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KR101316143B1 - 전기로 용선 레벨 모니터링 장치 - Google Patents

전기로 용선 레벨 모니터링 장치 Download PDF

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KR101316143B1
KR101316143B1 KR1020110141191A KR20110141191A KR101316143B1 KR 101316143 B1 KR101316143 B1 KR 101316143B1 KR 1020110141191 A KR1020110141191 A KR 1020110141191A KR 20110141191 A KR20110141191 A KR 20110141191A KR 101316143 B1 KR101316143 B1 KR 101316143B1
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

본 발명은 전기로 용선 레벨 모니터링 장치에 관한 것으로, 상기 장치는, 전기로 표면에 부착되어 스트레인 신호 및 온도 신호를 획득하는 센서부; 상기 센서부에 의해 획득된 스트레인 신호 및 온도 신호를 수집하는 센서값 입력부; 및 상기 센서값 입력부로부터 전달된 스트레인 신호 및 온도 신호를 이용하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추정하는 용선레벨 추정부를 포함하여 구현될 수 있다.

Description

전기로 용선 레벨 모니터링 장치 {PIG IRON LEVEL MONITORING APPARATUS IN ELECTRIC ARC FURNACE}
본 발명은 전기로 용선 레벨 측정 기술에 관한 것으로서, 특히 전기로 표면에 부착된 스트레인 센서를 이용하여 전기로 내부의 용선 레벨을 모니터링하는 장치에 관한 것이다.
전기로 공정에서 조업 중 전기로 내부의 용선 레벨을 정확히 예측할 수 있다면 전기로 조업에 있어서 출선 시점 선정 및 고철 투입량 결정에 있어서 중요한 데이터로 활용할 수 있다.
그러나 전기로 내부의 고온, 고전압 아크 및 분진 등 여러 가지 이유로 인해서 실시간으로 전기로 내부의 용선 레벨을 측정하는 것은 어려운 과제이다.
종래에는 투입되는 고철의 양 대비 출선되는 용선의 양을 측정하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추측하는 장치에 있었으나, 실시간으로 정확한 고철 원료 투입량 및 출선되는 용선의 양을 측정하는데 한계가 있었다.
따라서, 당해 기술분야에서는 전기로 내부의 용선 레벨을 실시간으로 모니터링할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시형태는 전기로 용선 레벨 모니터링 장치를 제공한다. 상기 장치는, 전기로 표면에 부착되어 스트레인 신호 및 온도 신호를 획득하는 센서부; 상기 센서부에 의해 획득된 스트레인 신호 및 온도 신호를 수집하는 센서값 입력부; 및 상기 센서값 입력부로부터 전달된 스트레인 신호 및 온도 신호를 이용하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추정하는 용선레벨 추정부를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 센서부는, 복수의 스트레인 센서 및 각각의 스트레인 센서 주변에 부착된 복수의 온도 센서를 포함하여 구현될 수 있다.
상기 용선레벨 추정부는, 상기 스트레인 신호에서 전기로 표면 온도 변화에 의한 잡음과 DC 오프셋을 제거하여 용선 레벨을 추정할 수 있다.
상기 센서부가 4개의 스트레인 센서 및 각각의 스트레인 센서 주변에 부착된 4개의 온도 센서로 구성되는 경우, 상기 용선레벨 추정부는 다음의 수학식을 이용하여 용선 레벨을 추정할 수 있으며,
용선 레벨 = k1(k6(st1-k2temp1)+k7(st2-k3temp2)+k8(st3-k4temp3)+k9(st4-k5temp4))/4)-DC_offset
여기서, st1은 제1 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, st2는 제2 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, st3은 제3 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, st4는 제4 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, temp1은 제1 스트레인 센서 주변에 부착된 제1 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, temp2는 제2 스트레인 센서 주변에 부착된 제2 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, temp3은 제3 스트레인 센서 주변에 부착된 제3 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, temp4는 제4 스트레인 센서 주변에 부착된 제4 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, k1은 스트레인 값을 용선 레벨로 환산하는 계수, k2는 제1 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k3은 제2 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k4는 제3 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k5는 제4 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k6은 제1 스트레인 센서의 기여 계수, k7은 제2 스트레인 센서의 기여 계수, k8은 제3 스트레인 센서의 기여 계수, k9는 제4 스트레인 센서의 기여 계수, 그리고 DC_offset은 스트레인 센서 출력의 DC 오프셋을 의미한다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
전기로 내부의 용선 레벨을 실시간으로 모니터링할 수 있는 전기로 용선 레벨 모니터링 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기로 용선 레벨 모니터링 장치의 구성도, 그리고
도 2는 모의 실험 결과에 따른 스트레인 센서의 출력 파형을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
전기로 내부의 용선량이 증감하면 하중으로 인해서 전기로 외피로 전달되는 응력의 변화를 초래하고, 이는 전기로 표면에 부착된 스트레인 센서의 출력 신호에 영향을 미치게 된다. 본 발명에서는, 이 신호를 이용하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추정하고자 한다.
그러나, 전기로 외피의 응력에 영향을 미치는 요소는 용선량뿐만 아니라, 전기로 내부의 압력, 전기로 내부의 온도 변화 등 다양한 요소들이 존재한다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 다양한 인자들 중에서 용선의 증감에 의한 스트레인 센서의 출력 신호만을 추출하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추정하는 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기로 용선 레벨 모니터링 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기로 용선 레벨 모니터링 장치(100)는 센서부(110), 센서값 입력부(120) 및 용선레벨 추정부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
센서부(110)는 전기로 외피에 부착되어 스트레인 신호 및 온도 신호를 획득하기 위한 것이다. 센서부(110)는 결과의 신뢰성을 위해 복수의 스트레인 센서 및 온도 센서로 구현될 수 있으며, 도 1은 센서부(110)가 4개의 스트레인 센서 및 각각의 스트레인 센서 주변에 부착된 4개의 온도 센서(111, 112, 113, 114)로 구현된 것을 도시한다.
센서값 입력부(120)는 센서부(110)를 구성하는 각각의 스트레인 센서 및 온도 센서(111, 112, 113, 114)에 의해 획득된 스트레인 신호 및 온도 신호를 수집하여 용선레벨 추정부(130)로 전달한다.
용선레벨 추정부(130)는 센서값 입력부(120)로부터 전달된 스트레인 신호 및 온도 신호를 이용하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추정한다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 전기로 용선 레벨 모니터링 장치(100)를 이용하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추정하는 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
전기로 내부의 용선량이 증가하면 하중에 의해서 전기로 표면으로 전달되는 팽창력이 작용하게 되고, 이는 전기로 표면의 미세한 팽창으로 나타난다. 반대로 전기로 내부의 용선량이 감소하면 전기로 표면으로 전달되는 하중이 감소하고 전기로 표면에 미치는 응력이 감소하게 된다. 이러한 원리에 의해서, 전기로 내부의 용선량에 비례하는 스트레인 신호를 얻을 수 있고 이 신호로부터 전기로 내부의 용선량을 추정할 수 있다.
그러나, 전기로 표면에 부착된 스트레인 센서는 전기로 내부의 용선량뿐만 아니라 표면 온도의 변화에 의해서도 영향을 받는다. 다시 말해, 전기로 표면의 온도가 어떠한 원인에 의해서 높아지게 되면 표면이 자체적으로 팽창하게 되고 이는 스트레인 신호의 증가에 기여한다. 따라서, 본 발명에서는 용선량에 의해 변화되는 스트레인 신호만을 추출하기 위해서, 전기로 표면에 부착된 각각의 스트레인 센서 주변에 온도 센서를 설치하여 온도 변화를 감지하고 이를 이용하여 보상한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 센서부(110)가 4개의 스트레인 센서 및 4개의 온도 센서(111, 112, 113, 114)로 구현된 경우, 센서부(110)에 의해 획득된 스트레인 신호 및 온도 신호들로부터 수학식 1에 따라 전기로 용선 레벨을 추정할 수 있다.
Figure 112011102809185-pat00001
수학식 1에서 사용된 각각의 변수 및 계수가 의미하는 바는 다음과 같다.
st1: 제1 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호
st2: 제2 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호
st3: 제3 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호
st4: 제4 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호
temp1: 제1 스트레인 센서 주변에 부착된 제1 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호
temp2: 제2 스트레인 센서 주변에 부착된 제2 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호
temp3: 제3 스트레인 센서 주변에 부착된 제3 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호
temp4: 제4 스트레인 센서 주변에 부착된 제4 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호
k1: 스트레인 값을 용선 레벨로 환산하는 계수
k2: 제1 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수
k3: 제2 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수
k4: 제3 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수
k5: 제4 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수
k6: 제1 스트레인 센서의 기여 계수
k7: 제2 스트레인 센서의 기여 계수
k8: 제3 스트레인 센서의 기여 계수
k9: 제4 스트레인 센서의 기여 계수
DC_offset: 스트레인 센서 출력의 DC 오프셋
도 2는 모의 실험 결과에 따른 스트레인 센서의 출력 파형을 도시하는 도면으로, 1개의 스트레인 센서를 대상으로 모의 실험을 실시한 결과를 도시한다.
도 2에서, (a)는 용선 레벨 변화에 의해 나타나는 스트레인 센서 출력 원 신호와 DC 오프셋과 표면 온도 변화에 의한 잡음이 모두 합성된 신호를 나타내고, (b)는 스트레인 센서 출력의 DC 오프셋 전압을 나타내고, (c)는 합성된 신호에서 DC 오프셋 전압을 제거한 신호를 나타내고, (d)는 표면 온도 변화에 의한 잡음(즉, 스트레인 센서 출력 변화)만을 추출한 신호를 나타내고, (e)는 용선 레벨 변화에 의한 스트레인 센서 출력을 나타낸다.
또한, 표면 온도 변화의 주기는 용선 레벨의 변화 주기보다 빠르다고 가정하여 모의 실험을 실시하였다.
(a)에 도시된 바와 같은 모든 잡음이 포함된 스트레인 센서의 출력에서 표면 온도 변화에 의한 잡음과 DC 오프셋을 제어하여, 최종적으로 용선 레벨에 의해서 변화하는 (e)에 도시된 바와 같은 스트레인 센서 출력을 획득할 수 있다.
상술한 본 발명에 의하면, 수학식 1을 이용하여 전기로 표면에서 측정된 스트레인 센서 신호로부터 전기로 표면 온도 변화 등에 의한 외부 변동 요인을 제거하고 정확한 전기로 용선 레벨을 추정할 수 있다. 또한, 추정된 전기로 용선 레벨을 이용하여 조업자들이 출탕 시기를 최적으로 산정할 수 있게 된다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
100: 전기로 용선 레벨 모니터링 장치
110: 센서부
120: 센서값 입력부
130: 용선레벨 추정부

Claims (4)

  1. 전기로 표면에 부착되어 스트레인 신호 및 온도 신호를 획득하는 센서부;
    상기 센서부에 의해 획득된 스트레인 신호 및 온도 신호를 수집하는 센서값 입력부; 및
    상기 센서값 입력부로부터 전달된 스트레인 신호 및 온도 신호를 이용하여 전기로 내부의 용선 레벨을 추정하는 용선레벨 추정부를 포함하며,
    상기 센서부가 4개의 스트레인 센서 및 각각의 스트레인 센서 주변에 부착된 4개의 온도 센서로 구성되는 경우,
    상기 용선레벨 추정부는 다음의 수학식을 이용하여 용선 레벨을 추정하며,
    용선 레벨 = k1(k6(st1-k2temp1)+k7(st2-k3temp2)+k8(st3-k4temp3)+k9(st4-k5temp4))/4)-DC_offset
    st1은 제1 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, st2는 제2 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, st3은 제3 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, st4는 제4 스트레인 센서에 의해 획득한 스트레인 신호, temp1은 제1 스트레인 센서 주변에 부착된 제1 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, temp2는 제2 스트레인 센서 주변에 부착된 제2 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, temp3은 제3 스트레인 센서 주변에 부착된 제3 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, temp4는 제4 스트레인 센서 주변에 부착된 제4 온도 센서에 의해 획득한 온도 신호, k1은 스트레인 값을 용선 레벨로 환산하는 계수, k2는 제1 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k3은 제2 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k4는 제3 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k5는 제4 스트레인 센서 주변의 온도 변화에 의한 스트레인 값 변동 보상 계수, k6은 제1 스트레인 센서의 기여 계수, k7은 제2 스트레인 센서의 기여 계수, k8은 제3 스트레인 센서의 기여 계수, k9는 제4 스트레인 센서의 기여 계수, 그리고 DC_offset은 스트레인 센서 출력의 DC 오프셋을 의미하는 전기로 용선 레벨 모니터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는,
    복수의 스트레인 센서 및 각각의 스트레인 센서 주변에 부착된 복수의 온도 센서를 포함하는 전기로 용선 레벨 모니터링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 용선레벨 추정부는,
    상기 스트레인 신호에서 전기로 표면 온도 변화에 의한 잡음과 DC 오프셋을 제거하여 용선 레벨을 추정하는 전기로 용선 레벨 모니터링 장치.
  4. 삭제
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