DE3423977A1

DE3423977A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen messung der erstarrten randschicht eines gussteils aus metall mit nicht-erstarrtem innenkern

Info

Publication number: DE3423977A1
Application number: DE19843423977
Authority: DE
Inventors: Seigo Yokohama Kanagawa Ando; Nobuyasu Sugaya
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1985-01-10
Also published as: GB2142729A; JPS6012265A; FR2548351A1; GB8415791D0

Description

U.Z.858.46

NIPPON KOKAN KABUSHIKI KAISHA,

1-2 Marunouchi-l-chone,

Chiyoda-ku, Tokio,

Japan

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der erstarrten Randschicht eines Gußteils aus Metall mit nicht-erstarrtem Innenkern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der erstarrten Randschicht eines Gußteils aus Metall mit nicht-erstarrtem Innenkern, insbesondere ein Meßverfahren nach: dem Prinzip der Wirbelstrom-Messung, z.B. an einer beim Austritt aus der Düse einer Stranggießmaschine erstarrenden Stranggußbramme oder an einem Metallblock während des Erstarrens in einer Gießform, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Gießen von Metall, insbesondere beim Stranggießen von Stahl, muß die Dicke einer erstarrten Randschicht einer Gußbramme beim Austreten aus der Düse einer Strang-

EPO COPY

gießmaschine stets konstant gehalten werden. Die Dicke der Randschicht steht in direkter Beziehung zur Auszugsgeschwindigkeit der Gußbramme aus der Form sowie zu den Kühlungsbedingungen der Form. Schwankungen in der Dicke der erstarrten Randschicht beim Austritt aus der Form bringen schwerwiegende Probleme wie Ausbauchen der Bramme unterhalb der Austrittsstelle aus der Form oder Mangel im Inneren der Bramme.

Bei einem bekannten Verfahren zur berührungslosen Messung der Dicke der Randschicht wird ein Magnetfeld mit starken Impulsen an eine Fläche einer aus der Düse einer Stranggießmaschine austretenden Gußbramme angelegt, so daß die elektromagnetische Induktion aufgrund des magnetischen Wechselfelds infolge der Lorentzkraft Ultraschallwellen in der Gußbramme erzeugt, und die sich in der Gußbramme ausbreitenden Ultraschallwellen werden von einem Ultraschall-Sensor erfaßt, der eine Wirbelstrom-Meßspule auf der anderen Seite der Gußbramme verwendet, wodurch nur die Gesamtdicke der Gußbramme mit einem "Magne - Scale" oder dergleichen gemessen wird sowie die Laufzeit der sich in der Gußbramme ausbreitenden Ultraschallwellen, um die Dicke der erstarrten Randschicht der Gußbramme aus der Laufzeit aufgrund des Unterschieds zwischen der mittleren Schallgeschwindigkeit in der festen Phase des Metalls und der mittleren Schallgeschwindigkeit in der flüssigen Phase des Metalls zu bestimmen.

Die Nachteile dieses bekannten Verfahrens können wie folgt zusammengefaßt werden.

(1) Da die Gesamtdicke der erstarrten Schichten an den Seiten einer Gußbramme in Richtung der Dicke gemessen wird, ist es unmöglich, zwischen einem Fall, bei dem die erstarrte Schicht auf einer Seite dicker ist als die erstarrte Schicht auf der anderen Seite, und einem Fall zu unterscheiden bei dem beide erstarrte Schichten gleiche Dicke aufweisen.

EPO COPY

(2) Da die Erzeugung von Ultraschallwellen durch Anlegen

von Hochspannuhgsimpulsen an eine Erregungsspule erfolgt, ergibt sich die Notwendigkeit der Verwendung einer Hochspannungsquelle (15 - 30 kV), und dies bringt vom praktisehen Standpunkt betrachtet sehr schwierige Isolationsprobleme mit sich.

(3) Aufgrund der Verwendung von Ultraschallwellen ist die Meßempfindlichkeit niedrig, und es ist daher schwierig, "den Abstand des Meßkopfes von der Gußbramme zu erhöhen. Übrigens liegen bei den derzeit praktischen Anwendungen die Abstände in der Größenordnung von höchstens einigen Millimetern, so daß die Gußbramme und der Meßkopf sich unweigerlich berühren oder gegeneinander schlagen, wenn die Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Gußbramme groß sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Dicke einer erstarrten Randschicht einer stillstehenden oder bewegten Gußbramme zu schaffen, welche die gewünschten Messungen selbst dann ermöglichen, wenn der Meßkopf z.B. einen Abstand von mehr als 10 mm von der Oberfläche der Gußbramme aufweist, ohne daß eine Hochspannungsquelle erforderlich ist, wobei stabile Messungen auch unter Temperaturschwankungen möglich sein sollen. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen z.B. auch die Verteilung der Dicke einer erstarrten Randschicht in Richtung der Breite einer Gußbramme und die Wahl eines gewünschten Dicke-Meßbereichs oder die gleichzeitige Durchführung von Messungen bezüglich einer Zahl voneinander verschiedener Meßbereiche gestatten sowie die Möglichkeit bieten, sämtliche Meßfehler aufgrund von Schwankungen des Abstands zwischen dem Meßkopf und der Gußbramme zu verhindern, welche durch Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Bramme oder Schwingungen der Bramme oder dergleichen bedingt sind, insbesondere im Fall der kontinuierlichen Messung der Dicke der erstarrten Randschicht

der bewegten Gußbramme, die aus der Form einer Stranggießmaschine austritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an ein Gußteil aus Metall mit nicht-erstarrtem Innenkern ein magnetisches Wechselfeld angelegt wird, daß die Stärke der im Gußteil erzeugten Wirbelströme durch eine Meßspule berührungslos gemessen wird, und daß die Dicke der erstarrten Randschicht des Gußteils aus der Stärke der Wirbelströme gemäß dem Unterschied des elektrischen Widerstands zwischen einem nicht-erstarrten Teil und einem erstarrten Teil des Gußteils bestimmt wird.

Das Grundprinzip der Erfindung liegt in der Tatsache, daß dann, wenn ein bestimmtes Metall im flüssigen Zustand beim Abkühlen in den festen Zustand übergeht, d.h. wenn das Metall erstarrt ist, der spezifische elektrische Widerstand des Metalls sich sprunghaft ändert, und daß die Änderungsgeschwindigkeit des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur während des AÖ?cühlens des Metalls von der Erstarrungstemperatur bis auf ca. 1000⁰C gering ist.

Wenn V den Spannungswert der an die Erregungsspule angelegten Wechselspannung darstellt, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das an die Gußbramme angelegt wird, so wird in der Meßspule zum Messen der Wirbelströme in der Gußbramme die Spannung V gemäß der nachstehenden Gleichung induziert:

^Vs = ^K'^V _P

_ worin K ein Kopplungs-Koeffizient ist, dessen Wert durch die Größe der Meßspule und ihres Magnetkerns, den relativen Abstand der Meßspule von der Gußbramme, die Frequenz der an die Erregungsspule angelegten Wechselspannung, den spezifischen Widerstand- der flüssigen Phase der Gußbramme, den

_ spezifischen Widerstand der festen Phase, die Dicke der erstarrten Randschicht u.s.w. bestimmt wird.

EPO COPY

- li -

■t/t

Wenn die Dicke der erstarrten Randschicht in einem vorbestimmten Dickebereich von der Oberfläche der Gußbramme aus zunimmt, erhöht sich der Anteil des festen Teils in diesem Bereich, so daß der spezifische elektrische Widerstand des Bereichs insgesamt im Verhältnis zu dem Wert vor der Erhöhung der Dicke beträchtlich abnimmt, was seinerseits eine Zunahme der Wirbelströme mit sich bringt, die in diesem Bereich fließen. Dies bedeutet eine Änderung des Kopplungs-Koeffizienten in der vorgenannten Gleichung, so daß durch Messung der Größe V der in der Meßspule induzierten Wechselspannung sich die Möglichkeit ergibt, die Dicke der erstarrten Randschicht auf der der Meßspule zugewandten Seite der Gußbramme zu messen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird zur berührungslosen Messung der Stärke der Wirbelströme im Gußteil durch die Meßspule eine Ausgleichsspule mit ähnlicher Temperaturkennlinie wie die Meßspule und verhältnismäßig schwacher magnetischer Kopplung mit dem Gußteil in einer Differenzschaltung mit der Meßspule kombiniert, wodurch sich eine Temperaturkompensation für das Meßsignal der Meßspule ergibt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Meßspulen auf einer Linie angeordnet, und es wird zusätzlich in einem weiteren Schritt die Verteilung der Dicke der erstarrten Randschicht längs der Richtung der Spulenanordnung in Abhängigkeit von den Meßsignalen der verschiedenen Meßspulen gemessen. In diesem Fall fällt auch das Verfahren der sequentiellen Auswahl des Meßsignals aus einer: Zahl von Meßspulen durch einen Multiplexer und eine damit verbundene wiederholte Abtastung in Richtung der Spulenanordnung ebenfalls in den Rahmen der Erfindung.

Praktisch gesehen wird erfindungsgemäß ein niederfrequentes magnetisches Wechselfeld an eine Fläche des Gußteils angelegt,

EPO COPY

und die Frequenz des niederfrequenten magnetischen Wechselfelds wird derart festgelegt, daß die Eindringtiefe der im Gußteil induzierten Wirbelströme auf die innere Mitte des Gußteils begrenzt ist, wobei der Meßbereich durch die Frequenzeinstellung willkürlich bestimmt wird.

Das niederfrequente magnetische Wechselfeld muß nicht auf eine einzige Niederfrequenzkomponente beschränkt werden und kann mehrere voneinander verschiedene Niederfrequenzkomponenten umfassen.

In diesem Fall wird in der Meßspule ein Meßsignal induziert, das eine Zahl von niederfrequenten Signalkomponenten enthält, von denen jede einer von mehreren Frequenzkomponenten entspricht, und die niederfrequenten Signalkomponenten werden -separat abgenommen, wobei gleichzeitig die Messung für jeden der mehreren Meßbereiche durchgeführt wird, die von den anderen Meßbereichen verschieden sind oder sich mit diesen überschneiden.

"*>

Bei noch einer weiteren Ausführungsform des Meßverfahrens gemäß der Erfindung wird ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld dem nierderfrequenten magnetischen Wechselfeld überlagert und an den Gußteil angelegt. Dieses hochfrequente magnetisches Wechselfeld ist ein Feld mit einer derart hohen Frequenz, daß es die Erzeugung hochfrequenter Wirbelströme gewährleistet, die konzentrisch in den Oberflächenbereich des Gußteils fließen und den Skineffekt der Wirbelströme erzeugen. Sodann werden dem Meßsignal der Meßspule die niederfrequenten■Signalkomponenten und die hochfrequenten Signalkomponenten separat entnommen, und die hochfrequente Signalkomponente kompensiert die niederfrequenten Signalkomponenten bezüglich irgendwelcher Meßfehler, die auf Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Gußteils und auf Schwankungen im Abstand zwischen

EPO COPY

_ 1 "5 _

der Meßspule und der Oberfläche des Gußteils zurückzuführen sind. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut als kontinuierliches Meßverfahren mit hoher Genauigkeit in Fällen, bei denen sich die Gußbramme kontinuierlich bewegt.

Wenn das Verfahren gemäß der Erfindung für die gewöhnliche Stranggußbramme aus Stahl angewandt wird, wählt man die Frequenz des niederfrequenten magnetischen Wechselfelds mit 1000 Hz oder weniger, vorzugsweise 800 Hz oder weniger, und die Frequenz des kompensierenden hochfrequenten magnetischen Wechselfelds wird mit 1000 Hz oder darüber, vorzugsweise 1600 Hz oder darüber gewählt.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des oben genannten Meßverfahrens, und in seiner grundlegenden Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung zur Messung der erstarrten Randschicht:

eine Meßkopfeinrichtung mit einer Primärspule und einer Sekundärspule, die in einem bestimmten Abstand von der Oberfläche eines Gußteijfe aus Metall mit einem nicht-erstarrten Innenkern dergestalt angeordnet sind, daß sie dem letzteren zugewandt und die beiden Spulen mit dem Gußteil magnetisch gekoppelt sind, eine Erregereinrichtung zur Abgabe eines Wechselstroms an die Primärspule, so daß der von der Primärspule erzeugte Wechselfluß in den Gußteil eindringt, und eine Meßschaltung zum Messen der Amplitude einer in der mit dem Gußteil magnetisch gekoppelten Sekundärspule induzierten Wechselspannung, die ein Ausgangssignal erzeugt, das der Dicke der erstarrten Randschicht des im Erstarren begriffenen Gußteils entspricht.

Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zusätzlich zum obengenannten Grundaufbau die Sekundärspule eine Meßspule

EPO COPY

3Λ23977

und eine Ausgleichsspule enthält, wobei die Ausgleichsspule die gleiche Temperaturkennlinie aufweist wie die Meßspule und im Meßkopf dergestalt angeordnet ist, daß die magnetische Kopplung zwischen derselben und dem Gußteil im Verhältnis zur Kopplung zwischen der Meßspule und dem Gußteil schwach ist. Die Meßspule und die Ausgleichsspule sind beide magnetisch mit der Primärspule gekoppelt und sind miteinander in Differenzschaltung verbunden, so daß ihre induzierten Spannungen mit einem Phasenunterschied von π rad. kombiniert werden. Im Fall dieser speziellen Ausführungsform enthält die Meßkopfeinrichtung einen H-förmigen Magnetkern, und der H-förmige Magnetkern enthält zwei parallele Schenkel und einen einzigen mittleren Verbindungsteil, der die beiden S'chenkel im wesentlichen in der Mitte· ihrer Länge miteinander verbindet. Die Primärspule ist auf den mittleren Verbindungsteil gewickelt, und die Meßspule und die Ausgleichsspule sind jeweils auf·die Seiten des Mittelteils eines der Schenkel gewickelt.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält die Meßkopfeinrichtung eine Zahl von Sekundärspulen, die in einer Linie angeordnet sind, und sie ist mit einem Multiplexer verbunden, der nacheinander die Meßsignale der Sekundärspulen wählt und erzeugt, wobei die Meßkopfeinrichtung eine Selbstabtastung in Richtung der Anordnung der Sekundärspulen ausführt.

Die Erregungseinrichtung liefert im wesentlichen einen Wechselstrom mit einer einzigen niedrigen Frequenz an die Primärspule.

Bei noch einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung erzeugt die Erregungseinrichtung einen Wechselstrom mit einer Zahl von Frequenzanteilen mit vorbestimmten voneinander verschienen niedrigen

EPO COPY

. ₁₅ _ ■"· ' 3*4 2*3

Frequenzen, und die Meßschaltung enthält eine Zahl von Frequenz-Auswahleinrichtungen zum Trennen einer Zahl von niederfrequenten Signalkomponenten, von denen jede einer der Frequenzkomponenten eines von der Sekundärspule erzeugten Wechselspannungssignals entspricht, wobei ein Ausgangssignal zum Messen der Dicke der Randschicht aus dem Amplitudenwert des Signals von jeder der Frequenz-Auswahleinrichtungen erzeugt wird.

Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Erregungseinrichtung den niederfrequenten Wechselstrom und einen hochfrequenten Wechselstrom erzeugt, und daß der hochfrequente Wechselstrom auf die Primärspule übertragen wird, so daß ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld von der Primärspule erzeugt wird, und das hochfrequente magnetische Wechselfeld erzeugt hochfrequente Wirbelströme, die konzentrisch in den Oberflächenbereich des Gußteils fließen. Außerdem enthält die Meßschaltung eine Einrichtung zum Aussondern einer den hochfrequenten Wirbelströmen entsprechenden hochfrequenten Signalkomponente aus dem von der Sekundärspule erzeugten Meßsignal sowie eine Einrichtung zum Kompensieren der niederfrequenten Signalkomponenten des Meßsignals bezüglich eines Meßfehlers, der durch Unregelmäsigkeiten in der Oberfläche des Gußteils und durch Schwankungen im Abstand des Meßkopfes von der Oberfläche des Gußteils bedingt ist.

Gemäß der Erfindung ergibt sich durch die Messung der Dicke einer erstarrten Randschicht mit Hilfe der elektromagnetischen Induktionswirkung der Vorteil, daß die Dicke einer erstarrten Randschicht auf einer Seite einer stillstehenden oder bewegten Gußbramme berührungslos gemessen werden kann, daß der Abstand (lift-off) zwischen dem Meßkopf und der Oberfläche der Gußbramme bis zu 20 - 30 mm

EPO COPY J§

gewählt werden kann, und daß keine Hochspannungsquelle erforderlich ist. Außerdem wird aufgrund der Tatsache, daß mehrere niederfrequente Wechselfelder mit verschiedenen Frequenzen verwendet und die Meßergebnisse gemäß den entsprechenden Frequenzkomponenten kombiniert werden, die Zahl der Meßbereiche erhöht, ohne die Linearität zu beeinträchtigen. Daneben ist auch die Verwendung des hochfrequenten magnetischen Wechselfelds in Überlagerung insofern vorteilhaft als die hochfrequente Signalkomponente des Meßsignals eine Information über die Schwankungen der Oberflächenbedingungen der Gußbramme und über den Abstand (Lift-off-Wert) liefert, und daher wird die hochfrequente Signalkomponente verwendet, um ein Kompensationssignal zu liefern, durch das sämtliche Meßfehler aufgrund dieser Schwankungen kompensiert werden, wodurch es möglich wird, zufriedenstellende Ergebnisse selbst bei kontinuierlicher Messung einer bewegten Gußbramme zu erzielen. Wenn im übrigen mehrere Meßköpfe in einer Linie angeordnet sind und gleichzeitig oder getrennt nacheinander durchweinen Multiplexer angesteuert werden, ist es möglich, den Verlauf der Dickenverteilung der Randschicht in Richtung der Meßkopfanordnung zu messen. Außerdem wird es durch Anordnung mehrerer Meßköpfe rund um die Gußbramme möglich, die Dicke der Randschicht, und den Verlauf der Dickenverteilung sowie die Querschnittsform der Gußbramme zu messen.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: 30

Fig. 1 eine grafische Darstellung des spezifischen elektrischen Widerstands von Eisen im flüssigen und festen Zustand, mit der Temperatur T (⁰C) als Abszisse und dem spezifischen Widerstand ρ χ 10~° (Ω-cm) als Ordinate,

EPO COPY

3Λ23977

Fig. 2 eine vergrößerte grafische Darstellung des Bereichs

von Fig. 1 um den Fließpunkt (1539⁰C), !

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Grundaufbaus einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4a ein Schaltbild eines anderen Beispiels der Spulenschaltung des Meßkopfs,

Fig. 4b ein Anordnungsdiagramm des Magnetkerns und der Spulen des in Fig. 4 a gezeigten Meßkopfs,

Fig. 5 eine grafische Darstellung des Kurvenverlaufs der Dicke einer erstarrten Randschicht in Abhängigkeit von der Ausgangskennlinie der Meßvorrichtung • gemäß der Erfindung , mit der tatsächlichen Dicke der Randschicht d (mm) als Abszisse und der Ausgangsspannung e (V) der Meßschaltung als Ordinate,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform

der Erfindung,
25

Fig. 8 ein Blockschaltbild noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 und 2 ist als Beispiel der Kurvenverlauf des spezifischen elektrischen Widerstands von Eisen im flüssigen und festen Zustand dargestellt. Der spezifische ^; elektrische Widerstand des Eisens ändert sich sprunghaft zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand, wobei der Fließpunkt (FP) die Grenzlinie darstellt, und außerdem ist die Änderung des spezifischen elektrischen Widerstands

EPO COPY.

im Bereich vom Fließpunkt bis zu ca. 1000⁰C gering. Dieser Verlauf ist praktisch der gleiche für alle Stahlsorten, die hauptsächlich aus Eisen bestehen, mit der Ausnahme, daß der spezifische elektrische Widerstand im flüssigen Zustand je nach dem Kohlenstoffgehalt mehr oder weniger schwankt.

In Fig.-3, die eine Grundausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, wird eine Gußbramme 1 kontinuierlich durch Walzen 6 aus der Austrittsdüse 5 einer Stranggießmaschine gezogen. Unmittelbar unterhalb der Düse 5 ist ein Meßkopf 2 angeordnet, welcher der Gußbramme

1 in einem gegebenen Abstand von der Oberfläche der Gußbramme 1 auf einer ihrer Seiten zugewandt ist. Der Meßkopf

2 enthält einen Kern 21 aus magnetischem Material und eine Primärspule 22 sowie eine Sekundärspule 23, die beide auf den Kern 21 gewickelt sind. Eine Wechselspannung von gegebener Frequenz wird von einem Erreger 3 der Primärspule 22 zugeführt, und die Sekundärspule 23 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 41 einer Meßschaltung 4 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 41 wird durch einen Sensor 42 erfaßt. Es ist zu beachten, daß die Gußbramme 1 eine erstarrte Randschicht la auf der Seite des Meßkopfs, eine erstarrte Randschicht Ic auf der entgegengesetzten Seite und einen nicht-erstarrten Kernteil Ib aufweist, der den Innenteil zwischen den beiden erstgenannten Randschichten bildet.

Wenn eine Wechselspannung an die Primärspule 22 vom Erreger 3 angelegt wird, fließt ein Wechselfluß in geschlossene magnetische Feldlinien, die durch den Kern 21 und die Gußbramme 1 über einen Spalt verlaufen. Selbstverständlich sind die Primärspulen 22 und die Sekundärspulen 23 in den Verlauf der magnetischen Feldlinien einbezogen. In der Gußbramme 1 werden von dem sie durchdringenden Wechselfluß Wirbelströme erzeugt, und die Stärke der

EPO COPY

Wirbelströme entspricht der Amplitude eines in der Sekundärspule 23 induzierten Wechselspannungssignals. Das in der Sekundärspule 23 induzierte Wechselspannungssignal wird vom Verstärker 41 der Meßschaltung 4 verstärkt, und das Signal wird sodann vom Sensor 42 erfaßt, wodurch ein Meßausgang e erzeugt wird, welcher der Amplitude des Signals entspricht.

Fig. 5 zeigt als Beispiel eine Ausgangskennlinie der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung. Diese Kennlinie wurde erzielt unter Verwendung des tatsächlich geschmolzenen Stahls und durch eine tatsächliche Messung der Beziehung zwischen der Dicke der erstarrten Randschicht und der Ausgangsspannung e der Meßschaltung 4. In diesem Fall erfolgte die tatsächliche Messung der Dicke d (mm) der Randschicht auf Grundlage der Erstarrungstemperaturen für die Bildung der Randschicht, gemessen durch Thermoelemente, und die Werte der Ausgangsspannung e (V), die den Erstarrungstemperaturen der Gußbramme für die jeweiligen Dicken entsprechen, wurden aufgezeichnet.

Die verwendete Frequenz beträgt 400 Hz, und der Abstand beträgt 20 mm. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, besteht eine Proportionalität zwischen der Dicke der erstarrten Randschicht und der Ausgangsspannung e .

Fig. 4a zeigt den Anschluß der Spulen bei einem anderen Ausführungsbeispiel des Meßkopfs 2, und in diesem Fall enthält der Meßkopf 2 eine Primäswicklung 22 und eine Sekundärwicklung 23 mit zwei Spulen 23a und 23b mit den gleichen Temperaturkennlinien. Eine Spule 23a, die einen Teil der Sekundärspule 23 bildet, ist eine Meßspule, die näher bei der Gußbramme 1 angeordnet ist, und die andere Spule 23b ist eine Ausgleichsspule, die weiter von der Gußbramme 1 entfernt angeordnet ist. Das bedeutet, daß die Meßspule 23a eine stärkere magnetische Kopplung . mit der Gußbramme 1 aufweist als die Ausgleichsspule 23b.

EPOCOPY &

Die Meßspule 23a und Ausgleichsspule 23b sind beide auf einen einzigen Magnetkern 21 gewickelt, und die Meßspule 23a und die Ausgleichsspule 23b sind in Differenzschaltung dergestalt miteinander verbunden, daß in den beiden Spulen induzierte Spannungssignale mit einem gegenseitigen Phasenunterschied von (rad) kombiniert werden. Dies kann in der Praxis z.B. dadurch erzielt werden, daß die Meßspule 23a und-die Ausgleichsspule23b in entgegengesetzter Richtung gewickelt und in Reihe miteinander verbunden werden.

Fig. 4b zeigt ein gutes Beispiel der Zusammenschaltung zur Erzielung eines Unterschieds im Wert der magnetischen Kopplung mit der Gußbramme 1 zwischen der Meßspule 23a und der Ausgleichsspule 23b. Hier wird ein H-förmiger Kern 21B als Magnetkern des Meßkopfes 2 verwendet und der H-förmige Kern 21B enthält zwei parallele Schenkel 25 und 26 sowie einen Verbindungsteil 24, der die Schenkel 25 und 26 in ihrer Mittelstellung verbindet. Die Primärspule 22 ist auf den Verbindungsteil 24 gewickelt, und die Meßspule 23a ist auf einen Teil 25a eines Schenkels 25 gewickelt, der auf der Seite der Gußbramme 1 liegt. Die Ausgleichsspule 23b ist auf einen Teil 25b des Schenkels 25 gewickelt, der von der Gußbramme 1 abgewandt ist. Bei diesem Beispiel ist die Meßspule 23a in den Weg der geschlossenen magnetischen Feldlinien einbezogen, durch den der von der Primärspule 22 erzeugte Wechselfluß rund um die Gußbramme 1 fließt, und die Ausgleichsspule 23b liegt außerhalb des geschlossenen Wegs der Feldlinien.

Auf diese Weise erscheint nur·eine Signalkomponente, die mjr der Stärke der Wirbelströme in der Gußbramme 1 entspricht, in der insgesamt in der Sekundärspule 23 induzierten Spannung und die Ausgleichsspule 23b erfüllt den Zweck, nicht nur Schwankungen aufgrund von Temperaturänderungen sondern auch unerwünschte Signalkomponenten

EPO COPY

aus der induzierten Spannung der Sekundärspule 23 auszuscheiden.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist der Meßkopf 2 von der gleichen Art wie in Fig. 3 gezeigt.

Im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform zeichnet sich diese Ausführungsform dadurch aus, daß Wechselspannungen mit verschiedenen Frequenzen (z.B. 400, 800 und 1600 Hz) gleichzeitig an eine einzige Primärspule angelegt werden. Ein Erreger 3A enthält drei Oszillatoren 33A, 33B und 33C, eine Mischstufe 31A zum Mischen der Ausgänge der drei Oszillatoren, und einen Leistungsverstärker 32A zum Verstärken des Ausgangs der Mischstufe 31A und Weiterleiten desselben an eine Primärspule 22 des Meßkopfs 2. Eine Meßschaltung 4A enthält einen Verstärker 4IA zum Verstärken des Meßsignals vom Meßkopf 2, drei Bandpaß-aFilter 43A, 43B und 43C, die jeweils den Schwingungsfrequenzen f,, f„ und f^ der drei Oszillatoren entsprechen, drei Sensoren 42A, 42B und 42C zum Erfassen der jeweiligen Signale, die durch die entsprechenden Bandpaß-Filter getrennt werden, und zwei Ausgleichs-Differenzverstärker 44A und 44B.

Die Oszillatoren 33A, 33B und 33C liefern Wechselspannungen (V,;, , V.p2 ^un<3- V_f-.) mit den Frequenzen fl, f2 und f3 an die Mischstufe 31A, so daß die sich ergebende gemischte Wechselspannung im Leistungsverstärker 32A verstärkt und dann der Primärspule 22 des Meßkopfes 2 zugeführt wird. In gleicher Weise wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform erzeugt die Sekundärspule 23 ein Meßsignal, das den Wirbelströmen entspricht, so daß nach Verstärkung des Signals auf einen gegebenen Pegel durch

EPO COPY M

den Verstärker 41A das Signal in die Frequenzen fl, f2 und f3 getrennt und von den Sensoren 42A, 42B und 42C erfaßt wird, wodurch die Meßausgänge e, - e₃ entstehen.

Angenommen daß fl = 400 Hz, f2 = 800 Hz und f3 = 1600 Hz, so werden in der Gußbramme 1 Wirbelströme erzeugt, die jeder dieser Frequenzen entsprechen, und die Eindringtiefe der Wirbelströme entspricht der Frequenz. Demzufolge erreichen die Wirbelströme mit fl = 400 Hz den verhältnismäßig tiefen Bereich der Gußbramme 1, und die Wirbelströme mit der Frequenz f2 = 800 Hz fließen in den weniger tiefen Teil der Gußbramme 1. Dagegen konzentrieren sich aufgrund der hohen Frequenz die Wirbelströme mit f3 = 1600 Hz im Oberflächenbereich der Gußbramme 1 infolge des Skineffekts.

Bezüglich der Frequenzen fl und f2 unterscheiden sich die Messungen mit diesen niederfrequenten Magnetfeldern voneinander im Meßbereich, und innerhalb des jeder dieser Frequenzen entsprechenden Meßbereichs wird eine Ausgangskennlinie mit hervorragender Linearität erzielt. Wenn daher Messungen unter gleichzeitiger Verwendung der beiden Frequenzen vorgenommen werden, ist es möglich, die Dicke der Randschichten über weite Meßbereiche zu messen und dabei eine zufriedenstellende Linearität für die Ausgangskennlinie sicherzustellen. Im Fall der Messung mit der hohen Frequenz f3 ergibt diese Messung eine Ausgangsspannung e.,, die eher der Oberflächenkontur der Gußbramme 1 oder dem relativen Abstand vom Meßkopf 2 als der Dicke der erstarrten Randschicht entspricht. Die.Ausgänge e^ und e~ werden jeweils an den positiven Eingang der Differenzverstärker 44A und 44B zur Abstandskompensierung angelegt, und der Ausgang e-, wird als Kompensierungsignal dem negativen Eingang jedes dieser Differenzverstärker zugeführt, so daß die Signale differentiell verarbeitet

EPO COPY

3"A 2^3 9 7

und dadurch die Dicken der erstarrten Randschicht für jeden Meßbereich mit hohen Genauigkeitsgrad gemessen werden. Es ist zu bemerken, daß die Differenzverstärker 44A und 44B jeweils durch eine Multiplizierschaltung ersetzt werden können.

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei der dargestellten Ausführungsform ist zu beachten, daß durch eine Zahl von in einer Linie angeordneten Meßköpfen mit dem gleichen Aufbau wie bezüglich Fig. 4a und 4b beschrieben ein linearer Sensor gebildet wird.

Ein Erreger 3B enthält einen einzelnen Niederfrequenz-Oszillator 33 und einen Leistungsverstärker 32B. Die niederfrequente Wechselspannung wird vom Leistungsverstärker 32B gemeinsam den Primärspulen einer Zahl von Meßköpfen 2A, 2B, 2C, ...., 2N zugeführt. Wie in Fig. 4a gezeigt, erzeugt die Sekundärspule jedes Meßkopfs ein Ausgangssignal, das die Differenz zwischen den induzierten Spannungen Ea der Meßspule und der induzierten Spannung Eb der Ausgleichsspule oder Eo=Ea-Eb entspricht, und die Ausgangssignale der Meßköpfe werden nacheinander einem Signalverstärker 41 über einen Multiplexer 7 zugeführt.

Der zeitliche Ablauf dieses Vorgangs wird gesteuert durch die von einem Taktsignal-Generator 8 erzeugten Taktimpulse. Der Ausgang des Signalverstärkers 41 wird von einem Sensor 42 erfaßt und erzeugt ein Ausgangssignal e-j-_Q. Dann entspricht das Ausgangssignal e,„ einem Ausgang, der durch Abtastung der Ausgänge der Meßköpfe 2A, 2B, ..., 2N in zeitlicher Folge erzeugt wird. Auf diese Weise kann die Dickenverteilung der Randschicht in Richtung der Anordnung der Meßköpfe erfaßt werden.

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild einer Meßvorrichtung • zur Durchführung noch einer weiteren Ausführungsform

copy m

der Erfindung.

Im Zusammenhang mit der Ausführungsform von Fig. 7 zeichnet sich diese Ausführungsform dadurch aus, daß Wechselspannungen mit verschiedenen Frequenzen (z.B. 400, und 1600 Hz) gleichzeitig an die Primärspule jedes Meßkopfs angelegt werden. Das bedeutet, daß die Ausführungsform von Fig. 8 das Mehrfrequenz-Meßverfahren von Fig. 6 auf die in Fig. 7 gezeigte lineare Sensorausführung anwendet, und diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 7 dadurch, daß ein Erreger 3A von der gleichen Art wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 und eine Meßschaltung 4A ebenfalls von der gleichen Art wie in Fig. 6' verwendet wird.

Die Oszillatoren 33A, 33B und 33C liefern jeweils Wechselspannungen V_f,, V_f2 und V_f3 mit den Frequenzen fl, f2 und f3 an die Mischstufe 31A, so daß die entstehende kombinierte Spannung durch den Leistungsverstärker 32A verstärkt und dann gemeinsaiü den Primärspulen der Meßköpfe 2A, 2B, ..., 2N zugeführt wird. In gleicher Weise wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird die Ausgangsdifferenz (Eo=Ea-Eb) von der Sekundärspule jedes Meßkopfs erzeugt, und die Ausgänge der Meßköpfe werden nacheinander dem Signalverstärker 41A durch den Multiplexer 7 zugeführt. Nachdem dann das Signal vom Signalverstärker 41A auf ein gegebenes Niveau verstärkt wurde, wird das Signal in die Frequenzen fl, f2 und f3 durch Bandpaß-Filter 43A, 43B und 43C unterteilt und von den Sensoren 42A, 42B und 42C erfaßt.

Folglich erzeugt der Sensor 42A nacheinander in zeitlicher Folge einen Meßausgang e, , welcher der Frequenz f1 für jeden der Meßköpfe 2A, 2B ..., 2N entspricht, und der Sensor 42B erzeugt in gleicher Weise nacheinander in

EPO COPY

zeitlicher Folge einen Meßausgang e,«, welcher der Frequenz f2 für jeden der Meßköpfe 2A, 2B, . ..., 2N entspricht. Desgleichen erzeugt der Sensor 42C in zeitlicher Folge einen Meßausgang e-,,, welcher der Frequenz f3 für jeden der Meßköpfe 2A, 2B, ...., 2N entspricht- Die Ausgänge e,, , e, _ und e-,-, sind miteinander synchronisiert.

Die Differenzverstärker 44A und 44B sind für die Abstandskompensierung von der gTeichen Art wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6, und ihre entsprechenden Ausgänge e,.

bzw. e,c entsprechen einem Ausgang, der sich durch Kompensierung des Ausgangs e.. , durch den Ausgang e·, -, ergibt, sowie einem Ausgang, der sich durch Kompensierung des Ausgangs e,_ durch den Ausgang e, .,· ergibt.

110

EPO COPY

- Leerseite -

EPO COPY

Claims

PATENTANSPRÜCHE

10

Verfahren zur berührungslosen Messung der erstarrten Randschicht eines Gußteils aus Metall mit nichter starrtem, Innenkern, dadurch" gekennzeichnet, daß an den Gußteil aus Metall mit nicht-erstarrtem Inne'hkern ein magnetisches Wechselfeld angelegt wird, daß die Stärke der im Gußteil erzeugten Wirbelströme durch eine Meßspuleneinrichtung berührungslos gemessen wird r. und daß die Dicke einer erstarrten Randschicht des Gußteils aus der Stärke der Wirbelströme gemäß dem Unterschied des spezifischen elektrischen Widerstands zwischen einem nicht-erstarrten geschmolzenen Teil und einem erstarrten Teil des Gußteils bestimmt wird.

15 2

20

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgleichspule, deren Temperaturkennlinie die gleiche ist wie diejenige der Meßspule, und die eine verhältnismäßig schwache magnetische Kopplung mit dem Gußteil aufweist ,· .in Differenzschaltung mit der Meßspule kombiniert ist, wodurch eine Temperaturkompensation eines Meßsignals der Meßspuleneinrichtung erzielt wird.

EPO COPY θ]

Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule aus mehreren Meßspulen besteht, die auf einer Linie ausgerichtet sind, wodurch eine Verteilung der Dicke der erstarrten Randschicht längs der Anordnungsrichtung der Meßspulen aufgrund einer Zahl von Meßsignalen dieser Meßspulen gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale der Meßspulen sequentiell durch einen Multiplexer ausgewählt werden, wobei eine wiederholte Abtastung bezüglich der Richtung der Spulenanordnung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein niederfrequentes magnetisches Wechselfeld an' eine Fläche des Gußteils angelegt wird und daß die Frequenz des niederfrequenten magnetischen Wechselfeldes dergestalt festgelegt wird, daß die Eindringtiefe der im Gußteil erzeugten Wirbelströme bis zur Mitte des Gußteils reicht, wobei durch diese Frequenz ein Meßbereich festgelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein niederfrequentes magnetisches Wechselfeld, das eine Zahl verschiedener Frequenzanteile enthält, an eine Fläche des Gußteils angelegt wird, wobei eine Zahl von niederfrequenten Signalbestandteilen, von denen jeder einem der Frequenzanteile entspricht, von einem Meßsignal der Meßspuleneinrichtung getrennt wird, wodurch gleichzeitig eine Messung für je einen verschiedenen Meßbereich vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz bzw. die Frequenzen des niederfrequenten magnetischen Wechselfeldes 1000 Hz oder weniger

EPO COPY ffi

vorzugsweise 800 Hz. oder weniger betragen.

8. Verfahren nach Anspruch. 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld zur Erzeugung hochfrequenter Wirbelströme, die nur in den Oberflächenbereich des Gußteils fließen, dem niederfrequenten magnetischen Wechselfeld überlagert und an den Gußteil angelegt wird, wobei der niefrequente Signalanteil bzw. die niederfrequenten Signalanteile und ein hochfrequenter Signalanteil von einem Meßsignal der Meßspuleneinrichtung getrennt werden, und jeder niederfrequente Signalanteil durch den hochfrequenten Signalanteil bezüglich eines auf Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche'des Gußteils und auf Schwankungen im Abstand der Meßspuleneinrichtung von der Oberfläche des Gußteils zurückzuführenden Meßfehlers kompensiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz del= hochfrequenten magnetischen Wechselfelds 1000 Hz oder darüber, vorzugsweise 1600 Hz oder darüber beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch

gekennzeichnet, daß der Gußteil eine Strangießbramme ist, die aus der Austrittsdüse einer Stranggießmaschine austritt und dabei erstarrt.

11. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens

nach Anspruch 1-10 zum Messen der Dicke einer erstarrten Randschicht eines Gußteils, gekennzeichnet durch eine Meßkopfeinrichtung mit einer Primärspule und mindestens einer Sekundärspule, die in einem bestimmten Abstand gegenüber einer Fläche des Gußteils aus Metall mit einem nicht-erstarrten Innenkern zur

EPO COPY ft

magnetischen Kopplung der Spulen und des Gußteils angeordnet sind, durch eine Erregereinrichtung zur Abgabe eines Wechselstroms an die Primärspule dergestalt daß der von dieser Primärspule erzeugte Wech-

"5 selfluß durch den Gußteil verläuft, und durch eine Meßschaltung zum Messen der Amplitude einer Wechselspannung, die in der mit dem Gußteil magnetisch gekoppelten Sekundärspule induziert wird, um ein Ausgangsmeßsignal zu erzeugen, das der Dicke einer erstarrten Randschicht des im Erstarren begriffenen Gußteils entspricht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule eine Meßspule und eine Ausgleichspule umfaßt, wobei die Ausgleichspule die gleiche Temperaturkennlinie aufweist wie die Meßspule und in der Meßkopfeinrichtung dergestalt angeordnet ist, daß die Ausgleichspule in geringerem Umfang magnetisch 'mit dem Gußteil gekoppelt ist als die Meßspule, wobei sowohl die Meßspule als die Ausgleichspule magnetisch mit der Primärspule gekoppelt ist und die Meßspule und die Ausgleichspule in Differenzschaltung dergestalt miteinander verbunden sind, daß die induzierten Spannungen derselben mit einem Phasenunterschied von π rad. kombiniert sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkopfeinrichtung einen H-förmigen Magnetkern umfaßt, wobei der H-förmige Magnetkern zwei parallele Sckenkel und einen mittleren Verbindungsteil enthält., der die Schenkel im wesentlichen_;im.mittleren Teil ihrer Länge miteinander verbindet, daß die Primärspule auf diesen mittleren Verbindungsteil gewickelt ist und daß die Meßspule auf eine Seite des mittleren Teils eines Schenkels und die Ausgleichspule auf die andere Seite des mittleren Teils dieses Schenkels gewickelt ist.

EPO COPY

■ « · m

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkopfeinrichtung eine Zahl von Sekundärspulen enthält, die in einer Linie angeordnet und mit einem Multiplexer verbunden sind, der sequentiell Meßsignale von den Primärspulen wählt und überträgt, wobei die Meßkopfeinrichtung in Richtung der Anordnung der Sekundärspulen mit einer Selbstabtastung versehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung einen. Wechselstrom mit einer einzigen vorgegebenen niedrigen Frequenz erzeugt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 11,' dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung einen Wechselstrom mit einer Zahl von Frequenzanteilen erzeugt, von denen jeder eine vorbestimmte verschiedene niedrige Frequenz aufweist, und daß die Meßschaltung eine Zahl von Freq.uenz-Auswahleinrichtungen enthält, von denen jede für die Abtrennung einer von mehreren niederfrequenten Signalkomponenten von der Sekundärspule aus— gelegt ist, wobei ein Ausgangssignal zum Messen der Dicke der Randschicht aus dem Amplitudenwert eines Signals von jeder der Frequenz-Auswahleinrichtungen entsteht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungseinrichtung den niederfre— quenten Wechselstrom und einen hochfrequenten Wechselstrom erzeugt, daß der hochfrequente Wechselstrom auf die Primärspule dergestalt übertragen wird, daß ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld von der Primärspule erzeugt wird, wodurch hochfrequente Wirbelströme entstehen, die konzentrisch in einen Oberflächenbereich des Gußteils fließen, und daß die Meß-

EPO COPY A

— O ~"

-' Schaltung eine Einrichtung zum Aussondern einer den hochfrequenten Wirbelströmen entsprechenden hochfrequenten Signalkomponente aus einem Meßsignal der Sekundärspule sowie eine Einrichtung zum Kompensieren

.5 jeder niederfrequenten Signalkomponente des Meßsignals durch die hochfrequente Signalkomponente bezüglich eines Meßfehlers enthält, der durch Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Gußteils und durch Schwankungen im Abstand der Meßkopfeinrichtung von der Oberfläche des Gußteils bedingt ist. -—

EPO COPY