AT506976A1

AT506976A1 - Verfahren zum stranggiessen eines metallstrangs

Info

Publication number: AT506976A1
Application number: AT0081608A
Authority: AT
Inventors: Kurt Dipl Ing Dr Dittenberger; Udo Dipl Ing Feischl; Klemens Dipl Ing Hauser; Wolfgang Dipl Ing Kibler; Paul Dipl Ing Ma Pennerstorfer; Helmut Dipl Ing Wahl
Original assignee: Siemens Vai Metals Tech Gmbh
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2010-01-15
Also published as: AT506976B1; WO2009141206A1; CN102149492B; CN102149492A; EP2279052A1; KR101781805B1; EP2279052B1; KR20110020854A

Description

200807354

··· ♦··

Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs in einer Stranggießanlage. 5

Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs, insbesondere eines Stahlstrangs, in einer Stranggießanlage, wobei ein Strang mit einem, von einer Strangschale eingeschlossenen, flüssigen Kern aus einer 10 gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der

Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung, gestützt, mit Kühlmittel gekühlt und gegebenenfalls metallurgisch reduziert wird, wobei thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Strangs in einem 15 mathematischen Simulationsmodell, beinhaltend eine Wärmeleitungsgleichung, mitberechnet werden.

Aus der DE 4417808 Al ist ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs bekannt, bei dem ein Strang mit von einer 20 Strangschale eingeschlossenem flüssigen Kern aus einer gekühlten Kokille ausgezogen, anschließend in einer Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt wird. Die im Zuge des Stranggussprozesses passierenden Zustandsänderungen werden mittels eines mathematischen 25 Simulationsmodells, beinhaltend die Wärmeleitungsgleichung, für den gesamten Strang in Echtzeit mitberechnet und die Kühlung des Strangs in Abhängigkeit der berechneten thermodynamischen Zustandsänderungen eingestellt. 30 Aus der DE 10122118 Al ist ein Verfahren zum Stranggießen bekannt, bei dem ein Metallstrang aus einer Kokille ausgezogen, in einer Strangstützeinrichtung gestützt, mit Kühlmittel gekühlt und von wenigstens einem Paar von Strangstützrollen einer metallurgischen Reduktion, konkret 35 einer Dickenreduktion in Form einer Liquid Core Reduction, unterzogen wird. • · · · t » ♦ · · · »·· ··· • · ♦ · · « · · • · · · · · « « ♦ · ♦· ··· a ·· ·

200807354

Dem Fachmann ist weiters bekannt, dass ein Metallstrang beim Stranggießen im Zuge seiner Erstarrung einer Schrumpfung, d.h. einer Änderung von Strangabmessungen, unterworfen ist. Die Größe der auftretenden Strangschrumpfungen ist abhängig 5 von Betriebsparametern der Stranggießanlage, beispielsweise von physikalischen Parametern des zu vergießenden Metalls, der Gießtemperatur, der Gießgeschwindigkeit, der Strangdicke oder der Strangkühlung. 10 Die während des Stranggießprozesses auftretenden Änderungen der Betriebsparameter einer Stranggießanlage - beispielsweise Änderungen der Gießgeschwindigkeit oder der Strangkühlung -bleiben bzgl. der Abstände der Strangstützrollen der Strangstützeinrichtung unberücksichtigt und führen in 15 weiterer Folge zu Qualitätsminderungen des Metallstrangs.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem die Produktqualität eines Metallstrangs, beispielsweise durch eine Verringerung 20 der Porosität und/oder von Seigerungen, einer verbesserten Oberflächenqualität und/oder Formhaltigkeit, weiter verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten 25 Art gelöst, bei dem im mathematischen Simulationsmodell eine natürliche Schrumpfung des Strangs in Echtzeit unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter des Metalls, der Temperatur des Metalls im Gießverteiler, der ständig gemessenen Auszugsgeschwindigkeit, der Strangkühlung und der 30 Dicke des Strangs mitberechnet wird und an den Strang anstellbare Strangführungsrollen der Strangstützeinrichtung unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs eingestellt werden. 35 Bei der Berechnung der natürlichen Schrumpfung des Strangs wird im mathematischen Simulationsmodell in Echtzeit eine Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter des Metalls, der Temperatur des 200807354 • · • · ·· ·· ···

Metalls im Gießverteiler, der ständig gemessenen Auszugsgeschwindigkeit, der Strangkühlung und der Dicke des Strangs numerisch gelöst. Hierzu wird der Strang diskretisiert, d.h. beispielsweise in eine Vielzahl von 5 Volumenelementen zerteilt, und die Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung der Anfangs- und Randbedingungen mittels eines Prozessrechners für die Vielzahl von diskreten Elementen periodisch gelöst, wodurch sich das zeitveränderliche Temperaturfeld des gesamten Strangs ergibt. 10 Als natürliche Schrumpfung wird das thermische

Ausdehnungsverhalten des Strangs in Abhängigkeit von Temperaturänderungen bezeichnet. Nachdem die thermodynamischen Zustandsänderungen für jedes diskrete Element aus der Lösung der Wärmeleitungsgleichung bekannt 15 sind, kann die natürliche Schrumpfung jedes Elements beispielsweise aus der Volumenausdehnung bzw. -kontraktion berechnet werden. Soll der Metallstrang nicht weitergehend metallurgisch reduziert werden, so werden die Abstände der an den Strang anstellbaren Strangführungsrollen in 20 Strangdickenrichtung derart eingestellt, dass diese Abstände der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs in Strangauszugsrichtung folgen.

Zwei weitere vorteilhafterweise Ausführungsformen des 25 erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dann, wenn eine weitergehende metallurgische Reduktion des Metallstrangs in der Strangstützeinrichtung, beispielsweise eine Liquid Core Reduction, eine Soft Reduction (insbesondere eine dynamische Soft Reduction) oder eine Oberflächenbehandlung, unter 30 Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des

Metallstrangs durchgeführt wird. Dem Fachmann sind die Liquid Core Reduction und die Soft Reduction bekannt, wodurch diese metallurgischen Reduktionsarten nicht weiter erläutert werden. Eine metallurgische Oberflächenbehandlung des 35 Metallstrangs in der Strangstützeinrichtung ist ebenfalls aus der EP 1289691 Bl bekannt. Durch die Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs ist sichergestellt, dass eine weitergehende metallurgische Reduktion in allen • · 200807354 • · · · · • · · · ··# ··· t · • · · · ···· # • · « · ··«· ·φ *· ·· ··· . «t « «·

Betriebspunkten des Stranggießprozesses - und nicht wie im Stand der Technik nur in einem Betriebspunkt - in vorteilhafter Weise durchgeführt werden kann. 5 Auf besonders genaue und daher vorteilhafte Art und Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt, wenn im mathematischen Simulationsmodell die Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs numerisch gelöst wird. Dem Fachmann ist 10 bekannt, dass die Dichteänderung von Metall in Abhängigkeit der Temperatur signifikante Ausmaße annehmen kann. So erhöht sich beispielsweise beim Stranggussprozess die Dichte von Stahl von ca. 7000 kg/m3 bei 1550 °C (Temperatur der Schmelze im Gießverteiler) auf ca. 7800 kg/m3 bei 300 °C 15 (durcherstarrter Strang).

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung unter 20 Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs approximierte Gleichungen für die Enthalpie verwendet werden, welche für den gesamten Strang die exakte Masse und die exakte Enthalpie aufweisen. Mittels dieser Ausführungsform ist sichergestellt, dass die Berechnung der 25 natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs sowohl richtig bzgl. der Masse als auch der Enthalpie erfolgt, wodurch eine besonders hohe Genauigkeit der Lösung, d.h. der thermodynamischen Zustandsänderungen und der natürlichen Schrumpfung, sichergestellt wird. 30

Das Wachstum bzw. die Umwandlung zwischen unterschiedlichen Gefügearten lässt sich vorteilhaft im erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigen, wenn das mathematische Simulationsmodell eine die Ausbildung eines gewünschten 35 Gefüges im Metallstrang beschreibendes Rechenmodell, in besonders vorteilhafter Weise durch die Anwendung eines kontinuierliches Phasen-Umwandlungsmodell nach Avrami, beinhaltet. 200807354 • · • · ··· • · · • · · ·· ···

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Strangkühlung unter Berücksichtigung der errechneten thermodynamischen 5 Zustandsänderungen eingestellt. Durch diese Maßnahme wird eine äußerst hohe Produktqualität des Metallstrangs sichergestellt, da der Metallstrang unter Berücksichtigung der thermodynamischen Zustandsänderungen abgekühlt und die natürliche Strangschrumpfung bei der Einstellung der Abstände 10 der Strangführungsrollen mitberücksichtigt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann uneingeschränkt beim Gießen von Metallsträngen mit Knüppel-, Vorblock-, Brammenoder Dünnbrammenquerschnitt beliebiger Abmessungen verwendet 15 werden, um die Qualität der gegossenen Metallstränge zu verbessern.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht 20 einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:

Fig. 1 eine Stranggussanlage in schematischer Seitenansicht Fig. 2 eine schematische Darstellung eines hydraulisch 25 anstellbaren Segments einer Strangstützeinrichtung

Ein Stahlstrang 1 wird aus einer Stahlschmelze 2 mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung durch Giessen in einer gekühlten Durchlaufkokille 3 gebildet. Die Stahlschmelze 2 30 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 einer 35 Strangstützeinrichtung zur Abstützung des Stahlstrangs 1 • · 200807354 • · • · Μ ·Φ9 vorgesehen, der noch einen flüssigen Kern 8 und zunächst eine nur sehr dünne Strangschale 9 aufweist. Der aus der Durchlaufkokille mit gerader Achse austretende Stahlstrang 1 wird in einer Biegezone 10 in eine Kreisbogenbahn 11 5 umgelenkt und von Strangführungsrollen 7, welche in mehreren hydraulisch anstellbaren Segmenten 13 angeordnet sind, gestützt. In einer der Kreisbogenbahn 11 nachfolgenden Riehtzone 12 wird der Stahlstrang 1 wiederum geradegerichtet und über einen Auslaufrollgang ausgefördert oder direkt 10 online dickenreduziert, z.B. mittels eines online angeordneten Walzgerüstes. Zur Kühlung des Stahlstranges 1 wird dieser direkt oder indirekt - über mit einer Innenkühlung versehene Strangführungsrollen 7 - gekühlt, wodurch eine bestimmte Temperatur des Stahlstrangs 1 15 eingestellt werden kann. Die Versorgung des Stahlstranges 1 mit der für das gewünschte Gefüge des Stahlstranges 1 notwendigen Kühlmittelmenge erfolgt über einen geschlossenen Regelkreis mittels eines Prozessrechners 14. Eine derartige Strangkühlung unter Berücksichtigung der online berechneten 20 thermodynamischen Zustandsänderungen ist aus der DE 4417818 Al der Anmelderin bekannt. In eine Eingabeeinheit des Prozessrechners 14 können beispielsweise noch die physikalischen Parameter des Stahls 2, beispielsweise die Dichte, die spezifische Wärmekapazität und -leitfähigkeit, 25 weiters Parameter der Strangkühlung, die Rollenteilung, die Strangbreite, die Strangdicke in der Kokille sowie Messwerte der Strangdicke in den Segmenten 13 und die ständig gemessene Gießgeschwindigkeit eingegeben werden. In dem Prozessrechner 14 werden anhand eines mathematischen Simulationsmodells, 30 aufweisend eine Wärmeleitungsgleichung und ein metallurgisches Rechenmodell zur Berücksichtung der Phasenumwandlungskinetik nach Avrami, die Soll-Wassermengen der Strangkühlung errechnet. Der Stahlstrang 1 wird in jedem Segment kontrolliert abgekühlt, wobei die Kühlwassermenge in 200807354 • · • · • · 7 • · • ··· • · • · • I ··· • · • ·

einzelnen Kühlzonen des Segments von jeweils einem Ventil (in Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Ventil bei einem Segment dargestellt) der Strangkühlung eingestellt wird, welches wiederum von einer Ausgabeeinheit des 5 Prozessrechners 14 angesteuert wird. Aus der Lösung der Wärmeleitungsgleichung wird auch die Volumenskontraktion des Stahlstrangs 1 aufgrund der thermodynamischen Zustandsänderungen mittels der Formel dV = ß-V0>dT 10 berechnet, wobei ß Volumenausdehnungskoeffizient V Volumen eines Elements V0 Volumen bei Referenztemperatur T Temperatur. 15

Soll der Stahlstrang 1 keiner weitergehenden metallurgischen Reduktion, beispielsweise Liquid Core Reduction, Soft Reduction oder eine Oberflächenbehandlung des Strangs unterzogen werden, wo wird der Abstand der an den Strang 20 anstellbaren Strangführungsrollen 7 der Segmente 13 über einen oder mehrere Hydraulikzylinder 15 auf die errechnete Strangdicke, d.h. unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung, eingestellt. Soll jedoch eine weitergehende metallurgische Reduktion des Stahlstrangs durchgeführt 25 werden, so werden die für die Reduktion notwendigen Dickenänderungen den errechneten Strangdicken - unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung - überlagert.

Vorzugsweise werden die thermodynamischen Zustandsänderungen 30 des Stahlstrangs 1 mittels einer Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Dichteänderung des Stahlstrangs berechnet. Eine zweidimensionale Wärmeleitungsgleichung lautet beispielsweise

dEmtfcO") _ d2u(x,t) d2u(x,t) dz ) dx2 dy2 35 wobei

200807354 ·*· ··· • · « • · 4 ... g.. t Zeit in [s] x die Koordinate in Strangdickenrichtung y die Koordinate in Strangauszugsrichtung

Q — partielle Ableitung nach der Zeit t dt d d 5 —,— partielle Ableitungen nach dem Ort x, y dx dy x Ortsvektor in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem Emais(x’Ö Massenbezogene Enthalpie an der Stelle x zur Zeit t ξ Dimensionslose Laufvariable T(x,t) «c*,r)= {λ(ξ)άξ 10 Γ(χ,ί) Temperatur an der Stelle x zur Zeit t

Etrans(x,t) Transformierte massenbezogene Enthalpie an der Stelle x zur Zeit t

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der 15 Dimension der Wärmeleitungsgleichung und kann daher uneingeschränkt auch mit Gleichungen anderer Dimension, z.B. dreidimensionalen Gleichungen, verwendet werden.

Vorteilhafterweise werden zwei Ansätze für eine, bzgl. der 20 Masse und der Enthalpie global richtige, transformierte Enthalpie Etrcms(x,t) verwendet. Oberhalb des Durcherstarrungspunkts lautet der Ansatz E_M= Ε^)-ΜίΐΕ.^(Τ^)-Β^)Ρξ . T~f

Hingegen verwendet man unterhalb des Durcherstarrungspunkts 25 den Ansatz E„M= JMf)· £—(#)·«£

Hierin bedeuten

200807354 • · · · Φ ·

• · · p ··· PPP • · · · · · · • · · · ppp ·· ·· ··· ·*

Tref eine beliebige, aber konstante Referenztemperatur (üblicherweise 25 °C)

Temperatur des Metalls im Gießspiegel in [° K] £mass(x>0 Zeitliche Ableitung der massenbezogenen Enthalpie 5 Einfacherweise wird die Wärmeleitungsgleichung auf

Lagrange'sehe Koordinaten transformiert, d.h. von einem mit der Strangauszugsbewegung mitbewegten Beobachter betrachtet. Die Wärmeleitungsgleichung in Lagrange'sehen Koordinaten kann mit Standardverfahren der numerischen 10 Mathematik, beispielsweise dem Verfahren der Finiten Volumen, gelöst werden.

In Fig. 2 ist ein einstellbares Segment 13 der Strangstützeinrichtung näher gezeigt. Pro Segment 13 kann ein 15 paralleler (wie dargestellt) oder konischer Verlauf der

Strangdicke des Stahlstrangs 1 eingestellt werden. Hierbei kann die Dicke des Stahlstrangs 1 über eine hydraulische Anstellung des Segments 13 verstellt werden, wobei in einem Wegmessystem eines Hydraulikzylinders 15 die Ist-Position und 20 somit auch den Abstand zwischen gegenüberliegenden

Strangführungsrollen 7 gemessen und an den Prozessrechner weitergeben wird. Der Prozessrechner 14 errechnet über die Lösung der Wärmeleitungsgleichung die natürliche Strangschrumpfung und berücksichtigt diese bei weiteren 25 metallurgischen Reduktionen, im konkreten Fall einer LCR Reduktion mit einem flüssigen Kern 8, und gibt somit die Soll-Dicke des Stahlstrangs 1 vor. Von einem nicht dargestellten Positionsregler wird mittels eines Soll-Ist-Vergleichs der Strangdicke eine Stellgröße ermittelt und an 30 ein elektro-hydraulisches Ventil, welches dem

Hydraulikzylinder 15 zugeordnet ist, ausgegeben. Prinzipiell können die Segmente 13 einerseits für die Nachstellung der Strangführungsrollen 7 an die natürliche Strangschrumpfung verwendet werden, andererseits lassen sich über entsprechende 35 Stellungen der Rollen 7 natürlich sämtliche metallurgischen Reduktionen in der Strangstützeinrichtung realisieren. Auf 200807354 ····· · · · • · · · ··# ··· · · • · · · ···· · • · · · · · · · · · ·· ·· ··· Λ ·· · ·· 10 der Außenseite stützt sich der Strang 1 über die Strangstützrollen 7 an einem Unterteil eines Segmentrahmens 17 ab, an der Innenseite des Strangs erfolgt die Abstützung über Strangstützrollen 7 an einem Oberteil des Segmentrahmens 16. Die Auszugsrichtung des Stahlstrangs 1 ist durch einen Pfeil dargestellt. 200807354 • · ·· • · · • ··« ··« • · · · • · · · ·· ··· 11

Bezugszeichenliste 1 Stahlstrang 2 Stahlschmelze 5 3 Durchlaufkokille 4 Gießpfanne 5 Zwischengefäß 6 Gießrohr 7 Strangführungsrolle 10 8 Flüssiger Kern 9 Strangschale 10 Biegezone 11 Kreisbogenbahn 12 Richtzone 15 13 Segment der Strangstützeinrichtung 14 Prozessrechner 15 Hydraulikzylinder 16 Segmentrahmen Oberteil 17 Segmentrahmen Unterteil 20

Claims

200807354 » · · · · · » · · · ··· ··· 9 ·· · · · I 9 · · · · · · ·· ·· ··· - Λ·· 12 Patentansprüche / Patent Claims 1. Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs, insbesondere eines Stahlstrangs, in einer Stranggießanlage, 5 wobei ein Strang mit einem, von einer Strangschale eingeschlossenen, flüssigen Kern aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung, gestützt, mit Kühlmittel gekühlt und gegebenenfalls metallurgisch reduziert 10 wird, wobei thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Strangs in einem mathematischen Simulationsmodell, beinhaltend eine Wärmeleitungsgleichung, mitberechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im mathematischen Simulationsmodell eine natürliche Schrumpfung des Strangs in 15 Echtzeit unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter des Metalls, der Temperatur des Metalls im Gießverteiler, der ständig gemessenen Auszugsgeschwindigkeit, der Strangkühlung und der Dicke des Strangs mitberechnet wird und an den Strang anstellbare Strangführungsrollen der Strangstützeinrichtung 20 unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallurgische Reduktion des Metallstrangs in der 25 Strangstützeinrichtung unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als metallurgische Reduktion entweder eine Liquid Core 30 Reduction, eine Soft Reduction oder eine Oberflächenbehandlung des Metallstrangs durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im mathematischen 35 Simulationsmodell die Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs numerisch gelöst wird. 200807354 • · • · • · • · · • ··· ·#· • · · • · · 13 e · • · • ·
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs approximierte Gleichungen für die Enthalpie 5 verwendet werden, welche für den gesamten Strang die exakte Masse und die exakte Enthalpie aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische 10 Simulationsmodell eine die Ausbildung eines gewünschten Gefüges im Metallstrang beschreibendes Rechenmodell beinhaltet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 15 dadurch gekennzeichnet, dass im mathematischen Simulationsmodell ein Phasen-Umwandlungsmodell des Metalls integriert ist, insbesondere ein kontinuierliches Phasen-Umwandlungsmodell nach Avrami.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangkühlung unter Berücksichtigung der errechneten thermodynamischen Zustandsänderungen eingestellt wird.