DE2926863A1

DE2926863A1 - Verfahren zur steuerung des ausgussschiebers eines gefaesses

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Publication number: DE2926863A1
Application number: DE19792926863
Authority: DE
Inventors: Heinz Dieter Hannes; Josef Lothmann; Ludwig Dipl Ing Walther
Original assignee: Zimmermann and Jansen GmbH
Current assignee: Zimmermann and Jansen GmbH
Priority date: 1979-07-03
Filing date: 1979-07-03
Publication date: 1981-01-15
Also published as: FR2460737A1; SE450934B; JPS5641070A; GB2057715A; DE2926863C2; CH650957A5; SE8004913L; IT8068043A0; FR2460737B1; US4355787A; IT1128847B; GB2057715B

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Ausgußschiebers eines Gefäßes für metallurgische Abgüsse in Abhängigkeit von der Änderung des Badspiegels des daraus abgegossenen Schmelzenvolumens.

Bei der Steuerung von Ausgußschiebern, insbesondere von Gießpfannenschiebern zum Stranggießen ist es wichtig, daß durch die Steuerung möglichst konstante Abgußmengen erhalten werden, so daß die Abzxehgeschwindigkeit des Gußstrangs konstant bleibt. Ferner ist es wichtig, daß durch die Steuerbewegungen des Ausgußschiebers keine Beunruhigung der Ausgußströmung eintritt.

Die bekannten Steuerverfahren arbeiten nach dem Prinzip der Proportional-verstellung bzw. auf der Analogbasis, wobei die Ausgußschieberbewegungen dem Badspiegel Änderungen zum Beispiel einer Kokille oder in einem Zwischenbehälter stetig folgen.

Der Nachteil der Analogsteuerung liegt besonders darin, daß die dabei auf der hydraulischen Seite notwendigen Proportionalventile sehr störanfällig und kompliziert sind. Außerdem ist die Abgleichung des eingeprägten Stromes recht schwierig, da die Magnetkraft der Magnetventile, die in der Regel verwendet werden, direkt abhängig ist von der Druckdifferenz, der Viskosität der Pluidmittel bzw. deren Temperatur. ^{Da sich} diese Parameter im Betrieb ständig ändern, wird die ursprüngliche Abgleichung verlassen und neue Werte annehmen. Dies führt dann während des Betriebes zum Übersteuern oder zum Untersteuern der Sollwerte, was zur stetigen Unruhe der aktiven Prozeßorgane und auch Abgußströmung führt.

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*- π —

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Es ist weiterhin bekannt, daß bei der sogenannten "schwimmenden" Proportionalverstellung die Haltbarkeit des feuerfesten Materials im Schieberverschluß sehr begrenzt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die dargelegten Nachteile vermieden werden können, bei dem insbesondere die pro Zeiteinheit abgegossene Schmelzenmenge an eine vorbestimmte konstante Stranggießgeschwindigkeit mit nur wenigen Ist-X'iertmessungen optimal angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine schrittweise Steuerung auf vorbestimmte Sollwerte der Ausgußöffnung vorgesehen ist, bei der die Steuerungswerte-für den Ausgußschieber unter Heranziehung des Wertes der oberhalb des Ausgußschiebers zum jeweiligen Abgußzeitpunkt bzw. nach einem jeweiligen Abgußzeitraum vorhandenen Höhenstands der Schmelze mit dem aus dem Zeitintegral der vorhergehenden jeweiligen Ist-Schieberöffnungen ermittelten Schmelzenvolumens ermittelt und eingesMlt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine einfache Steuerung für Ausgußschieber dar, die auf der Basis von Verstelltakten und Ruhezeitintervallen (Digitalbasis) arbeitet, bei der komplizierte und störanfällige Proportionalventile entbehrlich sind, und die sich insbesondere durch genaue Anpassung der pro Zeiteinheit abgegossenen Schmelzenmenge an eine bestimmte konstante Stranggießgeschwindigkeit auszeichnet, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Daten des vorhergehenden Korrekturschrittes des Ausgußschiebers für den nachfolgenden Korrekturschritt jeweils mitberücksichtigt werden. Ferner werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Berücksichtigung der jeweiligen ferrostatischen

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Höhe im Gefäß für metallurgische Abgüsse, z.B. in der Gießpfanne und des im vorhergehenden Zeitintervall jeweils abgegossenen Schmelzenvolumens die Änderung der Viskosität, der Temperatur und der Druckdifferenz voll berücksichtigt.

Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für den sogenannten Sequenzguß. Normalerweise bedeutet dieser Betrieb, daß die Gießgeschwindigkeit bei gleichen Ausgußöffnungsflächen von einem Minimum (letzte gießende Pfanne) auf ein Maximum (neu anzugießende Pfanne) umschlägt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine sofortige Korrektur bzw. Anpassung an die geänderten Verhältnisse.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.

Im folgenden wird anhand einer bevorzugten, in den anliegenden Zeichnungen schematisch dargestellten Steuerschaltung und deren Einzelelemente das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

.Es zeigen:

Fig. 1 eine kompatible Taktsteuerung für einen Gießpfannenschieber, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Steuerschaltung arbeitet,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der physikalischen Zusammenhänge,

Fig. 3 eine bevorzugte Steuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ,

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Fig. U eine erste Ausführungsforra einer Einrichtung für eine exakte Rückmeldung der Ausgußschieberstellung,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung für eine exakte Rückmeldung der Ausgußschieberstellung, und

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Einrichtung für eine exakte Rückmeldung der Ausgußschieberstellung.

Fig. 1 zeigt den Grundaufbau der gesamten Steueranlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Gießpfannenschiebers 10. Die Schieberplatte und Ausgußhülse mit Stahlrahmen sind mittels einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit 12 hin- und herverschiebbar. Die hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit 12 dient also zur Bewegung der Schieberplatte mit Ausgußhülse, und damit zur Steuerung der Ausgußöffnungsfläche. Mit der Bezugsziffer 13 ist der untere Teil einer Gießpfanne gekennzeichnet.

Die sich in der Gießpfanne 13 befindliche Schmelze wird in eine Kokille oder in ein Zwischengefäß abgegossen, das in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Zur Steuerung der Ausgußöffnungsflache wird die Änderung des Badspiegels 14 der abgegossenen Schmelzenmenge berücksichtigt. Dabei kann der jeweilige Ist-Wert als Analogsignal "I" oder als Digitalsignal "II" vorliegen. Die die Ist-Werte verarbeitende Steuerungseinheit C ist für beide Signalformen kompatibel. Es werden lediglich unterschiedliche Anschlußklemmen für den Eingang G benutzt. Wird ein Signalgeber nach "I" benutzt, so wird ein Analog-Digital-Wandler (nicht dargestellt) zwischengeschaltet, der für die Schwellwerte entsprechende einstellbare

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Strom-, Spannungs-, Widerstands-, Induktions- oder Kapazitätswerte vorsieht, wodurch die Digital-Kippwerte bestimrrt werden. Somit kann für die weitere Beschreibung die Signalforin nach "II" angezogen werden, da das Signalverhalter. "I" hinter dem Analog-DigitalWandler gleichen Charakter hat wie die Si^nalfurm "II".

Ein wichtiger Faktor für ein stabilisiertes Regelverhalten ist die jeweilige Stellungsrückmeldung eines Arbeitszylinders 12 bzw. der Schieberplatte 11, da - wie weiter unten noch näher dargelegt werden wird - die augenblickliche Ausgußöffnungsf.lache in die Sollwert-Ansteuerung eingeht. Für die Stellungsrückmeldung bieten sich zwei Alternativen an, die hinsichtlich ihrer Genauigkeit unterschiedlich zu bewerten sind:

1) Die Hubzeit über dem Ausgußdurchmesser, die sich aus Pumpenleistung und der Nennweite des Steuerventils ergibt, wird mit der eingeprägten Frequenz Io gemessen, so daß sich für einen bestimmten Hub H bzw. eine bestimmte Querschnittsfläche A₁ eine bestimmte Impulsmenge I ergibt.

2) In der Hydraulik D ist eine Referenz-Schaltung 3 enthalten, die anhand der Fig. U weiter unten näher erläutert wird. Statt der Referenz-Schaltung 3 können zur Stellungsrückmeldung auch die Einrichtungen gemäß den Fig. 5 und 6 vorgesehen sein.

Die zweite Alternative stellt die exaktere Lösung dar, da die Impulsmenge direkt mit dem Hubweg bzw. der Ausgußöffnungsfläche gekoppelt ist.

Es gilt: Jede Hubstellung H bzw. jede Ausgußöffnungsfläche A^ wird in jedem Augenblick durch eine Impulsmenge I dargestellt;

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Ebenfalls ist damit auch im Voraus eine zu ändernde Querschnittsfläche zA.. durch eine Impulsmenge zl bekannt.

Es sollen nun die physikalischen Zusammenhänge näher erläutert werden, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt werden (vgl. Fig. 2). Das Schema in Fig. 2 zeigt die Prozeßsituation des Gießens aus der Gießpfanne 13 in einen Zwischenbehälter 15 und weiter in eine nicht mehr weiter dargestellte Stranggußkokille· Im gezeigten Beispiel gemäß Fig. 2 wird also der Badspiegel 14 des Zwischenbehälters 15 durch den Gießpfannen schieber 10 geregelt. In gleicher Weise kann dieses Prinzip angewandt werden für eine Regelung des Badspiegels einer Stranggußkokille durch einen Zwischenpfannenschieber bzw. durch den Gießpfannei.6-.-lieber 10 selbst.

Zur besseren Verdeutlichung der Zusammenhänge ist die Ausgußöffnungsfläche A^ des Gießstrahls als Ersatzbetrachtung nicht kreis förmig, sondern quadratisch bzw. rechteckförmig dargestellt. Die Ausgußöffnungsfläche errechnet sich demnach aus der Gleichung

Fig. 2 zeigt die Gießstrahlsäule Q, die eine Überschußleistung q beinhaltet, wenn davon ausgegangen wird, daß die Abgangsleistung in die Stranggußkokille

3
m

Qy = Q - q

_ sek
ist.

Die Überschußleistung q des Flüssigkeitsstrahls wird bestimmt durch:

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a · Δ b · ν

m sek

(3)

Durch die Gleichung (2) wird das Zeitintervall AT, welches zum Anstieg des Flüssxgkeitsspxegels über die Meßstrecke O^ /■' = c benötigt wird, bestimmt. cjC_;Π> stellen Badspiegel-Grenzwert-Meßpunkte dar, wobei die Meßstrecke c ein sogenanntes Sollwertband definieren, innerhalb dem der Badspiegel liegen soll. Die Meßwerte beinhalten bereits alle Werte der. Strömungsverluste, da über Δ T die tatsächliche Ist-Überschußleistung q anhand der genau bekannten Größen

= a

A_n = e

D»²]

(4)

(5)

ermittelt wird.

Demnach ergibt sich für das Zeitintervall AT folgende Beziehung:

(6)

m · sek

Die augenblickliche Ausgußöffnungsfläche A. ist aus der Rückmeldeinformation während des letzten Zeitintervalls ^T bekannt (aus der Kolbenstellungs-Rückmeldung).

Die Ausgußgeschwxndxgkeit ν ist ein wichtiger Faktor, der sich beispielsweise bei einer 300 to-Pfanne wie 1 : 10 (volle Pfanne zu fast leerer Pfanne) verhält. Andererseits steht die Öffnungsfläche A₁ oder auch die überschußfläche Δ A₁,welche die

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Überschußleistung q verursacht, in direkter Abhängigkeit von dieser sich fortwährend ändernden Strömungsgeschwindigkeit v. Dieser Faktor muß daher aus den gegebenen Größen ermittelt und in der Steuereinheit C (vgl. Fig. 3) zur Steuerung der Schieberbewegungen verarbeitet werden.

Anhand der Fig. 3 wird nunmehr die Steuereinheit C gemäß Fig. 1 näher erläutert.

Ein Frequenzgenerator 1.1 liefert eine eingeprägte konstante Frequenz von z.B. 50 Hz. Diese Frequenz wird mit einer nachgeschalteten Einheit 1.2 auf eine passende, kleinere Rechteck-Impulsrate untersetzt.

In der Zähleinheit (Funktionseinheit-Vorwärtszähler) 2.1 werden die Zeitintervalle, welche durch die Grenzwert-Meßpunkte oc und/? bestimmt werden, als Impulsmengen registriert. Die Anzahl der registrierten Impulse entspricht also der Zeit, die während des Anstiegs bzw. Abfalls des Badspiegels über das durch die beiden Grenzwert-Meßpunkte oC und β bestimmte Sollwertband verstreicht. Die registrierte Impulsmenge wird einer Recheneinheit 11.1 mitgeteilt. Die Recheneinheit 11.1 funktioniert nach folgender Gleichung:

A₉ * c

^b = — = 'Z_n (7)

ⁿ a · ΔΤ -. V_n ^a

Somit hat die Recheneinheit 11.1 den ersten notwendigen Rechenwert ^T erhalten.

Die Rechenwerte A„ und c werden als konstante Werte permanent vorgegeben. Diese konstanten Rechenwerte stammen von den Ein-

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stellern 11.12 und 11.13. Dabei bedeutet A„ die Querschnittsfläche des Zwischenbehälters 15 bzw. der Kokille, falls ein Zwischenbehälter fehlt.

Der Rechenwert a, der ein unverändliche Seitenlänge der Ausgußflächenöffnung darstellt, ist ebenfalls eine vorbestimmte konstante Größe (vgl. Fig. 2), die durch einen Einsteller J>. 14· vorgegeben wird.

Mit dem Einsteller 3.1U wird der Ausguß-Durchmesser, welcher zur Verwendungkommen soll, bestimmt.

Es gilt nun, die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Ausgußgeschwindigkeit ν zu jedem Zeitpunkt T zu bestimmen und der Recheneinheit 11.1 zur Ermittlung des nächst notwendigen Korrekturschrittes mitzuteilen. Im folgenden soll nun erläutert werden, wie die Ausgußgeschwindigkeit ν ermittelt wird:

Die Position 3.13 stellt die Rückmeldeinformation IR des Ausgußschiebers 10 dar, die durch die Einrichtungen gemäß den Fig. 4 bis 6 erhalten wird (vgl. auch Fig. 1, in der die Rückmeldeinformation IR schematisch dargestellt ist). Durch das Rückmeldesignal IR wird eine Art Rückkopplungsschaltung geschaffen.

Die Rückmelde-Impulse IR werden im Vor- und Rückwärtszähler 3.1 zu jedem Zeitpunkt festgehalten. Im Rechenteil dieses Zählers 3.1 wird in Kombination mit der bereits erfolgten Durchmesserbestimmung 3.14 nach der Gleichung

^{d A}l (8)

dt

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die augenblickliche Ausgußöffnungsfläche ermittelt.

Dieser Wert wird in die Rechnereinheit 5.1 ständig eingegeben, die nach der Gleichung

t
Q_n = j ⁿ f (t) · dt * ClA₁ (9)

t.

die bis zum AktivitätsZeitpunkt η aus der Gießpfanne 13 ausgeflossene Schmelzmenge Qn errechnet und fortlaufend hochzählt

Mit einer Recheneinheit 6.1 wird schließlich zum Aktivitätszeitpunkt η die tatsächliche ferrostatische Höhe hn des Badspiegels in der Gießpfanne 13 wie folgt bestimmt;

Qnhn = ho - ^₅- (10)

Die Querschnittsfläche Ao der Gießpfanne 13 wird durch einen Einsteller 6.11 vorgegeben. Ebenfalls wird die maximale ferrostatische Höhe ho in der Gießpfanne 13 durch einen Einsteller vorgegeben.

Die ferrostatische Höhe hn wird in die Recheneinheit 4.1 einge geben, welche die jeweils vorherrschende Ausgußgeschwindigkext ν nach der folgenden Gleichung ermittelt:

./ϊίΓ· hn

Die Gleichung (11) berücksichtigt mit ^. und L/D die Strömungsverluste im Ausguß.

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Der Viert 7- wird durch einen Einsteller h. 11 und die Länge L des Pfannenausgusses durch einen Einsteller 4.12 vorgegeben.

Der Ausgußdurchmesser wird als Faktor aus der Zähleinheit übernommen.

Die bei jedem AktivitätsZeitpunkt η vorherrschende Strömungsgeschwindigkeit ν wird schließlich der Recheneinheit 11.1 mitgeteilt.

Somit kann die Gleichung (7)bis auf den noch zu erklärenden Faktor Z aktiv werden. Die Recheneinheit 11.1 ermittelt nach der Gleichung (7) eine bestimmte Impulsmenge Ik, welche zum nächsten Korrekturschritt für die Veränderung der Querschnitts fläche bzw. Ausgußöffnungsfläche A^, und damit für die Schieber platten-Stellung in dem Zeitpunkt notwendig ist, in dem der Badspiegel der abgegossenen Schmel-zenmenge die Grenzwert-Meßpunkte öL oderjo über/oder unterschreitet.

Die sich ergebende Überschußleistung bzw. Unterschußleistung q wird beim nächsten Korrekturschritt eleminiert.

Die Impulsmenge Ik für den nächsten Korrekturschritt wird als einziger Verstelltakt an ein Hydraulikventil (Position 1 in der hydraulischen Schaltung I in Fig. 1) gegeben. Gleichzeitig wird die Veränderungsgröße Ik nach der Gleichung

i£ =1 (12)

IR

quittiert. Das Verhältnis Ik/IR ist 1 und wird als Idealfall angesteuert. Bei diesem Idealfall befindet sich der Ausgußschieber in der Sollwertstellung.

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Von Wichtigkeit sind auch noch die Meßpunkte ~§ und </ .

Die Meßpunkte Jf und <f stellen unterste und oberste Grenzen dar, bei deren Unter- bzw. Überschreiten der Ausgußschieber mit erhöhter Geschwindigkeit in eine volle Öffnungsstellung bzw. Schließstellung bewegt wird. Das Erreichen dieser Meßpunkte erfordert also jeweils optimale Steuerungsschritte. Mit einer Zähleinrichtung 2.2 (Fig. 3) wird bei Erreichen der Meßpunkte ^T oder«/" eine jeweils vorgegebene feste Impulsrate direkt als Verstelltakt an ein hydraulisches Bypaßventil (Position 2 in der hydraulischen Schaltung D in Fig. 1) gegeben, wodurch die Schieberplatte 11 sofort ganz geöffnet oder geschlossen wird.

Dieser Teil der Gesamtsteuerung kann auch in die oben beschriebene Badspielgelsteuerung (oG ,^?) eingreifen. Es ist für feuerfeste Schieberplatten nicht vorteilhaft, wenn ein Minimum an Öffnungsquerschnitt durch die Rechenschaltung vorbestimmt wird. So kann z.B. gesagt werden, daß ein Öffnungsquerschnitt bzw. eine Ausgußöffnungsfläche von 25 % der Gesamtfläche nicht unterschritten werden soll. Wird durch die Steuerung dieser Grenzwert erreicht, kann durch die im folgenden beschriebene Maßnahme ein Eingriff erfolgen:

Ein Schwellwert-Kontakt 3.11, dessen Position durch einen Einsteller 3.12 bestimmt wird, steht in direkter Korrespondenz mit dem Vor- und Rückwärtszähler 3.1.

Der Kontakt 3.11 gibt z.B. bei Erreichen der 25 %-Grenze eine feste Impulsrate aus der Einheit 2.2 frei, wodurch der Ausgußschieber 11 sofort über das hydraulische Bypaßventil 2 (Fig. 1) geschlossen wird.

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In diesem Falle sind keine anderen Meßgrößen als die Grenzwert-Meßpunkte C^ - cT an der Steuerung beteiligt.

Die beschriebene Steuereinheit kann auch mit anderen Meßgrößen zusammenwirken, z.B.

a) mit Meßgrößen von einer Wiegeeinrichtung 7.12 der Gießpfanne 13. In diesem Falle wird die Steuereinheit C durch einen Umschalter 6.12 so umgeschaltet, daß auf die ferrostatischen Höhen Ho und Hn durch die Einheiten 6.14 und 6.1 verzichtet werden kann. Diese beiden Einheiten werden bei Verwendung der Meßgrößen einer Wiegeeinrichtung 7.12 überbrückt. Das Pfannengewicht wird unmittelbar zur Ermittlung der Ausgußgeschwindigkeit ν benutzt.

b) mit der Abzugsgeschwindigkeit des Gußstranges 8.13. In diesem Falle wird die Steuereinheit C durch einen Umschalter 6.13 so umgeschaltet, daß die abgegossene Menge Qyn unmittelbar zur Errechnung der augenblicklichen ferrostatischen Höhe hn in der Gießpfanne herangezogen wird. Dabei errechnet sich die abgegossene Menge Qyn aus der Gleichung

tn
Qyn = J f (t) * dt · A₃ (13)

wobei A- die Querschnittsfläche des abgezogenen Gußstrange ist. Mit ν ist die
8.13 gekennzeichnet.

ist. Mit ν ist die Abzugsgeschwindigkeit des Gußstranges

In Fig. 3 scheint noch der Wert Ge, der für das Gießpfannen gewicht steht. Genauso gut könnte natürlich auch mit einer Wiegeeinrichtung des Zwischenbehälters oder gar der Kokille gearbeitet werden.

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--- 19 -.-■■■

Die beschriebene Steuereinheit C (Fig. 3) eignet sich auch ganz besonders, wenn mehrere Abzugsgeschwindigkeiten 8.13 erfaßt werden müssen, z.B. wenn durch einen Zwischenbehälter mehrere Gußstränge beschickt werden. In diesem Falle bedeutet in der Recheneinheit 8.1 der Wert Qyn die Summe aller abgegossenen Mengen.

Im folgenden soll der Korrekturfaktor Z in der Gleichung (7) näher erläutert werden. Im Idealfall beträgt der Korrekturfaktor Z=I₅O. Der Idealfall liegt vor, wenn der Ausgußschieberbei den durchgeführten Steuerungsschritten in Abhängigkeit von den Prozeßdaten seine optimale Öffnungsstellung erreicht hat, oder erreichen wird.

Während des Entleerungsvorganges einer Gießpfanne über einer . Stranggußanlage werden im vorbeschriebenen Steuerungsablauf in einem Parallel-Schieberregister 9.1 Daten gespeichert, und zwar bei jeder Aktivität der Steuerung, also bei Über- oder Unterschreiten der Badspiegel-Grenzwert-Meßpunkte pj bzw. Cx. . Dabei werden in dem Parallel-Schieberregister zu jedem Aktivitätszeitpunkt t., bis t parallel die Werte -.1T, v, Q, A., h und IR gespeichert. Aus den gespeicherten Werten wird ein Korrekturfaktor in einer Recheneinheit 10.1 ermittelt, der dann der Recheneinheit 11.1 zur Ermittlung der Größe des nächstfolgenden Korrekturschrittes eingegeben wird.

Auf diese Art und Weise lernen die nächstfolgenden Korrekturschritte jeweils von den vorhergehenden Korrekturschritten. Der Rechner 11.1 lernt also von Schritt zu Schritt (Teach in).

Die beschriebene Selbstlern-Einheit- hat auch insbesondere den Vorteil, daß bei einem Pfannenwechsel (Sequenzguß) bei der neuen Pfanne automatisch der Anfangswert der vorhergehenden Pfanne ein-

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gestellt wird, so daß das vor der ersten Badspiegelmessung der neuen Pfanne noch unkontrollierte ho wenigstens der Erfahrung der vorhergehenden Pfanne entspricht. Jede neuen Pfanne lernt also von der vorhergehenden Pfanne, d.h. die Pfanne 2 greift auf die Vierte der Pfanne 1 zurück, die Pfanne 3 auf die Werte der Pfanne 2, welche schon von der Pfanne 1 gelernt hat , usw. usw. Die Werte der Pfanne 5 beruhen dann schon auf der Erfahrung der jeweils vorhergehenden Pfannen, die wiederum voneinander gelernt haben. Vor dem Abguß der ersten Pfanne müssen natürlich die Füllstandsverhältnisse von Pfanne und Zwischenbehälter theoretisch einprogrammiert werden.

Der Selbstlerneffekt hat auch zur Folge, daß die Ansteuerung des Sollwerts jeweils wesentlich schneller erfolgt. Z ist also ein Korrekturfaktor, der sich aus den Erfahrungswerten der Vorpfannen errechnet.

Selbstverständlich können Individualkorrekturen auch in den einzelnen Rechenstufen eingegeben werden.

Der Korrekturfaktor variiert um den Idealwert 1,0.

Die durch die Abgußöffnung der Gießpfanne im jeweiligen Zeitpunkt fließende Schmelzenmenge hängt von der ferrostatischen Höhe in der Gießpfanne ab. Erfindungsgemäß wird jeweils aus dem Gedächnis errechnet, wieviel von der Schmelzenmenge in der vorangegangenen Steuerphase abgeflossen sein müßte und korregiert die Schieberöffnung entsprechend. Die gesamte Steuerung wird von zwei, jedoch mindestens einem Badspxegelmeßpunkt tariert, wobei zuzüglich jeweils zwei Nothalt-Meßpunkte J und $~hinzukommen können. Die Schiebersteuerung erfolgt also in Abhängigkeit von nur wenigen Meßpunkten. Demgemäß vereinfacht sich die gesamte Steuereinheit.

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Es bleibt noch zu erwähnen, daß in Fig. 3 die Impulsmengen Ik und Ix jeweils einem Korrekturhub bzw. Notkorrekturhub entsprechen, der in einem einzigen Schritt durchfahren wird. Die Korrektur erfolgt also nicht durch eine Art Stotterbewegung des Schiebers.

Wie oben bereits dargelegt, spielt für die Durchführung des Verfahrens die Rückmeldung der augenblicklichen und exakten Stellung des Arbeitskolbens für den Antrieb des Gießpfannenschiebers oder dergleichen eine große Rolle.

In den Fig. 4 bis 6 sind bevorzugte Einrichtungen zur Ermittlung der exakten Stellung eines Arbeitskolbens dargestellt. Die Kölben-Zylinder-Einheit 12, ist, wie Fig. 1 zeigt, in ; unmittelbarer Nähe der Gießpfanne 13 angeordnet, ist also exLremen Umgebungsbedingungen, insbesondere hohen Temperaturen ausgesetzt. Die Kolbenstange 20 des dem Arbeitszylinder 21 zugeordneten Arbeitskolbens 22 ist mit dem Gießpfannenschieber 11 zu "dessen Verstellung verbunden.

Abseits von dein Ort extremer Umgebungsbedingungen ist ein dem Arbeitszylinder 21 volumenmäßig äquivalenter Meßzylinder 23 angeordnet, wobei es zweckmäßig ist, die Kolben- und Kolbenstangendurchmesser im gleichen Verhältnis gegenüber dem Arbeitszylinder zu verkleinern, um damit die Hublänge analog zu vergrößern, was eine bessere Auflösung des _Hubes des dem Meßzylinder 2 3 zugeordneten Meßkolbens 2k ermöglicht.

Dadurch, daß der Meßzylinder 2 3 dem rauhen Stahlwerksbetrieb oder dergleichen nicht direkt ausgesetzt ist, kann er in seiner Ausführung kostengünstiger gestaltet werden als der Arbeitszylinder 21.

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Wie Fig. 4 deutlich zeigt, sind die jeweils von den Kolbenstangen 20, 25 durchsetzten Arbeitsräume 26, 27 der beiden Zylinder 21, 23 durch eine hydraulische Leitung 28 unmittelbar fluidverbunden. Wenn sich der Arbeitskolben 21 in Fig. 4 nach links bewegt, bewegt sich der Meßkolben 24 nach unten und umgekehrt. Durch die Fluidverbindung 2 8 beeinflußt die rücklaufende Flüssigkeit im Arbeitszylinder 21

unmittelbar die Stellung des Meßkolbens 24 im Meßzylinder 23. Auf diese Art und Weise ist eine exakte Stellung-Rückmeldung des Arbeitskolbens 22 im Arbeitszylinder 21 gewährleistet. Am freien bzw. aus dem Meßzylinder 23 heraustretenden Ende der Kolbenstange 25 des Meßkolbens 24 ist eine Blende 29 angeordnet, die in den Block eines Gabelkopplers 30 hineinragt. Der Gabelkoppler 30 ist mit einer elektronischen Positionsanzeige verbunden und liefert ferner die Positionssignale entsprechend der exakten Stellung des Arbeitskolbens 22 an die Position 3.13 gemäß Fig. 3·

Zur Korrektur bzw. zum Ausgleich der Flüssigkeitsübermengen oder Verlustmengen aufgrund von Leckagen im Arbeitszylinder 21 ist eine zwei Druckbegrenzungsventile 31, 32 umfassende Korrektureinrichtung vorgesehen. Das eine Druckbegrenzungsventil 31 ist direkt vom Pumpendruck gesteuert und in der zu der Fluidverbindung 28 führenden Leitung 33 angeordnet. Diese Leitung 3 3 weist außerdem noch ein Korrekturflußmeßgerät 34 auf, dessen Korrekturfluß-Signale als stetiger Korrekturwert in die Meldung über die Position des Meßkolbens 24 bzw. Arbeitskolbens 22 einbezogen werden. Das Druckbegrenzungsventil 31 erlaubt einen Ausgleich von Leckverlusten im Arbeitsraum 26 des Arbeitszylinders 21. Über das Druckbegrenzungsventil 31 wird in der in Fig. 4 rechten Endstellung des Arbeitskolbens 22 soviel Drucköl nachgeliefert, daß dieses sich zwangsläufig in die Synchronposition des Meßkolbens 24 begibt.

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Das andere Druckbegrenzungsventil 32 ist in einer zum Reservoir 35 für das Hydraulikmedium führenden Abzweigung 36 von der Fluidverbindung 28 angeordnet. Dieses Druckbegrenzungsventil dient zum Abführen von Flüssigkeitsübermengen im Arbeitsraum 26 des Arbeitszylinders 21. Die Flüssigkeitsübermengen im Arbeitsraum 26 entstehen durch Leckagen zwischen dem Arbeitskolben 22 und der Innenwandung des Arbeitszylinders 21. Die Kolbenstangenfreien Arbeitsräume 37, 38 der beiden Zylinder 21, 23 sind über ein 4/3-Wegeventil 39 mit der Pumpe P bzvidem Tank T verbindbar.

Wie oben dargelegt, wird das Druckbegrenzungsventil 31 unmittelbar vom Pumpendruck gesteuert, d.h. ist mit der Pumpe Piber die Leitung 3 3 unmittelbar verbunden. Das Ventil 31 ist so eingestellt, daß es öffnet, wenn der Meßkolben 24 in Fig. 4 seine obere L'ndstellung erreicht hat. Sofern dann der Arbeitskolben 22 noch nicht seine in Fig. 1 erreichte Endstellung erreicht hat, wird er in diese Stellung durch das über das Ventil 31 nachströmende Hydraulikmedium geschoben. Beide Kolben 22, 24 sind dann wieder synchron geschaltet. Entsprechend wird durch das Begrenzungsventil 32 eine Leckage in umgekehrter Richtung ausgeglichen. Die beiden Druckbegrenzungsventile 31 und 32 gewährleisten also einen vollständigen Ausgleich von Flüssigkeitsübermengen oder Verlustmengen in den Endstellungen der Kolben 22 bzw. 24.

Das Korrekturflußmeßgerät 34 liefert nur dann Signale, wenn ein Korrekturfluß in der Leitung 33 auftritt.

Ein immer wieder auftretender Korrekturfluß oder das wiederholte Ansprechen der Ventile 31, 32 sind ein Zeichen dafür, daß der Arbeitszylinder 21 gewartet werden muß, z.B. die Kolbendichtungen erneuert werden müssen.

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-2U-

Zwischen dem Gabelkoppler 30 und dem Eingang 3.13 für die Rückmeldeinformation des Gießpfannenschiebers 11 (Fig. 3) ist ein elektronischer Zähler vorgesehen, in dem die Ausgangssignale des Gabelkopplers 30 verarbeitet werden. Bei Bewegung der Blende 2 9 längs eines Referenzweges UO werden periodische Signale erzeugt. Im Zähler werden die periodischen Signale so aufbereitet, daß beim Oberfahren eines Signals des Gabelkopplers 30 jeweils ein Vorwärts-Zählimpuls oder ein Rückwärts-Zählimpuls entsteht. Durch Zählen dieser Impulse - und zwar vorzeichenrichtig, von einem beliebig festlegbaren Bezugspunkt aus - wird dann die jeweilige Verfahrstrecke bestimmt, die einer bestimmten Impulsmenge IR entspricht.

Die gezählten Impulse IR werden dann als Stellungsreferenzen der Kolbenstange 20 des Arbeitskolbens 22 bzw. des damit verbundenen Gießpfannenschiebers in die zentrale Steuereinheit C gemäß Fig. 3 eingegeben, um dort zur Ansteuerung an einen bestimmten Sollwert entsprechend obiger Beschreibung ausgewertet zu werden.

Die Einrichtung gemäß Fig. U hat insbesondere denVorteil, daß empfindliche Signalgeber im Bereich extremer Umgebungsbedingungen entbehrlich sind. Trotz Leckagen im Arbeitszylinder 21 läßt sich die Stellung des Arbeitskolbens 22 bzw. des Gießpfannenschiebers 11 genau feststellen.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung zur Feststellung der exakten Stellung desArbeitskolbens des Arbeitszylinders 12 dargestellt. In einer zentralen Hydraulikstation ist vor dem Ausgang Ul, U2 der beiden hydraulischen Leitungen zu dem in Fig. 2 nicht dargestellten Arbeitszylinder je ein Turbinen-

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durchflußmesser 43, 44 eingebaut. Diese geben über Impulsverstärkereinheiten 45, 46 eine der Durchflußmenge analoge Taktfrequenz an eine verknüpfende Eingangsschaltung in einen Mikroprozessor 47. Die Eingänge E. werden außerdem verknüpft mit den vom Mikroprozessor 47 kommenden Befehlssignalen Eg für die Wirkungsrichtung des ArbeitsZylinders.

Die verknüpften Signale werden in einer funktionsrechten Ein~ hext unmittelbar ausgewertet und in Form.einer Impulsmenge IR der zentralen Steuereinheit als Rückmeldung mitgeteilt (Position 3.13 in Fig. 3). Dieser Vorgang ist stetig und erfolgt nicht erst in Zeit- oder Befehlsstufen. Leckflüssigkeitsverluste werden berücksichtigt und in der Funktionsrecheneinheit verarbeibeitet.

In Fig. 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung für die Rückmeldung der exakten Stellung des Arbeitskolbens dargestellt. Mit der Bezugsziffer 48 ist der Arbeitszylinder der Kolben-Zylinder-Einheit 12 gekennzeichnet, dessen Kolben 49 über eine Kolbenstange 50 mit einem Stellorgan z.B. dem Gießpfannenschieber, in Verbindung steht. Der Kolben ist über eine Hydraulikleitung 51 einseitig beaufschlagbar und gegen die Wirkung einer Gasfeder 54 in einem Blasenspeicher über den fluidgefüllten Raum 52 und 57 nach rechts bewegbar. Der Rücklauf des Kolbens 49 in seine Anfangsstellung, in Fig. 6 linke Stellung, erfolgt durch die Expansion des zuvor zusammengedrückten Gases im Gaspolster 54 bzw» des Blasenspeichers 53» wenn der druckmittelgefüllte Arbeitsraum des Zylinders 48 mit einem Tank verbunden wird. Das Gaspolster 54 bildet ein elastisches Element, das dem Kolbendruck bei dessen Beaufschlagung durch das Arbeits- bzw. Druckmedium entgegenwirkt.

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Das Gaspolster kann auch durch eine im Zylinder 4 8 angeordnete Feder ersetzt werden. Ebensogut ist es möglich, den Blasenspeicher 5 3 durch einen Faltenbalg-Speicher zu ersetzen.

Der Gegendruck, den das elastische Element, in Fig. 6 das Gaspolster 54, auf den Kolben 49 ausübt, wird durch ein Druckmeßgerät 55 festgestellt, mittels dem der Druck des Arbeits- bzw. Druckmediums bei jeder Stellung des Kolbens 49 im Zylinder gemessen wird. Der gemessene Druck entspricht jeweils dem Gegendruck des elastischen Elementes und bei bestimmter Elastizitäts- bzw. Feder-Kennlinie einer bestimmten Stellung des Kolbens 49 im Zylinder 48. Die gemessenen Druckwerte werden zu automatischen Ansteuerung an eine vorgegebene Kolbenstellung verwertet. Die Auswertung der gemessenen Druckwerte sowie die Verwertung dieser gemessenen Werte zur Ansteuerung an einen Sollwert erfolgen in der Steuereinheit C gemäß Fig. 3. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, ist neben der automatischen Ansteuerung auch noch eine Handsteuerung möglich. Die Handsteuerung erfolgt durch Betätigung eines Schalters 56, durch den die automatische Sollwertansteuerung unterbrochen werden kann.

Die Ausgangssignale der Druckauswertung und der Steuereinheit C mit Funktionsrechnern dienen zur Steuerung der hydraulischen Regeleinrichtung 57,die mit einer Hydraulikpumpe 58, einem Tank 59 einerseits und dem Druckmittelraum 60 des Arbeitszylinders 48 andererseits in Fluidverbindung steht.

Die Vorteile der beschriebenen "Gegenkraft-Vorrichtung" liegen auf der Hand. Es ist nur eine einzige Hydraulikleitung 51 zu dem Arbeitszylinder 48 erforderlich. Bei einem Defekt dieser Leitung bewirken die elastischen Elemente sofort eine Bewegung des Arbeitskolbens 49 nach links, wobei die linke Endstellung

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des Kolbens 49 vorzugsweise der Schließstellung des mit dem Kolben 49 bzw. der Kolbenstange 50 verbundenen Gießpfannenschiebers entspricht, örtliche Signalgeber sind auch bei dieser Vorrichtung nicht erforderlich.

Die in Fig. 6 dargestellte Einrichtung ist mit der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung kombinierbar.

Die beschriebenen Einrichtungen zur Rückmeldung der Stellung des Arbeitskolbens, der mit dem Gießpfannenschieber in Wirkverbindung steht, arbeiten extrem genau. Damit wird ein äußerst stabilisiertes Verhalten der gesamten Sollwertansteuerung erhalten.

Alle in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden einzeln oderii Kombination als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie nicht durch den S€and der Technik vorweggenommen sind.

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Claims

Heikel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

29268Γ"

Zimmermann & Jansen MöhlstraBe37

GmbH D-βΟΟΟ München 80

r_{1Rn mir},_et, Tel.: 089/982085-87

0 Puren _Telex. 05 29 802 hnkl d

Telegramme: ellipsoid

PL 427

' 3. Juli 1979

Verfahren zur Steuerung des Ausgußschiebers eines Gefäßes

Patentansprüche

Verfahren zur Steuerung des Ausgußschiebers eines Gefäßes für metallurgische Abgüsse in Abhängigkeit von der Änderung des Badspiegels des daraus abgegossenen Schmelzenvolumens, gekennzeichnet durch eine schrittweise Steuerung auf vorbestimmten Sollwert der Ausgußöffnung, bei der die Steuerungswerte für den Ausgußschieber unter Heranziehung des Wertes der oberhalb des Ausgußschiebers zum jeweiligen Abgußzeitpunkt bzw. nach einem jeweiligen Abgußzeitraum vorhandenen Höhenstands der Schmelze mit dem aus dem Zeitintegral der vorhergehenden jeweiligen Ist-Schieberöffnungen ermittelten Schmelzenvolumens ermittelt und eingestellt werden-

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung-Sollwerte mit jeweils mindestens einem Badspiegel-Grenzwert-Meßpunkt verglichen bzw. an mindestens einem derartigen Meßpunkt orientiert werden, derart, daß eine Bewegung des Ausgußschiebers immer dann eingeleitet wird, wenn der Grenzwert-Meßpunkt überschritten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungssollwerte innerhalb einem durch zwei Badspiegel-Grenzwert-Meßpunkte definierten Sollwertband liegen, derart, daß eine Bewegung des Ausgußschiebers immer dann eingeleitet wird, wenn das Sollwertband über- oder unterschritten wird.
k. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten bzw. Unterschreiten des Badspiegels über oder unter eine oberste oder unterste Grenze der Ausgußschieber mit erhöhter Geschwindigkeit in seine Schließ- bzw. volle Öffnungsstellung bewegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Korrekturbewegung des Ausgußschiebers eine Funktion von

4T · V
ist, wobei

C = Breite des Sollwertbandes,

ΔΊ = Zeitintervall der vorhergehenden Steuerphase bzw. Zeit, die während des Anstiegs bzw. Abfalls des Badspiegels über das durch die beiden Grenzwert-Meßpunkte bestimmte Sollwertband verstreicht, und
ν = jeweilige Ausgußgeschwindigkeit

sind. 030083/0427
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Ausgußgeschwindigkeit in einem Rechner nach folgender Gleichung ermittelt wird:

~t/ 2g · hn

^v =V ι + λ · £ '^wobei

L = Länge des Ausflußkanals,

D = Durchmesser des Ausflußkanals,

Λ- = Widerstandsbeiwert (Strömungswiderstand) g = Erdbeschleunigung

hn= tatsächliche ferrostatische Höhe in dem Gefäß

sind, und die ferrostatische Höhe hn sich aus der Gleichung hn = ho - _Ao

ergibt mit ho = maximale ferrostatischer Höhe in dem Gefäß, Ao = Querschnittsflasche des Gefäßes und Qn = aus dem Gefäß im Zeitintervall -4 T ausgeflossene Schmelzenmenge.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich Qn aus

tn

Qn = f f(t)-dt -A₁

errechnet, wobei

A₁ = Ist-Schieberquersehnittsöffnung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die jeweilige Korrekturbewegung aus

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-I₁-

Abn = f · Z j errechnet,

I <dT · ν /

wobei "Z" ein Korrekturfaktor ist, der aus einem Vergleich mindestens eines Teils der Iststeuerwerte mit den entsprechenden Iststeuerwerten der vorhergegangenen Korrektur errechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwerte

Al = Zeitintervall

ν = Ausgußgeschwxndxgkext

Q = Schmelzenvolumen bzw. -menge

A^= Ist-Schieberquerschnittsöffnung h = ferrostatische Höhe im Gefäß

in einem Parallel-Schieberegister jeweils zum Vergleich mit den entsprechenden nächstfolgenden Istwerten parallel gespeichert und anschließend zur Errechnung des Korrekturfaktors in eine Recheneinheit weitergeschoben werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Ausgußschieber von einer hydraulischen Arbeits-Kolben-Zylinder-Einheit gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Schieberöffnungen unter Verwendung einer Referenz-Kolben-Zylinder-Exnheit gemessen werden, die abseits von den extremen Umgebungsbedingungen des Gefäßes angeordnet ist, wobei Leckflüssigkeitsverluste im Arbeitszylinder berücksichtigt werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Ausgußschieber von einer zweiseitig beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Einheit gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung der Ist-Schieberöffnungen

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— b —

unter Verwendung von den beiden Arbeitskammern des Zylinders zugeordneten Durchflußmessern erfolgt, wobei Leckflüssigkeitsverluste im Zylinder berücksichtigt werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Ausgußschieber von einer Kolben-Zylinder-Einheit gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Ist-Schieberöffnungen der dem Kolbendruck entgegenwirkende Druck eines auf den Kolben wirkenden elastischen Elementes gemessen wird.

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