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DE102009052172B4 - Method for controlling the temperature profile and the speed of a cast strand in a continuous casting plant and continuous casting plant for carrying out the method - Google Patents

Method for controlling the temperature profile and the speed of a cast strand in a continuous casting plant and continuous casting plant for carrying out the method Download PDF

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DE102009052172B4
DE102009052172B4 DE102009052172.0A DE102009052172A DE102009052172B4 DE 102009052172 B4 DE102009052172 B4 DE 102009052172B4 DE 102009052172 A DE102009052172 A DE 102009052172A DE 102009052172 B4 DE102009052172 B4 DE 102009052172B4
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cast strand
strand
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continuous casting
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Axel Weyer
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Abstract

Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften, insbesondere von Oberflächeneigenschaften, eines Gießstrangs (4) in einer Stranggießanlage unter Einsatz einer Laserquelle (13) zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Gießstrangs (4) gerichteten Laserstrahls und eines Messgeräts (10) zur Auswertung von von der Oberfläche des Gießstrangs (4) reflektierten Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (13) einen Laserstrahl durch einen mit einem Dielektrikum (16) gefüllten inneren Bereich einer Sendespule (17) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zur Induktion von Wirbelströmen in dem Gießstrang (4) hindurchstrahlt und dass der von der Oberfläche des Gießstrangs (4) reflektierte Laserstrahl nach erneutem Durchlaufen des Dielektrikums (16) und eines Strahlteilers (14) sowie eines Polarisationsfilters (18) in einem optischen Sensor (19) ein Signal erzeugt, das Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften des Gießstrangs (4) unter der Einwirkung des magnetischen Wechselfeldes gibt und dass der Sensor (19) aufgrund der gemessenen Laserlichtintensität Ausgangssignale erzeugt, die er an einen Regler (11) eines Regelkreises zur Regelung von Prozessvariablen weiterleitet, dass die Temperatur bzw. die Geschwindigkeit des Gießstrangs (4) entsprechend geregelt werden, wobei der reflektierte Laserstrahl Informationen aus dem Gießstrang (4) wiedergibt, die durch die Erzeugung der Wirbelströme gewonnen werden.

Figure DE102009052172B4_0000
Method for determining properties, in particular surface properties, of a cast strand (4) in a continuous casting plant using a laser source (13) for generating a laser beam directed at the surface of the cast strand (4) and a measuring device (10) for evaluating signals reflected from the surface of the cast strand (4), characterized in that the laser source (13) shines a laser beam through an inner region of a transmitting coil (17) filled with a dielectric (16) for generating an alternating magnetic field for inducing eddy currents in the cast strand (4), and that the laser beam reflected from the surface of the cast strand (4), after passing through the dielectric (16) and a beam splitter (14) and a polarization filter (18) again, generates a signal in an optical sensor (19) which provides information about the surface properties of the cast strand (4) under the influence of the alternating magnetic field, and that the sensor (19) based on the measured laser light intensity Generates output signals which it forwards to a controller (11) of a control loop for controlling process variables so that the temperature or the speed of the cast strand (4) are controlled accordingly, wherein the reflected laser beam reproduces information from the cast strand (4) which is obtained by the generation of the eddy currents.
Figure DE102009052172B4_0000

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften, insbesondere von Oberflächeneigenschaften, eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage unter Einsatz einer Laserquelle zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Gießstrangs gerichteten Laserstrahls und eines Messgeräts zur Auswertung von von der Oberfläche des Gießstrangs reflektierter Signale.The invention relates to a method for determining properties, in particular surface properties, of a cast strand in a continuous casting plant using a laser source for generating a laser beam directed onto the surface of the cast strand and a measuring device for evaluating signals reflected from the surface of the cast strand.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Qualitätsoptimierung während des laufenden Produktionsbetriebs von Stranggießanlagen aufgrund der ermittelten Oberflächeneigenschaften im Gießstrang.Furthermore, the invention relates to the quality optimization during the ongoing production operation of continuous casting plants based on the determined surface properties in the cast strand.

Nachdem ein Gießprodukt die Stranggießanlage verlassen hat, wird im weiteren Produktionsverlauf, insbesondere nach einem Abkühlprozess, der mehrere Tage dauern kann, die aus dem Gießstrang abgetrennte Bramme oder der abgetrennte Block oder der abgetrennte Knüppel dem nächsten Verarbeitungsschritt zugeführt. In der Regel werden hierbei die Produkte einer Inspektion unterzogen, um die jeweils erzeugte Qualität zu überprüfen.After a cast product has left the continuous casting plant, the slab or block or billet separated from the cast strand is then fed to the next processing step in the further course of production, particularly after a cooling process that can take several days. The products are usually subjected to an inspection to check the quality produced.

Hierbei lassen sich Fehler feststellen wie z. B. Oberflächenrisse, Innenrisse und Seigerungsrisse, die auf oder unterhalb der Produktoberfläche liegen. Die Fehler werden dokumentiert, um gegebenenfalls das Produkt auch reparieren zu können. Die Inspektion erfolgt mit verschiedenen Verfahren, beispielsweise einer Sichtkontrolle, einer Probennahme oder einer Oberflächenbearbeitung, um eine Oberflächen- bzw. eine Innenqualitätskontrolle durchzuführen. Das zu untersuchende Produkt muss sich hierzu auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt haben, beispielsweise unter 100 °C, um die erforderlichen Inspektionsvorgänge durchführen zu können. Eine Inspektion ist nicht möglich beim CSP-Verfahren (= Compact Strip Produktion), d. h. dem Verfahren zum Gießen von Dünnbrammen, bei dem das erzeugte Produkt direkt dem nächsten Verarbeitungsschritt zugeführt wird.This allows defects to be identified such as surface cracks, internal cracks and segregation cracks that are on or below the product surface. The defects are documented so that the product can be repaired if necessary. The inspection is carried out using various methods, such as a visual inspection, sampling or surface treatment in order to carry out a surface or internal quality control. The product to be examined must have cooled to a certain temperature, for example below 100 °C, in order to be able to carry out the necessary inspection processes. An inspection is not possible with the CSP process (= Compact Strip Production), i.e. the process for casting thin slabs in which the product produced is fed directly to the next processing step.

Aus der DE 29 11 578 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes bei einem Stranggießverfahren bekannt geworden. Hierbei sollen eine kompakte Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von auf einer Oberfläche eines Stahlbandes, wie einer Stahlplatte oder eines Stahlbarrens im Zuge des Stranggießverfahrens an irgendeiner gewünschten Stelle oder vorzugsweise in einer Kühlkammer entstehenden Überlappungen des Gießstrangs angegeben werden, ohne dass dabei eine nennenswerte Beeinträchtigung durch Kühlwasser oder Kühldampf erfolgt. Die bekannte Vorrichtung enthält eine Lichterzeugungseinrichtung mit einer Lichtquelle, die Lichtstrahlen mit kurzen Wellenlängen oder weitere Wellen abgibt. Ferner ist ein Lichtdetektor mit einem Filter vorgesehen, welches den Durchtritt von Lichtstrahlen zulässt, die lediglich kurze Wellenlängen besitzen, Außerdem ist eine flache Haube vorgesehen, welche einen zwischen der Lichterzeugungseinrichtung und dem Lichtdetektor verlaufenden Lichtweg umgibt. Schließlich ist eine Bildspeichereinrichtung vorgesehen, der ein elektrisches Signal zugeführt wird. Dieses charakterisiert den Schatten eines Stahlbandes bei dem Stranggießverfahren, der dem Lichtdetektor in dem Fall zugeführt wird, dass die Bereiche einer Lichtbahn durch Druckluft gereinigt werden, die in die Haube eingeführt wird, wobei der Schatten des Stahlbandes nach Verarbeitung durch den Bildspeicher kontinuierlich auf einer Fernseh-Monitoranlage wiedergegeben wird. Auf diese Weise werden gegebenenfalls auf der Oberfläche des Stahlbandes vorhandene Überlappungen ermittelt. Der Hauptteil einer Bandoberflächen-Prüfvorrichtung kann dabei in einer Kühlkammer untergebracht sein. Das äußere Ende der flachen Haube befindet sich zwischen zwei benachbarten Tragwalzen, die zu einem Stahlband hingewandt sind, welches im Stranggießverfahren hergestellt wird.From the DE 29 11 578 A1 A method and a device for checking the surface of a moving metal strip in a continuous casting process have become known. The aim is to provide a compact device and a method for determining overlaps of the cast strand that occur on a surface of a steel strip, such as a steel plate or a steel bar, at any desired location or preferably in a cooling chamber during the continuous casting process, without any significant impairment by cooling water or cooling steam. The known device contains a light generating device with a light source that emits light rays with short wavelengths or other waves. A light detector with a filter is also provided, which allows the passage of light rays that only have short wavelengths. In addition, a flat hood is provided, which surrounds a light path running between the light generating device and the light detector. Finally, an image storage device is provided, to which an electrical signal is fed. This characterizes the shadow of a steel strip in the continuous casting process, which is fed to the light detector in the case that the areas of a light path are cleaned by compressed air which is introduced into the hood, the shadow of the steel strip being continuously displayed on a television monitor system after processing by the image storage. In this way, any overlaps present on the surface of the steel strip are determined. The main part of a strip surface inspection device can be housed in a cooling chamber. The outer end of the flat hood is located between two adjacent support rollers which face a steel strip which is produced in the continuous casting process.

Dieses bekannte Verfahren soll den Oberflächenzustand eines Stahlbands anzeigen und eine kontinuierliche Überwachung des breiten Oberflächenbereichs des Stahlbandes an der Fernseh-Monitoranlage vornehmen. Überdies soll der Oberflächenzustand des Stahlbandes in einer Anfangstufe der Stahlbandbewegung untersucht werden, wodurch die zum Auftreten von Überlappungen führenden Ursachen schnell behoben werden sollen, indem Daten infolge der Überprüfung einem Steuerbereich zugeführt werden, um die Gießgeschwindigkeit des Stahlbandes einzustellen. Die Bandoberflächen-Prüfvorrichtung soll die Überprüfung der Oberfläche eines Stahlbandes im Zuge der Durchführung des Stranggießverfahrens ermöglichen.This known method is intended to display the surface condition of a steel strip and to perform continuous monitoring of the wide surface area of the steel strip on the television monitor system. Moreover, the surface condition of the steel strip is to be examined at an initial stage of the steel strip movement, whereby the causes leading to the occurrence of overlaps can be quickly eliminated by feeding data resulting from the inspection to a control section in order to adjust the casting speed of the steel strip. The strip surface inspection device is intended to enable the surface of a steel strip to be inspected during the continuous casting process.

Aus der WO 91 17009 A1 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Inspektion eines Metall-Gießstrangs bekannt geworden. Bei diesem Verfahren kommt eine Laserquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls zum Einsatz, der auf den aus der Stranggießkokille herausgezogenen Strang eingestrahlt wird und in dem Strang in oder auf der Oberfläche eine akustische Welle erzeugt. Ferner sind Mittel vorgesehen, die die Wechselwirkung der akustischen Welle mit dem Strang detektieren und entsprechende Signale erzeugen. Ferner ist eine Einrichtung zur Analyse der Wellen und zur Erzeugung von Signalen vorhanden, die den Zustand des Gießstrangs kennzeichnen. Es können auch mehrere Laserquellen an der Peripherie des Strangs angeordnet sein. Der Detektor kann auch ein Interferometer umfassen.From the WO 91 17009 A1 A method for continuously inspecting a metal cast strand has become known. In this method, a laser source is used to generate a pulsed laser beam that is irradiated onto the strand pulled out of the continuous casting mold and generates an acoustic wave in the strand or on the surface. Means are also provided that detect the interaction of the acoustic wave with the strand and generate corresponding signals. A device is also provided for analyzing the waves and generating signals that characterize the condition of the cast strand. Several laser sources can also be arranged on the periphery of the strand. The detector can also comprise an interferometer.

Gemäß der WO 91 17009 A1 wird vorgeschlagen, den Wasserfluss im Bereich der Stranggießkokille, die Sekundärkühlung, die Gießgeschwindigkeit, den Rollenanpressdruck und den Energieverbrauch aufgrund der bei der Messung der Oberflächenwellen gewonnenen Informationen zu regeln.According to the WO 91 17009 A1 It is proposed to control the water flow in the continuous casting mould area, the secondary cooling, the casting speed, the roller contact pressure and the energy consumption based on the information obtained from the measurement of the surface waves.

Aus JP H08 62185 A und CN 2 720 440 Y sind zerstörungsfreie Verfahren zur Fehlerdetektion unter Einsatz von Wirbelströmen bekannt.Out of JP H08 62185 A and CN 2 720 440 Y Non-destructive methods for defect detection using eddy currents are known.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einsatz in einer Stranggießanlage und eine Stranggießanlage selber anzugeben, in der die Materialeigenschaften des Gießstrangs auf einfache Weise festgestellt werden können und aufgrund der dabei gewonnenen Daten der Gießprozess laufend optimiert wird.It is the object of the invention to provide a method for use in a continuous casting plant and a continuous casting plant itself in which the material properties of the cast strand can be determined in a simple manner and the casting process is continuously optimized on the basis of the data obtained.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der reflektierte Laserstrahl Informationen aus dem Gießstrang wiedergibt, die durch die Erzeugung eines Wirbelstroms in dem Gießstrang gewonnen werden.In a method of the type mentioned above, this object is achieved in that the reflected laser beam reproduces information from the cast strand which is obtained by generating an eddy current in the cast strand.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein neuartiges Verfahren mit entsprechenden Einrichtungen zur unmittelbaren Qualitätsbestimmung, auch unter sogenannten Heißbedingungen, darzustellen, welches über ein berührungsloses Messverfahren unmittelbar während der Erzeugung oder zeitnah zur Erzeugung eine Information über die erzeugte Qualität, d. h. die Oberflächen- oder die Innenqualität, eines Stahlstrangs für die prozessautomatisierte Steuerung oder dem Bediener zur Verfügung stellt, um dann die weiteren Produktionsschritte zu definieren, ohne dass eine materialzerstörende Inspektion erforderlich wird. Ferner sollen zeitnahe Hinweise auf einen Qualitätseinbruch mit der damit lokalisierten Fehlerstelle mit entsprechender Ortsangabe und Materialzuordnung gewonnen werden.The aim of the invention is to present a novel method with corresponding devices for direct quality determination, even under so-called hot conditions, which uses a contactless measuring method to provide information about the quality produced, i.e. the surface or internal quality, of a steel strand for the process-automated control system or the operator directly during production or shortly after production, in order to then define the further production steps without the need for a material-destructive inspection. Furthermore, timely indications of a drop in quality with the defect thus localized with the corresponding location and material assignment should be obtained.

In der zuletzt genannten Anwendung, die auch auf CSP-Anlagen zutrifft, soll über einen erfindungsgemäßen Maßnahmenplan, der auch teilautomatisiert im Automatisierungssystem erfolgen kann, eine direkte Anpassung von Produktparametern, beispielsweise eine Anpassung der Gießgeschwindigkeit, die Veränderung der Kühlwassermengen, die Anpassung der Gießpulverzuordnung, die Anpassung der Softreduction-Parameter, zielgerichtet und auf Erfahrungen beruhend eine Qualitätsverbesserung durchgeführt werden.In the last-mentioned application, which also applies to CSP plants, a direct adjustment of product parameters, for example an adjustment of the casting speed, the change of the cooling water quantities, the adjustment of the casting powder allocation, the adjustment of the soft reduction parameters, is to be carried out in a targeted manner and based on experience, using an action plan according to the invention, which can also be carried out partially automatically in the automation system.

Hierbei ergeben sich mehrere Vorteile: Es sind gegenüber dem Stand der Technik weniger manuelle Inspektionen sowohl des abgekühlten Produkts wie des laufenden Strangs erforderlich. Es ist eine unmittelbare und frühzeitige Qualitätskontrolle möglich, was zu geringeren Verlusten und zu einem geringeren Produktausschuss führt. Es kommt in geringerem Umfang zu Materialabwertungen.This results in several advantages: Compared to the state of the art, fewer manual inspections of both the cooled product and the running strand are required. Immediate and early quality control is possible, which leads to fewer losses and fewer product rejects. Material depreciation occurs to a lesser extent.

Prozessschritte für die Weiterverarbeitung können ohne zeitliche Verzögerung eingeleitet werden, wie sie sich durch eine erst nach dem Erkalten mögliche Qualitätsprüfung ergibt. Dies gilt besonders für den Heißeinsatz (Hot-Charging) der Produkte. Insbesondere in der Anwendung bei CSP-Anlagen lässt sich die Oberflächenqualität des Vorprodukts frühzeitig verbessern.Process steps for further processing can be initiated without any time delay, such as that caused by a quality inspection that is only possible after cooling. This is especially true for hot charging of the products. The surface quality of the preliminary product can be improved at an early stage, particularly when used in CSP systems.

Die Erfindung zeichnet sich durch ein berührungsloses und zerstörungsfreies Messverfahren zur Feststellung der Produktoberflächen- und Produktinnenqualität bei einer Oberflächentemperatur des Produkts aus, die beispielsweise im Bereich zwischen 400 und 1000 Grad Celsius liegt.The invention is characterized by a non-contact and non-destructive measuring method for determining the product surface and product interior quality at a surface temperature of the product that is, for example, in the range between 400 and 1000 degrees Celsius.

Die Messung erfolgt am vorbeilaufenden Material im laufenden Produktionsbetrieb; es ist kein Anhalten des Produkts für die Prüfung oder Messung erforderlich. Die Messung erfolgt vorzugsweise auf den Breitseiten des Produkts, d. h. bei Brammen, Dünnbrammen, Knüppeln und Blockanlagen. Im Falle von Profilen erfolgt die Messung auf den messtechnisch zugänglichen Oberflächen. Im Falle von Rund- oder Mehrkantprodukten kann die Messung auf allen zugänglichen Oberflächen stattfinden.The measurement is carried out on the material passing by during production; it is not necessary to stop the product for testing or measurement. The measurement is preferably carried out on the broad sides of the product, i.e. on slabs, thin slabs, billets and block systems. In the case of profiles, the measurement is carried out on the surfaces that are accessible for measurement. In the case of round or multi-edge products, the measurement can take place on all accessible surfaces.

Die aufgenommenen Fehlersituationen werden, insbesondere im Vergleich zu aufgezeichneten Gutsituationen oder zu einem noch akzeptablen Qualitätsergebnis, für den Bediener am Leitstand oder an entsprechend vorgesehenen Bedienplätzen visualisiert.The recorded error situations are visualized for the operator at the control center or at appropriately designated operating stations, particularly in comparison to recorded good situations or to a still acceptable quality result.

Es werden verfahrenstechnische Ausführungsbestimmungen, sogenanntes Routing, für die Weiterverarbeitung, z. B. das Aussortieren der Produkte mit festgestellten häufigen Fehlern oder die direkte Weiterverarbeitung der Produkte, definierte Behandlungsschritte bei geringen Fehlern, direkte Weiterverarbeitung bei fehlerfreien Produkten, bedingt durch den ermittelten Prüfzustand, abgeleitet. Daraus wird für den Bediener bei Fehlererkennung ein Maßnahmenplan zur systematischen Qualitätsverbesserung abgeleitet.Process engineering specifications, known as routing, are derived for further processing, e.g. sorting out products with identified frequent defects or direct further processing of the products, defined treatment steps for minor defects, direct further processing for defect-free products, depending on the determined test status. From this, an action plan for systematic quality improvement is derived for the operator when defects are identified.

Der Maßnahmenplan bei Fehlererkennung, der auch teilautomatisiert werden kann, umfasst eine systematische Qualitätsverbesserung für den Bediener, beispielsweise eine Anpassung der Gießgeschwindigkeit, der Kühlung oder der hydraulischen Anstellwerte für die Segmentanstellung.The action plan for error detection, which can also be partially automated, includes systematic quality improvement for the operator, for example adjustment of the casting speed, cooling or hydraulic adjustment values for the segment adjustment.

Gemäß der Erfindung werden eine vorzugsweise ortsfeste Messeinrichtung und ein ebenfalls vorzugsweise ortsfestes Messsystem installiert. Beide sind beispielsweise hinter der Strangführung in einem Bereich angeordnet, an dem das Gießprodukt noch nicht die Trenn- oder Schneideinrichtung durchlaufen hat, also beispielsweise hinter einem Biegetreiber oder im oder hinter dem Richttreiber oder unmittelbar vor der Trenneinrichtung.According to the invention, a preferably stationary measuring device and a likewise preferably a stationary measuring system is installed. Both are arranged, for example, behind the strand guide in an area where the cast product has not yet passed through the separating or cutting device, for example behind a bending driver or in or behind the straightening driver or immediately before the separating device.

Alternativ können die ortsfeste Messeinrichtung und das Messsystem in einer nachfolgenden Adjustageeinrichtung angeordnet sein, wobei sich das Produkt im noch heißen Zustand an der Messeinrichtung vorbeibewegt.Alternatively, the stationary measuring device and the measuring system can be arranged in a subsequent finishing device, with the product moving past the measuring device while still hot.

Die Anzahl der verwendeten Messsensoren zur Messung einer Produktseite hängt von den Produktabmessungen und dem Erfassungsbereich des Sensors ab. Somit können auch mehrere Sensoren in einer Anordnung nebeneinander einen erweiterten Messbereich abdecken.The number of measuring sensors used to measure one side of the product depends on the product dimensions and the detection range of the sensor. This means that several sensors arranged next to each other can cover an extended measuring range.

Vorzugsweise umfasst die Stranggießanlage auch ein Automatisierungssystem zur Datenerfassung und Datenaufbereitung, zur Qualitätsdarstellung sowie zur Aufnahme und Verarbeitung der Inspektionsdaten bzw. der von einem oder von mehreren Messsensoren herrührenden Messsignale. Ebenso können elektronische Speicher zur Datensicherung und Messdatenarchivierung des Betreibers vorgesehen werden, mit denen sich die während der Produktion gemessenen Werte lückenlos dokumentieren lassen.Preferably, the continuous casting plant also includes an automation system for data acquisition and data processing, for quality display and for recording and processing the inspection data or the measurement signals from one or more measuring sensors. Electronic storage devices can also be provided for the operator's data backup and measurement data archiving, with which the values measured during production can be fully documented.

Aus den über den Gießstrang gewonnenen Daten lässt sich gegebenenfalls eine automatisierte Ausführungsbestimmung für die Weiterverarbeitung des Produkts ableiten.From the data obtained from the cast strand, an automated execution specification for the further processing of the product can be derived if necessary.

Ebenfalls lässt sich ein automatisierter Maßnahmenplan zur Verbesserung der Produktqualität, vorzugsweise die schrittweise Anpassung der Gießgeschwindigkeit, die schrittweise Anpassung der Kühlung oder die schrittweise Anpassung der Softreduction-Parameter, ableiten.An automated action plan can also be derived to improve product quality, preferably the gradual adjustment of the casting speed, the gradual adjustment of the cooling or the gradual adjustment of the soft reduction parameters.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.Advantageous developments of the invention emerge from the subclaims and the description.

Insgesamt wird durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, gemäß dem aufgrund der reflektierten Lasersignale in einem Detektor Signale erzeugt und einem Regler eines Regelkreises zur Regelung von Prozessvariablen, insbesondere des Kühlwasserflusses, des Rollenanpressdrucks, der Gießpulverzuführung, der Energiezuführung, der Temperatur und/oder der Geschwindigkeit des Gießstrangs zugeführt und die Temperatur bzw. die Geschwindigkeit des Gießstrangs entsprechend geregelt werden.Overall, the invention provides a method according to which signals are generated in a detector on the basis of the reflected laser signals and fed to a controller of a control loop for controlling process variables, in particular the cooling water flow, the roller contact pressure, the mold powder feed, the energy supply, the temperature and/or the speed of the cast strand, and the temperature or the speed of the cast strand are controlled accordingly.

Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle einen Laserlichtstrahl durch einen mit einem Dielektrikum gefüllten inneren Bereich einer Sendespule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zur Induktion von Wirbelströmen in dem Gießstrang hindurchstrahlt und dass der von der Oberfläche des Gießstrangs reflektierte Laserstrahl nach erneutem Durchlaufen des Dielektrikums und eines Strahlteilers sowie eines Polarisationsfilters in einem optischen Sensor ein Signal erzeugt, das Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften des Gießstrangs unter der Einwirkung des magnetischen Wechselfeldes gibt und dass der Sensor aufgrund der gemessenen Laserlichtintensität Ausgangssignale erzeugt, die er an den Regler weiterleitet.Preferably, the method is characterized in that the laser source shines a laser light beam through an inner region of a transmitting coil filled with a dielectric to generate an alternating magnetic field for inducing eddy currents in the cast strand, and that the laser beam reflected from the surface of the cast strand, after passing through the dielectric and a beam splitter and a polarization filter again, generates a signal in an optical sensor that provides information about the surface properties of the cast strand under the influence of the alternating magnetic field, and that the sensor generates output signals based on the measured laser light intensity, which it forwards to the controller.

Bei diesem Detektionsverfahren wird der Faraday-Effekt ausgenutzt, wie er bei magnetooptischen Wirbelstromprüfsystemen zum Einsatz kommt. In an sich bekannter Weise werden berührungslos durch eine in die Nähe einer elektrisch leitenden Substanz gebrachte Anregungs- und Sendespule, die mit einem Wechselstrom betrieben wird, ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses dringt in das Material ein und induziert in diesem Wirbelströme. Die Verteilung und Stärke des Wirbelstroms sind von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften der zu untersuchenden Substanz abhängig. Der Wirbelstrom erzeugt ebenfalls ein magnetisches Wechselfeld, der nach der Lenzschen Regel das Feld der Sendespule abschwächt. Diese Abschwächung ließe sich mit einer in das Innere der Sendespule eingebrachten Empfangsspule nachweisen. Die Empfangsspule lässt sich jedoch durch einen anderen Sensor mit hohem lateralem Auflösungsvermögen, d. h. einem hohen Auflösungsvermögen in der Ebene des zu untersuchenden Gießstrangs, ersetzen, welcher den Faraday-Effekt zeigt. Diese Eigenschaft besitzt ein optisches Bauteil, das die Polarisationsrichtung einer Lichtwelle in Abhängigkeit von einem Magnetfeld dreht. Das Drehen der Polarisation ist eine Eigenschaft einiger Kristalle. Der Faraday-Rotator besteht aus einem derartigen Kristall in Verbindung mit einem diesen umgebenden Elektromagneten, der Sendespule. Dabei wirkt sich im Sinne der Erfindung auflösungserhöhend aus, dass die Drehung, die ein durch den Kristall hindurchlaufender polarisierter Lichtstrahl erfährt, bei einem zweiten Durchtritt durch den Rotator, unabhängig von der Laufrichtung des Lichts, stets verdoppelt wird.This detection method uses the Faraday effect, as used in magneto-optical eddy current testing systems. In a conventional manner, an alternating magnetic field is generated without contact by an excitation and transmission coil that is operated with an alternating current and placed near an electrically conductive substance. This penetrates the material and induces eddy currents in it. The distribution and strength of the eddy current depend on the electrical and magnetic properties of the substance to be examined. The eddy current also generates an alternating magnetic field, which weakens the field of the transmission coil according to Lenz's law. This weakening could be detected with a receiving coil placed inside the transmission coil. However, the receiving coil can be replaced by another sensor with a high lateral resolution, i.e. a high resolution in the plane of the cast strand to be examined, which shows the Faraday effect. This property is possessed by an optical component that rotates the polarization direction of a light wave depending on a magnetic field. The rotation of polarization is a property of some crystals. The Faraday rotator consists of such a crystal in conjunction with an electromagnet surrounding it, the transmitting coil. In the sense of the invention, the resolution-increasing effect is that the rotation experienced by a polarized light beam passing through the crystal is always doubled when it passes through the rotator a second time, regardless of the direction of travel of the light.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein weiteres Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften, insbesondere von Oberflächeneigenschaften, eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage unter Einsatz einer Laserquelle. Auch in diesem Fall werden auf die Oberfläche des Gießstrangs Laserimpulse gerichtet; und es ist ein Messgerät zur Auswertung von von der Oberfläche des Gießstrangs reflektierter Signale vorhanden.The invention also relates to a further method for determining properties, in particular surface properties, of a cast strand in a continuous casting plant using a laser source. In this case too, laser pulses are directed onto the surface of the cast strand; and a measuring device for evaluating of signals reflected from the surface of the cast strand.

Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gießstrang akustische Oberflächenwellen erzeugt werden, die von einem Detektor empfangen werden. Das Verfahren basiert auf der Anregung akustischer Oberflächenwellen in zu untersuchenden Proben. Sie werden durch kurze, insbesondere senkrecht auf die Probenoberfläche auftreffende Laserimpulse erzeugt und nach Zurücklegen einer wählbaren Wegstrecke mit einem hierfür geeigneten Detektor empfangen, bevorzugt im Frequenzbereich bis 200 MHz. Aus der sich ergebenden Schalldispersion kann dann auf die elastischen Eigenschaften in der untersuchten Schicht geschlossen werden. Dadurch lassen sich auf Substraten mit geringer Schallabschwächung bereits Schichten mit einer Dicke von 500 nm oder weniger untersuchen. Lediglich die Schichtdicke und die Querkontraktionszahl des Materials des Gießstrangs müssen bekannt sein.According to the invention, this method is characterized in that acoustic surface waves are generated in the cast strand, which are received by a detector. The method is based on the excitation of acoustic surface waves in samples to be examined. They are generated by short laser pulses, in particular those that impinge perpendicularly on the sample surface, and after traveling a selectable distance are received by a suitable detector, preferably in the frequency range up to 200 MHz. The resulting sound dispersion can then be used to draw conclusions about the elastic properties in the layer being examined. This means that layers with a thickness of 500 nm or less can be examined on substrates with low sound attenuation. Only the layer thickness and the Poisson's ratio of the material of the cast strand must be known.

Vorzugsweise wird zum Empfang der akustischen Oberflächenwellen ein piezokeramischer Detektor eingesetzt. Durch dieses Messverfahren lässt sich der Elastizitätsmodul des Gießstrangs bis zu einer Dicke von mehreren Mikrometern untersuchen. Dies bedeutet, dass hiermit nicht nur die Oberflächenqualität des Gießstrangs bestimmt wird, sondern auch die Innenqualität und die Beschaffenheit ermittelt werden. Die Schalllaufzeiten werden gemessen. Die Randschichten des Gießstrangs lassen sich dadurch charakterisieren, insbesondere lässt sich auch eine elastische Anisotropie des Bulk-Materials ermitteln, falls sie vorhanden ist.Preferably, a piezoceramic detector is used to receive the acoustic surface waves. This measuring method can be used to examine the elastic modulus of the cast strand up to a thickness of several micrometers. This means that not only the surface quality of the cast strand is determined, but also the internal quality and condition. The sound travel times are measured. The edge layers of the cast strand can be characterized in this way, and in particular an elastic anisotropy of the bulk material can also be determined if it exists.

Mit Vorteil werden die von dem Messgerät bzw. von dem Detektor gemessenen Werte an einem Monitor eines Leitstands der Stranggießanlage dargestellt.Advantageously, the values measured by the measuring device or the detector are displayed on a monitor in a control room of the continuous casting plant.

In vorteilhafter Weise ist das Verfahren auch dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch die Zuführung und die Menge des Kühlmittels im Bereich der Strangführungssegmente geregelt wird.Advantageously, the method is also characterized in that the temperature is regulated by the supply and the amount of coolant in the region of the strand guide segments.

Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf eine Strangggießanlage zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde. Erfindungsgemäß ist die Stranggießanlage dadurch gekennzeichnet, dass die Stranggießanlage eine Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur bzw. der Geschwindigkeit des Gießstrangs aufgrund der von dem Messgerät bzw. dem Detektor erzeugten Signale umfasst.The invention also relates to a continuous casting plant for carrying out a method as described above. According to the invention, the continuous casting plant is characterized in that the continuous casting plant comprises a control device for controlling the temperature or the speed of the cast strand based on the signals generated by the measuring device or the detector.

Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Stranggießanlage zum Gießen eines Metallstrangs mit einem integrierten Messgerät und
  • 2 das Messgerät im Detail.
The invention is explained in more detail below in an embodiment with reference to the drawings. These show:
  • 1 a schematic representation of a continuous casting plant for casting a metal strand with an integrated measuring device and
  • 2 the measuring device in detail.

Eine Stranggießanlage zum Gießen von Dünnbrammen umfasst eine Gießpfanne 1 (1), aus der flüssiges Metall, insbesondere flüssiger Stahl, über einen Zwischenbehälter 2 in eine Kokille 3 überführt wird. Aus der Kokille 3 entsteht ein Warmstrang 4, der durch eine Strangführung 5 mit hier nicht dargestellten Segmenten und Rollen geführt wird. Über Treibereinheiten 6, 7 wird der Warmstrang bis zu einer Trenneinrichtung 8 in Richtung eines Pfeils A weitergeführt. In der Trenneinrichtung 8 entstehen aus dem Warmstrang 4 einzelne Brammen 9.A continuous casting plant for casting thin slabs comprises a ladle 1 ( 1 ), from which liquid metal, in particular liquid steel, is transferred via an intermediate container 2 into a mold 3. A hot strand 4 is produced from the mold 3 and is guided through a strand guide 5 with segments and rollers (not shown here). The hot strand is guided further via driver units 6, 7 to a separating device 8 in the direction of an arrow A. In the separating device 8, individual slabs 9 are produced from the hot strand 4.

Beispielsweise zwischen der letzten Treibereinheit 7 und der Trenneinrichtung 8 ist ein Messgerät 10 zur Messung der Material- oder Gefügeeigenschaften des Warmstrangs 4 berührungslos zur Strangoberfläche und vorzugsweise auch noch winkelverstellbar gegenüber dem Warmstrang 4 angeordnet. Die von dem Messgerät 10 gewonnenen Daten werden einer Datenerfassungs-, Aufbereitungs-, Auswerte- und Archivierungs- sowie Steuer- oder Regeleinheit 11 zugeführt. Dieser werden von einem (hier nicht dargestellten) Leitstand über Datenleitungen Prozessdaten und/oder Betriebsparameter zugeführt, so dass die Steuer- oder Regeleinheit 11 diese unter Berücksichtigung der von dem Messgerät 10 übermittelten Daten auswertet, um Betriebsgrößen wie die Zuführung des Flüssigmetalls im Bereich der Gießpfanne 1 und des Zwischengefäßes 2, die Kühlung im Bereich der Kokille 3, die Sekundärkühlung in der Strangführung 5 oder in einer (nicht dargestellten) nachgeordneten Kühleinheit, den Anpressdruck von Führungs- oder Treiberrollen in den Treibereinheiten 6, 7 sowie weitere Betriebsgrößen zu bestimmen.For example, between the last driver unit 7 and the separating device 8, a measuring device 10 for measuring the material or structural properties of the hot strand 4 is arranged without contact with the strand surface and preferably also with an adjustable angle relative to the hot strand 4. The data obtained by the measuring device 10 is fed to a data acquisition, processing, evaluation and archiving as well as control or regulating unit 11. Process data and/or operating parameters are fed to this from a control station (not shown here) via data lines, so that the control or regulating unit 11 evaluates these taking into account the data transmitted by the measuring device 10 in order to determine operating variables such as the supply of liquid metal in the area of the ladle 1 and the intermediate vessel 2, the cooling in the area of the mold 3, the secondary cooling in the strand guide 5 or in a downstream cooling unit (not shown), the contact pressure of guide or driver rollers in the driver units 6, 7 and other operating variables.

Daten aus der Steuer- oder Regeleinheit 11 werden zu einem Monitor 12 weitergeleitet und für den Bediener visualisiert.Data from the control or regulating unit 11 are forwarded to a monitor 12 and visualized for the operator.

Das Messgerät 10 (2) umfasst als Quelle zur Erzeugung polarisierten Lichts beispielsweise einen Nd:YAG-Laser 13 mit einer Wellenlänge von 532 nm. Der von dem Laser 13 erzeugte Laserstrahl tritt durch einen Strahlteiler 14 hindurch und dann in einen Faraday-Rotator 15 ein, der einen optisch aktiven Kristall 16 (Dielektrikum) und eine diesen umgebende Spule 17 umfasst. An die Spule 17 wird ein insbesondere hochfrequenter Wechselstrom zur Erzeugung eines Magnetfelds angelegt, das seinerseits Wirbelströme in dem unter dem Messgerät 10 vorbeilaufenden Warmstrang 4 erzeugt. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits Magnetfelder, die zusammen mit dem Magnetfeld der Spule 17 die Polarisation des von einer gesonderten Spiegelschicht oder von der Oberfläche des Warmstrangs 4 selber reflektierten Laserstrahls drehen.The measuring device 10 ( 2 ) comprises, for example, a Nd:YAG laser 13 with a wavelength of 532 nm as a source for generating polarized light. The laser beam generated by the laser 13 passes through a beam splitter 14 and then into a Faraday rotator 15, which comprises an optically active crystal 16 (dielectric) and a coil 17 surrounding it. A particularly high-frequency alternating current is applied to the coil 17 to generate a magnetic field, which in turn generates eddy currents in the hot strand 4 passing under the measuring device 10. The eddy currents in turn generate magnetic fields, which together with the magnetic field of the coil 17 polarize the light reflected by a separate mirror layer or from the surface of the hot strand 4 itself reflected laser beam.

Über den Strahlteiler 14 trifft sodann der zurückreflektierte Laserstrahl durch einen Polarisationsfilter 18 hindurch, der nur Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung hindurchlässt. Nur die Komponente des reflektierten Laserstrahls, die diese Polarisationsrichtung aufweist, wird hindurchgelassen und durch einen optischen Sensor 19, beispielsweise eine Photodiode oder eine CCD-Kamera, detektiert. Damit wird die Magnetfeldverteilung im inneren der Spule 17, d. h. in dem Kristall 16, in eine Lichtintensitätsverteilung umgewandelt, die Aufschluss gibt über die Eigenschaften des Warmstrangs 4 im Bereich der Oberfläche und unter der Oberfläche. Es ist auch möglich, das gesamte Messgerät oder ausschließlich den Faraday-Rotator 15, gegenüber der Oberfläche des Warmstrangs 4 unter einem bestimmten Winkel zu kippen, um Untersuchungen für verschiedene Winkelbereiche durchzuführen.The laser beam reflected back then passes through the beam splitter 14 through a polarization filter 18, which only allows light of a specific polarization direction to pass through. Only the component of the reflected laser beam that has this polarization direction is allowed through and detected by an optical sensor 19, for example a photodiode or a CCD camera. This converts the magnetic field distribution inside the coil 17, i.e. in the crystal 16, into a light intensity distribution that provides information about the properties of the hot strand 4 in the area of the surface and below the surface. It is also possible to tilt the entire measuring device or just the Faraday rotator 15 at a specific angle relative to the surface of the hot strand 4 in order to carry out investigations for different angle ranges.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Gießpfanneladle
22
ZwischenbehälterIntermediate container
33
KokilleMould
44
WarmstrangHot strand
55
StrangführungStrand guide
66
TreibereinheitDriver unit
77
TreibereinheitDriver unit
88th
TrenneinrichtungSeparator
99
BrammenSlabs
1010
MessgerätMeasuring device
1111
Steuer- und RegeleinheitControl and regulation unit
1212
Monitormonitor
1313
Nd:YAG-LaserNd:YAG laser
1414
StrahlteilerBeam splitter
1515
Faraday-RotatorFaraday rotator
1616
Kristallcrystal
1717
SpuleKitchen sink
1818
PolarisationsfilterPolarizing filter
1919
Sensorsensor

Claims (7)

Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften, insbesondere von Oberflächeneigenschaften, eines Gießstrangs (4) in einer Stranggießanlage unter Einsatz einer Laserquelle (13) zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Gießstrangs (4) gerichteten Laserstrahls und eines Messgeräts (10) zur Auswertung von von der Oberfläche des Gießstrangs (4) reflektierten Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (13) einen Laserstrahl durch einen mit einem Dielektrikum (16) gefüllten inneren Bereich einer Sendespule (17) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zur Induktion von Wirbelströmen in dem Gießstrang (4) hindurchstrahlt und dass der von der Oberfläche des Gießstrangs (4) reflektierte Laserstrahl nach erneutem Durchlaufen des Dielektrikums (16) und eines Strahlteilers (14) sowie eines Polarisationsfilters (18) in einem optischen Sensor (19) ein Signal erzeugt, das Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften des Gießstrangs (4) unter der Einwirkung des magnetischen Wechselfeldes gibt und dass der Sensor (19) aufgrund der gemessenen Laserlichtintensität Ausgangssignale erzeugt, die er an einen Regler (11) eines Regelkreises zur Regelung von Prozessvariablen weiterleitet, dass die Temperatur bzw. die Geschwindigkeit des Gießstrangs (4) entsprechend geregelt werden, wobei der reflektierte Laserstrahl Informationen aus dem Gießstrang (4) wiedergibt, die durch die Erzeugung der Wirbelströme gewonnen werden.Method for determining properties, in particular surface properties, of a cast strand (4) in a continuous casting plant using a laser source (13) for generating a laser beam directed at the surface of the cast strand (4) and a measuring device (10) for evaluating signals reflected from the surface of the cast strand (4), characterized in that the laser source (13) shines a laser beam through an inner region of a transmitting coil (17) filled with a dielectric (16) for generating an alternating magnetic field for inducing eddy currents in the cast strand (4) and that the laser beam reflected from the surface of the cast strand (4) generates a signal in an optical sensor (19) after passing through the dielectric (16) and a beam splitter (14) as well as a polarization filter (18) again, which signal provides information about the surface properties of the cast strand (4) under the influence of the alternating magnetic field and that the sensor (19) on the basis of the measured laser light intensity Generates output signals which it forwards to a controller (11) of a control loop for controlling process variables so that the temperature or the speed of the cast strand (4) are controlled accordingly, wherein the reflected laser beam reproduces information from the cast strand (4) which is obtained by the generation of the eddy currents. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessvariable der Kühlwasserfluss, der Rollenanpressdruck, die Gießpulverzuführung, die Energiezuführung, die Temperatur und/oder die Geschwindigkeit des Gießstrangs (4) geregelt werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the cooling water flow, the roller contact pressure, the casting powder supply, the energy supply, the temperature and/or the speed of the casting strand (4) are controlled as process variables. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gießstrang (4) akustische Oberflächenwellen erzeugt werden, die von einem Detektor empfangen werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that acoustic surface waves are generated in the cast strand (4) and are received by a detector. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die akustischen Oberflächenwellen von einem piezokeramischen Detektor empfangen werden.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the acoustic surface waves are received by a piezoceramic detector. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Messgerät (10) bzw. von dem Detektor gemessenen Werte an einem Monitor (12) eines Leitstands der Stranggießanlage dargestellt werden.Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the values measured by the measuring device (10) or by the detector are displayed on a monitor (12) of a control station of the continuous casting plant. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch die Zuführung und die Menge des Kühlmittels im Bereich der Strangführungssegmente geregelt wird.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the temperature is regulated by the supply and the quantity of coolant in the region of the strand guide segments. Stranggießanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Laserquelle (13) zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Gießstrangs (4) gerichteten Laserstrahls und mit einem Messgerät (10) mit einem Detektor zur Auswertung von von der Oberfläche des Gießstrangs (4) reflektierten Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein optischer Sensor (19) ist, dass der Laserstrahl durch einen mit einem Dielektrikum (16) gefüllten inneren Bereich einer Sendespule (17) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zur Induktion von Wirbelströmen in dem Gießstrang (4) hindurchstrahlbar ist und dass durch den von der Oberfläche des Gießstrangs (4) reflektierten Laserstrahl nach erneutem Durchlaufen des Dielektrikums (16) und eines Strahlteilers (14) sowie eines Polarisationsfilters (18) in dem optischen Sensor (19) ein Signal erzeugbar ist, das Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften des Gießstrangs (4) unter der Einwirkung des magnetischen Wechselfeldes gibt und dass der Sensor (19) aufgrund der gemessenen Laserlichtintensität Ausgangssignale erzeugt, die einer von der Stranggießanlage umfassten Regeleinrichtung (11) zur Regelung der Temperatur bzw. der Geschwindigkeit des Gießstrangs (4) aufgrund der von dem Messgerät (10) erzeugten Signale zuführbar sind.Continuous casting plant for carrying out a process according to one of the Claims 1 until 6 with a laser source (13) for generating a laser beam directed onto the surface of the cast strand (4) and with a measuring device (10) with a Detector for evaluating signals reflected from the surface of the cast strand (4), characterized in that the detector is an optical sensor (19), that the laser beam can be radiated through an inner region of a transmitting coil (17) filled with a dielectric (16) for generating an alternating magnetic field for inducing eddy currents in the cast strand (4), and that the laser beam reflected from the surface of the cast strand (4) can, after passing through the dielectric (16) and a beam splitter (14) and a polarization filter (18) again, generate a signal in the optical sensor (19) that provides information about the surface properties of the cast strand (4) under the influence of the alternating magnetic field, and that the sensor (19) generates output signals based on the measured laser light intensity, which are sent to a control device (11) included in the continuous casting plant for controlling the temperature or the speed of the cast strand (4) based on the signals generated by the measuring device (10). can be supplied.
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