Thermische Prozessüberwachung von Stranggießanlagen

Qualitätssicherung im Stranggießverfahren mittels Temperaturüberwachung

Der heutige Hightech-Werkstoff Stahl ist eine Legierung mit vielen weiteren Metallen und Nichtmetallen neben Eisen und Kohlenstoff. Die hierbei entstehenden Verbindungen sind bei gleichen Mengenverhältnissen stets abhängig von der Temperatur und vom zeitlichen Verlauf der Herstellung. Hieraus erschließt sich ein immer größer werdender Bedarf an Temperaturerfassung, um die Qualität des vorliegenden Stahls zu beschreiben und überwachen zu können. Qualitätsmerkmale wie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind dabei besonders im Blickfeld.

Das komplexe System einer Stranggießanlage

(c) TEMA AG

Etwa 90 Prozent des heute erzeugten Stahls wird kontinuierlich in Strängen abgegossen. Die im Pfannendrehturm eingesetzte Schmelze fließt dabei über einen Bodenablass in den Verteiler und von dort weiter in die Kokille. Um eine Oxidation und Abkühlung zu vermeiden, wird der noch flüssige Stahl in der Pfanne und im Verteiler mit Gießpulver bedeckt, was zu einer Schlackebildung auf der Oberfläche führt. Unterhalb der Kokille wird der Strang im Gießbogen mittels Luft und Wasser im Sprühraum gekühlt. Er hat beim Verlassen der Kokille bereits eine erstarrte Schale, ist aber im Inneren noch flüssig. Erst beim Austritt aus dem Sprühraum ist der Stahl zu einer weitgehend erstarrten Bramme geworden, aus der später Produkte wie Bleche und Karosserieteile hergestellt werden. Die gesamte Stranggussanlage ist also ein komplexes Gebilde, bei dem die einzelnen Prozesse eng aufeinander abgestimmt sind. Tritt an einer Stelle ein Problem auf, ist in der Regel das ganze System betroffen.

Gießabbrüche werden vermieden

Eine der wichtigsten Schutzmaßnahmen während der Produktion ist die thermische Überwachung mit Infrarot-Thermometern und Wärmebildkameras für Metall. Diese muss möglichst präzise funktionieren, um einen nahenden Gießabbruch frühestmöglich erkennen und beheben zu können. Das Ziel ist es, die Gießgeschwindigkeit möglichst konstant zu halten, denn schon eine Reduktion der Gießgeschwindigkeit führt zu Produktionsverlusten. Die Schwierigkeit dabei ist, dass die Anforderungen an das Überwachungssystem an den verschiedenen Stellen, an denen ein Problem auftreten kann, sehr unterschiedlich sind. Wärmebildkameras etwa sind bestens geeignet, um den Schlackeanteil zu messen oder Hot Spots zu detektieren. Unter den schwierigen klimatischen Verhältnissen im Gießbogen hingegen hat der Einsatz von Infrarot-Thermometern aus Edelstahl große Vorteile.

Wärmebildkamera steuert Gießpulververteilung

Zur Qualitätssicherung wird angestrebt, die Temperatur des Stahls in der Pfanne homogen zu halten. Früher wurde hierfür händisch und großflächig Gießpulver aufgebracht. Heute erfolgt die Aufbringung automatisch und effizient: es erfolgt eine kontinuierliche Temperaturüberwachung des Badspiegels in der Pfanne und im Verteiler mittels Infrarotkamera zur Erkennung von Hotspots, woraufhin nur über die heißen Stellen Pulver gestreut wird. Das Granulat wird mithilfe einer kompakten fahrbaren Einheit präzise dosiert, zu seinem Einsatzort gebracht und dort gleichmäßig auf der Schmelze verteilt. Neben einer erhöhten Sicherheit für die Mitarbeiter sorgt diese Technik auch für eine erhöhte Strangqualität. Das funktioniert allerdings nur auf der Basis präziser Messdaten. Die S&B Industrial Minerals Gruppe, die einen sog. FluxFeeder als Stand-Alone-Lösung ebenso wie als elektronisch gesteuerte Anlage anbietet, setzt dafür auf die Infrarotkameras der optris PI Serie aus dem Hause Optris.

Schwierigen Verhältnissen mit Quotientenpyrometern trotzen

Speziell für die anspruchsvollen klimatischen Bedingungen im Sprühraum wurde das Quotientenpyrometer CTratio entwickelt. Die Besonderheit dieses Sensors ist ein Detektor in Sandwichbauweise, der die Strahlungsenergie bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen misst. Diese Bauform wird daher auch als 2-Farben-Pyrometer bezeichnet. Die Objekttemperatur berechnet das CTratio aus dem Quotienten beider Energiewerte. Dadurch ist dieses Hochleistungs-Infrarotthermometer weitgehend unempfindlich gegenüber Dampf, Staub und verschmutzten Sichtfenstern und eignet sich deshalb bestens zur Überwachung der Strangtemperatur im Gießbogen. Bis zu einem Fenster-Verschmutzungsgrad von über 95 Prozent liefert es akkurate Messdaten im Temperaturbereich 700 bis 1800 Grad Celsius. Dank eines Glasfaserkabels und einer separaten Elektronikbox kann es überdies bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 250 Grad Celsius ohne zusätzliche Kühlung eingesetzt werden. Das Infrarotthermometer misst an mehren Stellen im Sprühraum sowie nach Austritt des Strangs. Wenn die Temperatur des Werkstücks nicht optimal ist, kann so in Echtzeit beispielsweise die Temperatur in der Pfanne oder die Prozessgeschwindigkeit angepasst werden.

Fazit: Berührungslose Temperaturmessung spart bares Geld

Je höher die Effizienz von Stranggießanlagen wird, desto stärker werden die einzelnen Bereiche des Systems beansprucht. Gleichzeitig werden auch die Produktionsverluste bei auftretenden Problemen bis hin zum Gießabbruch immer erheblicher. Die Investition in Überwachungsmethoden lohnt sich deshalb für die Betreiber immer mehr. Das hat besonders im Bereich der thermischen Überwachung Spezialanbieter wie Optris auf den Plan gerufen, die mit einer Reihe innovativer Lösungen die Temperaturmessung vom Pfannendrehturm bis zur Bramme auf ein höheres Niveau bringen.