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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges, bei dem der Metallstrang aus einer Kokille austritt und nachfolgenden Bearbeitungsoperationen unterzogen wird, wobei mindestens eine der nachfolgenden Bearbeitungsoperationen ein Kühlen des Metallstrangs in einer Sprühkammer, insbesondere in einer Intensivkühlkammer, mit einem Kühlmedium ist, bei dem Kühlmedium über mindestens ein einstellbares Sprühelement auf die Oberfläche des Metallstrangs geleitet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Stranggießen eines Metallstrangs.
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Ein solches Verfahren und die entsprechende Vorrichtung werden in Stranggießanlagen insbesondere für die Herstellung von Dünnbrammen, Dickbrammen, Vorblöcken, Knüppeln und Beamblanks eingesetzt.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus der
EP 1 414 603 B1 bekannt. Dort wird ein im Stranggießverfahren hergestellter Metallstrang einer Kühlung in einer Kühlkammer unterzogen, indem Hochdruck-Wassersprühstrahlen auf die Oberfläche des Metallstrangs geleitet werden. Um die Kühlleistung der Kühlkammer an die benötigten Verhältnisse anzupassen, ist unter anderem vorgesehen, dass die Wassermenge und der Wasserdruck nach der aktuellen Strangtransport-Geschwindigkeit gesteuert bzw. geregelt werden.
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Eine Anpassung der Kühlleistung an den zu kühlenden Metallstrang offenbart auch die
US 5 634 512 A. Dort ist vorgesehen, dass die auf den Metallstrang auszubringende Kühlmittelmenge pro Zeit in Abhängigkeit der Dimension, d. h. der Größe des Metallstrangs eingestellt wird.
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In der
EP 1 550 523 A1 erfolgt eine Anpassung der Aufgabe von Kühlmedium in einer Sekundärkühlung, wobei die aktuelle Gießaufgabe bzw. Stahlsorte oder Schwierigkeiten während des Gießprozesses der Anpassung zugrunde gelegt werden.
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Die
WO 2005/120747 A1 offenbart, die Kühlung des Metallstrangs zur Ausbildung eines bestimmten Gefüges zu beeinflussen. Um ein insbesondere rissfreies Gefüge zu erhalten, wird ein Rechenmodell eingesetzt, das die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie beschreibt. Einen ähnlichen Offenbarungsgehalt hat auch die
EP 1 289 691 B1 , wo ein gewünschtes Gefüge des Metallstrangs angestrebt wird. Zur Steuerung der Kühlmitteldüsen wird ein Simulationsmodell eingesetzt, mit dem online eine optimale Einstellung der Düsen ermittelt wird.
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In der
EP 0 650 790 B1 ist beschrieben, dass die Kühlung eines Metallstrangs durch eine Leiteinheit gesteuert wird, wobei zur Steuerung die Geschwindigkeit des Metallstrangs berücksichtigt wird. Einfluss genommen wird insbesondere auf die Flussrate des Kühlmittels und hier insbesondere auf den Druck desselben, mit dem es aus Kühldüsen ausgebracht wird.
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Mit den vorbekannten Maßnahmen kann erreicht werden, dass eine gezielte Gefügeumwandlung in einer schmalen Randschicht des vergossenen Stranges in einer Stranggießanlage erfolgen kann, indem auf die intensive Abkühlung dieser Randschicht im Bereich einer kurzen Kühlstrecke Einfluss genommen wird. Die Kühleinrichtungen können insbesondere entweder innerhalb der Strangführungssegmente der Stranggießanlage und/oder zwischen dem letzten Segment und einer Trenneinrichtung, z. B. einer Brennschneidemaschine oder einer Schere, angeordnet sein.
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Bei dem Abkühlprozess können aufgrund ungleichmäßiger Temperaturverhältnisse zwischen der Ober- und Unterseite des Metallstrangs und der damit verbundenen ungleichmäßigen Gefügeumwandlung Spannungen im Metallstrang entstehen, die zu einer Deformation desselben führen können. Diese Deformationen, die sich als Durchbiegungen um die Querachse und um die Längsachse des Metallstrangs darstellen können, können sehr nachteilig sein.
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Insbesondere treten im Falle einer mangelhaften Einstellung der intensiven Kühlung des Metallstranges Deformationen auf, die im Extremfall die weitere Produktion unmöglich machen, zumindest aber behindern. Des Weiteren müssen deformierte Metallstränge im Extremfall als Schrott aussortiert werden. Damit kann also die Produktion erheblich gestört werden, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens entsprechend negativ beeinflusst.
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Die
JP S53 122 624 A offenbart eine Lösung, bei der ein senkrecht aus einer Kokille austretender Metallstrang auf beiden Seiten mit Kühlwasser besprüht wird, wobei die Steuerung der Aufbringung des Kühlwassers so erfolgt, dass die Abweichung des Strangs aus der Vertikalen möglichst gering ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen, mit dem bzw. mit der es möglich wird, die Deformationen des Metallstranges, die aufgrund mangelhafter Einstellung der Wassermengen der Kühlung, insbesondere der Intensivkühlung, entstehen können, effizient zu verhindern und so die Qualität des Metallstrangs zu verbessern. Dies soll in der Folge eine entsprechend positive Beeinflussung der Wirtschaftlichkeit der Herstellung des Metallstrangs hervorrufen.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrenstechnisch dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Sprühelemente, insbesondere in Bezug auf die auszubringende Menge an Kühlmedium pro Zeit, umfasst:
- a) Vermessung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs in Förderrichtung hinter der Sprühkammer, wobei die Sprühkammer an einem Ort der Stranggießanlage angeordnet ist, an der der Metallstrang, nachdem er vertikal nach unten aus der Kokille ausgetreten ist, vollständig in die Horizontale umgelenkt ist;
- b) Zuleiten der ermittelten geometrischen Kenngröße in ein Rechenmittel;
- c) Berechnung einer optimalen Einstellung, insbesondere der auszubringenden Menge an Kühlmedium pro Zeit durch das mindestens eine Sprühelement, im Rechenmittel, so dass eine vorgegebene geometrische Kenngröße eingehalten wird;
- d) Einstellen des mindestens einen Sprühelements gemäß der im Rechenmittel ermittelten Einstellung.
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In dem Rechenmittel erfolgt vorzugsweise eine online-Berechnung eines Simulationsmodells zur Ermittlung einer optimalen Einstellung des mindestens einen Sprühelements. Die online-Berechnung kann dabei weiterhin die Zugrundelegung der Ergebnisse einer offline-Berechnung zur Ermittlung einer optimalen Einstellung des mindestens einen Sprühelements umfassen.
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Angestrebt wird primär eine möglichst ebene Gestalt des Metallstrangs. Daher handelt es sich bei der gemäß Schritt a) gemessenen geometrischen Kenngröße des Metallstrangs insbesondere um eine Krümmung des Metallstrangs um eine in Förderrichtung weisende Achse. Alternativ oder additiv kann auch vorgesehen werden, dass die gemäß Schritt a) gemessene geometrische Kenngröße des Metallstrangs eine Krümmung des Metallstrangs um eine horizontale und/oder vertikale Achse ist, die senkrecht zu der in Förderrichtung weisenden Achse ist.
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Weiterhin kann die gemäß Schritt a) gemessene geometrische Kenngröße des Metallstrangs auch ein Teil der Oberflächentopographie des Metallstranges sein.
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Bei obigem Schritt a) kann zusätzlich die Vermessung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs in Förderrichtung vor der Sprühkammer erfolgen, wobei wiederum insbesondere die genannten Kenngrößen vorteilhaft sind.
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Zusätzlich zur Vermessung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs kann die Temperatur in Förderrichtung vor, in oder hinter der Sprühkammer gemessen werden und die Verfahrensabfolge entsprechend für die gemessene Temperatur durchgeführt werden. Die Temperaturermittlung erfolgt dabei bevorzugt an allen Stellen, die mit Kühlmedium beaufschlagt werden.
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Zusätzlich zur Vermessung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs kann weiterhin der Gefügezustand des Metallstrangs ermittelt werden und die Verfahrensabfolge entsprechend für den Gefügezustand durchgeführt werden. Der Gefügezustand des Metallstrangs wird dabei bevorzugt durch periodisch erfolgende Stahlanalysen ermittelt.
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Die gemäß obigem Schritt d) vorgenommene Einstellung umfasst dabei bevorzugt die Vorgabe der auszubringenden Mengen Kühlwassers pro Zeit an einer Vielzahl von Sprühelementen.
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Die Vorrichtung zum Stranggießen eines Metallstranges, die eine Kokille umfasst, aus der der Metallstrang austritt, sowie nachfolgende Bearbeitungsstationen, wobei mindestens eine der nachfolgenden Bearbeitungsstationen eine Sprühkammer, insbesondere eine Intensivkühlkammer, ist, in der ein Kühlen des Metallstrangs mit einem Kühlmedium erfolgen kann, das über mindestens ein einstellbares Sprühelement auf die Oberfläche des Metallstrangs ausgebracht wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Vorrichtung Mittel zur Erfassung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs aufweist, die in Förderrichtung hinter der Sprühkammer angeordnet sind, wobei die Sprühkammer an einem Ort der Stranggießanlage angeordnet ist, an der der Metallstrang, nachdem er vertikal nach unten aus der Kokille ausgetreten ist, vollständig in die Horizontale umgelenkt ist, sowie ein Rechenmittel, das mit den Mitteln zur Erfassung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs in Verbindung steht, wobei das Rechenmittel mit dem mindestens einen Sprühelement in Wirkverbindung steht, um mindestens einen Parameter des mindestens einen Sprühelements, insbesondere die auszubringende Menge an Kühlmedium pro Zeit durch das mindestens eine Sprühelement, zu beeinflussen.
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Die Mittel zur Erfassung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs sind dabei bevorzugt zur Feststellung einer Krümmung des Metallstrangs um eine in Förderrichtung weisende Achse ausgebildet. Vorgesehen kann auch sein, dass die Mittel zur Erfassung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs zur Feststellung einer Krümmung des Metallstrangs um eine horizontale und/oder vertikale Achse ausgebildet sind, die senkrecht zu der in Förderrichtung weisenden Achse ist.
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Die Mittel zur Erfassung zumindest einer geometrischen Kenngröße des Metallstrangs können auch zur Erfassung eines Teils der Oberflächentopographie des Metallstrangs ausgebildet sein.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die Ausbringung von Kühlmedium auf den Metallstrang so zu beeinflussen, dass eine verbesserte Planheit des Stranges nach der Kühlung erzielt wird.
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Es kann auch eine von den Temperaturverhältnissen und/oder von der Temperaturhistorie des Metallstranges abhängige und eine von den Produktformaten unabhängige Regelung der Wassermengen zur Intensivkühlung vorgesehen werden.
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Bevorzugt ist ein rechnergestütztes Berechnungsmodell zur Bestimmung der optimalen Verteilung der Spritzwassermengen zur Intensivkühlung, das aus einem Online- und einem Offline-Modell besteht.
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Begünstigt wird das vorgeschlagene Verfahren, wenn ergänzend eine Temperaturmessung mittels einer Temperaturmesseinrichtung erfolgt, die vor, hinter und/oder innerhalb der Einrichtung zur Intensivkühlung angeordnet sein kann, und zwar an jeder der mit Kühlmittel beaufschlagten Seiten. Die Ermittlung der Strangtemperaturen kann mit Hilfe eines Berechnungsmodells erfolgen, und zwar vor, während und/oder nach der Intensivkühlphase. Auch die Ermittlung der Temperaturhistorie kann mit Hilfe von Temperaturmesseinrichtungen und/oder mit Hilfe eines Berechnungsmodells erfolgen. Weiterhin kann die Berücksichtigung des Gefügezustand und der Gefügeumwandlungshistorie in Abhängigkeit der Stahlanalyse und der ermittelten Temperaturen erfolgen.
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Wesentlich ist aber die Ermittlung der tatsächlichen Deformation des Metallstranges hinter der Einrichtung zur Intensivkühlung und deren Berücksichtigung in einem Berechnungsmodell.
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In vorteilhafter Weise kann damit erreicht werden, dass eine Optimierung der Temperatureindringtiefe während der Intensivkühlung erfolgt. Es können Produktionsbehinderungen und entsprechender Ausschuss vermieden werden. Sehr vorteilhaft ist ferner, dass die Richtarbeit reduziert werden kann und die hierzu erforderlichen Einrichtungen in der Weiterverarbeitung des Metallstranges. Auch wird der Energiebedarf minimiert. Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet schließlich in vorteilhafter Weise unabhängig von den Abmessungen des Metallstrangs.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- 1 schematisch die Seitenansicht einer Stranggießanlage,
- 2 einen schematischen Ablaufplan für die Kombination eines offline- und eines online-Rechenmodells,
- 3 einen weiteren schematischen Ablaufplan für das Zusammenwirken eines offline- und eines online-Rechenmodells und
- 4 einen schematischen Plan für die Datenversorgung eines Rechenmodells.
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In 1 ist eine Stranggießanlage skizziert, mit der ein Metallstrang 1 hergestellt wird. Dargestellt ist nur der Bereich der Stranggießanlage von einer Kokille 2 bis zu dem Ort, an dem der vertikal aus der Kokille 2 austretende Metallstrang 1 in die Horizontale umgeleitet ist, was in bekannter Weise durch entsprechende Strangführungsrollen erfolgt. Nachdem der Metallstrang 1 die Horizontale erreicht hat, gelangt er in eine Intensivkühlkammer 3 in der in bekannter Weise Sprühelemente 4 angeordnet sind, mit denen ein Kühlmedium in Form von Wasser auf die Oberfläche des Metallstrangs 1 aufgebracht werden kann. Der Metallstrang 1 wird in eine Förderrichtung F gefördert. In dieser Richtung liegt auch eine Längsachse z des Metallstrangs 1. Eine quer und horizontal zur Längsachse z liegende Achse ist mit y bezeichnet; eine quer und vertikal zur Längsachse z liegende Achse ist mit x bezeichnet.
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Wesentlich ist, dass in Förderrichtung F hinter der Intensivkühlkammer 3 eine geometrische Vermessung des Metallstrangs 1 erfolgt. Hierfür sind Mittel 6 zur Erfassung zumindest einer geometrischen Kenngröße G des Metallstrangs hinter der Intensivkühlkammer 3 vorgesehen. Es kann sich hierbei um berührungslos arbeitende Sensoren handeln, die die Oberflächentopographie des Metallstrang 1 aufnehmen und die gemessenen Werte zu einem Rechenmittel 5 leiten.
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Wird mit den Mitteln 6 die Oberfläche des Metallstrangs 1 abgetastet, ist es im Rechenmittel 5 möglich, aus diesen Daten auf Verzüge, d. h. Krümmungen des Metallstrangs 1 zu schließen, die um alle drei Achsen x, y und z vorliegen können. In jedem Falle sollen diese Verzüge bzw. Krümmungen so gering wie möglich sein. Unter Nutzung eines Rechenmodells im Rechenmittel 5 kann bestimmt werden, wie die Sprühelemente 4 angesteuert werden müssen, d. h. wie viel Kühlwasser pro Zeit mit welchem Druck aus den einzelnen Sprühelementen ausgebracht werden muss, um minimale Verzüge zu erreichen. Als Sollwerte werden die geometrischen Kenngrößen G0 den Rechenmitteln 5 vorgegeben, d. h. Sollwerte, die möglichst eingehalten werden sollen.
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Ergänzt werden kann diese Vorgehensweise noch durch die Erfassung von Temperaturen des Metallstrangs 1, was durch die in 1 skizzierten Temperatursensoren 7 angedeutet ist. Der in Förderrichtung F vor der Intensivkühlkammer 3 angeordnete Temperatursensor 7 erfasst die Temperatur Tv vor der Kammer, der in Förderrichtung F hinter der Intensivkühlkammer 3 positionierte Sensor 7 misst die Temperatur TH hinter der Kammer. Die jeweiligen Messwerte werden in die Rechenmittel 5 eingespeist und bei dem dort ablaufenden Rechenmodell entsprechend berücksichtigt.
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Die Berechnung in den Rechenmitteln 5 erfolgt vorliegend aus einer Kombination eines offline- und eines online-Rechenmodells. Details hierzu sind in den 2 bis 4 angegeben.
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Inhalt des Rechenmodells für die Regelung der Sprühelemente können instationäre Temperaturfeldberechnungen, Gefügeberechnungen mit Korngrößenwachstum und Umwandlungen und Verformungsberechnungen infolge thermischer und Umwandlungsspannungen sein.
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Das Ziel der Minimierung der Temperatureindringtiefe, entsprechend der Werkstoffanalyse, führt zu einer geringeren Gefahr einer Deformation des Strangs, zu einem geringeren Energiebedarf für die anschließende Erwärmung und zu einer Unabhängigkeit von den Strangabmessungen.
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Das offline-Rechenmodell kann durch die Festlegung eines Kühlprogramms für die Intensivkühlung gekennzeichnet sein. Hierbei kann die Tiefe (Dicke) des umzuwandelnden Gefüges an der Strangoberfläche nach Erfahrungswerten, gemäß Berechnungen mit einem entsprechenden Zunderwachstums-, Diffusions- und Ausscheidungsmodell oder gemäß Vorgaben aus der Literatur festgelegt werden.
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Die Ermittlung der Tiefe des umzuwandelnden Gefüges an der Strangoberfläche kann mit dem offline-Modell unter den Annahmen von Soll-Prozessdaten des Stranggießprozesses und der Anlagenparameter der Intensivkühleinheit erfolgen, weiterhin durch die Berechnung des Kühlprogramms für die Intensivkühlung unter Berücksichtigung der Wasser- und Luftdrücke, der Wassermenge, der Verteilung für die Ober- und Unterseite, die Verteilung der Wassermengen über die Länge der Kühlstrecke und die Düsenanstellungen.
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Das online-Vorsteuer-Modell für die Intensivkühlung an der Stranggießanlage selber stellt dann ab auf die Korrektur des mit dem offline-Modell für die Intensivkühlstrecke ermittelten Kühlprogramms bei abweichenden gemessenen Ist-Werten während des Gießprozesses.
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Die Regelung der Intensivkühlung per online-Modell an der Stranggießanlage erfolgt dann zunächst durch Vorgabe einer Zielgröße, wobei die Oberflächentemperatur an der Ober- und an der Unterseite des Metallstranges, das Temperaturprofil in der Bramme und/oder die Dicke des umgewandelten Gefüges an der Strangrandzone relevant sein kann.
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Dann erfolgen die Messung der Ist-Prozessparameter und die Regelung vorzugsweise entsprechend der folgenden Prioritäten:
- Priorität 1: Unzulässige Deformationen (z. B. durch einseitige Änderung der Wassermenge bzw. des Luft-Wassergemisches für die Ober- und Unterseite des Metallstrangs).
- Priorität 2: Unzureichende Tiefe des umgewandelten Gefüges (z. B. durch Änderung der Wassermenge bzw. des Luft-Wassergemisches für die Ober- und Unterseite des Metallstrangs).
- Priorität 3: Abweichendes Temperaturprofil (Ändern der Wassermengenverteilung über die Kühlstreckenlänge).
- Priorität 4: Abweichende Temperaturen (Ändern der Wassermenge bzw. des Luft-Wassergemisches für die Ober- und Unterseite des Metallstrangs).
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In den 2 bis 4 ist dieses Vorgehen noch einmal graphisch illustriert und durch Angabe weiterer Faktoren ergänzt.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Metallstrang
- 2
- Kokille
- 3
- Sprühkammer (Intensivkühlkammer)
- 4
- Sprühelement
- 5
- Rechenmittel
- 6
- Mittel zur Erfassung zumindest einer geometrischen Kenngröße
- 7
- Temperatursensor
- F
- Förderrichtung
- G
- geometrische Kenngröße
- G0
- vorgegebene geometrische Kenngröße
- x
- Achse
- y
- Achse
- z
- Achse
- TV
- Temperatur vor der Sprühkammer
- TH
- Temperatur hinter der Sprühkammer
