KR20040059505A - 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단예측장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융 금속인 용강을 주편으로 연속 주조하는 연주공정에 관한 것으로,

주입된 용강을 원하는 규격의 주편으로 인발하는 몰드의 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치에 있어서, 상기 몰드의 상부면에 설치되고, 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도를 검출하는 하나 이상의 진동검출기와, 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동속도의 평균값 및 진동가속도의 평균값을 이용하여 주편과 몰드 사이의 마찰력을 계산하는 마찰력 연산부와, 상기 마찰력 연산부에서 계산된 마찰력이 소정의 시간동안 소정의 비율로 계속 상승하는 경우 주편파단 경보를 발생시키는 마찰력 분석부와, 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동폭의 평균값이 사전에 설정된 한계 진동폭보다 작을 경우 주편파단 경보를 발생시키는 진동폭비교부를 포함하는 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 주편의 파단이 발생하기 전에 주편파단을 미리 예측할 수 있는 효과가 있다.

Description

몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치{An Apparatus for Predicting Fracture from Oscillation and Frictional Force in Casting Process}

본 발명은 용융 금속인 용강을 주편으로 연속 주조하는 연주공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 턴디쉬로부터 주입된 용강을 원하는 규격의 주편으로 생산하는 몰드 내에서 발생하는 주편의 파단을 미리 감지하여 설비사고를 예방할 수 있는 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연속주조 공정(이하 연주공정)은 제강, 노외공정에서 성분조성이 완료된 용강을 몰드를 이용해 주편의 형태를 생성시킨 후 냉각수의 분사를 통해 액상의 용강을 응고시켜 주편을 생산하는 공정이다. 도 1은 연주공정에 사용되는 일반적인 연속주조기를 도시한 것으로, 상부에 위치한 래들(1)에 저장된 용강은 롱노즐(2)을 통해 턴디쉬(3)에 저장된다. 상기 턴디쉬(3)는 래들(1)에서 공급되는 용강을 일시 저장하고, 용강에 포함된 이물질인 비금속성 개재물을 부상 분리시켜 용강을 품질을 향상시키는 역할을 한다. 상기 턴디쉬(3)에 저장된 용강의 양이 사전에 설정된 양에 이르면, 턴디쉬(3) 하부에 설치된 슬라이딩 노즐(4)을 개방하여 몰드(5) 내로 용강을 주입한다. 상기 몰드(5) 내로 주입된 용강은 서서히 냉각되어 몰드(5)의 하부에서는 주편이 형성되기 시작하는데, 이 때 몰드(5) 하부에 존재하는 주편은, 그 표피는 응고되고 그 내부는 미응고 상태의 용강이 존재하는 상태가 된다. 상기 몰드(5) 내에 주입된 용강이 사전에 설정된 수위에 도달하면, 상기 몰드(5)가 상하진동을 시작하고 몰드(5) 하부에서 핀치롤(6)에 의한 주편의 인발이 시작되며, 동시에 인발되는 주편을 냉각수 분사장치(7)에 의한 냉각수로 냉각시켜 표피 및 그 내부까지 완전하게 냉각된 주편(8)을 생산하게 된다.

상기한 바와 같이 몰드(5) 하부에 존재하는 주편은, 그 표피는 응고되고 그 내부는 미응고 상태의 용강이 존재하는 상태이다. 이 때, 몰드(5) 내에서 충분한 냉각이 이루어지지 않을 경우 주편의 표피가 충분히 응고되지 않고, 이로 인해 응고되지 않은 부분이 터져 주편 내부의 응고되지 않은 용강이 외부로 유출되는 주편파단이 발생할 수 있다. 또한, 몰드(5)와 주편의 표피 사이에 큰 마찰력이 인가되거나, 몰드(5)와 주편의 표피 사이에 윤활제로 첨가되는 윤활파우더가 불균일하게 주편 표피에 흐르는 경우, 상기 주편의 표피가 터져 주편 내부의 응고되지 않은 용강이 외부로 유출되는 주편파단이 발생할 수 있다. 또한, 몰드(5) 내벽에 이물질이 점착되어 있는 경우, 이 이물질은 주편의 표피의 일부분이 응고되는 것을 방해하여 주편 표피에 충분히 응고되지 않은 부분을 발생시키며, 이로 인해 상기와 같이 주편파단이 발생할 수 있다.

상기와 같이 주편파단이 발생하면, 다량의 용강이 연속주조기의 주변에 흘러내려 설비의 파손 및 오염을 가져오고, 장시간 설비를 휴지시키게 되어 제품 생산에 막대한 피해가 발생하므로, 상기 주편파단을 사전에 감지하는 기술들이 개발되어 왔다. 이러한 주편파단을 감지하는 종래의 기술은 도 2에 도시된 바와 같이 몰드(5)에 열전온도계(20)를 설치하여, 용강이 턴디쉬(3)로부터 몰드(5) 내로 유입 시부터 몰드의 온도를 검출하고 검출된 온도의 변화를 연산 처리하여 주편파단을 사전에 예측하는 방법을 사용하였다.

그러나, 상기 종래의 주편파단 방법은 열전온도계의 설치 초기에는 효과가 있으나, 상기 열전온도계의 설치환경이 진동 및 충격에 노출되어 있고 고온다습하기 때문에 상기 열전온도계가 빈번하게 오동작을 일으키는 문제점이 있으며, 이로 인해 상기 열전온도계를 수시로 점검 보수해야 하므로 정비부하가 가중되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 몰드에서 발생하는 진동을 검출하고, 상기 진동을 이용하여 몰드와 주편 사이의 마찰력을 계산하고, 상기 마찰력 및 진동을 이용하여 주편파단을 예측하는 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 연속주조 공정에 사용되는 일반적인 연속주조기의 구성도이다.

도 2는 종래의 주편파단 감지 장치의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 주편파단 예측 장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 주편파단 예측 장치의 상세 구성도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 래들 2 : 롱노즐

3 : 턴디쉬 4 : 슬라이딩 노즐

5 : 몰드 6 : 핀치롤

7 : 냉각수 분사장치 8 : 주편

20 : 열전온도계 300 : 진동검출기

320 : 신호변환기 310 : 주편파단 예측기

330 : 디스플레이 410 : 진동진폭 전처리부

420 : 마찰력 연산부 430 : 마찰력 분석부

440 : 진동진폭 비교부 450 : 한계진폭 설정부

460 : 경보부

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 주입된 용강을 원하는 규격의 주편으로 인발하는 몰드의 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치에 있어서,

상기 몰드의 상부면에 설치되고, 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도를 검출하는 하나 이상의 진동검출기와, 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동속도의 평균값 및 진동가속도의 평균값을 이용하여 주편과 몰드 사이의 마찰력을 계산하는 마찰력 연산부와, 상기 마찰력 연산부에서 계산된 마찰력이 소정의 시간동안 소정의 비율로 계속 상승하는 경우 주편파단 경보를 발생시키는 마찰력 분석부와, 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동폭의 평균값이 사전에 설정된 한계 진동폭보다 작을 경우 주편파단 경보를 발생시키는 진동폭비교부를 포함하는 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마찰력 연산부는,

하기 수학식 1에 의해 주편과 몰드 사이의 마찰력을 계산하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

(D: 감쇄상수, v(t): 진동속도, m: 몰드질량, a(t): 진동가속도, g: 중력가속도)

또한, 상기 연주공정의 주편파단 예측 장치는,

상기 복수개의 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출되는 몰드의 진동폭, 진동속도, 진동가속도의 평균값을 구하는 진동 전처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치의 구성을 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.

본 발명에 따른 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치는 상기 몰드의 상부면에 설치되고, 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도를 검출하는 하나 이상의 진동검출기와, 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동속도의 평균값 및 진동가속도의 평균값을 이용하여 주편과 몰드 사이의 마찰력을 계산하는 마찰력 연산부와, 상기 마찰력 연산부에서 계산된 마찰력이 소정의 시간동안 소정의 비율로 계속 상승하는 경우 주편파단 경보를 발생시키는 마찰력 분석부와, 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동폭의 평균값이 사전에 설정된 한계 진동폭보다 작을 경우 주편파단 경보를 발생시키는 진동폭비교부를 포함하여 구성된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 주편파단 예측 장치의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 몰드(5)의 상부면에는 진동검출기(300)가 대각선 방향으로 2개 설치되는 것이 바람직하다. 상기 진동검출기(300)의 개수는 한정되는 것이 아니다. 상기 진동검출기(300)는 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도를 검출하는 것으로, 고온 다습한 환경에서 사용되므로 그 외부는 수 mm 두께의 지르코니아 재질을 이용하여 코팅처리하는 것이 바람직하다.

상기 진동검출기(300)에 의해 검출된 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도는 신호변환기(320)를 거쳐 주편파단 예측기(310)로 입력된다. 상기 신호변환기(320)는 상기 진동검출기(300)에 의해 검출된 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도를 상기 주편파단 예측기(310)에서 처리할 수 있는 신호로 변환하는 역할을 한다. 상기 주편파단 예측기(310)는 상기 진동검출기(300)에 의해 검출된 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도를 이용하여 주편의 파단을 예측하는 것으로, 상기 주편파단 예측기(310)에서 처리되는 진동폭, 진동속도 및 진동가속도 등에 대한 정보를 디스플레이(300) 장치를 이용하여 시각적으로 표시할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 주편파단 예측 장치의 상세 구성도로서 상기 주편파단 예측기의 상세 구성을 도시하고 있다. 상기 주편파단 예측기는 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동속도의 평균값 및 진동가속도의 평균값을 이용하여 주편과 몰드 사이의 마찰력을 계산하는 마찰력 연산부(420)와, 상기 마찰력 연산부(420)에서 계산된 마찰력이 소정의 시간동안 소정의 비율로 계속 상승하는 경우 주편파단 경보를 발생시키는 마찰력 분석부(430)와, 상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동폭의 평균값이 사전에 설정된 한계 진동폭보다 작을 경우 주편파단 경보를 발생시키는 진동폭비교부(440)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 주편파단 예측기는 상기 복수개의 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출되는 몰드의 진동폭, 진동속도, 진동가속도의 평균값을 구하는 진동 전처리부(410)와, 상기 진동폭 비교부(440)에서 검출되는 진동폭과 비교되는 한계 진동폭을 사전에 설정하는 한계 진동폭 설정부(450)와, 상기 마찰력분석부(430) 및 상기 진동폭비교부(440)에서 주편파단 경보가 발생하면 이를 설비 운전자에게 알려줄 수 있는 경광등 또는 경음기와 같은 경보기를 더 포함하여 구성된다.

상기 진동 전처리부(410)는 입력되는 진동신호(진동폭, 진동속도, 진동가속도)의 소정의 시간동안의 평균값을 구한다. 몰드의 진동은 여러 가지 원인에 의해 순간적으로 급격하게 변동될 수 있으며, 입력되는 진동신호에 헌팅이 발생할 수 있으므로 소정의 시간동안의 평균값을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 마찰력 연산부(420)는 상기 진동 전처리부(410)에 의해 평균 처리된 진동속도 및 진동가속도를 이용하여 하기 수학식 1을 통해 몰드와 주편간의 마찰력을 계산한다.

(D: 감쇄상수, v(t): 진동속도, m: 몰드질량, a(t): 진동가속도, g: 중력가속도)

상기 마찰력 분석부(430)는 상기 마찰력 연산부(420)에서 계산되는 마찰력을 지속적으로 입력받아 상기 마찰력이 소정의 시간동안 소정의 비율로 계속 상승하는 경우 주편파단 경보를 발생시킨다. 예를 들어, 상기 마찰력 연산부(420)에서 계산되는 마찰력이 50N으로 일정하게 유지되다가, 초당 1N~1.5N으로 증가하기 시작하여, 이러한 증가가 3초 이상 계속되는 경우, 상기 마찰력 분석부(430)는 주편과 몰드사이의 마찰력이 증가하여 파단이 발생할 수 있음을 예측하고 주편파단 경보를 발생시키게 된다.

상기 진동폭 비교부(440)는 상기 진동 전처리부(410)에 의해 평균 처리된 진동폭이 사전에 설정된 한계 진동폭보다 작은 경우 주편파단을 예측하는 주편파단 경보를 발생시킨다. 상기 한계 진동폭은 한계 진동폭 설정부(450)에서 사전에 설정될 수 있으며, 이 한계 진동폭은 주조되는 주편의 성분에 따라 실험적으로 구해질수 있다. 하기 표 1은 주조되는 주편의 성분에 따른 한계 진동폭의 보기이다.

주편의 성분	주조초기 진동폭 평균	정상작업 중 진동폭 평균	한계 진동폭
극저탄소강	3mm	2.5mm	2.2mm
저탄소강	3.4mm	2.7mm	2.3mm
중탄소강	3.8mm	3.1mm	2.6mm
고탄소강	4.3mm	3.4mm	2.8mm

예를 들어 상기 표 1에서 저탄소강의 경우, 연주공정이 정상적으로 진행되는 중의 진동폭의 평균은 2.7mm인데, 진동폭이 점점 감소하여 한계 진동폭이 2.3mm가 되면 상기 진동폭 비교부(440)는 주편파단 경고를 발생하게 되는 것이다. 이와 같이 진동폭이 감소하는 이유는, 주편과 몰드 사이의 마찰력이 증가하여 몰드의 진동을 방해하기 때문이다.

상기 마찰력 분석부(430) 및 진동폭 비교부(440)에서 주편파단 경보가 발생되면, 경보기(460)에서 주편 파단이 발생할 수 있음을 설비 운전자에게 경고하게 되고, 이어 설비 운전자는 몰드와 주편 사이에 윤활 작용을 돕는 주형플럭스를 투입하거나 주조속도를 감소시켜 주편파단이 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있게 된다.

또한 상기 마찰력 연산부(420), 마찰력 분석부(430) 및 진동폭 비교부(440)의 동작상태를 디스플레이에 시각적으로 표시할 수 있으므로 설비 운전자는 주편파단 경고가 발생하기 이전에 주편 및 몰드의 상태를 수시로 점검할 수 있게 된다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치의 동작을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 3에 도시된 진동검출기(300)에 의해 검출되는 몰드의 진동신호(진동폭, 진동속도, 진동가속도)는 진동 전처리부(410)에 입력된다. 상기 진동 전처리부(410)는 순간적인 몰드의 진동 및 신호의 헌팅 등에 의한 영향을 무시하기 위해 소정의 시간동안 입력되는 진동신호의 평균값을 구한다. 이어, 상기 진동 전처리부(410)에서 구한 진동속도 및 진동 가속도의 평균값은 마찰력 연산부(420)에 입력되고 상기 수학식 1을 이용하여 몰드와 주편 사이의 마찰력을 구한다. 상기 마찰력 연산부(420)에서 계산된 마찰력은 마찰력 분석부(430)에 입력되고, 상기 마찰력 분석부(430)는 상기 마찰력 연산부(420)에서 계산되는 마찰력을 지속적으로 입력받아 상기 마찰력이 소정의 시간동안 소정의 비율로 계속 상승하는 경우 주편파단 경보를 발생시킨다.

한편, 상기 진동 전처리부(410)에 의해 평균 처리된 진동폭은 진동폭 비교부(440)에 입력되고, 한계 진동폭 설정부(450)에서 사전에 설정된 한계 진동폭보다 입력된 진동폭이 작은 경우 주편파단을 예측하는 주편파단 경보를 발생시킨다. 상기 마찰력 분석부(430) 및 진동폭 비교부(440)에서 주편파단 경보가 발생되면, 경보기(460)에서 주편 파단이 발생할 수 있음을 설비 운전자에게 경고하게 되고, 이어 설비 운전자는 몰드와 주편 사이에 윤활 작용을 돕는 주형플럭스를 투입하거나 주조속도를 감소시켜 주편파단이 발생하는 것을 사전에 방지할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 몰드의 진동을 측정하고, 몰드와 주편 사이의 마찰력을 계산함으로써, 주편의 파단이 발생하기 전에 주편파단을 미리 예측할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 주편파단을 미리 예측함으로써 연속 주조설비의 파손 및 오염을 방지하고, 파손 및 오염에 의한 장시간 설비 휴지를 예방하는 우수한 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (3)

1. 주입된 용강을 원하는 규격의 주편으로 인발하는 몰드의 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치에 있어서,

   상기 몰드의 상부면에 설치되고, 몰드의 진동폭, 진동속도 및 진동가속도를 검출하는 하나 이상의 진동검출기;

   상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동속도의 평균값 및 진동가속도의 평균값을 이용하여 주편과 몰드 사이의 마찰력을 계산하는 마찰력 연산부;

   상기 마찰력 연산부에서 계산된 마찰력이 소정의 시간동안 소정의 비율로 계속 상승하는 경우 주편파단 경보를 발생시키는 마찰력 분석부; 및

   상기 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출된 진동폭의 평균값이 사전에 설정된 한계 진동폭보다 작을 경우 주편파단 경보를 발생시키는 진동폭비교부를 포함하는 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 마찰력 연산부는,

   하기 수학식 1에 의해 주편과 몰드 사이의 마찰력을 계산하는 것을 특징으로 하는 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치.

   [수학식 1]

   (D: 감쇄상수, v(t): 진동속도, m :몰드질량, a(t): 진동가속도, g: 중력가속도)
3. 제1항에 있어서, 상기 연주공정의 주편파단 예측 장치는,

   상기 하나 이상의 진동검출기에서 소정의 시간동안 검출되는 몰드의 진동폭, 진동속도, 진동가속도의 평균값을 구하는 진동전처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 몰드 진동 및 마찰력 측정을 통한 연주공정의 주편파단 예측 장치.