Elektromechanischer Stopfenantrieb

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Stopfenantrieb (1), ein Verfahren zum Ausgleich von Elastizitäten bzw. Spielen bei der Ansteuerung des Stopfenantriebs (1) sowie die Verwendung des Stopfenantriebs (1). Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen preisgünstigen, kompakten, hochdynamischen Stopfenantrieb (1) mit guter Regelbarkeit als auch ein Verfahren zur Ansteuerung des Stopfenantriebs (1) darzustellen, mit dem gegebenenfalls vorhandene Elastizitäten oder mechanische Spiele im Stopfenantrieb (1) ausgeglichen werden können. Diese Aufgabe wird durch einen Stopfenantrieb (1) gelöst, bei dem der Linearantrieb (10) als eine bauliche Einheit ausgebildet ist, die einen Elektromotor (12), ein Getriebe (13) und eine Schubspindel (14) umfasst, wobei das Getriebe (13) zur Umsetzung einer Drehbewegung des Elektromotors (12) in eine translatorische Bewegung der Schubspindel (14) ausgebildet ist; und der Stopfenantrieb (1), vorzugsweise der Linearantrieb (10), eine Kraftmesseinrichtung zur Ermittlung einer Hubkraft und eine Wegemesseinrichtung (24) zur Ermittlung eines Hubwegs aufweist.

Beschreibung

Gebiet der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stopfenantrieb, ein Verfahren zum Ausgleich von Elastizitäten und mechanischen Spielen bei der automatisierten Ansteuerung des Stopfenantriebs sowie die Verwendung des Stopfenantriebs.

[0002] Konkret betrifft die Erfindung einen Stopfenantrieb zum Verschieben eines Stopfens, wodurch der Ausfluss aus einem metallurgischen Gefäß, beispielsweise eines Gießverteilers, verändert werden kann, aufweisend

• eine Hubstange zum Heben und Senken eines Auslegers, wobei der Ausleger auskragend an der Hubstange befestigt ist und der Stopfen am Ausleger befestigt werden kann;
• ein stationäres Gehäuse das einen Längsabschnitt der Hubstange zumindest teilweise umschließt und das Gehäuse über eine Wannenhalterung mit dem metallurgischen Gefäß verbunden werden kann; und
• einen elektromechanischen Linearantrieb zum Verschieben der Hubstange gegenüber dem Gehäuse, wobei die Längsachsen des Linearantriebs und der Hubstange koaxial ausgerichtet sind.

[0003] Stopfenantriebe zum Heben und Senken eines typischerweise länglichen Verschlussorgans, dem sogenannten Stopfen, wodurch der Ausfluss aus einem Schmelzengefäß verändert werden kann, sind dem Fachmann aus unterschiedlichen Gebieten der Sekundärmetallurgie und der Gießereitechnik bekannt, insbesondere dem Stranggießen und dem Zweiwalzengießen.

[0004] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausgleich von Elastizitäten und mechanischen Spielen bei der automatisierten Ansteuerung eines Stopfenantriebs. Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Stopfenantriebs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Stand der Technik

[0005] Aus der EP 1 426 126 B1 der S.E.R.T. ist ein Stopfenantrieb mit einer Hubstange, einem stationäres Gehäuse und einem elektromechanischen Linearantrieb zum Heben und Senken der Hubstange bekannt, wobei der Linearantrieb aus einem Elektromotor und einem Getriebe zur Umsetzung der rotatorischen Bewegung des Elektromotors in eine translatorische Bewegung gebildet wird. Durch die sogenannte "in-line" Anordnung des Elektromotors und der Hubstange wird die Hubkraft des Linearantriebs optimiert in die Hubstange eingeleitet. Um die Investitionskosten pro Verteilerwagen niedrig zu halten, ist es möglich, vor einem Verteilerwechsel den Elektromotor mittels einer Kupplung, die als Bajonettverschluss ausgeführt ist, vom Getriebe und der Hubstange abzukoppeln. Somit kann der Elektromotor inkl. der Ansteuerelektrik auf dem Verteilerwagen verbleiben, sodass der Elektromotor mit einem Getriebe eines Stopfenantriebs, der dem neuen Verteiler zugeordnet ist, wieder verbunden werden kann. Durch die bauliche Trennung von Motor und Getriebe werden die Herstellungskosten und die Baulänge des Linearantriebs erhöht, sodass diese Lösung aufgrund der Baulänge oftmals nicht in Stranggießanlagen für Langprodukte eingesetzt werden kann. Außerdem wird durch die bauliche Trennung und die zwingend erforderliche Kupplung zwischen dem Elektromotor und dem Getriebe das Massenträgheitsmoment erhöht. Somit muss aber bei einer geforderten Mindestdynamik des Linearantriebs das Antriebsmoment und daher auch die Baugröße des Motors gesteigert werden, was sich allerdings wiederum negativ auf die Kompaktheit des Stopfenantriebs auswirkt.

[0006] Aus der EP 1 819 466 B1 der Danieli ist ebenfalls ein Stopfenantrieb mit einer Hubstange, einem stationären Gehäuse und einem elektromechanischen Linearantrieb bekannt, wobei der Linearantrieb aus einem Elektromotor und einem Getriebe zur Umsetzung der rotatorischen Bewegung des Elektromotors in eine translatorische Bewegung gebildet wird. Bei dieser Lösung kann allerdings der Linearantrieb nicht von der Hubstange abgenommen werden, sodass jeder Verteiler mit einem kompletten Stopfenantrieb inklusive Elektromotor ausgeführt werden muss, wodurch die Anschaffungskosten wesentlich erhöht werden.

Zusammenfassung der Erfindung

[0007] Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und einen preisgünstigen, kompakten, hochdynamischen Stopfenantrieb mit guter Regelbarkeit als auch ein Verfahren zur Ansteuerung des Stopfenantriebs darzustellen, mit dem gegebenenfalls vorhandene Elastizitäten oder Lagerspiele im Stopfenantrieb ausgeglichen werden können. Durch die Kompaktheit soll es möglich sein, den Stopfenantrieb sowohl für Stranggießanlagen für Lang- (z.B. Knüppel-, Vorprofil- oder Vorblockanlagen) und Flachprodukte (z.B. Brammenanlagen) zu verwenden. Durch die hohe Dynamik soll eine gute Regelbarkeit des Stopfenantriebs erreicht werden, sodass der Stopfenantrieb rasch eine Sollposition anfahren bzw. einen Solldurchfluss aus dem metallurgischen Gefäß einstellen kann. Schließlich soll der Stopfenantrieb kostengünstig darstellbar sein.

[0008] Diese Aufgabe wird durch einen Stopfenantrieb der eingangs genannten Art gelöst, bei dem

• der Linearantrieb als eine bauliche Einheit ausgebildet ist, die einen Elektromotor, vorzugsweise einen Hohlwellen-Servomotor mit einer Gleich-, Wechsel- oder Drehstromanspeisung, ein Getriebe, vorzugsweise eine Kugelumlaufspindel oder eine Spindelmutter, und eine Schubspindel umfasst, wobei das Getriebe zur Umsetzung der Drehbewegung des Elektromotors in eine translatorische Bewegung der Schubspindel ausgebildet ist; und
• der Stopfenantrieb, vorzugsweise der Linearantrieb, eine Kraftmesseinrichtung zur Ermittlung einer Hubkraft und eine Wegemesseinrichtung zur Ermittlung eines Hubwegs aufweist.

Durch die vertikale Verschiebung des Stopfens kann der Durchfluss aus dem metallurgischen Gefäß entweder geschlossen (Null Durchfluss), vollständig geöffnet (voller Durchfluss) bzw. auf jeden beliebigen Durchflusswert dazwischen eingestellt werden. Der Linearantrieb, umfassend den Elektromotor, das Getriebe und die Schubspindel, ist als eine integrierte bauliche Einheit ausgebildet, wodurch sich ein besonders kompakter Linerantrieb mit einer geringen Baulänge und einem kleinen Massenträgheitsmoment ergibt; weiters kann der Linearantrieb einfach montiert und demontiert werden. Da der Elektromotor bei einem Verteilerwechsel nicht vom Getriebe getrennt wird, ist es i.A. nicht erforderlich, bei der Montage des Linearantriebs den schnelllaufenden Elektromotor exakt mit der Getriebeeingangswelle auszurichten. Durch das geringe Massenträgheitsmoment des Linearantriebs wird die Gießspiegelregelung verbessert, wodurch die Qualität der stranggegossenen Produkte gesteigert werden kann. Damit die Anpresskraft des Stopfens an das metallurgische Gefäß und die Verschiebung des Stopfens bzw. der Hubstange ermittelt werden kann, weist der Stopfenantrieb, vorzugsweise der Linearantrieb selbst, eine Kraftmesseinrichtung zur Ermittlung der Hubkraft und eine Wegmesseinrichtung auf.

[0009] Es ist vorteilhaft, dass die Wegmesseinrichtung als ein Drehgeber ausgebildet ist, wobei der Drehgeber signaltechnisch mit einem Rotor des Elektromotors verbunden ist und der Drehgeber zwei phasenverschobene Ausgangssignale zur Ermittlung der Drehzahl und der Drehrichtung des Rotors ausgeben kann. Derartige Drehgeber sind dem Fachmann auch unter dem Begriff "Resolver" bekannt. Der Resolver kann auf kompakte Weise vollständig in die bauliche Einheit des Linerantriebs integriert werden, ohne dass dessen Baulänge erhöht wird. Alternativ ist es natürlich ebenfalls möglich, z.B. die Schubspindel, die Hubstange, den Ausleger oder sogar den Stopfen selbst mit einer Wegmesseinrichtung zur Bestimmung des Hubwegs auszubilden.

[0010] Es ist vorteilhaft, dass die Kraftmesseinrichtung als eine Strommesseinrichtung ausgebildet ist. Die Strommesseinrichtung misst dabei entweder im Elektromotor selbst oder vorzugsweise in einer Leistungselektronik, die dem Elektromotor zugeordnet ist, zumindest einen Motorstrom. Aus dem Motorstrom kann auf das Drehmoment des Motors rückgeschlossen werden, wobei das Drehmoment über das Getriebe die Hubkraft des Linearantriebs definiert. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Kraftmesseinrichtung vollständig in den Elektromotor bzw. dessen Leistungselektronik integriert werden, ohne dass die Baulänge des Linearantriebs erhöht wird. Dazu alternativ könnte z.B. die Hubstange eine Kraftmesseinrichtung zur Ermittlung der Hubkraft aufweisen.

[0011] Damit die Montage bzw. Demontage des Linearantriebs einfach möglich ist, ist es vorteilhaft, wenn entweder das Gehäuse des Linearantriebs oder ein elektrischer Verbindungsstecker, der eine Leistungselektronik mit dem Linearantriebs verbinden kann, zumindest zwei Schalter (z.B. Tastschalter) zum Ein-und Ausfahren der Schubspindel aufweisen. Dadurch kann der Hub des Lineantriebs rasch an unterschiedliche Stellungen der Hubstange angepasst werden.

[0012] Damit ein Stopfenwechsel rasch durchgeführt werden kann, ist der Stopfen an einem Ende des Auslegers lösbar befestigt.

[0013] Um eine möglichst spielfreie Führung der in vertikaler Richtung verschieblichen Hubstange zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, zwischen dem Gehäuse und der Hubstange zumindest ein, bevorzugt mindestens zwei, Führungselemente vorzusehen. Als Führungselemente kommen beispielsweise Linearkugellager, Führungsringe, Gleitlager, federbelastete bzw. vorgespannte Führungsrollen bzw. -kugeln in Frage.

[0014] Um ein manuelles Verschieben des Stopfens bzw. der Hubstange zu ermöglichen, greift ein Handhebel über eine Hebellasche, die am Gehäuse gelenkig abgestützt ist, in die Hubstange ein, sodass die Hubstange mittels des Handhebels manuell verschoben werden kann. Vorzugsweise weist dieser Mechanismus eine Kraftübersetzung i von 3 ≤ i ≤ 10, bevorzugt 5 ≤ i ≤ 8, auf, sodass der Bediener den Stopfen mit geringer Kraftanstrengung verschieben kann.

[0015] Vorzugsweise ist der Handhebel abnehmbar, und bevorzugt um zumindest 180° schwenkbar, ausgebildet. Dadurch kann der Bediener bei der manuellen Bedienung unterschiedliche Positionen zum metallurgischen Gefäß einnehmen.

[0016] Damit das Bedienpersonal, insbesondere bei der manuellen Bedienung der Hubstange, eine Indikation der Stopfenposition hat, weist das Gehäuse eine visuelle Höhenanzeige, z.B. in Form eines Lineals, für die Position der Hubstange auf.

[0017] Nach dem Stand der Technik kann bei der oben genannten "in-line" Anordnung des Linearantriebs und der Hubstange ein Torsionsmoment, das in Richtung der Längsachse der Hubstange wirkt und beispielsweise von einem exzentrischen Aufsetzen des Stopfens auf der Auslassöffnung, dem sogenannten Lochstein, des metallurgischen Gefäßes herrührt, lediglich über Führungselemente bzw. den Linearantrieb selbst auf das Gehäuse übertragen werden. Im ersten Fall ist es i.A. erforderlich, den Querschnitt der Hubstange eckig auszuführen, damit ein Torsionsmoment von der Hubstange auf ein Führungselement übertragen werden kann. Im zweiten Fall muss der Linearantrieb stärker ausgeführt sein, was sich negativ auf dessen Kompaktheit auswirkt.

[0018] Erfindungsgemäß weist der Stopfenantrieb eine reibschlüssige und/oder eine formschlüssige Drehmomentenstütze auf.

[0019] Die formschlüssige Drehmomentenstütze erfolgt über einen parallel zur Längsachse der Hubstange ausgerichteten Führungsbolzen, der mit dem Gehäuse verbunden ist, und einen Führungsbereich (z.B. eine Führungsnut oder eine Führungsbohrung) im Ausleger zur Führung des Führungsbolzens. Durch den Führungsbolzen und den Führungsbereich wird die Verdrehbarkeit des Auslegers gegenüber dem Gehäuse formschlüssig definiert.

[0020] Die reibschlüssige Drehmomentenstütze erfolgt über einen parallel zur Längsachse der Hubstange ausgerichteten Stützbolzen, der den Ausleger gegenüber dem Gehäuse abstützt. Dabei wird der Stützbolzen, vorzugsweise durch eine Druckfeder, gegen den Ausleger gepresst, sodass über die Reibung zwischen dem Stützbolzen bzw. einer Flanschplatte, die mit dem Stützbolzen verbunden ist, und der Stützbolzen die Verdrehbarkeit des Auslegers gegenüber dem Gehäuse reibschlüssig definiert.

[0021] Durch diese Maßnahmen werden einfache Drehmomentenstützen für den Ausleger geschaffen; außerdem kann der Querschnitt der Hubstange beliebig - insbesondere auch rund - ausgeführt werden, sodass die Herstellkosten sinken und aufwändige Führungsrollen bzw. -kugeln zwischen der Hubstange und dem Gehäuse entfallen können. Es ist möglich, die reibschlüssige und die formschlüssige Drehmomentenstütze jeweils einzeln oder in Kombination miteinander zu verwenden.

[0022] Der Linearantrieb kann besonders leistungsarm und kompakt ausgeführt werden, wenn der Ausleger mit einer Gewichtsausgleichseinrichtung zum Ausgleich der Gewichtskraft zumindest eines Teiles der bewegten Massen des Stopfenantriebs verbunden ist, und sich die Gewichtsausgleichsvorrichtung am Gehäuse abstützt. Dadurch wird zumindest ein Teil der Gewichtskraft der bewegten Massen des Stopfenantriebs, d.h. der Hubstange, des Auslegers und des Stopfens, kompensiert.

[0023] Es ist vorteilhaft, wenn die Gewichtsausgleichseinrichtung eine - insbesondere vorspannbare - mechanische, pneumatische oder hydraulische Druckfeder aufweist.

[0024] Besonders effizient ist die Gewichtskompensation dann, wenn die Längsachse der Druckfeder parallel zur Richtung der Hubstange, d.h. vertikal, ausgerichtet ist.

[0025] Bei einer einfachen Ausführungsform, ist die Position der Druckfeder durch einen Federtopf und einen Federhalter festgelegt, wobei vorzugsweise der Federtopf mit dem Stützbolzen und der Federhalter mit dem Gehäuse verbunden ist. Der Federhalter führt die Druckfeder an dessen innerer Mantelfläche; der Federtopf führt die Drehfeder an dessen äußerer Mantelfläche.

[0026] Um eine übermäßige Wärmebelastung des Auslegers bzw. des Linearantriebs zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn ein Längsabschnitt des Auslegers und/oder der Linearantrieb von einem Strahlungsschutzblech zumindest teilweise umschlossen ist.

[0027] Zur raschen Verbindung bzw. Trennung des Linearantriebs von der Hubstange ist es vorteilhaft, wenn die Schubspindel mittels eines mechanischen Verbindungselements steckbar mit der Hubstange verbindbar ist. Durch das steckbare mechanische Verbindungselement (z.B. einen Zapfen, der mittels Gewinde mit der Schubspindel verbunden ist, der z.B. in eine Quernut in der Hubstange eingreift), kann der Linearantrieb einfach und rasch durch An- bzw. Abstecken montiert bzw. demontiert werden. Alternativ kann der Antrieb auch auf dem Stopfenantrieb verbleiben, sodass nur der elektrische Verbindungsstecker verbunden werden muss.

[0028] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Ausgleich von Elastizitäten und mechanischen Spielen bei der automatisierten Ansteuerung eines Stopfenantriebs gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

• Einfahren des Linearantriebs bis der Stopfen auf einem Lochstein eines metallurgischen Gefäßes aufsetzt;
• Auslesen der Position des Linearantriebs S₀;
• Einfahren des Linearantriebs bis der Stopfen mit einer Nennkraft F_Nenn gegen den Lochstein gepresst wird;
• Halten des Linearantriebs bei der Nennkraft F_Nenn für eine Haltezeit t_Halten;
• Entlasten des Linearantriebs, sodass der Stopfen mit einer Kraft 0.2F_Nenn <F<0.8F_Nenn gegen den Lochstein gepresst wird;
• Füllen des Verteilers mit metallischer Schmelze;
• Ausfahren des Linearantriebs auf eine Soll-Position S_Soll > S₀ .

[0029] Unter dem Einfahren bzw. Schließen des Linearantriebs wird das Verschieben der Schubspindel verstanden, wobei der Linearantrieb verkürzt wird; analog wird unter dem Ausfahren bzw. Öffnen des Linearantriebs das Verlängern des Linearantriebs verstanden. Unter der Nennkraft F_Nenn wird eine Anpresskraft des Stopfens an den Lochstein verstanden, die der Linearantrieb aufbringen kann, ohne dass der Stopfen, der Lochstein oder der Linearantrieb selbst Schaden erleidet. Beispielsweise kann das Einfahren des Linearantriebs bis der Stopfen mit einer Nennkraft F_Nenn gegen den Lochstein gepresst wird, das Halten des Linearantriebs bei der Nennkraft F_Nenn, und das Entlasten des Linearantriebs, sodass der Stopfen mit einer Kraft 0.2F_Nenn <F<0.8F_Nenn gegen den Lochstein gepresst wird, durch eine Kraftgrenzwertregelung oder durch eine der Positionsregelung überlagerte Kraftregelung realisiert werden.

[0030] Für typische Stopfenantriebe ist es zweckmäßig, dass die Haltezeit 2s <t_Halten <60s , bevorzugt 5s <t_Halten <20s , beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der Stopfen in dem Lochstein setzt, wodurch mechanische Rauhigkeiten zwischen dem Stopfen und dem Lochstein reduziert werden.

[0031] Um den Stopfenantrieb, den Stopfen und das metallurgische Gefäß nicht zu überlasten ist es vorteilhaft, dass die Nennkraft F_Nenn kleiner gleich dem Minimum

• der maximal zulässigen Anpresskraft des Stopfens an den Lochstein; und
• der maximalen Schließkraft des Linerantriebs ist.

[0032] Es ist vorteilhaft, den Stopfenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Stranggießanlage zur Erzeugung von stranggegossenen Strängen aus Stahl zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 12 zu verwenden. Dadurch werden mechanische Spiele und Elastizitäten bei der Ansteuerung kompensiert, sodass die Regelgenauigkeit des Stopfenantriebs erhöht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0033] Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:

Fig 1 und 2 je eine perspektivische Darstellung eines Verteilers für eine sechssträngigen Stranggießmaschine für Langprodukte

Fig 3 und 4 je eine perspektivische Darstellung eines Verteilers für eine Stranggießmaschine für Flachprodukte

Fig 5, 6 und 8 je eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stopfenantriebs

Fig 7 eine Darstellung eines Stopfenantriebs für Flachprodukte, der von einem Bedienmann manuell bedient werden kann

Fig 9 eine Darstellung des Details Y von Fig 8

Fig 10 eine Darstellung des Details Z von Fig 8

Fig 11 eine Schnittdarstellung zu Fig 9

Fig 12 eine Draufsicht auf einen Stopfenantrieb

Fig 13 eine Darstellung der Verbindung zwischen dem Linearantrieb und der Hubstange

Fig 14 ein Diagramm für den Hubweg und die Hubkraft über der Zeit für das erfindungsgemäße Verfahren bei der Ansteuerung eines Stopfenantriebs

[0034] In den Fig 1 und 2 ist ein Gießverteiler einer sechssträngigen Stranggießanlage für Langprodukte dargestellt. Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, wurden lediglich zwei Stopfenantriebe 1 abgebildet. Jeder Stopfenantrieb 1 dient dazu, den Ausfluss an flüssigem Metall, konkret flüssigem Stahl, aus dem Verteiler 3 einzustellen. Somit kann der Durchfluss von flüssigem Stahl durch eine nicht dargestellte Öffnung im Verteilerboden vollständig geschlossen, vollständig geöffnet, oder auf einen beliebigen Wert dazwischen eingestellt werden. Jeder Stopfenantrieb 1 besteht im Wesentlichen aus einer heb- und senkbaren Hubstange 4, die mit einem Ausleger 5 verbunden ist. Der Ausleger 5 kann mit einem Stopfen 2 verbunden werden, sodass eine Heb- und Senkbewegung der Hubstange 2 auf den Ausleger 5, und vom Ausleger 5 auf den Stopfen 2 übertragen wird. Die Hubstange 4 kann entweder durch den Linearantrieb 10 oder mittels des Handhebels 16 verschoben werden. Durch den Linearantrieb 10 kann der Ausfluss aus dem Verteiler automatisiert, beispielsweise durchflussgeregelt, eingestellt werden. Hingegen wird durch den Handhebel 16 der Ausfluss aus dem Verteiler 3 manuell eingestellt. Hierzu ist sowohl der Linearantrieb 10 als auch der Handhebel 16 mit der Hubstange 4 verbunden. Aus den Darstellungen der Fig 1 und 2 geht hervor, dass der Verteiler 3 einer Stranggießanlage für Langprodukte relativ niedrig baut, sodass der Linearantrieb 10 - der im konkreten Fall "in-line" mit der Längsachse 11 der Hubstange 4 angeordnet ist - besonders kompakt ausgeführt sein muss.

[0035] Die Fig 3 und 4 zeigen einen Verteiler einer Stranggießanlage für Flachprodukte, konkret für Brammen. Im Gegensatz zum Verteiler der Fig 1 und 2, weist der Verteiler 3 der Fig 3 und 4 eine wesentlich größere Bauhöhe auf.

[0036] In den Fig 5, 6 und 8 ist der Stopfenantrieb 1 detaillierter dargestellt. Die nicht näher dargestellte Hubstange 4 ist zumindest abschnittweise von einem Gehäuse 6 umgeben, wobei das Gehäuse über die Wannenhalterungen 8 an dem Verteiler befestigt werden kann. Der Stopfen 2, der aus feuerfestem Material (z.B. keramischem Material) besteht, ist über eine Schraubverbindung am äußeren Ende des Auslegers 5 befestigt. Zwischen dem Gehäuse 6 und der Hubstange 4 sind zwei Führungselemente integriert, sodass eine genaue, reibungsarme Führung der Hubstange gewährleistet ist. Um den Ausleger 5 bzw. den Linearantrieb 10 vor unzulässigen Temperaturen durch das flüssige Metall im Inneren des Verteilers, dem Tauchrohr oder dem Stahlbad der Kokille, zu schützen, sind Strahlungsschutzbleche 22 vorgesehen, die diese Bauteile vor Strahlungswärme schützen. In der Fig 6 ist weiters eine visuelle Höhenanzeige 23 in Form eines Lineals dargestellt, sodass einem Bedienmann bei der manuellen Bedienung des Stopfens 2, sowie auch im Automatikbetrieb, eine Indikation über dessen Lage zur Verfügung steht. Vorzugsweise wird dem Bedienpersonal auch eine digitale Anzeige der Stopfenöffnung zur Verfügung gestellt.

[0037] In der Fig 7 steht ein Bedienmann auf Gießbühnenniveau, der den Ausfluss aus einem Verteiler 3 manuell einstellt. Der Bediener verschiebt mittels des Handhebels 16 die Hubstange 4, wobei durch die Abmessungen der Hebellängen des Handhebels 16 und der Hebellaschen 17 eine Kraftverstärkung von ca. 8 erzielt wird. Weiters kann der Handhebel 17 einfach von der Hebellasche 16 abgenommen werden, sodass der Handhebel beim Abheben des Verteilers 3 mittels eines nicht dargestellten Krans keine Behinderung darstellt. Um die manuelle Handhebelbedienung weiter zu vereinfachen, ist der Handhebel 17 um ±90° schwenkbar (siehe Fig 12) ausgebildet.

[0038] In den Fig 10 und 13 sind der Linearantrieb 10 und die Anbindung des Linearantriebs 10 an die Hubstange 4 näher dargestellt. Der Linearantrieb umfasst einen Wechselstrom Hohlwellen-Servomotor 12, einen Resolver 24, ein als Spindelmutter ausgeführtes Getriebe 13, und eine Kugelrollspindel als Schubspindel 14. Die Drehbewegung des Rotors des Elektromotors 12 wird durch das Getriebe 13 in eine translatorische Bewegung der Schubspindel 14 umgewandelt, wobei die Schubspindel 14 mittels eines mechanischen Verbindungselements 15 mit der Hubstange 4 verbunden ist. Der Handhebel 16 ist über Hebellaschen 17, die sich über einen drehbaren Ring 6a auf dem Gehäuse 6 abstützen, mit der Hubstange 4 verbunden. Der Ring 6a ist axial auf dem Gehäuse gesichert, jedoch um 180° drehbar, sodass ein Bediener unterschiedliche Positionen gegenüber dem Stopfenantrieb einnehmen kann. Das Verbindungselement 15 ist als Querstift ausgebildet, der formschlüssig in eine ebenfalls quer zur Längsachse 11 ausgerichtete Nut in der Hubstange 4 eingreift. Nähere Details hierzu sind den Fig 10 und 13 zu entnehmen.

[0039] In Fig 9 ist die Verdrehsicherung des Auslegers 5 dargestellt, wobei der Ausleger 5 mittels zweier Drehmomentenstützen gegen Verdrehung gesichert wird. Zum Einen ist das Gehäuse 6 mit einem parallel zur Längsachse 11 der Hubstange 4 ausgerichteten Führungsbolzen 18 verbunden. Der Führungsbolzen 18 in Verbindung mit dem Führungsbereich 19 definiert die zulässige Drehbewegung des Auslegers 5 gegenüber dem Gehäuse 6 formschlüssig, sodass es sich dabei um eine formschlüssige Drehmomentenstütze handelt. Im darggestellten Fall ist der Führungsbereich 19 als Nut ausgebildet, wobei die Nut ein Segment eines konzentrischen Kreises um die Längsachse 11 abdeckt. Durch diese Wahl des Führungsbereichs wird eine begrenzte Verdrehung des Auslegers gegenüber dem Gehäuse zugelassen, was vorzugsweise bei Verteilern für Langprodukte verwendet wird (siehe auch Fig 12, wobei die verdrehten Positionen strichliert gezeichnet sind). Alternativ wäre es ebenfalls möglich, den Führungsbereich als eine kreisförmige Bohrung auszubilden. Zum Anderen stützt sich der Ausleger 5 über die Flanschplatte 28 und den Stützbolzen 27 am Gehäuse 6 ab, wobei die Flanschplatte 28 über die vorspannbare Druckfeder 21 gegen den Ausleger 5 gepresst wird. Damit werden Torsionsmomente reibschlüssig abgestützt, sodass es sich dabei um eine reibschlüssige Drehmomentenstütze handelt. Die Druckfeder 21, deren Position einerseits durch einen Federhalter 25 und andererseits durch einen Federtopf 26 festgelegt ist, dient nicht nur dazu, eine formschlüssige Drehmomentenstütze auszubilden; vielmehr dient die Druckfeder 21 auch als Gewichtsausgleichseinrichtung 21, welche die Gewichtskraft zumindest eines Teils des Stopfenantriebs 1 kompensiert. Durch die Gewichtskompensation, kann der Linearantrieb kompakter und leistungsärmer ausgeführt werden.

[0040] Fig 11 zeigt die Verdrehsicherung von Fig 9 in einer Schnittdarstellung. Die Gewichtsausgleichvorrichtung 20 ist als vorspannbare Druckfeder 21 ausgebildet, die parallel zur Längsachse 11 ausgerichtet ist. Durch die Druckfeder werden die bewegten Massen der Hubstange 4, des Auslegers 5 und des nicht dargestellten Stopfens teilweise kompensiert, sodass der Linearantrieb lediglich eine reduzierte Kraft zur Verschiebung aufbringen muss. Die Druckfeder 21 wird auf der Unterseite von einem Federhalter 25 in Form eines Zapfens mit Gewinde gehalten und geführt; auf der Oberseite befindet sich die Druckfeder in einem Federtopf 26, sodass ein seitliches Ausweichen der Druckfeder 21 ausgeschlossen wird.

[0041] In Fig 13 ist die Verbindung zwischen dem Linearantrieb 10 und der Hubstange 4 vergrößert dargestellt. Dabei ist die Schubspindel 14 über ein mechanisches Verbindungselement 15, das als ein quer zur Längsachse des Linearantriebs 10 liegender Querstift ausgebildet ist, mit der Hubstange 4 verbunden. Der Querstift greift in eine ebenenfalls quer liegende Nut in der Hubstange 4 ein, sodass die Schubspindel 14 steckbar mit der Hubstange 4 verbunden ist. Nicht näher dargestellt ist ein elektrischer Verbindungsstecker, der die Leistungselektronik - z.B. einen Frequenzumrichter - mit dem Linearantrieb 10 verbindet. Der Verbindungsstecker weist auf der dem Elektromotor 12 abgewandten Seite zwei Taster auf, durch die die Schubspindel 14 ein- und ausgefahren werden kann. Dadurch wird sichergestellt, dass der Linearantrieb 10 einfach mit der Hubstange 4 verbunden werden kann.

[0042] Fig 14 zeigt eine schematische Darstellung der Hubkräfte F und Hubwege s des Linearantriebs 10 bei der erfindungsgemäßen Ansteuerung des Stopfenantriebs 1. Anfangs befindet sich der Stopfen 2 in der geöffneten Stellung, wobei der vertikale Abstand zwischen dem Stopfen 2 und dem Lochstein S_Max beträgt. Anschließend wird der Linearantrieb 10 mit langsamer Geschwindigkeit eingefahren, wobei der Linearantrieb 10 die Abwärtsbewegung des Stopfens 2 abbremst. Beim Abbremsen des Stopfens nimmt der Linearantrieb 10 im Wesentlichen die Gewichtskraft der bewegten Massen des Stopfenantriebs 1 und des Stopfens 2 auf, d.h. der Linerantrieb drückt auf die Hubstange. Zum Zeitpunkt t₀ setzt der Stopfen 2 auf dem Lochstein auf, wobei zu diesem Zeitpunkt die Position des Linearantriebs auf S₀=0 zurückgesetzt wird. Das weitere Einfahren des Linearantriebs zwischen t₁ und t₂ bewirkt, dass der Antrieb 10 entlastet wird, sodass die Kraft der bewegten Massen vom Lochstein aufgenommen wird; weiters werden in dieser Phase die ggf. im Stopfenantrieb vorhandenen mechanischen Spiele überwunden. Zum Zeitpunkt t₂ kehrt sich die Last am Linearantrieb 10 um, d.h. dass der Linearantrieb 10 den Stopfen 2 gegen den Lochstein anpresst. Durch das weitere Einfahren des Linearantriebs 10 steigt die Kraft F im Linearantrieb an, wobei das Schließen des Linearantriebs 10 bei Erreichen von F = F_Nenn zum Zeitpunkt t₃ gestoppt wird. Das Anpressen mit F_Nenn wird für eine Zeitspanne t_Halten = 5 s aufrecht gehalten, sodass sich der Stopfen 2 im Lochstein "setzen" kann. Anschließend wird zum Zeitpunkt t₄ die Anpresskraft auf F = 0.6*F_Nenn reduziert, wobei der Stopfen 2 aber nach wie vor sicher den Lochstein abdichtet. Durch die Reduktion der Anpresskraft fährt der Linearantrieb von der Position S₁ auf die Position S₂ auf. Durch diese Kraftreduktion wird auch der Linearantrieb geringer thermisch belastet. Dieser Zustand mit F = 0.6*F_Nenn wird beim Füllen des Verteilers zwischen den Zeitpunkten t₅ und t₆ aufrechterhalten; es wäre jedoch auch möglich, mit dem Füllen des Verteilers während der Zeitspanne t_Halten zu beginnen. Kurz vor dem Gießbeginn wird der Stopfen 2 zum Zeitpunkt t₆ durch den Linearantrieb 10 weiter ausgefahren. Zwischen den Zeitpunkten t₇ und t₈ werden die ggf. vorhandene mechanischen Spiele bzw. Elastizitäten im Stopfenantrieb 1 überwunden. Ab dem Zeitpunkt t₈ drückt der Linearantrieb 10 den Stopfen 2 auf, wobei zum Zeitpunkt t₉ der Linearantrieb eine Position s > S₀ erreicht, sodass der Ausfluss aus dem Verteiler geöffnet wird.

Bezugszeichenliste

[0043] 

1

Stopfenantrieb

2

Stopfen

3

Verteiler

4

Hubstange

5

Ausleger

6

Gehäuse

6a

Verdrehbarer Ring

8

Wannenhalterung

9

Führungselement

10

Linearantrieb

11

Längsachse

12

Elektromotor

13

Getriebe

14

Schubspindel

15

Verbindungselement

16

Handhebel

17

Hebellasche

18

Führungsbolzen

19

Führungsbereich

20

Gewichtsausgleichsvorrichtung

21

Druckfeder

22

Strahlungsschutzblech

23

Höhenanzeige

24

Resolver

25

Federhalter

26

Federtopf

27

Stützbolzen

28

Flanschplatte

F

Hubkraft

s

Hubweg

t

Zeit

Ansprüche

1. Stopfenantrieb (1) zum Verschieben eines Stopfens (2), wodurch der Ausfluss aus einem metallurgischen Gefäß (3) verändert werden kann, aufweisend

- eine Hubstange (4) zum Heben und Senken eines Auslegers (5), wobei der Ausleger (5) auskragend an der Hubstange (4) befestigt ist und der Stopfen (2) am Ausleger (5) befestigt werden kann;

- ein stationäres Gehäuse (6) das einen Längsabschnitt der Hubstange (4) zumindest teilweise umschließt, wobei das Gehäuse (6) über eine Wannenhalterung (8) mit dem metallurgischen Gefäß (3) verbunden werden kann;

- einen elektromechanischen Linearantrieb (10) zum Verschieben der Hubstange (4) gegenüber dem Gehäuse (6), wobei die Längsachsen (11) des Linearantriebs (10) und der Hubstange (4) koaxial ausgerichtet sind; dadurch gekennzeichnet,
dass der Linearantrieb (10) als eine bauliche Einheit ausgebildet ist, die einen Elektromotor (12), ein Getriebe (13) und eine Schubspindel (14) umfasst, wobei das Getriebe (13) zur Umsetzung einer Drehbewegung des Elektromotors (12) in eine translatorische Bewegung der Schubspindel (14) ausgebildet ist; und
dass der Stopfenantrieb (1), vorzugsweise der Linearantrieb (10), eine Kraftmesseinrichtung zur Ermittlung einer Hubkraft F und eine Wegemesseinrichtung (24) zur Ermittlung eines Hubwegs s umfasst.

2. Stopfenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmesseinrichtung (24) als ein Drehgeber (24) ausgebildet ist, wobei der Drehgeber signaltechnisch mit einem Rotor des Elektromotors (12) verbunden ist und der Drehgeber (24) zwei phasenverschobene Ausgangssignale zur Ermittlung der Drehzahl und der Drehrichtung des Rotors ausgeben kann.

3. Stopfenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung als eine Strommesseinrichtung ausgebildet ist.

4. Stopfenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Handhebel (16) über eine Hebellasche (17), die am Gehäuse (6) gelenkig abgestützt ist, in die Hubstange (4) eingreift, sodass die Hubstange (4) mittels des Handhebels (16) manuell verschoben werden kann.

5. Stopfenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein parallel zur Längsachse (11) der Hubstange (4) ausgerichteter Führungsbolzen (18) mit dem Gehäuse (6) verbunden ist;
dass der Ausleger (5) einen Führungsbereich (19) zur Führung des Führungsbolzens (18) aufweist, wobei der Führungsbolzen (18) mit dem Führungsbereich (19) die Verdrehbarkeit des Auslegers (5) gegenüber dem Gehäuse (6) formschlüssig definiert.

6. Stopfenantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein parallel zur Längsachse (11) der Hubstange (4) ausgerichteter Stützbolzen (27) mit dem Gehäuse (6) verbunden ist;
dass der Stützbolzen (27), vorzugsweise durch eine Druckfeder (21), gegen den Ausleger (5) gepresst wird, wobei der Stützbolzen (27) die Verdrehbarkeit des Auslegers (5) gegenüber dem Gehäuse (6) reibschlüssig definiert.

7. Stopfenantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (21) als eine mechanische, pneumatische oder hydraulische Druckfeder (21) ausgebildet ist.

8. Stopfenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längsabschnitt des Auslegers (4) und/oder der Linearantrieb (10) von einem Strahlungsschutzblech (22) zumindest teilweise umschlossen ist.

9. Stopfenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubspindel (14) mittels eines mechanischen Verbindungselements (15) steckbar mit der Hubstange (4) verbindbar ist.

10. Verfahren zum Ausgleich von Elastizitäten und mechanischen Spielen bei der automatisierten Ansteuerung eines Stopfenantriebs (1), aufweisend folgende Verfahrensschritte:

- Einfahren des Linearantriebs (10) bis der Stopfen (2) auf einem Lochstein eines metallurgischen Gefäßes (3) aufsetzt;

- Auslesen der Position des Linearantriebs (10) S₀;

- Einfahren des Linearantriebs (10) bis der Stopfen (2) mit einer Nennkraft F_Nenn gegen den Lochstein gepresst wird;

- Halten des Linearantriebs (10) bei der Nennkraft F_Nenn für eine Haltezeit t_Halten;

- Entlasten des Linearantriebs (10), sodass der Stopfen (2) mit einer Kraft 0.2F_Nenn <F<0.8F_Nenn gegen den Lochstein gepresst wird;

- Füllen des Verteilers (3) mit metallischer Schmelze;

- Ausfahren des Linearantriebs (10) auf eine Soll-Position S_soll > S₀ .

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit 2s < t_Hahen <60s beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennkraft F_Nenn kleiner gleich dem Minimum

- der maximal zulässigen Anpresskraft des Stopfens (2) an den Lochstein; und

- der maximalen Schließkraft des Linerantriebs (10) ist.

13. Verwendung des Stopfenantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12.

Zeichnung