Virtueller Füllstandssensor für eine Kokille einer Stranggießanlage

Gebiet der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Stranggießens. In einer Stranggießanlage wird Metallschmelze, z.B. aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, kontinuierlich oder semi-kontinuierlich zu einem Strang vergossen. Dabei wird die Metallschmelze in eine Kokille gegossen, in der typischerweise gekühlten Kokille bildet sich ein Strang mit einer dünnen Strangschale aus, wobei der Strang anschließend aus der Kokille ausgebracht, bspw. ausgezogen, wird. Der Strang wird in der der Kokille nachfolgenden Strangführung gestützt, geführt und weiter abgekühlt.

Zur Erzielung einer hohen Produktqualität des stranggegossenen Strangs wird versucht, den Gießspiegel bzw. die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille während des Stranggießens möglichst konstant zu halten. Es ist bekannt, dass Gießspiegelschwankungen zum Ausbauchen (engl. bulging) des Strangs beitragen und starkes bulging zu einem Strangdurchbruch führen kann.

Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllstandshöhe einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille einer Stranggießanlage mittels eines virtuellen Füllstandssensors, wobei die Metallschmelze in der Kokille einen Gießspiegel mit der Füllstandshöhe ausbildet.

Stand der Technik

Um den Gießspiegel während des Stranggießens möglichst konstant halten zu können, ist es im Stand der Technik bekannt, die Position des Gießspiegels bzw. die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille mittels eines Füllstandssensors zu messen und bspw. den Zufluss an Metallschmelze so zu regeln, dass die Füllstandshöhe während des Stranggießens möglichst konstant bleibt.

Da während des Stranggießens die Füllstandshöhe auf ca. ± 0,5 mm konstant gehalten wird, ist es ausreichend, die Füllstandshöhe während des Stranggießens mittels eines physischen Sensors, z.B. eines elektromagnetischen Sensors, zu messen. Das Signal dieses Sensors wird zur Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Betriebs der Stranggießanlage verwendet. Da der Sensor die Füllstandshöhe hochdynamisch auf ca. 0,1 mm genau misst, ist der Messbereich des Sensors relativ klein, z.B. ein Messbereich von 200 mm. Gänzlich anders verhält es sich beim sog. Gießstart, d.h. beim Angießen, sowie beim sog. Gießende, d.h. beim Abschließen eines Stranggießvorganges, in der Stranggießanlage. Die damit verbundenen Phänomene werden anhand des Gießstarts erläutert: Bekanntlich wird vor dem Gießstart ein sog. Kaltstrang in die Kokille eingebracht, der die Kokille ausgangsseitig fluiddicht verschließt. Beim Gießstart wird Metallschmelze in die Kokille gegossen, sodass der Gießspiegel in Abhängigkeit der zugeführten Menge an Metallschmelze ansteigt. Nachdem der Gießspiegel eine Höhe von bspw. 400 mm erreicht hat, wird begonnen, den Kaltstrang aus der Kokille auszuziehen. Dadurch würde der Gießspiegel absinken, was durch das gleichzeitige Eingießen von Metallschmelze in die Kokille verhindert wird. Nach dem Beginn des Ausziehens steigt der Gießspiegel typischerweise noch etwas an. Da der Sensor, der zur Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Stranggießens verwendet wird, zwar hochgenau und hochdynamisch ist, aber einen relativ kleinen Messbereich hat, kann es für bestimmte Stranggussmaschinen nicht ausreichend sein, den Sensor auch beim Gießstart einzusetzen, z.B. zur vollautomatischen Regelung des Gießstarts.

Zur Lösung dieses Problems sind im Stand der Technik zwei Ausführungsformen bekannt:

1) Der Gießstart und das Gießende der Stranggießanlage erfolgen manuell: Problematisch daran ist, dass der Operator auf der Gießbühne bzw. zumindest in der Nähe der Gießbühne sein muss, um den Gießstart und das Gießende richtig steuern zu können. Dies ist vielfach unerwünscht oder nicht erlaubt. Außerdem wird für einen manuellen Gießstart ein erfahrener Operator benötigt, was nicht immer gewährleistet werden kann.

2) Es wird neben dem Sensor, der zur Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Stranggießens verwendet wird, ein weiterer physischer Sensor verwendet, der einen größeren Messbereich hat und somit auch die Änderungen des Gießspiegels während des Gießstarts und beim Gießende abbilden kann. Nach dem Stand der Technik verwendet dieser zusätzliche Sensor oftmals eine radioaktive Strahlenquelle (engl. radiometric level measurement, siehe z.B. https://www.berthold.com/en/process- control/knowledqe-base/radiometric-measurement). Nachteilig daran ist, dass radioaktive Strahlenquellen teuer sind, zusätzlich installiert und kalibriert werden müssen und außerdem die Aus- und Einfuhr des Sensors oftmals Probleme, z.B. beim Zoll, aufwirft.

Wie die Gießspiegelmessung bei einer Stranggießanlage durchgeführt werden kann, sodass der Gießstart und das Gießende vollautomatisch durchgeführt werden können und ohne, dass ein radiometrischer Sensor verwendet wird, geht aus dem Stand der T echnik nicht hervor. Vorzugsweise soll es nicht notwendig sein, zur vollautomatischen Regelung des Gießstarts oder des Gießendes einen zusätzlichen physischen Sensor zur Ermittlung der Füllstandshöhe der Stranggießanlage zu verwenden.

Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands in einer Kokille einer Stranggießanlage zu finden, sodass der Gießstart und das Gießende vollautomatisch durchgeführt werden können und ohne, dass ein weiterer Füllstandssensor, z.B. ein radiometrischer Sensor, verwendet wird. Außerdem soll die gesamte Füllstandsmessung günstiger sein als vergleichbare Lösungen mit einem radiometrischer Sensor und der Aufwand für die Installation und Kalibrierung soll niedrig sein.

Einerseits wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Konkret erfolgt die Lösung durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Füllstandshöhe hi einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille einer Stranggießanlage mittels eines virtuellen Füllstandssensors, wobei die Metallschmelze in der Kokille einen Gießspiegel mit der Füllstandshöhe hi ausbildet, umfassend folgende Verfahrensschritte:

- Abschätzen eines der Kokille zufließenden Volumenstroms C n der Metallschmelze durch einen ersten Zustandsbeobachter unter Berücksichtigung

-- einer Öffnung eines Ventils, vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß, z.B. ein Gießverteiler, in ein Gießrohr, wobei die Öffnung des Ventils während des Stranggießens in Echtzeit ermittelt wird,

-- einer Geometrie des Ventils, und

-- einer Geometrie des Gießrohrs,

- Abschätzen eines aus der Kokille abfließenden Volumenstroms QAUS der Metallschmelze durch einen zweiten Zustandsbeobachter unter Berücksichtigung

-- einer Geometrie der Kokille,

-- mehrerer, vorzugsweise mindestens drei, Temperaturwerte, wobei mehrere Temperatursensoren während des Stranggießens die Temperaturwerte in der Kokille in Echtzeit ermitteln, wobei mehrere Temperaturwerte unterschiedlichen Füllstandshöhen zugeordnet sind, und

-- einer Gießgeschwindigkeit vc eines zumindest teilerstarrten Strangs, vorzugsweise mit Brammen- oder Dünnbrammenquerschnitt, wobei der Strang zumindest zeitweise während des Stranggießens aus der Kokille ausgebracht wird und die Gießgeschwindigkeit vc in Echtzeit ermittelt wird,

- Berechnen der Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms ÖEin und des abfließenden Volumenstroms QAUS, insbesondere durch die Bedingungen i = ^QEin ~ ^QAus und Zii (t) = J i dt. Quer

Erfindungsgemäß wird die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze in einer Kokille der Stranggießanlage durch folgende Schritte ermittelt: Ein erster Zustandsbeobachter schätzt den der Kokille zufließenden Volumenstroms C n ab unter Berücksichtigung

- einer Öffnung eines Ventils Sventii, vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß in ein Gießrohr, wobei die Öffnung des Ventils Sventii während des Stranggießens in Echtzeit ermittelt wird,

- einer Geometrie des Ventils Aventii, und

- einer Geometrie des Gießrohrs ÄSEN.

Der erste Zustandsbeobachter arbeitet entweder zeitkontinuierlich oder bevorzugt zeitdiskret und „beobachtet“ den der Kokille zufließenden Volumenstroms ÖEin. Natürlich ist es möglich, dass der Zustandsbeobachter weitere Eingangsgrößen verwendet, um ÖEin zu ermitteln.

Ein zweiter Zustandsbeobachter schätzt den aus der Kokille abfließenden Volumenstroms QAUS ab unter Berücksichtigung

- einer Geometrie Aouer der Kokille,

- mehrerer, vorzugsweise mindestens drei, Temperaturwerte, wobei mehrere Temperatursensoren während des Stranggießens die Temperaturwerte in der Kokille in Echtzeit ermitteln, wobei die Temperaturwerte mehreren Füllstandshöhen zugeordnet sind, und

- einer Gießgeschwindigkeit des Strangs vc, wobei die Gießgeschwindigkeit vc während des Stranggießens in Echtzeit ermittelt wird.

Auch der zweite Zustandsbeobachter kann entweder zeitkontinuierlich oder bevorzugt zeitdiskret arbeiten. Der zweite Zustandsbeobachter „beobachtet“ den aus der Kokille ausfließenden Volumenstroms QAUS. Natürlich ist es auch hier möglich, dass der Zustandsbeobachter weitere Eingangsgrößen verwendet, um QAUS ZU ermitteln.

Nachdem sowohl ÖEin und QAUS ermittelt worden sind, berechnet der virtuelle Füllstandssensor die Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms ÖEin und des abfließenden Volumenstroms QAUS, bspw. unter Verwendung folgender Gleichungen:

Es ist natürlich ebenfalls möglich, dass die Beobachter nicht den zufließenden und den abfließenden Volumenstrom ÖEin, QAUS ermitteln, sondern den zufließenden Massenstrom ^m Ein = P- QE und den abfließenden Massenstrom m _Aus = p. Q _Aus .

Insbesondere bei sog. Trichterkokillen ist es möglich, dass der Querschnitt der Kokille Aouer über der Füllstandshöhe hi nicht konstant ist, sondern dass Aouer von der Füllstandshöhe hi abhängig ist bzw. Aouer eine Funktion der Füllstandshöhe ist, d.h. Aouer = f(hi). Im Allgemeinen handelt es sich bei den ersten und zweiten Zustandsbeobachtern um gängige, d.h. aus der Literatur bekannte, Beobachter, wie Luenberger Beobachter oder Kalman Filter... In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erste und/oder zweite Zustandsbeobachter ein nicht vollständiger Zustandsbeobachter. Ein nicht vollständiger Zustandsbeobachter kann ein reduzierter Beobachter sein, wobei hier alle Prozessgrößen, die gemessen werden können aus dem Messwert folgen. Eine weitere Möglichkeit eines nicht vollständigen Zustandsbeobachter kann ein Trivialer Beobachter, der ohne Messwerte auskommt, , allerdings muss dann ein Modell so genau sein, dass man ohne diese Messwerte die Prozessgrößen ausreichend genau rechnen kann.

Bei der Geometrie des Ventils kann es sich bspw. um den Durchmesser oder die Fläche einer Öffnung auf dem Boden des Gießgefäßes handeln. Bei der Geometrie des Gießrohrs kann es sich bspw. um den Innendurchmesser oder die durchströmte Querschnittsfläche des Gießrohres handeln. Die Geometrie der Kokille kann z.B. durch die Querschnittsfläche des Formhohlraums beschrieben werden.

Zur Erhöhung der Genauigkeit des ersten Zustandsbeobachters ist es vorteilhaft, als Eingangsgröße außerdem eine Masse mverteiier und vorzugsweise eine Geometrie des Gießgefäßes bzw. -Verteilers zu berücksichtigen. Aus der Masse des Gießgefäßes ggf. in Verbindung mit dessen Geometrie kann auf einfache Weise der Füllstand im Gießgefäß ermittelt werden, wobei ein höherer Füllstand mit einem höheren zufließenden Volumenstroms QEIA einhergeht.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn mehrere Temperaturwerte einer ersten Platte, vorzugsweise einer Schmalseitenplatte, der Kokille zugeordnet sind. Dadurch kann das Ansteigen des Gießspiegels bzw. der Füllstandshöhe während des Gießstarts bzw. des Gießendes zuverlässig erkannt werden. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn auf einer Füllstandshöhe mehrere Temperatursensoren angeordnet sind, sodass etwaige Messfehler korrigiert werden können.

Um die Genauigkeit zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn der zweite Zustandsbeobachter neben den mehreren Temperaturwerten einer ersten Platte der Kokille zusätzlich mehrere Temperaturwerte einer zweiten Platte der Kokille verwendet, wobei die zweite Platte in Breiten- oder Dickenrichtung vorzugsweise gegenüber der ersten Platte angeordnet ist. Auch durch diese Maßnahme können Ungenauigkeiten der Sensoren bzw. sog. engl. outlier erkannt werden, was die Genauigkeit des virtuellen Sensors erhöht.

Um beispielsweise mehrere Temperaturwerte entlang einer geraden oder gebogenen Linie messen zu können, ist es vorteilhaft, faseroptische Temperatursensoren einzusetzen. Die Erfindung ist aber keinesfalls auf faseroptische Temperatursensoren eingeschränkt, es können beliebige Temperatursensoren, z.B. auch sog. Thermoelemente vom Typ K verwendet werden. Da die Genauigkeit und das dynamische Verhalten des virtuellen Füllstandssensors nach wie vor schlechter ist, als das eines physischen Füllstandssensors, ist es vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig, dass die Kokille neben dem virtuellen Füllstandssensor zum Beobachten der Füllstandshöhe hi in einem ersten Messbereich zusätzlich einen physischen Füllstandssensor zur Messung einer Füllstandshöhe h2 des flüssigen Metalls in einem zweiten Messbereich aufweist, wobei der zweite Messbereich kleiner ist als der erste Messbereich, insbesondere dass der erste Messbereich zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich.

Mittels dieser Ausführungsform wird für die Regelung des Gießspiegels während des kontinuierlichen Betriebs der Stranggießanlage zusätzlich ein physischer (z.B. ein elektromagnetischer) Füllstandssensor verwendet. Der physische Füllstandssensor misst die Füllstandshöhe des flüssigen Metalls in der Kokille relativ exakt in einem zweiten Messbereich. Dagegen misst der virtuelle Füllstandssensor die Füllstandshöhe des flüssigen Metalls in der Kokille in einem ersten Messbereich, wobei bspw. der erste Messbereich zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich.

Da der physische Füllstandssensor die Füllstandshöhe des flüssigen Metalls nur in einem zweiten Messbereich genau misst, wird - falls sich die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille in dem zweiten Messbereich befindet - als Füllstandshöhe das Signal des physischen Füllstandssensors verwendet und andernfalls, d.h. wenn sich die Füllstandshöhe der Metallschmelze in der Kokille außerhalb des zweiten Messbereichs befindet, als Füllstandshöhe das Signal des virtuellen Füllstandssensors verwendet.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird andererseits auch durch einen virtuellen Füllstandssensor nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Konkret erfolgt die Lösung durch einen virtuellen Füllstandssensor zum Ermitteln einer Füllstandshöhe hi einer Metallschmelze, vorzugsweise aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in einer Kokille einer Stranggießanlage, wobei die Metallschmelze in der Kokille einen Gießspiegel mit der Füllstandshöhe hi ausbildet, aufweisend:

- einen ersten Zustandsbeobachter zum Beobachten eines der Kokille zufließenden Volumenstroms C n, wobei der erste Zustandsbeobachter signaltechnisch mit einem Positionssensor eines Ventils, vorzugsweise eines Stoppers oder eines Schiebers, zur Einstellung eines Durchflusses der Metallschmelze von einem Gießgefäß in ein Gießrohr, verbunden ist und der Positionssensor die Öffnung des Ventils Sv _en tii während des Stranggießens in Echtzeit ermitteln kann,

- einen zweiten Zustandsbeobachter zur Beobachtung eines aus der Kokille abfließenden Volumenstroms QAUS, wobei der zweite Zustandsbeobachter signaltechnisch mit -- mehreren, vorzugsweise mindestens drei, Temperatursensoren verbunden ist, wobei die Temperatursensoren unterschiedlichen Füllstandshöhen zugeordnete Temperaturwerte (T1...T3) während des Stranggießens in Echtzeit ermitteln können, und

-- einem Gießgeschwindigkeitssensor verbunden ist, wobei der Gießgeschwindigkeitssensor die Gießgeschwindigkeit vc des Strangs in Echtzeit ermitteln kann,

- eine Recheneinheit zur Berechnung der Füllstandshöhe hi in Abhängigkeit des zufließenden Volumenstroms C n und des abfließenden Volumenstroms QA _US .

Bevorzugt ist die Verwendung eines Füllstandsmesssystems mit einem virtuellen Füllstandssensor nach Anspruch 10 zur Ermittlung der Füllstandshöhe hi der Metallschmelze in einem ersten Messbereich und einem physischen Füllstandssensor zur Messung der Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze in einem zweiten Messbereich, wobei der zweite Messbereich kleiner ist als der erste Messbereich, insbesondere dass der erste Messbereich zumindest 2x, bevorzugt 4x, größer ist als der zweite Messbereich.

Außerdem ist es vorteilhaft, zur Umschaltung der Signale für die Füllstandshöhen von dem virtuellen und dem physischen Füllstandssensor einen Multiplexer zu verwenden, wobei der Multiplexer

- die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze von dem virtuellen Füllstandssensor, und

- die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze von dem physischen Füllstandssensor als Eingangsgrößen verwendet und die Ausgangsgröße des Multiplexers

- die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze von dem physischen Füllstandssensor ist, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor innerhalb des zweiten Messbereiches ist,

- die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze von dem virtuellen Füllstandssensor ist, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor außerhalb des zweiten Messbereiches ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig 1 ein erstes Übersichtsschema,

Fig 2 eine schematische Darstellung einer Strömungslinie der Metallschmelze von einem Gießverteiler durch ein Ventil in ein Gießrohr und vom Inneren des Gießrohrs durch Öffnungen (Ports) in den Formhohlraum einer Kokille, Fig 3 eine schematische Darstellung der Messpunkte in einer Kokille und der ermittelten Füllstandshöhe der Metallschmelze hi beim Gießstart einer Stranggießanlage, und

Fig 4 ein zweites Übersichtsschema mit einen physischen und einem virtuellen Füllstandssensor.

Beschreibung der Ausführungsformen

Die Fig 1 zeigt ein Übersichtsschema zur Erläuterung der Erfindung. Beim Stranggießen wird Metallschmelze, z.B. aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, in ein Gießgefäß 1 , hier einen Gießverteiler 1a, gefüllt. Im Gießverteiler 1a bildet sich ein durch ein Dreieck dargestellter Gießspiegel aus. Aus dem Gießverteiler 1a strömt die Metallschmelze in ein Gießrohr 3 (engl. submerged entry nozzle, kurz SEN) ein. Der Durchfluss der Metallschmelze in das Gießrohr 3 wird durch ein Ventil 2, hier einen Stopfen, eingestellt. Dazu kann der Stopfen vom Boden des Gießverteilers 1a durch einen hier nicht dargestellten Stopfenantrieb angehoben bzw. abgesenkt werden, sodass der Stopfen einen Abstand Sv _en tii zum Boden des Gießverteilers 1a aufweist. Der Boden des Gießverteilers 1a weist eine Öffnung mit dem Durchmesser dv _en tii auf, die vor dem Gießstart durch den Stopfen verschlossen wird. Nach dem Eintritt der Metallschmelze in das Gießrohr 3 und dem Durchströmen des Gießrohrs 3 strömt die Metallschmelze im unteren Bereich des Gießrohrs 3 durch typischerweise mehrere Öffnungen (engl. ports) aus und bildet einen Gießspiegel 5 in der Kokille 4 aus. Ob die Öffnungen des Gießrohrs so wie dargestellt unterhalb oder oberhalb des Gießspiegels 5 angeordnet sind, spielt für die Erfindung keine Rolle. Vor dem Gießstart der Stranggießanlage ist das Ventil 2 geschlossen, sodass keine Metallschmelze in die Kokille 4 einströmen kann. Die Unterseite der Kokille 4 ist durch einen sog. Kaltstrang verschlossen, sodass der Formhohlraum der Kokille in Gießrichtung abgedichtet wird. Beim Gießstart wird zuerst das Ventil 2 etwas geöffnet, sodass die Metallschmelze vom Gießverteiler 1a durch das Gießrohr 3 in den Formhohlraum der Kokille 4 einströmen kann. Anfangs bleibt der Kaltstrang stationär in der Kokille, sodass der in die Kokille zuströmende Volumenstrom ÖEin Zu einem langsam ansteigenden Gießspiegel führt. Nachdem der Gießspiegel 5 in der Kokille 4 eine bestimmte Höhe erreicht hat, wird mit dem Ausziehen des Kaltstrangs aus der Kokille begonnen, sodass der dem Kaltstrang nachfolgende Warmstrang (nachfolgend kurz Strang) ebenfalls aus der Kokille 4 ausgezogen wird. Beim Angießen verbindet sich der Warmstrang mit dem Kaltstrang, sodass die Gießgeschwindigkeit des Strangs der Ausziehgeschwindigkeit des Kaltstrangs entspricht. Das Ausziehen des Strangs erfolgt mit einer Gießgeschwindigkeit vc, welche konstant oder variabel in Abhängigkeit der Zeit eingestellt werden kann. Während des kontinuierlichen Gießbetriebs wird die Füllstandshöhe h2 der Metallschmelze in der Kokille 4 durch einen physischen Füllstandssensor gemessen. Der Messbereich 6 des physischen Füllstandssensor befindet sich im oberen Bereich der Kokille 4. Da der Gießspiegel 5 in der Kokille 4 während des Gießstarts sich außerhalb des Messbereichs 6 des physischen Füllstandssensors befindet, ist der physische Füllstandssensor nicht bzw. nur begrenzt geeig- net, zur Automatisierung des Gießstart beizutragen. Erfindungsgemäß wird der Gießstart durch einen virtuellen Füllstandssensor gesteuert, der die Füllstandshöhe hi der Metallschmelze in der Kokille 4 in einem erweiterten Messbereich 7 ermittelt.

Die Öffnung Sv _en tii und die Geometrie des Ventils 2, sowie die Geometrie ÄSEN des Gießrohrs 3 werden einem ersten Beobachter BEOi zugeführt. Die Öffnung Sventii des Ventils wird dazu zeitdiskret, z.B. mit einer Abtastzeit von 50 ms, ermittelt und dem ersten Beobachter BEOi zugeführt. Der Beobachter beinhaltet ein dynamisches Modell der Strömung der Metallschmelze vom Gießverteiler 1a durch das Ventil 2, vom Ventil in das Gießrohr 3, sowie dem Ausfluss der Metallschmelze durch die Öffnungen des Gießrohrs 3 in den Formhohlraum der Kokille 4. Der Aufbau des ersten Beobachters, der z.B. als sog. Luenberger Beobachter oder als sog. Kalman Filter ausgebildet sein kann, ist dem Fachmann bekannt, sodass auf Details nicht eingegangen werden muss. Der erste Beobachter BEOi ermittelt den der Kokille 4 zuströmenden Volumenstrom ÖEin.

Erfindungsgemäß ist außerdem ein zweiter Beobachter BEO2 vorhanden, der aus den Temperaturwerten Ti, T ₂ , T3 mehrerer Temperatursensoren in der Kokille 4, der Gießgeschwindigkeit vc, sowie dem Parametern für die Geometrie der Kokille Aouer, den aus der Kokille 4 ausströmenden Volumenstrom QAUS ermittelt. Die Temperaturwerte Ti, T ₂ , T3 und die Gießgeschwindigkeit vc werden vorzugsweise wieder zeitdiskret, z.B. mit einer Abtastzeit von 50 ms, ermittelt und dem zweiten Beobachter BEO2 zugeführt.

Aus dem zuströmenden Volumenstrom ÖEin, dem ausströmenden Volumenstrom QAUS und der Geometrie der Kokille Aouer wird die zeitliche Ableitung der Füllstandshöhe t = ^Qei71 ~ ^Qaus Quer berechnet; aus der durch Integration von h ₁ wird die Füllstandshöhe hi berechnet, d.h. /^(t) = f /i-L dt.

Beispielshaft werden die Gleichungen angegeben, die für das dynamische Modell des ersten Beobachters BEOi herangezogen werden können. In Fig 2 ist eine Strömungslinie mit fünf Punkten 1...5 dargestellt. Der Punkt 1 befindet sich am Gießspiegel der Metallschmelze im Gießverteiler 1a. Der Punkt 2 befindet sich unmittelbar vor dem Durchströmen des Ventils 2. Der Punkt 3 befindet sich nach dem Durchströmen des Ventils 2. Der Punkt 4 nach dem Durchströmen des zentralen Bereichs des Gießrohrs 3 und vor den sog. Ports und der Punkt 5 nach dem Durchströmen der Ports des Gießrohrs 3.

Der Druck p ₂ in Punkt 2 ist p ₂ = Pi + pFe- 9- mit Av _en tii = dventi*Sventii, wobei pi V der Druck im Punkt 1 (meistens wird pi=0 angenommen), pFe die Dichte der Metallschmelze, Ahi der Höhenunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt 1 , 2 und Q den Durchfluss angibt. Der Druck ps im Punkt 3 ist p ₃ = p ₂ - R _Ven tu- Q, wobei Rv _en tii den (linearisierten) hydraulischen Strömungswiderstand des Ventils 2 angibt. Der Druck p4 im Punkt 4 ist p ₄ = p ₃ + p _Fe . g. h ₂ - L _SEN . Q, wobei Ah2 der Höhenunterschied zwischen dem dritten und dem vierten Punkt 3, 4 und LSEN die hydraulische Induktivität des Gießrohrs 3 angibt. Der Druck P5 im Punkt 5 ist p ₅ = p ₄ - R _Port . Q, wobei Rp _O rt den (linearisierten) hydraulischen Strömungswiderstand der Öffnungen (Ports) des Gießrohrs 3 angibt.

Die Fig 3 zeigt auf der linken Seite mehrere Messpunkte 10 einer Breitseitenplatte 8 und einer Schmalseitenplatte 9 einer Kokille. Bspw. können die Messpunkte 10 einer Breitseitenplatte durch drei faseroptische Temperatursensoren mit jeweils 8 Messpunkten ermittelt werden, die in drei horizontalen Bohrungen liegen. Ebenso gut wäre es möglich, acht faseroptische Temperatursensoren mit jeweils 3 Messpunkten zu verwenden. Die fünf Messpunkte 10 einer Schmalseitenplatte können z.B. durch einen faseroptischen Temperatursensor mit 5 Messpunkten ermittelt werden. Die Temperaturwerte an den dargestellten Messpunkte 10 können wahlweise mit faseroptischen oder mit konventionellen Temperatursensoren, z.B. Thermoelementen vom Typ K, ermittelt werden. Die nicht dargestellte zweite Breitseitenplatte ist identisch zur dargestellten Breitseitenplatte 8 ausgeführt; ebenso ist die nicht dargestellte zweite Schmalseitenplatte identisch zur dargestellten Schmalseitenplatte 9 ausgeführt. Alle dargestellten Messpunkte 10 werden als Eingangsgrößen für den in Fig 1 dargestellten zweiten Beobachter BEO2 verwendet, das zugehörige Messignal wird in Echtzeit mit einer Abtastzeit von 0,5 oder 1s abgetastet. Die Messbereiche 7 und 6 des virtuellen und des physischen Füllstandssensors sind ebenfalls dargestellt. Wie eingangs erwähnt, wird beim Gießstart die Kokille ausgangsseitig durch einen Kaltstrang verschlossen und anschließend das Ventil, bspw. ein Stopfen, zwischen dem Gießgefäß bzw. dem Gießverteiler und dem Gießrohr geöffnet. Die Ventilöffnung sVentil ist links unten in Fig 3 über der Zeit dargestellt. Durch das Öffnen des Ventils steigt der Gießspiegel langsam an - siehe die ermittelte Füllstandshöhe h1 des virtuellen Füllstandssensors. Zu erkennen ist außerdem, dass der physische Füllstandssensor einen unrichtigen Füllstand h2 ausgibt, da der Gießspiegel außerhalb des Messbereichs liegt. Erst nachdem der Füllstand der Metallschmelze innerhalb des Messbereichs 6 des physischen Füllstandssensors liegt, gibt der physische Füllstandssensor die Füllstandshöhe richtig an. Nach etwas weniger als 30s nach dem Beginn wird die Gießgeschwindigkeit vö von 0 auf ca. 1,4 m/min gesteigert. Anschließend wird die Gießgeschwindigkeit weiter langsam kontinuierlich gesteigert. In den Breitseitenplatten 8 sind auf 4 Ebenen jeweils 8 Messpunkte 10 von Temperatursensoren angeordnet. In den Schmalseitenplatten 9 ist auf 5 Ebenen jeweils 1 Messpunkt 10 eines Temperatursensors angeordnet. Natürlich ist es möglich, dass mehr oder weniger Ebenen und/oder mehr oder weniger Messpunkte pro Ebene angeordnet sind. Auf der rechten Seite der Figur ist gut erkennbar, dass die erfindungsgemäß ermittelte Füllstandshöhen h1 des virtuellen Sensors ab dem Zeitpunkt von etwa 8 s langsam und kontinuierlich ansteigt. Auch zu erkennen ist, dass der ausschließlich von den Thermoelementen (engl. thermocouples) abgeleitete Füllstand (ganz unten dargestellt) hingegen sprunghaft ansteigt. Die Fig 4 zeigt ein zweites Übersichtsschema mit einem virtuellen und einem physischen Füllstandssensor 11. Der virtuelle Füllstandssensor funktioniert wie in Fig 1 beschrieben. Im Unterschied zu Fig 1 ist die Kokille 4 als Trichterkokille ausgeführt, wobei die Querschnittsfläche ÄQuer des Formhohlraums der Kokille nicht konstant, sondern variabel von der Höhe h ist. Zusätzlich ist in der Figur ein physischer Füllstandssensor 11 eingezeichnet, der eine Füllstandshöhe h2 im oberen Bereich der Kokille 4 misst. Sowohl die Füllstandshöhe des virtuellen Füllstandssensors hi und die Füllstandshöhe des physischen Füllstandssensors h2 werden einem Mulitiplexer MUX als Eingangsgrößen zugeführt, der abhängig davon, ob sich die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor innerhalb des Messbereichs des physischen Füllstandssensors befindet oder nicht. Konkret entspricht die Ausgangsgröße h des Multiplexers der Füllstandshöhe h2 des physischen Füllstandssensors, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor innerhalb des Messbereiches des physischen Füllstandssensors ist. Andernfalls entspricht die Ausgangsgröße h des Multiplexers der Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensors, falls die Füllstandshöhe hi des virtuellen Füllstandssensor außerhalb des Messbereiches des physischen Füllstandssensors ist. Die jeweilige Ausgangsgröße h des Multiplexers wird einem sog. Level 2 Controller L2 zugeführt, der zur Regelung des Gießstarts und ggf. des Gießendes verwendet wird. Natürlich ist es ebenfalls möglich, dass der Multiplexer MUX nicht als diskreter Baustein vorhanden ist, sondern als Software-Block in einem Regler implementiert ist. Der techn. Effekt ist identisch.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Gießgefäß 1a Gießverteiler

2 Ventil

3 Gießrohr

4 Kokille

5 Gießspiegel in der Kokille

6 Messbereich eines physischen Füllstandssensors

7 Messbereich eines virtuellen Füllstandssensors

8 Breitseitenplatte

9 Schmalseitenplatte

10 Messpunkt eines Temperatursensors

11 Physischer Füllstandssensor

Aouer Geometrie der Kokille

ÄSEN Geometrie des Gießrohrs

BEOI , BEÖ2 Erster und zweiter Zustandsbeobachter dventil Geometrie des Ventils hi Füllstandshöhe eines virtuellen Füllstandssensors /ii Zeitl. Ableitung der Füllstandshöhe des virtuellen Füllstandssensors h ₂ Füllstandshöhe eines physischen Füllstandssensors

L Hydraulische Induktivität

L2 Level 2 Controller

MUX Multiplexer

ÖEin Zufließender Volumenstrom QAUS Abfließender Volumenstrom

R Hydraulischer Strömungswiderstand

Sventil Öffnung des Ventils

TI ... TN Temperaturwerte

Vc Gießgeschwindigkeit des Strangs