KR20080057672A

KR20080057672A - 가열로의 각대 설정온도 결정방법

Info

Publication number: KR20080057672A
Application number: KR1020060131261A
Authority: KR
Inventors: 김영일; 강덕홍; 김기홍
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-06-25
Also published as: KR101286558B1

Abstract

다단계 예측이 가능한 가열로의 각대 설정온도 결정방법을 제공한다.

상기 가열로의 각대 설정온도 결정방법은, n개의 가열존(zone)을 갖는 가열로에서의 각대 설정온도 결정방법으로서, 상기 n개의 가열존에서의 최적 온도를 각각 설정하고, 제 i-1 가열존(i=2,3,...,n)에 있는 소재가 제 i 가열존에 진입하여 제 i 가열존에 있는 동안을 고려한 제 i 가열존의 최적 온도를 결정하되, 상기 설정된 각 가열존에서의 최적 온도를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 기존의 단 단계(One-Step-Ahead) 예측을 통한 문제를 해소하고, 다 단계(Multi-Step-Ahead) 예측이 가능한 설정온도 예측을 통하여 일정한 추세를 가지는 온도 설정 및 설정 온도의 헌팅을 방지함으로서, 운전자의 설정온도에 대한 신뢰도를 향상시키고, 노온 설정의 자동화를 가능하게 하는 개선된 효과를 얻을 수 있다.

가열로, 제어존, 각대 설정온도, 다단계 설정

Description

가열로의 각대 설정온도 결정방법{Method for Determining Set-point Temperature of Each Zone of Reheating Furnace}

도 1은 일반적인 가열로를 도시한 개략도

도 2는 종래 가열로의 설정온도 결정방법을 설명하기 위한 모식도

도 3은 본 발명에 따른 가열로의 각대 설정온도 결정방법을 설명하기 위한 모식도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100.... 가열로 110.... 장입대

120.... 예열대 130.... 가열대

140.... 균열대

본 발명은 다단계 예측이 가능한 가열로의 각대 설정온도 결정방법에 관한 것이며, 보다 상세히는 기존의 단 단계(One-Step-Ahead) 예측을 통한 각대의 설정 온도을 결정하는 경우에 발생되는 헌팅이나 설정온도의 시계열 추세가 방향성을 가지지 못하는 것을 해소토록, 다 단계(Multi-Step-Ahead) 예측이 가능한 설정온도 예측을 통하여 일정한 추세를 가지는 온도 설정 및 설정 온도의 헌팅을 방지함으로서, 운전자의 설정온도에 대한 신뢰도를 향상시키고, 노온 설정의 자동화를 가능하게 하는 가열로의 각대 설정온도 결정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 제철소의 열간압연 공정에는 연주 공정에서 생산된 슬래브 등의 압연소재를 가열하기 위하여 가열로가 사용되고 있다.

즉, 압연소재의 해당 규격에 대한 야금학적인 조건과 치수 및 외관에 대한 관리는 실제로는 압연라인에서 이루어지지만, 보다 정확한 관리를 위해서는 상기 가열로가 해당 소재를 원하는 가열온도까지 가열하는 것은 물론, 소재의 길이 및 폭 방향으로 균일하게 가열하는 것이 중요한 품질 관리 요소임은 당연하다.

이와 같은 균일 가열은 야금학적으로 재질의 편차를 감소시키고 치수관리 측면에서 두께편차를 감소시켜주기 때문이다.

한편, 도 1에서는 알려진 가열로의 전체 구조를 도시하고 있다.

즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 가열로(100)는 노체(150)의 내부에 장입측에서 추출측까지 연속적으로 배열되고 그 위에 가열하고자 하는 장입 슬래브(S)가 안착되어 이송되는 스키드 빔 즉, 고정빔(160)과 이동빔(170)이 배치된다.

따라서, 가열로(100)내에 장입된 슬래브(S) 등의 소재가 가열되는 동안 상기 이동빔(170)은 고정빔(160)에 안착된 슬래브(S)를 상승, 전진, 하강 및 후진의 일 련의 작동으로 가열로 장입측에서 추출측까지 단계적으로 이동시킨다.

한편, 도 1에서 도시한 바와 같이, 이와 같은 가열로(100)의 내부공간은 이동빔(170)이 지나가는 방향으로, 크게 로입구, 장입대(charging Zone)(110), 예열대(preheating Zone)(120), 가열대(heating Zone)(130) 및 균열대(soaking Zone)(140)로 구분된다.

이에 따라, 장입 슬래브(S)의 초기 온도, 추출시에 요구되는 최종 온도에 따라 상기 장입대, 예열대, 가열대 내에서의 승온 속도 및 체류 시간과 상기 균열대 내에서의 체류 시간 등이 각각 제어된다.

그리고, 각 제어존에는 승온, 가열 및 균열을 위한 측면(장입대) 및 노즈부측의 버너(B1)(B)들이 구비되어 있다.

한편, 도 1에서 도시한 바와 같이, 가열로의 주된 기능이 압연소재인 슬래브(S)를 압연 조건에 맞추어 적정온도 예를 들어, 1250℃ 까지 가열시키는 것이므로, 가열로의 내부 온도 즉, 로온 제어가 가열로의 핵심과제이다.

따라서, 도 1과 같이, 통상 가열로에서는 가열로의 각 제어존(각대, 120 ∼140)마다 로온을 측정할 수 있는 온도센서(180) 즉, 열전대를 로체의 상부와 바닥 및 측면에 설치한 것이다.

다음, 도 2에서는 종래의 가열로의 각대 설정온도 결정방법에 대하여 도시하고 있다.

즉, 도 2에서 도시한 바와 같이, 종래 가열로(100)의 각 대(도 2에서는 Zone 1-4로 나타냄)의 설정온도를 계산하는 방법은 각 소재 단위로 해당 소재가 현재의 속도로 진행한다고 가정한 것에 기초한다.

그리고, 각 대(110 - 140)의 온도를 현재 온도로 초기화하고, 가상 진행 상태에서 가열로 추출시점까지 온도를 계산하고, 가열로의 추출 예측온도를 목표 추출온도와 비교하여 각 대의 최적 설정온도를 구한다.

그 다음, 이 값들에 각 대의 위치에 따른 가중치를 곱하여 더한 값을 현재 시점에서의 설정온도라 계산하였다.

이와 같은 종래 관련식을 다음의 수학식 1에서 나타내고 있다.

여기서,

T^* _{z ;}Zone Z의 t+dt 에서의 최적 설정노온이고, N_z ;Zone Z의 t+dt 에서의 슬래브 매수이며, T^* _i,z ; Zone Z의 t+dt 에서의 i번째 슬래브에 대한 최적 설정노온이고, W_z ; Zone Z의 t+dt 에서의 가중치이다.

예컨대, 이와 같은 수학식 1을 이용한 종래 가열로의 각대 설정온도 결정방 법에서는 현재 시간(t)의 시점에서 다음 설정시간(t+dt)까지의 온도를 설정하게 된다.

따라서, 다음 설정 시점 이후의 시간들은 고려하지 않은 것이며, 이에 따라 매 설정 시간에서 설정되는 값들이 헌팅을 보일 가능성이 높다.

예컨대, 도 2에서 예열대(120)의 Zone 2의 경우, t+dt에서 1250℃, t+2dt에서 1270℃, t+3dt에서 1240℃, t+4dt에서 1250℃처럼 보통 설정 단위 시간(dt)이 2분이라고 하면, 설정온도가 일정하지 않고 오르락 내리락하는 현상이 발생할 수 있다.

예컨대, 2dt에서 너무 높게 설정되고, 다음 시점(3dt)에서는 이를 바로 잡기 위해서 다시 급히 낮추는(1240℃) 등의 문제가 발생한다.

그런데, 이와 같은 종래 가열로의 온도설정 결정방법은 과거 데이터들(t,t-dt,t-2dt,…을 가지고 있지 않고, 단지 t에서의 데이터를 근거로 예측되기 때문이다.

따라서, 종래의 가열로의 각대 설정온도 결정방법의 경우, 단 단계(One-Step-Ahead) 예측을 통한 각대(Zone)의 설정온도를 결정하는 경우 헌팅이 발생되기 쉽고, 설정온도가 일정하지 않은 시계열 추세가 방향성을 가지지 못하는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 문제점들을 해소하기 위하여 안출된 것 으로서 그 목적 측면은, 종래의 설정온도의 헌팅문제를 완화하기 위하여 상미분방정식(ODE)의 동적 시스템과 연계된 최적화 문제를 IDP(Iterative Dynamic Programming)를 적용하여 최적의 설정 노온을 결정하는 것을 가능하게 하는 가열로의 각대 설정온도 결정방법을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 일 측면으로서 본 발명은, n개의 가열존(zone)을 갖는 가열로에서의 각대 설정온도 결정방법에 있어서,

상기 n개의 가열존에서의 최적 온도를 각각 설정하고,

제 i-1 가열존(i=2,3,...,n)에 있는 소재가 제 i 가열존에 진입하여 제 i 가열존에 있는 동안을 고려한 제 i 가열존의 최적 온도를 결정하되, 상기 설정된 각 가열존에서의 최적 온도를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 가열로의 각대 설정온도 결정방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 i-1 가열존(i=2,3,...,n)에 있는 소재가 제 i 가열존에 진입하여 제 i 가열존에 있는 동안을 고려한 제 i 가열존의 최적온도 결정단계에서는,

의 수학식과,

의 수학식을 이용하는 것이다.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3에서는 본 발명에 따른 가열로의 각대 설정온도 결정방법에 관련된 각 대(Zone)를 나타내고 있다.

따라서, 이와 같은 도 3을 참조하면, 먼저 소재(S)인 슬래브의 온도를 추정하는 예측식이 필요한데, 본 발명에서는 슬래브를 집중계(lumped system)로 가정하는 상미분방정식(ODE)의 동적 시스템을 이용 고려한다.

이와 같은 상미분방정식(ODE) 관련식은 다음의 수학식 2에서 나타내고 있다.

한편, 이와 같은 동적 시스템의 상미분 방정식에 대응하는 성능을 평가하는 목적함수가 필요한데, 이와 같은 목적함수는 다음의 수학식 3과 같다.

따라서, 도 3에서, Zone1의 경우 Zone1에 있는 소재인 슬래브(S)들만이 고려 대상이 되어 이들이 상기 가열영역(Zone1)을 모든 소재(slab)들이 지나갈 때까지의 온도들인 붉은색의 최적 예측온도로 결정된다.

다음, Zone2의 경우는 먼저 '자신의 가열영역'에 있는 소재(파란색)들에 의해서 최적온도가 결정되고, 이후에는 Zone 1의 소재가 전진하여 '자신의 가열영역'인 Zone2에 있는 동안을 고려하는 최적온도를 결정하여 전체적으로 Zone2와 Zone1의 소재들이 순차적으로 함께 고려되는 최적 노온을 결정하는 것에 본 발명의 특징이 있는 것이다.

마찬가지로, Zone3에서는 먼저 현재 '자신의 가열영역'에 존재하는 소재들(초록색)과 현재 시점에서는 Zone2에 있지만, 시간이 지나면 Zone3로 진행될 소재들(파란색)과 현재 시점에는 Zone1에 있지만 시간이 지나면 Zone2를 거쳐 Zone3로 진행될 소재들(빨간색) 모두를 순차적으로 고려하는 Zone3의 최적 노온을 계산할 수 있다.

다음, Zone4에 대해서도 이러한 규칙이 반복 적용된다.

이때, 중요한 것은 소재단위로 최적온도를 먼저 찾는 것이 아니라, 한 구 간(t∼t+dt)에서 각 대의 온도들(T _z)은 하나의 값으로 일정하고 이들이 영향을 미치는 소재들이 달라지고, 이와 같이 결정된 각 대 온도들은 상기 수학식 3에서와 같이, 가열영역의 설정가능범위(T _z,min ∼ T _z,max)안에서 변화하며, 수학식 3에서 PI값을 최소로 하는 최적 노온값(T ^* _z)으로 결정된다.

이때, 전체 소재들을 고려하기 위하여 상기 수학식 3에서 sum(∑)이 목적함수 예컨대, 성능평가함수로 제시된다.

따라서, 이와 같이 하면, Zone4의 경우에는 현 시점에 가열로에 장입되어 있는 모든 소재가 추출될 때까지의 시간 동안의 설정온도를 다 단계(Multi-Step-Ahead)로 예측할 수 있고, 적분 함수(∫) 형태를 취하여 소재의 과거 온도이력이 이용되기 때문에, 종래 단 단계의 설정온도 결정에서의 가장 큰 문제인 헌팅이 없는 보다 안정적인 가열로의 각대 설정온도 예측이 가능해진다.

예를 들어, 지금까지 설명한 최적 설정노온의 각대 조건을 아래의 표 1에서 나타내고 있다.

각 대 조건

구분	예열대	가열대 1	가열대 2	균열대
상한치(T_z _, _max)	1130	1210	1310	1210
하한치(T_z _, _min)	1030	1150	1250	1170
초기온도(T_z _,0)	1080	1180	1280	1190

그런데, 본 발명의 각대 설정온도 결정방법을 이용하는 경우, 계산시간이 많이 소요되기는 하지만, 현재 계산 속도가 상당히 증폭된 계산기(컴퓨터)의 처리 속도를 감안하면, 2 ~ 4 분단위내로 설정온도 결정은 가능한 것이다.

한편, 아래의 표 2에서는 도 4a의 그래프와 관련된 슬래브 조건과 목표온도에 대한 것을 나타내고 있다.

슬래브명	초기온도 (T⁰ _S)	초기위치	잔재로시간 (t^f _s-t⁰ _s)	목표온도(T^* _s)
슬래브명	초기온도 (T⁰ _S)	초기위치	잔재로시간 (t^f _s-t⁰ _s)	예열대	가열대1	가열대2	균열대
slab0001	20	예열대입구	1.0	800	950	1130	1130
slab0002	603	예열대중간	0.9	850	1000	1150	1150
slab0003	1020	가열대1중간	0.7	800	950	1180	1150

이때, 상기 조건의 3매의 슬래브가 상기 표 1의 각 대 조건을 가지는 가열로내에서, 예열대의 입구, 예열대의 중간, 가열대 1의 중간에 있는 경우에 대하여 모사한 결과로 모두 추출시점에서는 도 4a의 그래프와 같이, 추출온도를 만족하고 있음을 알 수 있다.

또한, 도 4b의 그래프와 같이, 이때의 설정온도들도 기존 방법에서 나타날 수 있는 헌팅이 없는 단순하고 안정적인 결과를 얻을 수 있음을 알수 있다.

이와 같이 본 발명인 가열로의 각대 설정온도 결정방법에 의하면, 각대 최적 노온 예측을 다단계(Multi-Step-ahead)기법을 적용하여 예측하므로, 기존 단 단 계(one-step-ahead)의 기존 대비 안정적인 결과 도출이 용이하여, 운전자의 예측치에 대한 신뢰성이 향상되어 운전 자동화에 기여하는 우수한 효과를 제공하는 것이다.

본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims

n개의 가열존(zone)을 갖는 가열로에서의 설정온도 결정방법에 있어서,

상기 n개의 가열존에서의 최적 온도를 각각 설정하고,

제 i-1 가열존(i=2,3,...,n)에 있는 소재가 제 i 가열존에 진입하여 제 i 가열존에 있는 동안을 고려한 제 i 가열존의 최적 온도를 결정하되, 상기 설정된 각 가열존에서의 최적 온도를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 가열로의 각대 설정온도 결정방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 i 가열존의 최적온도 결정에서는,

의 수학식과,

의 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 가열로의 각대 설정온도 결정방법.