CN101056721A - 用于制造金属的方法 - Google Patents

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Abstract

在制钢时为冷却段(5)采用相变模型(10)，借助于该相变模型除了钢的温度(T)之外还可以实时地计算出沿着钢带的相份额(Pi)。采用了一个使卷绕在卷取装置(12)上的钢带的相份额(Pi)保持恒定的调节系统。为此采取以下方法步骤：在第一步骤中从由钢带的原始数据(P)中获得的数据中求出相变率、例如对于多相钢的铁氧体份额。在第二步骤中在带材进入到冷却段(5)中时，以在线控制的方式将冷却方案的一个或多个参数、即调节参数(S)调整为，使得在卷取装置(12)上已冷却的钢的铁氧体份额保持恒定。

Description

用于制造金属的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造金属的方法，其中，将热成型的金属在冷却段中冷却，在第一个步骤中借助于用于金属的原始数据利用冷却段模型计算出金属在该冷却段的至少一个位置上的温度以及至少一种相份额。另外，本发明还涉及一种用于相应地控制冷却段和对冷却段建立模型的计算装置以及一种相应的用于制造金属的设备，并且本发明还涉及一种相应地制造出的金属。
背景技术
德国专利申请文件DE10129565A1公开了一种用于热轧制的轧件、尤其是金属带材的冷却方法。在这种在先公开的方法中，在冷却段前对应于轧材位置检测一个起始温度，借助于冷却段模型和轧材的预先规定的额定特性求出冷却介质量随时间的变化曲线，根据所确定的冷却介质量随时间的变化曲线将冷却介质施加到轧材位置上，借助于冷却段模型和冷却介质量随时间的变化曲线确定轧材在轧材位置处在整个轧材横截面上的一种所期望的温度随时间的变化曲线，以及为了确定在冷却段模型中的轧材内温度变化曲线而求解热传导方程，该热传导方程确定轧材的焓、导热率、相变率、厚度以及温度相互之间的关系。在该申请文件DE10129565A1所记载的方法中，将金属带材的所期望的温度变化曲线与额定的温度变化曲线进行比较。然后，在此比较的基础上计算出一个新的冷却介质量变化曲线。
按照已知方法制造和冷却的热成型金属通常不满足或不能足够可靠地满足对于其在随后的应用中所要求的特性或材料特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，实现制造具有高级材料特性的金属，其中，尽可能准确地保持金属所要求的特性或材料特性。
上述技术问题通过一种本文开头所述类型的方法得以解决，其中，在第二步骤中在制造金属期间检测至少一个测量值，以及借助于所述至少一个测量值利用所述冷却段模型计算出在所述冷却段的至少一个位置上所述金属的至少一种预期的相份额，其中，将所述在第二步骤中算出的预期相份额与在所述第一步骤中算出的相份额进行比较，以及将比较结果用于调整所述冷却段的至少一个调节参数。
如此即便在制造金属过程中生产条件变化时也能够在冷却段末端处在整个金属上使相份额保持恒定。通过调整冷却段的至少一个调节参数还尽最大可能地排除了具有相同原始数据的不同金属带之间的偏差。即，在第一步骤中在不考虑设备的变化波动的情况下计算至少一个相变率，也就是说测定一个基准相变率。在第二步骤中控制所述基准相变率，其中，通过调整冷却段的局部调节参数来最大程度地补偿设备实际存在的变化波动。按照本发明在制造金属时明显比采用已知的方法更好地确保金属具有恒定的质量。
为了进一步改进本发明方法的精确性以及还要更可靠地保持在冷却段末端相份额的恒定，相宜的是，所述至少一个位置处于所述冷却段的末端，在该位置上在所述第一和第二步骤中计算金属的至少一种相份额。
另外，有利的是，在所述第二步骤中将所述在该第二步骤中算出的预期相份额与一个规定的相份额比较。在这种情况下，不必再将在第二步骤中算出的预期相份额与在第一步骤中算出的相份额进行比较。这样，在设定相份额时可以考虑例如由操作者直接给出的预定参数。
有利的是，在线地、亦即在制造金属期间实时地重复实施所述第二步骤。通过重复进行第二步骤、亦即多次地进行测量值检测、计算、比较以及必要时调整进一步改进了本发明方法的精确性。
有利的是，在所述第二步骤中通过冷却段调节器根据比较结果调整冷却段的至少一个调节参数。该冷却段调节器基于对按照在第一和第二步骤中计算得出的相份额的比较直接调整冷却段的调节参数。由此确保高的调节精度。
另外，采用级联式控制结构，其中，由叠加的相份额调节器将额定值传输给冷却段调节器。其中，在所述第二步骤中，相份额调节器调整至少一个用于冷却段调节器的额定值，以及所述冷却段调节器在考虑为其规定的额定值的情况下调整所述冷却段的至少一个调节参数。
有利的是，至少在所述两个步骤中的一个步骤中采用温度模型，该温度模型计算金属在冷却段中的温度变化曲线。由此在金属的温度方面达到特别高的调节精度。
有利地借助于至少一个测量值调整所述温度模型。由此还能够更有效地补偿在制造金属过程中的波动因素。
为了改善在相份额方面的调节精度，优选采用相变模型，该相变模型计算出至少一种相份额在冷却段中的变化曲线。
有利的是，制造多相钢。正是在多相钢中、例如双相钢或三相钢中保持在冷却段内相份额恒定以及进而保持相变率恒定是特别关键和重要的。这些钢具有特别好的材料特性，例如被用于汽车工业中。
将所述金属在冷却段中有利地在至少两个冷却分段中冷却。由此可以有针对性地设定(尤其是在多相钢中希望达到的)相份额。
优选地调整停留时间。
有利地调整保持温度。在以多个冷却分段进行冷却时，象停留时间和保持温度这样的参数对于在金属中的相份额是极为关键的。
有利地调整至少一个用于冷却介质调节器件的调节参数。冷却介质调节器件是冷却段的局部的调节器件并因而例如对布设在冷却段前的精轧机列(Fertigstrasse)不起作用。因此，不会由于调整用于冷却介质调节器件的调节参数而以不期望的方式影响到该精轧机列。
有利地在制造厚板(Grobblech)时调整至少一个对应于所述金属在冷却段中速度的调节参数。在制造厚板时金属在冷却段内的速度最大程度地受的影响是取决于，金属以怎样的速度通过设置在该冷却段前的设备部分。
有利地在制造厚板时调整至少一个对应于所述金属的停留时间的调节参数。在制造厚板时金属的停留时间是另一个用于调整金属相份额的局部调节参数。
本发明所要解决的技术问题还可通过一种具有冷却段和上述类型的计算装置的、用于制造金属的设备得以解决，其中，所述用于对冷却段进行控制和建模的计算装置通过相应设计的接口与该冷却段的信号发生器和调整器件耦连。
本发明所要解决的技术问题还可通过一种按照权利要求20所述的金属得以解决。这实现了在金属内特别均匀的材料特性。
有关计算装置、所述设备以及所述金属的优点可以与本发明方法的优点类似地获知。
附图说明
下面结合附图从对具体实施方式的描述中可以得知本发明的其它优点和细节。附图以原理性示意图表示出：
图1表示一个冷却段；
图2表示温度变化曲线；
图3表示一种用于所述冷却段的简单的调节系统，以及
图4表示一种所述冷却段的级联式调节系统。
具体实施方式
图1表示冷却段5和用于对冷却段5进行控制或调节并对其建立模型的计算装置3。在所示的实施例中，热成形的金属1以速度v沿带材运动方向x从轧机机座4中移出。该轧机机座4例如是一条所谓的精轧机列的最后一个轧机机座。但是在冷却段5之前也可以布设其它不同的用于金属11的变形或加工装置。冷却段5以及或许还有一个或多个在其前面布设的用于使金属11变形或加工的装置和可能在冷却段后面布设的装置构成了用于制造金属11的设备。在所示的实施例中，在冷却段5之后布设一个卷取装置12，借助于该卷取装置12将所述已冷却的金属1卷绕成卷。但是也可以在冷却段5之后布设其它不同的在图中未示出的处理和/或存放金属1的装置。
金属1在上述情况下是固体的凝聚状态下的钢。但是它也可以呈现至少部分是液体的凝聚状态。根据图1，金属1设计成金属带材或板坯。不过也可以考虑其它形式的金属1，例如杆状型材，如线、管或U形型材。为影响金属1的温度，冷却段5具有一个或多个调节器件2。可以利用调整器件2(通常是冷却、但是在各别情况下也可以是加热)直接或间接地影响金属1的温度T。调节器件2例如可以具有一个或多个用于将冷却介质施加到金属1上的阀门。作为冷却介质例如可以采用水或者水与其它物质的混合物。冷却段5由计算装置3控制。尤其是计算装置3按照调节参数S来控制调节器件2。设有测量器件6、6′，借助于这些测量器件检测金属1的温度T。在冷却段的起点处、在图中所示的实施例中在最后的轧机机座4之后设置一个用于检测温度的第一测量器件6。另一个用于检测温度的测量器件6′设置在冷却段5的终点处、例如在图中所示的实施例中设置在卷取装置12之前。
计算装置3将调节参数S输送给冷却段的调节器件2。将测量值、例如冷却段5的温度和/或在冷却段之前或之后布设的装置的温度输入给计算装置3。也可以将金属1的实际速度v输入计算装置3中。金属的实际速度v可以通过测量和/或借助于至少一个模型来确定。也可以将轧机机座4的轧辊的转速作为测量值和/或计算或建模得出的值输入到计算装置3中。另外，将所谓的原始数据P输入计算装置3中。原始数据P通常用于对设备的预先计算或预先设定并且与所要制造的金属1有关。不同的金属带材或板坯通常以不同的原始数据来表示。原始数据也可以至少部分地涉及所制造的金属1要求的特性。
图2表示在冷却段5中金属1的温度T随时间t的变化曲线。所述时间t在此涉及按照图1所示的带状金属1的某一带材点通过冷却段5的时间。
另外，也可以选择描绘温度T沿带材运动方向x、亦即在冷却段内的位置上的变化曲线。温度T就其特性而言可以用作描述金属1的能函的参数。因此另外也能够例如观察随时间t或沿带材运动方向x的焓变化曲线。
对于所制造的金属1或钢的材料特性起决定作用的是在冷却段5的终点处或卷取装置12处的相份额Pi。尤其致关重要的、而且也是在制造过程中关键的是，金属1尤其在多相钢、例如在两相和三相钢时的相份额Pi。对于这类钢，通常的冷却方法是将冷却划分成三个冷却分段。其中，金属1在冷却段5中在多个随时间的冷却阶段中或随时间的冷却分段I、II、III中冷却。
随时间的冷却分段I、II、III可以、而不是必须组合成在空间上或部件上相互关联的冷却分段。在第一冷却分段I或第一冷却阶段中以一个直达保持温度TH的高冷却率来冷却金属1。该保持温度TH通常是预先规定的或取决于原始数据P的。在第二冷却分段II中以预定的停留时间tH来进行空气冷却。在该第二冷却分段II中金属1或钢的温度只略微降低。接着在第三冷却分段III中将金属1淬火到温度T或温度T以下，该温度T是在冷却段末端处或者刚好在借助于卷取装置12进行卷绕前应该达到的温度。优选将金属1淬火到马氏体起始温度以下。
为了例如在两相钢中得到具有约80％铁氧体的相份额Pi以及约20％马氏体或贝氏体的相份额Pi的金相结构，通常力求达到在淬火前具有典型地为20％的残余奥氏体含量。另外对于三相钢而言在材料内保持在室温时亚稳的残余奥氏体含量。该残余奥氏体含量在变形时转变为马氏体。
两相钢和三相钢在其随后的应用中开始时仅用微小的力就能产生变形；但是随着变形的加剧刚性剧烈地增大，同时该特性在三相钢中比两相钢中表现得更明显。两相钢和三相钢的典型用途是用于机动车的车身钢板和轮辋，在这些地方在例如由于意外事故而进一步变形时要求具有好的深引伸特性、高的最终强度以及高的能量吸收能力。
在制造这种钢时在冷却段5中保持相份额Pi的恒定以及进而保持相变率的恒定是极为关键的。如果例如在一条布设在冷却段5之前的热轧机列中引起在金属1(此处是钢板坯)上所不希望的表面温度影响、象例如所谓的滑移斑(Skidmarks)，这些不希望的滑移斑导致在金属带中形成一些薄弱点(weichen Stelle)。在这类薄弱点处，金属1内的相变率在淬火开始前已经极广泛地扩展，以形成足够的马氏体或贝氏体。在冷却段5之前布设的装置内过程参数的不同波动变化可能引起在金属1内与所期望的金相结构和所期望的相份额Pi之间的进一步的偏差。
图3和图4表示按照本发明的用于冷却段5的调节系统。这两幅图示出了与冷却段5相耦连的用于对该冷却段5进行控制和建模的计算装置3。其中设有接口，以便将用于建模的信号传输给计算装置3以及将控制或调整信号传输给冷却段5。计算装置3和冷却段5构成制造金属1的设备的一部分。
按照图3，计算装置3具有冷却段模型7和冷却段调节器8。对于进入到冷却段5中的金属1、例如由钢制成的金属带材而言，借助于冷却段模型7在第一步骤中依据用于金属带材的原始数据P计算出在冷却段5末端或在卷取装置12前的温度T和至少一种相份额Pi。借助于例如设置在一条在冷却段5前布设的精轧机列内的测量器件(在图中未详细示出)和/或借助于在冷却段5的起始端处的测量器件6，在第二步骤中检测若干测量值并将其输入计算装置3内。其中，测量值的检测是在金属1通过制造金属1的设备期间进行的。
借助于(若干)测量值，冷却段模型7确定出至少在该冷却段5的末端处金属1的至少一种预期的相份额Pi。将在第二步骤中算出的预期的相份额Pi与在第一步骤中基于原始数据P算出的相份额Pi进行比较。该比较结果用于调整冷却段5的至少一个调节参数S。按照图3冷却段调节器8至少调整该冷却段5的一个调节参数S。一种相对简单的实现这样一个冷却段调节器的方法是，尽可能在第一冷却分段I的末端处调节调节器件2的调节参数S。
按照图4，计算装置3具有冷却段模型7、冷却段调节器8和相份额调节器11。相份额调节器11与冷却段调节器8在调节技术上叠加。那么相份额调节器11将至少一个基于在第一步骤中算出的相份额Pi与在第二步骤中算出的预期相份额Pi的比较结果基础上的额定值、例如TH或tH传输给冷却段调节器8。如同在图2中所示出的带有多个冷却分段I、II、III或冷却阶段的冷却过程中，相份额调节器11优选将一个保持温度TH和/或停留时间tH传输给冷却段调节器8。冷却段调节器8调整冷却段5的调节参数S，同时冷却段调节器8要兼顾相份额调节器11的额定指标。
两种调节系统、亦即按照图3的调节系统和按照图4的调节系统优选这样工作，即，在线地、也就是说在制造金属1期间实时地重复实施所述第二步骤。
不仅在第一步骤中而且在第二步骤中以相同的方式、亦即借助于相同的计算方法或模型计算出相份额Pi。但是在这两个步骤中的计算在计算所基于的数据方面、尤其在用于计算的输入数据方面是不同的。
替代基于原始数据P在第一步骤中算出的相份额Pi的是，也可以将一个例如由操作者在第一步骤中给出的相份额Pi在第二步骤中与在第二步骤中算出的预期相份额Pi比较。为确保在冷却段5的末端使金属1具有恒定的高质量，至少计算出在冷却段的末端处金属1的一种相份额Pi。
作为替代或补充方式，可以计算出在冷却段5的至少另一个位置处金属1的至少一种相份额Pi。如果例如在冷却段5的末端处测量是不合适的，那么可以在本方法的第一步骤中和第二步骤中在冷却段5的另一个位置上计算出金属1的至少一种相份额Pi，例如这样一个位置，从该位置起在冷却段5内的相变绝大部分已结束。
计算装置3或冷却段模型7优选具有温度模型9，该温度模型9计算出金属1在冷却段5中关于时间t或带材运动方向x的温度变化。有利地借助于至少一个测量值调整温度模型9。所述至少一个测量值优选地涉及对金属1温度T的测量值，借助于在冷却段5的起始端或末端处的测量器件6、6′来检测该测量值。作为替代或补充方式，也可以在冷却段5的另一个位置上实施所述测量值检测。优选设有一个计算在冷却段5中金属1的至少一种相份额Pi关于时间t和/或沿带材运动方向x变化的相变模型10。代替温度T和/或除了温度T之外，冷却段模型7和/或温度模型9也可以采用或计算出焓值或其它表征能函的参数。
相变模型10尽管在图4中为了直观起见未详细表示，但是也适用于按照图4的实施方式。相变模型10必须提供在冷却段5的至少一个位置上、优选在冷却段5的末端处的金属1的至少一种相份额Pi。
通过用于冷却段5的调节器件2的调节参数S来控制在冷却段5内冷却介质或冷却介质流的阀门位置。但是这类局部的调节参数S、亦即对布设在冷却段5之前的设备部分不起作用的调节参数在制造厚板时也可以是金属1在冷却段5中的速度v以及金属1的停留时间。
本发明思想基本总结如下：
在制造钢时为冷却段5采用相变模型10，借助于该相变模型10除了钢的温度T之外还实时地计算出沿着钢带的相份额Pi。采用了一种使卷绕在卷取装置12上的钢带的相份额Pi保持恒定的调节系统。为此采取如下方法步骤：在第一步骤中从由钢带的原始数据P中获得的数据中求出相变率、例如在多相钢情况下的铁氧体份额。在第二步骤中在带材进入到冷却段5中时，以在线控制的方式将冷却方案的一个或多个参数、即调节参数S调整为，使得在卷取装置12上已冷却的钢的铁氧体份额保持恒定。为此可以在通过多个冷却分段进行冷却时改变保持温度TH。升高该保持温度TH会使铁氧体份额降低，而降低该保持温度TH会使铁氧体份额增大。
根据按照本发明的方法已经在线地发现与额定金相结构的不同并且不再是在实验室中(磨削)测量金相结构份额之后或者在做拉伸实验时才发现。
在已知的方法中沿带材的金相份额的稳定性通过钢厂内的质量控制通常只是借助于对中间温度或卷取温度的温度记录来判断。而按照本发明的方法实现了即便在生产条件变化和金属带材速度变化时也能够沿金属带使在卷取装置12处的相份额Pi尽可能地保持恒定。具有相同原始数据P的不同金属带材之间的偏差最大程度地被排除，因为在首次测定基准相变率时不考虑设备的变化以及通过随后对所述基准相变率的调节来最大程度地补偿设备的变化。对基准相变率或者至少一种相份额Pi的首次侧定仅取决于原始数据P。后续的对基准相变率或者至少一种相份额Pi的测定要考虑在制造过程中的波动因素。如此可以制造出具有恒定质量的钢或金属1并比以前明显更可靠地满足了对金属1或钢的材料特性所提出的要求。

Claims (20)

1.一种用于制造金属(1)的方法，其中，将热成形的金属(1)在冷却段(5)中冷却，在第一步骤中借助于用于所述金属(1)的原始数据(P)利用冷却段模型(7)计算出在该冷却段(5)的至少一个位置上金属(1)的温度(T)以及至少一种相份额(Pi)，其特征在于：在第二步骤中
-在制造金属(1)期间检测至少一个测量值，
-借助于所述至少一个测量值利用所述冷却段模型(7)计算出在所述冷却段(5)的至少一个位置上所述金属(1)的至少一种预期的相份额(Pi)，
-将所述预期的相份额(Pi)与在所述第一步骤中算出的相份额(Pi)进行比较，
-将比较结果用于调整所述冷却段(5)的至少一个调节参数(S)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少一个位置处于所述冷却段(5)的末端，在所述第一和第二步骤中在该位置上计算金属(1)的至少一种相份额(Pi)。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述第二步骤中将所述预期的相份额(Pi)与一个规定的相份额(Pi)比较。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：在线地重复实施所述第二步骤。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：在所述第二步骤中，冷却段调节器(8)根据比较结果调整冷却段(5)的至少一个调节参数(S)。
6.按照权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：在所述第二步骤中
-相份额调节器(11)根据比较结果调整至少一个用于冷却段调节器(8)的额定值，以及
-所述冷却段调节器(8)在兼顾为其规定的额定值的情况下至少调整所述冷却段(5)的一个调节参数(S)。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于：至少在所述两个步骤中的一个步骤中采用温度模型(9)，该温度模型(9)计算出金属(1)在冷却段(5)中的温度变化曲线。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：借助于至少一个测量值调整所述温度模型(9)。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于：采用相变模型(10)，该相变模型计算出至少一种相份额(Pi)在冷却段(5)中的变化曲线。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于：制造多相钢。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于：在冷却段(5)中，将所述金属(1)在至少两个冷却分段(I、II、III)中冷却。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于：调整停留时间(tH)。
13.按照权利要求11或12所述的方法，其特征在于：调整保持温度(TH)。
14.按照权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于：调整至少一个用于冷却介质调节器件的调节参数(S)。
15.按照权利要求1至14中任一项所述的方法，其特征在于：在制造厚板时调整至少一个对应于所述金属(1)在冷却段(5)中速度(v)的调节参数(S)。
16.按照权利要求1至15中任一项所述的方法，其特征在于：在制造厚板时调整至少一个对应于所述金属(1)在冷却段(5)中停留时间的调节参数(S)。
17.一种用于对冷却段(5)进行控制和建模的计算装置(3)，该计算装置(3)为了实施按照上述任一项权利要求所述的方法进行编程，该计算装置具有至少一个冷却段模型(7)以及至少一个冷却段调节器(8)，其中所述冷却段模型(7)具有至少一个温度模型(9)。
18.一种用于对冷却段(5)进行控制和建模的计算装置(3)，该计算装置(3)为了实施按照上述权利要求6至16中任一项所述的方法进行编程，该计算装置具有至少一个冷却段模型(7)以及至少一个冷却段调节器(8)，其中，所述冷却段模型(7)具有至少一个温度模型(9)，以及设有用于调整所述冷却段调节器(8)的额定值的相份额调节器(11)。
19.一种具有冷却段(5)和按照权利要求17或18所述的计算装置(3)的、用于制造金属(1)的设备，其中，所述用于对冷却段(5)进行控制和建模的计算装置(3)通过相应地设计的接口与该冷却段(5)的信号发生器(6、6′)和调节器件(2)耦连。
20.一种用按照权利要求19所述的设备以及遵循按照权利要求1至16中任一项所述的方法制造的金属(1)。
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