KR20020048087A - 철 합금화도계를 이용한 유도 가열로 자동제어 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 합금화도 측정장치를 이용하여 합금화도를 피드백(Feed-back)시켜 유도 가열로에 전력을 인가함으로써 합금화 자동제어의 정도를 향상 시키도록 한 유도 가열로 자동제어 장치에 관한 것으로, 라인속도 및 알루미늄(Al)농도와 도금량을 측정하여 상기 유도가열출력제어기(50)에 정보를 전달하는 피엘씨(PLC)(40)와, 상기 컴퓨터(30)와 피엘씨(40)로부터 정보를 입력받아 유도가열 최종출력값을 보정하는 시퀀스 제어기(51)와, Fe 합금화도를 피드백 제어받아 유도가열 설정값을 계산하는 피드백 제어기(52)와, 상기 유도가열출력제어기(50)의 유도가열 출력값에 의해 강판을 가열하는 유도가열로(60)와, 상기 유도가열기(60)를 통과한 강판의 도금량을 측정하는 도금량 측정기(70)와, 작업중인 강판의 합금화도를 측정하는 Fe 합금화도 측정기(80)를 포함하여 구성됨으로써, Fe 합금화도 변화에 따라 출력 값을 실시간으로 제어 할 수 있기 때문에 라인에 외란이 발생하더라도 최적 출력 값을 자동으로 제어할 수 있다. 즉, 기존 시스템의 자동제어를 더욱 정교하게 함으로써 균일한 합금화 용융 아연 도금강판 제조가 가능하게 된다.
Description
본 발명은 Fe 합금화도계를 이용한 유도 가열로 자동제어 장치에 관한 것으로, 특히 합금화도 측정장치를 이용하여 합금화도를 피드백(Feed-back)시켜 유도 가열로에 전력을 인가함으로써 합금화 자동제어의 정도를 향상 시키도록 한 유도가열로 자동제어 장치에 관한 것이다.
합금화 용융 아연 도금강판의 합금화 공정은 도 1 에서와 같이 나타낼 수 있으며, 용융도금설비에 있어서 가열로를 통과 시킨 강판은 아연 도금욕를 통과하여 그 상부에 설치된 에어나이프에 의해 도금량이 조절된 다음 그 상부에 설치된 유도가열로와 합금화 균열 장치에 의해 합금화가 이루어 진다.
도 1 의 유도가열로의 기능은 아연 도금욕를 통과한 스트립을 500~550℃로 가열하여 강판의 철분을 도금층으로 확산시켜 주는 역할을 한다. 또한, 합금화 균열로는 가열된 강판의 표면온도를 유지시켜서 확산을 위한 시간을 부여 한다.이 때 합금화에 가장 큰 영향을 미치는 장치는 유도 가열로이고, 이 유도 가열로에 유도 전력을 인가하는 종래의 유도 가열 제어 모델은 다음과 같다.
이 모델 식은 다음과 같다.
여기서, 위 모델식의 변수를 정리하면 다음과 같다.
모델식(1)은 유도 가열로의 인가 전력이 강판의 통판 속도, 강판의 두께,강판의 폭, 유도 가열로 인입 전/후 온도 및 상수로 이루어진 것으로, 이 모델식을 그대로 적용할 경우 합금화 과정에서 발생하는 다양한 인자들을 포함시키지 못하게 된다. 즉, Al 농도, 강판의 종류, 도금량 등 외적 요인과 모델식에 포함은 되어 있지만 가장 큰 문제는 강판의 출구 온도이다.
출구 온도는 강판의 합금화를 결정 짓는 인자로 인가 전력 값을 제어한다. 문제는 강판 출구 온도의 정합성이다.
도 2 는 종래의 합금화 용융 아연도금강판의 자동 합금화를 위한 제어 시스템을 나타내고 있다. 종래의 제어 시스템은 유도 가열로 입.출측 온도, 라인속도 및 강판의 두께와 폭을 곱한 값에 제어 상수와 보정 계수를 각각 곱하고 나눈 유도 가열 출력식을 사용 하고 있다. 유도 가열로 입측 온도는 도금욕의 열전대(Thermocouple)로 측정한 도금욕 내 용융 아연의 온도를 이용한다. 유도 가열로 출측 온도는 방사 온도계(7)를 사용하여 온도를 측정하여 계산식에 사용된다. 강판 두께, 강판 너비 및 라인 속도는 현장 프로그래머블 로직 컨트롤(PLC)로부터 얻은 데이터를 이용한다.
그리고 모든 물체는 열을 받게 되면 적외선 형태의 전자기 복사를 하게 된다. 이 에너지는 넓은 파장 범위를 거쳐 방사되는데 전형적으로 0.5~15㎛이다. 흑체의 경우 이 방사 스펙트럼이 플랑크의 법칙으로 표현되는 다음 식과 같다.
단, E = 방사된 복사 에너지(watts/cm2㎛)
λ = 파장(㎛)
T = 온도(Kelvin)
C1 = 상수 = 3.7418 104
C2 = 상수 = 1.4388 104
물질이 온도가 올라가면 더 많은 에너지가 방사되고 흑체 스펙트럼이 더 낮은 파장으로 이동하게 된다. 일반적인 방사온도계는 방사되는 복사량을 감지하여 이것을 물체의 온도와 상관관계를 계산하여 나타낸다. 물체의 실제 복사량과 흑체와 비를 방사율(Emissivity)라고 한다.
방사율은 재료의 성분, 온도, 파장, 표면 형상, 관측 각도 등을 포함한 복잡한 함수 값이다. 따라서 물체의 방사율은 물체의 자체 특성과 측정 조건에 의존한다. 결론적으로 물체의 실제 온도를 정확히 측정하기 위해서는 정확한 방사율로 방사온도계를 보정해 주어야 하는데, 현장에서 실제 제품을 만들고 있을 때는 방사율이 끊임 없이 변하고 있고, 이 변화된 방사율을 방사 온도계에 실시간으로 적용한다는 것은 일반 생산 현장에서 적용한다는 것은 불가능한 것이다.
일반적으로 유도가열로 출구에 설치되어있는 방사온도계(Pyrometer)는 강판의 방사율이 일정한 경우에만 정확한 온도 측정이 가능하다.
고려되어야 할 또 다른 인자로써 도금욕의 Al는 강판이 도금욕에 인입 되었을 때 최초로 Fe-Al 합금화 억제층(Inhibition layer)이 형성되고, 다음으로 합금화 억제층(Inhibition layer)의 붕괴(Break-down)가 일어난다.
그리고, 상 형성에 의해 도금층이 고상이 된다. 마지막으로 Fe와 Zn의 고상에서의 상호 확산에 의해 Fe-과포화 상이 성장한다.
억제층 기구(Inhibition Mechanism)은 Fe/Al 반응에 의한 Fe소모 속도에 직접적으로 관련이 있다. 이 반응은 Fe와 Al의 공급과 Fe/Al 반응 속도에 의존한다. 그리고, 억제층 기구(Inhibition Mechanism)은 다시 두 단계로 나눌 수 있다. 첫째, Zn에 Fe가 용해되는 것으로 소지철(Substrate)에 의존하다. 다음으로 Fe/Al 반응에 의한 Fe 소모로 Fe2Al5상의 안정성과 유효 Al 함량에 의존하다.
용융 도금욕 중의 Al 함량이 증가하면 도금층과 소지강판 계면에서 Fe-Zn-Al합금층 형성 되어 Fe-Zn 합금화 반응이 억제된다. 합금화 억제층(Inhibition layer)은 Zn을 포함한 Fe2Al5상으로 이루어져 있다고 보고 되고 있다. 이 결정 구조에서 Zn이 Al원자 부분을 대체하는 것으로 알려져 있다.
합금화 시 Fe-Zn 층이 형성되기 위해서는 합금화 억제층(Inhibition layer)가 먼저 파괴되어야 한다.
합금화 억제층(Inhibition layer) 붕괴(Break-down) 기구는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 아웃버스트(outburst) 형성과 도금 층에서의 Al 고갈에 의한 Al 농축층 변태. 이 두 가지 기구는 합금화 초기에 거의 동시에 일어난다.
아웃버스트 반응이란 소지철 강판의 페라이트(Ferrite) 결정립계 부위에서 우선적으로 일어나는 Fe-Zn합금화 반응으로, 그 발생 기구는 Fe-Al 계 합금상을 통과하여 확산한 Zn가 소지강판의 페라이트(Ferrite) 결정립계에 침적되어 강중에 확산하고, 입계부에서 Fe-Zn 합금상을 형성한다.
이때 체적 팽창에 따른 상부의 Fe-Al 계 합금상에 균열이 발생하고, 침입한도금욕과 소지 강판과 직접적인 반응을 일으켜 국부적인 급격한 반응이 이루어진다. 이러한 조직은 δ1상이 주를 이루지만, 소지 강판과의 계면에서는 발생 직후에 Γ상이 형성된다.
Al농축 층의 변태는 (a) 도금욕 Al 함량 (b) Zn 층의 초기 Al 함량 (c) Fe 용해도에 의존한다. 이 기구는 아웃버스트(outburst) 기구에 비해 더욱 균일하고 덜 소지철(Substrate) 화학조성에 의존한다.
도금욕 중 Fe 함량이 0.003~0.00354%에서 Fe는 Al 의 합금화 억제 반응과 대비해서 뛰어난 합금화 촉진 효과를 나타내고 있다고 보고하고 있다. 즉, 도금욕 중 Al 함량의 감소에 따라 Fe의 용해도가 증가하게 되고, Fe성분에 의한 Fe-Zn합금화 현상이 가속화된다.
도금층/소지철(Substrate) 계면 근처의 소지철(Substrate)에서 합금화 억제층(Inhibition layer)이 감소함에 따라 Al농도는 증가되고 합금화 억제층(Inhibition layer)의 Zn 농도도 증가하는 것으로 관찰되고 있다.
Al이 소지철(Substrate)로 확산하는 것은 Fe에서 Al의 Chemical Potential이 Fe2Al5에서 보다 낮기 때문이다. Al 고갈과 동시에 Fe2Al5의 Zn농축은 평형상태로 가기 위한 것으로 1상 생성에 의해 합금화 억제층(Inhibition layer)을 소모한다.
강판의 성분이 유도 가열로 출력에 왜 포함되어야 하는지는 수 많은 연구 결과로부터 도출 할 수 있다. 비침입형(Interstitial free)강의 도금층은 3층 구조를 갖고 있다. 모재(Substrate)와 합금층 계면 상은 상이고 1상과 상의 혼합층이 다음 층을 이루고 마지막으로 상이 최외각 층을 이루고 있다. 그리고 가끔 상이 표면에서 관찰된다.
극저탄( Extra-low-Carbon ) 강도 3층 구조로 이루어져 있다. 극저탄강에서도 마찬가지로 모재(Substrate)와 합금층 계면 상은 상이고 상이 2번 째 층을 이루고 있고 상이 표면 층을 이루고 있다.
P첨가 비침입형(Interstitial free)강에서는 2층 구조를 나타내고 있다. 1상이 모재(Substrate)와 합금층 계면 상으로 존재하고 상이 외곽 층으로 존재한다.
합금화 억제층(Inhibition layer)가 모재(Substrate) 속으로 용해되어 사라지는 기구(Mechanism)는 왜 P첨가 모재(Substrate)가 P를 첨가하지 않은 것에 비해 완전히 합금화 되는 시간이 더 걸리는지 설명해 준다. P를 첨가하지 않은 모재(Substrate)에서는 결정립계(Grain boundary)에 더 높은 Al 농도가 관찰된다.
결정립계(Grain boundary)에서의 계면 확산은 용적 확산(Bulk diffusion)에 비해 훨씬 빠르기 때문에 결정립계(Grain boundary)가 Al 확산 통로로 이용되고 있다. P첨가 강에서는 결정립계(Grain boundary)에 농축된 Al이 관찰되지 않는다. 그 이유는 모재 결정립계(Substrate Grain boundary)에 P가 편석됨으로써 Al의 확산을 방해하고 있기 때문이다.
GA합금화 작업 시 소지철로부터 Fe확산은 결정립계(Grain boundary)의 탄소에 의해 큰 영향을 받는다.
탄소가 없는 결정립계(Grain boundary)는 Fe원자가 계면으로 통과하는 길을 마련해 준다. Fe-Zn합금화 반응은 결정립 표면에서 보다 결정립계(Grain boundary)에서 더 잘 일어난다.
비침입형(Interstitial free)강에서는 Ti이 고용되어 있는 탄소를 탄화물(Carbide)형태로 만들어서 Fe-Zn 확산 반응을 촉진시킨다.
40ppm이하 혹은 비침입형(Interstitial free) 극저탄(Ultra-low carbon)강에서 침입 원자들을 제거함으로써 강도가 저하된다. 이런 강도 저하를 막기 위해 P와 Si을 첨가하게 되는데, P는 소재의 페라이트(Ferrite) 결정립계(Grain boundary)에 편석되어서 Fe-Zn합금화 속도를 감소시키고, Si는 강에서 치밀한 Fe2Al5금속간 화합물을 형성시켜 합금화 형성을 방해한다.
Ti 비침입형, Ti-Nb 비침입형강과 P 첨가 Ti 비침입형강에서는 강의 제강 성분이 합금화 억제층(Inhibition layer) 형성에 거의 영향이 없지만, Fe-Al 층의 붕괴(Break-down)에 큰 영향을 미친다. 이 때 P첨가 Ti 비침입형강에서는 Fe-Al 합금화 억제층(Inhibition layer)이 더욱 오랫동안 유지된다.
이 세가지 강에서는 합금화억제층(Inhibition layer) 붕괴(Break-down)가 아웃버스트 기구(Outburst Mechanism)에 의해 발생하지 않고, Al이 Fe2Al5층으로부터 철 모재(Steel Substrate)로 확산과 합금화 억제층(Inhibition layer)으로의 Zn 확산 그리고 1상에 의한 합금화 억제층(Inhibition layer) 소모 등 복합적 요인에 의해 합금화 억제층(Inhibition layer)이 붕괴(Break-down) 된다.
낮은 온도에서 합금층은 대체로 50대50의 비율로 상과 상으로 이루어져 있다.
중간 온도에서는 상은 사라지고 상으로 이루어 진다. 더 높은 온도에서는 상이 줄어드는 대신 이 도금층/모재(Substrate) 계면에서 성장한다.
상은 도금욕에서 생성되고, 500oC에서 합금화 초기에 사라진다. 상은 Ti-Nb 비침입형강과 Ti 비침입형 모재의 결정 방위를 공유하면서 결정립의 콜로니(Colony)에서 성장한다. P첨가 강에서는 상이 더욱 균일한 형태로 나타나며 더욱 작은 수의 콜리니(Colony)들이 우선 방위를 갖는다.
상이 사라짐과 동시에 얇고 불연속적인 상이 나타나기 시작한다. 상이 줄어 들면서 상이 생성되는 초기 단계를 거치고 나면 상의 성장은 합금화 기간 동안 합금화 억제층(Inhibition layer)의 상태에 상관없다. 합금화 기간동안 도금층의 대부분은 액상으로부터 상을 형성시키면서 고상이 된다.
Ti 비침입형강, Ti-Nb 비침입형강에서 상의 성장은 불균일하다. Fe가 과포화 액체 Zn을 소모하면서 상이 성장하기 때문에 이 층의 미세 조직은 결정과 둘러싸고 있는 액체 Zn으로 불연속 혼합을 이루고 있다.
통상 가공용 합금화 용융아연 도금 강판의 도금 부착량은 단면 기준으로 40~60g/m2이며 도금 부착량이 증가하게 되면 합금화 처리에 요하는 시간이 증가하게 되고 파우더링(Powdering)성도 예민하게 된다. 동일 Fe함량에서도 도금 부착량이 증가하면 합금화 처리가 어려워 진다.
왜냐하면, 도금 부착량이 증가할수록 Fe가 확산하여 표층까지 도달하는데 걸리는 시간이 증가하기 때문이다. 결과적으로 투입되어야 할 전력이 증가하게 된다.
이상에서 밝힌 바와 같이 현재와 같은 모델식을 이용하여 합금화를 제어하는 시스템으로는 강판의 최적 합금화 상태를 만들기 어렵다. 즉, 과합금화 내지 미합금화가 발생하더라도 기계적으로 모델식을 적용한다면 제품의 불량을 피할 수 없다.
이런 문제점을 해결하기 위해 현장 데이터를 분석하여 상수 값을 보정하는 방법도 있으나 이는 오랜 시간과 비용이 소요되는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 합금화 자동제어시스템에 있어서 인가 전력을 모델식을 적용하던 방식을 취하지 않고 실제 현장에서의 합금화도 측정장치를 이용하여 합금화도를 피드백(Feed-back)시켜 유도 가열로에 전력을 인가함으로써 합금화 자동제어의 정도를 향상 시키는데 그 목적이 있다.
도 1 은 일반적인 합금화 용융아연도강판의 제조설비중 도금욕(Pot), 유도 가열로 및 냉각 설비의 개략도.
도 2 는 종래의 합금화 용융 아연 도금강판의 자동 합금화를 위한 제어 시스템.
도 3 은 본 발명에 적용되는 Fe 합금화도계를 이용한 합금화 용융 아연도금 강판의 자동 합금화를 위한 제어 시스템.
도 4 는 본 발명에 적용되는 강판의 크기 변화에 따른 유도 가열 출력 변화를 나타낸 그래프.
도 5 는 본 발명에 적용되는 라인 속도 변화에 따른 유도 가열 출력 변화를 나타낸 그래프.
도 6 은 본 발명에 적용되는 Fe 합금화도 변화에 따른 유도 가열 출력 변화를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 도금욕 싱크롤(Sink Roll) 2 : 보정롤(Correcting Roll)
3 : 안정롤(Stabilizing Roll) 4 : 에어 나이프(Air Knife)
5 : 터치롤(Touch Roll) 6 : 유도 가열로(Induction Furnace)
7 : 방사 온도계(Pyrometer) 8 : 이동 균열로(Movable Soaking Furnace)
9 : 공기 압력 패드(Air Pressure Pad)
10 : 고정 균열로(Fixed Soaking Furnace)
11 : 공기 압력 패드(Air Pressure Pad)
12 : 방사 온도계(Pyrometer) 13 : 공냉기(Air Cooler)
14 : 공기 압력 패드(Air Pressure Pad)
15 : 분무식 냉각기(Water Mist Cooler)
16 : 방사 온도계(Pyrometer) 17 : 상부롤(Top Roll)
18 : 도금 측정기(Coating Gauge)
19 : Fe 합금화도계 20 : 도금욕 30 : 컴퓨터
40 : PLC 50 : 유도가열 출력제어기 51 : 시퀀스 제어기
52 : 피드백 제어기 60 : 유도 가열로 70 : 도금량 측정기
80 : Fe 합금화도 측정기
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 유도 가열로 자동제어 장치의 실시예는,
라인속도 및 알루미늄(Al)농도와 도금량을 측정하여 상기 유도가열출력제어기(50)에 정보를 전달하는 피엘씨(PLC)(40)와,
상기 컴퓨터(30)와 피엘씨(40)로부터 정보를 입력받아 유도가열 최종출력값을 보정하는 시퀀스 제어기(51)와,
Fe 합금화도를 피드백 제어받아 유도가열 설정값을 계산하는 피드백 제어기(52)와,
상기 유도가열출력제어기(50)의 유도가열 출력값에 의해 강판을 가열하는 유도가열로(60)와,
상기 유도가열기(60)를 통과한 강판의 도금량을 측정하는 도금량 측정기(70)와,
작업중인 강판의 합금화도를 측정하는 Fe 합금화도 측정기(80)를 포함하여 구성됨이 바람직하다.
상기 유도가열출력제어기(50)는 상기 시퀀스 제어기(51)와 피드백 제어기(52)로 구성됨이 바람직하다.
강판 크기에 대한 유도가열 전력 설정값은 " Y = 0.0948X + 564.37 (여기서, Y = 유도가열전력 X = 강판 크기) " 에 의해 구해짐이 바람직하다.
라인 속도에 대한 유도가열 전력 설정값은 " Y = 4.8527X + 630.51 (여기서, Y = 유도가열전력 X = 라인 속도) " 에 의해 구해짐이 바람직하다.
Fe 합금화도에 대한 유도가열 전력 설정값은 " Y = 80.322X - 357.22 (여기서, Y = 유도가열전력 X = Fe 합금화도) " 에 의해 구해짐이 바람직하다.
도 3 은 본 발명에 적용되는 Fe 합금화도계를 이용한 합금화 용융 아연도금 강판의 자동 합금화를 위한 제어 시스템이고, 도 4 는 본 발명에 적용되는 강판의 크기 변화에 따른 유도 가열 출력 변화를 나타낸 그래프이며, 도 5 는 본 발명에 적용되는 라인 속도 변화에 따른 유도 가열 출력 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6 은 본 발명에 적용되는 Fe 합금화도 변화에 따른 유도 가열 출력 변화를 나타낸 그래프로써, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
유도 가열로(Induction Heating Furnace)는 렌쯔(Lenz)의 법칙과 주울(Joule)효과를 이용하여 가열될 금속물질 내부에 직접적으로 열을 발생 시키는장치이다. 대부분 솔레노이드 코일인 인덕터가 그 내부에 시변 자장을 형성한다.
렌쯔의 법칙에 따라 자장 내부에 있는 모든 도체에는 기전력(Electromotive Force)이 작용하며 와전류(Eddy Current)라 불리우는 유도 전류가 발생하게 된다.
이 전류는 동일한 물질 내에 주울효과에 의해 열을 방출하게 된다. 이 발생된 열에 의해 도금층이 합금화된다.
유도 가열로의 특징으로는 피가열체와 부하 코일(인덕터)간에 물리적인 접촉이 불필요하고, 가열속도를 높일 수 있고, 온도제어가 용이하며, 균일한 가열이 가능하다.
이러한 장점으로 인해 유도 가열로는 계속적으로 사용 영역이 넓어질 것으로 보이며, 특히 합금화 용융 아연 도금 강판 제조에서 기존의 버너형 가열로를 지속적으로 대체할 것으로 예상된다.
본 발명은 사용 영역이 확대되고 있는 유도 가열로가 합금화 용융 아연 도금 강판을 제조할 때 보다 효율적으로 적용되기 위한 것이다. 자동 가열 제어 시스템의 작동 조건을 결정하는 가장 중요한 변수인 유도전력(Induction Power)을 정확히 결정하기 위해 Fe합금화도 계를 이용하여 보다 안정된 상태에서 합금화를 제어할 수 있다.
도 3 은 Fe 합금화도계를 이용하여 합금화 용융 아연 도금 강판의 자동 합금화를 위한 제어 시스템을 보여 준다. 이 제어 시스템의 주요 부분으로 상위 컴퓨터, 현장 PLC, 유도 가열로, Fe합금화도계, 유도 가열로 그리고 유도 가열 출력 제어기가 있다.
상위 컴퓨터로부터 강판의 크기(두께*너비)와 강판의 종류에 대한 정보가 유도 가열 출력 제어기에 전송되어 용접부가 소둔로를 통과하게 되면 현재 투입되는 전력을 보상하여 미합금화 혹은 과합금화를 방지 한다.
강판의 크기에 대한 인가 전력의 변화는 도 4 에 나타내었다. 이것을 회귀식으로 나타내 면 식(3)과 같다.
Y = 0.0948X + 564.37 --- (3)
단, Y = 유도가열 전력
X = 강판 크기(두께 너비)
이 식으로부터 강판 크기에 대한 유도가열 전력 보정을 할 수 있다. 보정계수 입력 값은 아래와 같다.
[표 1]
위 입력 값은 상위 컴퓨터로부터 강판 크기 정보를 받게 되면 강판 크기에 따라 현재 인가되는 전력값에 보정 계수를 곱하여 출력을 조정하게 된다. 따라서 유도 가열로 출력 값이 Fe합금화도에만 의존함으로써 소재 조건이 변함에 따라 발생할 수 있는 합금화 불량 요인을 시퀀스 제어기에서 피드포워드(Feed Forward) 제어로써 보정하게 된다.
강판 종류 역시 상위 컴퓨터로부터 정보를 입력 받아 시퀀스 제어기에 서 보정되며, 강판의 구성 성분에 따른 피드 포워드 제어의 이론적 배경은 강판의 종류에 따른 합금 성분이 다르고 그 결과 강판 모재와 아연과의 합금상 형성이 상이하기 때문이다. 즉, DQ,DDQ,EDDQ강은 경우는 극저탄강으로써 다른 강종에 비해 Fe확산이 빠르기 때문에 기존 제어 모델식에 의해 투입되는 전력에 비해 낮은 값이 투입되도록 해야 한다.
반면 고장력강(HS35, HS45, HS50)의 경우는 특수 합금원소의 투입으로 결정립계에 확산 방해 장벽을 만듦으로써 Fe확산을 어렵게 만든다. 또한 탄소 농도도 비교적 높은 편이다. 이러한 이유로 기존 제어 모델식에 투입되는 전력에 비해 높은 값이 투입되도록 해야 한다. 이런 작업은 상위 컴퓨터로부터 강판의 종류에 대한 정보를 입력 받아 아래와 같은 입력 값을 만든다.
강판 크기와 마찬가지로 입력 값에 따라 유도 가열로 출력 값이 보정된다.
[표 2]
이 때 강판 종류에 따른 의미와 특징을 아래 표에서 설명한다.
현장 PLC는 라인 속도, Al농도와 도금량을 측정하여 유도 가열 출력 제어기에 정보를 전달한다.
먼저 라인 속도와 유도 가열 출력 값과의 상관 관계를 살펴 보면 도 5 와 같이 나타낼 수 있다. 이것을 회귀식으로 나타내면 다음과 같다.
Y = 4.8527X + 630.51 --- (4)
단, Y = 유도가열 전력
X = 라인 속도
이 식으로부터 라인 속도에 대한 유도가열 전력 보정을 할 수 있다. 보정계수 입력 값은 아래와 같다.
[표 3]
위 입력 값은 상위 컴퓨터로부터 강판 크기 정보를 받게 되면 라인 속도에따라 현재 인가되는 전력값에 보정 계수를 곱하여 출력을 조정하게 된다. 따라서 유도 가열로 출력 값이 Fe합금화도에만 의존함으로써 소재 조건이 변함에 따라 발생할 수 있는 합금화 불량 요인을 시퀀스 제어기에서 피드포워드(Feed Forward) 제어로써 보정하게 된다.
둘째로, Al농도는 Al농도 센서로부터 농도 값을 읽어 현장 PLC로 전송된다. 이 Al농도 정보는 다시 현장 PLC로부터 시퀀스 제어기에 전송하여 유도 가열 출력기에서 보정된다.
도금욕의 Al농도가 제어 모델식에 왜 포함되어야 하는지에 대한 이론적 배경을 요약하면, 도금욕의 Al는 강판이 도금욕에 인입 되었을 때 최초로 Fe-Al 합금화 억제층(Inhibition layer)이 형성되고, 다음으로 합금화 억제층(Inhibition layer)의 붕괴(Break-down)가 일어난다.
억제층 기구(Inhibition Mechanism)는 Fe/Al 반응에 의한 Fe소모 속도에 직접적으로 관련이 있다. 이 반응은 Fe와 Al의 공급과 Fe/Al 반응 속도에 의존한다.
그리고, 억제층 기구(Inhibition Mechanism)는 다시 두 단계로 나눌 수 있다. 첫째, Zn에 Fe가 용해되는 것으로 소지철(Substrate)에 의존하다. 다음으로 Fe/Al 반응에 의한 Fe 소모로 Fe2Al5상의 안정성과 유효 Al 함량에 의존한다.
용융 도금욕 중의 Al 함량이 증가하면 도금층과 소지강판 계면에서 Fe-Zn-Al합금층 형성 되어 Fe-Zn 합금화 반응이 억제된다. 합금화 시 Fe-Zn 층이 형성되기 위해서는 합금화 억제층(Inhibition layer)가 먼저 파괴되어야 한다.
합금화 억제층(Inhibition layer) 붕괴(Break-down) 기구는 크게 두 가지로나눌 수 있다. 아웃버스트(outburst) 형성과 도금 층에서의 Al 고갈에 의한 Al 농축층 변태. 이 두 가지 기구는 합금화 초기에 거의 동시에 일어난다.
이런 이유로 해서 도금욕의 Al농도가 제어 모델식(2)에 포함되었으며, 입력값은 현장 테스트를 실시하여 최적 값을 도출한 것이다.
[표 4]
도금 부착량이 증가하게 되면 합금화 처리에 요하는 시간이 증가하게 된다. 동일 Fe함량에서도 도금 부착량이 증가하면 합금화 처리가 어려워 진다. 왜냐하면, 도금 부착량이 증가할수록 Fe가 확산하여 표층까지 도달하는데 걸리는 시간이 증가하기 때문이다. 결과적으로 투입되어야 할 전력이 증가하게 된다. 즉, 박도금인 경우는 기존 모델식에 비해 낮은 전력이 투입되어야 하고, 후도금에서는 이와 반대로 더 높은 전력이 투입되어야 한다.
도금량은 온 라인(On-Line) 도금량 측정기(18)로부터 데이터를 입력 받아 계산식에 적용된다. 도금량에 따른 출력 보정 계수는 현장에서 테스트를 한 결과로 아래와 같다.
[표 5]
Fe 합금화도 측정기는 실제 작업 중인 강판의 합금화도를 측정하여 유도 가열 출력 장치에 전송하여 유도 가열 출력 값을 피드백 제어한다. 피드백 제어기에 전송되는 Fe합금화도 측정값은 유도 가열 출력 값을 설정하는데 사용된다.
Fe 합금화도는 강판이 얼마나 많은 열량이 투입되어야 하는 지를 나타내는 지표로써 도 6 는 Fe합금화도 변화에 따른 유도 가열 출력의 변화를 나타낸 것이다. 이것을 회귀식으로 표현하면 다음과 같다.
Y = 80.322X - 357.22 --- (5)
단, Y = 유도가열 전력
X = Fe 합금화도
이 식으로부터 도금 강판이 합금화 유도 가열로를 통과 했을 때 필요한 투입 전력을 산출하여 최적의 합금화 조건을 만들 수 있다.
유도 가열 출력 제어기를 활용하여 시뮬레이션한 결과를 다음과 같이 제시 하였다.
적용 예) 기존 제어 모델식을 이용하여 산출한 출력 값과 Fe합금화도계를 이용한 제어 시스템으로부터 산출된 출력 값을 비교하여 그 값을 다시 현장에서 기존 유도 가열로에 적용(강판의 종류: DDQ, Al농도: 0.146%, 도금량: 45/45g/m2)
[표 6]
※ 투입 전력 산출 근거
가. 합금화도계로부터 Fe합금화도를 피드백 제어 받아 피드백 제어기에서 식(5)를 이용하여 유도 가열 설정 값 계산한다.
Y = 80.322X - 357.22 --- (5)
단, Y = 유도가열 전력
X = Fe 합금화도
유도 가열 전력 설정 값 = 80.322 12 ? 357.22 = 606.6KW
나. 상위 컴퓨터와 현장 PLC로부터 정보를 입력 받아 시퀀스 제어기에서 유도 가열 최종 출력 값을 보정한다. 표2, 4, 5로부터 강판의 종류, Al농도, 도금량을 보정하여 최종 출력 값을 산출한다.
유도 가열 전력 최종 산출 값 = 606.60 0.98 1.01 0.95 = 570KW
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, Fe 합금화도 변화에 따라 출력 값을 실시간으로 제어 할 수 있기 때문에 라인에 외란이 발생하더라도 최적 출력 값을 자동으로 제어할 수 있다. 즉, 기존 시스템의 자동제어를 더욱 정교하게 함으로써 균일한 합금화 용융 아연 도금강판 제조가 가능하게 된다.
Claims (5)
- 강판의 크기와 종류에 대한 정보를 유도가열출력제어기(50)에 전송하는 컴퓨터(30)와,라인속도 및 알루미늄(Al)농도와 도금량을 측정하여 상기 유도가열출력제어기(50)에 정보를 전달하는 피엘씨(PLC)(40)와,상기 컴퓨터(30)와 피엘씨(40)로부터 정보를 입력받아 유도가열 최종출력값을 보정하는 시퀀스 제어기(51)와,Fe 합금화도를 피드백 제어받아 유도가열 설정값을 계산하는 피드백 제어기(52)와,상기 유도가열출력제어기(50)의 유도가열 출력값에 의해 강판을 가열하는 유도가열로(60)와,상기 유도가열기(60)를 통과한 강판의 도금량을 측정하는 도금량 측정기(70)와,작업중인 강판의 합금화도를 측정하는 Fe 합금화도 측정기(80)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유도 가열로 자동제어 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유도가열출력제어기(50)는 상기 시퀀스 제어기(51)와 피드백 제어기(52)로 구성됨을 특징으로 하는 유도 가열로 자동제어 장치.
- 제 1 항에 있어서, 강판 크기에 대한 유도가열 전력 설정값은 " Y = 0.0948X + 564.37 (여기서, Y = 유도가열전력 X = 강판 크기) " 에 의해 구해짐을 특징으로 하는 유도 가열로 자동제어 장치.
- 제 1 항에 있어서, 라인 속도에 대한 유도가열 전력 설정값은 " Y = 4.8527X + 630.51 (여기서, Y = 유도가열전력 X = 라인 속도) " 에 의해 구해짐을 특징으로 하는 유도 가열로 자동제어 장치.
- 제 1 항에 있어서, Fe 합금화도에 대한 유도가열 전력 설정값은 " Y = 80.322X - 357.22 (여기서, Y = 유도가열전력 X = Fe 합금화도) " 에 의해 구해짐을 특징으로 하는 유도 가열로 자동제어 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020000077358A KR20020048087A (ko) | 2000-12-16 | 2000-12-16 | 철 합금화도계를 이용한 유도 가열로 자동제어 장치 |
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|---|---|---|---|
| KR1020000077358A KR20020048087A (ko) | 2000-12-16 | 2000-12-16 | 철 합금화도계를 이용한 유도 가열로 자동제어 장치 |
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| KR20020048087A true KR20020048087A (ko) | 2002-06-22 |
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