EP2718043B1 - Method for regulating the height of the casting level in a mold of a continuous casting installation - Google Patents

Method for regulating the height of the casting level in a mold of a continuous casting installation Download PDF

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EP2718043B1
EP2718043B1 EP12718198.0A EP12718198A EP2718043B1 EP 2718043 B1 EP2718043 B1 EP 2718043B1 EP 12718198 A EP12718198 A EP 12718198A EP 2718043 B1 EP2718043 B1 EP 2718043B1
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EP
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height
mould
mold
volume flow
liquid metal
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Dirk Lieftucht
Erich Hovestädt
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    • 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
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    • 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

  • 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.
  • 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.
  • the "Optical Frequency Domain Reflectometry” method (OFDR method) or the “Optical Time Domain Reflectometry” method (OTDR method) can also 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.

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

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Höhe des Gießspiegels in einer Kokille einer Stranggießanlage.The invention relates to a method for regulating the height of the casting mirror in a mold of a continuous casting plant.

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.In the continuous casting of a metal strand, 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.

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.It is important that the liquid metal is kept in the mold at a defined Gießspiegelhöhe to perform the continuous casting process of high quality. For this purpose, a certain height range is usually allowed, in which the casting level may be in the mold. 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.

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.In the regulation of a desired constant volume flow in the pouring tube, 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. On the other hand, 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. If there is an undesirable sudden breakdown of encrustation, there will be a corresponding change in the volume flow of the liquid metal and consequently a Gießspiegelschwankung in the mold. The regulation of the volume flow of liquid metal into the mold can be set at unknown transfer function, ie at unknown plug characteristic, usually only with a low gain of the controller, so that instabilities are prevented. However, a low gain reduces the adjustability of 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. Mit der Regelung der Höhe des Gießspiegels in einer Kokille beschäftigt sich auch die JP 56 091974 A . Ähnliche Lösungen gehen aus der JP 10 216914 A und aus der JP 2002 059249 A hervor.From the DE 10 2009 057 861 A1 It is known to use a meter for the volume flow within the pouring tube for a fast control of the volume flow. Thus, a relatively fast regulation of the volume flow can take place. As an advantageous sensor for the flow rate, a solution has proven useful in the WO 00/58695 A1 is described. Magnetic fields are used here to determine the volume flow quickly and accurately. By means of the sensor described here, a measured value can be recorded in the tenth of a second range; the resolution is also very precise, so that the actual volume flow can be detected accurately. With the regulation of the height of the casting mirror in a mold also deals with JP 56 091974 A , Similar solutions go out of the JP 10 216914 A and from the JP 2002 059249 A out.

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.In addition to the constant regulation of the volume flow of liquid metal into the mold, another problem is that flow effects of the liquid metal also result in the mold itself, which make it difficult to stably maintain a defined pouring height in the mold. Furthermore, the behavior of the cast strand, as long as it is not yet solidified, a potential source of interference for keeping the pouring level constant.

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 Störeinfluss 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.Disturbances are, on the one hand, the dynamic bulging of the strand between the strand guide rollers, d. H. the so-called Bulging. This results in a pumping effect and a subsequent Gießspiegelschwankung. On the other hand, a disturbing effect is created by the fact that waves form on the mold surface, resulting from the pouring of the liquid metal into the mold. These waves mislead a measuring device in the mold during shaft passage at the measuring point a Gießspiegelschwanking, ie an apparent change in the Gießspiegelhöhe, which does not exist so.

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.Although it is from the DE 10 2008 060 032 A1 as such known to detect the Gießspiegelhöhe in a mold, for which purpose optical fibers are used, which are arranged in the mold. The temperature measurement takes place, for example, with the fiber Bragg grating method.

Während insoweit isolierte Maßnahmen bekannt sind, die eine 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.While insofar isolated measures are known, which favor a constant maintenance of the level of pouring in the mold, it is still problematic to put the measures into a context in such a way that overall the result of the control can be improved.

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.It is therefore an object of the present invention to propose a method for controlling the height of the casting mirror in a mold of a continuous casting machine, which is characterized by an improved efficiency, ie. H. 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.

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 derart zugrunde gelegt werden, dass der Verlauf der Temperatur an der Anzahl Umfangsstellen erfasst und die Höhenlage des Maximalwertes der Temperatur ermittelt wird und dass über die ermittelten Höhenlagen der Temperaturmaxima eine Mittelwertbildung vorgenommen wird, wobei der Mittelwert als Ist-Höhe des Gießspiegels zugrunde gelegt wird.The solution of this object by the invention is characterized in that liquid metal flows from a ladle or an intermediate container via at least one pouring tube into the mold, wherein the volume flow of liquid metal from the ladle or the intermediate container into the mold of a control (plug ), wherein the volume flow of liquid metal flowing from the ladle or the intermediate container into the mold is measured by a flow sensor as an actual volume flow, wherein the volume flow is adjusted according to a desired value and, taking into account the measured actual volume flow in a first control loop with a first controller is controlled, the first controller acts on the control, wherein the height of the casting mirror in the mold after specification of a desired value or desired range and taking into account the actual height of Gießspiegels is controlled in a second control loop with a second controller, 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 characterized by the inflow of liquid metal in the mold on the casting mirror 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 the determination of the effective height of the mold level such that the course of the temperature a n the number of circumferential locations detected and the altitude of the maximum value of the temperature is determined and that on the determined altitudes of the temperature maxima an averaging is made, the average value is taken as the actual height of the casting mirror.

Bevorzugt erfolgt die Ermittlung eines Temperaturverlaufs über der Höhe der Kokille mittels mindestens eines Lichtwellenleiters, der vertikal in der Kokillenwand angeordnet ist.Preferably, 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.

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.In this case, 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 current height of the mold level at the relevant peripheral point of the mold.

Als Steuerelement wird bevorzugt ein beweglicher Verschlussstopfen eingesetzt.As a control, preferably a movable closure plug is used.

Als Durchflusssensor wird mit Vorteil ein Sensor verwendet, der durch Induktion eines magnetischen Feldes in das flüssige Metall den Volumenstrom bestimmt.As a flow sensor, a sensor is advantageously used, which determines the volume flow by induction of a magnetic field in the liquid metal.

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.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.

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.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.

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 110 mm vorgegeben wird.As a target height for the liquid metal in the mold, 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 preferred that a distance from the upper edge of the mold between 90 and 110 mm is specified for the desired range.

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.In this case, 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.

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.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.

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.Accordingly, 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 Gießspiegelhöhe, but then fast dynamic changes by flow measurement (volume flow measurement) are controlled at the pouring tube.

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.The regulation of the liquid steel level in the mold, d. H. The regulation of the integrative portion is carried out - as mentioned - so that the Gießspiegelhöhe moves in a defined range.

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.Provided for this purpose is a distributed measurement of the temperature profile over the mold height with the mentioned fiber optic methods. Here, in particular, in addition to the fiber Bragg grating method, 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. In this case, a "heat lobe" is then measured with each optical waveguide, ie. H. a temperature profile over the mold height. These heat lobes can not be determined with thermocouples, since thermocouples are not sensitive enough and provide too few measuring points above the mold height.

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.Based on the measured heat lobe can be calculated by experiments on the actual pouring mirror back. The pouring mirror is mainly described by the position of the maximum of the heat lobe. Due to the distributed measurement of up to 32 heat lobes distributed over the circumference of the mold, this creates a "mountain range" along the outer boundary of the mold. Thus, the shape and size of a so-called "standing wave" in the mold can be determined, i. H. a quasi-stationary wave structure on the casting mirror, which results from the pouring of liquid metal into the mold.

Alle Schwankungen dieser stehenden Welle werden durch die Ermittlung des Höhenzuges erkannt; die stehende Welle kann somit online erfasst und dargestellt werden.All fluctuations of this standing wave are detected by the determination of the ridge; the standing wave can thus be recorded and displayed online.

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.Accordingly, by the proposed approach by means of the distributed optical fiber measurement, the actual effective Gießspiegelschwankung - It has to be corrected - to be distinguished from the fluctuation caused by the standing wave.

So wird es möglich, Regelungseingriffe auf die tatsächlichen Gießspiegelhöhenschwankungen zu beschränken.This makes it possible to restrict control interventions to the actual Gießspiegelhöhenschwankungen.

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 110 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.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. In order to prevent "erosion" of the pouring tube at one point, for the regulation of the integrative portion in the mold a target range of z. B. 90 to 110 mm (measured from the upper edge of the copper mold from) set. As long as the pouring mirror is in this range and does not show any great fluctuations, no control measures take place with regard to the integrative filling level.

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.If there are strong fluctuations in the mold, they can be specifically assigned to the dip tube or the mold, so that the proposed control strategy can compensate for this purpose.

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.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. B. vertically beckupfert in a narrow side or broadside or arranged in a hole in the mold.

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.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.

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.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.

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.Accordingly, the overall result is an effective control of the rapidly changing portion by a very fast flow measurement at the pouring tube and a control based on 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 area) for the level of the pouring mold in the mold, for which the distributed optical fiber measurement is used, with which a Höhengebirgszug the so-called. Standing wave is detected. Effects such as bulging can hereby be recorded and corrected.

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.The technology of measuring temperatures by optical fibers is known as such, including on the WO 2004/015349 A2 and on the WO 2007/079894 A1 is pointed out.

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 the drawing, an embodiment of the invention is shown. Show it:
Fig. 1
schematically a continuous casting plant, wherein in addition to a ladle, an intermediate container and a mold and a control scheme is outlined,
Fig. 2
the section AB according to Fig. 1 through the mold and
Fig. 3
schematically the course of a measured temperature above the height of the mold.

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.In Fig. 1 is a part of a continuous casting plant 3 outlined, which has a ladle 5 for receiving molten steel 4 in a known manner. About a shadow tube 13, 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. In the mold 2, the liquid metal 4 forms a pouring mirror. 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 110 mm von der Oberkante der Kokille 2 entfernt bleibt.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 110 mm from the upper edge of the mold 2.

Der Volumenstrom V̇ 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.The volume flow V̇ of liquid metal 4, which is fed to the mold 2, can be influenced by a control 8, which - formed as a plug-via an actuating element in the direction of the double arrow in Fig. 1 can be moved. Accordingly, more or less volume of liquid metal 4 can be passed into the mold 2 per time.

Zur Regelung des Volumenstroms V̇ 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 V̇Soll . Der tatsächliche Volumenstrom V̇Ist 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 V̇Soll - V̇Ist 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 11 sowie eine zweite Regelstrecke 15 aufweist. Hier ist die Stellgröße die Sollhöhe des Gießspiegels hSoll, 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 11 gibt der zweiten Regelstrecke 15 das Stellsignal vor, wobei hier der erste Regelkreis zwischengeschaltet ist (Kaskadenregelung). Die tatsächlich Höhe hIst wird von der Sollhöhe hSoll abgezogen, so dass bei gegebener Regeldifferenz der zweite Regler 11 das Nötige veranlasst.To regulate the volume flow V̇ , a first control loop is provided which consists of a first regulator 10 and the first controlled system 14 influenced by the latter (see the schematic representation in FIG Fig. 1 ). The first control loop is given a setpoint for the volume flow V̇ setpoint . The actual volume flow V̇ Ist is detected by a flow sensor 9, which is arranged in or on the pouring tube 7. As used herein, 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 V̇ Soll - V̇ Ist 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 controller 11 and a second control path 15. Here, the manipulated variable is the desired height of the casting mirror h desired , 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 11 is the second controlled system 15 before the control signal, in which case the first control loop is interposed (cascade control). The actual height h ist is deducted from the desired height h Soll , so that, given a control difference, the second controller 11 causes the necessary.

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.In this case, 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 in Fig. 1 indicated 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.

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.It is important to recognize the "mountain elevation" of this standing wave and to take into account in determining the effective height h of the casting mirror 1 in the mold 2.

Hierfür wird wie folgt vorgegangen:The procedure is as follows:

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.About the circumference of the mold 2 is - as in Fig. 2 can be seen - arranged a plurality of optical waveguides 12. 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.

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 hIst, der bei der Regelung zugrunde gelegt wird.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. This is on Fig. 3 referenced where qualitatively such a course T = f (h) in the form of a "heat lobe" is sketched. Clear to recognize is one Maximum of the temperature T. This maximum is a sure indication of the actual position of the casting level 1 at this circumferential point of the mold 2. Thus, it is possible in a simple manner to detect the shape of the standing wave in the mold by evaluating all detected "heat lobes" , For example, by appropriate averaging the effective position of the mold level 1 can be detected, virtually adjusted for the standing wave. This value is then the actual value h actual , which is used in the regulation.

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.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.

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.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.

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.The evaluation can be carried out, for example, according to the so-called fiber Bragg grating method (FBG method). In this case, 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. By changing the temperature at one point, the Bragg wavelength is changed and exactly this is reflected. Light that does not satisfy 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. Of the Detailed structure of such fiber Bragg gratings and the corresponding evaluation units are well known. 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.

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.Alternatively, the "Optical Frequency Domain Reflectometry" method (OFDR method) or the "Optical Time Domain Reflectometry" method (OTDR method) can also 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. By means of 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.

Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gießspiegelmeniscus
22
Kokillemold
33
Stranggießanlagecontinuous casting plant
44
flüssiges Metall (Stahlschmelze)liquid metal (molten steel)
55
Gießpfanneladle
66
Zwischenbehälter (Tundish)Intermediate container (tundish)
77
Gießrohr (SEN - submerged entry nozzle)Pouring tube (SEN - submerged entry nozzle)
88th
Steuerelementcontrol
99
DurchflusssensorFlow Sensor
1010
erster Reglerfirst controller
1111
zweiter Reglersecond controller
1212
Lichtwellenleiteroptical fiber
1313
SchattenrohrLadle
1414
erste Regelstreckefirst controlled system
1515
zweite Regelstreckesecond controlled system
hH
Höhe des GießspiegelsHeight of the water level
hsoll h should
Soll-Höhe des GießspiegelsTarget height of the pouring mirror
hIst h is
Ist-Höhe des GießspiegelsActual height of the water level
V̇V
Volumenstrom des flüssigen MetallsVolume flow of the liquid metal
V̇Soll V̇ Soll
Sollwert für den VolumenstromSetpoint for the volume flow
V̇Ist V̇ is
Istwert für den VolumenstromActual value for the volume flow
T(h)T (h)
Temperaturverlauf über der Höhe der KokilleTemperature profile over the height of the mold
xx
Abstanddistance

Claims (9)

  1. Method of regulating the height (h) of the meniscus (1) in a mould (2) of a continuous casting plant (3),
    wherein liquid metal (4) flows into the mould (2) from a ladle (5) or a tundish (6) via a pouring spout (7),
    wherein the volume flow (V̇) of liquid metal (4) from the ladle (5) or tundish (6) into the mould (2) can be controlled by a control element (8),
    wherein the volume flow (V̇) of liquid metal (4) flowing from the ladle (5) or the tundish (6) into the mould (2), is measured by a throughflow sensor (0) as a an actual volume flow (V̇Ist ),
    wherein the volume flow (V̇) is regulated in accordance with presetting of a target value (V̇soll ) and with consideration of the measured actual volume flow (V̇Ist ) in a first regulating circuit by a first regulator (10), wherein the first regulator (10) acts on the control element (8), and
    wherein the height (h) of the meniscus (1) in the mould is regulated in accordance with presetting of a target value or target range (hsoll) and with consideration of the actual height of the meniscus in a second regulating circuit by a second regulator (11), wherein the second regulator (11) presets for the first regulating circuit a target value for the volume flow (V̇soll ),
    characterised in that
    determination of the actual height (hIst) of the meniscus (1) is carried out with consideration of a standing wave on the meniscus (1) which forms on the meniscus (1) due to the inflow of liquid metal (4) into the mould (2) in that a temperature plot (T(h)) over the height (h) of the mould (2) is detected at a number of circumferential points of the mould (2) and the measured temperature plots (T(h)) are the basis for determination of the effective height (hIst) of the meniscus (1) in that
    - the plot of the temperature is detected at the number of circumferential points and the height position of the maximum value of the temperature is determined and
    - a mean value formation is undertaken over the determined height positions of the temperature maxima, wherein the mean value is the basis of the actual height (hIst) of the meniscus (1).
  2. Method according to claim 1, characterised in that the determination of a temperature plot (T(h)) over the height of the mould (2) is carried out by means of at least one optical waveguide (12) arranged vertically in the mould wall.
  3. Method according to claim 2, characterised in that the temperature profile (T(h)) over the height (h) of the mould (2) is detected for each optical waveguide (12) and the maximum of the measured values is the basis of a criterion for the position of the current height (h) of the meniscus at the relevant circumferential point of the mould (2).
  4. Method according to any one of claims 1 to 3, characterised in that a movable closure plug is used as control element (8).
  5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterised in that a sensor, which determines the volume flow (V̇) through induction of a magnetic field in the liquid metal, is used as throughflow sensor (9).
  6. Method according to any one of claims 2 to 5, characterised in that at least four optical waveguides (12), preferably at least eight optical waveguides (12), are arranged around the circumference of the mould (2), each of which detects a temperature profile (T(h)) over the height (h) of the mould (2).
  7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterised in that each optical waveguide (12) detects at least five, preferably at least twenty, temperature measurement values over the height dimension of the mould (2).
  8. Method according to any one of claims 1 to 7, characterised in that as target height (hsoll) for the liquid metal (4) in the mould (2) a region lying at a defined spacing from the upper edge of the mould (2) is predetermined, wherein a spacing (x) from the upper edge of the mould (2) of between 90 and 110 millimetres is preferably determined for the target region.
  9. Method according to claim 8, characterised in that a regulating deviation is reported to the second regulator (11) as long as a value lying in the predetermined range is determined for the actual height (hIst) of the liquid metal (4).
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