KR100424816B1 - 크롬 함유 용강의 진공정련장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 VOD(Vaccum Oxygen Decarburization) 등의 진공정련 용기에서 스테인레스강 등의 크롬 함유 용강(11)을 정련할 때 용강(11) 중 탄소농도를 예측하여 최적의 취련을 가능하게 하는 진공정련장치 및 진공정련방법에 관한 것으로서, 특히 배가스의 유량을 정확하게 측정하기 위하여 배가스유량계(16)의 위치를 워터링펌프(15)의 후방에 위치시키고, 이들 배가스 정보로부터 탈탄진행율을 구하고, 이를 기준으로 목표 탄소함량까지의 정련시간을 구하여 이 정련시간 이후의 산소취입유량을 제어하여 이에 의하여 용강(11)의 취련시 금속성분의 과산화를 간단하고도 정확하게 그리고 효과적으로 예방할 수 있도록 한다.

Description

크롬 함유 용강의 진공정련장치{Vacuum Oxygen decarburization apparatus of chromium comprising melting steel}

본 발명은 VOD(Vaccum Oxygen Decarburization, 이하 VOD) 등의 진공정련 용기에서 스테인레스강 등의 크롬 함유 용강을 정련할 때 용강 중 탄소농도를 예측하여 최적의 취련을 가능하게 하는 진공정련장치에 관한 것이다.

진공정련에서 크롬 함유 용강 정련은 진공 분위기에서 렌스를 이용하여 기체 산소를 용강 상부에 분사하여 탄소 등의 불순물을 산화 제거하여 용강을 제조하는 공정으로서 품질과 원가 측면을 고려할 때 정련 중 용강의 탄소농도를 모니터링하여 목표 탄소농도에서 취련을 중단하는 취련 제어는 매우 중요하다. 그러나, 진공정련용기 내부에서의 제어 인자는 무수히 많기 때문에 종점 탄소농도를 예측하기 위해서는 고도의 기술이 필요하다. 종래의 취련 제어 방법으로는 정적 제어와 배가스 정보를 이용한 동적 제어가 있다.

정적 제어는 정련 전에 용강의 초기 조성과 목표 조성으로부터 취입 산소량 등의 기본적인 작업 조건을 미리 결정하는 방법으로서 탄소농도의 제어 정도는 극히 낮다.

배가스 정보를 이용한 동적 제어는 취련 중 발생하는 배가스 조성 정보를 이용하여 취련 종점을 제어하는 방법이다. 통상 진공정련 시스템의 내부에는 유량계가 설치되어 있지 않으므로 탄소 발란스를 해석할 때에는 레이들 하부에서 용강 교반용으로 취입되는 아르곤이나 질소 발란스를 이용하여 배가스 유량을 역으로 추정하는 것이 일반적이다. 배가스 중의 탄소산화물(CO, CO₂) 등의 농도를 측정하고, 역으로 추정된 배가스 유량으로부터 탈탄속도를 연산하며, 탈탄속도를 취련시간에 대하여 적분함으로써 총탈탄량을 구하는 방식으로 용강 중 탄소농도를 산정한다. 이 제어 방법은 배가스 정보가 입수되는 싸이클마다 실제 정보에 의해 탄소농도를 예측하므로 예측치가 신속하고 연속적으로 갱신된다는 장점이 있는 반면, 탈탄속도 계산에 사용되는 배가스 유량정보는 추정치에 의존할 수 밖에 없기 때문에 부정확하다는 큰 문제점도 안고 있다. 배가스 정보를 이용한 취련의 실시간 제어 방법에 관한 공지기술은 많지만 실제 조업에 성공적으로 적용된 사례는 없다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해소하기 위한 것으로 진공 시스템 외부에 별도의 유량계를 설치하여 취련 개시부터 일정한 시간 간격으로 배가스 정보 즉, 배가스 조성, 유량 및 정련가스 취입 정보를 연속적으로 측정하여 용강 중 탈탄속도와 탄소농도를 실시간으로 예측하고, 현재의 탈탄 추이를 계속 관찰하여 목표치에 도달하기 위해서 필요한 정련 시간을 매 싸이클마다 제시함으로써 크롬 함유 용강의 정련 제어를 효과적으로 실시하는 진공정련장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 크롬 함유 용강의 진공정련장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 종래의 진공정련방법과 본 발명의 진공정련방법에서의 실적 탄소농도와 계산치 잔차의 도수분포표이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 하드웨어부 11 : 용강

12 : 레이들 13 : 렌스

14 : 배가스분석계 15 : 워터링펌프

16 : 배가스유량계 20 : 소프트웨어부

21 : 탄소농도계산부 22 : 탈탄속도계산부

23 : 탈탄진행율연산부 24 : 산소취입제어부

25 : 정보표시기

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 크롬 함유 용강의 진공정련장치는 용강(11)을 수용하는 레이들(12)과, 레이들의 상부에 위치하여 기체상의 산소를 분사하는 렌스(13)와, 레이들(12)로부터 방출되는 배가스를 배출하는 배기관에 연결 설치되어 그 내부를 통과하는 배가스 중의 탄소산화물의 농도를 일정주기로 측정하여 전기신호로 변환시킨 후 소프트웨어부(20)에 전달하는 배가스분석계(14)와, 배기관에 연결되는 워터링펌프(15)의 후방에 위치하여 배기관의 내부를 통과하는 배가스의 유량을 배가스분석계(14)와 동일한 주기로 측정하여 전기신호로 변환시킨 후 소프트웨어부(20)에 전달하는 배가스유량계(16)를 포함하여 이루어지는 하드웨어부(10); 배가스분석계(14)와 배가스유량계(16)로부터 전달되는 전기신호를 연산하여 탄소농도를 계산하는 탄소농도계산부(21)와, 배가스분석계(14)와 배가스유량계(16)로부터 전달되는 전기신호와 렌스(13)로부터 산소의 유량을 측정하여 전기신호로 변환된 출력신호를 연산하여 탈탄속도를 계산하는 탈탄속도계산부(22)와, 탄소농도계산부(21)로부터 출력되는 출력신호로부터 탈탄진행율을 연산하는 탈탄진행율연산부(23)와, 탈탄속도계산부(22)와 탈탄진행율연산부(23)들로부터 출력되는 출력신호로부터 정련시간을 계산하여 산소취입을 제어하는 산소취입제어부(24)로 이루어지는 소프트웨어부(20);를 포함하여 이루어진다.

여기서, 소프트웨어부(20)의 산소취입제어부(24)에서 탄소농도를 감시할 수 있도록 탄소농도를 디스플레이하는 정보표시기(25)가 연결 설치되고, 이 정보표시기(25)는 음극선관(CRT ; Cathod Ray Tube), 프린터, 평판디스플레이 중 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 크롬 함유 용강 진공정련장치를 이용한 진공정련방법은 레이들(12)로부터 방출되는 배가스를 배출하는 배기관에 연결 설치되는 배가스분석계(14)에서 그 내부를 통과하는 배가스 중의 탄소산화물의 농도를 일정주기로 측정하여 전기신호로 변환시킨 후 소프트웨어부(20)에 전달하고, 배기관에 연결되는 워터링펌프(15)의 후방에 위치하도록 설치된 배가스유량계(16)에서 배기관의 내부를 통과하는 배가스의 유량을 배가스분석계(14)와 동일한 주기로 측정하여 전기신호로 변환시킨 후 소프트웨어부(20)에 전달하며, 소프트웨어부(20)의 탄소농도계산부(21)에서 배가스분석계(14)와 배가스유량계(16)로부터 전달되는 전기신호를 연산하여 탄소농도를 계산하고, 소프트웨어부(20)의 탈탄속도계산부(22)에서 배가스분석계(14) 및 배가스유량계(16)로부터 전달되는 전기신호와 렌스(13)로부터 산소의 유량을 측정하여 전기신호로 변환된 출력신호를 연산하여 탈탄속도를 계산하며, 소프트웨어부(20)의 탈탄진행율연산부(23)에서 탄소농도계산부(21)로부터 출력되는 전기신호로부터 탈탄진행율을 연산하고, 소프트웨어부(20)의 산소취입제어부(24)에서 탈탄속도계산부(22)와 상기 탈탄진행율연산부(23)로부터 출력되는 전기신호를 연산하여 탈탄목표치에 도달할 때까지의 탈탄시간을 정련시간으로 하여 산소취입량을 제어한다.

본 발명에 따른 크롬 함유 용강의 진공정련장치는 통상의 진공정련장치의 배기관을 통하여 유출되는 배가스 중의 탄소산화물의 농도와 배가스의 배출량 등의 배가스 정보를 이용하여 이들로부터 탈탄진행율을 구하고, 이 탈탄진행율로부터 탈탄목표치에 도달할 때까지의 탈탄시간을 정련시간으로 하여 이를 기준으로 산소취입유량을 제어함으로써 용강(11)의 취련시 금속성분의 과산화를 방지토록 이루어짐을 특징으로 한다.

[본 발명의 탈탄속도 및 탄소농도 예측법]

크롬 함유 용강(11)의 진공정련에서 탄소는 가스로 제거되므로 배가스 유량 Qoff(t)만 정확하게 측정된다면 탈탄속도는 하기 수학식 1로 표현할 수 있다. 하기 수학식 1의 탈탄속도 계산은 소프트웨어부(20)의 탈탄속도계산부(22)에서 실시된다.

여기에서, t : 취련 경과 시간,

: 보정 전 배가스 유량에 의해 계산된 t에서의 탈탄 속도,

W_ST(t) : t에서의 용강 중량,

CO(t),CO₂(t) : t에서의 CO, CO₂농도,

k : 단위 환산인자 및

Q_off(t) : t에서의 배가스 유량이다.

상기 수학식 1로 표시된 탈탄속도()는 한 싸이클 동안의 순간값이므로 탈탄속도를 정련시간에 대하여 적분하면 취련 개시부터 현재까지의 총탈탄량을 구할 수 있으므로 이를 하기 수학식 2로 표시할 수 있다.

여기에서,: 배가스 유량 보정전 취련개시부터 t까지의 %로 표시되는 총탈탄량이다.

따라서, 진공정련 산소취입 단계에서 배가스 조성 및 보정을 실시하지 않은 배가스 유량 데이터로부터 예측된 탄소농도는 하기 수학식 3과 같이 진공정련초기의 탄소농도에서 배가스유량 보정전 취련개시로부터 t까지의 %로 표시되는 총탈탄량의 차로서 표시된다.

여기에서,: 보정 전 배가스 정보로부터 예측한 t에서의 탄소 농도,

: 진공 정련 초기의 탄소농도이며,,및의 단위는 동일하다.

배가스 유량계는 진공 시스템 외부에 위치하므로 유량 손실은 불가피하다. 따라서, 상기 수학식 1을 취련제어에 직접 사용할 수는 없으며, 기존의 조업 실적과 비교하여 보정 파라메타를 결정하는 학습과정이 필요하다. 용강(11)의 초기 탄소농도, 산소취입 단계 후의 탄소농도를 알면 실제 탈탄량를 계산할 수 있으며, N히트의 조업 실적의 평균치로부터 배가스 유량 보정 파라메타를 하기 수학식 4와 같이 구할 수 있다.

여기에서, λ는 배가스 유량의 보정 파라메타, 아래 첨자 i는 i번째 히트를 의미하며, λ는 무차원수이다.

진공 시스템 외부에 설치된 배가스유량계(16)는 유량 손실에도 불구하고 재현성은 매우 뛰어나다. 보정 파라메타를 이용하여 보정 후 배가스 유량에 의해 계산된 t에서의 탈탄속도는 상기 수학식 1을 정리하여 하기의 수학식 5로 표시할 수 있다.

여기에서,: 보정후 배가스 유량에 의해 계산된 t에서의 탈탄속도이다.

마찬가지로 취련 개시부터 t까지의 총탈탄량은 상기 수학식 2를 정리하여 하기 수학식 6으로 표시할 수 있다.

진공정련 산소 취입 단계에서 배가스 조성 및 보정 실시후의 배가스 유량 데이터부터 예측된 탄소농도(C(t))는 진공 정련 초기의 탄소농도()에서 취련 개시부터 t까지의 총탈탄량()의 차로 하기 수학식 7과 같이 표현 할 수 있다.

여기에서, C(t) : 보정 후 배가스 정보로부터 예측한 t 에서의 탄소 농도이다.

[본 발명의 크롬 함유 용강의 정련 제어 방법]

크롬 함유 용강(11)의 진공정련에서는 산소 취입 종료 시점의 목표 탄소농도가 있으므로, 임의의 취련 경과 시간 t에서의 탈탄 진행율은 다음과 같은 간단한 수식으로 표시할 수 있다. 산소 취입 종료 시점에서의 목표 탄소 농도를이라 하면 취련 경과 시간 t까지의 탈탄 진행율(%) R(t)는 하기 수학식 8로 표시될 할 수 있다. 상기 수학식 2 내지 수학식 7의 계산은 탈탄진행율연산부(23)에서 실시된다.

또한, 취련 경과시간 t에서 목표 탈탄량,을 t에서의 탈탄 속도()로 나누어 주면 목표치에 도달하기 위해서 필요한 정련 시간으로, 하기 수학식 9로 표시할 수 있다.

상기 수학식 9의 분모인 t에서의 탈탄 속도()와 t에서의 탄소농도(C(t))는 계산 싸이클마다 매번 변하며,에 이르면 정련 시간는 0이 되므로, 이 시점에서 취련을 중단하여 목표 탄소 농도를 적중시킨다. 상기 수학식 8 내지 수학식 9는 산소취입제어부(24)에서 실시된다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

포항제철소의 제련공장에 설비된 진공정련장치를 사용하여 실제 크롬 함유 용강(11)을 통상의 방법에 의하여 정련함에 있어, 90톤 VOD를 대상으로 본 발명에 의한 탄소농도 예측의 정확도를 종래의 정적제어법에 의한 예측정도와 비교하여 평가하였다. 종래법에 의한 73히트의 조업 데이터와 본 발명에 의한 59히트의 조업 데이터를 분석하여 그 결과를 도 2에 도수분포표로 나타내었다. 실적치와 계산치의 차이인 잔차의 표준편차는 정적제어만을 실시한 경우의 0.029%에서, 배가스 정보를 이용한 본 발명의 제어법을 실시한 경우 표준편차 0.012%로 크게 향상되었으며, ±0.02%의 적중율은 66%에서 92%로 대폭 향상되었음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 용강(11)의 취련에서 목표하는 탄소농도에 달하는 시점을 정확하게 구하여 이를 바탕으로 산소취입유량을 최적으로 변화시킬 수 있으므로 금속성분의 과산화를 크게 감소시킬 수 있으므로 크롬 함유 용강의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 환원제로서 사용되는 고가의 원료인 훼로실리콘 등의 사용량을 크게 줄일 수 있으므로 원가를 절감할 수 있다.

Claims (4)

1. (정정)용강을 수용하는 레이들과, 상기 레이들의 상부에 위치하여 기체상의 산소를 분사하는 렌스와, 상기 레이들로부터 방출되는 배가스를 배출하는 배기관에 연결 설치되어 그 내부를 통과하는 배가스 중의 탄소산화물의 농도를 일정주기로 측정하여 전기신호로 변환시킨 후 소프트웨어부에 전달하는 배가스분석계와, 상기 배기관에 연결되는 워터링펌프의 후방에 위치하여 상기 배기관의 내부를 통과하는 배가스의 유량을 상기 배가스분석계와 동일한 주기로 측정하여 전기신호로 변환시킨 후 상기 소프트웨어부에 전달하는 배가스유량계를 포함하여 이루어지는 하드웨어부;

   상기 배가스분석계와 상기 배가스유량계로부터 전달되는 전기신호를 연산하여 탄소농도를 계산하는 탄소농도계산부와, 상기 배가스분석계와 상기 배가스유량계들로부터 전달되는 전기신호와 상기 렌스로부터 산소의 유량을 측정하여 전기신호로 변환된 출력신호를 연산하여 탈탄속도를 계산하는 탈탄속도계산부와, 상기 탄소농도계산부로부터 출력되는 출력신호로부터 탈탄진행율을 연산하는 탈탄진행율연산부와, 상기 탈탄속도계산부와 상기 탈탄진행율연산부들로부터 출력되는 출력신호로부터 정련시간을 계산하여 산소취입을 제어하는 산소취입제어부로 이루어지는 소프트웨어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 크롬 함유 용강의 진공정련장치.
2. (정정)제 1 항에 있어서,

   상기 소프트웨어부의 산소취입제어부에서 탄소농도를 감시할 수 있도록 탄소농도를 디스플레이하는 정보표시기가 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 크롬 함유 용강의 진공정련장치.
3. (정정)제 2 항에 있어서,

   상기 정보표시기가 음극선관(CRT ; Cathod Ray Tube), 프린터, 평판디스플레이 중 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 크롬 함유 용강의 진공정련장치.
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