AT413951B

AT413951B - METHOD FOR CONTINUOUSLY GASING A METAL STRUCTURE

Info

Publication number: AT413951B
Application number: AT10072004A
Authority: AT
Inventors: Christian Dipl Ing Dr Chimani; Karl Dipl Ing Dr Moerwald; Guoxin Dipl Ing Dr Shan
Original assignee: Voest Alpine Ind Anlagen
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2006-07-15
Also published as: WO2005120747A1; ATA10072004A

Description

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AT 413 951 BAT 413 951 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges, insbesondere eines Stahlstranges, wobei ein Strang aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt sowie gegebenenfalls dickenreduziert wird, wobei zur Ausbildung eines bestimmten 5 Gefüges im gegossenen Strang das Stranggießen unter Zugrundelegung eines die Belastung des Metalls während des Gießens und während des dabei stattfindenden Erstarrungsprozesses beschreibendes thermomechanisches Rechenmodell, mit dem on-line der Belastungszustand des Stranges berechnet wird, durchgeführt wird und die Werkstoffbelastung beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens, wie zum Beispiel die zur Kühlung des Stranges vorgesehe-io ne spezifische Kühlmittelmenge, on-line-dynamisch, d.h. während des laufenden Gießens, eingestellt werden.The invention relates to a method for the continuous casting of a metal strand, in particular a steel strand, wherein a strand drawn from a cooled continuous casting mold, supported in a continuous casting mold downstream strand support means and cooled with coolant and optionally reduced in thickness, wherein the formation of a certain 5 structure in the cast strand Continuous casting is performed on the basis of a load on the metal during casting and during the ongoing solidification process descriptive thermo-mechanical calculation model, with the on-line the load condition of the strand is calculated, and the material load influencing variable of the continuous casting, such as for cooling the Stranges provides for a specific amount of refrigerant, on-line dynamically, ie while the casting is in progress.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der AT 409.352 B bekannt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, als Zielvorgabe die Ausbildung eines gewünschten Gefüges des Metalls vorgeben zu können, 15 und zwar für Metalle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung sowie beim Stahlstranggießen für sämtliche zu gießende Stahlqualitäten bzw. Stahlgüten. Insbesondere ist es möglich, eine bestimmte Ferrit-Perlit-Struktur einzustellen und/oder Ausscheidungen, wie Aluminiumnitrid, an den Korngrenzen zu vermeiden. 2o In der Arbeit von K. Schwertfeger; Rissanfälligkeit von Stählen beim Stranggießen und Warm-umformen, Stahl und Eisen, 1994 wird dargestellt, dass bei der Rissbildung in Stranggießprodukten im wesentlichen zwei Rissformen dominieren. Ein interdendritisch verlaufender Riss und ein im Austenitgefüge interkristallin verlaufender Riss. 25 In der Arbeit von Chimani et.al.; Micromechanical Investigation of the Hot Ductility Behavior of Steel, ISIJ Int. Vol. 39, No. 11, 1999, wird gezeigt, dass für den interkristallinen Risstyp nur eine sehr stark lokalisierte plastische Derfomation des Werkstoffs vor und bei der Rissentstehung vorliegt. Dies bildet die Grundlage dafür, dass bei einer bruchmechanischen Beschreibung der Rissentstehung von einem Kleinbereichsfließen ausgegangen werden kann, siehe z.B. J. Le-30 maitre; A Course on Damage Mechanics, Springer-Verlag, 1992.A method of this kind is known from AT 409.352 B. With this method, it is possible to specify as target the formation of a desired microstructure of the metal, 15 namely for metals of different chemical composition as well as steel casting for all steel grades or steel grades to be cast. In particular, it is possible to adjust a certain ferrite-pearlite structure and / or to avoid precipitates such as aluminum nitride at the grain boundaries. 2o In the work of K. Schwertfeger; Rupture susceptibility of steels in continuous casting and hot forming, steel and iron, 1994, it is shown that when cracking in continuous casting dominate essentially two types of cracks. An interdendritic crack and an intercrystalline crack in the austenite microstructure. 25 In the work of Chimani et.al .; Micromechanical Investigation of the Hot Ductility Behavior of Steel, ISIJ Int. Vol. 39, no. 11, 1999, it is shown that for the intercrystalline crack type only a very strongly localized plastic deformation of the material is present before and during cracking. This forms the basis for assuming a fracture mechanics description of crack initiation from a small area flow, see e.g. J. Le-30 Maitre; A Course on Damage Mechanics, Springer-Verlag, 1992.

Bisher entspricht es dem Stand der Technik, dass für die Bewertung der produzierten Produktqualität, wie z.B. für die Bewertung einer Bildung von Oberflächenrissen, nur der statistische Einfluss von Prozessparametern genutzt wird. 35So far, it corresponds to the state of the art that for the evaluation of the product quality produced, such as. for the evaluation of a formation of surface cracks, only the statistical influence of process parameters is used. 35

Die Erfindung bezweckt eine Weiterentwicklung eines Verfahrens gemäß der AT 409.352 B, nämlich dahingehend, dass es möglich ist, als Zielvorgabe die Unterdrückung einer Rissentstehung vorgeben zu können bzw. die Entstehung von Rissen zu identifizieren, und zwar für Metalle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung beim Stranggießen, insbesondere für sämt-40 liehe strangzugießende Stahlqualitäten bzw. Stahlgüten. Weiters soll es möglich sein, eine bestimmte Struktur einzustellen und eine Überlagerung von kritischen Belastungen und rissempfindlichen Gefügezuständen zu vermeiden.The invention aims at a further development of a method according to AT 409.352 B, namely in that it is possible to be able to specify the suppression of cracking as a target or to identify the formation of cracks, for metals of different chemical composition during continuous casting, in particular for all 40 steehn zuzuschießende steel grades or steel grades. Furthermore, it should be possible to set a certain structure and to avoid a superposition of critical loads and crack-sensitive structural states.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass 45 zur Ausbildung eines bestimmten rissfreien Gefüges ein die Rissempfindlichkeit des Gefüges und die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie beschreibendes Rechenmodell eingesetzt wird.This object is achieved in a method of the type described above in that 45 is used to form a certain crack-free structure a crack sensitivity of the microstructure and stored in the structure of the structure cracking energy descriptive computing model.

Somit werden on-line-dynamisch die örtlich und zeitlich variierenden, auf den Werkstoff wirken-50 den thermomechanischen Lasten mitgerechnet und daraus die bei Risswachstum freiwerdende Energiefreisetzungsrate G bestimmt. Die berechnete Energiefreisetzungsrate wird mit dem für den gegebenen Werkstoff und dessen Gefügestruktur charakteristischen Risswiderstand R des Werkstoffs verglichen und somit eine lokale Schädigung vorhergesagt. Wird eine kritische Energiefreisetzungsrate errechnet, kann durch Anpassung von z.B. der Kühlung und/oder des 55 Gefüges und/oder der mechanischen Lasten dynamisch reagiert werden. Diese Maßnahmen qThus, on-line dynamically the locally and temporally varying, acting on the material-50 are included in the thermo-mechanical loads and determined therefrom, the energy release rate G released at crack growth. The calculated energy release rate is compared with the crack resistance R of the material characteristic of the given material and its microstructure and thus predicted local damage. If a critical energy release rate is calculated, by adjusting e.g. the cooling and / or the structure 55 and / or the mechanical loads are dynamically reacted. These measures q

AT 413 951 B können zusätzlich zu den Maßnahmen, die gemäß der AT 409.352 B gesetzt werden, ergriffen werden.AT 413 951 B can be used in addition to the measures set in accordance with AT 409.352 B.

Aus der WO 03/045607 A2 ist es bekannt, bei einem Verfahren zum Stranggießen eines dün-5 nen Metallbandes im Zweiwalzenverfahren, die Metallschmelze in einen von zwei Gießwalzen in der Dicke des zu gießenden Metallbandes gebildeten Gießspalt unter Bildung eines Schmelzbades zu gießen. Zur Ausbildung eines bestimmten Gefüges im gegossenen Metallband und/oder zur Beeinflussung der Geometrie des Metallbandes wird das Stranggießen unter on-line-Berechnung unter Zugrundelegung eines die Ausbildung des bestimmten Gefüges des io Metalles und/oder die Ausbildung der Geometrie des Metallbandes beschreibenden Rechenmodells durchgeführt, wobei die Gefügeausbildung bzw. die Geometrie beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens on-line-dynamisch, d.h. während des laufenden Gießens, eingestellt werden. 15 Die JP 06-246414 A betrifft ein Stranggießverfahren für einen einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisenden Stahl, wobei die Kanten des Stranges mit einem Infrarotsensor beobachtet werden und Temperaturveränderungen an den Kanten gemessen werden. Zum Schutz der Oberfläche des Stranges wird der Temperaturbereich zwischen der Zementitbildung und der Perlit-bildung mit erhöhter Abkühlgeschwindigkeit durchschritten. 20From WO 03/045607 A2 it is known, in a process for continuous casting of a thin metal strip in the two-roll process, to pour the molten metal into a casting gap formed by two casting rolls in the thickness of the metal strip to be cast to form a molten bath. To form a specific microstructure in the cast metal strip and / or to influence the geometry of the metal strip, the continuous casting is carried out on-line calculation on the basis of a mathematical model describing the formation of the specific microstructure of the metal and / or the geometry of the metal strip. wherein the microstructural or geometry influencing variables of the continuous casting process are on-line dynamic, ie while the casting is in progress. JP 06-246414 A relates to a continuous casting process for a high-carbon steel, wherein the edges of the strand are observed with an infrared sensor and temperature changes are measured at the edges. To protect the surface of the strand, the temperature range between the cementite formation and the perlite formation is passed through at an increased cooling rate. 20

Gemäß der JP 2003-136208 A werden zur Vermeidung von Kantenrissen die Stranggießbedingungen entsprechend eingestellt, und zwar unter Berücksichtigung der Erstarrungsgeschwindigkeit. 25 Ein bevorzugtes Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges, insbesondere eines Stahlstranges, wobei ein Strang aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt sowie gegebenenfalls dickenreduziert wird, wobei zur Ausbildung eines bestimmten Gefüges im gegossenen Strang das Stranggießen unter on-line Berechnung unter Zugrundelegung eines 30 die Ausbildung des bestimmten Gefüges des Metalles beschreibenden thermomechanischen und metallurgischen Rechenmodells durchgeführt wird und die Werkstoffbelastung und die Gefügeausbildung beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens, wie zum Beispiel die zur Kühlung des Stranges vorgesehene spezifische Kühlmittelmenge, on-line-dynamisch, d.h. während des laufenden Gießens, eingestellt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur 35 Ausbildung eines bestimmten rissfreien Gefüges ein die Rissempfindlichkeit des Gefüges und die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie beschreibendes Rechenmodell eingesetzt wird.According to JP 2003-136208 A, to avoid edge cracks, the continuous casting conditions are adjusted accordingly, taking into account the solidification rate. 25 A preferred method for the continuous casting of a metal strand, in particular a steel strand, wherein a strand drawn from a cooled continuous casting mold, supported in a continuous casting mold downstream strand support means and cooled with coolant and optionally reduced in thickness, wherein the formation of a certain structure in the cast strand, the continuous casting under On-line calculation is carried out on the basis of a thermomechanical and metallurgical calculation model describing the formation of the particular microstructure, and variables of the continuous casting process influencing the material load and microstructural formation, such as the specific coolant quantity provided for cooling the strand, on-line dynamically ie be set during ongoing casting, is characterized in that for the formation of a certain crack-free structure, a crack sensitivity of the microstructure and the structure of the microstructure stored in the structure of the formation of the structure describing computing model is used.

Vorzugsweise ist in das Rechenmodell ein auf der Bruchmechanik von Metallen basierendes 40 Modell, insbesondere ein Modell für Risswachstum unter Kleinbereichsfließen, integriert.Preferably, a model based on the fracture mechanics of metals, in particular a model for crack growth under small-area flow, is integrated into the computer model.

Mit dem Konzept des Kleinbereichsfließens beschreibt man in allgemeiner Form ein Risswachstum, bei dem nur ein geringer Volumsanteil um die Rissufer plastisch verformt wird. Durch die Berücksichtigung der aus diesem Konzept stammenden Gleichungen können die für ein Riss-45 Wachstum bestimmenden Triebkräfte, nämlich die Energiefreisetzungsrate, aus den thermomechanischen Belastungen bestimmt werden. Der der Energiefreisetzungsrate entgegenstehende Risswiderstand ist ein vom Werkstoffgefüge, den mechanischen Eigenschaften und den Phasenanteilen abhängiger Werkstoffparameter, der sich aus der stereographischen Auswertung von Bruchoberflächen bestimmen lässt. Durch die Verwendung dieses Modells kann man beim so Erreichen einer kritischen Energiefreisetzungsrate entsprechend auf den Gießprozess reagieren und entweder durch eine Reduktion der mechanischen Lasten oder durch die Einstellung eines Gefüges mit höherem Risswiderstand eine Rissbildung vermeiden. Bei einer Überschreitung der kritischen Energiefreisetzungsrate kann der Ort der Rissausbreitung bestimmt und an ein Qualitätskontrollsystem weitergeleitet werden. 55 4The concept of small-area flow describes in general terms a crack growth in which only a small proportion of the volume around the crack edges is plastically deformed. By taking into account the equations resulting from this concept, the driving forces determining a crack-45 growth, namely the energy release rate, can be determined from the thermomechanical loads. The crack resistance that opposes the energy release rate is a material parameter dependent on the material structure, the mechanical properties and the phase proportions, which can be determined from the stereographic evaluation of fracture surfaces. By using this model one can react accordingly to the casting process while achieving a critical energy release rate and avoid crack formation either by reducing the mechanical loads or by setting a structure with higher crack resistance. If the critical energy release rate is exceeded, the location of the crack propagation can be determined and forwarded to a quality control system. 55 4

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Mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Rechenmodell lassen sich aufgrund einer vorgegebenen Stahlanalyse, der Phasenvolumensanteile, der aufgebrachten Deformation und der Temperaturgeschichte, die zur Beschreibung einer Rissbildung notwendigen Größen, wie die Energiefreisetzungsrate und der Risswiderstand, berechnen. 5With the calculation model to be used according to the invention, it is possible to calculate the quantities necessary for the description of a crack formation, such as the energy release rate and the crack resistance, on the basis of a given steel analysis, the phase volume fractions, the applied deformation and the temperature history. 5

Hierfür werden zweckmäßig zunächst aus den aufgebrachten Lasten die Spannungs-Dehnungszustände an der Oberfläche des Strangs und im Stranginneren berechnet. Mit grundlegenden kontinuumsmechanischen Methoden lässt sich für Kleinbereichsfließen eine Grundgleichung für die Energiefreisetzungsrate bei Risswachstum abschätzen: 10 worin G die Energiefreisetzungsrate, E der Elastizitätsmodul und a eine vorhandene DefektgrÖ-15 ße bedeuten, σ ist die größte Hauptnormalspannung und Y ist ein Parameter, der den Einfluss eines mehrachsigen Spannungszustandes und der Bauteilgeometrie berücksichtigt.For this purpose, the stress-strain states at the surface of the strand and in the strand interior are expediently first calculated from the applied loads. With basic continuum mechanical methods, a fundamental equation for the rate of energy release in crack propagation can be estimated for small-range flow: 10 where G is the energy release rate, E is the modulus of elasticity and a is an existing defect size, σ is the largest main normal stress and Y is a parameter that determines the influence a multiaxial stress state and the component geometry considered.

Der Widerstand, den der Werkstoff der Rissausbreitung entgegenhält, kann mit folgender Gleichung ermittelt werden: 20 R = 2Yo + 2ypi, worin R der Risswiderstand ist, γ0 die spezifische Oberflächenenergie und γρι die zur Erzeugung einer Rissoberfläche notwendige spezifische plastische Verformungsarbeit sind. 25The resistance of the material to crack propagation can be determined by the following equation: 20 R = 2Yo + 2ypi, where R is the crack resistance, γ0 is the specific surface energy, and γρι is the specific plastic deformation work required to create a crack surface. 25

Die Bedingung für die Rissbildung ergibt sich daraus alsThe condition for the crack formation results from it as

G>R 3o Bestimmender Faktor für den Risswiderstand sind die Phasenvolumsanteile.G> R 3o The determining factor for the crack resistance is the phase volume fraction.

Die spezifische plastische Verformungsarbeit γρι ist im wesentlichen vom Werkstoff abhängig und lässt sich aus der experimentellen Untersuchung von Bruchoberflächen ermitteln. Dabei werden die für den bei Kleinbereichsfließen gebildeten Riss charakteristischen Dimpelbruchflä-35 chen vermessen und daraus die spezifische Verformungsarbeit berechnet. YPi=2S- om- h wobei om die mittlere Fließspannung des Werkstoffs, S ein Parameter, der sich aus der Dimpel-40 form ergibt, und h die Dimpeltiefe sind. Somit ist es möglich, den Risswiderstand auch rein experimentell zu bestimmen.The specific plastic deformation work γρι is essentially dependent on the material and can be determined from the experimental investigation of fracture surfaces. In the process, the characteristic fracture areas measured for the crack formed in small-area flows are measured, and the specific work of deformation is calculated from this. YPi = 2S- om- h where om is the mean yield stress of the material, S is a parameter resulting from the dimple mold, and h is the dimple depth. Thus, it is possible to determine the crack resistance purely experimentally.

Da γο gegenüber γρι vernachlässigt werden kann, ist damit der Risswiderstand R bestimmt. 45 Die Veränderungen des Risswiderstands des Werkstoffs durch wechselnde Phasenvolumsanteile von z.B. Austenit und Ferrit, Temperaturunterschiede und Mengen an Ausscheidungen können vorteilhaft zur Abschätzung der Dimpelhöhe und der Fließspannung verwendet werden.Since γο can be neglected with respect to γρι, thus the crack resistance R is determined. 45 The changes in the crack resistance of the material due to varying phase volume fractions of e.g. Austenite and ferrite, temperature differences and amounts of precipitates can be advantageously used to estimate dimple height and yield stress.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden mit dem Rechenmodell thermodynamische so Zustandsänderungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Oberflächentemperatur, der Mittentemperatur, der Schalenstärke durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung und Lösen von einer die Phasen-Umwandlungskinetik beschreibenden Gleichung ständig mitgerechnet und wird die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes mindestens einer der thermodynamischen Zustandsgrößen eingestellt, wobei für die Simulation die Strangdicke und 55 die chemische Analyse des Metalles sowie die ständig gemessene GießgeschwindigkeitAccording to a preferred embodiment, thermodynamic so state changes of the entire strand, such as changes in surface temperature, the center temperature, the shell thickness by solving the heat equation and solving a phase conversion kinetics describing equation are constantly included in the calculation model and the cooling of the strand depending on the at least one of the thermodynamic state variables is set, whereby for the simulation the strand thickness and the chemical analysis of the metal as well as the continuously measured casting speed

AT 413 951 B berücksichtigt werden.AT 413 951 B are taken into account.

Durch die erfindungsgemäße Koppelung der Berechnung der Temperatur des Stranges mit dem Rechenmodell, das die Ausbildung eines bestimmten zeit- und temperaturabhängigen 5 Gefüges des Metalles beinhaltet, ist es möglich, die Variablen des Stranggießverfahrens, die die Gefügeausbildung beeinflussen, wie z.B. die auf die Strangoberfläche aufzubringende Kühlmittelmenge, der chemischen Analyse des Metalles sowie der örtlichen Temperaturgeschichte des Stranges anzupassen. Hierdurch kann gezielt eine gewünschte Gefügestruktur im weitesten Sinn (Korngröße, Phasenausbildung, Ausscheidungen) im oberflächennahen Bereich io des Stranges erreicht werden.By coupling the computation of the strand temperature with the computational model involving the formation of a particular time- and temperature-dependent microstructure of the metal, it is possible to derive the variables of the continuous casting process which influence the microstructure such as, for example, to adapt the amount of coolant to be applied to the strand surface, the chemical analysis of the metal and the local temperature history of the strand. In this way, a desired microstructure in the broadest sense (grain size, phase formation, precipitations) in the near-surface region of the strand can be achieved in a targeted manner.

Vorzugsweise ist in das Rechenmodell ein kontinuierliches Phasen-Umwandlungsmodell des Metalles integriert, insbesondere nach Avrami. 15 Die Avrami-Gleichung beschreibt in ihrer allgemeinen Form alle diffusionsgesteuerten Umwandlungsvorgänge für die jeweilige Temperatur unter isothermen Bedingungen. Durch Berücksichtigung dieser Gleichung im Rechenmodell können ganz gezielt beim Stahl-Stranggießen Ferrit-, Perlit- und Bainit-Anteile eingestellt werden, u.zw. auch unter Berücksichtigung einer Haltezeit bei bestimmter Temperatur. 20Preferably, a continuous phase transformation model of the metal is integrated into the calculation model, in particular according to Avrami. 15 The Avrami equation describes in its general form all diffusion-controlled transformation processes for the respective temperature under isothermal conditions. By taking this equation into account in the calculation model, ferrite, pearlite and bainite fractions can be set in a very targeted manner during steel casting, u.zw. also taking into account a holding time at a certain temperature. 20

Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rechenmodell thermische Zustandsänderungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Oberflächentemperatur, der Mittentemperatur, der Schalenstärke, durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung und Lösen einer die Ausscheidungskinetik, insbesondere nichtmetallischer und intermetallischer 25 Ausscheidungen, beschreibenden Gleichung ständig mitgerechnet werden und die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes mindestens einer der thermodynamischen Zustandsgrößen eingestellt wird, wobei für die Simulation die Strangdicke und die chemische Analyse des Metalles sowie die ständig gemessene Gießgeschwindigkeit berücksichtigt werden, wobei vorteilhaft die Ausscheidungskinetik aufgrund freier Phasenenergie und Keimbildung 30 und Verwendung thermodynamischer Grundgrößen, insbesondere der Gibb'schen Energie, und das Keimwachstum nach Zener in das Rechenmodell integriert ist.Preferably, the method is characterized in that with the calculation model thermal state changes of the entire strand, such as changes in surface temperature, the center temperature, the shell thickness, by solving the heat equation and solving a Ausscheidungskinetik, in particular non-metallic and intermetallic 25 precipitations, describing equation are constantly included and the cooling of the strand is set as a function of the calculated value of at least one of the thermodynamic state variables, wherein for the simulation, the strand thickness and the chemical analysis of the metal and the continuously measured casting speed are taken into account, advantageously the Ausscheidungskinetik due to free phase energy and nucleation 30 and use basic thermodynamic parameters, in particular Gibb's energy, and Zener seed growth is integrated into the calculation model.

Zweckmäßig werden auch Gefügemengenverhältnisse in Gleichgewichtszuständen gemäß Mehrstoffsystem-Diagrammen, insbesondere gemäß Fe-C-Diagramm, in das Rechenmodell 35 integriert.It is also expedient to integrate microstructure ratios in equilibrium states according to multi-component system diagrams, in particular according to the Fe-C diagram, into the computer model 35.

Vorzugsweise sind in das Rechenmodell Kornwachstumseigenschaften, insbesondere unter Berücksichtigung von Rekristallisation des Metalles, integriert. Hierbei kann eine dynamische und/oder verzögerte und/oder eine post-Rekristallisation, d.h. eine Rekristallisation, die später 40 in einem Ofen stattfindet, im Rechenmodell berücksichtigt werden.Grain growth properties, in particular taking into account recrystallization of the metal, are preferably integrated into the calculation model. Here, dynamic and / or delayed and / or post recrystallization, i. a recrystallization, which later takes place in an oven 40, are taken into account in the calculation model.

Vorzugsweise wird als die Gefügeausbildung beeinflussende Variable des Stranggießens eine während des Ausförderns des Stranges stattfindende Dickenreduktion vor und/oder nach Durcherstarrung des Stranges zusätzlich zur den Strang beaufschlagenden spezifischen Kühl-45 mittelmenge on-line eingestellt, so daß auch während des Stranggießens stattfindende thermodynamische Walzungen, beispielsweise Hochtemperatur-thermodynamische Walzungen bei einer Oberflächentemperatur größer Ac3 berücksichtigt werden können.Preferably, the continuous casting variable influencing the structure formation is a on-line reduction in thickness prior to and / or after solidification of the strand in addition to the specific coolant amount applied to the strand so that thermodynamic rolling also takes place during continuous casting. For example, high-temperature thermodynamic rolling at a surface temperature greater than Ac3 can be considered.

Weiters wird vorzugsweise mit dem Rechenmodell auch der mechanische Zustand, wie das so Verformungsverhalten, durch Lösen weiterer Modellgleichungen, insbesondere durch Lösen der Wärmeleitgleichung ständig mitgerechnet.Furthermore, the mechanical state, such as the deformation behavior, is also always included in the calculation model by solving further model equations, in particular by solving the heat equation.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß mengenmäßig definierte Phasenanteile durch Aufbringen on-line errechneter spezifischer Strang-Kühlmittelmengen vor 55 und/oder nach der Durcherstarrung des Stranges eingestellt werden. 6A preferred embodiment is characterized in that quantitatively defined phase fractions are set by applying on-line calculated specific strand coolant amounts before 55 and / or after the solidification of the strand. 6

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Weiters wird zweckmäßig ein definiertes Gefüge durch Aufbringen einer on-line errechneten Strangverformung vor und/oder nach der Durcherstarrung des Stranges, welche eine Rekristallisation des Gefüges bewirkt, eingestellt. 5 Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die zur das Stranggießen abschließende Phasenumwandlung mit Einstellung eines mengenmäßig definierten Phasenanteiles des Stranges errechnete spezifische Strang-Kühlmittelmenge nach Durcherstarrung des Stranges im Endbereich einer Sekundärkühlzone in einer eine verstärkte Kühlung bewirkenden Kühlzone eingestellt wird. 10Furthermore, a defined microstructure is expediently set by applying an on-line calculated strand deformation before and / or after the solidification of the strand, which causes a recrystallization of the microstructure. An advantageous variant of the method according to the invention is characterized in that the specific strand coolant quantity calculated after continuous casting of the strand in the end region of a secondary cooling zone in a cooling zone effecting increased cooling is set for final phase casting finalizing the continuous casting with setting of a quantitatively defined phase fraction of the strand. 10

Die Erfindung ist nachfolgend für das Stahlstranggießen näher erläutert. Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für andere Metalle kann analog zu den nachstehenden Ausführungen vorgenommen werden. 15 Das erfindungsgemäß zu verwendende Rechenmodell läßt aufgrund einer vorgegebenen chemischen Analyse des Stahls, der Austenitkorngröße und der Temperaturgeschichte des Stranges sämtliche Umwandlungstemperaturen und -daten, die zur Vorhersage und Beschreibung der Umwandlungsvorgänge für die Phasenanteile Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit notwendig sind, berechnen. 20The invention is explained in more detail below for the steel strand casting. An application of the method according to the invention for other metals can be carried out analogously to the following statements. The calculation model to be used in accordance with the present invention calculates, based on a given chemical analysis of the steel, austenite grain size and temperature history of the strand, all the transformation temperatures and data necessary for the prediction and description of the ferrite, perlite, bainite and martensite phases. 20

Hierfür wird zunächst ein Kohlenstoffäquivalent für die einzelnen Legierungsbestandteile errechnet. Daraus ergeben sich analysenabhängige Starttemperaturen für die Ferritumwandlung, für die Perlitumwandlung, die Bainitbildung und die Martensitbildung (aufgrund des Eisen/Koh-lenstoff-Diagramms). 25For this purpose, a carbon equivalent for the individual alloy components is first calculated. This results in analyte-dependent starting temperatures for ferrite transformation, perlite transformation, bainite formation and martensite formation (due to the iron / carbon diagram). 25

Aufgrund der Avrami-Gleichung, die in ihrer allgemeinen Form alle diffusionsgesteuerten Umwandlungsvorgänge für die jeweilige Temperatur unter isothermen Bedingungen beschreibt, lassen sich Grundgleichungen für die Umwandlungskurven ermitteln. 30 X = 1 - exp(-b-tn) worin X der Mengenanteil der umgewandelten Phase und b und n Parameter bedeuten, die abhängig sind von der Keimbildung und dem Wachstum der gebildeten Phase. Diese Parameter b und n sind analysenabhängig und können durch Dilatometer-Versuche bestimmt werden. 35 Im Zusammenhang mit ZTU-Diagrammen lassen sich mit Hilfe der Avrami-Gleichung sowohl die Start- und die Endzeit als auch die Temperatur für die Ferrit-, Perlit- und Bainit-Umwandlung unter isothermischen Bedingungen berechnen.Based on the Avrami equation, which describes in its general form all diffusion-controlled transformation processes for the respective temperature under isothermal conditions, basic equations for the transformation curves can be determined. X = 1 - exp (-b-tn) where X is the proportion of the converted phase and b and n are parameters which are dependent on the nucleation and the growth of the phase formed. These parameters b and n are analysis-dependent and can be determined by dilatometer experiments. 35 In the context of ZTU diagrams, the Avrami equation can be used to calculate both the start and end times as well as the temperature for ferrite, perlite and bainite transformation under isothermal conditions.

Um nicht-isothermische Umwandlungen zu berücksichtigen, also die in der Stranggießanlage 40 stattfindende - gegebenenfalls auch ungleichmäßig stattfindende - Kühlung des Stranges voll berücksichtigen zu können, wird aufgrund der im Rechner gespeicherten ZTU-Schaubilder und der Abhängigkeit der Temperatur als eine Funktion der Zeit der Anteil an umgewandeltem Material berechnet, u.zw. durch eine Integration der Avrami-Gleichung über die Kühlzeit des Stranges (vgl. T.T. Pham, E.B. Hawbolt, J.K. Brimacombe: "Preciding the onset of transformati-45 on under non continuous cooling conditions. II Application to austenite - pearlite transformation", Met. Mat. Trans. A, 26A, pp. 1993-2000,1995). X(t) = q$T)[1*exp(-b-tn)]-dt so wobei ts(T) eine virtuelle Beginnzeit der Umwandlung bei einer Temperatur T in Übereinstimmung zur tatsächlich umgewandelten Menge bedeutet. Für diesen Berechnungsalgorithmus wird die Temperatur als Funktion der Zeit definiert. Da der berechnete Umwandlungs- bzw. Ausscheidungsanteil nach Avrami keine Auskunft über die 55 tatsächlichen Gefüge/Mengen-Verhältnisse gibt, sondern lediglich erkennen läßt, ob und wie /In order to take into account non-isothermal transformations, that is, to fully take into account the cooling of the strand taking place in the continuous casting plant 40 - possibly also unevenly taking place - the fraction is stored as a function of time due to the ZTU graphs stored in the computer and the dependence of the temperature calculated on converted material, u.zw. by integrating the Avrami equation over the cooling time of the strand (see TT Pham, EB Hawbolt, JK Brimacombe: "Preciding the onset of transformative-45 on non continuous cooling conditions.", Application to austenite-pearlite transformation, Met Mat. Trans. A, 26A, pp. 1993-2000, 1995). X (t) = q $ T) [1 * exp (-b-tn)] - dt where ts (T) means a virtual start time of the conversion at a temperature T in accordance with the actually converted amount. For this calculation algorithm, the temperature is defined as a function of time. Since the calculated conversion or elimination fraction according to Avrami gives no information about the actual structure / quantity ratios, but only lets us know whether and how /

AT 413 951 B der Gleichgewichtszustand erreicht wird, werden zur Bestimmung des Gefügeanteils die Umwandlungsanteile auf die Gleichgewichtslinien aus dem Eisen/Kohlenstoff-Diagramm bezogen und ebenfalls im Rechenmodell berücksichtigt. 5 Keimbildungsvorgänge werden aufgrund der chemischen Gibb'schen Energie bzw. Phasenenergie im Rechenmodell berücksichtigt (nachstehend für Aluminiumnitride gezeigt). AGchem = AG°ain - R · T · (In X%+ In X°) 10 wobei G°Ain die Standard Gibb'sche Energie für die Bildung von AIN, Χαϊ der Molanteil von Aluminium im Austenitvolumen und X„ der Durchschnittsstickstoffgehalt bedeuten. Die Keimbildungsrate läßt sich wie folgt berechnen: r "\ 15 I= S - D A, - XAI-exp worin S die Dichte der Keimbildung im Austenit bedeutet. 20 ÄGcrit = 16-77AT 413 951 B the equilibrium state is reached, the conversion components are related to the equilibrium lines from the iron / carbon diagram and also taken into account in the calculation model in order to determine the structural component. 5 Nucleation events are considered due to the chemical Gibb's energy or phase energy in the computational model (shown below for aluminum nitrides). AGchem = AG ° ain - R · T · (In X% + In X °) 10 where G ° Ain is the standard Gibbs energy for the formation of AIN, Χαϊ is the molar fraction of aluminum in the austenite volume and X "is the average nitrogen content. The nucleation rate can be calculated as follows: r " \ 15 I = S - D A, - XAI-exp where S is the density of nucleation in austenite. 20 EGcrit = 16-77

^Gchem 2 Vain J 25 gibt die Bedingung für die Keimbildung wieder. Hierin ist σ die Austenit/AIN-Grenzflächenenergie. kB ist die Boltzmannkonstante und DAi das Ausbreitungsvermögen von Aluminium in Austenit.^ Gchem 2 Vain J 25 reproduces the condition for nucleation. Here σ is the austenite / AIN interface energy. kB is the Boltzmann constant and DAi is the spreading capacity of aluminum in austenite.

Das Keimwachstum wird nach Zener berücksichtigt (z.B. abgehandelt in J.S. Kirkaldy, "Diffusion 30 in the Condensed state", The Universities Press, Belfast, 1985).Germ growth is considered according to Zener (e.g., discussed in J. S. Kirkaldy, " Diffusion 30 in the Condensed state ", The Universities Press, Belfast, 1985).

Das Rechenverfahren geht in zwei Hauptstufen vor sich. In der ersten Stufe wird die Anzahl der aktuell gebildeten Keime bestimmt und in der zweiten Stufe wird das Wachstum aller vorhergehend gebildeten Ausscheidungen berechnet. 35The calculation process is carried out in two main stages. In the first stage, the number of germs currently formed is determined and in the second stage the growth of all previously formed precipitates is calculated. 35

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beiliegenden Figuren 1 und 2.To further explain the invention, the attached Figures 1 and 2 serve.

Gemäß Fig. 1 wird ein Stahlstrang 1 aus einer Stahlschmelze 2 mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung durch Gießen in einer Durchlaufkokille 3 gebildet. Die Stahlschmelze 40 2 wird aus einer Gießpfanne 4 über ein Zwischengefäß 5 und ein vom Zwischengefäß 5 mittels eines unter den in der Durchlaufkokille 3 gebildeten Gießspiegel reichenden Gießrohres 6 in die Durchlaufkokille 3 gegossen. Unterhalb der Durchlaufkokille 3 sind Strangführungsrollen 7 zur Abstützung des Stahlstranges 1 vorgesehen, der noch einen flüssigen Kern 8 und zunächst eine nur sehr dünne Strangschale 9 aufweist. 451, a steel strand 1 is formed from a molten steel 2 having a certain chemical composition by casting in a continuous casting mold 3. The molten steel 40 2 is poured from a ladle 4 via a tundish 5 and a pouring tube 6 extending from the tundish 5 by means of a pouring tube 6 extending under the casting mold 3 formed in the continuous casting mold 3. Below the continuous casting mold 3 strand guide rollers 7 are provided for supporting the steel strand 1, which still has a liquid core 8 and initially only a very thin strand shell 9. 45

Der aus der Durchlaufkokille mit gerader Achse austretende Stahlstrang 1 wird in einer Biegezone 10 in eine Kreisbogenbahn 11 umgelenkt und in dieser ebenfalls durch Strangführungsrollen 7 gestützt. In einer der Kreisbogenbahn 11 nachfolgenden Richtzone 12 wird der Stahlstrang 1 wiederum geradegerichtet und über einen Auslaufrollgang ausgefördert oder direkt on-50 line dickenreduziert, z.B. mittels eines on-line angeordneten Walzgerüstes 13.The steel strand 1 emerging from the straight-through-die with a straight axis is deflected in a bending zone 10 into an arcuate path 11 and likewise supported therein by strand guide rollers 7. In a directional zone 12 following the arcuate path 11, the steel strand 1 is again straightened and discharged via a discharge roller conveyor or directly reduced in thickness on-line, e.g. by means of an on-line roll stand 13.

Zur Kühlung des Stahlstranges 1 wird dieser direkt oder indirekt - über mit einer Innenkühlung versehene Strangführungsrollen 7 - gekühlt, wodurch an seiner Oberfläche bis in einen gewissen Tiefenbereich eine bestimmte Temperatur eingestellt werden kann. 55For cooling the steel strand 1, this is cooled directly or indirectly - via strand guide rollers 7 provided with an internal cooling, whereby a certain temperature can be set on its surface up to a certain depth range. 55

Claims

8 AT 413 951 B The supply of the steel strand 1 with the necessary for the desired structure of the steel strand 1 amount of coolant via a closed or open loop by means of a computer 14. In the computer 14 are machine data m, the format f of the steel strand 1, material data, 5, the casting speed v, the liquid steel temperature tn with which the molten steel 2 enters the continuous casting mold 3, and the desired microstructure α / γ and optionally a deformation w of the steel strand 1 , which is performed on the way of strand guidance entered. This deformation can e.g. be given by the straightening of the steel strand 1 in the straightening zone 12. In the computer 14, a desired amount of water 15 is calculated on the basis of a fracture mechanical calculation model that takes into account the crack sensitivity of the structure and the cracking energy stored in the structure of the structure, and a thermo-mechanical calculation model that enables temperature analysis based on the solution of the heat conduction equation Qs calculated, u.zw. due to the current, already applied amount of water QA, which is also entered into the computer. The current temperature TA calculated by the thermo-mechanical calculation model and the calculated current stress field G are fed to the fracture mechanical calculation model and this continuously calculates the desired temperature Ts, a crack formation indicator D, the desired casting speed vs, and possibly another 20 desired Continuous casting influencing values. A solution of the heat equation by means of a process computer is state of the art and e.g. in DE-C2 - 44 17 808 for continuous casting discussed in detail. As a way to solve the heat equation equation, the finite difference method with 25 Lagrangian description is given. According to the embodiment illustrated in FIG. 2, a metallurgical calculation model for the computer 14 is additionally used, which takes into account the phase transformation kinetics and nucleation kinetics. Furthermore, the metallurgical calculation model takes into account the current STCH steel analysis in order to cope with different material behavior. The current temperature TA calculated by the thermo-mechanical calculation model is supplied on-line to the fracture mechanical calculation model, and this continuously calculates the desired phase components as, ys for the metallurgical calculation model, which calculates the setpoint temperature Ts, on the basis of the thermo-mechanical calculation model the desired amount of water Qs for the individual strand cooling sections is calculated and adjusted automatically. 1. A process for the continuous casting of a metal strand, in particular a steel strand (1), wherein a strand (1) drawn from a cooled continuous casting mold (3), in one of the continuous casting mold (3) downstream strand support means (7, 11) supported and with coolant is cooled and optionally reduced in thickness, wherein the formation of a particular microstructure in the cast strand, the continuous casting on the basis of a 45 the load of the metal during casting and during the ongoing solidification process descriptive thermo-mechanical calculation model, with the online the load state of the strand is calculated, is performed and the material load influencing variable of the continuous casting process, such as the intended for cooling the strand specific refrigerant amount, on-line dynamic, ie as during the ongoing casting, be set, characterized in that the formation of a certain crack-free structure, a crack sensitivity of the microstructure and the structure of the microstructure stored cracking energy descriptive computing model is used.

2. A process for the continuous casting of a metal strand, in particular a steel strand (1), AT 413 951 B wherein a strand (1) drawn from a cooled continuous casting mold (3), in one of the continuous casting mold (3) downstream strand support means (7, 11) supported and is cooled with coolant and optionally reduced in thickness, wherein the formation of a certain microstructure in the cast strand, the continuous casting under on-line calculation un-5 ter based on the formation of the particular microstructure of the metal beschrei bende thermomechanical and metallurgical computing model is performed and the material load and the Structure-influencing variables of the continuous casting process, such as the intended for cooling the strand specific refrigerant amount, on-line dynamic, ie be set during the ongoing casting, io, characterized in that the formation of a certain crack-free structure, a crack sensitivity of the structure and the stored in the structure of the structure cracking energy descriptive calculation model is used.

3. The method of claim 1 or 2, characterized in that in the computer model 15 is based on the fracture mechanics of metals based model, in particular a model for crack growth under small area flow, is integrated.

4. The method of claim 1, 2 or 3, characterized in that with the calculation model due to a predetermined metal analysis, preferably steel analysis, as well as on the basis of the Phasenvolumsanteile, the applied deformations and the Temperaturge layer, the necessary for the description of a cracking sizes, how the energy release rate and the crack resistance are calculated. 5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the stress model is first calculated on the strand from the outside applied loads stress-strain states at the surface of the strand and in the strand inside, whereupon by means of a basic equation 30 is the energy release rate, E the elastic modulus, a an existing defect size the largest main normal stress, and Y a parameter that influences a multi-axial stress state and the component geometry considered; in that the resistance that the metal is resisting crack propagation is determined according to the equation R = 2y0 + 2 Ypi 45, where R is the crack resistance Yo specific surface energy and YPi the specific plastic deformation work required to create a crack surface G is compared with R and if the value is exceeded by the G value or if these values are equal, a corrective action is taken in the continuous casting process.

6. The method according to claim 5, characterized in that for the determination of the specific plastic deformation work, yp, experimental investigations of dimple fracture surfaces are used by measuring cracks formed in small-area flows, u.zw. according to the equation Ypl = 2 S · Om · h where om is the mean yield stress of the material, S is a parameter resulting from the dimple shape, and h is the dimple depth.

A method according to claim 6, characterized in that the dimple depth due to changing phase volume fractions of e.g. Austenite and ferrite, due to temperature differences and excretion rates.

8. The method according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that with the calculation model thermodynamic state changes of the entire strand, such as changes in surface temperature, the center temperature, the shell thickness by solving the heat equation and dissolving one of the phase transformation kinetics are constantly included in the equation and the cooling of the strand depending on the calculated value of at least one of the thermodynamic state variables is set, for the simulation of the strand thickness and the chemical analysis of the metal and the continuously measured casting speed are taken into account.

9. The method according to claim 8, characterized in that in the computer model, a continuous phase conversion model of the metal is integrated, in particular Av-rami.

10. The method according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that with the calculation model thermal state changes of the entire strand, such as changes in surface temperature, the center temperature, the shell thickness, by solving the heat equation and solving a Ausscheidungskinetik, in particular non-metallic and intermetallic precipitations, descriptive equation are constantly counted and the cooling of the strand is set depending on the calculated value of at least one of the thermodynamic state variables, the simulation of the strand thickness and the chemical analysis of the metal and the continuously measured casting speed are taken into account.

11. The method according to claim 10, characterized in that the Ausscheidungskinetik due to free phase energy and nucleation and use of basic thermodynamic quantities, in particular Gibb's energy, and the growth of germs after Zener are integrated into the calculation model.

12. The method according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that also microstructure conditions in equilibrium states according to multi-component system diagrams, in particular according to Fe-C diagram, are integrated into the computer model.

13. The method according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that in the calculation model grain growth properties, in particular taking into account recrystallization of the metal, are integrated.

14. The method according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the structural formation influencing variables of continuous casting taking place during the Ausördernden the strand thickness reduction before and / or after solidification of the strand in addition to the strand acting on specific coolant amount on-line is set. 1 1 AT 413 951 B

15. The method according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that the mechanical model, such as the deformation behavior, by solving further model equations, in particular by solving the heat equation, is constantly included in the calculation model.

16. The method according to one or more of claims 1 to 15, characterized in that quantitatively defined phase components are set by applying on-line calculated specific strand coolant amounts before and / or after the solidification of the strand.

17. The method according to one or more of claims 1 to 16, characterized in that a defined structure by applying an on-line calculated strand deformation before and / or after the solidification of the strand, which causes a recrystallization of the microstructure, is adjusted.

18. The method according to one or more of claims 1 to 17, characterized in that a final phase transformation, optionally taking into account a subsequent reconversion after solidification of the strand is set in a cooling effecting a cooling zone. For this purpose 2 sheets of drawings