DE19941600A1 - Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall - Google Patents

Abstract

Speziell beim Warmwalzen von Metallbändern wird die von der heißen Metalloberfläche emittierte elektromagnetische Strahlung online erfaßt und ausgewertet. Dabei werden mit der Auswertung kristallographische Umwandlungen und/oder Gefügeumwandlungen und/oder chemische Umwandlungen, die bei bestimmten Temperaturen des Metalles erfolgen, erfaßt. Aus der Kenntnis des Umwandlungsgrades bzw. des Umwandlungsverlaufes werden geeignete Prozeßsteuer- und/oder Regelgrößen zur Prozeßoptimierung abgeleitet. Bei Zugrundelegung eines Prozeßmodells kann dieses Modell online adaptiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozeß­ führung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere eines Stahlbandes.

Speziell bei Stahl als spezifisches Eisen-Kohlenstoff(Fe-C)- Metall erfolgt am Ende des Warmwalzprozesses in der Abkühl­ zone eine Umwandlung des γ-Eisens in das bei Raumtemperatur stabile α-Eisen. Dieser Umwandlungsprozeß findet vorrangig in der Abkühlstrecke für das Stahlband statt.

Für die Prozeßführung beim Warmwalzen von Stahlband muß daher der Umwandlungsprozeß berücksichtigt werden. In der Praxis ist es aber schwierig, den Umwandlungspunkt und den Umwand­ lungsgrad im Stahlband unter rauhen Betriebsbedingungen zu erfassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Strukturumwandlung direkt im laufenden Abkühl­ prozeß bestimmt werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art durch die Abfolge der Schritte gemäß Pa­ tentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen an­ gegeben. Insbesondere ist dort eine Vorgehensweise für Stahl­ bänder, die mit einer Oxidschicht versehen sein können, ange­ geben.

Mit der Erfindung ist eine Online-Messung realisiert. Es wird die vom heißen Metallband emittierte elektromagnetische Strahlung erfaßt und ausgewertet. Damit ist es möglich, kri­ stallographische und/oder Strukturumwandlungen und/oder che­ mische Umwandlungen qualitativ und quantitativ zu erfassen. Mit der Kenntnis des Umwandlungsgrades bzw. des Umwandlungs­ verlaufes können aber Prozeßsteuer- und/oder Regelgrößen zur Prozeßoptimierung abgeleitet werden. Sofern der Prozeßsteue­ rung geeignete Prozeßmodelle zugrunde gelegt werden, können diese online adaptiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen anhand von Aus­ führungsbeispielen beschrieben.

Ein steigender Anteil von Qualitäts-Stahlblechen wird durch den Warmwalzprozeß hergestellt. Der abschließende Verfah­ rensschritt des Warmwalzprozesses ist dabei die Abkühlung und Nachbehandlung des Stahlbandes. Dabei wird das heiße Stahl­ band, das aus der letzten Walze des Walzgerüstes kommt, mit großen Mengen von Wasser in einer Kühlstrecke abgekühlt.

Der wesentliche Prozeß im letzteren Verfahrenszustand ist die Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen. Diese Umwandlung ist von hoher Bedeutung für die Qualität der erzeugten Stahlbänder.

Die Temperatur und die Geschwindigkeit der Umwandlung hängt in starkem Maße von der chemischen Zusammensetzung, d. h. vom Anteil der Legierungsbestandteile, insbesondere von Vanadium (V), Titan (Ti) oder Niob (Nb) bzw. geringen Anteilen von Stickstoff (N) oder Kohlenstoff (C), ab.

Letztere Bestandteile haben einen starken Einfluß auf die Strukturumwandlung und damit auf die Qualität des resultie­ renden Produktes. Starken Einfluß auf die Umwandlungsge­ schwindigkeit hat weiterhin die Kornstruktur, d. h. die Größe der einzelnen Körner, die Zahl und Art von Versetzungen und Ausscheidungen.

Ein weiteres Problem ist, daß die Strukturumwandlung nicht im thermischen Gleichgewicht stattfindet. Im Normalfall ist die Transformations-Temperatur geringer als die Gleichgewichts­ temperatur des Prozesses. Dies verstärkt den Einfluß der Kornstruktur auf die Umwandlungsrate und damit auf die Um­ wandlungstemperatur, was bedeutet, daß die Vorbehandlung im gesamten Warmwalzprozeß bis zum Kühlschritt Einfluß auf die Strukturumwandlung und deren Ergebnisse haben kann.

Die Strukturumwandlung bei Stahl wird im wesentlichen durch das bekannte Zustandsdiagramm Fe-C angegeben. Zwischen 723°C und 906°C existiert im Bereich der relevanten Kohlenstoff(C)- Konzentration ein Gleichgewicht von α-Mischkristallen (Fer­ rit) und γ-Mischkristallen (Austenit), das sich bei Abkühlung verändert, womit eine Strukturumwandlung verbunden ist. Die Strukturumwandlung von γ-Eisen in α-Eisen beinhaltet dabei einen Wechsel der kubisch flächenzentrierten (FCC = face cen­ teres cubic) zur kubisch raumzentrierten (BCC = body centered cubic) Kristallstruktur. Dadurch ändert sich die Bindungs­ geometrie und Bindungskraft innerhalb der Kristallstruktur, was sich auf die atomaren Schwingungen und Gittervibrationen auswirkt.

Es wurde nunmehr erkannt, daß die Änderungen der atomaren Schwingungen und Gittervibrationen zu Unterschieden insbeson­ dere in Infrarotspektren führt, die durch die Eigenstrahlung der heißen Stahlbänder erzeugt werden. Diese Eigenstrahlung kann mit einem geeigneten Spektrometer erfaßt werden.

Es werden daher Messungen bei einer im Walzband vorliegenden, ausreichend hohen Temperatur im Bereich von 550 bis 900°C durchgeführt und die Emissionsspektren des Stahlbandes ge­ messen und analysiert. Die Messungen können prinzipiell im gesamten Infrarot-Bereich, d. h. im Bereich des nahen Infrarot (NIR: 0,8 bis 2,5 µm), im Bereich des mittleren Infrarot (MIR: 2,5 bis 20 µm) und des fernen Infrarot (FIR: 20 bis 1000 µm) durchgeführt werden. Im Einzelfall werden jeweils unterschiedliche Typen der Schwingungen erfaßt.

Für die technische Realisierung wird speziell eine Messung im NIR-Bereich durchgeführt, da hier geeignete Spektrometer zur Verfügung stehen. Wichtig ist dabei deren praktische Anwend­ barkeit in den rauhen Bedingungen des Walzprozesses in der Nähe des Stahlbandes.

Dabei ist zu beachten, daß die Eindringtiefe der NIR-Strah­ lung vergleichsweise niedrig ist, beispielsweise im Bereich von 1 bis 2 µm. Dadurch resultiert die abgestrahlte Strahlung hauptsächlich von der Materialoberfläche des Stahlbandes.

Bei den beschriebenen Beispielen wird zwischen der Ober­ flächenstrahlung und der Festkörperstrahlung unterschieden. Dies ist deswegen notwendig, da das heiße Stahlband mit einem dünnen Film von Zunder, d. h. mit Eisenoxiden, von mehreren Mikrometern Dicke bedeckt sein kann.

Zur Anwendung der Strahlung im nahen Infrarotbereich wird die Tatsache verwendet, daß speziell die oxidbehaftete Oberfläche von Stahl nicht im gesamten Bereich des Spektrums emittiert, sondern daß beide spezifische Eisenphasen eine signifikante Emission in bestimmten Bereichen dieses Strahlungsfensters haben.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Strahlung im Bereich der längeren Wellenlängen, d. h. im Bereich von MIR und FIR, ausgeführt. Die Eindringtiefe bei diesen Wellen­ längenbereichen ist erheblich tiefer und kann bis zu 100 µm betragen. Dadurch kommen die emittierte Strahlung aus tiefer­ liegenden Regionen des Stahlbandes, die insbesondere unter­ halb der Zunderschichten liegen.

MIR-Spektrometer sind bekannt. Bei Verwendung solcher Spek­ trometer muß beachtet werden, daß Glasfasern, die für den Be­ reich von VIS und NIR benutzt werden, nicht geeignet sind für Wellenlängen größer als 2,4 µm, weil dann eine starke Absorp­ tion auftritt. Im Bereich bis zu 20 µm können Lichtleiter aus spezifischen Materialien genützt werden, die Chloride und/ oder Chalkogenide enthalten und in Längen bis zu 10 m zur Verfügung stehen.

In anderen Ausführungsformen können zur Übertragung der emit­ tierten Strahlung Spiegelsysteme vorhanden sein, die tempera­ turempfindlich sind. Dafür müssen Mittel vorhanden sein, wel­ che die Kontaminierung der Spiegel verhindern und eine mecha­ nische Stabilität gewährleisten.

Zur Auswertung der Spektren können entweder chemometrische Methoden oder neuronale Netze zum Einsatz kommen. Dafür ist es notwendig, daß kontinuierliche Spektren erfaßt werden und in entsprechender Weise mittels multivariater Datenanalyse ausgewertet werden. Im einzelnen werden dafür die bekannten chemometrischen Methoden der sogenannten Hauptkomponenten­ analyse (PCA oder PCR) angewendet oder die Auswertemethode der kleinsten Quadrate (PLS).

Letztere mathematische Methoden sind heute als Standardtools für die Auswertung von kontinuierlichen Spektren verfügbar. Diese Tools setzen lineare Modelle voraus, um die Konzentra­ tionen von Komponenten der zu untersuchenden Stoffe zu er­ mitteln. Im einzelnen werden nicht nur Absorptionswerte, son­ dern auch ausgewählte Wellenlängen und spezifische Strukturen der Spektren, wie Peakhöhe, Weite, Flanken und Überlappungen, ausgewertet. Es können auch physikalische Parameter der zu untersuchenden Stoffe erfaßt werden.

Im einzelnen ergibt sich bei der Auswertung von Spektren, daß die Genauigkeit der Auswertung mit der Komplexität der Spek­ tren sinkt. Alternativ zu den chemometrischen Methoden können daher auch neuronale Netze eingesetzt werden, mit denen die Meßwerte bei singulären Wellenlängen miteinander verknüpft werden. Solche neuronalen Netze können anhand von vorgegebe­ nen Spektren trainiert werden, so daß im praktischen Einsatz die erfaßten Spektren interpretiert werden.

Mit der Erfindung wird also erstmalig die Infrarot-Spektro­ skopie als Online-Sensor zur Erfassung von Umwandlungen in Stahl und deren Einsatz bei der Prozeßführung beim Warmwalzen vorgeschlagen. Außer an Stahlbändern kann die Erfindung auch beim Warmwalzen anderer Metalle eingesetzt werden.

Bei der angestrebten Prozeßoptimierung wird der Prozeßsteue­ rung ein Abkühlmodell zugrunde gelegt, bei dem die spezifi­ sche Wärme und die exotherme Wärmetönung, die vom Umwand­ lungsgrad abhängen, erfaßt und die gemessenen Umwandlungsgra­ de zur Adaption des Abkühlmodells benutzt werden. In Abhän­ gigkeit vom gemessenen Umwandlungsgrad wird dabei die Kühlung so gesteuert, daß sich ein vorgegebener Temperaturverlauf er­ gibt. Dazu erfolgt vorteilhafterweise die Messung an einem festen Punkt über dem vorbeibewegten Metallband und es wird der Umwandlungsgrad in Längsrichtung gemessen und als Längs­ profil angezeigt.

Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen kann die Messung auch über die Breite des vorbeibewegten Metallbandes mit ei­ ner traversierenden Sonde erfolgen oder durch mehrere paral­ lel über die Breite angeordnete Sonden realisiert werden. Insbesondere kann durch der Verzunderungsgrad in Querrichtung ermittelt und als Querprofil dargestellt werden.

Die Erfindung wurde im einzelnen beim Warmwalzen eines Stahl­ bandes als Metall beschrieben. Bei durch Ziehen erzeugten Me­ talldrähten liegen ganz entsprechende Verhältnisse bezüglich der kristallographischen Umwandlungen, der Gefügeumwandlungen und/oder der chemischen Umwandlungen vor, so daß in gleicher Weise auch die Steuerung von Drahtziehstraßen erfolgen kann.

Claims (17)

1. Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere eines Metallbandes, mit folgenden Schritten:

• - Die vom heißen Metall emittierte elektromagnetische Strah­ lung wird als Spektrum online erfaßt und ausgewertet,
• - mit der Auswertung werden kristallographische Umwandlungen und/oder Gefügeumwandlungen und/oder chemische Umwandlun­ gen, die bei bestimmten Temperaturen des Metalles erfolgen, ermittelt,
• - in Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad bzw. vom Umwandlungs­ verlauf werden, geeignete Prozeßsteuer- und/oder Regelgrößen zur Prozeßoptimierung abgeleitet und/oder eine online Adap­ tion der Prozeßmodelle durchgeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spektrum der elektromagnetischen Strah­ lung mit neuronalen Netzen ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein kontinuierliches Spektrum der elektromagnetischen Strahlung aufgenommen wird und daß das kontinuierlichen Spektrum mit chemometrischen Methoden aus­ gewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Metall ein Stahlband ist, das ei­ nem Warmwalzprozeß und/oder einem Kühlprozeß unterzogen wird, wobei die Umwandlung der Kristallstruktur eine Umwandlung von γ-Eisen (Austenit) in α-Eisen (Ferrit) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem Spektrum der Anteil von Ferrit und Austenit erkannt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Spektrum im Bereich des Infraroten (IR: 0,5 bis 1000 µm) gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Messung im Bereich des nahen In­ frarot (NIR: 0,8 bis 2,5 µm) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Messung im Bereich des mittleren Infrarot (MIR: 2,5 bis 20 µm) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Messung im Bereich des fernen In­ frarot (FIR: 20 bis 1000 µm) erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das Me­ tall ein mit einer Oxidschicht bedecktes Stahlband ist, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem IR-Spektrum die Oxidschicht auf der Oberfläche erkannt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus dem IR-Spektrum die Stärke der Oxidschicht auf der Oberfläche des Stahlbandes ermittelt wird.

12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zur Prozeßoptimierung eine Kühlung des gewalzten Metalles er­ folgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung in Abhängigkeit vom gemessenen Umwandlungsgrad so gesteuert wird, daß sich ein vorgegebener Umwandlungsverlauf ergibt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom gemessenen Umwandlungsgrad die Kühlung so gesteuert wird, daß sich ein vorgegebener Temperaturverlauf ergibt.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Prozeßsteuerung ein Abkühlmodell zugrunde ge­ legt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Wärme und die exotherme Wärmetönung in Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad erfaßt und die gemessenen Umwandlungsgrade zur Adaption des Abkühlmodells benutzt wer­ den.

15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mes­ sung an einem festen Punkt über dem vorbeibewegten Metallband erfolgt und der Umwandlungsgrad in Längsrichtung gemessen und als Längsprofil angezeigt wird.

16. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mes­ sung über die Breite des vorbeibewegten Metallbandes mit ei­ ner traversierenden Sonde oder durch mehrere, parallel ange­ ordnete Sonden erfolgt, womit der Umwandlungsgrad sowohl in Längs- als auch in Querrichtung des Metallbandes gemessen wird und als Längs- und/oder Querprofil angezeigbar ist.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung und Optimierung an einem Metalldraht in einer Draht­ ziehstraße erfolgt.