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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggiessen eines Metallstranges, insbesondere eines Stahlstranges, wobei ein Strang mit von einer Strangschale eingeschlossenem flüssigem Kern aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt wird, wobei eine thermodynamische Zustandsänderung der Oberflächentemperatur des Stranges in einem mathematischen Simulationsmodell durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung ständig mitgerechnet wird und die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes eingestellt wird.
Es ist eine beim Stranggiessen bekannte Anforderung, die Kühlung eines kontinuierlich gegossenen Stranges derart einzustellen, dass die Strangoberflächentemperatur vorgegebenen Werten, die gegebenenfalls vom Alter eines Querschnittselementes des Stranges abhängen, möglichst nahekommt. Dies ist insbesondere bei Strangverzögerungen und/oder Strangbeschleunigungen von besonderer Bedeutung.
Aus der AT-B - 300.238 ist ein Verfahren zum Kühlen eines aus einer Durchlaufkokille austretenden Stranges bekannt, wobei die Sollwerte der Kühlwassermenge in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Strangmatenals, der Erstarrungszeit und weiters in Abhängigkeit vom augenblicklichen Integralwert der Giessgeschwindigkeit während des Weges des Stranges bis zur jeweiligen Kühlzone eingestellt werden, so dass die Strangoberflächentemperatur vorbestimmbar bleibt.
Weiters ist es aus der DE-C - 25 42 290 bekannt, vor dem Giessen einen bestimmten Temperaturverlauf entsprechend einer optimalen Giessgeschwindigkeit, für welche die Kühlmittelmengen für die Kühlung des Stranges eingestellt werden, vorzugeben und während des Giessens die gemessene wirkliche Giessgeschwindigkeit mit der optimalen Giessgeschwindigkeit zu vergleichen und aus Abweichungen der tatsächlichen Giessgeschwindigkeit von der optimalen Giessgeschwindigkeit eine Nachsteuerung für die Kühlmittelmengen vorzunehmen.
Aus der DE-A - 2 344 438 ist es bekannt, während des Giessens durch Integrieren der Geschwindigkeit einzelner Strangabschnitte über die Laufzeit und durch gleichzeitiges Festhalten der von einem Strangabschnitt im Kühlbereich verbrachten Zeit die auf einen einzelnen Abschnitt aufgebrachte Kühlmittelmenge zu ermitteln und mit einer Sollmenge zu vergleichen, auf diese Weise sogenannte "Rest-Kühlmittelmengen" zu bestimmen und aus dieser Bestimmung heraus die Verweilzeit einzelner Strangabschnitte im gesamten Kühlbereich konstant zu halten.
All diese bekannten Verfahren ermöglichen Korrekturen der Kühlmittelmengen, die in erster Linie von der Giessgeschwindigkeit abhängen, also giessgeschwindigkeitsabhängige Regelungen, wobei jedoch die tatsächlichen thermodynamischen Zustandsänderungen des Stranges unberücksichtigt bleiben.
Der Stand der Technik berücksichtigt also nur - kommt es zu einem Abweichen der tatsächlichen Giessgeschwindigkeit von der Giessgeschwindigkeit, für die die Strangkühlung eingestellt ist - Tendenzen, ohne jedoch den tatsächlichen Verhältnissen gerecht zu werden
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, dass thermodynamische Zustandsänderungen des Stranges mit grosser Genauigkeit berücksichtigt werden können, so dass durch solche thermodynamische Zustandsänderungen verursachte Nachteile, die z. B. für Innenrisse oder Kantenrisse verantwortlich sind, zuverlässig vermieden werden können.
Insbesondere sollen bei instationären Giessbedingungen die Oberflächentemperaturen nur wenig von den metallurgisch erforderlichen Sollwerten abweichen, d. h. eine Korrektur unmittelbar noch vor Auftreten eines Nachteiles durchführbar sein, wobei Temperaturmessungen am Strang vermeidbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Mittentemperatur, der Schalenstärke und auch der mechanische Zustand, wie das Verformungsverhalten, etc., in dem Simulationsmodell ständig mitgerechnet werden, wobei für die Simulation die Strangdicke, die chemische Analyse des Metalles, die ständig gemessene Giessgeschwindigkeit sowie die auf einzelne Strangquerschnittselemente des Stranges je Zeit- und/oder Wegeinheit seit deren Entstehung in der Kokille bereits eingewirkt habende Kühlmittelmenge und vorzugsweise die auf die einzelnen Strangquerschnittselemente geplant aufzubringende Kühlmittelmenge berücksichtigt werden.
Dadurch, dass erfindungsgemass ständig eine echte Simulation der thermodynamischen Zustandsänderungen des Stranges durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung erfolgt, lässt sich
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augenblicklich die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes der thermodynamischen Zustandsgrössen korrigieren. Erfindungsgemäss wird also nicht eine gemessene Giessgeschwindigkeit mit einer optimalen Giessgeschwindigkeit verglichen und aus dieser Abweichung eine Steuerung der Kühlung für den Strang durchgeführt, sondern wird aufgrund einer ständig zur Verfügung stehenden Lösung der Wärmeleitungsgleichung, d. h. des augenblicklichen Temperaturfeldes, ein ungenügender oder übermässiger Wärmetransport sofort transparent und durch Regelung der Kühlmittelmenge verhindert.
Aus dem Aufsatz "On the real time control of the secondary cooling in the continuous casting process", Verfasser Laitinen-E., Neittaanmaki-P., Herausgeber Technical Research Centre of Findland, Vuorimiehentie 5 SF-02150 Espoo, Finland, Vol. 8812-72-0658, Seiten 305 bis 317, ist es bekannt, in einem mathematischen Simulationsmodell durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung eine thermodynamische Zustandsänderung der Oberflächentemperatur des Stranges ständig mitzurechnen und die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit der errechneten Werte einzustellen. Eine Berücksichtigung thermodynamischer Zustandsänderungen für weitere Parameter ist aus diesem Dokument nicht zu entnehmen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird erfindungsgemäss die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit von unterschiedlichen Zielfunktionen, wie der Schalenstärke, Oberflächentemperatur, Mittentemperatur, Kantenbereichstemperatur, Energieinhaltsoptimierung und Sumpfspitzenposition, die als Führungsgrössen der Regelung der Kühlung nach betrieblichen Anforderungen ausgewählt und gewichtet werden, eingestellt. Hierdurch gelingt es, einzelne Zielfunktionen in den Vordergrund zu rücken oder überhaupt alleine zu berücksichtigen (wenn beispielsweise die anderen Zielfunktionen mit Null gewichtet werden), so dass die tatsächlich für Nachteile verantwortlichen Zielfunktionen - beispielsweise die Kantenbereichstemperatur für kantenrissempfindliche Stähle optimal berücksichtigt werden können.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination zweier oder mehrerer unterschiedlicher Zielfunktionen mit jeweils unterschiedlicher Gewichtung zur Berücksichtigung mehrerer Nachteile für den Strang bewirkender Faktoren möglich
Zweckmässig werden in Abhängigkeit von betrieblichen Anforderungen Gewichtungsänderungen der Zielfunktionen und/oder Wechsel zwischen den Zielfunktionen unter Einhaltung bestimmter Grenzwerte für die Einstellung der Kühlung des Stranges in automatischer Weise mit Hilfe des Simulationsmodells durchgeführt, so dass je nach Anforderung an den Strang stets optimale Ergebnisse erzielbar sind. Beispielsweise können beim Sequenzgiessen von Metallen mit unterschiedlichen Eigenschaften jene Zielfunktionen unmittelbar berücksichtigt werden, die jeweils für die Einhaltung optimaler Strangqualitäten der unterschiedlichen Metalle verantwortlich sind.
Vorteilhaft wird für die Simulation die Strangbreite berücksichtigt, wodurch es möglich ist, den unterschiedlichen Anforderungen für unterschiedliche Strangbreiten gerecht zu werden.
Da die Ausgangsgiesstemperatur des Metalles auf sein Erstarrungsverhalten und die nachfolgenden thermodynamischen Zustandsänderungen Einfluss hat, wird vorteilhaft für die Simulation die augenblickliche Temperatur des Metalles beim Eintritt in die Kokille berücksichtigt.
Zur Steigerung der Genauigkeit des Simulationsmodells wird vorzugsweise für die Simulation die augenblickliche Kühlmitteltemperatur, die das Kühlmittel vor dem Aufbringen auf den Strang aufweist, berücksichtigt.
Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit lässt sich dadurch erzielen, dass zusätzlich für die Simulation die augenblickliche Wärmeabfuhr durch die in der Kokille vorgesehene Kühlung berücksichtigt wird.
Vorzugsweise wird als Führungsgrösse der die Kühlung des Stranges berücksichtigenden Zielfunktionen ein in Abhängigkeit von der augenblicklichen Schalenstärke gewählter Sollwert bestimmt, wobei vorzugsweise der Sollwert auch in Abhängigkeit von der augenblicklich gefahrenen Giessgeschwindigkeit sowie zweckmässig in Abhängigkeit des augenblicklichen Alters eines Strangquerschnittselementes bestimmt wird.
Zweckmässig wird zur Festlegung der für den Strang vorgesehenen Kühlmittelmenge die Einstellung der Kühlung mittels einer Fuzzy Logic-Regelung ermittelt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles einer Stahlstranggiessanlage näher erläutert, wobei Fig. 1 diese Stranggiessanlage in schematischer Seitenansicht veranschaulicht. Fig. 2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur, Schalenstärke und Kühlmittelmenge bei Änderung der Giessgeschwindig-
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keit.
Eine gekühlte Stranggiesskokille, die mit 1 bezeichnet ist, wird mit flüssigem Stahl 2, der aus einem Zwischengefäss 3 zugeführt wird, gespeist. Der sich in der Kokille 1 bildende, einen flüssigen Kern 4 und zunächst nur eine dünne Strangschale 5 aufweisende Strang 6 wird über eine bogenförmig ausgebildete Strangstützeinrichtung 7, die mit eng benachbarten Stützrollen 8 versehen ist in die Horizontale umgeleitet, wo er nach Durcherstarrung in Strangstücke vorbestimmter Länge unterteilt wird. Vorzugsweise sind die Stützrollen 8 knapp unterhalb der Kokille 1 in engeren Abständen angeordnet als an dem in Strangausziehrichtung liegenden Ende der Strangstützeinrichtung 7.
Der Abstand 9 von Achse zu Achse der Stützrollen 8, d. h. die Rollenteilung, kann kontinuierlich von der Kokille 1 bis zum Ende der Strangstützeinrichtung 7 zunehmen oder auch zonenweise abgestuft zunehmen.
Zur Kühlung des Stranges 6 sind entlang der Strangstützeinrichtung 7 Kühlmittel zuführende Düsen 10 vorgesehen, von denen in der Zeichnung nur solche an der Strangoberseite am Beginn der Strangstützeinnchtung 7 eingezeichnet sind. Jeweils mehrere Düsen 10 sind an eine gemeinsame Zuleitung 11 angeschlossen, wodurch die gemeinsam versorgten Düsen jeweils eine Kühlzone I, II,... bilden, entlang der der Strang 6 aus jeder dieser Düsen 10 mit gleicher Kühlmittelmenge versorgt wird.
In den Kühlmittelzufuhrleitungen 11 eingebaut ist jeweils ein Stellventil 12, dem eine Durchflussmesseinrichtung 13 nachgeordnet ist Jedes Stellventil 12 ist über ein Stellglied 14 verstellbar, das über einen von einem zentralen Prozessrechner 15 angesteuerten Regler 16 betätigbar ist. Von jeder Durchflussmesseinrichtung 13 erfolgt über eine Koppelung zum Prozessrechner 15 eine Eingabe an diesen über eine Eingabeeinheit 17 desselben. Alle Regler 16 stehen über eine Ausgabeeinheit 18 mit dem Prozessrechner 15 in Verbindung und werden von diesen angesteuert.
In die Eingabeeinheit 17 des Prozessrechners 15 können noch Werte der chemischen Zusammensetzung des zu vergiessenden Metalls, im vorliegenden Fall des Stahls 2, eingegeben werden.
Weiters werden hier noch Werte der ortsabhangigen Rollenteilung und Werte des ortsabhängigen ferrostatischen Druckes (unter Berücksichtigung der Dichte des zu vergiessenden Metalles) eingegeben. Weiters können die Strangdicke, die Strangbreite, die Sollgiessgeschwindigkeit und weitere Werte der Anlagengeometrie in die Eingabeeinheit 17 eingegeben werden.
Der Prozessrechner 15 errechnet die orts- und zeitabhängige Schalenstärke, wobei gemäss einem vereinfachten Modell die Schalenstärke nach der näherungsweisen Formel s = k . #t errechnet werden kann, wobei s die Schalenstärke und t das Strangalter an einer bestimmten Stelle des Stranges 6 und k einen konstanten Faktor darstellen. Nimmt man diese Formel zur Berechnung der Schalenstärke zu Hilfe, ergibt sich eine Abhängigkeit der Schalenstärke eines einzelnen Strangquerschnittselementes a, b, ..., n alleine von der Zeit, die das jeweilige Strangquerschnittselement a, b, n von seinem Entstehen in der Kokille 1 bis zu der Stelle, an der es augenblicklich gekühlt werden soll, benötigt hat.
Unter Zugrundelegung dieser Vereinfachung wird anstelle der Schalenstärke nur die Zeit, die eines von gedachten Strangquerschnittselementen a, b, ..., n vom Austritt aus der Kokille 1 bis zur entsprechenden Stelle an der Strangstützeinrichtung 7 benötigt, berücksichtigt.
Erfindungsgemäss erfolgt die Kühlung des Stranges 6 an einer bestimmten Stelle der Strangstützeinrichtung 7 unter Berücksichtigung thermodynamischer Zustandsänderungen des gesamten Stranges, d. h dessen einzelner Strangquerschnittselemente a, b, ..., n, durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung mit Hilfe des Prozessrechners 15, der vorteilhaft für jedes der Strangquerschnittselemente a, b, ..., n die Warmeleitungsgleichung standig löst. Hierbei können berücksichtigt werden : die Oberflächentemperatur, die Mittentemperatur, die Schalenstärke sowie weiters der mechanische Zustand des gesamten Stranges, wie dessen Verformungsverhalten etc..
Die Wärmeleitungsgleichung (instationar, nicht linear und zweidimensional) lautet wie folgt.
EMI3.1
Hierin bedeuten
T die Temperatur, h die spezifische Enthalpie cp(T)dT,
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k (T) die Wärmeleitfähigkeit, p die Dichte und #/#t,#/#x,#/#y partielle Ableitungen nach der Zeit und nach dem Ort, wobei #t@#x@#y "x" und "y" die in einer senkrecht zur Stranglängsachse gerichteten Ebene liegenden
Koordinaten von Strangelementen sind.
Die Regelung der Kühlung des Stranges erfolgt in Abhängigkeit des vom Prozessrechner 15 errechneten Wertes mindestens einer der thermodynamischen Zustandsgrössen, wobei die in die Eingabeeinheit 17 des Prozessrechners 15 eingegebenen Werte, beispielsweise für die Strangdicke, die Strangbreite, die chemische Analyse des zu vergiessenden Stahles sowie die ständig gemessene Giessgeschwindigkeit berücksichtigt werden.
Anhand der Fig. 2 ist nachfolgend die Regelung auf "Schalenstärke" sowie nach Änderung der Zielfunktion die Regelung auf "Oberflächentemperatur" näher erläutert. In dem Diagramm der Fig. 2 zeigt die LinieI die gefahrene Giessgeschwindigkeit an, die zum Zwecke der Demonstration, beispielsweise eines Pfannenwechsels, von der optimalen Giessgeschwindigkeit, die z. B bei 1,6 m/min liegt, auf 0,8 m/min abgesenkt wird. Die Linie D gibt die durch den Prozessrechner 15 errechnete Oberflächentemperatur des Stranges in einer Kühlzone, die sich etwa 2,5 m unter dem Giessspiegel befindet, und die Linie III die vom Prozessrechner 15 errechnete Schalenstärke wieder, u. zw. ebenfalls etwa 2,5 m unterhalb des Giessspiegels. Linie IV gibt die vom Prozessrechner 15 errechnete Kühlmittelmenge an, die dann über die Regler 16 über die Stellglieder 14 eingestellt wird.
In den ersten zehn Minuten des Diagrammes Fig. 2 wird auf "Schalenstärke" geregelt, d. h. dass als Zielfunktion die Schalenstärke, die mit "1" gewichtet ist, ausgewählt ist, und alle anderen Zielfunktionen, wie Oberflächentemperatur, Mittentemperatur, Kantenbereichstemperatur, Energieinhaltoptimierung oder Sumpfspitzenposition, mit Null gewichtet sind.
Nach Ablauf von zehn Minuten wird ein Zielfunktionswechsel durchgeführt, d. h. es ist als neue Zielfunktion die Oberflächentemperatur herangezogen und mit 1 gewichtet, wogegen alle anderen Zielfunktionen mit Null gewichtet sind
Aus Fig. 2 ist zu erkennen, dass es vom Beginn der beiden Giessgeschwindigkeitsreduktionen an zu einem Schalenstärkenwachstum kommt. Dieses Wachstum dauert so lange an, bis die abge- senkte Giessgeschwindigkeit (0,8 m/min) wiederum erhöht wird ; der Erhöhung der Giessge- schwindigkeit beginnt die Schalenstärke wiederum zu schrumpfen, u. zw. auf den ursprünglichen Wert von 30 mm. Mit Beginn des Schalenwachstums wird entsprechend den vom Prozessrechner errechneten Werten die Kühlmittelmenge reduziert, u. zw. so lange, bis wiederum eine Reduktion der Schalenstärke stattfindet.
Durch das Schalenwachstum kommt es (bei Auswahl der Zielfunktion Schalenstärke) zunächst zu einem Absinken der Oberflächentemperatur und anschliessend zu einer beträchtlichen Steigerung derselben, nämlich bis etwa 995 C. Ganz anders ist der Verlauf der Oberflächentemperatur, wenn mit der Zielfunktion "Oberflächentemperatur" gearbeitet wird, also in den Minuten 10 bis 20 gemäss Diagramm Fig. 2. Es ist deutlich erkennbar, dass die Oberflächentemperatur in etwa konstant bleibt, obwohl es zu einem Wachstum der Schalenstärke beim Absinken der Giessgeschwindigkeit kommt. Erst beim Anheben der Giessgeschwindigkeit auf den ursprünglichen Wert von 1,6 m/min kommt es zu einem "Überschwingen" der Oberflächentemperatur, welches jedoch nur geringfügig ist.
Schon kurze Zeit nach Erreichen der ursprünglichen Giessgeschwindigkeit stellt sich wiederum die gewünschte Oberflächentemperatur ein.
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