[논문]열연 마무리 압연공정 압연롤 회전속도 설정 기술 개발

홍성철; 이해영

doi:10.5207/jieie.2013.27.11.047

열연 마무리 압연공정 압연롤 회전속도 설정 기술 개발
Development of Technology for Setting Rolling Speed of Finishing Rolling Process in Hot Strip Mill 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.11, 2013년, pp.47 - 56

홍성철 (영남대학교 전기공학과) , 이해영 (영남대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Rolling speed, roll gap, and cooling pattern in hot strip finishing mill process should be determined before inserting strip into roll. Such parameters are initially calculated by a mathematical set-up model. The technique to find adequate roll speed via a mathematical model has inherently limit because required working conditions are various and rolling process is nonlinear. To improve the accuracy of initial rolling speed for a finishing mill, this paper suggests a correction technology for initial rolling speed. The proposed method was implemented in hot strip mill process. As the results, the magnitude of width error in strip head-end part caused by excessive strip tension was decreased remarkably.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 마무리 압연기에서 초기 압연속도의 설정 정도를 향상시키기 위한 보정 방법을 제안하였다. 먼저 초기 압연속도 보정량 계산에 적합한 조업정보를 루퍼에 의한 보정과정의 평균 보정율로 선정한 후 그에 대한 타당성을 입증하였고, 다음 소재에 반영할 평균 보정율을 계산할 수 있는 실험식을 제안하여 조업데이터로 튜닝한 후, 제안된 식이 합리적인 보정 율을 출력함을 입증하였다.
본 논문에서는 마무리 압연이 안정된 과정에서 루퍼와 운전자의 보정 정보를 이용하는 방법을 제안한다. 먼저 압연 속도의 최종 목표값이 계산되는 과정을 순차적으로 살펴 본다.
본 논문에서는 초기 압연속도의 알맞은 보정량 계산에 적합한 조업정보로서 ‘보정과정의 평균 보정 율’을 제안한다.
하나의 셋내에는 하나 내지 수십 개의 소재들이 있다. 본 논문은 하나의 셋내에 있는 소재들에 대한 압연조건이 큰 차이가 없는 경우에 대해 다룬다. 그 이유는 실제 작업에서도 하나의 셋은 그와 같은 소재들의 조합으로 구성될 수밖에 없기 때문이다.
압연속도는 제품품질향상 및 공정의 안정된 운영(소재의 안정된 이송)을 위해 중요하며 특히 과장력에 관련된 핵심 변수이므로, 본 논문은 마무리 압연기에서 압연기 초기설정 변수들 중에 압연속도의 예측 정밀도 향상 기법을 다루며, 구체적으로는 학습 성능을 향상시킬 수 있는 특별한 보정 방법을 제안하고, 조업 데이터를 이용하여 개발된 기술의 유용성을 입증하며 나아가 실제 압연설비에 적용한 결과도 실용성이 있음을 보인다.
Act)’을 비교하였다. 이와 같은 확인 과정은 미리 예측된 압연속도 보정율이 압연을 통해 얻은 실제 압연속도 보정율을 어느 정도 예측할 수 있는지를 검증 하는 것이다.

제안 방법

마무리 압연공정에서 발생 가능한 모든 조업조건들이 최대한 포함되도록 약 2만개의 코일에 대한 조업 실적 데이터를 수집하여, 소재 선단부 압연 시 루퍼 각도 범위에 따라 세 개의 그룹(15°미만, 15°이상～25°이하 및 25°초과인 경우들)으로 나누어 각 그룹별로 회귀분석을 통해 bi , i = 1,2,3,4, 를 결정하였다.
본 논문에서 제안된 평균 보정율을 이용하면 선단부에서 발생하는 선진율 예측 오차에 따른 문제를 억제할 수 있음이 조업데이터를 이용하여 입증되었지만, 제안된 방법의 실용성을 더욱 확실히 보이기 위해, 위와 같은 보정 방법을 열연공장내의 전산시스템에 프로그램으로 구현하여 시험하였다.
위와 같은 방법으로 예측된 선진율의 정밀도를 확인 하여 보기위해, 도플러 효과를 활용한 레이저 속도 측정시스템을 소재의 아래쪽에 설치하여 압연중에 소재 아래쪽 표면 속도를 측정하는 방법으로 선진율을 구 했다. 그림 1은 측정된 선진율과 위 식으로 예측된 선진율을 보인 것인데, 서로 차이가 크며, 동일한 압하율 작업조건에서도 측정된 선진율들이 변동됨을 알 수 있다.
위와 같은 효과가 실제로 발생하는지와 발생한다면 어느 정도인지를 확인하여 보기 위해, 유사한 특성을 갖는 6개의 강종들 중 1번 강종에만 본 논문에서 제안된 보정 방법을 적용하여 압연을 실시한 후, 강종별로 작업된 모든 소재들의 선단부최대 폭 변동 실적들을 수집(대략 맨 앞부터 20m 정도까지만 측정)하여 강종별 평균값을 비교하였다.
또한 마찰계수는 주로 압연속도, 롤 표면 상태 및 윤활유 등과 같은 작업롤 조업조건들에 의해 주로 영향을 받는다[6-7]. 초기 설정 계산에서는 선진율을 가장 큰 영향을 주는 압하율만의 함수로 계산하였으므로, 그 외 선진율과 상관관계가 높은 인자들을 찾기 위해, 마찰 계수 및 소재 두께와 관련이 있으면서도 측정이 가능한 물리량들로 압연속도, 선압연력 등을 선정하였고, 마무리 압연기 4번 스탠드에서 측정된 선진율과 위 두 가지 물리량들과의 상관관계를 피어슨 상관계수(r_xy) 인 식 (6)을 이용하여 분석하였다.

데이터처리

Lrn의 계산 방법이 실제 활용될 수 있는 값을 출력하는지를 검증하기 위해, 연속 하여 압연된 300개 소재에 대해 ‘제안된 식으로 계산한 평균 보정율(Cri. Lrn)’과 ‘실제 해당 소재에 대한 조업데이터를 이용하여 계산된 보정과정의 평균 보정율 (Cri. Act)’을 비교하였다.
본 논문에서 제안된 ‘보정과정의 평균 보정율’이 하나의 셋내에서 다음에 작업할 소재의 초기 압연속도에 대한 보정량을 계산하는데 사용될 수 있는 성질을 가지고 있는 물리량인 지를 검증하기 위하여, 한 롤단위(두께: 1.4〜12mm, 폭: 900〜1,400mm, 강종: 탄소강) 작업 시 획득한 78개 코일에 대한 조업데이터에서‘선단부 루퍼 각도(계측값)’와 ‘보정과정의 평균 보정율(조업데이터를 이용하여 계산한 값)’의 관계를 확인 하였다.

성능/효과

먼저 초기 압연속도 보정량 계산에 적합한 조업정보를 루퍼에 의한 보정과정의 평균 보정율로 선정한 후 그에 대한 타당성을 입증하였고, 다음 소재에 반영할 평균 보정율을 계산할 수 있는 실험식을 제안하여 조업데이터로 튜닝한 후, 제안된 식이 합리적인 보정 율을 출력함을 입증하였다. 나아가 본 논문에서 제안된 방법의 실용성을 더욱 확실히 보이기 위해, 제안된 보정 방법을 열연공장내의 전산시스템에 프로그램으로 구현하여 시험하여 본 결과, 과다한 장력에 의해 발생되는 선단부 폭 빠짐이 감소하였다.
Act)은 서로 거의 일치 함을 알 수 있다. 따라서 한 셋내에 있는 다음 소재를 압연하기 전에, 수식모델에 의해 계산된 압연속도를 본 논문에서 제안된 보정과정의 평균 보정율을 이용 하여 보정하면, 선단부에서 발생할 수 있는 과장력 및 부족장력 등의 문제를 억제할 수 있음이 명백하다.
본 논문에서는 마무리 압연기에서 초기 압연속도의 설정 정도를 향상시키기 위한 보정 방법을 제안하였다. 먼저 초기 압연속도 보정량 계산에 적합한 조업정보를 루퍼에 의한 보정과정의 평균 보정율로 선정한 후 그에 대한 타당성을 입증하였고, 다음 소재에 반영할 평균 보정율을 계산할 수 있는 실험식을 제안하여 조업데이터로 튜닝한 후, 제안된 식이 합리적인 보정 율을 출력함을 입증하였다. 나아가 본 논문에서 제안된 방법의 실용성을 더욱 확실히 보이기 위해, 제안된 보정 방법을 열연공장내의 전산시스템에 프로그램으로 구현하여 시험하여 본 결과, 과다한 장력에 의해 발생되는 선단부 폭 빠짐이 감소하였다.
위 상관관계를 계산하여 본 결과, ‘선압연력의 제곱’과 ‘수식모델에서 계산된 압연속도’가 선진율과 각각-0.83, -0.85의 상관계수를 갖는 영향이 큰 인자들로 분석되었다.
위와 같은 사실로부터, 본 논문에서 제안된 보정 방법은 초기 압연속도 설정 정밀도를 높여 결과적으로 압연 스탠드들 사이의 소재 흐름 상태를 좋게 하고 과다한 장력에 의해 발생되는 소재 선단부 폭 빠짐을 개선시킴을 알 수 있다.
)보다 크면 루퍼 이전의 스탠드에서 들어오는 소재량이 적정량보다 상대적으로 많은 것이므로 전단 스탠드의 압연속도를 낮추고 선단부 루퍼 각도가 목표값보다 작으면 반대로 압연 속도를 높였기 때문이다. 즉 보정과정의 평균 보정율이 선단부 루퍼 각도와 위와 같은 명확한 물리적 관계를 가지고 있음이 입증되므로, 결국 보정과정의 평균보정율이 하나의 셋내에서 다음에 작업할 소재의 초기 압연속도에 대한 보정량을 계산하는데 필요한 적절한 물리량으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.
표 1은 압연 결과 측정된 조업데이터를 보인 것이다. 표1에서 볼 수 있듯이, 본 논문에서 개발된 보정 방법을 적용한 1번 강종의 소재 선단부 폭 변동 평균값이 위와 같은 보정 방법을 사용하지 않은 경우들에 비해 최소 2mm이상 작음(최소 28%에서 최대 36%개선)을 알 수 있다.

후속연구

마무리 압연기의 작동 과정을 자세히 살펴보면, 선진율 계산의 불확실성으로 인해, 마무리 압연이 시작되기 전에 주어진 소재와 작업조건에 알맞지 않은 압연 속도가 설정되어 있었다고 할지라도, 마무리 압연이 진행되면서 루퍼의 주기적인 보정 및 운전자의 간헐적 보정에 따라 소재의 선단부 이외의 부분에서는 알맞은 압연속도로 운전된다. 따라서 다음에 유사한 제품에 대한 마무리 압연의 초기 압연속도 설정값을 계산할 때는, 위와 같이 압연작업 중에 루퍼와 운전자가 보정 했던 압연속도 정보를 이용하여 수식모델에 의해 계산된 압연속도에 미리 보정을 하여 압연속도를 설정하면 소재의 선단부에서 발생할 수 있는 문제들의 절대적 크기를 낮추거나 발생을 예방하는 것이 가능할 것이다.
마무리 압연기의 작동 과정을 살펴보면, 선진율이 압하율만의 함수 형태로부터 계산됨에 따른 불확실성 으로 인해, 마무리 압연이 시작되기 전에 ‘주어진 소재및 작업조건’에 정확하게 맞지 않은 압연속도가 설정 되어 있었다고 할지라도, 마무리 압연이 진행되면서‘루퍼의 주기적인 보정’ 및 ‘운전자의 간헐적 보정’에따라 소재의 선단부 이외의 부분에서는 알맞은 압연 속도로 운전된다. 따라서 동일한 셋내에서 첫 번째 소재 이후의 소재들에 대한 마무리 압연의 초기 압연속도 설정값을 계산할 때는, 앞의 소재에 대한 압연작업 중에 취득된 조업데이터(예: 루퍼 각도, 루퍼 및 운전자의 압연속도 보정정보 등)를 이용하여 수식모델에 의해 계산된 압연속도에 미리 알맞은 보정을 한 후 보정된 압연속도를 목표값으로 설정하면, 소재의 선단부에서 발생할 수 있는 문제들(과장력, 부족장력)의 절대적 크기를 낮추거나 예방하는 것이 가능할 것임은 명백하다.
만약 초기 압연속도가 이론식으로 계산한 값보다 현실에 좀 더 알맞게 설정된다면, 소재 선단부에 과다 장력이 걸리지 않게 될 것이므로, 결과적으로 과다 장력에 의해 발생되는 소재 선단부의 폭 빠짐이 생기지 않아 소재 선단부에서 폭 변동이 감소하는 효과가 발생할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열간압연공정에서 핵심 설비인 마무리 압연기란 무엇인가?	열간압연공정에서 핵심 설비인 마무리 압연기는 대개 6개 내지 7개 스탠드의 압연기들을 일렬로 늘어놓는 형태로 조합한 것인데, 마무리 압연기를 자동으로 작동시키는데 필요한 소프트웨어의 핵심적 기술은 크게 세 가지이며, 첫째는 ‘압연기 초기설정’, 둘째는 ‘실시간 제어’, 그리고 셋째는 ‘학습’이다[1-2]. 압연기 초기설정은, 작업할 소재가 마무리 압연기에 들어오기 전에 작업조건을 고려하여 압연롤 회전속도(이하 ‘압연속도’라고 함), 압연롤 간격, 그리고 냉각패턴 등을 수학적 모델을 이용하는 방법으로 예측하여 구한 후 압연기의 초기상태를 설정하는 것이다.
	마무리 압연기를 작동시키는데 필요한 기술 중 학습 기능은 무엇인가?	실시간 제어는, 마무리 압연이 시작된 이후부터 센서로부터 필요한 공정변수들을 측정하여 실시간 피드백(Feedback) 또는 피드포워드(Feedforward) 제어들을 하는 것이며, 실시간 제어 기능들의 예를 들면, 자동 두께 제어, 압연속도 제어 및 루퍼장력 제어 등이 있다. 학습은 하나의 소재를 압연한 후 취득된 조업데이터를 이용하여 그 소재에 대한 압연기 초기설정의 값을 보정하는 것이며, 이는 복잡한 물리적 변형이 발생하는 압연 과정을 수학적으로 완전하게 표현하지 못하는 단순화된 수학적 모델을 이용하여 설정되었던 불확실성을 실제 작업을 통해 얻은 데이터로 보정하여 다음에 같은 유형의 소재를 작업할 때 압연기 초기 설정의 정밀 도를 향상시키는데 필수적인 기능이다. 위와 같은 학습 기능은 대개 단순화된 선형식의 형태로 구현되며, 수학적 모델에 포함된 학습용 파라메터들을 측정된 오차에 비례하는 값만큼 더하여 보정하는 방법이 사용된다.
	마무리 압연기를 자동으로 작동시키는데 필요한 소프트웨어의 핵심적 기술 3가지는 무엇인가?	열간압연공정에서 핵심 설비인 마무리 압연기는 대개 6개 내지 7개 스탠드의 압연기들을 일렬로 늘어놓는 형태로 조합한 것인데, 마무리 압연기를 자동으로 작동시키는데 필요한 소프트웨어의 핵심적 기술은 크게 세 가지이며, 첫째는 ‘압연기 초기설정’, 둘째는 ‘실시간 제어’, 그리고 셋째는 ‘학습’이다[1-2]. 압연기 초기설정은, 작업할 소재가 마무리 압연기에 들어오기 전에 작업조건을 고려하여 압연롤 회전속도(이하 ‘압연속도’라고 함), 압연롤 간격, 그리고 냉각패턴 등을 수학적 모델을 이용하는 방법으로 예측하여 구한 후 압연기의 초기상태를 설정하는 것이다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Jarl, M., Friction and forward slip in hot rolling, Scandinavian Journal of Metallurgy, 17, 1988, pp. 2-7.

상세보기
Kwak, W.J., Y.H. Kim, J.H. Lee and S.M. Hwang., A Precision On-line Model for the rediction of Roll Force and Roll Power in Hot-Strip Rolling. Metallurgical and Materials Transactions, 33A, 2002, pp.3255-3272.
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상세보기
Piispanen, V., Forward Slip in the Hot Rolling of Sheet. Scandinavian Journal of Metallurgy, 7, 1978, pp. 88-90.
Moon, Y. H., Jo, I. S. and Van Tyne, C. J., " Control Scheme Using Forward Slip for a Multi-stand Hot Strip Rolling Mill," KSME International Journal, Vol. 18, No. 6, pp. 972-978, 2004.

저자의 다른 논문 :

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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