KR20030052728A - 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치 및 이를이용하여 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상취랜스를 통하여 취입되는 가스에 의해 발생되는 상취랜스의 진동을 가속도 센서를 이용하여 측정하고, 이를 이용하여 레이들의 프리보드와 레이들 슬래그 두께를 동시에 측정함으로써, 상취랜스의 취입깊이를 제어하여 용강과 슬래그 간의 반응성을 향상시키는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

따라서, 본 발명은 상취랜스가 고정되는 지지대에 고정 설치되는 가속도센서, 상기 가속도센서에서 전달된 신호를 가공하는 신호처리기, 상기 신호처리기에서 가공된 데이터를 수치화하여 레이들의 프리보드 및 슬래그의 두께를 측정하는 연산기를 포함하는 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치를 제공한다.

또한 이를 이용하여 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법을 제공하므로 용강과 슬래그의 반응성을 향상시킨다.

Description

레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치 및 이를 이용하여 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법{Apparatus for measuring of freeboard and slag depth and method for controlling of blowing depth of upper lance for using the same apparatus}

본 발명은 제강 공정에서 용강의 성분 조정 및 온도 균일화를 목적으로 수행하는 상취 조업에 관한 것으로, 특히 상취 조업시 탕면의 높이 및 레이들 내의 슬래그 두께를 측정하여 용강의 탕면을 예측하는 방법과 이를 이용하여 조업시 상취랜스의 투입 깊이를 결정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 제강 공정에서 용강의 성분 및 온도 균일화을 위하여 레이들의 가스 취입을 수행하는 설비로는 엘에프(Ladle Furnace; 이하 LF) 및 바프(Bubbling Al-wirefeeding ＆ Powder injection; 이하 BAP)가 있다.

이와 같은 설비들에서는 가스 취입에 의한 용강의 보일링(Boiling) 현상으로 인한 용강의 비산에 의한 설비의 손상을 방지하기 위해서 레이들의 프리보드(Freeboard)를 이용하여 관리하고 있다

여기서 레이들의 프리보드를 측정하는 방법은 조업자들이 목측 하거난 파이프를 용강에 침지시켜 레이들 상부의 슬래그가 묻어 나오는 거리를 측정하여 레이들의 프리보드를 측정하였다.

그러나 목측에 의한 프리보드의 측정은 조업자에 따라 편차가 발생하고, 파이프를 침지에 의한 프리보드의 측정은 파이프의 침지 시간 등에 따라 편차가 발생한다.

한편 제강 공정에서는 탈황과 개재물의 흡수가 우수한 슬래그를 조성시키기 위해서 생석회, 형석 등 부원료를 투입하는 방법을 주로 사용하고 있다. 이러한 슬래그는 용강과의 밀도차에 의해 용강의 상부로 부상된다.

또한 부원료의 투입량을 최적화하기 위해서는 발생된 슬래그의 양을 정확히 알아야 하며 이를 위하여 슬래그의 두께를 측정하게 된다.

종래의 레이들 내부의 슬래그 두께 측정방법은 와류(Eddy current)식 거리계를 사용하는 방법(일본국 특개소 61-272604호)과, 슬래그와 용강간의 전기저항차를 이용하는 방법(일본국 특개소 61-128103호) 등이 개시되어 있으며, 산소 농도차를 이용하는 방법과, 정밀도는 떨어지지만 간편하게 측정할 수 있는 온도차를 이용하는 방법 등이 있다.

여기서 온도차를 이용하는 방법은 스틸봉과 알루미늄 봉을 하나로 묶어서 용강에 침적시키면, 알루미늄봉은 슬래그에 용해되지만, 스틸봉은 용해되지 않게 된다.

따라서 이를 이용하여 알루미늄봉과 스틸봉의 잔여 길이를 측정하여 슬래그의 두께를 측정하는 방법을 사용한다.

그러나 이러한 온도차를 이용하여 슬래그의 두께를 측정하는 방법은 침지 시간에 따른 스틸봉의 용해 길이의 편차가 심하여 측정자 간의 오차가 발생하므로 측정치의 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있다.

또한 국내에서 레이들 슬래그 측정에 한해 출원된 방법은 제강 슬래그와 용강의 중간 정도에 해당하는 밀도를 가지는 부유 캐스타블을 침지시켜 용강과 슬래그간의 부력차를 이용하여 슬래그 상부로 부상된 높이를 슬래그 두께로 환산하여 측정하는 방법(대한민국 특허공개번호 1995-017001호)과 케스타블 환봉을 슬래그층에 일정시간 침지시켜 침식의 경계부위를 슬래그 두께로 환산하는 방법(대한민국특허 공개번호 1994-015459호)과 환봉을 침지시의 슬래그와 용강의 밀도차이에 의한 환봉이 받는 부력이 변화하는 시점을 검출하여 슬래그의 두께를 측정하는 방법(대한민국특허 공개번호 2000-042068호) 등이 있다.

또한 가스의 배압을 측정하는 방법(대한민국특허 공개번호 2000-014632호), 압전 센서를 이용하는 방법(대한민국실용신안 공개번호 1999-021055호) 등이 있다.

그러나 캐스타블을 침지시켜 부력차를 이용하는 방법은 침지된 부유 캐스타블에 슬래그가 부착되고 캐스타블의 비중을 정확히 맞추지 않으면 부유되는 캐스타블봉이 넘어지는 단점이 있다.

그리고 캐스타블을 슬래그층에 일정시간 침지시켜 경계 부위를 측정하는 방법은 침지 시간이 길고 캐스타블 환봉을 올리고 내리는데 걸리는 시간 때문에 실제로는 5분 이상의 시간이 소요되어 고생산성 체제에서는 공정간섭의 요인이 된다.

또한 환봉이 받는 부력 차이를 이용하는 방법은 부력이 변화하는 점을 정확히 선정해야 한다는 문제점이 있다.

한편 레이들에서 상취 조업 수행하는 경우 용강 탕면으로부터 상취랜스의 선단까지의 깊이(이하, 상취랜스 취입깊이)가 깊어질수록 레이들 내에 공급되는 교반력 증가하게 된다.

여기서 상취랜스를 사용하는 주된 목적은 용강과 슬래그간의 반응성 향상을 주 목적으로 한다. 이러한 용강과 슬래그간의 반응성은 레이들에 공급되는 교반력이 커질수록 좋다는 것은 많은 기술 문헌에서 보고되고 있다.

그러나, 과도한 용강 교반은 용강 온도 하강으로 인하여 추가적인 승온 조업을 해야하는 문제점을 유발하게 된다.

따라서, 적정한 교반력을 공급하는 것이 중요한 조업 인자이므로 동일한 상취 시간에서 적정한 교반력을 투입할 수 있는 상취랜스 취입깊이를 제어하는 것이 필요하다.

이에 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 상취랜스를 통하여 취입되는 가스에 의해 발생되는 상취랜스의 진동을 가속도 센서를 이용하여 측정하고, 이를 이용하여 레이들의 프리보드와 레이들 슬래그 두께를 동시에 측정함으로써, 상취랜스의 취입깊이를 제어하여 용강과 슬래그 간의 반응성을 향상시키는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치를 개략적으로 나타내는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 주파수 분석의 일예를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 프리보드 및 슬래그 두께를 측정하기 위한 진동지수 및 상취랜스 이동거리 변화의 일예를 나타내는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ...... 레이들 2 ....... 포러스프러그

3 ...... 상취랜스 5 ....... 가속도센서

21 ...... 피엘씨 23 ...... 연산기

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치에 있어서, 상취랜스가 고정되는 지지대에 고정 설치되는 가속도센서, 가속도센서에서 전달된 신호를 가공하는 신호처리기, 신호처리기에서 가공된 데이터를 수치화하여 레이들의 프리보드 및 슬래그의 두께를 측정하는 연산기를 포함하는 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치를 제공한다.

또한 이를 사용하여 상취랜스를 하강시키면서 가속도센서에서 전달된 신호를 신호처리기에서 가공하고, 신호처리기에서 가공된 데이터를 연산기에서 연산하여 진동지수로 환산하고, 환산된 진동지수를 분석하여 환산된 상기 진동지수를 분석하여 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법을 제공한다.

여기서 연산기에서 진동지수를 환산하는 방법은을 사용하여 각 측정 시점에서 얻어진 신호의 주파수 분석을 통해 100Hz이하의 주파수 범위에서 얻어지는 peak값의 크기가 최대인 것으로부터 15번째의 peak의 진동 값을 합산하여 진동지수로 환산하는 것이 바람직하다.

아울러 상취랜스의 취입깊이가 2000 내지 3000 ㎜이고, 상취랜스의 취입깊이 측정시 상기 상취랜스의 하강속도가 4.5m/min 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치는 도 1에 도시된 바와 같이 포러스프러그(2)가 하부에 형성된 레이들(1) 상부에 상취랜스(3)가 부착되는 지지대(4)에 가속도센서(5)를 부착하고, 상취랜스(3)의 이동 위치 및 취입 가스의 유량은 피엘씨(programmable logic controller; 이하 PLC)(21)를 통해 제어하며, 가속도센서(5)에서 얻어지는 신호는 신호처리기(22)에서 가공되어 연산기(23)을 통해서 수집 및 분석되어 용강(6) 상부 레이들(1)의 프리보드(31) 및 슬래그의 두께(32)를 계산한다. 여기서 계산된 프리보드(31)와 슬래그(7) 두께(32)를 바탕으로 상취랜스 취입깊이(33)를 설정하도록 구성한다.

이하 본 발명에 따른 실시예 들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

(실시예 1)

본 실시예는 본 발명에서 사용하는 가속도 센서의 신호 처리와 이를 바탕으로 프리보드와 슬래그 두께를 계산하는 방법에 대한 것이다.

가속도센서에서 얻어지는 상취랜스의 진동 신호는 가속도센서용 증폭기(Amplifier)를 거쳐서 아날로그/디지털 컨버터(A/D converter)로 수집한다.

본 발명에서 사용된 가속도 센서는 B&K사의 압전(Piezoelectric)형 가속도 센서(accelerometer)로서 형식번호는 4370이며, 가속도 센서의 증폭기는 B&K사의 조절형 증폭기(Conditioning Amplifie)로서 제품명은 NEXUS 2691이며, 아날로그/디지털 변환기는 National Instrument사 제품으로 제품명은 AI-MIO-16XE-10인 제품을 사용하였다.

위와 같은 구성품은 각각의 기능을 대변하는 제품으로서 동일한 기능을 갖는 다른 구성품을 사용하여도 가능함은 물론이다.

가속도 센서에서 얻어지는 진동 신호는 아날로그/디지털 변환기를 통해서 초당 256회 이상 수집한다. 소정시간인 1초간 수집된 데이터는 주파수 분석(Fast Fourier Transformation; 이하, FFT)을 통해 각 주파수별 진동 값을 얻을 수 있다. 여기서 얻어진 각 주파수별 진동량은 아래 식(1)을 통하여 진동 지수로 환산하게 된다.

- (1)

위 식은 1초 동안 수집된 데이터의의 FFT를 실시한 후, 도 3에 도시된 바와 같이 피크치를 검출한 후, 피크치의 크기별로 정렬하여 가장 큰 피크치를 나타내는 주파수부터 15번째 피크치의 주파수의 진동 값을 더한 후에 10의 7승 배를 곱한 값이 된다.

이 식에서 f(x)은 x Hertz에서 대한 FFT값을 나타낸다.

이와 같이 계산된 진동 지수와 상취랜스의 이동 거리의 변화는 도 4에 도시된 바와 같다.

도 4에 도시된 바와 같이 상취랜스가 대기와 슬래그 표면을 통과하는 부위와 슬래그와 용강의 계면을 통과하는 시점의 진동 지수의 변화량의 기울기가 변화하는 것을 볼 수 있다.

즉, 상취랜스가 대기와 슬래그의 계면을 통과하는 경우 진동지수가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있으며, 슬래그와 용강의 계면을 통과하는 경우에서는 진동지수의 증가 기울기가 감소하는 것을 볼 수 있었다.

또한 상취랜스의 취입깊이가 일정해지면 진동지수 값도 일정해 지는 것을 볼 수 있었다.

따라서, 진동 지수가 변화하는 부위(41, 42)와 그 때의 상취랜스의 이동 길이를 바탕으로 아래 식으로 계산하여 레이들 프리보드와 슬래그 두께를 측정할 수 있다.

프리보드 = 진동 발생시점 1(41) X 0.98 - 샘플링장치 미가동위치에서의 레이들과의 거리(40)

슬래그 두께 = (진동 발생 시점 2(42) - 진동 발생 시점 1(41)) X 0.98

상취랜스 취입깊이 = 랜스 이동 길이 x 0.98 - 슬래그 두께 - 프리보드

- 샘플링장치 미가동위치에서의 레이들과의 거리(40)

(실시예 2)

본 실시예는 실시예 1에서 설명한 바와 같은 방법으로 슬래그 두께와 프리보드를 측정하는데 영향을 미치는 상취랜스의 하강 속도에 대한 것이다.

표 1은 상취랜스의 하강 속도에 따른 본 발명의 측정한 프리보드와 슬래그 두께와 실측한 값의 변화를 나타낸 것이다.

표 1에서 보는 바와 같이 상취랜스의 하강 속도가 3m/min이하의 경우에서는 실측한 값과 본 발명에서 측정한 값이 거의 유사한 것을 볼 수 있으나, 그 이상의 경우에서는 본 발명으로 측정한 값이 실측치에 비해 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다.

이와 같은 현상은 상취랜스의 하강속도가 너무 빠르기 때문에 상취랜스가 대기와 슬래그, 슬래그와 용강의 계면을 통과하면서 발생하는 진동 지수의 변화가 충분히 계측되지 못하기 때문에 발생하는 현상이다.

(실시예 3)

본 실시예는 용강의 온도 저하를 최소화하면서, 용강과 슬래그 간의 반응성을 향상시키기 위한 적정 상취랜스 취입깊이를 설정하기 위한 것이다.

표 2는 본 발명에서 측정된 프리보드, 슬래그 두께 및 상취랜스의 하강거리를 통해서 얻어진 상취랜스 취입깊이에 따른 탈황율의 변화를 나타낸 것이다.

용강의 탈황율은 탈황제로 투입되는 생석회(CaO)의 양이 일정한 경우에서는 용강과 슬래그 간의 반응 효율이 높은 경우 증가하게 된다.

따라서, 본 실시예에서는 용강과 슬래그의 반응성을 탈황율을 통해서 간접적으로 측정하였다.

또한 본 실시예에서는 다른 요인에 의한 영향을 최소화하기 위해서 상취랜스에서 취입되는 아르곤(Ar)양을 40Nm3/hr로 동일하게 사용하였으며, 생석회와 알루미늄(Al)양도 일정하게 투입하였다.

표 2에서 보는 바와 같이 상취랜스의 침적깊이가 깊어지면, 탈황능은 증가하는 것을 볼 수 있으나, 침적깊이가 특정 값 이상으로 증가하는 경우에서는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있었다.

반면에 상취랜스의 취입깊이가 너무 큰 경우에서는 탈황율은 유사하지만, 용강의 비산 현상이 급격히 증가하는 문제점을 나타내었다.

따라서 본 발명에서는 상취랜스의 취입깊이는 2000∼3000mm로 유지하는 것이용강과 슬래그 간의 반응성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면 상취랜스의 진동을 가속도 센서를 이용하여 측정, 레이들의 프리보드와 레이들 슬래그 두께도 동시에 측정할 수 있으며, 이를 통해 상취랜스의 취입깊이를 제어함으로써 용강과 슬래그간의 반응성의 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치에 있어서,

   상기 상취랜스가 고정되는 지지대에 고정 설치되는 가속도센서, 상기 가속도센서에서 전달된 신호를 가공하는 신호처리기, 상기 신호처리기에서 가공된 데이터를 수치화하여 상기 레이들의 프리보드 및 슬래그의 두께를 측정하는 연산기를 포함하는 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치.
2. 상취랜스가 고정되는 지지대에 고정 설치되는 가속도센서, 상기 가속도센서에서 전달된 신호를 가공하여 신호처리기, 상기 신호처리기에서 가공된 데이터를 수치화하여 레이들의 프리보드 및 슬래그의 두께를 측정하는 연산기를 포함하는 레이들의 프리보드 및 슬래그 두께 측정장치를 사용하여

   상기 상취랜스를 하강시키면서 상기 가속도센서에서 전달된 신호를 신호처리기에서 가공하고, 상기 신호처리기에서 가공된 데이터를 상기 연산기에서 연산하여 진동지수로 환산하며, 환산된 상기 진동지수를 분석하여 상기 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 연산기에서 진동지수를 환산하는 방법은 아래 식과 같이 각 측정 시점에서 얻어진 신호의 주파수 분석을 통해 100Hz이하의 주파수 범위에서 얻어지는peak값의 크기가 최대인 것으로부터 15번째의 peak의 진동 값을 합산하여 상기 진동지수로 환산하는 것을 특징으로 하는 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 상취랜스의 취입깊이가 2000 내지 3000 ㎜인 것을 특징으로 하는 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법.
5. 상기 상취랜스의 취입깊이 측정시 상기 상취랜스의 하강속도가 4.5m/min 이하인 것을 특징으로 하는 상취랜스의 취입깊이를 제어하는 방법.