시멘트 공장 킬른을 보호하는 열화상 카메라
높은 분해능과 90도 광각렌즈로 탁월한 모니터링
시멘트는 모트타르와 콘크리트의 핵심재료로 건설업 공정에서 주로 사용되고 있다. 이를 생산하는 시멘트 공장은 생산과정이 꽤 복잡한데 가장 핵심적인 공정은 시멘트의 주성분인 석회석을 대형 회전가열로 속에서 다른 성분과 혼합하는 부분이다. 회전로는 흔히 킬른이라 부르며 내부의 시멘트 원료를 1,500℃ 정도로 가열하는 공정을 거친다. 과정 중 자칫 제어가 잘못돼 온도가 초과되면 킬른에 문제가 발생하게 되므로 플리어시스템의 열화상 카메라는 손상을 미리 방지하기 위해 킬른을 24시간 모니터링하고 있다.
플리어시스템의 이탈리아 총판 인프로텍(INPROTEC)과 미국 적외선 열화상 솔루션 전문기업 그레이에스(Grayess)가 힘을 합쳐 여러 대의 킬른을 동시에 제어할 수 있는 컴퓨터 시스템인 IRT Kiln-Monitor짋를 개발했다. 게다가 플리어시스템-A 시리즈 열화상 카메라를 도입해 시멘트 킬른의 온도를 실시간으로 모니터링하고 가시화 모듈(2D, 3D)과 서모그래피 분석 모듈로 킬른의 방사열을 분석한다. 인프로텍의 이사인 로베르토 리카는 “킬른 모니터링 시스템은 플리어시스템 A315, A615 열화상 카메라를 사용하도록 설계했다”며, “이 열화상 카메라는 정확한 온도 측정에 매우 적합하다”고 말했다.
시멘트 생산 공정에 사용되는 로터리 킬른
시멘트 공장은 대부분 수요가 많은 지역이나 원료인 석회석이 풍부한 지역에 설립되며 시멘트의 주원료인 석회석과 점토는 공장의 가까운 채석장에서 생산된다.
시멘트 생산은 기본적으로 두 단계로 이뤄진다. 첫 번째는 원료에서 클링커를 만드는 공정이며 두 번째는 클링커에서 완제품 벌크 상태로 공급되는 석회석과 점토를 분쇄 및 혼합해 로터리 킬른(Rotary Kiln)으로 투입하는 과정이다. 이 로터리 킬른은 길이가 60∼90m고 직경이 5m정도로 대형 파이프와 비슷한 모양의 설비다. 또한 출구 방향으로 기울어진 형태로 원료는 출구 쪽으로 흐르게 되며 내부 온도를 100~200℃ 상태로 급냉각시킬 수 있다.
시멘트의 주성분은 산화칼륨(65%), 산화규소(20%), 산화알루미늄(10%), 산화철(5%) 등이 있다. 이 주성분들을 균일하게 혼합해 1,450℃ 이상 고온으로 가열하면 서로 융합하게 되는데 이런 상태를 클링커라 부른다. 이는 작은 덩어리 모양이며 대형 사일로에 저장된다.
이후에 클링커를 시멘트로 분쇄하는 과정이 진행된다. 공정 중에 석고(황하칼슘)와 시멘트질 원료, 불활성 물질(석회석) 등을 첨가하고 이들을 미세한 분말로 분쇄하면 시멘트가 되는 것이다.
광범위한 온도 범위를 커버하는 열화상 카메라
로터리 킬른의 내부 벽면에는 내화재 라이닝이 설치돼 강철 벽체가 고온으로 손상되거나 시멘트 원료에 의해 부식되지 않도록 보호하는 역할을 한다. 이 라이닝은 내화 벽돌, 내화 콘크리트로 구성되며 손상이나 마모에 대처하기 위해 주기적으로 교체해야 한다.
로터리 킬른 표면에는 가공된 시멘트 재료가 코팅돼 킬른의 수명을 연장할 수 있다. 두께는 보통 80~300㎜ 정도이며 열을 직접 받는 표면과 그 반대 표면 사이의 온도 차이는 약 1,000℃ 정도가 된다. 킬른의 강철 벽체는 350℃ 정도로 유지해야만 강철이 열에 의해 손상되지 않는다.
열화상 카메라는 이러한 로터리 킬른의 원통형 벽체, 즉 쉘(Shell)을 지속적으로 모니터링해 내화재가 부분적으로 손상될 때 나타나는 비정상적인 파열 부분을 검출할 수 있다.
열화상 데이터를 처리하는 IRT KilnMonitor
IRT KilnMonitor짋 프로그램은 60m 길이의 전체 킬른을 3대의 플리어시스템 A315 열화상 카메라를 사용해 각각 20m씩 모니터링한다.
열화상 카메라가 보내주는 동영상 스트림은 중앙 관리실의 모니터로 볼 수 있으며 킬른의 운전 상태와 성능을 24시간 실시간으로 알려준다.
킬른이 일회전하는 시간은 약 30초로 IRT KilnMonitor짋 프로그램은 이 회전시간에 동기화돼 있어 킬른 둘레 전체의 열화상 데이터를 만들어 낸다. 따라서 킬른 쉘이 비정상적인 온도로 과열되면 프로그램은 경고음을 울리고 운전자가 즉시 필요한 조치를 취할 수 있게 된다. IRT Kiln- Monitor짋 프로그램은 중앙 제어실에 있는 운전자에게 킬른의 운전 상태를 최대한 정확하고 상세하게 보여주기 위해 열화상 데이터를 처리해 여러 종류의 보기 모드를 제공한다.
IRT KilnMonitor짋 프로그램은 사용자가 색상 팔레트와 온도 범위를 선택할 수 있다. 사용자는 특정한 부분의 온도, 각 부분의 위치, 내화 벽돌 두께, 시멘트 코팅 두께 등의 정보를 볼 수 있으며 다른 윈도우를 통해서 특정한 부분을 확대해서 볼 수도 있다.
열화상 스캐너와 열화상 카메라의 비교
지금까지 시멘트 공장에서는 열화상 스캐너가 사용됐지만 이와 비교해 열화상 카메라가 더욱 경제적인 활용 도구라 할 수 있다.
인프로텍의 로베트로 리카에 의하면, 열화상 스캐너를 사용할 경우 이론적으로 한 대의 스캐너로 60m 길이의 킬른 전체를 모니터링할 수 있지만 이를 사용하려면 적당한 거리에 설치하는 수고가 필요하고 킬른 전체가 완전히 시야에 들어오도록 하는 작업이 필요하다. 열화상 스캐너는 부피가 매우 크고 설치가 어렵기 때문에 이런 조건을 만족시키기는 것은 쉽지 않다.
대부분 시멘트 공장의 로터리 킬른은 전용 건물 안에 설치돼 있다. 열화상 스캐너의 최대 시야각이 120도라는 것을 고려하면 건물 내부에서 장애물 없이 로터리 킬른 전체를 시야에 넣을 수 있는 거리에 설치하는 것은 불가능한 경우가 많다.
또한 로터리 킬른 대부분에는 내부에서 발생하는 고온의 공기를 회수해 에너지를 재생하는 이차 공기 덕트들이 설치돼 있다. 이 덕트가 킬른과 열화상 스캐너 사이에서 시야를 가려 스캐너 설치를 어렵게 만든다.
이와 달리, 열화상 카메라는 크기가 작고 무게가 가벼우며 설치도 매우 간편한 장점이 있어 설치 공간에 제약이 따르는 환경에서도 매우 적합하게 사용된다. 현재 플리어시스템 A315 열화상 카메라에 90도 렌즈를 사용하면 60m의 킬른을 불과 세 대의 열화상 카메라로 커버할 수 있으며, 이것은 한 대의 열화상 스캐너를 사용하는 것보다 훨씬 더 효율적인 공간활용과 비용절감을 가능케 한다.
높은 분해능으로 선명한 열화상 실현
플리어시스템 A315와 A615는 저렴한 가격대의 소형 열화상 카메라로 PC를 통해 제어할 수 있다. 온도 분해능이 50mK 이하로 극히 높아서 선명한 열화상과 함께 미세한 온도 차이도 정확하게 측정할 수 있다. 시멘트 킬른 온도를 모니터링 하기 위해서는 열화상의 분해능이 매우 높을 필요가 있다. 또한 90도 광각렌즈를 사용해 길이 60m의 킬른을 2~3대의 열화상 카메라로 모니터링할 수 있다.
예를 들어, 독일의 한 업체에서는 플리어시스템 A315 카메라와 90도 렌즈를 사용해 선명한 열화상을 얻고 있다. 이 회사에서는 향후 IRT Kilnmonitor 시스템에 분해능이 더 높은 플리어시스템 A615 열화상 카메라의 사용을 계획하고 있다. 플리어시스템 A615의 분해능은 640×480 픽셀로, 선명한 정보를 제공하며 먼 거리에서도 정확한 측정이 가능하다. 실제로 킬른의 길이가 60m나 된다는 점을 고려하면 이 열화상 카메라의 각 픽셀은 킬른 표면의 10cm에 해당한다. 열화상 카메라 선택은 킬른의 보호뿐만 아니라 산업활동의 여러 분야에 기능, 비용 효율적 수단이 되는 것이다.
