DE102018127347A1

DE102018127347A1 - Verfahren zur optimierten Herstellung von metallischen Stahl- und Eisenlegierungen mit hohen Kohlenstoffgehalten in Warmwalz- und Grobblechwerken

Info

Publication number: DE102018127347A1
Application number: DE102018127347.9A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Christoph Hassel; Thomas Meyer
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Verfahren zur optimierten Herstellung von metallischen Bändern und Blechen aus Stahl- und Eisenlegierungen mit hohen Kohlenstoffgehalten in Warmwalz- und Grobblechwerken, umfassend mindestens einem Rollengang, Bandkühlstrecke und Fertigstraße, sowie Vorrichtungen zum Haspeln der fertigen Bänder.Das Verfahren sieht vor, dass für die Berechnung des Temperaturprofils der Abkühlung eine zusätzliche Messstelle in der Bandkühlstrecke herangezogen wird und diese Messstelle lokal nach dem Rollengang und vor Beginn der Gefügeumwandlung im ersten Drittel der Bandkühlstrecke angeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Herstellung von metallischen Bändern und Blechen aus Stahl- und Eisenlegierungen mit hohen Kohlenstoffgehalten in Warmwalz- und Grobblechwerken, umfassend mindestens einen Rollengang, Bandkühleinrichtungen und Fertigstraße, sowie Vorrichtungen zum Haspeln der fertigen Bänder sowie bei Blechanlagen entsprechende Weiterverarbeitungseinrichtungen.
Derartige Warmwalz- und Grobblechwerke umfassen in der Regel mindestens einen Rollengang mit mindestens einer Bandkühlvorrichtung, einer Auslaufzone für die gewalzten Werkstoffe und mindestens einer Haspelvorrichtung, mit der die Werkstoffe zu Coils aufgehaspelt werden. Für blechartige Werkstoffe sind dementsprechend andere Aggregate zur Bündelung vorgesehen.
Für den Betrieb von Warmband- und/oder Grobblechstraßen werden neben der Umformung im Walzwerk als wesentliche Zielgrößen die Haspel- bzw. Kühlstopptemperatur sowie die Abkühlrate angegeben, da hiermit die Eigenschaften des Werkstoffes zum großen Teil eingestellt werden können. Insbesondere bei Hochkohlenstoffstählen tritt das Problem auf, dass während einer Abkühlung unter die Umwandlungstemperatur von Austenit nach kurzer Zeit bei der dann angestoßenen Umwandlung von Austenit über Ferrit zu Perlit oder direkt von Austenit nach Perlit sehr viel Energie freigesetzt wird und die Umwandlung sehr schnell abläuft. Das macht die Einstellung und Kontrolle einer bestimmten Solltemperatur des gewalzten Bandes am Haspel sehr schwierig. Weiterhin entspricht eine Haspeltemperatur nicht eindeutig einem Gefügezustand bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt. Bei mangelnder Kontrolle und Steuerung der Temperatur lassen sich die Gefügebestandteile so nicht mehr steuern bzw. einstellen. So kommt es vor, dass bei der Umwandlung von Austenit trotz Kühlung so viel Wärme freigesetzt wird, dass eine inhomogene Verteilung der Gefügebestandteile über der Bandlänge auftritt. Wird bei der Setzung oder bei der Regelung zu viel Wasser auf das Band gegeben, kommt es zu einer unerwünschten Bainitbildung, wenn die Bainitstarttemperatur lokal unterschritten wird. Dies ist unerwünscht, da das Material im schlimmsten Fall dann nicht mehr aufwickelbar ist oder das Band aufgrund der hohen Sprödigkeit zerbricht. Dies ist jedem Fall zu vermeiden, da dies zu einem längeren Produktionsausfall führt.
Zusätzlich wird der Abkühlprozess von weiteren Parametern wie beispielsweise der Änderung der Walzgeschwindigkeit aber auch der Endwalztemperatur beeinflusst. Die Einstellung einer konstanten Haspeltemperatur wird dadurch erheblich erschwert und die Gefügebestandteile können über die Bandlänge unterschiedlich sein. Damit können keine konstanten mechanischen Eigenschaften über die gesamte Bandlänge sichergestellt werden. Eine konstante Haspeltemperatur ist aber, wie oben dargelegt, für die Qualität des gewalzten Bandes von besonderer Bedeutung und Wichtigkeit, da über diese das Gefüge eingestellt wird.
Ein Nachteil bei den bekannten Kühlstrecken besteht also darin, dass es, durch die große Menge an freiwerdender Energie beim Abkühlen des Bandes unter die Umwandlungstemperatur von Austenit, zu großen Problemen bei der Einstellung und Kontrolle der Haspeltemperatur kommt. Im ungünstigsten Fall würde ein Modell/Regler bei einer gemessenen Temperatur oberhalb des Sollwertes einen Kühlbalken und damit mehr Wasser aufschalten, um die Solltemperatur zu erreichen. Dadurch läuft die Gefügeumwandlung allerdings noch schneller ab und die gemessene Temperatur steigt weiter an, was wiederum andere Gefügephasenbildungen im Band provoziert. Die mechanisch- /physikalischen Eigenschaften des Bandes sind über die Bandlänge, nach einer derartigen Abkühlung, völlig inhomogen und das erzeugte Produkt muss abgewertet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, ein verbessertes Verfahren zur Kontrolle der Phasenbestandteile von Hochkohlenstoffstählen in Warmband- und Grobblechstraßen anzugeben, bei der die oben genannten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass für die Berechnung des Temperaturprofils der Abkühlung des Bandes an einer zusätzlichen Messstelle in der Bandkühlstrecke herangezogen wird und diese Messstelle lokal auf dem Rollengang und unmittelbar vor oder gerade zu Beginn der Gefügeumwandlung im ersten Drittel der Bandkühlstrecke angeordnet wird.
Da bei der Kühlung von Hochkohlenstoffstählen nach Unterschreiten der Umwandlungstemperatur sehr viel Wärme freigesetzt wird und dadurch die Temperatur im weiteren Verlauf der Kühlstrecke ansteigt, ist eine Setzung auf das Haspelpyrometer sehr schwierig. Mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, da die Umwandlung sehr schnell abläuft, die freiwerdende Wärme zu kontrollieren und die Solltemperatur am Zwischenpyrometer reproduzierbar und die resultierenden Gefügebestandteile im Band an der Position des Haspelpyrometers einzuhalten.
Die Temperaturberechnung erfolgt zunächst auf die zusätzliche Messstelle im ersten Drittel der Bandkühlstrecke. In einer weitergehenden Berechnung durch ein Abkühlmodell wird die gesamte Temperaturverteilung im Band bis zum Haspelpyrometer berechnet, wobei hierzu die gesamte Enthalpieverteilung im Band zwischen dem Fertigstraßen- und Haspelpyrometer durch die Berechnung bestimmt wird.
Die Enthalpieberechnung erfolgt auf Basis der Gibbs-Energie, die ein thermodynamisches Potential des Bandes und damit des Werkstoffes darstellt. Zur Bestimmung der Beziehungen der Gibbs-Energie wird auf Datenbanken in der SGTE (Scientific Group on Thermodata Europe und MatCalc Datenbank) zurückgegriffen, um so die Gefügebestandteile an Austenit, Ferrit und Perlit an der Position des Haspelpyrometers genau anzugeben und daraufhin die Kühlung auf einen konstanten Gefügephasenanteil von Austenit und/oder Ferrit und/oder Perlit zu regeln und zu steuern. Die Bedeutung der thermodynamischen Potentiale besteht darin, dass sie die Gleichgewichtsbedingung anzeigen, wenn die Gibbs-Energie eines Systems ein Minimum aufweist.
Über die zusätzliche Messstelle erfolgt ein sofortiger Vergleich mit der im Modell berechneten Umwandlungstemperatur, wobei hierdurch eine mögliche Temperaturabweichung unmittelbar durch Aktivierung oder Abschaltung der Kühlung korrigiert werden kann. Die Regelung muss daher nicht warten, bis eine Messung kurz vor dem Haspel vorliegt. Dies verringert die Totzeit der Regelung und erhöht somit die Ausbringung von Material innerhalb der geforderten Spezifikation.
Für Adaptionszwecke wird diese gemessene Temperatur ebenfalls herangezogen. Dadurch wird für Folgebänder die höchstmögliche Genauigkeit erreicht. Damit kann folglich eine sehr hohe Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der Hochkohlenstoffstähle sichergestellt werden.
Es ist vorgesehen, dass das Modell, ausgehend von einer Vorgabe eines Zielaustenitgehaltes, die Solltemperatur an der zusätzlichen Messstelle (Pyrometer) und die gesamte Enthalpieverteilung zwischen Fertigstraßen- und Haspelpyrometer berechnet. Wird die Solltemperatur am Zwischenpyrometer (zusätzliche Messstelle) verändert, kommt es gleichzeitig zu einer veränderten Temperaturverteilung und damit auch zu einer Änderung der Gefügebestandteile in der Kühlstrecke. Damit lassen sich die Gefügebestandteile am Haspelpyrometer genau einstellen. Weiterhin ist damit eine Regelung und Steuerung auf feste Phasenbestandteile möglich.
Ein zusätzliches Pyrometer (Messstelle) in der Kühlstrecke ermöglicht eine Temperaturmessung, bevor die Umwandlung ausgelöst wird. Damit ist ein Vergleich der berechneten Temperatur mit der Ist-Temperatur möglich und eine mögliche Abweichung kann unmittelbar korrigiert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zusätzlich gekühlt wird oder die Kühlung in der Setzung, also der Vorgabe, wieviel Kühlmedium für den Werkstoff notwendig ist, um die Zieltemperatur zu erhalten, von vornherein besser einstellbar ist, und hierdurch homogene Bandeigenschaften einstellbar sind. Durch diese Maßnahme kommt es zu keinen unkontrollierten Regelaktivitäten in den in Frage stehenden Warmwalz- und Grobblechwerken und es ergeben sich in Folge die gewünschten homogen verteilten Gefügebestandteile über die gesamte Bandlänge zum Zeitpunkt an dem das fertige Band gehaspelt wird.

Claims

Verfahren zur optimierten Herstellung von metallischen Bändern und Blechen aus Stahl- und Eisenlegierungen mit hohen Kohlenstoffgehalten in Warmwalz- und Grobblechwerken, umfassend mindestens einen Rollengang, Bandkühlstrecke und Fertigstraße, sowie Vorrichtungen zum Haspeln der fertigen Bänder, bei Blechanlagen entsprechende Weiterverarbeitungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet dass, für die Berechnung des Temperaturprofils der Abkühlung eine zusätzliche Messstelle in der Bandkühlstrecke herangezogen wird und diese Messstelle lokal nach dem Rollengang und vor Beginn der Gefügeumwandlung im ersten Drittel der Bandkühlstrecke angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturberechnung zunächst auf die zusätzliche Messstelle im ersten Drittel der Bandkühlstrecke erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weitergehenden Berechnung durch ein Abkühlmodell die gesamte Temperaturverteilung im Band bis zum Haspelpyrometer berechnet wird, wobei hierzu die gesamte Enthalpieverteilung im Band zwischen dem Fertigstraßen- und Haspelpyrometer durch die Berechnung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Enthalpieberechnung auf Basis der Gibbs-Energie, die ein thermodynamisches Potential des Bandes und damit des Werkstoffes darstellt, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Beziehungen der Gibbs-Energie auf Datenbanken in der SGTE (Scientific Group on Thermodata Europe und MatCalc Datenbank) zurückgegriffen wird, um so die Gefügebestandteile an Austenit, Ferrit und Perlit an der Position des Haspelpyrometers genau anzugeben und die Kühlung daraufhin auf einen konstanten Gefügephasenanteil von Austenit und/oder Ferrit und/oder Perlit daraufhin geregelt und gesteuert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über die zusätzliche Messstelle ein sofortiger Vergleich mit der im Modell berechneten Umwandlungstemperatur erfolgt und hierdurch eine mögliche Temperaturabweichung unmittelbar durch Aktivierung oder Abschaltung der Kühlung korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Modell, ausgehend von einer Vorgabe eines Zielaustenitgehaltes, die Solltemperatur an der zusätzlichen Messstelle (Pyrometer) und die gesamte Enthalpieverteilung zwischen Fertigstraßen- und Haspelpyrometer berechnet wird.