DE19603233C1 - Verfahren zur Bestimmung des Temperaturprofils im Nutzgut bei Prozessen der Metallindustrie - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung des Temperaturprofils im Nutzgut bei Prozessen der MetallindustrieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des nicht direkt meßbaren Tempera
turprofils im Nutzgut, gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1 oder 2 und dessen
Anwendung.
Es wird z. B. beim Stranggießverfahren in der Stahlindustrie flüssiger Stahl kontinuierlich
aus einem Verteiler in eine Kokille gegossen. Durch die starke Wasserkühlung der
Kokillenwände (Primärkühlung) bildet sich eine erstarrte Schale, die den Abzug eines
Stranges erlaubt, der im Kern noch flüssig ist. Ab Kokillenausgang wird der Strang über
eine gewisse Strecke durch Spritzwasser (Sekundärkühlung) weiter gekühlt. Die Wärme
wird dabei durch Konvektion und Strahlung abgeführt, bis schließlich der Strang auch im
Kern erstarrt ist.
Durch den Gießprozeß entstehen thermische und mechanische Belastungen im Strang, die
kritische Werte nicht überschreiten dürfen, da es sonst zur Bildung von Rissen im Strang
kommt. Es werden daher instationäre mathematische Modelle zur Berechnung der
Temperaturverteilung im Strang eingesetzt. Diese Temperaturmodelle werden offline an
die anlagenspezifischen Verhältnisse angepaßt und zur Prozeßsteuerung herangezogen.
Der Aufbau der Temperaturmodelle ist sehr komplex, da Details der Kühlung nach
gebildet werden müssen. Es wäre daher wünschenswert, wenn die Ergebnisse der Modell
berechnungen durch einfache Temperaturmessungen am laufenden Nutzgut erhärtet
werden könnten.
Es ist zwar aus der DE 28 08 771 B2 ein Verfahren zum Regeln eines Erwärmungsofens
für Stahlblöcke bekannt, bei dem man nicht direkt meßbare Temperaturfelder aus dem
zeitlichen Verlauf der Blockoberflächentemperatur schätzen kann. Dieses Verfahren ist
aber bei bewegtem Nutzgut nicht anwendbar.
Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des
Temperaturprofils in einem bewegten Nutzgut der eingangs genannten Art anzugeben,
welches online betrieben werden kann, um mit der ermittelten Kerntemperatur im Nutzgut
das komplexe Temperaturmodell zu adaptieren oder die Kerntemperatur direkt zur
Steuerung der Sekundärkühlung heranzuziehen. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung
durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 oder 2 angegebenen Merkmale
gelöst. Die erfindungsgemäßen Verfahren können in vorteilhafterweise gemäß Anspruch
3 oder 4 angewendet werden.
Bei der Lösung gemäß Anspruch 1 sind die beiden Pyrometer hintereinander in Laufrich
tung z. B. eines Stranges angeordnet und sie haben einen Abstand von ca. 2 m. Da die
Stranggeschwindigkeit (Gießgeschwindigkeit) gemessen wird, ist die Laufzeit des Meß
punktes vom ersten zum zweiten Pyrometer bekannt. Zur Bestimmung des Temperatur
profils werden der Temperaturschätzeinrichtung zunächst a priori Startwerte für das
Temperaturprofil im Strang (Zustandsgrößen) übergeben. Die Temperatur der Strangober
fläche, die mit dem ersten Pyrometer gemessen wurde, wird als Startwert für die Zu
standsgrößen übernommen. Mit der Temperaturschätzeinrichtung wird dann über mehrere
Stufen eine Vorhersage bezüglich der Oberflächentemperatur gemacht, die am zweiten
Pyrometer erwartet wird. Mit Hilfe der Differenz aus dem vorhergesagten und dem
tatsächlichen Meßwert wird in der Temperaturschätzeinrichtung eine Korrektur für das
Temperaturprofil im Strang ermittelt. Mit jeder neuen Messung der Oberflächentempera
turen erhält man verbesserte Werte für das Temperaturprofil im Strang. Informationen
über die Abkühlungsbedingungen des Stranges von der Kokille bis zum ersten Pyrometer
werden nicht benötigt. Lediglich die Umgebungstemperaturen zwischen dem ersten und
zweiten Pyrometer müssen als Randbedingungen bekannt sein.
Das Verfahren zur Bestimmung des Temperaturprofils im Strang entsprechend der Erfin
dung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der zur Erläuterung verwendeten Zeichnung zeigen
Fig. 1 die Temperaturschätzeinrichtung als Blockbild und
Fig. 2 die ermittelte Kerntemperatur des Stranges.
Wie Fig. 1 zeigt, befinden sich in einer schematisch dargestellten Stranggießanlage 1 zwei
Pyrometer 2 an den Einbauorten A und B, die ca. 2 m voneinander entfernt sind. Mit den
beiden Pyrometern werden die Oberflächentemperaturen Ta und Tb des Stranges kontinuier
lich gemessen und der Temperaturschätzeinrichtung 5 zugeführt. Innerhalb der Tempera
turschätzeinrichtung erfolgt die zeitgerechte Zuordnung dieser Temperaturen. Zum Zeit
punkt t1 wird die gemessene Temperatur Ta an T(t1) übergeben. Die Zeitspanne, die der
Meßpunkt von A nach B benötigt, kann berechnet werden, da der Abstand zwischen A und
B sowie die Stranggeschwindigkeit bekannt sind. Zum Zeitpunkt t4 ist der Meßpunkt am
Meßort B und die gemessene Oberflächentemperatur Tb wird T(t4) zugeordnet.
Es wird nun eine anlagenspezifische Trajektorie für den Temperaturverlauf an der Nutzgut
oberfläche zwischen den Meßpunkten Ta und Tb vorgegeben. Die Form der Trajektorie ist
vom Meßort in der Anlage abhängig. Wird nach der Sekundärkühlung gemessen, dann
beschreibt die Trajektorie eine geradlinie Verbindung zwischen den Meßpunkten Ta und Tb
und man erhält durch lineare Interpolation als Zwischenwerte die Oberflächentemperaturen
T(t2) u. T(t3). Die Anzahl der Zwischenwerte ist projektbezogen und liegt bei maximal 10
Oberflächenwerten, die untereinander nicht equidistant sein müssen. Diese Zwischenwerte
sind erforderlich, da die Temperaturschätzeinrichtung rekursiv arbeitet und Angaben über
Oberflächentemperaturen im Prädiktor und Filter verarbeitet.
Im Prädiktor ist ein eindimensionales Wärmeleitungsmodell hinterlegt, das den zeitlichen
und örtlichen Temperaturverlauf im erstarrten Strang beschreibt. Die Formulierung des
Modells stellt keine Schwierigkeit dar, da der Temperaturverlauf im Strang durch die
bekannte partielle Differentialgleichung der Wärmeleitung exakt beschrieben wird. Die
Stoffwerte des Strangs (Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spez. Wärmekapazität) sind allerdings
temperaturabhängig und müssen in Tabellen vorliegen; gleichfalls muß die Strangdicke
vorgegeben werden. Als Randbedingung für die äußeren Wärmeübergänge an den Strang
oberflächen wird Wärmeübertragung durch Konvektion angesetzt. Hierfür ist die Kenntnis
der Wärmeübergangskoeffizienten a und der Umgebungstemperaturen notwendig.
Zur numerischen Lösung der partiellen Differentialgleichung mit ihren Randbedingungen wird
das explizite Differenzenverfahren herangezogen und die Ergebnisse als zeitdiskrete Zustands
gleichung im Prädiktor hinterlegt.
Prädiktor:
Modell θ*k = Ak-1 k-1 + Buk-1
Meßgleichung θ(tk) = θ*1(k)
Das Modell beschreibt die zeitliche Temperaturveränderung an festen Stützstellen entlang der
Strangdicke vom Zeitpunkt tk-1 zum Zeitpunkt tk. Hierbei ist θ*k ein Vektor, der das Tempe
raturprofil im Strang beschreibt und dessen Größe von der Anzahl der Stützstellen abhängt.
Die erste Position in diesem Vektor ist die Strangoberflächentemperatur θ*1(k), die in der
Meßgleichung der skalaren Größe θ(tk) für den späteren Gebrauch im Filter zugeordnet wird.
Die Transitionsmatrix A bestimmt das dynamische Verhalten des Modells und beinhaltet die
Stoffwerte und Wärmeübergangskoeffizienten. Mit B wird die Steuermatrix und mit u werden
die Umgebungstemperaturen beschrieben.
Ausgehend von den Anfangswerten θ∧ k-1 zum Zeitpunkt tk-1 wird mit dem Modell im Prädiktor
eine Vorhersage bezüglich der zu erwartenden Oberflächentemperatur θ(tk) = θ*1(k) für den
Zeitpunkt tk gemacht. Die Differenzen zwischen gemessener und vorhergesagter Ober
flächentemperatur [T(tk-θ(tk)] wird im adaptiven Filter 4 verarbeitet.
Die Aufgabe des Filters besteht darin, unter Verwendung des neuen Meßwerts Tt(k) neue
Schätzwerte für den Zustandsvektor θ∧ kk und somit für das Temperaturprofil im Strang zu
bestimmen, die dann im Prädiktor dem Modell als verbesserte Anfangswerte dienen. Die
Verstärkungsmatrix K ist zeitvariant und wird online berechnet.
Zum Starten der Temperaturschätzeinrichtung werden a priori Anfangswerte für das
Temperaturprofil im Strang an der Meßstelle A zum Zeitpunkt t1 vorgegeben, die sich aus
der Temperatur T(t1) ableiten und mit einer erheblichen Unsicherheit behaftet sein können,
siehe Fig. 1. Als gesichert kann lediglich angenommen werden, daß die Temperatur von
der Oberfläche zum Kern hin ansteigt. Ausgehend von diesen Anfangsbedingungen wird für
den Zeitpunkte t2 mit dem Prädiktor eine Vorhersagen bezüglich der zu erwartenden
Oberflächentemperaturen θ(t2) gemacht. Die Differenzen aus gemessener und vorhergesag
ter Oberflächentemperatur [T(t2)-θ(t2)] wird im Filter zur Korrektur des Temperaturprofils
verwendet. Die Schritte Prädiktor und Filter werden erneut zum Zeitpunkt t3 durchlaufen.
Zum Zeitpunkt t4 liegt dann die Pyrometermessung T(t4) = Tb vor, die mit der vorherge
sagten Oberflächentemperatur θ(t4) verglichen wird. Die Differenz [T(t4)-θ(t4)] wird im Filter
erneut zur Korrektur des geschätzten Temperaturprofils verwendet, um so die bestmögliche
Aussage über das Temperaturprofil im Strang an der Stelle B zu erhalten.
Die Produktionsbedingungen in einer Stranggießanlage unterliegen laufenden Veränderungen
und somit auch das Temperaturprofil im Strang. Die Pyrometermessungen Ta und Tb werden
deshalb ständig in der Temperaturschätzeinrichtung ausgewertet und Veränderungen des
Temperaturprofils im Strang an der Stelle B angezeigt. In Fig. 2 wird ein Prozeßzustand
dargestellt, bei welchem zu den Zeitpunkten t1 u. t4 die Oberflächentemperaturen Ta = 1170°C
und Tb = 1130°C gemessen werden. Für die Zeitpunkte t3 u. t4 werden weitere Oberflächen
temperaturen durch lineare Interpolation zwischen den Meßpunkten Ta und Tb ermittelt. Als
Ergebnis liefert die Temperaturschätzeinrichtung eine Kerntemperatur von 1230°C.
Claims (4)
1. Verfahren zur Bestimmung des Temperaturprofils in einem warmen und bewegten Nutzgut
bei Prozessen in der Metallindustrie, insbesondere der Stahlindustrie, wobei Temperaturen
der Nutzgutoberfläche erfaßt und daraus in einer Temperaturschätzeinrichtung das Tempe
raturprofil im Nutzgut ermittelt wird, welches zur Steuerung des beobachteten Prozesses
herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet,
- - daß der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur des bewegten Nutzgutes mit zwei Pyrometern, die hintereinander in Laufrichtung des Nutzgutes angeordnet sind, gemessen wird und
- - daß eine anlagenspezifische Trajektorie für den Temperaturverlauf an der Nutzgut oberfläche zwischen den beiden Pyrometern - z. B. linearer Verlauf - vorgegeben wird.
2. Verfahren zur Bestimmung des Temperaturprofils in einem warmen und bewegten
Nutzgut bei Prozessen in der Metallindustrie, insbesondere der Stahlindustrie, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Pyrometer in Laufrichtung des Nutzgutes bewegt wird und die
Oberflächentemperatur mißt, wobei das Temperaturprofil im Nutzgut über eine Tempera
turschätzeinrichtung ermittelt wird, welches zur Steuerung des Prozesses herangezogen
wird.
3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 beim Gießstrang in Stranggieß
anlagen.
4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 bei Brammen oder Knüppeln in
Wärmöfen.
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| DE1996103233 DE19603233C1 (de) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Verfahren zur Bestimmung des Temperaturprofils im Nutzgut bei Prozessen der Metallindustrie |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19603233C1 (de) |
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- 1996-01-30 DE DE1996103233 patent/DE19603233C1/de not_active Expired - Fee Related
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