EP0223017A1 - Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall und zugehörige Pumpe - Google Patents

Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall und zugehörige Pumpe Download PDF

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EP0223017A1
EP0223017A1 EP86113282A EP86113282A EP0223017A1 EP 0223017 A1 EP0223017 A1 EP 0223017A1 EP 86113282 A EP86113282 A EP 86113282A EP 86113282 A EP86113282 A EP 86113282A EP 0223017 A1 EP0223017 A1 EP 0223017A1
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liquid metal
pump
funding
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Bruno Berg
Theodor Dipl.-Ing. Lauhoff
Klaus Dipl.-Ing. Thissen
Joachim Barzantny
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Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
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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
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations

Definitions

  • the present invention relates to a method for metering liquid metal according to the preamble of claim 1, in particular using an electromagnetic pump.
  • EP-A-0 095 620 a method for regulating the delivery rate of an inductive liquid metal feed pump is already known, in which several different parameters are used to regulate the pump. From this document it is also known that the liquid metal level must always be held at a defined position in the conveyor pipe during the breaks in delivery in order to enable precise metering.
  • the object of the present invention is to create a simplified method for metering liquid metal, which requires little instrumentation and control technology.
  • a method according to the main claim is proposed.
  • the invention is based on the knowledge that the delivery rate, which is necessary in the delivery breaks to maintain a certain delivery head in a feed system, is already required for the control Contains information about the conveyor system. With a low level of the melt in the melt container, for example, or with a high melt temperature, an increased delivery rate is required even during the delivery breaks to maintain the specified delivery head in the feed system. It is therefore not necessary to measure the corresponding parameters in the melt container.
  • the delivery rate of the feed pump is regulated and the fill level, ie the height of the liquid metal column in the feed system, is measured.
  • the fill level ie the height of the liquid metal column in the feed system.
  • the liquid metal flow in the feed system is throttled by means of a defined throttle point.
  • a defined throttle point In the case of a pure time control of the metering device, it is important that constant delivery quantities per unit of time are always achieved in the delivery times, whereby these should not change in the course of the operating time. The influence of other deposits in the feed system is greatly reduced by a defined throttle point, since the cross-section of the throttle point essentially determines the delivery rate per unit of time.
  • the area of the feed system which is not filled with liquid metal is kept under protective gas in the feed breaks, namely by gushing feed at the end of the feed times and by low feed in the feed breaks.
  • This measure which is particularly important for easily oxidizable liquid metals, for example magnesium, additionally reduces the risk of oxidic deposits in the feed system.
  • Claim 6 describes an electromagnetic pump that is particularly suitable for the method. Normally, each such pump shows a functional dependency of the delivery pressure ⁇ P for a given square of the coil current I2 on the temperature of the melt. According to the invention, the pump is designed so that ⁇ P / I2 is as independent as possible of the melt temperature. This is possible through appropriate geometry and coil dimensioning. As a result, the control only needs to take into account the liquid metal level in the melt container, but not the melt temperature, which increases the accuracy.
  • the drawing shows a schematic representation of a metering system for liquid metal with its associated control devices.
  • the casting head 1 which can be filled with liquid metal by a liquid metal feed pump 2 via a feed pipe 3, is particularly emphasized in scale.
  • the liquid metal comes from a conventional melt container or the like, not shown here.
  • the casting head 1 has a prechamber 4, an overflow section 7 and an outlet chamber 8.
  • a fill level measuring arrangement 5 is arranged in the pre-chamber 4, preferably an inductive fill level meter which can be inserted from below into a corresponding pocket tube. By means of this fill level meter 5, the liquid metal level 6 in the antechamber 4 can be measured precisely and precisely adjusted to a specific target value in the delivery pauses.
  • the overflow section 7 or, as shown here, the outlet chamber 8 has a throttle point 9 which forms a defined delivery cross section for the liquid metal. Furthermore, the outlet chamber 8, preferably behind the throttle point 9, has a protective gas feed 10 through which protective gas can be supplied.
  • a slide valve 11 at the lower end 12 of the outlet chamber 8 enables the outlet chamber to be closed during breaks in delivery.
  • a controllable valve 13 enables protective gas to be supplied in gushes from a storage container 14.
  • Central control electronics 16 control the entire metering process. For this purpose, the electronics are first supplied with the level values measured in a level measuring electronics 15 in the prechamber 4. From this, the control electronics 16 determines the delivery rate of the delivery pump 2 during the delivery breaks, so that a precise fill level 6 can be maintained.
  • the control circuit 16 increases the delivery rate for a certain time by a certain amount, so that the desired amount of liquid metal is promoted.
  • the delivery rate is then reduced again to the initial value and the liquid metal level 6 of the prechamber is brought to the previous setpoint.
  • the valve 13 is opened at the end of the conveying process and a surge of protective gas is let into the outlet chamber 8. This prevents the entry of oxygen into the casting head 1.
  • By closing the slide valve 11, the oxygen-free atmosphere in the casting head 1 is maintained and dripping is prevented.
  • the proposed pouring head is particularly suitable for conveying liquid metal in connection with electromagnetic feed pumps, since these have good controllability and fast response times.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall, wobei durch Regelung der Förderleistung einer Förderpumpe (2), insbesondere einer elektromagnetischen Pumpe, in den Förderpausen mittels eines Füllstandsfühlers (5) eine bestimmte Förderhöhe (6) in einem Zuführsystem (3, 4, 7, 8) eingehalten und während der Förderzeiten die Förderleistung erhöht wird. Erfindungs­gemäß wird die Förderleistung während der Föderzeiten immer um einen bestimmten Betrag über die zur Einhaltung der Förderhöhe (6) in den Förderpausen nötige Förder­leistung erhöht. Durch diese Vorgehensweise erübrigen sich Messungen der Füllstandshöhe im Schmelzenbehälter und eventuell der Temperatur der Schmelze. Da die Förderhöhe (6) in den Förderpausen geringfügig schwankt, sollte ein Regler mit Integralanteil, vorzugsweise ein PID-Regler verwendet werden, dessen Integralenteil getrennt gemessen bzw. berechnet wird, woraus sich dann der Mittelwert der Förderleistung in den Förderpausen ergibt, zu dem die zusätzliche Förderleistung in den Förderzeiten addiert wird. Das vorgeschlagene Verfahren vereinfacht die Regelung einer Dosiervorrichtung für Flüssigmetall.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere unter Verwendung einer elektro­magnetischen Pumpe. Aus der EP-A-0 095 620 ist bereits ein Verfahren zur Regelung der Förderleistung einer in­duktiven Flüssigmetallförderpumpe bekannt, bei welcher mehrere verschiedene Parameter zur Regelung der Pumpe benutzt werden. Aus dieser Schrift ist auch bekannt, daß während der Förderpausen der Flüssigmetallspiegel immer an einer definierten Stelle im Förderrohr gehalten werden muß, um eine präzise Dosierung zu ermöglichen.
  • Die bisherigen Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall gingen in ihrem Regelungs- bzw. Steuerkonzept davon aus, daß für eine präzise Dosierung mehrere Parameter, so beispielsweise die Höhe der Schmelze im Vorratsbehälter und deren Temperatur, bekannt sein mußten, damit die Förderleistung der Pumpe in den Förderzeiten entsprechend eingestellt werden konnte.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines vereinfachten Verfahrens zur Dosierung von Flüssig­metall, welches mit einem geringen Aufwand an Instrumen­tierung und Regelungstechnik auskommt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Hauptanspruch vorge­schlagen. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Förderleistung, welche in den Förderpausen zur Einhaltung einer bestimmten Förderhöhe in einem Zuführ­system nötig ist, schon alle für die Regelung benötigten Informationen über das Fördersystem enthält. Bei einem niedrigen Spiegel der Schmelze im Schmelzenbehälter beispielsweise oder bei hoher Schmelzentemperatur wird schon in den Förderpausen eine erhöhte Förderleistung zur Einhaltung der bestimmten Förderhöhe im Zuführ­system benötigt. Es ist daher nicht nötig, die ent­sprechenden Parameter im Schmelzenbehälter zu messen. Vielmehr kann man während der Förderzeiten die Pump­leistung immer um einen bestimmten Betrag über die Pausenleistung erhöhen und erreicht dadurch eine konstante Fördermenge pro Zeiteinheit, so daß eine präzise Dosierung durch reine Zeitsteuerung des Pumpvorganges möglich ist. Dies vereinfacht die Steuerung des Dosiervorganges Außer einem Füllstandsfühler wird keine weitere Instrumentierung be­nötigt. Das bisher beschriebene Verfahren weist jedoch bei sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit eine Schwierigkeit auf. Die Flüssigmetallsäule im Zuführsystem ist eine schwingfähige Masse, deren Einregelung auf einen bestimmten Sollwert mit einem einfachen Proportional­regler nicht genügend genau ist. Es muß daher ein Regler mit Integralanteil, vorzugsweise ein PID-Regler oder ein ID-Regler verwendet werden. Geregelt wird die Förder­leistung der Förderpumpe und gemessen wird der Füllstand, d. h. die Höhe der Flüssigmetallsäulle im Zuführsystem. Bei dieser Art der Regelung stellt sich keine konstante Förderleistung zur Einhaltung einer bestimmten Flüssig­metallsäulenhöhe ein, sondern es finden während der Förderpausen ständig kleine Regelschwankungen statt. Dennoch läßt sich der Mittelwert der Förderleistung in den Förder­pausen, welcher für das erfindungsgemäße Verfahren von Bedeutung ist, leicht ermitteln, indem der Integralanteil des Reglers getrennt gemessen bzw. berechnet wird, woraus sich dann der Mittelwert der Förderleistung ergibt, zu dem die zusätzliche Förderleistung in den Förderzeiten addiert werden muß.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß der Flüssigmetallstrom im Zuführ­system, vorzugsweise in dessen End- bzw. Auslaßbereich mittels einer definierten Drosselstelle gedrosselt wird. Bei einer reinen Zeitsteuerung der Dosiervorrichtung ist es wichtig, daß in den Förderzeiten immer konstante Fördermengen pro Zeiteinheit erreicht werden, wobei sich diese im Laufe der Betriebszeit nicht verändern sollen. Durch eine definierte Drosselstelle werden Einflüsse von sonstigen Ablagerungen im Zuführsystem stark verringert, da im wesentlichen der Querschnitt der Drosselstelle die Fördermenge pro Zeiteinheit bestimmt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 vorgeschlagen, daß in den Förderpausen der nicht mit Flüssigmetall gefüllte Bereich des Zuführsystems unter Schutzgas gehalten wird, und zwar durch schwallartige Zufuhr am Ende der Förderzeiten und durch geringe Zufuhr in den Förderpausen. Diese Maßnahme, welche insbesondere für leicht oxidierbare Flüssigmetalle, beispielsweise Magnesium, von Bedeutung ist, verringert zusätzlich das Risiko von oxidischen Ablagerungen im Zuführsystem.
  • Ergänzend dazu wird im Anspruch 5 noch vorgeschlagen, daß am Ende der Förderzeiten nach Beendigung des Flüssigmetall­flusses das Ende des Zuführsystems mittels eines Schiebers oder dergleichen verschlossen wird. Dadurch wird das System weitgehend gegen Sauerstoffzufuhr abgedichtet, ohne daß der Verbrauch an Schutzgas besonders hoch wird.
  • In Anspruch 6 wird eine besonders für das Verfahren geeignete elektromagnetische Pumpe beschrieben. Normaler­weise zeigt jede solche Pumpe eine funktionale Abhängig­keit des Förderdruckes ΔP bei gegebenem Quadrat des Spulenstromes I² von der Temperatur der Schmelze. Er­findungsgemäß wird die Pumpe so ausgelegt, daß ΔP /I2 möglichst unabhängig von der Schmelzentemperatur ist. Dies ist durch entsprechende Geometrie und Spulendimen­sionierung möglich. Dadurch braucht die Regelung nur noch den Flüssigmetallspiegel im Schmelzenbehälter, nicht je­doch die Schmelzentemperatur zu berücksichtigen, wodurch die Genauigkeit erhöht wird.
  • Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung ein Dosiersystem für Flüssigmetall mit seinen zugehörigen Regeleinrichtungen. Besonders im Maßstab herausgestellt ist der Gießkopf 1, welcher von einer Flüssigmetallför­derpumpe 2 über ein Zuführrohr 3 mit Flüssigmetall ge­füllt werden kann. Das Flüssigmetall stammt aus einem hier nicht dargestellten üblichen Schmelzenbehälter oder dergleichen. Der Gießkopf 1 weist eine Vorkammer 4, einen Überlaufabschnitt 7 und eine Auslaßkammer 8 auf. In der Vorkammer 4 ist eine Füllstandsmeßanordnung 5 angeordnet, und zwar vorzugsweise ein induktiver Füllstandsmesser, welcher von unten in ein entsprechendes Sackrohr einführ­bar ist. Mittels dieses Füllstandsmessers 5 kann der Flüssigmetallspiegel 6 in der Vorkammer 4 genau gemessen und in den Förderpausen auf einen ganz bestimmten Sollwert präzise eingeregelt werden. Der Überlaufabschnitt 7 bzw., wie hier dargestellt die Auslaßkammer 8 weist eine Drossel­stelle 9 auf, welche einen definierten Förderquerschnitt für das Flüssigmetall bildet. Ferner weist die Auslaßkammer 8, vorzugsweise hinter der Drosselstelle 9 eine Schutzgas­einspeisung 10 auf, durch welche Schutzgas zugeführt werden kann. Ein Verschlußschieber 11 am unteren Ende 12 der Aus­laßkammer 8, ermöglicht ein Verschließen der Auslaßkammer in Förderpausen. Ein steuerbares Ventil 13 ermöglicht die schwallweise Zufuhr von Schutzgas aus einem Vorratsbehälter 14. Eine zentrale Steuerelektronik 16 steuert den gesamten Dosiervorgang. Dazu wird die Elektronik zunächst mit den in einer Füllstandsmeßeektronik 15 gemessenen Füllstands­werten in der Vorkammer 4 beaufschlagt. Daraus bestimmt die Steuerelektronik 16 die Förderleistung der Förderpumpe 2 in den Förderpausen, so daß ein präziser Füllstand 6 eingehalten werden kann. Während der Förderzeiten erhöht die Steuerschal­tung 16 die Förderleistung für eine bestimmte Zeit um einen bestimmten Betrag, so daß die gewünschte Flüssigmetallmenge gefördert wird. Anschließend wird die Förderleistung wieder auf den Ausgangswert reduziert und der Flüssig­metallspiegel 6 der Vorkammer auf den vorherigen Soll­wert gebracht. Gleichzeitig wird bei Beendigung des Fördervorganges das Ventil 13 geöffnet und ein Schwall Schutzgas in die Auslaßkammer 8 eingelassen. Dadurch wird der Zutritt von Sauerstoff in den Gießkopf 1 verhindert. Durch Schließen des Verschlußschiebers 11 wird die sauer­stofffreie Atmosphäre im Gießkopf 1 erhalten und ein Nachtropfen verhindert. Der vorgeschlagene Gießkopf eignet sich in besonderer Weise zur Förderung von Flüssigmetall in Verbindung mit elektromagnetischen Förderpumpen, da diese eine gute Regelbarkeit und schnelle Ansprechzeiten besitzen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall, wobei durch Regelung der Förderleistung einer Förderpumpe (2), insbesondere einer elektromagnetischen Pumpe, in den Förderpausen mittels eines Füllstandsfühlers (5) eine bestimmte Förderhöhe (6) in einem Zuführsystem (3, 4, 7, 8) eingehalten und während der Förderzeiten die Förder­leistung erhöht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Förderleistung während der Förderzeiten immer um einen bestimmten Betrag über die zur Einhaltung der Förderhöhe (6) in den Förderpausen nötige Förderleistung erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regelung der Förderhöhe während der Förderpausen durch einen Regler mit Integralanteil, vorzugsweise einen PID-Regler oder einen ID-Regler erfolgt, wobei der Integralanteil des Reglers getrennt gemessen bzw. be­rechnet wird,woraus dann der Mittelwert der Förder­leistung in den Förderpausen bestimmt wird, zu dem die zusätzliche Fördereistung in den Förderzeiten addiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Flüssigmetallstrom im Zuführsystem (3, 4, 7, 8), vorzugsweise in dessen End- bzw. Auslaßbereich (7, 8) mittels einer definienten Drosselstelle (9) gedrosselt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den Förderpausen der nicht mit Flüssigmetall ge­füllte Bereich (7, 8) des Zuführsystems (3, 4, 7, 8) unter Schutzgas gehalten wird, und zwar durch schwallartige Zufuhr am Ende der Förderzeiten und durch geringe Zufuhr in den Förderpausen.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Ende der Förderzeiten, nach Beendigung des Flüssig­metallflusses, das Ende (12) des Zuführsystems (3, 4, 7, 8) mittels eines Schiebers (11)oder dergleichen ver­schlossen wird.
6. Elektromagnetische Pumpe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpe so ausgelegt ist, daß das Verhältnis des Förderdruckes zum Quadrat des in den Pumpenspulen fließen­den Stromes (ΔP/I²) sich möglichst wenig in Abhängigkeit von der Schmelzentemperatur ändert.
EP86113282A 1985-10-07 1986-09-26 Verfahren zur Dosierung von Flüssigmetall und zugehörige Pumpe Expired - Lifetime EP0223017B1 (de)

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