KR100966542B1 - 변형을 방지하기 위한 고온용 슬래그 폿의 운용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬래그 폿의 변형이 일어나는 조건을 해석을 통해 확인한 후, 슬래그 폿의 사용 중에 온도를 측정하여 변형이 일어나는 조건에 가까워지면 슬래그 폿의 사용을 중지하여 슬래그 폿의 사용 수명을 연장할 수 있는 슬래그 폿의 운용방법에 관한 것으로,

본 발명은, 자동화 시스템에 의해 슬래그 폿을 운용하는 방법에 있어서, 슬래그 폿의 온도분포 해석을 통해 상기 슬래그 폿의 변형이 일어나는 온도를 예측하고, 상기 예측된 온도를 기준온도로 설정하는 제1단계; 상기 슬래그 폿의 사용 중에 상기 슬래그 폿의 온도를 측정하는 제2단계; 및 상기 측정된 슬래그 폿의 온도를 상기 설정된 기준온도와 비교하여, 상기 슬래그 폿의 측정 온도가 상기 기준온도 이하이면 계속적으로 사용하기 위해 상기 슬래그 폿을 이동시키고, 상기 슬래그 폿의 측정온도가 상기 기준온도 이상이면 상기 슬래그 폿의 이동을 정지시켜 냉각시킨 후 상기 제2단계를 반복하는 제3단계를 포함하되, 상기 제1단계에서 온도분포 해석은 상변태를 반영하여 열전달 해석과 열탄소성 응력 해석을 수행하여, 온도, 응력, 변형, 변위, 상 정보들을 획득하는 것을 특징으로 한다.

슬래그, 폿, 온도, 변위, 변형, 운용, 제어, 변태, 측정

Description

변형을 방지하기 위한 고온용 슬래그 폿의 운용 방법{Operation method for slag pot with high temperature to prevent deformation}

도1은 본 발명에 따른 슬래그 폿의 운용방법에 대한 처리 흐름도.

도2는 본 발명에 따른 슬레그 폿의 온도분포 해석 흐름도.

본 발명은 고온용 슬래그를 담는 슬래그 폿의 운용방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고온용 슬래그를 운반하는 과정에서 슬래그 폿이 고온 열에 의해 변형되는 것을 방지하여 슬래그 폿의 사용 수명을 연장하기 위한 슬래그 폿의 운용방법에 관한 것이다.

일반적으로 슬래그 폿은 자동화 시스템의 제어를 받아 고온의 슬래그를 장입하고 배출하는 것을 반복하는 곳으로, 이러한 슬래그 폿이 고온에 노출되는 시간이 경과함에 따라 변형이 발생된다. 일반적으로 고온에서 사용하는 슬래그 폿은 일정 온도 이상이 되면 급격하게 변형되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 장시간의 고온 노출에 의해 슬래그 폿이 변형되면 더 이상 사용이 불가능하여 폐기할 수밖에 없다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하여, 슬래그 폿의 변형이 일어나는 조건을 해석을 통해 확인한 후, 슬래그 폿의 사용 중에 온도를 측정하여 변형이 일어나는 조건에 가까워지면 슬래그 폿의 사용을 중지하여 슬래그 폿의 사용 수명을 연장할 수 있는 슬래그 폿의 운용방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 자동화 시스템에 의해 슬래그 폿을 운용하는 방법에 있어서, 슬래그 폿의 온도분포 해석을 통해 상기 슬래그 폿의 변형이 일어나는 온도를 예측하고, 상기 예측된 온도를 기준온도로 설정하는 제1단계; 상기 슬래그 폿의 사용 중에 상기 슬래그 폿의 온도를 측정하는 제2단계; 및 상기 측정된 슬래그 폿의 온도를 상기 설정된 기준온도와 비교하여, 상기 슬래그 폿의 측정 온도가 상기 기준온도 이하이면 계속적으로 사용하기 위해 상기 슬래그 폿을 이동시키고, 상기 슬래그 폿의 측정온도가 상기 기준온도 이상이면 상기 슬래그 폿의 이동을 정지시켜 냉각시킨 후 상기 제2단계를 반복하는 제3단계를 포함하되, 상기 제1단계에서 온도분포 해석은 상변태를 반영하여 열전달 해석과 열탄소성 응력 해석을 수행하여, 온도, 응력, 변형, 변위, 상 정보들을 획득하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 슬래그 폿의 운용을 제어하는 자동화 시스템에서, 상변태를 반영하여 열전달 해석과 열탄소성 응력 해석을 통해, 온도, 응력, 변형, 변위, 상 정보들을 획득하여, 상기 슬래그 폿의 변형이 일어나는 온도를 예측하고, 상기 예측된 온도를 기준온도로 설정하는 제1단계; 상기 슬래그 폿의 사용 중에 상기 슬래그 폿의 온도를 측정하는 제2단계; 및 상기 측정된 슬래그 폿의 온도를 상기 설정된 기준온도와 비교하여, 상기 슬래그 폿의 측정 온도가 상기 기준온도 이하이면 계속적으로 사용하기 위해 상기 슬래그 폿을 이동시키고, 상기 슬래그 폿의 측정온도가 상기 기준온도 이상이면 상기 슬래그 폿의 이동을 정지시켜 냉각시킨 후 상기 제2단계를 반복하는 제3단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 전체 흐름도로서, 먼저 슬래그 폿의 변형이 일어나는 조건을 알기 위해 슬래그 폿의 온도 분포와 변형 해석을 수행한다(101). 이때, 실제 가동하는 상황과 같은 조건에서 슬래그 폿의 온도분포 해석을 수행한다.

도2는 이와 같은 슬래그 폿의 온도분포 해석 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 좌표, 타임 증가분, 슬래그 폿의 물성 등의 초기 데이터를 입력받는다(201). 이후, 해석 수행을 위한 시간과 응력 값 등을 초기화하고(202), 해석 수행 타임을 증가분만큼 증가시킨다(203).

이후 상(phase) 변태(transform)를 반영할 것인지를 확인하여(204), 상변태를 반영하기를 원하는 상을 해석하여(205), 온도에 따른 물리적 성질(열전도율, 비열, 밀도)을 획득한다(206).

재료의 가공이나 열처리가 상변화 온도보다 높은 온도에서 행해질 경우 냉각 중 상변태를 일으키며, 이때 상변태에 의한 잠열을 흡수 또는 방출하게 된다. 이는 재료가 각 상에서 가지는 열용량이 다르기 때문에 생기는 현상으로 열 용량이 큰 상에서 열 용량이 적은 상으로 변화할 때에는 열을 방출하며, 그 반대의 과정에서는 열을 흡수하게 된다. 이와 같이 상 변화에 의하여 생기는 열 방출 또는 열 흡수는 재료의 온도를 변화시키며, 금속의 용해, 응고, 용접, 열처리 등 다양한 분야에서 발생된다. 상변화를 포함하는 열전달 해석에서 상변화가 발생되는 동안 열 흡수나 방출을 고려하여 온도를 계산하는 방법으로는 유효 열용량을 이용하는 방법, 엔탈피법 및 열원법이 있다. 이 중 본 발명에서는 엔탈피법을 이용하여 열용량을 구한다. 이와 같은 과정을 통해 구해진 열용량 등의 정보는 열 전달 해석을 수행할 때 반영된다.

상 해석을 통해 얻어진 정보를 반영하여 열 전달 해석을 수행하는데(207), 이를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

물체의 열은 항상 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되며, 물체 내에 온도 차이가 있으면 열 이동이 생긴다. 과도 열전달 과정에서 이러한 현상을 묘사 하는 기본적인 식은 Fourier의 열전도 방정식으로, 이는 온도 해석에 널리 사용되고 있다. 그리고 열전도 방정식을 이용해 전체 좌표계에 대한 유한요소 방정식을 구하고, 상기 유한요소 방정식을 Gauss 소거법으로 풀면 각 절점에서 온도를 구할 수 있다. 이와 같은 과정을 통해 열전달 해석을 수행하며, 이의 구체적인 수학식은 통상적으로 알 수 있는 것으로, 여기서는 생략하기로 한다.

이와 같은 과정을 통해 열 전달 해석을 수행한 후, 다시 상 변태를 반영할 것인지를 확인한다(208). 상 변태를 반영하는 경우에는 상 해석을 통해 온도에 따른 기계적 성질(선팽창 계수, 프와송비, 영율, 항복응력)을 획득하고, 이를 열 탄소성 응력 해석에 반영한다(209).

강을 냉각시킬 때 열팽창에 의한 수축뿐만 아니라 상변태가 일어나면 부피가 급작스럽게 바뀐다. 이는 고온에서 조직이 오스테나이트에서 페라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트로 바뀌기 때문이다. 오스테나이트는 면심입방격자로 단위 셀내에 원자수가 4개이고 만약 이것이 페라이트로 변태되면 체심입방격자로 되어 단위 셀내의 원자수가 2개로 바뀐다. 물론 이때 격자상수도 바뀌게 되는데, 일반적으로 단위 셀내의 원자수가 감소함으로 부피가 커진다. 이러한 부피의 팽창은 변태의 종류에 따라 다르며, 저온 변태가 고온 변태에 비하여 팽창이 크게 된다. 즉, 냉각시에 변태에 의한 팽창은 열팽창 계수에 의한 변화에 비하여 매우 크고 짧은 온도 구간에서 발생하기 때문에 응력의 변화에 미치는 영향도 매우 크다. 따라서, 상변태를 고려한 열탄소성 응력 해석에서는 이러한 변태에 의한 영향을 반드시 고려하여야 한다.

열탄소성 응력 해석에서는 이와 같은 상 변태를 반영하여 해석을 수행하는 데, 이의 구체적인 방법은 다음과 같다(210).

어떤 재료가 외력을 받거나 자체의 내부응력이 생기게 되면 물체내의 점의 상대위치가 변하는 변형을 한다. 열탄소성 변형은 열적-역학적인 하중에 의하여 발생되는 열변형, 탄성변형 및 소성변형을 포함하게 된다. 이를 해석하기 위해서는 온도에 따른 재료의 기계적인 성질변화, 금속학적인 거동을 고려한 탄소성 변형 해석이 요구된다. 소성변형 동안 재료의 거동 응력과 변형률 사이의 관계는 선형이 아니므로, 재료의 강성은 상수로 취급될 수 없다. 응력-변형율을 설명하는 적절한 구성방정식은 수치적 반복법에 의해 구하는 경우와 작은 응력 변형률 증분 내에서 구간별 선형관계를 가정하여 구하는 방법이 있다. 후자의 경우는 증분소성법이라고 하는데, 이 접근법은 계산이 상대적으로 단순하기 때문에 본 발명에서도 채택하였다.

이상과 같은 과정을 통해 열전달 해석과 열탄소성 응력 해석을 수행함으로써, 변형이 발생되는 기준온도, 응력, 변형, 변위, 상 등의 정보를 얻을 수 있다(211). 이후 타임을 증가분만큼 증가시키면서 계속적으로 해석을 수행한 후, 설정된 타임이 되면 해석을 종료한다(212).

이상과 같은 과정을 통해 슬래그 폿의 온도와 변위를 알 수 있고, 급격하게 변위가 일어나는 시점에 있어서의 온도를 알 수 있다. 상기 변위가 일어나는 시점의 온도보다 일정치 낮은 온도로 기준 온도를 설정한다.

이후, 실제적인 조업 과정에서 슬래그 폿의 지정된 부분에 대한 온도를 실측한다(102). 여기서 슬래그 폿의 온도는 적외선 복사율을 이용한 비접촉식 복사 온 도계를 사용하나, 필요에 따라서는 광섬유를 이용한 온도 측정기를 사용할 수 있다. 일반적으로 비접촉식 복사 온도계는 광원 또는 발열체에서 방출되는 열복사선의 세기를 광검출기를 이용해 측정하여 온도로 환산하는 것으로, 제철소의 쇳물이나 이동하는 고온의 슬라브, 열연강판과 같이 접촉이 곤란한 개소에 주로 사용된다.

슬래그 폿에 대한 실측이 완료되어 온도가 검출되면, 자동화시스템의 제어부는 상기 해석을 통해 설정한 기준온도와 상기 실측한 슬래그 폿의 온도를 비교하여(103), 측정온도가 기준온도 이하이면 계속적으로 사용하기 위해 슬래그 폿을 이동시키고, 측정온도가 기준온도 이상이면 슬래그 폿을 냉각시키기 위해 사용을 중단시킨다(104). 이렇게 일정 시간 공중에 방치한 상태에서 슬래그 폿의 온도를 재측정하여, 기준온도와 다시 비교한다.

이상에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 슬래그 폿의 변형이 일어나는 온도를 해석을 통해 획득하여 기준온도를 설정하여, 항상 슬래그 폿의 온도가 기준온도 이하가 되도록 제어함으로써, 슬래그 폿의 사용 기간을 연장할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 자동화 시스템에 의해 슬래그 폿을 운용하는 방법에 있어서,

   슬래그 폿의 온도분포 해석을 통해 상기 슬래그 폿의 변형이 일어나는 온도를 예측하고, 상기 예측된 온도를 기준온도로 설정하는 제1단계;

   상기 슬래그 폿의 사용 중에 상기 슬래그 폿의 온도를 측정하는 제2단계; 및

   상기 측정된 슬래그 폿의 온도를 상기 설정된 기준온도와 비교하여, 상기 슬래그 폿의 측정 온도가 상기 기준온도 이하이면 계속적으로 사용하기 위해 상기 슬래그 폿을 이동시키고, 상기 슬래그 폿의 측정온도가 상기 기준온도 이상이면 상기 슬래그 폿의 이동을 정지시켜 냉각시킨 후 상기 제2단계를 반복하는 제3단계를 포함하되,

   상기 제1단계에서 온도분포 해석은 상변태를 반영하여 열전달 해석과 열탄소성 응력 해석을 수행하여, 온도, 응력, 변형, 변위, 상 정보들을 획득하는 것을 특징으로 하는 슬래그 폿의 운용방법.
2. 삭제
3. 슬래그 폿의 운용을 제어하는 자동화 시스템에서,

   상변태를 반영하여 열전달 해석과 열탄소성 응력 해석을 통해, 온도, 응력, 변형, 변위, 상 정보들을 획득하여, 상기 슬래그 폿의 변형이 일어나는 온도를 예측하고, 상기 예측된 온도를 기준온도로 설정하는 제1단계;

   상기 슬래그 폿의 사용 중에 상기 슬래그 폿의 온도를 측정하는 제2단계; 및

   상기 측정된 슬래그 폿의 온도를 상기 설정된 기준온도와 비교하여, 상기 슬래그 폿의 측정 온도가 상기 기준온도 이하이면 계속적으로 사용하기 위해 상기 슬래그 폿을 이동시키고, 상기 슬래그 폿의 측정온도가 상기 기준온도 이상이면 상기 슬래그 폿의 이동을 정지시켜 냉각시킨 후 상기 제2단계를 반복하는 제3단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

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