Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften, insbesondere von Oberflächeneigenschaften, eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage unter Einsatz einer Laserquelle zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Gießstrangs gerichteten Laserstrahls und eines Messgeräts zur Auswertung von von der Oberfläche des Gießstrangs reflektierter Signale.

Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Qualitätsoptimierung während des laufenden Produktionsbetriebs von Stranggießanlagen aufgrund der ermittelten Oberflächeneigenschaften im Gießstrang.

Nachdem ein Gießprodukt die Stranggießanlage verlassen hat, wird im weiteren Produktionsverlauf, insbesondere nach einem Abkühlprozess, der mehrere Tagen dauern kann, die aus dem Gießstrang abgetrennte Bramme oder der abgetrennte Block oder der abgetrennte Knüppel dem nächsten Verarbeitungs- schritt zugeführt. In der Regel werden hierbei die Produkte einer Inspektion unterzogen, um die jeweils erzeugte Qualität zu überprüfen.

Hierbei lassen sich Fehler feststellen wie z. B. Oberflächenrisse, Innenrisse und Seigerungsrisse, die auf oder unterhalb der Produktoberfläche liegen. Die Feh- ler werden dokumentiert, um gegebenenfalls das Produkt auch reparieren zu können. Die Inspektion erfolgt mit verschiedenen Verfahren, beispielsweise einer Sichtkontrolle, einer Probennahme oder einer Oberflächenbearbeitung, um eine Oberflächen- bzw. eine Innenqualitätskontrolle durchzuführen. Das zu untersuchende Produkt muss sich hierzu auf eine bestimmte Temperatur abge- kühlt haben, beispielsweise unter 100 °C, um die erforderlichen Inspektionsvorgänge durchführen zu können . Eine Inspektion ist nicht möglich beim CSP- Verfahren (= Compact Strip Produktion), d. h. dem Verfahren zum Gießen von Dünnbrammen, bei dem das erzeugte Produkt direkt dem nächsten Verarbeitungsschritt zugeführt wird.

Aus der DE 29 1 1 578 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprü- fung der Oberfläche eines sich bewegenden Metall band es bei einem Stranggießverfahren bekannt geworden. Hierbei sollen eine kompakte Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von auf einer Oberfläche eines Stahlbandes, wie einer Stahlplatte oder eines Stahlbarrens im Zuge des Stranggießverfahrens an irgendeiner gewünschten Stelle oder vorzugsweise in einer Kühlkammer ent- stehenden Überlappungen des Gießstrangs angegeben werden, ohne dass dabei eine nennenswerte Beeinträchtigung durch Kühlwasser oder Kühldampf erfolgt. Die bekannte Vorrichtung enthält eine Lichterzeugungseinrichtung mit einer Lichtquelle, die Lichtstrahlen mit kurzen Wellenlängen oder weitere Wellen abgibt. Ferner ist ein Lichtdetektor mit einem Filter vorgesehen, welches den Durchtritt von Lichtstrahlen zulässt, die lediglich kurze Wellenlängen besitzen. Außerdem ist eine flache Haube vorgesehen, welche einen zwischen der Lichterzeugungseinrichtung und dem Lichtdetektor verlaufenden Lichtweg umgibt. Schließlich ist eine Bildspeichereinrichtung vorgesehen, der ein elektrisches Signal zugeführt wird. Dieses charakterisiert den Schatten eines Stahl- bandes bei dem Stranggießverfahren, der dem Lichtdetektor in dem Fall zugeführt wird, dass die Bereiche einer Lichtbahn durch Druckluft gereinigt werden, die in die Haube eingeführt wird, wobei der Schatten des Stahlbandes nach Verarbeitu ng durch den Bildspeicher kontin u ierl ich auf einer Fernseh- Monitoranlage wiedergegeben wird. Auf diese Weise werden gegebenenfalls auf der Oberfläche des Stahlbandes vorhandene Überlappungen ermittelt. Der Hauptteil einer Bandoberflächen-Prüfvorrichtung kann dabei in einer Kühlkammer untergebracht sein. Das äußere Ende der flachen Haube befindet sich zwischen zwei benachbarten Tragwalzen, die zu einem Stahlband hingewandt sind, welches im Stranggießverfahren hergestellt wird.

Dieses bekannte Verfahren soll den Oberflächenzustand eines Stahlbands an- zeigen und eine kontinuierliche Überwachung des breiten Oberflächenbereichs des Stahlbandes an der Fernseh-Monitoranlage vornehmen. Überdies soll der Oberflächenzustand des Stahlbandes in einer Anfangstufe der Stahlbandbewegung untersucht werden, wodurch die zum Auftreten von Überlappungen führenden Ursachen schnell behoben werden sollen, indem Daten infolge der Ü- berprüfung einem Steuerbereich zugeführt werden, um die Gießgeschwindigkeit des Stahlbandes einzustellen. Die Bandoberflächen-Prüfvorrichtung soll die Überprüfung der Oberfläche eines Stahlbandes im Zuge der Durchführung des Stranggießverfahrens ermöglichen. Aus der WO 91 17009 A1 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Inspektion eines Metall-Gießstrangs bekannt geworden. Bei diesem Verfahren kommt eine Laserquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls zum Einsatz, der auf den aus der Stranggießkokille herausgezogenen Strang eingestrahlt wird und in dem Strang in oder auf der Oberfläche eine akustische Welle erzeugt. Ferner sind Mittel vorgesehen, die die Wechselwirkung der akustischen Welle mit dem Strang detektieren und entsprechende Signale erzeugen. Ferner ist eine Einrichtung zur Analyse der Wellen und zur Erzeugung von Signalen vorhanden, die den Zustand des Gießstrangs kennzeichnen. Es können auch mehrere Laserquellen an der Peripherie des Strangs angeordnet sein. Der Detektor kann auch ein Interferometer umfassen.

Gemäß der WO 91 17009 A1 wird vorgeschlagen, den Wasserfluss im Bereich der Stranggießkokille, die Sekundärkühlung, die Gießgeschwindigkeit, den Rollenanpressdruck und den Energieverbrauch aufgrund der bei der Messung der Oberflächenwellen gewonnenen Informationen zu regeln.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einsatz in einer Stranggießanlage und eine Stranggießanlage selber anzugeben, in der die Materialeigenschaften des Gießstrangs auf einfache Weise festgestellt werden können und aufgrund der dabei gewonnenen Daten der Gießprozess laufend optimiert wird. Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der reflektierte Laserstrahl Informationen aus dem Gießstrang wiedergibt, die durch die Erzeugung eines Wirbelstroms in dem Gießstrang gewonnen werden.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein neuartiges Verfahren mit entsprechenden Einrichtungen zur unmittelbaren Qualitätsbestimmung, auch unter sogenannten Heißbedingungen, darzustellen, welches über ein berührungsloses Messverfahren unmittelbar während der Erzeugung oder zeitnah zur Erzeugung eine In- formation über die erzeugte Qualität, d. h. die Oberflächen- oder die Innenqualität, eines Stahlstrangs für die prozessautomatisierte Steuerung oder dem Be- diener zur Verfügung stellt, um dann die weiteren Produktionsschritte zu definieren, ohne dass eine materialzerstörende Inspektion erforderlich wird. Ferner sollen zeitnahe Hinweise auf einen Qualitätseinbruch mit der damit lokalisierten Fehlerstelle mit entsprechender Ortsangabe und Materialzuordnung gewonnen werden.

In der zuletzt genannten Anwendung, die auch auf CSP-Anlagen zutrifft, soll über einen erfindungsgemäßen Maßnahmenplan, der auch teilautomatisiert im Automatisierungssystem erfolgen kann, eine direkte Anpassung von Produktparametern, beispielsweise eine Anpassung der Gießgeschwindigkeit, die Veränderung der Kühlwassermengen, die Anpassung der Gießpulverzuordnung, die Anpassung der Softreduction-Parameter, zielgerichtet und auf Erfahrungen beruhend eine Qualitätsverbesserung durchgeführt werden.

Hierbei ergeben sich mehrere Vorteile: Es sind gegenüber dem Stand der Technik weniger manuelle Inspektionen sowohl des abgekühlten Produkts wie des laufenden Strangs erforderlich. Es ist eine unmittelbare und frühzeitige Qualitätskontrolle möglich, was zu geringeren Verlusten und zu einem geringe- ren Produktausschuss führt. Es kommt in geringerem Umfang zu Materialabwertungen. Prozesssch ritte für die Weiterverarbeitung können ohne zeitliche Verzögerung eingeleitet werden, wie sie sich durch eine erst nach dem Erkalten mögliche Qualitätsprüfung ergibt. Dies gilt besonders für den Heißeinsatz (Hot-Charging) der Produkte. Insbesondere in der Anwendung bei CSP-Anlagen lässt sich die Oberflächenqualität des Vorprodukts frühzeitig verbessern.

Die Erfindung zeichnet sich durch ein berührungsloses und zerstörungsfreies Messverfahren zur Feststellung der Produktoberflächen- und Produktinnenqualität bei einer Oberflächentemperatur des Produkts aus, die beispielsweise im Bereich zwischen 400 und 1000 Grad Celsius liegt.

Die Messung erfolgt am vorbeilaufenden Material im laufenden Produktionsbetrieb; es ist kein Anhalten des Produkts für die Prüfung oder Messung erforderlich. Die Messung erfolgt vorzugsweise auf den Breitseiten des Produkts, d. h. bei Brammen, Dünnbrammen, Knüppeln und Blockanlagen. Im Falle von Profilen erfolgt die Messung auf den messtechnisch zugänglichen Oberflächen. Im Falle von Rund- oder Mehrkantprodukten kann die Messung auf allen zugänglichen Oberflächen stattfinden. Die aufgenommenen Fehlersituationen werden, insbesondere im Vergleich zu aufgezeichneten Gutsituationen oder zu einem noch akzeptablen Qualitätsergebnis, für den Bediener am Leitstand oder an entsprechend vorgesehenen Bedienplätzen visualisiert. Es werden verfahrenstechnische Ausführungsbestimmungen, sogenanntes Routing, für die Weiterverarbeitung, z. B. das Aussortieren der Produkte mit festgestellten häufigen Fehlern oder die direkte Weiterverarbeitung der Produkte, definierte Behandlungsschritte bei geringen Fehlern, direkte Weiterverarbeitung bei fehlerfreien Produkten, bedingt durch den ermittelten Prüfzustand, ab- geleitet. Daraus wird für den Bediener bei Fehlererkennung ein Maßnahmenplan zur systematischen Qualitätsverbesserung abgeleitet. Der Maßnahmenplan bei Fehlererkennung, der auch teilautomatisiert werden kann, umfasst eine systematische Qualitätsverbesserung für den Bediener, beispielsweise eine Anpassung der Gießgeschwindigkeit, der Kühlung oder der hydraulischen Anstellwerte für die Segmentanstellung.

Gemäß der Erfindung werden eine vorzugsweise ortsfeste Messeinrichtung und ein ebenfalls vorzugsweise ortsfestes Messsystem installiert. Beide sind beispielsweise hinter der Strangführung in einem Bereich angeordnet, an dem das Gießprodukt noch nicht die Trenn- oder Schneideinrichtung durchlaufen hat, also beispielsweise hinter einem Biegetreiber oder im oder hinter dem Richttreiber oder unmittelbar vor der Trenneinrichtung.

Alternativ können die ortsfeste Messeinrichtung und das Messsystem in einer nachfolgenden Adjustageeinrichtung angeordnet sein, wobei sich das Produkt im noch heißen Zustand an der Messeinrichtung vorbeibewegt.

Die Anzahl der verwendeten Messsensoren zur Messung einer Produktseite hängt von den Produktabmessungen und dem Erfassungsbereich des Sensors ab. Somit können auch mehrere Sensoren in einer Anordnung nebeneinander einen erweiterten Messbereich abdecken.

Vorzugsweise umfasst die Stranggießanlage auch ein Automatisierungssystem zur Datenerfassung und Datenaufbereitung, zur Qualitätsdarstellung sowie zur Aufnahme und Verarbeitung der Inspektionsdaten bzw. der von einem oder von mehreren Messsensoren herrührenden Messsignale. Ebenso können elektronische Speicher zur Datensicherung und Messdatenarchivierung des Betreibers vorgesehen werden, mit denen sich die während der Produktion gemessenen Werte lückenlos dokumentieren lassen.

Aus den über den Gießstrang gewonnenen Daten lässt sich gegebenenfalls eine automatisierte Ausführungsbestimmung für die Weiterverarbeitung des Produkts ableiten.

Ebenfalls lässt sich ein automatisierter Maßnahmenplan zur Verbesserung der Produktqualität, vorzugsweise die schrittweise Anpassung der Gießgeschwin- digkeit, die schrittweise Anpassung der Kühlung oder die schrittweise Anpassung der Softreduction-Parameter, ableiten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Insgesamt wird durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen, gemäß dem aufgrund der reflektierten Lasersignale in einem Detektor Signale erzeugt und einem Regler eines Regelkreises zur Regelung von Prozessvariablen, insbesondere des Kühlwasserflusses, des Rollenanpressdrucks, der Gießpulverzufüh- rung, der Energiezuführung, der Temperatur und/oder der Geschwindigkeit des Gießstrangs zugeführt und die Temperatur bzw. die Geschwindigkeit des Gießstrangs entsprechend geregelt werden.

Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle einen Laserlichtstrahl durch einen mit einem Dielektrikum gefüllten inneren Bereich einer Sendespule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes zur Induktion von Wirbelströmen in dem Gießstrang hindurchstrahlt und dass der von der Oberfläche des Gießstrangs reflektierte Laserstrahl nach erneutem Durchlaufen des Dielektrikums und eines Strahlteilers sowie eines Polarisati- onsfilters in einem optischen Sensor ein Signal erzeugt, das Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften des Gießstrangs unter der Einwirkung des magnetischen Wechselfeldes gibt und dass der Sensor aufgrund der gemessenen Laserlichtintensität Ausgangssignale erzeugt, die er an den Regler weiterleitet. Bei diesem Detektionsverfahren wird der Faraday-Effekt ausgenutzt, wie er bei magnetooptischen Wirbelstromprüfsystemen zum Einsatz kommt. In an sich bekannter Weise werden berührungslos durch eine in die Nähe einer elektrisch leitenden Substanz gebrachte Anregungs- und Sendespule, d ie mit einem Wechselstrom betrieben wird, ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses dringt in das Material ein und induziert in diesem Wirbelströme. Die Verteilung und Stärke des Wirbelstroms sind von den elektrischen und magnetischen Ei- genschaften der zu untersuchenden Substanz abhängig. Der Wirbelstrom erzeugt ebenfalls ein magnetisches Wechselfeld, der nach der Lenzschen Regel das Feld der Sendespule abschwächt. Diese Abschwächung ließe sich mit einer in das Innere der Sendespule eingebrachten Empfangsspule nachweisen. Anstelle der Empfangsspule lässt sich jedoch durch einen anderen Sensor mit hohem lateralem Auflösungsvermögen, d. h. einem hohen Auflösungsvermögen in der Ebene des zu untersuchenden Gießstrangs, ersetzen, welcher den Fara- day-Effekt zeigt. Diese Eigenschaft besitzt ein optisches Bauteil, das die Polarisationsrichtung einer Lichtwelle in Abhängigkeit von einem Magnetfeld dreht. Das Drehen der Polarisation ist eine Eigenschaft einiger Kristalle. Der Faraday- Rotator besteht aus einem derartigen Kristall in Verbindung mit einem diesen umgebenden Elektromagneten, der Sendespule. Dabei wirkt sich im Sinne der Erfindung auflösungserhöhend aus, dass die Drehung, die ein durch den Kristall hindurchlaufender polarisierter Lichtstrahl erfährt, bei einem zweiten Durchtritt durch den Rotator, unabhängig von der Laufrichtung des Lichts, stets verdop- pelt wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein weiteres Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften, insbesondere von Oberflächeneigenschaften, eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage unter Einsatz einer Laserquelle. Auch in diesem Fall werden auf die Oberfläche des Gießstrangs Laserimpulse gerichtet; und es ist ein Messgerät zur Auswertung von von der Oberfläche des Gießstrangs reflektierter Signale vorhanden.

Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gießstrang akustische Oberflächenwellen erzeugt werden, die von einem Detektor empfangen werden. Das Verfahren basiert auf der Anregung akustischer Oberflächenwellen in zu untersuchenden Proben. Sie werden durch kurze, insbesondere senkrecht auf die Probenoberfläche auftreffende Laserimpulse erzeugt und nach Zurücklegen einer wählbaren Wegstrecke mit einem hierfür geeigneten Detektor empfangen, bevorzugt im Frequenzbereich bis 200 MHz. Aus der sich ergebenden Schalldispersion kann dann auf die elastischen Eigen- Schäften in der untersuchten Schicht geschlossen werden. Dadurch lassen sich auf Substraten mit geringer Schallabschwächung bereits Schichten mit einer Dicke von 500 nm oder weniger untersuchen. Lediglich die Schichtdicke und die Querkontraktionszahl des Materials des Gießstrangs müssen bekannt sein. Vorzugsweise wird zum Empfang der akustischen Oberflächenwellen ein piezo- keramischer Detektor eingesetzt. Durch dieses Messverfahren lässt sich der Elastizitätsmodul des Gießstrangs bis zu einer Dicke von mehreren Mikrometern untersuchen. Dies bedeutet, dass hiermit nicht nur die Oberflächenqualität des Gießstrangs bestimmt wird, sondern auch die Innenqualität und die Be- schaffenheit ermittelt werden . Die Schalllaufzeiten werden gemessen . Die Randschichten des Gießstrangs lassen sich dadurch charakterisieren, insbesondere lässt sich auch eine elastische Anisotropie des Bulk-Materials ermitteln, falls sie vorhanden ist. Mit Vorteil werden die von dem Messgerät bzw. von dem Detektor gemessenen Werte an einem Monitor eines Leitstands der Stranggießanlage dargestellt.

In vorteilhafter Weise ist das Verfahren auch dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch die Zuführung und die Menge des Kühlmittels im Bereich der Strangführungssegmente geregelt wird.

Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf eine Strangggießanlage zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde. Erfindungsgemäß ist die Stranggießanlage dadurch gekennzeichnet, dass die Stranggießanlage eine Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur bzw. der Geschwindigkeit des Gießstrangs aufgrund der von dem Messgerät bzw. dem Detektor erzeug- ten Signale umfasst.

Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stranggießanlage zum Gießen eines Metallstrangs mit einem integrierten Messgerät und

Fig. 2 das Messgerät im Detail.

Eine Stranggießanlage zum Gießen von Dünnbrammen umfasst eine Gießpfanne 1 (Fig. 1 ), aus der flüssiges Metall, insbesondere flüssiger Stahl, über einen Zwischenbehälter 2 in eine Kokille 3 überführt wird. Aus der Kokille 3 ent- steht ein Warmstrang 4, der durch eine Strangführung 5 mit hier nicht dargestellten Segmenten und Rollen geführt wird. Über Treibereinheiten 6, 7 wird der Warmstrang bis zu einer Trenneinrichtung 8 in Richtung eines Pfeils A weitergeführt. In der Trenneinrichtung 8 entstehen aus dem Warmstrang 4 einzelne Brammen 9.

Beispielsweise zwischen der letzten Treibereinheit 7 und der Trenneinrichtung 8 ist ein Messgerät 10 zur Messung der Material- oder Gefügeeigenschaften des Warmstrangs 4 berührungslos zur Strangoberfläche und vorzugsweise auch noch winkelverstellbar gegenüber dem Warmstrang 4 angeordnet. Die von dem Messgerät 10 gewonnenen Daten werden einer Datenerfassungs-, Aufberei- tungs-, Auswerte- und Archivierungs- sowie Steuer- oder Regeleinheit 1 1 zugeführt. Dieser werden von einem (hier nicht dargestellten) Leitstand über Datenleitungen Prozessdaten und/oder Betriebsparameter zugeführt, so dass die Steuer- oder Regeleinheit 1 1 diese unter Berücksichtigung der von dem Mess- gerät 10 übermittelten Daten auswertet, um Betriebsgrößen wie die Zuführung des Flüssigmetalls im Bereich der Gießpfanne 1 und des Zwischengefäßes 2, die Kühlung im Bereich der Kokille 3, die Sekundärkühlung in der Strangführung 5 oder in einer (nicht dargestellten) nachgeordneten Kühleinheit, den Anpressdruck von Führungs- oder Treiberrollen in den Treibereinheiten 6, 7 sowie weitere Betriebsgrößen. Daten aus der Steuer- oder Regeleinheit 1 1 werden zu einem Monitor 12 weitergeleitet und für den Bediener visualisiert.

Das Messgerät 10 (Fig. 2) umfasst als Quelle zur Erzeugung polarisierten Lichts beispielsweise einen Nd:YAG-Laser 13 mit einer Wellenlänge von 532 nm. Der von dem Laser 13 erzeugte Laserstrahl tritt durch einen Strahlteiler 14 hindurch und dann in einen Faraday-Rotator 15 ein, der einen optisch aktiven Kristall 16 (Dielektrikum) und eine diesen umgebende Spule 17 umfasst. An die Spule 17 wird ein insbesondere hochfrequenter Wechselstrom zur Erzeugung eines Magnetfelds angelegt, das seinerseits Wirbelströme in dem unter dem Messgerät 10 vorbeilaufenden Warmstrang 4 erzeugt. Die Wirbelströme erzeugen ihrerseits Magnetfelder, die zusammen mit dem Magnetfeld der Spule 17 die Polarisation des von einer gesonderten Spiegelschicht oder von der Oberfläche des Warmstrangs 4 selber reflektierten Laserstrahls drehen. Über den Strahlteiler 14 trifft sodann der zurückreflektierte Laserstrahl durch einen Polarisationsfilter 18 hindurch, der nur Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung hindurchlässt. Nur die Komponente des reflektierten Laserstrahls, die diese Polarisationsrichtung aufweist, wird hindurchgelassen und durch einen optischen Sensor 1 9, beispielsweise eine Photodiode oder eine CCD- Kamera, detektiert. Damit wird die Magnetfeldverteilung im Inneren der Spule 17, d. h. in dem Kristall 16, in eine Lichtintensitätsverteilung umgewandelt, die Aufschluss gibt über die Eigenschaften des Warmstrangs 4 im Bereich der O- berfläche und unter der Oberfläche. Es ist auch möglich, das gesamte Messgerät oder ausschließlich den Faraday-Rotator 15, gegenüber der Oberfläche des Warmstrangs 4 unter einem bestimmten Winkel zu kippen, um Untersuchungen für verschiedene Winkelbereiche durchzuführen. Bezugszeichenliste

1 Gießpfanne

2 Zwischenbehälter

3 Kokille

4 Warmstrang

5 Strangführung

6 Treibereinheit

7 Treibereinheit

8 Trenneinrichtung

9 Brammen

10 Messgerät

1 1 Steuer- und Regeleinheit

12 Leitungen

13 Nd:YAG-Laser

14 Strahlteiler

15 Faraday-Rotator

16 Kristall

17 Spule

18 Polarisationsfilter

19 Sensor