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Gebiet:
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von einer Übergangsbramme oder -knüppel.
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Stand der Technik:
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Metallische Übergangsbrammen oder - knüppel weisen im erfindungsgemäßen Sinne eine weitestgehend konstante geometrische Form und eine in Bezug auf die geometrische Form nicht konstante chemische Analyse auf. Diese Analysenabweichung kann durch einen gezielten Prozess herbeigeführt sein oder aus einem Prozessfehler in einem vorhergehenden Verfahrensschritt bei der Erzeugung der Übergangsbramme oder -knüppel resultieren.
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Gezielt können diese Übergangsbrammen oder Knüppel in einer Stranggussanlage oder aus einem Umschmelzverfahren durch gezieltes Mischen zweier Ausgangschargen mit unterschiedlichen Analysen hergestellt werden. Prozessfehler können beispielsweise die fehlerhafte Durchmischung einer Charge im flüssigen Zustand oder ein falsch eingestellter kontinuierlicher Legierungsprozess im Strangguss sein.
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Bei einer Weiterverarbeitung einer derartigen Übergangsbramme oder -knüppel mit konstanten Prozessparametern im Nachfolgeprozess wird ein Zwischen- oder Fertigprodukt erzeugt, dass über seine geometrische Form ungleichmäßige Eigenschaften, insbesondere mechanische Eigenschaften, aufweisen kann.
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Eine weitere Verarbeitung zu beispielsweise Maschinenbauteilen ist aufgrund der nicht vorhersagbaren Eigenschaften des fertigen Bauteils daher weitestgehend ausgeschlossen. Bisher werden diese Übergangsbrammen oder -knüppel daher verschrottet.
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Aufgabe der Erfindung:
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren bereitzustellen durch das eine Übergangsbramme oder -knüppel zu einem Zwischen- oder Fertigprodukt mit mechanischen Eigenschaften in einem nutzbaren Zielkorridor verarbeitet werden können.
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Erfindung:
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine metallische Übergangsbramme oder -knüppel mit einer in der Übergangsbramme oder -knüppel örtlich variablen chemischen Analyse wird zu einem Zwischen- oder Fertigprodukt mit einem Zielkorridor für die mechanischen Eigenschaften und einer Zielabmessung in einer Umformeinrichtung, insbesondere in einer Walzstraße, verarbeitet. Dabei werden bei der Verarbeitung zumindest die Arbeitsschritte Erwärmen und / oder Halten der Übergangsbramme oder -knüppel auf einer Zieltemperatur, Umformen der erwärmten Übergangsbramme oder -knüppel zu einem Zwischen- oder Fertigprodukt und Abkühlen des Zwischen- oder Fertigproduktes ausgeführt. Die jeweiligen Soll-Prozesswerte für die einzelnen an der Verarbeitung beteiligten Aggregate werden durch eine übergeordnete Steuerung oder Regelung vorgegeben.
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Die lokale chemische Analyse Bx,y,z der Übergangsbramme oder -knüppel wird durch eine Messung und / oder ein Modell zumindest vor dem ersten Anstich an zumindest zwei Positionen bestimmt ist und / oder berechnet. Ein mögliches Messverfahren ist beispielsweise eine Messung der chemischen Analyse durch eine Spektralanalyse an der Oberfläche der Bramme oder des Knüppels.
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Die Bestimmung durch ein Modell kann durch beispielsweise auf Basis zweier Analysen von Ausgangschargen erfolgen. Dabei kann die Änderung der lokalen chemischen Analyse durch eine lineare zeitabhängige Funktion beschrieben werden. Die Kombination von verschiedenen Modellen und Messungen erhöht dabei die Genauigkeit der Bestimmung der lokalen chemischen Analyse.
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Die lokale chemische Analyse Bx,y,z stellt dabei im erfindungsgemäßen Sinne einen Wert dar, der einem Volumenelement Vx,y,z innerhalb der Bramme oder des Knüppels zugeordnet ist. Die Volumenelemente Vx,y,z können dabei in allen drei Raumrichtungen innerhalb der Bramme nebeneinander angeordnet sein.
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Für das weitere Verfahren ist es vorteilhaft, wenn die lokale chemische Analyse an möglichst vielen Punkten bzw. Volumenelementen, vorzugsweise mindestens einen Analysenpunkt pro Meter, innerhalb der Bramme oder des Knüppels bekannt ist. Je größer der Gradient innerhalb eines Abschnittes der Bramme oder des Knüppels ist, desto mehr Analysenpunkte bzw. Volumenelemente sind notwendig zur Beschreibung der lokalen Analyse.
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Ein Umform-Prozessmodell bestimmt zumindest aus der lokalen chemische Analyse Bx,y,z und einer geplanten Umformung die lokale chemische Analyse des Zwischen- oder Fertigproduktes Fx,y,z. Dies erfolgt im einfachsten Fall durch eine Änderung der geometrischen Form eines Volumenelementes Vx,y,z unter Berücksichtigung der Volumenkonstanz. Vorzugsweise wird auch der unterschiedliche Materialfluss in den verschiedenen Bereichen der Bramme oder des Knüppels in den einzelnen Umformstufen berücksichtigt. Dazu können beispielsweise im Vorfeld offline Umformsimulationen durchgeführt werden und der daraus bestimmt Materialfluss als Parametersatz übernommen werden.
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Ein Werkstoff-Prozessmodell, insbesondere ein Gefügemodell, ermittelt das vorliegende Gefüge und / oder die mechanischen Eigenschaften des Zwischen- oder Fertigproduktes in Abhängigkeit von der lokalen chemischen Analyse F
x,y,z des Zwischen- oder Fertigproduktes und den Soll-Prozessparametern der Umformstraße, insbesondere einer Walzstraße. Ein mögliches Werkstoffmodell ist dazu beispielsweise aus der
EP 3 096 896 B1 bekannt. Die Soll-Prozessparameter der Umformstraße können die üblichen Soll-Prozessparameter für die Verarbeitung einer in der Bramme oder dem Knüppel vorkommenden lokalen chemischen Analyse sein.
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Ein Verarbeitungs-Prozessmodell passt die Soll-Prozessparameter der Umformstraße, insbesondere den Temperaturverlauf bei der Verarbeitung, die Stichabnahme der einzelnen Umformschritte und / oder die Kühlintensität bzw. Kühlort innerhalb der Umformstraße, und damit die lokale Gefügeentwicklung im Verarbeitungsverlauf derartig an, dass die mechanischen Eigenschaften des Zwischen- oder Fertigproduktes in einem geplanten Zielkorridor liegen. Der Zielkorridor für die mechanischen Eigenschaften im erfindungsgemäßen Sinne ist ein Bereich, der es ermöglich verwendbare Bauteile aus der Bramme oder dem Knüppel zu erzeugen.
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Die ermittelten Sollprozessparameter sind erfindungsgemäß keine konstanten Werte, sondern verändern sich zeitlich auf das einzelne Aggregat bezogen bzw. in Bezug auf den jeweiligen Bereich oder das Volumenelement der Bramme oder des Knüppels. Eine Verwendung eines Optimierungsalgorithmus, beispielsweise eines Iterationsalgorithmus, innerhalb des Verarbeitungsprozessmodells in Verbindung mit dem Gefügemodell verbessert dabei die Einhaltung des geplanten Zielkorridors bei der Verarbeitung der Übergangsbramme oder -knüppels.
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Die dabei ermittelten variablen Soll-Prozessparameter werden an die Steuerung oder Regelung als Sollwerte für die Verarbeitung übergeben.
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Weitere bevorzugte Ausprägungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 ausgeführt.
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Die Übergangsbramme oder - knüppel entsteht bevorzugt durch einen kontinuierlichen Strangguss zweier Chargen mit einer chemischen Analysendifferenz bei dem sich die Chargen in einem kontinuierlichen Stranggussverteiler vermischen. Die lokale chemische Analyse Bx,y,z wird auf Basis der mittleren chemische Analyse der ersten Charge und der zweiten Charge bestimmt. Die mittlere chemische Analyse einer Charge im flüssigen Zustand lässt sich einfach und sicher bestimmen.
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Ein Mischungsmodell bestimmt vorzugsweise einen zeitlichen Verlauf einer chemischen Analyse T aus der mittleren chemische Analyse einer ersten vergossenen Charge und einer zweiten Charge in der Stranggusskokille. Dazu muss für das verwendete System aus Stranggussverteiler und Kokille ein spezifisches Verweilzeitmodell für die Charge bzw. die chemischen Elemente erstellt werden. Dies kann durch CFD-Simulationen oder Messungen ermittelt werden.
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Mit Hilfe der Gießgeschwindigkeit der Bramme oder des Knüppels wird bevorzugt der zeitlicher Verlauf der chemischen Analyse T in eine lokale mittlere chemische Gießanalyse Gx,y,z der Bramme umwandelt. Aus der lokalen mittleren chemische Gießanalyse Gx,y,z der Bramme wird die lokale chemische Analyse Bx,y,z errechnet.
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Die lokale mittlere chemische Gießanalyse Gx,y,z wird bevorzugt durch ein Erstarrungsmodell, welches vorzugsweise die Seigerung bei der Erstarrung berücksichtigt, in die lokale chemische Analyse Bx,y,z umgerechnet. Als Erstarrungsmodell kann hier beispielsweise ein thermodynamisches Gleichgewichtsmodell verwendet werden. Hierdurch kann der Einfluss der Entmischung bei der Erstarrung einer Legierung auf die lokale chemische Analyse berücksichtigt werden. Insbesondere in Kombination mit Messung der chemischen Zusammensetzung auf der Oberfläche der Bramme oder des Knüppels kann die Genauigkeit der lokalen chemischen Analyse dadurch verbessert werden.
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Bei der Umrechnung der lokalen mittleren chemischen Gießanalyse Gx,y,z in die lokale chemische Analyse der Bramme werden der Effekt von Seigerungsreduzierender Anlagentechnik, insbesondere von Rührspulen und / oder Softreduktion, berücksichtigt. Hierdurch können Einflüsse von nicht thermodynamischen Parametern auf die lokale chemische Analyse berücksichtigt werden. Dadurch Verbessert sich zusätzlich die Genauigkeit der Bestimmung der lokalen chemischen Analyse.
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Die Bramme weist einen definierten Kopf- und einen Fußbereich auf und der Kopf- bzw. Fußbereich umfasst bevorzugt ≤ 10%, mehr bevorzugt ≤ 5% der Gesamtlänge der Bramme. Die mittleren lokalen chemischen Analysen des Kopf- und Fußbereiches der Bramme unterscheiden sich bevorzugt in mindestens einem Element, vorzugsweise C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, N, Nb und / oder B, um mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 20 Gew.-%.
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Vorzugsweise wird die lokale chemische Analyse aus einer Messung der chemischen Analyse auf der Oberfläche der Bramme oder des Knüppels bestimmt. Die Oberfläche der Bramme ist für eine Messung der chemischen Analyse leicht zugänglich. Entsprechende Messverfahren können auch in bestehenden Fertigungsstraßen leicht nachträglich installiert werden.
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Bevorzugt wird eine Gießwalzanlage bei der Verarbeitung verwendet. Das Ein- bzw. Ausschleusen der Übergangsbrammen oder Knüppel zwischen der Gieß- und der Walzanlage verursacht Aufwand und Kosten. Durch das Erfindungsgemäße vorgehen können diese vermieden werden.
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Das Gefügemodell berechnet bevorzugt unter anderem auf Basis der Hall Petch Relation und der Mischkristallhärtung die mechanischen Eigenschaften. Derartige Relationen bieten ausreichend genaue Werte für die Steuerung bzw. Regelung des Verarbeitungsprozesses.
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Zumindest an einer Stelle in der Verarbeitungskette wird bevorzugt die Gefügezusammensetzung durch eine Messung, vorzugsweise eine kontinuierliche Messung, bestimmt. Dadurch kann die Modellierung der mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
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Vorzugsweise wird auf Basis der gemessenen Gefügezusammensetzung die Steuerung oder Regelung die Sollwerte der Verarbeitung angepasst. Dies ermöglicht die Feinkorrektur der Gefügezusammensetzung und reduziert dadurch die Streuung innerhalb des Zielkorridors der mechanischen Eigenschaften.
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Die Zielabmessung des Zwischen- oder Fertigproduktes zur Einhaltung der mechanischen Eigenschaften wird bevorzugt variabel eingestellt. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad bei der Umformung ermöglicht die Einhaltung mechanischer Eigenschaften auch bei größeren Differenzen in der chemischen Analytik in der Übergangsbramme oder -knüppel.
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Ein Kaltwalzvorgang, Oberflächenbeschichtung und / oder Dressiervorgang ist bevorzugt bei der Verarbeitung beteiligt. Hierdurch wird die gesamte Verarbeitungskette, insbesondere bei einem Stahlband, einbezogen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Der Beschreibung sind die folgenden zwei Figuren beigefügt:
- 1: Anlagenschema Warmbandstraße mit Schema der Modell und Messungen
- 2: Verlauf der chem. Analyse, mech. Eigenschaft und einer beispielhaften Prozessgröße
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1 zeigt im oberen Bereich eine Gieß-Walz-Anlage. Diese besteht aus einer Stranggussanlage, 6 Walzgerüsten, einer Kühlstrecke und einer Haspel. Mit Hilfe der Stranggussanlage können Brammen nahezu kontinuierlich erzeugt werden. Im darunterliegenden Bereich ist die Verbindung der Anlagentechnik zu der Mess- bzw. Modellierung und dem Level-3-System dargestellt.
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Der Strangguss ist verknüpft mit der Bestimmung der lokalen chemischen Analyse durch eine Messung und / oder einer Modellierung dieses Wertes. Die ortsabhängige lokale chemische Analyse wird an die erste Modellierungseinheit übergeben. Diese weist eine Gefügesimulation auf und ermittelt die optimale zeitabhängige Aufwickeltemperatur unter Berücksichtigung von vorgegebenen Zieleigenschaften des fertigen Stahlbandes.
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Die lokale chemische Analyse und die optimale zeitabhängige Aufwickeltemperatur werden an das Verarbeitungsprozessmodell übergeben. Dies ermittelt daraus die Einstellung der Wasserzufuhr in der Kühlung in Abhängigkeit von der Bandlänge.
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Das Level-3-System speichert die anfallenden Daten aus der Gießwalzanlage und stellt die Schnittstelle für die Vorgabe von Zielkorridoren bereit. Eine Übergeordnete Regelung der Anlage überwacht die Einhaltung der bandpositionsabhängigen Sollwerte.
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2 zeigt ein Diagramm einer Übergangsbramme mit unterschiedlichen Werten. Ausgangswerkstoff der Bramme 1 ist die Güte A mit einem mittleren Mangangehalt von 0,4 Gew. %. In der Stranggussanlage wird anschließend eine Charge mit einem Mangangehalt von 0,75 Gew.-% vergossen. Dadurch ergibt sich für die Bramme 2 als Übergangsbramme der dargestellte ansteigende Mangangehalt. Durch die längenabhängige Veränderung der Aufwickeltemperatur kann eine Zugfestigkeit von ca. 450 N/mm2 über die gesamte Bandlänge eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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