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WO2012168005A1 - Verfahren zum regeln der höhe des giessspiegels in einer kokille einer stranggiessanlage - Google Patents

Verfahren zum regeln der höhe des giessspiegels in einer kokille einer stranggiessanlage Download PDF

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Publication number
WO2012168005A1
WO2012168005A1 PCT/EP2012/057972 EP2012057972W WO2012168005A1 WO 2012168005 A1 WO2012168005 A1 WO 2012168005A1 EP 2012057972 W EP2012057972 W EP 2012057972W WO 2012168005 A1 WO2012168005 A1 WO 2012168005A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mold
height
liquid metal
volume flow
controller
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/057972
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Lieftucht
Erich Hovestädt
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.)
SMS Siemag AG
Original Assignee
SMS Siemag AG
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 SMS Siemag AG filed Critical SMS Siemag AG
Priority to CN201280038622.2A priority Critical patent/CN103702784B/zh
Priority to EP12718198.0A priority patent/EP2718043B1/de
Publication of WO2012168005A1 publication Critical patent/WO2012168005A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B22D11/18—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
    • B22D11/18—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
    • B22D11/182—Controlling or regulating processes or operations for pouring responsive to molten metal level or slag level by measuring temperature

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the height of the casting mirror in a mold of a continuous casting plant.
  • liquid metal is usually passed from a ladle via a shadow tube into an intermediate container (tundish). From the intermediate container then passes the liquid metal through a pouring tube into the mold. At the lower end of the mold, the cast strand is then discharged and deflected by means of a strand guide from the vertical to the horizontal.
  • the discharge from the intermediate container into the pouring tube may comprise a stopper which is arranged in a valve seat and by raising or lowering of which the volume flow of the liquid metal can be influenced.
  • the plug position is influenced by a moving element, which is controlled by a controller to obtain a defined volume flow.
  • the unknown transfer function of the plug is a disturbance variable; that is, it is not known per se how the volume flow of liquid metal changes when the plug is raised or lowered a defined amount.
  • the problem arises from the fact that it is unknown how the transfer function changes if, due to clogging or erosion, a Change takes place at the seat of the plug in the outflow opening. Clogging describes the caking of material in the pouring tube or on the stopper; As a result, the plug must be raised further in order to achieve the same volume flow of metal.
  • aggressive processes carry material from the stopper, so that in some steel grades, the stopper must be constantly fed further in order to obtain the same volume flow of metal.
  • a method is to be proposed with which the level of the casting mirror can be kept as stable and as constant as possible at a predetermined value or in a predetermined range, even with the aforementioned influencing variable.
  • stopper the volume flow of liquid metal flowing from the ladle or the intermediate container into the mold is measured by a flow sensor as the actual volume flow, the volume flow being determined according to a nominal value and taking into account the measured actual value.
  • Volume control in a first control loop is controlled by a first controller, wherein the first controller acts on the control, wherein the height of the mold level in the mold after specification of a desired value or desired range and taking into account the actual height of the mold level in a second control loop with a second controller is controlled, wherein the second controller to the first control circuit sets a target value for the flow, wherein the determination of the actual height of the casting mirror takes into account a standing wave on the casting mirror, which is due to the inflow of liquid metal in the mold the G confusesp iegel is formed by a temperature profile over the height of the mold at a number of peripheral locations of the mold is detected and the measured temperature profiles are used in determining the effective height of the mold level.
  • the determination of a temperature profile over the height of the mold by means of at least one optical waveguide, which is arranged vertically in the mold wall.
  • the temperature profile over the height of the mold can be detected for each optical waveguide and the maximum of the measured values can be used as a criterion for the position of the actual height of the mold level at the relevant peripheral point of the mold.
  • a movable closure plug is used.
  • a sensor is advantageously used, which determines the volume flow by induction of a magnetic field in the liquid metal.
  • At least four optical waveguides, more preferably even at least eight or more optical waveguides, are preferably arranged around the circumference of the mold, each of which detects a temperature profile above the height of the mold.
  • Each optical waveguide can detect at least 5, preferably at least 20, measured temperature values over the height extent of the mold. The detection of up to 40 temperature values is possible.
  • a range is preferably set, which is located at a defined distance from the upper edge of the mold. In this case, it is particularly preferably provided that a distance from the upper edge of the mold between 90 and 1 10 mm is specified for the desired range.
  • the second controller no deviation is preferably reported to the second controller, as long as a value is determined for the actual height of the liquid metal which lies within the predetermined range.
  • the first controller and the second controller are preferably designed so that the adjustment of the volume flow is faster than the adjustment of the height of the liquid metal in the mold.
  • the invention proposes that the integrative fraction of the fill level in the mold takes place by detecting the temperature distribution in the mold by means of optical waveguides and inference to the actual G manador altar way, but then fast dynamic changes by flow measurement (volume flow measurement) are controlled at the pouring tube.
  • the regulation of the liquid steel mirror in the mold ie the regulation of the integrative component, is carried out - as mentioned - so that the G stealadorwait moves in a defined range.
  • a distributed measurement of the temperature profile over the mold height with the mentioned fiber optic methods is provided for this purpose.
  • the Optical Time Domain Reflectometry method or the Optical Frequency Domain Reflectometry method is used.
  • the mold is in this case provided over the circumference with a plurality of optical waveguides which extend vertically in the mold wall and have up to 40 measuring points.
  • a "heat lobe" is measured with each optical waveguide, ie a temperature profile above the mold height.
  • the pouring mirror is mainly described by the position of the maximum of the heat lobe.
  • the distributed measurement of up to 32 heat lobes distributed over the circumference of the chill mold creates a "mountain range" along the outer boundary of the chill mold so that the shape and size of a so-called “standing wave” in the chill mold can be determined.
  • This control over the distributed measurement in the mold thus serves to adjust the integrative content in the mold. It should be prevented the runaway of the casting mirror from a target area.
  • a target range of, for example, 90 to 110 mm is determined for controlling the integrative fraction in the mold In this range and has no strong fluctuations, there are no control interventions with respect to the integrative level.
  • the number of optical fibers can be selected expertly. In principle, it is also possible to work with only a single optical waveguide, of course with a loss of accuracy.
  • the optical waveguide would be preferred in this case z.
  • the optical waveguide is preferably laid in a cladding tube.
  • the cladding tube has, for example, an outer diameter of 0.5 to 2 mm and an inner diameter of 0.4 to 1, 8 mm and is made of stainless steel.
  • the introduction into the mold is carried out by insertion into a bore made for this purpose or by incorporation in a layer of copper or nickel.
  • the temperature rise times for the optical waveguide in the cladding tube are very short (after a time well below one second, a considerable part of the final temperature value is reached). A resolution of up to 1 ° C is possible. Accordingly, the overall result is an effective control of the rapidly changing portion by a very rapid flow measurement at the pouring tube and a control based on the control of the volume flow of liquid metal, which is conveyed into the mold.
  • the further control of the integrative component in the mold is, however, by observing a confidence interval (target range) for the level of the pouring mold in the mold, for which the distributed optical fiber measurement is used, with which a fatiguengebirgszug the so-called. Standing wave is detected. Effects such as bulging can hereby be recorded and corrected.
  • the technology of measuring temperatures by optical waveguides is known as such, to which reference is made to WO 2004/015349 A2 and to WO 2007/079894 A1.
  • Fig. 1 shows schematically a continuous casting, wherein in addition to a ladle, an intermediate container and a mold and a control scheme is outlined
  • Fig. 2 shows the section A-B of FIG. 1 by the mold and
  • Fig. 3 shows schematically the course of a measured temperature above the height of the mold.
  • a part of a continuous casting plant 3 is outlined, which has a ladle 5 for receiving molten steel 4 in a known manner.
  • the liquid metal 4 passes into an intermediate container 6. From this in turn, the liquid metal 4 is passed through a pouring tube 7 in the mold 2.
  • the liquid metal 4 forms a pouring mirror. 1
  • the height h of the pouring mirror 1 should remain as constant as possible during continuous casting and, in any case, be in a range which is away from the upper edge of the mold 2 by a defined distance x. Specifically, it has proven useful if the casting mirror 1 remains at a distance x of 90 to 1 10 mm from the upper edge of the mold 2.
  • the volume flow V of liquid metal 4, which is supplied to the mold 2 can be influenced by a control element 8, which - formed as a plug - can be moved via an actuating element in the direction of the double arrow in FIG. Accordingly, more or less volume of liquid metal 4 can be passed into the mold 2 per time.
  • a first control loop which consists of a first regulator 10 and the first controlled system 14 influenced by it (see the schematic representation in FIG. Given the first control loop is a setpoint for the flow rate V So u. The actual
  • Volume flow VM is detected by a flow sensor 9, which is arranged in or on the pouring tube 7.
  • a sensor is included that includes a magnet whose force is detected by a weighing device. This force is influenced by the flow of the liquid metal so that the volume flow can be measured.
  • the deviation V So u - V is given to the first controller 10, which then actuates the control element 8 accordingly.
  • superimposed in cascade on the first control loop is a second control loop which has a second regulator 11 and a second control path 15.
  • the manipulated variable is the nominal height of the casting mirror h S0 ii, which - as explained - should be at a predetermined value or in a predetermined range.
  • the desired height or the desired height range is specified for the control.
  • the second controller 1 1 is the second controlled system 15 before the control signal, in which case the first control loop is interposed (cascade control).
  • St is subtracted from the desired height h S0 ii, so that at a given control difference, the second controller 1 1 causes the necessary.
  • the determination of the actual height of the pouring mirror in 1 of the mold 2 is correspondingly important. Due to the inflow of liquid metal 4 into the mold 2, a so-called standing wave forms here, which is indicated in FIG. 1 in the mold. Also sketched are some flow arrows in the melt. The flow is responsible for the fact that it comes to said standing wave.
  • each optical fiber 12 is located in a vertical bore which is introduced in the mold wall. About the circumference up to 32 optical fibers 12 are placed.
  • Each optical waveguide 12 can detect the temperature profile over the height h of the mold 2, for example, via the fiber Bragg grating method explained in more detail below.
  • the optical waveguide 12 typically has a diameter of z. B. 0.12 mm; with cladding usually results in a diameter in the range of 0.5 mm to 2.0 mm.
  • the optical waveguide 12 can withstand temperatures up to 800 ° C continuous load.
  • the optical waveguides 12 are connected to a temperature detection system, not shown. By means of the detection system laser light is generated, which is fed into the optical waveguide 12. The data collected by the optical fiber 12 are converted into temperatures by means of the detection system and assigned to the various measurement locations.
  • the evaluation can be carried out, for example, according to the so-called fiber Bragg grating method (FBG method).
  • FBG method fiber Bragg grating method
  • suitable optical waveguides are used, the measuring points with a periodic variation of the refractive index or grating get impressed with such variations.
  • This periodic variation of the refractive index leads to the fact that the optical waveguide represents a dielectric mirror as a function of the periodicity for specific wavelengths at the measuring points.
  • the Bragg wavelength is changed and exactly this is reflected.
  • Light that does not meet the Bragg condition is not significantly affected by the Bragg grating.
  • the different signals of the different measuring points can then be distinguished from one another on the basis of propagation time differences.
  • the accuracy of the spatial resolution is given by the number of impressed measuring points.
  • the size of a measuring point can be, for example, in the range of 1 mm to 5 mm.
  • the "Optical Frequency Domain Reflectometry” method (OFDR method) or the “Optical Time Domain Reflectometry” method (OTDR method) can be used to measure the temperature.
  • These methods are based on the principle of fiber optic Raman backscatter, taking advantage of the fact that a temperature change at the point of a light guide causes a change in the Raman backscatter of the optical waveguide material.
  • the evaluation unit eg a Raman reflectometer
  • the temperature values along a fiber can then be determined in a spatially resolved manner, with this method averaging over a specific length of the conductor. This length is about a few centimeters.
  • the different measuring points are in turn separated by differences in transit time.
  • the construction of such systems for evaluation according to the said methods is well known, as are the necessary lasers which generate the laser light within the optical waveguide.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Höhe (h) des Gießspiegels (1) in einer Kokille (2) einer Stranggießanlage (3), wobei flüssiges Metall (4) in die Kokille (2) fließt, wobei der Ausfluss von flüssigem Metall (4) in die Kokille (2) von einem Steuerelement (8) gesteuert werden kann, wobei der in die Kokille (2) fließende Volumenstrom an flüssigem Metall (4) von einem Durchflusssensor (9) gemessen wird, wobei der Volumenstrom nach Vorgabe eines Sollwerts in einem ersten Regelkreis geregelt wird, wobei die Höhe (h) des Gießspiegels (1) nach Vorgabe eines Sollwerts oder Sollbereichs (hsoll) in einem zweiten Regelkreis geregelt wird, wobei ein zweiter Regler (11) dem ersten Regelkreis einen Sollwert für den Volumenstrom vorgibt, wobei die Ermittlung der Ist-Höhe (hist) des Gießspiegels (1) unter Berücksichtigung einer stehenden Welle auf dem Gießspiegel (1) bevorzugt mittels einer Anzahl Lichtwellenleitern (12) erfolgt. Damit kann in verbesserter Weise die Höhe des Gießspiegels in der Kokille konstant gehalten werden.

Description

Verfahren zum Regeln der Höhe des Gießspiegels in einer Kokille einer Stranggießanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Höhe des Gießspiegels in einer Kokille einer Stranggießanlage.
Beim Stranggießen eines Metallstrangs wird zumeist flüssiges Metall von einer Gießpfanne über ein Schattenrohr in einen Zwischenbehälter (Tundish) geleitet. Vom Zwischenbehälter gelangt dann das flüssige Metall über ein Gießrohr in die Kokille. Am unteren Ende der Kokille wird der gegossene Strang dann ausgetragen und mittels einer Strangführung von der Vertikalen in die Horizontale umgelenkt.
Wichtig ist dabei, dass das flüssige Metall in der Kokille auf einer definierten Gießspiegelhöhe gehalten wird, um den Stranggießvorgang qualitativ hochwertig ausführen zu können. Hierfür ist zumeist ein gewisser Höhenbereich zugelassen, in dem der Gießspiegel in der Kokille liegen darf. Der Ausfluss vom Zwischenbehälter in das Gießrohr kann einen Stopfen umfassen, der in einem Ventilsitz angeordnet ist und durch dessen Anheben oder Absenken der Volumenstrom des flüssigen Metalls beeinflusst werden kann. Die Stopfenlage wird durch ein Bewegungselement beeinflusst, das von einem Regler angesteuert wird, um einen definierten Volumenstrom zu erhalten.
Bei der Regelung eines gewünschten konstanten Volumenstroms im Gießrohr ist die unbekannte Übertragungsfunkton des Stopfens eine Störgröße; d. h. es ist per se nicht bekannt, wie sich der Volumenstrom an flüssigem Metall ändert, wenn der Stopfen einen definierten Betrag angehoben oder abgesenkt wird. Das Problem ergibt sich dabei dadurch, dass es unbekannt ist, wie sich die Übertragungsfunktion ändert, wenn durch Clogging oder durch Erosion eine Veränderung am Sitz des Stopfens in der Ausflussöffnung stattfindet. Das Clogging beschreibt das Anbacken von Material im Gießrohr bzw. am Stopfen; hierdurch muss der Stopfen weiter aufgezogen werden, um denselben Volumenstrom Metall zu erreichen. Andererseits tragen aggressive Vorgänge Material vom Stopfen ab, so dass bei einigen Stahlsorten der Stopfen ständig weiter zugefahren werden muss, um den gleichen Volumenstrom Metall zu erhalten. Erfolgt unerwünscht ein plötzliches Wegbrechen einer Verkrustung, kommt es zu einer entsprechenden Änderung im Volumenstrom des flüssigen Metalls und folglich zu einer Gießspiegelschwankung in der Kokille. Die Regelung des Volumenstroms an flüssigem Metall in die Kokille kann bei unbekannter Übertragungsfunktion, d. h. bei unbekannter Stopfenkennlinie, zumeist nur mit einer geringen Verstärkung des Reglers eingestellt werden, damit Instabilitäten verhindert werden. Eine geringe Verstärkung vermindert allerdings die Ausregelbarkeit von Gießspiegelschwankungen.
Aus der DE 10 2009 057 861 A1 ist es bekannt, für eine schnelle Regelung des Volumenstroms ein Messgerät für den Volumenstrom innerhalb des Gießrohrs einzusetzen. Somit kann ein relativ schnelles Regeln des Volumenstroms erfolgen. Als vorteilhafter Sensor für den Volumenstrom hat sich eine Lösung bewährt, die in der WO 00/58695 A1 beschrieben ist. Hier werden magnetische Felder eingesetzt, um den Volumenstrom schnell und genau zu bestimmen. Mittels des hier beschriebenen Sensors kann eine Messwerterfassung im Zehntelsekunden-Bereich erfolgen; die Auflösung ist auch sehr präzise, so dass der tatsächliche Volumenstrom genau erfasst werden kann.
Neben der konstanten Regelung des Volumenstroms an flüssigem Metall in die Kokille besteht ein anderes Problem darin, dass sich auch in der Kokille selber Strömungseffekte des flüssigen Metalls ergeben, die es schwierig machen, eine definierte Gießhöhe in der Kokille stabil aufrecht zu erhalten. Des weiteren ist die Verhaltensweise des gegossenen Stranges, solange dieser noch nicht solidifiziert ist, eine potentielle Störquelle für das Konstanthalten des Gießspiegels. Störgrößen sind zum einen das dynamische Ausbauchen des Stranges zwischen den Strangführungsrollen, d. h. das sog. Bulging. Hieraus resultieren ein Pumpeffekt und eine nachfolgende Gießspiegelschwankung. Zum anderen entsteht ein Storeinfluss dadurch, dass sich Wellen auf der Kokillenoberfläche ausbilden, die vom Eingießen des flüssigen Metalls in die Kokille herrühren. Diese Wellen täuschen einem Messgerät in der Kokille bei Wellendurchgang an der Messstelle eine Gießspiegelschwankung vor, also eine scheinbare Änderung der Gießspiegelhöhe, die so nicht existiert.
Zwar ist es aus der DE 10 2008 060 032 A1 als solches bekannt, die Gießspiegelhöhe in einer Kokille zu erfassen, wofür hier Lichtwellenleiter eingesetzt werden, die in der Kokille angeordnet sind. Die Temperaturmessung erfolgt beispielsweise mit dem Faser-Bragg-Gitter-Verfahren.
Während insoweit isolierte Maßnahmen bekannt sind, die ein Konstanthaltung der Gießspiegelhöhe in der Kokille begünstigen, ist es allerdings nach wie vor problematisch, die Maßnahmen so in einen Kontext zu stellen, dass insgesamt das Regelergebnis verbessert werden kann.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln der Höhe des Gießspiegels in einer Kokille einer Stranggießanlage vorzuschlagen, das sich durch eine verbesserte Effizienz auszeichnet, d. h. es soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, mit dem die Gießspiegelhöhe auch bei den genannten Einflussgröße möglichst stabil und möglichst konstant auf einem vorgegebenen Wert bzw. in einem vorgegebenen Bereich gehalten werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass flüssiges Metall von einer Gießpfanne oder einem Zwischenbehälter über mindestens ein Gießrohr in die Kokille fließt, wobei der Volumenstrom an flüssigem Metall von der Gießpfanne oder dem Zwischenbehälter in die Kokille von einem Steuerelement (Stopfen) gesteuert werden kann, wobei der von der Gießpfanne oder dem Zwischenbehälter in die Kokille fließende Volumenstrom an flüssigem Metall von einem Durchflusssensor als Ist-Volumenstrom gemessen wird, wobei der Volumenstrom nach Vorgabe eines Sollwerts und unter Berücksichtigung des gemessenen Ist-Volumenstroms in einem ersten Regelkreis mit einem ersten Regler geregelt wird, wobei der erste Regler auf das Steuerelement einwirkt, wobei die Höhe des Gießspiegels in der Kokille nach Vorgabe eines Sollwerts oder Sollbereichs und unter Berücksichtigung der Ist- Höhe des Gießspiegels in einem zweiten Regelkreis mit einem zweiten Regler geregelt wird, wobei der zweite Regler dem ersten Regelkreis einen Sollwert für den Volumenstrom vorgibt, wobei die Ermittlung der Ist-Höhe des Gießspiegels unter Berücksichtigung einer stehenden Welle auf dem Gießspiegel erfolgt, die sich durch das Einströmen von flüssigem Metall in die Kokille auf dem Gießspiegel ausbildet, indem ein Temperaturverlauf über der Höhe der Kokille an einer Anzahl Umfangsstellen der Kokille erfasst wird und die gemessenen Temperaturverläufe bei der Bestimmung der effektiven Höhe des Gießspiegels zugrunde gelegt werden.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung eines Temperaturverlaufs über der Höhe der Kokille mittels mindestens eines Lichtwellenleiters, der vertikal in der Kokillenwand angeordnet ist.
Für jeden Lichtwellenleiter kann dabei das Temperaturprofil über der Höhe der Kokille erfasst werden und das Maximum der Messwerte als Kriterium für die Lage der aktuellen Höhe des Gießspiegels an der betreffenden Umfangsstelle der Kokille zugrunde gelegt werden.
Als Steuerelement wird bevorzugt ein beweglicher Verschlussstopfen eingesetzt. Als Durchflusssensor wird mit Vorteil ein Sensor verwendet, der durch Induktion eines magnetischen Feldes in das flüssige Metall den Volumenstrom bestimmt. Bevorzugt sind mindestens vier Lichtwellenleiter, besonders vorzugsweise sogar mindestens acht oder mehr Lichtwellenleiter, um den Umfang der Kokille herum angeordnet sind, die jeweils ein Temperaturprofil über der Höhe der Kokille erfassen.
Jeder Lichtwellenleiter kann dabei über die Höhenerstreckung der Kokille mindestens 5, vorzugsweise mindestens 20, Temperaturmesswerte erfasst. Die Erfassung von bis zu 40 Temperaturwerten ist möglich.
Als Sollhöhe für das flüssige Metall in der Kokille wird bevorzugt ein Bereich vorgegeben, der in einem definierten Abstand von der Oberkante der Kokille liegt. Hierbei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass für den Sollbereich ein Abstand von der Oberkante der Kokille zwischen 90 und 1 10 mm vorgegeben wird.
Dem zweiten Regler wird dabei bevorzugt keine Regelabweichung gemeldet, solange für die Ist-Höhe des flüssigen Metalls ein Wert ermittelt wird, der in dem vorgegebenen Bereich liegt. Der erste Regler und der zweite Regler sind dabei bevorzugt so ausgelegt, dass die Ausregelung des Volumenstroms schneller erfolgt als die Ausregelung der Höhe des flüssigen Metalls in der Kokille.
Demgemäß schlägt die Erfindung vor, dass der integrative Anteil des Füllstandes in der Kokille durch Erfassung der Temperaturverteilung in der Kokille mittels Lichtwellenleiter und Rückschluss auf die tatsächliche Gießspiegelhöhe erfolgt, wobei dann aber schnelle dynamische Änderungen mittels Durchflussmessung (Volumenstrommessung) am Gießrohr geregelt werden. Die Regelung des Flüssigstahlspiegels in der Kokille, d. h. die Regelung des integrativen Anteils, erfolgt - wie erwähnt - so, dass sich die Gießspiegelhöhe in einem definierten Bereich bewegt. Hierfür vorgesehen ist eine verteilte Messung des Temperaturverlaufs über die Kokillenhöhe mit den genannten faseroptischen Verfahren. Hier kommt insbesondere neben dem Faser-Bragg-Gitter-Verfahren das Optical-Time-Domain- Reflectometry-Verfahren oder das Optical-Frequency-Domain-Reflectometry- Verfahren zum Einsatz. Die Kokille ist hierbei über den Umfang mit einer Vielzahl von Lichtwellenleitern versehen, die vertikal in der Kokillenwand verlaufen und bis zu 40 Messstellen aufweisen. Hierbei wird dann mit jedem Lichtwellenleiter eine „Wärmekeule" gemessen, d. h. ein Temperaturverlauf über der Kokillenhöhe. Diese Wärmekeulen lassen sich mit Thermoelementen nicht bestimmen, da Thermoelemente nicht sensitiv genug sind und zu wenige Messstellen über der Kokillenhöhe bieten.
Anhand der gemessenen Wärmekeule lässt sich durch Versuche auf den tatsächlichen Gießspiegel zurückrechnen. Der Gießspiegel wird vor allem durch die Lage des Maximums der Wärmekeule beschrieben. Durch die verteilte Messung von bis zu 32 Wärmekeulen über dem Umfang der Kokille verteilt entsteht so ein „Höhengebirgszug" entlang der Außenbegrenzung der Kokille. Somit können die Form und die Größe einer sog.„stehenden Welle" in der Kokille ermittelt werden, d. h. einer quasi stationären Wellenstruktur auf dem Gießspiegel, die durch das Eingießen von Flüssigmetall in die Kokille entsteht.
Alle Schwankungen dieser stehenden Welle werden durch die Ermittlung des Höhenzuges erkannt; die stehende Welle kann somit online erfasst und dargestellt werden. Demgemäß kann durch die vorgeschlagene Vorgehensweise mittels der verteilten Lichtwellenleitermessung die tatsächliche effektive Gießspiegelschwankung - die es auszuregeln gilt - von der Schwankung, die durch die stehende Welle hervorgerufen wird, unterschieden werden.
So wird es möglich, Regelungseingriffe auf die tatsächlichen Gießspiegelhöhenschwankungen zu beschränken.
Diese Regelung über die verteilte Messung in der Kokille dient also der Einstellung des integrativen Anteils in der Kokille. Es soll das Weglaufen des Gießspiegels aus einem Zielbereich verhindert werden. Um ein„Anfressen" des Gießrohrs an einer Stelle zu verhindern, wird für die Regelung des integrativen Anteils in der Kokille ein Zielbereich von z. B. 90 bis 1 10 mm (von der Oberkante der Kupferkokille aus gemessen) festgelegt. Solange der Gießspiegel in diesem Bereich liegt und keine starken Schwankungen aufweist, erfolgen keine Regelungseingriffe bezüglich des integrativen Füllstandes.
Falls starke Schwankungen in der Kokille auftreten, können diese konkret dem Tauchrohr oder der Kokille zugeordnet werden, so dass die vorgeschlagene Regelstrategie dies gezielt ausgleichen kann. Die Anzahl der Lichtwellenleiter kann dabei fachmännisch ausgewählt werden. Prinzipiell kann - natürlich unter Genauigkeitseinbußen - auch mit nur einem einzigen Lichtwellenleiter gearbeitet werden. Der Lichtwellenleiter würde in diesem Falle bevorzugt z. B. senkrecht in eine Schmalseite oder Breitseite eingekupfert bzw. in einer Bohrung in der Kokille angeordnet werden.
Der Lichtwellenleiter wird dabei bevorzugt in einem Hüllrohr verlegt. Das Hüllrohr hat beispielsweise einen Außendurchmesser von 0,5 bis 2 mm und einen Innendurchmesser von 0,4 bis 1 ,8 mm und besteht aus Edelstahl. Die Einbringung in die Kokille erfolgt durch Einschieben in eine hierfür gefertigte Bohrung oder durch Einlagerung in eine Schicht aus Kupfer oder Nickel. Die Temperatur-Anstiegszeiten für den Lichtwellenleiter im Hüllrohr sind sehr kurz (bereits nach einer Zeit weit unter einer Sekunde wird ein erheblicher Teil des Temperaturendwertes erreicht). Eine Auflösung bis zu 1 °C ist möglich. Demgemäß ergibt sich insgesamt eine effektive Regelung des schnell veränderlichen Anteils durch eine sehr schnelle Volumenstrommessung am Gießrohr und einer hierauf basierenden Regelung des Volumenstroms an Flüssigmetall, der in die Kokille gefördert wird. Die weitere Regelung des integrativen Anteils in der Kokille erfolgt indes durch eine Beobachtung eine Konfidenzintervalls (Zielbereich) für die Gießspiegelhöhe in der Kokille, wofür die verteilte Lichtwellenleitermessung eingesetzt wird, mit der ein Höhengebirgszug der sog. stehenden Welle erfasst wird. Effekte wie das Bulging können hiermit erfasst und ausgeregelt werden. Die Technologie der Messung von Temperaturen durch Lichtwellenleiter ist als solche bekannt, wozu auf die WO 2004/015349 A2 und auf die WO 2007/079894 A1 hingewiesen wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Stranggießanlage, wobei neben einer Gießpfanne, einem Zwischenbehälter und einer Kokille auch ein Regelungsschema skizziert ist, Fig. 2 den Schnitt A-B gemäß Fig. 1 durch die Kokille und
Fig. 3 schematisch den Verlauf einer gemessenen Temperatur über der Höhe der Kokille. In Fig. 1 ist ein Teil einer Stranggießanlage 3 skizziert, die in bekannter Weise eine Gießpfanne 5 zur Aufnahme von Stahlschmelze 4 aufweist. Über ein Schattenrohr 13 gelangt das flüssige Metall 4 in einen Zwischenbehälter 6. Von dieser wiederum wird das flüssige Metall 4 über ein Gießrohr 7 in die Kokille 2 geleitet. In der Kokille 2 bildet das flüssige Metall 4 einen Gießspiegel 1 .
Die Höhe h des Gießspiegels 1 soll dabei beim Stranggießen möglichst konstant bleiben und jedenfalls in einem Bereich liegen, der um einen definierten Abstand x von der Oberkante der Kokille 2 entfernt liegt. Konkret hat sich bewährt, wenn der Gießspiegel 1 in einem Abstand x von 90 bis 1 10 mm von der Oberkante der Kokille 2 entfernt bleibt.
Der Volumenstrom V an flüssigem Metall 4, der der Kokille 2 zugeleitet wird, kann durch ein Steuerelement 8 beeinflusst werden, das - als Stopfen ausgebildet - über ein Betätigungselement in Richtung des Doppelpfeils in Fig. 1 bewegt werden kann. Demgemäß kann mehr oder weniger Volumen Flüssigmetall 4 pro Zeit in die Kokille 2 geleitet werden.
Zur Regelung des Volumenstroms V ist ein erster Regelkreis vorgesehen, der aus einem ersten Regler 10 und der von diesem beeinflussten ersten Regelstrecke 14 besteht (s. die schematische Darstellung in Fig. 1 ). Dem ersten Regelkreis vorgegeben ist ein Sollwert für den Volumenstrom VSou . Der tatsächliche
Volumenstrom VM wird von einem Durchflusssensor 9 erfasst, der im oder am Gießrohr 7 angeordnet ist. Angedeutet ist hier ein Sensor, der einen Magneten umfasst, dessen Kraft von einer Wägeeinrichtung erfasst wird. Diese Kraft wird vom Strom des Flüssigmetalls beeinflusst, so dass so der Volumenstrom gemessen werden kann. Die Abweichung VSou - V wird dem ersten Regler 10 vorgegeben, der daraufhin das Steuerelement 8 entsprechend betätigt. Kaskadenförmig überlagert ist dem ersten Regelkreis ein zweiter Regelkreis, der einen zweiten Regler 1 1 sowie eine zweite Regelstrecke 15 aufweist. Hier ist die Stellgröße die Sollhöhe des Gießspiegels hS0ii, die - wie erläutert - bei einem vorgegebenen Wert oder in einem vorgegebenen Bereich liegen soll. Die Sollhöhe bzw. der Sollhöhenbereich wird der Regelung vorgegeben. Der zweite Regler 1 1 gibt der zweiten Regelstrecke 15 das Stellsignal vor, wobei hier der erste Regelkreis zwischengeschaltet ist (Kaskadenregelung). Die tatsächlich Höhe h|St wird von der Sollhöhe hS0ii abgezogen, so dass bei gegebener Regeldifferenz der zweite Regler 1 1 das Nötige veranlasst.
Dabei kommt der Ermittlung der Ist-Höhe des Gießspiegels in 1 der Kokille 2 entsprechende Bedeutung zu. Durch das Einströmen von flüssigem Metall 4 in die Kokille 2 bildet sich hier eine sog. stehende Welle aus, die in Fig. 1 in der Kokille angedeutet ist. Skizziert sind auch einige Strömungspfeile in der Schmelze. Die Strömung ist dafür verantwortlich, dass es zu besagter stehender Welle kommt.
Es gilt, den„Gebirgshöhenzug" dieser stehenden Welle zu erkennen und bei der Ermittlung der effektiven Höhe h des Gießspiegels 1 in der Kokille 2 zu berücksichtigen.
Hierfür wird wie folgt vorgegangen:
Über den Umfang der Kokille 2 ist - wie in Fig. 2 gesehen werden kann - eine Vielzahl von Lichtwellenleitern 12 angeordnet. Jeder Lichtwellenleiter 12 befindet sich in einer vertikalen Bohrung, die in der Kokillenwandung eingebracht ist. Über den Umfang sind bis zu 32 Lichtwellenleiter 12 platziert.
Jeder Lichtwellenleiter 12 kann beispielsweise über das weiter unten näher erläuterte Faser-Bragg-Gitter-Verfahren den Temperaturverlauf über der Höhe h der Kokille 2 erfassen. Hierzu wird auf Fig. 3 verwiesen, wo qualitativ ein solcher Verlauf T = f(h) in Form einer„Wärmekeule" skizziert ist. Klar zu erkennen ist ein Maximum der Temperatur T. Dieses Maximum ist ein sicherer Hinweis auf die tatsächliche Lage des Gießspiegels 1 an dieser Umfangsstelle der Kokille 2. Somit ist es in einfacher Weise möglich, durch Auswertung aller erfasster „Wärmekeulen" die Form der stehenden Welle in der Kokille zu erfassen. Beispielsweise durch entsprechende Mittelwertbildung kann die effektive Lage des Gießspiegels 1 erfasst werden, quasi bereinigt um die stehende Welle. Dieser Wert ist dann der Istwert h|St, der bei der Regelung zugrunde gelegt wird.
Der Lichtwellenleiter 12 hat typischer Weise einen Durchmesser von z. B. 0,12 mm; mit Hüllrohr ergibt sich zumeist ein Durchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm. Der Lichtwellenleiter 12 kann dabei Temperaturen bis zu 800 °C Dauerbelastung aushalten.
Die Lichtwellenleiter 12 sind mit einem nicht dargestellten Temperaturerfassungssystem verbunden. Mittels des Erfassungssystems wird Laserlicht erzeugt, das in den Lichtwellenleiter 12 eingespeist wird. Die von der Lichtwellenleitfaser 12 gesammelten Daten werden mittels des Erfassungssystems in Temperaturen umgerechnet und den verschiedenen Messorten zugeordnet.
Die Auswertung kann beispielsweise nach dem sog. Faser-Bragg-Gitter-Verfahren (FBG-Verfahren) erfolgen. Hierbei werden geeignete Lichtwellenleiter verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindexes bzw. Gitters mit solchen Variationen eingeprägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindexes führt dazu, dass der Lichtwellenleiter in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Temperaturänderung an einem Punkt wird die Bragg- Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg- Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst. Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann aufgrund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detailierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter sowie die entsprechenden Auswerteeinheiten sind allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch die Anzahl der eingeprägten Messstellen gegeben. Die Größe einer Messstelle kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen.
Alternativ kann zur Messung der Temperatur auch das „Optical-Frequency- Domain-Reflectometry"-Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das „Optical-Time- Domain-Reflectometry"-Verfahren (OTDR-Verfahren) eingesetzt werden. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung am Punkt eines Lichtleiters eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht. Mittels der Auswerteeinheit (z. B. einem Raman-Reflektometer) können dann die Temperaturwerte entlang einer Faser ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters gemittelt wird. Diese Länge beträgt ca. einige Zentimeter. Die verschiedenen Messstellen werden wiederum durch Laufzeitunterschiede voneinander getrennt. Der Aufbau solcher Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allgemein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb des Lichtwellenleiters erzeugen.
Bezugszeichenliste:
5
1 Gießspiegel
2 Kokille
3 Stranggießanlage
4 flüssiges Metall (Stahlschnnelze)
10 5 Gießpfanne
6 Zwischenbehälter (Tundish)
7 Gießrohr (SEN - submerged entry nozzle)
8 Steuerelement
9 Durchflusssensor
15 10 erster Regler
1 1 zweiter Regler
12 Lichtwellenleiter
13 Schattenrohr
14 erste Regelstrecke
20 15 zweite Regelstrecke
Höhe des Gießspiegels
Soll-Höhe des Gießspiegel Ist-Höhe des Gießspiegels
30 V Volumenstrom des flüssigen Metalls Sollwert für den Volumenstronn Istwert für den Volumenstrom
T(h) Temperaturverlauf über der Höhe der Kokille x Abstand

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Regeln der Höhe (h) des Gießspiegels (1 ) in einer Kokille (2) einer Stranggießanlage (3), wobei flüssiges Metall (4) von einer Gießpfanne (5) oder einem Zwischenbehälter (6) über mindestens ein Gießrohr (7) in die Kokille (2) fließt,
wobei der Volumenstrom ( V ) an flüssigem Metall (4) von der Gießpfanne (5) oder dem Zwischenbehälter (6) in die Kokille (2) von einem Steuerelement (8) gesteuert werden kann, wobei der von der Gießpfanne (5) oder dem Zwischenbehälter (6) in die Kokille (2) fließende Volumenstrom ( V ) an flüssigem Metall (4) von einem Durchflusssensor (9) als Ist-Volumenstrom ( Vist ) gemessen wird,
wobei der Volumenstrom ( V ) nach Vorgabe eines Sollwerts ( VSou ) und unter
Berücksichtigung des gemessenen Ist-Volumenstrom ( Vist ) in einem ersten Regelkreis mit einem ersten Regler (10) geregelt wird, wobei der erste Regler (10) auf das Steuerelement (8) einwirkt, wobei die Höhe (h) des Gießspiegels (1 ) in der Kokille nach Vorgabe eines Sollwerts oder Sollbereichs (hson) und unter Berücksichtigung der Ist-Höhe des Gießspiegels in einem zweiten Regelkreis mit einem zweiten Regler (1 1 ) geregelt wird, wobei der zweite Regler (1 1 ) dem ersten Regelkreis einen
Sollwert für den Volumenstrom ( VSou ) vorgibt, wobei die Ermittlung der Ist-Höhe (h|St) des Gießspiegels (1 ) unter Berücksichtigung einer stehenden Welle auf dem Gießspiegel (1 ) erfolgt, die sich durch das Einströmen von flüssigem Metall (4) in die Kokille (2) auf dem Gießspiegel (1 ) ausbildet, indem ein Temperaturverlauf (T(h)) über der Höhe (h) der Kokille (2) an einer Anzahl Umfangsstellen der Kokille (2) erfasst wird und die gemessenen Temperaturverläufe (T(h)) bei der Bestimmung der effektiven Höhe (h|St) des Gießspiegels (1 ) zugrunde gelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung eines Temperaturverlaufs (T(h)) über der Höhe der Kokille (2) mittels mindestens eines Lichtwellenleiters (12) erfolgt, der vertikal in der Kokillenwand angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Lichtwellenleiter (12) das Temperaturprofil (T(h)) über der Höhe (h) der Kokille (2) erfasst wird und das Maximum der Messwerte als Kriterium für die Lage der aktuellen Höhe (h) des Gießspiegels an der betreffenden Umfangsstelle der Kokille (2) zugrunde gelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerelement (8) ein beweglicher Verschlussstopfen eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflusssensor (9) ein Sensor verwendet wird, der durch Induktion eines magnetischen Feldes in das flüssige Metall den Volumenstrom ( V ) bestimmt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Lichtwellenleiter (12), vorzugsweise mindestens acht Lichtwellenleiter (12), um den Umfang der Kokille (2) herum angeordnet sind, die jeweils ein Temperaturprofil (T(h)) über der Höhe (h) der Kokille (2) erfassen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lichtwellenleiter (12) über die Höhenerstreckung der Kokille (2) mindestens 5, vorzugsweise mindestens 20, Temperaturmesswerte erfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollhöhe (hSoii) für das flüssige Metall (4) in der Kokille (2) ein Bereich vorgegeben wird, der in einem definierten Abstand von der Oberkante der Kokille (2) liegt, wobei für den Sollbereich vorzugsweise ein Abstand (x) von der Oberkante der Kokille (2) zwischen 90 und 1 10 mm vorgegeben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Regler (1 1 ) keine Regelabweichung gemeldet wird, solange für die Ist-Höhe (h|St) des flüssigen Metalls (4) ein Wert ermittelt wird, der in dem vorgegebenen Bereich liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regler (10) und der zweite Regler (1 1 ) so ausgelegt sind, dass die Ausregelung des Volumenstroms ( V ) schneller erfolgt als die Ausregelung der Höhe (h) des flüssigen Metalls (4) in der Kokille (2).
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