DE19941600C2 - Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall - Google Patents
Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von MetallInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozeßfüh
rung und Prozeßautomatisierung beim Warmwalzen von Metall,
insbesondere eines Metallbandes.
Speziell bei Stahl als spezifisches Eisen-Kohlenstoff(Fe-C)-
Metall erfolgt am Ende des Warmwalzprozesses in der Abkühlzo
ne 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.
Aus dem Aufsatz "Process optimization for laminar cooling"
aus Iron and Steel Engineer", August 1998, S. 45-49, ist ein
Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warm
walzen von Metall, insbesondere eines Metallbandes, bekannt.
Dabei werden in Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad bzw. vom
Umwandlungsverlauf geeignete Prozeßsteuer- und/oder Regel
größen zur Prozeßoptimierung abgeleitet und/oder eine online
Adaption der Prozeßmodelle durchgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben,
mit dem die Strukturumwandlung direkt im laufenden Abkühl
prozeß bestimmt und verbessert werden kann.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein
gangs genannten Art gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
angegeben. Insbesondere ist dort eine Vorgehensweise für
Stahlbänder, die mit einer Oxidschicht versehen sein können,
angegeben.
Mit der Erfindung ist eine Online-Messung realisiert. Es wird
die vom heißen Metallband emittierte elektromagnetische
Strahlung erfaßt und ausgewertet. Damit ist es möglich, kristallographische
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 dadurch 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, bei
dem in Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad bzw. vom Umwand
lungsverlauf geeignete Prozeßsteuer- und/oder Regelgrößen zur
Prozeßoptimierung abgeleitet und/oder eine online Adaption
der Prozeßmodelle durchgeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die vom heißen Metall emittierte elektromagnetische Strahlung als Spektrum online erfaßt und ausgewertet wird,
mit der Auswertung kristallographische Umwandlungen und/oder Gefügeumwandlungen und/oder chemische Umwandlun gen, die bei bestimmten Temperaturen des Metalles erfol gen, ermittelt werden.
die vom heißen Metall emittierte elektromagnetische Strahlung als Spektrum online erfaßt und ausgewertet wird,
mit der Auswertung kristallographische Umwandlungen und/oder Gefügeumwandlungen und/oder chemische Umwandlun gen, die bei bestimmten Temperaturen des Metalles erfol gen, ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung mit neu
ronalen Netzen ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein kontinuierliches Spektrum der elektromagnetischen
Strahlung aufgenommen wird und daß das kontinuierliche Spek
trum mit chemometrischen Methoden ausgewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Metall ein Stahlband ist, das einem Warmwalzprozeß
und/oder einem Kühlprozeß unterzogen wird, wobei die Umwand
lung der Kristallstruktur eine Umwandlung von γ-Eisen (Auste
nit) in α-Eisen (Ferrit) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
daß aus dem Spektrum der Anteil von Ferrit und Austenit er
kannt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Spektrum im Bereich des Infraroten (IR: 0,5 bis 1000 µm)
gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung im Bereich des nahen Infrarot (NIR: 0,8 bis
2,5 µm) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung im Bereich des mittleren Infrarot (MIR: 2,5
bis 20 µm) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung im Bereich des fernen Infrarot (FIR: 20 bis
1000 µm) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei das
Metall 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 gekennzeichnet,
daß aus dem IR-Spektrum die Stärke der Oxidschicht auf der
Obefläche des Stahlbandes ermittelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
zur Prozeßoptimierung eine Kühlung des gewalzten Metalles
erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlung in Abhängigkeit vom gemessenen Umwandlungs
grad so gesteuert wird, daß sich ein vorgegebener Umwand
lungsverlauf ergibt.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Abhängigkeit vom gemessenen Umwandlungsgrad die Küh
lung so gesteuert wird, daß sich ein vorgegebener Temperatur
verlauf ergibt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
11, wobei der Prozeßsteuerung ein Abkühlmodell zugrunde
gelegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die spezifische Wärme und die exotherme Wärmetönung in
Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad erfaßt und die gemessenen
Umwandlungsgrade zur Adaption eines Abkühlmodells benutzt
werden.
15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung 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 Messung über die Breite des vorbeibewegten Metall
bandes mit einer traversierenden Sonde oder durch mehrere,
parallel angeordnete Sonden erfolgt, womit der Umwandlungs
grad sowohl in Längs- als auch in Querrichtung des Metall
bandes gemessen wird und als Längs- und/oder Querprofil an
zeigbar ist.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung und Optimierung an einem Metalldraht in einer
Drahtziehstraße erfolgt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1999141600 DE19941600C2 (de) | 1999-09-01 | 1999-09-01 | Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall |
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DE1999141600 DE19941600C2 (de) | 1999-09-01 | 1999-09-01 | Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall |
Publications (2)
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DE19941600A1 DE19941600A1 (de) | 2001-03-15 |
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ID=7920393
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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DE (1) | DE19941600C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010006895A1 (de) * | 2008-07-16 | 2010-01-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Betriebsverfahren für eine ein metallband bearbeitende bearbeitungseinrichtung und anlage zum bearbeiten eines metallbandes |
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DE102018220500A1 (de) | 2018-11-28 | 2020-05-28 | Sms Group Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines Mehrphasenstahls |
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Auzinger,D., Parzer,F., Posch,G.: Process optimi- zation for laminarcooling. In: Iron and Steel Engineer, August 1998, S.45-49 * |
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