KR20180109873A - 특히 냉각 구간에서 사용하기 위한 제어 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압연기에서 냉각 구간들의 냉각매체량의 높은 동적 제어를 위해, 적어도 하나의 배관 내의 관류 횡단면을 조정하기 위한 제어 밸브에 관한 것이며, 상기 제어 밸브는 적어도 하나의 스로틀 바디; 적어도 하나의 밸브 시트; 및 각각의 스로틀 바디의 위치를 변경하도록 구성되는 액추에이터를 포함한다. 제어 밸브의 재현 가능한 응답 거동, 단시간의 반응 시간 및 높은 제어 정밀도를 달성하기 위해, 본 발명에 따라서 액추에이터는 전기 선형 모터를 포함한다.

Description

특히 냉각 구간에서 사용하기 위한 제어 밸브

본 발명은, 특히 압연기들에서 냉각 구간들의 냉각수량의 높은 동적 제어를 위해, 배관 내의 관류 횡단면을 조정하기 위한 제어 밸브에 관한 것이다.

제어 밸브는 보조 동력으로 작동하면서 공정 시스템 내의 관류량을 제어하는 장치이다.

선강(wire steel) 및 봉강(bar steel)을 위한 압연기들에서는, 재료의 기계적 특성들에 영향을 주기 위해, 수냉 구간들이 이용된다. 이런 경우, 하기와 같은 다양한 방법들이 이용된다.

템프코어(Tempcore) 방법은 실질적으로 구조강의 제조시에 이용된다. 여기서 마감 압연된 제품은 냉각상(cooling bed) 상류에서(봉강) 또는 적층 헤드(laying head) 상류에서(선강) 압연열로부터 열처리된다. 압연 스톡(rolled stock)은 950~1050℃의 온도를 갖는 최종 롤 스탠드에서 유출된다. 냉각 구간에서 외부 층은 고압(5 ~ 16bar) 조건에서 물을 통해 400℃ 미만의 온도(< 400℃)로 냉각된다. 이를 통해 마르텐사이트 미세조직이 생성된다. 후속 온도 보상 동안, 한편으로 마르텐사이트 외부층은 다시 가열[템퍼링(tempering)]되고, 다른 한편으로는 코어가 냉각되며, 그럼으로써 페라이트/펄라이트 미세조직이 생성된다. 템프코어 방법의 이용을 통해, 최종 제품의 요구되는 기계적 특성들이 달성될 수 있고, 이와 동시에 합금 원소들의 추가 비용도 유의적으로 감소될 수 있다. 정확한 온도 제어는 합금 원소들의 절약 가능성을 결정한다.

열 기계적 압연 동안, 압연 스톡은 최종 성형 단계들 전에 소정의 온도로 냉각된다. 이는, 높은 강도에서도 동시에 우수한 인성(toughness) 및 냉간 성형성을 제공하는 미립자 미세구조를 달성한다. 다양한 성형 방법들이 이용된다. 요컨대 열 기계적 압연을 통해, 여타의 경우라면 단지 합금 원소들의 추가를 통해서만 달성될 수 있는 기계적 특성들이 달성된다. 정확한 온도 제어는 열 기계적 압연 방법의 적용을 위한 전제조건이다.

열간 압연기 상류의 재가열로(re-heating furnace)에서 연속 주조 빌릿(continuous casting billet)의 가열은 빌릿의 길이에 걸쳐 결코 완벽하게 균일하지 않다. 연속 주조 설비 직후의 재가열로는 냉각된 연속 주조 빌릿의 예열(warming-up)에 이용된다. 재가열로 내에서 연속 주조 빌릿의 파지를 위해, 빌릿들이 가열 동안 그 상에 안착되는 수냉식 레일들(water-cooled rail)이 필요하다. 레일들의 영역에서는, 빌릿의 길이에 걸친 온도 프로파일(temperature profile)을 통해 나타나는 쉐도우 효과(shadowing)가 발생한다. 빌릿의 길이에 걸친 온도의 편차들을 방지하기 위해, 냉각수의 높은 동적 제어가 필요하다.

냉각수의 제어를 위한 시장에 출시된 작동 부재들은 하기와 같이 공압식 작동 부재들과 전기식 작동 부재들로 구분된다.

● 공압식 구동부를 포함한 작동 부재들은 단시간의 반응 시간에서부터 평균의 반응 시간까지로 응답한다. 그러나 문제는, 점착 마찰에서 활주 마찰로의 전이가 스틱-슬립 효과(stick-slip effect)를 야기하고, 이런 스틱-슬립 효과는 재현할 수 없는 응답 거동 및 그에 따른 일정하지 않은 반응 시간을 야기한다는 점에 있다. 그러므로 공압식 구동부들은 고정밀 동적 제어 과정을 위해 부적합하다.

● 전기식 구동부를 포함한 작동 부재들은 반응 시간이 짧고 제어 정밀도는 높지만, 그러나 제어 속도는 너무 낮은 셀프로킹식 모터/변속기 유닛을 기반으로 한다.

현재 시장에서 가장 빠른 최대 10㎜/s의 제어 속도를 갖는 밸브 구동부는 요구되는 반응 시간을 달성하기는 하지만, 요구되는 제어 속도(50㎜/s)를 달성할 수 없다.

그러므로 목표 온도로부터 발생하는 냉각 구간 후의 온도의 최소 편차를 갖는 정확한 온도 제어는 현재 여전히 불가능하다. 그러나 상기 유형의 온도 제어는 본 발명에 따라서 냉각수의 제어를 위한 적합한 작동 부재와 함께 냉각수량의 높은 동적 제어를 통해 실현된다.

따라서 본 발명의 과제는, 상기 종래 기술을 기반으로, 특히 압연기들에서 냉각 구간들의 냉각수량의 높은 동적 제어를 위해, 배관 내의 관류 횡단면을 조정하기 위한 작동 부재로서, 재현 가능한 응답 거동, 단시간의 반응 시간 및 높은 제어 정밀도를 보유하는 상기 작동 부재를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제는, 최초에 언급한 유형의 제어 밸브의 경우, 액추에이터가 전기 선형 모터를 포함하는 것을 통해 해결된다.

본 발명은 특히 하기 특징들을 포함하는 제어 밸브에 관한 것이다.

- 밸브 몸체(밸브 하우징);

- 적어도 하나의 가이드식 스로틀 바디;

- 적어도 하나의 밸브 시트(각각의 스로틀 바디는 적어도 하나의 밸브 시트와 상호작용한다.); 및

- 밸브 몸체 내에서 각각의 스로틀 바디의 위치를 변경시키도록 구성된 액추에이터.

본 발명의 제어 밸브는 단일 시트(single-seat) 제어 밸브로서, 또는 다중 시트(multi-seat) 제어 밸브, 특히 이중 시트 제어 밸브로서 형성될 수 있다. 다중 시트 제어 밸브들의 이용을 통해 제어력(control force)은 감소된다.

또한, 본 발명의 제어 밸브는, 물질 유량들을 혼합하거나 분배하기 위해, 다중 포트 제어 밸브(multi-port control valve)로서도 구현될 수 있다.

각각의 스로틀 바디의 기하학적 형태는 관류량 특성곡선을 결정한다. 변경 가능한 관류량에 의해, 대개 매체 자체의 압력, 온도 또는 관류량 역시도 제어할 수 있다.

제어 밸브들을 위한 재료들로서는 예컨대 회주철, 황동, 주조강, 고급강 또는 플라스틱이 이용된다.

본 발명의 제어 밸브는 배관 또는 배관망 내로 다양한 유형 및 방식으로 장착될 수 있다. 장착 방법으로서는 예컨대 용접, 끼움 고정(jamming) 또는 바람직하게는 플랜지들을 통한 연결이 고려된다.

선형 모터는 제어 밸브의 스로틀 바디(들)를 가이드식 병진 이동으로 변위시킨다. 직접 구동부(direct drive)로서의 선형 모터는, 다양한 힘들 및/또는 속도들을 갖는 병진 이동을 직접 생성하는 것을 가능하게 한다. 선형 모터는 단시간의 반응 시간을 보유하고 그 제어 속도 및 제어 정밀도 모두 높으며, 그 외에 반응 시간은 재현될 수 있다. 상기 유형의 액추에이터를 포함한 제어 밸브는 압연기들에서 냉각 구간들의 냉각수량의 높은 동적 제어를 위해 가장 적합하다.

선형 모터는 활전 상태의 일차 부재(live primary member)와, 반응 또는 이차 부재를 포함한다. 상기 선형 모터는 동기 선형 모터로서, 비동기 선형 모터, 스텝 선형 모터 또는 직류 선형 모터로서 형성될 수 있다.

가장 빈번하게 사용될 수 있는 동기 선형 모터의 영구 자석들은 바람직하게는 위치 고정된 일차 부재와 상호작용한다. 특히 동기 선형 모터의 에너지 공급을 위해 이동되는 라인들은 필요하지 않다.

구조적으로 바람직하게는, 영구 자석 유닛은 각각의 스로틀 바디를 위한 작동 장치 상에 바람직하게는 직접 배치된다. 이로써 액추에이터의 제어 정밀도는 추가로 증가되는데, 그 이유는 유격과 결부되는 전달 부재들이 액추에이터와, 직접 작동 장치와 연결된 스로틀 바디 사이에 제공되지 않기 때문이다.

영구 자석 유닛은 바람직하게는 막대형 작동 장치의 통합된 부품으로서 형성된다. 막대형 작동 장치는, 선형 구동부의 부품으로서, 스로틀 바디를 왕복 이동시키기 위해, 병진 이동을 실행한다.

제어 밸브에 의해 제어되는 냉각 매체의 압력 및 체적 변동에도 불구하고 제어 밸브를 정확하게 조정할 수 있도록 하기 위해, 선형 모터를 위한 위치 제어부가 제공된다. 위치 제어부는 선형 모터의 낮은 관성 질량에도 불구하고 제어되는 냉각 매체의 압력 및 체적 변동이 있을 때에도 의도되는 높은 제어 정밀도에 기여한다.

본 발명에 따른 액추에이터는 예컨대 하기의 기술적 데이터를 나타낸다.

- 제어력:

소형 버전(DN100, 10bar 수압): 3kN,

대형 버전(DN300, 15bar 수압): 40kN

- 행정:

20~150㎜

- 제어 속도:

최소 50㎜/s, 바람직하게는 150㎜/s

- 제어 정밀도:

0.05㎜

- 반응 시간:

t≤0.1sec

본 발명의 바람직한 구현예에서, 액추에이터는 추가로 멤브레인을 구비한 멤브레인 구동부를 포함하며, 멤브레인은 적어도 멤브레인의 제1 측면(side)에서 압력 매체를 공급받을 수 있다. 선형 모터는 제어 밸브를 개방하기 위한 매우 높은 피크 힘(peak force)을 떠맡으며, 그에 이어서 상기 피크 힘은 적어도 부분적으로 멤브레인 구동부가 떠맡게 된다. 멤브레인 구동부의 제1 측면이 압력 매체를 통해 가압되며, 그리고 멤브레인의 제2 측면은 적어도 하나의 스프링을 통해 가압되는 점에 한해, 선형 모터로 전류 공급이 중단되는 경우에는, 제어 밸브의 자동 폐쇄 또는 개방이 실현될 수 있다. 그 대안으로 공압식 구동부도 양측에서 개별적으로 압력 매체를 공급받을 수 있는 멤브레인을 구비하여 형성될 수 있다.

구조적으로 바람직하게는, 멤브레인이 막대형 작동 장치의 상단부 상에 고정되는 것을 통해, 추가 멤브레인 구동부가 액추에이터 내에 통합된다.

하기에서는 본 발명에 따른 제어 밸브가 도면들에 따라서 더 상세하게 설명된다.

도 1은 선형 모터를 포함하는 본 발명에 따른 제어 밸브를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 2d는 선형 모터를 포함하는 제어 밸브를 위한 다양한 밸브 하우징을 각각 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3f는 선형 모터를 포함하는 제어 밸브를 위한 스로틀 바디들의 상이한 실시형태들을 각각 도시한 도면이다.

제어 밸브(1)는, 유입구(inlet) 및 유출구(outlet)(2a, 2b)를 구비한 밸브 하우징(2); 스로틀 바디(3); 및 밸브 시트(4)를 포함한다. 스로틀 바디(3)와 연결된 밸브 스템(4a)(valve stem)은 밸브 하우징(2)의 바깥쪽에서 막대형 작동 장치(5)와 연결된다. 작동 장치(5)는, 도 1에 도시된 폐쇄된 위치와 개방된 위치 사이에서 작동 장치(5)와 연결된 스로틀 바디(3)를 왕복 이동시키기 위해, 구동부 하우징(6) 내에서 수직 방향으로 병진 왕복이동 가능하게 안내된다.

하부 방향으로 테이퍼 형태로 가늘어지는 스로틀 바디(3)는, 폐쇄된 위치에서 스로틀 바디(3)와 밸브 시트(4) 간의 관류를 저지하는 방식으로 형성된다. 하부 방향으로 테이퍼 형태로 가늘어지는 스로틀 바디(3)를 상승시키는 것을 통해, 밸브 시트(4)와 스로틀 바디(3) 사이에는 환형 관류 횡단면이 형성되며, 이 관류 횡단면은 스로틀 바디의 횡단면 형태를 기반으로 완전하게 개방된 위치로의 이동 동안 확대된다.

액추에이터(7, 8)는 선형 모터(7)와 멤브레인 구동부(8)를 포함한다. 선형 모터(7)는 구동부 하우징(6) 내에 위치 고정되어 배치되는 코일 유닛(7a) 및 영구 자석 유닛(7b)에 의해 형성된다. 영구 자석 유닛(7b)은 통합된 부품으로서, 요컨대 막대형 작동 장치(5)의 부분편(partial peice)으로서 형성된다.

구동부 하우징(6) 상에 안착되어 그 위치에서 고정되는 멤브레인 구동부(8)는 멤브레인(8a)을 포함하며, 이 멤브레인은 멤브레인 하우징(8d)의 하우징 반부들(8b, 8c)(housing half) 사이에 끼움 고정된다. 막대형 작동 장치(5)의 상단부는 기밀한 관통 접속구(8e)(feed-through)를 통해 멤브레인 하우징 안쪽으로 안내되고 멤브레인(8a) 상에서 중앙에 고정된다. 멤브레인(8a)은 하면으로부터 압력 매체를 공급받을 수 있다. 멤브레인의 상면은 상부 하우징 반부(8b) 상에서 지지되는 스프링들(8f)을 통해 하중을 받는다.

스프링들(8f)에 의해서는, 멤브레인 구동부(8)의 하부 챔버 내 압력 강하 동안, 멤브레인(8a)은 제어 밸브(1)의 폐쇄 방향으로 하중을 받게 된다.

도 2a 내지 2d에는, 3웨이 제어 밸브들을 위한 용도로 정해진 밸브 하우징들의 상이한 실시형태들이 각각 도시되어 있다. 도 2a 및 도 2b에 따른 실시형태들은, 2개의 밸브 시트와 상호작용하는 각각 하나의 스로틀 바디를 포함한다. 도 2c 및 도 2d에 따른 실시형태들은 각각 하나의 밸브 시트와 상호작용하는 2개의 스로틀 바디를 포함한다.

여기서 주지할 사항은, 제어 밸브들의 다양한 실시형태들이 폐쇄된 위치에서 관류량을 다만 뚜렷하게 감소시키긴 하지만, 저지하지는 않는다는 점이다. 이 경우, 대개, 누출량은 전적으로 공칭 관류량의 10%의 범위 이내일 수 있다.

도 3에는, 관류량 특성곡선에 영향을 미치는 스로틀 바디들의 상이한 실시형태들이 도시되어 있다. 도 3a에는, 포물선형 원뿔(parabolic cone)로서 형성된 스로틀 바디, 도 3b에는, 다공성 원뿔(perforated cone)로서 형성된 스로틀 바디, 도 3c에는, 다공성 케이지(perforated cage)를 포함한 다공성 원뿔로서 형성된 스로틀 바디, 도 3d에는, 3웨이 구조 형상의 제어 밸브를 위한 다공성 원뿔로서 형성된 스로틀 바디, 도 3e에는, 랜턴형 원뿔(lantern cone)로서 형성된 스로틀 바디, 그리고 도 3f에는, 감압부를 포함한 랜턴형 원뿔로서 형성된 스로틀 바디가 각각 도시되어 있다.

1: 제어 밸브
2: 밸브 하우징
2a: 유입구
2b: 유출구
3: 스로틀 바디
4: 밸브 시트
4a: 밸브 스템
5: 작동 장치
6: 구동부 하우징
7: 액추에이터
7a: 코일 유닛
7b: 영구 자석 유닛
8: 멤브레인 구동부
8a: 멤브레인
8b, c: 하우징 반부
8d: 멤브레인 하우징
8e: 관통 접속구
8f: 스프링

Claims (11)

1. 압연기에서 냉각 구간들의 냉각매체량의 높은 동적 제어를 위해, 적어도 하나의 배관 내의 관류 횡단면을 조정하기 위한 제어 밸브(1)로서, 적어도 하나의 스로틀 바디, 적어도 하나의 밸브 시트, 및 각각의 스로틀 바디의 위치를 변경시키도록 구성된 액추에이터를 포함하고, 상기 액추에이터는 전기 선형 모터(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 전기 선형 모터는 코일 유닛(7a) 및 영구 자석 유닛(7b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 코일 유닛(7a)은 위치 고정되어 배치되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 영구 자석 유닛(7b)은 상기 스로틀 바디(3)를 위한 작동 장치(5) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 작동 장치(5)는 막대형으로 형성되고, 상기 영구 자석 유닛(7b)은 상기 작동 장치(5)의 통합 부품으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 막대형 작동 장치(5)는 병진 이동을 실행하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 선형 모터(7)는 위치 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액추에이터는 추가로 멤브레인(a)을 구비한 멤브레인 구동부(8)를 포함하며, 상기 멤브레인은 적어도 멤브레인의 제1 측면에서 압력 매체를 공급받을 수 있는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 멤브레인(8a)은 상기 막대형 작동 장치(5)의 상단부 상에 고정되는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
   
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 멤브레인의 제2 측면은 스프링 하중을 받는 것을 특징으로 하는 제어 밸브.
    
11. 액상 냉각매체의 가이드를 위한 적어도 하나의 배관을 포함하는 압연기용 냉각 구간에 있어서, 상기 적어도 하나의 배관 내에는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 제어 밸브(1)가 배치되는 것을 특징으로 하는 압연기용 냉각 구간.

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