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Die
Erfindung bezieht sich auf den Strangguss von Metallen und die on-line-Erfassung von Walzenfehlfunktion
oder Walzenbeschädigung.
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Das
Verfahren des Stranggießens
ist in der metallverarbeitenden Industrie allgemein bekannt. Grundsätzlich werden
bei diesem Verfahren hohe Kokillen benutzt, um das geschmolzene
Metall aufzunehmen, wobei die Kokille an ihrem unteren Ende einen
Austritt besitzt, aus dem der gegossene Strang austritt und durch
Förderwalzen
aus der vertikalen Stellung in eine horizontale Stellung überführt wird, obgleich
es auch Stranggussmaschinen gibt, die vollständig vertikal angeordnet sind.
Es können
Wassersprühstrahlen
benutzt werden, um den Metallstrang in den Walzenfördervorrichtungen
abzukühlen.
Die Walzenfördervorrichtung
weist mehrere paarweise angeordnete Walzen in einem festgesetzten
gegenseitigen Abstand auf, die die Dicke und/oder Tiefe des Gießstranges
definieren. Das Verfahren kann kontinuierlich wochenlang und mit
hohen Temperaturen und großen
Volumen des gegossenen Materials betrieben werden, das die Fördervorrichtung
durchläuft,
und demgemäß besteht
eine weitgehende Möglichkeit
einer Beschädigung,
einer Abnutzung oder einer Bewegung der Walzen aus ihrer Startbedingung
heraus.
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Jede Änderung
im Durchmesser, in der Kreisform, in der Linearität, in der
Exzentrizität,
in der Ausrichtung einer Walze oder ein Fehler der Traglager kann
zu Veränderungen
in dem festgelegten Abstand zwischen den Walzenpaaren führen, und
als Ergebnis folgt eine entsprechende Veränderung in der Dicke des noch
teilweise flüssigen
Gießstranges. Derartige Änderungen
im Abstand zwischen den Walzenpaaren können den Gießstrang
zusammenquetschen oder expandieren, und dies führt zu Verzerrungen im Kokillenpegel,
was wiederum zu Oberflächenfehlern
im fertigen Produkt an den Anfangspunkten der Erstarrung führen kann.
Die Pumpwirkung des intermittierend zusammengequetschten und expandierenden noch
flüssigen
Metalls im Gießstrang
kann auch eine Seigerung, eine innere Rissebildung und Porositätsprobleme
in der Mitte des Stranges zur Folge haben.
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Demgemäß ist es
erwünscht,
die Bedingung der Walzen zu überwachen
und, wenn möglich,
eine Kontinuität
in der Geometrie und der Ausrichtung der Walzen sowohl während des
Gießens
als auch zwischen dem Gießen
aufrecht zu erhalten. Bestehende Verfahren zur Erfassung von Ungleichmäßigkeiten der
Walzen bei einer Stranggussmaschine basieren auf der Benutzung eines
Sensorkopfes, der an einem Kaltstrang angeordnet ist und durch die
Maschine geschickt wird, wenn diese außer Betrieb ist oder mit dem
Stranggussbetrieb beginnt. Diese Sensoren beruhen auf der Berührung mit
der Oberfläche
der Walzen, um eine Information über
die Geometrie und/oder Ausrichtung der Walzen zu liefern. Beispiele
derartiger Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung dieser
Verfahren sind aus den folgenden früher veröffentlichten Patenten und Anmeldungen
bekannt:
GB-A-2 097 125 ,
US-A-4 344 232 ,
US-A-4
361 962 ,
US-A-3 983 631 und
US-A-3
962 794 .
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Ein
Nachteil der bekannten veröffentlichten Verfahren
und Vorrichtungen besteht darin, dass das Verfahren durchgeführt wird,
während
die Stranggussmaschine außer
Betrieb und kalt ist. Dies kann zu beträchtlichen Niederfahrzeiten
im Stranggussverfahren führen,
wodurch die Gesamtkosten erhöht werden.
Außerdem
sind Walzenprobleme häufig
eine Folge von Wirkungen, wie beispielsweise Adhäsion der Partikel an den Walzen
bei hohen Temperaturen oder einer Verzerrung bei hohen Temperaturen,
die im abgeschalteten Zustand nicht festgestellt werden können. Da
die Sequenzlängen
in der Zeit in der Größenordnung
von Wochen ansteigen, wird eine Information während einer solchen Sequenz
immer wichtiger.
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Die
vorliegende Erfindung sucht diese Probleme zu lösen. Gemäß der vorliegenden Erfindung betrifft
diese ein Verfahren zur Detektion von Walzen-Ungleichmäßigkeiten während des on-line-Stranggussverfahrens
von Metall mit den folgenden Schritten:
- i)
es werden kontinuierlich die zeitlichen Änderungen im Gießformpegel überwacht;
- ii) es werden große
periodische Einflüsse
identifiziert, die den Gießformpegel
in Abhängigkeit
von der Zeitfunktion und ihrer Frequenz beeinflussen;
- iii) es wird die Frequenz der periodischen Einflüsse gemäß Schritt
ii) mit vorhergesagten Frequenzharmonischen verglichen, basierend
auf einem Normalbetrieb des Stranggussverfahrens, und es werden
durch Vergleich der vorhergesagten und der tatsächlichen Frequenzen Charakteristiken
markiert, die Unregelmäßigkeiten
im Walzenverhalten anzeigen.
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Die
bevorzugten Mittel zur Identifizierung der langzeitigen Einflüsse im Schritt
ii) bestehen darin, eine mathematische Transformation anzuwenden, vorzugsweise
eine Fourier-Transformation und noch besser eine schnelle Fourier-Transformation.
Diese Transformation trennt das komplexe Gießformsignal (Kokillensignal),
wodurch es möglich
wird, einen periodischen Einfluss in dem Signal zu markieren, indem
das Hintergrundrauschen ausgesondert wird, wodurch eine leichtere
Identifizierung der periodischen und unerwarteten Einflüsse möglich wird,
die eine Folge des asymmetrischen Betriebs oder einer beschädigten oder
fehlausgerichteten Walze sind.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass eine mathematische Analyse der Funktion,
die erzeugt wird durch eine Aufzeichnung des Kokillenpegels in Abhängigkeit
von der Zeit, einen periodischen Einfluss bei Frequenzen wiedergibt,
die mit den Aktivitäten der
Walzen korreliert werden können.
Jedes signifikante Ansteigen in der Amplitude des transformierten Signals
bei einer speziellen Frequenz kann eine Ungleichmäßigkeit
im Walzenverhalten anzeigen, welche Ungleichmäßigkeit eine Folge einer Beschädigung,
einer Fehlausrichtung oder eine Folge ähnlicher Probleme der Stranggussmaschine
sein kann. Beispielsweise bewirkt eine Walze, die an einer Stelle
ihres Umfangs so beschädigt
ist, dass die Rotationssymmetrie beeinträchtigt ist, eine periodische Veränderung
der Strangbreite des zwischen jener Walze und der anderen Walze
dieses Paares hindurchlaufenden Stranges. Dieser periodische Einfluss
wird markiert in der Transformation, die im Schritt ii) des Verfahrens
erzeugt wird.
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Die
erwartete Frequenz in einer Harmonischen für eine spezielle Walze bei
einer speziellen Stranggussgeschwindigkeit über die abgetastete Periode
kann durch eine einfache Formel berechnet werden. Jedes wesentliche
Ansteigen in der Amplitude des transformierten Signals bei einer
Frequenzharmonischen kann eine Anzeige der Art der Beschädigung oder
eines anderen Problems bei Walzen liefern, die jene Harmonische
erzeugen.
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Im
typischen Fall sind Walzendurchmesser und Walzenabstand der Walzen
bei einer Stranggussmaschine so ausgebildet, dass sie an verschiedenen
Stellen über
die Länge
der Maschine unterschiedliche Abmessungen haben, um Änderungen der
Eigenschaften des Metalls zu berücksichtigen, wenn
dieses abkühlt.
Die Walzen werden im Allgemeinen in mehreren Gruppen gleicher Größe und gleichen
Abstands über
einzelnen Segmenten der Stranggussmaschine zusammengefasst. So kann das
Verfahren sowohl das Auftreten eines Walzenproblems identifizieren
als auch die Stelle der Problemwalze innerhalb einer identifizierbaren
Walzengruppe bekannter Größe und bekannten
Abstands lokalisieren.
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Die
erwartete harmonische Frequenz, die einer Walze eines bestimmten
Durchmessers zugeordnet ist, kann mit der folgenden einfachen Gleichung
dabei sind:
- fd ist die Frequenz der Harmonischen in Hz
- Vc ist die Stranggussgeschwindigkeit
in m/sec
- d ist der Walzendurchmesser in Metern.
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Es
wurde beobachtet, dass die Frequenzharmonischen, die einem speziellen
Walzendurchmesser zugeordnet sind, als Vielfaches der Basisfrequenz
erscheinen, die aus der obigen Gleichung bestimmt wurde. Wenn eine
Walze beispielsweise wesentlich deformiert ist, kann die Frequenz
doppelt so groß oder
viermal so groß sein
wie erwartet.
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In
gleicher Weise kann die harmonische Frequenz, die einem bestimmten
Abstand zwischen den Walzenmittelpunkten zugeordnet ist, aus der
folgenden einfachen Gleichung berechnet werden:
dabei sind:
- fp ist
die Frequenz der Harmonischen in Hz
- Vc ist die Stranggussgeschwindigkeit
in m/sec
- p ist der Walzenabstand in Metern
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Da
jede der oben erwähnten
Formeln auf einer kontinuierlichen Stranggussgeschwindigkeit beruht,
ist es aus Gründen
der Genauigkeit erwünscht, die
Stranggussgeschwindigkeit zu überwachen. Zweckmäßigerweise
kann die zur Durchführung
des Verfahrens benutzte Vorrichtung eine Alarmeinrichtung aufweisen,
um den Benutzer des Systems auf eine Änderung der Stranggussgeschwindigkeit
aufmerksam zu machen. Wahlweise kann die Vorrichtung aus Perioden
konstanter Geschwindigkeit interpolieren, um eine Abschätzung der
Walzeneigenschaften zu liefern.
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Das
Verfahren wird zweckmäßigerweise durch
ein Computerprogramm durchgeführt,
dem als Eingang Kokillenpegeldaten von einem Kokillenpegelsensor
zugeführt
werden. Der Sensor kann in irgendeiner geeigneten Form vorgesehen
werden, wobei das aufgezeichnete Signal in eine vom Computer lesbare
Form umgewandelt wird. Bekannte Technologien umfassen elektromagnetische Sensoren,
radioaktive Sensoren und Lichtsensoren. Das Computerprogramm kann
auch einen Eingang empfangen, der sich auf die Stranggussgeschwindigkeit
bezieht. Wenn stabile Stranggussgeschwindigkeits-Bedingungen festgestellt
werden, liefert das Programm eine geeignete mathematische Transformation
des Verhältnisses
von Kokillenpegel zu Zeit, um den zugrundeliegenden periodischen
Einfluss zu identifizieren, der sich auf das Walzenverhalten bezieht.
Nachdem die periodischen Einflüsse
identifiziert sind, kann das Programm die aufgezeichneten Daten
in Abhängigkeit
von den vorhergesagten Harmonischen aufzeichnen, um die Problembereiche
zu lokalisieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere geeignet zum Stranggießen von dünnen Strängen oder von Strängen mit
geringer Dicke, wo Walzen mit kleinerem Durchmesser und höhere Stranggussgeschwindigkeiten
benutzt werden. Ein Fourier-Transformator benutzt binäre Ziffern,
und die gemessene Periode sollte aus einer binären Zahl von Sekunden bestehen.
Typische Kokillenpegeldaten, die über eine Periode von 512 Sekunden
bei einem Strangguss mit kontinuierlicher Geschwindigkeit abgenommen
wurden, sind ausreichend für
das Verfahren, um eine genaue Analyse der Maschinenbedingung bei
diesen Anwendungen zu liefern.
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Zur
Klarstellung wird die Erfindung im Folgenden anhand der beiliegenden
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt ein typisches Signal
von einem Kokillenpegelsensor, welches die Funktion des Kokillenpegels
in Abhängigkeit
von der Zeit veranschaulicht;
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2 zeigt eine schnelle Fourier-Transformation
der Funktion nach 1,
wie sie im Schritt ii) des Verfahrens nach der Erfindung bestimmt
wird;
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3 zeigt eine schnelle Fourier-Transformation
für einen
unterschiedlichen Kokillenpegel in Abhängigkeit von der Zeit, wobei
vorhergesagte Frequenzharmonische für Walzen bekannten Durchmessers
und/oder bekannten Abstands zum Vergleich herangezogen wurden, wie
dies im Schritt iii) des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurde;
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm
für einen
Algorithmus zur Benutzung bei der Durchführung des Verfahrens.
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1 zeigt ein Beispiel von
Kokillenpegeln, aufgezeichnet über
eine Periode von 512 Sekunden. Die Vertikalachse der dargestellten
graphischen Darstellung gibt den gemessenen Kokillenpegel wieder, und
die Horizontalachse gibt die Zeit an, die während der überwachten Periode verstrichen
ist. Wie ersichtlich, hat das Signal periodische Funktionen. Es
wird eine schnelle Fourier-Transformation auf die Funktion Kokillenpegel
in Abhängigkeit
von der Zeit durchgeführt,
und es werden die simplistischen periodischen Wellenformen berechnet,
die summiert werden können,
um die ursprüngliche
mehrkomplexe Wellenform zu erhalten. Große periodische Einflüsse auf
das Kokillenpegelsignal, die beispielsweise durch eine beschädigte oder
fehlausgerichtete Walze verursacht sind, werden als große Spitzenwerte
in der schnellen Fourier-Transformationsfrequenz-Verteilung markiert,
wie dies in 2 dargestellt
ist. Wie ersichtlich, trat ein großer Spitzenwert bei etwa 0,1
Hz auf. Dies zeigt eine Unregelmäßigkeit
in Bezug auf eine Walze an.
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Die
schnelle Fourier-Transformation gemäß 3 zeigt wiederum einen großen Spitzenwert
bei einer Frequenz von etwa 0,095 Hz. Wenn die vorhergesagten Frequenzen
der Transformation überlagert werden;
kann eine Assoziierung zwischen der Größe des Spitzenwertes, der ein
Problem bezüglich
einer Walze anzeigt, und der Frequenz getroffen werden, bei der
der Spitzenwert auftritt, wodurch die Lage des Problems lokalisiert
wird. Wie ersichtlich, tritt der Spitzenwert bei ungefähr 0,095
Hz zugleich mit der Frequenzharmonischen auf, die für den 140 mm-Walzendurchmesser
im Segment 1 berechnet wurde. Daraus kann abgeleitet werden,
dass das Problem wahrscheinlich mit einer Walze verknüpft ist, die
in jenem Segment oder jenen Segmenten liegt.
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Das
Verfahren kann durch Modellierung des Stranges weiter verfeinert
werden, um den Endpunkt der Erstarrung zu bestimmen. Es ist für den Fachmann
klar, dass alle Segmente in der Maschine, die mit dem Endpunkt der
Erstarrung durchlaufen wurden, nicht in der Lage sind, das Kokillenpegelsignal zu
beeinflussen und deshalb bei jeder Analyse ignoriert werden können.
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Es
ist klar, dass die beschriebenen bevorzugten Techniken zur Durchführung des
Verfahrens nur Beispiele sind und dass andere geeignete Techniken
dem Fachmann geläufig
sind, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, die auf die on-line-Erfassung
und Lokalisierung von Walzenunregelmäßigkeiten während des kontinuierlichen Stranggießens durch
Analyse des Kokillenpegelsignals gerichtet ist.