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Glühendes Metall im Griff

Stranggießen: Prinzipbedingte Mess-Ungenauigkeiten vermeiden
Glühendes Metall im Griff

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Prinzipbedingte Ungenauigkeiten der Messsysteme beim Stranggießen – verursacht durch Schlupf, Verschleiß oder Verschmutzung – erfordern typischerweise bei der Schnittlängensteuerung einen beachtlichen Aufschlag zu der dem Abnehmer garantierten Mindestlänge. Stahl, Kupferlegierungen oder Aluminium werden damit ‚verschenkt‘. Hochpräzise, berührungslose Messsysteme, die auch den rauen Einsatzbedingungen direkt über dem glühenden Strang trotzen, können hier die Wirtschaftlichkeit beim Stranggieß-Verfahren deutlich steigern.

Die Autoren:Dipl.-Ing. (BA) Pierre Passarge, Strategisches Produkt-marketing, Polytec GmbH; Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

Beim Stranggießen werden Stahl, Kupferlegierungen oder Aluminium in Strängen mit Geschwindigkeiten von typischerweise etwa 0,5 bis 5 m/min produziert und dann in Teilstücken abgelängt. Kernstück einer jeden Stranggieß-Anlage ist die sogenannte Kokille, die den Querschnitt des Stranges festlegt. In sie wird das flüssige Metall eingebracht. Bereits während der Bewegung beginnt der Strang abzukühlen – die richtige Geschwindigkeit beeinflusst damit die Qualität des Endproduktes. Auch beim Abschneiden der Teilstücke spielt die Geschwindigkeitsmessung als Ergänzung zur Längenerfassung eine wichtige Rolle: Der Strang läuft ja kontinuierlich weiter, während die Schneidvorrichtung ihn trennt. Für eine saubere, gerade Schnittkante muss die Steuerung des Schneidwerkzeugs deshalb die Geschwindigkeit kennen, mit der sich der Strang bewegt. Sonst müsste die Schräge des Schnitts beim Aufschlag auf die Mindestlänge berücksichtigt werden. Die genaue Kenntnis von Geschwindigkeit und Länge des Strangs ist somit ein wichtiger Faktor für eine Prozess- und damit Kostenoptimierung.
Prinzipiell kommen für die entsprechenden Messungen mehrere Verfahren in Frage. Die meisten davon haben allerdings gravierende Nachteile: Werden Länge und Geschwindigkeit des Strangs mit Messrädern aufgenommen, nimmt man zwangsläufig immer Ungenauigkeiten in Kauf, die entstehen, weil sich der Durchmesser des Rades durch Verschleiß oder Verunreinigungen wie etwa Zunder verändert. Dagegen lässt sich nur mit ständigem Warten, Prüfen und Kalibrieren vorgehen. Zudem ist eine solche taktile Messung nie schlupffrei, da sich die oszillierenden Bewegungen der Kokille durchaus auf den Strang übertragen. Es gibt also immer mal wieder einen kleinen ‚Ruck‘. Ähnliches gilt, wenn für Geschwindigkeits- und Längenmessungen die Umdrehungszahlen der Antriebsrollen mit Drehgebern erfasst und ausgewertet werden.
Berührungslos bedeutet verschleißfrei
In Stahlwerken setzen sich deshalb immer häufiger berührungslose, optische Messsysteme durch. Die Laser Surface Velocimeter (LSV-2000) von Polytec wurden speziell für die präzise Messung von Geschwindigkeit und Länge in rauen Umgebungen entwickelt. Sie arbeiten ohne Verschleiß und sind auch im Dauerbetrieb rund um die Uhr wartungsfrei. Ihre zuverlässigen Messdaten lassen sich zudem einfach in die Prozesssteuerung einbinden. Im Gegensatz zu herkömmlichen berührungslosen Verfahren misst das LSV zudem ab Stillstand und erkennt zuverlässig die Bewegungsrichtung.
Das Laser Surface Velocimeter nutzt das Differenz-Laser-Doppler-Prinzip und wertet das von einem bewegten Objekt zurückgestreute Laserlicht aus. Hierbei werden zwei Laserstrahlen, die jeweils unter einem Winkel φ zur optischen Achse einfallen, auf der Oberfläche des Messobjektes überlagert. Hier erzeugen sie ein Interferenzmuster von hellen und dunklen Streifen. Der Streifenabstand ∆s ist eine Gerätekonstante, die von der Laserwellenlänge λ und vom Winkel zwischen den Messstrahlen 2φ abhängt. Es gilt:
∆s = λ/(2 sin φ)
Bewegt sich ein Teilchen durch das Streifenmuster, wird das von ihm zurückgestreute Licht in seiner Intensität moduliert. Ein Photoempfänger im Messkopf erzeugt demzufolge ein Wechselstromsignal, dessen Frequenz fD direkt proportional zur Geschwindigkeitskomponente der Oberfläche in Messrichtung vp ist und es gilt:
fD = vp/∆s = (2vp/λ) sin φ
fD ist die Dopplerfrequenz, vp die Geschwindigkeitskomponente in Messrichtung und ∆s der Streifenabstand im Messvolumen. Der Wert λ/sin φ bildet die Maßverkörperung für die Geschwindigkeits- und Längenmessung. Er wird für jeden Messkopf exakt gemessen und ist auf dem Identifikationsaufkleber aufgedruckt.
Kurze Amortisationszeiten sind möglich
Durch die hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der berührungslosen Messung kann der Anwender die Qualität verbessern und den Ertrag steigern. Für den Anwender rechnet sich das schnell. Reduziert sich der Aufschlag beim Ablängen nur um wenige Millimeter, sind Amortisationszeiten von etwa einem Jahr die Regel. Zudem sind Montage und Inbetriebnahme des optischen Messsystems einfach. Es wird in rund 1,5 m Höhe über dem Strang montiert und ist eigentlich sofort einsatzbereit. Lediglich die anwendungsbezogenen Parameter müssen noch eingegeben werden. Der Schulungsaufwand dafür ist vernachlässigbar – wenn das LSV einmal in Betrieb genommen ist, ist keine Bedienung mehr erforderlich. Die Inbetriebnahme übernehmen die Fachleute von Polytec.
Hinzu kommt aber noch ein weiterer Vorteil: Trotz der heißen Umgebung muss der Anwender das Messsystem nicht durch zusätzliche Kühlmaßnahmen schützen. Das standardmäßige Schutzgehäuse aus Aluminium mit eingegossenen Kühlwasserrohren aus Edelstahl ist in seiner Kühlleistung so effektiv, dass weiteres Einhausen unnötig ist. Der Anwender muss also keine Verantwortung für Konstruktion, Fertigung, Einbau und Betrieb eines Zusatzschutzes übernehmen, was Aufwand und Kosten spart.
Das Messsystem ist für Umgebungstemperaturen bis 200 °C ausgelegt und hat das auch im harten Praxiseinsatz bewiesen. So wurde ein solches LSV in einem Stahlwerk an einer Traverse am Auslauf des Strangs direkt vor den Brennschneidern eingebaut. Zur Kühlung wurde Brauchwasser aus dem Kreislauf ins Gehäuse eingeleitet, das bereits eine Temperatur von 31 °C hatte. Trotz der hohen Einlauftemperatur war die Kühlleistung ausreichend, um das Messsystem zu schützen. Um ein Problem mit der Kühlwasserversorgung zu simulieren, wurde zudem die Wasserzufuhr unterbrochen und die Temperaturentwicklung beobachtet. Erst nach 15 Minuten erreichte die Temperatur eine für den Sensor kritische Höhe. Als das Kühlwasser wieder floss, sank die Temperatur innerhalb weniger Minuten wieder auf ein sicheres Niveau. Da – vor allem im Sommer – Brauchwasser zu warm werden kann, wurde die Kühlwasserversorgung für einen weiteren Test auch auf Leitungswasser umgestellt. Zu keinem Zeitpunkt überstieg dabei die Temperatur im Kühlgehäuse die 25-°C-Marke. Die Temperatur im Messkopf, die 45 °C nicht überschreiten sollte, liegt demnach unter 30 °C. Das massive Kühlgehäuse hat damit genügend Reserve, um auch in noch heißeren Umgebungen als bei diesen Tests zuverlässig zu arbeiten. Dank der robusten, hochpräzisen, berührungslosen Messsysteme lassen sich also Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit bei jedem Stranggieß-Verfahren deutlich steigern – ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen seitens des Anwenders. co

Kontakt

info

Polytec GmbH
Waldbronn
Tel. +49 7243 604-1780
www.polytec.de
Details zum LSV-2000 Laser Surface Velocimeter:
http://t1p.de/2lkh
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