[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Kontrollieren von Schlacke
in einem Vorratsbehälter beim Stranggießen von Metall, insbesondere von Stahl, bei
dem die Metallschmelze kontinuierlich aus einer Gießpfanne in einen Vorratsbehälter
bzw. in eine Verteilerrinne und anschließend in eine Stranggießkokille gegossen wird.
[0002] Ein derartiges Kontroll- bzw. Meßverfahren dient dem Zweck, das Eindringen von Schlacke
in die Stranggießkokille und damit in den Gußwerkstoff letztlich zu verhindern. Grundsätzlich
zwingt Schlacke, die in größeren Mengen in die Stranggießkokille gelangt, zum Abbruch
des Gießvorganges. Schlackeneinschlüsse machen den Gußwerkstoff unbrauchbar. Die Feststellung,
ob in einem verarbeiteten Gußwerkstoff aufgrund von ursprünglichen Schlackeneinschlüssen
Fehlerstellen vorhanden sind, verteuert außerdem das Produkt.
[0003] Eine solche Feststellung, ob Schlacke von einem der Stranggießkokille vorgeschalteten
Vorratsbehälter in den Gießstrahl gelangt, ist schwierig und Erfolge sind auf diesem
Gebiet praktisch nicht erzielt worden. Gründe für die meßtechnischen Schwierigkeiten
liegen u.a. in der speziellen Technologie des Metall-, insbesondere des Stahlstranggießens.
Beim verdeckten Gießen (shrouding) gelangt die Metallschmelze aus der Gießpfanne durch
ein Rohr in die Kammer des Vorratsbehälters und von dort durch ein Rohr (dem sog.
Tauchausguß) in die Stranggießkokille. Bei dem verdeckten Gießen ist daher schon nicht
feststellbar, zu welchem Zeitpunkt (in der Entleerungsphase) Schlacke aus der Gießpfanne
in den Vorratsbehälter fließt. Das verdeckte Gießen erlaubt nämlich z.B. keine optische
Erkennung der Schlacke von außen. Einen weiteren Grund bildet die Metallschmelzenströmung
von der Gießpfanne in das Vorratsgefäß. Die Schlacke schwimmt in der Gießpfanne auf
der Metallschmelze. Zu einem unbekannten Zeitpunkt bildet sich ein Strudel auf der
Schmelzbadoberfläche (sog. Yortex-Effekt), so daß die Schlacke in die Schmelze eingehüllt
im Kern eines (offenen) Gießstrahls strömt. Somit scheidet auch eine optische Erkennung
von Schlacke aus, falls auf Reoxidationsschutzeinrichtungen verzichtet werden sollte.
[0004] Die Information, ob Schlacke in den Vorratsbehälter gelangt, ist aus mehreren Gründen
besonders wichtig:
a) In dem Vorratsbehälter findet eine unerwünschte Reaktion der Metallschmelze mit
der Schlacke statt. Die erwähnten Schlackeneinschlüsse führen zu gefährlichen Fehlern
des Produkts.
b) Die Schlacke gelangt aus dem Vorratsbehälter in die Stranggießkokille und kommt
mit dem Wasser der Sekundärkühlung in Berührung. Die Folge davon ist eine heftige
Reaktion des flüssigen Schlackenanteils mit dem Wasser der Sekundärkühlung. Die plötzliche
Wasserdampfbildung gefährdet mit umher geschleuderten Schlackenpartikeln das Bedienungspersonal.
c) Die Vorratsbehälter, insbesondere die Verteilerrinnen weisen Wände und/oder Wehre
auf. Für den Fall, daß Schlacke fortlaufend in die Eingießkammer gelangt, die durch
eine der Wände abgetrennt ist, befindet sich mit zunehmender Betriebszeit mehr und
mehr Schlacke in dem Vorratsbehälter. Der Raum für die Metallschmelze wird daher in
unzulässiger Weise durch die Schlacke belegt.
d) Das Eindringen von Schlacke in die Stranggießkokille zwingt zum Abbrechen des Gießvorganges,
wodurch die Produktion von Stranggußmaterial vermindert, d.h. unwirtschaftlich wird.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein brauchbares, praktisch durchführbares
Verfahren bzw. eine entsprechende Einrichtung zur Erkennung der Schlacke im Vorratsbehälter
vorzuschlagen.
[0006] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine kontinuierliche
Messung des Gewichts des Vorratsbehälters mit Schmelzeninhalt durchgeführt, daß ferner
zeitparallel eine kontinuierliche Messung der Schmelzenspiegelhöhe im Vorratsbehälter
vorgenommen wird und daß darauf basierend eine Abweichung vom spezifischen Gewicht
der Metallschmelze nach unten ermittelt wird. Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis,
daß die spezifischen Gewichte von Schlacke und Metall sich mindestens wie 1 : 2 verhalten.
Da einer bekannten Füllstandshöhe im Vorratsbehälter bei Kenntnis des spezifischen
Gewichts des flüssigen Metalls ein definiertes Gewicht entspricht, ist jede Abweichung
vom Sollgewicht ein Hinweis auf das Vorhandensein von Schlacke. Andererseits kann
auch bei Beachtung der nachfolgenden Verfahrensweise aus der Höhe des Schmelzenspiegels
auf das Vorhandensein von Schlacke geschlossen werden. Die Schlacke schwimmt folglich
auf dem flüssigen Metall und wird beim Entleeren des Vorratsbehälters diesen am Ende
verlassen. Das Ablaufen von Schlacke wird sodann verhindert.
[0007] In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Messung der Schmelzenspiegelhöhe
im Vorratsbehälter im Wege eines senkrechten Abtastens von oben auf die auf der Metallschmelze
schwimmende Schlacke und/oder die Metallschmelze erfolgt. Diese Maßnahme sichert eine
fehlerfreie Höhenstandsermittlung.
[0008] Bei einer solchen Meßweise ist es außerdem vorteilhaft, wenn das senkrechte Abtasten
von Schlacke und/oder der Metallschmelze durch einen oder mehrere Laserstrahlen erfolgt.
Hierbei wird gewährleistet, daß Metallschmelze und Schlacke zusammen gemessen werden.
Verschiedene bekannte Meßgeräte lassen nur die Metallschmelze erkennen. Die Erfindung
ermöglicht auch das zeilenweise Abtasten der Oberfläche, um Flecken zu ermitteln,
die aus Schlacke bestehen. Es ist dann möglich, rechnerisch eine "mittlere Schlackenschicht"
zu bestimmen, woraus sich ebenfalls die Menge der Schlacke ergibt.
[0009] Eine andere Meßweise ist dadurch gegeben, daß das senkrechte Abtasten von Schlacke
und/oder der Metallschmelze durch Mikrowellensender bzw. Mikrowellenempfänger erfolgt.
[0010] Nach der weiteren Erfindung wird der Genauigkeitsgrad der Messung in Verschiedener
Hinsicht verbessert. Diesbezüglich ist vorgesehen, daß für die Messung der Schmelzenspiegelhöhe
die Grundfläche des Innenraums des Vorratsbehälters multipliziert mit einem Faktor,
der die tatsächliche Grundfläche in Abhängigkeit der jeweiligen Höhe bestimmt, zugrundegelegt
wird. Hierdurch kann z.B. eine trapezförmige Ausmauerung des Vorratsbehälters, können
ferner Wände und Wehre erfaßt werden.
[0011] Eine Vergleichsbasis für die Messungen ergibt sich außerdem dadurch, daß beim Füllen
eines leeren Vorratsbehälters mit Metallschmelze die Meßwerte des Gewichts und der
Schmelzenspiegelhöhe elektronisch abgespeichert und als Vergleichsmeßwerte für alle
zukünftigen Meßwerte verwendet werden.
[0012] Eine weitere Genauigkeitssteigerung für die Ermittlung des Wertes G (Gesamt) für
das Gewicht der Metallschmelze mit Schlacke und des Wertes h für die Höhe der Metallschmelze
mit Schlackenschicht wird dadurch erzielt, daß für die Differenzmeßgrößen delta G
bzw. delta h Toleranzgrenzen eingeführt werden.
[0013] Die Genauigkeitssteigerung kann auch dadurch verbessert werden, daß die Toleranzgrößen
für die Differenzmeßgrößen in Abhängigkeit maximaler Meßfehler der verwendeten Meßgeräte
festgelegt werden.
[0014] Nach Meldung von Schlacke durch die Meß- bzw. Auswertegeräte kann nun so vorgegangen
werden, indem beim Überschreiten der Toleranzgrenze und nach dem Schließen des Gießpfannen-Zulaufs
die Schmelzspiegelhöhe ermittelt und der Vorratsbehälter vor dem Ausfluß von Schlacke
in die Stranggießkokille geschlossen wird.
[0015] Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist derart gestaltet, daß der Vorratsbehälter
auf Kraftmeßdosen abgestützt ist, daß über dem Schmelzenspiegel des Vorratsbehälters
ein Strahlungsmeßgerät angeordnet ist, dessen Strahlengang lotrecht zum Schmelzenspiegel
verläuft und daß die Kraftmeßdosen und das Strahlungsmeßgerät mit Auswertegeräten
in Verbindung stehen.
[0016] Für das Meßergebnis der Höhe von Metallschmelze plus Schlacke ist es besonders vorteilhaft,
daß das Strahlungsmeßgerät für den Schmelzenspiegel aus einem Gerät auf Laser-Basis
besteht.
[0017] Alternativ kann die Einrichtung auch dahingehend gestaltet sein, daß das Strahlungsmeßgerät
für den Schmelzenspiegel aus einem Gerät auf der Basis eines Mikrowellensenders bzw.
eines Mikrowellenempfängers besteht.
[0018] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Teilschnitt durch eine Gießpfanne, einen Vorratsbehälter und
eine Stranggießkokille mit einer ersten Alternativen für die Meß- und Auswerteeinrichtung
als Blockschaltbild,
Fig. 2 den Teilschnitt gemäß Fig. 1 mit einer zweiten Alternativen für die Meß- und
Auswerteeinrichtung als Blockschaltbild,
Fig. 3 ein Blockschaltbild für zusätzliche Toleranzglieder mit logischer Verknüpfung
der Toleranzglieder für delta h und delta G,
Fig. 4 ein Blockschaltbild für ein weiteres alternatives Meßverfahren in Abhängigkeit
einer fortdauernden Beobachtung der Meßgröße delta h,
Fig. 5 ein Blockschaltbild für ein weiteres alternatives Meßverfahren in fortdauernder
Beobachtung der Meßgröße delta G und
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines weiteren alternativen Meßverfahrens als Kombination
der Figuren 3 bis 5.
[0019] Die Gießpfanne 1 enthält flüssige Metallschmelze 2, wie z.B. Stahl, auf der Schlacke
3 schwimmt. Innerhalb eines kontinuierlichen Betriebs strömt die Metallschmelze 2
durch den regelbaren Abstich 4 in den Vorratsbehälter 5, der aus einer Verteilerrinne
bei einer Mehrstranggießanlage besteht. An der Gießpfanne 1 ist unterhalb des regelbaren
Abstichs 4 ein Gießrohr 6 angeordnet, das (nicht sichtbar) bis unter die Schicht hl
von mitgespülter Schlacke 3 und bis in die Höhe h2 der Metallschmelze 2 reicht. Die
Metallschmelze 2 strömt aus dem Vorratsbehälter 5 unter dem metallostatischen (ferrostatischen)
Druck der Höhe h2 durch das Tauchrohr 7 In die Stranggießkokille 8, aus der ein äußerlich
erstarrter Gußstrang 9 austritt.
[0020] Der tatsächliche Inhalt des Vorratsbehälters 2 ergibt sich aus den geometrischen
Abmessungen:

worin bedeutet:
V = Volumen des Vorratsbehälters
F = Grundfläche im Innern des Vorratsbehälters
f = Korrekturfaktor für Schrägen, Wände und Wehre,
h = (gemessene) Höhe der Metallschmelze mit Schlacke.
[0021] Aus dem spezifischen Gewicht j1 - für Schlacke ist r = 3 und γ2 - für Stahl ist γ=
7,6 - können folgende Gleichungen erstellt werden:

[0022] Im Normalfall besteht das Verteilerrinnenvolumen zu 100 % aus Metallschmelze (Stahl).
Daraus ergibt sich, daß das gemessene Gesamtgewicht und die gemessene Höhe des Schmelzbades
im Vorratsbehälter unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichts einem reinen Metallvolumen
entspricht:

worin bedeuten:
h = Gesamthöhe (Schmelzbad + Schlacke) = Istwert
hl = Höhe der Schlacke
h2 = Sollhöhe des Schmelzbades


[0023] Für den Fall, daß Schlacke in die Metallschmelze eintritt, wird ein Teil des Gesamtvolumens
durch das leichtere Medium Schlacke ersetzt.

[0024] Die rechnerisch ermittelte Höhe h2 muß jetzt, entsprechend den physikalischen Gegebenheiten
von der gemessenen Höhe h (Gesamthöhe Schmelzbad + Schlacke) abweichen.
[0025] Zur Kontrolle kann nunmehr eine rechnerische Gegenüberstellung des Gewichtes G erfolgen:

[0026] Für den Fall, daß nunmehr Schlacke in die Metallschmelze eintritt, verändert sich
entsprechend dem Volumenanteil der Schlacke mit dem kleineren spezifischen Gewicht
das gemessene Gesamtgewicht.
[0027] Die Meßeinrichtung wird durch einen Vorratsbehälter 5 gebildet, der auf mehreren,
in den Eckbereichen 10 angeordneten Kraftmeßdosen abgestützt ist. Über dem Schmelzenspiegel
12 ist ein Strahlungsmeßgerät 13 angeordnet. Der Strahlengang 14 des Strahlungsmeßgerätes
13 verläuft lotrecht zum Schmelzenspiegel 12. Die Kraftmeßdosen 11 und das Strahlungsmeßgerät
13 sind über Signalverstärker 15 jeweils an ein Auswertegerät 16 angeschlossen.
[0028] Die Fig. 1 und 2 stellen zwei Alternativen des Meßprinzips dar: Gemäß Fig. 1 wird
aus dem Gesamtgewicht G nach der Formel (4) im Gerät 17 h2 und im Auswertegerät 16
die Differenz hl = h - h2 = delta h ermittelt.
[0029] Gemäß Fig. 2 ist das Gerät 17 im Meßzweig für h angeordnet und dient dort der Ermittlung
von G2 nach Gleichung (6), so daß das im unteren Meßzweig ermittelte G (Gesamt) im
Auswertegerät 16 zum Ergebnis G2 - G = delta G führt.
[0030] In beiden Fällen der Fig. 1 und 2 liegt nun eine Ausgangsgröße für Schlacke vor,
die sich in delta h bzw. in delta G zeigen.
[0031] Für diese Werte delta h bzw. delta G werden nunmehr Toleranzen festgelegt. Die Fig.
1 und 2 können daher um die Toleranzgeber 18 bzw. 19 ergänzt werden (Fig. 3). Beim
Überschreiten der Toleranzwerte erfolgt eine Alarmanzeige, und gleichzeitig ergeht
ein Befehl, den Abstich 4 der Gießpfanne 1 zu schließen, um ein weiteres Zufließen
von Schlacke in den Vorratsbehälter 5 zu vermelden. Gemäß Fig. 3 werden die Werte
delta h und delta G um eingestellte Toleranzwerte der Toleranzgeber 18 und 19 beschränkt
und dem UND-Glied 20 zugeführt, hinter dem die Alarmanzeige 21 erfolgt. Hier wird
gleichzeitig delta G und delta h bestimmt. Nur beim Überschreiten der Toleranzgrenzen
beider Fehler erfolgt die Alarmanzeige.
[0032] Die Größe der zulässigen Fehlerwerte (Toleranzgrenzen) für delta G bzw. delta h ergibt
sich aus den maximalen Meßfehlern der eingesetzten Geräte (Wiegeeinrichtung für den
Vorratsbehälter und die Höhenstandsmessung). Dazu sei folgendes Beispiel angeführt:
Fehler der Wiegetechnik
+ 0,5 % des Meßbereiches; Meßbereich: 60 t; absoluter maximaler Fehler:
+ 300 kg.
[0033] Bei einer Verteilerrinne mit einem maximalen Meßbereich von 60 t würde also delta
G mit etwas größer 300 kg fixiert werden, un ein sicheres Erkennen des Schlackenanteils
zu gewährleisten.
[0034] Bei einem Vergleichsbehälter für obige Größenordnung ergibt sich damit nur eine Schlackenhöhe
von ca. 2,5 cm bei einer Länge des Vorratsbehälters von ca. 6 m und einer Breite von
ca. 0,8 m, nachdem das Vorhandensein von Schlacke sicher erkannt wurde.
[0035] Eine andere Sicherheitsstufe wird in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Beim Überschreiten
einer Toleranzgrenze wird der Fehler delta h in der Zeit tl beobachtet. Für den Fall,
daß nunmehr in der Zeit tn tatsächlich Schlacke in den Vorratsbehälter 5 eintritt,
wird die Abweichung delta h in dem Integrationsgerät 22 über die Zeit tn zunehmen.
Damit ist die Wahrscheinlichkeit des Schlackenzulaufs sehr hoch, so daß hier die Alarmanzeige
erfolgen muß. Anstelle von delta h tritt in Fig. 5 delta G.
[0036] Das Prinzip der Erkennung eines Trends, wie zu den Fig. 4 und 5 beschrieben, kann
nunmehr noch auf die Logikverknüpfung von delta h mit delta G aus Fig. 3 angewendet
werden. Diese Kombination ist in Fig. 6 dargestellt: delta h zu einem Zeitpunkt tl
wird über die Zeit tn beobachtet so wie auch delta G zu einem Zeitpunkt tl über die
Zeit tn beobachtet wird. Auch hier erfolgt nur beim Überschreiten beider Toleranzgrenzen
hinter dem UND-Glied 20 die Alarmauslösung 21 "Schlacke".
[0037] Die Meßsignale der Kraftmeßdosen 11 und des Strahlungsmeßgeräts 13 können analog
oder digital zur Verfügung gestellt werden, so daß auch eine Weiterverwertung sowohl
analog als auch digital ohne weitere Zwischenglieder möglich ist. Im Auswertegerät
16 findet ein Vergleich der Werte G2 bzw. h2 und der unmittelbar erfaßten Werte G
(Gesamt) bzw. h statt. Für die Abweichung (Deviation) beider Vergleichswerte voneinander
wird eine Toleranzgrenze vorgegeben, bei deren Überschreiten ein (weiteres) Ausströmen
von Schlacke 3 aus der Gießpfanne 1 verhindert wird. Die erfaßten Werte h2 bzw. G
(Gesamt) werden mit den Toleranzgrößen (der Meßgeräte) korrigiert, so daß eine tatsächlich
schlackenfreie Flüssigmetallmenge (Stahl), die noch fehlerfrei vergossen werden kann,
als Information vorliegt. Ausgehend von dieser noch vorhandenen Flüssigmetallmenge
kann daher der Gießvorgang zu Ende gebracht werden.
1. Verfahren zum Kontrollieren von Schlacke in einem Vorratsbehälter beim Stranggießen
von Metall, insbesondere von Stahl, bei dem die Metallschmelze kontinuierlich aus
einer Gießpfanne in einen Vorratsbehälter bzw. in eine Verteilerrinne und anschließend
in eine Stranggießkokille gegossen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine kontinuierliche Messung des Gewichts des Vorratsbehälters mit Schmelzeninhalt
durchgeführt, daß ferner zeitparallel eine kontinuierliche Messung der Schmelzenspiegelhöhe
im Vorratsbehälter vorgenommen wird und daß darauf basierend eine Abweichung vom spezifischen
Gewicht der Metallschmelze nach unten ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung der Schmelzenspiegelhöhe im Vorratsbehälter im Wege eines senkrechten
Abtastens von oben auf die auf der Metallschmelze schwimmende Schlacke und/oder die
Metallschmelze erfolgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das senkrechte Abtasten von Schlacke und/oder der Metallschmelze durch einen oder
mehrere Laserstrahlen erfolgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das senkrechte Abtasten von Schlacke und/oder der Metallschmelze durch Mikrowellensender
bzw. Mikrowellenempfänger erfolgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Messung der Schmelzenspiegelhöhe die Grundfläche des Innenraums des Vorratsbehälters
multipliziert mit einem Faktor, der die tatsächliche Grundfläche in Abhängigkeit der
jeweiligen Höhe bestimmt, zugrundegelegt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Füllen eines leeren Vorratsbehälters mit Metallschmelze die Meßwerte des
Gewichts und der Schmelzenspiegelhöhe elektronisch abgespeichert und als Vergleichsmeßwerte
für alle zukünftigen Meßwerte verwendet werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Differenzmeßgrößen delta G bzw. delta h Toleranzgrenzen eingeführt werden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Toleranzgrößen für die Differenzmeßgrößen in Abhängigkeit maximaler Meßfehler
der verwendeten Meßgeräte festgelegt werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Überschreiten der Toleranzgrenze und nach dem Schließen des Gießpfannen-Zulaufs
die Schmelzspiegelhöhe ermittelt und der Vorratsbehälter vor dem Ausfluß von Schlacke
in die Stranggießkokille geschlossen wird.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Vorratsbehälter (5) auf Kraftmeßdosen (11) abgestützt ist, daß über dem Schmelzenspiegel
(12) des Vorratsbehälters (5) ein Strahlungsmeßgerät (13) angeordnet ist, dessen Strahlengang
(14) lotrecht zum Schmelzenspiegel (12) verläuft und daß die Kraftmeßdosen (11) und
das Strahlungsmeßgerät (13) mit Auswertegeräten (16) in Verbindung stehen.
11. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsmeßgerät (13) für den Schmelzenspiegel (12) aus einem Gerät auf
Laser-Basis besteht.
12. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlungsmeßgerät (13) für den Schmelzenspiegel (12) aus einem Gerät auf
der Basis eines Mikrowellensenders bzw. eines Mikrowellenempfängers besteht.