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[국내논문] 상용급 재가열로에서 소재 온도 예측을 위한 해석과 실험 결과의 비교 분석
The Comparative Analysis of Numerical and Experimental Results for Prediction of Workpiece Temperature in the Commercial Reheating Furnace 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.4, 2019년, pp.74 - 79  

이춘식 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) ,  이재용 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) ,  유보현 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) ,  임동렬 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터)

초록
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상용급 재가열로 내부 소재 온도 측정을 위하여 특수 제작된 시험용 시편을 사용하고, 실시간 온도 예측을 위하여 선형화 된 열모델이 적용되었다. 적용된 로는 Walking Beam Type이고 소재의 형상은 폭 160mm, 높이 160mm, 길이 8100mm의 STS302 재질이며 온도 측정을 위해 폭, 높이와 길이 방향으로 총 6개의 열전대를 설치하였다. 로내의 분위기 온도는 섭씨 1265도까지 상승시켰으며 소재의 장입부터 토출까지 약 2.5시간이 소요되었다. 시험결과, 토출 시 소재의 온도는 섭씨 1256~1259도 범위에서 평균적으로 1257도 였으며, 열모델을 통한 예측된 평균 온도는 1251도로 나타났다. 따라서 해석과 시험결과의 편차는 6도 정도로서, 이는 산업계에서 요구되는 10도 이내의 범위에 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Specially designed test material was used for workpiece temperature measurement in the commercial reheating furnace and a linearized thermal model was applied for real time temperature prediction. The applied furnace is a walking beam type and specification of the workpiece is a STS302 which is 160m...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 소재 온도를 해석으로 예측함에 있어 국부적 온도 변화는 2차원 이상의 해석이 요구되어 필요한 정보와 계산량이 많으며 시험결과를 볼 때 그 필요성이 높다고 할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 소재의 국부적 온도를 평균하여 시험한 소재 평균온도와 해석한 소재 평균온도를 비교하여 시험 결과의 타당성을 검증하고자 한다. 해석에 의한 소재 평균온도는 앞서 식(6)에 의한 유한차분법에 따라 현재 시간에서의 소재 온도와 동일한 시간에서의 분위기 온도로부터 대류와 복사열전달에 의해 소재 내부에 축적된 에너지를 계산하여 그 다음 시간에서의 소재온도 를 계산하는 방식을 채택하였으며 초기 소재온도와 분위기 온도는 대기 온도를 적용하였다.
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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
재가열로의 필요성은 무엇인가? 재가열로는 주조된 철강을 한번 더 열처리하는 설비로 압연, 단조 등을 통한 재료의 가공을 위해 필요하며, 상용급의 경우 시간당 15,000,000~ 150,000,000kcal의 에너지를 소모하므로 제철 산업에서 가장 많은 화석에너지를 사용한다고볼 수 있다. 따라서 재가열로에 소모되는 가스 연료를 감소하기 위해서는 로 내의 소재온도에 대한 정확한 예측이 필요하며, 그 동안 많은 연구가 진행되어져 왔다[1][4][5].
재가열로에 소모되는 가스 연료를 감소하기 위해서는 어떠한 정확한 예측이 필요한가? 재가열로는 주조된 철강을 한번 더 열처리하는 설비로 압연, 단조 등을 통한 재료의 가공을 위해 필요하며, 상용급의 경우 시간당 15,000,000~ 150,000,000kcal의 에너지를 소모하므로 제철 산업에서 가장 많은 화석에너지를 사용한다고볼 수 있다. 따라서 재가열로에 소모되는 가스 연료를 감소하기 위해서는 로 내의 소재온도에 대한 정확한 예측이 필요하며, 그 동안 많은 연구가 진행되어져 왔다[1][4][5]. 하지만 실시간 제어 관점에서 복잡한 편미분 방정식이나 전산 유체역학(CFD) 해석은 적용하기 어려우며 단순 화된 선형의 지배방정식이 필요하다.
상용급 재가열 로를 통해 소재 온도 변화에 대한 실증시험을 수행한 결론은 무엇인가? (1) 양산 소재의 품질을 결정하는 것은 소재의 평균온도와 소재 내부의 온도편차인데 장입 후 초기에는 소재의 국부적 온도 변화가 크지만 시간이 흐를수록 감소하여 토출 시점 에서는 매우 미미함을 확인하였고 이에 따라 소재의 온도를 평균온도로 대표할 수 있다. (2) 소재의 온도를 평균 온도로 대표할 때시험과 해석 결과의 차이는 토출 시점에서 6 도 정도로서 산업계에서 요구하는 오차범위 10도 내에서 만족하며, 본 논문에서 사용한 지배방정식과 해석방법을 현장에서도 활용할수 있음을 확인하였다. (3) 시험과 해석 결과의 오차는 2가지 요소에 가장 큰 영향을 받는데 우선, 장입 초기 오차가 큰 것은 해석에 있어서의 초기 경계 조건이 실제와 다르기 때문이며 둘째, 로의 상세 형상이 복잡하고 소재가 계속해서 이송함에 따른 복사열전달 형태지수(View Factor)를 정확히 예측하기 힘들기 때문이다. 다만, 이는 반복된 시험으로 계수를 튜닝하는 과정에 의해 정확도를 향상시킬 수 있다.
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