KR20080070627A

KR20080070627A - 아크로 제어 시스템

Info

Publication number: KR20080070627A
Application number: KR1020087009198A
Authority: KR
Inventors: 케빈 필립 다니엘 페리; 더유니스 요하네스 버메우렌
Original assignee: 어드밴스드 미네랄 리커버리 테크놀로지스 엘티디
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-07-30
Also published as: WO2007034138A2; RU2576566C2; BRPI0616190A2; CN101313189B; UA95923C2; CN101313189A; CA2623183A1; GB2430276B; CA2623183C; AP2008004439A0; IL190355A; GB2430276A; AP2768A; ZA200802581B; IL190355A0; US20090219968A1; GB0519163D0; AU2006293712A1; WO2007034138A3; EP1926958A2

Abstract

1차 입력측 및 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결된 2차 출력측을 갖는 노 변압기를 포함하는 아크로의 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 제어하는 제어 시스템이 제공되며, 상기 제어 시스템은 상기 아크로에 흐르는 전류를 측정하는 적어도 하나의 전류 측정 장치; 상기 아크로에 인가된 전압을 측정하는 전압 측정 장치; 및 전류 및 전압에 대한 측정값을 기초로 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치에 대한 설정 지점을 동적으로 결정하고, 상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하기 위한 승강 장치를 구동하는 작동 출력을 제공하는 제어부;를 포함하다.

Description

아크로 제어 시스템{CONTROL SYSTEM FOR AN ARC FURNACE}

본 발명은 아크로 제어 시스템, 이를 포함한 아크로, 및 아크로 제어 방법에 관한 것이다.

아크로(arc furnace)는 인접한 전극 사이 또는 전극과 노(furnace)의 장입물 사이의 전기 아크에 의해 열이 생산되는 전기로이다. 이러한 방법으로 생산된 열은 장입물을 가열시키고 제련하는데 사용된다. 일반적으로, 전극을 운반하는 암(arm) 조립체는 2 내지 50톤 범위의 중량을 가지며, 유압 실린더 또는 다른 기동기에 의해 제어 목적으로 수직으로 이동한다. 전기로의 길이가 다른 것들보다도 전극의 아래에 있는 고체 또는 액체인 장입물의 변화 레벨에 의존하기 때문에, 노 내에서 전극의 위치를 제어하는 것이 필수적이다.

전극의 위치를 제어하는 조절 시스템은 에너지 입력, 아크 안정성, 고체 장입물 용해 패턴, 및 전극 소모와 같은 노의 성능에 대한 중요한 많은 측면에 영향을 준다. 이러한 모든 파라미터는 복잡한 방식으로 서로 연관되며, 제어 전략에 대한 많은 의견차가 있다.

종래에, 일반적으로 인정된 조절 시스템 중 하나는 전극에 의해 생산된 전기 아크의 임피던스를 제어하는 것을 목표로 하는 것이다. 특히, 이 시스템은 전류에 대한 전압의 비를 일정하게 유지하려고 시도한다. 실제로, 전원에서 접지로의 위상에서 취해진 전압 신호와 전류 신호가 각각 따로 측정되고 비교된다. 전압 및 전류가 각각 미리 설정된 설정 지점에 있다면, 신호의 이러한 비교로부터의 출력은 0이 되도록 조정된다. 그러나, 전류가 이 설정 지점을 넘어서고, 동시에 이것이 전압을 감소시키게 한다면, 0이 아닌 출력 신호가 생성된다. 이 출력 신호는 암 조립체를 들어올리게 하며, 이에 따라 전극이 상승하게 되며, 다음으로 임피던스를 일정한 값으로 유지하도록 전류를 감소시킨다.

일반적으로, 종래 기술에 따른 전술한 종류의 임피던스 조절기(impedence regulator)는 내부 드리프트(drift) 및 허용 오차 계수를 가지며 빈번한 재교정이 필요한 아날로그 전자 기기에 바탕을 둔다. 일부 시스템이 이러한 문제를 해결하도록 디지털 전자 기기로 변환되었지만, 이러한 시스템은 일반적으로 대형의 고가 컴퓨터 시스템을 필요로 한다.

따라서, 비용상 효율적이지만 여전히 효과적인 방식으로 전술한 문제점을 해결하는 아크로 임피던스 조절기를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 양태에서, 1차 입력측 및 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결된 2차 출력측을 갖는 노 변압기를 포함하는 아크로의 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 제어하는 제어 시스템에 있어서, 상기 아크로에 흐르는 전류를 측정하는 적어도 하나의 전류 측정 장치; 상기 아크로에 인가된 전압을 측정하는 전압 측정 장치; 및 전류 및 전압에 대한 측정값을 기초로 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치에 대한 설정 지점을 동적으로 결정하고, 상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하기 위한 승강 장치를 구동하는 작동 출력을 제공하는 제어부;를 포함하는 제어 시스템을 제공한다.

바람직하게는, 상기 적어도 하나의 전류 측정 장치는 상기 노 변압기의 입력 및 출력 측의 일측 또는 양측 상의 전류를 측정하도록 작용한다.

일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 전류 측정 장치는 상기 노 변압기의 입력측 상의 전류를 측정하는 제1 전류 측정 장치와, 상기 노 변압기의 출력측 상의 전류를 측정하는 제2 전류 측정 장치를 포함한다.

바람직하게는, 상기 전압 측정 장치는 상기 노 변압기의 부스와 노 사이의 전압을 측정하도록 작용한다.

바람직하게는, 상기 제어부는 x가 설정 지점값에서의 편차이고, k가 시스템 종속 상수일 때 r = x²/k인 속도 계수 r을 동적으로 결정하는 제어 알고리즘을 실행하고, 상기 동적으로 결정된 속도 계수 r에 기초하여 상기 작동 출력을 제공하는 프로세서를 포함한다.

일 실시예에서, n이 설정 지점값이고, a가 상기 적어도 하나의 전류 측정 장치에 의해 측정된 전류값이고, b가 상기 노 변압기의 정격 2차 전류값이며, c가 상기 프로세서의 카운트 범위일 때, x = n - p와, p=(a/b)*(c/2)이다.

일 실시예에서, T_m이 K 단위의 슬래그의 녹는점(액상선)이고, E_t가 상기 아크로를 구동하는데 필요한 장입 원료의 톤당 kWh 단위의 전체 전기 에너지일 때, k = Int((T_m * E_t/1000)/100)*100이다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 승강 장치를 구동하기 위한 작동 출력으로서 구동 전압 v를 제공하도록 작용한다.

일 실시예에서, I가 상기 승강 장치의 구동부를 위한 비례 전압일 때, v = (r/k) * (ABS(x)/x) * I이다.

바람직하게는, 상기 프로세서는 PLC(programmable logic controller)이다.

또한, 본 발명은 전술한 제어 시스템을 포함하는 아크로로 확장한다.

바람직한 실시예에서, 상기 아크로는 원광 미분(ore fines)과 같은 재료를 제련하고 야금 미분(metallic fines)과 같은 재료를 용해하는데 사용된다.

다른 양태에서, 본 발명은 1차 입력측 및 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결된 2차 출력측을 갖는 노 변압기를 포함하는 아크로의 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 제어하는 제어 방법에 있어서, 상기 아크로에 흐르는 적어도 하나의 전류를 측정하는 단계; 상기 아크로에 인가된 전압을 측정하는 단계; 전류 및 전압에 대한 측정값을 기초로 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치에 대한 설정 지점을 동적으로 결정하는 단계; 및 상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하기 위한 승강 장치를 구동하는 작동 출력을 제공하는 단계;를 포함하는 제어 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 전류를 측정하는 단계는, 상기 노 변압기의 입력 및 출력 측의 일측 또는 양측 상의 전류를 측정하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 전류를 측정하는 단계는, 상기 노 변압기의 입력측 상의 전류를 측정하는 단계; 및 상기 노 변압기의 출력측 상의 전류를 측정하는 단계;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 전압을 측정하는 단계는, 상기 노 변압기의 부스와 노 사이의 전압을 측정하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 설정 지점을 결정하는 단계는, x가 설정 지점값에서의 편차이고, k가 시스템 종속 상수일 때 r = x²/k인 속도 계수 r을 동적으로 결정하는 단계를 포함하고, 상기 작동 출력을 제공하는 단계는, 상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하기 위한 승강 장치를 구동하기 위하여 상기 동적으로 결정된 속도 계수 r에 기초하여 상기 작동 출력을 제공하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 작동 출력을 제공하는 단계는, 상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하는 승강 장치를 구동하기 위한 작동 출력으로서 구동 전압 v를 제공하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 원광 미분과 같은 재료를 제련하고 야금 미분과 같은 재료를 용해하는데 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시예의 이점은 다음을 포함한다:

(1) 디지털 처리의 반복가능성

임피던스 조절기는 커미셔닝(commissioning)하는 동안 캘리브레이션 되며, 모든 제어 파라미터는 비휘발성 메모리에 저장된다. 따라서, 시스템은 상이한 노 변압기가 설치되는 때와 같은 시스템 파라미터가 변경하는 때에만 다시 캘리브레이션될 필요가 있다.

(2) 적응적 전력 제어 특성

입력 전력이 모니터링되어 특정 변압기 탭 상의 이론적인 입력 전력과 비교된다. 결과는 노의 상태가 유사한 지에 대한 양호한 표지를 제공한다. 그 다음, 임피던스 조절기는 이러한 상태를 보상하기 위하여 임피던스의 설정 지점을 조정하고, 이에 따라 전력 입력이 가능한 한 이론적인 최적 상태에 항상 근접하는 것을 보장한다. 아크로가 이러한 상태 하에서 동작하기 때문에, 더 좋은 kWh/톤 및 전극 소모 형태가 되는 더 양호한 용해 시간을 획득한다.

(3) 전기 플리커(flicker)의 감소

전기 플리커는 교류 전류가 전극을 통해 잠시 흐르지 않다가 갑자기 흐르기 시작할 때 발생한다. 전류의 정현파에서의 왜곡은 금속에 더 적은 전력을 전송하고 더 많은 전극 마모를 야기한다. 또한, 이것은 전력망으로의 공진을 유발한다. 일반적으로, 전기 공급자는 플리커가 소정의 가이드라인 내에서 제어될 것을 요구한다. 플리커가 이러한 가이드라인 내에서 유지되지 않는다면, 사용자에게 심한 벌금이 매겨질 수 있다. 본 발명의 임피던스 조절기는 상대적으로 플리커를 감소시키는데 많은 도움을 주는 훨씬 더 안정적인 시스템이다.

(4) 감소된 마모

전기 아크에 대한 매우 정밀한 제어를 획득함으로써, 본 발명은 노 상에서 전체적으로 그리고 특히 노의 델타 클로저 및 벽 상에서 마모를 획기적으로 감소시킨다는 것이 밝혀졌다.

(5) 보고서 생성

본 발명의 PLC는 노의 모든 동작 파리미터를 기록하고 그 추이가 연구될 수 있도록 이러한 파라미터들을 그래픽적으로 표시하는 컴퓨터 기반의 감독 시스템과 인터페이스한다. 또한, 감독 시스템은 24시간 기간 동안에 기록된 모든 경보와 이벤트 및 전력과 전류와 같은 노의 파라미터를 위한 이 기간에서의 최대값, 최소값 및 평균값을 포함하는 관리자 보고서를 생성한다.

(6) 사용자 편의성

본 발명은 노를 운전하기 위한 조작자의 입력을 거의 필요로 하지 않아 매우 높은 사용자 편의성을 갖는다. 유익하게는, 발명의 운전 패널의 레이아웃 및 표시는 엠플리다인(Amplidyne)이나 반즈(Barnes)와 같은 더욱 전통적인 아크로에 사용되는 것과 유사하다. 따라서, 이러한 임의의 시스템에 익숙한 조작자는 본 발명을 성공적으로 운전하기 위한 훈련을 받을 필요가 실질적으로 전혀 없다.

(7) 다목적성

디지털 제어 알고리즘의 다목적성과 연관된 고속의 PLC는 스크랩 단독의 제련보다도 더 넓은 범위의 용해 애플리케이션에 적합하다. 이득 및 응답 파라미터에 대한 일부 조정으로, 본 발명은 함유된 금속을 회수하기 위한 원광 미분의 제련 및 슬래그 제련과 같은 개방된 아크 및 잠긴(submerged) 아크의 조합뿐만 아니라 잠긴 아크 공정에 대하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 5산화 바나듐에서 바나듐철을, 크롬 미분으로부터 크롬철을, 원광 및 슬래그로부터 코발트를, 철강 설비 먼지로부터 아연을, 폭발성 노 슬래그로부터 납을 회수하고, 철 이외에 바나듐, 크롬 및 망간을 함유하고 있는 것과 같은 야금 미분을 다시 용해하는데 매우 성공적인 것으로 밝혀졌다.

요약하면, 본 발명의 주요 이점은 본 발명이 표준의 상용 PLC 설비를 이용하여 구현되기 때문에 더 낮은 비용으로도 디지털 시스템의 정확성을 제공한다. 따라서, 본 발명은 종래의 시스템에 대한 더 작고 더 값싼 대체물이다.

본 발명의 바람직한 실시예가 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적으로 아래에서 설명된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임피던스 조절기를 포함하는 아크로 시스템을 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 임피던스 조절기를 이용한 아크로와 종래 기술에 따른 아크로의 기동시의 전력 프로파일을 비교한 그래프이다; 그리고,

도 3은 본 발명에 따른 임피던스 조절기의 동작에 이용되는 바와 같은 보정 계수 r(r = x²/k)의 그래프를 도시한다.

아크로 시스템은 아크로(12)와 아크로(12)에 전기 에너지를 공급하기 위한 전기 공급 시스템(14)을 포함한다.

아크로(12)는 용해된 금속상을 제공하도록 제련되거나 용해될 미분 형태 또는 과립 형태의 원료를 수용하는 노셀(furnace cell, 16), 동작시 노셀(16) 내에 수용된 재료로 연장하는 전극 조립체(18), 및 노셀(16)과 관련하여 전극 조립체(18)를 움직이면서 지지하는 지지부(26)를 포함한다.

전극 조립체(18)는 부스바(bus bar, 20) 및 본 실시예에서는 제1 내지 제3 전극부(22a - c)인 복수의 전극부를 포함하며, 전극부 각각은 전극(30) 및 본 실시예에서는 진동 및 비틀림을 포함하는 극단적인 기계적 조건에 노출되는 전극 패드를 통하여 전극(30)의 하나의 상단부에 전기적 기계적으로 연결된 전극 헤드(32)를 포함한다.

지지부(26)는 노셀(16) 위로 연장하고 전극 조립체(18)를 지지하는 지지 암(36), 지지암(36)이 수직으로 가변하면서 배치되는 지지 기둥(38), 및 본 실시예 에서는 유압식 유닛이며 지지 암(36) 및 이에 의해 지지되는 전극 조립체(18)를 승강하도록 작용하는 구동부(40)를 포함한다. 노셀(16) 내에서의 전극(30)의 위치는 무엇보다도 전기 아크의 길이를 결정하기 때문에, 노셀(16) 내에서 전극(30)을 위치를 조정하는 것은 본질적이다. 일반적으로, 전극 조립체(18)와 지지암(36)을 합한 무게는 대략 2 내지 대략 50 톤의 범위에 있다.

전기 공급 시스템(14)은 입력측에서 전기 공공 시설로부터 공급된 고압 전압 공급에 전기적으로 연결되고 출력측에서 일반적으로 30 내지 33kV의 더 낮은 중간 전압을 공급하는 제1의 주 변압기(46) 및 입력측에서 주 변압기(46)에 전기적으로 연결되고 출력측에서 아래에서 더욱 상세히 설명되는 전극 조립체(18)에 공급되는 고전류의 훨씬 더 낮은 노전압을 제공하는 제2의 노 변압기(48)를 포함한다. 일반적인 아크로 설비에서, 주 변압기(46)는 복수의 아크로(12)의 복수의 노 변압기(48)에 전기적으로 연결될 수 있다.

본 실시예에서, 노 변압기(48)는 미리 설정된 복수의 전압 중 하나로의 노 전압의 제어를 제공하기 위하여 노 변압기(48)의 탭핑을 제공하는 탭 체인저(52)를 포함한다. 노전압 및 관련된 전류에 대한 이와 같은 제어는 아크로(12)가 정의된 아크 전압 및 전류를 각각 필요로 하는 아크의 범위를 가지면서 동작할 수 있게 한다.

본 실시예에서, 탭 체인저(52)는 노 변압기(48)의 입력측에서 1차 권선을 따라 복수의 탭 접점 중 하나로 움직일 수 있는 탭(54)과, 본 발명에서는 모터로 운전되는 유닛이며 필요에 따라 탬 접점 사이에서 스위칭되도록 탭(54)을 이동시키기 위한 제어부(56)를 포함한다.

전기 공급 시스템은 본 실시예에서 구리 단말 플레이트이며 노 변압기(48)의 출력측에 전기적으로 연결되고 전극 조립체(18)의 부스바(20)에 전기적으로 연결된 노의 전력 케이블(66)에 전기적 연결을 제공하는 복수의 커넥터(64)를 포함하는 델타 클로저(delta closure, 62)를 더 구비한다.

본 실시예에서, 변압기(46, 48)는 청정하고 안전한 환경을 보장하도록 볼트(vault) 내에 위치하며, 델타 클로저(62)는 아크로(12)에 인접한 볼트의 벽상에 위치한다.

전기 공급 시스템은 노셀(16) 내에서 전극부(22a-c)의 전극(30)을 수직으로 위치시키는데 있어서 지지 조립체(26)의 구동부(40)를 제어하는 제어부(74)를 더 포함한다.

제어부(74)는 아크로(12)에 흐르는 전류를 측정하는 적어도 하나의 전류 측정 장치(76)와 아크로(12)에 인가된 전압을 측정하는 전압 측정 장치(78)를 포함한 다.

본 실시예에서, 제어부(74)는 제1 및 제2 전류 측정 장치(76a, 76b)를 포함하며, 제1 전류 측정 장치(76a)는 노 변압기(48)의 입력측 상의 전류를 측정하며, 제2 전류 측정 장치(76b)는 노 변압기(48)의 출력측 상의 전류를 측정한다.

본 실시예에서, 전압 측정 장치(78)는 노 변압기(48)의 부스와 노셀(16) 사이의 위상 전압을 측정한다.

제어부(74)는 전류와 전압에 대하여 측정된 아날로그 값을 나타내는 디지털 값을 제공하는 아날로그-디지털 컨버터를 통해 적어도 하나의 전류 측정 장치(76) 및 전압 측정 장치(78)에 동작가능하게 연결되는 PLC(programmable logic controller, 80)와 결정된 운동 속도에 대응하는 디지털 값을 나타내는 아날로그 값을 제공하는 디지털-아날로그 컨버터를 통해 연결된 지지 조립체(26)의 구동부(40)를 포함하여, 이에 의해 노셀(16) 내에서 전극부(22-c)의 전극의 위치 및 이에 따른 전극(30) 사이에 생성된 아크를 제어하는 것을 가능하게 한다.

본 실시예에서, PLC(80)는 폐루프 제어 알고리즘을 통해 제어된다. PLC(80)의 응답 시간이 지지 조립체(26)의 기계적 응답 시간과 적어도 일치하는 것을 보장함으로써, 전극 조립체(18)의 빠르고 정확한 제어가 획득되며, 원하지 않는 공진과 관련된 문제점들을 방지한다.

본 실시예에서, PLC(80)는 지지 조립체(26)의 지지 암(36)의 운동에 의해 알 수 있는 전극(30)의 필요한 운동 속도를 나타내는 속도 계수 r에 바탕을 둔 제어 알고리즘을 이용한다.

r = x²/k (1)

x = n - p (2)

p = (a/b)*(c/2) (3)

여기서, k는 시스템 종속 상수;

n은 설정 지점 값;

a는 적어도 하나의 전류 측정 장치(76)에 의해 측정된 전류값;

b는 노 변압기(48)의 정격 2차 전류값; 및

c는 PLC(80)의 카운트 범위.

속도 계수 r은 원광 미분(ore fines)을 제련하고 야금 미분(metallic fines)을 용해시키는 450 kVA, 800 kVA, 1MVA, 2MVA, 및 3 MVA와 같은 상이한 크기의 아크로를 동작시킬 때 수집된 실제 데이터의 수학적 상관 관계이다.

본 실시예에서, 초기 설정 지점 값 n_i는 다음과 같이 결정된다.

n_i = (d/b) * (c/2) (4)

여기서, d는 아크로(12)의 최대 부하 정격 전류.

예로써, 10/250의 스텝 다운 변압기 비 d/b에 대하여, 그리고, PLC(80)이 4000의 카운트 범위를 가질 때, 식 (4)는 다음과 같다.

n_i = (10/250)*(4000/2)

n_i = 80

초기 설정 지점 값 n_i를 이용하는 것은 아크로(12)의 안정된 초기 운전을 제공하며, 운전하는 동안, 설정 지점 값 n은 노의 상태를 보상하기 위하여 가변되며, 이에 의해 노셀(16) 내의 원료에 최적 에너지를 입력하도록 전극(30) 사이에 생성된 아크의 최적화를 제공한다. 본 실시예에서, PLC(80)는 적어도 하나의 전류 측정 장치(76)와 적어도 하나의 전압 측정 장치(78)에 의해 측정된 전압 및 전류의 값으로부터 결정된 아크로(12)에 입력된 실제 전력을 노 변압기(48)의 설정 탭(54)을 위하여 이론적으로 획득되어야만 하는 전력을 비교하고, 이 비교의 함수로서 설정 지점 값 n을 가변하도록 작용한다.

본 실시예에서, 시스템 종속 상수 k는 아크로(12)의 초기의 안정된 동작을 제공하기 위하여 초기에는 계산된 값에 따른다.

시스템 종속 상수 k는 다음과 같이 결정된다.

k = Int((T_m * E_t/1000)/100)*100 (5)

여기서, T_m은 K 단위의 도입된 원료의 녹는점(액상선)이다.

E_t는 도입된 원료의 톤당 kWh로 나타내며 공정을 구동하는데 필요한 전체 전기 에너지.

예로써, 산화 원료에 대하여, 녹는점 T_m과 전체 전기 에너지 E_t는 다음과 같이 결정된다.

T_m = 1189.157

+ C₀x(12.22238 + (-0.14321xC₀) + (0.030606xC₄) + (0.022817xC₆)

+ (-0.54851xC₅) + (-0.3636xC₇))

+ C₅x((-0.26564xC₅) + (0.209113xC₆) + (-1.13507xC₇)

+ (-0.3511xC₄) + (33.49343))

+ C₄x(-6.53514 + (0.107294xC₄) + (-0.35228xC₇))

+ C₆x((-18.8445 + (0.800383xC₆))

+ C₇x38.97819

여기서, C₀ = %FeOxl00x1.625/C_s

C₄ = %SiO₂x100/C_s

C₅ = %CaOx100/C_s

C₆ = %MgOx100/C_s

C₇ = (%Al₂O₃ + %Cr₂O₃)x100/C_s

C_s = %FeO*1.625 + %SiO₂ + %CaO + %MgO +%Al₂O₃ + %Cr₂O₃

E_t = (E_O+ H_React)/3.6/0.85

여기서, E_O는 MJ 단위의 에너지 출력.

H_React는 MJ 단위의 반응열이며, 공정에서 발생하는 모든 반응과 관련된 다음의 예와 같은 열역학적 엔탈피 변화(ΔH_295K)의 합을 나타낸다:

ZnO + C = Zn + CO ΔH_295K = +237.551 kJ/mol C

FeO + C = Fe + CO ΔH_295K = +161.514 kJ/mol C

3.6은 1000kWh에 대응하는 3600J에 대한 변환 계수.

0.85는 전기 에너지를 열 에너지로 변환하기 위한 효율 계수.

에너지 출력 E_O는 다음과 같이 결정된다:

E_O = En_Ga _/ _Fu + En_Sl + En_Met

여기서, En_Ga _/ _Fu는 노의 가스와 연기와 관련된 에너지 값.

En_Sl은 노의 슬래그(slag)와 관련된 에너지 값.

En_Met는 용해된 금속상과 관련된 에너지 값.

예를 들어, 1345℃의 액상선과 957 kWh/t의 필요 전력을 갖는 슬래그를 만드는 원료를 제련하기 위하여, 식 (5)에서 시스템 종속 상수 k는 다음과 같이 결정된다.

k = Int(((1345 + 273)x(957/1000))/100)xl00

k = 1500

일 실시예에서, PLC(80)는 전력 사용을 최적화하기 위하여 +/- 5% 범위 내에서 시스템 종속 상수 k를 조정하도록 작용하며, 시스템 종속 변수 k는 무엇보다도 노의 크기, 용해되는 원료의 종류, 최적 운전 온도 및 슬래그 유동성에 의해 영향을 받는다. 그러나, 실험은 시스템 종속 상수 k가 대략 500 내지 대략 3000 사이의 값을 가지도록 설정되어, 시스템 종속 변수 k의 최적 값은 매우 빠르게 결정된다.

본 실시예에서, 지지 조립체(26)의 구동부(40)는 PLC(80)의 디지털-아날로그 컨버터에 의해 출력된 아날로그 구동 전압 v에 의해 기동되며, 구동 전압 v의 비는 구동부(40)의 이동 속도를 결정하며, PLC(80)는 다음의 출력 알고리즘에 따라 제어 전압(v)을 유도하도록 작용한다.

v = (r/k) * (ABS(x)/x) * I (6)

여기서, I는 지지 조립체(26)의 구동부(40)를 위한 비례 전압.

구동 전압 v은 양 또는 음의 전압 중 하나이며, 본 실시예에서는 양전압은 수직으로 하강하는 이동을 정의하고, 음전압은 수직으로 상승하는 이동을 정의한다.

예로써, 도 2는 본 발명의 제어부(74)를 이용하여 얻어진 아크로(12)의 입력 전력 프로파일에 비교된 종래의 아크로의 입력 전력 프로파일에 대한 대표적인 그래프를 도시한다. 이 그래프는 아크로(12)에 대한 더 큰 에너지 입력을 제공하는 제어부(74)의 기능을 명백하게 나타낸다.

"열(heat)"로서 알려진 이련의 용강(molten steel)에 대한 제련에서의 아크로 시스템의 운전이 아래에서 더욱 상세히 설명된다.

일반적으로 대략 20kg의 소량의 제련될 원료가 텅 빈 노셀(16)에 장입된다.

그 다음, 아크로(12)는 이 원료를 제련하도록 운전되며, 제련된 생산물의 작은 웅덩이가 노셀(16)의 용기의 하부에 형성되도록 한다.

그런 후에, 노셀(16)의 용기에 있는 제련된 생산물의 웅덩이로 더 많은 원료가 공급되며, 노셀(16)로 공급된 공급 원료에 에너지를 공급함으로써 제련이 달성된다. 본 실시예에서, 공급 원료는 피더를 이용하여 노셀(16)로 연속적으로 공급되며, 피더의 공급 속도는 전극(30)에 의해 공급되는 전기 에너지에 대응한다. 바람직한 실시예에서, 피더는 진동형 또는 벨트형 피더 중 하나이다.

이러한 방법으로, 용해된 생산물의 작은 웅덩이는 노셀(16)의 용기를 채우는 용강 생산물의 더 큰 웅덩이로 성장된다.

다양한 반응을 구동하고 다양한 기체 및 액체 생산물을 생산하는데 필요한 에너지가 전기 에너지 또는 화학 에너지임에도 불구하고, 화학에너지는 피드 원료의 일부를 포함하는 금속 실리콘과 같은 적어도 하나의 화합물에 의해 공급되며, 전극(30)을 통해 공급되는 전기 에너지는 일반적으로 제련 동작에서의 가장 큰 에너지 공여자이다.

이 공정에서, 전극 조립체(18)는 전극부(22a-c)의 전극(30)이 피드 원료에 아크를 공급하도록 하강하여 용해 사이클을 시작하며, 전극 조립체(18)의 수직 우치와 이에 따른 노셀(16) 내에서의 전극(30)의 위치는 아크로(12)의 동작을 최적화하기 위하여 앞에서 정의된 방법으로 제어부(74)에 의해 제어된다. 이러한 지능형 제어 하에서, 2차 전류, 아크의 길이 및 에너지 입력이 조절된다. 이러한 방법으로 전극(30)의 수직 위치를 제어함으로써, 노의 생산성과 델타 클로저의 수명이 동시에 증가하면서도 전극 소모, 내화성 마모, 플리커, 및 전체 에너지 비용이 모두 감소한다.

초기에, 전기 공급 시스템의 탭 체인저(52)는 탭(56)이 중간의 전압 탭 접점에 위치하도록 설정되지만, 잠시 후, 일반적으로 수 분 후에 전기 공급 시스템의 탭 체인저(52)가 탭(52)이 긴 아크 탭(long arc tap)으로도 불리는 고압 탭 접점으로 설정되도록 허용하기 위하여 전극(30)은 피드 원료를 충분히 통과한다. 긴 아크는 피드 원료에 대한 전력 전송을 최대화하며, 용해된 생산물의 웅덩이가 노셀(16)에서 성장한다. 탭(56)이 초기에 고압 탭 접점으로 설정되도록 전기 공급 시스템의 탭 체인저(52)를 설정하는 것은 노셀(16)에 복사 손상(radiation damage)을 야기할 수 있다.

용해의 개시시에 아크는 변동이 심하고 불안정하여 전류에서의 넓은 스윙이 전극(30)의 빠른 이동에 의해 관찰되고 뒤따른다. 노의 분위기 온도가 증가함에 따라, 아크는 안정화되고, 용해된 웅덩이가 형성되면, 아크는 매우 안정되며 평균 전력 입력이 증가한다.

낙하하는 피드 원료가 용해된 생산물의 표면과 접촉함에 따라, 전기 아크에 의해 생성된 열은 피드 원료가 적어도 3개의 생산물로 변환된다. 이것들은 일산화 탄소와 아연, 인과 같은 낮은 끓는점의 성분을 함유하는 기체, 금속상, 및 주요 성분으로서 실리카 및 칼시아를 함유하며 금속상과 중첩하는 용해 슬래그 상이다. 피드 원료가 황화물을 포함하는 경우에, 피드 원료는 금속상과 슬래그 상 사이의 매트(matte)로 알려진 용해 생산물로 더 변환된다.

노셀(16)의 용기가 가득 차면, 노셀(16)로의 피드 원료의 공급은 정지되고, 전극부(22a-c)의 전극(30)이 노셀(16)로부터 제거되도록 전극 조립체(18)가 상승한다.

그 다음, 슬래그 상이 레이들(ladle)로 부어지도록 노셀(16)의 용기를 기울여서 슬래그 상이 제거된다. 노셀(16)의 용기가 황화물의 사용으로부터 생성되는 매트상을 포함하는 경우에는, 매트상은 개별 레이들에 부어진다.

슬래그 상 및 임의의 매트 상의 제거 후에, 노셀(16)은 직립 위치로 회복하고, 절차는 추가 피드 원료의 유입에 의해 반복된다.

노셀(16)의 용기를 원료로 장입하고 생성된 슬래그 상과 임의의 매트상을 제거하는 것을 일반적으로 8 사이클까지 반복한 후에, 노셀(16)의 용기는 원하는 금속상으로 채워진다.

그 다음, 노셀(16)은 레이들로 용해된 금속상을 붓기 위하여 탭핑된다(tap). 용해된 금속상의 이러한 탭핑은 직립 위치로부터 90도 이상의 각도를 통해 노의 용기를 기울이는 것에 의해 달성된다.

용해된 금속상의 탭핑 후에, 노셀(16)은 원료의 새로운 장입에 사용하기 위하여 직립위치로 다시 돌아간다. 이 구간 동안, 전극(30)과 노셀(16)은 내화성 손상에 대해 검사되며, 필요하다면 보수가 이루어진다.

일 실시예에서, 크롬철(ferrochromium), 망간철(ferromanganese), 바나듐철(ferrovanadium)과 같은 금속 미분이 피드 원료를 이룰 때, 예를 들어, 아연, 인, 황, 알루미늄, 실리콘 및 탄소와 같은 소정의 성분 및 산소와 같은 용해된 기체가 결과에 따른 용해된 금속상으로부터 제거되도록 결과에 따른 용해 금속상은 제련된다.

예시

본 발명은 다음의 비한정적이 예시를 참조하여 예들 들어 설명된다.

본 예시에서, 아크로(12)는 207V의 최대 부하 정격 전압과 7200A의 최대 부 하 정격 전류를 갖는 2.5 MVA 노이며, 38 중량% Cr₂O₃을 함유하는 크로마이트사(chromite sand)와 실리콘 카바이드 미분의 혼합물을 제련한다.

본 예시에서, 노 변압기(24)는 7500A의 정격 2차 전류값을 가지며, PLC(80)는 4000의 카운트 범위를 갖는다.

식 (4)에 따라 초기 설정 지점 값은 다음과 같이 결정된다.

n_i = (7200/7500) * (4000/2)

n_i = 1920

여기서, 제련 운전을 구동하는데 필요한 전체 전기 에너지 E_t는 Cr₂O₃에 대하여 1225 kWh/t이며, 슬래그의 액상선 T_m은 1415℃이며, 식 (5)에 따라 시스템 종속 상수 k는 다음과 같이 결정된다.

2000의 시스템 종속 상수 k에 대하여, 속도 계수 r은 식 (1)에 따라 결정된다. 도 3은 측정된 전류값의 함수로서의 속도 계수 r을 도시한다.

k = Int(((1415 + 273) * (1225/1000))/100) * 100

k = 2000

식 (6)을 따르면, 10의 전압비 계수 I에 대하여, PLC(80)는 0 내지 +10 V 또는 0 내지 -10 V의 범위에 있는 구동 전압 v를 제공하도록 작용하며, 본 실시에서는 수직 상방 또는 하방 중 하나로 전극 조립체(18)를 이동시키기 위하여 지지부(26)의 구동부(40)를 구동시키는데 필요한 정량적인 신호이다.

표 1은 PLC(80)에 의해 결정된 대표 전류값 p, 설정 지점값 n과 대표 전류값 p 사이의 편차 x, 속도 계수 r, 속도 계수 r에 대응하는 구동 전압 v, 및 구동 전압 v에 대응하는 이동 속도 s를 포함한다.

마지막으로, 본 발명은 바람직한 실시예로 설명되었으며, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 서로 다른 많은 방법으로 수정될 수 있는 것이 이해되어야 한다.

Claims

1차 입력측과 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결된 2차 출력측을 갖는 노 변압기를 포함하는 아크로의 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 제어하는 제어 시스템에 있어서,

상기 아크로에 흐르는 전류를 측정하는 적어도 하나의 전류 측정 장치;

상기 아크로에 인가된 전압을 측정하는 전압 측정 장치; 및

전류 및 전압에 대한 측정값을 기초로 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치에 대한 설정 지점을 동적으로 결정하고, 상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하기 위한 승강 장치를 구동하는 작동 출력을 제공하는 제어부;

를 포함하는 제어 시스템.

제1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전류 측정 장치는 상기 노 변압기의 입력 및 출력 측의 일측 또는 양측 상의 전류를 측정하도록 작용하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제2항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전류 측정 장치는 상기 노 변압기의 입력측 상의 전류를 측정하는 제1 전류 측정 장치와, 상기 노 변압기의 출력측 상의 전류를 측정하는 제2 전류 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전압 측정 장치는 상기 노 변압기의 부스와 노 사이의 전압을 측정하도록 작용하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제어부는 x가 설정 지점값에서의 편차이고, k가 시스템 종속 상수일 때 r = x²/k인 속도 계수 r을 동적으로 결정하는 제어 알고리즘을 실행하고, 상기 동적으로 결정된 속도 계수 r에 기초하여 상기 작동 출력을 제공하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제5항에 있어서,

n이 설정 지점값이고, a가 상기 적어도 하나의 전류 측정 장치에 의해 측정된 전류값이고, b가 상기 노 변압기의 정격 2차 전류값이며, c가 상기 프로세서의 카운트 범위일 때, x = n - p와, p=(a/b)*(c/2)인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제5항 또는 제6항에 있어서,

T_m이 K 단위의 슬래그의 녹는점(액상선)이고, E_t가 상기 아크로를 구동하는데 필요한 장입 원료의 톤당 kWh 단위의 전체 전기 에너지일 때, k = Int((T_m * E_t/1000)/100)*100인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 승강 장치를 구동하기 위한 작동 출력으로서 구동 전압 v를 제공하도록 작용하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제8항에 있어서,

I가 상기 승강 장치의 구동부를 위한 비례 전압일 때, v = (r/k) * (ABS(x)/x) * I인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제9항에 있어서,

상기 프로세서는 PLC(programmable logic controller)인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.

제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제어 시스템을 포함하는 아크로.

제11항에 있어서,

원광 미분(ore fines)과 같은 재료를 제련하고 야금 미분(metallic fines)과 같은 재료를 용해하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 아크로.

1차 입력측 및 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결된 2차 출력측을 갖는 노 변압기를 포함하는 아크로의 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 제어하는 제어 방법에 있어서,

상기 아크로에 흐르는 적어도 하나의 전류를 측정하는 단계;

상기 아크로에 인가된 전압을 측정하는 단계;

전류 및 전압에 대한 측정값을 기초로 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치에 대한 설정 지점을 동적으로 결정하는 단계; 및

상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하기 위한 승강 장치를 구동하는 작동 출력을 제공하는 단계;

를 포함하는 제어 방법.

제13항에 있어서,

상기 전류를 측정하는 단계는,

상기 노 변압기의 입력 및 출력 측의 일측 또는 양측 상의 전류를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제14항에 있어서,

상기 전류를 측정하는 단계는,

상기 노 변압기의 입력측 상의 전류를 측정하는 단계; 및

상기 노 변압기의 출력측 상의 전류를 측정하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전압을 측정하는 단계는,

상기 노 변압기의 부스와 노 사이의 전압을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 설정 지점을 결정하는 단계는, x가 설정 지점값에서의 편차이고, k가 시스템 종속 상수일 때 r = x²/k인 속도 계수 r을 동적으로 결정하는 단계를 포함하고,

상기 작동 출력을 제공하는 단계는, 상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하기 위한 승강 장치를 구동하기 위하여 상기 동적으로 결정된 속도 계수 r에 기초하여 상기 작동 출력을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제17항에 있어서,

n이 설정 지점값이고, a가 상기 적어도 하나의 전류 측정 장치에 의해 측정 된 전류값이고, b가 상기 노 변압기의 정격 2차 전류값이며, c가 상기 프로세서의 카운트 범위일 때, x = n - p와, p=(a/b)*(c/2)인 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제17항 또는 제18항에 있어서,

T_m이 K 단위의 슬래그의 녹는점(액상선)이고, E_t가 상기 아크로를 구동하는데 필요한 장입 원료의 톤당 kWh 단위의 전체 전기 에너지일 때, k = Int((T_m * E_t/1000)/100)*100인 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 작동 출력을 제공하는 단계는,

상기 동적으로 결정된 설정 지점을 추종하도록 상기 적어도 하나의 전극의 수직 위치를 조정하는 승강 장치를 구동하기 위한 작동 출력으로서 구동 전압 v를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제20항에 있어서,

I가 상기 승강 장치의 구동부를 위한 비례 전압일 때, v = (r/k) * (ABS(x)/x) * I인 것을 특징으로 하는 제어 방법.

제13항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

원광 미분과 같은 재료를 제련하고 야금 미분과 같은 재료를 용해하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.