DE19618923A1

DE19618923A1 - Verfahren zum Messen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels

Info

Publication number: DE19618923A1
Application number: DE1996118923
Authority: DE
Inventors: Guenter Meierhofer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-11
Filing date: 1996-05-10
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2016-05-11
Also published as: ATA79695A; AT402569B; DE19618923C2; CH692328A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels insbesondere einer Metallschmelze in einer Stranggießkokille.

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.

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 vorbestimmtem 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 ein Verschleiß der Spitze der Sonde auftritt.

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 insbesondere in vorhandenen Anlagen meistens nicht nachrüstbar.

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.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, die Höhe eines Flüssigkeitsstandes unter schwierigen Bedingungen, wie sie beispielsweise in der Kokille einer Stranggießanlage vorliegen, zuverlässig und genau zu bestimmen. 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.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Meßsonde mit einem Gas eines vorbestimmten Druckes durchströmt wird, wobei 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 Schaltkreis erreicht oder überschreitet;
- Bestimmung der Höhe der Sondenspitze in dem Augenblick, in dem der Staudruck den Schaltdruck erreicht;
- Zurückbewegen der Sonde um ein vorbestimmtes Außmaß und Beginn eines neuerlichen Absenkvorganges.

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 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 Absenken der 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.

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.

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.

In 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 Wheatston′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.

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.

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.

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 mitteln, 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_t = α k_t + (1-α)m_t-1 (1)

Dabei bedeutet m_t den gleitenden Durchschnitt zum Zeitpunkt t bzw. nach der t-ten Messung und h_t 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.

In einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nicht die Sonde bewegt, sondern es wird der Flüssigkeitsspiegel zur Sonde hin bewegt. Die Sonde ist in einer vorbestimmten Stellung innerhalb der Kokille angeordnet, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel von unten zur Sonde hin bewegt. Wenn der Flüssigkeitsspiegel der Sondenspitze so nahe gekommen ist, daß der Schaltdruck erreicht wird, wird ein Signal erzeugt, wodurch die genaue Höhe des Flüssigkeitsspiegels zu diesem Zeitpunkt bekannt ist. Darauffolgend wird die Sonde weggeschwenkt, um ein Eintauchen zu verhindern. In der Folge kann noch eine bestimmte Menge von Metallschmelze zugegeben werden, die relativ genau bestimmt werden kann, so daß auch nach diesem Vorgang die Füllmengen innerhalb der Kokille genau bekannt ist. Auf diese Weise kann die Füllmenge ebenfalls gut eingestellt werden.

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.

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.

In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung der Brückenschaltung dargestellt. Der von einer Druckwelle erzeugte Gasstrom mit einem Druck p wird zu den parallel geschalteten Drosseln D₁ und D₂ geführt. Am Ausgang der Drossel D₁ ist eine veränderliche Drossel DV angeordnet. Am Ausgang der Drossel D₂ ist die Meßsonde S angeordnet. Weiters ist zwischen den Ausgängen der Drosseln D₁ und D₂ ein Meßkolben M vorgesehen, der empfindlich auf sehr geringe Druckschwankungen reagiert. Durch Einstellung der veränderlichen Drossel DV kann das System abgeglichen werden, so daß am Meßkolben M auf beiden Seiten im wesentlichen der gleiche Druck anliegt. Zufolge der Schwerkraft befindet sich der Meßkolben in seiner unteren Stellung. Wenn nun ein Strömungshindernis an die Spitze der Meßsonde S herangeführt wird, so wird das System verstimmt, so daß der Anschluß des Meßkolbens M, der mit der Meßsonde S in Verbindung steht, von einem größeren Druck beaufschlagt wird, als der andere Anschluß. Unterschreitet der Abstand x des Strömungshindernisses, also beispielsweise des Badspiegels des Schmelzbades, einen gewissen Mindestwert, so ist der Druckanstieg am Meßkolben so groß, daß sich dieser in seine andere Stellung bewegt. Diese Tatsache wird über einen Reed-Kontakt erfaßt und dient zur Bestimmung der Höhe des Badspiegels.

In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, das die Kennlinie einer Meßsonde zeigt. Dabei ist der Druckanstieg über den Abstand x der Spitze der Düse vom Badspiegel aufgetragen. Der Schaltpunkt P wird in diesem Beispiel bei einem Druck p_p von 0,8 mbar festgelegt. Aus der Kennlinie ergibt sich daher, daß der Schaltpunkt P bei einem Abstand von 0,16 mm Entfernung der Düsenspitze von der Badoberfläche liegt. Dieser Abstand wird bei der Bestimmung der Badspiegelhöhe entsprechend berücksichtigt. Es ist jedoch auch möglich, den Schaltpunkt auf einen Druck einzustellen, der größer als 1,5 mbar ist. In diesem Fall wird der Druckstoß erst erfaßt, wenn die Düsennadel die Badoberfläche berührt. In diesem Fall beträgt x_p 0 mm.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben es, in einfacher Weise die Höhe des Flüssigkeitsspiegels einer Metallschmelze genau und zuverlässig zu bestimmen. Zufolge des einfachen Aufbaus ist es auch leicht möglich, bestehende Stranggießanlagen entsprechend nachzurüsten.

Claims

1. 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, dadurch gekennzeichnet, 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mit einem Absolut- Wegmeßsystem erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde mit einem Gasstrom angespeist wird, der zwischen 1 bar und 7 bar liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 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.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Meßvorgängen durchgeführt wird, deren Ergebnisse nach dem Verfahren des gleitenden Durchschnitts gemittelt werden.

6. Verfahren zur Regelung der Höhe des Flüssigkeitsspiegels einer Metallschmelze in einer Stranggießkokille, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwert der Höhe des Flüssigkeitsspiegels nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bestimmt wird, und daß dieser Meßwert als Eingangsgröße für einen PID-Regler herangezogen wird.

7. Verfahren zum Regeln 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, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Schaltdruck eingestellt wird, der um ein bestimmtes Ausmaß über dem zuvor bestimmten Druck liegt, wonach die folgenden Schritte fortlaufend wiederholt werden.

- Anheben des Flüssigkeitsspiegels bei gleichzeitiger Messung des Staudrucks so lange bis der Staudruck den Schaltdruck erreicht oder überschreitet;
- Zurückziehen der Sondenspitze;
- weiteres Anheben des Flüssigkeitsspiegels um ein vorbestimmtes Ausmaß.

8. Vorrichtung zum Messen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels, insbesondere einer Metallschmelze in einer Stranggießkokille, bestehend aus einer an den Flüssigkeitsspiegel heranführbaren Sonde (3), einer Antriebsvorrichtung (2) für die Sonde (3) und einer Vorrichtung zur Lagebestimmung der Sonde, wobei eine Inertgasquelle mit der Sonde (3) verbunden ist, und wobei die Sonde (3) als Rohr ausgebildet ist, an dessen Spitze das Gas ausströmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Inertgasquelle und der Sonde (3) eine Druckmeßvorrichtung (3a) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Staudruck des Gases zu erfassen, mit dem die Sonde (3) beaufschlagt wird, um Druckschwankungen zu erfassen, die von der der Sonde in Richtung Inertgasquelle zurückwirken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Lagebestimmung als Absolut-Wegmeßsystem ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßvorrichtung als Brückenschaltung ausgebildet ist, bei der eine Gasquelle mit den Eingängen einer ersten und einer zweiten Drossel (D₁, D₂) unveränderlichen Querschnitts verbunden ist, wobei der Ausgang der ersten Drossel (D₁) mit einer Drossel (DV) variablen Querschnitts verbunden ist, wobei der Ausgang der zweiten Drossel (D₂) mit der Meßsonde verbunden ist, und wobei zwischen den Ausgängen der ersten und der zweiten Drossel (D₁, D₂) ein Meßkolben (M) angeordnet ist.