CH692328A5 - Verfahren zum Messen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels, insbesonders einer Metallschmelze in einer Stranggiesskokille, nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8. 



  Der Badspiegel einer Metallschmelze in einer Stranggiessanlage muss, um die ordnungsgemässe Funktion zu gewährleisten, stets innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden. Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Messung der Badspiegelhöhe vorgeschlagen worden, um eine solche Regelung zu ermöglichen. Elektrische Verfahren, bei denen eine Elektrode zum Schmelzbad geführt wird und bei denen die Veränderung des Widerstandes erfasst wird, wenn die Elektrode in das Schmelzbad eintaucht, haben sich aus verschiedenen Gründen als unzuverlässig erwiesen. Die Widerstandsänderung ist nämlich einer Vielzahl von Einflussfaktoren unterworfen, sodass es zu fehlerhaften Erfassungen kommen kann.

   Weiters ist es schwierig, aufwändig und in manchen Fällen sogar unmöglich, Elektroden zur Verfügung zu stellen, die eine ausreichende Standzeit aufweisen, ohne Verschleisserscheinungen zu zeigen, die zu fehlerhaften Messergebnissen führen können. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP-A 131 979 bekannt. 



  Die FR-A 1 383 419 betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Höhe eines Flüssigkeitsspiegels mithilfe einer Sonde, wobei diese Sonde so ausgebildet ist, dass der Messvorgang ohne Eintauchen in die Flüssigkeit durchgeführt werden kann. Das Verfahren, das mit dieser Vorrichtung durchgeführt wird, besteht im Wesentlichen darin, dass die Sonde mithilfe einer Druckregelvorrichtung in einem bestimmten Abstand über dem Flüssigkeitsspiegel positioniert wird, und dass mithilfe einer Messvorrichtung aus der Höhe der Sonde auf die Höhe des Flüssigkeitsspiegels zurückgeschlossen werden kann.

   Die Sonde ist dabei mit drei Gruppen von Bohrungen ausgestattet, wobei die erste Gruppe von Bohrungen dazu dient, ein Gas mit vorbestimmtem Druck auszustossen, eine weitere Bohrung dazu dient, den Staudruck dieses ausgestossenen Gases über der Flüssigkeitsoberfläche zu messen, und eine dritte Bohrung dazu dient, den statischen Druck oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche zu bestimmen. Über eine relativ aufwändige Regelvorrichtung, die die Differenz des Staudrucks zum statischen Druck als Eingangsgrösse verwendet, wird die Verstellung der Sonde bewirkt. Die Vorrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens benötigt wird, ist sehr aufwändig, und es ist zwangsläufig erforderlich, dass während des gesamten Messvorganges die Spitze der Sonde relativ knapp über der Flüssigkeitsoberfläche positioniert ist.

   Im Fall von Metallschmelzen ist dies unerwünscht, da bereits in der Nähe der Oberfläche eine Verschleiss der Spitze der Sonde auftritt. 



  Weiters sind induktive Verfahren bekannt, bei denen in der Schmelze ein Wirbelstrom erzeugt wird, der durch Spulen ausserhalb der Kokille erfasst werden kann. Solche Messvorrichtungen benötigen relativ viel Platz und sind insbesonders in vorhandenen Anlagen meistens nicht nachrüstbar. 



  Ferner sind optische Verfahren bekannt, bei denen die Reflexion eines Lichtstrahls an der Oberfläche der Schmelze erfasst wird, um die Höhe des Badspiegels zu bestimmen. In vielen Fällen liegt jedoch an der Oberfläche des Schmelzbades eine Schlackenschicht vor, die eine solche Messung behindert. Ausserdem kann ein solcher Messvorgang durch Turbulenzen im Schmelzbad sehr leicht gestört werden. 



  In Anbetracht dieser Schwierigkeiten wird bei vielen Stranggussanlagen auf eine Messung der Badspiegelhöhe überhaupt verzichtet und die Regelung wird manuell durch einen Arbeiter durchgeführt, der die Badspiegelhöhe beobachtet. Es ist offensichtlich, dass eine solche Vorgangsweise ungenau und arbeitsaufwändig ist. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, die Höhe eines Flüssigkeitsstandes unter schwierigen Bedingungen, wie sie beispielsweise in der Kokille einer Stranggiessanlage vorliegen, zuverlässig und genau zu bestimmen. Das Verfahren soll mit möglichst einfachen Mitteln durchführbar sein, und es soll so gestaltet sein, dass auch bestehende Anlagen so nachgerüstet werden können, dass das Verfahren durchführbar ist. 



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass eine Messsonde mit einem Gas eines vorbestimmten Druckes durchströmt wird, wobei zunächst ein Schaltdruck eingestellt wird, der um ein bestimmtes Ausmass über dem zuvor bestimmten Druck liegt, wonach die folgenden Schritte fortlaufend wiederholt werden:
 - Absenken der Sonde zum Flüssigkeitsspiegel bei gleichzeitiger Messung des Staudruckes, so lange, bis der Staudruck den Schaltdruck erreicht oder überschreitet;
 - Bestimmung der Höhe der Sondenspitze in dem Augenblick, in dem der Staudruck den Schaltdruck erreicht;
 - Zurückbewegen der Sonde um ein vorbestimmtes Ausmass und Beginn eines neuerlichen Absenkvorganges. 



  Die Sonde besteht aus einem Rohr mit einem Innendurchmesser, der zwischen 1 mm und 30 mm liegt. Das Rohr wird mit einem Inertgas eines vorbestimmten Druckes beaufschlagt, das an seiner vorderen \ffnung ausströmen gelassen wird. Der Werkstoff des Rohres wird so gewählt, dass die in der Metallschmelze auftretenden Temperaturen zu keiner Verformung oder zum Kriechen des Rohres führen. Weiters ist wesentlich, dass das Rohr vom flüssigen Metall nicht benetzt wird. Auch eine gewisse Temperaturwechselbeständigkeit muss gegeben sein. In Abhängigkeit von dem in der Schmelze vorliegenden Metall, werden diese Kriterien durch verschiedene Keramikmaterialien erfüllt, die im Einzelfall passend ausgewählt werden müssen. Wenn das Rohr beim Absenken der Metallschmelze nahe kommt oder mit ihr in Berührung kommt, so entsteht durch die geänderten Strömungsverhältnisse eine Druckwelle.

   Diese kann erfasst werden, wodurch die Badspiegelhöhe bestimmbar ist. 



  Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist, dass auch bei kleinen Stranggiesskokillen mit einem Durchmesser von weniger als 30 mm die Badspiegelhöhe mit sehr kurzen Zuflusszeiten gemessen werden kann und es auf diese Weise möglich ist, eine sehr schnell reagierende Regelung durchzuführen. In diesem Fall werden für die Sonde kleine Rohrdurchmesser verwendet. 



  Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Messung mit einem Absolut-Wegmesssystem erfolgt. Im Prinzip ist es zwar möglich, die jeweilige Lage der Sonde über einen Schrittmotor zu erfassen. Im Sinne einer Erhöhung der Betriebssicherheit hat sich jedoch herausgestellt, dass ein Absolut-Wegmesssystem wesentliche Vorteile aufweist. Diese Absolut-Messung kann beispielsweise über einen Differenzialtransformator erfolgen. 



  In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bestimmung des Staudruckes über eine Brückenschaltung vorgenommen wird, bei der eine Gasquelle mit den Eingängen einer ersten und einer zweiten Drossel unveränderlichen Querschnitts verbunden ist, wobei der Ausgang der ersten Drossel mit einer Drossel variablen Querschnitts verbunden ist, wobei der Ausgang der zweiten Drossel mit der Messsonde verbunden ist und wobei zwischen den Ausgängen der ersten und der zweiten Drossel ein Messkolben angeordnet ist. Eine solche Schaltung entspricht im Wesentlichen der in der Elektrotechnik verwendeten Wheatstone'schen Brücke. Die Drosseln sind beispielsweise als Blenden ausgeführt, die einen bestimmten Druckabfall bewirken.

   Der leicht bewegliche Magnetkolben reagiert auf kleinste Veränderungen des Strömungswiderstandes an der Sonde und betätigt entsprechend seiner jeweiligen Stellung Reed-Kontakte. Die veränderliche Drossel dient zum Abgleichen des Systems. 



  Es ist vorteilhaft, wenn die Sonde mit einem Gasstrom angespeist wird, dessen Druck zwischen 1 bar und 7 bar liegt. Auf diese Weise kann einerseits der Gasverbrauch in vernünftigen Grenzen gehalten werden und andererseits eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden. 



  Besonders günstig ist es, wenn der Schaltdruck auf einen Druck festgelegt wird, der zwischen 0,5 mbar und 2 mbar, vorzugsweise zwischen 0,7 mbar und 1,2 mbar, über dem Druck liegt, der sich bei freier Düsenöffnung ergibt. 



  Eine Erhöhung der Genauigkeit kann dadurch erreicht werden, dass eine Mehrzahl von Messvorgängen durchgeführt wird, deren Ergebnisse nach dem Verfahren des gleitenden Durchschnitts gemittelt werden. Das Verfahren des gleitenden Durchschnitts ermöglicht es, einerseits eine Anzahl von Messwerten zu mitteln, wobei die zeitlich zuletzt ermittelten Messwerte stärker berücksichtigt werden als länger zurückliegende Werte. Andererseits wird dafür ein sehr geringer Speicherplatz benötigt, da es nicht erforderlich ist, sämtliche Messwerte, über die gemittelt werden soll, einzeln abzuspeichern. Es wird im Gegensatz dazu stets nur ein Wert, und zwar der zuletzt ermittelte gleitende Durchschnitt gespeichert. Das Verfahren des gleitenden Durchschnitts arbeitet nach folgender Formel: 



  mt =  alpha  ht + (1 -  alpha ) mt-1                           (1) 



  Dabei bedeutet mt den gleitenden Durchschnitt zum Zeitpunkt t bzw. nach der t-ten Messung und ht bedeutet den Messwert der Höhe des Badspiegels zum Zeitpunkt t bzw. den t-ten Messwert.  alpha  ist ein Anpassungsfaktor, der das Ausmass der Glättung bestimmt und der auf einen passenden Wert, beispielsweise 0,1 oder 0,3, eingestellt wird. 



  In einer Abwandlung des erfindungsgemässen Verfahrens wird nicht die Sonde bewegt, sondern es wird der Flüssigkeitsspiegel zur Sonde hin bewegt. Die Sonde ist in einer vorbestimmten Stellung innerhalb der Kokille angeordnet, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel von unten zur Sonde hin bewegt. Wenn der Flüssigkeitsspiegel der Sondenspitze so nahe gekommen ist, dass der Schaltdruck erreicht wird, wird ein Signal erzeugt, wodurch die genaue Höhe des Flüssigkeitsspiegels zu diesem Zeitpunkt bekannt ist. Darauf folgend wird die Sonde weggeschwenkt, um ein Eintauchen zu verhindern. In der Folge kann noch eine bestimmte Menge von Metallschmelze zugegeben werden, die relativ genau bestimmt werden kann, sodass auch nach diesem Vorgang die Füllmenge innerhalb der Kokille genau bekannt ist. Auf diese Weise kann die Füllmenge ebenfalls gut eingestellt werden. 



  In der Folge wird die Erfindung durch die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen: 
 
   die Fig. 1 schematisch eine Stranggiessanlage mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung, 
   die Fig. 2 einen Schaltplan der Brückenschaltung und 
   die Fig. 3 ein Druck-Weg-Diagramm. 
 



  Die Stranggiessanlage weist eine Kokille 1 auf, an der eine Antriebsvorrichtung 2 für die in die Kokille 1 einführbare Messsonde 3 angebracht ist. Die Messsonde 3 steht mit einer Druckmessvorrichtung 3a in Verbindung. Oberhalb der Bühne 4 ist eine Giessrinne 5 vorgesehen, die von einer Giesspfanne 6 beschickt wird. Eine Düsennadel 7, die von einem Motor 8 in vertikaler Richtung verschoben werden kann, reguliert die Menge der aus der Giessrinne ausströmenden Schmelze. Weiters ist eine Handverstellung 9 zur Beeinflussung der Düsennadel 7 vorgesehen. 



  In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung der Brückenschaltung dargestellt. Der von einer Druckwelle erzeugte Gasstrom mit einem Druck p wird zu den parallel geschalteten Drosseln D1 und D2 geführt. Am Ausgang der Drossel D1 ist eine veränderliche Drossel DV angeordnet. Am Ausgang der Drossel D2 ist die Messsonde S angeordnet. Weiters ist zwischen den Ausgängen der Drosseln D1 und D2 ein Messkolben M vorgesehen, der empfindlich auf sehr geringe Druckschwankungen reagiert. Durch Einstellung der veränderlichen Drossel DV kann das System abgeglichen werden, sodass am Messkolben M auf beiden Seiten im Wesentlichen der gleiche Druck anliegt. Zufolge der Schwerkraft befindet sich der Messkolben in seiner unteren Stellung.

   Wenn nun ein Strömungshindernis an die Spitze der Messsonde S herangeführt wird, so wird das System verstimmt, sodass der Anschluss des Messkolbens M, der mit der Messsonde S in Verbindung steht, von einem grösseren Druck beaufschlagt wird, als der andere Anschluss. Unterschreitet der Abstand x des Strömungshindernisses, also beispielsweise des Badspiegels des Schmelzbades, einen gewissen Mindestwert, so ist der Druckanstieg am Messkolben so gross, dass sich dieser in seine andere Stellung bewegt. Diese Tatsache wird über einen Reed-Kontakt erfasst und dient zur Bestimmung der Höhe des Badspiegels. 



  In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, das die Kennlinie einer Messsonde zeigt. Dabei ist der Druckanstieg über den Abstand x der Spitze der Düse vom Badspiegel aufgetragen. Der Schaltpunkt P wird in diesem Beispiel bei einem Druck pp von 0,8 mbar festgelegt. Aus der Kennlinie ergibt sich daher, dass der Schaltpunkt P bei einem Abstand von 0,16 mm Entfernung der Düsenspitze von der Badoberfläche liegt. Dieser Abstand wird bei der Bestimmung der Badspiegelhöhe entsprechend berücksichtigt. Es ist jedoch auch möglich, den Schaltpunkt auf einen Druck einzustellen, der grösser als 1,5 mbar ist. In diesem Fall wird der Druckstoss erst erfasst, wenn die Düsennadel die Badoberfläche berührt. In diesem Fall beträgt xp 0 mm. 



  Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung erlauben es, in einfacher Weise die Höhe des Flüssigkeitsspiegels einer Metallschmelze genau und zuverlässig zu bestimmen. Zufolge des einfachen Aufbaus ist es auch leicht möglich, bestehende Stranggiessanlagen entsprechend nachzurüsten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Messen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels, insbesonders einer Metallschmelze in einer Stranggiesskokille, mittels einer pneumatischen Messvorrichtung, bei dem eine Messsonde mit einem Gas eines vorbestimmten Druckes durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Schaltdruck eingestellt wird, der um ein bestimmtes Ausmass über dem zuvor bestimmten Druck liegt, wonach die folgenden Schritte fortlaufend wiederholt werden: - Absenken der Sonde zum Flüssigkeitsspiegel bei gleichzeitiger Messung des Staudruckes, so lange, bis der Staudruck den Schaltdruck erreicht oder überschreitet; - Bestimmung der Höhe der Sondenspitze in dem Augenblick, in dem der Staudruck den Schaltdruck erreicht; - Zurückbewegen der Sonde um ein vorbestimmtes Ausmass und Beginn eines neuerlichen Absenkvorganges.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Höhe der Sonde mit einem Absolut-Wegmesssystem erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde mit einem Gasstrom angespeist wird, der einen Druck aufweist, der zwischen 1 bar und 7 bar liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltdruck auf einen Druck festgelegt wird, der zwischen 0,5 mbar und 2 mbar, vorzugsweise zwischen 0,7 mbar und 1,2 mbar, über dem Druck liegt, der sich ergibt, wenn sich die Sondenspitze in einem angehobenen Zustand befindet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Messvorgängen durchgeführt wird, deren Ergebnisse nach dem Verfahren des gleitenden Durchschnitts gemittelt werden.

6.

Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Regelung der Höhe des Flüssigkeitsspiegels einer Metallschmelze in einer Stranggiesskokille, wobei der Messwert der Höhe der Sonde als Eingangsgrösse für einen PID-Regler herangezogen wird.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Regeln der Höhe des Flüssigkeitsspiegels, insbesonders einer Metallschmelze in einer Stranggiesskokille, wobei die folgenden Schritte fortlaufend wiederholt werden: - Anheben des Flüssigkeitsspiegels bei gleichzeitiger Messung des Staudrucks so lange, bis der Staudruck den Schaltdruck erreicht oder überschreitet; - Zurückziehen der Sondenspitze; - weiteres Anheben des Flüssigkeitsspiegels um ein vorbestimmtes Ausmass.

8.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus einer an den Flüssigkeitsspiegel heranführbaren Sonde (3), einer Antriebsvorrichtung (2) für die Sonde (3) und einer Vorrichtung zur Lagebestimmung der Sonde, wobei eine Inertgasquelle mit der Sonde (3) verbunden ist, und wobei die Sonde (3) als Rohr ausgebildet ist, an dessen Spitze das Gas ausströmen kann, wobei zwischen der Inertgasquelle und der Sonde (3) eine Druckmessvorrichtung (3a) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, den Staudruck des Gases zu erfassen, mit dem die Sonde (3) beaufschlagt wird, um Druckschwankungen zu erfassen, die von der Sonde in Richtung Inertgasquelle zurückwirken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Lagebestimmung als Absolut-Wegmesssystem ausgebildet ist.

10.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessvorrichtung als Brückenschaltung ausgebildet ist, bei der eine Gasquelle mit den Eingängen einer ersten und einer zweiten Drossel (D1, D2) unveränderlichen Querschnitts verbunden ist, wobei der Ausgang der ersten Drossel (D1) mit einer Drossel (DV) variablen Querschnitts verbunden ist, wobei der Ausgang der zweiten Drossel (D2) mit der Messsonde verbunden ist und wobei zwischen den Ausgängen der ersten und der zweiten Drossel (D1, D2) ein Messkolben (M) angeordnet ist.