KR101876268B1 - 노온 설정 모델링 장치 - Google Patents

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KR101876268B1
KR101876268B1 KR1020160175422A KR20160175422A KR101876268B1 KR 101876268 B1 KR101876268 B1 KR 101876268B1 KR 1020160175422 A KR1020160175422 A KR 1020160175422A KR 20160175422 A KR20160175422 A KR 20160175422A KR 101876268 B1 KR101876268 B1 KR 101876268B1
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김영일
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Abstract

본 발명의 일 기술적 측면은 노온 설정 모델링 장치를 제안한다. 상기 노온 설정 모델링 장치는 복수의 대(Zone)를 포함하는 가열로의 분위기 노온을 기반으로 노온 설정 모델링을 수행하는 노온 설정 모델링 장치로서, i-1번째 대의 열전대로부터 i번째 대의 열전대까지의 제1 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출하고, 상기 i번째 대의 열전대로부터 i+1번째 대의 열전대까지의 제2 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출하는 분위기 노온 계산부 및 상기 제1 분위기 노온 및 상기 제2 분위기 노온을 기초로 상기 i번째 대에서의 소재 온도를 예측하는 소재 온도 예측부를 포함할 수 있다.

Description

노온 설정 모델링 장치 {CALIBRATION APPARATUS OF STEEL PLATE}
본 발명은 노온 설정 모델링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 공업용 가열로의 경우, 가열로 내의 온도와 소재의 온도를 실제로 측정하는 것은 불가능하다.
이에 열전대의 실제 온도 측정치를 이용하여 간접적으로 소재의 온도를 추정하는 방식이 이용되거나, 또는 수학적인 모델링 기법으로 소재의 온도를 추론하는 방식을 바탕으로 공업용 가열로의 조업이 이루어지고 있다.
그런, 이러한 종래의 방식들은 가열로 내의 온도나 소재의 온도를 정확하게 측정하지 못하는 한계를 가지고 있다. 즉, 종래의 노온 모델링 기법에서는 각 대의 분위기 온도를 상수로 설정하고 소재의 온도를 추론하므로, 실제의 분위기 온도와의 온도차이로 인하여 정확한 모델링이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
이러한 종래 기술에 대해서는, 한국 등록특허공보 제10-0706528호 내지 한국 등록특허공보 제10-1371704호 등을 참조하여 쉽게 이해할 수 있다.
한국 등록특허공보 제10-0706528호 한국 등록특허공보 제10-1371704 호
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 기술적 측면은 분위기 온도의 선형적인 특징을 이용한 모델링 방법을 제시하고, 이를 활용하여 가열로에서의 분위기 온도의 예측 정확성을 증대시킬 수 있는 노온 설정 모델링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 기술적 측면은 노온 설정 모델링 장치를 제안한다. 상기 노온 설정 모델링 장치는 복수의 대(Zone)를 포함하는 가열로의 분위기 노온을 기반으로 노온 설정 모델링을 수행하는 노온 설정 모델링 장치로서, i-1번째 대의 열전대로부터 i번째 대의 열전대까지의 제1 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출하고, 상기 i번째 대의 열전대로부터 i+1번째 대의 열전대까지의 제2 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출하는 분위기 노온 계산부 및 상기 제1 분위기 노온 및 상기 제2 분위기 노온을 기초로 상기 i번째 대에서의 소재 온도를 예측하는 소재 온도 예측부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 분위기 노온 계산부는
수식
Figure 112016125520882-pat00001
와, 수식
Figure 112016125520882-pat00002
을 이용하여 분위기 노온 변동량 (dTZ/dt)를 설정할 수 있다.
여기서, Tz 는 열전대 온도, x는 로 입구에서 특정 지점까지의 거리,
Figure 112018004094381-pat00061
는 체류 시간을 의미하며,
Figure 112018004094381-pat00062
는 식을 단순화하기 위해 도입한다.
일 실시예에서, 상기 분위기 노온 계산부는, 상기 수식을 상기 i번째 대의 진입 시점부터 상기 i번째 대의 열전대까지의 시점으로 전개하여, 상기 제1 분위기 노온을 계산하고, 상기 제1 분위기 노온은 이하의 수식
Figure 112016125520882-pat00005
으로 표현될 수 있다.
여기서,
Figure 112018004094381-pat00006
는 진입 시점(
Figure 112018004094381-pat00063
)부터 ith 열전대 통과시점(
Figure 112018004094381-pat00064
)까지의 체류 시간에 해당한다.
일 실시예에서, 상기 분위기 노온 계산부는, 상기 수식을 상기 i번째 대의 열전대의 시점부터 상기 i번째 대의 출력 시점까지 전개하여, 상기 제2 분위기 노온을 계산하고, 상기 제2 분위기 노온은 이하의 수식
Figure 112016125520882-pat00009
으로 표현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소재 온도 예측부는, 수식
Figure 112016125520882-pat00010
을 이용하여 상기 i번째 대의 열전대에서의 소재 온도를 예측할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소재 온도 예측부는 수식
Figure 112016125520882-pat00011
을 이용하여 상기 i번째 대의 열전대에서의 소재 온도를 예측할 수 있다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 이러한 분위기 온도의 선형적인 특징을 이용한 모델링을 이용함으로써, 열 처리로에서의 분위기 온도의 예측 정확성을 증대시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 노온 설정 모델링이 적용되는 열 처리로의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 종래 방식에 따른 노온 설정 모델링을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노온 설정 모델링을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노온 설정 모델링 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 노온 설정 모델링이 적용되는 열 처리로의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 열 처리로는 연속한 복수의 대(Zone1 내지 Zone4) 와, 소재를 상기 복수의 대에 순차적으로 이송하는 이송로를 포함한다.
이러한 열 처리로에서 소재의 온도를 추정하기 위해서는 각 대에서의 환경 온도, 즉, 분위기 온도를 정확하게 산출하는 것이 중요하다. 즉, 분위기 온도의 변화는 소재의 온도 변화를 유발하므로, 소재의 온도를 정확하게 추정하기 위해서는 먼저 각 대에서의 분위기 온도를 정확하게 추정하는 것이 중요하다.
이를 위하여 각 대에는 열전대(21, 22, 23)를 가정하고 있으며, 이러한 열전대(21, 22, 23)를 이용하여 각 대(Zone1 내지 Zone4)의 분위기 온도를 추정할 수 있다. 이러한 열전대(21, 22, 23)는 분위기 온도 계산을 위한 가상의 열전대일 수도 있다.
이와 같이, 분위기 온도를 기반으로 노온 설정 모델링을 이용하여 각 대에서의 분위기 온도 또는 소재 온도를 정확하게 추정하는 것이 열 처리로에서의 중요한 이슈가 된다.
도 2는 종래 방식에 따른 노온 설정 모델링을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 경우에는 제1 대 내지 제4 대의 4개의 대(Zone)에서의 분위기 온도(TZ,1 내지 TZ,4)가 각각 산출된다.
한편, 이러한 종래의 경우, 각 대에서의 분위기 온도는, 상수값으로 추정됨을 알 수 있다. 즉, 제1 대의 모든 영역에서의 분위기 온도는 (TZ,1)이고, 제2 대의 모든 영역에서의 분위기 온도는 (TZ,2)이며, 제3 대의 모든 영역에서의 분위기 온도는 (TZ,3)이고, 제4 대의 모든 영역에서의 분위기 온도는 (TZ,4)이다.
결국, 이러한 종래 기술에서는, 각 대에 대하여 분위기 온도를 각각 산출하기는 하나, 하나의 대 내의 분위기 온도를 동일한 온도, 즉, 상수값으로 산출하므로, 실제 자연계에서의 분위기 온도와 오차가 발생하게 된다.
결국, 이러한 분위기 온도의 오차는 소재 온도의 계산에도 영향을 미치게 되므로, 종래의 경우에는 정확한 분위기 온도나 소재 온도를 도출할 수 없는 한계가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노온 설정 모델링을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 선형의 분위기 온도가 적용됨을 알 수 있다.
즉, 어느 특정 대 (i)에서의 분위기 온도는, 그 이전 대(i-1)에서의 분위기 온도 및 그 이후 대(i+1)에서의 분위기 온도와 선형성을 가짐을 알 수 있다. 이는 온도는 주변 환경의 영향을 받게 되므로, 본 발명의 일 실시예에서는 주변 대와 선형성을 가지도록 분위기 온도를 설정함으로써, 실제 분위기 온도에 보다 정확하게 대응되도록 할 수 있다.
또한, 이와 같이 보다 정확성을 가지는 분위기 온도를 기초로 소재 온도를 산출하므로, 소재 온도 또한 보다 정확하게 산출될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노온 설정 모델링 장치를 설명하기 위한 블록 구성도로서, 이하 도 4를 더 참조하여 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 노온 설정 모델링 장치는 복수의 대(Zone)를 포함하는 가열로의 분위기 노온을 기반으로 노온 설정 모델링을 수행한다. 노온 설정 모델링 장치는 각 대의 열전대를 기준으로, 선형적으로 계산된 분위기 온도를 산출한다.
상기 노온 설정 모델링 장치는 분위기 노온 계산부(110), 소재 온도 예측부(120) 및 모델링부(130)를 포함한다.
분위기 노온 계산부(110)는 선형성을 반영하여 각 대의 분위기 온도를 계산한다. 구체적으로, 분위기 노온 계산부(110)는 i-1번째 대의 열전대로부터 i번째 대의 열전대까지의 제1 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출하고, 상기 i번째 대의 열전대로부터 i+1번째 대의 열전대까지의 제2 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출할 수 있다.
분위기 노온 계산부(110)는 분위기 노온을 선형으로서 해석하므로, 다음과 같이 분위기 노온 TZ과 관련하여 지배 방정식을 설정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016125520882-pat00012
여기에서, I/C는 대 에서의 최초 상태(Initial Condition), M/C는 대 에서의 중간 상태(Middle Conditon), F/C는 대 에서의 최종 상태(Final Condition)을 의미한다.
여기에서, si는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016125520882-pat00013
즉, 수학식 1 및 2를 이용하여 분위기 노온 변동량 (dTZ/dt)를 설정할 수 있다. 여기서, Tz 는 열전대 온도, x는 로 입구에서 특정 지점까지의 거리,
Figure 112018004094381-pat00065
는 체류 시간을 의미하며,
Figure 112018004094381-pat00066
는 식을 단순화하기 위해 도입한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 현재 대(i)의 분위기 노온은 이전 대(i-1)의 열전대로부터, 현재 대(i)의 열전대까지 선형적으로 표현되는 제1 분위기 노온(TZ,in)과, 현재 대(i)의 열전대부터 다음 대(i+1)의 열전대까지 선형적으로 표현되는 제1 분위기 노온(TZ,out)으로 표현 가능하다.
즉, 분위기 노온 계산부(110)는 상기 수학식 1를 대의 초입 시간 구간 t(tz,in부터 tz,TC)까지 전개하면 다음과 같은 수식들을 도출할 수 있다.
즉, 수학식 1에 I/C 조건
Figure 112016125520882-pat00016
를 적용하여 다음의 수학식 3을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112016125520882-pat00017
이러한 수학식 3에 M/C 조건
Figure 112016125520882-pat00018
를 적용하고, 아래의 수학식 4와 같은 si의 조건을 적용하면, 수학식 5를 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112016125520882-pat00019
[수학식 5]
Figure 112016125520882-pat00020
이후, 분위기 노온 계산부(110)는 상기 수학식 1을 후반 시간 구간 t(tz,TC부터 tz,out)까지 전개하면 다음과 같은 수식들을 도출할 수 있다.
즉, 수학식 1에 M/C조건
Figure 112016125520882-pat00021
와 F/C 조건
Figure 112016125520882-pat00022
를 적용하여 다음의 수학식 6을 얻을 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112016125520882-pat00023
이후, F/C 조건
Figure 112016125520882-pat00024
와, 아래의 수학식 7와 같은 si의 조건을 적용하면, 수학식 8를 얻을 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112016125520882-pat00025
[수학식 8]
Figure 112016125520882-pat00026
여기서,
Figure 112018004094381-pat00027
는 진입 시점(
Figure 112018004094381-pat00067
)부터 ith 열전대 통과시점(
Figure 112018004094381-pat00068
)까지의 체류 시간에 해당한다.
이와 같이, 분위기 노온 계산부(110)는 각 대의 분위기 노온을 시간 구간으로 풀어서 상술한 수식을 기반으로 분위기 노온의 모델링을 제공할 수 있다.
소재 온도 예측부(120)는 분위기 노온 계산부(110)에서 산출된 분위기 노온, 즉, 상기 제1 분위기 노온 및 상기 제2 분위기 노온을 기초로 상기 i번째 대에서의 소재 온도를 예측할 수 있다. 여기에서, 소재 온도는 소재의 특정 부위에 대한 부위 평균 온도일 수 있다.
소재 온도 예측부(120)는 다음과 같이 부위 평균 온도에 대한 지배 방정식을 설정할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112016125520882-pat00030
여기서,
Figure 112018004094381-pat00069
는 소재의 밀도[kg/m3],
Figure 112018004094381-pat00070
는 소재의 비열[kcal/kg-K],
Figure 112018004094381-pat00071
는 소재의 특성길이[m]로 SLAB의 경우 두께에 해당하며,
Figure 112018004094381-pat00072
는 총괄 전열 계수 [kcal/m2-K-hr]이다.
소재 온도 예측부(120)는 수학식 9를 대의 초입 시간 구간 t(tz,in부터 tz,TC)까지 전개하면 다음과 같은 수식들을 도출할 수 있다.
즉, 수학식 9에 I/C 조건을 적용하면 다음의 수학식 10을 도출할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112016125520882-pat00035
이후, M/C 조건과, 아래의 수학식 11와 같은 si의 조건을 적용하면, 수학식 12를 얻을 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112016125520882-pat00036
[수학식 12]
Figure 112016125520882-pat00037
수학식 12에, 수학식 13의 가정을 적용하면, 결국 수학식 14를 얻을 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112016125520882-pat00038
[수학식 14]
Figure 112016125520882-pat00039
이후, 소재 온도 예측부(120)는 상기 수학식 9을 후반 시간 구간 t(tz,TC부터 tz,out)까지 전개하면 다음과 같은 수식들을 도출할 수 있다.
즉, 수학식 9에 M/C조건
Figure 112016125520882-pat00040
을 적용하여 다음의 수학식 6을 얻을 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112016125520882-pat00041
이후, F/C 조건
Figure 112016125520882-pat00042
와, 아래의 수학식 16와 같은 si의 조건을 적용하면, 수학식 17를 얻을 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112016125520882-pat00043
[수학식 17]
Figure 112016125520882-pat00044
수학식 17에, 수학식 18의 가정을 적용하면, 결국 수학식 19를 얻을 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112016125520882-pat00045
[수학식 18]
Figure 112016125520882-pat00046
모델링부(130)는 상기 설명에서 도출된 분위기 노온(Tz=Tz.i, Tz.out)과, 소재 예측 온도(T=Tmid,Tout)에 근거하여 모델링을 수행할 수 있다.
모델링부(130)는 상기 분위기 노온과 소재 예측 온도를 기반으로 다양한 모델링 기법이 적용될 수 있으므로, 본 명세서에서는 이러한 모델링부(130)의 구체적인 모델링 방안에 대해서는 특별히 한정하지 아니한다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
21, 22, 23 :열전대
110 : 분위기 노온 계산부 120 : 소재 온도 예측부
130 : 모델링부

Claims (6)

  1. 복수의 대(Zone)를 포함하는 가열로의 분위기 노온을 기반으로 노온 설정 모델링을 수행하는 노온 설정 모델링 장치로서,
    i-1번째 대의 열전대로부터 i번째 대의 열전대까지의 제1 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출하고, 상기 i번째 대의 열전대로부터 i+1번째 대의 열전대까지의 제2 분위기 노온을 선형성을 반영하여 산출하는 분위기 노온 계산부; 및
    상기 제1 분위기 노온 및 상기 제2 분위기 노온을 기초로 상기 i번째 대에서의 소재 온도를 예측하는 소재 온도 예측부;
    를 포함하고,
    상기 분위기 노온 계산부는
    수식
    Figure 112018004094381-pat00073
    와,
    수식
    Figure 112018004094381-pat00074

    을 이용하여 분위기 노온 변동량 (dTZ/dt)을 설정하고,
    여기서, Tz 는 열전대 온도, x는 로 입구에서 특정 지점까지의 거리,
    Figure 112018004094381-pat00075
    는 체류 시간을 의미하는 노온 설정 모델링 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 분위기 노온 계산부는
    상기 수식을 상기 i번째 대의 진입 시점부터 상기 i번째 대의 열전대까지의 시점으로 전개하여, 상기 제1 분위기 노온을 계산하고,
    상기 제1 분위기 노온은 이하의 수식
    Figure 112018004094381-pat00050

    으로 표현되고,
    여기서,
    Figure 112018004094381-pat00051
    는 진입 시점(
    Figure 112018004094381-pat00076
    )부터 ith 열전대 통과시점(
    Figure 112018004094381-pat00077
    )까지의 체류 시간에 해당되는 노온 설정 모델링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분위기 노온 계산부는
    상기 수식을 상기 i번째 대의 열전대의 시점부터 상기 i번째 대의 출력 시점까지 전개하여, 상기 제2 분위기 노온을 계산하고,
    상기 제2 분위기 노온은 이하의 수식
    Figure 112018004094381-pat00054

    으로 표현되는 노온 설정 모델링 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 소재 온도 예측부는
    수식
    Figure 112016125520882-pat00055

    을 이용하여 상기 i번째 대의 열전대에서의 소재 온도를 예측하는 노온 설정 모델링 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 소재 온도 예측부는
    수식
    Figure 112016125520882-pat00056

    을 이용하여 상기 i번째 대의 열전대에서의 소재 온도를 예측하는 노온 설정 모델링 장치.
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