AT402569B

AT402569B - METHOD FOR MEASURING THE HEIGHT OF THE LIQUID LEVEL

Info

Publication number: AT402569B
Application number: AT79695A
Authority: AT
Original assignee: Meierhofer Guenter
Priority date: 1995-05-11
Filing date: 1995-05-11
Publication date: 1997-06-25
Also published as: DE19618923C2; DE19618923A1; ATA79695A; CH692328A5

Description

AT 402 569 BAT 402 569 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels insbesonders einer Metallschmelze in einer Stranggießkokille mittels einer pneumatischen Meßvorrichtung, bei dem eine Meßsonde mit einem Gas eines vorbestimmten Druckes durchströmt wird.The invention relates to a method for measuring the height of the liquid level, in particular a molten metal in a continuous casting mold by means of a pneumatic measuring device, in which a measuring probe is flowed through with a gas of a predetermined pressure.

Der Badspiegel einer Metallschmelze in einer Stranggießanlage muß, um die ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten, stets innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden. Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Messung der Badspiegelhöhe vorgeschlagen worden, um eine solche Regelung zu ermöglichen. Elektrische Verfahren, bei denen eine Elektrode zum Schmelzbad geführt wird und bei denen die Veränderung des Widerstandes erfaßt wird, wenn die Elektrode in das Schmelzbad eintaucht, haben sich aus verschiedenen Gründen als unzuverlässig erwiesen. Die Widerstandsänderung ist nämlich einer Vielzahl von Einflußfaktoren unterworfen, so daß es zu fehlerhaften Erfassungen kommen kann. Weiters ist es schwierig, aufwendig und in manchen Fällen sogar unmöglich, Elektroden zur Verfügung zu stellen, die eine ausreichende Standzeit aufweisen, ohne Verschleißerscheinungen zu zeigen, die zu fehlerhaften Meßergebnissen führen können. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP-A 131 979 bekannt.The bath level of a molten metal in a continuous caster must always be kept within certain limits in order to ensure proper functioning. Various methods for measuring the level of the bath level have already been proposed in order to enable such regulation. Electrical methods in which an electrode is guided to the weld pool and in which the change in resistance is detected when the electrode is immersed in the weld pool have proven to be unreliable for various reasons. The change in resistance is subject to a large number of influencing factors, so that incorrect recordings can occur. Furthermore, it is difficult, expensive and in some cases even impossible to provide electrodes that have a sufficient service life without showing signs of wear that can lead to incorrect measurement results. Such a method is known for example from EP-A 131 979.

Weiters sind induktive Verfahren bekannt, bei denen in der Schmelze ein Wirbelstrom erzeugt wird, der durch Spulen außerhalb der Kokille erfaßt werden kann. Solche Meßvorrichtungen benötigen relativ viel Platz und sind insbesonders in vorhandenen Anlagen meistens nicht nachrüstbar.Furthermore, inductive methods are known in which an eddy current is generated in the melt, which can be detected by coils outside the mold. Such measuring devices require a relatively large amount of space and are usually not retrofittable, especially in existing systems.

Ferner sind optische Verfahren bekannt, bei denen die Reflexion eines Lichtstrahls an der Oberfläche der Schmelze erfaßt wird, um die Höhe des Badspiegels zu bestimmen. In vielen Fällen liegt jedoch an der Oberfläche des Schmelzbades eine Schlackenschicht vor, die eine solche Messung behindert. Außerdem kann ein solcher Meßvorgang durch Turbulenzen im Schmelzbad sehr leicht gestört werden.Furthermore, optical methods are known in which the reflection of a light beam on the surface of the melt is detected in order to determine the height of the bath level. In many cases, however, there is a layer of slag on the surface of the weld pool that hinders such a measurement. In addition, such a measuring process can very easily be disturbed by turbulence in the weld pool.

In Anbetracht dieser Schwierigkeiten wird bei vielen Stranggußanlagen auf eine Messung der Badspiegelhöhe überhaupt verzichtet und die Regelung wird manuell durch einen Arbeiter durchgeführt, der die Badspiegelhöhe beobachtet. Es ist offensichtlich, daß eine solche Vorgangsweise ungenau und arbeitsaufwendig ist.In view of these difficulties, in many continuous casting plants the bath level is not measured at all and the regulation is carried out manually by a worker who observes the level of the bath level. It is obvious that such an approach is imprecise and labor intensive.

Die FR-A 1 383 419 betrifft eine Vorrichtung, zur Messung der Höhe eines Flüssigkeitsspiegels mit Hilfe einer Sonde, wobei diese Sonde so ausgebildet ist, daß der Meßvorgang ohne Eintauchen in die Flüssigkeit durchgeführt werden kann. Das Verfahren, das mit dieser Vorrichtung durchgeführt wird, besteht im wesentlichen darin, daß die Sonde mit Hilfe einer Druckregelvorrichtung in einem bestimmten Abstand über dem Flüssigkeitsspiegel positioniert wird, und daß mit Hilfe einer Meßvorrichtung aus der Höhe der Sonde auf die Höhe des Flüssigkeitsspiegels zurückgeschlossen werden kann. Die Sonde ist dabei mit drei Gruppen von Bohrungen ausgestattet, wobei die erste Gruppe von Bohrungen dazu dient, ein Gas mit vorbestimmten Druck auszustoßen, eine weitere Bohrung dazu dient, den Staudruck dieses ausgestoßenen Gases über der Flüssigkeitsoberfläche zu messen, und eine dritte Bohrung, dazu dient, den statischen Druck oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche zu bestimmen. Über eine relativ aufwendige Regelvorrichtung, die die Differenz des Staudrucks zum statischen Druck als Eingangsgröße verwendet, wird die Verstellung der Sonde bewirkt. Die Vorrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens benötigt wird, ist sehr aufwendig, und es ist zwangsläufig erforderlich, daß während des gesamten Meßvorganges die Spitze der Sonde relativ knapp über der Flüssigkeitsoberfläche positioniert ist. Im Fall von Metallschmelzen ist dies unerwünscht, da bereits in der Nähe der Oberfläche eine Verschleiß der Spitze der Sonde auftritt.FR-A 1 383 419 relates to a device for measuring the height of a liquid level with the aid of a probe, this probe being designed in such a way that the measuring process can be carried out without being immersed in the liquid. The method which is carried out with this device essentially consists in that the probe is positioned at a certain distance above the liquid level with the aid of a pressure regulating device, and that the level of the liquid level is inferred from the height of the probe with the aid of a measuring device can. The probe is equipped with three groups of holes, the first group of holes serving to discharge a gas at a predetermined pressure, another hole serving to measure the back pressure of this discharged gas above the surface of the liquid, and a third hole serves to determine the static pressure above the liquid surface. The probe is adjusted via a relatively complex control device that uses the difference between the dynamic pressure and the static pressure as an input variable. The device required to carry out this method is very complex, and it is inevitably necessary that the tip of the probe is positioned relatively just above the surface of the liquid during the entire measuring process. In the case of molten metal, this is undesirable because wear of the tip of the probe already occurs near the surface.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Verfahren weiterzubilden, um die obigen Nachteile zu vermeiden. Weiters soll die Höhe des Flüssigkeitsstandes unter schwierigen Bedingungen, wie sie beispielsweise in der Kokille einer Stranggießanlage vorliegen, zuverlässig und genau bestimmt werden können.The object of the present invention is to develop the known method in order to avoid the above disadvantages. Furthermore, the level of the liquid level should be able to be determined reliably and precisely under difficult conditions, such as are present in the mold of a continuous caster.

Das Verfahren soll mit möglichst einfachen Mitteln durchführbar sein, und es soll so gestaltet sein, daß auch bestehende Anlagen so nachgerüstet werden können, daß das Verfahren durchführbar ist.The process should be carried out with the simplest possible means, and it should be designed in such a way that existing systems can also be retrofitted so that the process can be carried out.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zunächst ein Schaltdruck eingestellt wird, der um ein bestimmtes Ausmaß über dem zuvor bestimmten Druck liegt, wonach die folgenden Schritte fortlaufend wiederholt werden: - Absenken der Sonde zum Flüssigkeitsspiegel bei gleichzeitiger Messung des Staudruckes, so lange bis der Staudruck den Schaltdruck erreicht oder überschreitet; - Bestimmung der Höhe der Sondenspitze in dem Augenblick, in dem der Staudruck den Schaltdruck erreicht; - Zurückbewegen der Sonde um ein vorbestimmtes Ausmaß und Beginn eines neuerlichen Absenkvorganges.According to the invention, this is achieved by first setting a switching pressure which is above the previously determined pressure by a certain amount, after which the following steps are repeated continuously: - Lowering the probe to the liquid level while simultaneously measuring the dynamic pressure until the dynamic pressure reaches or exceeds the switching pressure; - Determination of the height of the probe tip at the moment when the dynamic pressure reaches the switching pressure; - Moving the probe back a predetermined amount and starting a new lowering process.

Die Sonde besteht aus einem Rohr mit einem Innendurchmesser, der zwischen 1 mm und 30 mm liegt. Das Rohr wird mit einem Inertgas eines vorbestimmten Druckes beaufschlagt, das an seiner vorderen Öffnung ausströmen gelassen wird. Der Werkstoff des Rohres wird so gewählt, daß die in der Metallschmelze auftretenden Temperaturen zu keiner Verformung oder zum Kriechen des Rohres führen. Weiters ist 2The probe consists of a tube with an inner diameter that is between 1 mm and 30 mm. An inert gas of a predetermined pressure is applied to the tube and is let out at its front opening. The material of the tube is chosen so that the temperatures occurring in the molten metal do not lead to any deformation or creeping of the tube. Furthermore, 2

AT 402 569 B wesentlich, daß das Rohr vom flüssigen Metall nicht benetzt wird. Auch eine gewisse Temperaturwechselbeständigkeit muß gegeben sein. In Abhängigkeit von dem in der Schmelze vorliegenden Metall werden diese Kriterien durch verschiedene Keramikmaterialien erfüllt, die im Einzelfall passend ausgewählt werden müssen. Wenn das Rohr beim Absenkender Metallschmelze nahe kommt oder mit ihr in Berührung kommt, so entsteht durch die geänderten Strömungsverhältnisse eine Druckwelle. Diese kann erfaßt werden, wodurch die Badspiegelhöhe bestimmbar ist.AT 402 569 B essential that the tube is not wetted by the liquid metal. A certain resistance to temperature changes must also be given. Depending on the metal present in the melt, these criteria are met by various ceramic materials, which must be selected appropriately in the individual case. If the pipe comes close to or comes into contact with the molten metal when it is being lowered, the changed flow conditions create a pressure wave. This can be detected, whereby the bath level height can be determined.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß auch bei kleinen Stranggießkokillen mit einem Durchmesser von weniger als 30 mm die Badspiegelhöhe mit sehr kurzen Zuflußzeiten gemessen werden kann und es auf diese Weise möglich ist, eine sehr schnell reagierende Regelung durchzuführen. In diesem Fall werden für die Sonde kleine Rohrdurchmesser verwendet.An important advantage of the method according to the invention is that even with small continuous casting molds with a diameter of less than 30 mm, the bath level height can be measured with very short inflow times and it is possible in this way to carry out a very quickly responding control. In this case, small tube diameters are used for the probe.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Messung mit einem Absolut-Wegmeßsystem erfolgt. Im Prinzip ist es zwar möglich, die jeweilige Lage der Sonde über einen Schrittmotor zu erfassen. Im Sinne einer Erhöhung der Betriebssicherheit hat sich jedoch herausgestellt, daß ein Absolut-Wegmeßsystem wesentliche Vorteile aufweist. Diese Absolut-Messung kann beispielsweise über einen Differentialtransformator erfolgen. ln einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Bestimmung des Staudruckes über eine Brückenschaltung vorgenommen wird, bei der eine Gasquelle mit den Eingängen einer ersten und einer zweiten Drossel unveränderlichen Querschnitts verbunden ist, wobei der Ausgang der ersten Drossel mit einer Drossel variablen Querschnitts verbunden ist, wobei, der Ausgang der zweiten Drossel mit der Meßsonde verbunden ist und wobei zwischen den Ausgängen der ersten und der zweiten Drossel ein Meßkolben angeordnet ist. Eine solche Schaltung entspricht im wesentlichen der in der Elektrotechnik verwendeten Wheatstone’schen Brücke. Die Drosseln sind beispielsweise als Blenden ausgeführt, die einen bestimmten Druckabfall bewirken. Der leicht bewegliche Magnetkolben reagiert auf kleinste Veränderungen des Strömungswiderstandes an der Sonde und betätigt entsprechend seiner jeweiligen Stellung Reed-Kontakte. Die veränderliche Drossel dient zum Abgleichen des Systems.It is preferably provided that the measurement is carried out with an absolute displacement measuring system. In principle, it is possible to record the respective position of the probe using a stepper motor. In terms of increasing operational safety, however, it has been found that an absolute position measuring system has significant advantages. This absolute measurement can be carried out, for example, using a differential transformer. In a particularly preferred embodiment variant of the method according to the invention it is provided that the dynamic pressure is determined via a bridge circuit in which a gas source is connected to the inputs of a first and a second throttle of unchangeable cross section, the output of the first throttle being variable with a throttle Cross-section is connected, wherein, the output of the second throttle is connected to the measuring probe and wherein a volumetric piston is arranged between the outputs of the first and second throttles. Such a circuit corresponds essentially to the Wheatstone bridge used in electrical engineering. The throttles are designed, for example, as orifices which bring about a certain pressure drop. The easily movable magnetic piston reacts to the smallest changes in the flow resistance at the probe and actuates reed contacts in accordance with their respective position. The variable throttle is used to adjust the system.

Es ist vorteilhaft, wenn die Sonde mit einem Gasstrom angespeist wird, dessen Druck zwischen 1 bar und 7 bar liegt. Auf diese Weise kann einerseits der Gasverbrauch in vernünftigen Grenzen gehalten werden und andererseits eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden.It is advantageous if the probe is fed with a gas stream, the pressure of which is between 1 bar and 7 bar. In this way, on the one hand the gas consumption can be kept within reasonable limits and on the other hand sufficient accuracy can be achieved.

Besonders günstig ist es, wenn der Schaltdruck auf einen Druck festgelegt wird, der zwischen 0,5 mbar und 2 mbar, vorzugsweise zwischen 0,7 mbar und 1,2 mbar über dem Druck liegt, der sich bei freier Düsenöffnung ergibt.It is particularly expedient if the switching pressure is set to a pressure which is between 0.5 mbar and 2 mbar, preferably between 0.7 mbar and 1.2 mbar, above the pressure which results when the nozzle opening is free.

Eine Erhöhung der Genauigkeit kann dadurch erreicht werden, daß eine Mehrzahl von Meßvorgängen durchgeführt wird, deren Ergebnisse nach dem Verfahren des gleitenden Durchschnitts gemittelt werden. Das Verfahren des gleitenden Durchschnitts ermöglicht es, einerseits eine Anzahl von Meßwerten zu mittein, wobei die zeitlich zuletzt ermittelten Meßwerte stärker berücksichtigt werden als länger zurückliegende Werte. Andererseits wird dafür ein sehr geringer Speicherplatz benötigt, da es nicht erforderlich ist, sämtliche Meßwerte, über die gemittelt werden soll, einzeln abzuspeichern. Es wird im Gegensatz dazu stets nur ein Wert, und zwar der zuletzt ermittelte gleitende Durchschnitt gespeichert. Das Verfahren des gleitenden Durchschnitts arbeitet nach folgender Formel: m, = a h, + (1 - a) m,_, (1)An increase in accuracy can be achieved by carrying out a plurality of measurement processes, the results of which are averaged using the moving average method. The moving average method makes it possible, on the one hand, to center a number of measured values, with the measured values determined last in time being taken into account to a greater extent than values which occurred more recently. On the other hand, a very small storage space is required for this, since it is not necessary to individually store all the measured values which are to be used for averaging. In contrast, only one value is saved, namely the most recently determined moving average. The moving average method works according to the following formula: m, = a h, + (1 - a) m, _, (1)

Dabei bedeutet m, den gleitenden Durchschnitt zum Zeitpunkt t bzw. nach der t-ten Messung und h, bedeutet den Meßwert der Höhe des Badspiegels zum Zeitpunkt t bzw. den t-ten Meßwert, α ist ein Anpassungsfaktor, der das Ausmaß der Glättung bestimmt und der auf einen passenden Wert, beispielsweise 0,1 oder 0,3, eingestellt wird.Here, m means the moving average at the time t or after the t-th measurement and h means the measured value of the height of the bath level at the time t or the t-th measured value, α is an adjustment factor which determines the extent of the smoothing and which is set to a suitable value, for example 0.1 or 0.3.

In der Folge wird die Erfindung durch die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen: die Fig. 1 schematisch eine Stranggießanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Fig. 2 einen Schaltplan der Brückenschaltung und die Fig. 3 ein Druck-Weg-Diagramm.The invention is explained in more detail below by the exemplary embodiments illustrated in the figures. The figures show: FIG. 1 schematically a continuous caster with a device according to the invention, FIG. 2 a circuit diagram of the bridge circuit and FIG. 3 a pressure-displacement diagram.

Die Stranggießanlage weist eine Kokille 1 auf, an der eine Antriebsvorrichtung 2 für die in die Kokille 1 einführbare Meßsonde 3 angebracht ist. Die Meßsonde 3 steht mit einer Druckmeßvorrichtung 3a in Verbindung. Oberhalb der Bühne 4 ist eine Gießrinne 5 vorgesehen, die von einer Gießpfanne 6 beschickt wird. Eine Düsennadel 7, die von einem Motor 8 in vertikaler Richtung verschoben werden kann, reguliert die Menge der aus der Gießrinne ausströmenden Schmelze. Weiters ist eine Handverstellung 9 zur Beeinflussung der Düsennadel 7 vorgesehen.The continuous caster has a mold 1 on which a drive device 2 for the measuring probe 3 which can be inserted into the mold 1 is attached. The measuring probe 3 is connected to a pressure measuring device 3a. A pouring trough 5 is provided above the stage 4 and is fed by a pouring ladle 6. A nozzle needle 7, which can be moved in the vertical direction by a motor 8, regulates the amount of melt flowing out of the casting trough. Furthermore, a manual adjustment 9 is provided for influencing the nozzle needle 7.

In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung der Brückenschaitung dargestellt. Der von einer Druckwelle erzeugte Gasstrom mit einem Druck p wird zu den parallel geschalteten Drosseln Dt und D2 geführt. Am 32 shows the circuit arrangement of the bridge circuit. The gas flow generated by a pressure wave with a pressure p is led to the throttles Dt and D2 connected in parallel. At 3

Claims

AT 402 569 B output of the throttle Di, a variable throttle DV is arranged. The measuring probe S is arranged at the output of the throttle D2. Furthermore, a volumetric piston M is provided between the outputs of the throttles Di and D2 and is sensitive to very small pressure fluctuations. By adjusting the variable throttle DV, the system can be adjusted so that essentially the same pressure is applied to the measuring piston M on both sides. Due to gravity, the volumetric flask is in its lower position. If a flow obstacle is now brought up to the tip of the measuring probe S, the system is detuned, so that the connection of the measuring piston M, which is connected to the measuring probe S, is subjected to a greater pressure than the other connection. If the distance x of the flow obstacle, for example the bath level of the melt pool, falls below a certain minimum value, the pressure increase at the volumetric flask is so great that it moves into its other position. This fact is recorded via a reed contact and is used to determine the height of the bath level. 3 shows a diagram which shows the characteristic curve of a measuring probe. The pressure increase is plotted over the distance x the tip of the nozzle from the bath level. The switching point P is set in this example at a pressure pp of 0.8 mbar. The characteristic curve therefore shows that the switching point P lies at a distance of 0.16 mm from the nozzle tip from the bath surface. This distance is taken into account when determining the bath level. However, it is also possible to set the switching point to a pressure that is greater than 1.5 mbar. In this case, the pressure surge is only detected when the nozzle needle touches the bath surface. In this case xp is 0 mm. The method and the device according to the invention allow the height of the liquid level of a molten metal to be determined precisely and reliably in a simple manner. Due to the simple structure, it is also easily possible to retrofit existing continuous casting plants accordingly. 1. A method for measuring the height of the liquid level in particular a molten metal in a continuous casting mold by means of a pneumatic measuring device in which a measuring probe is flowed through with a gas of a predetermined pressure, characterized in that first a switching pressure is set, which is a certain amount above that is the predetermined pressure, after which the following steps are repeated continuously: - lowering the probe to the liquid level while measuring the back pressure until the back pressure reaches or exceeds the switching pressure; - Determination of the height of the probe tip at the moment when the dynamic pressure reaches the switching pressure; - Moving the probe back a predetermined amount and starting a new lowering process.

2. The method according to claim 1, characterized in that the measurement is carried out with an absolute displacement measuring system.

3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the probe is fed with a gas stream which is between 1 bar and 7 bar.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the switching pressure is set to a pressure which is between 0.5 mbar and 2 mbar, preferably between 0.7 mbar and 1.2 mbar above the pressure which is at free nozzle opening results.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a plurality of measuring operations is carried out, the results of which are averaged according to the moving average method.

6. A method for controlling the height of the liquid level of a molten metal in a continuous casting mold, characterized in that a measured value of the height of the liquid level is determined by a method according to one of claims 1 to 5, and that this measured value is used as an input variable for a PID controller becomes. 4 AT 402 569 B

7. Device for measuring the height of the liquid level, in particular a molten metal in a continuous casting mold, consisting of a probe (3) which can be brought up to the liquid level, a drive device (2) for the probe (3) and a device for determining the position of the probe, one Inert gas source is connected to the probe (3), and wherein the probe (3) is designed as a tube, at the tip of which the gas can flow out, characterized in that a pressure measuring device (3a) in between the inert gas source and the probe (3) a tube-shaped probe is provided, which is designed to record both the dynamic pressure of the gas with which the probe is applied and the pressure fluctuations that flow back through the same tube from the probe tip towards the inert gas source.

8. The device according to claim 7, characterized in that the device for determining the position is designed as an absolute displacement measuring system.

9. Device according to one of claims 7 or 8, characterized in that the pressure measuring device is designed as a bridge circuit in which a gas source is connected to the inputs of a first and a second throttle (Di, D2) invariable cross-section, the output of the first Throttle (Di) is connected to a throttle (DV) of variable cross-section, the output of the second throttle (D2) being connected to the measuring probe and a volumetric piston (M) between the outputs of the first and the second throttle (Di, D2) is arranged. With 1 sheet of drawings 5