DE2951097C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Gießspiegelhöhe in Stranggießkokillen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Gießspiegelhöhe in Stranggießkokillen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Gießspiegelhöhe in einer Stranggießkokille durch Erfassung der Niveauänderungen des Gießspiegels nach dem Wirbelstromprinzip, wobei ein von einer Sender spule ausgehendes, hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, in zwei sekundären Empfängerspulen Spannungen induziert, deren resultierende Differenzspannung bei der Sollhöhe des Gießspiegels zu Null abgeglichen wird, während die bei Abweichung des Gießspiegels von der Sollhöhe entstehende Spannung zur Regelung verwendet wird.
Die Erfindung geht aus von dem bei der Wirbelstromprüfung, z. B. von Stangen oder Rohren, bekannten Prinzip der in Differenzschaltung angeordneten Sekundärempfängerspulen mit Nullabgleich.
Dieses Prinzip wird beispielsweise nach der in der DE-OS 27 22 506 (US-PS 4144 756) beschriebenen zweiten Hauptvariante u. a. auf die Messung der Gießspiegelhöhe bei Stranggießkokillen übertragen. Nachteilig bei dem genannten Verfahren ist, daß die Senderspule und die Empfängerspulen in der Kokillenwandung in der Höhe des Gießspiegels angeordnet werden müssen.
Deshalb ist dieses Verfahren im wesentlichen nur anwendbar bei einer Stranggießkokille, in der eine Kleidung aus nichtleitendem Material vorgesehen ist; denn bei üblicherweise verwendeten Stranggießkokille!! mit Metallauskleidung werden die Signale durch die abschirmende Wirkung zu stark geschwächt. Weiterhin ergeben sich Schwierigkeiten beim Einbau und bei der Isolation der Spulen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gießspiegelregelung anzugeben, das universell für alle Stranggieß-Kokillentypen und -abmessungen sowie bei allen zu vergießenden Legierungen einzusetzen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß eine Sonde und eine zusätzliche, von der Stranggießkokille räumlich getrennte Kompensationsspule jeweils an gegeneinandergeschaltete, von der Stranggießkokille räumlich getrennte Empfängerspulen angekoppelt werden.
Es werden also von der Stranggießkokille räumlich getrennte Sender- und Empfängerspulen verwendet, und die Erfassung der Gießspiegeländerung kann durch eine gleichzeitig als Sender und Empfänger wirkende, in der Schmelze oder oberhalb des Gießspiegels angeord nete Sonde erfolgen.
Durch die räumliche Trennung der Sender- und Empfängerspulen sowie der Kompensationsspule und durch die Erfassung def Gießspiegeländerung mittels einer in der Schmelze oder oberhalb des Gießspiegels angeordneten Sonde werden die Anforderungen an Robustheit und Einfachheit des Verfahrens erfüllt. Insbesondere verbleibt also nur die Sonde mit ihren beiden Zuleitungen unter thermischer Beanspruchung
im Bereich der Stranggießkokille. Von Vorteil ist weiter die ^empfindlichkeit gegen Isolationsfehler zwischen Sonde einerseits und Stranggießkokille bzw. Schmelze oder Gießmaschine andererseits.
Durch die Ankopplung der Sonde an das Sekundärspulensystem wird zusätzlich eine Transformatorwirkung für das relativ kleine Eingangssignal ausgenutzt.
Die DE-OS 27 22 475 betrifft zwar eine ähnliche Gattung, wobei Sender- und Empfängerspulen ia einer Spulenanordnung oberhalb der Metallschmelze inte- ι ο griert sind; nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch insbesondere, daß sämtliche Zuleitungen für Senderund Empfängerspulen im Bereich der Stranggießkokille vorgenommen werden müssen, woraus sich beträchtliche Bau- und Isolierprobleme ergeben und außerdem is diese Anordnung infolge unterschiedlicher Wärmedehnung der Komponenten elektrisch unstabil wird. Die DE-OS 27 22 475 kann den Anmeldungsgegenstand nicht nahelegen, da dort nicht gelehrt wird, zusätzlich zum üblichen Wirbelstromverfahren weitere Sonden bzw. Spulen zu verwenden.
Auch die DE-OS 28 39 953 kann nicht zur Beixrteilung der Erfindungshöhe herangezogen werden, da bei dem dort beschriebenen Verfahren lediglich eine Senderund eine Empfängerspule verwendet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens für den Nullabgleich und für die Verwendung des Differenzsignals Δ u ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.
Vorzugsweise wird der Nullabgleich der Differenzspannung Au bei der Sollhöhe des Gießspiegels durch einen automatischen Spulenabgleich erzeugt.
Insbesondere empfiehlt es sich nach Anspruch 3, niederfrequente Störsignale (in der Größenordnung von etwa 50 Hz) aus dem Differenzsignal Au auszufiltem. Dagegen kann vorzugsweise die Höhe des dem DifferenzsignaM u überlagerten, durch den Kokillenhub erzeugten Signals (etwa 1 Hz) zur Bestimmung der absoluten Gießspiegelhöhe verwendet werden (Anspruch 5).
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfin- -to dung betätigt das weiterverarbeitete Differenzsignal Au über einen Regler mit ausgeprägtem Differential-Verhalten ein Stopfen- oder Schieberventil im Vorherd.
Um einen genügenden Abstand zum Frequenzbereich der Störfelder (beispielsweise von den Induktionsöfen) und die notwendige iiohe Empfindlichkeit zu erzielen, empfiehlt es sich, für das hochfrequente Wechselfeld einen Frequenzbereich von 1 bis 100 kHz zu verwenden.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der einer an einen Hochfrequenzsender angeschlossenen Primärspule zwei sekundäre, gegeneinandergeschaltete Empfängerspulen zugeordnet sind. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß an die räumlich von der Stranggießkokille getrennten Empfängerspulen jeweils eine Kompensationsspule und eine mit der Sonde verbundene Spule angekoppelt sind, wobei die als Sender und Empfänger wirkende Sonde in der Schmelze oder oberhalb des Gießspiegels angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäßen Anordnungen der Sonde wird insbesondere der nachteilige Abschirmungseffekt des inneren Metallmantels der Stranggießkokille für das hochfrequente Wechselfeld umgangen.
Die Sonde ist vorzugsweise als offene oder 6ί geschlossene Schleife ausgebildet, die auf der Stranggießkokille, im KokillendeiAel, am Gießverteiler oder in der Schmelze angeordnet sein kann. Die Anordnung der Schleife am Gießverteiler oder in der Schmelze hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Einfluß des Kokillenhubes vermieden wird.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besteht die Sonde aus elektrisch leitendem und gegenüber flüssigem Metall beständigem Material.
Bei außerhalb der Schmelze angeordneter Sonde besteht die Sonde vorzugsweise aus Kupfer- oder Kupfer-Chrom-Material, bei in der Schmelze angeordneter Sonde insbesondere aus Chromstahl oder Graphit
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert, das den Fall einer auf der Stranggießkokille angeordneten Sonde betrifft Es zeigt F i g. 1 das Prinzip des Verfahrens,
F i g. 2 einen Schnitt durch Kokillensonde nach F i g. 3 entsprechend Linie A-B,
Fig.3 eine auf der Stranggießkokille angeordnete Sonde,
F i g. 4 ein Blockschaltbild des Meßsystems,
F i g. 5 ein Blockschaltbild der Rege!·.: ng und
Fig.6 ein Diagramm des Gießspiegelsignals bei automatischer Regelung.
Durch die mit einem Hochfrequenzsender 1 verbundene Primärspule 2 fließt ein Wechselstrom vorgegebener Frequenz, dessen magnetisches Wechselfeld Spannungen in den sekundären Empfängerspulen 3, 4 erzeugt, die gegeneinandergeschaltet sind, so daß eine Differenzspannung Au entsteht Das magnetische Wechselfeld induziert ebenfalls Spannungen in der kurzgeschlossenen Kompensationsspule 5 und der Spule 6.
Zur Erfassung des Gießspiegels 8 in der Stranggießkokille 9 mit Gießverteiler 10 (vgl. F i g. 2, 3) dient eine Sonde 7, durch die als Folge der in Spule 6 induzierten Spannung ebenfalls ein Wechselstrom fließt.
Dessen Wechselfeld induziert Wirbelströme in der Metallschmelze 11, die ihrerseits über ihr Sekundär-Wechselfeld dem erregenden Wechselfeld der Sonde 7 entgegenwirkt.
Über die Spulen 3, 6 hat dies eine Änderung der Diffe-enzspannung Au zur Folge. Da diese Änderung u. a. eine Funktion des Abstandes zwischen Gießspiegel 8 und Sonde 7 ist, kann sie zur Erfassung der Gießspiegelhöhe verwendet werden.
Durch geeignete Anordnung und Dihiensionierung der sekundären Empfängerspulen 2 bis 5 kann erreicht werden, daß die Differenzspannung Au, die als komplexe Größe durch Betrag und Phase gekennzeichnet ist, annähernd Null ist (Vorabgleich). Die kurzgeschlossene Kompensationsspule 5 dient dabei zur Kompensation der durch Sonde 7 und Spule 6 erzeugten Unsymmetrie.
Wie insbesondere aus F i g. 2/3 hervorgeht, ist die Sonde 7 als oberhalb des Gießspiegels 8 auf der Stranggießkokille 9 rcontierte Kreisschleife rusgebildet. Da die Spule 6 an die sehr niederohmige Schleife angepaßt werden muß, dient das Sekundärspulensystem zusätzlich als Transformator für das relativ kleine Eingangssignal.
Gemäß dem Blockschaltbild in Fig.4 wird die Differenzspannung du folgendermaßen weiterverarbeitet:
Der automatische Spulenabgleich 12 erzeugt im Ausgangszustand, d. h. wenn der Gießspiegel 8 der Sollhöhe entspricht, eif.e der Spannung Au nach Betrag gleiche, aber entgegengerichtete Spannung, so daß in diesem Fall das resultierende Differenzsignal Null ist
Eine abweichende Gießspiegelhöhe vom Sollwert
ergibt ein von Null verschiedenes Differenzsignal, das in an sich bekannter Weise in den nächsten Stufen 13, 14 verstärkt und demoduliert wird.
Über den Tiefpaß 15 gelangen nur die sehr niederfrequenten Signale der Gießspiegeländerung zum Oszilloskop 16, wo sie nach Betrag und Phase dargestellt werden können. Mit Hilfe eines nicht dargestellten Phasendiskriminators können die Gießspiegelsignale zusätzlich von ebenfalls niederfrequenten Störsignalen anderer Phasenlage getrennt werden.
Die am Ausgang des Anzeigegerätes 16 anstehende Spannung, deren Vorzeichen dem Vorzeichen der Gießspiegelabweichung entspricht, wird zur Regelung des Gießspiegels 8 verwendet.
Zur automatischen Regelung (vgl. F i g. 5) ist an einen mechanischen Regler 17. der ein Schieber- oder Stopfenventil 18 im Vorherd 19 betätigt, ein Motor 20 so angebaut, daß durch Ein- oder Auskuppeln des Motors wahlweise automatisch oder von Hand (Handregler 23) geregelt werden kann.
Der Motor 20 wird durch einen Transistor-Servoverstärker 21 angetrieben, der als Drehzahlregler arbeitet. Die Verbindung zwischen Gießspiegel-Meßsystem und Servoverstärker 21 bildet ein elektronischer Niveauregler 22 mit Proportional-Differential(PD)-Verhalten. Dieses Regelsystem ist sehr schnell, die Drehzahl des Motors 20 ist proportional der Abweichung vom Sollwert, das Drehmoment dagegen unabhängig davon.
Durch die vom Meßsystem bei einer Abweichung des Gießspiegels 8 vom Sollwert abgegebene positive oder , negative Spannung wird der Stopfen oder Schieber des Ventils 18 so lange in entsprechender Richtung verstellt, bis der dem Sollwert entsprechende Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist.
Die beschriebene Regelung wurde beispielsweise ;n beim Stranggießen von Kupfer- und Messingbolzen (Durchmesser von 15 bis 30 cm) über mehrere Monate durchgeführt. Der verwendete Hochfrequenzsender 1 hatte eine Frequenz im Bereich I bis 100 kHz. Als Sonde 7 wurde eine Kreisschleife aus Kupfer- bzw. Kupfer-Chrom-Rundmaterial verwendet, das einen Durchmesser von 10 mm aufwies.
Der Tiefpaß 15 hatte eine untere Frequenzgrenze von 5Hz.
Während der genannten Zeit arbeitete die automati-. ι sehe Regelung zur vollsten Zufriedenheit. So zeigt beispielsweise F i g. 6 einen Ausschnitt des am Meßkreisausgang abgenommenen Gießspiegelsignals über ca. 1 V4 Stunden bei automatischer Regelung. Das breite Band entspricht einem Kokillenhub von 6 mm Höhe, die _'·, überlagerten Spitzen stellen die restlichen Schwankungen (3 mm) des Gießspiegels dar.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Regelung der Gießspiegelhöhe in einer Stranggießkokille durch Erfassung der Niveauänderungen des Gießspiegels nach dem Wirbelstromprinzip, wobei ein von einer Senderspule ausgehendes, hochfrequentes magnetisches Wechselfeld in zwei sekundären Empfängerspulen Spannungen induziert, deren resultierende Differenzspannung bei der Sollhöhe des Gießspiegels zu Null abgeglichen wird, während die bei Abweichung des Gießspiegels von der Sollhöhe entstehende Spannung zur Regelung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sonde (7) und eine zusätzliche, von der Stranggießkokille (9) räumlich getrennte Kompensationsspule (5) jeweils an gegeneinandergeschaltete, von der Stranggießkokille^ räumlich getrennte Empfängerspulen (3,4) angekoppelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Nullabgleich der Differenzspannung Δ u bei der Sollhöhe des Gießspiegels (8) durch einen automatischen Spulenabgleich (12) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß niederfrequente Störsignale aus dem weiterverarbeiteten Differenzsignal Au ausgefiltert werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das weiterverarbeitete Differenzsignal Au über einen Regler (22) mit ausgeprägtem Dfoerential-Verhalten ein Stopfen- oder Schiebtrvcntil (18) im Vorherd (19) betätigt
5. Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des dem Differenzstgnal Au überlagerten, durch den Kokillenhub erzeugien Signals zur Bestimmung der absoluten Gießspiegelhöhe verwendet wird,
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das hochfrequente Wechselfeld ein Frequenzbereich von 1 bis 100 kHz verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei der einer an einen Hochfrequenzsender angeschlossenen Primärspule zwei sekundäre, gegeneinandergeschaltete Empfängerspulen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an die räumlich von der Stranggießkokille (9) getrennten Empfängerspulen (3, 4) jeweils eine Kompensationsspule (5) und eine mit der Sonde (7) verbundene Spule (6) angekoppelt sind, wobei die als Sender und Empfänger wirkende Sonde (7) in der Schmelze (11) oder oberhalb des Gießspiegels (8) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (7) als offene oder geschlossene Schleife ausgebildet ist
9. Vorrichtung Räch Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (7) aus elektrisch leitendem und gegenüber flüssigem Metall beständigem Material besteht
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (7) aus Kupfer- oder Kupfer-Chrom-Material besteht
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Sonde (7) aus Chromstahl oder Graphit besteht.
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