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Thermische Prozessüberwachung von Stranggießanlagen

Der Beitrag erschien in der Zeitschrift für gasbeheizte Thermoprozesse, gwi gaswärme international, Ausgabe 2/2014, S. 59-61. Hier leicht modifiziert.

Mit wachsender Effizienz steigt auch die Beanspruchung von Stranggussanlagen. Das erfordert umfangreiche Prozess-Überwachungsmaßnahmen. Besonders bei der berührungslosen Temperaturmessung hat sich dadurch einiges getan: die Technik ist bei höherer Genauigkeit günstiger geworden und somit lohnt sich die Anwendung in der Breite. Spezialanbieter wie Optris haben in den letzten Jahren zahlreiche Produktinnovationen hervorgebracht. Für die Betreiber lohnt sich die Investition, denn so können sie kostenintensiven Gießabbrüchen schon in der Entstehung vorbeugen und zusätzlich die Qualität der Erzeugnisse verbessern.

Allein die deutsche Stahlindustrie setzt nach Angaben des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) derzeit knapp 50 Milliarden Euro im Jahr um. 100.000 Beschäftigte erzeugen über 100 Millionen Tonnen Rohstahl, -eisen und warmgewalzte Stahlerzeugnisse. Das Geschäft brummt, auch weil die Stahlproduzenten die Effizienz der Werke stetig verbessert haben. Die Kehrseite der Medaille ist, dass dadurch auch die Beanspruchung der Anlagen steigt. Die Gefahr wächst, dass es zu Strangfehlern, lokalen Austritten von Flüssigstahl oder sogar Durchbrüchen und damit zu extrem kostenintensiven Gießabbrüchen kommt. Umfangreiche Überwachungsmaßnahmen werden deshalb immer wichtiger. Zusätzlich gibt es die Erwartung an qualitativ hochwertigen Stahl. Grund genug, den Blick auf die verschiedenen Möglichkeiten und Produktentwicklungen im Bereich der berührungslosen Temperaturmesstechnik zu richten.

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

In der Stranggießanlagen gibt es mehrere Möglichkeiten der berührungslosen Temperaturüberwachung.
Temperaturüberwachung in Stranggießanlagen

(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.

 

Allgemeine Vorteile von Wärmebildkameras und Pyrometern

Die genannten Anwendungen zeigen deutlich die Vorteile der berührungslosen, thermografischen Überwachung:

  • Die Temperaturmessung erfolgt ohne Einfluss auf das Messobjekt oder auf den Prozess selbst
  • Die Temperatur kann im laufenden Prozess an bewegten, schwer zugänglichen oder sehr heißen Objekten gemessen werden
  • Die Messung erfolgt in Echtzeit, wodurch die Temperatur im Prozess korrigiert werden kann
  • Der Prozess wird durch thermische Videos und Bilder dokumentiert, was auch Bestandteil von Qualitätsaudits sein kann

Moderne Infrarotmessgeräte zeichnen sich durch eine extrem kompakte Bauweise und hohe Bildwiederholfrequenzen aus. Dadurch ist eine einfache Integration des etablierten Prüfverfahrens in den laufenden Produktionsablauf bei gleichzeitig kurzen Testzeiten realisierbar.

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Maik Lippe

Dipl.-Ing. Maik Lippe

Tel.: 030 / 500 197-0
Fax: 030 / 500 197-10
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