DE19640806C2

DE19640806C2 - Verfahren und Einrichtung zum Gießen eines Stranges aus flüssigem Material

Info

Publication number: DE19640806C2
Application number: DE19640806A
Authority: DE
Inventors: Martin Niemann; Dietrich Wohld; Juergen Adamy; Hans-Joachim Nitsche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2016-10-03
Also published as: ATA159997A; AT410064B; IT1295085B1; US5921313A; DE19640806A1; ITMI972191A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Gießen eines Stranges aus flüssigem Metall, das in eine Kokille gegossen und als Strang mit erstarrter Hülle und flüssigem Kern aus der Kokille herausgezogen wird. Ein solches Verfahren ist aus der DE 44 04 148 A1 bekannt. Die DE 195 08 476 A1 offenbart die Verwendung von Modellen in Verbindung mit Bandgießanlagen.

Beim Stranggießen wird, mittels einer Kokille, aus flüssigem Metall ein Strang gegossen, der aus der Kokille herausgezogen wird. Ein wesentlicher Faktor für eine gute Qualität des so gegossenen Stranges ist eine Konstanthaltung des Gießspie gels, d. h. des Stands von flüssigem Metall in der Kokille. Es ist bekannt, den Gießspiegel zu regeln. Dabei ist die Reglerauslegung schwierig, da die Parameter der Regelstrecke, d. h. der Gießapparatur und der Kokille, zum Teil starken Schwankungen unterworfen sind oder Störgrößen auf den Gießspiegel einwirken.

Beim Stranggießen verläßt ein noch weicher Strang die Kokille, der in der Abzugsvorrichtung mit Stützrollen geführt wird. Zwischen den Stützrollen kommt es zu Ausbauchungen des Stranges, die eine Rückwirkung auf den Gießspiegel in der Kokille haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Gießen eines Stranges aus flüssigem Metall mittels einer Kokille anzuge ben, das beim Auftreten von, insbesondere typischer, Störun gen den Gießspiegel in der Kokille besser als bisher konstant hält.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Einrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, einen die zu kompensierende Störgröße repräsentierenden Korrekturwert zur entsprechenden Sollgröße hinzuzuaddieren bzw. von ihr zu subtrahieren. Vorteilhafterweise weist ein Regler zur Beein flussung des Zuflusses flüssigen Metalls in die Kokille einen Gießspiegelregler und einen Stellgliedregler, z. B. einen Stopfenpositionsregler, auf. Der Gießspiegelregler ermittelt dabei aus der Abweichung zwischen Gießspiegel-Sollwert und Gießspiegel-Istwert eine Stellgröße für die Positionierung, z. B. einen Stopfenpositions-Sollwert. Der Positionsregler regelt das eigentliche Stellglied zur Beeinflussung des Gießspiegels in Abhängigkeit der Differenz eines entspre chenden Istwertes von einem entsprechenden Sollwert. Ein solcher Regler kann z. B. ein Stopfenpositionsregler sein, wenn der Stahlzufluß in die Kokille über einen Stopfen geregelt wird. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, bei einem derartigen zweiteiligen Regleraufbau nicht den Gießspiegel-Sollwert, sondern den Positionierungs- Sollwert, also z. B. den Stopfenpositions-Sollwert durch einen die Störgrößen repräsentierenenden Korrekturwert zu verändern.

Beim Gießen eines Stranges aus flüssigem Metall, daß in eine Kokille gegossen und als Strang mit erstarrter Hülle und Sumpfspitze, d. h. flüssigen Kern, mittels angetriebener Rollen aus der Kokille herausgezogen wird, werden Schwankun gen des Gießspiegels dadurch hervorgerufen, daß die ange triebenen Rollen gegen den Strang gedrückt werden und die Rollen somit im Bereich des Stranges mit Sumpfspitze eine Deformation des Stranges bewirken. Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich als besonders geeignet erwiesen, diese Art von Störungen zu kompensieren.

Die Schätzung der Störgrößen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert oder verringert werden sollen, erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Gießspiegel-Istwert, vom Zufluß des flüssigen Metalls in die Kokille (oder einer äquivalenten Größe) und von der Gieß- bzw. Stranggeschwin digkeit. Wird der Zufluß z. B. mittels eines Stopfens beein flußt, so ist z. B. der Stopfenpositions-Istwert eine dem Zufluß flüssigen Metalls in die Kokille äquivalente Größe.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprü chen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zum Stranggießen,

Fig. 2 die Einbindung eines erfindungsgemäßen Störbeobachters,

Fig. 3 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Störbeobachters,

Fig. 4 ein Störgrößenmodell,

Fig. 5 einen Gießprozeßbeobachter.

In einer beispielhaften Anordnung gemäß Fig. 1 wird flüssiges Metall 13, in diesem Falle Stahl, in eine Verteilerrinne ge gossen. Aus der Verteilerrinne fließt flüssiger Stahl über ein Tauchrohr 5 mit Auslaßöffnung 6 in die Kokille 3. In der Kokille 3 bilden sich aus dem flüssigen Stahl ein Strang 1, der über Rollen 4 aus der Kokille 3 herausgezogen wird. Der Zufluß flüssigen Metalls 13 über das Tauchrohr 5 in die Ko kille 3 wird über einen Stopfen 8 beeinflußt, der über eine Mechanik 9, die einen Tragarm und eine Hubstange aufweist, bewegt wird. Die Hubstange wird wiederum durch einen Hydrau likzylinder 10, der über ein Automatisierungsgerät 12 gesteuert bzw. geregelt wird, angetrieben. Die Position wird mittels eines Positionsmeßgerätes 15 gemessen und an das Au tomatisierungsgerät 12 übertragen. Außerdem weist die Anord nung ein Kokillenfüllstandsmeßgerät 11 auf, das ebenso wie das Positionsmeßgerät 15 und der Hydraulikzylinder 10 daten technisch mit dem Automatisierungsgerät 12 verbunden ist. Das Automatisierungsgerät 12 regelt bzw. steuert den Gießspiegel, d. h. den Stand flüssigen Metalls in der Kokille 3. Der aus der Kokille 3 herausgezogene Strang 1 weist eine Sumpfspitze, d. h. einen flüssigen Kern 2, und eine erstarrte Hülle 14 auf.

Fig. 2 zeigt die Einbindung des erfindungsgemäßen Störbeobach ters. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 20 den Gießspiegel-Soll wert, von dem der gemessene Gießspiegel-Istwert subtrahiert wird. Die Differenz zwischen Gießspiegel-Sollwert 20 und Gießspiegel-Istwert 23 geht als Regelabweichung in einem Gießspiegelregler 21 ein, der im vorliegenden Fall als PI- Regler ausgeführt ist. Mittels des Gießspiegelreglers 21 wird der Gießprozeß 22 geregelt. Im vorliegenden Ausführungsbei spiel umfaßt der Gießprozeß 22 neben dem eigentlichen Gießen auch eine Stopfenpositionsregelung zur Regelung des Stopfens aus Fig. 1. Zwischen dem Gießspiegelregler 21 und dem Stopfen positionsregler wird ein Korrekturwert 26 aufgeschaltet, der die Störgrößen auf den Gießprozeß, insbesondere Störgrößen, die durch die Rollen 4 in Fig. 1 verursacht werden, modelliert. D. h., der Korrekturwert 26 wird zur Korrektur des Ausgangs des Gießspiegelreglers 21 verwendet. Somit wird im Gießprozeß 22 ein korrigierter Stopfenpositions-Sollwert 24 zugeführt. Der Korrekturwert 26 zur Kompensation von Stör größen wird durch einen Störgrößenbeobachter 27 in Abhängig keit von dem Stopfenpositions-Istwert 25, dem Gießspiegel- Istwert 23 sowie der Gießgeschwindigkeit 28 gebildet.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Störgrößen beobachters. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 30 den Stopfen positions-Sollwert, d. h. den Ausgang des Gießspiegelreglers, Bezugszeichen 31 die Stopfenpositionsregelung und Bezugs zeichen 32 den Gießprozeß ohne Hydraulik für die Stopfenposi tionierung. Der Störgrößenbeobachter weist einen Gießprozeß beobachter 36 und ein Störgrößenmodell 34 auf. Der Gießpro zeßbeobachter 36 weist ein Gießprozeßmodell 33 auf, mittels dessen in Abhängigkeit vom korrigierten Stopfenpositions- Istwert x_k und den Gießspiegel-Istwert h ein Beobachterfehler e gebildet wird, der als Differenz zwischen Gießspiegel- Istwert h und geschätzten Gießspiegel-Istwert definiert ist. In Abhängigkeit vom Beobachterfehler e und der Gießgeschwindigkeit v bildet das Störgrößenmodell 34 eine geschätzte Störgröße . Diese geschätzte Störgröße ent spricht für das vorliegende Beispiel dem Korrekturwert 26 aus Fig. 2. Aus der Differenz zwischen Stopfenpositions-Sollwert und geschätzter Störgröße wird ein korrigierter Stopfen positions-Sollwert x* gebildet, der Eingangsgröße in die Stopfenpositionsregelung ist. Weitere Eingangsgröße der Stopfenpositionsregelung 31 ist der in Fig. 3 nicht gezeigte Stopfenpositions-Istwert.

Im Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 ist ferner ein Schalter 35 vorgesehen, mit dem wahlweise die Korrektur durch den Stör größenbeobachter zugeschaltet werden kann. Diese Zuschaltung erfolgt vorteilhafterweise z. B. über eine PC-Bedienober fläche. Der Störgrößenbeobachter wird so ausgelegt, daß er in möglichst optimaler Weise die Störgrößen z durch die geschätzten Störgrößen nachbildet.

Fig. 4 zeigt ein Störgrößenmodell, mittels dessen die ge schätzten Störgrößen in Abhängigkeit vom Beobachterfehler e und Gießgeschwindigkeit v gebildet werden. Das Modell weist eine Serienschaltung zweier Integratoren 41, 42 auf, die rückgekoppelt werden. Zunächst wird die Gießgeschwindigkeit v mit einem bestimmten Faktor multipliziert. Eingangsgröße des ersten Integrators 42 ist die Differenz zwischen dem Beobachterfehler e, der mit einem Gewicht h₀ multipliziert wird und der geschätzten Störgröße , wobei diese Differenz mit der mit dem Faktor 40 multiplizierten Gießgeschwindigkeit v multipliziert wird. Zu der Ausgangsgröße des ersten Integrators 42 wird der Beobachterfehler e hinzuaddiert, der zuvor mit einem Gewicht h₁ multipliziert wird. Diese Summe wird mit der mit einem Faktor 40 multiplizierten Gießge schwindigkeit v multipliziert. Dieses Produkt ist die Ein gangsgröße des zweiten Integrators 42. Ausgangsgröße des zweiten Integrators 41 ist die geschätzte Störgröße .

Fig. 5 zeigt einen Gießprozeßbeobachter, der einen geschätzten Gießspiegel-Istwert bzw. einen Beobachterfehler e in Abhängigkeit vom Gießspiegel-Istwert h und einen korrigierten Stopfenpositions-Istwert x_k bildet. Der korrigierte Stopfen positions-Istwert x_k wird mit einer Verstärkung v_s zur Modellierung der Beziehung zwischen Stopfenposition und Stahldurchfluß multipliziert. Zu diesem Produkt wird der mit einem Gewicht h₂ multiplizierte Beobachterfehler e hinzu addiert. Diese Summe ist die Eingangsgröße eines Integrators 46, zu dessen Ausgangsgröße das Produkt aus einem Gewicht h₃ und dem Beobachterfehler e hinzuaddiert wird. Diese Summe wiederum bildet die Eingangsgröße für ein PI-Glied 47, das den geschätzten Gießspiegel-Istwert ausgibt.

Claims

1. Verfahren zum Gießen eines Stranges (1) aus flüssigem Me tall, das in eine Kokille (3) gegossen und als Strang mit er starrter Hülle (14) und Sumpfspitze, d. h. flüssigem Kern, aus der Kokille herausgezogen wird, wobei der gegossene Strang mittels angetriebener Rollen, die gegen den Strang gedrückt werden, herausgezogen wird, wobei der Druck der Rollen im Bereich des Stranges mit Sumpfspitze zu einer Deformation des Stranges führt, wodurch Schwankungen des Gießspiegel-Istwertes hervorgerufen werden, wobei der Gießspiegel, d. h. der Stand des flüssigen Metalls in der Kokille (3), mittels einer Bestimmung des Gießspiegels und einer Beeinflussung des Zuflusses flüssigen Metalls in die Kokille (3) auf einen vorgegebenen Sollwert (20) geregelt wird, und wobei Störgrößen (Z), die den Einfluß der durch die Rollen bedingten Deformation des Stranges im Bereich der Sumpfspitze repräsentieren, geschätzt werden und der Einfluß dieser Störgrößen (Z) auf den Gießspiegel-Istwert (23) mittels der geschätzten Störgrößen () kompensiert oder verringert wird, wobei die Schätzung der Störgrößen (z) in Abhängigkeit von zumindest einer der Größen Menge des Zuflusses flüssigen Metalls in die Kokille oder einer äquivalenten Größe und Gießgeschwindigkeit (v) bzw. Stranggeschwindigkeit erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Störgrößen (z) in Abhängigkeit vom Gießspiegel-Istwert (23) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießspiegel mittels eines Gießspiegelreglers (21) geregelt wird, der den Gießspiegel in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Gießspiegel-Istwert (22) und Gießspiegel- Sollwert (20) regelt, wobei der Gießspiegel-Sollwert (20) in Abhängigkeit von den geschätzten Störgrößen () derart verändert wird, daß der Einfluß der Störgrößen (z) auf den Gießspiegel-Istwert (23) kompensiert oder verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung des Gießspiegels mittels eines ventilartigen Elementes erfolgt, mittels dessen der Zufluß flüssigen Metalls mittels eines Zuflußreglers in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Metallzufluß-Istwert und Metallzufluß-Sollwert geregelt wird, wobei der Metallzufluß- Sollwert in Abhängigkeit von den geschätzten Störgrößen (z) derart verändert wird, daß der Einfluß der Störgrößen (z) auf den Gießspiegel-Istwert (22) kompensiert oder verringert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Störgrößen (z) mittels eines Stör größen-Beobachters erfolgt, der einen Gießprozeßbeobachter (36) und ein Störgrößenmodell (34) aufweist, wobei der Gießprozeßbeobachter (36) den Gießprozeß in ungestörter Form modelliert und wobei das Störgrößenmodell (34) die Störgrößen modelliert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Störgrößen mittels eines Oszillators erfolgt, wobei Frequenz, Amplitude und Phasenlage der vom Oszillator erzeugten Schwingungen in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Gießspiegel-Istwert und geschätztem Gießspiegel-Istwert sowie der Gießgeschwindigkeit bzw. der Stranggeschwindigkeit festgelegt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation bzw. die Verringerung des Einflusses der Störgrößen zuschaltbar ist.