DE2447580A1

DE2447580A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung der erstarrung des stahles in einer stranggiesskokille

Info

Publication number: DE2447580A1
Application number: DE19742447580
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Ing Poklekowski; Wolfgang Dr Ing Schulz
Original assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Current assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Priority date: 1974-10-05
Filing date: 1974-10-05
Publication date: 1976-04-08
Also published as: BE834250A; GB1499130A; NL7511659A; LU73509A1; IT1043084B; FR2287040A1

Description

Betriebsforschungs i nst i tut

VDEh - Institut für angewandte Forschung GmbH -

4 Düsseldorf, Sohnstraße 65

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Erstarrung des Stahles in einer Stranggießkokille

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Erstarrung des Stahles in einer Stranggießkokille während des Stranggießens. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Der Überwachung der Erstarrung des Stahles in einer Stranggießkokille kommt erhebliche Bedeutung zu, weil sich hiernach die Gießgeschwlndigkeit richtet. Insbesondere muß gewährleistet sein, daß der erstarrte Stahl mit einer hinreichend starken Strangschale aus der Stranggießkokille austreten kann, damit er alsdann von der Führung ohne Gefahr olnes Durchbruches der Strangschale übernommen werden kann. Eine unmittelbare Beobachtung des Verhaltens des Stahles während der Erstarrung ist jedoch nicht möglich.

Daher Hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zuverlässige Angaben über das Verhalten des Stahles In der Kokille zu schaffen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich

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dies dadurch erreichen, daß wenigstens ein an die Außenwandung der Kokille in Ausrichtung auf ihre Innenwandung angekoppelter Ultrascha11schwinger unter Anwendung des Ultrascha11 -Impulsecho-Verfahrens in der Weise betrieben wird, daß im Anschluß an eine Erregung des Schwingers zunächst ein Mehrfaches der Scha 11-Laufzeit zwischen Schwinger und Innenwandung.der Kokille abgewartet wird, daß sodann die mit zunehmender Zeit abklingenden Energieamplituden der Echos höherer Ordnungen gemessen und einer Auswertung zugeführt werden, und daß nach einer die zwischen Erregung des Schwingers und Beginn der Amplitudenauswertung liegenden Wartezeit entsprechend übersteigenden Meßzeit der Schwinger erneut erregt wird.

Das Ultrascha11 -Impulsecho-Verfahren ist von der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung her bekannt, in welchem Falle es die Auffindung von Fehlstellen, die sich durch Inhomogenitäten kennzeichnen, in dem prüfenden Material gestattet. Beim Auftreffen auf eine örtl iche Materia 1 trennung werden die Ultraschallwellen reflektiert und können dann von dem intermittierend als Sender bzw. als Empfänger betriebenen Schwinger empfangen und schließlich registriert werden. Bei diesem Vorgang wird die Zeit gemessen und in geeigneter Weise optisch dargestellt, die zwischen Impuls und Empfang des Echos liegt. Aus der Lage des Echos innerhalb der genannten Zeit läßt sich sodann auf die Lage der Fehlstelle schließen. Ebenso kann man mittels Ultraschal1impulsen die Dicke von durchschallten, hinreichend homogenen Körpern messen. Auch in diesem Fall ist die Schal 1-Laufzeit zwischen Sendung des Impulses und Empfang des Echos maßgeblich.

Im Gegensatz hierzu ist bei der vorliegenden Erfindung die Lage des Echos innerhalb der sich an die Sendung des Impulses

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anschließenden Zeit uninteressant, weil in jedem Falle von der Innenwand der Kokille ein Echo reflektiert wird, welches nach einer gleichfalls in jedem Fall bekannten Zeit empfangen werden kann. Dieses Echo würde also keine Aussage über das Verhalten des Stahles während der Erstarrung gestatten. Demgegenüber lassen sich jedoch aus den erfindungsgemäß abgewarteten Energie-Amplituden der Echos höherer Ordnung signifikante Aussagen über die Verhältnisse machen, wie sie zwischen der Innenwand der Kokille und dem angrenzenden Stahl bestehen. Während nämlich im Zustand des Kontaktes des Stahles die Energie-Amplituden verhältnismäßig schnell kleiner werden und insbesondere dann auch vorgegebene Werte unterschreiten, klingen die Energie-Amplituden nach der Erstarrung des Stahls und seiner Ablösung von der Innenwand der Kokille relativ schwach aus. Die unmittelbar an die Erregung des Schwingers folgenden ersten Echos sind demgegenüber von vergleichsweise gleicher Höhe, so daß deren Auswertung keine zuverlässigen Aussagen ermöglichen würde.

Der Jn üblicher Weise gestaltete Schwinger wird zweckmäßig immer nur mit elektrischen Impulsen von der Dauer einer halben Schwingungsamplitude seiner Eigenfrequenz erregt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schwinger mit einer Erregungsfrequenz von unter 500 KHz erregt wird. Insbesondere haben Erregungsfrequenzen von weniger als 50 KHz aussagekräftige Ergebnisse ergeben. Diese niedrigen Frequenzen wurden deshalb gewählt, weil in der Regel zwischen der Innenwand der Kokille und der Außenwand des sie durchsetzenden Stahles hoch eine Schicht von geschmolzenem Gießpulver vorliegt. Beim Austritt aus einem Festkörper durch eine dünne Zwischenschicht ist aber die durchgelassene Energie stark von der Wellenlänge des Ultraschalls i-n diesem Medium Im Verhältnis zur Dicke der Zwischenschicht abhängig.Nur wenn

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dieses Verhältnis kleiner oder zumindest nicht wesentlich größer ist als das der Schallwellen-Widerstände von Zwischenschicht zu Festkörper, ist ein guter Scha 11 Übergang erreichbar. Wenn man nun die vorgeschlagenen, an sich in der Werkstoffprüfung nicht üblichen_/ηiedrigen Frequenzen verwendet, wird die Gefahr umgangen, daß die Schicht verflüssigten Gießpulvers nicht durchschallt werden könnte. Vielmehr tritt erfindungsgemäß der Schall mit verhältnismäßig geringen Verlusten durch die genannte Zwischenschicht hindurch.

Weitere Verbesserungen lassen sich dadurch erzielen, daß der Ultrascha11schwinger mittels einer akustischen Vor— laufstrecke an die Innenwandung der Kokille angekoppelt wird, Insbesondere wird die Vor 1 aufstrecke so gewählt, daß sie einschließlich der Wandstärke der Kokille der halben, von der Schallgeschwindigkeit im Material der Vor 1 aufst recke und Kokillenwand abhängenden Schallwellenlänge oder einem ganzahl igen Vielfachen davon ist.

Durch die Ankoppelung von mehreren Ultraschal1schwingern an die Innenwandung der Kokille läßt sich die Stelle der Erstarrung des flüssigen Stahles sowohl am Umfang der Kokille als auch in der entsprechenden Höhe sehr genau orten. Man kann hierbei eine Auswahlschaltung verwenden, die aufeinanderfolgende jeweils nur In einer Höhenlage befindliche Ultraschal1 schwinger an den Ultraschal1-Generator bzw. -Empfänger anschaltet. Gleichfalls kann durch Erregung Jeweils nur an einer Umfangsstel1e befindlicher Schwinger das Meßergebnis verbessert werden.

Eine besonders leistungsfähige Art der Überwachung wird dadurch erzielt, daß benachbarte Ultraschal1schwinger mit

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selektiv abweichenden Sende- und Empfangsfrequenzen beaufschlagt sind. Diese Arbeitsweise macht eine Auswahlschaltung entbehrlich und erlaubt somit den Übergang zu einer kontinuierlichen Messung im gesamten Bereich der Kokille.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die schematischen Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen:

Figur 1 die Echo-Amplituden höherer Ordnung bei von der Koki11 eninnenwandung abgelöstem, erstarrtem Stahl, wobei die Energie des Echos gemessen wird,

Figur 2 die Echo-Amplituden bei noch an der Kokilleninnenwandung angrenzendem, flüssigem Stahl,

Figur 3 die Anordnung von Ultrascha11-Schwingern an der Kokillenwandung und

Figur h ein schematisches Blockschaltbild.

Die bei den Figuren 1 und 2 wiedergegebenen Echo-Amplituden sind gegen die an sich in der Hörizonta1 achse erstreckende Zeit dargestellt. Da sich die Erstreckung der Kokillenwand einschließlich der akustischen Vor 1 aufstrecke nicht ändert, treten die Echo-Amplituden stets in gleichem, horizontalem Abstand voneinander auf. Während nun die ersten Echo-Amplituden weltgehend gleich sind und praktisch keine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen noch flüssigem Stahl und von der Innenwandung der Kokille ablöstem, erstarrtem Stahl ermöglichen, werden die Unterschiede der Echo-Amplituden oberhalb einer bestimmten Anzahl von Echos für die Vorgänge Innerhalb der Kokille signifikant. Daher wird eine Messung der Amplituden Innerhalb der zwischen 1 und 2 liegenden Zelt 3 vorgenommen. Bei Figur 1 zeigt diese Messung relativ

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hohe Amplitudenwerte, was darauf zurückzuführen ist, daß ein verhältnismäßig großer Anteil der Scha 11energie von der Koki11 eninnenwandung reflektiert wird. Dieser Zustand ist charkteristisch für den von der Koki11 eninnenwandung abgelösten, erstarrten Stahlstrang bzw. für die erstarrte Strangschale. Man kann nun einerseits die Amplitudenhöhe unmittelbar messen und für diese einen festen Wert vorgeben. Sowie dieser feste Wert unterschritten wird, ist die Aussage zulässig, daß es zu einer Ablösung des Strangs von der Innenwand der Kokille gekommen ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, innerhalb der Zeit 3 eine Differenzierung nach der Zeif vorzunehme, so daß man dann den Differentialquotienten als eine zuverlässige Aussage ansehen kann. Schließlich kann auch noch eine Integration der innerhalb der Zeit 3 aufgenommenen Amplitudenwerte vorgenommen werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Aussage noch zunimmt. Die einzelnen Arten der Auswertung sind jedoch an sich bekannt und werden daher im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher beschrieben.

Figur 3 zeigt die Kokille k, an deren Innenwand 5 der zunächst noch flüssige Stahl 6 anliegt. An mehreren Stellen Ist die Kokillenwand <+ mit Ultraschal1schwingern zu versehen, von denen die oberen mit 7 und die unteren 8 bezeichnet sind. Die einzelnen Ultrascha11schwinger können noch akustische Vor laufstrecken 9 aufweisen. Die Durchschal lung der Kokillenwand k wurde schematisch durch von parallelen Linien 10 begrenzte Bereiche dargestellt, wenngleich die Schallausbreitung innerhalb der Kokillenwand 4 In Wirklichkeit divergiert. Die Abstände der einzelnen Ultraschal1-Schwinger 7 voneinander werden zweckmäßig daher so gewählt, daß sich die Einflußbereiche der Durchschal 1ung

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deutlich voneinander trennen lassen.

Der flüssige Stahl 6 befindet sich im oberen Abschnitt der Kokille, während im unteren Abschnitt der Kokille der zumindest mit einer festen Strangschale versehene Stahl 11 austr i tt.

Die Auswertung der Echo-Amplituden führt bei den unteren Schwingern 8 zu einem Bild, wie es in Figur 1 bezeichnet ist. Der untere der beiden mit 7 bezeichneten Schwinger führt demgegenüber zu einem Auswerteergebnis, wie es Figur zeigt, da an dieser Stelle noch der flüssige Stahl an der Innenwandung 5 der Kokille *+ angrenzt. Der obere der beiden, mit 7 bezeichneten Schwinger zeigt hingegen gleichfalls bei der Auswertung ein Bild, das demjenigen der Figur 1 ähnlich ist. Insofern gestatten die oberen Ultraschall-Schwinger zugleich bei Auswertung der mit ihnen erzielten Ergebnisse eine Aussage darüber, wie hoch die Kokille 4 mit flüssigem Stahl 6 gefüllt ist.

Wie das Blockschaltbild gemäß Figur k zeigt, sind die e i nzelnen Ultraschal1-Schwinger 7,8 mit einem Ultraschall-Generator und -Empfänger 12 verbunden, der entweder eine Beaufschlagung der einzelnen Schwinger mit unterschI ed 1ίchen, selektiven Frequenzen gestattet, oder aber bei gleichbleibender Frequenz mit einer Auswahlschaltung 13 verbunden ist, die Jeweils nur einen oder einige Schwinger anschaltet. Der Generator bzw. Empfänger 12 ist weiterhin mit der Energieversorgung 13 verbunden und gibt die von ihm aufgenommenen Echo-Amplituden an eine Auswerte-Elektronik 14 ab/ In der die Scheitelwerte der Echo-Amplituden I nach der beschrle*- benen Wartezeit in Bezug auf die Zeit t ausgewertet werden.

Sofern vorstehend vom flüssigen, an der Innenseite der Inrtenwandung der Kokillen anliegenden Stahl die Rede ist, wird hierdurch nicht ausgeschlossen/ daß sich bereits eine dünne Haut erstarrten Stahls gebildet hat, die Jedoch noch nicht zur Ablösung ausreichend Ist.

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BAD ORIGINAL

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

Verfahren zur Überwachung der Erstarrung des Stahls in einer Stranggießkokille während des Stranggießens, dadurch gekennzelehnet, daß wenigstens ein an die AuOenwandung der Kokille in Ausrichtung auf deren Innenwandung angekoppelter Ultraschal1-Schwinger unter Anwendung des Ultraschal1 -Impulsecho-Verfahrens in der Weise betrieben wird, daß im Anschluß an eine Erregung des Schwingers zunächst ein Mehrfaches der Schall-Laufzeit zwischen Schwinger und Innenwandung der Kokille _ abgewartet wird, daß sodann die mit zunehmender Zeit abklingenden Energie-Amplituden der Echos höherer Ordnung gemessen und einer Auswertung zugeführt werden, und daß nach einer die zwischen Erregung des Schwingers und Beginn der Amplitudenmessung liegenden Wartezeit entsprechend übersteigenden Meßzeit der Schwinger erneut erregt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger mit elektrischen Impulsen von der Dauer einer halben Schwingungsamplitude seiner Eigenfrequenz erregt wi rd.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger mit einer Erregungsfrequenz von unter 500 KHz erregt wird.

k. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennze Ichnet, daß der Schwinger mit ei.ner Erregerfrequenz von unter 50 KHz erregt wird.

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5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschal1schwinger (7, 8) an die Außenwandung der Kokille (Ό angekoppelt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den bzw. dem U1trascha1!schwinger (7,8) und der Kokillenwand eine akustische Vor 1 aufst recke (9) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor 1 aufst recke einschließlich der Wandstärke der Kokille (¹O der halben, von der Schallgeschwindigkeit im Material der Vor 1 aufst recke und der Kokillenwand abhängenden Schallwellen-Länge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon gleich ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennze i chnet, daß eine Auswahlschaltung (13) vorgesehen ist, die aufeinanderfolgend jeweils nur in einer Höhen!age befindliche U!trascha11schwinger (7.8) an den Ultraschall-Generator bzw. -Empfänger (12) anschaltet.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Ultraschal1schwinger (7,8) mit selektiv abweichenden Sende- und Empfangsfrequenzen beaufschlagt sind.

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