DE102019208736A1

DE102019208736A1 - Verfahren zum Gießen eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage

Info

Publication number: DE102019208736A1
Application number: DE102019208736.1A
Authority: DE
Inventors: Uwe Plociennik; Uwe Grafe; Esra Erdem-Hornauer; Kirill Tokmakov
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Gießstrangs (1) in einer mit einem Prozessrechner (100) ausgestatteten Stranggießanlage (10) mit mindestens einer Gießmaschine (12), wobei der Prozessrechner (100) zumindest eine erste Software (102) umfasst, die in Echtzeit rechnet und den Gießprozess der Gießmaschine (12) regelt. Der Prozessrechner (100) ist mit einer zweiten zusätzlichen Software (104) ausgestattet. Bei diesem Verfahren wird ein zeitabhängiges Temperaturfeld für den Gießstrang (1) berechnet, wobei auf Grundlage des berechneten zeitabhängigen Temperaturfeldes eine Werkstoff- Kenngröße berechnet wird, die von zumindest dem Volumenanteil und den jeweiligen Größen an Ausscheidungen abhängig ist. Diese Werkstoff-Kenngröße und deren zugehörige Prozessparameter für den Gießprozess werden anschließend insbesondere durch Einsatz eines Reglers optimiert bzw. minimiert. Falls die berechnete bzw. minimierte Werkstoff-Kenngröße kleiner ist als ein vorbestimmter Grenzwert, werden die zuvor berechneten zugehörigen Prozessparameter für diese Werkstoff-Kenngröße ein die erste Software zur Regelung des Gießprozesses der Gießmaschine (12) übergeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Gießstrangs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Beim Betrieb von Stranggießanlagen entspricht es dem Stand der Technik, den Gießstrang nach dem Austreten aus der Kokille in der sogenannten Sekundärkühlung einer stützenden Strangführung solcher Anlagen abzukühlen, bis eine vollständige Erstarrung des Gießstrangs erreicht ist. Dieser Abkühlvorgang spielt eine wichtige Rolle für die resultierende Qualität des Gießstrangs und der daraus erzeugten Produkte. Die vollständige Erstarrung des Gießstrangs sollte innerhalb der stützenden Strangführung liegen, die den Gießstrang mit noch flüssigem Kern stützen, erreicht werden.
Der Betrieb der Sekundärkühlung einer Stranggießanlage wird in der Regel mit Sprüh- bzw. Kühlwasser realisiert, wobei die Wassermenge, die auf die Oberflächen des Gießstrangs ausgebracht wird, unter Vorgabe von Solltemperaturkurven eingestellt wird. Der Verlauf dieser Solltemperaturkurven kann je nach Werkstoff des zu vergießenden Materials, und z.B. in Abhängigkeit von bestimmten Kühlzonen der stützenden Strangführung und/oder der Gießgeschwindigkeit variieren. Je nach Werkstoff und gewählter Gießgeschwindigkeit kann dann beispielsweise von einer Bedienperson der Stranggießanlage eine Solltemperaturkurve ausgewählt werden, um damit die Sekundärkühlung zum Ausbringen des Sprüh- bzw. Kühlwassers auf die Oberflächen des zu kühlenden Gießstrangs einzustellen. Beispielsweise können bei niedrigen Gießgeschwindigkeiten höhere (= wärmere) Solltemperaturkurven gefahren werden. Im Umkehrschluss sollten bei höheren Gießgeschwindigkeiten in der Regel niedrigere (= kältere) Solltemperaturkurven gefahren werden, zwecks Erreichung einer stärkeren Kühlung des Gießstrangs, damit dieser noch innerhalb der stützenden Strangführung durcherstarrt.
Beim Stranggießen bestimmt eine Solltemperaturkurve die Sollwerte für die zu erreichende Oberflächentemperatur, die der Strang innerhalb der stützenden Strangführung erreicht, z.B. am Ende von einzelnen Kühlzonen, die Teil dieser stützenden Strangführung sind. Die Spritzwassermengen der Sekundärkühlung werden dabei so geregelt, dass diese Zielwerte erreicht werden.
Während des Gießens von Brammen, Vorblöcken, Knüppeln etc. kann es ständig zu Änderungen von Prozessparametern wie Gießtemperatur, Wasservorlauftemperatur, Wärmeabfuhr in der Kokille kommen, was den Gießprozess beeinflusst und somit eine Temperatur- und Positionsregelung erforderlich macht, da keine stationären Verhältnisse vorliegen.
Aus EP 2 346 631 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Erstarrung eines Gießstrangs in einer Stranggießanlage beim Anfahren des Gießprozesses bekannt. Hierbei ist eine Stranggießanlage mit einem Prozessrechner ausgestattet, auf dem eine erste Software und eine zweite Software installiert sind. Die erste Software rechnet in Echtzeit und regelt, in bekannter Weise, den Gießprozess, der mit der Stranggießanlage durchgeführt wird. Mittels der zweiten Software, für die im Vergleich zur ersten Software eine größere Berechnungsgeschwindigkeit eingestellt ist, werden während der Anfangsphase eines neu einsetzenden Gießprozesses oder bei einer Parameteränderung des aktuell laufenden Gießprozesses auf Grundlage einer Verarbeitung von aktuell gewonnenen Daten aus dem laufenden Gießprozess und/oder auf Grundlage von in einer Datenbank gespeicherten Daten zunächst Korrekturfaktoren erzeugt, wobei dann die zweite Software mit diesen Korrekturfaktoren korrigierte Solldaten für den Gießprozess erzeugt und an die erste Software überspielt.
Hinsichtlich der vorstehend genannten Technologie gemäß EP 2 346 631 B1 wird hervorgehoben, dass der Einsatz der zweiten Software vornehmlich dazu dient, eine Gießgeschwindigkeit bzw. korrigierte Solldaten hierfür zu ermitteln. Hierbei werden die von der zweiten Software berechneten korrigierten Soldaten von der ersten Software unmittelbar übernommen und somit bei der von der ersten Software durchgeführten Regelung sofort berücksichtigt. Des Weiteren findet eine solche Betriebsweise der zweiten Software lediglich zu dem Zeitpunkt statt, ab dem der Gießprozess mit den in Echtzeit errechneten Daten vollständig dargestellt wird, so dass dann die erste Software ausschließlich mit diesen Daten den Gießprozess regelt.
Aus EP 1 289 691 B2 ist ein gattungsgemäßen Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
Beim Betrieb von Stranggießanlagen ist es nach dem Stand der Technik weiterhin bekannt, Temperatur- und Geschwindigkeitsregelungen in einer solchen Weise einzusetzen, dass die Gefahr von Rissen an der Oberfläche eines Gießstrangs minimiert ist. Solche Regelungen unterliegen jedoch dem Nachteil, dass sie nicht direkt mit dem Werkstoffverhalten gekoppelt sind. Anders ausgedrückt, werden bei solchen herkömmlichen Regelungen die Eigenschaften des Werkstoffs, aus dem ein Gießstrang jeweils hergestellt wird, nicht berücksichtigt.
Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Technologie zum Stranggießen von Metallen zu schaffen, mit der die Gefahr einer Rissbildung bei einem Gießstrang insbesondere an dessen Oberfläche(n) vermindert oder gar ausgeschlossen werden kann, um damit die Produktionsqualität zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dient zum Gießen eines Gießstrangs in einer mit einem Prozessrechner ausgestatteten Stranggießanlage mit mindestens einer Gießmaschine. Hierbei umfasst der Prozessrechner zumindest eine erste Software, die in Echtzeit rechnet und den Gießprozess regelt. Zusätzlich umfasst der Prozessrechner eine zweite zusätzliche Software, mit der folgende Schritte durchgeführt werden:

(i) Berechnen eines zeitabhängigen Temperaturfeldes für den Gießstrang einerseits in Abhängigkeit von aktuell gewonnenen Prozessparametern aus dem laufenden Gießprozess und/oder aus zumindest einem in einer Datenbank gespeicherten Prozessparameter und andererseits in Zuordnung zu einer bestimmten Gießlänge und zugehöriger kritischer Positionen in der Strangführung wie insbesondere Biegebereich, Richtbereich und/oder Softreduktionsbereich,
(ii) Berechnen einer von zumindest dem Volumenanteil und der jeweiligen Größen an Ausscheidungen abhängigen Werkstoff-Kenngröße für die Rissempfindlichkeit auf Grundlage des zeitabhängigen Temperaturfeldes von Schritt (i), wobei diese Werkstoff-Kenngröße und zugehörige Prozessparameter des Gießprozesse in Form von Wassermengen für die Sekundärkühlung an zumindest einer kritischen Position entlang der Strangführung und/oder der Gießgeschwindigkeit insbesondere durch Einsatz eines Reglers optimiert, vorzugsweise minimiert werden,
(iii) Vergleichen der gemäß Schritt (ii) berechneten bzw. optimierten Werkstoff-Kenngröße mit einem vorbestimmten Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße, und
(iv) falls die gemäß Schritt (ii) berechnete bzw. optimierte Werkstoff-Kenngröße kleiner ist als der vorbestimmte Grenzwert: Übergeben der in Schritt (ii) berechneten zugehörigen Prozessparameter an die erste Software zur Regelung des Gießprozesses der Gießmaschine, oder andernfalls: Wiederholen ab Schritt (ii), wobei im Schritt (ii) die Prozessparameter in Form der Gießgeschwindigkeit und/oder in Bezug auf die Sekundärkühlung angepasst werden.

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zu Grunde, dass zur Verhinderung einer Rissbildung bei dem Gießstrang insbesondere in den risskritischen Abschnitten der Strangführung einer Stranggießanlage nicht nur die (Ziel)Temperatur des Gießstrangs berücksichtigt wird, sondern auch eine Werkstoff-Kenngröße, die für die Rissempfindlichkeit des Werkstoffs charakteristisch ist und von zumindest dem Volumenanteil und den jeweiligen Größen an Ausscheidungen, die sich beim Abkühlen des Werkstoffs entlang der Strangführung bilden, abhängig ist. Entsprechend sieht die Erfindung eine Regelung vor, bei der diese Werkstoff-Kenngröße und somit das Werkstoffverhalten berücksichtigt wird. Dies bedeutet, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich zu der Temperatur des Gießstrangs während des Gießprozesses auch ein Temperatur-Zeitverlauf in Kombination mit den Kennwerten des verarbeiteten Werkstoffs bewertet wird.
Bei dem vorstehend genannten Schritt (ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die charakteristische Werkstoff-Kenngröße auf Grundlage eines zuvor berechneten zeitabhängigen Temperaturfeldes für den Gießstrang berechnet und die zugehörigen Prozessparameter des Gießprozesses, welche dieser berechneten Werkstoff- Kenngröße zugeordnet sind, geeignet optimiert bzw. minimiert. Falls dann bei dem Vergleich gemäß Schritt (iii) des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt wird, dass die berechnete bzw. optimierte Werkstoff-Kenngröße unterhalb des vorbestimmten Grenzwertes liegt, werden dann die zugehörigen Prozessparameter (z.B. Gießgeschwindigkeit und/oder Wassermengen in zumindest einem ausgewählten risskritischen Abschnitt der Strangführung) an die erste Software übergeben, um damit den Gießprozess der Gießmaschine zu regeln.
Somit besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung und des zugehörigen Verfahrens darin, die Kühlstrategie entlang der Strangführung der Stranggießanlage bzw. Sekundärkühlung (mit den Prozessparametern Wasserverteilung, Wassermenge und Gießgeschwindigkeit) derart zu optimieren, dass die charakteristische Werkstoff-Kenngröße im Rahmen der zulässigen Prozessparameter minimiert wird. Eine solche Minimierung kann mit numerischen Optimierungsstrategien und entsprechender mathematischer Berechnungsmodelle erfolgen. Jedenfalls besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, dass die Werte für die besagte charakteristische Werkstoff- Kenngröße in den risskritischen Abschnitten entlang der Strangführung (z.B. Biegebereich, Richtbereich, Softreduktionsbereich) unterhalb des vorbestimmten Grenzwertes liegen, um damit die Gefahr einer Rissbildung für den Gießstrang zu vermindern oder bestenfalls auszuschließen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der vorbestimmte Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße auf Grundlage einer Temperatur ermittelt werden, bei der die Duktilität für den Werkstoff und dessen chemische Zusammensetzung, aus dem bzw. der der Gießstrang hergestellt wird, 40% unterschreitet. Zweckmäßigerweise kann dies im Rahmen eines Heißzugversuches direkt im Anschluss an das Aufschmelzen und Wiedererstarren eines Probenkörpers erfolgen bzw. ermittelt werden. Durch eine solche Ermittlung der Temperatur für den Gießstrang aus der Duktilitätskurve kann eine kritische Temperatur in den genannten risskritischen Abschnitten der Strangführung festgelegt werden, um im Ergebnis den gewünschten vorbestimmten Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße zu bestimmen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann es sich bei der Werkstoff-Kenngröße um die Zener-Pinning-Force (ZPF) handeln, die mit folgender Formulierung beschrieben wird: $Z P F (k, i) = \frac{3}{2} γ \sum_{i = 1}^{N} \sum_{k = 1}^{M} \frac{f_{k, i}}{r_{k, i}}$
, mit:

f_k,i =: Volumenanteil(e) an Ausscheidungen,
r_k; =: Ausscheidungsradius [m],
k =: Ausscheidungsgröße der in M Klassen diskretisierten Verteilungsfunktion,
i =: N unterschiedliche Ausscheidungstypen,
γ =: Korngrenzenergie [J/m²].

Die Zener-Pinning-Force (ZPF) beschreibt eine rücktreibende Kraft auf die Korngrenzen, die sich aus dem Volumenanteil an Ausscheidungen „f_k,i“ bzw. f_i, dem Ausscheidungsradius (bzw. der Größe bei nicht-kugelförmigen Ausscheidungen) „r_k,i“ oder „r _i‟der Größenklasse k und der Korngrenzenergie „γ“ zusammensetzt. Der Index i steht für die N unterschiedlichen Ausscheidungstypen, der Index k bezieht sich auf eine Ausscheidungsgröße der in M Klassen diskretisierten Verteilungsfunktion. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass bei der Bewegung von Korngrenzen über Ausscheidungen hinweg zusätzliche Grenzfläche gebildet werden muss, die zu einer Erhöhung der Energie führt. Hieraus ergibt sich die besagte ZPF.
Für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das Ziel der Modellvorhersage mit der ZPF nicht darin, das Kornwachstum zu berechnen. Entsprechend kann in der vorstehend genannten Gleichung für die ZPF zur Vereinfachung die Korngrenzenergie γ auf den Wert von 1 J/m² gesetzt werden.
In weiterer Vereinfachung des Ansatzes zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens unter Berücksichtigung der Zener-Pinning-Force können in der vorstehend genannten Gleichung allein die mittleren Radien r _i und Volumenanteile f_i betrachtet werden, woraus für die ZPF (mit γ = 1) folgende Gleichung resultiert: $Z P F (i) = \frac{3}{2} \sum_{i = 1}^{N} \frac{f_{i}}{{\bar{r}}_{i}}$
Die Verteilungsfunktionen der Ausscheidungsgrößen werden mit Modellen der Theorie „Classical Nucleation and Growth“ als Funktion der Zeit und Temperatur berechnet. Ausscheidungstypen sind beispielsweise Karbonitride der Mikrolegierungselemente Niob, Titan und Vanadium sowie Aluminiumnitrid, Mangansulfid oder Bornitrid (vgl. hierzu den Aufsatz von KGF. Janssens, D. Raabe, E. Kozeschnik und M.A. Miodownik: „Computational Materials Engineering: An Introduction to Microstructure Evolution", Academic Press; 16. Oktober 2007; ISBN: 978-0-12-369468-3; 179-217).
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung bzw. nach einem alternativen Ansatz kann der vorbestimmte Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße auch auf Grundlage eines Gießversuchs bestimmt werden. Hierbei sollte der Gießstrang rissbehaftete und rissfreie Zonen im Gießrichtung aufweisen. Die Zener-Pinning-Force (ZPF) wird dann für die rissfreie Zone, die sich in direkter Nachbarschaft zur rissbehafteten Zone befindet, berechnet. Die Auswertung erfolgt an den kritischen Positionen in der Strangführung mit mechanischer Belastung (Biegebereich, Richtbereich, Softreduktionsbereich der Strangführung). Der Maximal-Wert der ZPF stellt dann den gesuchten bzw. gewünschten vorbestimmten Grenzwert für die besagte Werkstoff-Kenngröße dar.
Weitere Ansätze, die die Wechselwirkung von Ausscheidungen und Versetzungen beschreiben und Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Duktilität) erlauben, können ebenfalls als Maß für die Rissempfindlichkeit beim Stranggießen herangezogen werden (vgl. M. R. Ahmadi, E. Povoden-Karadeniz, K.I. Öksüz, A. Falahati, E. Kozeschnik: Computational Materials Science 91 (2014) 173-186). Hieraus folgt, dass es sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei der Werkstoff-Kenngröße um die Orowan-Spannung handeln kann, die mit folgender Formulierung beschrieben wird: $τ_{O R} ≅ \frac{G b \sqrt{f}}{r}$
, mit:

f =: Volumenanteil(e) an Ausscheidungen,
r =: Ausscheidungsradius [m]
G =: Schubmodul [GPa],
b =: Burgers-Vektor [m].

In gleicher Weise werden mit den vorstehend genannten Formulierungen für die ZPF bzw. die τ_OR die Rissempfindlichkeiten für den Gießstrang abgeleitet, wobei die Ergebnisse aller Formeln mit Auswertungen an Brammenproben korreliert werden können.
Die übliche Vorgehensweise zur Festlegung der kritischen Temperaturen im Biege- und Richtbereich ist die Ermittlung der Temperatur aus der Duktilitätskurve, bei der eine Duktilität von 40 % erreicht bzw. unterschritten wird, was nachfolgend noch anhand eines Beispiels erläutert werden wird. Für die vorliegende Erfindung ist festgestellt worden, dass auch Werte unter 40% bei einem Gießstrang nicht unbedingt zu einer Oberflächenrissbildung führen. Der Nachteil der Duktilitätskurve ist, dass diese nur für eine chemische Zusammensetzung und nur für die experimentelle Abkühlkurve gültig ist.
Mit dem neuen Ansatz gemäß der vorliegenden Erfindung können beliebige Temperatur-Zeit-Profile realistischer berücksichtigt werden. Obwohl die Duktilitätskurve strenggenommen nur für eine chemische Zusammensetzung gültig ist, ist der kritische ZPF-Werte auch auf ähnliche chemische Zusammensetzungen anwendbar die die gleichen Ausscheidungstypen bilden. Das ist üblicherweise der Fall für Analyseschwankungen innerhalb der minimalen und maximalen chemischen Elementgehalte, die für einen zu produzierenden Werkstoff vorgegeben sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung und des zugehörigen Verfahrens zum Gießen eines Gießstrangs kann der vorbestimmte Grenzwert für die genannte charakteristische Werkstoff-Kenngröße (z.B. ZPF_krit bzw. τ_ORkrit) wie folgt bestimmt werden:

• Experimentelle Messung der Duktilität (Brucheinschnürung) nach vorherigem Aufschmelzen.
• Bestimmung der Temperatur T_40% , bei der eine Duktilität von 40 % unterschritten wird. Mit diesem Wert werden die Temperatur für die Biege-, Richt- und Softreduktionbereiche konservativ festgelegt.
• Berechnung der ZPF_krit oder der τ_ORkrit für den experimentellen Temperaturverlauf bis zu T_40%.

Nach einem alternativen Ansatz ist es für die vorliegende Erfindung und des zugehörigen Verfahrens zur Bestimmung des vorbestimmten Grenzwertes für die genannte charakteristische Werkstoff-Kenngröße auch möglich, dass für stranggegossene Produkte mit und ohne Oberflächenrissen Prozesssimulationen durchgeführt und die ZPF bzw. τ_OR in den Biege-, Richt- und Softreduktionbereichen ausgewertet werden. Aus den Ergebnissen ergibt sich der vorbestimmte Grenzwert ZPF_krit/ τ_ORkrit . Hierbei weisen die rissunauffälligen Produkte Werte für die ZPF bzw. τ_OR unterhalb des vorbestimmten Grenzwertes auf, wobei jedoch die ZPF/
τ_OR -Werte der rissauffälligen Produkte oberhalb ZPF_krit/τ_ORkrit liegen.
Beispielsweise liegt für den Werkstoff 20MnV6 die Duktilität, bei der für einen Gießstrang Oberflächenrisse auftreten, bei 28%, und somit unterhalb des vorstehend genannten vorbestimmten Grenzwertes von 40%. Für diesen Fall beträgt die Grenze für die ZPF = 9.10^-6 MPa, der nicht überschritten werden sollte, um Oberflächenrisse unter Stranggießbedingungen für die Biege-, Richt- und Softreduktionbereiche zu vermeiden. Für den genannten alternativen Ansatz mit Berücksichtigung der Orowan-Spannung beträgt der vorbestimmte Grenzwert τ_OR= 5.10^-5 MPa.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann eine Optimierung der charakteristischen Werkstoff- Kenngröße für die Rissempfindlichkeit (ZPF oder τ_OR) auch unter Berücksichtigung folgender Kriterien erfolgen:

• Prozessparameter;
• vorgegebene Grenzen der Elementgehalte;
• Kosten der Legierungselemente ;
• Anforderungen an den Werkstoff bei dessen Weiterverarbeitung (z.B. Forderung nach einem hohen Ausscheidungsvolumenanteil, um die Korngrößenbeständigkeit eines Einsatzstahls beim Aufkohlen zu verbessern).

Des weiteren darf darauf hingewiesen werden, dass bei der Auslegung von insbesondere neuen Stranggießanlagen beachtet werden sollte, dass zusätzlich die Strangführung bzw. Anlagengeometrie in den erläuterten Optimierungsprozess für die charakteristische Werkstoff-Kenngröße einbezogen wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die zweite Software mit einer Datenbank in Signalverbindung stehen, wobei Daten für die zweite Software aus der Datenbank ausgelesen werden und/oder Daten von der zweiten Software in der Datenbank gespeichert werden. In dieser Weise ist es möglich, die Rechenergebnisse der zweiten Software in der Datenbank zu sichern, und ggf. bereits vor Beginn des eigentlichen Gießprozesses mittels der zweiten Software Referenzdaten zu erzeugen und in der Datenbank abzuspeichern, zur Vorbereitung des späteren Gießprozesses.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist für den Prozessrechner ein Kommunikationsmodell vorgesehen, mit dem ein Datenaustausch zwischen der ersten und zweiten Software als auch zwischen der zweiten Software und der Datenbank gewährleistet ist.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann für die zweite Software zumindest ein Online-Berechnungsmodell und/oder zumindest ein Offline-Berechnungsmodell vorgesehen sein. Hierbei enthalten alle Online- und/oder Offline-Modelle der zweiten Software ein Werkstoffmodell, um damit die Werkstoff-Kenngröße zur Minimierung der Heißrissanfälligkeit des Gießstranges zu ermitteln.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die zweite Software ein erstes Offline-Berechnungsmodell („Offline Simulationsmodell Stranggießprozess“) aufweisen, mit dem ein Zeit-Temperaturverlauf an mehreren insbesondere kritischen Positionen in der Strangführung, bevorzugt an der Strangoberfläche, berechnet und dem Werkstoffmodell übergeben wird. Hierbei kann es sich als zweckmäßig erweisen, dass die von dem ersten Offline-Berechnungsmodell berechneten Werte in der Datenbank gespeichert werden.
Für den vorstehend genannten Fall, dass die zweite Software mit dem ersten Offline-Berechnungsmodell ausgestattet ist, ist es in vorteilhafter Weise möglich, mit diesem ersten Offline-Berechnungsmodell Referenzdaten für den Gießprozess zu ermitteln, nämlich bereits vor der Durchführung von Schritt (i) bzw. vor Beginn des eigentlichen Gießprozesses. Dies dient der Vorbereitung bzw. Planung des eigentlichen Gießprozesses, der dann zu einem späteren Zeitpunkt gestartet wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die zweite Software ein zweites Offline-Berechnungsmodell („Offline Optimierungsmodell Stranggießprozess“) aufweisen, mit dem im Zuge einer vorzugsweise numerischen Optimierungsstrategie die Prozessparameter Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwasser in vorgegebenen Grenzen variiert werden, um die Werkstoff-Kenngröße zu minimieren. Hierbei werden dann die optimierte Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwassermenge als Referenzwert in der Datenbank gespeichert und bei Gießbeginn dem Stranggießprozess als Soll-Werte übergeben.
Das vorstehend genannte zweite Offline-Berechnungsmodell („Offline Optimierungsmodell Stranggießprozess“) der zweiten Software versteht sich in der Weise, dass dieses Modell dem ersten Offline-Berechnungsmodell („Offline Simulationsmodell Stranggießprozess“) aufgeschaltet wird. Anders ausgedrückt, werden die berechneten Werte, die zunächst mit dem ersten Offline-Berechnungsmodell ermittelt worden sind, anschließend mittels des zweiten Offline-Berechnungsmodell optimiert, um - wie bereits erläutert - die charakteristische Werkstoff-Kenngröße der Heißrissanfälligkeit des Gießstranges zu minimieren und somit die zugehörigen Prozessparameter (Mengen für das Sekundärkühlwasser und/oder Gießgeschwindigkeit) zu optimieren.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann eine Optimierung der chemischen Zusammensetzung im Rahmen der minimalen und maximalen chemischen Elementgehalte vorgesehen sein, die für einen bestimmten bzw. jeweiligen Werkstoff festgelegt sind. Es ist davon auszugehen, dass z.B. ein ZPF_krit-Wert hauptsächlich vom Ausscheidungstyp abhängig ist. Diese Anwendung wird wichtig, wenn durch Optimierung der Prozessparameter keine Reduzierung der ZPF mehr möglich ist. Eine solche Optimierung der chemischen Zusammensetzung kann ebenfalls mit dem zweiten Offline- Berechnungsmodell der zweiten Software durchgeführt bzw. vorgenommen werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können mit dem zweiten Offline-Berechnungsmodell Referenzdaten für den Gießprozess vor der Durchführung von Schritt (i) ermittelt werden. In dieser Weise dient dann der Einsatz des zweiten Offline-Berechnungsmodells zur Vorbereitung des späteren tatsächlichen Gießvorgang, wobei die genannten Referenzdaten in der Datenbank im Hinblick auf ein späteres Auslesen daraus abgespeichert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die zweite Software ein erstes Online-Berechnungsmodell („Online Simulationsmodell Stranggießprozess“) aufweisen, mit dem ab dem Gießbeginn die Berechnung der Temperaturen für den Gießstrang und die daraus ermittelten Werte für die Werkstoff-Kenngröße berechnet werden. Hierzu kann sich empfehlen, dass das erste Online-Berechnungsmodell bei der Durchführung von Schritt (i) eingesetzt wird.
Im Zusammenhang mit der zweiten Software besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass diese mit einem zweiten Online-Berechnungsmodell („Online Optimierungsmodell Stranggießprozess“) ausgestattet ist, mit dem ab dem Gießbeginn die Prozessparameter Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwasser ermittelt werden. In diesem Zusammenhang kann sich empfehlen, dass das zweite Online-Berechnungsmodell bei der Durchführung von Schritt (ii) eingesetzt wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Kommunikationsmodell des Prozessrechners einen Datenaustausch zwischen den jeweiligen Berechnungs-Modellen der zweiten Software und/oder der zugeordneten Datenbank ermöglichen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Berechnungsgeschwindigkeit für das zweite Online-Berechnungsmodell der zweiten Software schneller als in Echtzeit gewählt ist. Hierdurch ist dann vorteilhaft gewährleistet, dass die Optimierung der Prozessparameter Gießgeschwindigkeit und/oder Sekundärkühlwasser (in einem ausgewählten risskritischen Abschnitt der Strangführung) in sehr kurzer Zeit erfolgt, im Hinblick auf eine Übergabe der berechneten Werte an die erste Software, falls die berechnete Werkstoff- Kenngröße kleiner als der vorbestimmte Grenzwert ist und damit die Bedingung von Schritt (iv) erfüllt wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite zusätzliche Software schneller als in Echtzeit rechnet, so dass damit die Berechnungsgeschwindigkeit für die zweite Software größer ist als für die erste Software ist. In dieser Hinsicht versteht sich, dass die zweite Software während des Gießprozesses zum Gießen des Gießstranges permanent „im Hintergrund“ läuft, wobei die genannte große Berechnungsgeschwindigkeit für die zweite Software von Vorteil dafür ist, die Prozessparameter für den Gießprozeß zu optimieren, die dann bei Vorliegen der Bedingung von Schritt (iv) an die erste Software zur Regelung des Gießprozesses der Gießmaschine übergeben werden.
Das vorstehend genannte erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zum Betrieb einer Stranggießanlage, in dem Sinne, dass dadurch die Bildung von Rissen insbesondere in oberflächennahen Bereichen des Gießstrangs verhindert werden können. Dies gilt auch für den Fall, dass es im Verlauf des Gießprozesses zu unvorhergesehenen Veränderungen kommen sollte.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung zur Vorbereitung und Durchführung eines zugehörigen Verfahrens zum Gießen eines Gießstrangs anhand einer schematisch vereinfachten Zeichnung im Detail beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematisch vereinfachte Seitenansicht einer Stranggießanlage, in Verbindung mit einem Flussdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem diese Stranggießanlage betrieben werden kann,
2 eine symbolisch vereinfachte Darstellung einer Steuer- oder Regelungseinheit, die bei der Stranggießanlage von 1 verwendet wird,
3 eine Ansicht zur Veranschaulichung der Architektur eines Prozessrechners für das Verfahren von 1 in Bezug auf eine erste Software und eine zweite Software,
4 ein Diagramm für eine Duktilitätskurve eines Werkstoffs,
5 eine vereinfachte Perspektivansicht einer Bramme,
6 ein Diagramm für den Verlauf der Zener-Pinning-Force (ZPF) für die Bramme von 5,
7 ein Diagramm für die Zener-Pinning-Force (ZPF) für drei unterschiedliche Werkstoffe bei fünf Umformtemperaturen,
8 ein Diagramm für den Temperaturverlauf für die Oberfläche eines Gießstrangs in der Mitte-Oberseite und an der Kante,
9 ein Diagramm für den mittleren Radius für einen Ausscheidungstyp auf den Korngrenzen Austenit und Ferrit als Funktion der Gießzeit,
10 ein Diagramm für Volumenanteil für einen Ausscheidungstyp auf den Korngrenzen Austenit und Ferrit als Funktion der Gießzeit,
11 ein Diagramm für die Verteilungsfunktion für einen Ausscheidungstyp auf den Austenit-Korngrenzen zum Zeitpunkt t, und
12 ein Diagramm für den Verlauf der ZPF analog zu 6.

Nachstehend ist unter Bezugnahme auf die 1-11 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gießen eines Gießstrangs 1 erläutert, wobei eine Stranggießanlage 10 mit mindestens einer Gießmaschine 12 zum Einsatz kommt. Die Stranggießanlage 10 ist mit einem Prozessrechner 100 ausgestattet, der eine erste Software 102 und eine zweite zusätzliche Software 104 umfasst. Gleiche Merkmale in der Zeichnung sind jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. An dieser Stelle wird gesondert darauf hingewiesen, dass die Zeichnung lediglich vereinfacht und insbesondere ohne Maßstab dargestellt ist.
1 zeigt im Bildbereich oben rechts prinzipiell vereinfacht eine Seitenansicht einer Stranggießanlage 10, mit der das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
Die Stranggießanlage 10 umfasst eine Gießmaschine 12 mit einer (nicht näher bezeichneten) Kokille, die eine untere Öffnung und hierdurch einen vertikalen Ausgang nach unten aufweist. In die Kokille wird bis zu einem Gießspiegel bzw. Badspiegel flüssiges Metall eingefüllt, z.B. Stahl oder eine Stahllegierung.
Die Stranggießanlage 10 umfasst eine stützende Strangführung 14, die einen Biegebereich A, einen Richtbereich B und einen Softreduktionsbereich C umfasst.
Die stützende Strangführung 14 schließt sich an die untere Öffnung der Kokille an. Somit ist die stützende Strangführung 14 der Kokille unmittelbar nachgelagert bzw. stromabwärts hiervon angeordnet.
Im Betrieb der Stranggießanlage 10 und bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt ein Gieß- bzw. Metallstrang 1 nach unten aus der unteren Öffnung der Kokille aus und wird anschließend entlang der stützenden Strangführung 14 in einer Förderrichtung F (vgl. 1) bewegt bzw. transportiert.
Diese vorstehend genannten Bereiche A, B und C sind Teil einer Sekundärkühlung 108 der Stranggießanlage 10 und bilden risskritische Abschnitte entlang der Strangführung 14. Dies bedeutet, dass in diesen Bereichen A-C der Sekundärkühlung 108 für den Gießstrang 1 insbesondere in oder an dessen Oberfläche(n) die Gefahr einer Rissbildung besteht, deren Vermeidung das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Aufgabe hat bzw. sich zum Ziel setzt.
Die Sekundärkühlung 108 der Stranggießanlage 10 umfasst entlang der stützenden Strangführung 14 (nicht näher bezeichnete) einzelne Kühlsegmente, durch die das Aufbringen eines Kühlmediums, insbesondere in Form von Wasser z.B. durch Spritzdüsen, auf beide Seiten des Metallstranges 1 gewährleistet ist, um den Metallstrang 1 gezielt zu kühlen. Diese Kühlsegmente werden jeweils über (nicht gezeigte) Leitungen mit Kühlflüssigkeit gespeist und sind jeweils mit Spritzdüsen ausgestattet. Entsprechend ist es möglich, durch die Spritzdüsen der einzelnen Kühlsegmente Kühlflüssigkeit auf die Oberflächen des Metallstranges 1 auszubringen, nämlich an dessen Oberseite und/oder Unterseite.
Die Stranggießanlage 10 umfasst eine Steuer- oder Regelungseinheit 122 (vgl. 2), die über eine Signalstrecke 124 signaltechnisch u.a. mit den Kühlsegmenten der stützenden Strangführung 14 in Verbindung steht. Diese Signalstrecke 124 kann kabelgebunden oder drahtlos, z.B. durch eine Funkstrecke oder dergleichen, ausgeführt sein.
Gemäß der prinzipiell vereinfachten Darstellung von 2 umfasst die Steuer- oder Regelungseinheit 122 den Prozessrechner 100, auf dem die erste Software 102 und die zweite zusätzliche Software 104 eingerichtet sind. Die Bedeutung und Funktionsweise dieser beiden Software-Pakete 102, 104 wird nachfolgend noch gesondert erläutert.
Die Steuer- oder Regelungseinheit 122 ist mit einem Datenspeicher 106 verbunden, in dem erforderliche Prozessdaten bzw. Prozessparameter für die Stranggießanlage 10 gespeichert sind. Insoweit übernimmt dieser Datenspeicher 106 die Funktion einer Datenbank, die in 3 auch mit „DB“ bezeichnet ist. Über eine (nicht gezeigte) Schnittstelle ist es möglich, einzelne Prozessdaten PD in den Datenspeicher 106 einzugeben bzw. darin einzulesen. Diese Eingabemöglichkeit ist in der 2 durch einen Pfeil mit „PD“ symbolisiert.
Die Stranggießanlage 10 ist mit zumindest einem (nicht näher bezeichneten) Temperatursensor, oder einer Mehrzahl von solchen Sensoren, ausgestattet, der bzw. die angrenzend an die stützende Strangführung 14 angeordnet ist bzw. sind. Mittels eines solchen Sensors oder einer Mehrzahl solcher Sensoren kann die Temperatur des Metallstranges 100 bestimmt werden, um damit beispielsweise die zuvor berechnete Temperatur des Metallstranges 1 mit der Messung abzugleichen. Die Temperaturdaten des Sensors bzw. der Sensoren werden zunächst einer Datenerfassung 128 (vgl. 2) zugeführt, und von dort an die Steuer- oder Regelungseinheit 122 über die Signalstrecke 124 gesendet.
In dem Datenspeicher 106 können Prozessparameter gespeichert sein bzw. werden, auf Grundlage derer für die einzelnen Kühlsegmente entlang der stützenden Strangführung 14 Solltemperaturen eingestellt bzw. festgelegt werden. Zu diesen Prozessparametern können verschiedene Solltemperaturen für die jeweiligen Bereiche A, B und C der Sekundärkühlung 108 und/oder die Gießgeschwindigkeit, mit welcher der Gießstrang 1 in der Förderrichtung F bewegt wird, gehören. Es versteht sich, dass diese Prozessparameter jeweils von einem bestimmten Werkstoff bzw. einer bestimmten Werkstoffgruppe abhängig sind, aus dem bzw. der der Gießstrang 1 hergestellt wird, und jedenfalls unabhängig von einer konkreten Stranggießanlage sind.
Anhand der vorstehend genannten Prozessparameter, die in dem Datenspeicher 106 abgelegt sind, können mittels der Steuer- und Regelungseinheit 122 für die einzelnen Kühlsegmente entlang der Strangführung 14 im Bereich der Sekundärkühlung 108 einer konkreten Stranggießanlage, z.B. die Stranggießanlage 10 von 1, Solltemperaturen eingestellt bzw. festgelegt werden.
Die Steuer- oder Regelungseinheit 122 erhält die Prozessdaten bzw. Prozessparameter des jeweils aktuellen Gießprozesses von der Stranggießanlage 10 über die vorstehend genannte Datenerfassung 128 (vgl. 2). Zu diesen Prozessparametern gehören u.a.:

- Werkstoff
- Gießtemperatur
- IST-Wert der Gießgeschwindigkeit
- Sekundärkühlwasser (d.h. Menge und Temperatur)
- Gießlänge.

Wie erläutert, können diese Prozessparameter PD über eine Schnittstelle in den Datenspeicher 106 eingegeben werden und von dort über die Signalstrecke 124 an den Prozessor der Steuer- oder Regelungseinheit 122 gelangen. Im Anschluss daran werden können diese Prozessparameter PD dann von der Steuer- oder Regelungseinheit 122 sowohl an die erste Software 102 als auch an die zweite Software 104 weitergeleitet werden.
Die Architektur bzw. der Aufbau des Prozessrechners 100 ist in der Darstellung von 3 gezeigt.
Wie bereits erläutert, ist auf dem Prozessrechner 100 neben der ersten Software 102 auch die zweite zusätzliche Software 104 eingerichtet bzw. installiert. Diese zweite Software 104 umfasst eine Mehrzahl von mathematischen Berechnungsmodellen, mit denen u.a. thermodynamische Zustandsänderungen des Gießstrangs 1 z.B. durch Lösen von Wärmeleitungsgleichungen berechnet werden können. Zu diesen Berechnungsmodellen zählen ein erstes Offline-Berechnungsmodell 112 (in 3 als „Offline Simulationsmodell Stranggießprozess“ bezeichnet), ein zweites Offline-Berechnungsmodell 114 (in 3 als „Offline Simulationsmodell Stranggießprozess“ bezeichnet), ein erstes Online- Berechnungsmodell 116 (in 3 als „Online Simulationsmodell Stranggießprozess“ bezeichnet) und ein zweites Online- Berechnungsmodell 118 (in 3 als „Online Optimierungsmodell Stranggießprozess“ bezeichnet).
Die vorstehend genannten Berechnungsmodelle 112, 114, 116, 118 der zweiten Software 104 sind jeweils mit einem Werkstoffmodell W ausgestattet, um die Werkstoff- Kenngröße zur Minimierung der Heißrissanfälligkeit des Gießstrangs 1 zu ermitteln
Des Weiteren ist der Prozessrechner 100 mit einem Kommunikationsmodell bzw. - prozess 110 ausgestattet, mit dem einerseits ein Datenaustausch zwischen den verschiedenen genannten Berechnungsmodellen 112, 114, 116, 118 der zweiten Software 104 und andererseits auch ein Datenaustausch zwischen der zweiten Software 104 und der ersten Software 102, mit welcher der eigentliche Gießprozeß der Stranggießanlage 10 geregelt wird, ermöglicht wird. In der Darstellung von 3 ist ein solcher Datenaustausch zwischen den genannten Komponenten bzw. Berechnungsmodell jeweils durch Doppelpfeile symbolisiert.
Währenddessen der Gießbetrieb der Stranggießanlage 10 läuft und durch die erste Software 102 geregelt wird, läuft die zweite Software 104 permanent im Hintergrund. Diesbezüglich wird gesondert hervorgehoben, dass die zweite Software 104 viel schneller als in Echtzeit rechnet, jedenfalls schneller als die erste Software 102. Anders ausgedrückt, ist die Berechnungsgeschwindigkeit für die zweite Software 104 größer eingestellt als wie für die erste Software 102.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens, das mit der Stranggießanlage 10 von 1 durchgeführt werden kann, kann zur Optimierung der Kühlstrategie (Wasserverteilung und Wassermenge(n) in den Bereichen A, B und C der Sekundärkühlung 108, als auch Gießgeschwindigkeit) die Zener-Kraft, auch als „Zener-Pinning-Force“ (ZPF) bezeichnet bzw. bekannt, berechnet bzw. berücksichtigt werden. Die ZPF ist ein Parameter für die Rissempfindlichkeit des Gießstrangs 1 dar und bildet ein Maß für den Widerstand durch Partikel gegen Korngrenzeng leiten.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf Grundlage der Prozessdaten von der Stranggießanlage 10 mittels des ersten Online-Berechnungsmodells 116 der zweiten Software 104 ein zeitabhängiges Temperaturfeld für den Gießstrang (1) berechnet. Hierzu gelangen die Prozessdaten von der Stranggießanlage 10 über das genannte Kommunikationsmodell 110 an die zweite Software 104, wobei zusätzlich auch Prozessparameter aus der Datenbank 106 ausgelesen werden können. Diese Berechnung ist in dem Flussdiagramm von 1 als Schritt (i) bezeichnet und erfolgt jeweils für die einzelnen Bereiche A, B und C der Sekundärkühlung 108.
Im Anschluss daran wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Werkstoff-Kenngröße berechnet, die von zumindest dem Volumenanteil und den jeweiligen Größen an Ausscheidungen abhängt und somit ein Maß für die Rissempfindlichkeit des Gießstrangs 1 darstellt. Beispielsweise kann es sich bei dieser Werkstoff- Kenngröße um die vorstehend genannte ZPF handeln. Entsprechend wird in einem Schritt (ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens, der ebenfalls von dem zweiten Online- Berechnungsmodell 116 der zweiten Software 104 durchgeführt wird, die ZPF auf Grundlage des zuvor in Schritt (i) bestimmten zeitabhängigen Temperaturfeldes berechnet, wobei dann insbesondere durch Einsatz eines Reglers diese ZPF und die zugehörigen Prozessparameter für den Gießprozeß an zumindest einer kritischen Position entlang der Strangführung 14 bzw. der Sekundärkühlung 108 optimiert bzw. minimiert werden.
Das Modell zur Berechnung der Ausscheidungskinetik erhält Daten zum zeitabhängigen Temperaturverlauf für mehrere Positionen im Strangquerschnitt, von der Prozesssimulation Stranggießen. Das Modell unterscheidet zwischen Ausscheidungsbildung im Austenit und Ferrit und benötigt dafür die Umwandlungstemperatur γ/α.
Mit Änderungen der Prozessparameter Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwassermenge der einzelnen Kühlzonen werden insbesondere für die genannten kritischen Positionen bzw. Bereiche A, B und C in der Strangführung 14 die ZPF minimiert und somit die Rissgefahr reduziert. Die Minimierung kann im einfachsten Fall durch Variationsrechnung der Prozessparameter erfolgen. Eine solche Minimierung, im Sinne einer Optimierung, kann mittels des zweiten Online- Berechnungsmodells 118 der zweiten Software 104 vorgenommen werden.
Für den weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kenntnis eines vorbestimmten Grenzwertes für die besagte Werkstoff-Kenngröße, die für die Rissempfindlichkeit des Gießstrangs 1 charakteristisch ist, von Bedeutung, denn: In einem Schritt (iii) des Verfahrens wird die berechnete bzw. optimierte ZPF dann mit diesem vorbestimmten Grenzwert verglichen.
Für das hier diskutierte Beispiel kann der vorbestimmte Grenzwert auf Grundlage einer Temperatur ermittelt werden, wobei der die Duktilität für den Werkstoff und dessen chemische Zusammensetzung, aus dem bzw. der der Gießstrang hergestellt wird, 40% unterschreitet. Dies ist anhand der 4 veranschaulicht, in der die Brucheinschnürung („reduction of area“ = RoA) als Funktion der Verformungstemperatur beispielsweise für das Material 20MnV6 gezeigt ist. In dem Diagramm von 4 ist der Schnittpunkt angedeutet, an dem der Temperaturverlauf die Grenze von 40% der RoA unterschreitet.
Nach einem alternativen Ansatz kann der vorbestimmte Grenzwert für die ZPF auch empirisch durch eine Simulation für einen Probenkörper ermittelt werden, was in den 5-12 gezeigt ist.
5 zeigt einen Probenkörper bzw. Gießstrang 1 in Form einer Bramme, bei der sich Risse 2 an der Oberfläche (beispielsweise entlang der Längskanten) gebildet haben. Für diesen Fall werden für die Bramme 1 Simulationen für verschiedene Spuren durchgeführt, die parallel zu den Längskanten verlaufen, beispielweise für eine Spur 1 unmittelbar angrenzend zu einer Längskante, und für eine Spur 2, die weiter in der Mitte der Bramme 1 liegt.
Die Darstellung von 5 verdeutlicht, dass für das genannte Beispiel einer Bramme 1 die Spur 1 in einem Bereich mit Kantenrissen liegt, wobei die Spur 2 - weiter in Richtung der Mitte der Bramme 1 angeordnet - in einem rissfreien Bereich der Bramme 1 parallel zur Spur 1 liegt.
Simuliert werden nun der Temperaturverlauf mit den Ist-Prozessdaten, wobei darauf aufbauend die anschließende Werkstoffsimulation zur Berechnung der ZPF_krit für den Biege-, Richt- und Softreduktionbereich (Bereiche mit erhöhter mechanischer Belastung bzw. thermisch induzierte Spannungen (Schrumpf)) durchgeführt wird.
Das Diagramm von 8 stellt den Temperaturverlauf für die Simulation dar, wobei die Kante der Spur 1 und die Mitte der Spur 2 entspricht. Das Diagramm von 6 (und in gleicher Weise auch das Diagramm von 12) zeigt den dazugehörigen Verlauf der ZPF-Werte im austenitischen Gefüge und nach Beginn der Phasenumwandlung (γ/α) auch im ferritischen Gefüge. Im Einzelnen wird darauf hingewiesen, dass die ZPF für Spur 1 die risskritischen ZPF-Werte „liefert“, wobei bei der Spur 2 die unkritischen Werte vorliegen. Durch Variation der Prozessparameter ist ein Temperaturverlauf zu berechnen, bei dem die ZPF-Werte nicht den kritischen Grenzwert überschreitet, der anhand der Werte für bzw. auf Spur 2 abgeleitet wurde. Dies ergibt sich aus der Darstellung von 6 (bzw. von 12), wobei der Grenzwert am Ende der mechanischen Belastung (Richtbereich, in 6 bzw. 12 jeweils als schraffierte Fläche angedeutet) bei der Spur 2 (rissfrei) abgelesen wird. Dabei handelt es sich um den ZPF-Wert der Ausscheidung im Ferrit.
In den Darstellungen gemäß der 8-12 sind die erforderlichen Größen zur Berechnung der ZPF als Funktion der Zeit am Beispiel des Ausscheidungstyps Vanadiumkarbonitrid VCN auf Austenit- und Ferritkorngrenzen innerhalb einer Vorblockstranggießanlage für den Werkstoff 20MnV6 dargestellt. Diesbezüglich wird zu den Diagrammen von 9 und 10 darauf hingewiesen, dass in deren Bildunterschriften mit dem Buchstaben „A“ jeweils Austenit und mit dem Buchstaben „F“ jeweils Ferrit gemeint sind.
Falls bei dem Vergleich von Schritt (iii) des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt wird, dass die zuvor berechnete ZPF kleiner ist als der vorbestimmte Grenzwert ZPF_krit, dann werden die zugehörigen Prozessparameter, welche der berechneten ZPF zugeordnet sind, in einem Schritt (iv) an die erste Software 102 übergeben und entsprechend zur Regelung des Gießprozesses der Gießmaschine 12 berücksichtigt.
Falls bei dem besagten Vergleich festgestellt werden sollte, dass die berechneten Werte für die ZPF größer sind als der vorbestimmte Grenzwert ZPF_krit , dann erfolgt - wie es in dem Flussdiagramm von 1 ausgehend von dem Schritt (iii) durch den „Nein“-Pfad angedeutet ist - für die Berechnung mittels der zweiten Software 104 ein Rücksprung zu Schritt (i), zwecks einer Anpassung der Prozessparameter in Form der Gießgeschwindigkeit und/oder der Sekundärkühlung (Wassermenge + Wasserverteilung, z.B. in den genannten Bereichen A, B und C der Sekundärkühlung 108).
Mit dem Online Simulationsmodell Stranggießprozess erfolgen ab dem Gießbeginn die Berechnung der Strangtemperaturen und die daraus ermittelten Werkstoff-Kennwerte. Werden werkstoffabhängige Grenzwerte (ZPF_krit/τ_ORkrit) überschritten, so werden Prozessparameter des Gießprozess wie Gießgeschwindigkeit oder die Wassermengen der Sekundärkühlung mit einem Regler verändert, mit dem die Steuer- oder Regelungseinheit 122 ausgestattet ist. Zusätzlich werden die von dem schneller rechnenden zweiten Online-Berechnungsmodell der zweiten Software 104 ermittelten Gießgeschwindigkeiten und Sekundärkühlwassermengen berücksichtigt.
Der Einsatz der beiden Online- Berechnungsmodelle 116, 118 der zweiten Software 104 erfolgt wie erläutert während des laufenden Gießprozesses. Dies ist in der Darstellung durch einen gestrichelten Kasten symbolisiert, in den oberen rechten Bereich der Hinweis „Gießprozess“ notiert ist. Dies bedeutet, dass die beiden Online-Berechnungsmodelle 116, 118 der zweiten Software 104 permanent „im Hintergrund“ rechnen, wobei ggf. deren Rechenergebnisse in Form von optimierten Prozessparametern an die erste Software 102 zur Regelung des tatsächlichen bzw. „realen“ Gießprozesses übergeben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch ergänzt bzw. verbessert werden, dass mit der zweiten Software 104 auch deren Offline- Berechnungsmodelle 112, 114 eingesetzt werden. Wie in der 3 durch den Kasten mit der strichpunktierten Linie symbolisiert, dient dies der Vorbereitung des Gießprozesses, was in dem besagten Kasten oben links durch den Begriff „Planung“ zum Ausdruck kommt. Im Einzelnen bedeutet dies, dass mit dem ersten Offline-Berechnungsmodell 112 und mit dem zweiten Offline-Berechnungsmodell 114 der zweiten Software 104 Referenzdaten für den erst später startenden Gießprozeß ermittelt bzw. erzeugt werden können, wobei diese Referenzdaten dann per Datentransfer mittels des Kommunikationsmodells 110 in der Datenbank 106 abgespeichert werden können. Falls sich während des Stranggießprozesses Einstellungen bzw. Referenzdaten ergeben, die zu besseren Werkstoff-Kenngrößen (z.B. noch kleinere ZPF-Werte) führen, dann werden diese vom „Optimierungsmodell Stranggießen“ entsprechend erkannt und über den Kommunikationsprozess 110 in der Datenbank 106 gespeichert, zur Vorbereitung eines späteren Auslesens bzw. einer Übergabe an die erste Software 102.
Somit kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass mit dem ersten Offline-Berechnungsmodell 112 („Offline Simulationsmodell Stranggießprozess“) der zweiten Software 104 der Zeit-Temperaturverlauf an mehreren Positionen des Strangquerschnittes des Gießstrangs 1, bevorzugt an der Strangoberfläche, berechnet und dem Werkstoffmodell übergeben wird. Dies verfolgt das Ziel, die zeitliche Entwicklung der Werkstoff-Kenngröße aus der abgewandelten Zener Pinning Force Formel zu ermitteln. Vorgegeben sind hierbei die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs, aus dem der Gießstrang 1 hergestellt wird, die Gießtemperatur, Gießgeschwindigkeit, Gießpulver, Kokillenkühlwasser und das Sekundärkühlwasser sowie deren Temperaturen.
Durch das erste Offline- Berechnungsmodell 112 werden mit Optimierungsstrategien die Prozessparameter Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwasser in vorgegebenen Grenzen variiert, um damit die Werkstoff-Kenngröße der Heißrissanfälligkeit des Stranges, z.B. die ZPF (oder alternativ die Orowan-Spannung τ_OR) zu minimieren. Die optimierte Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwassermenge werden als Referenzwert in die Datenbank 106 gespeichert und bei Gießbeginn dem Stranggießprozess (d.h. an die erste Software 102) als Soll-Werte übergeben.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt es im laufenden Stranggießprozess in der Regel für die Prozessparameter Überhitzung, Gießpulvereinfluss, Wassertemperaturen und die chemische Zusammensetzung des Materials, aus dem der Gießstrang 1 hergestellt wird, zu Abweichungen von den geplanten Prozessparametern. In Folge dessen sind eine neue Berechnung der Werkstoff-Kenngröße der Heißrissanfälligkeit des Stranges erforderlich und eine neue Optimierung der Gießgeschwindigkeit und der Sekundärkühlwassermenge notwendig. Diese Optimierung erfolgt mit dem zweiten Online-Berechnungsmodell 118 der zweiten Software 104 („Online Optimierungsmodell Stranggießen“), das schneller als in Echtzeit die Berechnungen der Temperaturen und Werkstoff-Kennwerte ausführt.
Schließlich wird darauf hingewiesen, dass die vorstehend erläuterte Vorgehensweise für das erfindungsgemäße Verfahren mutatis mutandis auch auf die tertiäre Kühlung hinter der Stranggießanlage, z.B. beim Warmtransport von stranggegossenen Produkten zum nächsten Prozessschritt angewandt werden kann. Analoges gilt auch für Blockguss.
Bezugszeichenliste

1: Gießstrang
2: Risse
10: Stranggießanlage
12: Gießmaschine
14: Strangführung
100: Prozessrechner
102: Erste Software
104: Zweite zusätzliche Software
106: Datenspeicher bzw. Datenbank
108: Sekundärkühlung
110: Kommunikationsmodell
112: Erstes Offline-Berechnungsmodell
114: Zweites Offline-Berechnungsmodell
116: Erstes Online-Berechnungsmodell
118: Zweites Online-Berechnungsmodell
122: Steuer- oder Regelungseinheit
124: Signalstrecke bzw. Signalverbindung
128: Datenerfassung
A: Biegebereich (der Strangführung 14)
B: Richtbereich (der Strangführung 14)
C: Softreduktionsbereich (der Strangführung 14)
F: Förderrichtung (für den Gießstrang 1)
PD: Prozessdaten
W: Werkstoffmodell

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2346631 B1 [0006, 0007]
EP 1289691 B2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

KGF. Janssens, D. Raabe, E. Kozeschnik und M.A. Miodownik: „Computational Materials Engineering: An Introduction to Microstructure Evolution“, Academic Press; 16. Oktober 2007; ISBN: 978-0-12-369468-3; 179-217 [0021]
M. R. Ahmadi, E. Povoden-Karadeniz, K.I. Öksüz, A. Falahati, E. Kozeschnik: Computational Materials Science 91 (2014) 173-186 [0023]

Claims

Verfahren zum Gießen eines Gießstrangs (1) in einer mit einem Prozessrechner (100) ausgestatteten Stranggießanlage (10) mit mindestens einer Gießmaschine (12), wobei der Prozessrechner (100) zumindest eine erste Software (102), die in Echtzeit rechnet und den Gießprozess der Gießmaschine (12) regelt, und eine zweite zusätzliche Software (104) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mit der zweiten Software (104) folgende Schritte durchgeführt werden: (i) Berechnen eines zeitabhängigen Temperaturfeldes für den Gießstrang (1) einerseits in Abhängigkeit von aktuell gewonnenen Prozessparametern aus dem laufenden Gießprozess und/oder aus zumindest einem in einer Datenbank (106) gespeicherten Prozessparameter und andererseits in Zuordnung zu einer bestimmten Gießlänge und zugehöriger kritischer Abschnitte in der Strangführung (14) wie insbesondere Biegebereich (A), Richtbereich (B) und/oder Softreduktionsbereich (C), (ii) Berechnen einer von zumindest dem Volumenanteil und der jeweiligen Größen an Ausscheidungen abhängigen Werkstoff-Kenngröße für die Rissempfindlichkeit auf Grundlage des zeitabhängigen Temperaturfeldes von Schritt (i), wobei diese Werkstoff-Kenngröße und zugehörige Prozessparameter des Gießprozesse in Form von Wassermengen für die Sekundärkühlung (108) an zumindest einer kritischen Position entlang der Strangführung (14) und/oder der Gießgeschwindigkeit insbesondere durch Einsatz eines Reglers optimiert, vorzugsweise minimiert werden, (iii) Vergleichen der gemäß Schritt (ii) berechneten bzw. optimierten Werkstoff-Kenngröße mit einem vorbestimmten Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße, und (iv) falls die gemäß Schritt (ii) berechnete bzw. optimierte Werkstoff-Kenngröße kleiner ist als der vorbestimmte Grenzwert: Übergeben der in Schritt (ii) berechneten zugehörigen Prozessparameter an die erste Software (102) zur Regelung des Gießprozesses der Gießmaschine (12), oder andernfalls: Wiederholen ab Schritt (i), wobei im Schritt (ii) die Prozessparameter in Form der Gießgeschwindigkeit und/oder in Bezug auf die Sekundärkühlung (108) angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße auf Grundlage einer Temperatur ermittelt wird, bei der die Duktilität für den Werkstoff und dessen chemische Zusammensetzung, aus dem bzw. der der Gießstrang (1) hergestellt wird, 40% unterschreitet, vorzugsweise, dass der vorbestimmte Grenzwert für die Werkstoff- Kenngröße mit einem Heißzugversuch direkt im Anschluss an das Aufschmelzen und Wiedererstarren eines Probenkörpers ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Werkstoff-Kenngröße um die Zener-Pinning-Force (ZPF) handelt, die mit folgender Formulierung beschrieben wird: $Z P F (k, i) = \frac{3}{2} γ \sum_{i = 1}^{N} \sum_{k = 1}^{M} \frac{f_{k, i}}{r_{k, i}}$
, mit: f_k,i = Volumenanteil(e) an Ausscheidungen, r_k,i = Ausscheidungsradius [m], k = Ausscheidungsgröße der in M Klassen diskretisierten Verteilungsfunktion, i = N unterschiedliche Ausscheidungstypen, γ = Korngrenzenergie [J/m²].
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße in Form der Zener-Pinning-Force 9.10^-6 MPa beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Werkstoff-Kenngröße um die Orowan-Spannung handelt, die mit folgender Formulierung beschrieben wird: $τ_{O R} ≅ \frac{G b \sqrt{f}}{r}$
, mit: f = Volumenanteil(e) an Ausscheidungen, r = Ausscheidungsradius G = Schubmodul [GPa], b = Burgers-Vektor [m].
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Grenzwert für die Werkstoff-Kenngröße in Form der Orowan-Spannung 5.10^-5 MPa beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Software (104) mit einer Datenbank (106) in Signalverbindung steht, wobei Daten für die zweite Software (104) aus der Datenbank (106) ausgelesen werden und/oder Daten von der zweiten Software in der Datenbank (106) gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Prozessrechner (100) ein Kommunikationsmodell (110) vorgesehen ist, mit dem ein Datenaustausch zwischen der ersten und zweiten Software (102, 104) und/oder zwischen der zweiten Software (104) und der Datenbank (106) gewährleistet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite Software (104) zumindest ein Offline-Berechnungsmodell (112; 114) und/oder zumindest ein Online-Berechnungsmodell (116; 118) vorgesehen sind, wobei alle Online- und/oder Offline-Modelle (112; 114; 116; 118) der zweiten Software ein Werkstoffmodell (W) enthalten, um die Werkstoff-Kenngröße zur Minimierung der Heißrissanfälligkeit des Gießstranges (1) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Software (104) ein erstes Offline-Berechnungsmodell (112) („Offline Simulationsmodell Stranggießprozess“) aufweist, mit dem ein Zeit-Temperaturverlauf an mehreren insbesondere kritischen Positionen in der Strangführung (14), bevorzugt an der Strangoberfläche, berechnet und dem Werkstoffmodell übergeben wird, vorzugsweise, dass die von dem ersten Offline-Berechnungsmodell (112) berechneten Werte in der Datenbank (106) gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Offline-Berechnungsmodell (112) Referenzdaten für den Gießprozess vor der Durchführung von Schritt (i) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Software (104) ein zweites Offline-Berechnungsmodell (114) („Offline Optimierungsmodell Stranggießprozess“) aufweist, mit dem im Zuge einer vorzugsweise numerischen Optimierungsstrategie die Prozessparameter Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwasser in vorgegebenen Grenzen variiert werden, um die Werkstoff-Kenngröße zu minimieren, wobei die optimierte Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwassermenge als Referenzwert in der Datenbank (106) gespeichert und bei Gießbeginn dem Stranggießprozess als Soll-Werte übergeben werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Offline-Berechnungsmodell (114) eine Optimierung der chemischen Zusammensetzung im Rahmen der minimalen und maximalen chemischen Elementgehalte, die für den Werkstoff, aus dem der Gießstrang (1) hergestellt wird, festgelegt sind, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem zweiten Offline-Berechnungsmodell (114) Referenzdaten für den Gießprozess vor der Durchführung von Schritt (i) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Software (104) ein erstes Online-Berechnungsmodell (116) („Online Simulationsmodell Stranggießprozess“) aufweist, mit dem ab dem Gießbeginn die Berechnung der Temperaturen für den Gießstrang (1) und die daraus ermittelten Werte für die Werkstoff-Kenngröße berechnet werden, vorzugsweise, dass das erste Online-Berechnungsmodell (116) bei der Durchführung von Schritt (i) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Software (104) ein zweites Online-Berechnungsmodell (118) („Online Optimierungsmodell Stranggießprozess“) aufweist, mit dem ab dem Gießbeginn die Prozessparameter Gießgeschwindigkeit und Sekundärkühlwasser ermittelt werden, vorzugsweise, dass das zweite Online-Berechnungsmodell (118) bei der Durchführung von Schritt (ii) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsmodell (110) einen Datenaustausch zwischen den jeweiligen Berechnungs-Modellen (112; 114; 116; 118) der zweiten Software (104) und/oder der zugeordneten Datenbank (106) gewährleistet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite zusätzliche Software (104) schneller als in Echtzeit rechnet, so dass damit die Berechnungsgeschwindigkeit für die zweite Software (104) größer ist als für die erste Software (102) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsgeschwindigkeit für das zweite Online-Berechnungsmodell (118) der zweiten Software (104) schneller als in Echtzeit gewählt ist.