KR20130074099A - 전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법 - Google Patents

전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기로 조업 중에 실시간으로 계측되는 아크 전력 신호를 가지고 아크 상태를 판단하여 안정적인 전기로 조업을 가능하게 전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 전기로 아크 안정도 측정 방법은 전기로 조업시 전기로에 구비된 전극봉에 전원을 인가하여 발생하는 아크의 안정도를 측정하는 방법으로서, 상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전압을 계측하고, 계측된 전압값과 미리 설정된 전압의 기준 투입값을 이용하여 전압 안정도(SFV)를 연산하는 단계와; 상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전류를 계측하고, 계측된 전류값과 미리 설정된 전류의 기준 투입값을 이용하여 전류 안정도(SFI)를 연산하는 단계와; 상기 전압 안정도(SFV)와 전류 안정도(SFI)를 이용하여 아크 안정도(SF)를 검출하는 단계를 포함한다.

Description

전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법{METHOD FOR MEASURING ARC STABILITY OF ELECTRIC FURNACES AND OPERATING METHOD OF ELECTRIC ARC FURNACE USING THE SAME}
본 발명은 전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기로 조업 중에 실시간으로 계측되는 아크 전력 신호를 가지고 아크 상태를 판단하여 안정적인 전기로 조업을 가능하게 전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법에 관한 것이다.
일반적으로 용선 및 용강을 생산하기 위한 방법은 고로 조업 및 전기로 조업으로 나누어진다. 고로 조업은 철광석과 코크스를 이용하여 고로에서 용선을 생산하는 방법이고, 전기로 조업은 고철을 이용하여 전기로에서 용강을 생산하는 방법이다.
전기로 조업은 전극 사이에 고철을 적치한 다음 전기를 통전시켜 이때 발생되는 아크(arc)열을 이용하여 고철을 용융시키는 조업이다.
전기로는 내부에 고철이 투입되고 전극봉에서 아크를 발생시켜 아크열에 의해 고철을 용해시켜 용강을 제조하거나 가열시킨다. 종래의 일반적인 전기로 조업형태를 살펴보면 전극봉에 인가되는 전원의 전압 및 전류 기준값을 경험적으로 적당한 값을 선정하여 테이블화 하고 있다. 특히, 누적 전력량에 따라 전기로 조업 을 여러 단계로 나누고 각 단계에 따라 경험적으로 선정된 전압 및 전류의 기준값을 다르게 적용하고 있다.
오래전부터 전극(electrode)사이에서 발생하는 전기아크(electric arc)에 대한 연구가 많이 진행되어, Ayrton equation이나 Cassie-Mayr equation과 같은 전기아크 모델이 제안되었다.
하지만 전기로에서 사용하는 아크는 고온, 고압의 무질서한(chaotic)한 성질을 가지고 있어 이러한 모델로 아크의 안정도를 예측하는 것이 불가능하였다. 특히, 아크가 녹이는 고철의 형태학적 특징에 따라 아크 길이가 가변하기 때문에 아크를 모델화하는 것은 더더욱 어려운 일이다.
또한, 아크는 노체 내에서 발생하기 때문에 조업자가 눈으로 직접 아크가 안정한 상태인지 불안정한 상태인지 파악하는 것이 어려운 문제가 있었다.
이렇게 아크가 어떠한 상태인지 정확하게 인지하지 못한 상태에서 전극봉에 인가하는 전원의 전압 값을 더 높일 경우에는 아크가 고철 쪽으로 발생하지 않고, 노체 외벽이나 지붕 쪽으로 발생하게 되어 고철의 용융 효율이 저하되는 동시에 노체를 손상시키는 문제가 발생된다.
그래서 종래에는 아크의 편향상태를 감시하기 위하여 전기로 직접 카메라를 를 설치하여 아크의 발생상태를 모니터링 하는 방법이 제안되었고, 이러한 방법에 대해서는 "전기로 아크 측정장치(등록실용신안 20-0275746)"에서 구체적으로 공지되어 있다.
하지만, 종래의 방식은 전기로에 아크의 발생상태를 촬영하는 카메라를 설치하기 위하여 별도의 복잡한 기구물을 전기로에 장착하여야 하는 단점이 있었다.
등록실용신안 20-0275746 (2005. 05. 06)
본 발명은 전기로 조업 중에 전기로에서 발생되는 아크 상태를 기존의 모델 기반으로 접근하는 것이 아니라, 전기로의 전극봉에 인가되는 전원의 전력신호를 계측하고 이를 이용하여 아크 안정도를 평가하여 아크가 항상 안정된 상태로 발생되도록 하여 전기로 조업을 안정성을 향상시킬 수 있는 전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법을 제공한다.
또한, 아크를 안정된 상태로 발생시켜 전기로 노벽 및 지붕의 손상을 방지하여 전기로의 수명을 연장시킬 수 있는 전기로 아크 안정도 측정 방법 및 이를 이용한 전기로 조업 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 전기로 아크 안정도 측정 방법은 전기로 조업시 전기로에 구비된 전극봉에 전원을 인가하여 발생하는 아크의 안정도를 측정하는 방법으로서, 상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전압을 계측하고, 계측된 전압값과 미리 설정된 전압의 기준 투입값을 이용하여 전압 안정도(SFV)를 연산하는 단계와; 상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전류를 계측하고, 계측된 전류값과 미리 설정된 전류의 기준 투입값을 이용하여 전류 안정도(SFI)를 연산하는 단계와; 상기 전압 안정도(SFV)와 전류 안정도(SFI)를 이용하여 아크 안정도(SF)를 검출하는 단계를 포함한다.
상기 전압 안정도(SFV)는 하기의 [수학식 1]에 의해 연산되고, 상기 전류 안정도(SFI)는 하기의 [수학식 2]에 의해 연산되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, Vi는 계측된 전압값, Vset는 전압의 기준 투입값, αν는 비율계수(scale factor), Vav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전압임.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, Ii는 계측된 전류값, Iset는 전류의 기준 투입값, αi는 비율계수(scale factor), Iav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전류임.
상기 아크 안정도(SF)는 하기의 [수학식 3]에 의해 검출되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
Figure pat00003
본 발명의 일 실시형태에 따른 전기로 조업 방법은 전기로에 구비된 전극봉에 전원을 인가하여 발생하는 아크로 고철을 용해시켜 용강을 제조하는 전기로 조업 방법으로서, 상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전압 및 전류를 계측하여 얻어진 전압값 및 전류값을 이용하여 아크 안정도값을 연산하는 과정과; 연산된 아크 안정도값을 미리 설정된 기준 아크 안정도값과 비교하여 아크 안정도를 평가하는 과정과; 평가된 아크 안정도에 따라 상기 전극봉에 인가되는 전원의 전력값을 제어하는 과정을 포함한다.
상기 아크 안정도값을 연산하는 과정은 상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전압을 계측하고, 계측된 전압값과 미리 설정된 전압의 기준 투입값을 이용하여 전압 안정도(SFV)를 연산하는 단계와; 상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전류를 계측하고, 계측된 전류값과 미리 설정된 전률의 기준 투입값을 이용하여 전류 안정도(SFI)를 연산하는 단계와; 상기 전압 안정도(SFV)와 전류 안정도(SFI)를 이용하여 아크 안정도(SF)를 검출하는 단계를 포함한다.
상기 아크 안정도를 평가하는 과정에서 연산된 아크 안정도값이 미리 설정된 기준 아크 안정도값보다 상대적으로 높게 나타나는 경우에, 아크가 불안정한 상태라고 판단하고, 상기 전원의 전력값을 제어하는 과정에서 상기 전극봉에 인가되는 전원의 전력을 낮추는 것을 특징으로 한다.
상기 아크 안정도를 평가하는 과정에서 연산된 아크 안정도값이 미리 설정된 기준 아크 안정도값보다 상대적으로 낮게 나타나는 경우에, 아크가 안정한 상태라고 판단하고, 상기 전원의 전력값을 제어하는 과정에서 상기 전극봉에 인가되는 전원의 전력을 현상태로 유지하거나 높이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 종래와 같이 조업자들이 단순히 경험치 또는 아크 생성시 발생되는 소리로 아크 상태 및 노체 내 상태를 판단하는 것이 아니라, 전극봉에 인가되는 전원의 전압 및 전류를 계측하고 그 값을 이용하여 아크의 안정도를 수치화하여 판단함에 따라 아크의 상태를 항상 정확하게 판단할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수치화된 아크 안정도를 이용하여 전극봉에 인가되는 전원의 전력을 제어함에 따라 전기로 조업의 효율을 향상시키고, 전기로의 손상을 방지하여 전기로의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크 안정도 측정 및 전기로 조업이 실시되는 전기로 장치를 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 조업 방법을 보여주는 순서도이며,
도 3은 본 발명의 아크 안정도를 구하기 위한 전력량 변동 그래프이고,
도 4는 실시간으로 계측되는 전압 및 전류 그래프와, 그에 따라 연산된 아크 안정도값을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크 안정도 측정 및 전기로 조업이 실시되는 전기로 장치를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기로 조업 방법을 보여주는 순서도이며, 도 3은 본 발명의 아크 안정도를 구하기 위한 전력량 변동 그래프이고, 도 4는 실시간으로 계측되는 전압 및 전류 그래프와, 그에 따라 연산된 아크 안정도값을 보여주는 그래프이다.
먼저, 본 발명은 아크의 상태와 직접적으로 연관이 있는 아크 길이는 아크 전압에 비례하고, 아크 굵기는 아크 전류와 관계가 있다는 사실에 착안하여 제안되었다. 물론, 아크가 물리적으로 매우 불안정하여 아크가 끊어지게 될 경우, 아크 임피던스가 무한대로 증가하게 된다. 하지만, 전기로에서 전류가 투입되고 있으면, 아크가 끊어지는 경우는 극히 드물기 때문에 본 발명은 전기로 내에서 아크가 끊어지는 경우를 제외한 환경에 적용할 수 있을 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 아크 안정도 측정 및 전기로 조업을 실시하기 위한 전기로 장치에 대해서 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 전기로 장치는 전극봉이 마련되어 고철을 용융시키는 전기로(10)와; 상기 전극봉(11)에 인가되는 전원의 실시간 전력 신호, 즉 전압값 및 전류값을 실시간으로 계측하는 전력 신호 계측부(100)와; 상기 전력 신호 계측부(100)에서 계측된 전압값 및 전류값을 이용하여 아크 안정도를 연산하는 아크 안정도 연산부(200)와; 상기 아크 안정도 연산부(200)에서 연산된 아크 안정도(SF)를 조업자가 인지할 수 있도록 표시하는 모니터링부(300)를 포함한다.
상기와 같이 구성되는 전기로 장치를 이용하여 전기로 조업을 실시하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기로 조업 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전극봉(11)에 실시간으로 인가되는 전압 및 전류를 계측하여 얻어진 전압값(Vi) 및 전류값(Ii)을 이용하여 아크 안정도(SF)값을 연산하는 과정(S100)과; 연산된 아크 안정도(SF)값을 미리 설정된 기준 아크 안정도(SFset)값과 비교하여 아크 안정도를 평가하는 과정(S200)과; 평가된 아크 안정도(SF)에 따라 상기 전극봉(11)에 인가되는 전원의 전력값을 제어하는 과정(S300)을 포함한다.
상기 아크 안정도값을 연산하는 과정에서 아크 안정도(SF)값을 연산하기 위해서는 전기로(10) 조업시 상기 전극봉(11)에 인가되도록 미리 설정된 전압의 기준 투입값(Vset)과 전류의 기준 투입값(Iset) 및 상기 전극봉(11)에 실시간으로 인가되는 전력의 전압값(Vi)과 전류값(Ii)을 이용한다.
부연하자면, 상기 전극봉(11)에 실시간으로 인가되는 전압을 계측하고, 계측된 전압값(Vi)과 미리 설정된 전압의 기준 투입값(Vset)을 이용하여 전압 안정도(SFV)를 연산한다.(S110)
상기 전압 안정도(SFV)는 하기의 [수학식 1]에 의해 연산된다.
[수학식 1]
Figure pat00004
여기서, Vi는 계측된 전압값, Vset는 전압의 기준 투입값, αν는 비율계수(scale factor), Vav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전압임.
상기 [수학식 1]은 계측된 전압 신호를 바탕으로 전압에 대한 아크 안정도를 함수화한 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 관측 구역(observation window)(210) 내의 국부 변화율(local variation), 그 이전 관측 구역(observation window)(210) 내의 평균 및 현재 관측 구역(observation window)(210) 내의 평균의 차이로 표현된다.
그리고, 상기 전극봉(11)에 실시간으로 인가되는 전류를 계측하고, 계측된 전류값(Ii)과 미리 설정된 전류의 기준 투입값(Iset)을 이용하여 전류 안정도(SFI)를 연산한다.(S120)
상기 전류 안정도(SFI)는 하기의 [수학식 2]에 의해 연산된다.
[수학식 2]
Figure pat00005
여기서, Ii는 계측된 전류값, Iset는 전류의 기준 투입값, αi는 비율계수(scale factor), Iav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전류임.
이렇게, 전압 안정도(SFV)와 전류 안정도(SFI)에 대한 값이 연산되었다면, 연산된 전압 안정도(SFV)와 전류 안정도(SFI)를 이용하여 아크 안정도(SF)를 검출한다.(S130)
상기 아크 안정도(SF)는 하기의 [수학식 3]에 의해 연산된다.
[수학식 3]
Figure pat00006
상기와 같이 아크 안정도(SF)가 연산되었다면, 아크 안정도 연산부(200)에서 연산된 아크 안정도(SF)값을 미리 설정된 기준 아크 안정도(SFset)값과 비교하여 아크 안정도를 평가한다.(S200)
이때 연산된 아크 안정도(SF)값이 미리 설정된 기준 아크 안정도(SFset)값보다 상대적으로 높게 나타나는 경우에는 아크가 불안정한 상태라고 판단하고, 연산된 아크 안정도(SF)값이 미리 설정된 기준 아크 안정도(SFset)값보다 상대적으로 낮게 나타나는 경우에는 아크가 안정한 상태라고 판단한다.
그래서, 아크의 상태가 판단되었다면 그 판단값을 모니터링부(300)에 표시하고 조업자는 판단값에 따라 전극봉(11)에 인가되는 전원의 전력값을 제어한다.(S300)
만약, 아크의 상태가 불안정한 상태라고 판단되었다면 상기 전극봉(11)에 인가되는 전원의 전력을 낮춘다.
반면에, 아크의 상태가 안정한 상태라고 판단되었다면 상기 전극봉(11)에 인가되는 전원의 전력을 현상태로 유지하거나 높일 수 있을 것이다.
이렇게 전극봉(11)에 인가되는 전원의 전력을 제어하는 경우에, 상기 [수학식 3]에 의하여 상기 α값에 따라 전압에 중점을 둘 것인지 전류에 중점을 둘 것인지 선택할 수 있도록 하였다.
한편, 전기로 조업시 실시간으로 계측되는 전압값 및 전류값이 본 발명에 따란 연산되는 아크 안정도에 미치는 영향을 증명하기 위하여 실시간으로 계측되는 전압값 및 전류값과 그에 의해 연산된 아크 안정도를 도 4와 같이 그래프로 나타내었다.
도 4는 아크 안정도를 도표화 한 것으로서, 실시간으로 측정되는 전압값 및 전류값 신호가 일정한 경우에는 아크 안정도 수치가 낮은 상태로 비교적 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 실시간으로 측정되는 전압값(Vi) 및 전류값(Ii) 신호의 요동이 심한 경우네는 아크 안정도(SF) 수치가 상대적으로 커지는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라 아크 안정도(SF) 수치가 낮은 상태로 비교적 일정하게 유지되는 구역의 상한값을 설정하여 기준 아크 안정도값(SFset)으로 설정하는 것이 바람직할 것이다.
따라서, 도 4에서 확인하였듯이 실시간으로 계측되는 전압값 및 전류값을 이용하여 아크 안정도를 수치화할 수 있고, 이렇게 수치화된 아크 안정도값을 바탕으로 조업자로 하여금, 아크 안정도 수치가 작을 때는 아크가 안정한 동작을 한다고 판단하여 투입하는 기준 전력값을 높이고 아크 안정도 수치가 높아져 상대적으로 아크가 불안정한 상태에서는 투입하는 기준 전력값을 낮추게 하는 정보를 줄 수 있어 전기로 조업을 안정적으로 실시할 수 있다.
또한, 잘못된 판단으로 전기로 조업 중 불필요하게 전력을 높여 아크가 고철 쪽으로 발생하는 것이 아니라, 노체 외벽이나 지붕 쪽으로 발생하여 노체가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 전기로 11: 전극봉
100: 전력 신호 계측부 200: 아크 안정도 연산부
300:모니터링부

Claims (7)

  1. 전기로 조업시 전기로에 구비된 전극봉에 전원을 인가하여 발생하는 아크의 안정도를 측정하는 방법으로서,
    상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전압을 계측하고, 계측된 전압값과 미리 설정된 전압의 기준 투입값을 이용하여 전압 안정도(SFV)를 연산하는 단계와;
    상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전류를 계측하고, 계측된 전류값과 미리 설정된 전류의 기준 투입값을 이용하여 전류 안정도(SFI)를 연산하는 단계와;
    상기 전압 안정도(SFV)와 전류 안정도(SFI)를 이용하여 아크 안정도(SF)를 검출하는 단계를 포함하는 전기로 아크 안정도 측정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서
    상기 전압 안정도(SFV)는 하기의 [수학식 1]에 의해 연산되고, 상기 전류 안정도(SFI)는 하기의 [수학식 2]에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 전기로 아크 안정도 측정 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00007

    여기서, Vi는 계측된 전압값, Vset는 전압의 기준 투입값, αν는 비율계수(scale factor), Vav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전압임.
    [수학식 2]
    Figure pat00008

    여기서, Ii는 계측된 전류값, Iset는 전류의 기준 투입값, αi는 비율계수(scale factor), Iav(n)은 관측 구역(observation window) 내의 평균 전류임.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 아크 안정도(SF)는 하기의 [수학식 3]에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 전기로 아크 안정도 측정 방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00009

  4. 전기로에 구비된 전극봉에 전원을 인가하여 발생하는 아크로 고철을 용해시켜 용강을 제조하는 전기로 조업 방법으로서,
    상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전압 및 전류를 계측하여 얻어진 전압값 및 전류값을 이용하여 아크 안정도값을 연산하는 과정과;
    연산된 아크 안정도값을 미리 설정된 기준 아크 안정도값과 비교하여 아크 안정도를 평가하는 과정과;
    평가된 아크 안정도에 따라 상기 전극봉에 인가되는 전원의 전력값을 제어하는 과정을 포함하는 전기로 조업 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 아크 안정도값을 연산하는 과정은
    상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전압을 계측하고, 계측된 전압값과 미리 설정된 전압의 기준 투입값을 이용하여 전압 안정도(SFV)를 연산하는 단계와;
    상기 전극봉에 실시간으로 인가되는 전류를 계측하고, 계측된 전류값과 미리 설정된 전률의 기준 투입값을 이용하여 전류 안정도(SFI)를 연산하는 단계와;
    상기 전압 안정도(SFV)와 전류 안정도(SFI)를 이용하여 아크 안정도(SF)를 검출하는 단계를 포함하는 전기로 조업 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 아크 안정도를 평가하는 과정에서 연산된 아크 안정도값이 미리 설정된 기준 아크 안정도값보다 상대적으로 높게 나타나는 경우에, 아크가 불안정한 상태라고 판단하고,
    상기 전원의 전력값을 제어하는 과정에서 상기 전극봉에 인가되는 전원의 전력을 낮추는 것을 특징으로 하는 전기로 조업 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 아크 안정도를 평가하는 과정에서 연산된 아크 안정도값이 미리 설정된 기준 아크 안정도값보다 상대적으로 낮게 나타나는 경우에, 아크가 안정한 상태라고 판단하고,
    상기 전원의 전력값을 제어하는 과정에서 상기 전극봉에 인가되는 전원의 전력을 현상태로 유지하거나 높이는 것을 특징으로 하는 전기로 조업 방법.
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KR102310160B1 (ko) * 2020-05-28 2021-10-08 현대제철 주식회사 전기 아크 용해로의 조업 조건 제어 방법

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