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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Giessen eines Stranges aus flussigem Metall, das in eine Kokille gegossen und als Strang mit erstarrter Hulle und flussigem Kern aus der Kokille herausgezogen wird
Beim Stranggiessen wird mittels einer Kokille aus flüssigem Metall ein Strang gegossen Dieser Strang wird mit erstarrter Hülle und flussigem Kern aus der Kokille herausgezogen Ein wesentli- cher Faktor fur eine gute Qualität des Stranges ist eine Konstanthaltung des Giessspiegels, d h des Stands des flussigen Metalls in der Kokille.
Es ist bekannt, den Giessspiegel zu regeln Dabei ist die Reglerauslegung schwierig, da die Parameter der Regelstrecke, d h der Giessapparatur und der Kokille, zum Teil starken Schwankungen unterworfen sind oder Störgrössen auf den Giessspie- gel einwirken Beim Stranggiessen verlasst der noch weiche Strang die Kokille Er wird in einer Ab- zugsvorrichtung mit Stutzrollen gefuhrt Zwischen den Stutzrollen kommt es zu Ausbauchungen des Stranges, die eine Ruckwirkung auf den Giessspiegel in der Kokille haben
Aus der DE 44 04 148 A1 ist eine verkoppelte Regelung fur Giessspiegel und Auszugsge- schwindigkeit bei einer Stranggiessanlage bekannt Die Verkoppelung besteht dabei dann, dass das Ausgangssignal des Giessspiegelreglers als Istwert dem Stellungsregler fur ein Zuflusssteuerele- ment (einen Stopfen)
zugefuhrt wird
Aus der US-A-4 625 787 ist bekannt zur Ermittlung des Sollwerts für die Verschlussstellung neben dem Ist-Giessspiegel auch die Iststellung und die Anderung der Iststellung des Verschlusses und die Abzugsgeschwindigkeit des Stranges mit heranzuziehen
Zur Stabilisierung des Pegelstandes (der in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung kurz als "Stand" bezeichnet wird) von geschmolzenem Metall in einer Form lehrt die US-A-5 311 924 (Asano et al ) die Verwendung eines Estimators der abhangig von einer Regeldifferenz z B der Differenz zwischen dem gemessenen und dem geschätzten Wert betrieben wird Dabei wird jedoch zwingend eine sich standig aktualisierende Regelabweichung benotigt,
um den Estimatoi betreiben zu konnen Somit ist beim Auftreten von nicht konstanten Störgrössen eine Reduzierung der Regeldifferenz gegen Null nicht möglich (siehe Fig 17b dieser Veröffentlichung)
Die JP-A-7-100610 und JP-A-6-79423 (Kawasaki Steel)
betreffen zwar dieselbe Problematik es sind jedoch exakte kontinuierliche Messungen des jeweiligen Pegelstandes der Schmelze erforderlich um die Regelung durchfuhren zu konnen
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Giessen eines Stranges aus flussigem Metall mittels einer Kokille anzugeben das beim Auftreten von insbesondere typiscnen Storungen den Stand des flüssigen Metalls in der Kokille besser als bisher konstant halt Auch soll eine Einnch tung zur Durchfuhrung des Verfahrens angegeben werden
Diese Aufgabe wird erfindungsgemass durch ein Verfahren gemäss Anspruch 1 bzw eine Ein- richtung gemass Anspruch 10 gelost Dabei wird der Giessspiegel d h der Stand flussigen Metalls in der Kokille mittels eines Reglers geregelt und Störgrössen die auf den Stand des flussigen Metalls in der Kokille einwirken
werden geschätzt und der Einfluss der Störgrössen auf den Istwert des Stands des flussigen Metalls in der Kokille mittels der geschätzten Störgrössen kompensiert oder verringert
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, einen die zu kompensierende Störgrösse repra- sentierenden Korrekturwert zum Sollwert des Stands flussigen Metalls in der Kokille hinzuzuaddie- ren bzw von ihm zu subtrahieren Vorteilhafterweise weist ein Regler zur Beeinflussung des Zu flusses flussigen Metalls in die Kokille einen Fullstandsregler und einen Stellgliedregler z B einen Stopfenpositionsregler auf Der Fullstandsregler ermittelt dabei aus der Abweichung zwischen dem Sollwert des Stands des flussigen Metalls in der Kokille und dem Istwert des Stands des flussigen Metalls in der Kokille einen Sollwert
fur den Stellgliedregler, z B einen Stopfenpositions- Sollwert Der Stellgliedregler regelt das eigentliche Stellglied zur Beeinflussung des Stands des flussigen Metalls in der Kokilles in Abhängigkeit der Differenz eines entsprechenden Istwertes von einem entsprechenden Sollwert Ein solcher Regler kann z B ein Stopfenpositionsregler sein wenn der Metallzufluss in die Kokille uber einen Stopfen geregelt wird Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, bei einem derartigen zweiteiligen Regleraufbau nicht den Sollwert des Stands des flussigen Metalls in der Kokille sondern den Sollwert fur den Stellgliedregler. also z B den
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Beim Giessen eines Stranges aus flussigem Metall das in eine Kokille gegossen und als Strang
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mit erstarrter Hülle und Sumpfspitze, d.h.
flüssigen Kern, mittels angetriebener Rollen aus der Kokille herausgezogen wird, werden Schwankungen des Stand des flüssigen Metalls in der Kokille dadurch hervorgerufen, dass die angetriebenen Rollen gegen den Strang gedrückt werden und die Rollen somit im Bereich des Stranges mit Sumpfspitze eine Deformation des Stranges bewirken Das erfindungsgemasse Verfahren hat sich als besonders geeignet erwiesen, diese Art von Storun- gen zu kompensieren.
Die Schatzung der Störgrössen, die mit dem erfindungsgemassen Verfahren kompensiert oder verringert werden sollen, erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Istwert des Stands des flussigen Metalls in der Kokille, vom Zufluss des flussigen Metalls in die Kokille (oder einer äquiva- lenten Grosse) und von der Giess- bzw Stranggeschwindigkeit. Wird der Zufluss z B mittels eines Stopfens beeinflusst, so ist z B der Stopfenpositions-Istwert eine dem Zufluss flussigen Metalls in die Kokille äquivalente Grösse Wird der Zufluss mittels eines anderen ventilierten Elements als mit einem Stopfen beeinflusst, so ist z B dessen Öffnung eine dem Zufluss flussigen Metalls in die Kokille äquivalente Grösse
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus- fuhrungsbeispielen.
Im einzelnen zeigen
FIG 1 eine Einrichtung zum Stranggiessen, teilweise in Seitenansicht
FIG 2 einen Füllstandsregelkreis mit einem Storgrossenbeobachter,
FIG 3 den Aufbau eines Storgrossenbeobachters,
FIG 4 ein Storgrossenmodell,
FIG 5 einen Giessprozessbeobachter
In der Einrichtung gemass FIG 1 ist flüssiges Metall 13, in diesem Falle Stahl 13, in eine Vertei- lerrinne 7 gegossen Aus der Verteilerrinne 7 fliesst flussiger Stahl 13 uber ein Tauchrohr 5 mit Auslassoffnung 6 in eine Kokille 3.
In der Kokille 3 bildet sich aus dem flüssigen Stahl ein Strang 1 Der Strang 1 wird über Rollen 4 aus der Kokille 3 herausgezogen Der Zufluss flussigen Metalls 13 uber das Tauchrohr 5 in die Kokille 3 wird über einen Stopfen 8 beeinflusst Der Stopfen 8 wird uber eine mechanische Einrichtung 9, die einen Tragarm 9A und eine Hubstange 9B aufweist, bewegt Die Hubstange 9B wird durch einen Hydraulikzylinder 10, der über ein Automatisierungsgerat 12 geregelt wird, angetrieben und dabei in vertikaler Richtung bewegt Die vertikale Position wird mittels eines Positionsmessgerätes 15 gemessen und an das Automatisierungsgerat 12 übertragen Ausserdem weist die Einrichtung ein Kokillenfüllstandsmessgerat 11auf,
das ebenso wie das Positi- onsmessgerät 15 und der Hydraulikzylinder 10 datentechnisch mit dem Automatisierungsgerat 12 verbunden ist Das Automatisierungsgerat 12 regelt den Stand h des flüssigen Metalls 13 in der Kokille 3 Der aus der Kokille 3 herausgezogene Strang 1 weist eine Sumpfspitze, d h einen flus- sigen Kern 2, und eine erstarrte Hülle 14 auf
FIG 2 zeigt einen Fullstandsregelkreis mit einem Störgrössenbeobachter 27 Dabei bezeichnet h* den Sollwert des Stands des flussigen Metalls 13 in der Kokille 3, von dem der gemessene Istwert h des Stands des flussigen Metalls 13 in der Kokille 3 mittels eines Summationspunktes 20 subtrahiert wird Die Differenz zwischen dem Sollwert h* des Stands des flussigen Metalls 13 in der Kokille 3 und dem Istwert h des Stands des flüssigen Metalls 13 in der Kokille 3 geht als Regelab- weichung in einem Fullstandsregler 21 ein,
der im vorliegenden Fall als PI-Regler ausgeführt ist Mittels des Fullstandsreglers 21 wird durch Vorgabe eines Stopfenpositions-Sollwertes s* der Giessprozess P geregelt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Giessprozess P neben dem eigentlichen Giessen auch eine Stopfenpositionsregelung zur Regelung der Position des Stop- fens 8 aus FIG 1 Zwischen dem Fullstandsregler 21 und dem Stopfenpositionsregler wird mittels eines Korrekturgliedes 24 ein Korrekturwert z aufgeschaltet, der die Störgrossen z auf den Giess- prozess P, insbesondere Störgrössen, die durch die Rollen 4 in FIG 1 verursacht werden, modelliert D.
h., der Korrekturwert z wird zur Korrektur des Ausgangs des Füllstandsreglers 21 verwendet Somit wird dem Giessprozess P ein korrigierter Stopfenpositions-Sollwert (s* - z ) zugefuhrt Der Korrekturwert z zur Kompensation von Störgrössen z wird durch den Störgrossenbeobachter 27 in Abhängigkeit von dem Stopfenpositions-Istwert s, dem Istwert h des Stands des flüssigen Metalls 13 in der Kokille 3 sowie der Giessgeschwindigkeit oder der Stranggeschwindigkeit v gebildet
FIG 3 zeigt den Aufbau eines speziellen Störgrössenbeobachters 27 im Zusammenhang mit weiteren in FIG 2 bereits dargestellten Komponenten Dabei bezeichnet s* den Stopfenpositions- Sollwert,
d h den Ausgang des Fullstandsreglers 21 Das Bezugszeichen 31 bezeichnet die
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Stopfenpositionsregelung mit Hydraulik für die Stopfenpositionierung und Bezugszeichen 32 den Giessprozess ohne Hydraulik fur die Stopfenpositionierung Der Storgrössenbeobachter 27 weist einen Giessprozessbeobachter 36 und ein Storgrossenmodell 34 auf Der Giessprozessbeobachter 36 weist ein Giessprozessmodell 33 auf, mittels dessen in Abhängigkeit vom korrigierten Stopfenpositi- ons-Istwert Sk und dem Istwert h des Stands des flüssigen Metalls 13 in der Kokille 3 sowie mittels eines nachgeschalteten Summationspunktes 37 ein Beobachterfehler e gebildet wird,
der als Diffe- renz zwischen Istwert h des Stands des flussigen Metalls 13 in der Kokille 3 und geschätztem Istwert h des Stands des flüssigen Metalls 13 in der Kokille 3 definiert ist In Abhängigkeit vom Beobachterfehler e und der Giessgeschwindigkeit v bildet das Storgrossenmodell 34 eine geschätzte Störgrösse z Aus der Differenz zwischen dem Stopfenpositions-Sollwert s* und der geschätzten Störgrösse z wird ein korrigierter Stopfenpositions-Sollwert (s* -z) gebildet, der Eingangsgrösse in die Stopfenpositionsregelung 31 mit Hydraulik fur die Stopfenpositionierung ist
Im Ausfuhrungsbeispiel aus FIG 3 ist auch ein Schalter 35 vorgesehen,
mit dem wahlweise die als Korrekturwert verwendete geschätzte Störgrösse z zugeschaltet werden kann Diese Zuschal- tung erfolgt vorteilhafterweise z B uber eine PC-Bedienoberflache Der Storgrössenbeobachter 27 wird so ausgelegt dass er in möglichst optimaler Weise die Störgrössen z durch die geschätzten Störgrössen z nachbildet
FIG 4 zeigt ein Storgrossenmodell 34, mittels dessen die geschätzten Störgrössen z in Abhan- gigkeit das Beobachterfehlers e und der Giessgeschwindigkeit v gebildet werden Das Storgrossen- modell 34 weist eine Serienschaltung zweier Integratoren 41 42 auf Zunachst wird die Giessge- schwindigkeit v mit einem Faktor f multipliziert Eingangsgrösse des ersten Integrators 41 ist die Differenz zwischen dem Beobachterfehler e,
der mit einem Gewicht ho multipliziert wird und der geschätzten Störgrösse z wobei diese Differenz mit der mit dem Faktor f multiplizierten Giessge schwindigkeit v mittels eines Multiplizierers 40 multipliziert wird Die Differenz zwischen dem mit @ multiplizierten Beobachterfehler e und der geschätzten Störgrösse z wird mittels eines Summati- onspunktes 39 gebildet Zu der Ausgangsgrosse des ersten Integrators 41 wird mittels eines Sum- mationspunktes 44 der Beobachterfehler e hinzuaddiert der zuvor mit einem Gewicht h,
multipli- ziert wird Diese Summe wird mittels eines Multiplizierers 43 mit der mit einem Faktor f multiplizier- ten Giessgeschwindigkeit v multipliziert Dieses Produkt ist die Eingangsgrosse des zweiten Integra- tors 42 Ausgangsgrosse des zweiten Integrators 42 ist die geschätzte Störgrösse z
FIG 5 zeigt einen Giessprozessbeobachter,
der einen geschätzten Istwert h des Stands des flussigen Metalls 13 in der Kokille 3 bzw einen Beobachterfehler e mittels eines Giessprozessmo- dells 33 in Abhängigkeit vom Istwert h des Stands des flussigen Metalls 13 in der Kokille 3 und einem korrigierten Stopfenpositions-Istwert sk bildet Der korrigierte Stopfenpositions-Istwert Sk wird mit einer Verstarkung Vs zur Modellierung der Beziehung zwischen Stopfenposition s und Metall- durchfluss multipliziert Zu diesem Produkt wird mittels eines Summationspunktes 48 der mit einem Gewicht h? multiplizierte Beobachterfehler e hinzuaddiert Diese Summe ist die Eingangsgrosse eines Integrators 46 zu dessen Ausgangsgrosse mittels eines Summationspunktes 49 das Produkt aus einem Gewicht h3 und dem Beobachterfehler e hinzuaddiert wird Diese Summe wiederum bildet die
Eingangsgrosse für ein PI-Glied 47 das den geschätzten Istwert h des Stands des flussi gen Metalls 13 in der Kokille 3 ausgibt
PATENTANSPRÜCHE:
1 Verfahren zum Giessen eines Stranges (1) aus flüssigem Metall (13), das in eine Kokille (3) gegossen und als Strang (1) mit erstarrter Hulle (14) und flüssigem Kern (2) aus der Kokil- le (3) herausgezogen wird.
wobei der Pegelstand des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) auf einen vorgegebenen Sollwert (h*) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Störgrössen (z), die auf den Stand des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) einwir- ken, geschätzt werden, wobei die Schatzung der Störgrössen (z) mittels eines Oszillators erfolgt, wobei Frequenz, Amplitude und Phasenlage der vom Oszillator erzeugten Schwin- gungen in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Istwert (h) des Pegelstands des flüssi- gen Metalls (13) in der Kokille (3) und geschätztem Istwert (h) des Pegelstands des flussi-
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gen Metalls (13) in der Kokille (3) sowie der Giessgeschwindigkeit bzw.
der Strangge- schwindigkeit (v) festgelegt werden und der Einfluss der Störgrössen (z) auf den Istwert (h) des Pegelstands des flüssigen Metalls (13) in der Kokille (3) mittels der geschätzten Stor- grössen ( z ) kompensiert oder verringert wird.
2 Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gegossene Strang (1) mittels angetriebener Rollen (4), die gegen den Strang (1) gedrückt werden, herausgezogen wird, wobei der Druck der Rollen (4) im Bereich des
Stranges (1) mit flussigem Kern (2) zu einer Deformation des Stranges (1) fuhrt, wodurch
Schwankungen des Pegelstands des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, dass diese Schwankungen als Störgrössen (z) auf den Giessprozess behandelt und geschätzt werden und dass diese Schwankungen mittels dieser geschätzten Werte (z) kompensiert oder verringert werden 3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schatzung der Störgrössen (z) in Abhängigkeit vom Istwert (h) des Pegelstands des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) erfolgt 4 Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schatzung der Störgrossen (z) in Abhängigkeit von zumindest einer der Grossen - nämlich der Menge des Zuflusses flussigen Metalls (13) in die Kokille (3) oder einer aqul- valenten Grosse und der Stranggeschwindigkeit (v) oder der Giessgeschwindigkeit - erfolgt 5 Verfahren nach Anspruch 1,2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegelstand des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) mittels eines Fullstandreg- lers (21) geregelt wird, der den Stand des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) in Ab- hangigkeit von der Differenz zwischen Istwert (h) des Pegelstands des flüssigen Metalls (13) in der Kokille (3) und dem Sollwert (h*) des Pegelstands des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) regelt, wobei der Sollwert (h*) des Pegelstands des flüssigen Metalls (13) in der Kokille (3) in Abhängigkeit von den geschätzten Störgrössen (z )
derart verandert wird, dass der Einfluss der Störgrössen (z) auf den Istwert (h) des Pegelstands des flussigen Me- talls (13) in der Kokille (3) kompensiert oder verringert wird 6 Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung des Stands des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) mittels eines, den Zufluss flüssigen Metalls in die Kokille beeinflussenden Elementes erfolgt, mit- tels dessen und mittels eines Zuflussreglers der Zufluss flussigen Metalls (13) in Abhängig- keit von der Differenz zwischen Metallzufluss-Istwert und Metallzufluss-Sollwert geregelt wird, wobei der Metallzufluss-Sollwert in Abhängigkeit von den geschätzten Störgrössen (z ) derart verandert wird, dass der Einfluss der Störgrössen (z) auf den Istwert des Pegelstands des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3)
kompensiert oder verringert wird 7 Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei die Beeinflussung des Pegelstands des flüssigen Metalls (13) in der Kokille (3) mit- tels eines Stopfens (8) erfolgt, durch dessen Position (s) der Zufluss flüssigen Metalls (13) in die Kokille (3) beeinflussbar ist, und wobei die Position (s) des Stopfens (8) mittels eines
Zuflussreglers in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Istwert (s) und dem Sollwert (s*) der Position des Stopfens (8) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (s*) der Position des Stopfens (8) in Abhängigkeit der geschätzten Stor- grössen (z) derart verandert wird, dass der Einfluss der Störgrössen (z) auf den Istwert (h) des Pegelstands des flussigen Metalls (13) in der Kokille (3) kompensiert oder verringert wird 8.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet,
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dass die Schätzung der Störgrössen (z) mittels eines Storgrossenbeobachters (27) erfolgt, der einen Giessprozessbeobachter (36) und ein Störgrössenmodell (34) aufweist, wobei der
Giessprozessbeobachter (36) das Giessen flüssigen Metalls (13) ohne Einwirkung der Stor- grössen (z) modelliert und wobei das Storgrössenmodell (34) die Störgrössen modelliert 9 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation bzw die Verringerung des Einflusses der Störgrössen (z) zuschalt- bar ist 10 Einrichtung zu Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Anspruche zum Giessen eines Stranges (1) aus flüssigem Metall (13), das in eine Kokille (3) gegossen und als Strang (1) mit erstarrter Hülle (14)
und flüssigem Kern (2) aus der Kokille (3) he- rausgezogen wird, mit einem Stopfen (8), durch dessen Position (s) der Zufluss flussigen
Metalls (13) in die Kokille (3) beeinflussbar ist, und mit einem Zuflussregler zur Regelung der
Position (s) des Stopfens (8) in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Istwert (s) und dem Sollwert (s*) der Position des Stopfens (8), dadurch gekennzeichnet dass vor dem Zuflussregler ein Korrekturglied (24) zur Korrektur des Sollwertes (s*) der
Position des Stopfens (8) angeordnet ist 11 Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass das Korrekturglied (24) als Summierer ausgebildet ist 12 Einrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet dass das Korrekturglied (24) als Summierer zur Addition des Sollwertes (s*) der Position des Stopfens (8) mit einem Korrekturwert ( z )
oder zur Subtraktion des Korrekturwertes (z ) von dem Sollwert (s*) der Position des Stopfens (8) ausgebildet ist 13 Einrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet dass sie einen Storgrossenbeobachter (27) zur Bestimmung des Korrekturwertes ( z ) auf weist 14 Einrichtung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet dass der Storgrossenbeobachter (27) einen Giessprozessbeobachter (36) und ein Storgro- #enmodell (34) aufweist
HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN