KR101951873B1 - 전기로 냉각시스템의 냉각방법 - Google Patents

전기로 냉각시스템의 냉각방법 Download PDF

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Abstract

에너지 절약을 하면서 동시에 허용된 범위 내에 온도 제어를 정확히 할 수 있는 전기로 냉각시스템의 냉각방법에 관해 개시한다. 본 발명에 의한 전기로 냉각시스템의 냉각방법은, 전기로에 냉각수를 순환시키는 제1 단계와, 상기 열교환부의 출구에 인접한 상기 배관부 상에 장착된 출구 온도센서를 이용하여 상기 열교환부의 출구에서 유출되는 냉각수의 출구 온도를 일정 시간 간격으로 측정하는 제2 단계와, 상기 측정된 출구 온도가 기준 설정온도에 도달할 예상 시간을 상기 일정 시간 간격으로 측정된 온도 변화의 기울기로부터 예측하는 제3 단계와, 상기 열교환부로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하는 유량제어부가 기준 설정온도에 도달하기 전에 냉각수의 공급량을 제어하는 제4 단계를 포함한다.

Description

전기로 냉각시스템의 냉각방법{Method for cooling of an electric furnace}
본 발명은 전기로 냉각 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각수를 이용하여 전기로(electric furnace)를 냉각함에 있어 에너지 효율을 최대한 향상시킬 수 있는 전기로 냉각시스템의 냉각방법에 관한 것이다.
철강 전기로(電氣爐, electric furnace)는 전열을 이용하여 철강을 제조하기 위한 장치로서, 일반적으로 전기로는 아크(Arc) 열을 이용하는 아크로와, 유도 전류를 이용하는 유도로가 있다.
전기로에서 고철 등의 원료를 용해하는 과정은 대략 2차례의 장입(Charging) 및 용해(melting) 과정을 거친다. 구체적으로 전기로에서의 작업 공정은 원료의 1차 장입, 1차 용해, 원료의 2차 장입, 2차 용해, 산화 그리고 출강 순으로 진행된다.
전기로에서 고철을 용해시킬 때 주로 사용되는 에너지원은 전기이다. 이때, 상당히 많은 다른 전력에너지를 필요로 하며, 이러한 전력에너지의 효율적인 사용은 제강 생산성 및 경제성에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 현재 전기로를 사용함에 있어 가장 중요시 되는 것이 에너지 절약이며, 고철의 용해를 위해 투입된 에너지가 낭비되지 않고 효율적으로 사용되도록 설비 및 운전 측면에서 많은 노력이 가해지고 있다.
한편, 전기로의 특성과 규모에 따라 차이가 발생하지만, 일반적으로 배기가스 처리에 의한 에너지 방출량은 투입된 에너지의 약 11% 정도이다. 이와 함께 냉각수에 의한 에너지 방출량은 투입된 에너지의 약 14% 정도로 알려져 있다.
냉각수는 설비보호를 위하여 반드시 공급되어야 하지만, 전기로 시스템에서 상당히 많은 비율의 에너지를 빼앗아가며, 냉각수에 의한 과도한 에너지 손실은 작업공정에 따라 냉각수를 효율적으로 공급하지 못하는 것에 기인하며 전기로의 에너지 효율을 높이기 위하여 많은 개선의 여지를 않고 있다.
대한민국 공개번호 특허 2013-0015121호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제는 전기로 냉각시스템에서 냉각수의 공급을 효율적으로 함으로써 에너지를 절약할 수 있는 전기로 냉각시스템의 냉각방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 양태에 의한 전기로 냉각시스템의 냉각방법은, 냉각수를 이용하여 전기로를 냉각하기 위해 상기 전기로에 장착되는 열교환부, 상기 열교환부에서 가열된 냉각수를 냉각하기 위한 냉각부, 상기 냉각수를 상기 열교환부 및 상기 냉각부 사이에서 순환시키기 위한 펌프부 및 상기 냉각수의 순환을 위해 상기 열교환부, 상기 냉각부 및 상기 펌프부를 연결하는 배관부를 이용하여 전기로에 냉각수를 순환시키는 제1 단계와, 상기 열교환부의 출구에 인접한 상기 배관부 상에 장착된 출구 온도센서를 이용하여 상기 열교환부의 출구에서 유출되는 냉각수의 출구 온도를 일정 시간 간격으로 측정하는 제2 단계와, 상기 측정된 출구 온도가 기준 설정온도에 도달할 예상 시간을 상기 일정 시간 간격으로 측정된 온도 변화의 기울기로부터 예측하는 제3 단계 및 상기 열교환부로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하는 유량제어부가 기준 설정온도에 도달하기 전에 냉각수의 공급량을 제어하는 제4 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제3 단계의 기준 온도는, 상한 기준 온도 및 하한 기준 온도를 포함하는 것이 바람직하며, 이때 제 4 단계의 냉각수의 공급량을 제어하는 방법은, 상기 온도 변화의 기울기가 상한 기준 온도에 도달할 것이 예측되면 상기 유량제어부의 컨트롤 밸브를 열어서 냉각수의 공급량을 늘리는 것이 적합하며, 상기 온도 변화의 기울기가 하한 기준 온도에 도달할 것이 예측되면 상기 유량제어부의 컨트롤 밸브를 닫아서 냉각수의 공급량을 줄이는 것이 적합하다.
바람직하게는, 전기로는, 아크로 및 유도로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 단계의 기준 온도에 도달할 시간을 온도 변화의 기울기로 예측하는 단계는, t-1 시간차 출구 온도 측정 지점과 t 시간차 출구 온도 측정 지점을 직선으로 연결하여 연장된 지점이 기준 온도에 도달하는 t-n(n은 자연수) 시간을 예측하는 것이 적합하다.
따라서, 상술한 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 냉각수를 냉각 부하에 맞게 공급함으로써 냉각수의 과다 공급으로 손실되었던 용해열의 양을 줄일 수 있어서 고철의 용해를 위해 사용되는 전기, 가스 및 산소의 양을 줄일 수 있어 에너지 절약을 할 수 있는 효과를 거둘 수 있다.
또한, 시간에 따른 온도 변화의 기울기로부터, 미래 시점의 냉각수 온도 변화를 예측하기 때문에, 냉각수의 온도 제어를 허용된 범위 내에서 에너지를 절약하면서 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기로 냉각시스템의 냉각방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기로 냉각시스템의 냉각방법을 설명하기 위한 흐름도(flowchart)이다.
도 3은 도 2의 기준 설정온도 도달 시간을 온도 변화의 기울기로부터 예측하는 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 4는 전기로 냉각시스템의 냉각방법에서 냉각수의 과다 공급으로 손실되는 용해열의 양을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전기로 냉각시스템의 냉각방법을 적용하였을 때에 에너지 절약 및 온도 제어가 진행되는 과정을 보여주는 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기로 냉각시스템의 냉각방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기로 냉각시스템(100)은, 전기로 본체(10)에 장착되어 전기로를 냉각시키는 역할을 하는 열 교환부(110), 상기 열 교환부(110)에서 가열된 냉각수를 식히기 위한 냉각부(120), 상기 냉각수를 상기 열 교환부(110) 및 상기 냉각부(120) 사이로 순환시키기 위한 펌프부(130) 및 상기 열 교환부(110), 냉각부(120) 및 펌프부(130) 사이를 연결하는 배관부(140)를 포함한다. 도면의 참조부호 15는 전기로 지붕(cover)을 가리킨다. 이때 상기 전기로 본체(10)는 아크로(Arc Furnace) 혹은 유도로(Induction Furnace) 방식의 전기로일 수 있다. 상기 전기로는 냉각수의 의해 냉각이 가능한 다른 종류의 전기로(電氣爐, electric furnace)일지라도 본 발명에 의한 전기로 냉각시스템의 냉각방법은 그 적용이 가능하다고 할 수 있다.
상기 열 교환부(110)는 전기로의 본체(10)에 장착된다. 구체적으로 전기로의 측벽 내부에 마련되어 열 교환부를 통과하는 냉각수가 전기로 본체(10)의 벽면을 통과하도록 설계된다. 따라서 상기 열 교환부(110)는 전기로 본체(10)의 열이 열 교환부(110)를 통과하는 냉각수에 의해 원활히 냉각되도록 열전달하는 기능을 수행한다. 이렇게 전기로 본체(10)를 열 교환부(110)를 통해 원활히 냉각시킴으로 말미암아 전기로가 가동 중에 과열되어 파손되는 것을 막을 수 있다.
상기 열 교환부(110)의 입구 및 출구는 배관부(140)에 의해서 서로 연결되어 있으며, 상기 열 교환부(110)의 출구는 측정부(150), 유량 제어부(160) 및 냉각부(120), 예컨대 냉각 탑과 연결되어 있다. 그러므로 상기 열 교환부(110)에 의해 가열된 냉각수는 냉각부(120)에 있는 냉각 탑을 통과하면서 갖고 있던 열을 외부로 방출할 수 있다. 상기 냉각부(120)에 의해 다시 냉각된 냉각수는 배관부(140)를 통해 펌프부(130)로 공급된다. 상기 펌프부(130)는 냉각수를 순환시킬 수 있는 동력을 지속적으로 공급하는 역할을 한다.
한편, 열 교환부(110)의 출구에 마련된 측정부(150)는 전기로 냉각시스템에서 모니터링 할 수 있는 필요한 여러 가지 정보를 수집할 수 있다. 일 예로 본 발명에 의하면 상기 측정부(150)는 출구 온도 센서(152)를 포함하다. 상기 출구 온도 센서(152)는 열 교환부(110)의 출구와 인접한 배관부(140) 상에 설치되어 열 교환부(110)의 출구에서 냉각수의 온도를 측정할 수 있다.
따라서 측정부(150)의 출구 온도 센서(152)에서 냉각수의 온도를 측정되면, 상기 측정된 온도는 유량 제어부(160)로 전달된다. 상기 유량 제어부(160)는 내부에 컨트롤러(Controller, 164)가 마련되어 있다. 상기 유량 제어부(160)의 컨트롤러(164)는 상기 출구 온도 센서(152)에서 냉각수의 온도를 일정한 시간 간격으로 측정하여 측정된 온도를 전송하면, 시간에 따른 온도 변화의 기울기를 환산한 후, 상기 측정된 냉각수의 온도가 기준 설정온도에 도달할 예상 시간을 예측하는 기능을 수행한다. 이에 대해서는 도 3을 참조하면 상세하게 설명하도록 한다. 따라서 상기 컨트롤러(164)에 의해 기준 설정온도에 도달할 시간이 예측되면, 유량 제어부(160)는 냉각수의 온도가 기준 설정온도에 도달하기 전에 컨트롤 밸브(Control valve, 162)를 개폐(open/close)하여 냉각수의 공급량을 제어한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기로 냉각시스템의 냉각방법을 설명하기 위한 흐름도(flowchart)이다.
도 2를 참조하면, 도 1에서 설명된 전기로의 냉각시스템에서 전기로를 가동시킨 후, 냉각수를 순환(S100)시킨다. 그리고 상기 전기로 냉각시스템의 열 교환부의 출구에서 냉각수의 온도를 측정(S200)한다. 상기 냉각수의 온도 측정은 도 1에서 설명된 출구 온도 센서에 의해 이루어질 수 있으며, 온도 측정은 일정 시간 간격으로 주기적으로 측정된다. 이어서 상기 전기로 냉각시스템에서 기준 설정 온도에 대한 도달 시간을 온도 변화의 기울기를 통해 예측(S300)한다. 이러한 동작은 도 1에서 설명된 유량 제어부의 컨트롤러에 의해 수행될 수 있다. 마지막으로 냉각수의 온도가 기준 설정 온도에 도달하기 전에 유량 제어부의 컨트롤 밸브에서 냉각수의 공급량을 제어(S400)한다. 그리고 지속적인 냉각수 공급량 제어를 구현하기 위해 상술한 S200~S400 단계를 계속 순환 반복할 수 있다.
이러한 전기로 냉각시스템의 냉각방법, 즉 측정된 단위시간당 온도 변화의 기울기로부터 냉각수의 공급량을 제어하는 냉각방법은, 냉각수의 공급 및 차단을 기준 설정 온도에 도달하기 전에 진행함으로써, 전기로가 가동되면서 융해열의 낭비를 막아 에너지 절감을 함과 동시에, 냉각수의 온도를 허용된 온도 범위 내에서 효율적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 도 2의 기준 설정온도 도달 시간을 온도 변화의 기울기로부터 예측하는 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 그래프에서 X축은 시간을 나타내며, Y축은 온도를 나타낸다. Tup은 상한 기준 설정온도를 가리키고, Tdown은 하한 기준 설정 온도를 각각 가리킨다. V1 ~ V5는 도 1에서 설명된 출구 온도 센서에서 (t-2), (t-1), t, (t+1), (t+2)의 시간 주기 간격으로 측정된 냉각수의 온도를 각각 나타낸다.
이때, 유량 제어부에 마련된 컨트롤러는 상기 (t-1)과 t 시간차에 측정된 냉각수의 온도 V2, V3를 연결하는 직선을 구한 후, 이를 연장하는 직선(도면의 V3, V4, V5를 연결하는 점선)으로부터 냉각수의 측정 온도가 상한 기준 설정 온도(Tup)에 도달하는 시간인 (t+2)을 예측할 수 있다. 즉, 일정한 시간 주기로 측정된 온도에서 온도 변화의 기울기를 통해 기준 설정 온도에 도달 시간을 예측할 수 있다.
한편, 기준 설정 온도에 도달하는 시간은, 위에서 설명된 방법 외에 다른 방식으로도 예측할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 현재 시간의 냉각수의 온도(그래프의 t, 온도는 V3)를 측정한다. 이어서 제1 과거시간(그래프의 t-1)의 냉각수의 온도(그래프의 V2)를 측정한 후, 두 지점의 냉각수 온도 차인 V3-V2의 기울기로부터 현재 온도 변화의 기울기 값(Y(n))을 구한다.
계속해서, 제2 과거시간(그래프의 t-2)의 냉각수의 온도 V1을 측정한다. 그 상태로 제1 과거시간(t-1) 및 제2 과거시간(t-2)의 냉각수 온도 차인 V2-V1의 기울기로부터 과거 온도 변화의 기울기 값(Y(n-1)을 구한다. 마지막으로 현재 및 과거 온도 변화의 기울기 값(Y(n)), (Y(n-1)을 계산하여 다음 시간차(그래프의 t+1, t+2)의 냉각수의 온도 값(그래프의 V4, V5)을 예측함으로써 기준 설정 온도 도달 시간을 예측할 수도 있다. 이렇게 현재 및 과거의 온도 변화의 기울기 값으로 미래 시간의 온도 변화를 예측하는 방식은, 앞서 설명된 두 개의 시점(t 및 t-1)만으로 미래 시간의 온도 변화를 예측하는 방식보다 더욱 정교하게 온도 변화를 예측할 수 있다. 따라서 이러한 온도 변화의 기울기 값으로 기준 설정 온도 도달시간을 예측하는 방식은 다른 여러 방식으로 변형이 가능하다고 할 수 있다.
이때, 상술한 실시예는 상한 기준 설정 온도를 중심으로 일정한 시간에 따른 냉각수 측정 온도 변화를 설명하였으나, 이는 냉각수 측정 온도 변화가 하한 기준 설정 온도를 중심으로 변화하는 방식의 실시예로 충분히 예측할 수 있기 때문에 중복을 피하여 설명을 생략한다.
도 4는 전기로 냉각시스템의 냉각방법에서 냉각수의 과다 공급으로 손실되는 용해열의 양을 보여주는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전기로 냉각시스템의 냉각방법을 적용하였을 때에 에너지 절약 및 온도 제어가 진행되는 과정을 보여주는 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 그래프에서 그래프에서 X축은 시간을 나타내며, Y축은 온도를 나타낸다. Tup은 상한 기준 설정온도를 가리키고, Tdown은 하한 기준 설정 온도를 각각 가리킨다. 측정 시간 중 t 주기는 냉각수의 제어가 이루어지는 시점이라 가정한다.
도 4와 같이 냉각수의 과다 공급된 결과로 발생한 손실된 융해열(도4의 L)은, 냉각수를 개폐하는 제어가 정확히 상한 기준 설정 온도(Tup)에 도달하는 시간을 기준으로 이루어졌기 때문이다. 그러므로 전기로 냉각시스템에서 전기로의 배관부를 통해 냉각수가 공급되어 열 교환부를 통한 전기로 본체의 냉각까지 소요되는 시간이 무시되었다.
하지만 본 발명에 의하면 도 5에서 보는 바와 같이 상한 기준 설정 온도에 도달하는 시간을 예측한 후, 전기로 냉각시스템에서 전기로의 배관부를 통해 냉각수가 공급되어 열 교환부를 통한 전기로 본체의 냉각까지 소요되는 시간을 충분히 고려하여 상한 기준 설정 온도(Tup)에 도달하기 전에 냉각수의 개폐를 제어한다. 따라서 기존과 같이 손실된 융해열(도4의 L)이 없도록 제어하는 것이 가능하다. 그러므로 에너지 절감과 정확한 온도 제어의 효과를 동시에 달성할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며 이를 다른 장치를 도입하여 다중 시스템 구조로도 구현하는 것이 가능하며, 본 발명이 속한 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함이 명백하다.
10 : 전기로 15: 전기로 지붕,
100: 전기로 냉각시스템, 110: 열교환부,
120: 냉각부, 130: 펌프부,
140: 배관부, 150: 측정부,
152: 출구 온도 센서, 160: 유량제어부,
162: 컨트롤 밸브(control valve).

Claims (7)

  1. 냉각수를 이용하여 전기로를 냉각하기 위해 상기 전기로에 장착되는 열교환부, 상기 열교환부에서 가열된 냉각수를 냉각하기 위한 냉각부, 상기 냉각수를 상기 열교환부 및 상기 냉각부 사이에서 순환시키기 위한 펌프부 및 상기 냉각수의 순환을 위해 상기 열교환부, 상기 냉각부 및 상기 펌프부를 연결하는 배관부를 이용하여 전기로에 냉각수를 순환시키는 제1 단계;
    상기 열교환부의 출구에 인접한 상기 배관부 상에 장착된 출구 온도센서를 이용하여 상기 열교환부의 출구에서 유출되는 냉각수의 출구 온도를 (t-2), (t-1), t의 일정 시간 간격으로 측정하는 제3 단계;
    상기 측정된 출구 온도가 기준 설정온도에 도달할 예상 시간을 상기 일정 시간 간격으로 측정된 온도 변화의 기울기로부터 예측하는 제4 단계; 및,
    상기 예측된 예상시간을 기준으로 기준 설정온도에 도달하기 전에 상기 열교환부로 공급되는 냉각수의 유량을 제어하여, 손실된 융해열이 없도록 하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 냉각시스템의 냉각방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제4 단계의 기준 설정 온도는,
    상한 기준 설정 온도 및 하한 기준 설정 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로 냉각시스템의 냉각방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각수의 공급량은 유량 제어부의 컨트롤 밸브를 개폐하여 제어하고,
    상기 제5 단계의 냉각수의 공급량을 제어하는 방법은,
    상기 온도 변화의 기울기가 상한 기준 설정 온도에 도달할 것이 예측되면 상기 유량제어부의 컨트롤 밸브를 열어서 냉각수의 공급량을 늘리는 것을 특징으로 하는 전기로 냉각시스템의 냉각방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 냉각수의 공급량은 유량 제어부의 컨트롤 밸브를 개폐하여 제어하고,
    상기 제5 단계의 냉각수의 공급량을 제어하는 방법은,
    상기 온도 변화의 기울기가 하한 기준 설정 온도에 도달할 것이 예측되면 상기 유량제어부의 컨트롤 밸브를 닫아서 냉각수의 공급량을 줄이는 것을 특징으로 하는 전기로 냉각시스템의 냉각방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제4 단계의 기준 설정 온도에 도달할 시간을 일정 시간 간격으로 측정된 온도 변화의 기울기로 예측하는 단계는,
    t-1 시간차 출구 온도 측정 지점과 t 시간차 출구 온도 측정 지점을 직선으로 연결하여 연장된 지점이 기준 온도에 도달하는 t-n(n은 자연수)차 시간을 예측하는 것을 특징으로 하는 전기로 냉각시스템의 냉각방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각수의 공급량은 유량 제어부의 컨트롤 밸브를 개폐하여 제어하고,
    상기 제 4단계의 기준 설정 온도에 도달할 시간을 일정 시간 간격으로 측정된 온도 변화의 기울기로 예측하는 단계는,
    상기 유량 제어부에 있는 컨트롤러에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전기로 냉각시스템의 냉각방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기로는,
    아크로 혹은 유도로인 것을 특징으로 하는 전기로 냉각시스템의 냉각방법.
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