KR20210081817A - 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치는, 교정 대상(10)의 길이에 대응되게 상호 간격을 형성하면서 저면에 평행한 상태로 회전 가능하게 거치 및 지지하기 위한 제1 및 제2 이동방진구(120,130); 상기 교정 대상을 고주파 유도 방식으로 가열하여 고주파 교정을 실시하기 위한 고주파 가열기(140); 상기 교정 대상의 가열각도 조정을 위해 상기 교정 대상을 회전시키기 위한 회전 구동부(170); 및 상기 교정 대상의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델 분석 기반의 교정량 예측 모델을 통해 원하는 교정량에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건을 도출하여 상기 고주파 가열기 및 상기 회전 구동부를 제어하기 위한 컨트롤러(190);를 포함한다.

Description

고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치 및 그 방법{BENDING CORRECTION APPARTUS AND METHOD USING HIGH FREQUENCY INDUCTION HEAT}

본 발명은 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고주파 유도 가열을 이용하되, 벤딩 교정이 필요한 교정 대상(예, 로터, 봉강, 샤프트 등)의 가열 각도에 대한 유한요소해석(FEA) 기법을 통해 교정량 예측 모델을 도출함으로써 교정 대상의 신뢰도를 확보하기 위한, 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

발전소 증기터빈은 로터의 열화, 기동정지시 발생하는 마찰(rubbing), 수분 유입 등에 의해 회전체와 고정체의 마찰이 심하게 발생되어 로터에 벤딩(bendding) 현상이 발생할 수 있다.

도 1은 로터의 벤딩 발생 매커니즘을 설명하는 도면이다. 로터는 외부 고정체와 마찰(rubbing)이 발생할 때 마찰열에 의해 국부적으로 팽창하게 되고, 냉각시 잔류응력에 의해 벤딩이 발생하게 된다.

로터에 벤딩이 발생하는 경우에는 발전소 설비의 진동이 증가할 수 있기 때문에 발전소 설비를 정지시켜 로터 벤딩을 교정하는 작업을 필요하다. 이러한 로터는 고속 회전(약 3,600rpm으로 회전)하므로 0.2㎜ 이하 수준으로 벤딩 정도가 관리되어야 한다.

이에 따라, 로터의 벤딩 현상이 발생한 부위만을 국부적으로 교정하는 로터의 변형 보정(straightening) 작업이 필요하다.

로터의 벤딩 교정은 기계적인 하중과 열적 하중을 가하는 방법으로 구분할 수 있는데, 기계적 하중을 이용하면 접촉면에서 로터에 손상이 가해질 우려가 크기 때문에 열적 하중을 이용한 방법이 선호되는 추세이다.

열적 하중을 이용한 방법에는 열선반을 이용한 교정 방식 또는 토치를 이용한 교정 방식이 있다.

먼저, 열선반을 이용한 교정 방식은 로터를 국부적으로 가열하는 방식이 아니기 때문에 블레이드 열화 손상이 발생할 수 있다. 또한, 이러한 교정 방식은 온도를 제어할 수 있는 변수가 없기 때문에, 경험적인 방법에 의한 다양한 케이스별 실험을 통해 교정하므로 교정시간이 오래 걸린다.

다음, 토치를 이용한 교정 방식은 토치를 이용하여 국부적으로 소재를 가열하는 방식이나, 원하는 부위만을 가열하기 어렵기 때문에 소재의 변형량을 제어할 수 없다. 이러한 교정 방식도 경험적인 방법에 의해 다양한 케이스별 실험을 통해 교정하므로 교정시간이 오래 걸릴 수 있다.

한편, 고주파 가열을 이용한 교정 장치는 로터 표면에 국부 가열로 인한 소성 변형을 발생시켜 소재 전체를 사용할 수 없게 만들 수 있고, 짧은 시간만에 급격하게 온도가 상승하기 때문에(60초에 1000℃ 상승 가능), 소재의 조직 변화가 발생할 수 있다.

또한, 고주파 가열을 이용한 교정 장치는 짧은 시간에 급격한 온도 변화가 발생하기 때문에 온도를 제어하기 용이하지 않다.

그런데, 고주파 가열을 이용한 교정 장치는 단시간에 높은 온도까지 승온이 가능하므로, 로터의 파손을 방지할 수 있는 방안이 마련될 경우 로터의 벤딩을 교정하는 활용도가 높을 것으로 예상된다.

따라서, 고주파 가열을 이용한 교정 장치는 로터의 파손을 방지하여 로터의 벤딩을 교정하는 방안이 마련될 필요가 있다.

한국 등록특허공보 제10-0633320호 (2006.10.02. 등록)

본 발명의 목적은 고주파 유도 가열을 이용하되, 벤딩 교정이 필요한 교정 대상(예, 로터, 봉강, 샤프트 등)의 가열 각도에 대한 유한요소해석(FEA) 기법을 통해 교정량 예측 모델을 도출함으로써 교정 대상의 신뢰도를 확보하기 위한, 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치는, 교정 대상(10)의 길이에 대응되게 상호 간격을 형성하면서 저면에 평행한 상태로 회전 가능하게 거치 및 지지하기 위한 제1 및 제2 이동방진구(120,130); 상기 교정 대상을 고주파 유도 방식으로 가열하여 고주파 교정을 실시하기 위한 고주파 가열기(140); 상기 교정 대상의 가열각도 조정을 위해 상기 교정 대상을 회전시키기 위한 회전 구동부(170); 및 상기 교정 대상의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델 분석 기반의 교정량 예측 모델을 통해 원하는 교정량에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건을 도출하여 상기 고주파 가열기 및 상기 회전 구동부를 제어하기 위한 컨트롤러(190);를 포함할 수 있다.

상기 교정량 예측 모델은, 상기 교정 대상의 재료별로 가열각도에 따라 상기 교정 대상에서 발생하는 변형량에 대한 상관관계를 분석하여 수식 형태로 도출하는 것일 수 있다.

상기 변형량은, 상기 교정 대상의 가열부위가 상승되는 정보를 나타내는 히트업(Heat-up) 대비 가열 및 냉각을 통해 최종적으로 변형되는 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout) 변화를 나타나는 것일 수 있다.

상기 교정 대상의 강종은, 저Cr강 또는 고Cr강으로 구분되는 것일 수 있다.

상기 교정량 예측 모델은, 상기 교정 대상의 강종이 저Cr강인 경우, 수학식

와 수학식

를 만족하는 것일 수 있다.

상기 교정량 예측 모델은, 상기 교정 대상의 강종이 고Cr강인 경우, 수학식

와 수학식

를 만족하는 것일 수 있다.

상기 컨트롤러는, 상기 교정 대상의 강종, 상기 교정량, 상기 교정 대상의 가열각도를 상기 교정량 예측 모델에 적용하여 상기 예측 교정 조건을 도출하는 것일 수 있다.

상기 에측 교정 조건은, 상기 교정량 예측 모델의 수학식을 통해 도출되는 히트업(Heat-up) 및 가열시간(HEATING-TIME)일 수 있다.

상기 교정량은, 상기 교정량 예측 모델의 수학식에 포함된 TIR에 해당하는 것일 수 있다.

실시예에 따르면, 상기 교정 대상에 대한 열처리 과정(Stress Relief Annealing, SRA)을 실시하기 위한 저주파 가열기(160);를 더 포함하는 것일 수 있다.

상기 컨트롤러는, 상기 고주파 가열기에 의한 고주파 교정을 실시한 다음, 상기 교정 대상에 나타나는 잔류 응력 완화를 위해 상기 저주파 가열기를 제어하는 것일 수 있다.

상기 저주파 가열기는, 상기 교정 대상을 감싼 내화 커버 상에 권선된 플렉시블 히팅 코일을 이용하여 상기 교정 대상을 가열하는 것일 수 있다.

실시예에 따르면, 상기 교정 대상의 길이 방향으로 저면에 지지 구조를 형성하기 위한 베이스 베드부(110);를 더 포함하는 것일 수 있다.

실시예에 따르면, 상기 교정 대상의 TIR 및 히트업(Heat-up)을 측정하기 위한 교정 대상 측정부(180);를 더 포함하되, 상기 컨트롤러는, 상기 교정 대상의 TIR이 미리 설정된 임계값 이상인 경우에 상기 고주파 교정을 수행하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법은, 교정 대상의 변형 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout)이 미리 설정된 임계값과 비교하는 단계; 상기 비교 결과에 따라 상기 교정 대상의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델 분석 기반의 교정량 예측 모델을 통해 원하는 교정량에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건을 도출하는 단계; 및 상기 예측 교정 조건에 따라 상기 교정 대상을 고주파 유도 방식으로 가열하여 고주파 교정을 실시하되, 상기 교정 대상의 가열각도 조정을 위해 상기 교정 대상을 회전시키는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 벤딩 교정 장치로서, 적어도 하나 이상의 프로세서; 및 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며, 상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 벤딩 교정 장치로 하여금, 교정 대상의 변형 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout)이 미리 설정된 임계값과 비교하게 하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 교정 대상의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델 분석 기반의 교정량 예측 모델을 통해 원하는 교정량에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건을 도출하게 하며, 상기 예측 교정 조건에 따라 상기 교정 대상을 고주파 유도 방식으로 가열하여 고주파 교정을 실시하되, 상기 교정 대상의 가열각도 조정을 위해 상기 교정 대상을 회전시키게 하는 것일 수 있다.

본 발명은 고주파 유도 가열을 이용하되, 벤딩 교정이 필요한 교정 대상(예, 로터, 봉강, 샤프트 등)의 가열 각도에 대한 유한요소해석(FEA) 기법을 통해 교정량 예측 모델을 도출함으로써 교정 대상의 신뢰도를 확보할 수 있다.

또한, 본 발명은 교정 대상의 필요한 부분만 가열하므로 최적으로 원형 소재를 교정할 수 있다.

또한, 본 발명은 고주파 유도 가열 방식을 이용하나, 회전 기능을 이용하여 가열 및 냉각이 반복되기 때문에 소재 손상을 예방할 수 있다.

또한, 본 발명은 교정 대상이 로터인 경우에, 로터만 가열하므로 교정시 발생하는 블레이드 손상을 예방할 수 있다.

또한, 본 발명은 국내에 있는 모든 원형소재(로터, 샤프트 등)에 대해 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 교정 대상을 회전시키므로 교정 대상의 크기에 상관없이 교정할 수 있다.

또한, 본 발명은 교정 대상을 거치 및 회전할 때 교정 대상의 길이에 상관없이 거치할 수 있고, 회전 각도를 제어할 수 있으며, 교정 대상을 지지하는 이동방진구를 이용한 가열 지그 크기를 다양하게 설정할 수 있다.

도 1은 로터의 벤딩 발생 매커니즘을 설명하는 도면,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치를 나타낸 도면,
도 5는 저주파 가열기를 나타내는 도면,
도 6은 교정 대상의 회전을 통한 가열 영역 조정을 설명하는 도면,
도 7은 유한요소해석 모델을 나타낸 도면,
도 8은 도 7의 유한요소해석 모델에서 온도 비교를 나타낸 도면,
도 9는 도 7의 유한요소해석 모델에서 가열각도 변화에 따른 교정 대상의 표면 열영향 영역을 나타낸 도면,
도 10은 저Cr강에 대해 가열각도, Heat-up 대비 TIR 변화를 나타낸 도면,
도 11는 고Cr강에 대해 가열각도, Heat-up 대비 TIR 변화를 나타낸 도면,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치를 나타낸 도면이고, 도 5는 저주파 가열기를 나타내는 도면이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치(이하 '벤딩 교정 장치'라 함, 100)는, 고주파 유도 가열을 이용하되, 벤딩 교정이 필요한 교정 대상(예, 로터, 봉강, 샤프트 등)의 가열 각도에 대한 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA) 기법을 통해 교정량 예측 모델을 도출함으로써 교정 대상의 신뢰도를 확보할 수 있다.

이러한 벤딩 교정 장치(100)는 베이스 베드부(base bed)(110), 제1 이동방진구(following rest)(120), 제2 이동방진구(130), 고주파 가열기(high frequency heater)(140), 고주파 가열기 이동부(150), 저주파 가열기(low frequency heater)(160), 회전 구동부(170), 교정 대상 측정부(180), 컨트롤러(controller)(190)를 포함한다.

먼저, 베이스 베드부(110)는 교정 대상(10)의 길이 방향(x 방향)으로 저면에 지지 구조를 형성한다.

제1 이동방진구(120)와 제2 이동방진구(130)는 저면에 평행한 상태로 교정 대상(10)을 거치한다. 이때, 제1 이동방진구(120)와 제2 이동방지구(130)의 상호 간격은 교정 대상(10)의 길이에 대응되어 교정 대상(10)을 거치할 수 있게 조정된다.

그래서, 제1 이동방진구(120)와 제2 이동방진구(130)는 베이스 베드부(110)의 길이 방향(x 방향)을 따라 전후진으로 이동 가능하게 설치된다.

이때, 제1 이동방진구(120)와 제2 이동방진구(130)는 베이스 베드부(110) 상에 형성된 가이드레일 또는 가이드홈을 따라 슬라이딩 방식으로 이동하되, 베이스 베드부(110) 상에 형성된 가이드레일 또는 가이드홈으로부터 이탈 방지되는 구조를 적용한다.

또한, 제1 이동방진구(120)는 교정 대상(10)을 회전 가능하게 지지한다.

이러한 제1 이동방진구(120)는 몸체를 구성하는 제1 방진구 프레임(121), 제1 방진구 프레임(121)에 장착되어 교정 대상(10)을 지지하는 제1 지지부(122), 교정 대상(10)이 회전 가능하게 제1 지지부(122)에 연결되는 제1 롤러(123), 제1 방진구 프레임(121)의 위치를 고정시키는 제1 고정손잡이(124)를 포함한다.

여기서, 제1 지지부(122)는 교정 대상(10)에 의해 가해지는 충격을 완충시키는 구조(예, 스프링, 유압실린더 등)를 구비할 수 있다.

또한, 제1 지지부(122)는 제1 방진구 프레임(121)에 복수 개가 장착될 수 있고, 교정 대상(10)을 수용하기 위해 소정의 틸팅 각도를 형성하여 교정 대상(10)을 중심으로 방사형 구조를 형성한다.

도 2의 경우에, 제1 지지부(122)는 제1 방진구 프레임(121)에 3개가 장착되는 경우를 나타내고, 예를 들어, 135°의 틸팅 각도 이내로 방사형 구조를 형성한다. 즉, 가운데 지지부가 0°라 가정하면, 좌측 지지부는 가운데 지지부의 좌측 방향으로 67.5°의 틸팅 각도를 형성하고, 우측 지지부는 가운데 지지부의 우측 방향으로 67.5°의 틸팅 각도를 형성할 수 있다.

아울러, 제2 이동방진구(130)도 제1 이동방진구(120)와 마찬가지로 교정 대상(10)을 회전 가능하게 지지한다. 이를 위해, 제2 이동방진구(130)는 제2 방진구 프레임(131), 제2 지지부(132), 제2 롤러(133), 제2 고정손잡이(134)를 포함한다. 여기서, 제2 이동방진구(130)는 제1 이동방진구(120)와 동일한 구조이므로, 각 구성요소에 대한 자세한 설명은 제1 이동방진구(120)의 각 구성요소를 준용하기로 한다.

다음으로, 고주파 가열기(140)는 고주파 유도 방식으로 교정 대상(10)의 고주파 교정을 위해 교정 대상(10)의 표면을 가열한다.

이러한 고주파 가열기(140)는 10㎑∼100㎑의 고주파 전류가 흐르는 코일 속에 위치하는 금속 등의 도전체가 전자 유도 작용으로 일어나는 와전류(eddy current) 및 히스테리시스(hysteresis) 손실에 의해 가열되는 고주파 유도 방식을 이용한다. 즉, 고주파 가열기(140)는 고주파 전류가 흐르는 코일 속에 리니어 히팅 코일(linear heating coil)을 위치시켜 1차로 가열하고, 교정 대상(10)의 표면에 리니어 히팅 코일을 접촉시켜 2차로 가열한다.

이러한 고주파 가열기(140)는 교정 대상(10)의 상측에서 교정 대상(10)의 표면을 가열할 수 있도록 고주파 가열기 이동부(150) 상에 설치한다.

이때, 고주파 가열기(140)는 고주파 가열기 이동부(150)에 의해 x, y, z 방향으로 이동 가능하다. 즉, 고주파 가열기(140)의 위치는 교정 대상(10)의 반경에 따라 x, y, z 방향으로 움직이는 고주파 가열기 이동부(150)에 의해 조정될 수 있다. 그리고, 고주파 가열기 이동부(150)는 컨트롤러(190)에 의해 x, y, z 방향으로 움직임이 제어될 수 있다.

이와 같이, 고주파 가열기 이동부(150)는 x, y 및 z 방향을 따라 이동 가능하다. 이는 고주파 가열기(140)가 교정 대상(10)의 길이 및 크기(지름)와 상관없이 고주파 가열기 이동부(150)의 이동 범위 내에서 교정 대상(10)에 대한 고주파 교정을 실시 가능하게 하기 위함이다.

이때, 고주파 가열부 이동부(150)도 제1 이동방진구(120) 및 제2 이동방진구(130)와 마찬가지로, 베이스 베드부(110) 상에 형성된 가이드레일 또는 가이드홈을 따라 슬라이딩 방식으로 이동하되, 베이스 베드부(110) 상에 형성된 가이드레일 또는 가이드홈으로부터 이탈 방지되는 구조를 적용한다.

한편, 저주파 가열기(160)는 고주파 가열기(140)에 의한 고주파 교정 이후에 저주파 유도 방식으로 교정 대상(10)에 대해 저주파 열처리(Stress Relief Annealing, SRA)를 실시한다. 이러한 저주파 가열기(160)는 교정 대상(10)의 고주파 교정을 실시하기 앞서, 교정 대상(10)의 벤딩 교정을 위해 먼저 실시할 수 있다.

즉, 고주파 가열기(140)에 의한 고주파 교정은 소재의 심부까지 열전달이 발생하지 않기 때문에 표면과 심부 사이의 열편차가 크게 발생한다. 이 경우에는 교정 대상(10)에 열편차로 인한 잔류 응력이 나타난다.

그래서, 저주파 가열기(160)는 고주파 가열기(140)에 의한 고주파 교정을 실시한 다음, 교정 대상(10)에 나타나는 잔류 응력을 완화시키기 위한 열처리를 수행한다. 이때, 저주파 가열기(160)는 플렉시블 히팅 코일(flexible heating coil)을 이용하여 교정 대상(10)을 가열한다(도 5 참조). 여기서, 플렉시블 히팅 코일은 교정 대상(10)을 감싼 내화 커버 상에 권선된다.

저주파 가열기(160)는 아래 표 1의 열처리 조건에 따라 동작될 수 있다.

구분	조건
1차 도달온도	550℃
1차 가열속도	50℃/hr
유지시간	1hr
2차 도달온도	660~720℃
2차 가열속도	30℃/hr
유지시간	25㎜ 당 1hr

다음으로, 회전 구동부(170)는 컨트롤러(190)의 제어에 의해 제1 이동방진구(120) 및 제2 이동방진구(130) 상에 탑재된 교정 대상(10)을 시계 또는 반시계 방향으로 소정의 각도 범위 이내에서 회전시킨다.

즉, 회전 구동부(170)는 고주파 가열기(140)의 위치가 고정된 상태에서 교정 대상(10)를 시계 또는 반시계 방향으로 움직여서 교정 대상(10)의 가열 각도를 조정할 수 있게 한다. 이때, 교정 대상(10)의 가열 각도는 교정 대상(10)의 단면 중심축을 기준으로 회전할 때의 각도로서, 교정 대상(10)의 가열 영역과 비례하는 관계를 갖는다.

도 6을 참조하면, 교정 대상(10)은 회전 구동부(170)에 의해 ±20°의 가열 각도가 조정될 수 있다. 그에 따라, 교정 대상(10)은 가열 영역이 결정된다. 도 6은 교정 대상의 회전을 통한 가열 영역 조정을 설명하는 도면이다.

교정 대상(10)은 회전 구동부(170)에 의해 회전하지 않는다면 도 6의 (a)와 같이 가열 영역이 특정 영역으로 국한되지만, 회전 구동부(170)에 의해 회전(가열각도 ±20°)한다면 도 6의 (b)와 같이 가열 영역이 특정 영역으로 국한되지 않고 가열과 냉각이 반복되는 효과를 기대할 수 있다. 이에 따라, 교정 대상(10)은 회전을 통한 가열 냉각의 반복 작용으로 표면 파손을 최소화시킬 수 있다.

다음으로, 교정 대상 측정부(180)는 교정 대상(10)에 대한 고주파 교정을 실시함에 따라 교정 대상(10)의 가열부위가 상승되는 정도를 나타내는 히트업(Heat-up)과 가열 및 냉각을 통해 최종적으로 변형되는 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout)을 측정한다.

이때, 교정 대상 측정부(180)는 교정 대상(10)의 가열부위 반대편에서 Heat-up을 측정하고, 교정 대상(10)의 길이 방향을 따라 소정의 간격으로 이격된 복수의 지점 마다 TIR을 측정한다(후술할 도 7 참조).

이러한 교정 대상 측정부(180)는 Heat-up과 TIR을 각각 측정하는 개별 구성으로 구현하거나, 하나의 구성을 이루는 통합 구성으로 구현할 수 있다.

다음으로, 컨트롤러(190)는 적어도 하나 이상의 프로세서(191)에 의해 메모리(192)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들을 실행할 때, 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법을 수행할 수 있다.

여기서, 프로세서(191)는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 호칭될 수 있다. 그리고, 프로세서(191)는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다.

또한, 메모리(192)는 하나의 저장 장치일 수 있거나, 또는 복수의 저장 엘리먼트의 집합적인 용어일 수 있다. 메모리(192)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들은 실행가능한 프로그램 코드 또는 파라미터, 데이터 등일 수 있다. 그리고, 메모리(192)는 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있거나, 또는 자기 디스크 저장장치 또는 플래시(flash) 메모리와 같은 NVRAM(Non-Volatile Memory)을 포함할 수 있다.

그리고, 컨트롤러(190)는 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법을 수행함에 있어서, 회전 구동부(170), 고주파 가열기(140), 고주파 가열기 이동부(150)를 제어하고, 교정 대상 측정부(180)를 통해 교정 대상(10)의 Heat-up 및 TIR을 확인한다. 이때, 컨트롤러(190)는 벤딩 교정 방법을 수행하는 과정을 확인 및 처리하기 위한 입출력 장치(디스플레이, 키보드 등)(미도시)와 연결되어 있다.

특히, 컨트롤러(190)는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법을 수행하기 위해 교정 대상(10)의 가열 각도에 대한 유한요소해석 기법을 통해 도출된 교정량 예측 모델을 메모리(192)에 저장한다.

이하, 후술할 도 7 내지 도 11을 참고하여 교정량 예측 모델을 도출하는 과정을 설명하기로 한다.

도 7은 유한요소해석 모델을 나타낸 도면이고, 도 8은 도 7의 유한요소해석 모델에서 온도 비교를 나타낸 도면이며, 도 9는 도 7의 유한요소해석 모델에서 가열각도 변화에 따른 교정 대상의 표면 열영향 영역을 나타낸 도면이고, 도 10은 저Cr강에 대해 가열각도, Heat-up 대비 TIR 변화를 나타낸 도면이고, 도 11는 고Cr강에 대해 가열각도, Heat-up 대비 TIR 변화를 나타낸 도면이다.

교정량 예측 모델은 교정 대상(10)의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델을 분석한 다음 수식 형태로 도출한다.

먼저, 도 7 내지 도 9를 참조하면, 유한요소해석 모델 분석은 가열각도에 따른 온도 변화에 대한 분석 과정과 가열각도에 따른 표면 열변화에 대한 분석 과정이 포함된다.

다음으로, 교정량 예측 모델은 교정 대상(10)의 재료별로 가열각도에 따라 교정 대상(10)에서 발생하는 변형량(즉, Heat-up 대비 TIR 변화)에 대한 상관관계를 분석하여 수식 형태로 도출한다.

여기서, 교정 대상(10)은 부분 가열시 열팽창에 의한 인장으로 가열부위가 상승하고, 냉각되면서 잔류 응력에 의한 벤딩으로 해당 부위에 변형이 발생한다. 이때, TIR은 교정 대상(10)의 교정 정도를 나타내는 교정량에 해당된다. 또한, 교정 대상(10)은 로터 등에 주로 사용되는 저Cr강, 고Cr강의 재료를 구분한다.

도 10을 참조하면, 교정 대상(10)의 재료가 저Cr강인 경우에서 교정량 예측 모델은 가열각도 20°, 25°, 30°에 따라 교정 대상(10)에 발생하는 Heat-up 대비 TIR 변화에 대한 상관관계를 분석하여 아래 수학식 1 및 2와 같이 도출된다.

도 11을 참조하면, 교정 대상(10)의 재료가 고Cr강인 경우에서 교정량 예측 모델은 가열각도 20°, 25°, 30°에 따라 교정 대상(10)에 발생하는 Heat-up 대비 TIR 변화에 대한 상관관계를 분석하여 아래 수학식 3 및 4와 같이 도출된다.

여기서, 수학식 1 및 3은 가열각도, Heat-up 및 TIR에 대한 상관관계를 나타내고, 수학식 2 및 4는 가열각도 및 HEATING-TIME(가열시간)에 대한 상관관계를 나타낸다.

이에 따라, 컨트롤러(190)는 전술한 바와 같이 교정량 예측 모델을 이용하여 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법을 수행한다.

먼저, 컨트롤러(190)는 강종(저Cr강 또는 고Cr강), 소재직경, 교정량(TIR), 가열각도(20°, 25°, 30°)를 교정량 예측 모델에 적용하면, 원하는 교정량(TIR)에 맞게 가열각도에 따른 예측 교정 조건(Heat-up 및 HEATING-TIEM)을 도출할 수 있다.

그리고, 컨트롤러(190)는 원하는 교정량(TIR)에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건(Heat-up, HEATING-TIME)에 따라 회전 구동부(170) 및 고주파 가열기(140)를 제어한다.

여기서, 컨트롤러(190)는 고주파 교정을 수행함에 있어서, 저Cr강인 경우 TIR이 0.4㎜ 이상이면 2회 교정을 수행하고, 고Cr강인 경우 TIR이 0.3㎜ 이상이면 2회 교정을 수행한다.

또한, 컨트롤러(190)는 교정 대상(10)의 손상을 방지하기 위해 600℃ 이하로 가열 및 고주파 교정을 실시하도록 고주파 가열기(140)를 제어한다. 이때, 컨트롤러(190)는 고주파 교정을 위해 고주파 가열기(140)를 제어한 다음, 교정 대상(10)에 대한 열처리 과정(SRA)을 실시하도록 저주파 가열기(160)를 제어한다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법을 나타낸 도면이다.

벤딩 교정 장치(100)는 교정전 교정 대상(10)의 TIR을 측정한 후(S201), 고주파 교정을 실시하기 앞서 교정 대상(10)에 대해 저주파 교정(1차 벤딩 교정)을 실시한다(S202). 이때, 벤딩 교정 장치(100)는 상기 표 1의 열처리 조건에 따라 저주파 교정을 실시한다.

이후, 벤딩 교정 장치(100)는 교정 대상(10)의 TIR을 다시 측정한 후(S203), TIR이 미리 설정된 임계값 이상이면 고주파 교정(2차 벤딩 교정)을 실시한다(S204, S205). 이때, 벤딩 교정 장치(100)는 강종(저Cr강 또는 고Cr강), 소재직경, 교정량(TIR), 가열각도(20°, 25°, 30°)를 교정량 예측 모델에 적용하면, 가열각도에 따라 Heat-up 및 HEATING-TIEM(가열시간)을 예측할 수 있다. 그리고, 벤딩 교정 장치(100)는 원하는 교정량(TIR)을 얻기 위해 예측 결과(Heat-up, HEATING-TIME)에 따라 고주파 교정을 수행한다.

이후, 벤딩 교정 장치(100)는 고주파 교정을 실시한 다음(S205), 교정 대상(10)에 나타나는 잔류 응력을 완화시키기 위한 저주파 열처리(SRA 진행)를 수행한다(S206).

한편, 벤딩 교정 장치(100)는 교정 대상(10)의 TIR에 대한 재측정을 통해 TIR이 임계값 미만이면(S203, S204), 벤딩 교정을 종료한다.

일부 실시 예에 의한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.

10 ; 교정 대상 110 ; 베이스 베드부
120 ; 제1 이동방진구 121 ; 제1 방진구 프레임
122 ; 제1 지지부 123 ; 제1 롤러
124 ; 제1 고정손잡이 130 ; 제2 이동방진구
131 ; 제1 방진구 프레임 132 ; 제1 지지부
133 ; 제1 롤러 134 ; 제1 고정손잡이
140 ; 고주파 가열기 150 ; 고주파 가열기 이동부
160 ; 저주파 가열기 170 ; 회전 구동부
180 ; 교정 대상 측정부 190 ; 컨트롤러
191 ; 프로세서 192 ; 메모리

Claims (21)

1. 교정 대상(10)의 길이에 대응되게 상호 간격을 형성하면서 저면에 평행한 상태로 회전 가능하게 거치 및 지지하기 위한 제1 및 제2 이동방진구(120,130);
   상기 교정 대상을 고주파 유도 방식으로 가열하여 고주파 교정을 실시하기 위한 고주파 가열기(140);
   상기 교정 대상의 가열각도 조정을 위해 상기 교정 대상을 회전시키기 위한 회전 구동부(170); 및
   상기 교정 대상의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델 분석 기반의 교정량 예측 모델을 통해 원하는 교정량에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건을 도출하여 상기 고주파 가열기 및 상기 회전 구동부를 제어하기 위한 컨트롤러(190);
   를 포함하는 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 교정량 예측 모델은,
   상기 교정 대상의 재료별로 가열각도에 따라 상기 교정 대상에서 발생하는 변형량에 대한 상관관계를 분석하여 수식 형태로 도출하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 변형량은,
   상기 교정 대상의 가열부위가 상승되는 정보를 나타내는 히트업(Heat-up) 대비 가열 및 냉각을 통해 최종적으로 변형되는 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout) 변화를 나타나는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 교정 대상의 강종은,
   저Cr강 또는 고Cr강으로 구분되는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 교정량 예측 모델은,
   상기 교정 대상의 강종이 저Cr강인 경우,
   수학식

   

   와 수학식

   

   
   를 만족하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 교정량 예측 모델은,
   상기 교정 대상의 강종이 고Cr강인 경우,
   수학식

   

   와 수학식

   

   
   를 만족하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 컨트롤러는,
   상기 교정 대상의 강종, 상기 교정량, 상기 교정 대상의 가열각도를 상기 교정량 예측 모델에 적용하여 상기 예측 교정 조건을 도출하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 에측 교정 조건은,
   상기 교정량 예측 모델의 수학식을 통해 도출되는 히트업(Heat-up) 및 가열시간(HEATING-TIME)인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 교정량은, 상기 교정량 예측 모델의 수학식에 포함된 TIR에 해당하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 교정 대상에 대한 열처리 과정(Stress Relief Annealing, SRA)을 실시하기 위한 저주파 가열기(160);를 더 포함하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 고주파 가열기에 의한 고주파 교정을 실시한 다음, 상기 교정 대상에 나타나는 잔류 응력 완화를 위해 상기 저주파 가열기를 제어하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 저주파 가열기는,
    상기 교정 대상을 감싼 내화 커버 상에 권선된 플렉시블 히팅 코일을 이용하여 상기 교정 대상을 가열하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 교정 대상의 길이 방향으로 저면에 지지 구조를 형성하기 위한 베이스 베드부(110);
    를 더 포함하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
    
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 교정 대상의 TIR 및 히트업(Heat-up)을 측정하기 위한 교정 대상 측정부(180);를 더 포함하되,
    상기 컨트롤러는,
    상기 교정 대상의 TIR이 미리 설정된 임계값 이상인 경우에 상기 고주파 교정을 수행하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 장치.
    
15. 교정 대상의 변형 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout)이 미리 설정된 임계값과 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 따라 상기 교정 대상의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델 분석 기반의 교정량 예측 모델을 통해 원하는 교정량에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건을 도출하는 단계; 및
    상기 예측 교정 조건에 따라 상기 교정 대상을 고주파 유도 방식으로 가열하여 고주파 교정을 실시하되, 상기 교정 대상의 가열각도 조정을 위해 상기 교정 대상을 회전시키는 단계;
    를 포함하는 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법.
    
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 교정량 예측 모델은,
    상기 교정 대상의 재료별로 가열각도에 따라 상기 교정 대상에서 발생하는 변형량에 대한 상관관계를 분석하여 수식 형태로 도출하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법.
    
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 변형량은,
    상기 교정 대상의 가열부위가 상승되는 정보를 나타내는 히트업(Heat-up) 대비 가열 및 냉각을 통해 최종적으로 변형되는 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout) 변화를 나타나는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법.
    
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 교정 대상의 강종은,
    저Cr강 또는 고Cr강으로 구분되는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 교정량 예측 모델은,
    상기 교정 대상의 강종이 저Cr강인 경우,
    수학식

    

    와 수학식

    

    
    를 만족하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법.
    
20. 제 18 항에 있어서,
    상기 교정량 예측 모델은,
    상기 교정 대상의 강종이 고Cr강인 경우,
    수학식

    

    와 수학식

    

    
    를 만족하는 것인 고주파 유도 가열을 이용한 벤딩 교정 방법.
    
21. 벤딩 교정 장치로서,
    적어도 하나 이상의 프로세서; 및
    컴퓨터 판독 가능한 명령들을 저장하기 위한 메모리;를 포함하며,
    상기 명령들은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 벤딩 교정 장치로 하여금,
    교정 대상의 변형 정도를 나타내는 TIR(Total Indicator Runout)이 미리 설정된 임계값과 비교하게 하고,
    상기 비교 결과에 따라 상기 교정 대상의 가열각도에 따른 유한요소해석 모델 분석 기반의 교정량 예측 모델을 통해 원하는 교정량에 맞게 고주파 교정을 수행하도록 예측 교정 조건을 도출하게 하며,
    상기 예측 교정 조건에 따라 상기 교정 대상을 고주파 유도 방식으로 가열하여 고주파 교정을 실시하되, 상기 교정 대상의 가열각도 조정을 위해 상기 교정 대상을 회전시키게 하는 것인 벤딩 교정 장치.
    

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