DE19806267A1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer hüttentechnischen Anlage - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer hüttentechnischen Anlage

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Steuerung einer hüttentechnischen Anlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium, insbesondere eines Walzwerks, wobei in der hüttentechnischen Anlage aus Eingangsstoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder Alu­ miniums abhängigen Materialeigenschaften hergestellt wird, und wobei die Materialeigenschaften des Stahls oder Alumini­ ums von Betriebsparametern, mit denen die Anlage betrieben wird, abhängig sind.
Die entsprechenden Betriebsparameter werden üblicherweise von einem Bediener der hüttentechnischen Anlage derart einge­ stellt, daß die Materialeigenschaften des Stahls oder Alumi­ niums gewünschten, vorgegebenen Materialeigenschaften ent­ sprechen. Dazu greift der Bediener üblicherweise auf Erfah­ rungswissen zurück, das z. B. in Tabellenform hinterlegt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Ein­ richtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, das es ermöglicht, Stahl oder Aluminium zu erzeugen, dessen Mate­ rialeigenschaften präziser den vorab gewünschten Materialei­ genschaften entsprechen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Einrichtung gemäß Anspruch 5 gelöst. Da­ bei werden bei einem Verfahren bzw. einer Einrichtung ein­ gangs erwähnt er Art die Betriebsparameter mittels eines Gefü­ geoptimierers in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigen­ schaften des Stahls oder Aluminiums bestimmt. Besonders vor­ teilhafterweise kommen dabei Materialeigenschaften wie Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des Stahls oder Aluminiums in Frage. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Betriebsparameter einer hüttentechni­ schen Anlage derart einzustellen, daß der erzeugte Stahl bzw. das erzeugte Aluminium die gewünschten Materialeigenschaften besitzt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Gefü­ geoptimierer einen Gefügebeobachter auf, der die Materialei­ genschaften eines in einer hüttentechnischen Anlage herge­ stellten Stahls oder Aluminiums in Abhängigkeit von dessen Betriebsparametern vorhersagt. Ein derartiger Gefügebeobach­ ter weist vorteilhafterweise ein neuronales Netz auf.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestimmt der Gefügeoptimierer zumindest eine der Größen Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des Stahls oder Aluminiums in Abhängigkeit der Temperatur, des Umformgrades bzw. der relativen Umformung des Stahls, der Umformgeschwindigkeit sowie der Legierungsanteile des Stahls.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens bestimmt der Gefügebeobachter zumindest eine der Größen Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des zu untersuchenden Stahls in Abhän­ gigkeit der einzelnen Legierungsanteile im Stahl. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, zumindest eine der Größen Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte und Übergangstemperatur in Abhängigkeit vom Kohlenstoffanteil, vom Siliziumanteil, vom Mangananteil, vom Phosphoranteil, vom Schwefelanteil, vom Kobaltanteil, vom Aluminiumanteil, vom Chromanteil, vom Molybdänanteil, vom Nickelanteil, vom Vanadiumanteil, vom Kupferanteil, vom Zinn­ anteil, vom Calziumanteil, vom Titananteil, vom Boranteil, vom Niobanteil, vom Arsenanteil, vom Wolframanteil und vom Stickstoffanteil zu bestimmen.
In einfacher vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung be­ stimmt der Gefügebeobachter zumindest eine der Größen Streck­ grenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Über­ gangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponente des zu untersuchenden Stahls in Abhängigkeit des Kohlenstoffsan­ teils im Stahl bzw. der Kohlenstoffäquivalente oder der Nutz- und/oder Schadstoffanteile.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 die Veränderung des Gefüges von Stahl beim Walzen,
Fig. 2 die Integration eines Gefügeoptimierers in die Steuerung einer Walzstraße,
Fig. 3 einen Gefügebeobachter,
Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung eines Gefügebeobach­ ters,
Fig. 5 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Gefü­ gebeobachters,
Fig. 6 die Verwendung genetischer Algorithmen in einem Ge­ fügeoptimierer.
Fig. 1 zeigt die Veränderung des Gefüges von Stahl beim Wal­ zen. Der Stahl läuft mit einem Gefüge gemäß Block 1 in die Walzstraße ein. Nach Durchlauf durch das erste Walzgerüst ha­ ben sich durch das Walzen gestreckte Körner entsprechend Block 2 ausgebildet. In diesem Zustand kommt es zur sogenann­ ten Erholung, während der Versetzungen und damit Spannung in­ nerhalb einzelner Körner des Gefüges abgebaut werden. Durch Rekristallisation bilden sich, wie durch den Block 3 angedeu­ tet, ausgehend von den Korngrenzen neue versetzungsarme Kör­ ner. Je nachdem, ob sich neue Körner bilden, während sich das Material noch im Walzgerüst befindet, oder erst danach, wird die Rekristallisation als dynamische Rekristallisation oder als statische Rekristallisation bezeichnet. Im Anschluß kommt es temperaturabhängig nach der Rekristallisation zum Korn­ wachstum, wobei größere Körner wie in Block 4 auf Kosten von kleineren Körnern wachsen. Die Iterationsschleife 6 skizziert die Verwendung mehrerer Walzgerüste in einer Walzstraße oder das mehrmalige Durchlaufen von Walzgut durch ein Reversierge­ rüst. Bei jedem Walzen wiederholt sich prinzipiell der in den Blöcken 2, 3 und 4 dargestellte Vorgang, jedoch immer ausge­ hend von der Gefügestruktur nach dem vorhergehenden Walzgang. Nach Abschluß des Walzens sowie folgende Kühlung hat sich ei­ ne Gefügestruktur entsprechend Block 5 ausgebildet. Diese Ge­ fügestruktur weist bestimmte Materialeigenschaften wie be­ stimmte Werte für Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Anisotropie und Verfestigungsexponent auf. Ausgehend von vorab festgelegten Werten für Streckgren­ ze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergang­ stemperatur, Anisotropie und/oder Verfestigungsexponent des Metalls, insbesondere Stahls oder Aluminiums, wird eine Walz­ straße (und/oder eine Stranggußanlage) derart eingestellt, daß sich am Ende eine Gefügestruktur mit den gewünschten Wer­ ten für Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdeh­ nung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und/oder Verfe­ stigungsexponent einstellt. Dieses erfolgt mittels eines Ge­ fügeoptimierers, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.
In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 15 ein Walzband in einer Walzstraße 16, dessen Material- bzw. Gebrauchseigenschaften nach dem Walzen Sollwerten 11 für die Material- bzw. Ge­ brauchseigenschaften entsprechen sollen. Zur Beeinflussung der Walzstraße sind Stellglieder 17 vorgesehen. Ferner sind Meßgeräte 18 zur Messung bestimmter Zustände der Walzstraße vorgesehen. Die Betriebsparameter der Walzstraße 16, die mit den Stellgliedern 17 eingestellt werden, werden mit einem Ge­ fügeoptimierer 20 ermittelt. Der Gefügeoptimierer 20 weist einen Gefügebeobachter 25 auf, der in Abhängigkeit von einem Standardstichplan 10, chemischen Analysewerten 12 des Walz­ bandes 15 sowie von einer Vorausberechnung 24 ermittelter Einstellungen für die Walzstraße 16 die zu erwartenden Mate­ rial- bzw. Gebrauchseigenschaften des Walzbandes 15 ermit­ telt. Ein solcher Gefügebeobachter 25 ist in den Fig. 3, 4 und 5 näher ausgeführt. In einem Vergleicher 21 erfolgt ein Vergleich zwischen den Sollwerten 11 für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften und von den durch den Gefügebeobachter 25 ermittelten Werten für die Material- bzw. Gebrauchseigen­ schaften. Stimmen die Sollwerte 11 für die Material- bzw. Ge­ brauchseigenschaften und die vom Gefügebeobachter 25 ermit­ telten Werte für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften nicht genau genug überein, so wird dem Pfad 26 gefolgt. Gemäß einem gewählten Optimierungskriterium werden die Betriebspa­ rameter, in diesem Falle Eingangstemperatur Tein, Ausgangstem­ peratur Taus sowie die Reduktionsgrade ϕi der einzelnen Walz­ gerüste in einer gerichteten Variation 22 verändert. Ergebnis dieser gerichteten Variation 22 sind neue Sollwerte 23 für die Temperatur Tein des Walzbandes 15 bei Einlauf in die Walz­ straße 16, für die Temperatur Taus des Walzbandes 15 bei Aus­ lauf aus der Walzstraße 16 sowie die Reduktionsgrade ϕi der einzelnen Walzgerüste der Walzstraße 16. Ausgehend von diesen Sollwerten 23 werden in einer Vorausberechnung 24 neue Ein­ stellungen für die Walzstraße 16 ermittelt. Dieser Zyklus wird so lange durchlaufen, bis die vom Gefügebeobachter er­ mittelten Werte 25 den gewünschten Übereinstimmungsgrad mit den Sollwerten 11 für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaf­ ten haben. In diesem Fall wird dem Pfad 27 gefolgt, der die Stellglieder 17 entsprechend den in der Vorausberechnung 24 ermittelten Werten einstellt. Ferner ist eine Adaption 13 der Vorausberechnung 24 vorgesehen, mittels der Modelle, die der Vorausberechnung 24 zugrunde liegen, in Abhängigkeit von Meß­ werten der Meßgeräte 18 und einer Nachberechnung 14 adaptiert werden. In vorteilhafter alternativer Ausgestaltung ist vor­ gesehen, daß nicht die in der Vorausberechnung 24 berechneten Einstellungen für die Walzstraße 16 Eingangsgröße des Gefüge­ beobachters 25 sind, sondern die Betriebsparameter, d. h. im vorliegenden Fall Tein, Taus und ϕi.
Es kann ebenfalls vorgesehen werden, mittels eines Gefügeop­ timierers entsprechend Fig. 2 eine hüttentechnische Anlage im wesentlichen bestehend aus einer Warmwalzstraße und einer Kaltwalzstraße, eine hüttentechnische Anlage im wesentlichen bestehend aus einer Stranggußanlage, einer Warmwalzstraße und einer Kaltwalzstraße, eine hüttentechnische Anlage im wesent­ lichen bestehend aus einer Stranggußanlage und einer Warm­ walzstraße oder eine hüttentechnische Anlage im wesentlichen bestehend aus einer Stranggußanlage, einer Walzstraße und ei­ ner Kühlstrecke einzustellen. Dazu sind entsprechend erwei­ terte Gefügebeobachter sowie entsprechend mehr Betriebspara­ meter zu verwenden. Die Erfindung ist ebenfalls zur Einstel­ lung einer Gleisstrecke geeignet.
Es ist besonders vorteilhaft, mittels des Gefügeoptimierers gleichzeitig weitere Parameter, wie z. B. Energieverbrauch oder Walzenabnutzung, mit dem Gefügeoptimierer 20 zu optimie­ ren.
Fig. 3, 4 und 5 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen für einen Gefügebeobachter 25 aus Fig. 2. In Fig. 3 bezeichnet PB die Be­ triebsparameter und PM die Material- bzw. Gebrauchseigen­ schaften eines Stahls oder Aluminiums. Bezugszeichen 50 be­ zeichnet ein neuronales Netz, das die Material- bzw. Ge­ brauchseigenschaften PM wie Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfe­ stigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotro­ pie und/oder Verfestigungsexponent in Abhängigkeit der Be­ triebsparameter PB ermittelt. Die Ausgestaltung eines derar­ tigen neuronalen Netzes ist der DE 197 38 943 zu entnehmen.
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Gefügebeob­ achters. Dieser Gefügebeobachter weist ein Korngrößenmodell 51 und ein analytisches Materialmodell 52 auf. Einzelheiten dieser Modelle sind dem Artikel "Recrystallisation and grain growth in hot rolling" von C. M. Sellers und J. A. Whiteman, Material Science, März/April 1979, Seiten 187 bis 193 zu ent­ nehmen. Das Korngrößenmodell 51 ermittelt die Ferritkorngröße dα bei nicht oder nur teilkristallisiertem Austenit in Abhän­ gigkeit von Betriebsparametern PB. Das Materialmodell 52 er­ mittelt die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften PM in Ab­ hängigkeit der Ferritkorngröße dα bei nicht oder nur teilkri­ stallisiertem Austenit sowie den Betriebsparametern PB. Die Betriebsparameter PB, die als Eingangsgrößen für das Korngrö­ ßenmodell 51 und das Materialmodell 52 verwendet werden, sind nicht notwendigerweise identisch. Es können unterschiedliche Betriebsparameter als Eingangsgrößen verwendet werden.
Fig. 5 zeigt einen Gefügebeobachter entsprechend Fig. 4, wobei das analytische Materialmodell 52 durch ein neuronales Netz 53 ersetzt ist. Ein derartiges neuronales Netz 53 ist z. B. entsprechend der DE 197 38 943 auszuführen, wobei die Ferrit­ korngröße dα bei nicht oder nur teilkristallisiertem Austenit als zusätzliche Eingangsgröße für die in der DE 197 38 943 offenbarten neuronalen Netze vorgesehen ist.
Zur iterativen Bestimmung optimaler Einstellung bzw. optima­ ler Betriebsparameter durch einen Gefügeoptimierer 20 gemäß Fig. 2 sind vorteilhafterweise genetische Algorithmen einsetz­ bar.
Fig. 6 zeigt vereinfacht das Vorgehen bei der Optimierung mit­ tels genetischer Algorithmen. Die Optimierung erfolgt derart,
  • - daß Werte für die zu optimierenden Parameter in sogenannten Genen 40 angeordnet sind, die wiederum Individuen 41 einer sogenannten Population zugeordnet sind,
  • - daß eine bestimmte Anzahl von Individuen 41 eine sogenannte Initialpopulation bildet,
  • - daß einige oder alle Werte in den Genen um einen Zufalls­ wert, insbesondere einen Zufallswert aus einer Auswahl nor­ malverteilter Zufallszahlen, verändert werden, so daß sich eine veränderte Population 34 ergibt (Schritt 33 in Fig. 6),
  • - daß zusammengehörige Gene auf sogenannten Chromosomen zu­ sammengefaßt werden, die bei der Rekombination gemeinsam vererbt werden,
  • - daß die Individuen mit ihren Genen, d. h. den Werten für die entsprechenden Parameter, mittels einer Optimierungsfunk­ tion bewertet werden und
  • - daß aufgrund dieser Bewertung (Schritt 32 in Fig. 6) eine Auswahl von Individuen für eine neue Population erfolgt, wobei Individuen statistisch bevorzugt werden, die die Op­ timierungsfunktion besser erfüllen als andere Individuen,
  • - daß die verbleibenden Individuen 31 nicht weiter berück­ sichtigt werden,
  • - daß der Optimierungszyklus mit der neuen Population 41 so­ lange wiederholt wird, bis eine als optimal erachtete Lö­ sung erreicht ist.
Übertragen auf die Iterationsschleife im in Fig. 2 dargestell­ ten Gefügeoptimierer 20 wird der Schritt 32 in Fig. 6 im Ver­ gleicher 21 bzw. die Bewertung im Gefügebeobachter 25 in Fig. 2 implementiert. Die Schritte 33 und 35 in Fig. 6 sind in der gerichteten Variation 32 in Fig. 2 implementiert. Die in den Genen zusammengefaßten Parameter entsprechen z. B. den Be­ triebsparametern Tein, Taus und ϕi in Fig. 2. Besonders vorteil­ haft ist es, weitere Parameter, insbesondere Optimierungskri­ terien, wie Energieverbrauch oder Walzenabnutzung, mit in die Optimierung mit einzubeziehen. Entsprechend sind die Gene, die diesen Parametern entsprechen, vorzusehen. Die weiteren Parameter werden dann gleichzeitig mit den Betriebsparametern optimiert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung einer hüttentechnischen Anlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium, insbesondere eines Walz­ werks, wobei in der hüttentechnischen Anlage aus Eingangs­ stoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder Aluminiums abhängigen Materialeigenschaften her­ gestellt wird, und wobei die Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums von Betriebsparametern, mit denen die Anlage betrieben wird, abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter mittels eines Gefügeoptimierers in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter mittels des Gefügeoptimierers in Abhängigkeit zumindest einer der gewünschten Materialeigen­ schaften Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdeh­ nung, Härte, Übergangstemperatur, Anisitropie und Verfesti­ gungsexponent des Stahls oder Aluminiums bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Gefügeoptimierers Energieverbrauch und/oder Walzenabnutzung optimiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Betriebsparameter in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums mittels genetischer Algorithmen erfolgt.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden der Ansprüche zur Steuerung einer hüttentech­ nischen Anlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium, insbe­ sondere eines Walzwerks, wobei in der hüttentechnischen Anla­ ge aus Eingangsstoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder Aluminiums abhängigen Materialei­ genschaften hergestellt wird, und wobei die Materialeigen­ schaften des Stahls oder Aluminiums von Betriebsparametern, mit denen die Anlage betrieben wird, abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung einer hüttentechnischen An­ lage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium einen Gefügeopti­ mierer zur Bestimmung der Betriebsparameter Betriebsparameter in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums aufweist.
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