DE102006047013B3 - Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs in einem Stranggießprozess, bei dem die Schwingung der Oberfläche des Strangs an einem Messort entlang des Strangs ermittelt wird und durch Vergleich der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit mindestens einem Vergleichswert festgestellt wird, ob am Messort im Strang eine flüssige Phase vorliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs sowie ein auf diesem Verfahren aufbauendes Stranggießverfahren sowie eine Stranggießanlage, auf der das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Stranggießverfahren durchgeführt werden können.
  • Im Stranggießprozess ist es aus vielerlei Sicht zweckmäßig, feststellen zu können, ob sich im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs noch eine flüssige Phase befindet. Insbesondere findet das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung bei der Ermittlung der Position der sogenannten Sumpfspitze in dem erstarrenden Strang.
  • Beim Stranggießen von Metallen ist die gezielte Erstarrung des Strangs von entscheidender Bedeutung für die Qualität des erstarrten Materials. Die Erstarrung beginnt in der Kokille mit der Bildung der Strangschale und schreitet dann weiter nach innen bis zur vollständigen Erstarrung des Strangs voran. Bei größeren Formaten und geringeren Wärmeleitfähigkeiten der zu gießenden Metalle, wie zum Beispiel bei Stahl, ist der Kern des Strangs beim Verlassen der Kokille noch flüssig, so dass der Strang im allgemeinen durch Rollenführung gestützt und durch Spritzdüsen von außen her weiter abgekühlt wird. Die Weglänge, die der Strang bis zur vollständigen Erstarrung zurücklegt, hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Metalls, der Gießgeschwindigkeit (auch Strangabzugsgeschwindigkeit genannt) und den Kühlbedingungen ab. Der Punkt, an dem die vollständige Erstarrung des Strangs erreicht wird, wird als Sumpfspitze bezeichnet. Die genaue Position der Sumpfspitze ist eine wichtige Eingangsgröße zur Steuerung des Stranggießprozesses. Ihre Kenntnis erlaubt zum Beispiel eine Regelung der Kühlung bzw. eine Überwachung der Kühleffizienz. Darüber hinaus ist durch gezieltes Drücken des Strangs im Bereich der Sumpfspitze eine wesentliche Verbesserung der Innenqualität des Strangs zu erreichen, weil die sogenannte Mittenseigerung hierdurch wirkungsvoll vermindert wird.
  • Aus der Praxis ist es bekannt, dass die Position der Sumpfspitze bzw. die Dicke der Strangschale im laufenden Betrieb mittels mathematischer Modelle ermittelte wird, die durch in den Strang eingeschlagene Stahlbolzen verifiziert werden. Für eine kontinuierliche Messung existieren mechanische Verfahren (z.B. das sogenannte Caster-Crown-Verfahren) und Ultraschall-Verfahren mit elektromagnetischer Anregung. Diese Mess verfahren arbeiten mit einer aktiven Schwingungsanregung des Strangs, was einen erheblichen technischen Aufwand bedeutet und zu einer Beeinträchtigung sowohl der Strangoberfläche als auch der Strangerstarrung führen kann.
  • Aus DE 31 26 385 C2 ist ein Verfahren zum Stranggießen von Stahlbrammen bekannt, bei dem man vor der vollständigen Erstarrung der Bramme deren Sumpf an einer Stelle überwacht, die um eine Strecke vor dem trichterartigen Ende des Sumpfs liegt und bei der man während des Gießens in Abhängigkeit des Überwachungsergebnisses ein Sekundär-Kühlmuster steuert. Bei diesem Verfahren wird der Sumpf-Querschnitt der Bramme durch eine Vielzahl von berührungsfreien Ultraschall-Dickenmessgeräten, die in der Querrichtung der Bramme angeordnet sind, überwacht.
  • Aus AT 276654 C ist eine Vorrichtung zur Lokalisierung von Inhomogenitäten mit dem Ultraschall-Echo-Prinzip bekannt, insbesondere zur Bestimmung der Phasengrenze fest/flüssig beim Stranggießen. Dabei werden ein als Sender wirkender Schwinger und ein als Empfänger wirkender Schwinger elektrisch und akustisch getrennt, jedoch gegenüber der Ankopplungsebene im gleichen Einfallswinkel zueinander angeordnet und mit einer Flüssigkeit an das Messstück gekoppelt.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, preiswertes Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs vorzuschlagen, welches vorzugsweise ohne Einwirkung auf den Strang durchgeführt werden kann. Ferner sollen ein dieses Verfahren verwendendes Stranggießverfahren und eine Stranggießanlage vorgeschlagen werden, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Stranggießverfahren durchgeführt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Art der Schwingung der Strangoberfläche davon abhängt, ob eine flüssige Phase im Innern des Strangs vorliegt oder nicht. Ferner liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass sich das Verhältnis der festen Phase zur flüssigen Phase in dem Strang ebenfalls aus der Art der Oberflächenschwingung ableiten lässt.
  • Diese Erkenntnis erlaubt es, Vergleichswerte festzulegen, um dann beim Vergleich des Ergebnisses der Ermittlung der Schwingung der Oberfläche des Strangs an einem Messort mit den Vergleichwerten als Antwort eine Aussage darüber zu erhalten, ob im Innern des an der Oberfläche bereits erstarrten Strangs eine flüssige Phase vorhanden ist oder nicht. Entspricht das Messergebnis beispielsweise einem ersten Vergleichswert, so ist eine flüssige Phase vorhanden; entspricht das Messergebnis beispielsweise einem zweiten Vergleichswert, so ist am Messort im Strang keine flüssige Phase vorhanden.
  • Das Ergebnis der Messung der Oberflächenschwingung des Strangs ist meist ein elektrisches Signal am Signalausgang einer Messeinrichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses Signal zum Vergleich mit den Vergleichswerten zunächst einer Signalbearbeitung zugeführt, beispielsweise einer Filterung oder einer Fast Fourier Transformation (FFT).
  • Der Vergleichswert kann beispielsweise ein Schwellenwert sein. Der Vergleich der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit diesem Vergleichswert kann dann beispielsweise dahingehend sein, ob die sich aus der FFT des Ausgangssignals der Messvorrichtung ergebende Frequenzverteilung einen gewissen Amplitudenwert überschreitet oder nicht. So hat sich bei Vorversuchen herausgestellt, dass bei einem Strang mit flüssiger Phase bei einer Frequenzanalyse mittels Fast Fourier Transformation die Schwingungsamplituden im unteren Frequenzbereich insgesamt deutlich höher sind als bei einem Strang, der keine flüssige Phase enthält. Indem man als Vergleichswert einen Schwellenwert für diese Schwingungsamplituden im unteren Frequenzbereich festlegt und prüft, ob das transformierte Messsignal über diesen Stellenwert liegt, kann also eine Aussage darüber gewonnen werden, ob in dem erstarrenden Strang eine flüssige Phase vorhanden ist oder nicht.
  • Die Unterschiede des Messsignalverlaufs bzw. des Verlaufs der Frequenzanalyse des Messsignals bei einem Strang mit flüssiger Phase im Innern im Vergleich zu denen bei einem vollständig erstarrten Strang sind jedoch nicht auf die absolute Höhe der Schwingungsamplitude im unteren Frequenzbereich beschränkt, so dass auch der Begriff "Vergleichswert" nicht auf einen solchen Schwellenwert beschränkt verstanden werden darf. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass das Amplitudenspektrum des transformierten Messsignals bei einem nicht vollständig erstarrten Strang weniger ausgeprägte Frequenzspitzen aufweist, als ein vergleichbarer Verlauf bei einem vollständig erstarrten Strang. Als Vergleichswert kann deshalb auch eine Größe gewählt werden, die den Verlauf des Messsignals in Bezug auf die darin enthaltenen Frequenzspitzen wiedergibt und so die Ermittlung des Vorhandenseins einer flüssigen Phase über die Beurteilung der "Glätte" des Amplitudenspektrums bereitstellt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur das Vorhandensein einer flüssigen Phase im Innern des Strangs ermittelt, sondern auch das Verhältnis der festen Phase zu der flüssigen Phase. Dies lässt sich beispielsweise durch das Festlegen von mehreren Schwellenwerten durchführen. Je nachdem welche Schwellenwert überschritten wird, ergibt sich eine Information darüber, wieviel flüssige Phase im Innern des Strangs vorhanden ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schwingung der Strangoberfläche berührungslos gemessen. Ein erstarrender Strang mit einer flüssigen Phase im Innern hat häufig hohe Oberflächentemperaturen, die die Strangoberfläche berührende Messelemente schädigen könnten. Dies wird vermieden, wenn die Schwingung der Strangoberfläche berührungslos gemessen wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schwingung der Strangoberfläche mittels optischer Messelemente ermittelt, vorzugsweise auf Grundlage des Doppler-Effekts. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schwingung der Strangoberfläche mit einem Laservibrometer gemessen. Es hat sich gezeigt, dass die optische Schwingungsmessung, insbesondere mit einem Laservibrometer, im Einsatzgebiet der Messung der Oberflächenschwingung eines erstarrenden Strangs im Verhältnis zu anderen Messmethoden besonders fehlerfrei funktioniert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Vergleichswerte einer Datenbank entnommen. Häufig wird das erfindungsgemäße Verfahren als Teil eines Stranggießverfahrens in einer konkreten Stranggießanlage eingesetzt. Da sich der Aufbau der Messvorrichtung demnach nicht ändern wird, bietet der Einsatz einer Datenbank die Möglichkeit, zunächst in Vorversuchen Vergleichswerte zu ermitteln. Im Betrieb der Anlage kann dann auf diese Vergleichswerte zurückgegriffen werden.
  • Ergänzend oder alternativ können Online-Vergleichswerte erzeugt werden. So kann beispielsweise durch Messung an weiteren Messorten, beispielsweise an einem Messort, an dem bekannt ist, dass ein in dieser konkreten Stranggießanlage unter den konkreten Einsatzbedingungen erzeugter Strang bereits erstarrt ist, ein Vergleichswert für einen vollständig erstarrten Strang erzeugt werden. Eine Messung an einem Messort, an dem stets eine flüssige Phase im Innern des an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs vorhanden ist, kann zur Erzeugung von Vergleichswerten für einen noch nicht vollständig erstarrten Strang genutzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird darauf verzichtet, den zu untersuchenden Strang für die Messung besonders anzuregen. Vielmehr wird lediglich die prozessbedingte Schwingung der Oberfläche des Strangs gemessen, also auf eine externe, für die Messtechnik vorgenommene Anregung verzichtet. Es hat sich gezeigt, dass ein durch eine Stranggießanlage geführter Strang stets prozessbedingt an der Oberfläche schwingt und dass bereits die Analyse dieser prozessbedingten Oberflächenschwingung eine Aussage über den Erstarrungszustand des Strangs erlaubt. Demnach kann auf aufwendige Zusatzeinrichtungen zur externen, für die Messtechnik vorgenommene Anregung einer Oberflächenschwingung verzichtet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase in einem erstarrenden Strang wird in einem erfindungsgemäßen Stranggießverfahren eingesetzt, bei dem aus dem Vergleich der gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindestens einen Vergleichswert das Verhältnis der festen Phase zur flüssigen Phase in dem Strang ermittelt wird. Alternativ oder ergänzend kann bei einem/dem erfindungsgemäßen Stranggießverfahren die Regelung der Sumpfspitzenposition auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindestens einen Vergleichswert erfolgen. Ebenso kann alternativ oder ergänzend die Regelung der Kühlung des Strangs auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindestens einen Vergleichswert erfolgen. Ebenso kann ergänzend oder alternativ die Regelung der Stranggeschwindigkeit auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindestens einen Vergleichswert erfolgen.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs, gegebenenfalls im Zusammenhang mit der Wahl des Messorts, wird eine weitere Information bereitgestellt, die für die Regelung eines Stranggießverfahrens eingesetzt werden kann. Ist es beispielsweise als Regelungsziel vorgesehen, dass der Strang an einem vorgegebenen Ort bereits vollständig erstarrt ist, so kann beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens an diesem Ort festgestellt werden, ob in dem Strang eine flüssige Phase vorhanden ist. Wird eine flüssige Phase festgestellt, so kann durch Anpassung der entsprechenden Stellgrößen, beispielsweise der Kühlung des Strangs oder der Stranggeschwindigkeit, der Erstarrungsprozess des Strangs derart angepasst werden, dass an dem vorgesehenen Ort eine vollständige Erstarrung erfolgt.
  • In einer weiteren Anwendung kann vorgesehen sein, durch gezieltes Drücken des Strangs im Bereich der Sumpfspitze eine wesentliche Verbesserung der Innenqualität des Strangs zu erreichen, also beispielsweise die Mittenseigerung zu vermindern. Hierfür ist es notwendig, dass die Sumpfspitze im Bereich der das Drücken herbeiführenden Druckwalzen vorliegt. Unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs und Einstellung der entsprechenden Stellglieder kann im Rahmen einer Regelung sichergestellt werden, dass im Bereich dieser Druckwalzen tatsächlich flüssige Phase im Innern des erstarrten Strangs vorliegt.
  • Eine erfindungsgemäße Stranggießanlage weist eine Messeinrichtung zum Messen der Oberflächenschwingung des erstarrenden Strangs auf. Diese Messeinrichtung ist vorzugsweise im Bereich der erwarteten Sumpfspitze angeordnet. Insbesondere bevorzugt ist die Messeinrichtung vor einer Druckwalze angeordnet. Insbesondere bevorzugt wird als Messeinrichtung ein Laservibrometer verwendet.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. dieser Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Stranggießanlage.
  • Der Strang 1 wird an Kühlelementen 2, einem Laservibrometer 3 und Druckwalzen 4 vorbeigeführt.
  • Das Laservibrometer misst die Oberflächenschwingung des Strangs (autochthone Schwingung). In einem Modul 5 wird die so ermittelte autochthone Schwingung mit mindestens einem Vergleichswert verglichen, um das fest-flüssig Verhältnis am Messort zu bestimmen. Auf Grundlage dieses Fest-Flüssigkeitsverhältnisses wird eine Regelung 6 der Kühlleistung, eine Regelung 7 der Walzenanstellung und eine Regelung 8 der Stranggeschwindigkeit vorgenommen.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase im Innern eines an seiner Oberfläche bereits erstarrten Strangs (1) in einem Stranggießprozess, bei dem – die Schwingung der Oberfläche des Strangs (1) an einem Messort entlang des Strangs ermittelt wird ohne dass die Oberfläche aktiv zu einer Schwingung angeregt wird und – durch Vergleich der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit mindestens einem Vergleichswert festgestellt wird, ob am Messort im Strang (1) eine flüssige Phase vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung der Strangoberfläche berührungslos gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung der Strangoberfläche mit einem Laservibrometer (3) gemessen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichswerte einer Datenbank (5) entnommen werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichswerte aus Messung der Schwingung der Oberfläche des/eines Strangs (1) an einem zweiten Messort ermittelt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ohne externe, messtechnische Anregung die prozessbedingte Schwingung der Oberfläche des Strangs (1) gemessen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleich der gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindestens einen Vergleichswert eine Frequenzanalyse des bei der Messung der Oberflächenschwingung ermittelten Messsignals durchgeführt und das Ergebnis der Frequenzanalyse mit dem Vergleichswert verglichen wird.
  8. Stranggießverfahren mit einem Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase in einem erstarrenden Strang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich der gemessenen Oberflächenschwingung mit den Vergleichswerten das Verhältnis der festen Phase zur flüssigen Phase in dem Strang (1) ermittelt wird.
  9. Stranggießverfahren mit einem Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase in einem erstarrenden Strang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Sumpfspitzenposition auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindestens einen Vergleichswert erfolgt.
  10. Stranggießverfahren mit einem Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase in einem erstarrenden Strang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (6) der Kühlung des Strangs (1) auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindestens einen Vergleichswert erfolgt.
  11. Stranggießverfahren mit einem Verfahren zur Ermittlung einer flüssigen Phase in einem erstarrenden Strang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, insbesondere nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (8) der Stranggeschwindigkeit auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs der an dem Messort gemessenen Oberflächenschwingung mit dem mindesten einen Vergleichswert erfolgt.
  12. Stranggießanlage mit einer Messeinrichtung zum Messen der Oberflächenschwingung des erstarrenden Strangs (1), dadurch gekennzeichnet, dass keine Vorrichtung zur Schwingungsanregung der Oberfläche vorgesehen ist.
  13. Stranggießanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung im Bereich der erwarteten Sumpfspitze angeordnet ist.
  14. Stranggießanlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung vor einer Druckwalze (4) angeordnet ist.
  15. Stranggießanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein Laservibrometer (3).
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