DE2853792C2

DE2853792C2 -

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Publication number: DE2853792C2
Application number: DE2853792A
Authority: DE
Inventors: John C. Madison Conn. Us Yarwood; Ik Y. Orange Conn. Us Yun; Derek E. Cheshire Conn. Us Tyler; Peter J. Northford Conn. Us Kindlmann
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1978-05-15
Filing date: 1978-12-13
Publication date: 1987-10-08
Also published as: PL128499B1; CH642290A5; BE872442A; DE2853792A1; MX150899A; ES478869A1; YU43755B; AU523771B2; PL211649A1; ES475434A1; FR2425904B1; CA1115769A; GB2020855B; IT1107597B; GB2020855A; YU302678A; SE7812007L; US4161206A; SU1209022A3; SE440862B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Induktionsgießen von Metallen und Legierungen, insbesondere von Kupfer und Kupferlegierungen. Seit langem wird der Induktionsguß zum kontinuierlichen und halbkontinuierlichen Gießen von Metallen und Legierungen eingesetzt. Kommerziell wird das Verfahren zum Gießen von Aluminium und Aluminiumlegierungen verwendet.

Sollen schwerere Metalle als Aluminium, beispielsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Stahl, Stahllegierungen, Nickel oder Nickellegierungen, unter Anwendung des Induktionsgießverfahrens gegossen werden, so treten bei der Steuerung des Gießverfahrens verschiedene Probleme auf. Beim Induktionsguß wird der geschmolzene Metallkopf durch einen elektromagnetischen Druck zusammengehalten und von den Formwänden abgehalten, der den hydrostatischen Druck des geschmolzenen Metallkopfes ausgleicht. Dieser hydrostatische Druck ist eine Funktion der Höhe des geschmolzenen Metallkopfs und des spezifischen Gewichts des geschmolzenen Metalls.

Beim Induktionsguß von Aluminium und Aluminiumlegierungen weist der geschmolzene Metallkopf eine vergleichsweise geringe Dichte mit hoher Oberflächenspannung aufgrund des sich bildenden Oxidfilms auf. Die Oberflächenspannung ist zum elektromagnetischen Druck additiv, die zusammen gegen den hydrostatischen Druck des geschmolzenen Metallkopfs wirken. Eine geringe Fluktuation des geschmolzenen Metallkopfs bewirkt daher einen geringen Unterschied des elektromagnetischen Drucks, der zum Zusammenhalten des geschmolzenen Metalls erforderlich ist. Bei schwereren Metallen und Legierungen, wie Kupfer und Kupferlegierungen bewirken vergleichbare Änderungen im geschmolzenen Metallkopf eine größere Änderung des hydrostatischen Drucks und damit des erforderlichen, ausgleichenden elektromagnetischen Drucks. Bei Kupfer und Kupferlegierungen ist die zum Zusammenhalten erforderliche Änderung des elektromagnetischen Drucks etwa dreimal so groß wie bei Aluminium und Aluminiumlegierungen mit vergleichbaren Änderungen des geschmolzenen Metallkopfs.

Um einen Gußblock oder Barren mit gleichförmigem Querschnitt über seine gesamte Länge zu erhalten, muß der Umfang des Barrens und des geschmolzenen Metallkopfes innerhalb des Induktionsofens vertikal bleiben und zwar insbesondere in der Nähe der Grenzschicht zwischen der flüssigen und der festen Phase des sich verfestigenden Barrenmantels. Die tatsächliche Lage des Barrenumfangs wird durch die Ebene beeinflußt, in der sich der hydrostatische und der elektromagnetische Druck ausgleichen. Daher bewirken jegliche Veränderungen der absoluten Höhe des geschmolzenen Metallkopfs vergleichbare Veränderungen des hydrostatischen Drucks, die entlang des Gußblocks Oberflächenwellungen hervorrufen, die außerordentlich unerwünscht sind und eine verminderte Metallrückgewinnung während der weiteren Bearbeitung verursachen können.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß beim Induktionsguß derartig schwerer Metalle aus Legierungen eine verbesserte Steuerung erforderlich ist, um die gewünschte Oberflächenform und -bedingung des fertigen Gußstücks zu erhalten. Aus der US-PS 40 14 379 ist ein Steuersystem bekannt, bei dem der durch den Induktionsofen fließende Strom in Abhängigkeit von Dimensionsabweichungen der flüssigen Zone (geschmolzener Metallkopf) des Barrens von einem vorgegebenen Wert gesteuert wird. Dabei wird die Induktionsspannung gesteuert, um den Induktionsstrom in Abhängigkeit von gemessenen Abweichungen der Grenzflächenhöhe der flüssigen Zone des Barrens zu regeln. Die Steuerung der Induktionsspannung erfolgt durch ein verstärktes Fehlersignal, das an die Feldwicklung eines Frequenzwandlers angelegt wird.

Ein Nachteil des aus der US-PS 40 14 379 bekannten Steuersystem besteht darin, daß lediglich Änderungen des geschmolzenen Metallkopfs aufgrund von Änderungen der Grenzflächenhöhe der flüssigen Zone berücksichtigt werden. Es scheint, daß bei dem bekannten Verfahren davon ausgegangen worden ist, daß die Lage der Verfestigungsgrenze zwischen dem geschmolzenen Metall und dem verfestigten Barrenmantel relativ zum Induktionsofen fest ist. Dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. So werden Fluktuationen der vertikalen Position der Verfestigungsgrenze durch Änderungen der Gießgeschwindigkeit, durch Überhitzung des Metalls, durch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, durch die Berührungsstelle des Kühlwassers, durch die Temperatur und die Qualität (Verunreinigungsanteile) des Kühlwassers und durch die Amplitude und die Frequenz des Induktionsstroms beeinflußt.

Aluminium und Aluminiumlegierungen weisen einen engen Bereich hinsichtlich des elektrischen Widerstandes auf. Daher ist beim Induktionsguß die Eindringtiefe der in dem geschmolzenen Metallkopf und dem verfestigten Barren erzeugten Wirbelströme vergleichsweise gleichförmig über einen großen Bereich von Aluminiumlegierungen. Die Eindringtiefe des elektromagnetisch induzierten Stroms ist eine Funktion des Lastwiderstandes und der Frequenz.

Bei Kupfer und Kupferlegierungen sowie bei anderen Schwermetallen und Legierungen besteht ein großer Widerstandsbereich bei verschiedenen Legierungen. Daher ist der Eindringbereich des induzierten Stroms bei konstanter Frequenz für derartige Legierungen gegenüber Aluminium ebenfalls vergleichsweise groß. Dies ist nachteilig, da der Umfang des magnetischen Umrührens des geschmolzenen Metalls eine Funktion der Eindringtiefe des induzierten Stroms ist.

Bei derartig schweren Metallen und Legierungen muß beim Übergang von einer Legierung zu einer anderen die Betriebsfrequenz geändert werden, um die gewünschte Eindringtiefe für den induzierten Strom zu erhalten. Beispielsweise wird für die Legierung C 510 00 (mind. 99,5% Cu + Sn + P; maximal 0,05% Pb, 0,10% Fe, 4,2-5,8% Sn, 0,30% Zn, 0,03-0,35% P) die induzierte Eindringtiefe von etwa 10 mm bei 1 kHz, von 5 mm bei 4 kHz und von 3 mm bei 10 kHz erwartet. Die Eindringtiefe, die gewöhnlich beim Induktionsguß von Aluminiumlegierungen verwendet wird, beträgt etwa 5 mm. Im Vergleich zu der Legierung C 510 00 erreicht Kupfer bei 2 kHz eine Eindringtiefe von 5 mm, d. h. bei der halben Frequenz gegenüber der für die Legierung C 510 00 mit dieser Eindringtiefe. Daher muß das Steuersystem für den Induktionsguß von Metallen, wie Kupfer und Kupferlegierungen, den Betrieb mit verschiedenen Frequenzen ermöglichen, um eine geeignete Eindringtiefe des Induktionsstroms zu erhalten.

Es ist bekannt, Hochfrequenz-Stromversorgungen mit statischen Halbleiterwechselrichtern anstelle von Motor-Generator- Kombinationen zu verwenden. Ein besonderer Vorteil derartiger Halbleiterwechselrichter besteht darin, daß die Stromversorgung in einem großen Frequenzbereich betrieben werden kann.

Die SU-PS 5 37 750 beschreibt eine Steuervorrichtung für eine Induktionsgießvorrichtung, wobei der Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom der Induktionsspule gemessen und dann mit einem Bezugswert verglichen wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wird an den Eingang der Steuervorrichtung rückgekoppelt. Hieraus ergibt sich, daß bei der bekannten Vorrichtung der Phasenwinkel eine Funktion des Scheinwiderstandes, d. h. sowohl des Blindwiderstandes (Reaktanz) als auch des Ohm'schen Widerstandes ist. Bei der bekannten Vorrichtung erhöht sich die Ohm'sche Komponente des Phasenwinkels mit zunehmendem Durchmesser des Gußstücks, während die Blindkomponente des Phasenwinkels abnimmt und umgekehrt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Steuerung einer Induktionsgießvorrichtung so zu verbessern, daß man außerordentlich konstante Querabmessungen des gegossenen Barrens über dessen gesamte Länge erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren oder einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gelöst, daß man als elektrischen Meßparameter den Blindwiderstand (Reaktanz) der Induktionsspule oder eines dazu proportionalen Wertes heranzieht. Dabei ist es nicht entscheidend, ob die Reaktanz tatsächlich unmittelbar gemessen wird oder ob eine zu der Reaktanz proportionale oder in anderer Weise abhängige Größe zunächst ermittelt wird, aus der dann ein der Reaktanz entsprechendes Steuersignal abgeleitet wird.

Vorzugsweise wird die Induktivität der Induktionsspule oder eine entsprechende Größe ermittelt, da die übrigen Blindwiderstandsanteile aufgrund der Kapazität der Spule in der Regel vergleichsweise klein sind.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind ein Detektor zum Feststellen der Größe des Zwischenraums sowie eine dem Detektor nachgeschaltete Einrichtung vorgesehen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, dessen Größe eine Funktion der Differenz zwischen dem Ist- und Soll- Wert der Zwischenraumgröße ist. Außerdem ist eine auf das Fehlersignal ansprechende Einrichtung vorgesehen, um den Induktionsspulenstrom zu steuern, so daß der Zwischenraum wieder den Soll-Wert einnimmt.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung können entweder Analog- oder Digital-Schaltkreise oder Kombinationen derartiger Schaltkreise eingesetzt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Vorrichtung können Metalle und Legierungen durch Induktionsguß hergestellt werden. Dabei werden Formstörungen der Oberfläche des erhaltenen Gußstücks minimalisiert. Erfindungsgemäß wird der Zwischenraum zwischen dem geschmolzenen Metall und der Induktionsspule elektrisch abgegriffen, und anhängig von diesem Meßwert wird der Induktionsspulenstrom gesteuert.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Induktionsgießvorrichtung und

Fig. 2 bis 4 Blockdiagramme verschiedener erfindungsgemäßer Ausführungsformen eines Steuersystems.

Gemäß Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Induktionsgießvorrichtung 10 eine wassergekühlte Induktionsspule 11, einen Kühlmittelverteiler 12 zum Zuführen von Kühlwasser zur äußeren Umfangsfläche 13 des metallischen Gußblocks C sowie eine unmagnetische Abschirmung 14 auf. Während des Gießvorgangs wird geschmolzenes Metall kontinuierlich in die Vorrichtung 10 eingeleitet, wobei normalerweise ein Trog 15 und ein Gußeinlauf 16, sowie eine übliche Steuerung für den geschmolzenen Metallkopf vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird die Induktionsspule 11 durch einen Wechselstrom von einer Stromversorgung 17 und einem Steuersystem 18 erregt.

Der Wechselstrom erzeugt in der Induktionsspule 11 ein Magnetfeld, das mit dem geschmolzenen Metallkopf 19 wechselwirkt und in diesem Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme wechselwirken wiederum mit dem Magnetfeld und erzeugen Kräfte, die auf den geschmolzenen Metallkopf 19 einen elektromagnetischen Druck ausüben, um den Kopf einzuschließen und ihn mit dem gewünschten Querschnitt des Barrens zu verfestigen.

Während des Gießens besteht zwischen dem geschmolzenen Metallkopf 19 und der Induktionsspule 11 ein Luftzwischenraum d. Der geschmolzene Metallkopf 19 wird in der gleichen allgemeinen Form wie die Induktionsspule 11 geformt oder gegossen, so daß der gewünschte Querschnitt des Gußblocks erhalten wird. Die Induktionsspule kann jede gewünschte Form aufweisen, insbesondere kreisförmig oder rechtwinklig sein, um den gewünschten Querschnitt des Gußblocks C zu erhalten.

Die unmagnetische Abschirmung 14 ist zum Feinabstimmen und Ausgleichen des elektromagnetischen mit dem hydrostatischen Druck des geschmolzenen Metallkopfs 19 vorgesehen. Die unmagnetische Abschirmung 14 kann entsprechend der dargestellten Ausführungsform ein getrenntes Element aufweisen oder gegebenenfalls einstückig mit dem Kühlmittelverteiler sein.

Zunächst wird ein üblicher Kolben 21 mit einem Bodenblock 22 in das Magnetfeld der Vorrichtung 10 gehalten, so daß geschmolzenes Metall in die Form zu Beginn des Gießvorganges gegossen werden kann. Der Kolben 21 und der Bodenblock 22 werden dann mit einer gewünschten Gießgeschwindigkeit gleichförmig herausgezogen.

Die Verfestigung des geschmolzenen Metalls, das magnetisch in der Vorrichtung 10 eingeschlossen ist, erfolgt durch direktes Aufbringen von Wasser aus einem Kühlmittelverteiler 12 auf die Oberfläche 13 des Gußblocks C. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird das Wasser auf die Oberfläche 13 des Gußblocks innerhalb der Begrenzungslinie der Induktionsspule 11 aufgebracht. Gegebenenfalls kann das Wasser oberhalb, innerhalb oder unterhalb der Induktionsspule 11 auf die Oberfläche 13 des Gußblocks aufgebracht werden.

Im Rahmen der Erfindung kann jede der vorstehend beschriebenen, bekannten Formkonstruktionen oder andere bekannte Anordnungen der Induktionsgießvorrichtung verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Steuerung des Gießvorganges sowie auf die Vorrichtung 10, um Gußblöcke zu gießen, die im wesentlichen über ihre gesamte Länge einen gleichförmigen Querschnitt aufweisen und die aus Metallen oder Legierungen, wie Kupfer und Kupferlegierungen, hergestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die elektrischen Eigenschaften der Induktionsspule 11 gemessen werden, die eine Funktion des Zwischenraums d zwischen der Induktionsspule und der Last sind, die durch den Gußblock C und den geschmolzenen Metallkopf 19 gebildet wird.

Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß die Induktivität der Induktionsspule 11 während des Betriebs eine Funktion des Zwischenraums d ist. Die folgende Gleichung ist ein Ausdruck für die Beziehung zwischen der Induktion der Induktionsspule und der Abmessung des Zwischenraums:

L _i = kd (2D _c-d) (1)

wobei

L _i = Induktivität der Induktionsspule D _c = Durchmesser der Induktionsspule d = Abstand zwischen Induktionsspule und Gußblock (Luftspalt) k = ein Faktor, der die folgenden Parameter des Systems berücksichtigt:
Höhe der Oberfläche 23 des geschmolzenen Metallkopfs 19,
Höhe der Verfestigungsgrenze 24 bezüglich der Induktionsspule 11,
elektrische Leitfähigkeit des zu gießenden Metalls und
Frequenz des Stroms.

Der Faktor k wird empirisch bestimmt, indem die Induktivität für einen Durchmesser einer bekannten Induktionsspule sowie der Abstand zwischen der Induktionsspule und dem Gußblock gemessen und die Gleichung (1) für k gelöst wird. Der Faktor k variiert nicht mit der Größe d des Zwischenraums. Der Faktor k verändert sich lediglich geringfügig mit der Höhe h des geschmolzenen Metallkopfs solange die Metalloberfläche 23 in der Nähe der Oberseite der Induktionsspule 11 gehalten wird.

Daraus ergibt sich, daß die Induktivität des aus Induktionsspule und Gußblock bestehenden Systems eine Funktion des Zwischenraums d ist. Die Induktivität hängt von der Reaktanz dieses Systems über die nachstehende Gleichung ab:

X _i = 2 π f L _i (2)

wobei

X _i = Reaktanz der Induktionsspule (Ω); L _i = Induktivität (H); f = Frequenz (Hz).

Der Luftspalt d zwischen der Induktionsspule 11 und der Metallast 19 bewirkt eine reaktive Last X _i auf die elektrische Stromversorgung für die Induktionsspule. Die Größe dieser induktiven Reaktanz X _i ist eine Funktion der Frequenz f, der Größe d des Luftspalts sowie die Zahl der Windungen und die Höhe der Induktionsspule. Sowohl die Reaktanz X _i als auch die Induktivität L _i sind relativ unabhängig von der zu gießenden Legierung im Vergleich zum Widerstand.

Die Kombination der Metallast 19 und der diese umgebenden Induktionsspule 11 bildet ebenfalls einen Ohm′schen Widerstand für die elektrische Stromversorgung für die Induktionsspule. Die Größe des Ohm'schen Widerstandes ist eine Funktion der Geometrie (Größe) der Induktionsspule 11 und der Metallast 19 sowie deren Widerstände. Die Kombination dieser Ohm'schen und reaktiven Widerstände bewirkt eine Gesamtimpedanz Z _i , die der einschließende Strom I überwinden muß. Diese Gesamtimpedanz ist folgendermaßen definiert.

Z _i ≃ R _i ² + (2 π f · L _i)² (3)

wobei

Z _i = Impedanz (Ω) R _i = Widerstand (Ω) f = Frequenz (Hz) L _i = Induktivität (H).

Variationen des Lastquerschnitts, insbesondere der Querschnitt des geschmolzenen Metallkopfs 19, führen zu Änderungen der elektrischen Last der Induktionsspule 11. Wenn eine konstante Spannung an der Induktionsspule 11 liegt, wie dies etwa bei der US-PS 40 14 379 der Fall ist, so gleicht der Einschluß den hydrostatischen Druck des geschmolzenen Metallkopfs 19 und den Druck der elektromagnetischen Kräfte aus, so daß sich inhärente Steuereigenschaften ausbilden. Daher bewirkt eine Zunahme des geschmolzenen Metallkopfs tendentiell eine Überwindung des elektromagnetischen Drucks und führt zu einem größeren Querschnitt des Gußblocks. Dies führt wiederum zu einer Verminderung des Zwischenraums d zwischen der Induktionsspule und dem Gußblock, so daß sich die Impedanz Z _i und die Induktivität L _i des Systems vermindern. In der US-PS 40 14 379 wird vermutet, daß dieser Effekt auf einer Widerstandsänderung beruht, die mit der Zunahme der Größe des Gußblocks zusammenhängt.

Es wird jedoch angenommen, daß nicht der Widerstand sondern die Impedanz die Steuerung bewirkt. Daher erhöht sich die Amplitude I _i des Induktionsspulenstroms, und daher die Amplitude des induzierten Stroms, entsprechend der nachstehenden Gleichung:

wobei

I _i = Strom, V _i = Spannung, Z _i = Impedanz,

so daß der Gußblock wieder seine ursprüngliche Größe einnimmt.

Soweit dies ein dynamischer Vorgang ist, werden in der erhaltenen Oberfläche 13 des Gußblocks Formstörungen oder Wellungen ausgebildet. Es wird davon ausgegangen, daß derartige Störungen in charakteristischen Zeitintervallen in der Größenordnung von 1 Sekunde auftreten würden. Um diesen Effekten durch elektrische Steuervorrichtungen entgegenzuwirken, muß die Reaktionsgeschwindigkeit der Stromversorgung 17 und des Steuersystems 18 wesentlich höher sein. Daher ist eine Reaktionszeit von 100 Millisekunden oder weniger wünschenswert.

Wie vorstehend ausgeführt, sind die Induktivität sowie die Reaktanz der belasteten Induktionsspule 11 Funktionen des Luftspalts d. Bei dem aus der US-PS 40 14 379 bekannten Verfahren wird eine konstante Spannung an der Induktionsspule aufrechterhalten und eine Korrekturspannung entsprechend der Höhe der Oberfläche des geschmolzenen Metallkopfs verwendet, um den Induktionsspulenstrom zu steuern. Dagegen wird erfindungsgemäß ein elektrischer Parameter der Gießvorrichtung 10, der eine Funktion des Spalts d zwischen dem geschmolzenen Metallkopf 19 und der Innenfläche der Induktionsspule 11 ist, gemessen und ein entsprechendes Signal erzeugt. In Abhängigkeit von diesem Spaltsignal wird die Stromversorgung 17 gesteuert, um durch geeignete Frequenz, Spannung und Strom den Spalt d im wesentlichen konstant zu halten.

Hauptsächlich der in der Induktionsspule 11 fließende Strom bewirkt den elektromagnetischen Druck. Dieser Strom ist eine Funktion der anliegenden Spannung und der Impedanz der belasteten Induktionsspule; diese Impedanz ist wiederum eine Funktion der Frequenz und der Induktivität. Erfindungsgemäß kann der Strom durch Änderung der Spannung der Stromversorgung 17 bei einer konstanten Frequenz oder durch Änderung der Frequenz der Stromversorgung 17 bei einer konstanten Spannung oder durch gleichzeitige Änderung der Frequenz und der Spannung gesteuert werden.

Nachstehend wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Steuerschaltkreis 18 zum Steuern der Stromversorgung der Induktionsgießvorrichtung 10 vorgesehen. Dieser Steuerschaltkreis soll sicherstellen, daß der Spalt d im wesentlichen konstant gehalten wird, so daß, falls überhaupt, in diesem lediglich geringfügige Änderungen auftreten. Durch Minimalisierung jeglicher Veränderungen des Spalts d werden Formstörungen der Oberfläche 13 des Gußblocks C minimalisiert.

Die Induktionsspule 11 ist mit einer elektrischen Stromversorgung 17 verbunden, die den erforderlichen Strom mit der gewünschten Frequenz und Spannung erzeugt. Eine typische Stromversorgung besteht aus zwei Teilschaltkreisen 25 und 26. Der Teilschaltkreis 25 besteht im wesentlichen aus einem Halbleitergenerator, der eine elektrische Spannung für die Last oder den Oszillatorschaltkreis 26 mit der Induktionsspule 11 erzeugt. Dieser zweite Teilschaltkreis 26 ohne die Induktionsspule 11 wird häufig als Heizung bezeichnet und weist beispielsweise Kondensatoren und Transformatoren auf.

Vorzugsweise ist der Generatorschaltkreis 25 ein Halbleiter- Wechselrichter. Ein derartiger Wechselrichter ist bevorzugt, da mit ihm eine wählbare Ausgangsleistung über einen Frequenzbereich möglich ist. Dies wiederum ermöglicht eine Steuerung der Eindringtiefe des Stroms in die Last, wie vorstehend ausgeführt. Sowohl der Halbleiter-Wechselrichter 25 als auch die Heizung oder der Oszillatorschaltkreis 26 können in üblicher Weise ausgebildet sein. Die Stromversorgung 17 weist eine eingangsseitige Gleichspannungssteuerung auf, um die Spannungs- und Frequenzfunktionen der Stromversorgung voneinander zu trennen.

Erfindungsgemäß werden Änderungen der elektrischen Parameter des aus Induktionsspule und Gußblock bestehenden Systems und damit Änderungen des Spalts d gemessen. Jegliche gewünschte Parameter oder Signale, die eine Funktion des Spalts d sind, können gemessen werden. Vorzugsweise wird als Steuerparameter die Reaktanz der Induktionsspule 11 und ihrer Last verwendet, wobei besonders die Induktivität der Induktionsspule und der zugehörigen Last bevorzugt ist. Beide Parameter sind eine Funktion des Spalts zwischen der Induktionsspule 11 und der Last 19. Gegebenenfalls können jedoch andere durch den Spalt beeinflußte Parameter verwendet werden, beispielsweise die Impedanz und die Leistung. Die Impedanz ist ein weniger bevorzugter Parameter, da sie auch von der Ohm'schen Last abhängt und sich somit mit dem Durchmesser der Last (Gußblock) in im allgemeinen komplexer Weise ändert.

Die Reaktanz der Induktionsspule 11 und der Last 19 kann gemäß Fig. 2 ermittelt werden, indem man die gegenüber dem Strom um 90° verschobene Spannung an der Induktionsspule 11 mißt und dieses Signal durch den in der Induktionsspule gemessenen Strom dividiert. Bei einer festen Betriebsfrequenz ist die Reaktanz gemäß vorstehender Gleichung (2) direkt proportional zur Induktivität. Daher ist bei einer festen Betriebsfrequenz die gemessene Reaktanz gemäß vorstehender Gleichung (1) eine Funktion des Spalts d. Wenn die Frequenz während des Betriebs nicht fest ist, so wird vorzugsweise die Induktivität der Induktionsspule 11 und der Last 19 bestimmt, beispielsweise durch Dividieren der Reaktanz mit einem Faktor 2 π f.

Der in Fig. 2 dargestellte Steuerschaltkreis 18 kann im allgemeinen auch bei solchen Vorrichtungen verwendet werden, wo die Frequenz der Stromversorgung 17 während des Betriebs auf eine vorgewählte Frequenz eingestellt bleibt. Daher muß mit diesem Steuerschaltkreis 18 lediglich eine Änderung der Reaktanz der Induktionsspule 11 und der Last 19 gemessen werden, um ein eine Änderung des Spalts d wiedergebendes Signal zu erhalten.

Das Ausgangssignal der Halbleiterstromversorgung 17 enthält harmonische Schwingungen. Die Amplitude dieser harmonischen Schwingungen gegenüber der Grundfrequenz hängt von einer großen Anzahl von Faktoren ab, beispielsweise von der Art und dem Durchmesser des Gußblocks, sowie von den Eigenschaften der Leistungs-Bauelemente der Stromversorgung (z. B. der Anpaßübertrager für die Impedanz). Die vorgesehenen elektrischen Parametermessungen während des Betriebs sollten vorzugsweise bei der Grundfrequenz erfolgen, um Fehler aufgrund von Beimischungen der Oberwellen zu eliminieren.

Der Strom in der Induktionsspule 11 wird durch einen Stromtransformator 27 gemessen. Ein Widerstandsnetzwerk 29 zur Strom-Spannungs-Wandlung erzeugt eine entsprechende Spannung.

Diese Spannung wird einem phasenstarren Regelkreis (PLL) 30 zugeführt, der sich an die Grundfrequenz der Stromwelle ankoppelt und zwei sinusförmige Bezugsphasensignale mit Phasenwinkeln von 0° bzw. 90° gegenüber der Stromgrundwelle erzeugt. Aus der 0°-Bezugsphase leitet ein phasenempfindlicher Gleichrichter 31 die Stromamplitude mit der Grundfrequenz ab. Die 90°-Bezugsphase wird einem phasenempfindlichen Gleichrichter 28 zugeführt, der die sich aus der Induktivreaktanz ergebende Spannungsamplitude für die Grundfrequenz ableitet. Die in geeigneter Weise heruntergeteilten Ausgangssignale der Gleichrichter 28 und 31 werden dann einem Analogspannungsteiler 32 zugeführt, wo die Spannung des Gleichrichters 28 durch die Spannung des Gleichrichters 31 dividiert wird, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das proportional der Reaktanz der Induktionsspule 11 und der Last 19 ist. Das Ausgangssignal des Teilers 32 wird dem invertierenden Eingang eines linear betriebenen Differenzverstärkers 33 zugeführt. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 33 ist mit einer variablen Spannungsquelle 34 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 33 wird zur Erzeugung eines Fehlerspannungssignals einem Fehlersignalverstärker 35 zugeführt, das zur Rückkopplung dem Teilschaltkreis 25 der Stromversorgung zugeführt wird. Der Verstärker 35 weist ferner vorzugsweise Frequenzkompensationsschaltkreise auf, um das dynamische Verhalten des gesamten Rückkoppelkreises anzupassen.

Das Fehlersignal des Differenzverstärkers 33 ist proportional zur Reaktanzänderung der Induktionsspule 11 und der Last 19 und entspricht ferner hinsichtlich der Polarität der Variationsrichtung der Reaktanz. Mit Hilfe der variablen Spannungsquelle kann der Spalt d auf einen gewünschten Festpunkt eingestellt werden. Das Steuersystem 18 mit Rückkopplung ermöglicht es, die Variation des Spalts d auf einen Minimalwert oder auf 0 zu bringen. Das Steuersystem 18 gemäß Fig. 2 ist grundsätzlich auf eine Betriebsart anwendbar, bei der die einmal eingestellte Frequenz konstant gehalten wird, obwohl die Erfindung nicht notwendigerweise auf diese Betriebsart beschränkt ist; so sind insbesondere kleine Frequenzänderungen möglich.

Anstelle eines phasenstarren Regelkreises 30 können Filter verwendet werden, um die Grundfrequenzkomponente zu extrahieren. Beispielsweise können sowohl die Wellenformen des Stroms als auch der Spannung bei 0° und 90° gegenüber einer beliebigen Bezugsphase bestimmt werden, die beispielsweise aus dem Steuerschaltkreis für den Wechselrichter in der Stromversorgung 17 abgeleitet wird. Diese phasengleiche (0°) und dazu rechtwinklige Komponente (90°) können dann vektoriell kombiniert werden, so daß Spannungen erhalten werden, die proportional zur Grundfrequenz und zum Strom in der Induktionsspule 11 sind.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 2 kann entsprechend Fig. 3 modifiziert werden, wobei gleiche Schaltkreiselemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 aufweisen und in der gleichen Weise arbeiten. Bei dem Schaltkreis 18′ gemäß Fig. 3 wird die Frequenz des in der Induktionsspule 11 fließenden Stroms gemessen, und ein dazu proportionales Spannungssignal wird durch einen Frequenz-Spannungs-Wandler 36 erzeugt, der mit dem Ausgang des Strom-Spannungs- Wandlers 29 verbunden ist. Der Ausgang des Wandlers 36 wird durch einen Abschwächer 37 in geeigneter Weise auf den Ausgang des Teilers 32 abgestimmt. Ein zweiter Analogspannungsteiler 38 teilt den Ausgang des ersten Spannungsteilers 32 durch die proportionale Spannung von dem Frequenzspannungs- Wandler 36. Das Ausgangssignal des zweiten Teilers 38 nähert die Induktivität der Induktionsspule 11 und der Last 19 an, so daß das Steuersystem 18′ selbst bei variabler Betriebsfrequenz arbeiten kann.

Die vorstehend beschriebenen Steuersysteme 18 und 18′ verwenden Analogschaltkreise. Erfindungsgemäß kann jedoch zur Verbesserung der Flexibilität der Steuerung ein Digitalsteuersystem 18″ etwa gemäß Fig. 4 verwendet werden. Die Stromversorgung 17 weist einen äußeren Schaltkreis 25 sowie einen Oszillator 26 auf, die im wesentlichen denen bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 entsprechen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird ein Differenzverstärker 39 verwendet, um die Spannung an der Induktionsspule 11 zu messen. Um den Strom in der Induktionsspule 11 zu messen, wird ein Stromtransformator 27 verwendet. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers wird zur Auskopplung der Grundfrequenz einem Filter F zugeführt, dessen Ausgangssignal an einem Frequenz-Spannungs-Wandler 40 anliegt. Das Ausgangssignal f des Frequenz-Spannungs-Wandlers 40 ist proportional zur Frequenz des Stroms. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 39 liegt ferner an einem Eingang eines Wechselstrommeßgeräts 41. Am anderen Eingang liegt das Stromsignal vom Stromtransformator 27, das zur Auskopplung der Grundfrequenz durch einen Filter F′ gefiltert wird. Das Wechselstrommeßgerät 41 erzeugt Ausgangssignale proportional zur Effektivspannung V, zum Effektivstrom I und zur wahren Leistung kW der Induktionsspule 11.

Das Ausgangssignal f des Wandlers 40 sowie das Spannungssignal V, das Stromsignal I und das Leistungssignal kW des Wechselstrommeßgeräts 41 werden einem Analog-Digital-Wandler 42 zugeführt, der die Signale in geeigneter Weise digitalisiert. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers wird einem Computer 43, beispielsweise einem Minicomputer oder einem Mikroprocessor, wie einer PDP-8 (mit Dec Pack) der Firma Digital Equipment, Inc., zugeführt. Der Computer 43 ist so programmiert, daß er die zugeführten Werte der Frequenz f, der Spannung V, des Stroms I und der Leistung kW dazu verwendet, um die entsprechenden Werte der Scheinleistung kVA, des Phasenwinkels R , der Impedanz Z, der Reaktanz X und der Induktivität L berechnet. Der Computer kann so programmiert werden, daß er diese Parameter unter Berücksichtigung der folgenden Beziehungen berechnet:

kVA = V · I

Z = V/I X = Z · sin R L = X/(2 f f).

Die vorstehenden Beziehungen sind bekannt und ermöglichen die Berechnung der Induktivität der Induktionsspule mit der Last im Betrieb. Nach der Berechnung der Induktivität berechnet der Computer 43 den Spalt d _c unter Verwendung der vorstehenden Formel (1). Der Computer 43 vergleicht dann den berechneten Spalt d _c mit einem gespeicherten Sollwert d für den Spalt und erzeugt ein vorgegebenes Fehlersignal entsprechend dem Unterschied zwischen d und d _c . Das Fehlersignal wird dann einem Digital-Analog-Wandler 44 zur Erzeugung eines analogen Fehlersignals zugeführt. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 44 wird einer Spannungssteuerung 45 und ein anderes Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers wird einer Frequenzsteuerung 46 zugeführt. Die Ausgangssignale der Spannungs- und der Frequenzsteuerung 45 bzw. 46 werden jeweils der Stromversorgung 17 zugeführt, um so das Fehlersignal rückzukoppeln; dadurch wird der Strom in der Induktionsspule zur Kompensation der Spaltvariation nachgestellt, so daß diese Variation gegen 0 geht.

Das vorstehend bestehende beschriebene Steuersystem 18″ kann in jeder der drei Betriebsarten arbeiten. Bei der Betriebsart mit fester Frequenz wird lediglich die Spannung geändert, um den in der Induktionsspule 11 fließenden Strom einzustellen. Bei dieser Betriebsart würde die Frequenzsteuerung 46 außer Betrieb gesetzt, und es kann ein Korrektur- oder Fehlersignal aus dem berechneten Wert der Reaktanz X anstelle einer Berechnung der Induktivität L berechnet werden, da diese direkt proportional wären.

Das Steuersystem 18″ der Fig. 4 kann ferner in der Betriebsart mit fester Spannung arbeiten, wobei lediglich die Frequenz geändert wird, um den Strom der Induktionsspule 11 zu steuern. Bei dieser Betriebsart würde die Spannungssteuerung 45 außer Betrieb gesetzt werden, und lediglich die Frequenzsteuerung würde ein Fehlersignal der Stromversorgung zuführen. Schließlich kann durch die digitale Steuerung gemäß Fig. 4 sowohl die Frequenz als auch die Spannung geändert werden, um den Strom der Induktionsspule 11 zu steuern. Bei dieser Betriebsart würden sowohl die Spannungs- als auch die Frequenzsteuerung 45 bzw. 46 in Betrieb sein.

Während die Arbeitsweise des Steuersystems 18″ gemäß Fig. 4 vorstehend mit einem Vergleich eines Istwerts mit einem Sollwert des Spalts zum Erzeugen eines Fehlersignals erläutert worden ist, könnte dieses Steuersystem auch in einer Weise ähnlich der gemäß den Fig. 2 und 3 betrieben werden. Beispielsweise könnte anstelle der Berechnung der gemesssenen Spaltgröße lediglich die gemessene Reaktanz oder Induktivität entsprechend den vorstehenden Gleichungen berechnet und der berechnete Wert der Reaktanz oder der Induktivität mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden, um entsprechend der Abweichung von dem Sollwert ein vorprogrammiertes Fehlersignal zu erzeugen. Diese Arbeitsweise würde in vorteilhafter Weise weniger Berechnungen erfordern, als bei Berechnung der gemessenen Spaltgröße.

Das Steuersystem 18″ gemäß Fig. 4 ist bevorzugt, und zwar wegen der außerordentlichen hohen Geschwindigkeit, mit der die Berechnungen und die Korrektursignale durch den Computer 43 erzeugt werden können, und wegen der hohen Empfindlichkeit und Flexibilität bei Verwendung digitaler Schaltkreise und durch Computerprogrammierung.

Während ein phasenstarrer Regelkreis (PLL) als Filter 30, F und F′, zur Ableitung der Grundfrequenz des gemessenen Signals bevorzugt ist, ist im Rahmen der Erfindung für diesen Zweck jeder geeignete Filterschaltkreis möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ohne Messung der Oberfläche 23 des flüssigen Metallkopfs 19 verwendet werden. Dies ergibt sich daraus, daß die verwendeten Parameter Funktionen des Spalts d sind und durch die Höhe h des geschmolzenen Metallkopfs 19 nicht stark beeinflußt werden. Falls jedoch eine Feinabstimmung der Vorrichtung 10 erwünscht ist, kann die Oberfläche 23 des geschmolzenen Metallkopfs 19 in der bekannten Weise gemäß der US-PS 40 14 379 gemessen werden, um ein auf die Höhe ansprechendes Signal zu erzeugen, beispielsweise durch die Verwendung eines linearen Wandlers 47 (z. B. das Modell 350 der Firma Trans-Tek, Inc.). Das Ausgangssignal des Wandlers 47 wird dann dem Analog-Digital-Wandler 42 zugeführt, der das Analogsignal in ein Digitalsignal umwandelt. Das digitalisierte Höhensignal des geschmolzenen Metallkopfs wird dann mit Hilfe des Computers 43 mit einem vorprogrammierten Sollwert verglichen, wobei der Computer ein Fehlersignal entsprechend der auftretenden Differenz erzeugt.

Der Computer 43 kombiniert dann das Fehlersignal aufgrund von Spaltänderungen mit dem Fehlersignal aufgrund von Höhenänderungen des Metallkopfs und erzeugt ein geeignetes, kombiniertes Fehlersignal, das in der vorstehenden Weise die Stromversorgung 17 ansteuert.

Während die Last in der vorstehenden Beschreibung ein Gußblock oder Barren ist, kann sie im Rahmen der Erfindung jede gewünschte kontinuierliche oder halbkontinuierliche Gußform bilden, wie Stangen oder Balken.

Wird eine nicht-kreisförmige Induktionsspule 11 verwendet, so kann der Induktionsspulendurchmesser durch einen effektiven Induktionsspulendurchmesser ersetzt werden. Dieser effektive Induktionsspulendurchmesser ergibt sich aus der gemessenen Fläche der Induktionsspule 11 unter der Annahme, daß diese Spule kreisförmig ist.

Während die Erfindung vorstehend im Hinblick auf Kupfer und Kupferlegierungen beschrieben worden ist, können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren auch auf viele andere Metalle und Legierungen, wie Nickel und Nickellegierungen, Stahl und Stahllegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen, angewendet werden.

Die Programmierung des Computers 43 mit seinem Speicher kann in üblicher Weise erfolgen.

Vorstehend sind die Steuersysteme 18, 18′ und 18″ im Zusammenhang mit einer Induktionsgießvorrichtung beschrieben worden. Im Rahmen der Erfindung können jedoch die erfindungsgemäßen Steuersysteme teilweise oder ganz auch bei anderen Metallbehandlungsvorrichtungen verwendet werden, bei denen Induktivitäten zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in einer metallischen Last eingesetzt werden. Insbesondere könnten die Schaltkreise zur Messung der Induktivität bei Induktionsöfen Anwendung finden.

Claims

1. Stranggießverfahren mit einer eine Induktionsspule (11) aufweisenden elektromagnetischen Stranggießkokille, in der der sich bildende Gießstrang (c) berührungsfrei geführt ist, wobei der Strom der Induktionsspule (11) aufgrund eines Sollwert-Istwert-Vergleichs eines elektrischen Parameters der Spule zum Minimalisieren von Änderungen des Abstandes (d) zwischen der Induktionsspule (11) und dem Gießstrang (C) geregelt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung des Blindwiderstandes der Induktionsspule (11) oder eines dazu proportionalen Wertes als elektrischen Parameter.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Parameter die Induktivität der Induktionsspule (11) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bestimmen des elektrischen Parameters das Spannungssignal ausgenutzt wird, um ein phasenempfindliches Spannungssignal entsprechend der Größe des gegenüber dem Stromsignal um 90° phasenverschobenen Spannungssignals zu erzeugen, und daß das phasenempfindliche Spannungssignal zur Erzeugung eines Ausgangssignals entsprechend etwa der Reaktanz der Induktionsspule (11) durch das Stromsignal dividiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Bestimmung der Frequenz des Induktionsspulenstroms und Erzeugen eines entsprechenden Signals sowie Teilen des Reaktanzsignals durch das Frequenzsignal, um ein Signal entsprechend etwa der Induktivität der Induktionsspule (11) zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Spannungsteilung die Grundfrequenz des Spannungssignals und des Stromsignals ausgefiltert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsignal und das Spannungssignal in Hilfssignale entsprechend der Frequenz des Induktionsspulenstroms, der effektiven Spannung, des effektiven Stroms und der Wirkleistung an der Induktionsspule umgewandelt werden und aus den Hilfssignalen ein elektrischer Parameter der Induktionsspule (11) berechnet wird, der sich mit der Größe des Abstandes (d) ändert.

7. Induktionsgießvorrichtung zum Stranggießen geschmolzenen Metalls in eine gewünschte Form nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

a) mit einer Induktionsspule (11) zum Anlegen eines Magnetfeldes an das geschmolzene Metall, mit einem Abstand (d) zwischen der Innenabmessung und der Strangoberfläche,
b) mit einer Wechselstromversorgung (17) für die Spule (11) und
c) mit einer mit der Wechselstromversorgung (17) verbundenen Steuereinrichtung (18) zum Minimalisieren von Änderungen des Abstandes (d) durch Regeln des Induktionsspulenstroms aufgrund eines Sollwert-Istwert-Vergleichs eines elektrischen Parameters der Spule (11),

dadurch gekennzeichnet, daß

d) dem elektrischen Parameter im wesentlichen der Blindwiderstand der Spule (11) oder ein dazu proportionaler Wert entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Parameter im wesentlichen die Induktivität der Spule (11) entspricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (18, 18′, 18″) einen phasenempfindlichen Schaltkreis (28) zur Erzeugung eines phasenempfindlichen Spannungssignals entsprechend der Größe der gegenüber dem Stromsignal um 90° phasenverschobenen Spannung und einen ersten Spannungsteiler (32) zum Teilen des phasenempfindlichen Spannungssignals durch das Stromsignal aufweist, um ein etwa der Reaktanz der Induktionsspule (11) entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (18′) eine Frequenzmeßeinrichtung (36) zur Messung der Frequenz des Induktionsspulenstroms und zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals und einen zweiten Teiler (38) zum Teilen des Reaktanzsignals durch das Frequenzsignal und Erzeugen eines etwa der Induktivität der Induktionsspule (11) entsprechenden Ausgangssignals aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Filtereinrichtung (30, F, F′) zum Ausfiltern der Grundfrequenz der Spannungs- und Stromsignale vor der Zuführung zum ersten Teiler (28).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung ein phasenstarrer Regelkreis (30) ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (18, 18′) eine 0°-Bezugsphase und eine 90°-Bezugsphase erzeugt und einen ersten phasenempfindlichen Spannungsgleichrichter (31), dem zum Erzeugen eines Spannungssignals entsprechend dem Induktionsspulenstrom die 0°-Bezugsphase und das Stromsignal zugeführt wird sowie einen zweiten phasenempfindlichen Spannungsgleichrichter (28) aufweist, dem das dem Induktionsspulenstrom entsprechende Spannungssignal und die 90°- Bezugsphase zugeführt wird, um ein phasenempfindliches Spannungssignal entsprechend der gegenüber dem Strom um 90° phasenverschobenen Spannung der Induktionsspule (11) zu erzeugen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (18″) mit einem Computer (43) vorgesehen ist, um den reaktiven elektrischen Parameter der Induktionsspule (11) zu berechnen, mit einem vorgegebenen Sollwert zu vergleichen und um entsprechend der Differenz zwischen dem berechneten Wert des elektrischen Parameters und dem vorgegebenen Sollwert ein Fehlersignal zu erzeugen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Meßvorrichtung mit einem Wandler zum Umwandeln der Strom- und Spannungssignale in Hilfssignale entsprechend der Frequenz des Induktionsspulenstroms, der effektiven Spannung, des effektiven Stroms und der Wirkleistung der Induktionsspule (11) sowie mit einem Computer (43) zum Berechnen eines mit dem Abstand (d) variierenden elektrischen Parameters der Induktionsspule (11) aus den Hilfssignalen.