DE19612420C2

DE19612420C2 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in einer Stranggießanlage

Info

Publication number: DE19612420C2
Application number: DE19612420A
Authority: DE
Inventors: Hans-Herbert Welker; Franz Hartleb; Otto Gramckow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: DE19612420A1; US5988259A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in einer Stranggießanla ge, bei der die Kühlung bzw. das Erstarrungsverhalten des Stranges durch die zur Kühlung des Stranges verwendete Kühl mittelmenge, z. B. Wasser, sowie die Art der Kühlmittelauf bringung beeinflußt werden kann, wobei die notwendige Kühl mittelmenge bzw. -aufbringungsart mittels eines Kühlmodells in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solltemperaturvertei lung im Strang bzw. einer äquivalenten Größe ermittelt wird.

Es ist bekannt, die Kühleinrichtungen zum Kühlen eines Stran ges beim Stranggießen in Segmente aufzuteilen. Dabei wird je dem Strangsegment eine sogenannte Kühlkurve, d. h. eine Soll kühlung des Stranges in Abhängigkeit von der Stranggeschwin digkeit, zugeordnet. Durch Messung der Stranggeschwindigkeit wird auf diese Weise im Bereich eines Kühlsegments die opti male Sollkühlung des Stranges über die Kühlkurve ermittelt und die Kühlmittelmenge, z. B. die Wassermenge bei Wasser sprüheinrichtungen zur Kühlung, entsprechend dieser Sollküh lung eingestellt. Auf diese Weise ist es möglich, einen Strang bei konstanter Stranggeschwindigkeit bzw. bei nur sehr langsam veränderlicher Stranggeschwindigkeit akzeptabel zu kühlen. Diese Idealbedingungen sind jedoch nicht immer gege ben. Vielmehr kann es während des Betriebes zu derart schnel len Änderungen der Stranggeschwindigkeit kommen, daß die Küh lung unter Verwendung des bekannten Verfahrens nicht mehr ak zeptabel ist. Dies gilt insbesondere unter der Maßgabe, daß die Stranggeschwindigkeit stark von betrieblichen Anforderun gen, wie z. B. der Zufuhr des Strangmaterials, abhängig ist.

Aus der DE 23 44 438 A ist ein Verfahren zum Steuern der Küh lung eines aus einer Durchlaufkokille austretenden Stranges und eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver fahrens bekannt, bei dem speziell die die Strangoberfläche beaufschlagenden Kühlwassermengen für einzelne Abschnitte des Kühlbereiches einstellbar sind. Die Vorgabe der Sollwerte und Überwachung des Verfahrens erfolgt dabei mittels eines Rech ners. Weiterhin wird in der DE 44 17 808 A1 ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges beschrieben, bei dem der Metallstrang mit von einer Strangschale eingeschlossenen flüssigen Kern aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezo gen und in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strang stützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt wird. Zur Berücksichtung thermodynamischer Zustandsänderungen des Stranges werden einerseits die thermodynamischen Zustandsän derungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Oberflä chentemperatur, der Mittentemperatur oder der Schalenstärke, und andererseits der mechanische Zustand, wie das Verfor mungsverhalten, sowie weite Größen in einem mathematischen Simulationsmodell durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung ständig mitgerechnet. Dabei handelt es sich um ein inverses Kühlmodell, d. h. ein Kühlmodell, das die Kühlmittelmenge als Ursache in Abhängigkeit von der Temperatur als Wirkung be rechnet. Da in diesem Fall die Wärmegleichungen aufzulösen sind, ist der Grad, d. h. die Tiefe einer möglichen Modellie rung der tatsächlichen Wärmeverhältnisse, im Strang be schränkt. Diese Beschränkung der Modelltiefe schränkt die Präzision bei der Berechnung der Strangtemperatur deutlich ein.

Von letzterem ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Strangkühlung insbesondere auch bei vari ierender Stranggeschwindigkeit erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ durch ein Verfah ren gemäß dem Patentanspruch 1 oder dem Patentanspruch 3 ge löst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü chen angegeben.

Mit der Erfindung ist es durch das Kühlmodell möglich, die Kühlung bzw. das Erstarrungsverhalten des Stranges durch die zur Kühlung des Stranges verwendete Kühlmittelmenge, z. B. Wasser, sowie die Art der Kühlmittelaufbringung zu beeinflus sen, wobei die notwendige Kühlmittelmenge bzw. Aufbringungs art in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Solltemperaturver lauf im Strang bzw. einer äquivalenten Größe in Echtzeit und ständig ermittelt wird. Dabei ist unter Echtzeit insbesondere die Rechtzeitigkeit des Steuerungseingriffs zu verstehen so wie eine Bestimmung der notwendigen Kühlmittelmenge in kürze rer Zeit als die Zeitkonstanten der Stranggießanlage. Dabei erfolgt die Bestimmung der notwendigen Kühlmittelmenge bzw. - aufbringungsart mittels eines Kühlmodells, das die Kühlmit telmenge bzw. -aufbringungsart und den Temperaturverlauf im Strang in Beziehung setzt. Eine derartige Ausgestaltung der Erfindung ist von besonderem Vorteil, da das Kühlmodell mit der Temperatur in Abhängigkeit von der Kühlmenge die Ursache Wirkung-Beziehung zwischen Kühlung und Temperatur im Strang abbildet.

Vorteilhafterweise erfolgt bei der Erfindung die Vorgabe ei nes Solltemperaturverlaufs im Strang in Form von Temperaturen an ausgewählten Punkten des Stranges, vorteilhafterweise auf der Strangoberfläche.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur Bestimmung der notwendigen Kühlmittelmenge bzw. - aufbringungsart in Abhängigkeit vom vorgegebenen Solltempera turverlauf im Strang die Größen Strangabmessung, Strangscha lendicke, Zeit, Strangmaterial, Kristallisationswärme, Kühl- Kühlmitteldruck, Tröpfchengröße des Kühlmittels und Kühltem peratur verwendet. Die Verwendung dieser Größen ist besonders geeignet, einen besonders präzisen Wert für die notwendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart zu erzielen.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei spiels, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Un teransprüchen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Stranggießanlage

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur iterativen Bestimmung einer Sollkühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart mittels ei nes Kühlmodells.

Fig. 1 zeigt eine Stranggießanlage. Dabei bezeichnet Bezugs zeichen 1 den gegossenen Strang, der einen erstarrten Teil 3 und einen flüssigen Sumpfteil 2 aufweist. Der Strang wird mit Antriebs- bzw. Führungsrollen 4 bewegt und auf seinem Weg durch Kühleinrichtungen 5 gekühlt. Diese sind vorteilhafter weise als Wassersprüheinrichtungen ausgebildet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Antriebs- bzw. Füh rungsrollen 4 und Kühleinrichtungen 5 mit Bezugszeichen ver sehen. Beim bekannten Verfahren sind die Kühleinrichtungen 5 in Kühlsegmente 6 aufgeteilt. Diese Aufteilung ist beim neuen und erfinderischen Verfahren nicht notwendig, kann aber be rücksichtigt werden. Sowohl die Antriebsrollen 4 als auch die Kühleinrichtungen sind datentechnisch mit einer Rechenein richtung verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beide datentechnisch mit ein und derselben speicherprogram mierbaren Steuerung 7 verbunden. Die speicherprogrammierbare Steuerung 7 weist optional außerdem ein Terminal 9 und eine Tastatur 8 auf. Außerdem ist die speicherprogrammierbare Steuerung 7 mit einem übergeordneten Rechensystem 10 verbun den. Das zum Stranggießen notwendige Material, in diesem Fall flüssiger Stahl, wird über eine Zuführvorrichtung 11 zuge führt. Die Stellgrößen für die Kühleinrichtungen 5 werden mittels eines Kühlmodells, d. h. eines thermischen Modells des Stranges berechnet, das in der beispielhaften Ausgestaltung auf dem übergeordneten Rechensystem 10 implementiert ist.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur iterativen Bestimmung ei ner Sollkühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart k₀ mittels ei nes Kühlmodells 13. Dazu wird im Kühlmodell 13 aus einer ge gebenen Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart k_i mittels des Kühlmodells 13 ein Temperaturverlauf s_i im Strang ermittelt. Dieser Temperaturverlauf s_i wird in einem Vergleicher 14 mit dem Solltemperaturverlauf s₀ im Strang verglichen. Im Ver gleicher 14 erfolgt die Abfrage, ob |s_i - s_o| ≦ Δs_max, wobei Δs_max ein vorgegebener Toleranzwert ist. Ist der Betrag der Diffe renz von s_i und s₀ zu groß, so ermittelt der Funtionsblock 12 ein neuen Vorschlag k_i für eine verbesserte Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart k_i. Als Anfangswert für die Iteration wird ein Wert für die Kühlmittelmenge bzw. Aufbringungsart verwendet, der sich im langzeitlichen Durchschnitt als be währter Erfahrungswert erwiesen hat. Ist der Betrag der Dif ferenz von s_i und s₀ kleiner oder gleich dem Toleranzwert Δs_max, so wird mit einer Sollkühlungsfestsetzung 15 die not wendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart k₀ gleich der Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart k_i gesetzt. Die notwen dige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart k₀ stellt dabei die Stell- bzw. Führungsgröße für die Kühleinrichtung der Stranggießanlage bzw. deren Regelung dar. Die Werte s_i, s₀, Δs_max, k_i, k₀ sind nicht unbedingt Skalare, sondern Spaltenma trizen mit ein oder mehr Werten. So enthält z. B. die Spal tenmatrix k₀ die verschiedenen Stell- bzw. Führungsgrößen für die Kühleinrichtungen der einzelnen Kühlsegmente einer Strangkühlanlage oder die Spaltenmatrix s₀, die Solltempera turen an verschiedenen Stellen des Stranges.

Das Kühlmodell 13 kann sowohl als eindimensionales Modell für Brammen als auch als zweidimensionales Modell für Knüppel im plementiert werden. Basis des Kühlmodells stellt, hier für den zweidimensionalen Fall dargestellt, die Wärmeüberlei tungs-Gleichung

dar, die für das Kühlmodell 13 in Differenzform, d. h. in der Form

verwendet wird. Dabei ist T die Temperatur, t die Zeit und a die Temperaturleitfähigkeit. x und y sind die zweidimensiona len Raumkoordinaten.

Der Querschnitt der Stranghaut wird in kleine Rechtecke der Größe Δx mal Δy unterteilt und die Temperatur wird in klei nen Zeitschritten Δt berechnet. Als Ausgangspunkt für die Temperaturverteilung wird angenommen, daß die Temperatur beim Eintritt in die Kokille (in allen Rechtecken) die Schmelztem peratur T_S des Stahls besitzt.

Der an der Strangoberfläche abzuführende Wärmestrom Q berech net sich aus der Oberflächentemperatur T_O des Strangs, der Umgebungstemperatur T_U, der Oberfläche A und dem Wärmeüber gangskoeffizienten α mit Q = α (T_U - T_O) A.

Für die Kühlung in der Kokille wird α als konstant angenommen und T_U der Temperatur des Kühlwassers in der Kokille gleich gesetzt. Für die Kühlung in den Kühlzonen wird T_U der Tempe ratur des Spritzwassers gleichgesetzt und α wird gemäß

berechnet, wobei V das Kühlwasservolumen in l/m²min ist. Da bei kann V für jeden Punkt an der Strangoberfläche unter schiedlich angegeben werden, wodurch mit dem Modell auch Dü sencharakteristika beschrieben werden können.

Neben dem Verlauf der Temperaturverteilung im Strang berech net das Modell auch den Verlauf der Erstarrungsfront und da mit auch den Zeitpunkt (bzw. den Abstand von der Kokille) der vollständigen Erstarrung des Strangs.

Die einzelnen Modellparameter sind u. a.:

- Kokillenlänge
- Stranggeometrie (Höhe und Breite)
- Stranggeschwindigkeit
- Wärmeübergangskoeffizient α in der Kokille
- Kühlwassertemperatur in der Kokille
- Schmelztemperatur
- Erstarrungsenthalpie
- Wärmeleitkoeffizient λ
- Spezifische Wärmekapazität c
- Dichte ρ
- Länge jeder Kühlzone
- Kühlwasservolumen V in jeder Kühlzone

Die Temperaturabhängigkeit von λ, c und ρ wird im Modell be rücksichtigt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage, bei der die Kühlung bzw. das Erstar rungsverhalten des Stranges durch die zur Kühlung des Stran ges verwendete Kühlmittelmenge, z. B. Wasser, sowie die Art der Kühlmittelaufbringung beeinflußt werden kann, wobei die notwendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart mittels ei nes Kühlmodells in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll temperaturverteilung im Strang bzw. einer äquivalenten Größe ermittelt wird, dadurch gekennzeich net, daß mit dem Kühlmodell die Temperaturverteilung im Strang in Abhängigkeit von der Kühlmittelmenge bzw. -auf bringungsart in Echtzeit und ständig ermittelt wird und daß die notwendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart auf ite rative Weise in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solltem peraturverteilung (s₀) bestimmt wird, wobei so oft iteriert wird, bis die Abweichung der mit dem Kühlmodell ermittelten Temperaturverteilung (s_i) von der vorgegebenen Solltempera turverteilung (s₀) kleiner ist als ein vorgegebener Tole ranzwert.

2. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Kühlmodell ein analyti sches, durch Differentialgleichungen bzw. Differenzenglei chungen beschriebenes Modell ist.

3. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage, bei der die Kühlung bzw. das Erstar rungsverhalten des Stranges durch die zur Kühlung des Stran ges verwendete Kühlmittelmenge, z. B. Wasser, sowie die Art der Kühlmittelaufbringung beeinflußt werden kann, wobei die notwendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart mittels ei nes Kühlmodells in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll temperaturverteilung im Strang bzw. einer äquivalenten Größe in Echtzeit und ständig ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmodell ein selbstkonfigurierendes, neuronales Netz ist, mittels dessen die notwendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart in Echt zeit und ständig ermittelt wird.

4. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bestimmung der notwendi gen Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solltemperaturverteilung im Strang mit ei nem inversen Kühlmodell erfolgt.

5. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß mit dem Kühlmodell die Tempe raturverteilung im Strang in Abhängigkeit von der Kühlmittel menge bzw. -aufbringungsart ermittelt wird und daß die not wendige Kühlmittelmenge bzw. -aufbringungsart auf iterative Weise in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Solltemperatur verteilung (s₀) bestimmt wird, wobei so oft iteriert wird, bis die Abweichung der mit dem Kühlmodell ermittelten Tempe raturverteilung (s_i) von der vorgegebenen Solltemperaturver teilung (s₀) kleiner ist als ein vorgegebener Toleranzwert.

6. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, da durch gekennzeichnet, daß das Kühlmo dell eine Kombination von analytischem Modell und neuronalem Netz ist.

7. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, da durch gekennzeichnet, daß eine Modell adaption an das reale Prozeßgeschehen durch on-line Lernen des neuronalen Netzes erfolgt.

8. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgabe eines Solltemperaturverteilung im Strang in Form von Temperaturen an ausgewählten Punkten des Stranges, vor teilhafterweise auf der Strangoberfläche, erfolgt.

9. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgabe des Solltemperaturverteilung im Strang in Form von geometrischen Abmessungen, insbesondere in Form des Sumpfprofils, oder der Position der Sumpfspitze, erfolgt.

10. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der notwendigen Kühlmittelmenge bzw. -auf bringungsart in Abhängigkeit vom vorgegebenen Solltemperatur verteilung im Strang zumindest eine weitere Größe der Größen Stranggeschwindigkeit, Stranggeometrie, Strangschalendicke, Kokillenlänge, Zeit, Strangmaterial, Kühlmitteldruck bzw. -volumen, Tröpfchengröße des Kühlmittels und Kühlmitteltempe ratur verwendet wird.

11. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der notwendigen Kühlmittelmenge bzw. -auf bringungsart in Abhängigkeit vom vorgegebenen Solltemperatur verlauf im Strang die Größen Stranggeometrie, Strangschalen dicke, Zeit, Strangmaterial, Kühlmitteldruck bzw. -volumen und Kühlmitteltemperatur verwendet werden.

12. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgabe des Solltemperaturverlaufs über eine graphische Oberfläche, z. B. eine Windowsoberfläche, eines Rechensystems erfolgt.

13. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmodell das Wärmeverhalten des Stranges moduliert.

14. Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Stranges in ei ner Stranggießanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmodell das thermische Verhalten des Stranges sowie des Materials in der Kokille modelliert.