KR101875292B1 - 일렉트로 슬래그 재용해로 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ESR 작업을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 센서 등을 이용하여 ESR 작업과 관련된 데이터를 실시간으로 감시하고 이를 바탕으로 ESR 작업을 위하여 공급되는 전압을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
개시된 일렉트로 슬래그 재용해로(Electro-Slag Remelting Furnace) 제어장치는 일렉트로 슬래그 재용해로(이하 ESRF)로 공급되는 전압을 측정하는 전압계, ESRF에 흐르는 전류를 측정하는 전류계, 전극의 무게를 측정하는 제1 로드셀, 강괴의 무게를 측정하는 제2 로드셀을 포함하는 센서들을 제1주기 간격으로 샘플링하여 데이터를 수집하는 데이터수집부, 상기 데이터수집부에서 수집한 데이터를 바탕으로 전극의 용해속도를 추정하는 관리부, 미리 설정된 목표 용해속도와 상기 관리부에서 추정한 전극의 용해속도를 바탕으로 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 제어부, 및 상기 데이터수집부에서 수집한 데이터, 상기 관리부에서 추정한 용해속도, 및 상기 제어부에서 제어하는 전압의 크기 정보를 화면에 표시하고, 미리 설정된 알마 조건이 성립하는 경우 알람을 생성하는 모니터링부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극을 가능한한 많이 용해할 수 있도록 하여 줌으로써 작업의 효율성을 극대화할 수 있고, 전극의 용해 속도를 최적 제어함으로써 고품질의 강괴를 얻을 수 있는 효과를 가진다.

Description

일렉트로 슬래그 재용해로 제어 장치 및 방법{Control Apparatus and Method for Electro-Slag Remelting Furnace}
본 발명은 ESR 작업을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 센서 등을 이용하여 ESR 작업과 관련된 데이터를 실시간으로 감시하고 이를 바탕으로 ESR 작업을 위하여 공급되는 전압을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일렉트로 슬래그 재용해(Electro-Slag Remelting: 이하 ESR로 통칭함)법은 고급 합금강이나 슈퍼 알로이의 순도와 응고 조직을 좋게 하기 위하여 이용하는 일종의 정련법이다.
도 1은 ESR법을 실행하는 일렉트로 슬래그 재용해로의 간략도이다.
도 1을 참조하면, ESR법은 정련하려는 합금을 상부의 전극(electrode; 170)으로 만들고, 수냉동형(water cooled mold; 160, 165) 속에서 용해되어 있는 용융 슬래그(190) 속에 침전시켜 상부의 전극(170)과 하부의 강괴(ingot; 180) 사이에 큰 전류를 흐르게 하여 슬래그에서 발생하는 줄 열로 상부의 전극(170)을 용해해 적하시킨다. 그러면 전극(170) 중의 불순물이나 게재물 등이 슬래그 중에 흡수되고 깨끗한 합금 성분만이 아래에 적하되고, 수냉동형(160, 165))에 의해 응고되어 고품질의 강괴를 얻을 수 있다.
즉, 종래의 전기로와 정련로의 제강, 정련 공정을 고쳐 재래식 강괴를 만들면, 자연냉각에 의해 응고되기 때문에, 응고속도의 조정에 어려움이 따르고 화학성분의 편석, 불균일한 조직과, 비금속 게재물의 제어가 어려워, 최종 제품의 기계적 성질에 악영향을 미친다. 이에 반하여 ESR법은 응고속도를 강괴의 특성에 맞게 조절하는 것이 가능하여, 재래식 강괴에서 발생하는 성분 및 조직 불균일성과 비금속 개재물을 최소화할 수 있어 고품질의 강괴를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
ESR법에서의 전극(170)을 녹이는 열원은 용융 슬래그(190)의 줄 열에 의한 것이므로 슬래그의 전기전도도는 조업의 중요한 인자가 된다. 또한, 용융 슬래그(190)에 의한 정련효과는 성분조성에 따라 좌우될 수 있기 때문에, 탈황을 하기 위해서는 CaO를 많이 함유한 슬래그나, 합금원소의 실효율 안정화나 탈산 산화방지를 위해서는 FeO, MnO, SiO2 함량이 적은 슬래그가 좋다.
ESR법을 실행하기 위한 일렉트로 슬래그 재용해로(Electro Slag Remelting Furnace; 이하 ESRF)의 주요설비는 전원공급장치(110), 전극승강장치(120), 수냉동형(160, 165), 제어장치(100) 등으로 구성되며 전극승강장치(120)는 램(130)과 접착부(140)를 통해 전극(170)과 연결될 수 있다. 전극(170)과 접착부(140)는 납땜에 의하여 서로 연결될 수 있다. 전원공급장치(110)는 AC 전원을 공급하는데 AC 전원의 (-)단자는 접착부(140) 또는 램(130)과 연결되고, (+)단자는 시작판(start plate; 150)에 연결된다. 이에 의하여 시작판(150), 강괴(180), 용융 슬래그(190), 전극(170), 접착부(140)가 연결되며 전류가 흐를 수 있는 폐회로가 될 수 있다.
이와 같은 ESR법에 있어서 가장 중요한 요소는 용해의 제어로, 소정의 용해속도가 되도록 전압 또는 전류를 설정하고, 전극의 강하속도를 조절할 필요가 있다. 또한, 가능한 한 많은 양의 전극(170)이 용해될 수 있도록 전극(170)의 강하 정도를 제어할 필요도 있다.
그런데 종래의 ESR법에 의해서는 수냉동형(160) 안에서 전극(170)이 용해되고 온도 또한 아주 높기 때문에 얼마나 용해되었고, 얼마나 전극(170)이 강하되었는 지를 알 수 없어 많은 양의 전극(170)이 용해되지 않은 채 작업을 완료하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, ESRF에서의 전극의 용해를 최대화할 수 있고, 용해속도를 제어하기 위한 감시 및 제어 장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 해결하기 위하여 본 발명에서 제시하는 일렉트로 슬래그 재용해로(Electro-Slag Remelting Furnace) 제어장치는 일렉트로 슬래그 재용해로(이하 ESRF)로 공급되는 전압을 측정하는 전압계, ESRF에 흐르는 전류를 측정하는 전류계, 전극의 무게를 측정하는 제1 로드셀을 포함하는 센서들을 제1주기 간격으로 샘플링하여 데이터를 수집하는 데이터수집부, 상기 데이터수집부에서 수집한 데이터를 바탕으로 전극의 용해속도를 추정하는 관리부, 미리 설정된 목표 용해속도와 상기 관리부에서 추정한 전극의 용해속도를 바탕으로 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 제어부, 및 상기 데이터수집부에서 수집한 데이터, 상기 관리부에서 추정한 용해속도, 및 상기 제어부에서 제어하는 전압의 크기 정보를 화면에 표시하고, 미리 설정된 알마 조건이 성립하는 경우 알람을 생성하는 모니터링부를 포함할 수 있다.
좀 더 상세히 설명하면, 상기 관리부는 상기 제1 로드셀을 제1주기 간격으로 샘플링하여 획득한 전극의 무게 데이터를 바탕으로 전극의 용해속도 = (이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게 - 현 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기)에 의하여 전극의 용해속도를 추정할 수 있고, 이에 더하여 강괴의 무게를 측정하는 제2 로드셀을 제1주기 간격으로 샘플링하여 강괴의 무게 데이터를 수집하고, 수집한 강괴의 무게 데이터를 바탕으로 강괴의 성장속도= (현 샘플링 시간에서 획득한 강괴의 무게 - 이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기)에 의하여 강괴의 성장속도를 추정하고, 강괴의 성장속도와 상기 전극의 용해속도를 비교하여 동일 또는 유사(차이가 1% 이내)한 경우에만 상기 전극의 용해속도를 전극의 용해속도로 추정할 수 있다.
그리고 상기 제어부는 상기 관리부에서 추정한 전극의 용해속도가 미리 설정된 목표 용해속도보다 큰 경우에는 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 낮추고, 상기 관리부에서 추정한 전극의 용해속도가 미리 설정된 목표 용해속도보다 작은 경우에는 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 높이도록 제어할 수 있는데, 일 실시 예로 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기(Vn)를 Vn=Vn -1 + a × Vn -1 ×(목표 용해속도-전극의 용해속도)/(목표 용해속도) (여기서, a는 0과 1 사이의 값을 가지는 미리 설정된 파라미터이고, Vn -1은 이전 설정 시간에서 설정된 공급하는 전원의 전압이고, Vn은 이번 설정 시간에서 설정할 전원의 전압)을 이용하여 구할 수 있다.
또한, 추정한 전극의 용해 속도의 신뢰도를 높이기 위하여 상기 관리부는 상기 전압계와 상기 전류계를 제1주기 간격으로 샘플링하여 획득한 전압(Vn)과 전류(In)를 바탕으로 전력(Wn = Vn×In)을 계산하고, 각 샘플링 시간에서의 전력과 추정한 용해 속도 사이의 상관관계에 대한 선형회귀분석을 수행하여 1차 회귀식을 계산하는 기능을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 1차 회귀식을 바탕으로 목표 용해 속도를 달성할 수 있는 전력을 결정하고, 결정된 상기 전력에 따라 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어할 수 있다.
전술한 목적을 해결하기 위하여 본 발명에서 제시하는 일렉트로 슬래그 재용해로(Electro-Slag Remelting Furnace; 이하 ESRF) 제어장치에서 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 방법은 센서를 이용하여 전극의 무게, ESRF에 공급되는 전압, ESRF에 흐르는 전류 관련 정보를 제1주기 간격으로 샘플링하여 수집하는 단계, 상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도 및 전력을 계산하는 단계, 계산된 상기 전극의 용해 속도 및 전력을 바탕으로 회귀분석을 수행하여 추정 용해 속도와 전력 간의 1차 회귀식을 계산하는 단계, 상기 1차 회귀식을 바탕으로 목표 용해 속도를 달성할 수 있는 전력을 결정하는 단계, 및 결정된 상기 전력에 따라 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 단계를 포함할 수 있고, 또 다른 방법으로서 센서를 이용하여 전극의 무게, ESRF에 공급되는 전압, ESRF에 흐르는 전류 관련 정보를 제1주기 간격으로 샘플링하여 수집하는 단계, 상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도를 계산하는 단계, 상기 추정 용해 속도와 미리 설정된 목표 용해 속도와의 차이를 계산하는 단계, 및 상기 차이를 바탕으로 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도를 계산하는 단계는 전극의 용해속도 = (이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게 - 현 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기)에 의하여 계산하는 단계를 포함할 수 있고, 계산된 전극의 용해속도에 대한 신뢰도를 높이기 위하여 센서를 이용하여 강괴의 무게 관련 정보를 제1주기 간격으로 샘플링하여 수집하는 단계를 더 포함하고,
상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도를 계산하는 단계는 강괴의 성장속도 = (현 샘플링 시간에서 획득한 강괴의 무게 - 이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기) 에 의하여 강괴의 성장속도를 계산하는 단계 및 상기 강괴의 성장속도와 상기 전극의 용해속도를 비교하여 동일 또는 유사(차이가 1% 이내)한 경우에만 상기 전극의 용해속도를 전극의 용해속도로 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 단계는 Vn=Vn -1 + a × Vn-1 ×(목표 용해속도-전극의 용해속도)/(목표 용해속도) (여기서, a는 0과 1 사이의 값을 가지는 미리 설정된 파라미터이고, Vn -1은 이전 설정 시간에서 설정된 공급하는 전원의 전압이고, Vn은 이번 설정 시간에서 설정할 전원의 전압) 에 의하여 결정된 전압의 크기를 공급하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전극을 가능한 한 많이 용해할 수 있도록 하여 줌으로써 작업의 효율성을 극대화할 수 있고, 전극의 용해 속도를 최적 제어함으로써 고품질의 강괴를 얻을 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 ESR법을 실행하는 일렉트로 슬래그 재용해로의 간략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 ESRF를 감시하기 위한 센서를 포함하는 제어장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치(200)의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력과 용해속도의 상관관계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 ESRF에 공급되는 전원의 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 ESRF에 공급되는 전원의 제어 방법을 도시한 도면이다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 ESRF를 감시하기 위한 센서를 포함하는 제어장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ESRF를 감시 및 제어하기 위한 제어장치(200)는 전압계(400), 전류계(300), 및 2개의 로드셀(load cell; 500, 600)로부터 측정한 데이터를 수집할 수 있다. 로드셀(500, 600)은 측정한 힘에 비례하는 크기의 전기적 신호를 생성하는 장치로서, 본 발명에서는 전극(170)의 무게 측정 및 강괴(180)의 무게를 측정할 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, ESRF에서는 전극(170)을 용해하여 강괴(180)를 생산하기 때문에 ESRF에서의 작업이 진행되면서 전극(170)의 무게는 줄어들고, 강괴(180)의 무게는 증가할 수 있다.
따라서, 전극(170)의 줄어드는 무게와 강괴(180)의 증가하는 무게를 측정하여 전극(170)의 용해 속도 등을 계산할 수 있다.
전압계(400)와 전류계(300)는 ESRF에 가해지는 AC전압의 RMS(Root Mean Square) 값 및 ESRF에 흐르는 AC 전류의 RMS 값을 측정할 수 있다.
전압계(400), 전류계(300), 및 로드셀(500, 600)에서 측정된 데이터는 실시간으로 제어장치(200)로 전달될 수 있다.
제어장치(200)는 수신한 측정 데이터를 바탕으로 ESRF의 상태 및 전극(170)의 용해 속도 등을 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어장치(200)의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 제어장치(200)는 데이터수집부(210), 모니터링부(220), 관리부(230), 제어부(240)를 포함할 수 있다.
데이터수집부(210)는 전류계(300), 전압계(400), 로드셀(500, 600), 및 온도계(미도시) 등을 포함하는 센서들을 이용하여 ESRF의 상태 관련 데이터를 수집할 수 있다. 데이터수집부(210)는 제1주기로 센서 측정 값을 샘플링하여 저장소(미도시)에 저장할 수 있다. 이때 샘플링한 시간에 대한 정보도 함께 저장할 수 있다. 또한, 제1주기보다 긴 일정 주기마다 센서별로 샘플링한 값의 평균, 분산 등을 계산하여 저장소에 저장할 수도 있다.
관리부(230)는 데이터수집부(210)에서 수집한 데이터를 바탕으로 전극(170)의 용해속도를 추정할 수 있다. 좀 더 상세히 살펴보면, 전극(170)의 용해속도는 매 1분마다 전극(170)의 무게를 측정하는 로드셀(500)을 샘플링한 값을 이용하여 다음 식과 같이 구할 수 있다.
R = Wn -1 -Wn
여기서 R은 용해속도를 나타내고, Wn 은 현재 시각에 로드셀(500)을 샘플링한 값이고, Wn -1은 1분 전에 로드셀(500)을 샘플링한 값이다. 전극(170)의 무게를 측정하는 로드셀(500)을 이용하여 구한 용해속도는 강괴(180)의 무게를 측정하는 로드셀(600)을 이용하여 추가로 검증할 수 있다. 즉, 로드셀(500)의 순간적이 오동작에 의한 잘못된 값이 읽혀질 수 있는 상황을 최소화하기 위하여 강괴(180)의 무게를 측정하는 로드셀(600)을 이용하여 다음 식과 같이 강괴의 성장속도(R1)를 구할 수 있다.
R1 = W1n -W1n -1
여기서 W1n 은 현재 시각에 로드셀(600)을 샘플링한 값이고, Wn -1은 1분 전에 로드셀(600)을 샘플링한 값이다. 전극(170)의 경우에는 시간이 지날수록 무게가 감소하지만, 강괴(180)의 경우에는 시간이 지날수록 무게가 증가한다.
그리고 R과 R1이 거의 유사한 값을 가지는 경우 R을 용해속도로서 타당하게 추정되었다고 볼 수 있다. 만약 R과 R1이 어느 정도 차이가 난다면 둘 중의 하나 이상이 오동작한 것일 수 있으므로, R을 용해속도로서 추정하지 않을 수 있다.
이렇게 관리부(230)는 2개의 로드셀(500, 600)을 샘플링한 값을 바탕으로 용해속도에 대하여 좀 더 정확하게 추정할 수 있다. 또한 관리부(230)는 정확하게 추정된 용해속도를 바탕으로 작업 완료 시점을 추정할 수 있다. 즉, 슬래그(190)의 열이 접착부(140)에 영향을 주어 손상을 주기 전에 작업을 완료할 필요가 있다. 이를 위하여 용해 속도에 따른 전극(170)의 하강 속도를 구할 수 있고 이를 바탕으로 작업을 완료할 정확한 시점을 구할 수 있어, ESRF의 작업 효율을 기존의 감으로 하던 것에 비하여 훨씬 증대시킬 수 있을 것이다.
일반적으로 용해속도는 전압과 전류의 곱인 전력에 비례한다. 그래서 관리부(230)는 데이터수집부(210)에서 수집한 데이터를 바탕으로 전력과 용해속도의 상관관계를 나타낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력과 용해속도의 상관관계를 도시한 도면이다.
도 4에서의 상술한 제1주기 동안의 전류계(300) 및 전압계(400)에서 측정한 값을 이용하여 전력을 구하고, 상술한 바처럼 용해속도를 구하여 각 점을 찍은 것이다. 그리고 이러한 점들을 이용하여 선형회귀분석을 수행할 수 있다. 선형회귀분석은 종속변수(도 4에서는 용해속도)와 한 개 이상의 독립변수(도 4에서는 V×I(전력))와의 선형 상관관계를 모델링하는 회귀분석기법이다.
도 4의 점들에 대한 선형회귀분석을 통해 구한 1차 선행 회귀식은 다음과 같을 수 있다.
Rm=0.02V×I-420
여기서, Rm는 모델링된 용해속도이고, V와 I는 각각 전압과 전류를 나타내고, V×I 는 전압과 전류를 곱한 전력을 나타낸다.
전술한 선형회귀분석은 작업 환경이 변하는 시간대 별로 별도로 분석할 수도 있다. 일 예로 ESRF가 작업을 시작하는 초기 시간에는 슬래그(190)의 온도가 원하는 정상상태의 온도로 올라갈 때까지 높은 전력을 가하더라도 용해속도가 낮을 수 있다. 그러므로 이러한 상황을 반영하여 초기 시간대의 1차 회귀식과 정상 시간대의 1차 회귀식을 별도로 구하여 제어 시에 적용할 수도 있다.
제어부(240)는 전원공급장치(110)가 공급하여야 할 전압과 전류를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(240)는 전극승강장치(120)에 의한 전극(170)의 강하속도를 제어할 수 있다. 이러한 제어의 주기는 상술한 제1주기보다 큰 미리 설정된 제2주기일 수 있다.
일 실시 예로 제어부(240)는 정적 제어를 할 수 있는데 목표 용해속도를 설정하고, 관리부(230)에서 회귀분석에 의해 구한 모델링을 바탕으로 목표 용해속도를 제공할 수 있는 전압과 전류를 결정하고, 이에 따라 전원공급장치(110)가 전원을 인가하도록 제어할 수 있다. 또한 전극승강장치(120)가 목표 용해속도에 맞추어서 전극(170)을 하강할 수 있도록 제어할 수 있다. 이때 만약 초기상태와 정상상태에 대하여 별도의 회귀분석을 통한 모델링이 되어 있는 경우에는 각 상태에 맞추어 초기상태에서는 초기 상태의 모델링을 바탕으로 목표 용해속도를 제공할 수 있는 전압과 전류를 결정하고, 정상상태에서는 정상 상태의 모델링을 바탕으로 목표 용해속도를 제공할 수 있는 전압과 전류를 결정하고, 이에 따라 전원공급장치(110)가 전원을 인가하도록 제어할 수 있다.
또 다른 일 실시 예로 제어부(240)는 동적 제어를 할 수 있는데 데이터수집부(210)에서 로드셀(500, 600)을 이용하여 실시간으로 획득하는 무게 정보를 이용하여 구한 용해속도를 목표 용해속도와 비교하여 목표 용해속도보다 작은 경우에는 전원공급장치(110)가 더 높은 전원을 인가하도록 제어하고, 목표 용해속도보다 높은 경우에는 전원공급장치(110)가 더 낮은 전원을 인가하도록 제어할 수 있다. 이때에 더 높이거나 낮추는 전원의 크기는 목표 용해속도와 관리부(230)에서 추정한 용해속도 간의 차이에 비례하도록 설정할 수 있다. 일 예로서 다음과 같이 공급하는 전원의 크기를 정할 수 있다.
Vn=Vn -1 + a × Vn -1 × (목표 용해속도-전극의 용해속도)/(목표 용해속도)
여기서, a는 0과 1 사이의 값을 가지는 파라미터로서 전극의 용해속도와 목표 용해속도의 차이가 아주 작은 경우라도 Vn -1 에 의하여 변화량이 크게 변하게 되는 것을 방지하기 위한 것이다. Vn -1은 이전 설정 주기에서 설정된 공급하는 전원의 전압이고, Vn은 이번 설정 주기에서 설정할 전원의 전압이다.
상술한 동적 제어를 통해 목표하는 용해속도를 추종하면서 공급하는 전원의 전압 크기를 바꾸어 줌으로써 정상 상태에서 목표 용해속도를 달성할 수 있다.
모니터링부(220)는 관리자에게 ESRF의 상태를 보여주기 위하여 데이터수집부(210)에서 수집한 데이터 및 관리부(230)에서 생성한 데이터를 사용할 수 있다.
즉 모니터링부(220)는 센서를 통해 데이터수집부(210)에서 수집한 데이터 및 관리부(230)에서 생성한 데이터를 표 형태로 화면에 표시하여 관리자가 ESRF의 상태 및 진행 현황을 파악하도록 할 수 있다. 또는 모니터링부는 관리자의 인식도를 높이기 위하여 그래프 형태로 화면에 표시할 수도 있다.
또한 모니터링부(220)는 목표 용해속도와 전극의 용해속도를 시간순으로 표시하고, 제어부(240)에 의해 제어되는 전압의 크기를 표시함으로써 제어 로직의 동작을 관리자가 직관적으로 알 수 있도록 할 수 있다.
또한 모니터링부(220)는 다양한 알람을 설정하여 알람 조건이 성립하는 경우 관리자에게 경고할 수 있다. 알람의 몇 가지 실시 예로 전극(170)이 슬래그(190)와 접촉하지 아니하여 전류가 흐르지 않는 경우 또는 전압이 걸리지 않는 경우, 전극(170)의 용해가 거의 완료된 경우, 슬래그의 온도가 일정값 이하로 떨어진 경우, 제어장치(200)에 의한 제어값이 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우 등을 상정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 ESRF에 공급되는 전원의 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제어장치(200)의 데이터수집부(210)는 ESRF에 부착되어 있는 센서들을 이용하여, 전류, 전압, 전극(170)의 무게, 강괴(180)의 무게와 관련된 정보를 일정 주기로 샘플링하여 수집(S100)할 수 있다. 여기서 일정 주기는 1분일 수 있다.
그리고 관리부(230)는 수집한 정보를 바탕으로 용해 속도 및 전력을 계산(S110)할 수 있다. 용해속도는 전극(170)의 무게 변화를 주기로 나누어서 구할 수 있다. 용해속도의 단위는 그램 포스/분(gf/min)일 수 있으며, 전극(170)의 무게 변화는 이전 샘플링 시간에서 측정한 전극(170)의 무게에서 현 샘플링 시간에서 측정한 전극(170)의 무게이고, 주기의 단위는 분(min)일 수 있다. 그리로 전력은 측정된 전류(I)와 전압(V)을 곱한 값일 수 있다. 즉, 전력(W)=V×I이고, 단위는 와트(W)이다.
그리고 강괴(180)의 무게는 전극(170)의 무게로부터 구한 용해속도의 신뢰도를 높이기 위하여 추가로 사용될 수 있다. 즉 강괴(180)의 무게 변화를 이용하여 강괴의 성장속도를 추정할 수 있고, 이때 추정된 강괴의 성장속도와 전극(170)의 무게 변화를 이용하여 추정한 전극의 용해속도를 비교하여 전극의 용해속도의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
매 샘플링 시간에서 측정하여 계산된 용해 속도 및 전력을 복수 개 모아서 선형 회귀분석을 수행할 수 있다. 선형회귀분석은 종속변수(용해속도)와 한 개 이상의 독립변수(전력)와의 선형 상관관계를 모델링하는 회귀분석기법이다. 이와 같은 선형 회귀분석을 통해 관리부(230)는 전력과 용해속도 간의 1차 회귀식을 추정(S120)할 수 있다.
그리고 1차 회귀식을 바탕으로 제어부(240)는 목표 용해 속도를 행할 수 있는 전력을 결정(S130)하고, 결정된 전력을 바탕으로 전원공급장치(110)가 필요한 전원을 공급하도록 제어할 수 있다. 일 실시 예로서 결정된 전력이 Wn+1이라고 하면 공급하여야 할 전압(Vn + 1)은 Vn +1=sqrt(Wn+1 × Rn)로 구할 수 있다. 여기서 sqrt는 루트(square root)를 의미하고, Rn는 계산된 저항값으로 Rn=Vn/In으로 구할 수 있다. 여기서 Vn과 In은 각각 n번째 샘플링시간에서 측정된 전압과 전류이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 ESRF에 공급되는 전원의 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제어장치(200)의 데이터수집부(210)는 ESRF에 부착되어 있는 센서들을 이용하여, 전류, 전압, 전극(170)의 무게, 강괴(180)의 무게와 관련된 정보를 일정 주기로 샘플링하여 수집(S200)할 수 있다. 여기서 일정 주기는 1분일 수 있다.
그리고 관리부(230)는 수집한 정보를 바탕으로 추정 용해 속도를 계산(S210)할 수 있다. 전극의 용해속도는 전극(170)의 무게 변화를 주기로 나누어서 구할 수 있다. 용해속도의 단위는 그램 포스/분(gf/min)일 수 있으며, 전극(170)의 무게 변화는 이전 샘플링 시간에서 측정한 전극(170)의 무게에서 현 샘플링 시간에서 측정한 전극(170)의 무게이고, 주기의 단위는 분(min)일 수 있다.
그리고 강괴(180)의 무게는 전극(170)의 무게로부터 구한 용해속도의 신뢰도를 높이기 위하여 추가로 사용될 수 있다. 즉 강괴(180)의 무게 변화를 이용하여 강괴의 성장속도를 추정할 수 있고, 이때 추정된 강괴의 성장속도와 전극(170)의 무게 변화를 이용하여 추정한 전극의 용해속도를 비교하여 전극의 용해속도의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
전극의 용해속도를 계산한 후에 목표 용해 속도와 비교하여 그 차이를 계산(S220)한다. 이때 목표 용해 속도보다 전극의 용해속도가 큰 경우 (-)값을 가질 수 있다. 그리고 계산된 차이를 바탕으로 공급할 전압을 결정(S230)하고, 결정된 전압을 공급(S240)할 수 있다.
일 예로서 다음과 같이 공급하는 전원의 크기를 결정할 수 있다.
Vn=Vn -1 + a x Vn - 1 x ((목표 용해속도-전극의 용해속도)/목표 용해속도))
여기서, a는 0과 1 사이의 값을 가지는 파라미터로서 전극의 용해속도와 목표 용해속도의 차이가 아주 작은 경우라도 Vn -1 에 의하여 변화량이 크게 변하게 되는 것을 방지하기 위한 것이다. Vn -1은 이전 설정 주기에서 설정된 공급하는 전원의 전압이고, Vn은 이번 설정 주기에서 설정할 공급 하여야 할 전압이다. 그리고 여기서 사용된 설정 주기는 데이터수집부(210)가 센서로부터 데이터를 가져오는 주기보다 훨씬 길 수 있다. 이 경우에는 데이터수집부(210)에서 각 샘플링 시간에 획득한 데이터를 평균하여 사용할 수 있다.
지금까지 ESRF 제어장치 및 제어장치에서의 공급할 전원 제어 방법에 대하여 설명하였다. 본 발명에 의한 제어장치를 사용하면 고전적인 방법에 비하여 ESRF 작업의 효율성을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 전극의 용해 속도를 최적 제어함으로써 고품질의 강괴를 얻을 수 있고, 또한 자동으로 제어할 수 있어 운전에 필요한 인력을 최소화할 수 있을 것이다.
100, 200: 제어장치
110: 전원공급장치
120: 전극승강장치
130: 램(RAM)
140: 부착부
150: 시작판(start plate)
160, 165: 수냉동형(woter cooled mold)
170: 전극
180: 강괴
190: 슬래그

Claims (11)

  1. 일렉트로 슬래그 재용해로(Electro-Slag Remelting Furnace) 제어장치로서,
    일렉트로 슬래그 재용해로(이하 ESRF)로 공급되는 전압을 측정하는 전압계, ESRF에 흐르는 전류를 측정하는 전류계, 전극의 무게를 측정하는 제1 로드셀을 포함하는 센서들을 제1주기 간격으로 샘플링하여 데이터를 수집하는 데이터수집부;
    상기 데이터수집부에서 수집한 데이터를 바탕으로 전극의 용해속도를 추정하는 관리부;
    미리 설정된 목표 용해속도와 상기 관리부에서 추정한 전극의 용해속도를 바탕으로 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 제어부; 및
    상기 데이터수집부에서 수집한 데이터, 상기 관리부에서 추정한 용해속도, 및 상기 제어부에서 제어하는 전압의 크기 정보를 화면에 표시하고, 미리 설정된 알람 조건이 성립하는 경우 알람을 생성하는 모니터링부;를 포함하고,
    상기 관리부는,
    상기 제1 로드셀을 제1주기 간격으로 샘플링하여 획득한 전극의 무게 데이터를 바탕으로 전극의 용해속도 = (이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게 - 현 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기) 에 의하여 전극의 용해속도를 추정하고,
    강괴의 무게를 측정하는 제2 로드셀을 제1주기 간격으로 샘플링하여 강괴의 무게 데이터를 수집하고, 수집한 강괴의 무게 데이터를 바탕으로 강괴의 성장속도 = (현 샘플링 시간에서 획득한 강괴의 무게 - 이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기) 에 의하여 강괴의 성장속도를 추정하고,
    상기 강괴의 성장속도와 상기 전극의 용해속도를 비교하여 차이가 1% 이내인 경우에만 상기 전극의 용해속도를 전극의 용해속도로 추정하는,
    일렉트로 슬래그 재용해로 제어장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 관리부에서 추정한 전극의 용해속도가 미리 설정된 목표 용해속도보다 큰 경우에는 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 낮추고, 상기 관리부에서 추정한 전극의 용해속도가 미리 설정된 목표 용해속도보다 작은 경우에는 상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 높이도록 제어하는,
    일렉트로 슬래그 재용해로 제어장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기(Vn)를
    Vn=Vn-1 + a × Vn-1 ×(목표 용해속도-전극의 용해속도)/(목표 용해속도)
    (여기서, a는 0과 1 사이의 값을 가지는 미리 설정된 파라미터이고, Vn-1은 이전 설정 시간에서 설정된 공급하는 전원의 전압이고, Vn은 이번 설정 시간에서 설정할 전원의 전압)
    을 이용하여 구하는,
    일렉트로 슬래그 재용해로 제어장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 관리부는,
    상기 전압계와 상기 전류계를 제1주기 간격으로 샘플링하여 획득한 전압(Vn)과 전류(In)를 바탕으로 전력(Wn = Vn×In)을 계산하고,
    각 샘플링 시간에서의 전력과 추정한 용해 속도 사이의 상관관계에 대한 선형회귀분석을 수행하여 1차 회귀식을 계산하는 기능을 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 1차 회귀식을 바탕으로 목표 용해 속도를 달성할 수 있는 전력을 결정하고, 결정된 상기 전력에 따라 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는,
    일렉트로 슬래그 재용해로 제어장치.
  7. 일렉트로 슬래그 재용해로(Electro-Slag Remelting Furnace; 이하 ESRF) 제어장치에서 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 방법에 있어서,
    센서를 이용하여 전극의 무게, 강괴의 무게 관련 정보, ESRF에 공급되는 전압, ESRF에 흐르는 전류 관련 정보를 제1주기 간격으로 샘플링하여 수집하는 단계;
    상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도 및 전력을 계산하는 단계;
    계산된 상기 전극의 용해 속도 및 전력을 바탕으로 회귀분석을 수행하여 전극의 용해 속도와 전력 간의 1차 회귀식을 계산하는 단계;
    상기 1차 회귀식을 바탕으로 목표 용해 속도를 달성할 수 있는 전력을 결정하는 단계; 및
    결정된 상기 전력에 따라 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도를 계산하는 단계는,
    전극의 용해속도 = (이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게 - 현 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기) 에 의하여 전극의 용해속도를 계산하는 단계;
    강괴의 성장속도 = (현 샘플링 시간에서 획득한 강괴의 무게 - 이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기) 에 의하여 강괴의 성장속도를 계산하는 단계; 및
    상기 강괴의 성장속도와 상기 전극의 용해속도를 비교하여 차이가 1% 이내인 경우에만 상기 전극의 용해속도를 전극의 용해속도로 계산하는 단계;를 포함하는,
    ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 방법.
  8. 일렉트로 슬래그 재용해로(Electro-Slag Remelting Furnace; 이하 ESRF) 제어장치에서 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 방법에 있어서,
    센서를 이용하여 전극의 무게, 강괴의 무게 관련 정보, ESRF에 공급되는 전압, ESRF에 흐르는 전류 관련 정보를 제1주기 간격으로 샘플링하여 수집하는 단계;
    상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도를 계산하는 단계;
    상기 전극의 용해 속도와 미리 설정된 목표 용해 속도와의 차이를 계산하는 단계; 및
    상기 차이를 바탕으로 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 수집된 정보를 바탕으로 전극의 용해 속도를 계산하는 단계는,
    전극의 용해속도 = (이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게 - 현 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기) 에 의하여 전극의 용해속도를 계산하는 단계;
    강괴의 성장속도 = (현 샘플링 시간에서 획득한 강괴의 무게 - 이전 샘플링 시간에서 획득한 전극의 무게)/(제1주기) 에 의하여 강괴의 성장속도를 계산하는 단계; 및
    상기 강괴의 성장속도와 상기 전극의 용해속도를 비교하여 차이가 1% 이내인 경우에만 상기 전극의 용해속도를 전극의 용해속도로 계산하는 단계;를 포함하는,
    ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 단계는
    Vn=Vn-1 + a × Vn-1 ×(목표 용해속도-전극의 용해속도)/(목표 용해속도)
    (여기서, a는 0과 1 사이의 값을 가지는 미리 설정된 파라미터이고, Vn-1은 이전 설정 시간에서 설정된 공급하는 전원의 전압이고, Vn은 이번 설정 시간에서 설정할 전원의 전압) 에 의하여 결정된 전압의 크기를 공급하도록 제어하는 단계를 포함하는,
    ESRF에 공급하는 전압의 크기를 제어하는 방법.
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