KR20140146093A - 아크로의 작동 방법 및 상기 방법에 따라 작동되는 아크로를 구비한 용융 설비 - Google Patents

Abstract

아크로(30) 작동 방법 및 이 방법에 따라 작동되는 용융 설비에서, 아크로(30)의 작동 조건에 영향을 미치는 복수의 설비 부품에 대해, 각각의 설비 부품들의 작동 상태를 특성화하는 측정 변수의 하나 이상의 측정값(M_i)이 검출되어, 상기 측정 변수에 대해 각각 현재 허용되는 한계값과 비교되고, 그 비교 결과에 따라 시간 윈도우(Δt_i) 내에서 현재 허용되는 모든 한계값의 준수 하에 아크로(30)에 최대로 공급 가능한 출력(P)이 결정된다.

Description

아크로의 작동 방법 및 상기 방법에 따라 작동되는 아크로를 구비한 용융 설비{METHOD FOR OPERATING AN ARC FURNACE AND SMELTING SYSTEM HAVING AN ARC FURNACE OPERATED ACCORDING TO SAID METHOD}

본 발명은 아크로(arc furnace)의 작동 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 작동되는 아크로를 구비한 용융 설비에 관한 것이다.

아크로 내에서는, 용융 재료의 조각들, 통상 고철이 경우에 따라 추가의 부재료와 함께, 용융 재료과 하나 이상의 전극 사이에서 점화되는 아크에 의해 용융된다. 이를 위해, 이른바 로 변압기(furnace transformer)를 이용하여 저전압 범위로 변환되는 전기 에너지가 중간 전압 또는 고전압 공급원으로부터 아크로에 공급된다. 상기 로 변압기로부터 에너지가 대전류 시스템을 통해 전극에 공급된다. 이때, 전극의 끝에서 연소하는 아크에 의해 로 용기 내에 존재하는 금속 조각이 용융된다.

아크로의 전기 에너지 공급과 관련된 설비 부품은 실질적으로 이른바 로 변전 설비, 로 변압기 및 대전류 시스템으로 구성되며, 대전류 시스템은 예를 들어 전극들이 고정되어 있는 높이 조절 가능한 도전성 지지 아암들(supporting arms)을 포함한다. 전극들의 높이 조정 및 이를 통한 용융 재료 내로의 에너지 투입은 전극 조절 시스템에 의해 조절된다. 이러한 방식으로, 설비 부품에 대한 성능 요건과 관련하여 상당한 차이가 있을 수 있는 작업 지점들 또는 작동 조건들의 폭 넓은 선택이 가능하다.

설비 부품의 설계 및 선택은 통상 각각의 아크로에 대한 경험값에 근거하여 수행된다. 예를 들어, 로 변압기의 설계는 아크로의 크기, 고철의 종류 및 원하는 생산성에 따라, 즉, 아크로의 요구되는 용융 시간을 결정하는 용융 성능(시간 단위 당 용융되는 고철량)에 기초하여 수행된다. 이때, 대략 300MVA까지의 범위 내에서 결정되는 피상 전력 외에, 로 변압기의 단계 수 및 단계들의 전압, 예를 들어 약 1500V 이하의 전압을 갖는 18개의 단계, 그리고 약 100kA 이하의 전류가 정의된다.

그러나, 아크로의 작동 조건에 영향을 미치는 설비 부품, 특히 로 변압기의 손상을 확실히 방지하기 위해, 실제로 적어도 단시간 존재하는 설비 부품의 잠재 출력이 안전성의 문제로 최대로 이용되지 않기 때문에, 생산성 저하를 감수해야 한다.

본 발명의 과제는, 아크로의 생산성을 향상시킬 수 있는 아크로 작동 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는, 상기 방법에 따라 작동되는 아크로를 구비한 용융 설비를 제공하는 것이다.

상기 첫 번째 과제는 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징을 갖는 방법에 의해 해결된다. 그 특징에 따르면, 아크로의 작동 조건에 영향을 미치는 복수의 설비 부품에 대해, 각각의 설비 부품들의 작동 상태를 특성화하는 측정 변수의 각각 하나 이상의 측정값이 검출되어, 측정 변수에 대해 현재 허용되는 한계값과 비교되고, 그 비교 결과에 따라 시간 윈도우와, 상기 시간 윈도우 내에서 현재 허용되는 모든 한계값의 준수 하에 아크로에 최대로 공급 가능한 출력이 결정된다.

이러한 조치에 의해, 아크로가 아크로의 최적의 생산성을 활용하여 작동될 수 있는데, 그 이유는, 적어도 단시간에, 즉, 용융 시간(아크로의 최초 장입과 용융물의 배출 사이의 시간)보다 짧은 시간 윈도우 이내에, 용융 시 더 많은 출력을 제공하기 위해, 또는 예를 들어 로 변압기를 손상시키지 않으면서 의도치 않은 생산 손실을 보상하기 위해, 현재 가용한 부하 범위가 이용될 수 있기 때문이다.

시간 윈도우는 경험값을 이용하여 자동으로 결정되며, 이때 시간 윈도우의 기간 및 최대로 공급 가능한 출력은 통상 상호 의존적이기 때문에, 아크로를 선택적으로 낮은 최대 출력 및 긴 시간 윈도우로, 또는 높은 최대 출력 및 짧은 시간 윈도우로 작동할 수 있는 가능성이 작업자에게 제공된다. 이에 대한 대안으로, 시간 윈도우의 기간이 정의되지 않고, 설비 부품 중 하나의 측정 변수에 대해 현재 허용되는 한계값에 도달하면 결정된 최대 출력으로의 아크로의 작동이 종료됨으로써 시간 윈도우의 종료가 규정될 수도 있다.

설비 부품이 사전 설정된 생산성의 달성을 위해 설비 부품의 한계값과 관련하여 최적으로 이용될 수 있기 때문에, 신규 설비에서는 설비 부품이 요구에 최적화되어 설계될 수 있고, 이에 따라 비용을 유발하는 과설계(overdimensioning)가 방지될 수 있다.

이 경우, 현재 허용되는 한계값은, 사전 설정되어 고정된 불변의 값, 예를 들어 전기 설비 부품의 절연 내력이거나, 또는 시간에 따라 가변적이고 측정값을 통해 검출된 아크로의 현재 작동 조건에 의존적인 값일 수 있다. 이러한 가변적인 값은 예를 들어, 현재 허용되는 다른 한계값, 예를 들어 로 변압기에서 측정된 온도가 초과되지 않는 한, 시간 윈도우 내에서 사전 설정된 기본값을 최대로 가능한 사전 결정된 값만큼 초과할 수 있는, 로 변압기의 최대 출력일 수 있다,

최대로 공급 가능한 출력 및/또는 시간 윈도우의 길이가 하나 이상의 측정 변수의 시간에 따른 거동의 예측을 이용하여 결정되는 경우, 최대 가용 부하 범위의 매우 확실한 결정이 달성된다. 이러한 방식으로, 설비 부품이 시간 윈도우 내에서 과부하를 받지 않는 것이 보장됨에 따라, 과부하에 의해 야기되는 고장이 방지된다.

바람직하게는, 측정 변수로서 설비 부품을 통해 흐르는 전류, 설비 부품에 인가된 전압 및/또는 설비 부품의 온도가 검출된다.

또 다른 한 바람직한 실시예에서, 설비 부품의 작동 상태에 간접적으로 영향을 미치는, 특히 냉각 유체가 관류하는 냉각 장치인 보조 장치가 제어되며, 이때 영구적으로 사전 설정된 또는 현재의 한계값으로서 결정된 설비 부품의 온도를 유지하기 위해 유입 온도 및/또는 냉각 유체의 유량이 제어된다.

방법의 또 다른 한 바람직한 실시예에서, 한계값은 설비 부품의 온도이며, 이때 아크 방사로부터 설비 부품을 보호하기 위한 열 차폐물로서 발포 슬래그(foaming slag)가 사용된다.

용융 설비와 관련하여 본 발명에 따른 과제는 청구항 제1항의 특징에 바람직하게 상응하는 청구항 제8항의 특징에 의해 해결된다.

본 발명의 전술한 특성, 특징 및 장점 그리고 이들이 달성되는 방식은 이하에서 도면을 참조로 상세히 설명되는 실시예에서 더욱 명확하고 확실하게 이해될 것이다.

본 발명의 추가 설명은 도면의 실시예를 참조한다.

도 1은 아크로를 구비한 용융 설비의 개략도이다.
도 2는 시간에 대하여 용광로에 공급된 출력을 나타낸 그래프이다.

도 1에 따르면, 용융 설비의 작동을 위해 요구되는 전기 에너지가 케이블 또는 가공선(overhead line, 2)으로부터 고전압 공급 스위치(4)를 통해 고전압 버스 바(6)로 공급된다. 고전압 버스 바(6)에 인가된 고전압은 고전압 출력 스위치(8)를 통해, 고전압을 중간 전압으로 변환시키는 강압 변압기(10)로 공급된다. 강압 변압기(10)의 2차측은 중간 전압 공급 스위치(12)를 통해 전기적으로 중간 전압 버스 바(16)와 연결된다. 중간 전압 버스 바(16)에 인가된 전압은 출력 스위치(18), 로 스위치(20) 및 로 흐름 제한 장치(22)를 거쳐 로 변압기(24)의 1차측에 공급되며, 로 변압기의 2차측은 대전류 현수선(high current catenary, 26)을 통해 아크로(30)의 전극(28)에 연결된다. 전극(28)과 용융 재료(34) 사이에서 연소하는 아크의 길이 및 이에 상응하게 아크로(30) 내로의 에너지 투입을 조정할 수 있도록, 전극(28)이 높이 조절 가능하게 지주대(32)에 배치된다.

도 1에 도시된, 전극(28)으로의 전기 공급과 관련된 설비 부품들은 선택의 예시일 뿐, 실무에서 실제 존재하는 모든 설비 부품을 포함하지는 않는다.

용융 설비는 전기 설비 부품 외에 비전기식 설비 부품들도 포함하는데, 이들 비전기식 설비 부품은 도 1에서 냉각 장치(36, 38, 40)를 통해 마찬가지로 예시로서 불완전하게 도시되어 있으며, 이들 냉각 장치를 이용하여 강압 변압기(10), 로 변압기(24) 또는 아크로(30)의 벽 패널들의 냉각이 수행된다.

또한, 도 1에는 발포 슬래그(41)가 도시되어 있는데, 이 발포 슬래그를 이용하여 필요 시, 아크(L)에 직접 인접하여 위치하는 부품의 열 부하를 감소시키기 위해, 아크(L)의 열 방사가 차폐될 수 있다.

강압 변압기(10)의 1차측뿐만 아니라, 로 변압기(24)의 1차측 및 2차측에도 전류 또는 전압의 측정을 위한 측정 장치(42, 44)가 제공된다.

추가 측정 장치로서 도시되어 있는 온도 측정 장치들(46)을 이용하여, 열 부하를 받는 용융 설비의 상이한 위치들에서 측정 변수로서 온도가 직접 측정되거나,열 모델을 기초로 하여 간접적으로 결정된다. 이러한 온도 측정 장치(46)는 강압 변압기(10), 공급 케이블 시스템, 로 변압기(24)의 1차측 및 2차측, 로 용기의 벽 그리고 전극(28)에 예시적으로 불완전하게 도시되어 있다.

또한, 그 외에도 냉각 장치(36, 38, 40)를 통해 관류하는 냉각제의 유입 온도와 유출 온도, 그리고 유량이 검출된다.

기본적으로 측정 장치(48)도 제공될 수 있으며, 이 측정 장치에 의해 기계적 측정 변수, 예를 들어 지주대(32)의 지지 암의 진동이 검출될 수 있다.

각각의 전기적, 열적 또는 기계적 측정 변수와 관련하여 측정 장치(42, 44, 46, 48)에 의해 검출된 측정값(M_i, i = 1 내지 n)은 제어 및 평가 장치(50)로 전송된다(점선으로 그려진 화살표로 표시되어 있음). 모니터링된 설비 부품의 측정 변수에 대해 각각 허용 가능한 한계값이 룩업 테이블 또는 동적 모델의 형태로 제어 및 평가 장치(50)에 저장된다. 이러한 허용 한계값은 특정 설비 부품에 대해 영구적으로 사전 설정될 수도 있고, 추가로 특히 동일한 설비 부품에서 측정된 다른 측정 변수의 측정값에 의해서도 좌우될 수 있다. 예를 들어, 로 변압기(24)로부터 전달된 출력에 대한 허용 한계값은 로 변압기 온도의 함수일 수 있고, 온도가 상승함에 따라 감소할 수 있다. 로 변압기(24)의 온도는 다시, 냉각 장치(38)를 통해 흐르는 냉각제의 유입 온도 및 관류량의 영향을 받을 수 있다. 추가로, 상기 허용 한계값은, 작동점이 상기 한계값으로 설정되어야 하는 시간 윈도우의 길이에 의해서도 좌우될 수 있다. 예를 들어, 측정된 온도에서 허용 가능한 한계값이 더 높을수록, 시간 윈도우는 더 짧아진다.

측정된 측정값과, 경우에 따라 이 측정값을 고려하여 결정된 현재 허용되는 한계값을 비교하여, 시간 윈도우 및 상기 시간 윈도우 내에서 아크로(30)에 최대로 공급 가능한 출력이 결정된다. 상기 출력은 예를 들어 컨트롤 센터의 작업자에게 표시됨으로써, 작업자가 필요 시 생산성을 증가시킬 수 있고, 또한 수동 제어 시에도 평가 및 제어 장치(50)에 의해 최대 출력의 초과가 차단된다. 이에 대한 대안으로, 아크로(30)가 결정된 시간 윈도우 내에서 자동으로 최대로 공급 가능한 출력으로 작동되는 자동화된 가동 방식이 제공될 수 있다.

이 경우, 작동 안전을 위해, 모든 설비 부품에 대해 현재 허용되는 한계값이 초과되지 않도록 하는 것이 중요하다. 예를 들어, 용융 설비가 최대로 공급 가능한 출력에서 작동되어 설비 부품에 대해 현재 허용되는 한계값에 도달하게 되면, 용융 설비를 위해 상기 한계값이 초과되지 않도록 하는 제어 신호(S_k, k = 1 내지 m)가 제어 장치(50)에 의해 자동으로 생성된다. 로 변압기가 측정된 온도 및 설정된 시간 윈도우에 대해 유효한 허용 한계값을 초과하지 않는 출력으로 작동됨에도 불구하고, 예를 들어 전극(28)의 열 부하가 현재 유효한 한계값에 도달하게 되면, 전극(28)의 온도에 대해 현재 허용되는 한계값의 초과를 방지하기 위해 상기 출력이 감소하거나, 예를 들어 전극(28)의 효과적인 냉각을 유도하는 조치가 개시된다.

도 2는 아크로의 작동 시 가능한 작동 방식을 설명하는 간단한 그래프이다. 이 그래프에는 시간(t)에 대해 공급된 출력(P)이 도시되어 있다. 그래프를 보면, 용융 시간보다 더 짧은 기간을 갖는 복수의 짧은 시간 윈도우(Δt₁, Δt₂, Δt₃, Δt₄) 내에서, 아크로에 공급된 출력(P)이 연속 가동을 가능하게 할 수도 있는 기본 출력(P₀)에 비해 상당히 증가한다. 이들 시간 윈도우(Δt_i) 내에서, 현재 작동 조건, 즉, 측정 장치에 의해 현재 검출된 측정값에 기초하여, 현재 가용한 한계값이 결정되고, 이를 토대로 상기 시간 윈도우(Δt_i) 내에서 최대로 가능한 출력이 도출된다. 이 경우, 상기 시간 윈도우(Δt_i)는, 평가 및 제어 장치에 의해 현재 작동 상태 및/또는 상기 작동 상태의 예상 변화 거동을 기초로 하여 결정되고 적절하게 사전 정의되거나, 또는 중단 기준(abort criterion)에 의해, 예컨대 현재 허용되는 한계값의 도달에 의해 정의된다.

본 발명이 바람직한 실시예들에 의해 상세히 도시되고 기술되었다 해도, 본 발명은 개시된 실시예들로 한정되지 않으며, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 상기 실시예들로부터 다른 변형예들이 도출될 수 있다.

Claims (8)

1. 아크로(30) 작동 방법이며,
   아크로(30)의 작동 조건에 영향을 미치는 복수의 설비 부품에 대해, 각각의 설비 부품들의 작동 상태를 특성화하는 측정 변수의 하나 이상의 측정값(M_i)이 검출되어, 상기 측정 변수에 대해 각각 현재 허용되는 한계값과 비교되고, 그 비교 결과에 따라, 시간 윈도우(Δt_i) 내에서 현재 허용되는 모든 한계값의 준수 하에 아크로(30)에 최대로 공급 가능한 출력(P)이 결정되는, 아크로 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 아크로(30)는 자동으로 최대로 공급 가능한 출력(P)으로 작동되는, 아크로 작동 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 최대로 공급 가능한 출력(P) 및/또는 시간 윈도우(Δt_i)의 길이는 하나 이상의 측정 변수의 시간에 따른 거동의 예측을 이용하여 결정되는, 아크로 작동 방법.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 측정 변수로서 설비 부품을 통해 흐르는 전류, 설비 부품에 인가되는 전압, 및/또는 설비 부품의 온도가 검출되는, 아크로 작동 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 설비 부품의 작동 상태에 간접적으로 영향을 미치는 보조 장치가 제어되는, 아크로 작동 방법.
6. 제5항에 있어서, 한계값은 설비 부품의 온도이고, 보조 장치는 냉각 유체가 관류하는 냉각 장치(38)이며, 한계값으로서 결정된 온도를 유지하기 위해 유입 온도 및/또는 냉각 유체의 유량이 제어되는, 아크로 작동 방법.
7. 제5항에 있어서, 한계값은 설비 부품의 온도이며, 아크(L)의 방사로부터 설비 부품을 보호하기 위한 열 차폐물로서 발포 슬래그(41)가 사용되는, 아크로 작동 방법.
8. 아크로(30)를 구비한 용융 설비이며,
   아크로(30)의 작동 조건에 영향을 미치는 복수의 설비 부품들의 작동 상태를 특성화하는 측정값(M_i)을 검출하기 위한 복수의 측정 장치(42, 44, 46, 48)와,
   제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여, 검출된 측정값(M_i)을 평가하고, 그리고/또는 아크로(30)를 제어하기 위한 알고리즘이 내부에 구현된 제어 및 평가 장치(50)를 포함하는, 용융 설비.

Images