[논문]다구찌 방법을 이용한 밀스케일 재활용에 대한 공정변수의 최적화

백석흠; 주원식; 김창기; 정유엽; 신상운; 홍순혁

다구찌 방법을 이용한 밀스케일 재활용에 대한 공정변수의 최적화
Optimization of Process Parameters for Mill Scale Recycling Using Taguchi Method 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.25 no.2 = no.203, 2008년, pp.88 - 95

백석흠 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 주원식 (동아대학교 기계공학과) , 김창기 ((주)동아 이엔씨) , 정유엽 ((주)동아 이엔씨) , 신상운 (양산대학 전기전자기계) , 홍순혁 (부경대학교 산업과학기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

With society focusing more and more on environmental issues, the recycling of materials of all types has become an important concern. In this paper, optimization method is developed for reducing cost and improving quality in mill scale recycling. An experimental investigation into the process parameter effects is presented to determine the optimum configuration of parameters for performance, quality and cost. Taguchi's optimization approach was used to obtain the optimal parameters. The significant parameters were identified and their effects on mill scale recycling were studied. As a results, a confirmation experiment with the optimal levels of process parameters was carried out in order to demonstrate the effectiveness of the Taguchi method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4에서 평가된 4가지의 주요공정변수에 대한 SN비 주효과(main effect)를 표시한 것이다. SN비에 대한 주효과는 분산분석과 비교해서 정확한 인과관계를 구하기 위한 것이 아니라 반응 값의 입력효과와 나머지 효과로 분해하여 두 효과의 비를 설계평가에 이용하기 위한 것이다. 결측값이 있을 경우 SN비에 대한 주효과는 공정변수의 설계 방향을 결정하는데 효과적인 정보를 얻을 수 있다.

가설 설정

(2) 공정의 각 과정의 실험은 고가의 비용이고 많은 시간이 소요된다. 본 논문의 실험 결과는, 직교배열표의 실험계획에 따라 예정대로 실험자료를 얻지 못하는 결측값이 존재한다.

제안 방법

따라서 직교배열표 실험에 현장의 관찰 자료 (observational d*" ata) 를 혼합하여 효과가 큰 공정변수의 민감도 결정 방법을 제안한다. 제안된 방법의 실험결과로부터 다음과 같은 특성을 고찰하였다.
SN비에 가장 좋은 효과를 주는 공정변수를 선택하고 다른 공정변수의 몇몇 조합으로부터 SN 비와 평균 반응을 예측한다. 그러므로 결측값 처리가 분석 결과에 얼마나 영향을 미치는지 평가할 수 있다.
이 경우는 정확한 통계량 추정이 가능하지 않다. 따라서 결측값 처리는 축차근사법과 반응값의 입력효과와 나머지 효과로 분해하여 두 효과의 비를 설계에 평가하는 SN 비를 이용하여 공정변수의 민감도를 해석하고 최적 수준을 결정하였다. 최적수준의 재현성은 오차 5.
밀스케일 환원특성에 대한 예비실험은 표준직교 배열표 L27에 8개 공정변수(고정탄소량, 입도, 결합제 종류, 성형두께, 성형조건, 건조온도, 환원 시간, 열처리 온도)를 고려하였다.
시험편 제작과정은 원료계측, 혼합, 방전, 몰드 성형, 건조 과정 후에 소형전기로(muffle box furnace)를 이용하여 소결하였다. 소결온도는 각각 1501,5001, 8*C 00 경우에 대해 가열 후 30분간 유지하고 공냉하여 완성하였다.
비교적 일치하므로 재현성이 있다고 판단된다. 얻은 조건으로 확인실험을 수행하여 실제 실험결과와 분석한다.
입도의 크기는 기계적 강도에 영향을 미치는 입자간의 접촉면적과 관련된다. 연구대상의 밀스케일 입도는 1 mm이상이 약 30 % 이상이므로, 조대한 입자로 구성된 물질의 성형에 적합한 단광법을 이용하였다. 생산성 및 환원에 필요한 혼합물의 비용을 고려해서 성형재는 직육면체 형상의 20 mmx30 mmX30 mm 크기로 결정하였다.
일반적인 민감도 해석은 SN 비에 대한 분산분석 (analysis of variance)을 이 용해서 SN비 에 유의한 영향을 주는 설계변수 수준을 평가한다. 최적 수준은 다시 확인 실험을 통해 최적이라고 추정한 값과 비교하여 재현성을 평가하고 시험조건을 표준화한다.

대상 데이터

결합제는 성형물의 강도를 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다. 결합 형태에 따라 모제 (matrix), 필름 (film), 화학 (chemical) 결합제가 있는데 본 연구에서는 모제 결합제로 당밀(molasses)과 필름 결합제로 벤토나이트 (bentonite)를 선정하였다.
있다. 본 연구에서는 탄소로 분류되는 석탄(coal) 과 코크스(cokes)중에 비용면에서 상대적으로 환원율이 좋은 금속 코크스(metallurgical cokes)를 이용하였다. 또한 혼합물의 점결성 이 유지 되지 않으면 운반 및 장입 시 비산 또는 재분진화가 초래되므로 성형물의 강도는 중요하다.
연구대상의 밀스케일 입도는 1 mm이상이 약 30 % 이상이므로, 조대한 입자로 구성된 물질의 성형에 적합한 단광법을 이용하였다. 생산성 및 환원에 필요한 혼합물의 비용을 고려해서 성형재는 직육면체 형상의 20 mmx30 mmX30 mm 크기로 결정하였다. .
Table 2는 결합제 배합비율에 작용하는 강도를 평가하기 위한 12 회의 실험 조건을 나타낸 것이다. 전체 시험편은 동일하게 밀스케일과 코크스 합계 중량 266 g, 물 21 g을 첨가하였다. Fig.

이론/모형

산포가 있는 경우가 많다.3 금속화율에 대한효과가 큰 공정변수 선택을 목적으로 한다면 결측값 추정은 Fisher-Yates 방법이 있지만 본 논문은 범용성이 높은 죽차근사법 (successive approximation)을 이용한다.축사근사법의 순서는 다음과 같다.
이 근사모델로 결측값을 추정하고 이를 제 1차 근사값으로 한다. 근사모델은 변수 r가 등간격일 때 각 변수의 차수 항이 분해 가능한 식 (2)의 형태인 Chebyshev 직교다항식 (orthogonal polynomial)을 이용하였다.
따라서 본 연구는 선철 공정비용과 효율개선 방향을 결정하기 위해 다구찌 방법(Taguchi method)3, 4 을 이용하였다. 다구찌 방법의 두 가지 중요한 수단은 반응을 평가하는 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio: SN비)와 직교배열표(orthogonal array) 이다.
밀스케일을 이용한 전처리 공정에서 선철 회수에 영향을 미치는 공정변수의 민감도 해석과 최적 조건을 얻기 위해 다구찌 방법을 이용하였다.
본 논문은 밀스케일을 럼프 상태로 성형하여 효율적으로 선철을 회수하는 직접환원철 공정과 이에 공정변수 민감도 해석을 다구찌 방법들을 이용하여 적용하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
4는 금속화율에 대한 공정변수의 민감도를 파레토 챠트(Pareto chart)를 이용해서 나타낸 것이다. 이 차트에서 효과의 절대값은 Lenth's 방법을 이용하여 참조선으로 표시된다. 참조선을 지나 뻗어 있는 효과는 잠재적으로 중요하다는 의미이다.

성능/효과

3은 Table 2의 실험 경우에 대해 소결 온도와 성형재의 압축강도 관계를 나타낸 것이다. 벤토나이트만 사용할 경우 소결온도가 높을수록 강도가 큰 폭으로 증가하였고, 당밀만 사용할 경우 반대로 소결 온도가 낮을수록 강도가 증가하는 경향을 보인다. 이러한 이유는 당밀은 벤토나이트에 비해 약 50P 이상부터 연소되는 특성을 가지고 있으므로 강도가 상온의 건조 상태보다 낮게 나타나는 것으로 판단된다.
결측값이 있을 경우 SN비에 대한 주효과는 공정변수의 설계 방향을 결정하는데 효과적인 정보를 얻을 수 있다. 전체적으로 공정변수 민감도 크기와 수준은 고정탄소량(XI), 열처리 온도(X4)는 3수준으로 증가할수록, 성형두께(X2), 입도(X3)는 1수준으로 감소할수록 각 반응값의 특성이 좋아진다, 따라서 압축강도를 높게 하면 최종적으로 선철을 회수하는 금속화율이 높아짐을 알 수 있다.
파레토 챠트 결과는 다음의 두 가지 정보를 얻을 수 있다. 첫째, 금속화율에 영향을 주는 지배적 공정변수는 열처리 조건이고 교호작용의 영향은 작다는 것이다. 일반적으로 밀스케일의 혼합공정에서 성형 재의 강도와 환원특성은 입도와 고정탄소량을 조절하는 방법을 사용한다.

참고문헌 (20)

Teng, S. C., Chien, Y. T. and Ko, Y. C., 'Effect of Forms of B $_{2}$ O $_{3}$ -SiO $_{2}$ as An Additive on Magnetic Properties of SrFe $_{12}$ O $_{19}$ Ferrites,' J. Materials Science, Vol. 27, No. 10, pp. 2665-2669, 1992

상세보기
Yoon, J. K. and Shin, J. D., 'Introduction to Ferrous Metallurgy,' Daewoong Publishing, pp. 611-619, 2004
Phadke, M. S., 'Quality Engineering Using Robust Deisgn,' Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1989
Peace, G. S., 'Taguchi Methods,' Addison-Wesley Publishing Company, 1993
Rao, C. R., 'Factorial Experiments Derivable from Combinatorial Arrangements of Arrays,' Journal of Royal Statistical Society, Series B, Vol. 9, No. 1, pp. 128-139, 1954
Yokoyama, Y. and Taguchi, G., 'Business Data Analysis: Experimental Regression Analysis,' Maruzen, 1975
Sundaresan, S., Ishii, K. and Houser, D. R., 'Procedure using Manufacturing Variance to Design Gears with Minimum Transmission Error,' ASME J. Mech. Des., Vol. 113, No. 3, pp. 318-324, 1991

상세보기
Otto, K. N. and Antonsson, E. K. 'Extensions to the Taguchi Method of Product Design,' ASME J. Mech. Des., Vol. 115, No. 1, pp. 5-13, 1993

상세보기
Ku, K. J., Rao, S. S. and Chen, L., 'Taguchi-Aided Search Method for Design Optimization of Engineering Systems,' Engineering Optimization, Vol. 30, No. 1, pp. 1-24, 1998

상세보기
Park, G. J., 'A Design Methodology with Orthogonal Arrays Using Experiments and Computer Simulations,' Trans. of the KSME (A), Vol. 28, No. 7, pp. 885-895, 2004

원문보기 상세보기
Ramsey, F. L. and Schafer, D. W., 'The Statistical Sleuth: A Course in Methods of Data Analysis, Second Edition,' Duxbury Press, pp. 10-234, 2001
Godolphin, J. D., 'Reducing the Impact of Missing Values in Factorial Experiments Arranged in Blocks,' Quality and Reliability Engineering International, Vol. 22, No. 6, pp. 669-682, 2006

상세보기
Ceylan, Z. and Trabia, M., 'Optimization of the Closure-Weld Region of Cylindrical Containers for Long-Term Corrosion Resistance Using the Successive Heuristic Quadratic Approximation Technique,' ASME J. Mech. Des., Vol. 125, No. 3, pp. 533-539, 2003

상세보기
Gautschi, W., 'Orthogonal Polynomials: Application and Computations, Acta Numerica,' Oxford University Press, pp. 45-119, 1996
Kashiwamura, T., Shiratori, M., Yu, Q. and Kohda, I., 'Structural Optimization Using the Design of Experiments and Mathematical Programming,' Trans. of the JSME (A), Vol. 62, No. 601, pp. 2180-2185, 1996
Baek, S. H., Hong, S. H., Cho, S. S. and Joo, W. S., 'Multi-objective Optimization in Discrete Design Space using RSM-Based Approximation Method,' The Third China-Japan-Korea Joint Symposium on Optimization of Structural and Mechanical Systems (CJK-OSM3), pp. 125-130, 2004
Baek, S. H., Cho, S. S., Kim, H. S. and Joo, W. S., 'Tarde-off Analysis in Multi-objective Optimization Using Chebyshev Orthogonal Polynomials,' Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 20, No. 3, pp. 366-375, 2006

원문보기 상세보기
Lenth, R. V., 'Quick and Easy Analysis of Unreplicated Factorials,' Technometrics, Vol. 31, pp. 469-473, 1989

상세보기
Minitab, 'MINITAB User's Guide #2: Data Analysis and Quality Tools,' Minitab Inc., 2000
Baek, N. K. and Kim, D. E., 'Optimization of Laser Lithography Micropatterning Technique Based on Taguchi Method,' J. KSPE, Vol. 19, No. 7, pp. 59-63, 2002

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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