-
Die
Erfindung betrifft eine Kokille zum Vergießen von Flüssigmetall,
mit einem von einer Kokillenbegrenzung begrenzten Volumen zur Aufnahme des
Flüssigmetalls. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Ermittlung einer Füllstandshöhe von Flüssigmetall
in einer Kokille. Darüber hinaus befasst sich die Erfindung
mit einer Steuereinrichtung und einem Speichermedium zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Beim
Vergießen von Stahl wird einer gekühlten Kokille,
häufig aus Kupfer, flüssiger Stahl zugeführt.
Hierzu werden bspw. ein Tauchrohr oder Schattenrohr und Freiläuferdüsen
genutzt. Die Kokille kann unterschiedlichste Formen aufweisen, etwa
rund, quadratisch, rechteckig, beam blanks usw. Mittels Kokillen
können bspw. (Dünn-)Brammen, Stränge oder
Knüppelstränge hergestellt werden.
-
Durch
die Kühlung des Flüssigstahls in der Kokille kommt
es zu einer Erstarrung des flüssigen Stahls. So bildet
sich etwa beim Stranggießen ein erstarrter Mantel bzw.
eine feste Schale des Metalls aus, wobei beim Austreten aus der
Kokille im inneren des Strangs noch ein flüssiger Kern
vorliegt. Der Strang wird kontinuierlich aus der Kokille abgezogen und
weiterverarbeitet. Durch weitere Abkühlung erstarrt der
Strang vollständig im weiteren Prozess.
-
Wichtig
beim Vergießen von Flüssigmetall ist eine definierte
Füllstandshöhe des Flüssigmetalls in der
Kokille. Insbesondere ist es in der Regel gewünscht, eine
konstante Füllstandshöhe des Flüssigmetalls
in der Kokille einzuhalten und Oberflächenschwankungen
des Flüssigmetalls in der Kokille zu vermeiden. Dadurch
wird erreicht, dass der vergossene Stahl gleichbleibende Eigenschaften
aufweist.
-
Aus
der Offenlegungsschrift
EP
0 150 670 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei
dem mittels einer Messspule in der Metallschmelze induzierte Wirbelströme
als Maß des Abstandes der Messspule von der Metallschmelze
verwendet werden, wobei die Größe der Wirbelströme
auf der Metallschmelzenoberfläche mit einem Sollwert verglichen
wird, und nach der Differenz zwischen Soll- und Istwert die Zuflussmenge
an Metallschmelze geregelt wird. Bei der bekannten Einrichtung ist
die Messspule an einem Führungsrohr befestigt, welches
höhenveränderlich ausgestaltet sein kann. Als optimaler
Abstand des Messkopfes zur Metallschmelze werden ca. 20 mm angegeben.
Sollte im Nachhinein ein Absenken des Metallniveaus erforderlich
sein, kann diesem mit der Messspule durch ein Absenken des Führungsrohres
gefolgt werden. Nachteil dieser bekannten Einrichtung ist die nichtlineare
Messung. Kommt es während des Gießens zu einer
Veränderung des Metallniveaus, so treten durch diese Impedanzschwankungen
Messfehler auf, da sich die im Messobjekt induzierten Wirbelströme
als ohmsche Verluste niederschlagen.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche eine vereinfachte und genaue Erfassung eines
Füllstands einer Kokille ermöglichen. Ferner ist es
Aufgabe der Erfindung, hierzu eine geeignete Steuereinrichtung und
ein Speichermedium anzugeben.
-
Der
die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst
durch eine Kokille der eingangs genannten Art, mit einer Erfassungseinrichtung
zur Erfassung von Flüssigmetall in einem Erfassungsbereich
mittels Ultraschallwellen, wobei die Erfassungseinrichtung derart
angeordnet ist, dass ihr Erfassungsbereich wenigstens einen Teilbereich
des Aufnahmevolumens umfasst, und dass Ultraschallwellen bei Vorliegen
von Flüssigmetall im Erfassungsbereich in das Flüssigmetall
einkoppelbar und daraus auskoppelbar sind.
-
Durch
die Erfindung wird es ermöglicht, eine ultraschallbasierte
Füllstandsmessung von flüssigem Metall in einer
Kokil le bereitzustellen, indem das Vorliegen von Flüssigmetall
mittels Ultraschall erfasst wird.
-
Experimente
haben gezeigt, dass die mittels einer derartigen Kokille erzielbare
Genauigkeit für den Füllstand von Flüssigmetall
höher ist, als bei bisher bekannten Verfahren. Gießpulver
und Öl, etwa Rapsöl oder andere bekannte im Kokillenbereich
einer Stranggießanlage genutzten Öle, an der Oberfläche
des flüssigen Metalls in der Kokille können ausreichend
gut vom in der Kokille vorliegenden Flüssigmetall getrennt
werden. Es kann also im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren das
Flüssigmetall direkt detektiert werden. Eine durch Gießpulver
und Schmieröl verursachte Ungenauigkeit kann somit vermieden
werden. Ferner ist eine ultraschallbasierte Erfassungseinrichtung
kaum fehleranfällig und kann permanent betrieben werden.
Insofern ist eine derartige Kokille für eine ultraschallbasierte
Gießspiegelregelung sehr gut geeignet.
-
Die
Kokillenbegrenzung wird in der Regel gebildet aus einer Mehrzahl
von gekühlten Kokillenplatten, welche eine bestimmte Wandstärke
aufweisen. Die Kokillenbegrenzung umschließt zumindest
abschnittsweise den Hohlraum bzw. das Volumen, in welchen das Flüssigmetall
zugeführt wird. In der Regel wird dieser begrenzt durch
die Kokillenplatten und zwei senkrecht zur Gießrichtung
stehenden, bündig mit den Kokillenplatten abschließenden
Ebenen.
-
Der
Erfassungsbereich ist der Bereich der Kokille, in welchem Flüssigmetall
mittels der Erfassungseinrichtung erfassbar ist.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Erfassungseinrichtung
wenigstens einen Sender zum Aussenden von Ultraschallwellen und
wenigstens einen Empfänger zum Empfangen von Ultraschallwellen
auf. Hierzu können leicht erhältliche, kommerziell
verfügbare Ultraschall-Sender und -Empfänger verwendet
werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
sind der wenigstens eine Sender und der wenigstens eine Empfänger
derart auf derselben Seite der Kokillenbegrenzung angeordnet, dass
vom Sender ausgesendete Ultraschallwellen nach Reflexion an der
gegenüberliegenden Kokillenbegrenzung von dem wenigstens
einen Empfänger erfassbar sind. Dadurch kann eine ultraschallbasierte Messung
besonders platzsparend erfolgen. Insbesondere können Sender
und Empfänger als gemeinsame bauliche Einheit umgesetzt
sein. Somit hat man für das Senden und das Empfangen von
Ultraschallwellen nur ein Gerät zu verwenden. Jedoch können
Sender und Empfänger auch getrennt voneinander derart angeordnet
sein, dass Reflexionen von vom Sender ausgesendeten Ultraschallwellen
an der gegenüberliegenden Kokillenbegrenzung vom Empfänger
empfangen werden können.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der wenigstens
eine Sender und der wenigstens eine Empfänger sich wenigstens
im Wesentlichen gegenüberliegend an der Kokillenbegrenzung
angeordnet. Vorzugsweise durchlaufen die vom Sender ausgesendeten
Ultraschallwellen eine Mittengerade der Kokille in Gießrichtung.
Dadurch kann eine verlässliche Transmissionsmessung an
der Kokille erfolgen, welche Aufschluss darüber geben kann,
ob in einer bestimmten Höhe Flüssigmetall in der
Kokille vorliegt oder nicht. Gegenüberliegend sind der
Sender und der Empfänger im Rahmen dieser Anmeldung schon
dann, wenn sie mittels einer Geraden derart verbunden werden können,
dass die Verbindungsgerade abschnittsweise durch das Aufnahmevolumen
verläuft.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der wenigstens
eine Sender und der wenigstens eine Empfänger in Gießrichtung
im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet. Dadurch ist
es möglich, während des Betriebs der Kokille,
einen Füllstand einfach zu messen. Eine gleiche Höhe
von Sender und Empfänger ist dahingehend vorteilhaft, da
der Ultraschall direkt und geradlinig und im Betrieb der Kokille
im Wesentlichen horizontal vom Sender zum Empfänger gelangen
kann. Da der Gießspiegel aufgrund der Schwerkraft in der
Regel – im Rahmen dynamischer Schwankungen – im
Mittel horizontal steht, kann so eine einfach Füllstandsmessung
erfolgen.
-
Ferner
ist es vorteilhaft, dass dem wenigstens einen Sender eine Mehrzahl
von Empfängern derart gegenüberliegend angeordnet
ist, dass von dem wenigstens einen Sender ausgesendete Ultraschallwellen
bei Vorliegen von Flüssigmetall im Erfassungsbereich von
der Mehrzahl an Empfängern empfangbar sind. Dies erlaubt
eine verbesserte Auflösung und eine Erweiterung des Messbereichs
für den Füllstand in der Kokille. Unter Auflösung
wird dabei eine Genauigkeit verstanden, mit der ein Füllstand
von Flüssigmetall in der Kokille bestimmbar ist. Unter
Messbereich wird dabei derjenige Kokillenbereich verstanden, innerhalb
dessen ein Füllstand von Flüssigmetall mittels
Sender und Empfänger bestimmbar ist. Ist oder wird der
vom Sender ausgesendete Ultraschallkegel entsprechend aufgeweitet,
können eine Mehrzahl bis hin zu einer Vielzahl von Empfängern
zur Detektion gleichermaßen verwendet werden, was eine
starke Erweiterung des Messbereichs erlaubt. Es können
dann ggf. deutlich weniger Sensoren als Empfänger vorgesehen
werden und trotzdem kann ein Füllstand relativ exakt ermittelt
werden. Ferner wird dadurch der Aufwand zur Messung reduziert.
-
Insbesondere
ist es jedoch vorteilhaft einem Sender zwei gegenüberliegende
Empfänger zuzuordnen, welche direkt nebeneinander bzw.
benachbart angeordnet sind. Dabei sind die Empfänger gleichermaßen
mit vom Sender ausgehenden Ultraschallwellen bestrahlbar. Dies ist
bereits für nur schwach divergierende, vom Ultraschallsender
ausgesendete Ultraschallwellen möglich. Dadurch kann bereits
nicht nur eine des Messbereichs sondern auch eine Steigerung der
Auflösung im Randbereich der Empfänger erreicht
werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Mehrzahl von Sendern in Gießrichtung in verschiedenen Höhen
angeordnet. Dadurch kann der Messbereich und ggf. auch die Auflösung
für eine Füllstandsmessung der Kokille weiter verbessert
werden. Insbesondere erlaubt es diese Ausgestaltung, Sender über
die gesamte Kokillenhöhe anzuordnen und so stets den Füllstand
der Kokille relativ genau zu ermitteln. Dies ist insbesondere beim erstmaligen
Befüllen der Kokille als auch beim Abschließen
des Gießprozesses von Bedeutung. In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von Sendern
im Wesentlichen direkt aneinandergrenzend angeordnet.
-
Ferner
ist es vorteilhaft eine Mehrzahl von Empfängern vorzusehen,
welche in Gießrichtung in verschiedenen Höhen
angeordnet sind. Die Mehrzahl von Empfängern wird vorzugsweise
mit einer Mehrzahl von Sendern kombiniert verwendet. In einer besonders
vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Mehrzahl von Empfängern
direkt aneinandergrenzend angeordnet. Hierdurch kann ein erweiterter Messbereich
mit hoher Auflösung für einen zu messenden Füllstand
von Flüssigmetall in der Kokille erreicht werden.
-
Der
das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Füllstandshöhe
von Flüssigmetall in einer Kokille, wobei Ultraschallwellen
in Richtung eines zur Aufnahme von Flüssigmetall vorgesehenen
Volumens ausgesendet werden, wobei ausgesendete Ultraschallwellen
bei Auftreffen auf das im Volumen angeordnete Flüssigmetall
in das Flüssigmetall eingekoppelt werden, wobei eingekoppelte
Ultraschallwellen erfasst werden, und wobei die Füllstandshöhe
von Flüssigmetall in dem Volumen auf Grundlage erfasster
Schallwellen ermittelt wird. Unter eingekoppelten Ultraschallwellen
werden Ultraschallwellen verstanden, die zu irgendeinem Zeitpunkt
in Flüssigmetall eingekoppelt waren, und in der Regel nach
einer Auskopplung aus dem Flüssigmetall erfasst werden. Durch
ein derartiges Messkonzept können die aus dem Stand der
Technik bekannten Nachteile vermieden werden. Es kann ein kontinuierlich
durchführbares, technisch einfaches und wenig fehleranfälliges Verfahren
zur Ermittlung einer Füllstandshöhe bereitgestellt
werden.
-
Das
Verfahren beruht darauf, dass Ultraschallwellen nur dann in das
Aufnahmevolumen der Kokille in erheblichem Maße eindringen
bzw. einkoppeln, wenn die Ultraschallwellen an der Grenzfläche Kokillenbegrenzung-Aufnahmevolumen
auf Flüssigmetall treffen. Sie durchlaufen das Flüssigmetall
im Aufnahmevolumen in Ausbreitungsrichtung und werden teilweise
von der gegenüberliegenden Kokillenbegrenzung zurückreflektiert
und dann ausgekoppelt oder direkt an der Auftreffstelle der dem
Sender gegenüberliegenden Kokillenbegrenzung aus dem Flüssigmetall
ausgekoppelt. Bei ersterem handelt es sich um eine Reflexionsmessung,
bei letzterem um eine Transmissionsmessung für den Füllstand.
An Stellen, an welchen kein Flüssigmetall im Aufnahmevolumen
vorliegt findet das ein- und auskoppeln in das bzw. aus dem Flüssigmetall
nicht statt. Dies wird als Grundlage für eine Messung der
Füllstandshöhe von Flüssigmetall in der
Kokille verwendet.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung wird
eine Ausdehnung einer an das Flüssigmetall angrenzenden
Schmiermittelschicht, insbesondere eine Gießpulver- und/oder Ölschicht, auf
Grundlage erfasster Ultraschallwellen ermittelt. Dies betrifft einerseits
Ausdehnung der Schmiermittelschicht zwischen Flüssigmetall
bzw. Strangschale und der jeweils direkt benachbarten Kokillenplatte, sowie
der Schmiermittelschicht auf bzw. oberhalb des Flüssigmetalls
in der Kokille. Die Kenntnis der Ausdehnung dieser Schmiermittelschicht
erlaubt eine gezielte Zugabe von Schmiermittel, wodurch der Strangießprozess
verbessert wird.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Laufzeit der Ultraschallwellen durch das im Volumen angeordnete
Flüssigmetall und die Anordnung eines die Ultraschallwellen
aussendenden Senders und eines die ausgesendeten Ultraschallwellen
empfangenden Empfängers vorgegeben und ein zeitlich beschränktes
Messfenster wird derart festgelegt, dass zumindest Ultraschallwellen
mit der vorgegebenen Laufzeit empfangen werden. Dadurch können
Störsignale, welche durch Reflexionen an Grenzflächen
entstehen, verringert wer den. Das Signal ist leichter für
eine Bestimmung der Füllstandshöhe zu verwerten.
Die zeitliche Weite des Messfensters kann abhängig von
den jeweils für eine Kokille vorliegenden Umständen
angepasst werden. Das Messfenster kann abhängig von den
zu erwartenden Störsignalen, insbesondere in seiner Weite
und zeitlich symmetrisch oder zeitlich asymmetrisch zur vorgegebenen
Laufzeit, festgelegt werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Mehrzahl von
Sendern derart betrieben, dass von den Sendern Ultraschallwellen
in einer vorbestimmten Reihenfolge, vorzugsweise seriell bzw. nacheinander,
ausgesendet werden. Dadurch wird die Messgenauigkeit der Füllstandshöhe
bei bestimmten Sender- und Empfänger-Anordnungen, insbesondere
wenn der Erfassungsbereich mehrerer Sender und Empfänger überlappt,
verbessert. Nachteilig ist jedoch, dass sich die Messdauer zur Bestimmung
der Füllstandshöhe verlängert. Daher
kann vorgesehen werden, dass nur Sender in einem vorbestimmten Abstand
von der letzten ermittelten Füllstandshöhe seriell
betrieben werden. So wird der Zeitaufwand zur Messung ohne Verlust
von Messgenauigkeit reduziert.
-
Der
die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird ebenfalls gelöst
durch eine Steuereinrichtung für eine Kokille mit einem
maschinenlesbaren Programmcode, welcher Steuerbefehle aufweist,
die die Steuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens
nach einem der Ansprüche 11 bis 14 veranlassen.
-
Der
die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird auch gelöst
durch ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten maschinenlesbaren
Programmcode für eine Steuereinrichtung für eine
Kokille, wobei der Programmcode Steuerbefehle aufweist, die die
Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 11 bis 14 veranlassen.
-
Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen,
welche anhand der nachfolgenden schematischen Zeichnungen genauer
erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Kokille mit einer ultraschallbasierten
Flüssigmetall-Erfassungseinrichtung ausgebildet für
Transmissionsbetrieb,
-
2 eine
schematische Schnittdarstellung einer Kokille mit einer ultraschallbasierten
Flüssigmetall-Erfassungseinrichtung ausgebildet für
Reflexionsbetrieb,
-
3 eine
Einrichtung zur Ermittlung der Füllstandshöhe
zur Regelung eines Gießspiegels bzw. einer Füllstandshöhe
von Flüssigmetall in einer Kokille,
-
4 ein
Ablaufdiagramm zur schematischen Darstellung des Verfahrensablaufs.
-
Die
in 1 schematisch dargestellte Kokille 1 weist
eine Kokillenbegrenzung 2 auf, welche als eine Mehrzahl
von Kokillenplatten ausgebildet ist. In die Kokillenplatten 2 ist
eine Kühleinrichtung 6 implementiert, welche der
Wärmeabfuhr dient. Auf die Darstellung einer Einrichtung
zur Zuführung von flüssigem Metall in die Kokille 1,
wie etwa ein Tauchrohr, wurde in 1 verzichtet.
Dies ist jedoch vorhanden, da während des Vergießens
des Metalls in der Regel der Kokille 1 ständig
neues Flüssigmetall M zuzuführen ist.
-
Die
Kokille 1 weist ferner ein von den Kokillenplatten 2 begrenztes
Aufnahmevolumen 3 auf, welches in 1 teilweise
mit Metall M befüllt ist. Das Metall M liegt im oberen
Teil der Kokille 1 in flüssiger Phase vor, während
sich in Gießrichtung eine Schale aus erstarrtem Metall
im Grenzflächenbereich Metall-Kokillenplatte 2 ausbildet.
Das erstarrte Metall wird aus der Kokille 1 abgezogen,
weshalb es nach unten aus der Kokille 1 herausragend dargestellt
ist. Der weitere Verlauf des abgezogenen Metalls aus der Kokille 1,
bspw. eines Strangs, ist im Weiteren unerheblich.
-
An
den Kokillenplatten 2 der Kokille 1 sind eine
Mehrzahl an Ultraschallsendern 11 und eine gleiche Anzahl
an Ultraschallempfängern 12 auf der Außenseite
der Kokillenplatten 2 gegenüberliegend angeordnet,
welche einer Erfassungseinrichtung 10 zur Erfassung von
Flüssigmetall zugeordnet sind. Die Ultraschallsender 11 und
die Ultraschallempfänger 12 sind jeweils in unterschiedlichen,
paarweise auf gleichen Höhen h1, h2 und h3 zur Gießrichtung
R angeordnet. Ferner weisen die Ultraschallempfänger 12 ein
zeitlich beschränktes Messfenster auf. Dieses Messfenster
ist derart eingestellt, dass im Wesentlichen nur Ultraschallwellen
empfangen werden, welche eine bestimmte Laufzeit aufweisen. Dies
erfolgt, um Störsignale gering zu halten, da aufgrund mehrer vorliegender
Grenzflächen und dadurch verursachte Mehrfachreflexionen
eine Mehrzahl von Ultraschallwellen mit unterschiedlicher Laufzeit
auf den Ultraschallempfänger treffen. In der Transmissionsanordnung
von Ultraschallsender 11 und Ultraschallempfänger 12,
wie in 1, kann hierbei jedoch auch auf ein derartiges
Messfenster ggf. auch verzichtet werden.
-
1 zeigt
einen Gießspiegel des Flüssigmetalls M, welcher
sich etwa auf der Höhe h2 befindet. Auf dem Gießspiegel
des Flüssigmetalls M befindet sich ein Gießpulver-Öl-Gemisch
S. Durch Kokillenoszillationen gelangt dieses Gemisch S auch zwischen
Strangschale und Kokillenplatte 2. Das Gemisch S hat die
Aufgabe, das Abziehen des Strangs aus der Kokille 1 zu
befördern, indem ein Anhaften von erstarrtem Metall an
einer Kokillenplatte 2 vermieden wird. Andererseits wird
durch das Gemisch S das Flüssigmetall M von der Umgebungsluft
isoliert, um eine chemische Reaktion des Flüssigmetalls
M mit bspw. Luftsauerstoff zu unterbinden.
-
Sendet
der Ultraschallsender 11 auf der Höhe h1 Ultraschallwellen
in Richtung des auf gleicher Höhe h1 angeordneten Ultraschallempfängers 12,
so durchdringen die vom Ultraschallsender 11 ausgesendeten
Ultraschallwellen zunächst die Kokillenplatte 2,
an welcher der Sender 11 angeordnet ist. Anschließend
treffen die Ultraschallwellen auf Flüssigmetall M, in welches
Sie einkoppeln. Die Ultraschallwellen durchlaufen das Flüssigmetall
M und werden an der Grenzfläche Flüssigmetall-empfängerseitige
Kokillenplatte 2 zumindest teilweise ausgekoppelt. Dann
durchlaufen die Ultraschallwellen die empfängerseitige
Kokillenplatte 2 und werden schließlich vom Ultraschallempfänger 12 empfangen bzw.
erfasst. Daraus kann geschlossen werden, dass in der Höhe
h1 Flüssigmetall M vorliegt.
-
Die
Ultraschallwellen werden bevorzugt als Ultraschallpuls hoher Leistung
gesendet, so dass die Absorption durch die jeweiligen Medien vernachlässigbar
ist.
-
Sendet
der Ultraschallsender 11 auf der Höhe h3 Ultraschallwellen
in Richtung des auf gleicher Höhe angeordneten Ultraschallempfängers 12, so
durchdringen diese zwar die senderseitige Kokillenplatte 2,
jedoch können diese, da kein Flüssigmetall M in
dieser Höhe h3 vorliegt, nicht in das Aufnahmevolumen 3 einkoppeln
und auf der gegenüberliegenden Seite des Aufnahmevolumens 3 wieder
auskoppeln. Die ausgesendeten Ultraschallwellen erreichen daher
nicht den Ultraschallempfänger 12. Es kann somit
ausgesagt werden, dass sich das Niveau des Flüssigmetalls
M in der Kokille 1 zwischen h3 und h1 befindet.
-
Sendet
der Ultraschallsender 11 auf der Höhe h2 Ultraschallwellen
in Richtung des auf gleicher Höhe angeordneten Ultraschallempfängers 12, so
wird lediglich ein Teil der vom Sender ausgesendeten, transmissionsfähigen
Ultraschallwellen in das Flüssigmetall eingekoppelt. Denn
hier überlappt die Höhe des Flüssigmetalls
M und der Erfassungsbereich nur teilweise. Die Ultraschallwellen
werden somit nur an denjenigen Stellen in das Flüssigmetall
M bzw. Aufnahmevolumen 3 eingekoppelt, an denen die Ultraschallwellen
auch auf Flüssigmetall M treffen. Es gelangt somit ein
signifikant geringerer Anteil an Ultraschallwellen zum Empfänger 12 in
der Höhe h2. Daraus kann geschlossen werden, dass sich
der Gießspiegel in etwa auf der Höhe h2 befindet.
Durch Auswertung des quantitativen Abfalls des Signals kann eine
Genauigkeit des Gießspiegels des Flüssigmetalls
M in der Größenordnung von einem Millimeter oder
mehr erreicht werden.
-
Je
mehr Ultraschallsender 11 und je mehr Ultraschallempfänger 12 in
einer derartigen Anordnung an der Kokille 1 angebracht
werden und je näher jeweils die Ultraschallsender 11 und
die Ultraschallempfänger 12 benachbart werden,
desto genauer wird das Ergebnis einer Füllstandsmessung
für das Flüssigmetall M in der Kokille 1 sein.
-
Die
Anzahl an Ultraschallsendern 11 und/oder -empfängern 12 kann
nahezu beliebig hoch gewählt werden. Insbesondere können
zumindest teilweise engmaschige Array- bzw. Matrixstrukturen für
Ultraschallsender 11 und/oder Ultraschallempfänger 12 vorgesehen
werden. Dadurch kann eine besonders hohe Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht
werden. Die Anzahl der Ultraschallsender 11 bzw. Ultraschallempfänger 12 ist
insofern lediglich durch die räumliche Ausdehnung der Ultraschallsender 11 und/oder
der Ultraschallempfänger 12 limitiert. Bei den
genannten Strukturen sind vorzugsweise kleine und leistungsintensive
Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger für
die Ermittlung des Füllstands zu verwenden, um eine möglichst
hohe Auflösung zu erreichen.
-
2 zeigt
eine alternative Erfassungseinrichtung 10 zur Erfassung
von Flüssigmetall M in einem Aufnahmevolumen 3 einer
Kokille 1. Hierbei sind Ultraschallsender 11 und
Ultraschallempfänger 12 auf derselben Seite der
Kokillenbegrenzung derart angeordnet, dass die Erfassungseinrichtung
zur Erfassung von Flüssigmetall im Reflexionsbetrieb betreibbar
ist. Dabei sind jeweils ein Ultraschallsender 11 und ein
Ultraschallempfänger 12 baulich zusammengefasst.
Eine bauliche Zusammenfassung von Ultraschallsender 11 und
Ultraschallempfänger 12 ist nicht zwingend erforderlich,
aber vorteilhaft.
-
Das
in 2 zur Anwendung gelangende Messprinzip nutzt in
diesem Fall ein ähnliches Messprinzip, wie das im Zusammen hang
mit 1 geschilderte. Jedoch kommt hier dem zeitlich
beschränkten Messfenster eine höhere Bedeutung
zu.
-
Da
bei der Reflexionsmessung stets vom Ultraschallsender 11 ausgesendete
Ultraschallwellen auf den Ultraschallempfänger 12 gelangen,
ist es hier erforderlich ein Messfenster derart zu wählen,
dass Ultraschallwellen vom Empfänger 12 im Wesentlichen
nur dann erfasst werden, wenn die vom Ultraschallsender 11 ausgesendeten
Ultraschallwellen auch auf Flüssigmetall M treffen und
in dieses eingekoppelt werden. Dies geschieht bspw. über
die Laufzeit der ausgesendeten Ultraschallwellen.
-
In 2 ist
eine Mehrzahl an baulich jew. zusammengefassten Ultraschallsendern 11 und
Ultraschallempfängern 12 in Gießrichtung
in unterschiedlichen Höhen angeordnet. Die zusammengefassten Einheiten
aus jeweils einem Ultraschallsender 11 und einem Ultraschallempfänger 12 werden
im Folgenden als Ultraschall-Sende-Empfangseinheit 11, 12 bezeichnet.
-
Strahlt
eine Ultraschall-Sende-Empfangseinheit 11, 12,
welche unterhalb des Gießspiegels angeordnet ist, Ultraschallwellen,
vorzugsweise in horizontaler Richtung, ab, so durchlaufen diese
die Kokillenplatte 2, koppeln zumindest teilweise in das
Flüssigmetall M ein, auf welches sie treffen, durchlaufen das
Flüssigmetall M bis zur gegenüberliegenden Kokillenplatte 2,
werden dort reflektiert, laufen wieder zurück in Richtung
der Ultraschall-Sende-Empfangseinheit 11, 12,
treffen auf die Sende-Empfangseinheit-seitige Kokillenplatte 2,
werden hier zumindest teilweise aus dem Flüssigmetall ausgekoppelt
und gelangen dann zur Ultraschall-Sende-Empfangseinheit 11, 12,
welche die Ultraschallwellen erfasst. Vorzugsweise werden nur genau
diejenigen Ultraschallwellen erfassten, die während eines
voreingestellten zeitlichen Messfensters auf die Ultraschall-Sende-Empfangseinheit 11, 12 treffen.
-
Strahlt
ein Ultraschallssender 11 in 2, welcher
oberhalb des Gießspiegels angeordnet ist, Ultraschallwellen
ab, so durchlaufen diese die Kokillenplatte 2, werden an
der Grenz fläche Kokillenplatte 2 – Aufnahmevolumen
reflektiert und laufen zurück. Gegebenenfalls bilden sich
Mehrfachreflexionen in der Kokillenplatte 2 aus. Ist die
vorgegebene Laufzeit, welche man erwarten würde, wenn Ultraschallwellen
das Flüssigmetall durchlaufen, verstrichen und somit der
Empfänger empfangsbereit, so sind die mehrfach reflektierten
Ultraschallwellen schon so stark abgeklungen, dass diese als solche
identifiziert werden können, oder es werden keine Ultraschallwellen – abgesehen
von Rauschen – empfangen. Es kann also eindeutig ausgesagt
werden, dass die von dieser Ultraschall-Sende-Empfangs-Einheit ausgesendeten
Ultraschallwellen nicht in Flüssigmetall eingekoppelt und
wieder ausgekoppelt haben. Folglich befindet sich kein Flüssigmetall
in der Höhe dieser Ultraschall-Sende-Empfangs-Einheit 11, 12.
Dies wiederum lässt Rückschlüsse auf
die Füllstandshöhe des Flüssigmetalls
M in der Kokille 1 zu.
-
3 zeigt
eine Einrichtung zur Ermittlung der Füllstandshöhe
in einer Kokille 1 zur Regelung eines Gießspiegels. 3 zeigt
beispielhaft eine Kokille 1 mit Erfassungseinrichtung 10 zur
Erfassung von Flüssigmetall M im Transmissionsbetrieb.
-
Die
Kokille 1 umfasst die bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben
Merkmale, nämlich eine Kokillenbegrenzung 2 in
Form einer Mehrzahl von mittels einer Kühleinrichtung 6 gekühlten
Kokillenplatten 2, wobei ein von den Kokillenplatten 2 gebildeter
Hohlraum bzw. ein Aufnahmevolumen 3 für Flüssigmetall
M.
-
An
der Außenseite der Kokillenplatten 2 sind eine
Mehrzahl von Ultraschallsendern 11 und eine Mehrzahl von
Ultraschallempfängern 12 angeordnet. In der vorliegenden
beispielhaften Ausgestaltung sind einem Ultraschallsender 11 zwei
Ultraschallempfänger 12 zugeordnet. Insbesondere
sind die Ultraschallempfänger um eine halbe Senderlänge
in Gießrichtung R höhenversetzt, aneinandergrenzend benachbart
angeordnet. Dadurch wird die Auflösung der Füllstandshöhenmessung
verbes sert. Ferner ist der Erfassungsbereich B der Erfassungseinrichtung 10 in 3 dargestellt.
-
3 zeigt
ferner eine Steuereinrichtung 4, welche mit den Ultraschallsendern 11 und
den Ultraschallempfängern 12 wirkverbunden ist.
Die Steuereinrichtung steuert die Ultraschallsender an und bewirkt,
dass diese zu vorgegebenen Zeitpunkten Ultraschallwellen 11 mit
vorgegebenen Eigenschaften aussenden. Ferner steuert die Steuereinrichtung 4 die
Ultraschallempfänger 12, bspw. deren Messfenster.
-
Der
Steuereinrichtung 4 wird, in der Regel einmalig, ein Programmcode
zur Durchführung des Verfahrens zur Füllstandsermittlung
mittels eines Speichermediums 5 zugeführt, und
dort hinterlegt. Dadurch wird die Steuereinrichtung 4 in
die Lage versetzt, ein Verfahren zur Ermittlung eines Füllstands zu
veranlassen, wenn der Programmcode auf der Steuereinrichtung 4 ausgeführt
wird.
-
Die
Signale der Ultraschallsender 11 und der Ultraschallempfänger 12 werden
der Steuereinrichtung 4 zugeführt. Die Steuereinrichtung 4 weist
eine Auswerteeinrichtung auf, mittels derer aus den zugeführten
Daten eine Füllstandshöhe des Flüssigmetalls
M in der Kokille 1 ermittelt wird. Die Auswerteeinrichtung
kann eine gesonderte Einrichtung sein, oder in der Steuereinrichtung 4 implementiert
sein.
-
Anhand
der vorzugsweise permanent vorgenommenen Ermittlung der Füllstandshöhe
des Flüssigmetalls M in der Kokille 1 werden mittels
der Steuereinrichtung 4 Stellgrößen abgeleitet,
die dafür sorgen, dass die Füllstandshöhe
des Flüssigmetalls in der Kokille 1 einen Abstand
zu einem Füllstand-Sollwert verringert. Dies geschieht
in der Regel im Rahmen eines Regelprozesses des Gießspiegels.
-
Anhand
der mittels der Steuereinrichtung 4 ermittelten Stellgröße
wird eine Prozessgröße gezielt automatisch beeinflusst.
Diese Prozessgröße kann bspw. die Zuführung
von zusätzlichem Flüssigmetall in die Kokille 1 mittels
eines nicht dargestellten Tauchrohres oder eines anderen geeigneten
Mittels betreffen. Ferner wird die ständig ermittelte Füllstandshöhe
zu Kontrollzwecken auf einem Bildschirm 7, vorzugsweise
in einer Überwachungszentrale, graphisch ausgegeben.
-
4 zeigt
ein beispielhaftes Flussdiagramm zum schematischen Ablauf des Verfahrens zur
Messung der Füllstandshöhe von Flüssigmetall
in einer Kokille.
-
In
einem Verfahrensschritt 20 werden Ultraschallwellen von
einem Ultraschallsender in Richtung eines Aufnahmevolumens zur Aufnahme
von Flüssigmetall ausgesendet. Die Ultraschallwellen laufen nun
Richtung Aufnahmevolumen und treffen dort auf Flüssigmetall
oder nicht. Gegebenfalls könne die Ultraschallwellen auch
in einer vorbestimmten, vorteilhaften Reihenfolge ausgesendet werden.
-
Treffen
die Ultraschallwellen auf Flüssigmetall, so werden diese
in das Flüssigmetall eingekoppelt und durchlaufen das Flüssigmetall.
Anschließend werden die eingekoppelten Ultraschallwellen wieder
ausgekoppelt und in einem Verfahrensschritt 21 erfasst.
Vorzugsweise ist hierzu ein zeitlich beschränktes Messfenster
voreingestellt.
-
Treffen
die Ultraschallwellen nicht auf Flüssigmetall, so werden
diese nicht in das Flüssigmetall eingekoppelt. Es können
somit keine eingekoppelten Ultraschallwellen erfasst werden.
-
Das
Aussenden von Ultraschall in Richtung Aufnahmevolumen geschieht
vorzugsweise für eine Vielzahl von Höhen in Gießrichtung
der Kokille.
-
Auf
Grundlage der während des „geöffneten” Messfensters
erfassten und nicht erfassten Ultraschallwellen wird dann eine Füllstandshöhe
in einem Verfahrensschritt 22 ermittelt.
-
Die
ermittelte Füllstandshöhe wird einerseits in einem
Verfahrensschritt 23 auf einem Bildschirm ausgegeben, vorzugsweise
in einer Überwachungszentrale, und andererseits in einem
Verfahrensschritt 24 zur Regelung des Gießspiegels
verwendet.
-
Dazu
wird aus einem Vergleich der ermittelten Ist-Füllstandshöhe
mit einem Füllstandshöhensollwert eine Stellgröße
ermittelt, mittels welcher eine Prozessgröße derart
eingestellt wird, dass sich die Ist-Füllstandshöhe
dem Füllstandshöhensollwert annähert.
-
In
einem Verfahrensschritt 25 wird abgefragt, ob das Verfahren
beendet werden soll. Das Verfahren zur Ermittlung einer Füllstandshöhe
in einer Kokille wird in der Regel dann beendet, wenn der Gießprozess
abgeschlossen ist. Solange der Gießprozess andauert wird
vorzugsweise in periodischen Abständen eine Füllstandshöhe
ermittelt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-