KR100761575B1 - 금속의 연속 주조 중 롤러 손상 및 오정렬 감지 방법 및장치 - Google Patents

Abstract

금속의 라인 상의 연속 주조중 롤러 불규칙성을 감지하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,

1) 시간에 대한 몰드 수준의 변화를 연속적으로 감시하고,

2) 시간 대 몰드 수준 함수에 영향을 미치는 큰 주기적 영향 요소 및 그 주파수를 식별하며,

3) 주조 과정의 정상 동작을 바탕으로 예측된 주파수 고조파에 단계 2)의 주기적 영향요소의 주파수를 비교하고, 그리고 롤러 반응의 불규칙성을 나타내는 예측된 주파수 특성과 실제 주파수 특성을 비교함으로서 강조하는,

이상의 단계를 포함한다.

Description

금속의 연속 주조 중 롤러 손상 및 오정렬 감지 방법 및 장치{DETECTION OF ROLLER DAMAGE AND/OR MISALIGNMENT IN CONTINUOUS CASTING OF METALS}

본 발명은 금속의 연속 주조와, 라인 상의 손상이나 롤러 오작동을 감지하는 것에 관한 것이다.

연속 주조 공정은 금속 처리 산업에 잘 알려져 있다. 기본적으로, 이 공정은 용융 금속을 수용하기 위한 고도의 몰드(mould)를 이용하는 과정을 포함하고, 이때 주조 스트랜드(cast strand)가 나타나는 그 하부 단부에 몰드의 유출구가 위치하며, 몰드는 수직 위치로부터 수평 위치로 롤러 컨베이어에 의해 운반된다. 하지만, 일부 기계들은 완전히 수직일 수도 있다. 롤러 컨베이어에서 금속 스트랜드를 냉각시키기 위해 롤러 컨베이어가 사용될 수도 있다. 롤러 컨베이어는 주조 스트랜드의 두께와 깊이를 규정하는 거리 세트로 쌍으로 배열되는 다수의 롤러를 포함한다. 이 과정은 컨베이어를 통해 이동하는 다량의 주조 금속을 고온에서 몇주일동안 연속으로 지속될 수 있고, 따라서 롤러 손상, 롤러 마모, 또는 시작 위치로부터 롤러의 움직임 가능성이 크다.

롤러의 직경, 곡률, 선형성, 편심률, 정렬도의 어떤 변화, 또는 지지 베어링의 고장 등은 롤러쌍 사이의 세트 거리에 변화를 일으키고, 부분적으로 용융된 주 조 스트랜드 두께 변화를 궁극적으로 유발한다. 롤러쌍간 이러한 거리 변화는 주조 스트랜드를 조이거나 팽창시켜서 몰드 수준에 비틀림을 일으킬 수 있고, 그 결과, 응고 초기점에 형성되는 최종 프로덕트에 표면 결함을 발생시킬 수 있다. 주조 스트랜드의 액체 금속에서의 간헐적인 조임 및 팽창의 펌핑 효과가 스트랜드 중앙에 편석, 내부 크래킹, 그리고 다공성 문제를 유발할 수도 있다.

따라서, 주조동안과 주조 사이에서 롤러 형태 및 롤러 정렬의 연속성을 유지하고 롤러 상태를 감시하는 것이 바람직하다. 연속 주조 머신의 롤러 내 불규칙성을 감지하기 위한 기존 방법은, 더미 바에 부착되어 오프-라인이나 주조 시작점에 있을 때 머신을 통해 전달되는, 센서 헤드의 이용을 바탕으로 한다. 이 센서들은 롤러 형태 및 배열에 관한 정보를 제공하기 위해 롤러 표면에 접촉된다. 이 방법들을 실행하기 위한 이러한 방법 및 장치의 예는 기존 공개 특허 및 특허출원 GB 2 097 125A, US 4 344 232, US 4 361 962, US 3 983 631, 그리고 US 3,962,794 의 내용에서 이미 공지되어 있다.

종래 공개 방법 및 장치의 단점은 주조 머신이 라인 바깥(오프-라인)의 저온에서 위 방법이 실행된다는 것이다. 이는 주조 공정의 시간 효율을 크게 저하시키고 따라서 총비용을 증가시킨다. 추가적으로, 롤러 문제는 오프라인으로 감지될 수 없는 고온에서의 비틀림이나 고온에서 롤러에 입자가 들러붙는 등의 효과로 인하여 롤러 문제가 자주 발생한다. 한 시퀀스의 길이가 주단위 수준으로 증가하면, 하나의 시퀀스동안의 정보에 대한 필요성이 보다 중요해진다.

본 발명은 이 문제들을 완화하는 방법을 제시한다. 본 발명에 따라, 아래의 과정으로 이루어지는 온라인 연속 주조 중 롤러 불규칙성을 감지하기 위한 방법이 제공된다. 즉,

1) 시간에 대하여 몰드 수준의 변화를 연속적으로 감지하고,

2) 시간 함수 대 몰드 수준에 영향을 크게 미치는 주기적 요소를, 그리고 그 주파수를 식별하며,

3) 단계 2)의 주기적 영향요소의 주파수를 주조 공정의 정상 동작에 바탕한 예측된 주파수 고조파와 비교하고, 그리고 롤러 반응의 불규칙성을 나타내는 예측된, 그리고 실제의 주파수 특성 비교에 의해 강조표시하는,

이상의 과정으로 이루어진다.

단계 2의 주기적 영향요소를 식별하기 위한 선호되는 수단은 수학적 변환, 특히 퓨리에 변환, 가장 바람직한 것은 고속 퓨리에 변환을 적용하는 것이다. 이 변환은 복잡한 몰드 신호를 분리하여, 배경 잡음을 구분함으로서 신호의 주기적 영향요소를 강조할 수 있고, 따라서 손상되거나 오정렬된 롤러의 비대칭 동작으로 인해 주기적이면서도 예기치 못한 영향을 더 쉽게 식별할 수 있게 한다.

시간 대 몰드 수준의 그래프에 의해 생성되는 함수를 수학적으로 분석하면, 롤러의 동작과 상관될 수 있는 주파수의 주기적 영향요소를 알 수 있다는 것을 발명자들이 발견하였다. 특정 주파수에서 변환된 신호의 진폭 증가는 롤러 반응의 불규칙성을 나타내며, 주조 머신이 지닌 손상, 오정렬, 또는 그 외 다른 문제에 기인한다. 예를 들어, 회전 대칭에 영향을 미치도록 그 원주 위 한 점에서 손상된 곳이 있는 롤러는 이 롤러와 그 쌍 사이를 지나는 스트랜드 폭에 주기적 변화를 부여할 것이다. 이 주기적 영향요소는 이 방법의 단계 2)에서 발생한 변환으로 강조될 것이다.

샘플링된 주기에 대해 특정 주조 속도에서 특정 롤러에 대한 고조파의 예측된 주파수는 단순한 공식으로부터 계산할 수 있다. 고조파 주파수에서 변환된 신호의 상당한 진폭 증가는 상기 고조파를 발생시키는 롤러가 지닌 손상 종류나 그 외 다른 문제점을 표시할 수 있다.

통상적으로 주조 머신 상의 롤러 직경과 롤러 피치는 냉각에 따른 금속 성질 변화를 설명하기 위해 머신 길이를 따라 여러 점에서 서로 다르도록 설계된다. 롤러는 주조 머신의 특정 세그먼트 사이에서 비슷한 크기와 피치를 가지는 그룹으로 형성된다. 따라서, 롤러 문제점 발생을 식별함과 동시에, 이 방법은 공지된 크기 및 피치의 식별가능한 롤러 그룹 내에서 문제 롤러의 위치를 지정할 수 있다.

특정 직경의 롤러와 관련된 예측된 고조파 주파수는 간단한 방정식으로부터 계산할 수 있다.

f_d = V_c/(πd)

이때, f_d는 고조파의 주파수(Hz)이고, v_c는 주조 속도(m/s), d는 롤러 직경(m)이다.

앞서 방정식으로부터 결정되는 기본 주파수의 배수로 특정 직경에 관련된 고조파 주파수들이 나타날 것임이 관측되었다. 예를 들어, 롤이 감기면, 주파수는 예 측한 값의 두 배나 네 배가 된다.

마찬가지로, 롤러 중심간 특정 피치와 관련된 고조파 주파수도 간단한 방정식으로부터 계산될 수 있다.

f_p = V_c/p

이때 f_p는 고조파 주파수(Hz)이고, v_c는 주조 속도(m/s), p는 롤러 피치(m)이다.

앞서 언급한 공식의 정확도가 연속 주조 속도에 의존하기 때문에, 주조 속도를 감시하는 것이 바람직하다. 이 방법을 구현하기 위해 사용되는 장치는 주조 속도 변화를 시스템 사용자에게 알리기 위해 경보기를 포함할 수 있다. 부가적으로 장치는 롤러 성질의 추정치를 제공하기 위해 일정 속도의 주기로부터 보간을 할 수 있다.

이 방법은 몰드 수준 센서로부터 데이터를 입력 몰드 수준으로 수신하는 컴퓨터 프로그램에 의해 실행되는 것이 편리하다. 센서는 레코딩된 신호가 컴퓨터-판독 형태로 변환될 수 있는 적절한 형태로 제공된다. 기존 기술은 전자기 센서, 방사성, 센서, 그리고 광센서를 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 주조 속도에 관련된 입력을 또한 수신한다. 안정적인 주조 속도 상태가 인지되면, 프로그램은 적절한 수학적 변환을 몰드 수준 대 시간 함수에 적용하여, 롤 반응에 관련된 아래의 주기적 영향요소를 식별할 수 있다. 주기적 영향요소가 식별되면, 프로그램은 레코딩된 데이터를 예측된 고조파와 비교할 수 있고 문제 영역을 위치시킬 수 있다.

본 발명의 방법은 롤러 직경이 작고 주조 속도가 빠른 경우의 얇거나 두꺼운 스트랜드의 주조에 특히 적합하다. 퓨리에 변환기는 이진수를 이용하며, 측정된 주기는 초의 이진수로 구성된다. 통상적으로, 연속 속도 주조의 512초 주기동안 취한 몰드 수준 데이터는 이 응용프로그램의 머신 상태의 정확한 분석을 제공하기에 충분하다.

도 1은 시간 대 몰드 수준의 함수를 나타내는 몰드 수준 센서로부터의 전형적인 신호 파형도.

도 2는 발명에 따른 방법의 단계 2)에서 결정되는 바와 같이, 도 1의 함수의 고속 퓨리에 변환을 도시하는 도면.

도 3은 발명에 따른 방법의 단계 2)에서 설명되는 바와 같이 비교를 위해 공지된 직경 및 피치의 롤러에 대한 예측된 주파수 고조파를 중첩시킨, 시간 대 몰드 수준에 대한 고속 퓨리에 변환 도면.

도 4는 이 방법을 실행하는 데 사용하기 위한 알고리즘의 순서도.

도 1은 512초의 주기동안 레코딩된 몰드 수준의 샘플을 도시한다. 그래프의 수직축은 측정된 몰드 수준을 나타내고, 수평축은 모니터되는 주기동안 경과된 시간을 나타낸다. 도시되는 바와 같이 신호는 주기적 요소를 가진다. 시간 대 몰드 수준 함수에 고속 퓨리에 변환이 적용되어, 보다 복잡한 원래 파형을 얻기 위해 합쳐질 수 있는, 간단한 주기적 파형을 계산한다. 손상되거나 오정렬된 롤러에 의해 유발될 수 있는 것처럼, 몰드 수준 신호에 대단히 큰 주기적 영향요소는, 도 2에 도시되는 바와 같은 고속 퓨리에 변환 주파수 분포의 큰 피크로 강조된다. 도시되는 바와 같이, 큰 피크는 0.1Hz 주위에서 나타나고, 이는 롤러에 불규칙성이 있음을 나타낸다.

도 3의 고속 퓨리에 변환은 0.095Hz 부근의 주파수에서 큰 피크를 보인다. 예측된 주파수가 이 변환에서 중첩되면서, 롤러의 문제점을 표시하는 피크 크기와, 문제점 위치를 나타내는 피크 발생 주파수 사이에 연관성이 생길 수 있다. 도시되는 바와 같이 0.095kHz 주변에서의 피크는 세그먼트 1의 140mm 롤 직경에 대하여 계산된 주파수 고조파와 동시에 발생한다. 따라서, 이 문제점이 상기 세그먼트 내의 롤러와 함께한다는 것을 추정할 수 있다.

이 방법은 최종 응고점을 결정하기 위해 스트랜드를 모델링함으로서 더욱 개선될 수 있다. 최종 응고점을 지난 머신의 세그먼트는 몰드 수준 신호에 영향을 미치지 않을 수 있고 따라서 분석에서 무시될 수 있다.

Claims (8)

1. 금속의 라인 상의 연속 주조중 롤러 불규칙성을 감지하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,

   1) 시간에 대한 몰드 수준의 변화를 연속적으로 감시하고,

   2) 시간 대 몰드 수준 함수에 영향을 미치는 주기적 영향 요소 및 그 주파수를 식별하며,

   3) 주조 과정의 정상 동작을 바탕으로 예측된 주파수 고조파에 단계 2)의 주기적 영향요소의 주파수를 비교하고, 그리고 예측된 주파수 특성과 실제 주파수 특성을 비교함으로서 롤러 반응의 불규칙성을 나타내는 실제 주파수 특성이 강조표시(highlighting)되는,

   단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 단계 2)는 단계 1)의 시간 대 몰드 수준 함수에 고속 퓨리에 변환을 적용하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 단계 3)의 예측된 주파수 고조파가

   f_d = V_c/(πd)

   로부터 계산되며, 이때, f_d는 고조파의 주파수(Hz)이고, v_c는 주조 속도(m/s), d는 롤러 직경(m)인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 단계 3)의 예측된 주파수 고조파가

   f_p = V_c/p

   로부터 계산되며, 이때 f_p는 고조파 주파수(Hz)이고, v_c는 주조 속도(m/s), p는 롤러 피치(m)인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 주조 속도를 감시하고 주조 속도의 변화를 시스템 사용자에게 알리는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 방법은,

   - 최종 응고점을 결정하기 위해 주조 금속 스트랜드를 모델링하고, 그리고 최종 응고점을 넘는 주조 머신의 세그먼트로부터 발생하는 주기적 영향요소를 무시하는,

   과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에서 6 항까지 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서,

   상기 장치는 몰드 수준 센서와 컴퓨터를 포함하고,

   상기 몰드 수준 센서는 상기 컴퓨터에 연결되어, 컴퓨터로 하여금 상기 몰드 수준 센서로부터 몰드 수준 데이터를 수신하게 하며,

   상기 컴퓨터는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

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