KR101402748B1 - 가열로의 산소 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로의 산소 제어장치를 개시한다. 개시된 본 발명에 따르면, 가열로의 출구 측에 설치된 추출 도어의 개폐 동작을 감지하는 위치검출기; 상기 위치검출기의 신호를 받아 추출 도어의 개폐 시간을 지연시키는 지연기; 상기 추출 도어의 개폐 작동시 산소 농도의 선행제어 값을 조절하는 선행제어유닛;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열연 가열로의 도어 개폐시 선행 산소제어 기술을 통하여 가열로 내에 공급되는 공기량을 적절히 제어함으로써, 가열로에서 제품 추출시 산소 증가로 인해 제품에 스케일(Scale)이 생성되는 것을 방지할 수 있다.

Description

가열로의 산소 제어장치 및 제어방법{oxygen control apparatus and method of furnace}

본 발명은 가열로에 관한 것으로, 보다 구체적으로 열연 가열로의 도어 개폐시 유입되는 산소를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 제철소의 열연ㆍ압연 공정에서는 생산된 압연 대상인 가열 소재(슬래브 등)를 가열하기 위해 가열로가 사용되며, 통상 다수개의 가열로로 구성된 연속식 가열로가 사용된다.

기존에는 가열로에 가열 소재가 장입/추출되는 과정, 즉 장입 도어 및 추출 도어가 오픈되어 가열 소재가 장입/추출되는 과정에서 외부의 공기가 가열로 내부로 유입되기 때문에 로압이 저하된다.

이와 같이, 가열로 외부의 차가운 공기가 가열로 내부로 유입되면, 공기가 유입되는 위치의 분위기 온도가 떨어지고, 가열로 내의 산소 농도를 제어하기 어려워지기 때문에 연료원 단위의 상승을 야기하게 된다.

따라서, 가열 소재를 안정적으로 연소시키기 위해 가열로 내로 공급되는 산소의 농도를 제어하는 것이 중요하다.

예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 연소제어에 따른 연소 효율과 열 손실 그래프에 따르면, 과잉 공기량 m = 1.02∼1.10 사이일 때 최적 연소구간으로 열 손실이 적고, 연소효율은 높다고 알려져 있다.

산소 제어는 연소량에 따른 변화와 침입공기 등의 요인으로 인하여 발생하는 최적 연소구간의 이탈시 최적연소가 이루어질 수 있도록 연소 공기량을 가감하는 제어이다.

예컨대, 열연 가열로에서는 슬라브의 장입, 추출을 위해 장입 도어 및 추출 도어를 개폐하게 되는데, 이때 도 2와 같이 급격한 침입공기의 유입으로 산소센서의 측정치가 급격히 상승하는 문제점이 있었으며, 이를 해소하기 위해 종래에는 피드백 제어를 통해 산소농도를 제어하는 것이 일반적이었다.

그러나, 추출 도어는 가열로 1기당 6분 내외의 주기로 열리며, 추출 도어가 열리면 급격히 침입공기가 유입되지만 산소 측정치는 도리어 안정적인 모습을 보인다. 그런데, 추출 도어가 닫히는 시점부터 침입공기는 없어진 상태에서 산소 측정치가 급격히 상승하여 5∼6분 후에 안정적인 형태를 보이게 된다.

즉, 추출 도어가 열릴 때 침입공기가 다량 유입되고 있는데도, 산소농도제어는 정상적인 것으로 인식하고 연소공기를 줄이지 않다가, 추출 도어가 닫힐 때 침입공기가 없는데도 불구하고 연소공기를 줄이는 형태의 산소농도제어를 하게 되는 것이다.

이러한 산소제어는 공정상 아래와 같은 문제점을 야기할 수밖에 없다.

첫째, 측정물의 산소 농도를 나타내기 위하여 발생하는 계측기 자체의 검출지연이 존재한다. 검출지연이 없다고 알려진 TDLS(Tunable Diode Laser Spectrum)식 산소 분석계도 레이저 파장측정과 가열로 온도변화에 따른 내부 연산 등으로 지연시간이 존재한다.

둘째, 장입 도어나 추출 도어에서 유입된 다량의 침입공기가 산소센서까지 도달하는 시간 등 수많은 지연요소가 발생한다.

셋째, 산소 제어시 제어신호가 공기량을 가감하는 제어밸브에 도달하여 공기를 가감하기까지의 시간지연이 발생한다.

즉, 가열로의 장입 도어 및 추출 도어의 개폐는 2∼3분/1회 정도 발생하며, 이때 유입된 침입공기는 산소센서까지 지연되어 도달하고, 산소센서에서 지연되어 검출하며, 연소반응이 이루어진 후 산소센서에 도달하기까지 지연이 발생하여 산소제어 시 응답 특성이 늦어지는 문제가 있었다.

다시 말하면, 도어 개폐 시 대량의 침입공기가 유입되고, 측정기 위치에 침입공기가 도달하기까지의 1차적 지연과, 산소센서에서 측정에 따른 2차적 지연을 가지며, 또한 측정된 신호를 이용하여 적정 산소농도를 위한 연소제어를 실행한다 하더라도, 제어계가 동작하고 연소반응이 일어나기까지 3차적 지연이 수반된다.

따라서, 가열로 제어부하 및 침입 공기량을 고려한 설정치를 자동적으로 계산하고 관리하도록 제어한다고 하더라도 피드백(Feed Back) 제어에서는 한계를 가지게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 열연 가열로의 도어 개폐시 연소 환경변화에 따른 산소농도제어, 구체적으로는 가열로에 가열 소재인 슬라브의 장입 또는 추출시 급격하게 유입되는 침입공기로 인한 산소농도변화에 따른 산소농도제어에 있어서, 침입공기의 선행적 대응을 통한 연소환경의 안정을 도모할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가열로의 출구 측에 설치된 추출 도어의 개폐 동작을 감지하는 위치검출기; 상기 위치검출기의 신호를 받아 추출 도어의 개방 시간을 지연시키는 지연기; 상기 추출 도어의 개폐 작동시 산소의 선행제어 값을 조절하는 선행제어기;를 포함하는 가열로의 산소 제어장치가 제공된다.

본 실시예에 따르면, 상기 선행제어기의 온/오프를 선택할 수 있도록 한 선행제어 선택스위치를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 선행제어기는 상기 연소유닛에 공급되는 연료의 양을 합산하는 연료유량 합산기, 상기 연료유량 합산기에 입력되는 연료의 유량에 따라 함수를 발생하는 함수발생기를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 추출 도어의 개폐를 감지하는 단계; 산소의 선행제어 값을 입력하는 단계; 입력된 선행제어 값을 토대로 추출 도어의 지연 시간을 설정하는 단계; 추출 도어가 개방되면 지연기가 작동을 개시하고, 추출 도어가 폐쇄되면 추출 도어의 개폐신호를 설정된 지연 시간만큼 지연시키는 단계;를 포함하는 가열로의 산소 제어방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 열연 가열로의 도어 개폐시 선행 산소제어 기술을 통하여 가열로 내에 공급되는 공기량을 적절히 제어함으로써, 가열로에서 제품 추출시 산소 증가로 인해 제품에 스케일(Scale)이 생성되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 연소제어에 따른 연소효율을 나타낸 그래프.
도 2는 종래 기술의 연소제어에 따른 문제점을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로의 구성을 나타낸 개략도.
도 4는 도 3의 가열로를 이용하여 연소제어할 경우의 효율을 나타낸 그래프.
도 5는 추출 도어가 열릴 때, 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 산소변동폭을 비교한 그래프.

이하에서는, 본 발명에 의한 열연 가열로의 산소 제어장치 및 제어방법의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 가열로의 구성을 도시한 개략도이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연속식 가열로를 구성하는 각각의 가열로(1)는 가열로 본체(10), 연소제어기(20), 연소유닛(30), 온도제어유닛(40), 연료유닛(50), 연소공기유닛(60), 선행제어유닛(70)을 포함한다.

가열로 본체(10)는 가열 소재(슬라브)가 장입되는 입구 측의 장입 도어(11)와, 가열된 가열 소재가 추출되는 출구 측의 추출 도어(12), 가열 소재를 장입 도어(11)에서 추출 도어(12)로 이송하는 이송벨트(13)를 포함한다.

또한, 도시하지는 않았으나, 가열로 본체(10) 내에는 로압을 검출하는 로압 검출 센서, 로압 검출 센서에서 검출된 로압 신호를 후술하는 제어기로 전송하기 위해 신호를 발진하는 신호 발신기, 열 교환 기능을 하는 열 교환기, 개도율을 조절하여 가열로의 로압을 제어하는 댐퍼(damper)를 포함할 수 있다.

연소제어기(20)는 가열 소재를 가열하기 위해 필요한 각종 연산, 제어, 출력 등을 담당하게 된다.

연소유닛(30)은 이송벨트(13)를 통해 이송되는 가열 소재에 직접적으로 열을 가하는 것으로, 버너가 적용될 수 있다. 버너는 가열 소재를 가열하기 위해 가열로 본체(10) 내에 적절한 각도로 복수 구비된다.

온도제어유닛(40)은 가열로 본체(10)에 설치되어 가열로의 온도를 측정하는 복수의 온도계(41), 측정된 가열로의 온도를 제어하는 온도제어기(42)를 포함한다.

연료유닛(50)은 버너에 연료를 공급하기 위한 것으로, 연료 유량계(51), 연료 유량 조절기(52), 연료 유량 조절밸브(53), 연료 유량 차단밸브(54)를 포함할 수 있다.

연소공기유닛(60)은 연소에 필요한 공기를 버너에 공급하기 위한 것으로, 공기 유량계(61), 공기 유량 조절계(62), 공기 유량 조절밸브(63), 공기비 연산기(64)를 포함할 수 있다. 공기비 연산기(64)에는 산소검출기(65), 산소조절기(66), 산소제어 연산기(67)에 의해 검출된 데이터가 입력될 수 있다.

선행제어유닛(70)은 산소 농도의 선행 제어를 진행하기 위한 것으로, 추출 도어(12)의 개폐를 감지하는 위치검출기(71), 추출 도어(12)의 개방을 설정된 시간만큼 지연시키는 지연기(72), 산소 농도의 선행 제어를 진행하는 선행제어기(74), 산소 농도의 선행제어를 선택할 수 있는 선행제어 선택스위치(75)를 포함한다. 지연기(72)는 추출 도어(12)의 개방시 온 동작하고 추출 도어(12)의 폐쇄시 설정 시간만큼 지연된 후 오프 동작하는 지연스위치(73)를 포함할 수 있다.

선행제어유닛(70)은 산소의 선행제어를 위한 데이터를 산소제어 연산기로 출력한 후 공기비 연산기로 입력되도록 구성된다. 선행제어기(74)는 연소유닛에 공급되는 연료의 양을 합산하는 연료유량 합산기(76), 이 연료유량 합산기(76)에 입력되는 연료의 유량에 따라 함수를 발생하는 함수발생기(77)로 구성된 신호로부터 생성될 수 있다.

본 발명에 의한 열연 가열로의 산소 제어방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적인 연소제어 설비에서 이루어지는 연소제어에 있어서 산소 농도를 제어할 경우, 추출 도어(12)를 닫은 후에 가열로 내 산소가 증가하는 종래의 문제점을 해소하기 위하여, 위치검출기(71)를 통하여 추출 도어(12)의 개폐를 인식하는 단계와 추출 도어(12)의 위치 검출신호에 지연기(72)를 설치하여, 추출 도어(12)가 열렸을 때 내부 지연스위치(73)가 온 동작하고, 추출 도어(12)가 닫힌 후 내부 지연스위치가 지연기 시간만큼 지연된 후 오프 동작하도록 한다.

선행제어기(74)에서는 반복된 실험치를 이용하여, 적절한 선행제어 값을 입력하고, 입력된 값이 지연기(72)를 통해 동작한 내부 지연스위치(73)에 연동하여 동작하도록 구성된다.

즉, 추출 도어(12)가 열린 때부터 추출 도어(12)가 닫힌 후 일정 시간 지연되기까지, 지연스위치(73)가 온 동작하면 선행제어기(74)의 선행제어 값이 산소제어 연산기(67)에서 작동하도록 한다.

반대로, 추출 도어(12)가 닫히고 일정 시간 지연된 때부터 추출 도어(12)가 열릴 때까지, 지연스위치(73)가 오프 동작하면 선행제어기의 선행제어 값이 "0"이 되어 선행제어가 산소제어 연산기(67)에서 작동하지 않도록 한다.

선행제어기(74)의 선행제어 값은 일정한 값일 수도 있으며, 연소 부하량에 연동하는 함수의 형태로 구현할 수도 있다. 선행제어 값은 함수발생기(77)에서 출력된 값을 사용하는데, 연료유량 합산기(76)의 입력이 증가하면 적어지도록 함수발생기에서 함수를 발생하여 선행제어 값으로 입력된다. 연료유량 합산기(76)는 복수의 연료 유량이 있는 경우 사용하며, 연료 유량이 1개소만 있는 경우는 연료 유량계로 대체 가능하다.

한편, 선행제어 선택스위치(75)는 선행제어를 산소제어 연산기를 통해 연소제어에 사용하고자 하는 경우와 사용하지 않는 경우에 따라, 이용하고 싶은 경우는 온(ON)으로 선택하고, 이용하고 싶지 않은 경우는 오프(OFF)로 선택할 수 있도록 하여, 운전자가 선행제어의 적용 여부에 대하여 선택 가능하다.

1 ; 가열로 10 ; 가열로 본체
11 ; 장입 도어 12 ; 추출 도어
13 ; 이송벨트 20 ; 연소제어기
30 ; 연소유닛 40 ; 온도제어유닛
50 ; 연료유닛 60 ; 연소공기유닛
70 ; 선행제어유닛 71 ; 위치 검출기
72 ; 지연기 73 ; 지연 스위치
74 ; 선행제어기 75 ; 선행제어 선택스위치
76 ; 연료유량 합산기 77 ; 함수발생기

Claims (4)

1. 가열로 내에 투입되는 가열 소재를 연소유닛을 이용하여 가열하는 가열로에서,
   가열로의 출구 측에 설치된 추출 도어의 개폐 동작을 감지하는 위치검출기;
   상기 추출 도어가 개방되면 작동을 개시하고, 추출 도어가 폐쇄되면 추출 도어의 개폐신호를 설정된 시간만큼 지연시키도록 상기 위치검출기의 신호를 받아 추출 도어의 개폐 시간을 지연시키는 지연기;
   상기 추출 도어의 개폐 작동시 산소 농도의 선행제어 값을 조절하는 선행제어기;
   를 포함하는 가열로의 산소 제어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 선행제어기의 온/오프를 선택할 수 있도록 한 선행제어 선택스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 산소 제어장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 선행제어기는 상기 연소유닛에 공급되는 연료의 양을 합산하는 연료유량 합산기, 상기 연료유량 합산기에 입력되는 연료의 유량에 따라 함수를 발생하는 함수발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 산소 제어장치.
4. 추출 도어의 개폐를 감지하는 단계;
   산소의 선행제어 값을 입력하는 단계;
   입력된 선행제어 값을 토대로 추출 도어의 지연 시간을 설정하는 단계;
   추출 도어가 개방되면 지연기가 작동을 개시하고, 추출 도어가 폐쇄되면 추출 도어의 개폐신호를 설정된 지연 시간만큼 지연시키는 단계;
   를 포함하는 가열로의 산소 제어방법.

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