DE102009051955A1

DE102009051955A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Erstarrung eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage beim Anfahren des Gießprozesses

Info

Publication number: DE102009051955A1
Application number: DE102009051955A
Authority: DE
Inventors: Uwe Plociennik
Original assignee: SMS Siemag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2010-05-06
Also published as: RU2011122594A; US20110213486A1; CN102216003A; RU2492023C2; WO2010051981A1; EP2346631A1; EP2346631B1

Abstract

Ein Verfahren zum Gießen eines Gießstrangs (4) in einer mit einem Prozessrechner ausgestatteten Stranggießanlage mit mindestens einer Gießmaschine, wobei der Prozessrechner eine erste Software (2) umfasst, die in Echtzeit rechnet und den Gießprozess regelt, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite zusätzliche, schnell rechnende Software (1) in dem Prozessrechner den Gießprozess während der Anfangsphase eines neu einsetzenden Gießprozesses oder bei einer Parameteränderung des zu gießenden Gießstrangs während des laufenden Prozesses beeinflusst, indem die zweite Software (1) aktuell gewonnene Daten aus dem laufenden Gießprozess und/oder gespeicherte Daten aus einer Datenbank (8) verarbeitet und Korrekturfaktoren erzeugt, mit deren Hilfe die zweite Software (1) korrigierte Solldaten für den Gießprozess erzeugt, bis zu dem Zeitpunkt, ab dem der Gießprozess mit den in Echtzeit errechneten Daten vollständig dargestellt wird und die erste Software (2) ausschließlich mit diesen Daten den Gießprozess regelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gießen eines Gießstrangs in einer mit einem Prozessrechner ausgestatteten Stranggießanlage mit mindestens einer Gießmaschine, wobei der Prozessrechner eine erste Software umfasst, die in Echtzeit rechnet und den Gießprozess regelt.
Beim Stranggießen von Stahl wird die Erstarrung durch die Primärkühlung des Stahls in der Kokille und die Sekundärkühlung im Bereich der Strangführung erreicht. Innerhalb der Strangführung wird Wasser oder ein Wasser-Luft-Gemisch unter Druck in den zwischen den Strangführungsrollen freibleibenden Bereichen direkt auf die Strangschale gespritzt; dadurch wird dem Strang Wärme entzogen. Der Verlauf der Erstarrung lässt sich in verschiedene Phasen einteilen. In der Kokille erstarrt zunächst eine dünne Strangschale mit einer Stärke von einigen Millimetern, die sich durch ein feinkörniges Gefüge auszeichnet. Wegen der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit können Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung durch Diffusion praktisch nicht ausgeglichen werden. Deshalb weicht die Zusammensetzung der Legierungselemente in der Strangschale von den Anteilen der jeweiligen Elemente in der Schmelze ab. Beispielsweise reichern sich einige Elemente in der Schmelze an.
Mit zunehmender Dicke der Strangschale verschlechtert sich der Wärmetransport vom flüssigen Stahl im Strangkern durch die Strangschale nach außen. Es beginnt eine Phase der gerichteten dendritischen Erstarrung, wobei die Hauptachsen der Dendriten entlang der Wärmeflussrichtung ausgerichtet sind. Auch hier ist die Erstarrungsgeschwindigkeit noch so hoch, dass sich einige Legierungselemente in der Restschmelze weiter anreichern. Ein Teil der angereicherten Schmelze bleibt zwischen den Dendritenarmen zurück, so dass sich die chemische Zusammensetzung der erstarrten Strangschale innerhalb kurzer Abstände ändern kann. In Abhängigkeit von der Fließfähigkeit der erstarrenden Restschmelze verhindern die geometrischen Verhältnisse zwischen den wachsenden Strangschalen ab einem bestimmten Zeitpunkt, d. h. bei Erreichen des sogenannten kritischen Sumpfdurchmessers, den weiteren Austausch der Schmelze. Mit dem Verfahren der Weichreduktion, der sogenannten „Soff Reduction”, wie sie beispielsweise bereits aus der EP 0 450 391 B1 bekannt ist, steht jedoch eine Methode zur Verminderung unerwünschter Seigerungseffekte zur Verfügung. Hierbei wird die Strangdicke im Bereich der Enderstarrung durch äußere Kräfte zusätzlich zur thermischen Schrumpfung reduziert, um so die verstärkte Volumenreduktion des flüssigen Strangkerns auszugleichen und das Ansaugen angereicherter Restschmelze zu verhindern.
Aus dem Aufsatz „Soft Reduction von Knüppeln auf der Stranggießanlage S0 der Saarstahl AG" (stahl und eisen 127 (2007) Nr. 2, Seiten 43–50, ist ein Verfahren bekannt, durch das mit geringem Aufwand die Wirkung der Soft Reduction, d. h. der Weichreduktion, auf die Innenqualität des Gießstrangs beurteilt werden kann. Dazu werden im Bereich der Sekundärkühlung alle diejenigen Rollen angehoben, die an der Soft Reduction beteiligt sind oder sich hinter dem Bereich der Soft Reduction befinden. Aus diesem Aufsatz ist es ferner bekannt, mit Hilfe mathematisch-physikalischer Modelle die Temperatur, die Sumpfspitze oder die Position des kritischen Sumpfdurchmessers zu regeln. Stellgrößen für die Regelvorgänge sind die Wassermenge der Sekundärkühlung und die Gießgeschwindigkeit.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Produktivität bei der Herstellung eines Gießstrangs zu verbessern, indem schon, nachdem erst wenige Meter einer Brammen, eines Vorblocks oder Knüppels eines Metallstrangs gegossen worden sind, die gewünschten Materialbedingungen eingehalten werden.
Erfindungsgemäß wird dieser Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine zweite zusätzliche, schnell rechnende Software in dem Prozessrechner den Gießprozess während der Anfangsphase eines neu einsetzenden Gießprozesses oder bei einer Parameteränderung des zu gießenden Gießstrangs während des laufenden Prozesses beeinflusst, indem die zweite Software aktuell gewonnene Daten aus dem laufenden Gießprozess und/oder gespeicherte Daten aus einer Datenbank verarbeitet und Korrekturfaktoren erzeugt, mit deren Hilfe die zweite Software korrigierte Solldaten für den Gießprozess erzeugt, bis zu dem Zeitpunkt, ab dem der Gießprozess mit den in Echtzeit errechneten Daten vollständig dargestellt wird und die erste Software ausschließlich mit diesen Daten den Gießprozess regelt.
Auf diese Weise gelingt es, die Länge des üblicherweise als nicht verwertbar verworfenen Strangmaterials zu reduzieren, insbesondere in der Anfahrphase des Gießprozesses. Herkömmlich ist oft eine Stranglänge von bis zu 25 m einer Bramme oder eines Vorblocks nicht verwertbar. Berücksichtigt man, dass vielfach bis zu sechs Stränge von Vorblöcken oder zwei Stränge von Brammen parallel gegossen und gerichtet werden, ergibt sich daraus nach dem Stand der Technik ein Verlust einer gesamten Vorblocklänge von 150 m, der durch die Erfindung vermieden wird.
Da man jedoch in der Anfahrphase mindestens die Länge des Bereichs der Sekundärkühlung des Gießstrangs benötigt, bis die für die reguläre Ermittlung der Solldaten, wie beispielsweise der Menge des Kühlwassers, eingesetzte, in Echt zeit rechnende erste Software des Anlagenrechners die Regelgröße überprüfen kann, und da weitere Zeit vergeht, bis die Regelgröße eingehalten werden kann, wird gemäß der Erfindung eine zweite Software in demselben Anlagenrechner eingesetzt, um auf diese Weise die erforderlichen Regelparameter von außen zuführen zu können, so dass im Unterschied zum Stand der Technik nahezu ab Beginn des Gießprozesses, d. h. ab dem Entstehen eines Gießstrangs unterhalb der Gießkokille, kein nicht verwertbares Strangmaterial mehr anfällt. Durch die Erfindung wird die Produktivität gesteigert, indem schon in den ersten gegossenen Metern die für den laufenden Betrieb vorgegebenen Werte oder Wertbereiche des gegossenen Strangs eingehalten werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass parallel zu der in Echtzeit rechnenden ersten Software eine weitere Software installiert wird, die schnell rechnende zweite Software zur Erzeugung der Solldaten zu Prozessbeginn oder beim Wechsel von Prozessparametern, wie der Dicke und Breite des Gießstrangs.
Die Aufgabe der zweiten Software besteht darin, mit den Prozessparametern und den Sollgrößen (Soll-Temperatur, Soll-Position des kritischen Sumpfdurchmessers oder der Soll-Sumpfspitze) beim Gießstart oder beim Einschalten der Regelung schon die notwendigen Kühlmittelmengen (Wassermengen) zu ermitteln. Dies ist besonders wichtig, da die Sollgrößen stark von den aktuellen Prozessparametern wie der Ist-Analyse, der Überhitzung der Schmelze, der aktuellen Kühlmitteltemperatur des Kühlmittels (Wasser) der Sekundärkühlung und der Wärmeabfuhr in der Kokille beeinflusst werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der einzigen Figur.
Vorzugsweise verwendet die zweite Software sowohl Prozessparameter als auch Sollgrößen des Gießprozesses.
In vorteilhafter Weise werden als Sollgrößen die Soll-Gießgeschwindigkeit, insbesondere bei größeren Strangquerschnitten des Gießstrangs, die Soll-Temperatur des Gießstrangs an einer vorgegebenen Position oder die Solltemperaturen an mehreren vorgegebenen Positionen, insbesondere an der Oberfläche, die Soll-Position des kritischen Sumpfdurchmessers (CMD)(CMD = critical mushy diameter) und/oder die Soll-Sumpfspitze des Gießstrangs im Bereich des Ausgangs der Gießmaschine eingesetzt. Unter größeren Strangquerschnitten sind insbesondere solche von mehr als 200 mm zu verstehen.
Vorzugsweise werden als Prozessparameter das Ergebnis einer Stahlanalyse, Temperaturen der Metallschmelze im Tundish, in der Gießkokille, Kühlwassermengen zur Kühlung der Kokille und des Sekundärkühlbereichs sowie Kühlwassertemperaturen des Kühlwassers zur Kühlung der Kokille und im Sekundärkühlbereich verwendet.
Mit Vorteil lässt sich auch vorsehen, dass, wenn entweder die erste Software und/oder die zweite Software ausgeschaltet sind, eine dritte Software für den Datentransfer zwischen der Stranggießanlage und der ersten und der zweiten Software bewirkt, dass nach dem Einschalten der ersten und der zweiten Software für einen festgelegten Zeitraum die Solldaten für den Stranggießprozess ausschließlich unter Verwendung von in der Datenbank gespeicherten Daten erzeugt werden.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die zweite Software eine Datenbank mit hinterlegten Prozessdaten umfasst, die mittels einer Simulations- oder Replay-Funktion den Ablauf eines durchgeführten Gießprozesses nachträglich simuliert.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn die zweite Software eine modifizierte Simulations- oder Replay-Funktion nutzt, um die Totzeit bis zum Einsatz der ersten Software zu reduzieren.
Zusätzlich wird in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass eine Vorrichtung zum Messen der Stranglänge des Gießstrangs misst und dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Stranglänge die Replay-Funktion einschaltbar ist.
In der Regel wird die Erfindung als Softwarelösung zur Verbesserung der Funktionen eines an sich bekannten Rechners einer Stranggießanlage mit wenigstens einer Stranggießkokille realisiert. Die Erfindung kann jedoch alternativ auch in Form eines zusätzlichen Rechners oder eines mit zusätzlichen Arbeitsspeichern ausgestatteten Rechners verwirklicht werden.
In diesem Fall bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Steuerung des Gießprozesses in einer Stranggießanlage mit einer in Echtzeit rechnenden Regeleinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde.
Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schnellrechner zur Bereitstellung von Solldaten und Prozessdaten in der Anfangsphase des Gießprozesses oder beim Wechsel des zu gießenden Metalls oder der Metalllegierung während des laufenden Gießprozesses aufweist und dass die Regeleinrichtung anstelle der in Echtzeit errechneten Daten die von dem Schnellrechner zur Verfügung gestellten Daten verwendet.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Datenbank mit hinterlegten Prozessdaten, wobei der Schnellrechner mittels einer Simulations-Funktion (Replay-Funktion) den Ablauf eines durchgeführten Gießprozesses nachträglich simuliert. Zusätzlich ist vorgesehen, dass die in der Datenbank hinterlegten Prozessdaten während der Anfangsphase des Gießprozesses oder bei einem Wechsel innerhalb des laufenden Gießprozesses durch die Regeleinrichtung verwendbar sind.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Schnellrechner eine modifizierte Simulations-Funktion nutzt, um die Totzeit bis zum Einsatz der regulären Regeleinrichtung zu reduzieren.
Nachstehend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Weise den Datentransfer innerhalb der Stranggießanlage.
Um die Berechnung möglichst schnell durchführen zu können, werden zu Beginn eines Gießprozesses einer Software 1 (Figur) zur Erzeugung von Solldaten für den Prozess zum Gießen des Gießstrangs gleichzeitig mit der in Echtzeit rechnenden Software 2 alle Prozessdaten 3 von einem Gießstrang 4 über eine Datenschnittstelle 5 zugeführt. Jedoch erhält die Software 1 nicht die aktuelle Gießgeschwindigkeit, sondern die beispielsweise in einem Kühlprogramm, das die Daten zum Kühlen des Strangs erzeugt, abgespeicherte Soll-Gießgeschwindigkeit und die Sollgrößen. Mit diesen Informationen simuliert die Software 1 wesentlich schneller als in Echtzeit den Stranggießprozess und regelt innerhalb der Simulation durch Veränderung der Stellgrößen wie Wassermenge und Gießgeschwindigkeit die Sollgrößen. Hierdurch wird es möglich, die in dem Gießprozess notwendigen Kühlmittelmengen zum Erreichen der Sollgrößen schnellstmöglich bereitzustellen. Die Software 1 ermittelt einen aktuellen Korrekturfaktor 6 für die spezielle Kühlmittelbeaufschlagung während der Anfangsphase des Gießprozesses; der Korrekturfaktor 6 wird über die Schnittstelle 5 an den Schaltungsteil zum Rechnen mit der Software 2 weitergeleitet. Diese erzeugt daraufhin Solldaten 7 für die Kühlmittelmenge, insbesondere die Wassermenge, und sendet diese über die Schnittstelle 5 an den Gießstrang 4. Sämtliche Daten werden an eine Datenbank 8 übertragen.
Aus der Datenbank 8 entnimmt die Software 1 Daten 9 aus früheren Gießprozessen, die sich für die Regelung der Anfangsphase des gerade ablaufenden Gieß prozesses verwerten lassen und die über die Datenschnittstelle 5 an die Software 1 abgegeben werden. Insbesondere ist dies dann möglich und erforderlich, wenn beispielsweise aufgrund eines Bedienungsversehens die Rechenanlage mit Ausnahme der Datenschnittstelle 5 und der zu der Datenschnittstelle 5 zugehörigen Software für eine Weile nicht eingeschaltet war. Wenn dann die Rechenanlage eingeschaltet wird, übernimmt die Software 2 zunächst die erforderlichen Daten aus der Datenbank 8, die über die Datenschnittstelle 5 zur Verfügung gestellt werden.
Bei größeren Strangquerschnitten ist eine Regelung auf eine Soll-Position des kritischen Sumpfdurchmessers im Gießstrang mit Hilfe des Kühlmittels nicht geeignet, weil hierbei die Gefahr zu niedriger Oberflächentemperaturen besteht, die zu Oberflächenbeschädigungen des Strangs führen. In diesem Fall ist eine Regelung der Gießgeschwindigkeiten für die Regelung des kritischen Sumpfdurchmessers (CMD = critical mushy diameter) besser geeignet.
Modifizierte Replay-Funktionen ermöglichen dem Betreiber der Stranggießanlage, in der Vergangenheit durchgeführte Güsse nochmals zu simulieren. Dies erfolgt mittels der in der Datenbank 8 hinterlegten Prozessdaten.
Eine weitere Möglichkeit, den Ausschuss oder die Qualitäts-Abwertung von stranggegossenem Material zu verringern, besteht darin, eine modifizierte Replay-Funktion zu nutzen, wenn die Software 1 und/oder die Software 2 des Rechners zu spät eingeschaltet wurden. Die modifizierte Replay-Funktion ermöglicht, die Totzeit bis zum Einsetzen des Rechenprozesses mit der Software 1, 2 zu reduzieren, indem die Simulation nicht in Echtzeit, sondern mit maximaler Rechengeschwindigkeit erfolgt.
Dies wird erreicht, indem beim Einschalten der Software 1, 2 die aktuelle Gießlänge geprüft wird. Ist die Gießlänge größer als beispielsweise zehn Meter wird au tomatisch die Replay-Funktion eingeschaltet. Der Software werden jetzt nicht die aktuellen Prozessdaten zugeführt, sondern mit Hilfe der Replay-Funktion die in der Datenbank 8 abgespeicherten Prozessdaten übermittelt. Die Software 1, 2 rechnet dann so schnell wie möglich, und erst, wenn die simulierte Gießlänge mit der aktuellen Gießlänge übereinstimmt, schaltet die Software 1, 2 wieder in den normalen Regelmodus, bei dem die aktuellen Prozessdaten in Echtzeit verarbeitet werden.

1: Software
2: Software
3: Prozessdaten
4: Gießstrang
5: Datenschnittstelle
6: Korrekturfaktor
7: Solldaten
8: Datenbank
9: Daten aus früheren Gießprozessen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0450391 B1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Soft Reduction von Knüppeln auf der Stranggießanlage S0 der Saarstahl AG” (stahl und eisen 127 (2007) Nr. 2, Seiten 43–50 [0004]

Claims

Verfahren zum Gießen eines Gießstrangs (4) in einer mit einem Prozessrechner ausgestatteten Stranggießanlage mit mindestens einer Gießmaschine, wobei der Prozessrechner eine erste Software (2) umfasst, die in Echtzeit rechnet und den Gießprozess regelt, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite zusätzliche, schnell rechnende Software (1) in dem Prozessrechner den Gießprozess während der Anfangsphase eines neu einsetzenden Gießprozesses oder bei einer Parameteränderung des zu gießenden Gießstrangs während des laufenden Prozesses beeinflusst, indem die zweite Software (1) aktuell gewonnene Daten aus dem laufenden Gießprozess und/oder gespeicherte Daten aus einer Datenbank (8) verarbeitet und Korrekturfaktoren erzeugt, mit deren Hilfe die zweite Software (1) korrigierte Solldaten für den Gießprozess erzeugt, bis zu dem Zeitpunkt, ab dem der Gießprozess mit den in Echtzeit errechneten Daten vollständig dargestellt wird und die erste Software (2) ausschließlich mit diesen Daten den Gießprozess regelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Software (1) sowohl Prozessparameter als auch Sollgrößen des Gießprozesses verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollgrößen die Soll-Gießgeschwindigkeit, insbesondere bei größeren Strangquerschnitten des Gießstrangs (4), insbesondere bei Strangquerschnitten von mehr als 200 mm, die Soll-Temperatur des Gießstrangs (4) an einer vorgegebenen Position oder die Solltemperaturen an mehreren vorgegebenen Positionen, insbesondere an der Oberfläche, die Soll-Position des kritischen Sumpfdurchmessers (CMD)(CMD = critical mushy diameter) und/oder die Soll-Position der Sumpfspitze des Gießstrangs (4) im Bereich des Ausgangs der Gießmaschine oder unterhalb des Ausgangs eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter das Ergebnis einer Stahlanalyse, Temperaturen der Metallschmelze im Tundish, in der Gießkokille, Kühlwassermengen zur Kühlung der Kokille und des Sekundärkühlbereichs sowie Kühlwassertemperaturen des Kühlwassers zur Kühlung der Kokille und im Sekundärkühlbereich verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn entweder die erste Software (2) und/oder die zweite Software (1) ausgeschaltet sind, eine dritte Software (5) für den Datentransfer zwischen der Stranggießanlage und der ersten und der zweiten Software (2, 1) bewirkt, dass nach dem Einschalten der ersten und der zweiten Software (2, 1) für einen festgelegten Zeitraum die Solldaten für den Stranggießprozess ausschließlich unter Verwendung von in der Datenbank gespeicherten Daten erzeugt werden.
Vorrichtung zur Steuerung des Gießprozesses in einer Stranggießanlage mit einer in Echtzeit rechnenden Regeleinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schnellrechner zur Bereitstellung von Solldaten und Prozessdaten in der Anfangsphase des Gießprozesses oder beim Wechsel des zu gießenden Metalls oder der Metalllegierung während des laufenden Gießprozesses aufweist und dass die Regeleinrichtung anstelle der in Echtzeit errechneten Daten die von dem Schnellrechner zur Verfügung gestellten Daten verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Datenbank (8) mit hinterlegten Prozessdaten umfasst, dass der Schnellrechner mittels einer Simulations-Funktion (Replay-Funktion) den Ablauf eines durchgeführten Gießprozesses nachträglich simuliert und dass die in der Datenbank (8) hinterlegten Prozessdaten während der Anfangsphase des Gießprozesses oder bei einem Wechsel innerhalb des laufenden Gießprozesses durch die Regeleinrichtung verwendbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellrechner eine modifizierte Simulations-Funktion nutzt, um die Totzeit bis zum Einsatz der regulären Regeleinrichtung zu reduzieren.