CN1596163A - 用于连续铸造的方法 - Google Patents

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杰拉尔德·霍恩比希勒
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格哈德·F·胡布默尔
迪特马尔·奥津格
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Abstract

对于一种用于在二辊工艺中连续铸造薄金属带(1)的方法，将金属熔液(7)在形成一个熔池(6)的条件下浇铸到一个由两个铸造辊(2)以待浇铸的金属带(1)的厚度构成的浇铸缝隙(3)中。为了在浇铸的金属带中形成一定的组织和/或为了影响金属带的几何形状以描述形成一种确定的金属组织和/或形成金属带几何形状的计算模型为基础，在线计算情况下实现连续铸造，其中在线动态地、即在连续铸造期间调整连续铸造方法的影响组织形成或几何形状的变量。

Description

用于连续铸造的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在二辊工艺中连续铸造薄金属带、尤其是一种钢带的方法，钢带厚度最好小于10mm，其中金属熔液在形成一个熔池的条件下浇铸在一个由两个铸造辊以待浇铸的金属带厚度形成的浇铸缝隙中。
背景技术
在WO 95/15233和EP-B1 0 813 700以及在AT-B 408.198中描述了这种方法。前两个文献涉及到用于二辊工艺调节方法的过程模式，但是它们具有缺陷，只有在调节值偏离所传送的实际值时才可能修正地施加影响，因此首先使金属带或多或少地偏离所期望的在市场上必需具有的状态，例如在厚度、组织等方面，尽管接着进行过程模式的修正，如同在EP-B1 0 813 700中所描述的那样。
发明内容
本发明的目的是避免这些缺陷和困难并提出实现一种上述类型的连续铸造方法的任务，对于金属带，也就是说，对于不同化学组分的金属，即对于大量待浇铸的钢坯质量或钢坯品质来说，可以实现给定的质量特征，例如尤其是一种所期望的金属组织结构或一种给定的几何形状可靠性。
本发明尤其提出这个任务，避免金属带质量从一开始就持续偏差，也就是说，通过在加工步骤中建立影响方法，在加工步骤中，还不能轻而易举地断定一个确定质量的要达到的金属带的实际值或者说不能以直接的方式确定。
按照本发明这个任务由此实现，为了在浇铸的金属带中形成一种确定的组织和/或为了影响金属带的几何形状，以描述形成一定的金属组织和/或形成金属带的几何形状的计算模型为基础，在线计算情况下进行连续铸造，其中在线动态地即在连续铸造期间调整连续铸造方法的影响组织形成或几何形状的变量。
在钢带浇铸过程中，在凝固或形成组织时，铸造辊表面的结构构成一个重要的因素。这种结构被液体金属只仿型到一定程度，即，对应于铸造辊表面结构在某个的表面范围里导致较迅速地凝固而在其它的表面范围里导致延迟的凝固。按照本发明最好检测铸造辊表面结构，优选在线检测，并在考虑到由此引起的凝固和偏析条件、尤其是在初生凝固的情况下组合到计算模型中。
对于金属在铸造辊表面上凝固重要的是，对这个表面进行处理，例如通过清理、喷射、覆层、尤其是通过气体或气体混合物进行冲洗。这些气体或气体混合物使熔液或已经凝固的金属的热量传导到铸造辊，因此按照一个优选的实施例，最好在线地检测气体或气体混合物的化学组分以及份量并在必要时检测在铸造辊长度上的分布，并在考虑到由此引起的凝固和偏析条件、尤其是在初生凝固的情况下，将气体或气体混合物的化学组分以及份量及必要时在铸造辊长度上的分布组合到计算模型中。
在此按照本发明的一个优选的实施例，通过一个导热方程的解和一个描述相变动力学的方程或方程组的解，通过计算模型持续地同时计算出整个钢带的热力学状态变化，如温度的变化，并且根据所计算出的至少一个热力学状态参数调整金属带的以及在必要时铸造辊的温度调整，其中，为了仿真，要考虑到钢带的厚度、金属的化学分析以及浇铸速度，其数值最好在浇铸期间重复地检测，尤其是持续地检测厚度。
通过按照本发明的使连铸坯温度计算与计算模型耦联，该计算模型包括形成某种与时间和温度有关的金属组织，能够实现适配于影响到连续铸造的连续铸造工艺的、金属的化学分析的以及连铸坯局部温度层的变化。由此保证在金属带的其它方面(晶粒度、成相、析出)达到所期望的组织结构。
还要指出，按照本发明可以使用非常简化形式的导热方程，尽管如此，也能够在解决按照本发明的技术问题时保证足够高的精度。作为简化的导热方程满足热力学的第一主要定律。边缘条件的确定具有重要意义。
最好将一个金属的连续相变模型组合到计算模型中，尤其是按照阿夫拉米方程(Avrami)。
阿夫拉米方程以其一般形式描述了在等温条件下对于那个温度的所有扩散控制的变换过程。通过在计算模型中考虑这个方程可以完全有针对性地在钢材连续铸造时调整铁素体、珠光体和贝氏体的份量，也就是说，也考虑对于一定的温度保持时间。
有利的是，本方法的特征在于，通过一个导热方程的解和一个描述凝固期间和/或凝固之后的析出动力学、尤其是非金属和惰性金属的析出的方程或方程组的解，通过计算模型持续地同时计算出整个金属带的热力学状态变化，如温度变化，并且根据所计算出的至少一个热力学状态参数调整金属带的以及在必要时铸造辊的温度调整，其中，为了仿真，要考虑到钢带的厚度、金属的化学分析以及浇铸速度，其数值最好在浇铸期间重复地检测，尤其是持续地检测厚度。
在此有利的是，将基于自由相态能和晶核形成并使用热力学基本参数、尤其是哥珀施能(Gibb’schen Energie)的析出动力学和按照齐纳原理(Zener)的晶核生长组合到计算模型中。
按照多材料系-曲线图、如按照Fe-C-曲线图，将组织份量比例组合到计算模型中是适宜的。
将晶粒生长特性和/或晶粒形成特性组合到计算模型中是有利的，必要时在考虑金属再结晶的条件下。在此可以在计算模型中考虑一个动态的和/或延迟的和/或一个后再结晶、即以后在炉子中发生的再结晶。
作为同样影响组织形成的连续铸造的变量，将一个在输送金属带期间发生的一级或多级热轧制和/或冷轧制组合到计算模型中是有利的，由此也可以在连铸坯温度高于AC3时考虑到在连续铸造期间进行的热力学轧制、例如高温-热力学轧制。按照本发明，在钢带卷绕之后并且在低温区(如200-300℃)的减薄被视为轧制，减薄可以在线地进行，即没有事先卷绕。
此外最好也通过另一模型方程的解、尤其是通过用于粘滞-弹性-塑性材料特性的连续力学基本方程的解，通过计算模型还持续地同时计算出机械状态，如变形特性。
一个优选的实施例特征在于，通过在线计算出的引起组织再结晶的连铸坯变形，对根据份量定义的组织进行调整。
此外，在在线检测铸造辊冷却的条件下，通过铸造辊，将金属熔液和已经凝固的金属的一种热影响组合到计算模型中是适宜的。
如果将金属带的一种热影响，如冷却和/或加热组合到计算模型中也是具有优点的。在此要注意金属带边缘与中间部位之间可能存在的差别。
按照本发明的方法的一个有利变化的特征在于，将一个轧制工艺模型，最好是热轧工艺模型组合到计算模型中，其中轧制工艺模型包括轧制力计算和/或轧制弯曲力计算和/或用于专用的型材轧辊的轧制滑移计算和/或轧辊变形计算和/或用于由热引起的轧制几何尺寸变形的变形计算是适宜的。
按照本发明通过计算模型能够事先计算金属带的机械特性，如屈服点、抗拉强度、延伸率等，使得能够在确定这个预计算值与给定目标值的偏差的条件下及时地进行修正，也就是说，处于那些最佳适合的生产步骤中，即在凝固和接着的热影响或在接着的轧制、再结晶等步骤。
附图说明
下面借助于一个在附图中所示的实施例详细描述本发明，其中所示附图以示意图表示一个上述形式的连续铸造设备。
具体实施方式
为了浇铸一条薄钢带1、尤其是一条厚度在1至10mm之间的钢带，使用一个由两个相互平行且并排设置的铸造辊2构成的连铸结晶器。铸造辊2形成一个浇铸缝隙3，即所谓的“浇口点(Kissing-point)”，在该点上钢带1从连铸结晶器中排出。在浇铸缝隙3上部构成一个空间4，它由一个构成遮盖的盖板5向上屏蔽，并且该空间用于容纳一个熔池6。金属熔液7通过盖板的一个开孔8输送，一个浸入式水口穿过开孔伸入到熔池6是一直到熔池液位9的下面。铸造辊2配有一个未示出的内部冷却装置。在铸造辊2的侧面设有一个侧板，用于密封容纳熔池6的空间4。
在铸造辊2的表面10上分别形成一个连铸坯外壳，其中这些连铸坯外壳在浇铸缝隙3中，即在浇口点上合并成一条钢带1。对于以基本均匀的厚度、最好以符合标准的略微拱起最佳地形成钢带1重要的是，在浇铸缝隙3中有一种特殊的轧制力分布，例如矩形或桶形。
为了使铸造辊表面结构保持不变，可以配置一些清刷系统，其刷子可以压到铸造辊2的表面10上。
一台计算机11用于保证待浇铸的钢带1质量，在该计算机中输入机器数据、所期望的金属带规格、材料数据如钢熔液的化学分析、浇铸状态、浇铸速度、钢液进入浇铸缝隙之间的液体钢温度以及所期望的组织和必要时钢带的变形，这种变形可能是在线发生的也可能是在连续铸造设备外部发生的。计算机借助于一个包括相变动力学和晶核形成动力学的冶金学计算模型并借助于一个能够基于导热方程的解实现温度分析的热学计算模型计算出不同的影响热钢带质量的参数、如钢熔液和/或钢带的温度影响以及其它的铸造辊的内部冷却、铸造辊的气体负荷、通过在示例中在线设置的轧机机架12的变形率、以及必要时用于卷筒13的卷绕条件等等。
按照本发明所使用的计算模型主要基于一个钢带铸造模型和一个轧制模型。前者包括铸造辊模型、凝固模型、偏析模型、初生组织模型、相变模型和析出模型。轧制模型包括热物理模型、相变模型、热轧模型、析出模型、再结晶模型和晶粒度模型以及用于预测机械晶粒度的模型。
铸造辊表面10的结构对于在铸造辊2上的最初凝固起决定作用。在此铸造辊2的表面轮廓被钢液7仿型，但是只到一定的程度。在此由于钢液7的表面应力经常产生过度的“低谷”，在低谷中存有介质(如气体)。因为气体减少从钢液7到铸造辊2的热量排出，因此使凝固延迟。
充分利用在专门实现的铸造辊表面10与不同的气体混合物之间的共同作用，以调整一个适合于浇铸过程的温度。为此必需精确的认识和描述铸造辊表面10的构造。这一点通过在完成表面加工之后在多点上(理想的方式是在轴向上多次地、例如通过高度敏感的检测触头)检测铸造辊表面而实现。将这样获得的表面轮廓过滤并分成等级。
对于每个等级，离线地通过流体仿真和试验确定热转变度并由此为每个表面等级配设一个确定的热流分布。将这个热流/温度分布传递给后置的程序部分。
通过调整铸造辊温度，可以实现(积分的)热流的一种预调整。这一点又由铸造辊材料、冷却水温度和冷却水量确定。
因此这个计算模型的第一步骤包括，描述铸造辊表面的状态并计算出所属的热转变度(表面“山峰”、充满气体的“低谷”、转变区)并分成等级(模糊识别)以及将各自的温度传送出去。
在第二步骤中，计算出对于不同等级的初生凝固。为此事先在试验中借助于凝固试验确定初生凝固(枝晶生长、枝晶取向、枝晶长度、枝状晶臂间距)同时通过仿真计算结合温度模型(或通过使用一个统计模型＝晶胞自动装置(zellularen Automaten))进行验算。这个步骤的目的是计算枝晶的尺寸分布和生长方向。
在这个步骤中，(几乎)平行生长的枝晶组合成了晶粒。这个步骤的结果是估计晶粒度分布和可能的形状系数(长/宽)。
一个偏析模型和一个析出模型用于确定偏析和析出。最后结合用于各钢带位置的温度模型确定析出过程的程度，该程度被模糊识别。
通过一个与温度模型一起确定和模糊识别所产生的组织应力的机械模型，能够预测裂纹形成。
将所有参数传送到一个轧制模型，其目的是，就组织、机械参数以及在出口部件中的冷却条件和几何参数，如平整度进行预测。
将所有模糊识别参数传送到一个在线计算模型，它借助于持续一起运行的温度模型确定钢带1的实际条件并在必要时通过控制回路对控制参数施加影响。
从已经生产的钢带再推导出质量特征并存储并与加工参数有关。在一个自学习循环中提出新的工艺参数建议。
例如对于可以用于按照本发明的计算模型，可以在奥地利专利申请A972/2000中找到。

Claims (21)

1.一种用于在二辊工艺中连续铸造薄金属带(1)、尤其是厚度最好小于10mm的钢带的方法，其中，金属熔液(7)在形成一个熔池(6)的条件下浇铸到一个由两个铸造辊(2)以待浇铸的金属带(1)的厚度构成的浇铸缝隙(3)中，其特征在于，为了在浇铸的金属带中形成一种确定的组织和/或为了影响金属带的几何形状，以描述形成一定的金属组织和/或形成金属带的几何形状的计算模型为基础，在在线计算情况下进行连续铸造，其中在线动态地即在连续铸造期间调整连续铸造方法的影响组织形成或几何形状的变量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测铸造辊的表面结构，优选在线检测，并在考虑到由此引起的凝固和偏析条件情况下，尤其是在初生凝固的情况下，将铸造辊的表面结构组合到计算模型中。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在熔池(6)上方用一种气体或气体混合物冲洗铸造辊(2)的表面(10)并检测最好在线地检测气体或气体混合物的化学组分以及份量并在必要时检测在铸造辊长度上的分布，并在考虑到由此引起的凝固和偏析条件情况下、尤其是在初生凝固的情况下，将气体或气体混合物的化学组分以及份量及必要时在铸造辊长度上的分布组合到计算模型中。
4.如权利要求1至3中任一项或几项所述的方法，其特征在于，通过一个导热方程的解和一个描述相变动力学的方程或方程组的解，通过计算模型持续地同时计算出整个钢带的热力学状态变化，如温度的变化，并且根据所计算出的至少一个热力学状态参数调整金属带的以及必要时铸造辊的温度调整，其中，为了仿真，要考虑到钢带的厚度、金属的化学分析以及浇铸速度，其数值最好在浇铸期间重复地检测，尤其是持续地检测厚度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将金属的一个连续相变模型组合到计算模型中，尤其是按照阿夫拉米方程。
6.如权利要求1至5中任一项或几项所述的方法，其特征在于，通过一个导热方程的解和一个描述凝固期间和/或凝固之后的析出动力学的、尤其是非金属和惰性金属的析出的方程或方程组的解，通过计算模型持续地同时计算出整个金属带的热力学状态变化，如温度变化，并且根据所计算出的至少一个热力学状态参数调整金属带的以及必要时铸造辊的温度调整，其中，为了仿真，要考虑到钢带的厚度、金属的化学分析以及浇铸速度，其数值最好在浇铸期间重复地检测，尤其是持续地检测厚度。
7.如权利要求1至6中任一项或几项所述的方法，其特征在于，将基于自由相态能和晶核形成并使用热力学基本参数、尤其是哥珀施能的析出动力学和按照齐纳原理的晶核生长组合到计算模型中。
8.如权利要求1至7中任一项或几项所述的方法，其特征在于，按照多材料系-曲线图、如按照Fe-C-曲线图，将组织份量比例组合到计算模型中。
9.如权利要求1至8中任一项或几项所述的方法，其特征在于，将晶粒生长特性和/或晶粒形成特性组合到计算模型中，必要时在考虑金属再结晶的条件下。
10.如权利要求1至9中任一项或几项所述的方法，其特征在于，作为影响组织形成的连续铸造的变量，将一个在输送金属带期间发生的一级或多级热轧制和/或冷轧制组合到计算模型中。
11.如权利要求1至10中任一项或几项所述的方法，其特征在于，通过另一模型方程的解、尤其是通过用于粘滞-弹性-塑性材料特性的连续力学基本方程的解，通过计算模型还持续地同时计算出机械状态，如变形特性。
12.如权利要求1至11中任一项或几项所述的方法，其特征在于，通过在线计算出的引起组织再结晶的连铸坯变形，对根据份量定义的组织进行调整。
13.如权利要求1至12中任一项或几项所述的方法，其特征在于，在在线检测铸造辊冷却的条件下，通过铸造辊，将金属熔液和已经凝固的金属的一种热影响组合到计算模型中。
14.如权利要求1至13中任一项或几项所述的方法，其特征在于，将金属带的一种热影响，如冷却和/或加热组合到计算模型中。
15.如权利要求1至14中任一项或几项所述的方法，其特征在于，将一个轧制工艺模型，最好是热轧工艺模型组合到计算模型中。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述轧制工艺模型组合了一种轧制力计算。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述轧制工艺模型组合了一种轧制弯曲力计算。
18.如权利要求15至17中任一项或几项所述的方法，其特征在于，所述轧制工艺模型组合了一种用于型材轧辊的轧制滑移计算。
19.如权利要求15至18中任一项或几项所述的方法，其特征在于，所述轧制工艺模型组合了一种轧制变形计算。
20.如权利要求15至19中任一项或几项所述的方法，其特征在于，所述轧制工艺模型组合了一种用于由热引起的轧辊几何变形的变形计算。
21.如权利要求1至20中任一项或几项所述的方法，其特征在于，通过计算模型，持续地同时计算出金属带的机械特性，如屈服点、抗拉强度、延伸率或者计算出至少用于钢带铸造过程结束的。
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