EP1567681A1 - Verfahren zur prozesssteuerung oder prozessregelung einer anlage zur umformung, kühllung und/oder wärmebehandlung von metall - Google Patents

Verfahren zur prozesssteuerung oder prozessregelung einer anlage zur umformung, kühllung und/oder wärmebehandlung von metall

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EP1567681A1
EP1567681A1 EP03789055A EP03789055A EP1567681A1 EP 1567681 A1 EP1567681 A1 EP 1567681A1 EP 03789055 A EP03789055 A EP 03789055A EP 03789055 A EP03789055 A EP 03789055A EP 1567681 A1 EP1567681 A1 EP 1567681A1
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EP
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metal
structural
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model
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EP03789055A
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Uwe Plociennik
Christian Plociennik
Karl-Ernst Hensger
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SMS Siemag AG
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SMS Demag AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Definitions

  • the invention relates to a method for process control or process regulation of a plant for the forming, cooling and / or heat treatment of metal, in particular steel or aluminum, the plant being equipped with actuators for setting certain operating parameters and the process being based on a process model.
  • Operating parameters are understood to mean, for example, the roll settings in a rolling section or the cooling parameters in a cooling section.
  • Microstructure optimizer depending on the desired material properties of the Metal are determined.
  • the expected material and usage properties are determined by means of a structure observer. There follows a comparison between target values and the values determined by the structural observer for the material and usage properties. If there is a difference between the observed or calculated and the determined values, the operating parameters such as the inlet and outlet temperature of the rolling section and the degrees of reduction are changed.
  • WO 99/24182 also explains the changes in the structure of steel during rolling, while DE 199 41 600 A1 and DE 199 41 736 A1 describe the ⁇ - ⁇ structure transformation of steel in more detail.
  • the object of the invention is to provide a method for process control or process control of a system for the forming, cooling and / or heat treatment of metal, in particular steel or aluminum, with which it is possible to obtain desired structural details online and using desired structure-property relationships Target material properties.
  • the task is solved by systematically linking the process model, an online recording of at least one current structural parameter, for example at the end of the process to be controlled, and a structural model.
  • the prediction models should include a structural model, i.e. a prognosis model for predicting the solid-state reactions taking place during the forming process, for example in the rolling mill, or cooling in the cooling section and the resulting structural features.
  • an online adaptation of the method model and / or the structure model should preferably be carried out. If the difference exceeds a certain value in an actual-target value comparison, the process model (for example the pass schedule model or the cooling section model) and the microstructure model are recalculated.
  • a current microstructure size value and / or a microstructure transformation time or the microstructure transformation time interval is preferably recorded as the value meaningful for the microstructure.
  • the detection of the current structural characteristic value is preferably carried out by means of non-destructive material testing devices, such as by means of ultrasound measuring devices, and here in particular laser-generated ultrasound measuring devices, and X-ray devices.
  • Measuring devices that contact the metal should preferably be used to determine the structural change. This includes rolling force measuring devices and measuring rollers for the detection of tensile and tensile stresses on the metal strip during forming. The one with the ⁇ - - Conversion of longitudinal expansion of the metallic steel grid can thus be recorded as a measure of the structural transformation via these touching measuring devices.
  • the transformation temperature is recorded online as the meaningful value for the structure by means of at least one temperature detection unit, which is arranged to be relatively movable along the metal conveying direction and depending on the expected location of the structure transformation, which is predicted according to the structure model becomes.
  • a plurality of temperature detection units are preferably provided.
  • the austenite grain size of the structure of the metal to be processed is predicted at a specific point in the process or at a specific location in the process .
  • the current austenite grain size of the metallic structure is recorded online - in this case during a rolling process - behind the last rolling stand of the rolling mill without contact or non-destructive.
  • the currently recorded austenite grain size value is compared with a specified target value for the size of the structure's austenite grain at this point in the process.
  • a correction value for controlling the actuators of the rolling mill is derived from the difference value, using the microstructure and process model on which the rolling mill is based, and is given to the actuators accordingly. If, for example, the measured austenite grain size is smaller than a target value, a correction value is applied to the actuators for the intermediate stand cooling of the rolling mill in order to reduce the intermediate stand cooling and thus an increase in the To reach the final rolling temperature. By increasing the final rolling temperature, a larger grain size of the austenitic structure is set at the end of the rolling mill. Since even slight changes in the finish rolling temperature have a significant influence on the austenite grain size, the control of the system still affects the metal strip or sheet currently being treated, ie the grain size can still be adjusted to the setpoint on the same strip.
  • the current value which is meaningful for the structure, is recorded online during the metalworking process by forming, cooling and / or heat treatment at a specific point, i.e. on the stand (s) or stitch (s) with targeted control of the process parameters for the previous stands (n-1) or stitches (n-1) depending on the actual-target value comparison made.
  • the structural grain size of the metal strip or metal sheet is recorded before the forming in the frame (s) of a hot wide strip mill or before the forming in the stitch (s) of a heavy plate mill, for example using an ultrasound device. If the actual value deviates too much from a target value, the process model, in particular the pass schedule model, and the microstructure model are recalculated with effects on the control signals for the actuators of the upstream stands or the actuators for performing the previous stitches, so that the desired target size is achieved can be.
  • the changeover of the previous stands can already be done online for the currently rolled strip or sheet and / or can be used for the subsequent strip or sheet.
  • an online microstructure control takes place in a cooling section of a wire mill with a water cooling section and an air cooling section, in that an actual microstructure size value, here the austenite grain size, of the metal wire is detected by means of an ultrasound measuring device after passing through the water cooling section and the temperature of the structural transformation as well as the time course of the structural transformation, ie the ⁇ - ⁇ transformation, is recorded with temperature measuring devices that can be moved in the transport direction and / or can be oriented differently. If the recorded values deviate from the planned target values, a new calculation is made using the cooling section and microstructure models, and the actuators of the cooling section are set accordingly online.
  • an actual microstructure size value here the austenite grain size
  • the proposed online microstructure control or regulation is not only used on hot wide strip, possibly also thin slab rolling, heavy plate, profile, bar steel and wire mills, but also on cold strip and aluminum mills.

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Abstract

Um ein Verfahren zur Prozesssteuerung oder Prozessregelung einer Anlage zur Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung von Metall, insbesondere von Stahl oder Aluminium, wobei die Anlage mit Stellgliedern zur Einstellung bestimmter Betriebsparameter ausgerüstet ist und dem Verfahrensprozess ein Verfahrensmodell zugrundeliegt, bereitzustellen, mit dem es möglich ist, online gewünschte Gefügebesonderheiten und unter Verwendung von Gefüge Eigenschaftsrelationen gewünschte Werkstoffeigenschaften gezielt einzustellen, sollen online mindestens ein aktueller, für das Metallgefüge aussagekräftiger Wert erfasst und in Abhängigkeit dieses Wertes geeignete Prozesssteuerung- und/oder Prozessregelgrössen zur Einwirkung auf die Stellglieder zur Einstellung gewünschter Gefügeeigenschaften des Metalls ermittelt werden unter Nutzung eines Gefügemodells sowie des dem Prozess zugrundeliegenden Verfahrensmodells.

Description

Verfahren zur Prozesssteuerung oder Prozessregelung einer Anlage zur Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung von Metall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesssteuerung oder Prozessregelung einer Anlage zur Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung von Metall, insbesondere von Stahl oder Aluminium, wobei die Anlage mit Stellgliedern zur Einstellung bestimmter Betriebsparameter ausgerüstet ist und dem Verfahrensprozess ein Verfahrensmodell zugrundeliegt.
Unter Betriebsparametern werden beispielsweise die Walzenanstellungen in einer Walzstrecke oder die Kühlparameter in einer Kühlstrecke verstanden.
Aus der DE 199 41 600 A1 sowie aus der DE 199 41 736 A1 sind Verfahren zur Prozessführung und Prozessoptimierung beim Warmwalzen von Metall bekannt, wobei die vom heißen Metall emittierte elektromagnetische Strahlung als Spektrum online erfasst und ausgewertet wird oder wobei die von einem Röntgenstrahier emittierte elektromagnetische Strahlung des Metalls, hier ein Me- tallband, durchdringt und auf der Rückseite des Metallbandes online erfaßt und ausgewertet wird, mit der Auswertung kristallografische und/oder Gefügeumwandlungen und/oder chemische Umwandlungen, die bei bestimmten Temperaturen des Metalles erfolgen, ermittelt werden und in Abhängigkeit vom Umwandlungsgrad bzw. vom Umwandlungsverlauf geeignete Prozesssteuer- und/oder Prozessregelgrößen zur Prozeßoptimierung abgeleitet werden und/oder eine online Adaption der Prozessmodelle durchgeführt wird.
Es ist ebenfalls bekannt, die Prozesssteuerung alleine mittels Gefügemodellen vorzunehmen. Nach der WO 99/24182 sollen die Betriebsparameter einer hüt- tentechnischen Anlage zur Behandlung von Stahl oder Aluminium mittels eines
Gefügeoptimierers in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Metalls bestimmt werden. Mittels eines Gefügebeobachters werden die zu erwartenden Material- und Gebrauchseigenschaften ermittelt. Es folgt ein Vergleich zwischen Sollwerten und den von dem Gefügebeobachter ermittelten Werten für die Material- und Gebrauchseigenschaften. Sofern eine Differenz zwischen den beobachteten bzw. berechneten und den ermittelten Werten vor- liegt, werden die Betriebsparameter, wie Eingangs- und Ausgangstemperatur der Walzstrecke sowie die Reduktionsgrade, verändert.
In der WO 99/24182 sind zudem die Veränderungen des Gefüges von Stahl beim Walzen erläutert, während die DE 199 41 600 A1 bzw. DE 199 41 736 A1 die γ-α-Gefügeumwandlung von Stahl näher beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Prozesssteuerung oder Prozessregelung einer Anlage zur Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung von Metall, insbesondere von Stahl oder Aluminium, bereitzustellen, mit dem es möglich ist, online gewünschte Gefügebesonderheiten und unter Verwendung von Gefüge-Eigenschaftsrelationen gewünschte Werkstoffeigenschaften gezielt einzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Verfahrensgemäß wird vorgeschlagen, dass online mindestens ein aktueller, für das Gefüge aussagekräftiger Wert erfasst und in Abhängigkeit dieses Wertes geeignete Prozesssteuerung- und/oder Prozessregelgrößen zur Einwirkung auf die Anlagen-Stellglieder ermittelt werden unter Verwendung eines Gefügemodells, das die während der Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung ablaufenden Festkörperreaktionen beschreibt, sowie des dem Prozess zugrundeliegenden Verfahrensmodells, das zur Sicherstellung des automatisierten Prozessablaufes dient. Hierzu wird der erfasste aktuelle Ist-Gefügekennwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und ein sich ergebender Differenzwert als Regelungsgröße für den Prozess unter Nutzung von Gefüge- und Verfahrensmodellen verwendet.
Die Aufgabe wird durch gezielte Verknüpfung des Verfahrensmodells, einer online Erfassung mindestens eines aktuellen Gefügekennwertes, beispielsweise am Ende des zu steuernden Prozesses, sowie eines Gefügemodells gelöst. Verfahrensgemäß sollen die Vorhersagemodelle ein Gefügemodell einschließen, d.h. ein Prognosemodell zur Vorhersage der während der Umformung, beispielsweise im Walzwerk, oder einer Abkühlung in der Kühlstrecke ablaufenden Festkörperreaktionen und der sich dabei einstellenden Gefügebesonder- heiten.
Vorzugsweise soll in Abhängigkeit des für das Gefüge aussagekräftigen er- fassten Wertes eine online Adaption des Verfahrensmodells und/oder des Gefügemodells durchgeführt werden. Wenn bei einem Ist-Sollwert-Vergleich die Differenz einen bestimmten Wert überschreitet, erfolgt eine neue Berechnung des Verfahrensmodells (beispielsweise des Stichplanmodells oder des Kühlstreckenmodells) und des Gefügemodells.
Als der für das Gefüge aussagekräftige Wert wird vorzugsweise ein aktueller Gefügekorngrößen-Wert und/oder ein Gefügeumwandlungs-Zeitpunkt oder das Gefügeumwandlungs-Zeitintervall erfasst.
Die Erfassung des aktuellen Gefügekennwertes, insbesondere eines Gefügekorngrößen-Wertes, erfolgt bevorzugt mittels Geräten der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wie mittels Ultraschallmessgeräten, und hier insbesondere lasergenerierten Ultraschallmessgeräten, sowie Röntgengeräten.
Für die Erfassung der Gefügeumwandlung sollen vorzugsweise das Metall berührende Meßeinrichtungen zur Anwendung kommen. Hierunter fallen Walz- kraftmessgeräte sowie Messrollen zur Erfassung von auf das Metallband wirkenden Dehn- und Zugspannungen bei der Umformung. Die mit der γ- - Umwandlung verbundene Längendehnung des metallischen Stahlgitters kann somit als Maß für die Gefügeumwandlung über diese berührenden Messgeräte erfasst werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Umwandlungstemperatur als der für das Gefüge aussagekräftige Wert mittels mindestens einer Temperatur- Erfassungseinheit online erfasst, die jeweils längs zur Metallförderrichtung relativ beweglich angeordnet ist und in Abhängigkeit des zu erwartenden Ortes der Gefügeumwandlung, der nach dem Gefügemodell vorhergesagt wird, positioniert wird. Vorzugsweise sind mehrere Temperatur-Erfassungseinheiten vorge- sehen.
Nachfolgend wird das vorgeschlagene Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher beschrieben.
Für die Stahlgruppe eines C-Mn-Stahles erfolgt unter Anwendung von Gefügemodellen, ausgehend von der chemischen Zusammensetzung, und unter Berücksichtigung des Stichplans im Walzwerk eine Vorausberechnung der Austenitkorngröße des Gefüges des zu bearbeitenden Metalls zu einem bestimmten Verfahrenszeitpunkt bzw. an einem bestimmten Ort im Prozess. Es wird online - in diesem Fall bei einem Walzprozess - hinter dem letzten Walzgerüst der Walzstraße die aktuelle Austenitkorngröße des metallischen Gefüges berührungslos bzw. zerstörungsfrei erfasst. Der aktuell erfasste Austenitkorn- größen-Wert wird mit einem vorgegebenen Sollwert für die Größe des Austenti- korns des Gefüges an dieser Stelle im Prozess verglichen. Tritt eine Abwei- chung zwischen dem Ist- und dem Sollwert auf, wird aus dem Differenz-Wert ein Korrekturwert zur Steuerung der Stellglieder der Walzstraße, unter Nutzung des Gefüge- und Verfahrensmodells, das der Walzstraße zugrundeliegt, abgeleitet und den Stellgliedern entsprechend aufgegeben. Ist beispielsweise die gemessene Austentitkorngröße kleiner als ein Sollwert, wird ein Korrekturwert auf die Stellglieder für die Zwischengerüstkühlung der Walzstraße aufgegeben, um die Zwischengerüstkühlung zu reduzieren und somit eine Erhöhung der Endwalztemperatur zu erreichen. Durch Erhöhung der Endwalztemperatur wird eine größere Korngröße des austenitischen Gefüges am Ende der Walzstraße eingestellt. Da bereits geringfügige Änderungen der Endwalztemperatur die Austenitkorngröße signifikant beeinflussen, wirkt die Steuerung bzw. Regelung der Anlage noch auf das aktuell behandelte Metallband oder Blech zurück, d.h. die Einstellung der Korngröße auf den Sollwert ist noch am gleichen Band möglich.
Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt die online-Erfassung des aktuellen, für das Gefüge aussagekräftigen Wertes während des Prozesses der Metallbearbeitung durch Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung an einem bestimmten Punkt, d.h. am Gerüst (n) oder Stich (n) mit einer gezielten Steuerung der Prozeßparameter für die vorherigen Gerüste (n-1) oder Stiche (n-1) in Abhängigkeit des vorgenommenen Ist-Soll-Wertvergleiches.
Es wird beispielsweise die Gefügekorngröße des Metallbandes bzw. Metallbleches vor der Umformung im Gerüst (n) einer Warmbreitbandstraße oder vor der Umformung im Stich (n) einer Grobblechstraße erfasst, beispielsweise mit einem Ultraschallgerät. Bei einer zu großen Abweichung des Istwertes von einem Sollwert erfolgt eine neue Berechnung des Verfahrensmodells, insbesondere des Stichplanmodells, und des Gefügemodells mit Auswirkungen auf die Steuersignale für die Stellglieder der vorherliegenden Gerüste oder die Stellglieder zur Durchführung der vorherigen Stiche, so dass die gewünschte Sollgröße erreicht werden kann. Die Umstellung der vorherigen Gerüste kann schon für das aktuell gewalzte Band oder Blech online erfolgen und/oder für das nachfolgen- de Band oder Blech genutzt werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt eine online- Gefügesteuerung in einer Kühlstrecke einer Drahtstraße mit einem Wasserkühlstreckenteil und einem Luftkühlstreckenteil, indem ein aktueller Gefüge- korngrößen-Wert, hier die Austentitkorngröße, des Metalldrahtes nach Durchlaufen der Wasserkühlstrecke mittels einer Ultraschallmesseinrichtung erfasst und die Temperatur der Gefügeumwandlung sowie der zeitliche Verlauf der Gefügeumwandlung, d.h. der γ-α-Umwandlung, mit in Transportrichtung bewegbaren und/oder unterschiedlich ausrichtbaren Temperaturmesseinrichtungen erfasst wird. Sofern die erfassten Werte von den geplanten Sollwerten abweichen, erfolgt eine neue Berechnung unter Nutzung der Kühlstrecken- und Gefügemodelle sowie online eine entsprechende Einstellung der Stellglieder der Kühlstrecke.
Die vorgeschlagene Oniine-Gefügesteuerung bzw. -regelung findet nicht nur Verwendung auf Warmbreitband-, ggf. auch Dünnbrammenwalz-, Grobblech-, Profil-, Stabstahl- und Drahtstraßen, sondern auch bei Kaltband- und Aluminiumstraßen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Prozesssteuerung oder Prozessregelung einer Anlage zur Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung von Metall, wobei die Anlage mit Stellgliedern zur Einstellung bestimmter Betriebsparameter ausgerüstet ist und dem Verfahrensprozess ein Verfahrensmodell zugrundeliegt, wobei online mindestens ein aktueller, für das Metallgefüge aussagekräftiger Wert erfasst und in Abhängigkeit dieses Wertes geeignete Pro- zessteuerung- und/oder Prozessregelgrößen zur Einwirkung auf die Stellglieder zur Einstellung gewünschter Gefügeeigenschaften des Metalls ermittelt werden unter Nutzung eines Gefügemodells sowie des dem Prozess zugrundeliegenden Verfahrensmodells.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des für das Gefüge aussagekräftigen erfassten Wertes eine online Adaption des Verfahrensmodells und/oder des Gefügemodells durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als der für das Gefüge aussagekräftige Wert ein aktueller Gefügekorngrößen-Wert erfasst wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gefügekorngrößen-Wert die Austenitkorngröße bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Gefügekorngrößen-Wert am Ende der Anlage zur Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung von Metall erfasst wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Gefügekorngrößen-Wert während des Prozesses zur
Umformung, Kühlung und/oder Wärmebehandlung von Metall erfasst wird und die in Abhängigkeit dieses Wertes ermittelten Prozesssteuerungs- oder Prozessregelunggsgrößen auf die Stellglieder vorherig durchlaufender Prozessschritte zurückwirken.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als der für das Gefüge aussagekräftige Wert ein Gefügeumwandlungs-Zeitpunkt oder das Gefügeumwandlungs-Zeitintervall mittels das Metall berührenden Meßeinrichtungen online erfasst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als der für das Gefüge aussagekräftige Wert die Umwandlungstem- peratur mittels mindestens einer Erfassungseinheit online erfasst wird, die jeweils längs zur Metallförderrichtung relativ beweglich angeordnet ist und in Abhängigkeit des zu erwartenden Ortes der Gefügeumwandlung, der nach dem Gefügemodell vorhergesagt wird, positioniert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mehrerer Erfassungseinheiten jeweils der Ort oder das Zeitintervall des Beginns und des Endes der Gefügeumwandlung erfasst wird.
0. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine online-Gefügesteuerung in einer Kühlstrecke einer Drahtstraße mit einer Wasserkühlstreckenteil und einem Luftkühlstreckenteil erfolgt, wobei ein aktueller Gefügekorngrößen-Wert des Metalldrahtes nach Durchlaufen der Wasserkühlstrecke mittels einer Ultraschallmesseinrichtung erfasst wird und wobei die Temperatur einer Gefügeumwandlung sowie der zeitliche Verlauf der Gefügeumwandlung, insbesondere der γ-α- Umwandlung von Stahl, mit in Transportrichtung bewegbaren und/oder unterschiedlich ausrichtbaren Temperaturmesseinrichtungen erfasst wird.
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