DE19941736C2 - Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prozeßfüh­ rung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall, insbe­ sondere 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 der Druckschrift Materials Science and Technology, Octo­ ber 1996, Vol. 12, S. 808-817, ist es bekannt, die von einem Röntgenstrahler emittierte, eine Probe eines Metallbandes durchdringende elektromagnetische Strahlung zu erfassen und auszuwerten, wobei kristallographische Umwandlungen, die bei bestimmten Temperaturen des Metalles erfolgen, ermittelt wer­ den.

Des Weiteren ist aus dem Aufsatz "Process optimization for laminar cooling" aus Iron and Steel Engineer, August 1998, S. 45-49, ein Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere eines Metallbandes, bekannt. Dabei werden in Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad bzw. vom Umwandlungsverlauf geeignete Prozeßsteuer- und/oder Regelgrößen 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 Abkühlpro­ zeß 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 an­ gegeben.

Mit der Erfindung ist eine Online-Messung realisiert, bei der Röntgenstrahlung verwendet wird. Die das Metallband durch­ dringende Strahlung wird erfaßt und ausgewertet. Damit ist es möglich, kristallographische und/oder Strukturumwandlungen und/oder chemische Umwandlungen qualitativ und quantitativ zu erfassen. Mit der Kenntnis des Umwandlungsgrades bzw. des Um­ wandlungsverlaufes können aber Prozeßsteuer- und/oder Regel­ größen zur Prozeßoptimierung abgeleitet werden. Sofern der Prozeßsteuerung geeignete Prozeßmodelle zugrunde gelegt wer­ den, 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 Verfahrens­ schritt 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 Gleichgewicht­ stemperatur 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 tered cubic) zur kubisch raumzentrierten (BCC = body centered cubic) Kristallstruktur. Dadurch ändert sich die Bindungsgeo­ metrie, neben den Gitterkonstanten auch die räumliche Anord­ nung, und Bindungskraft innerhalb der Kristallstruktur.

Es wird nunmehr ausgenutzt, daß die Änderungen der Gitter­ struktur und der Gitterkonstanten zu Unterschieden in den Beugungsintensitäten der Röntgenstrahlung führen. Es werden daher Messungen bei einer im Walzband vorliegenden, ausrei­ chend hohen Temperatur im Bereich von 550 bis 900°C durchge­ führt und die Beugungsintensitäten des Warmbandes gemessen und analysiert.

Zur Auswertung können chemometrische Methoden oder neuronale Netze zum Einsatz kommen. Dafür ist es notwendig, daß die Beugungsintensitäten erfaßt und in entsprechender Weise mit­ tels multivariater Datenanalyse ausgewertet werden. Im ein­ zelnen werden dafür die bekannten chemometrischen Methoden der sogenannten Hauptkomponentenanalyse (PCA oder PCR) oder die Auswertemethode der kleinsten Quadrate (PLS angewandt).

Letztere mathematische Methoden sind heute als Standardtools für die Auswertung von Beugungsintensitäten verfügbar. Diese Tools setzen lineare Modelle voraus, um die Konzentrationen von Komponenten der zu untersuchenden Stoffe zu ermitteln. Es können auch physikalische Parameter der zu untersuchenden Stoffe erfaßt und modelliert werden, z. B. die Temperatur.

Mit der Erfindung wird erstmalig die Röntgenstrahlung zur Er­ fassung von Umwandlungen im Stahl und deren Einsatz bei der Prozeßführung beim Warmwalzen vorgeschlagen. Außer an Stahl­ bändern kann die Erfindung auch beim Warmwalzen anderer Me­ talle 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 über die Breite des vorbeibewegten Metallbandes mit einer traversierenden Sonde erfolgen oder durch mehrere parallel über die Breite angeordnete Sonden realisiert werden. Insbe­ sondere dadurch kann der Umwandlungsgrad in Querrichtung er­ mittelt und als Querprofil dargestellt wird.

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 (11)

1. Verfahren zur Prozeßführung und Prozeßoptimierung beim Warmwalzen von Metall, insbesondere eines Metallbandes, bei dem in Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad bzw. vom Umwandlungs­ verlauf geeignete Prozeßsteuer- und/oder Regelgrößen zur Pro­ zeßoptimierung abgeleitet und/oder eine online Adaption der Prozeßmodelle durchgeführt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß
die von einem Röntgenstrahler emittierte elektromagnetische Strahlung das Metallband durchdringt und auf der Rückseite des Metallbandes online erfaßt und ausgewertet wird,
mit der Auswertung kristallographische Umwandlungen und/oder Gefügeumwandlungen und/oder chemische Umwandlun­ gen, die bei bestimmten Temperaturen des Metalles erfolgen, ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Röntgenstrahlung mit neuronalen Netzen ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Röntgenstrahlung aufgenommen und mit chemometrischen Methoden ausgewertet 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 mittels der Röntgenstrahlung der An­ teil von Ferrit und Austenit erkannt wird.

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

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom gemessenen Umwandlungsgrad die Kühlung so gesteuert wird, daß sich ein vorgegebener Temperaturverlauf ergibt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Prozeßsteuerung ein Abkühlmodell zugrunde gelegt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vom Umwandlungsgrad ab­ hängende spezifische Wärme, die exotherme Wärmetönung und/oder die gemessenen Umwandlungsgrade zur Adaption eines Abkühl­ modells benutzt werden.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung an einem festen Punkt über dem vorbeibewegten Metallband er­ folgt, der Umwandlungsgrad in Längsrichtung gemessen und als Längsprofil angezeigt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung über die Breite des vorbeibewegten Metallbandes mit einer traversierenden Sonde oder durch mehrere, parallel angeordne­ te Sonden erfolgt, womit der Umwandlungsgrad sowohl in Längs- als auch in Querrichtung des Metallbandes gemessen wird und als Längs- und/oder Querprofil anzeigbar ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mes­ sung und Optimierung an einem Metalldraht in einer Drahtzieh­ straße erfolgt.