)를 포함하여 구성된다.

본 발명에서의 충격 반향 기법은 길이를 알고자 하는 방향으로 랜스에 대하여 충격파를 주는 형식으로 가진하고, 동일 방향에서의 파의 전달을 감진하는 방식으로 이루어진다. 여기에서 대상체의 탄성파 속도 및 길이에 따라 그 공진 주파수는 달라질 것이며 그러한 사항을 고려하여 적절한 사양의 가진기(10) 및 감진부(20)를 선택하여야 한다.

본 발명에서는 고주파 신호 획득을 위해서 감진부(20)로서 가속도계를 사용하며, 해당 가속도계에 대한 전원 공급 및 획득한 신호의 증폭 등을 위해 신호 조절부(30)를 사용하게 된다.

또한, 가진기(10)는 다양한 크기의 쇠구슬, 해머 등이 이용될 수 있다. 실제로 가진기(10)의 크기, 타격시 대상체에 닿은 면적에 따라 가진 주파수 영역이 결정되게 된다. 신호의 획득을 위한 신호 분석부(40)는 획득한 신호 영역 자료에 대해 주파수 해석이 실시간으로 가능한 장비를 사용하여야 한다. 이를 통해 가진과 동시에 공진 주파수를 확인할 수 있으며 실제 적용에 있어서 신속한 결과 확인 및 품질 관리를 할 수 있다. 본 발명의 실제 적용을 위한 시스템의 개요는 다음과 같다.

상기 가진원(10)은 손망치(Hammer)를 사용할 수 있다.

또한 상기 감진부(20)는 3방향 가속도계(Accelerometer)로서 PCB 356A33 을 사용할 수 있다.

또한 상기 신호 조절부(30)는 3채널을 사용하고 전원공급과 신호증폭이 가능한 신호 조절기(Signal Conditioner)로서 PCB 480B21 을 사용할 수 있다.

또한, 상기 신호 분석부(40)는 FFT(Fast Fourier Transform) 등의 특정 신호 처리가 가능한 신호 분석기(Dynamic Signal Analyzer)로서 애질런트(Agilent) 30670A 를 사용할 수 있다.

우선, 상기 가진기(10)에 대하여 보다 상세히 설명하면, 실제로 충격반향 기법 수행시 공진을 효율적으로 발생시키고 계측하기 위해서는 랜스의 양 끝단부에서 가진 및 감진을 하는 것이 바람직하다. 또한, 랜스의 종방향으로 충격파를 주기 위해서는 랜스의 끝단에서 가진기(10)로 종방향 타격을 하는 것이 가장 바람직하다.

하지만 현장 상황에서 랜스의 상단부는 랜스 조작을 위한 글러브(Glove)로 감싸여져 있으며 하단부는 용광로에 삽입되어 있다(도 2 참조). 따라서 랜스의 종방향으로 타격을 효율적으로 하기 위해서는 랜스 측면에 별도의 타격대(11)를 설치하여야 한다.

도 4에는 랜스 측면에 설치되는 타격대(11)의 다양한 예가 도시되어 있다.

상술한 바와 같이 가진기(10)를 통해 랜스에 대한 이상적인 타격이 불가능한 현장의 상황에서는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 클램핑형 타격대나 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 금속 조각을 용접한 용접형 타격대의 추가가 가능하다.

우선, 가진을 위한 타격대(11)를 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 랜스를 감싸며 조이는 방식의 클램핑형 타격대를 적용하는 경우, 실내 및 현장 적용 실험에서 클램핑형 타격대의 문제점이 발견되었다. 우선 설치 분해가 신속하지 못하였으며 타격 시 종방향 성분 외에 횡방향 성분도 다량 포함되어 결과에 영향을 주었다. 또한 랜스로 전달된 타격 에너지가 충분치 않았다. 이후 이런 클램핑형 타격대 외에 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 용접형 타격대를 적용하였다. 타격대를 랜스 측면에 용접하는 방식은 타격대와 랜스가 일체 거동을 하므로 충분한 타격 에너지가 랜스로 전달된다. 용접을 해야 하는 번거로움이 있으나 실제 현장에서 랜스 추가 연결시 용접이 필요하므로 특별한 추가 비용 없이 타격대 설치가 가능하다. 따라서 타격대(11)는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 금속편을 타격하기에 좋은 크기로 자른 뒤 랜스 측면에 직교하는 방향으로 용접하고, 이 타격대(11)를 가진기(10)로 타격하는 방식을 적용하였다.

다음으로, 상기 감진부(20)에 대하여 보다 상세히 설명하면, 가진기(10)의 타격시와 마찬가지로 종방향으로의 탄성파 전달을 정확히 계측하기 위해서는 감진부(20)를 대상체 양 끝단에 설치하는 것이 유리하다. 실제로 1차 모드 거동에서 양 끝단에서 응력파에 의한 변형이 가장 크다. 즉, 양 끝단에서 공진에 의한 신호 크기가 가장 크다.

하지만 상술한 가진기(10)의 타격 조건과 마찬가지의 이유로 해당 감진부(20)의 끝단 설치는 현장 여건상 불가능하다. 따라서 감진부(20)를 랜스 측면에 부착하여야 하는데 공진 신호를 잘 계측하기 위해서는 감진부(20)를 최대한 랜스 끝단에 위치시키는 것이 바람직하다. 일반적인 1방향 감진부(20)의 경우 접촉면에 직교하는 방향으로의 움직임을 감지하게 되어 있으므로 본 발명에서는 접촉면과 나란한 방향으로의 움직임을 효율적으로 감지할 수 있도록 3방향 가속도계를 이용하게 된다. 이때, 해당 감진부(20)는 3방향 모두를 계측하는 것이 아니라 3방향 가속도계에서 가진 방향 즉, 랜스와 나란한 종방향의 움직임만을 이용한다.

여기에서 감진부(20)와 랜스와의 접촉 상태도 감지 정도에 지대한 영향을 준다. 초기에는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 진공그리스(Vacuum Greese) 또는 믹스앤픽스(Mix&Fix) 같은 금속용 접착제 등을 이용하여 감진부(20)를 랜스에 부착하였으나 탈착이 번거롭고 랜스 측면에 부착해야만 하는 관계로 접촉이 쉽지 않았다. 다행이 랜스 재질이 자기장에 따라 내부 성질이 바뀌는 재질 즉, 자석이 붙는 재질이고 감진부(20)를 구성하는 가속도계 센서 또한 자석에 대한 간섭이 없어 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 자석 받침대(21)를 별도로 제작하여 감진부(20)를 랜스에 부착하는 방식을 적용하였다. 자석 받침대(21)의 적용으로 인해 감진부(20)의 원활한 탈부착이 가능해 졌으며 접촉력 또한 증대되어 감진부(20)의 감지 능력이 아주 크게 증대되는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 상기 신호 분석부(40)에 대하여 보다 상세히 설명하면, 상기 신호 분석부(40)는 상기 감진부(20)로부터 전달되어 온 시간 영역 신호를 도시하는 한편, FFT(Fast Fourier Transform) 등의 특정 신호 처리를 통해 그 결과를 바로 보여주게 된다. 해머 등의 가진기(10)에 의해 발생된 충격파는 랜스 내에서 일정 속도로 이동하게 되며 감진부(20)에서 이러한 충격파의 이동을 감지하고 그 세기에 따라 전압 값으로 변환하여 신호 분석부(40)로 전송한다. 상기 신호 분석부(40)는 단순히 감지기로부터 전송된 파형을 도시해주는 기능에서부터 실시간으로 여러 가지 신호 처리를 수행하여 그 결과를 도시해 주거나 가진기(10)에 일정 파형 정보를 제공해 주는 등 여러 가지 기능을 포함하고 있다. 본 발명에 따른 충격반향 기법에서의 신호 분석부(40)는 감진부(20)로부터 전달되어 오는 신호를 획득하고 이러한 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 도시해 주는 기능이 포함된 신호분석기로 이루어져야 한다. 본 발명에서 사용된 애질런트(Agilent)사의 35670A 모델(도 6 참조)은 엘리어싱 방지 여파기(Anti-Aliasing filter)를 포함하고 있으며 주파수 영역에서의 결과를 정확하고 신속하게 도시하여 준다.

다음으로, 상기 길이 측정부(50)에 대하여 보다 상세히 설명하면, 획득된 시간 영역 신호는 상기 신호 분석부(40)에서 바로 주파수 영역으로 변환하여 도시되며, 이를 통해 해당 길이 측정부(50)는 공진주파수를 검출할 수 있다.

일반적인 공진현상에 있어서 단순하게 FFT를 통한 주파수 영역 변환으로 공진 주파수를 쉽게 확인할 수 있지만, 경계 조건이 복잡하거나 공진이 지속되지 않는 상황에서 주변 잡음이 상당할 경우에는 공진 주파수가 두드러지지 않거나 잘못된 주주파수를 공진 주파수로 오인할 수 있다. 이럴 경우 주로 2가지 방안이 사용되는데 본 발명에 따른 길이 측정부(50)에서는 주파수 영역에서 중합(Stacking, Averaging)과 시간-주파수 해석을 사용하게 된다.

상기 중합은 주변의 불규칙한 잡음(Random Noise)은 줄여주고 규칙적인 신호(Signal)는 상대적으로 두드러지게 해 준다. 하지만 무작위 중합의 경우 잘못된 타격 등에 의해 생성된 이상 신호도 포함될 수 있어 최종 결과 값의 오류를 유발할 수 있다. 또한 불규칙한 잡음 외에 원하는 신호는 아니지만 타격에 의해 매회 발생하는 신호는 줄여줄 수 없는 근원적 문제가 있다. 그러므로 중합을 통해 도출된 결과 해석에 있어서는 주의가 필요하다.

다음으로 상기 시간-주파수 해석에는 다양한 방법이 있다. 그 중 가장 간단한 방법이 STFT(Short Time Fourier Transform)이다. 주파수 영역 변환에 있어 전체 시간 영역 신호를 한꺼번에 이용하는 것이 아니라 시간 블록을 구분하여 각 블록에 대해 FFT를 수행하게 되어 시간-주파수 영역에서 시간에 따른 주파수 영역 신호 변화를 도시하게 된다.

도 7에는 경계 조건에 따른 주파수 해석 결과가 도시되어 있다.

도 7의 (a)는 경계 조건이 단순한 상태에서 충격반향 기법을 적용한 결과이다. 이 경우 주파수 영역에서 주주파수 확인이 용이하며 이 주주파수가 공진주파수에 해당한다. 시간 영역 신호에서 시간에 따라 진폭의 감소가 거의 발생하지 않는 것을 볼 수 있으며 이는 현 상태의 감쇠계수가 작다는 것을 의미한다. 공진 주파수를 중심으로 하는 해당 주파수 영역의 폭은 해당 시스템의 감쇠계수를 반영한다. 따라서 이 경우 공진 주파수를 중심으로 그 폭이 작아 공진 주파수의 피크(peak)가 매우 두드러져 있다. 또한 시간-주파수 해석 결과에서 보듯이 전체 시간 영역에서 공진 신호가 지속적으로 이어지고 있어 주파수 영역에서 공진 주파수 외에 다른 주파수 에너지는 상대적으로 매우 작다.

도 7의 (b)는 경계 조건이 복잡한 상태에서 충격반향 기법을 적용한 결과이다. 이 경우 시간 영역 신호에서 보면 시간에 따라 진폭이 급감하여 나중에는 잡음 성분이 두드러지는 것을 볼 수 있다. 따라서 주파수 영역에서는 공진 주파수로 추정되는 주주파수 외에 다양한 주파수 성분이 존재하는 것을 볼 수 있다. 감쇠가 컸으므로 공진주파수의 피크 또한 상대적으로 두드러지지 않는 것을 볼 수 있다. 시간-주파수 해석 결과를 보면, 타격과 동시에 여러 성분의 신호가 들어오는 것을 볼 수 있는데 시간이 지나면서도 지속적으로 관찰되는 주파수가 시스템의 공진 주파수이다. 이러한 시간-주파수 해석도 공진 주파수의 올바른 추정을 위한 하나의 보조 수단일 뿐 항상 바른 값을 주지는 못한다. 측정의 성공 여부는 주파수 영역 신호에서도 충분히 확인이 가능하므로 본 발명에서는 주파수 영역 신호 분석을 기본으로 하였으며 시간-주파수 해석은 보조 수단으로 사용하게 된다.

실제로 양단 자유 조건에서 다중 반사에 의한 공진 형상은 다음과 같게 된다.

파가 진행되면서 양쪽의 자유 경계에서 위상 반전(Polarity Reversal)이 지속적으로 발생하며, 이 때 자유단 경계에서 획득한 파의 형태는 도 8과 같다. 도 8의 (a)는 양단 자유 조건에서의 파의 위상 변화를 도시하고 있고, 도 8의 (b)는 시간 영역 신호, (c)는 주파수 영역 신호를 도시하고 있다.

반사파의 주기가 너무 짧아 신호의 시간 영역에서 주기를 측정하기 어려울 경우 주파수 영역에서 주 주파수(Dominant Frequency) 획득을 통해 주기를 산정할 수 있다. 일반적으로 공진이 발생하는 시스템의 경우 주 주파수가 공진 주파수에 해당된다. 1차 모드에서 해당 구조물의 길이 혹은 두께는 공진주파수에 해당하는 파장의 반과 동일하므로(파장=2×구조물 길이, λ=2×T) 해당 구조물의 탄성파 전달 속도를 알 경우 다음의 수학식 1을 통해 해당 구조물의 길이를 산출할 수 있다.

여기에서, T 는 랜스의 길이이고, f 는 랜스의 공진 주파수이고, v 는 랜스 매질의 평균 탄성파 속도이다.

[실험예 1]

이제 실험예 1을 통해 랜스 길이를 추정하기 위한 입력값인 랜스의 겉보기 속도에 대한 실험 결과를 살펴본다.

도 9에 도시된 바와 같이, 겉보기 속도의 정확한 측정을 위해서 랜스를 이상적인 자유단 조건으로 놓고 서로 다른 길이의 랜스 3개에 대해서 충격 반향 기법을 적용하였다. 도 9의 (a)는 나무 받침대를 이용하여 양단 자유 조건을 맞추어 준 상태이고, 도 9의 (b)는 랜스 끝단에 감진부(20)를 부착하고 쇠구슬을 이용하여 가진한 상태이다.

이상적인 상태에서는 가진된 충격파가 랜스 내에서만 이동을 하므로 공진 현상이 발생하며, 따라서 주파수 영역에서 공진 주파수가 확연하게 관찰된다. 여기에서 획득한 신호에 대해 주파수 영역에서 도시된 결과 일례가 도 10에 도시되어 있다. 도 10의 (a)는 0.73 m 길이를 가진 랜스에 충격 반향 기법 적용 결과이고, 도 10의 (b)는 1.50 m 길이를 가진 랜스에 충격 반향 기법 적용 결과이다.

도 10을 살펴보면, 시간 영역에서 지속적으로 공진 신호가 이어지는 것을 볼 수 있으며, 이는 주파수 영역에서 주주파수로 확연하게 나타난다. 공진 주파수는 1차 모드에 이은 고차 모드까지 확인할 수 있다. 상술한 길이의 샘플 외에 모든 샘플에 대한 결과를 표 1에 정리하였다. 1차 모드에 대해 그 길이를 고려하여 랜스의 겉보기 속도를 산정하였다.

샘플	길이(m)	공진 주파수(Hz)	겉보기 속도(m/s)
A	0.73	3564	5203
B	1.50	1720	5160
C	3.00	856	5136
D	5.17	500	5170

상기 표 1에서 샘플 D의 경우는 랜스에 대한 2번의 용접이 있어 겉보기 속도가 용접 효과를 포함하게 된다.

각 샘플의 길이와 측정된 공진 주파수를 바탕으로 계산된 겉보기 속도는 약간씩 차이를 보인다. 샘플 D는 5.17m의 길이를 만들기 위해 2번의 용접을 실시하였는데 다른 샘플들과 거의 유사한 결과를 보였다. 현장에서 랜스의 일반적인 길이는 6 m 내지 9 m가 되는데, 랜스의 기본 길이가 3 m이므로 가동 중인 랜스는 2번 이상의 용접점이 포함된다. 사전 시험 결과에서부터 실제 랜스의 겉보기 속도가 길이가 따라 약간의 차이를 보인다. 랜스 길이 0.01 m의 차이, 공진주파수 1 Hz의 차이가 겉보기 속도 산정에 많은 영향을 주게 되므로 몇 십 m/s 내외의 속도 차이는 불가피한 오차라고 할 수 있다. 샘플 D의 길이를 추정하는데 있어 공진 주파수가 500 Hz인 가운데 겉보기 속도를 5100 m/s으로 할 경우 샘플 D의 길이가 5.10 m로 산정되고, 겉보기 속도를 5200 m/s로 할 경우 샘플 D의 길이가 5.20 m로 산정되는데, 이는 오차가 10 cm 이내인 것으로 허용할 수 있는 범위라고 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 현장 상황과 가장 유사한 상황인 샘플 D의 결과인 5170 m/s를 랜스의 겉보기 속도로 결정하였다.

[실험예 2]

다음으로 실험예 2를 통해 글러브 시스템의 영향에 대한 실험 결과를 살펴본다.

실제로, 현장에서 충격 반향 기법의 적용을 저해하는 요인 중 가장 큰 것은 상부 글러브 시스템이다(도 2 참조). 랜스의 탄성파 속도와 유사한 물체가 랜스에 닿을 경우 그 위치, 크기, 구속압 등에 따라 공진 주파수의 이동이 발생한다. 이는 이러한 경계 조건의 변화가 곧 공진과 관련된 시스템계의 변화를 의미하기 때문이다. 닿아 있는 물체가 크거나 구속압이 크게 작용될 경우 주 주파수(dominant frequency)가 아예 관찰되지 않기도 한다. 그러므로 랜스의 길이 측정을 위한 공진주파수 획득을 위해서는 랜스 주변부와의 접촉을 없애주는 것이 바람직하다.

도 11에 도시된 바와 같이, 글러브 내에서 랜스는 끝단부 오링, 상부 클램프, 하부 클램프 이렇게 총 3지점에서 접촉하게 된다. 도 11의 (a)는 글러브 시스템의 도면이고, (b)는 글러브 시스템의 사진이고, (c)는 글러브 시스템의 상부 오링 부분을 도시하고 있다.

글러브 시스템의 역할은 랜스를 조작하는데 있기 때문에 랜스와의 접촉은 피할 수 없다. 그러므로 접촉 부분에 탄성파 속도가 작은, 즉 임피던스 차이가 큰 물체로 덧댐으로써 랜스 내부에서 이동하는 충격파가 외부로 전달되지 않도록 해 주고자 하였다. 격리 재료로 우레탄, 나무 및 다양한 고무재질을 적용하여 보았다. 실내 실험에서 격리재로서 여러 가지 재료 중 강성이 큰 고무(B)가 가장 적당함을 알 수 있었다. 우레탄 같은 재질은 강성이 너무 커서 격리재로서의 역할을 못하였다. 강성이 작은 고무(A)는 구속압이 작을 경우는 격리재로서의 역할을 했지만 클램핑 장치를 조여 구속압을 높였을 경우 고무에 손상이 왔다. 또한 클램핑 장치를 조이는 정도에 따라 즉, 구속압에 따라 공진 주파수의 변화가 관찰되어 이 또한 격리재로서의 역할을 못하였다. 강성이 큰 고무(B)의 경우 클램핑 장치의 영향은 거의 없앨 수 있었다. 그리고 클램핑 장치를 조이는 정도에 따른 즉, 구속압 변화에 따른 공진 주파수의 변화도 거의 관찰되지 않았다. 실제 현장에서 적용시에는 상부 클램핑 장치에 고무 재질로 덧대기가 불가능하여 외부로 노출된 하부 클램핑 장치에만 고무 재질을 덧대었으며 대신 상부 클램프는 조이지 않는 것으로 글러브 시스템과 랜스를 격리하는 것으로 하였다. 산소부화공기가 외부로 새어 나오는 것을 막기 위한 끝단부 오링 부분은 재질이 고무이며 구속압이 거의 없어 영향이 크지는 않을 것으로 판단되었다.

도 12에는 본 발명에 따른 공진 주파수의 획득에서 글러브 시스템에 의한 영향을 줄이기 위해 랜스와 클램프의 접촉 부위에 고무판(12)을 덧대서 클램프를 격리시킨 상태가 도시되어 있다. 도 12의 (a)는 고무판(12)을 덧대지 않은 상태이고, 도 12의 (b)는 고무판(12)을 랜스와 클램프의 접촉 부위에 덧댄 상태를 나타내고 있다.

이와 같이 클램프로 인한 문제점과 고무판(12)을 덧대어 이러한 문제점을 해결한 예비시험 결과의 일례를 도 13에 도시하였다.

도 13의 (a)는 랜스에 클램프를 연결하기 전 즉, 이상적인 조건에서 표 1의 샘플 D에 충격반향 기법을 적용한 결과이다. 도 13의 (a)에서는 이상적인 조건이므로 교과서적인 결과가 도출되었다. 이 상태에서 클램프 장치를 도 12의 (a)와 같이 연결한 상태에서 충격반향 기법을 적용하였으며, 그 결과는 도 13의 (b)와 같다. 샘플 D의 공진 주파수는 500Hz 인데 그 근처에서 전혀 공진 주파수 후보를 찾을 수가 없다. 시간-주파수 해석 결과에서도 600Hz 이상에서는 3개의 공진 주파수를 관찰할 수 있지만 500Hz 근방에서는 전혀 공진 현상을 관찰할 수 없다. 이는 클램프 장치를 덧대면서 전체 시스템계의 변화가 온 것으로 랜스 내에서 탄성파의 이동이 원활하지 않음을 알 수 있다. 도 13의 (c)에는 고무판(12)을 덧대어서 클램프와 랜스를 격리시킨 상태에서 실험을 수행한 결과를 도시하였다. 이상적인 조건에서와 같이 공진 현상이 지속되지 않고 진폭이 감소하지만 주파수 영역 신호에서 500Hz의 공진 주파수를 확인할 수 있다.

현장에서 수행된 사전 예비 실험에서도 이러한 격리 방식이 기능을 올바르게 하는 것으로 나타났다. 격리물을 사용하지 않을 경우 뚜렷한 공진 주파수를 관찰할 수 없었지만, 격리물로 고무판(12)을 사용하고 하부 클램핑만 조였을 경우 공진 주파수가 뚜렷이 관찰되고 그 공진 주파수는 랜스 길이를 반영하고 있었다. 도 14에는 공장에서 실제 글러브에 랜스를 오링까지 삽입한 상태에서 충격 반향 기법을 적용한 결과를 도시하고 있다. 이때, 랜스는 노 안에 삽입하지 않았다.

[실험예 3]

다음으로 실험예 3을 통해 용광로 내부 광석 먼지 부착의 영향에 대한 실험 결과를 살펴본다.

실제 현장에서 광석 주입시 용광로 내부에서는 열폭풍에 의해 광석 먼지가 흩날리고 용탕이 튀게 되며, 이러한 것들은 랜스 외부에 부착(Build up)되어 랜스의 단면적을 증대시킨다. 일반적으로 충격 반향 기법에서 단면적의 변화는 무시할 수 있는 경우가 많다. 본 발명에서의 랜스는 속이 빈 파이프 형태로 그 두께가 매우 얇다. 그러므로 랜스의 두께에 비해 상당한 두께로 빌드업이 붙어있는 상황이라면, 그로 인해 공진 형상에 변화를 초래할 수 있다. 더구나 부착된 빌드업의 속도가 랜스와 차이가 날 경우 해당 부분은 단면적 비 등에 따라 그 평균값으로 반영될 것이다.

이에 대한 영향을 확인하기 위해 상기 표 1의 샘플 D(전체 길이 5.17m)의 끝단 1m에 석고를 평균 2cm 입혀 실험을 수행하였으며 그 결과를 아래의 표 2에 정리하였다.

실험 조건	공진 주파수	길이
샘플 C(길이 5.17 m)	500Hz	5.17 m
샘플 C의 끝단 1m 에 석고를 입힌 직후(굳기 전)	500Hz	5.17 m
샘플 C의 끝단 1m 에 석고를 입힌 직후(굳은 후)	472Hz	5.48 m

석고가 굳기 전에는 공진 주파수가 500Hz 로 변화가 없었으나, 석고가 굳은 후에는 472Hz 로 공진 주파수가 감소되었다. 석고가 굳기 전에는 랜스의 강성에 비해 석고의 강성이 매우 작기 때문에 석고에 의한 영향이 없지만, 석고가 굳어가면서 강성이 증대되었으며 전체 시스템의 변화를 주고 공진 주파수의 이동을 가져 온 것으로 보여진다.

이러한 상태는 대상체가 균질한 1층 구조가 아니라 2층 구조를 가지는 것이다. 이 경우 전체 길이를 제대로 산정하기 위해서는 단일층 기반으로 도출된 상술한 수학식 1이 아닌, 2층 기반의 다음 수학식 2를 이용할 수 있다.

상기 수학식 2에서 f 는 실험을 통해 획득한 전체 시스템의 공진 주파수이고, L₁, L₂ 는 각 부분(층)에 대한 길이이고, V₁, V₂ 는 각 부분(층)에 대한 탄성파 이동 속도이다.

단, 알고자 하는 것이 V₁, V₂, L₁, L₂ 중 어느 하나로, 다른 3개의 값은 알고 있어야 한다. 실내 실험에서는 식을 다음의 수학식 3과 같이 변형하여 V₂를 구하였다.

상기 수학식 3을 통해 산출된 V₂는 3956 m/s로 랜스의 속도 5170m/s에 비해 상당히 줄어든 것을 볼 수 있다. 실제 현장에서는 V₁, V₂, L₁을 아는 상황에서 L₂를 구하는 경우가 된다. V₁은 이미 알고 L₁은 현장에서 측정할 수 있다. 따라서 용광로 내부에서의 랜스의 탄성파 속도를 규명하는 것만 선행되면 된다.

이러한 2층 모델을 적용하지 않고 단순하게 1층 모델로 가정하고 5170m/s의 랜스 겉보기 속도, 472Hz의 공진주파수를 이용하여 수학식 1로 전체 길이를 산정하면 5.48m 가 된다. 이는 실제 길이에 비해 0.31m 크게 산정된 것으로 오차는 그다지 크지 않다. 즉, 전체 랜스 길이에 비해 용광로에 삽입된 길이가 크지 않다면 용광로 내부 상황에 의한 랜스 속도 변화에서 오는 오차 정도는 크지 않으리라 본다. 다행이도 용광로 내부에 위치하는 랜스 길이가 최장 1.5m 정도이며 보통 랜스 전체 길이는 6m 내지 9m로, 이는 전체 길이의 25%를 넘지 않는 상황이므로 속도값 변화가 아주 크지 않을 경우 1층 모델로 가정한다고 해도 그로 인한 오차는 크지 않을 것으로 판단된다.

[실험예 4]

다음으로 실험예 4를 통해 용광로 내부 열에 의한 랜스 탄성계수의 변화 영향에 대한 실험 결과를 살펴본다.

현장 조건에서 용탕의 온도는 섭씨 1300도 내외이나 랜스에서는 상온의 산소부화공기가 주입되어 섭씨 800도를 유지하고 있다고 한다. 금속의 경우 온도에 따라 강성의 변화가 있을 수 있다. 금속에 따라 그 정도는 다르며 SUS의 경우 섭씨 800도까지 탄성계수의 변화가 없기도 한다.

아래의 표 3은 SUS303 재질의 온도에 따른 물성치 변화를 나타낸다.

온도	탄성계수	최대 인장 강도	항복응력
21℃	193GPa	620MPa	240MPa
425℃	193GPa	420MPa	240MPa
540℃	193GPa	380MPa	235MPa
650℃	193GPa	310MPa	205MPa
760℃	193GPa	205MPa	145MPa
970℃	193GPa	140MPa	70MPa

또한, 아래의 표 4는 일반적인 파이프 재질의 온도에 따른 물성치 변화를 나타낸다.

온도	탄성계수	포아슨 비	열팽창 계수
100℃	205GPa	0.304	1.20E-5
200℃	200GPa	0.310	1.27E-5
300℃	190GPa	0.316	1.33E-5
400℃	185GPa	0.322	1.38E-5
500℃	175GPa	0.323	1.42E-5
600℃	160GPa	0.319	1.46E-5

랜스를 이루는 합금은 온도에 따른 탄성계수 변화가 규명되지 않았다. 실내 실험에서는 이러한 고온의 조건을 광범위하게 만들어주기에는 많은 어려움이 있으므로 현장에서 이러한 영향을 확인하여 보았으며 그 결과를 표 5 및 도 15에 정리하였다. 도 15에 나타난 온도 효과 검증 실험 결과에서는 온도가 올라가면서 공진 주파수는 작아지며, 다시 온도가 회복되면서 공진 주파수가 원래 값으로 돌아가게 됨을 알 수 있다.

실험 조건	공진 주파수	길이(m)
길이 5.7m의 랜스 용광로 삽입 전	468Hz	5.5	도 15의 (a)
랜스를 용광로에 1.2m 삽입한 직후	462Hz	5.6	도 15의 (b)
삽입 후 온도를 증가시킴	440Hz	5.9	도 15의 (c)
노에서 꺼내어 냉각 후	468Hz	5.5	도 15의 (d)

길이 5.7m의 랜스를 글러브에 고정시킨 뒤 노 밖에서 테스트 해 본 결과 공진주파수가 468Hz로 확인되었다. 겉보기 속도를 5170m/s로 했을 경우 그 길이가 5.5m로 산정되며 실제 길이와 거의 유사하다. 0.2m 차이가 나는 원인에 대해서는 정확히 규명하지는 못하였으나 입력값으로 사용한 겉보기 속도가 정확하지 않을 수도 있으며, 랜스 끝단이 깨끗하게 잘라진 상태가 아니라 길이가 정확하게 산정 되지 않았을 수도 있다. 노 안에 삽입한 직후 즉, 온도가 그다지 크게 올라가지 않았을 때 테스트한 결과는 공진 주파수가 약간 작아져 462Hz로 측정되었으며, 그 길이가 5.6m로 산정되었다. 조금 시간을 두고 온도를 충분히 올려 준 뒤 측정한 결과에서는 공진 주파수가 440Hz까지 내려갔으며 이러한 공진 주파수로 상술한 수학식 1을 이용하여 길이를 산정하면 길이가 5.9m가 된다. 실제 길이는 줄어들 수는 있지만 늘어날 수는 없는 상황이므로 이는 온도에 의해 랜스의 탄성파 이동 속도가 감소한 것을 의미하는 것이다. 상술한 수학식 3을 통해 온도가 올라간 상태에서 랜스의 속도를 계산해 보면 그 속도가 3939m/s로 상당히 내려간 것을 알 수 있다. 다시 상온에서 냉각 후 재실험한 결과에서는 초기치 값을 회복하는 것을 볼 수 있다.

온도가 올라갔을 때 최대 길이 오차는 0.4m로 7%에 이른다. 이러한 온도 증가에 의한 속도 감소는 빌드업 효과에 의한 속도 감소 효과와 맞물려 작용할 것이다. 실제 이러한 온도의 영향은 미세먼지 축척에 의해서 랜스가 용탕으로부터 보호되고 랜스 내부로 주입되는 상온의 산소부화공기로 인해 용광로 내부에서의 랜스 온도는 본 예비 실험 시보다는 작을 것으로 생각되며 따라서 그에 대한 영향 또한 예비 실험에서 나온 결과보다는 작을 것으로 판단된다.

[실험예 5]

다음으로 실험예 5를 통해 랜스 내로의 정광 및 산소부화공기의 주입 영향에 대한 실험 결과를 살펴본다.

랜스 내로의 정광 및 산소부화공기의 주입은 노이즈로 작용할 수 있다. 이러한 영향에 대해 정확한 조사가 필요하지만 정광은 분말 형태이므로 정광 및 산소부화공기 주입 시 그 잡음은 실험을 위해 망치로 타격판을 가격하여 발생한 충격 에너지에 비해 작을 것으로 추정된다. 그러므로 가동 중인 랜스에서 충격 반향 기법을 적용하는데 문제가 없을 것으로 판단된다. 본 발명에서 이러한 영향에 대해 직접적으로 비교하지는 않았으며 현장 적용 실험시에 이러한 영향은 무시할 수 있다고 판단된다.

상술한 실험예들을 통해 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다.

기본적으로 측정 대상체인 랜스는 두께가 얇은 파이프 형태이므로 공진과 관련하여 주변 접촉에 매우 민감하였다. 따라서 본 발명에 따른 충격 반향 기법을 적용하기 위해서는 주변 접촉으로부터 최대한 격리시키는 것이 중요하며, 본 발명에서는 하부 클램프에 고무판(12)을 덧댐으로써 이를 해결할 수 있었다.

또한, 가진기(10)를 통한 가진 시 가진을 위한 타격대(11)를 랜스에 설치하는 것이 필요하다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 타격대(11)는 금속편을 랜스의 측면에 직교하게 용접하는 것으로 구성되며, 해당 타격대(11)의 위치는 랜스의 상단부일수록 유리함을 확인할 수 있었다.

또한, 감진부(20)의 설치 시 해당 감진부(20)를 랜스의 측면에 부착하며, 자석 받침대(21)를 개재시켜 접촉력을 증대시키는 것이 유리함을 확인할 수 있었다. 그리고 측정하고자 하는 랜스 종방향과 감지 방향을 일치시키는 처리가 필요함을 확인할 수 있었다. 이러한 감진부(20)의 설치 위치는 랜스의 상단부일수록 유리함을 확인할 수 있었다.

또한, 신호 분석부(40)의 경우 BNC 라인을 이용하여 상기 감진부(20)와 연결되며, 해당 신호 분석부(40)를 주파수 해석에 맞추어 설정할 수 있다.

또한, 가진기(10)가 상기 타격대(11)를 타격할 때 해당 타격대(11)를 랜스의 길이 방향으로 타격하는 것이 유리하며, 타격 시 랜스에서 공진 발생음을 확인할 수 있어야 한다.

또한, 신호 분석부(40) 상에서 공진 주파수는 확인될 수 있으며, 시간 영역상에서 공진 파형을 확인할 수 있어야 한다. 신호 획득 시간이 너무 길 경우 공진 파형 외에 잡음이 많이 기록되어 공진 주파수가 두드러지게 관찰이 되지 않을 수 있으며, 신호 획득 시간이 너무 짧을 경우에는 공진 파형을 제대로 획득하지 못해 랜스의 공진 주파수를 제대로 찾지 못할 수 있다. 따라서 파형 및 주파수 영역 신호를 확인하면서 셋팅을 조절할 필요가 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 길이 측정부(50)에서는 시간 주파수 해석 등의 추가 신호 처리를 통해 신호 추가 분석을 할 수 있으며, 신호가 반복적이지 않거나 주변 잡음이 클 경우 중합을 실시하는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다. 그리고 용광로 내부의 고온 및 정광먼지의 흡착으로 인한 속도 저하가 관찰되었으므로 이러한 문제는 2층 모델로 유도된 식을 사용함으로써 그 오차를 줄일 수 있으며, 전체 랜스 길이에 비해 용광로 내부에 삽입된 랜스 길이가 작을 경우 이러한 속도 저하 문제로 인한 오차는 매우 작다는 것을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명이 적용되는 제련 공장의 공정도.

도 2는 본 발명의 측정 대상체인 랜스의 실제 배치도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충격반향을 통한 랜스 길이 측정 시스템을 설명하기 위한 개념도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 타격대의 설치예를 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 감진부의 설치예를 설명하기 위한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 감진부를 설명하기 위한 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단순 주파수 해석과 시간-주파수 해석 결과를 비교하기 위한 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 탄성파를 설명하기 위한 도면.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 랜스의 겉보기 속도 측정을 위한 실험 과정을 설명하기 위한 도면.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 실험에서 서로 다른 길이를 가진 샘플들에 대한 충격 반향 기법의 적용 결과를 설명하기 위한 도면.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 랜스와 글러브 시스템과의 접촉 상태를 설명하기 위한 도면.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 랜스와 클램프의 격리 과정을 설명하기 위한 도면.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 실험에서 클램프 격리 효과를 설명하기 위 한 도면.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다른 실험에서 클램프 격리 효과를 설명하기 위한 도면.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 실험에서 온도 효과를 설명하기 위한 도면.

Claims (8)

1. 건식제련에서 원료의 반응로 투입을 위해 상부가 글러브 시스템에 감싸여져 있고 하부가 용광로 내부에 삽입되게 설치된 랜스의 측정 시스템으로서,

   상기 랜스와 접촉하는 상부 글러브의 클램프와 랜스와의 접촉 부위에는 격리를 위한 고무판이 덧대어지고,

   상기 랜스의 측면에는 금속편을 용접한 타격대가 랜스 측면에 직교하는 방향으로 용접 설치되며,

   랜스의 타격대를 종방향으로 가진하기 위한 가진기;

   랜스의 측면에 부착되어 상기 가진기에 의해 가진되는 랜스의 길이방향 진동을 계측하는 감진부;

   상기 감진부가 계측한 진동의 시간 영역 신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 신호 분석부; 및

   상기 신호 분석부로부터 진동에 대한 주파수 영역 신호를 전달받아 주파수 영역 신호 분석을 통해 공진 주파수를 검출하고 랜스의 겉보기 속도와 해당 공진 주파수를 이용해 랜스의 길이를 측정하는 길이 측정부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스 길이 측정 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 감진부에 동작전원을 공급하고 감진부에서 계측된 진동 신호를 증폭하여 상기 신호 분석부로 전달하는 신호 조절부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 랜스 길이 측정 시스템.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 감진부는 3방향 가속도계로 이루어져 랜스의 길이방향 진동을 감지하게 되며, 자석 받침대에 의해 랜스의 측면에 탈부착 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 랜스 길이 측정 시스템.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 신호 분석부는 하기의 수학식에 의해 랜스의 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 랜스 길이 측정 시스템.

   [수학식]

   

   (상기 수학식에서, T 는 랜스의 길이이고, f 는 랜스의 공진 주파수이고, v 는 랜스의 겉보기 속도임)
7. 제 6항에 있어서,

   상기 랜스의 겉보기 속도는 5100 m/s 내지 5200 m/s 에서 결정되는 것을 특징으로 하는 랜스 길이 측정 시스템.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 신호 분석부는 측정 대상체인 랜스가 2층 구조일 경우 하기의 수학식에 의해 랜스의 길이를 측정하는 것을 특징으로 하는 랜스 길이 측정 시스템.

   [수학식]

   

   (상기 수학식에서, f 는 랜스의 공진 주파수이고, L₁, L₂ 는 각 층에 대한 길이이고, V₁, V₂ 는 각 층에 대한 겉보기 속도임)

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