KR20190078403A - 용선 출선량 모니터링 장치 - Google Patents

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KR20190078403A
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Abstract

본 발명은, 측정된 용선의 영상 상관성을 이용하여 용선 출선량을 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치는 출선구에서 배출되는 용융물의 온도 및 이미지를 측정하는 센서부, 상기 센서부에 의해 측정된 용융물의 온도 및 이미지를 신호 처리하고, 연속 측정된 적어도 둘의 용융물 이미지의 상관성 분석(cross correlation)에 기초하여 용선의 출선량을 계산하는 신호 처리부, 상기 신호 처리부에 의해 측정된 용융물 위치에 따라 상기 센서부의 위치를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

용선 출선량 모니터링 장치{MONITORING APPARATUS FOR OUTPUTTING AMOUNT OF MOLTEN STEEL}
본 발명은 고로 출선구의 용선 출선량을 모니터링하는 용선 출선량 모니터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 용선을 생산하는 고로 공정에서는 고로 내에 용해되어 노저에 고여 있는 용융물은 일정시간 경과 후 굴착작업에 의해 관통된 출선구를 통하여 대탕도로 배출된다.
이러한, 고로 출선구의 용선 출선량을 모니터링하기 위해서는 고로 출선구 용융물의 배출량을 측정하여 그 배출량으로부터 슬래그(Slag) 비율을 차감하면 순수 용선의 출선량을 구할 수 있다.
고로 출선구의 용융물의 속도를 측정하기 위해서 출선시 용융물 상부의 경계부의 형상을 트랙킹(Tracking) 하여 이동 속도를 검출하는데, 용융물 상부의 경계면 형상의 변화가 분명할 때 측정이 용이하나 용융물 경계면이 분명하지 않고 출선이 안정될때 오히려 검출이 어렵고, 용선의 평균 속도보다는 급격한 변동의 외란를 측정할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 출선구가 분명하게 보이는 측정위치에서 용융물을 측정하기 때문에 출선공의 경계가 분명하여 출선공 측정이 용이할 수는 있으나, 용융물 속도 측정이 유리한 측면에서는 출선공이 보이지 않아 측정이 불가능한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1223104호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정된 용선의 영상 상관성을 이용하여 용선 출선량을 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치는 출선구에서 배출되는 용융물의 온도 및 이미지를 측정하는 센서부, 상기 센서부에 의해 측정된 용융물의 온도 및 이미지를 신호 처리하고, 연속 측정된 적어도 둘의 용융물 이미지의 상관성 분석(cross correlation)에 기초하여 용선의 출선량을 계산하는 신호 처리부, 상기 신호 처리부에 의해 측정된 용융물 위치에 따라 상기 센서부의 위치를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 노내 용선의 저선 레벨을 평가할 수 있고 적정 출선 종료 시점을 최적화 하는 것이 가능할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 출선 속도 계산을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 출선공 및 출선경 계산을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 출선공 및 출선경 계산을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
고로 출선구 실시간 용선 출선량을 모니터링 한다는 것은 출선구에서 배출되는 용융물(용선과 Slag 혼합물)의 배출량을 측정하는 것과 용선과 슬래그 비율을 측정하여 용융물 배출량의 용선과 슬래그 출선량을 분리해내는 것을 의미하며 이때 용율물 배출량, 용선 출선량, 슬래그 출선량 각각은 고로 노황 및 노열, 저선레밸을 평가하는 고로 조업의 중요한 측정량이 된다. 이는 단순히 용선 출선량만을 측정하는 의미보다 더 중요한 포괄적인 의미가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치(100)는 센서부(110), 신호 처리부(120), 제어부(130) 및 표시부(140)를 포함할 수 있다.
센서부(110)는 출선구의 용선의 온도 및 이미지를 측정할 수 있다.
센서부(110)는 출선구의 용선의 온도 변화를 측정하는 온도계(111)와, 출선구의 용선의 이미지를 측정하는 카메라(112)를 포함할 수 있다.
신호 처리부(120)는 센서부(110)에 의해 측정된 용융물의 온도 및 이미지를 신호 처리하여 용선 출선량을 계산할 수 있다.
출선 용선 배출량을 측정하기 위해서는 우선 출선 용융물의 배출 속도와 출선경을 측정해야 한다.
신호 처리부(120)는 연속 측정된 적어도 둘의 용융물 이미지의 상관성 분석(cross correlation)에 기초하여 용선의 출선량을 계산할 수 있다. 즉, 신호 처리부(120)는 연속 측정된 적어도 둘의 용융물 이미지의 상관성 분석(cross correlation)에 기초하여 출선 속도를 계산하고, 계산된 출선 속도와 출선경의 곱에 의해 상기 용융물의 배출량을 계산할 수 있다.
계산된 용선 출선량은 표시부(140)를 통해 외부에 출력될 수 있다.
제어부(130)는 신호 처리부(120)에 의해 측정된 용선 위치에 따라 센서부(110)의 온도계(111) 및 카메라(112)의 위치를 제어하여, 고로에서 출선되는 용선의 최적 측정 위치를 트랙킹(Tracking)할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 출선 속도 계산을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 신호 처리부(120)는 연속 측정된 적어도 둘의 용선의 이미지의 상관성 분석(cross correlation)에 기초하여 출선 속도를 계산할 수 있다.
여기서, t1 및 t2는 연속 측정된 둘의 용융물 이미지이다.
둘의 용융물 이미지의 상관성 분석에 기초하여 하기의 수식1과 같이 출선 속도를 계산할 수 있다.
(수식1)
Figure pat00001
여기서, FPS는 프레임(Frame)/초(second)이고, Rmp는 미리미터(mm)/픽셀을 나타내는 비율이며, Dp는 이미지의 픽셀 거리이다.
이미지 내에서 최대 상관성이 있는 인자의 프레임간 거리는 하기의 수식2와 같이 계산할 수 있다.
(수식2)
Figure pat00002
상술한 바와 같이, 둘의 용융물 이미지 간의 이산 상관성 분석에 의해 이미지의 픽셀 거리 Dp를 계산할 수 있다.
예를 들어, FPS=200일 경우, 거리(S)= 55*0.69이고, 속도(V)=(55*0.69)/(1/200)=7590[mm/sec], 즉 7.59[m/sec]로 계산될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 출선공 및 출선경 계산을 설명하기 위한 도면이고, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치의 출선공 및 출선경 계산을 설명하기 위한 도면이다.
용선의 상태에 따라 출선공 및 출선경을 계산하는 방법을 선택적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치(100)는 고로에서 용선이 출선시 출선공이 보이지 않는 측면에서 출선공을 측정할 수 있다.
여기서, 출선공은 고로 출선구의 직경을 의미하며 최초는 고로 출선구 개공기를 통해 드릴과정을 통해 형성되며, 최초 크기는 개공기의 드릴 직경에 해당하며 출선이 지속되면서 확장되며, 확장 속도는 출선구 패쇄시에 사용한 머드 재질과 상관성이 있고 이는 출선공 확장 비율은 머드재 성능 평가의 중요지표가 된다. 출선이 지속되면서 항상 증가하는 값일 수 있다.
출선경은 출선 속도를 측정하는 영역의 출선 용융물의 직경을 의미하며 출선상태에 따라 증가하기도 하고 감소하기도 하나 통상 증가하는 경향을 보이고 이때의 출선경은 출선량을 평가하는 중요한 인자가 된다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 복수의 용융물 이미지를 수평 방향으로 프로젝션한 후,
도 3b와 같이, 일정 영역을 출선공으로 판정하고, 판정된 출선공에서 설정된 거리의 유속 측정 영역의 용융물의 상하 경계면을 추출하여 출선경을 계산할 수 있다.
이때 출선 용융물은 수평에 대해 경사각을 가지게 되고 용융물의 경계선을 추출하여 수평에 대한 경사 각도를 추출하고, 경사각 만큼 수평방향으로 영상을 회전하여 수평상태에서 용융물의 영상을 Y축에 대해 프로젝션하면 도 3c와 같이, 가우시안 용선 밝기 분포를 얻게 되고 이 분포를 이용하여 출선공을 계산하게 되며, 최초 출선공은 출선 개공기 드릴 직경으로 최초 상태를 교정할 수 있다. 출선경은 출선 유속 측정영역에서의 용융물의 경계선을 추출하여 용융물의 직경을 계산할 수 있다.
상술한 출선공과 출선경 추출 순서를 정리하면, 다음과 같을 수 있다.
1. 이미지 융합(Image Integration) (N (default N=10) input images)
2. 이미지 Y 방향 로테이션 및 프로젝션 (Image Rotation & Projection) (Y Direction)
3. 출선공 계산 (Using Projection Result)
출선공 계산시 최초 교정(Calibration)은 초기 출선을 위해 개공기 드릴 직경 기준 초기 출선공(60mm) 교정.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 용선 출선량 모니터링 장치는 고로에서 용선이 출선시 출선공이 보이지 않는 측면에서 출선공을 측정할 수 있다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 복수의 용융물 이미지를 수평 방향으로 프로젝션한 후,
도 4b와 같이 용융물 이미지에서 용융물의 상부 및 하부의 경계부를 읽어서
도 4c와 같이 상부 및 하부의 경계부를 LMS (Least Mean Square) 라인 피팅(line fitting)을 통해 출선공을 계산하며,
도 4d와 같이 계산된 출선공에서 설정된 거리의 유속 측정 영역의 용율물의 상하 경계선을 추출하여 출선경을 계산할 수 있다.
출선의 방향과 퍼지는 정도를 감안하여 출선공을 측정하여 기존 방식에 비해 정확도가 높고 출선각을 동시에 계산 가능할 수 있다.
상술한 출선공과 출선경 추출 순서를 정리하면,
1. 이미지 융합 (Image Integration) (N (default N=10) input images)
2. 상하 경계면(Boundary (Up & Down) detection)
3. LMS (Least Mean Square) line fitting (Up & Down Boundary)
4. 출선각도 계산 (using upper line)
5. 출선공 계산 (Using Projection Result)일 수 있다.
출선 용융물 배출량은 출선 용융물 배출 속도와 출선경간의 곱에 의해 계산될 수 있다.
용선 출선량을 계산하기 위해서는 슬래그 출선량을 계산하여야 하고, 슬래그 출선량을 계산하기 위해서는 출선 용융물의 슬래그 비율을 알아야 한다.
슬래그 비율을 알기 위해서, 신호 처리부(120)는 카메라(112)에 의해 측정된 영상에서 슬래그와 상기 용선을 식별하여 상기 비율을 산출할 수 있다.
즉, 신호 처리부(120)는 상기 영상에서 제1 및 제2 기준 밝기(brightness)보다 높은 밝기를 가지는 픽셀과 상기 영상에서 제1 기준 밝기보다 높고 제2 기준 밝기보다 낮은 밝기를 가지는 픽셀의 비율을 산출할 수 있고, 상기 영상에서 제1 기준 밝기보다 낮은 밝기를 가지는 픽셀의 집합을 배경으로 식별하고, 상기 영상에서 상기 제1 기준 밝기보다 높고 제2 기준 밝기보다 낮은 밝기를 가지는 픽셀의 집합을 상기 용선으로 식별하고, 상기 영상에서 상기 제1 및 제2 기준 밝기보다 높은 밝기를 가지는 픽셀의 집합을 상기 슬래그로 식별할 수 있다.
또한, 신호 처리부(120)는 상기 영상에서 제1 기준 밝기보다 낮은 밝기를 가지는 픽셀의 집합을 배경으로 식별하고, 상기 배경의 경계의 위치에 각각 대응되는 기준선 1과 기준선 3을 상기 영상에서 설정하고, 상기 기준선 1과 상기 기준선 3의 사이에 기준선 2를 상기 영상에서 설정하고, 상기 기준선 2의 일부를 포함하는 분석 영역을 상기 영상에서 설정하고, 상기 분석 영역에서 제2 기준 밝기보다 높은 밝기를 가지는 픽셀과 상기 분석 영역에서 제2 기준 밝기보다 낮은 밝기를 가지는 픽셀의 비율을 산출할 수 있다.
더하여, 출선 용융물 배출량은 용선 출선량과 슬래그 출선량의 합이고, 신호 처리부(120)는 용선과 슬래그의 밝기 차이에 의해 슬래그 비율을 계산할 수 있으며, 슬래그 출선량은 출선 용융물 배출량과 슬래그 비율의 곱에 의해 계산될 수 있다. 이에 따라, 출선 용융물 배출량에서 슬래그 출선량을 빼면 용선 출선량을 구할 수 있다.
한편, 신호 처리부(120)는 센서부(110)의 온도계(111)에 의해 용선 온도 정보를 취득할 수 있다.
온도계(111)는 서로 다른 파장의 복사 에너지를 측정하여 온도값을 생성하는 2파장 온도계로 구현될 수 있다.
신호 처리부(120)는 측정된 슬래그와 용선의 비율에 대응되는 보정 온도값을 온도계(111)에 의해 측정된 온도값에 적용하여 최종 온도값을 생성할 수 있다.
온도계(111)에 의해 측정되는 온도값이 슬래그와 용선의 비율에 따라 실제 온도와 달라지는 특징이 있는데, 신호 처리부(120)는 이러한 특징을 보정함으로써, 온도계(111)에 의해 측정된 온도값에 비해 실제 온도에 더욱 가까운 최종 온도값을 생성할 수 있다. 이에 따라, 고로 출선구의 온도가 정확하게 측정될 수 있다.
온도계(111)가 측정할 수 있는 복사 에너지를 살펴보면, 실제 표면의 복사 에너지(Eλ(λ,T))는 흑체의 복사 에너지(Eλ,b(λ,T))과 복사율(ελ)의 곱으로 정의될 수 있다.
복사율이 설정된 2파장 온도계는 특정 온도에서의 제1 파장(λ1)의 복사 에너지(Eλ1)와 제2 파장(λ2)의 복사 에너지(Eλ2)를 측정하고, 두 복사 에너지간의 차이값에 대응되는 온도값을 생성할 수 있다. 여기서, 상기 차이값과 상기 온도값간의 관계는 슈테판-볼츠만 법칙 등에 따라 설정될 수 있다.
이는 하기의 수식3으로 일반화될 수 있다. 여기서, 제1 파장(λ1)의 복사율(ε1)에서 제2 파장(λ2)의 복사율(ε2)로 나눈 값은 복사율 비로 정의될 수 있다.
(수식3)
Figure pat00003
온도계(111)는 고로 출선구의 제1 및 제2 파장 복사 에너지(Eλ1,Eλ2)를 측정하고, 상기 제1 및 제2 파장 복사 에너지(Eλ1,Eλ2)에 기준 복사율 비를 적용하여 온도값을 생성할 수 있다. 예를 들어, 온도계(111)는 상기 고로 출선구의 슬래그와 용선의 비율이 상기 기준 비율일 때의 복사율 비를 상기 기준 복사율 비로 설정할 수 있다.
한편, 고로 출선구에서 출선 초기의 슬래그의 비율은 출선 말기의 슬래그의 비율보다 클 수 있다. 따라서, 상기 기준 비율은 상기 고로 출선구의 출선이 중간 정도 진행된 때의 평균적인 슬래그의 비율로 설정될 수 있다.
슬래그의 복사율은 파장으로부터 거의 영향을 받지 않을 수 있으며, 용선의 복사율은 파장으로부터 상대적으로 큰 영향을 받을 수 있다. 즉, 슬래그의 복사율 비는 1에 가까울 수 있으나, 용선의 복사율 비는 1에 가깝지 않을 수 있다.
따라서, 상기 수식3은 슬래그의 복사율과 용선의 복사율의 반영에 따라 하기의 수식4로 표현될 수 있다. 여기서, εm은 용선의 복사율이고, εs는 슬래그의 복사율이고, Am은 용선의 면적비이고, As는 슬래그의 면적비이고, 용선의 면적비와 슬래그의 면적비의 합은 1이다.
(수식4)
Figure pat00004
전체 복사율 비는 슬래그의 비율이 높을수록 슬래그의 복사율 비에 가까운 1이 될 수 있다.
즉, 온도계(111)는 상기 고로 출선구의 제1 및 제2 파장 복사 에너지를 측정하고, 상기 제1 및 제2 파장 복사 에너지에 기준 복사율 비를 적용하여 상기 온도값을 생성할 수 있고, 신호 처리부(120)는 슬래그와 용선의 비율에 대응되는 보정 온도값을 온도계(111)에 의해 측정된 온도값에 적용하여 최종 온도값을 생성할 수 있다. 보다 상세하게는 신호 처리부(120)는 상기 비율과 기준 비율간의 차이값에 대응되는 상기 보정 온도값을 생성하고, 상기 기준 복사율 비는 상기 고로 출선구의 슬래그와 용선의 비율이 상기 기준 비율일 때의 복사율 비일 수 있다. 상기 고로 출선구에 상기 슬래그가 상기 용선에 비해 많을수록 상기 최종 온도값이 높도록 상기 보정 온도값을 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 용선 출선량, 슬래그 출선량, 용선온도 정보를 이용하면 고로 출선 노열을 평가할 수 있어서 노열제어에 중요한 지표로 활용할 수 있고 출선량은 저선 레벨 및 출선 종료 시점 및 출선 폐쇄 시점 판정에 중요 지표가 될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 용선 출선량 모니터링 장치
110: 센서부
111: 온도계
112: 카메라
120: 신호 처리부
130: 제어부
140: 표시부

Claims (8)

  1. 출선구에서 배출되는 용융물의 온도 및 이미지를 측정하는 센서부;
    상기 센서부에 의해 측정된 용융물의 온도 및 이미지를 신호 처리하고, 연속 측정된 적어도 둘의 용융물 이미지의 상관성 분석(cross correlation)에 기초하여 용선의 출선량을 계산하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부에 의해 측정된 용융물 위치에 따라 상기 센서부의 위치를 제어하는 제어부
    를 포함하는 용선 출선량 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 연속 측정된 적어도 둘의 용융물 이미지의 상관성 분석(cross correlation)에 기초하여 출선 속도 및 출선경을 계산하고, 계산된 출선 용선 속도와 출선경의 곱에 의해 출선 용융물의 배출량을 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 연속 측정된 적어도 둘의 용융물 이미지의 연속 측정된 시간과 상기 둘의 용융물 이미지의 픽셀 거리에 따른 용선의 이동 거리에 기초하여 출선 용선 속도를 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 측정된 용융물의 밝기값에 따라 출선 용융물내의 슬래그의 비율을 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 계산된 출선 용융물과 슬래그 출선량에 따라 용선 출선량을 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 센서부로부터의 영상에서 제1 기준 밝기보다 낮은 밝기를 가지는 픽셀의 집합을 배경으로 식별하고, 상기 영상에서 상기 제1 기준 밝기보다 높고 제2 기준 밝기보다 낮은 밝기를 가지는 픽셀의 집합을 상기 용선으로 식별하고, 상기 영상에서 상기 제1 및 제2 기준 밝기보다 높은 밝기를 가지는 픽셀의 집합을 상기 슬래그로 식별하는 용선 출선량 모니터링 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 연속 측정된 복수의 용융물 이미지를 수평방향으로 프로젝션하여 일정 영역을 출선공으로 판정하고, 판정된 출선공에서 설정된 거리의 유속 측정 영역의 용선의 상하 경계면을 추출하여 출선경을 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 연속 측정된 복수의 용융물 이미지를 수평방향으로 프로젝션하여 용융물 이미지의 상하 경계부를 읽어서 라인 피팅(line fitting)을 통해 출선공을 계산하며, 계산된 출선공에서 설정된 거리의 유속 측정 영역의 용선의 상하 경계선을 추출하여 출선경을 계산하는 용선 출선량 모니터링 장치.
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