Die Erfindung betrifft eine Vertikalstranggiessanlage, insbesondere eine Vertikalstranggiessanlage
zum automatischen Stranggiessen von Aluminiumlegierungen, enthaltend wenigstens
eine Kokille mit auf einem absenkbaren Giesstisch angeordnetem Anfahrboden, ein Giessrinnensystem
zum Transport einer Metallschmelze von einem Ofen in die einzelnen
Kokillen, für jede Kokille eine Messvorrichtung zur Bestimmung des zeitabhängigen
Metallschmelzenniveaus N(t) und eine Durchflussregelungsvorrichtung zur Steuerung der
Metallzufuhr in die einzelnen Kokillen in Abhängigkeit der Differenz eines vorgegebenen
Sollwertverlaufes Nsoll(t) und des gemessenen zeitabhängigen Metallschmelzenniveaus N(t).
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Vertikalstranggiessen von Metallen, insbesondere
von Aluminiumlegierungen, in einer wenigstens eine Kokille umfassenden Giessanlage,
bei welchem Verfahren das flüssige Metall von einem Ofen über ein Giessrinnensystem
an die einzelnen Kokillen herangeführt und über eine Durchflussregelungsvorrichtung
in die von auf einem absenkbaren Giesstisch angeordneten Anfahrböden während einer
Füllphase zunächst geschlossenen Kokillen geleitet wird, wobei ausgehend von einem
Anfangsniveau der Metallschmelze, bei der eine Metallschmelzen-Niveauregelung
beginnt,
bis zu einem vorbestimmten Stantniveau, bei dem das Absenken des Giesstisches zur
Erzeugung der Metallstränge beginnt, und während der gesamten Absenkphase das
zeitabhängige Metallniveau N(t) in jeder Kokille mit einer Messvorrichtung gemessen und
mit einer zeitabhängigen Sollwertvorgabe Nsoll(t) verglichen wird, und die Metallzufuhr in
die einzelnen Kokillen mittels einer Durchflussregelungsvorrichtung gemäss der
zeitabhängigen Differenz zwischen Ist- und Sollwert des Metallniveaus geregelt wird.
Ein solches Verfahren, sowie eine derartige, mehrere Kokillen enthaltende Vertikalstranggiessanlage
sind beispielsweise aus der DE-OS 32 05 480 A1 bekannt. Gemäss der in DE-OS
32 05 480 A1 beschriebenen Lehre geschieht die Erfassung des Metallpegels mittels
einem Schwimmer als Messaufnehmer, der auf der Oberfläche der Metallsäule aufliegt und
aus einem hitzebeständigen Material besteht, welches derart gewählt sein muss, dass eine
Absorption von geschmolzenem Metall oder von Verunreinigungen vermieden wird.
In der Patentschrift EP-B 0 517 629 werden ebenfalls eine eingangs beschriebene Vorrichtung
und ein entsprechendes Verfahren zum Vertikalstranggiessen von Metallen beschieben,
wobei zur Erfassung des zeitabhängigen Metallschmelzenniveaus in den einzelnen Kokillen
ein kapazitiver Sensor verwendet wird. Dabei erfolgt die kapazutive Niveaumessung zwischen
der Oberfläche der Metallschmelze und einer sich dazu in einem bestimmten Abstand
befindlichen Platte, welche in ihrem Abstand zur Metalloberfläche mittels einem Servomotor
jeweils derart nachgeführt wird, dass die Kapazität konstant und gleich einer Referenzkapazität
ist.
Bei einer mehrsträngigen Stranggiessanlage ist für deren störungsfreien Betrieb insbesondere
die Beherrschung des Anfahrvorganges, d.h. die optimale Steuerung der Metallzufuhr
zu den einzelnen Giesseinheiten bis zum eigentlichen Giessstart, der durch das Absenken
des Giesstisches eingeleitet wird, entscheidend. Um den Metallstand in den einzelnen Kokillen
während der Anfahrphase in möglichst kurzer Zeit auf ein für den Beginn des Absenkens
des Giesstisches vorbestimmtes Niveau zu regeln, ohne dass die Gefahr des Einfrierens
von Metall besteht, beschreibt die WO 98/32559 ein Verfahren, gemäss dem das Metallniveau
in allen Kokillen gleichzeitig nach einer für alle Kokillen identischen Sollwertkurve
geregelt wird, deren Steigung zu Beginn des Regelns im Vergleich zur mittleren Steigung
grösser ist und zum Ende der Anfahrphase hin kleiner ist als die mittlere Steigung.
Typischerweise beträgt das Füllniveau der Kokillen für den Beginn des Absenkvorganges
zwischen 120 und 200 mm. Die präzise Steuerung des Metallniveaus ist insbesondere in der
Absenkphase von ausschlaggebender Bedeutung für einen störungsfreien Betrieb einer
Giessanlage. Die präzise Steuerung des Metallniveaus in den einzelen Kokillen bedingt eine
entsprechend genaue Messung der Füllhöhe. Demzufolge erfordert die präzise MetallniveauSteuerung
einer Giessanlage eine genaue und reproduzierbare Niveaumessung über einen
grossen Messbereich von typischerweise 200 mm. Die Bedeutung einer präzisen Metallniveau-Bestimmung
wird insbesondere bei den weiterentwickelten Steuerungen von Mehrkokillen-Stranggiessanlagen,
wie beispielsweise bei Steuerungen gemäss der WO 98/32559,
bei der die Niveau-Regelung mit nicht-linearen Sollwertkurven geschieht, stark erhöht.
Für die genaue Füllniveau-Bestimmung eignen sich induktive oder kapazitive Sensoren. Die
erforderliche Genauigkeit lässt sich mit induktiven Sensoren jedoch nur in einem
Messbereich von ca. 30-50 mm erreichen. Die aus dem Stand der Technik bekannten
Vertikalstranggiessanlagen verwenden deshalb meisten Einrichtungen, bei denen derartige
Sensoren mittels einer Präzisionsmechanik im Zusammenwirken mit einem Servo-oder
Schrittmotor derart nachgeführt werden, dass der für die geforderte Messgenauigkeit
erlaubte Messbereich nicht überschritten wird. Kapazitive Sensoren können für gosse
Messbereiche von beispielsweise bis zu 300 mm eingesetzt werden; sie zeigen jedoch eine
grosse Abhängigkeit von den äusseren Messbedingungen, so dass eine häufige
Nachkalibrierung erforderlich wird.
Für Füllstands- und Abstandsmessungen sind prinzipiell auch Laser-optische-,
Ultraschall- und
Mikrowellen-Verfahren bekannt.
Laseroptische Verfahren können für die Füllstandmessung von hochreflektierenden Messgütern
nur beschränkt eingesetzt werden. Dabei eignen sich derartige Verfahren prinzipiell
zur Niveaumessung von Metalllegierungen, beispielsweise von Aluminiumlegierungen,
während der Füllphase der Kokille und zu Beginn der Absenkphase. Während der Absenkphase
bildet sich - zumindest bei Aluminiumlegierungen - nach einigen Minuten nach
Beginn der Absenkphase eine hochreflektierende Oxidschicht, welche den Einsatz Laseroptischer
Verfahren zur Niveaumessung stark beeinträchtigt oder gar verunmöglicht.
Ultraschall- und Mikrowellenverfahren nach dem Radar-Prinzip weisen zwar einen grossen
Messbereich auf und erlauben eine kontaktlose Niveaumessung, zeigen jedoch nicht die
geforderte Messgenauigkeit, zumindest nicht für die Absenkphase des Stranggiessprozesses.
Zudem sind die Ultraschall-Füllstandsmessverfahren stark temperaturabhängig, und die
Mikrowellen-Füllstandsmessverfahren werden empfindlich durch die Messumgebung beeinflusst.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vertikalstranggiessanlage der eingangs
genannten Art mit einer präzisen, funktionssicheren und kostengünstigen Füllstandsmessung
zur Verfügung zu stellen und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben,
bei welchem die Metallniveau-Messung auf einfache Weise mit hoher Präzision durchgeführt
werden kann.
Erfindungsgemäss wird die der Vertikalstranggiessanlage zugrunde liegende Aufgabe
dadurch gelöst, dass die Messvorrichtung aus zwei physikalisch unterschiedlich arbeitenden
Messsystemen mit je einem Sensor besteht, die Sensoren jeder Messvorrichtung bezüglich
der Kokille in einem vorbestimmten und festbleibenden Abstand fixiert sind, und das erste
Messsystem in einem Messbereich von wenigstens 200 mm eine Messgenaugkeit von
mindestens ± 2 mm aufweist, und das zweite Messsystem in einem Messbereich von
wenigstens 20 mm eine Messgenauigkeit von mindestens ± 0.1 mm aufweist.
Die Erfindung betrifft vorteilhaft Vertikalstranggiessanlagen mit mehreren Kokillen. Die
erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst jedoch auch Vertikalstranggiessanlagen mit nur
einer einzigen Kokille.
Der erfindungsgemässen Lösung liegt die Idee zugrunde, dass zu Beginn des Stranggiessprozesses,
d.h. während der ersten Füllphase der durch den Anfahrboden zunächst geschlossenen
Kokille, und während der restlichen Füllphase, sowie während dem Absenkvorgang
des Giesstisches verschiedene Niveaumessvorrichtungen eingesetzt werden können, welche
den spezifischen Erfordernissen während den prinzipiell verschiedenen Phasen optimal
Rechnung tragen.
Die Erfindung beruht weiter auf der Erkenntnis, dass ein grosser Messbereich von ca. 200
min nur während der ersten Füllphase der durch den Anfahrboden zunächst geschlossenen
Kokille benötigt wird, und in der daran anschliessenden Füll- und Absenkphase des Giesstisches
ein kleinerer Messbereich von beispielsweise 15-20 mm ausreicht. Zudem ist
während der Startphase eine weniger hohe Messgenauigkeit erforderlich als in der
nachfolgenden Füll- und Absenkphase, da sich das Füllniveau in der ersten Füllphase sehr
schnell verändert. Während der nachfolgenden Füll- und Absenkphase ist dagegen eine sehr
hohe Messgenauigkeit erforderlich.
Der Begriff Messbereich bedeuted einen Messwertbereich, bei dem die Werte im gesamten
Bereich zwischen einem maximalen und einem minimalen Messwert liegen können, wobei
die Differenz zwischen dem Maximal- und dem Minimalwert betragsmässig dem
Messbereich entspricht. Beipielsweise liegen die Messwerte bei einem Messbereich von 200
min in einem Wertebereich zwischen 0 und 200 mm.
Bevorzugt wird eine Messvorrichtung, bei der das erste Messsystem auf einem optischen,
kapazitiven, Ultraschall- oder Mikrowellen-Verfahren, und das zweite Messsystem auf
einem induktiven, kapazitiven oder optischen Verfahren basiert.
Insbesondere bevorzugt wird eine Messvorrichtung, bei der das erste Messsystem auf einem
optischen oder einem Ultraschall- oder Mikrowellen-Verfahren, und das zweite Messsystem
auf einem induktiven oder kapazitiven Verfahren basiert.
Die erste Füllphase der mit dem Anfahrboden verschlossenen Kokille geschieht üblicherweise
mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit, so dass das Metallniveau zu Beginn der
Kokillenfüllung sehr rasch ansteigt. Dadurch wird in der Kokille zu Beginn der Füllphase
eine turbulente Strömung ausgebildet, so dass zu Beginn des Füllvorganges keine ebene
Schmelzenoberfläche vorliegt, wodurch die Reflexionseigenschaften der Schmelzenoberfläche
gegenüber einer ebenen Oberfläche desselben Metalls wesentlich geringer ausfallen.
Aus diesem Grunde, sowie aufgrund der in dieser Verfahrensphase noch nicht gebildeten
Oxidhaut erlaubt die erste Füllphase eine Niveaumessung mittels Laser-optischer
Verfahren.
Für das nachfolgende Giessverfahren, d.h. während der restlichen Füllphase und während
dem Absenkvorgang des Giesstisches, eignet sich die Anwendung eines Laser-optischen
Niveau-Messverfahrens aufgrund der hohen Reflexion der im wesentlichen ebenen
Metallschmelzenoberfläche nicht für alle Legierungen.
Erfindungsgemäss kann das erste Messsystem Messaufnehmer oder Sensoren betreffen,
welche auf einem der nachfolgend beschriebenen Füllstandsmess-Verfahren beruhen:
a) Ultraschall-Verfahren b) Optische Verfahren c) Mikrowellen-Verfahren nach dem Radar-Prinzip d) Kapazitive Verfahren
Eine Füllstandmessung mit Ultraschall basiert entweder auf der Messung der Laufzeit eines
Schallimpulses oder auf der Messung der Schallabsorption. Bevorzugt wird die Messung der
Laufzeit eines Ultraschallimpulses, d.h. die Entfernung der Schmelzenoberfläche wird aus
der Laufzeit zwischen gesendetem und empfangenem Signal berechnet. Dabei arbeitet das
Laufzeitverfahren üblicherweise nach dem Prinzip des Echolots, d.h. ein elektrischer Impuls
wird beispielsweise durch einen am Anfahrboden oder an einem unteren Bereich der Kokille
angebrachten piezoelektrischen Schwinger in einen Ultraschallimpuls umgewandelt,
welcher in die Schmelze ausgesendet und von der Grenzschicht Schmelze-Luft
teilweise
reflektiert wird, wobei der reflektierte Ultraschallimpuls (Echo) auf einen gleichartigen
piezoelektrischen Schwinger trifft, in dem das Echo in einen elektrischen Impuls
zurückverwandelt wird. Die Füllhöhe ergibt sich dabei aus der Laufzeit des Schallimpulses
und der Schallgeschwindigkeit. Der Füllstand lässt sich auch nach demselben Echolot-Prinzip
messen, wenn der Ultraschallsender und Empfänger im Luftraum über der
Schmelzenoberfläche angeordnet ist. Bei der Ultraschall-Füllstandsmessung
muss die
Temperatur der Messmedien mitberücksichtigt werden, da die Schallgeschwindigkeit
temperaturabhängig ist.
Bei einer Füllstandsmessung mit Mikrowellen nach dem Radar-Prinzip werden
Mikrowellensender und -Empfänger sowie eine Antenne oberhalb der Kokille angebracht.
Die Oberfläche der Metallschmelze reflektiert teilweise die aus dem Mikrowellensender
austretenden, üblicherweise frequenzmodulierten, elektromagnetischen Wellen oder
Impulse. Die Entfernung zwischen Antenne und Schmelzenoberfläche wird dabei nach dem
Radar-Prinzip gemessen. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird ein
Mikrowellensignal konstanter Amplitude abgestrahlt und nach der Reflexion wieder
empfangen und mit einem Teil des Sendesignals gemischt; die Frequenz des Mischer-Ausgangssignals
ist proportional zur Laufzeit und damit ein Mass für die Entfernung
zwischen Sender und Schmelzenoberfläche.
Eine optische Füllstandsmessung kann eine interferometrische Abstandsmessung, ein Laser-Laufzeitverfahren
oder ein Triangulationsverfahren betreffen.
Bei der interferometrischen Abstandsmessung wird die Entfernung der reflektierenden
Schmelzenoberfläche von einem Sensor gemessen. Dabei wird als Messsignal entweder die
Phasenwinkeldifferenz zwischen reflektiertem und nichtreflektiertem, moduliertem Laserstrahl
ausgewertet, oder es erfolgt die Messung der Verschiebung der Reflektoroberfläche
(Schmelzenoberfläche) mit einem zählenden Laserinterferometer. Bei der interferometrischen
Abstandsmessung wird zweckmässigerweise ein monochromatischer Laserstrahl an
einem halbdurchlässigen Spiegel in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgespalten.
Dabei werden beide Strahlen von je einem Reflektor, einem feststehenden und einem beweglichen,
reflektiert. Die reflektierten Strahlen überlagern sich am halbdurchlässigen Spiegel,
wobei Interferenzstreifen entstehen, die quer zum Empfänger liegen und von diesem
analysiert werden. Eine Abstandsänderung der Schmelzenoberfläche von λ/4
(λ=Wellenlänge des Laserstrahls) bewirkt eine maximale Änderung der Lichtintensität, so
dass sich die Änderung des Schmelzenniveaus aus der Anzahl der registrierten Maxima
bzw. Minima und der Wellenlänge ergibt.
Beim Laser-Laufzeitverfahren kann die Füllstandsmessung durch eine direkte Laufzeitmessung
eines Lichtimpulses oder durch eine Phasenmessung erfolgen. Bei der Phasenmessung
wird das Sendesignal zweckmässigerweise auf ein Trägersignal, beispielsweise im MHz-Bereich,
aufmoduliert, wobei die Messung der Phasenverschiebung nach der Demodulation
im Empfänger erfolgt. Die direkte Laufzeitmessung erfolgt nach dem Radar-Prinzip,
wobei
kleinste Zeitdifferenzen im Nano- bis Picosekundenbereich gemessen werden.
Beim Triangulationsverfahren wird die Füllstandsmessung auf eine Winkelmessung zurückgeführt.
Dabei trifft ein stark gebündelter Lichtstrahl eines Lasers unter einem spitzen
Winkel auf die Schmelzenoberfläche und wird daran reflektiert. Abhängig vom Füllstand
trifft der reflektierte Lichtstrahl auf eine bestimmte Stelle des Empfängers, d.h. beispielsweise
eines Lagedetektors. Der Lagedetektor kann beispielsweise eine CCD-Zeile
(Charge
Coupled Device) darstellen, welche aus einer hohen Anzahl in einer Zeile angeordneter,
lichtempfindlicher Bauelemente (Pixel) besteht. Mit einer CCD-Zeile kann diese Position
erfasst und über die Winkel- oder Wegdifferenz in den Füllstand umgerechnet werden. Der
Abbildungsort des reflektierten Laserstrahls auf dem Lagedetektor verschiebt sich in
Abhängigkeit vom Abstand der Schmelzenoberfläche vom Sensor.
Bei der kapazitiven Füllstandsmessung wird die Kapazität in Abhängigkeit von der Schmelzenhöhe
gemessen. Die Kapazität verändert sich beispielsweise durch den Grad der Überdeckung
oder den Abstand zweier gegebener Flächen. Die Kapazität verändert sich jedoch
auch durch eine Veränderung der Dielektrizitätskonstanten (z.B. der Luft) durch
Einbringung der Metallschmelze. Eine Veränderung der Kapazität wird beispielsweise über
die Veränderung des kapazitiven Widerstandes nachgewiesen.
Erfindungsgemäss kann das zweite Messsystem Messaufnehmer oder Sensoren betreffen,
welche auf einem der nachfolgend beschriebenen Füllstandsmess-Verfahren beruhen:
e) kapazitiv f) induktiv g) optisch
Die induktiven Sensoren beruhen bevorzugt auf der Messung der Veränderung des induktiven
Widerstandes XL, mit:
XL = ωL,
wobei
L = N 2·µ·A s
und
- N =
- Windungszahl
- s =
- Weglänge der magnetischen Feldlinien
- A =
- die von den magnetischen Feldlinien durchsetzte
Fläche,
- m =
- Permeabilität des Materials.
Erfindungsgemäss sind die Sensoren bezüglich der Kokille in einem vorbestimmten und
festbleibenden Abstand angeordnet, d.h. die beiden Messsysteme weisen keine Vorrichtung
zur Höhenverstellung der Sensoren auf.
Bevorzugt werden zudem Messsysteme, die keine mechanisch beweglichen Teile, und insbesondere
keine mechanischen Präzisionsteile, aufweisen. Weiter bevorzugt werden Messsysteme,
die in Bezug auf die Metallschmelze berührungslos arbeiten.
Besonders bevorzugt wird eine Messvorrichtung für jede Giesseinheit (Kokille), bei der das
erste Messsystem auf einem optischen Verfahren, insbesondere auf einem Triangulationsverfahren,
und das zweite Messsystem auf einem induktiven Verfahren basiert.
Ganz besonders bevorzugt wird ein erstes Messsystem mit einem Messbereich von bis zu
200 mm, wobei im ganzen Messbereich eine Messgenauigkeit von ± 1 mm erreicht wird.
Die Messgenauigkeit des ersten Messsystems beträgt typischerweise zwischen ± 0.1 mm
und ± 2 mm, bevorzugt zwischen ± 0.1 mm und ± 1 mm.
Der Messbereich des zweiten Messsystems beträgt typischerweise 20 bis 50 mm, wobei die
Messgenauigkeit typischerweise zwischen ± 0.01 mm und ± 0.1 mm, bevorzugt zwischen ±
0.01 mm und ± 0.08 mm beträgt.
Die Kombination eines optischen Sensors mit einem induktiven Sensor erlaubt die Bereitstellung
einer kompakten und leistungsfähigen Messvorrichtung, welche einerseits keine
teuren, empfindlichen und aufwendig gestalteten, mechanischen Sensor-Nachführ-Vorrichtungen
benötigt und andererseits aufgrund der bezüglich Messbereich und Messgenauigkeit
für die einzelnen Giessphasen angepassten Sensoreigenschaften eine effiziente Niveaumessung
der Metallschmelze mit ausreichend hoher Genauigkeit erlaubt. Die erfindungsgemässe
Stranggiessanlage eignet sich insbesondere auch für einen Regelungsalgorithmus zum
Einleiten von Metall in die einzelnen Kokillen, bei welchem nicht-lineare
Sollwertkurven
für die Steuerung des Metallschmelzen-Niveaus verwendet werden.
Durch die Vermeidung mechanischer Nachführvorrichtungen der Sensoren wird zudem für
die Niveaumessung hinsichtlich der vertikalen Abmessungen wesentlich weniger Raum
benötigt, so dass die Giessanlage kompakter gebaut werden kann.
Zur erfindungsgemässen Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe führt, dass die
Messung des zeitabhängigen Metallniveaus N(t) mit einer Messvorrichtung bestehend aus
zwei physikalisch unterschiedlich arbeitenden Messsystemen durchgeführt wird, wobei
ausgehend vom Anfangsniveau bis zur Erreichung eines vorbestimmten Schmelzenniveaus
durch ein erstes Messsystem mit einem ersten Sensor geschieht, und für die weitere
Messung des zeitabhängigen Metallniveau-Verlaufes N(t) während der daran anschliessenden
Füll- und Absenkphasen ein zweites Messsystem mit einem zweiten Sensor
verwendet wird, und die Sensoren der beiden Messsysteme bezüglich der Kokille eine feste
und während dem ganzen Stranggiessprozess konstante Position einnehmen.
Die Füllphase beginnt mit dem Einleiten von flüssigem Metall auf den Anfahrboden und
endet mit dem Beginn des Absenkens des Anfahrbodens, d.h. wenn das Startniveau Ns zur
Zeit ts erreicht ist. Die Metallniveauregelung beginnt üblicherweise erst, wenn ein
bestimmtes Metallniveau Na zur Zeit ta in der zunächst durch den Anfahrboden
geschlossenen Kokille erreicht ist. Die erste Füllphase bezeichnet den Zeitraum von Beginn
des Einleitens von flüssigem Metall in die Kokille bis zur Zeit tw, bei der vom ersten zum
zweiten Messsystem für die Metallniveau-Bestimmung gewechselt wird, wobei tw die Zeit
bezeichnet, zu der das Metallniveau in der zunächst durch den Anfahrboden geschlossenen
Kokille eine vorbestimmte Höhe Nw erreicht. Der Zeitraum zwischen tw und ts beschreibt die
zweite oder die weitere Füllphase, bzw. die der ersten sich anschliessende Füllphase. Die
Absenkphase beginnt mit dem Erreichen des Startniveaus Ns zur Zeit ts und dauert bis zum
Ende oder zum Abbruch des Stranggiessprozesses.
Die Durchflussregelungsvorrichtung wird in Abhängigkeit von der Differenz des
gemessenen Metallniveau-Verlaufes N(t) von der Sollwertkurve Nsoll(t) mittels einer
Kontrolleinheit gesteuert, wobei die Durchflussregelungsvorrichtung die in die Kokille
fliessende Metallschmelzenmenge bestimmt. Die Kontrolleinheit bestimmt beispielsweise
den Anfangszeitpunkt ta der Kokillenfüllung, den Zeitpunkt tw für den Wechsel des
Messystems, die Stanzeit ts des Absenkvorganges, die Füllung der Kokille bzw. die Menge
des pro Zeiteinheit in die Kokille einzuleitenden Metalls während der Einfüllphase und während
dem Absenkvorgang, die Absenkgeschwindigkeit des Giesstisches und die Steuerung
des für die Niveaumessung N(t) zuständigen Messsystems. Die Kontrolleinheit dient
gegebenenfalls jedoch auch zur Überwachung und Steuerung weiterer Verfahrensparameter,
wie beispielsweise Kühlwasserzuführung, CO2-Zufuhr, Zufuhr von Komfeinungsmittel,
EMC-Stromzufuhr, und initiiert beispielsweise automatisch den Absenkvorgang des
Giesstisches.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Metallzufuhr
in die einzelnen Kokillen nur bis zur Startzeit ts direkt durch die zeitabhängige Differenz
zwischen Ist- und Sollwert des Metallniveaus geregelt. Im weiteren geschieht die
direkte Regelung der Metallzufuhr nach dem Start des Absenkvorganges in Abhängigkeit
der Barrenlänge, d.h. in Funktion der vertikalen Giesstisch-Position, sowie aufgrund der
Differenz zwischen Ist- und Sollwert des Metallniveaus. Demnach geschieht die Regelung
der Metallzufuhr nach der Startzeit ts durch die Barrenlängen-abhängige Differenz zwischen
Ist- und Sollwert des Metallniveaus. Da der Absenkvorgang üblicherweise mit konstanter
Geschwindigkeit vor sich geht, nimmt die Barrenlänge linear mit der Zeit zu, so dass die
Regelung der Metallzufuhr auch während dem Absenkvorgang gemäss der zeitabhängigen
Differenz zwischen Ist- und Sollwert des Metallniveaus geregelt wird.
Bevorzugt wird der Zeitpunkt ta des Beginns der Niveauregelung durch Messung des Metallniveaus,
insbesondere durch eine Niveaumessung mittels einem Laser-optischen Verfahren,
bestimmt. Die Auslösung der Niveaumessung mittels dem zweiten Messsystem, d.h. der
Zeitpunkt des Wechsels der Messsysteme, kann entweder durch eine Kontrolleinheit aufgrund
des gemessenen Metallniveaus geschehen, oder er kann gemäss einer bevorzugten
Ausführungsform, insbesondere bei Verwendung eines zweiten Messsystems mit einem
induktiven Messverfahren, direkt durch den Schmelzenpegel ausgelöst werden, indem der
Messsystem-Wechsel zu einem Zeitpunkt stattfindet, bei dem die Schmelze beispielsweise
in den von einer induktiv arbeitenden Messspule gebildeten Hohlraum eintritt.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich für Giessanlagen mit nur einer Kokille; insbesondere
geignet ist es jedoch für Vertikalstranggiessanlagen mit mehreren Kokillen.
Erfindungsgemäss nehmen die Sensoren der beiden Messsysteme einer Giesseinheit
bezüglich der Kokille eine feste und während dem ganzen Stranggiessverfahren konstante
Position ein, d.h. die Messung erfolgt ohne jegliche mechanische Nachführvorrichtung in
Form beispielsweise einer Höheneinstellung der Sensoren. Bevorzugt erfolgt die
Nivaumessung während der ersten Füllphase bezüglich der Metallschmelze berührungslos.
Die Messsysteme umfassen kontinuierlich und diskontinuierlich arbeitende
Niveauerfassungssysteme. Demzufolge kann das erfindungsgemässe Verfahren durch eine
kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Niveaumessung durchgeführt werden. Bei der
Niveaumessung mit dem zweiten Messsystem wird eine kontinuierliche Metall-Niveaumessung
bevorzugt. Weiter bevorzugt erfolgt die Messung mit dem ersten
Messsystem zu diskreten Zeitpunkten, insbesondere mit 3 bis 10 Messwerten, wobei die
Niveaumessung mit dem zweiten Messsystem kontinuierlich durchgeführt wird.
Bei Giessanlagen mit mehreren Kokillen beginnt das Absenken des Giesstisches mit den
Anfahrböden zweckmässigerweise sobald in einer Kokille das Startniveau erreicht ist.
Bevorzugt wird auch der Metallstand in der Giessrinne vom Beginn der Füllphase der
Anfahrböden und der Kokillen an bis und mit der stationären Giessphase (Absenkphase) auf
einem konstanten Niveau gehalten.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemässe Stranggiessanlage und das erfindungsgemäss Verfahren eignen sich
zum Giessen aller stranggussfähigen Metalle, bevorzugt jedoch zum Stranggiessen von
Aluminium-, Magnesium- und Kupferlegierungen. Besonders geeignet sind die erfindungsgemässe
Stranggiessanlage und das erfindungsgemässe Verfahren jedoch für das Stranggiessen
von Aluminiumlegierungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den in den
Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, sowie aus der Figurenbeschreibung.
- Figur 1
- zeigt schematisch einen vereinfachten Querschnitt durch einen Teil einer Kokille
mit eingefahrenem Anfahrboden.
- Figur 2
- zeigt schematisch eine Sollwertkurve des zeitlichen Verlaufs des Metallniveaus in
einer Kokille.
Die in Figur 1 dargestellte Vertikalstranggiessanlage enthält eine Kokille 10 mit einem auf
einem absenkbaren Giesstisch 16 angeordneten Anfahrboden 14, eine Hebe/Senk-Vorrichtung
11 für den Giesstisch, welche durch einen Motor 12 angetrieben wird, wobei der Motor
über eine Kontrolleinheit 34 gesteuert wird, eine Metallniveau-Messvorrichtung
bestehend
aus zwei Messsystemen 22, 26, ein Giessrinnensystem 20 zum Transport einer Metallschmelze
18 von einem Ofen (nicht eingezeichnet) in die Kokille 10, wobei eine durch die
Kontrolleinheit 34 gesteuerte Durchflussregelungsvorrichtung 30 die in die Kokille einzuleitende
Metallschmelzenmenge bestimmt. Die Kontrolleinheit 34 bestimmt u.a. den Anfangszeitpunkt
ta der Kokillenfüllung, die Startzeit ts des Absenkvorganges, die Füllung der
Kokille bzw. die Menge des pro Zeiteinheit in die Kokille 10 einzuleitenden Metalls 18
während der Einfüllphase und während dem Absenkvorgang und die
Absenkgeschwindigkeit des Giesstisches 16, wobei die Kontrolleinheit 34 in Abhängigkeit
der Metallniveaumessung N(t) und einer vorgegebenen Sollwertkurve Nsoll(t) arbeitet.
Die in Figur 1 beispielhaft gezeigte Durchflussregelungsvorrichtung 30 besteht im wesentlichen
aus einer in der Giessrinne 20 befindlichen Einleitöffnung 33, welche von einem
vertikal bewegbaren Stopfen 32 verschliessbar ist. Der Stopfen 32 lässt sich einerseits durch
Absenken in die Einleitöffnung 33 in Schliessstellung bringen, bzw. durch Heben kann der
Öffnungsquerschnitt und damit die Zufuhr von Metallschmelze 18 in die Kokille 10 entsprechend
vergrössert werden. Der Stopfen 32 weist eine Stopfstange auf, welche durch eine
Haltevorrichtung geführt und von einem Motor 31 angetrieben wird, wobei der Motor über
die Kontrolleinheit 34 gesteuert wird.
Vor Beginn eines Abgusses werden während einer Prüfphase sämtliche Einstellungen an der
Giessanlage überprüft. Wenn sämtliche Startbedingungen erfüllt sind, wird durch Kippen
des das flüssige Metall enthaltenden Ofens die Giessrinne 20 bis auf ein vorgegebenes
Metallniveau gefüllt. Sobald ein Sensor - beispielsweise ein induktiver Messwertgeber -
eine
vorgegebene Füllhöhe in der Giessrinne 20 anzeigt, wird die Einleitöffnung 33 der
Giessrinne 20 durch Anheben des Stopfens 32 der Durchflussregelungsvorrichtung 30
freigegeben und das Füllen der Anfahrböden 14 und der Kokillen 10 mit dem flüssigen
Metall 18 beginnt. Der Metallstand N(t) im Anfahrboden 14 bzw. in der Kokille 10 erfolgt,
beispielsweise PID-geregelt, über eine Messvorrichtung enthaltend zwei Messsysteme 22,
26.
Die in Figur 1 dargestellte Kokille 10 ist im geschlossenen Zustand dargestellt, d.h. der
Anfahrboden liegt der Kokille 10 an, wobei der Absenkvorgang noch nicht begonnen hat.
Die Einfüllphase ist jedoch fast abgeschlossen, da die Kokille 10 bereits bis nahe des
zweiten Sensors 28 mit flüssigem Metall 18 aufgefüllt ist.
Der erste Sensor 24 weist einen grösseren Abstand zum Anfahrboden 14 auf als der zweite
Sensor 28. Damit wird sichergestellt, dass der auf einem Laser-optischen
Verfahren beruhende,
erste Sensor 24 nicht mit der Schmelze 18 in Kontakt kommt. Der auf einem induktiven
Messverfahren beruhende, zweite Sensor 28 benötigt jedoch, zumindest teilweise, den
direkten Kontakt mit der Schmelze 18.
Die Sensoren 24 und 28 sind in festem Abstand mit dem jeweiligen übrigen Messsystem 22
bzw. 26 verbunden. Zudem sind die beiden Messsysteme 22 und 26 untereinander mechanisch
fest verbunden, d.h. üblicherweise bilden die beiden Messsysteme miteinander eine
mechanische Einheit.
Der Abstand der Sensoren 24, 28 von der Kokille ist während dem ganzen Stranggiessprozess
konstant, d.h. der Abstand der Sensoren 24, 28 von der Metalloberfläche ändert sich
insbesondere während der Einfüllphase der Kokille ständig. Demzufolge ist zu Beginn der
Einfüllphase der Abstand der Sensoren 24, 28 zur Metallschmelzenoberfläche resp. zum
Anfahrboden 14 am grössten, während sich dieser Abstand während der Einfüllphase kontinuierlich
oder diskontinuierlich verkleinert und nach Erreichen des Startniveaus Ns, d.h. bei
Beginn und während des Absenkvorganges im wesentlichen konstant bleibt.
Das in der Zeichnung wiedergegebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf das Strang-giessen
mit einer konventionellen Kokille. Die erfindungsgemässe Vertikalstranggiessanlage
umfasst jedoch auch andere Giessverfahren, wie beispielsweise das Giessen in einem elektromagnetischen
Wechselfeld (EMC), d.h. unter Verwendung einer elektromagnetischen
Kokille.
Figur 2 zeigt beispielhaft einen Sollwertverlauf Nsoll(t) für das erfindungsgemässe Verfahren.
Sobald das Metall in einer Kokille 10 ein vorbestimmtes Anfangsniveau Na bei der
Anfangszeit ta erreicht hat, beginnt die Metallniveauregelung aufgrund des Sollwertverlaufes
Nsoll(t) und des gemessenen Metallstandes N(t) bis das Metallniveau in der durch den
Anfahrboden 14 geschlossenen Kokille 10 das Startniveau Ns bei der Startzeit ts erreicht hat,
wo das Absenken des Giesstisches 16 zur Erzeugung der Metallstränge beginnt.
Die in Figur 2 gezeigte Sollwertkurve N
soll(t) ist polygonal und eignet sich beispielsweise für
eine diskontinuierliche Regelung des Metallstandes. In einem dem Anfangsniveau N
a naheliegenden
Bereich weist die Sollwertkurve N
soll(t) eine gegenüber der mittleren Steigung
grossere Steigung auf. Hingegen weist die Sollwertkurve N
soll(t) in einem gegen das
Startniveau N
s naheliegenden Bereich eine gegenüber der mittleren Steigung kleinere Steigung
auf.
Zum Zeitpunkt tw weist der Sollwert Nsoll(tw) die Höhe Nw auf Zum Zeitpunkt tw findet die
Umstellung vom ersten Messsytem 22 auf das zweite Messsystem 26 statt. Bei dem in Figur
1 dargestellten, auf einem induktiven Messverfahren beruhenden, zweiten Messsystem 26
wird der Zeitpunkt tw durch den Eintritt der Schmelze in den von einer induktiv arbeitenden
Messspule gebildeten Hohlraum bestimmt. Demnach wird die Metallhöhe N(t) über dem
Anfahrboden 14 während der ersten Füllphase, d.h. bis die Füllhöhe den Wert Nw erreicht
hat, mit dem ersten Messsystem 22 ermittelt, welches einen grossen Messbereich aufweist.
Nach dem Zeitpunkt tw, wird die Metallhöhe mit dem zweiten Messsystem 26 ermittelt,
dessen Messbereich gegenüber dem ersten Messsystem 22 kleiner ist, jedoch eine hohe
Messgenauigkeit aufweist. Die hohe Messgenauigkeit ist insbesondere ab dem Zeitpunkt tw
wesentlich, da danach der Sollwertverlauf Nsoll(t) gegenüber der mittleren Steigung bevorzugt
flacher verläuft, und damit die Metallzufuhr bei einer mehrere Kokillen 10
aufweisenden Stranggiessanlage zu den einzelnen Giesseinheiten bis zum eigentlichen
Giessstart ts, der durch das Absenken des Giesstisches 16 eingeleitet wird, optimal gesteuert
werden kann.
Das Startniveau Ns, d.h. die Höhe der Oberfläche des flüssigen Metalles 18 über dem Anfahrboden
14 zur Startzeit ts, liegt typischerweise zwischen 100 und 200 mm und insbesondere
zwischen 120 und 190 mm. Das Startniveau Ns wird - ausgehend vom Anfangszeitpunkt
ta - typischerweise in einer Zeit von 20 bis 90 s oder bevorzugt innerhalb von 25 bis
45 s erreicht.