EP4558294A1 - VIRTUELLER FÜLLSTANDSSENSOR FÜR EINE KOKILLE EINER STRANGGIEßANLAGE - Google Patents

VIRTUELLER FÜLLSTANDSSENSOR FÜR EINE KOKILLE EINER STRANGGIEßANLAGE

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Publication number
EP4558294A1
EP4558294A1 EP23748440.7A EP23748440A EP4558294A1 EP 4558294 A1 EP4558294 A1 EP 4558294A1 EP 23748440 A EP23748440 A EP 23748440A EP 4558294 A1 EP4558294 A1 EP 4558294A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mold
fill level
casting
level
molten metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23748440.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Beate AISTLEITNER
Thomas DIESENREITHER
Veit Humer
Josef Watzinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Austria GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Primetals Technologies Austria GmbH filed Critical Primetals Technologies Austria GmbH
Publication of EP4558294A1 publication Critical patent/EP4558294A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/161—Controlling or regulating processes or operations for automatic starting the casting process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/18—Controlling or regulating processes or operations for pouring
    • B22D11/181—Controlling or regulating processes or operations for pouring responsive to molten metal level or slag level
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/20—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock
    • B22D11/201—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock responsive to molten metal level or slag level
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
    • B22D11/20—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock
    • B22D11/201—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock responsive to molten metal level or slag level
    • B22D11/202—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock responsive to molten metal level or slag level by measuring temperature

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of continuous casting.
  • molten metal e.g. from a steel or aluminum alloy
  • the molten metal is poured into a mold, in the typically cooled mold a strand with a thin strand shell is formed, with the strand then being removed from the mold, for example pulled out.
  • the strand is supported, guided and further cooled in the strand guide following the mold.
  • the invention relates to a method for determining a fill level of a molten metal, preferably made of a steel or aluminum alloy, in a mold of a continuous casting plant by means of a virtual fill level sensor, wherein the molten metal in the mold forms a casting level with the fill level.
  • the filling level is kept constant at approximately ⁇ 0.5 mm during continuous casting, it is sufficient to measure the filling level during continuous casting using a physical sensor, for example an electromagnetic sensor.
  • the signal from this sensor is used to control the casting level during continuous operation of the continuous caster.
  • the sensor measures the fill level highly dynamically to an accuracy of approx. 0.1 mm, the measuring range of the sensor is relatively small, e.g. a measuring range of 200 mm.
  • the situation is completely different at the so-called start of casting, ie when starting to cast, and at the so-called end of casting, ie at the end of a continuous casting process, in the continuous casting plant.
  • a so-called cold strand is introduced into the mold before the start of casting, which closes the mold in a fluid-tight manner on the outlet side.
  • molten metal is poured into the mold so that the pouring level increases depending on the amount of molten metal supplied.
  • the cold strand begins to be pulled out of the mold. This would cause the casting level to drop, which is prevented by simultaneously pouring molten metal into the mold. After extraction begins, the casting level typically rises slightly.
  • the sensor that is used to control the casting level during continuous continuous casting is highly precise and highly dynamic, but has a relatively small measuring range, it may not be sufficient for certain continuous casting machines to also use the sensor at the start of casting, for example for fully automatic control of the Pouring starts.
  • radioactive radiation source radiometric level measurement, see e.g. https://www.berthold.com/en/process-control/knowledqe-base/radiometric-measurement.
  • radioactive radiation sources are expensive, have to be additionally installed and calibrated, and the export and import of the sensor often causes problems, for example at customs.
  • the object of the invention is to find a method for determining the fill level in a mold of a continuous casting plant, so that the start and end of casting can be carried out fully automatically and without using another fill level sensor, for example a radiometric sensor.
  • another fill level sensor for example a radiometric sensor.
  • the entire level measurement should be cheaper than comparable solutions with a radiometric sensor and the effort for installation and calibration should be low.
  • the solution is achieved by a method for determining a fill level hi of a molten metal, preferably made of a steel or aluminum alloy, in a mold of a continuous casting plant by means of a virtual fill level sensor, the molten metal in the mold forming a casting level with the fill level hi, comprising the following process steps :
  • a valve preferably a stopper or a slide, for adjusting a flow of the molten metal from a casting vessel, e.g. a casting distributor, into a casting pipe, the opening of the valve being determined in real time during continuous casting,
  • a casting speed vc of an at least partially solidified strand preferably with a slab or thin slab cross-section, the strand being removed from the mold at least temporarily during continuous casting and the casting speed vc being determined in real time
  • the filling level hi of the molten metal in a mold of the continuous casting plant is determined by the following steps: A first state observer estimates the volume flow C n flowing into the mold, taking into account
  • valve Sventii preferably a stopper or a slide, for adjusting a flow of the molten metal from a casting vessel into a casting pipe, the opening of the valve Sventii being determined in real time during continuous casting,
  • the first state observer works either continuously or preferably discretely and “observes” the volume flow ⁇ Ein flowing into the mold. Of course, it is possible for the state observer to use other input variables to determine ⁇ Ein.
  • a second condition observer estimates the volume flow QAUS flowing out of the mold, taking this into account
  • the casting speed vc being determined in real time during continuous casting.
  • the second state observer can also work either continuously or preferably discretely.
  • the second condition observer “observes” the volume flow QAUS flowing out of the mold.
  • the state observer it is also possible here for the state observer to use additional input variables to determine QOUT.
  • the virtual level sensor calculates the level hi depending on the inflowing volume flow ⁇ In and the outflowing volume flow QOUT, for example using the following equations:
  • the first and second state observers are common observers, ie observers known from the literature, such as Luenberger observers or Kalman filters...
  • the first and/or second state observer is an incomplete state observer.
  • An incomplete state observer can be a reduced observer, whereby all process variables that can be measured follow from the measured value.
  • Another option for a non-complete state observer is a trivial observer, which does not require measured values, but then a model must be so precise that the process variables can be calculated with sufficient accuracy without these measured values.
  • the geometry of the valve can be, for example, the diameter or the area of an opening on the bottom of the casting vessel.
  • the geometry of the pouring tube can be, for example, the inner diameter or the cross-sectional area of the pouring tube through which flow flows.
  • the geometry of the mold can be described, for example, by the cross-sectional area of the mold cavity.
  • the fill level in the pouring vessel can be easily determined from the mass of the pouring vessel, possibly in conjunction with its geometry, with a higher fill level being accompanied by a higher inflowing volume flow QEIA.
  • the second condition observer additionally uses several temperature values of a second plate of the mold in addition to the multiple temperature values of a first plate of the mold, the second plate preferably being arranged opposite the first plate in the width or thickness direction.
  • This measure can also cause inaccuracies in the sensors or so-called English. outlier can be detected, which increases the accuracy of the virtual sensor.
  • the invention is in no way limited to fiber-optic temperature sensors; any temperature sensors, for example so-called type K thermocouples, can be used. Since the accuracy and dynamic behavior of the virtual level sensor is still worse than that of a physical level sensor, it is advantageous, but not absolutely necessary, for the mold to have a physical one in addition to the virtual level sensor for observing the level hi in a first measuring range Filling level sensor for measuring a fill level h2 of the liquid metal in a second measuring range, the second measuring range being smaller than the first measuring range, in particular that the first measuring range is at least 2x, preferably 4x, larger than the second measuring range.
  • a physical (e.g. an electromagnetic) fill level sensor is additionally used to control the casting level during continuous operation of the continuous casting system.
  • the physical level sensor measures the level of the liquid metal in the mold relatively precisely in a second measuring range.
  • the virtual fill level sensor measures the fill level of the liquid metal in the mold in a first measuring range, for example the first measuring range being at least 2x, preferably 4x, larger than the second measuring range.
  • the physical level sensor accurately measures the level of the liquid metal only in a second measuring range, if the level of the molten metal in the mold is in the second measuring range, the signal from the physical level sensor is used as the level and otherwise, i.e. if the level is the molten metal in the mold is outside the second measuring range, the signal from the virtual level sensor is used as the level height.
  • a virtual fill level sensor for determining a fill level hi of a molten metal, preferably made of a steel or aluminum alloy, in a mold of a continuous casting plant, the molten metal forming a casting level in the mold with the fill level hi, comprising:
  • a first state observer for observing a volume flow C n flowing into the mold, the first state observer being connected in terms of signals to a position sensor of a valve, preferably a stopper or a slide, for adjusting a flow of the molten metal from a casting vessel into a casting tube, and the position sensor can determine the opening of the valve Sv en tii in real time during continuous casting,
  • a second condition observer for observing a volume flow QAUS flowing out of the mold, the second condition observer also providing signaling -- several, preferably at least three, temperature sensors are connected, the temperature sensors being able to determine temperature values (T1...T3) assigned to different fill levels in real time during continuous casting, and
  • a computing unit for calculating the filling level hi depending on the inflowing volume flow C n and the outflowing volume flow QA US .
  • the fill level h2 of the molten metal is used by the physical fill level sensor as input variables and the output variable of the multiplexer
  • the fill level hi of the molten metal from the virtual fill level sensor is if the fill level hi of the virtual fill level sensor is outside the second measuring range.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a flow line of the metal melt from a casting distributor through a valve into a casting tube and from the interior of the casting tube through openings (ports) into the mold cavity of a mold
  • 3 shows a schematic representation of the measuring points in a mold and the determined filling level of the molten metal hi at the start of casting in a continuous casting system
  • Fig. 4 shows a second overview diagram with a physical and a virtual level sensor.
  • molten metal for example from a steel or aluminum alloy
  • a casting vessel 1 here a casting distributor 1a.
  • a casting level represented by a triangle is formed in the casting distributor 1a.
  • the molten metal flows from the casting distributor 1a into a casting pipe 3 (submerged entry nozzle, SEN for short).
  • the flow of the molten metal into the pouring pipe 3 is adjusted by a valve 2, here a stopper.
  • the plug can be raised or lowered from the bottom of the casting distributor 1a by a plug drive, not shown here, so that the plug has a distance Sv en tii from the bottom of the casting distributor 1a.
  • the bottom of the pouring distributor 1a has an opening with the diameter dv en tii, which is closed by the stopper before the start of pouring.
  • the metal melt flows out in the lower region of the pouring tube 3 through typically several openings (ports) and forms a pouring level 5 in the mold 4. Whether the openings of the pouring tube are arranged below or above the pouring level 5 as shown is irrelevant to the invention.
  • the valve 2 is closed so that no molten metal can flow into the mold 4.
  • the underside of the mold 4 is closed by a so-called cold strand, so that the mold cavity of the mold is sealed in the casting direction.
  • the valve 2 When casting starts, the valve 2 is first opened slightly so that the molten metal can flow from the casting distributor 1a through the casting tube 3 into the mold cavity of the mold 4. Initially, the cold strand remains stationary in the mold, so that the volume flow ⁇ In flowing into the mold leads to a slowly rising casting level. After the casting level 5 in the mold 4 has reached a certain height, the cold strand is started to be pulled out of the mold, so that the hot strand following the cold strand (hereinafter referred to as strand) is also pulled out of the mold 4. During casting, the hot strand connects to the cold strand, so that the casting speed of the strand corresponds to the extraction speed of the cold strand.
  • the strand is pulled out at a casting speed vc, which can be set constant or variable depending on the time.
  • vc the level h2 of the molten metal in the mold 4
  • the measuring range 6 of the physical fill level sensor is located in the upper area of the mold 4. Since the casting level 5 in the mold 4 is outside the measuring range 6 of the physical fill level sensor during the start of casting, the physical fill level sensor is not suitable or is only suitable to a limited extent. net to contribute to the automation of the casting start.
  • the start of casting is controlled by a virtual level sensor, which determines the level hi of the molten metal in the mold 4 in an extended measuring range 7.
  • the opening Sv en tii and the geometry of the valve 2, as well as the geometry ⁇ SEN of the pouring pipe 3 are fed to a first observer BEOi.
  • the opening Sventii of the valve is determined discretely in time, for example with a sampling time of 50 ms, and fed to the first observer BEOi.
  • the observer contains a dynamic model of the flow of the molten metal from the casting distributor 1a through the valve 2, from the valve into the casting tube 3, as well as the outflow of the molten metal through the openings of the casting tube 3 into the mold cavity of the mold 4.
  • the structure of the first observer which For example, it can be designed as a so-called Luenberger observer or as a so-called Kalman filter, is known to the person skilled in the art, so that there is no need to go into details.
  • the first observer BEOi determines the volume flow ⁇ Ein flowing into the mold 4.
  • a second observer BEO2 is also present, which determines the volume flow QAUS flowing out of the mold 4 from the temperature values Ti, T 2 , T3 of several temperature sensors in the mold 4, the casting speed vc, and the parameters for the geometry of the mold Aouer.
  • the temperature values Ti, T 2 , T3 and the casting speed vc are preferably determined again in a time-discrete manner, for example with a sampling time of 50 ms, and fed to the second observer BEO2.
  • Fig. 2 a flow line with five points 1...5 is shown.
  • Point 1 is located at the casting level of the molten metal in the casting distributor 1a.
  • Point 2 is located immediately before the flow through valve 2.
  • Point 3 is located after flow through valve 2.
  • Point 4 is after flow through the central area of the pouring pipe 3 and in front of the so-called ports and point 5 after flow through the ports of the pouring pipe 3.
  • the measuring points 10 of a broadside plate can be determined by three fiber-optic temperature sensors, each with 8 measuring points, which are located in three horizontal bores. It would also be possible to use eight fiber-optic temperature sensors, each with 3 measuring points.
  • the five measuring points 10 of a narrow side plate can be determined, for example, by a fiber-optic temperature sensor with 5 measuring points.
  • the temperature values at the measuring points 10 shown can be determined either with fiber-optic or with conventional temperature sensors, for example type K thermocouples.
  • the second broadside plate, not shown, is identical to the broadside plate 8 shown; Likewise, the second narrow side plate, not shown, is identical to the narrow side plate 9 shown. All measuring points 10 shown are used as input variables for the second observer BEO2 shown in FIG. 1; the associated measurement signal is sampled in real time with a sampling time of 0.5 or 1 s. The measuring ranges 7 and 6 of the virtual and physical level sensors are also shown.
  • the valve for example a stopper, between the casting vessel or the casting distributor and the casting tube is opened.
  • the valve opening sVentil is shown at the bottom left in Fig. 3 over time.
  • the pouring level slowly rises - see the determined fill level h1 of the virtual fill level sensor. It can also be seen that the physical fill level sensor outputs an incorrect fill level h2 because the casting level is outside the measuring range. Only after the level of the molten metal is within the measuring range 6 of the physical level sensor does the physical level sensor correctly indicate the level. After a little less than 30 seconds after the start, the casting speed vö is increased from 0 to approx. 1.4 m/min. The casting speed is then slowly and continuously increased. In the broadside plates 8, 8 measuring points 10 of temperature sensors are arranged on 4 levels. In the narrow side plates 9, 1 measuring point 10 of a temperature sensor is arranged on 5 levels.
  • the fill level height h1 of the virtual sensor determined according to the invention increases slowly and continuously from the point in time of approximately 8 s. It can also be seen that the filling level (shown at the bottom), which is derived exclusively from the thermocouples, increases suddenly.
  • 4 shows a second overview diagram with a virtual and a physical level sensor 11. The virtual level sensor works as described in FIG. In contrast to FIG. 1, the mold 4 is designed as a funnel mold, whereby the cross-sectional area transverse to the mold cavity of the mold is not constant, but variable depending on the height h.
  • a physical fill level sensor 11 is shown in the figure, which measures a fill level height h2 in the upper region of the mold 4.
  • Both the level height of the virtual level sensor hi and the level height of the physical level sensor h2 are fed to a multiplexer MUX as input variables, which depends on whether the level height hi of the virtual level sensor is within the measuring range of the physical level sensor or not.
  • the output variable h of the multiplexer corresponds to the level h2 of the physical level sensor if the level hi of the virtual level sensor is within the measuring range of the physical level sensor. Otherwise, the output variable h of the multiplexer corresponds to the level hi of the virtual level sensor if the level hi of the virtual level sensor is outside the measuring range of the physical level sensor.
  • the respective output variable h of the multiplexer is fed to a so-called Level 2 Controller L2, which is used to control the start of casting and, if necessary, the end of casting.
  • Level 2 Controller L2 which is used to control the start of casting and, if necessary, the end of casting.
  • the multiplexer MUX is not present as a discrete component, but is implemented as a software block in a controller. The technical Effect is identical.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllstandshöhe (h1) einer Metallschmelze in einer Kokille (4) einer Stranggießanlage mittels eines virtuellen Füllstandssensors, wobei die Metallschmelze in der Kokille einen Gießspiegel (5) mit der Füllstandshöhe (h1) ausbildet, sowie ein dazu geeigneter virtueller Füllstandssensor. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands in der Kokille (4) der Stranggießanlage zu finden, sodass der Gießstart und das Gießende vollautomatisch durchgeführt werden können und ohne, dass ein radiometrischer Sensor verwendet wird. Die technische Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Description

Beschreibung
Virtueller Füllstandssensor für eine Kokille einer Stranggießanlage
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Stranggießens. In einer Stranggießanlage wird Metallschmelze, z.B. aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, kontinuierlich oder semi-kontinuierlich zu einem Strang vergossen. Dabei wird die Metallschmelze in eine Kokille gegossen, in der typischerweise gekühlten Kokille bildet sich ein Strang mit einer dünnen Strangschale aus, wobei der Strang anschließend aus der Kokille ausgebracht, bspw. ausgezogen, wird. Der Strang wird in der der Kokille nachfolgenden Strangführung gestützt, geführt und weiter abgekühlt.
Zur Erzielung einer hohen Produktqualität des stranggegossenen Strangs wird versucht, den Gießspiegel bzw. die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille während des Stranggießens möglichst konstant zu halten. Es ist bekannt, dass Gießspiegelschwankungen zum Ausbauchen (engl. bulging) des Strangs beitragen und starkes bulging zu einem Strangdurchbruch führen kann.
Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllstandshöhe einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille einer Stranggießanlage mittels eines virtuellen Füllstandssensors, wobei die Metallschmelze in der Kokille einen Gießspiegel mit der Füllstandshöhe ausbildet.
Stand der Technik
Um den Gießspiegel während des Stranggießens möglichst konstant halten zu können, ist es im Stand der Technik bekannt, die Position des Gießspiegels bzw. die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille mittels eines Füllstandssensors zu messen und bspw. den Zufluss an Metallschmelze so zu regeln, dass die Füllstandshöhe während des Stranggießens möglichst konstant bleibt.
Da während des Stranggießens die Füllstandshöhe auf ca. ± 0,5 mm konstant gehalten wird, ist es ausreichend, die Füllstandshöhe während des Stranggießens mittels eines physischen Sensors, z.B. eines elektromagnetischen Sensors, zu messen. Das Signal dieses Sensors wird zur Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Betriebs der Stranggießanlage verwendet. Da der Sensor die Füllstandshöhe hochdynamisch auf ca. 0,1 mm genau misst, ist der Messbereich des Sensors relativ klein, z.B. ein Messbereich von 200 mm. Gänzlich anders verhält es sich beim sog. Gießstart, d.h. beim Angießen, sowie beim sog. Gießende, d.h. beim Abschließen eines Stranggießvorganges, in der Stranggießanlage. Die damit verbundenen Phänomene werden anhand des Gießstarts erläutert: Bekanntlich wird vor dem Gießstart ein sog. Kaltstrang in die Kokille eingebracht, der die Kokille ausgangsseitig fluiddicht verschließt. Beim Gießstart wird Metallschmelze in die Kokille gegossen, sodass der Gießspiegel in Abhängigkeit der zugeführten Menge an Metallschmelze ansteigt. Nachdem der Gießspiegel eine Höhe von bspw. 400 mm erreicht hat, wird begonnen, den Kaltstrang aus der Kokille auszuziehen. Dadurch würde der Gießspiegel absinken, was durch das gleichzeitige Eingießen von Metallschmelze in die Kokille verhindert wird. Nach dem Beginn des Ausziehens steigt der Gießspiegel typischerweise noch etwas an. Da der Sensor, der zur Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Stranggießens verwendet wird, zwar hochgenau und hochdynamisch ist, aber einen relativ kleinen Messbereich hat, kann es für bestimmte Stranggussmaschinen nicht ausreichend sein, den Sensor auch beim Gießstart einzusetzen, z.B. zur vollautomatischen Regelung des Gießstarts.
Zur Lösung dieses Problems sind im Stand der Technik zwei Ausführungsformen bekannt:
1) Der Gießstart und das Gießende der Stranggießanlage erfolgen manuell: Problematisch daran ist, dass der Operator auf der Gießbühne bzw. zumindest in der Nähe der Gießbühne sein muss, um den Gießstart und das Gießende richtig steuern zu können. Dies ist vielfach unerwünscht oder nicht erlaubt. Außerdem wird für einen manuellen Gießstart ein erfahrener Operator benötigt, was nicht immer gewährleistet werden kann.
2) Es wird neben dem Sensor, der zur Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Stranggießens verwendet wird, ein weiterer physischer Sensor verwendet, der einen größeren Messbereich hat und somit auch die Änderungen des Gießspiegels während des Gießstarts und beim Gießende abbilden kann. Nach dem Stand der Technik verwendet dieser zusätzliche Sensor oftmals eine radioaktive Strahlenquelle (engl. radiometric level measurement, siehe z.B. https://www.berthold.com/en/process- control/knowledqe-base/radiometric-measurement). Nachteilig daran ist, dass radioaktive Strahlenquellen teuer sind, zusätzlich installiert und kalibriert werden müssen und außerdem die Aus- und Einfuhr des Sensors oftmals Probleme, z.B. beim Zoll, aufwirft.
Wie die Gießspiegelmessung bei einer Stranggießanlage durchgeführt werden kann, sodass der Gießstart und das Gießende vollautomatisch durchgeführt werden können und ohne, dass ein radiometrischer Sensor verwendet wird, geht aus dem Stand der T echnik nicht hervor. Vorzugsweise soll es nicht notwendig sein, zur vollautomatischen Regelung des Gießstarts oder des Gießendes einen zusätzlichen physischen Sensor zur Ermittlung der Füllstandshöhe der Stranggießanlage zu verwenden.
Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands in einer Kokille einer Stranggießanlage zu finden, sodass der Gießstart und das Gießende vollautomatisch durchgeführt werden können und ohne, dass ein weiterer Füllstandssensor, z.B. ein radiometrischer Sensor, verwendet wird. Außerdem soll die gesamte Füllstandsmessung günstiger sein als vergleichbare Lösungen mit einem radiometrischer Sensor und der Aufwand für die Installation und Kalibrierung soll niedrig sein.
Einerseits wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Konkret erfolgt die Lösung durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllstandshöhe hi einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille einer Stranggießanlage mittels eines virtuellen Füllstandssensors, wobei die Metallschmelze in der Kokille einen Gießspiegel mit der Füllstandshöhe hi ausbildet, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Abschätzen eines der Kokille zufließenden Volumenstroms C n der Metallschmelze durch einen ersten Zustandsbeobachter unter Berücksichtigung
-- einer Öffnung eines Ventils, vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß, z.B. ein Gießverteiler, in ein Gießrohr, wobei die Öffnung des Ventils während des Stranggießens in Echtzeit ermittelt wird,
-- einer Geometrie des Ventils, und
-- einer Geometrie des Gießrohrs,
- Abschätzen eines aus der Kokille abfließenden Volumenstroms QAUS der Metallschmelze durch einen zweiten Zustandsbeobachter unter Berücksichtigung
-- einer Geometrie der Kokille,
-- mehrerer, vorzugsweise mindestens drei, Temperaturwerte, wobei mehrere Temperatursensoren während des Stranggießens die Temperaturwerte in der Kokille in Echtzeit ermitteln, wobei mehrere Temperaturwerte unterschiedlichen Füllstandshöhen zugeordnet sind, und
-- einer Gießgeschwindigkeit vc eines zumindest teilerstarrten Strangs, vorzugsweise mit Brammen- oder Dünnbrammenquerschnitt, wobei der Strang zumindest zeitweise während des Stranggießens aus der Kokille ausgebracht wird und die Gießgeschwindigkeit vc in Echtzeit ermittelt wird,
- Berechnen der Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms ÖEin und des abfließenden Volumenstroms QAUS, insbesondere durch die Bedingungen i = QEin~QAus und Zii (t) = J i dt. Quer
Erfindungsgemäß wird die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze in einer Kokille der Stranggießanlage durch folgende Schritte ermittelt: Ein erster Zustandsbeobachter schätzt den der Kokille zufließenden Volumenstroms C n ab unter Berücksichtigung
- einer Öffnung eines Ventils Sventii, vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß in ein Gießrohr, wobei die Öffnung des Ventils Sventii während des Stranggießens in Echtzeit ermittelt wird,
- einer Geometrie des Ventils Aventii, und
- einer Geometrie des Gießrohrs ÄSEN.
Der erste Zustandsbeobachter arbeitet entweder zeitkontinuierlich oder bevorzugt zeitdiskret und „beobachtet“ den der Kokille zufließenden Volumenstroms ÖEin. Natürlich ist es möglich, dass der Zustandsbeobachter weitere Eingangsgrößen verwendet, um ÖEin zu ermitteln.
Ein zweiter Zustandsbeobachter schätzt den aus der Kokille abfließenden Volumenstroms QAUS ab unter Berücksichtigung
- einer Geometrie Aouer der Kokille,
- mehrerer, vorzugsweise mindestens drei, Temperaturwerte, wobei mehrere Temperatursensoren während des Stranggießens die Temperaturwerte in der Kokille in Echtzeit ermitteln, wobei die Temperaturwerte mehreren Füllstandshöhen zugeordnet sind, und
- einer Gießgeschwindigkeit des Strangs vc, wobei die Gießgeschwindigkeit vc während des Stranggießens in Echtzeit ermittelt wird.
Auch der zweite Zustandsbeobachter kann entweder zeitkontinuierlich oder bevorzugt zeitdiskret arbeiten. Der zweite Zustandsbeobachter „beobachtet“ den aus der Kokille ausfließenden Volumenstroms QAUS. Natürlich ist es auch hier möglich, dass der Zustandsbeobachter weitere Eingangsgrößen verwendet, um QAUS ZU ermitteln.
Nachdem sowohl ÖEin und QAUS ermittelt worden sind, berechnet der virtuelle Füllstandssensor die Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms ÖEin und des abfließenden Volumenstroms QAUS, bspw. unter Verwendung folgender Gleichungen:
Es ist natürlich ebenfalls möglich, dass die Beobachter nicht den zufließenden und den abfließenden Volumenstrom ÖEin, QAUS ermitteln, sondern den zufließenden Massenstrom mEin = P- QE und den abfließenden Massenstrom mAus = p. QAus.
Insbesondere bei sog. Trichterkokillen ist es möglich, dass der Querschnitt der Kokille Aouer über der Füllstandshöhe hi nicht konstant ist, sondern dass Aouer von der Füllstandshöhe hi abhängig ist bzw. Aouer eine Funktion der Füllstandshöhe ist, d.h. Aouer = f(hi). Im Allgemeinen handelt es sich bei den ersten und zweiten Zustandsbeobachtern um gängige, d.h. aus der Literatur bekannte, Beobachter, wie Luenberger Beobachter oder Kalman Filter... In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erste und/oder zweite Zustandsbeobachter ein nicht vollständiger Zustandsbeobachter. Ein nicht vollständiger Zustandsbeobachter kann ein reduzierter Beobachter sein, wobei hier alle Prozessgrößen, die gemessen werden können aus dem Messwert folgen. Eine weitere Möglichkeit eines nicht vollständigen Zustandsbeobachter kann ein Trivialer Beobachter, der ohne Messwerte auskommt, , allerdings muss dann ein Modell so genau sein, dass man ohne diese Messwerte die Prozessgrößen ausreichend genau rechnen kann.
Bei der Geometrie des Ventils kann es sich bspw. um den Durchmesser oder die Fläche einer Öffnung auf dem Boden des Gießgefäßes handeln. Bei der Geometrie des Gießrohrs kann es sich bspw. um den Innendurchmesser oder die durchströmte Querschnittsfläche des Gießrohres handeln. Die Geometrie der Kokille kann z.B. durch die Querschnittsfläche des Formhohlraums beschrieben werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit des ersten Zustandsbeobachters ist es vorteilhaft, als Eingangsgröße außerdem eine Masse mverteiier und vorzugsweise eine Geometrie des Gießgefäßes bzw. -Verteilers zu berücksichtigen. Aus der Masse des Gießgefäßes ggf. in Verbindung mit dessen Geometrie kann auf einfache Weise der Füllstand im Gießgefäß ermittelt werden, wobei ein höherer Füllstand mit einem höheren zufließenden Volumenstroms QEIA einhergeht.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn mehrere Temperaturwerte einer ersten Platte, vorzugsweise einer Schmalseitenplatte, der Kokille zugeordnet sind. Dadurch kann das Ansteigen des Gießspiegels bzw. der Füllstandshöhe während des Gießstarts bzw. des Gießendes zuverlässig erkannt werden. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn auf einer Füllstandshöhe mehrere Temperatursensoren angeordnet sind, sodass etwaige Messfehler korrigiert werden können.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn der zweite Zustandsbeobachter neben den mehreren Temperaturwerten einer ersten Platte der Kokille zusätzlich mehrere Temperaturwerte einer zweiten Platte der Kokille verwendet, wobei die zweite Platte in Breiten- oder Dickenrichtung vorzugsweise gegenüber der ersten Platte angeordnet ist. Auch durch diese Maßnahme können Ungenauigkeiten der Sensoren bzw. sog. engl. outlier erkannt werden, was die Genauigkeit des virtuellen Sensors erhöht.
Um beispielsweise mehrere Temperaturwerte entlang einer geraden oder gebogenen Linie messen zu können, ist es vorteilhaft, faseroptische Temperatursensoren einzusetzen. Die Erfindung ist aber keinesfalls auf faseroptische Temperatursensoren eingeschränkt, es können beliebige Temperatursensoren, z.B. auch sog. Thermoelemente vom Typ K verwendet werden. Da die Genauigkeit und das dynamische Verhalten des virtuellen Füllstandssensors nach wie vor schlechter ist, als das eines physischen Füllstandssensors, ist es vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig, dass die Kokille neben dem virtuellen Füllstandssensor zum Beobachten der Füllstandshöhe hi in einem ersten Messbereich zusätzlich einen physischen Füllstandssensor zur Messung einer Füllstandshöhe h2 des flüssigen Metalls in einem zweiten Messbereich aufweist, wobei der zweite Messbereich kleiner ist als der erste Messbereich, insbesondere dass der erste Messbereich zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich.
Mittels dieser Ausführungsform wird für die Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Betriebs der Stranggießanlage zusätzlich ein physischer (z.B. ein elektromagnetischer) Füllstandssensor verwendet. Der physische Füllstandssensor misst die Füllstandshöhe des flüssigen Metalls in der Kokille relativ exakt in einem zweiten Messbereich. Dagegen misst der virtuelle Füllstandssensor die Füllstandshöhe des flüssigen Metalls in der Kokille in einem ersten Messbereich, wobei bspw. der erste Messbereich zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich.
Da der physische Füllstandssensor die Füllstandshöhe des flüssigen Metalls nur in einem zweiten Messbereich genau misst, wird - falls sich die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille in dem zweiten Messbereich befindet - als Füllstandshöhe das Signal des physischen Füllstandssensors verwendet und andernfalls, d.h. wenn sich die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille außerhalb des zweiten Messbereichs befindet, als Füllstandshöhe das Signal des virtuellen Füllstandssensors verwendet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird andererseits auch durch einen virtuellen Füllstandssensor nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Konkret erfolgt die Lösung durch einen virtuellen Füllstandssensor zum Ermitteln einer Füllstandshöhe hi einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille einer Stranggießanlage, wobei die Metallschmelze in der Kokille einen Gießspiegel mit der Füllstandshöhe hi ausbildet, aufweisend:
- einen ersten Zustandsbeobachter zum Beobachten eines der Kokille zufließenden Volumenstroms C n, wobei der erste Zustandsbeobachter signaltechnisch mit einem Positionssensor eines Ventils, vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß in ein Gießrohr, verbunden ist und der Positionssensor die Öffnung des Ventils Sventii während des Stranggießens in Echtzeit ermitteln kann,
- einen zweiten Zustandsbeobachter zur Beobachtung eines aus der Kokille abfließenden Volumenstroms QAUS, wobei der zweite Zustandsbeobachter signaltechnisch mit -- mehreren, vorzugsweise mindestens drei, Temperatursensoren verbunden ist, wobei die Temperatursensoren unterschiedlichen Füllstandshöhen zugeordnete Temperaturwerte (T1...T3) während des Stranggießens in Echtzeit ermitteln können, und
-- einem Gießgeschwindigkeitssensor verbunden ist, wobei der Gießgeschwindigkeitssensor die Gießgeschwindigkeit vc des Strangs in Echtzeit ermitteln kann,
- eine Recheneinheit zur Berechnung der Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms C n und des abfließenden Volumenstroms QAUS.
Bevorzugt ist die Verwendung eines Füllstandsmesssystems mit einem virtuellen Füllstandssensor nach Anspruch 10 zur Ermittlung der Füllstandshöhe hi der Metallschmelze in einem ersten Messbereich und einem physischen Füllstandssensor zur Messung der Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze in einem zweiten Messbereich, wobei der zweite Messbereich kleiner ist als der erste Messbereich, insbesondere dass der erste Messbereich zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich.
Außerdem ist es vorteilhaft, zur Umschaltung der Signale für die Füllstandshöhen von dem virtuellen und dem physischen Füllstandssensor einen Multiplexer zu verwenden, wobei der Multiplexer
- die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze von dem virtuellen Füllstandssensor, und
- die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze von dem physischen Füllstandssensor als Eingangsgrößen verwendet und die Ausgangsgröße des Multiplexers
- die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze von dem physischen Füllstandssensor ist, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor innerhalb des zweiten Messbereiches ist,
- die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze von dem virtuellen Füllstandssensor ist, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor außerhalb des zweiten Messbereiches ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Fig 1 ein erstes Übersichtsschema,
Fig 2 eine schematische Darstellung einer Strömungslinie der Metallschmelze von einem Gießverteiler durch ein Ventil in ein Gießrohr und vom Inneren des Gießrohrs durch Öffnungen (Ports) in den Formhohlraum einer Kokille, Fig 3 eine schematische Darstellung der Messpunkte in einer Kokille und der ermittelten Füllstandshöhe der Metallschmelze hi beim Gießstart einer Stranggießanlage, und
Fig 4 ein zweites Übersichtsschema mit einen physischen und einem virtuellen Füllstandssensor.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die Fig 1 zeigt ein Übersichtsschema zur Erläuterung der Erfindung. Beim Stranggießen wird Metallschmelze, z.B. aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in ein Gießgefäß 1 , hier einen Gießverteiler 1a, gefüllt. Im Gießverteiler 1a bildet sich ein durch ein Dreieck dargestellter Gießspiegel aus. Aus dem Gießverteiler 1a strömt die Metallschmelze in ein Gießrohr 3 (engl. submerged entry nozzle, kurz SEN) ein. Der Durchfluss der Metallschmelze in das Gießrohr 3 wird durch ein Ventil 2, hier einen Stopfen, eingestellt. Dazu kann der Stopfen vom Boden des Gießverteilers 1a durch einen hier nicht dargestellten Stopfenantrieb angehoben bzw. abgesenkt werden, sodass der Stopfen einen Abstand Sventii zum Boden des Gießverteilers 1a aufweist. Der Boden des Gießverteilers 1a weist eine Öffnung mit dem Durchmesser dventii auf, die vor dem Gießstart durch den Stopfen verschlossen wird. Nach dem Eintritt der Metallschmelze in das Gießrohr 3 und dem Durchströmen des Gießrohrs 3 strömt die Metallschmelze im unteren Bereich des Gießrohrs 3 durch typischerweise mehrere Öffnungen (engl. ports) aus und bildet einen Gießspiegel 5 in der Kokille 4 aus. Ob die Öffnungen des Gießrohrs so wie dargestellt unterhalb oder oberhalb des Gießspiegels 5 angeordnet sind, spielt für die Erfindung keine Rolle. Vor dem Gießstart der Stranggießanlage ist das Ventil 2 geschlossen, sodass keine Metallschmelze in die Kokille 4 einströmen kann. Die Unterseite der Kokille 4 ist durch einen sog. Kaltstrang verschlossen, sodass der Formhohlraum der Kokille in Gießrichtung abgedichtet wird. Beim Gießstart wird zuerst das Ventil 2 etwas geöffnet, sodass die Metallschmelze vom Gießverteiler 1a durch das Gießrohr 3 in den Formhohlraum der Kokille 4 einströmen kann. Anfangs bleibt der Kaltstrang stationär in der Kokille, sodass der in die Kokille zuströmende Volumenstrom ÖEin Zu einem langsam ansteigenden Gießspiegel führt. Nachdem der Gießspiegel 5 in der Kokille 4 eine bestimmte Höhe erreicht hat, wird mit dem Ausziehen des Kaltstrangs aus der Kokille begonnen, sodass der dem Kaltstrang nachfolgende Warmstrang (nachfolgend kurz Strang) ebenfalls aus der Kokille 4 ausgezogen wird. Beim Angießen verbindet sich der Warmstrang mit dem Kaltstrang, sodass die Gießgeschwindigkeit des Strangs der Ausziehgeschwindigkeit des Kaltstrangs entspricht. Das Ausziehen des Strangs erfolgt mit einer Gießgeschwindigkeit vc, welche konstant oder variabel in Abhängigkeit der Zeit eingestellt werden kann. Während des kontinuierlichen Gießbetriebs wird die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze in der Kokille 4 durch einen physischen Füllstandssensor gemessen. Der Messbereich 6 des physischen Füllstandssensor befindet sich im oberen Bereich der Kokille 4. Da der Gießspiegel 5 in der Kokille 4 während des Gießstarts sich außerhalb des Messbereichs 6 des physischen Füllstandssensors befindet, ist der physische Füllstandssensor nicht bzw. nur begrenzt geeig- net, zur Automatisierung des Gießstart beizutragen. Erfindungsgemäß wird der Gießstart durch einen virtuellen Füllstandssensor gesteuert, der die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze in der Kokille 4 in einem erweiterten Messbereich 7 ermittelt.
Die Öffnung Sventii und die Geometrie des Ventils 2, sowie die Geometrie ÄSEN des Gießrohrs 3 werden einem ersten Beobachter BEOi zugeführt. Die Öffnung Sventii des Ventils wird dazu zeitdiskret, z.B. mit einer Abtastzeit von 50 ms, ermittelt und dem ersten Beobachter BEOi zugeführt. Der Beobachter beinhaltet ein dynamisches Modell der Strömung der Metallschmelze vom Gießverteiler 1a durch das Ventil 2, vom Ventil in das Gießrohr 3, sowie dem Ausfluss der Metallschmelze durch die Öffnungen des Gießrohrs 3 in den Formhohlraum der Kokille 4. Der Aufbau des ersten Beobachters, der z.B. als sog. Luenberger Beobachter oder als sog. Kalman Filter ausgebildet sein kann, ist dem Fachmann bekannt, sodass auf Details nicht eingegangen werden muss. Der erste Beobachter BEOi ermittelt den der Kokille 4 zuströmenden Volumenstrom ÖEin.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein zweiter Beobachter BEO2 vorhanden, der aus den Temperaturwerten Ti, T2, T3 mehrerer Temperatursensoren in der Kokille 4, der Gießgeschwindigkeit vc, sowie dem Parametern für die Geometrie der Kokille Aouer, den aus der Kokille 4 ausströmenden Volumenstrom QAUS ermittelt. Die Temperaturwerte Ti, T2, T3 und die Gießgeschwindigkeit vc werden vorzugsweise wieder zeitdiskret, z.B. mit einer Abtastzeit von 50 ms, ermittelt und dem zweiten Beobachter BEO2 zugeführt.
Aus dem zuströmenden Volumenstrom ÖEin, dem ausströmenden Volumenstrom QAUS und der Geometrie der Kokille Aouer wird die zeitliche Ableitung der Füllstandshöhe t = Qei71~Qaus Quer berechnet; aus der durch Integration von h1 wird die Füllstandshöhe hi berechnet, d.h. /^(t) = f /i-L dt.
Beispielshaft werden die Gleichungen angegeben, die für das dynamische Modell des ersten Beobachters BEOi herangezogen werden können. In Fig 2 ist eine Strömungslinie mit fünf Punkten 1...5 dargestellt. Der Punkt 1 befindet sich am Gießspiegel der Metallschmelze im Gießverteiler 1a. Der Punkt 2 befindet sich unmittelbar vor dem Durchströmen des Ventils 2. Der Punkt 3 befindet sich nach dem Durchströmen des Ventils 2. Der Punkt 4 nach dem Durchströmen des zentralen Bereichs des Gießrohrs 3 und vor den sog. Ports und der Punkt 5 nach dem Durchströmen der Ports des Gießrohrs 3.
Der Druck p2 in Punkt 2 ist p2 = Pi + pFe- 9- mit Aventii = dventi*Sventii, wobei pi V der Druck im Punkt 1 (meistens wird pi=0 angenommen), pFe die Dichte der Metallschmelze, Ahi der Höhenunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt 1 , 2 und Q den Durchfluss angibt. Der Druck ps im Punkt 3 ist p3 = p2 - RVentu- Q, wobei Rventii den (linearisierten) hydraulischen Strömungswiderstand des Ventils 2 angibt. Der Druck p4 im Punkt 4 ist p4 = p3 + pFe. g. h2 - LSEN. Q, wobei Ah2 der Höhenunterschied zwischen dem dritten und dem vierten Punkt 3, 4 und LSEN die hydraulische Induktivität des Gießrohrs 3 angibt. Der Druck P5 im Punkt 5 ist p5 = p4 - RPort. Q, wobei RpOrt den (linearisierten) hydraulischen Strömungswiderstand der Öffnungen (Ports) des Gießrohrs 3 angibt.
Die Fig 3 zeigt auf der linken Seite mehrere Messpunkte 10 einer Breitseitenplatte 8 und einer Schmalseitenplatte 9 einer Kokille. Bspw. können die Messpunkte 10 einer Breitseitenplatte durch drei faseroptische Temperatursensoren mit jeweils 8 Messpunkten ermittelt werden, die in drei horizontalen Bohrungen liegen. Ebenso gut wäre es möglich, acht faseroptische Temperatursensoren mit jeweils 3 Messpunkten zu verwenden. Die fünf Messpunkte 10 einer Schmalseitenplatte können z.B. durch einen faseroptischen Temperatursensor mit 5 Messpunkten ermittelt werden. Die Temperaturwerte an den dargestellten Messpunkte 10 können wahlweise mit faseroptischen oder mit konventionellen Temperatursensoren, z.B. Thermoelementen vom Typ K, ermittelt werden. Die nicht dargestellte zweite Breitseitenplatte ist identisch zur dargestellten Breitseitenplatte 8 ausgeführt; ebenso ist die nicht dargestellte zweite Schmalseitenplatte identisch zur dargestellten Schmalseitenplatte 9 ausgeführt. Alle dargestellten Messpunkte 10 werden als Eingangsgrößen für den in Fig 1 dargestellten zweiten Beobachter BEO2 verwendet, das zugehörige Messignal wird in Echtzeit mit einer Abtastzeit von 0,5 oder 1s abgetastet. Die Messbereiche 7 und 6 des virtuellen und des physischen Füllstandssensors sind ebenfalls dargestellt. Wie eingangs erwähnt, wird beim Gießstart die Kokille ausgangsseitig durch einen Kaltstrang verschlossen und anschließend das Ventil, bspw. ein Stopfen, zwischen dem Gießgefäß bzw. dem Gießverteiler und dem Gießrohr geöffnet. Die Ventilöffnung sVentil ist links unten in Fig 3 über der Zeit dargestellt. Durch das Öffnen des Ventils steigt der Gießspiegel langsam an - siehe die ermittelte Füllstandshöhe h1 des virtuellen Füllstandssensors. Zu erkennen ist außerdem, dass der physische Füllstandssensor einen unrichtigen Füllstand h2 ausgibt, da der Gießspiegel außerhalb des Messbereichs liegt. Erst nachdem der Füllstand der Metallschmelze innerhalb des Messbereichs 6 des physischen Füllstandssensors liegt, gibt der physische Füllstandssensor die Füllstandshöhe richtig an. Nach etwas weniger als 30s nach dem Beginn wird die Gießgeschwindigkeit vö von 0 auf ca. 1,4 m/min gesteigert. Anschließend wird die Gießgeschwindigkeit weiter langsam kontinuierlich gesteigert. In den Breitseitenplatten 8 sind auf 4 Ebenen jeweils 8 Messpunkte 10 von Temperatursensoren angeordnet. In den Schmalseitenplatten 9 ist auf 5 Ebenen jeweils 1 Messpunkt 10 eines Temperatursensors angeordnet. Natürlich ist es möglich, dass mehr oder weniger Ebenen und/oder mehr oder weniger Messpunkte pro Ebene angeordnet sind. Auf der rechten Seite der Figur ist gut erkennbar, dass die erfindungsgemäß ermittelte Füllstandshöhen h1 des virtuellen Sensors ab dem Zeitpunkt von etwa 8 s langsam und kontinuierlich ansteigt. Auch zu erkennen ist, dass der ausschließlich von den Thermoelementen (engl. thermocouples) abgeleitete Füllstand (ganz unten dargestellt) hingegen sprunghaft ansteigt. Die Fig 4 zeigt ein zweites Übersichtsschema mit einem virtuellen und einem physischen Füllstandssensor 11. Der virtuelle Füllstandssensor funktioniert wie in Fig 1 beschrieben. Im Unterschied zu Fig 1 ist die Kokille 4 als Trichterkokille ausgeführt, wobei die Querschnittsfläche ÄQuer des Formhohlraums der Kokille nicht konstant, sondern variabel von der Höhe h ist. Zusätzlich ist in der Figur ein physischer Füllstandssensor 11 eingezeichnet, der eine Füllstandshöhe h2 im oberen Bereich der Kokille 4 misst. Sowohl die Füllstandshöhe des virtuellen Füllstandssensors hi und die Füllstandshöhe des physischen Füllstandssensors h2 werden einem Mulitiplexer MUX als Eingangsgrößen zugeführt, der abhängig davon, ob sich die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor innerhalb des Messbereichs des physischen Füllstandssensors befindet oder nicht. Konkret entspricht die Ausgangsgröße h des Multiplexers der Füllstandshöhe h2 des physischen Füllstandssensors, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor innerhalb des Messbereiches des physischen Füllstandssensors ist. Andernfalls entspricht die Ausgangsgröße h des Multiplexers der Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensors, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor außerhalb des Messbereiches des physischen Füllstandssensors ist. Die jeweilige Ausgangsgröße h des Multiplexers wird einem sog. Level 2 Controller L2 zugeführt, der zur Regelung des Gießstarts und ggf. des Gießendes verwendet wird. Natürlich ist es ebenfalls möglich, dass der Multiplexer MUX nicht als diskreter Baustein vorhanden ist, sondern als Software-Block in einem Regler implementiert ist. Der techn. Effekt ist identisch.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Gießgefäß 1a Gießverteiler
2 Ventil
3 Gießrohr
4 Kokille
5 Gießspiegel in der Kokille
6 Messbereich eines physischen Füllstandssensors
7 Messbereich eines virtuellen Füllstandssensors
8 Breitseitenplatte
9 Schmalseitenplatte
10 Messpunkt eines Temperatursensors
11 Physischer Füllstandssensor
Aouer Geometrie der Kokille
ÄSEN Geometrie des Gießrohrs
BEOI , BEÖ2 Erster und zweiter Zustandsbeobachter dventil Geometrie des Ventils hi Füllstandshöhe eines virtuellen Füllstandssensors /ii Zeitl. Ableitung der Füllstandshöhe des virtuellen Füllstandssensors h2 Füllstandshöhe eines physischen Füllstandssensors
L Hydraulische Induktivität
L2 Level 2 Controller
MUX Multiplexer
ÖEin Zufließender Volumenstrom QAUS Abfließender Volumenstrom
R Hydraulischer Strömungswiderstand
Sventil Öffnung des Ventils
TI ... TN Temperaturwerte
Vc Gießgeschwindigkeit des Strangs

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln einer Füllstandshöhe hi einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille (4) einer Stranggießanlage mittels eines virtuellen Füllstandssensors, wobei die Metallschmelze in der Kokille (4) einen Gießspiegel (5) mit der Füllstandshöhe hi ausbildet, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Abschätzen eines der Kokille (4) zufließenden Volumenstroms C n der Metallschmelze durch einen ersten Zustandsbeobachter (BEO1) unter Berücksichtigung
-- einer Öffnung eines Ventils (2) Sventii, vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß (1 , 1a) in ein Gießrohr (3), wobei die Öffnung des Ventils (2) Sventii während des Stranggießens in Echtzeit ermittelt wird,
-- einer Geometrie des Ventils (2) dventii, und
-- einer Geometrie des Gießrohrs (3) ÄSEN,
- Abschätzen eines aus der Kokille (4) abfließenden Volumenstroms QAUS der Metallschmelze durch einen zweiten Zustandsbeobachter (BEO2) unter Berücksichtigung
-- einer Geometrie Aouer der Kokille (4),
-- mehrerer, vorzugsweise mindestens drei, Temperaturwerte T1...T3, wobei mehrere Temperatursensoren während des Stranggießens die Temperaturwerte T1...T3 in der Kokille (4) in Echtzeit ermitteln, wobei mehrere Temperaturwerte (T1...T3) unterschiedlichen Füllstandshöhen zugeordnet sind, und
-- einer Gießgeschwindigkeit vc eines zumindest teilerstarrten Strangs, vorzugsweise mit Brammen- oder Dünnbrammenquerschnitt, wobei der Strang zumindest zeitweise während des Stranggießens aus der Kokille (4) ausgebracht wird und die Gießgeschwindigkeit vc in Echtzeit ermittelt wird,
- Berechnen der Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms ÖEin und des abfließenden Volumenstroms QAUS, insbesondere durch die Bedingungen
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zustandsbeobachter BEO1 ein nicht vollständiger Zustandsbeobachter ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zustandsbeobachter BEO1 als Eingangsgröße außerdem eine Masse und vorzugsweise eine Geometrie des Gießgefäßes (1 , 1a) berücksichtigt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zustandsbeobachter BEO2 ein nicht vollständiger Zustandsbeobachter ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Temperaturwerte (T1...T3) einer ersten Platte (8, 9), vorzugsweise einer Schmalseitenplatte (9), der Kokille (4) zugeordnet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zustandsbeobachter BEO2 neben den mehreren Temperaturwerten (T1...T3) einer ersten Platte (8, 9) der Kokille (4) zusätzlich mehrere Temperaturwerte (T1 ...T3) einer zweiten Platte der Kokille (4) verwendet, wobei die zweite Platte in Breiten- oder Dickenrichtung vorzugsweise gegenüber der ersten Platte (8, 9) angeordnet ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren faseroptische Temperatursensoren sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille
- neben dem virtuellen Füllstandssensor zum Beobachten der Füllstandshöhe hi in einem ersten Messbereich (7)
- zusätzlich einen physischen Füllstandssensor zur Messung einer Füllstandshöhe h2 des flüssigen Metalls in einem zweiten Messbereich (6) aufweist, wobei der zweite Messbereich (6) kleiner ist als der erste Bereich, insbesondere dass der erste Messbereich (7) zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich (6).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille (4) in einem zweiten Bereich der Füllstandshöhe h2 des physischen Füllstandssensors und dass die Füllstandshöhe außerhalb des zweiten Bereichs der Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensors entspricht.
10. Virtueller Füllstandssensor zum Ermitteln einer Füllstandshöhe hi einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille (4) einer Stranggießanlage, wobei die Metallschmelze in der Kokille (4) einen Gießspiegel (5) mit der Füllstandshöhe hi ausbildet, aufweisend:
- einen ersten Zustandsbeobachter BEO1 zum Beobachten eines der Kokille (4) zufließenden Volumenstroms C n, wobei der erste Zustandsbeobachter BEO1 signaltechnisch mit einem Positionssensor eines Ventils (2), vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß (1, 1a) in ein Gießrohr (3), verbunden ist und der Positionssensor die Öffnung des Ventils Sventii während des Stranggießens in Echtzeit ermitteln kann, - einen zweiten Zustandsbeobachter BEO2 zur Beobachtung eines aus der Kokille (4) abfließenden Volumenstroms QAUS, wobei der zweite Zustandsbeobachter signaltechnisch mit
-- mehreren, vorzugsweise mindestens drei, Temperatursensoren verbunden ist, wobei die Temperatursensoren unterschiedlichen Füllstandshöhen zugeordnete Temperaturwerte (T1...T3) während des Stranggießens in Echtzeit ermitteln können, und
-- einem Gießgeschwindigkeitssensor verbunden ist, wobei der Gießgeschwindigkeitssensor die Gießgeschwindigkeit vc des Strangs in Echtzeit ermitteln kann, und
- eine Recheneinheit zur Berechnung der Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms C n und des abfließenden Volumenstroms QAUS.
11. Füllstandsmesssystem mit
- einem virtuellen Füllstandssensor nach Anspruch 10 zur Ermittlung der Füllstandshöhe hi der Metallschmelze in einem ersten Messbereich (7) und
- einem physischen Füllstandssensor zur Messung der Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze in einem zweiten Messbereich (6), wobei der zweite Messbereich (6) kleiner ist als der erste Messbereich (7), insbesondere dass der erste Messbereich (7) zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich (6).
12. Füllstandsmesssystem nach Anspruch 11 mit einem Multiplexer, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer
- die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze von dem virtuellen Füllstandssensor, und
- die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze von dem physischen Füllstandssensor (11) als Eingangsgrößen verwendet und die Ausgangsgröße des Multiplexers
- die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze von dem physischen Füllstandssensor (11) ist, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor innerhalb eines zweiten Messbereiches ist,
- die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze von dem virtuellen Füllstandssensor ist, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor außerhalb des zweiten Messbereiches ist.
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