KR20060077308A - 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용강을 주형에 주입하여 강의 주편을 연속적으로 생산하는 제철소의 연속 주조 공정에 관한 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주형 내에서 용강의 탕면이 약 0.5 ~ 2 초 내의 짧은 시간을 주기로 요동치는 단주기 탕면 변동 현상 때문에 발생하는 주편 터짐이나 용탕 넘침과 같은 조업상의 문제를 방지하기 위해 연속주조기 내의 주형의 국부적인 레벨을 측정하는 탕면 레벨계의 출력 신호를 받아서 주파수 분석을 하고, 상기 분석한 주파수로부터 단주기 탕면 변동이 발생하는 것을 검출하고, 상기 검출된 주파수에 연관된 시상수로 이를 적분하여, 상기의 적분치를 탕면 레벨 제어기의 레벨치로 입력함으로써 주형 내의 단주기 탕면 변동을 억제하여 탕면 레벨을 안정화할 수 있는 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동을 억제할 수 있는 방법에 관한 것이다.

상기의 발명은, 주형 내의 단주기 탕면 변동을 억제하여 주편의 품질을 향상시키고, 주조 속도 일정유지 등 주조 작업의 안정화를 기할 수 있으므로 그 경제적 이익에도 큰 효과를 제공할 수 있다는 장점을 가진다.

연속주조기, 탕면 변동, 단주기, 억제

Description

연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법 {Control Method for a Short Period Mold Level Hunting in Continuous Cast}

도 1a는 일반적인 연속주조기의 구성도이다.

도 1b는 주조 중 탕면파에 의한 탕면 변동의 발생 사례 및 주파수 분석의 예를 도시한 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따른 연속주조기 내의 탕면 레벨 제어기의 내부 구성 모듈을 도시한 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법을 도시한 순서도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 턴디쉬 20 : 액추에이터

30 : 노즐 40 : 주형

50 : 스트랜드 60 : 레벨계

70 : 탕면 레벨 제어기 72 : 주파수 검출기

74 : 적분기 76 : 레벨 측정기

100 : 연속주조기

본 발명은 제철소의 연속 주조 공정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 국부적인 레벨을 측정하는 탕면 레벨계의 출력신호를 받아서 주파수 분석을 하고, 분석한 주파수로부터 단주기 탕면 변동이 발생하는 것을 검출하고, 상기 검출된 주파수에 연관된 시상수로 이를 적분하여, 상기의 적분치를 탕면 레벨 제어기의 레벨치로 입력함으로써 주형 내의 단주기 탕면 변동을 억제하여 탕면 레벨을 안정화할 수 있는 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동을 억제할 수 있는 방법에 관한 것이다.

연속주조 공정은 산업에 활용되는 소재를 만들기 위한 모재인 1차 소재를 생산하는 공정으로 건전한 주편을 생산하기 위하여 여러 하부 공정을 포함하고 있다. 여러 제강공정을 거쳐 정련한 용강은 래들에서 최종 정련 처리되고, 이를 턴디쉬에 공급한 후 턴디쉬 바닥에 설치된 토출구를 통하여 주형에 공급하여, 1차 냉각에 의해 응고층이 형성된 형태를 만들고, 2차 냉각에 의해 완성된 주편을 제조한다.

상기의 주조 작업을 안정하게 하고, 건전한 주편을 제조하기 위해서는 주형 내의 탕면 레벨이 안정되어 있어야 한다. 근래에는 고품질, 고생산성의 연속주조기를 요구하는 추세이므로 탕면 레벨의 관리가 엄격해지고 있으며, 상기의 탕면 레벨 은 용강의 성분, 세그먼트, 주형 내 용강 제어 장치, 탕면 레벨 제어기, 용강 공급 장치, 조업조건 등 연주 설비, 연주 조건과 밀접하게 관련되어 있으므로 그 탕면 레벨의 안정화는 여러 요인을 같이 고려하여야 한다.

그러나, 연주 설비는 워낙 고가의 설비이므로 한번 건설되고 나면 다시 수정하기 어렵다. 따라서, 요즈음에는 생산 강종이 변경되거나 조업 조건이 바뀔 때 발생할 수 있는 탕면 변동은 상대적으로 개선 부담이 적은 탕면 레벨 제어기로 해결하려는 경향이 두드러진다.

하지만, 상기의 탕면 레벨 제어기를 사용함에도 불구하고, 탕면이 불안할 경우에는, 메니스커스부에서 주형 플럭스나 개재물이 혼입되어 주편의 표면 품질을 크게 저하시키며, 주조 중 주편의 터짐이 발생하거나 주형 위로 용탕이 넘칠 경우에는 생산성을 크게 저하시키는 요인이 된다. 따라서 연속주조 공정에서는 주형 내 용강을 안정적으로 공급하기 위해 상황에 따라 여러 가지 기법을 혼합하여 사용하는 탕면 레벨 제어기를 사용하고 있다.

상기와 같은 기존의 탕면 레벨 제어기들은 주조 속도 변화, 설정치 변화와 같은 계획된 상황에 적합한 제어와 주형 내의 장주기(Long Period) 탕면 변동, 노즐 막힘 등에 대한 제어에 그 초점이 맞추어져 있다. 특히, 주조 속도에 비례하고, 세그먼트의 롤 구조와 연관이 있는 장주기 탕면 변동(벌징성 탕면 변동)에 대한 제어는 많이 시도되어 적용되고 있다.

통상적인 연속주조기의 장주기(Long Period)는 약 10 ~ 15 초 정도이며, 박슬라브 연속주조기의 경우는 약 2 ~ 5초 정도이다. 장주기 탕면 변동은 그 변동량 의 변화가 아주 느리기 때문에 주조 속도 감속과 같이 조업자가 대처할 수 있는 방법이 있다. 반면에, 단주기(Short Period) 탕면 변동의 경우는 변동량 변화가 아주 빠르고, 이에 대한 적절한 대처 방법이 제시되지 않아, 조업 중에 사고로 이어지는 경우가 발생하여 생산에 막대한 지장을 초래한다.

이하, 도면을 참조하여 일반적인 연속주조기에 대해 설명하고자 한다.

도 1a는 주편을 생산하기 위한 연속주조기의 구성도이고, 도 1b는 주조 중 탕면파에 의한 탕면 변동의 발생 사례 및 주파수 분석의 예를 도시한 그래프이다.

도면을 참조하면, 일반적으로 연속주조기는 용탕을 담아두는 턴디쉬(Tundish)(10), 주형 (Mold)(40)에 공급하는 용탕량을 조절하는 액추에이터(Actuator)(20), 용탕을 인도하는 노즐(nozzle)(30), 용탕을 일정한 모양으로 만드는 주형(Mold)(40), 응고가 진행되는 주편을 안내하여 인출하는 스트랜드(Strand)(50)로 구성되어 있다.

이 외에도, 탕면의 레벨을 조절하기 위하여, 레벨의 높이를 측정하는 탕면 레벨계(Level-Meter)(60)와 상기 레벨계(60)의 출력을 참고로 액추에이터(20)를 조절하는 탕면 레벨 제어기(Level Controller)(70)를 구비한다.

용탕은 액체 상태이므로 주형 내에 공급될 때 공급의 비대칭에 의한 편류는 항상 발생하게 된다. 따라서, 주형 내의 용탕 자유 표면에서는 탕면파가 종종 발생하게 된다. 따라서, 연속주조기가 정상적으로 주편을 주조하기 위해서 탕면의 위치 를 항상 일정하게 유지하는 것이 중요한 것으로 알려져 있다. 따라서 탕면 레벨 제어기(70)는 탕면 레벨계(60)의 출력을 기초로 액추에이터(20)를 조절하여 주형 내 용탕의 레벨을 일정하게 유지하는 기능을 한다.

도 1b를 참조하면, 단주기 탕면 변동은 탕면 레벨을 도시한 그래프에서 볼 수 있듯이, 간헐적으로 나타나다가 그 빈도가 증가하며, 결국에는 변동폭이 커져 조업 사고를 야기한다. 또한, 약 0.5 ~ 2 초 내의 짧은 시간을 주기(0.5 ~ 2 Hz)로 발생하는 단주기 탕면 변동을 주파수를 도시한 그래프에서 볼 수 있다. 상기와 같은 단주기 탕면 변동은 주편 터짐이나 용탕 넘침과 같은 조업상의 문제를 발생시키게 된다.

한편, 일반적으로 탕면 레벨은 주형 내 용탕의 자유 표면 전체를 대표하는 값으로 측정해야 한다. 그러나 슬라브 연속주조기의 경우는 그 폭이 넓으므로 전체를 대표하는 레벨을 측정하지 못하고 일부분의 레벨을 측정하여 제어에 활용하고 있다. 주형 내 자유표면 전체를 대표하는 레벨치를 기초로 하여 주형 내 용강의 주입량을 제어할 경우는 정상적인 제어가 되지만 일부분의 값을 참고로 하여 제어할 경우는 오히려 탕면 변동을 심하게 조장하는 결과를 초래하게 된다.

주형 내 용강의 체적 변동 여부에 따라 탕면 레벨 제어기(70)는 레벨을 조절하는 동작여부를 따라야 한다. 그러나, 국부적인 레벨을 측정하는 레벨계(60) 자체는 주형 내 용강의 체적변동 여부를 알 수 없다. 측정한 탕면 레벨치를 참고로 탕면 레벨을 제어할 경우 오히려 탕면 변동을 더욱 조장하게 되고, 이로 인해 주편의 품질은 심각하게 저하되며, 조업의 안정성도 크게 떨어지게 된다. 따라서 주형 내 탕면 레벨의 단주기 변동을 제어 또는 억제하는 기술은 연속 주조 공정에서 크게 요구되는 기술 중의 하나다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 주형 내에서 용강의 탕면이 약 0.5 ~ 2 초 내의 짧은 시간을 주기로 요동치는 현상 때문에 발생하는 주편 터짐이나 용탕 넘침과 같은 조업상의 문제를 방지하기 위해 국부적인 레벨을 측정하는 탕면 레벨계의 출력신호를 받아서 주파수 분석을 하고, 분석한 주파수로부터 단주기 탕면 변동이 발생하는 것을 검출하고, 상기 검출된 주파수에 연관된 시상수로 이를 적분하여, 상기의 적분치를 탕면 레벨 제어기의 레벨치로 입력함으로써 주형 내의 단주기 탕면 변동을 억제하여 탕면 레벨을 안정화하고, 주편의 품질을 향상시키고자 하는데 그 목적이 있다.

그리고 상기와 같은 방법을 이용하여, 주조 속도 일정유지 등 주조 작업의 안정화를 기할 수 있다는 장점을 가져 그로 인한 경제적 이익에 큰 효과를 가질 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연속주조기 내의 탕면 레벨 제어 방법을 제안한다.

연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제하기 위하여 본 발명은, 탕면 레벨계는 연속주조기의 탕면의 레벨치를 측정하여 이를 탕면 레벨 제어기로 입력하는 제 1단계와; 탕면 레벨 제어기는 상기 입력받은 탕면의 레벨치로부터 주파수를 검출하여, 단주기 탕면 변동인지를 확인하는 제 2단계와; 상기 탕면의 변동 주기가 단주기라면, 상기 검출된 주파수로부터 탕면 적분 시상수를 구하고, 상기 적분 시상수로 상기 레벨치를 적분하는 제 3단계와; 상기 탕면의 측정된 레벨치, 또는 적분한 레벨치를 기초로 주형에 공급되는 용탕의 양을 조절하는 액추에이터를 조절하는 제 4단계로 이루어져 있다.

상기의 각 단계를 제어하기 위하여 본 발명은 주형의 탕면에 설치된 레벨계로부터 입력되는 탕면의 레벨을 입력받아 해당 주파수를 검출하는 주파수 검출기와; 상기 주파수 검출기로부터 검출된 주파수가 단주기일 경우에, 이의 적분 시상수를 구하여 적분치를 구하는 적분기와; 상기 적분기로부터 레벨의 적분치를 입력받아 액추에이터를 조절하는 레벨측정기를 구비한다.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 연속주조기 내의 탕면 레벨 제어기의 내부 구성 모듈을 도시한 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연속주조기 내의 탕면 레벨 제어기(70)는 레벨계로부터 입력되는 탕면의 레벨을 입력받아 해당 주파수를 검출하는 주파수 검출기(72)와, 상기 주파수 검출기로부터 검출된 주파수가 단주기일 경우에, 이의 적분 시상수를 구하여 적분치를 구하는 적분기(74)와, 상기 적분기로부터 레벨의 적분치를 입력받아 액추에이터를 조절하는 레벨측정기(76)로 이루어져 있다.

상기의 주파수 검출기(72)는 레벨계(60)로부터 탕면의 레벨 신호를 입력받아, 탕면파의 주파수를 검출하여 해당되는 탕면파가 단주기인지 장주기인지를 판단하는 역할을 한다. 이 때, 탕면파의 주파수(f_w)는 주형의 형상에 의해 아래의 수학식 1과 같이 결정된다.

상기의 수학식 1에서 n은 정수이며, g는 중력가속도, L은 주형의 폭을 나타낸다. 예를 들어, n=1이고, 주편 폭이 1000~1600 mm일 경우에, 상기의 수학식을 이용하여 해당하는 탕면파의 주파수(f_w)를 구하면, 0.7 ~ 0.9 Hz 정도이며, n=2이고, 주편 폭이 1000~1600 mm일 경우에는, 1.0 ~ 1.25 Hz 이다. 상기에서 계산상의 오차를 감안할 때, 위의 주편 폭을 주조할 경우는 약 0.6~1.3 Hz 의 탕면파에 의한 탕면 변동이 발생하는 것으로 생각할 수 있다.

상기의 적분기(74)는 상기 주파수 검출기(72)가 검출한 탕면파의 주파수(f_w)가 약 0.5 ~ 2 초 내의 짧은 시간을 주기(0.5 ~ 2 Hz)로 발생하는 단주기 탕면 변동이라고 판단되면, 해당되는 적분 시상수(Time Constant)(T_i)를 구한다. 이 때, 적분 시상수(T_i)는 아래의 수학식 2와 같이 단주기 탕면 변동의 주파수(f_m)의 역수의 자연수배만큼 하여 구할 수 있다.

상기의 수식에서 n은 자연수이다. 즉, 주파수가0.78 Hz인 경우, 적분 시상수(T_i)는 1.282초의 정수배로 한다. 일반적으로 수학식 2의 자연수 n을 작게 하면, 단주기 탕면 변동에 빨리 대응할 수 있지만 정도가 떨어지고, n을 크게 하면 정도는 향상되지만 단주기 탕면 변동에 대응하는 속도가 느려진다. 본 발명에서는 장기간의 조업과 탕면 변동의 경향으로 보아 n을 3 ~ 5정도로 하는 것이 가장 적합할 수 있다. 본 발명은 상기와 같은 과정을 통해, 탕면 레벨을 적분 시상수(T_i)동안 적분 할 경우, 단주기 탕면 변동에 의한 레벨 변동은 제어에서 반영하지 않게 되므로 탕면 변동을 조장하지 않고 단주기 변동도 억제할 수 있다는 장점을 가진다.

도 3은 본 발명에 따른 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법을 도시한 순서도이다.

도면을 참조하면, 먼저, 탕면 레벨계(60)는 연속주조기의 탕면의 레벨 신호를 검출한다(S102). 상기의 검출한 레벨 신호는 탕면 레벨 제어기(70)로 입력되고, 탕면 레벨 제어기(70)의 주파수 검출기(72)는 이를 입력받아, 상기 수학식 1로부터 해당되는 탕면파의 주파수(f_w)를 산출한다(S104).

계속하여, 상기에서 산출된 탕면파의 주파수(f_w)로부터 해당하는 탕면 변동이 단주기인지 장주기인지를 판단한다(S106). 상기의 변동이 단주기 탕면 변동이라면, 상기 탕면파의 주파수(f_w) 및 레벨 신호는 탕면 레벨 제어기(70)의 적분기(74)로 입력되고, 적분기는 상기 정보들을 입력받아 상기의 수학식 2로부터 탕면 적분 시상수(T_i)를 산출한다(S108).

적분기(74)는 상기 산출된 상기 적분 시상수(T_i)로 상기 레벨 신호를 적분하여, 레벨의 적분치를 산출한다(S110). 탕면 레벨 제어기(70)의 레벨측정기(76)는 상기 적분기(74)로부터 레벨의 적분치를 입력받고, 이로부터 액추에이터(20)를 조절한다(S112). 상기와 같이 본 발명에서는 용강 주입량을 제어하여(S114) 주형 내 용탕의 탕면 레벨을 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

상기의 과정(S106)에서 만약, 산출된 탕면파의 주파수(f_w)로부터 해당하는 탕면 변동이 장주기라면, 적분기(74)를 통한 적분 시상수(T_i)나 적분치를 산출하는 과정 없이, 상기의 해당하는 탕면의 레벨치를 토대로 액추에이터(20)를 조절함(S112)으로써 상기의 과정을 종료할 수 있다.

일반적으로 단주기 탕면 변동을 순간 억제하면, 탕면은 잠잠해졌다가 다시 단주기 탕면 변동이 발생하게 되는데, 본 발명에서는 이럴 때 마다 본 발명에 따른 적분기(74)를 사용하는 단주기 검출 및 제어 경로나, 적분기(74)를 사용하지 않는 장주기 검출 및 제어 경로로 변환하여 탕면을 제어함으로써 탕면 레벨을 안정화할 수 있도록 하였다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 주형 내에서 용강의 탕면이 약 0.5 ~ 2 초 내의 짧은 시간을 주기로 요동치는 현상 때문에 발생하는 주편 터짐이나 용탕 넘침과 같은 조업상의 문제를 방지하기 위해 국부적인 레벨을 측정하는 탕면 레벨 계의 출력신호를 받아서 주파수 분석을 하고, 분석한 주파수로부터 단주기 탕면 변동이 발생하는 것을 검출하고, 상기 검출된 주파수에 연관된 시상수로 이를 적분하여, 상기의 적분치를 탕면 레벨 제어기의 레벨치로 입력하여 주형 내의 단주기 탕면 변동을 억제하여 탕면 레벨을 안정화함으로써 주편의 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.

그리고 상기와 같은 시스템을 이용하여, 주조 속도 일정유지 등 주조 작업의 안정화를 기할 수 있다는 장점을 가져 그 경제적 이익에 큰 효과를 제공하는 데 있어서 큰 효과를 거둘 수가 있다.

Claims (5)

1. 탕면 레벨계는 연속주조기의 탕면의 레벨치를 측정하여 이를 탕면 레벨 제어기로 입력하는 제 1단계와;

   탕면 레벨 제어기는 상기 입력받은 탕면의 레벨치로부터 주파수를 검출하여, 단주기 탕면 변동인지를 확인하는 제 2단계와;

   상기 탕면의 변동 주기가 단주기라면, 상기 검출된 주파수로부터 탕면 적분 시상수를 구하고, 상기 적분 시상수로 상기 레벨치를 적분하는 제 3단계와;

   상기 탕면의 측정된 레벨치, 또는 적분한 레벨치를 기초로 주형에 공급되는 용탕의 양을 조절하는 액추에이터를 조절하는 제 4단계

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 제 2단계에서

   상기 단주기는 0.5 ~ 2 Hz 사이인 것을 특징으로 하는 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 제 3단계에서

   상기 탕면 적분 시상수(T_i)는 아래의 수학식과 같이 단주기 탕면 변동의 주파수(f_m)의 역수의 자연수배만큼 하여 구할 수 있는 것을 특징으로 하는 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법.

   
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 자연수 n은 3 내지 5인 것을 특징으로 하는 연속주조기 내의 단주기 탕면 변동 억제 방법.
5. 주형의 탕면에 설치된 레벨계의 출력을 기초로 액추에이터를 조절하여 주형 내 용탕의 레벨을 일정하게 유지하는 탕면 레벨 제어기에 있어서,

   레벨계로부터 입력되는 탕면의 레벨을 입력받아 해당 주파수를 검출하는 주파수 검출기와;

   상기 주파수 검출기로부터 검출된 주파수가 단주기일 경우에, 이의 적분 시상수를 구하여 적분치를 구하는 적분기와;

   상기 적분기로부터 레벨의 적분치를 입력받아 액추에이터를 조절하는 레벨측 정기

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속주조기 내의 탕면 레벨 제어기.

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