Verfahren zur Ermittlung der Kokillenwandabnutzung während des Giessprozesses und zur Ermittlung der Abhebung der Strangschale von der Kokilleninnenwand

Abstract

 Es soll eine Vorrichtung angegeben werden, mit der während des Gießprozesses beim Straggießen von Metallen die Abnutzung der Kokillenwände ermittelt wird, wobei aus dem Ergebnis auch die Abhebung des Stranges von den Wänden festgestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß in den Kokillenwänden (1) ein oder mehrere Abstandsmeßsensoren (3,3', 8) so eingebaut werden, daß sie von dem sich abhebenden und bewegenden Strang auch dann nicht berührt werden, wenn die Kokillenwand sich im Betrieb abgenutzt hat, daß das sich ergebende kleinste Abstandssignal für den Abstand zwischen einem Abstansmeßsensor (3, 3', 8) und dem Strang (2) bzw. Oberfläche der Kokilleninnenwand (1), einem Minimalwertspeicher unter Löschung des zuletzt gespeicherten Wertes zugeführt und die Differenz aus dem Anfangswert des Abstandes Meßsensor - Kokilleninnenwand L und dem jeweils gespeicherten kleinsten Abstandswert Meßsensor- Strangoberfläche bzw. Meßsensor - Wandoberfläche A' gebildet wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf die Verwendung derselben zur Ermittlung der Abhebung der Strangschale von der Kokilleninnenwand.

[0002] Beim Stranggießen von Metallen wird der Strang durch kontinuierliches Gießen von flüssigem Material durch einen Schacht der Kokille erzeugt. Beim Austreten aus dem Schacht besteht der Strang aus einer festen Schale und einem flüssigen Kern. Weitere Kühlung außerhalb der Kokille führt zur vollständigen Erstarrung.

[0003] Reibung zwischen Strang und Schachtwänden führt zu einem Abrieb an den Wänden (beim Stahlbrammen-Stranggießen etwa 0,5 mm in 10 Betriebsstunden). Überschreitet die dadurch bedingte Abnahme der Stärke der Schachtwände einen anlagenspezifischen Grenzwert (z.B. 10 mm), so muß die Kokille ausgetauscht werden. Derzeit wird die Abnahme der Wandstärke während der Gießpausen ermittelt. Wegen der starken Zunahme der maximalen Gießzeiten in den letzten Jahren ist eine Feststellung der Abnutzung während der Gießprozesse von großer Bedeutung. Eine solche Feststellung wird durch das zeitlich und örtlich variierende "Abheben" des Stranges von den Kokillenwänden sehr erschwert. Das Abheben wird durch Schrumpfen des Strangquerschnittes bei der Abkühlung der Strangschale durch Kontakt mit den gekühlten Kokillenwänden verursacht. Nach dem Abheben erwärmt sich die Strangschale durch Wärmezufuhr aus dem flüssigen Strangkern wieder und dehnt sich maximal so weit aus, bis sie wieder die gekühlte Schachtwand berührt. Dieser Vorgang kann sich in einem Strangquerschnitt beim Durchgang durch die Kokille mehrfach wiederholen, wobei Lage und Größe der Abhebungen im Schacht zeitlich variieren. Die durch die Abhebungen entstehenden Spalte zwischen Schachtwand und Strang sind teilweise - insbesondere bei kleinen Abhebungen - gefüllt (Gießpulver).

[0004] Die Verringerung der Strangkühlung durch Abheben schwächt das Schalenwachstum in der Kokille und kann Störungen des Gießprozesses hervorrufen, in besonders krassen Fällen sogar Strangdurchbrüche. Daher ist für eine globale Berücksichtigung der Schrumpfung der Strangschale der Kokillen-Schacht konisch ausgeführt. Die Konizität ist ein kritischer Parameter. Bei zu geringer Konizität kann die Minderung der Kühlung durch Abhebung, bei zu großer Konizität die Reibung zwischen Strang und Schachtwänden im unteren Schachtbereich zu groß werden. Für einen großen Teil der Gießprogramme liegen Erfahrungswerte vor, die einen befriedigenden Gießablauf erlauben.

[0005] In diesen Fällen ist die kontinuierliche Überprüfung der Abnutzung der Schachtwände und gegebenenfalls eine die Abnutzung kompensierende Nachstellung der Wände von großer Bedeutung. Für besonders kritische Gießaufgaben sind jedoch Messungen von Abhebungen in der Kokille und Einstellung der Konizität nach diesen Werten erforderlich. Das gilt insbesondere bei stark variierenden Gießgeschwindigkeiten. Eine Messung der Abhebung war bisher nicht möglich.

[0006] Es ist durch die DE-OS 31 10 012 eine Anordnung bekanntgeworden, bei der durch einen Fühler unterhalb und damit außerhalb der Kokille die Änderung des Abstandes zur Strangoberfläche festgestellt wird. In Abhängigkeit von dieser Änderung wird die Konizität der Kokille während des Gießprozesses nachgestellt. Durch diese Anordnung wird aber die Abnutzung der Kokillenwand nicht erfaßt. Daher ist auch eine optimale Nachstellung der Konizität nicht möglich. Außerdem sind Probleme durch Ausdehnung des Stranges nach Verlassen der Kokille zu erwarten, so daß nicht sicher unterschieden werden kann, ob eine Änderung des Abstandes Strangoberfläche - Sensor durch Änderung der Strangabhebung in der Kokille oder der Ausbauchung des Stranges außerhalb der Kokille hervorgerufen wird.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der während des Gießprozesses die Abnutzung der Kokillenwände ermittelt werden kann, wobei aus dem Ergebnis auch die Abhebung des Stranges von den Wänden festgestellt werden kann.

[0008] Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe der Feststellung der Abnutzung der Kokillenwände durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

[0009] Die Art der Verwendung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 zur Ermittlung der Abhebung der Strangschale von der Kokilleninnenwand wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 2 angegeben. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung und ihre Verwendung wird in den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert.

[0010] Ein Ausführungsbeispiel mit Wirbelstrom-Abstandssensoren wird an Hand der Figuren 1 und 2 beschrieben. Figur 1 zeigt eine Kokille mit in Bohrungen angebrachten Meßsensoren, die Figur 2 eine Kokillenwand mit einem Meßsensor in einer durchgehenden Bohrung und einem Meßsensor, der im Bereich der kritischen Abnutzung mißt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Ultraschall-Meßsensoren wird an Hand der Figur 3 beschrieben.

[0011] In der Fig. 1 sind in einer Schachtwand 1 der Kokillle in Öffnungen 4,4' Wirbelstrom-Abstandsmeßsensoren 3,3' eingebaut. Die Sensoren sind dabei so weit von der Strangoberfläche 2 entfernt, daß diese auch bei maximal erlaubter Abnutzung der Kokillenwand die Sensoren nicht berührt. Bei einer noch nicht benutzten Kokille ist der Abstand Schachtoberfläche - Sensoren durch den Einbau gegeben und bekannt. Dieser Abstand sei mit L bezeichnet; er entspricht einer Kokillenabnutzung von Null, d.h. nicht abgenutzt. Während des Gießens ermittelt jeder Abstandsmeßsensor den jeweils aktuellen Abstand A der Strangoberfläche zum Sensor und führt diesen zur Eliminierung des Einflusses (zeitweiser) Abhebungen des Stranges von den Schachtwänden einem ihm zugeordneten Minimalwertspeicher zu, der jeweils den kleinsten im zugeführten Meßwert unter Löschung des zuletzt gespeicherten Wertes speichert. Der momentane Wert der Abnutzung der Schachtwand ergibt sich aus dem gespeicherten Abstandswert A' zu A L = L - A'. Aus den AL-Werten der eingesetzten Sensoren folgt, wann die Kokille ausgetauscht und gegebenenfalls das Gießen abgebrochen werden muß.

[0012] Die Sensoren können auch so ausgeführt werden, daß sie nur Abstandswerte im Bereich der kritischen Abnutzung ausreichend genau messen, vgl. dazu Fig. 2. Das ermöglicht bei Wirbelstrom-Meßsensoren eine kleinere und einfachere Bauform 5. Zudem muß die Meßsensoröffnung 6 nur so tief sein, daß sich erst bei kritischen Werten der Abnutzung kein Wandmaterial (üblicherweise Kupfer) mehr zwischen Meßsensor 5 und Strangoberfläche befindet. Damit der Strang nicht durch die für den Sensor notwendige Öffnung 4 in der Kokillenwand mechanisch belastet wird, wird der Raum zwischen Sensorfläche und Kokillenwand mit einem unmagnetischen, elektrisch nicht leitenden Material 7 ausgefüllt, welches ähnliche mechanische Abriebeigenschaften wie die Kokillenwand hat.

[0013] Eine wesentliche Verbesserung des Gießprozesses wird durch Nachführen der Schachtwände auf die Sollgeometrie des Schachtes erreicht, in dem die gemessenen Abnutzungswerte einer Verstelleinrichtung zugeführt werden, die die Kokillenwände entsprechend diesen Werten verschiebt. Mit Hilfe geeignet angeordneter Meßsensoren 3 und 3' in Fig. 1 kann so insbesondere bei Brammen-Stranggießanlagen die für den Prozeßverlauf besonders wichtige Konizität der Schmalflächen des Kokillenschachtes auf dem geforderten Wert gehalten werden. Die Vorrichtung zur Ermittlung der Kokillenwandabnutzung gemäß der Erfindung wird dazu verwendet, die Abhebung der Strangschale von der Kokilleninnenwand zu ermitteln. Dies geschieht dadurch,daß aus der Differenz zwischen dem aktuell gemessenen Abstand A zwischen Meßsensor und Strangoberfläche und dem gespeicherten kleinsten Abstandswert A' die Abhebung Δ A = A - A' der Strangoberfläche von der Kokilleninnenwand ermittelt wird. Aus den gemessenen Abhebewerten wird eine Kenngröße ermittelt, die einer oder der oben genannten Konizitäts-Verstelleinrichtung zur entsprechenden Verstellung der Kokillenwand zugeleitet wird. Diese Kenngröße wird durch Maximalwertspeicherung der Abhebewerte gewonnen.

[0014] Mit einem Meßsensor 3'' kurz unterhalb der Kokille wird die Verformung der Strangschale nach Austritt aus der Kokille beobachtet. Sie hängt vorwiegend von der Strangabzugsgeschwindigkeit und dem Kontakt zwischen Strang und Kokilleninnenwänden und damit von der Konizität ab.

[0015] Da mit der Verformung die Gefahr des Entstehens von Materialfehlern in der Strangschale oder gar des Aufreißens wächst, soll bei zu großer Verformung die Konizität und gegebenenfalls auch die Strangabzugsgeschwindigkeit verringert werden. Einige Anlagenzustände - wie zum Beispiel Gießbeginn und sehr langsamer Strangvorschub - erfordern eine andere Reaktion der Verstelleinrichtung als ein annähernd stationärer Betrieb. Daher werden die Sollgrößen für die Kokillenwandverstellung unter Berücksichtigung der in dieser Hinsicht relevanten Anlagenparameter (Stranglänge, Abzugsgeschwindigkeit) mit Hilfe eines Rechners aus den Meßwerten der Vorrichtung bestimmt.

[0016] Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mit Schallsensoren werden die Meßköpfe 8 direkt an die Kokillenwand 1 angekoppelt. Gearbeitet wird nach dem Puls-Echo-Verfahren. Die Abnutzung der Kokillenwand ergibt sich aus der Laufzeit des an der Schachtoberfläche reflektierten Schallimpulses. Die Reflektion wird durch die Strangoberfläche und die "Schmiermittelschicht" 9 zwischen Strang- und Schachtoberfläche beeinflußt ung kann zeitweise sehr klein werden. Daher wird hier - analog zum vorigen Ausführungsbeispiel - eine Minimalwertspeicherung durchgeführt. Eine Bestimmung der Strangabhebung ist mit Schall dann möglich, wenn der Raum zwischen Strangoberfläche und Schacht vollständig mit Gießpulver ausgefüllt ist.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Kokillenwandabnutzung während des Gießprozesses,
dadurch qekennzeichnet, daß in den Kokillenwänden (1) ein oder mehrere Abstandsmeßsensoren (3,3',8) so eingebaut werden, daß sie von dem sich abhebenden und bewegenden Strang auch dann nicht berührt werden, wenn die Kokillenwand sich im Betrieb abgenutzt hat, daß das sich ergebende kleinste Abstandssignal für den Abstand zwischen einem Abstandsmeßsensor (3,3',8) und dem Strang (2) bzw. Oberfläche der Kokilleninnenwand (1), einem Minimalwertspeicher unter Löschung des zuletzt gespeicherten Wertes zugeführt und die Differenz aus dem Anfangswert des Abstandes Meßsensor - Kokilleninnenwand L und dem jeweils gespeicherten kleinsten Abstandswert Meßsensor - Strangoberfläche _bzw. Meßsensor - Wandoberfläche A' gebildet wird.

2. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Ermittlung der Abhebung der Strangschale von der Kokilleninnenwand,
dadurch qekennzeichnet, daß aus der Differenz zwischen dem aktuell gemessenen Abstand A zwischen Meßsensor und Strangoberfläche und dem gespeicherten kleinsten Abstandswert A' die Abhebung ΔA = A - A' der Strangoberfläche von der Kokilleninnenwand ermittelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch qekennzeichnet, daß der Meßsensor ein Wirbelstromsensor ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch qekennzeichnet, daß die Kokillenwand (1) eine den Sensor (3,5) beinhaltende Öffnung (4,6) besitzt, die so ausgestaltet ist, daß sich zwischen der Stirnseite des Sensors und der Strangoberfläche (2) nur hochfrequenzmäßig durchlässiges Material befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch qekennzeichnet, daß die Öffnung (4) in der Kokillenwand mit einem Material (7), welches unmagnetisch, elektrisch nicht leitend und ähnliche Abriebeigenschaften wie die Kokillenwand hat, so verschlossen ist, daß die Kokilleninnenwände jeweils eine ebene Fläche bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch qekennzeichnet, daß der Meßsensor ein Ultraschallsensor ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, daß bei verstellbaren Kokillen die ermittelte Abnutzung einer Kokillenwand einer Verstelleinrichtung zugeführt wird, die die Kokillenwand entsprechend der Abnutzung verschiebt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 2 und 7, dadurch qekennzeichnet, daß aus den gemessenen Abhebewerten eine Kenngröße ermittelt wird, die einer oder der Konizitäts-Verstelleinrichtung zur entsprechenden Verstellung der Kokillenwand zugeleitet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch qekennzeichnet, daß diese Kenngröße durch Maximalwertspeicherung der Abhebewerte gewonnen wird.

Zeichnung