WO2009141206A1 - Verfahren zum stranggiessen eines metallstrangs - Google Patents
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- WO2009141206A1 WO2009141206A1 PCT/EP2009/054786 EP2009054786W WO2009141206A1 WO 2009141206 A1 WO2009141206 A1 WO 2009141206A1 EP 2009054786 W EP2009054786 W EP 2009054786W WO 2009141206 A1 WO2009141206 A1 WO 2009141206A1
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- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
- B22D11/1206—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for plastic shaping of strands
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- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/16—Controlling or regulating processes or operations
- B22D11/20—Controlling or regulating processes or operations for removing cast stock
Definitions
- the present invention relates to a method for continuously casting a metal strand in a continuous casting plant.
- the invention relates to a process for the continuous casting of a metal strand, in particular a steel strand, in a continuous casting, wherein a strand with a trapped by a strand shell, liquid core drawn from a cooled continuous casting mold, in one of
- Continuous casting subordinate strand support means supported, cooled with coolant and optionally metallurgically reduced, wherein thermodynamic state changes of the entire strand in a mathematical simulation model, including a heat conduction equation, are also included.
- a method for the continuous casting of a metal strand in which a strand drawn from a strand shell liquid core extracted from a cooled mold, then supported in a strand support device and cooled with coolant.
- the state changes occurring in the course of the continuous casting process are also calculated in real time for the entire strand by means of a mathematical simulation model, including the heat conduction equation, and the cooling of the strand is set as a function of the calculated thermodynamic state changes.
- a method for continuous casting is known from DE 10122118 A1 in which a metal strand is drawn out of a mold, supported in a strand support device, cooled with coolant and at least one pair of strand support rolls of a metallurgical reduction, specifically a reduction in thickness in the form of a liquid core reduction. is subjected.
- the skilled person is further known that a metal strand in continuous casting in the course of its solidification of a shrinkage, ie a change of strand dimensions, is subjected.
- the size of the strand shrinkage occurring depends on the operating parameters of the continuous casting plant, for example on physical parameters of the metal to be cast, the casting temperature, the casting speed, the strand thickness or the strand cooling.
- the object of the invention is to provide a method of the type mentioned, with which the product quality of a metal strand, for example by reducing the porosity and / or segregations, improved surface quality and / or shape retention, can be further improved.
- a natural shrinkage of the strand in real time taking into account the physical parameters of the metal, the temperature of the metal in the casting manifold, the constantly measured pullout speed, the strand cooling and the thickness of the Strand is also calculated and adjusable strand strand guide rollers of the strand support device can be adjusted taking into account the natural shrinkage of the metal strand.
- the mathematical simulation model When calculating the natural shrinkage of the strand, the mathematical simulation model generates a heat equation in real time, taking into account the physical parameters of the metal, the temperature of the metal Metal in the casting manifold, the constantly measured extraction speed, the strand cooling and the thickness of the strand solved numerically.
- the strand is discretized, ie, for example, divided into a plurality of volume elements, and the heat equation equation periodically resolved taking into account the initial and boundary conditions by means of a process computer for the plurality of discrete elements, resulting in the time-varying temperature field of the entire strand.
- natural shrinkage is the thermal
- Expansion behavior of the strand as a function of temperature changes After the thermodynamic state changes for each discrete element from the solution of the heat conduction equation are known, the natural shrinkage of each element can be calculated, for example, from the volume expansion or contraction. If the metal strand is not to be further metallurgically reduced, the distances of the strand guide rollers that can be attached to the strand in the strand thickness direction are adjusted such that these distances follow the natural shrinkage of the metal strand in the strand extraction direction.
- Two further advantageous embodiments of the method according to the invention arise when a further metallurgical reduction of the metal strand in the strand support device, for example a liquid core reduction, a soft reduction (in particular a dynamic soft reduction) or a surface treatment, taking into account the natural shrinkage of
- Metal strand is performed.
- the person skilled in the liquid core reduction and the soft reduction are known, whereby these metallurgical reduction methods are not further explained.
- a metallurgical surface treatment of the metal strand in the strand support device is also known from EP 1289691 Bl.
- the method according to the invention is carried out when the thermal equation is solved numerically in the mathematical simulation model taking into account temperature-dependent density changes of the metal strand. It is known to the person skilled in the art that the change in density of metal as a function of the temperature can assume significant proportions. So m 3 at 1550 0 C (temperature of the melt in the distribution trough) increases for example in the continuous casting process, the density of steel of about 7000 kg / 7800 kg to about / m 3 at 300 0 C ( micerstarrter strand).
- a further advantageous embodiment of the method according to the invention is that in the numerical solution of the heat equation, taking into account temperature-dependent density changes of the metal strand approximated equations are used for the enthalpy, which have the exact mass and the exact enthalpy for the entire strand.
- the growth or the conversion between different types of microstructures can be considered advantageously in the method according to the invention if the mathematical simulation model includes a computational model describing the formation of a desired microstructure in the metal strand, in a particularly advantageous manner by the application of a continuous Avrami phase conversion model.
- the strand cooling is adjusted taking into account the calculated thermodynamic state changes.
- the inventive method can be used without restriction in the casting of metal strands with billet, billet, slab or thin slab cross-section of any size in order to improve the quality of the cast metal strands.
- Strangs a setpoint as possible corresponds.
- the controller assumes either the calculated thickness of the strand or a measured beach thickness. in the In the first case, the calculated thickness is used to determine the manipulated variable, so that the thickness of the strand or a distance between the strand guide rollers need not be detected separately.
- the thickness of the strand is detected by means of a measuring device and fed to a controller, wherein the manipulated variable is determined taking into account the detected thickness of the strand.
- FIG. 1 shows a continuous casting plant in a schematic side view
- FIG. 2 shows a schematic representation of a hydraulically adjustable segment of a strand support device
- a steel strand 1 is formed from a molten steel 2 having a specific chemical composition by casting in a cooled continuous casting mold 3.
- the molten steel 2 is from a ladle 4 via a tundish 5 and one of the tundish 5 by means of a in the
- Continuous mold 3 formed pouring mirror reaching pouring tube 6 poured into the continuous casting mold 3.
- strand guide rollers 7 are provided below the continuous casting mold 3 a strand support device for supporting the steel strand 1, which still has a liquid core 8 and initially only a very thin strand shell 9.
- the steel strand 1 emerging from the straight-through-die with a straight axis is deflected in a bending zone 10 into an arcuate path 11 and is guided by strand guide rollers 7, which are arranged in several hydraulically adjustable segments 13. supported.
- subsequent straightening zone 12 of the steel strand 1 is again straightened and discharged via a discharge roller table or reduced directly online thickness, for example by means of an on-line roll stand.
- the steel strand 1 For cooling the steel strand 1, it is cooled directly or indirectly via strand guide rollers 7 provided with an internal cooling, whereby a specific temperature of the steel strand 1 can be adjusted.
- Such strand cooling taking into account the thermodynamic state changes calculated online is known from DE 4417818 Al the applicant.
- the physical parameters of the steel 2 for example the density, the specific heat capacity and conductivity, furthermore parameters of the strand cooling, the roll pitch, the strand width, the strand thickness in the mold and measured values of the strand thickness in the segments, can still be included in an input unit of the process computer 14 13 and the continuously measured casting speed can be entered.
- the process computer 14 are based on a mathematical simulation model, comprising a heat conduction equation and a metallurgical calculation model for the consideration of
- Phase transformation kinetics according to Avrami which calculates the target water quantities of strand cooling.
- the steel strand 1 is cooled in a controlled manner in each segment, wherein the cooling water quantity in individual cooling zones of the segment of one valve (in FIG. 1, for reasons of clarity, only one valve is shown in one segment) of the strand cooling is set, which in turn is provided by an output unit of the process computer 14 is controlled.
- the steel strand 1 no further metallurgical reduction, for example, Liquid Core Reduction, soft reduction or surface treatment of the strand are subjected, where the distance of strandable strand strand guide rollers 7 of the segments 13 via one or more hydraulic cylinders 15 to the calculated strand thickness, i. considering the natural shrinkage, adjusted.
- the changes in thickness necessary for the reduction will be calculated for the strand thicknesses - under
- thermodynamic state changes of the steel strand 1 are preferably calculated by means of a heat conduction equation taking into account the temperature-dependent change in the density of the steel strand.
- a two-dimensional heat equation is, for example
- the method according to the invention is independent of the dimension of the heat conduction equation and can therefore also be used without restriction with equations of a different dimension, for example, three-dimensional equations.
- T ref is an arbitrary but constant reference temperature (usually 25 ° C.)
- a parallel (as shown) or conical course of the strand thickness of the steel strand 1 can be set.
- the thickness of the steel strand 1 can be adjusted via a hydraulic adjustment of the segment 13, wherein in a displacement measuring system of a hydraulic cylinder 15, the actual position and thus the distance between opposite strand guide rollers 7 measured and passed on to the process computer.
- the process computer 14 calculates the natural strand shrinkage via the solution of the heat conduction equation and takes it into account in further metallurgical reductions, in the specific case of an LCR reduction with a liquid core 8, and thus specifies the target thickness of the steel strand 1.
- a manipulated variable is determined by means of a nominal-actual comparison of the strand thickness and to an electro-hydraulic valve, which the
- Hydraulic cylinder 15 is assigned, issued.
- the segments 13 can be used on the one hand for the adjustment of the strand guide rollers 7 to the natural strand shrinkage, on the other hand can be realized on appropriate positions of the rollers 7, of course, all metallurgical reductions in the strand support device.
- the strand 1 is supported by the strand support rollers 7 on a lower part of a segment frame 17, on the inside of the strand, the support via strand support rollers 7 on an upper part of the segment frame 16.
- the extension direction of the steel strand 1 is shown by an arrow. Reference sign list
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs in einer Stranggießanlage, wobei ein Strang aus einer Durchlaufkokille ausgezogen, in einer Strangstützeinrichtung gestützt, mit Kühlmittel gekühlt und gegebenenfalls metallurgisch reduziert wird, wobei thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Strangs in einem mathematischen Simulationsmodell, beinhaltend eine Wärmeleitungsgleichung, mitberechnet werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die Produktqualität eines Metallstrangs, beispielsweise durch eine Verringerung der Porosität und/oder von Seigerungen, einer verbesserten Oberflächenqualität und/oder Formhaltigkeit, verbessert werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem im mathematischen Simulationsmodell eine natürliche Schrumpfung des Strangs in Echtzeit unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter des Metalls, der Temperatur im Gießverteiler, der ständig gemessenen Auszugsgeschwindigkeit, der Strangkühlung und der Dicke des Strangs mitberechnet wird und an den Strang anstellbare Strangführungsrollen der Strangstützeinrichtung unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs eingestellt werden.
Description
Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs in einer Stranggießanlage.
Konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs, insbesondere eines Stahlstrangs, in einer Stranggießanlage, wobei ein Strang mit einem, von einer Strangschale eingeschlossenen, flüssigen Kern aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der
Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung, gestützt, mit Kühlmittel gekühlt und gegebenenfalls metallurgisch reduziert wird, wobei thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Strangs in einem mathematischen Simulationsmodell, beinhaltend eine Wärmeleitungsgleichung, mitberechnet werden.
Aus der DE 4417808 Al ist ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs bekannt, bei dem ein Strang mit von einer Strangschale eingeschlossenem flüssigen Kern aus einer gekühlten Kokille ausgezogen, anschließend in einer Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt wird. Die im Zuge des Stranggussprozesses passierenden Zustandsänderungen werden mittels eines mathematischen Simulationsmodells, beinhaltend die Wärmeleitungsgleichung, für den gesamten Strang in Echtzeit mitberechnet und die Kühlung des Strangs in Abhängigkeit der berechneten thermodynamischen Zustandsänderungen eingestellt.
Aus der DE 10122118 Al ist ein Verfahren zum Stranggießen bekannt, bei dem ein Metallstrang aus einer Kokille ausgezogen, in einer Strangstützeinrichtung gestützt, mit Kühlmittel gekühlt und von wenigstens einem Paar von Strangstützrollen einer metallurgischen Reduktion, konkret einer Dickenreduktion in Form einer Liquid Core Reduction, unterzogen wird.
Dem Fachmann ist weiters bekannt, dass ein Metallstrang beim Stranggießen im Zuge seiner Erstarrung einer Schrumpfung, d.h. einer Änderung von Strangabmessungen, unterworfen ist. Die Größe der auftretenden Strangschrumpfungen ist abhängig von Betriebsparametern der Stranggießanlage, beispielsweise von physikalischen Parametern des zu vergießenden Metalls, der Gießtemperatur, der Gießgeschwindigkeit, der Strangdicke oder der Strangkühlung.
Die während des Stranggießprozesses auftretenden Änderungen der Betriebsparameter einer Stranggießanlage - beispielsweise Änderungen der Gießgeschwindigkeit oder der Strangkühlung - bleiben bzgl. der Abstände der Strangstützrollen der Strangstützeinrichtung unberücksichtigt und führen in weiterer Folge zu Qualitätsminderungen des Metallstrangs.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem die Produktqualität eines Metallstrangs, beispielsweise durch eine Verringerung der Porosität und/oder von Seigerungen, einer verbesserten Oberflächenqualität und/oder Formhaltigkeit, weiter verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem im mathematischen Simulationsmodell eine natürliche Schrumpfung des Strangs in Echtzeit unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter des Metalls, der Temperatur des Metalls im Gießverteiler, der ständig gemessenen Auszugsgeschwindigkeit, der Strangkühlung und der Dicke des Strangs mitberechnet wird und an den Strang anstellbare Strangführungsrollen der Strangstützeinrichtung unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs eingestellt werden.
Bei der Berechnung der natürlichen Schrumpfung des Strangs wird im mathematischen Simulationsmodell in Echtzeit eine Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter des Metalls, der Temperatur des
Metalls im Gießverteiler, der ständig gemessenen Auszugsgeschwindigkeit, der Strangkühlung und der Dicke des Strangs numerisch gelöst. Hierzu wird der Strang diskretisiert , d.h. beispielsweise in eine Vielzahl von Volumenelementen zerteilt, und die Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung der Anfangs- und Randbedingungen mittels eines Prozessrechners für die Vielzahl von diskreten Elementen periodisch gelöst, wodurch sich das zeitveränderliche Temperaturfeld des gesamten Strangs ergibt. Als natürliche Schrumpfung wird das thermische
Ausdehnungsverhalten des Strangs in Abhängigkeit von Temperaturänderungen bezeichnet. Nachdem die thermodynamischen Zustandsänderungen für jedes diskrete Element aus der Lösung der Wärmeleitungsgleichung bekannt sind, kann die natürliche Schrumpfung jedes Elements beispielsweise aus der Volumenausdehnung bzw. -kontraktion berechnet werden. Soll der Metallstrang nicht weitergehend metallurgisch reduziert werden, so werden die Abstände der an den Strang anstellbaren Strangführungsrollen in Strangdickenrichtung derart eingestellt, dass diese Abstände der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs in Strangauszugsrichtung folgen.
Zwei weitere vorteilhafterweise Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dann, wenn eine weitergehende metallurgische Reduktion des Metallstrangs in der Strangstützeinrichtung, beispielsweise eine Liquid Core Reduction, eine Soft Reduction (insbesondere eine dynamische Soft Reduction) oder eine Oberflächenbehandlung, unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des
Metallstrangs durchgeführt wird. Dem Fachmann sind die Liquid Core Reduction und die Soft Reduction bekannt, wodurch diese metallurgischen Reduktionsarten nicht weiter erläutert werden. Eine metallurgische Oberflächenbehandlung des Metallstrangs in der Strangstützeinrichtung ist ebenfalls aus der EP 1289691 Bl bekannt. Durch die Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs ist sichergestellt, dass eine weitergehende metallurgische Reduktion in allen
Betriebspunkten des Stranggießprozesses - und nicht wie im Stand der Technik nur in einem Betriebspunkt - in vorteilhafter Weise durchgeführt werden kann.
Auf besonders genaue und daher vorteilhafte Art und Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt, wenn im mathematischen Simulationsmodell die Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs numerisch gelöst wird. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Dichteänderung von Metall in Abhängigkeit der Temperatur signifikante Ausmaße annehmen kann. So erhöht sich beispielsweise beim Stranggussprozess die Dichte von Stahl von ca. 7000 kg/m3 bei 1550 0C (Temperatur der Schmelze im Gießverteiler) auf ca. 7800 kg/m3 bei 300 0C (durcherstarrter Strang) .
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs approximierte Gleichungen für die Enthalpie verwendet werden, welche für den gesamten Strang die exakte Masse und die exakte Enthalpie aufweisen. Mittels dieser Ausführungsform ist sichergestellt, dass die Berechnung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs sowohl richtig bzgl . der Masse als auch der Enthalpie erfolgt, wodurch eine besonders hohe Genauigkeit der Lösung, d.h. der thermodynamischen Zustandsänderungen und der natürlichen Schrumpfung, sichergestellt wird.
Das Wachstum bzw. die Umwandlung zwischen unterschiedlichen Gefügearten lässt sich vorteilhaft im erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigen, wenn das mathematische Simulationsmodell eine die Ausbildung eines gewünschten Gefüges im Metallstrang beschreibendes Rechenmodell, in besonders vorteilhafter Weise durch die Anwendung eines kontinuierliches Phasen-Umwandlungsmodell nach Avrami, beinhaltet .
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Strangkühlung unter Berücksichtigung der errechneten thermodynamischen Zustandsänderungen eingestellt. Durch diese Maßnahme wird eine äußerst hohe Produktqualität des Metallstrangs sichergestellt, da der Metallstrang unter Berücksichtigung der thermodynamischen Zustandsänderungen abgekühlt und die natürliche Strangschrumpfung bei der Einstellung der Abstände der Strangführungsrollen mitberücksichtigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann uneingeschränkt beim Gießen von Metallsträngen mit Knüppel-, Vorblock-, Brammenoder Dünnbrammenquerschnitt beliebiger Abmessungen verwendet werden, um die Qualität der gegossenen Metallstränge zu verbessern .
Eine weitere vorteilhafte Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die an den Strang anstellbaren Strangführungsrollen so anzustellen, dass die Dicke des
Strangs einem Sollwert möglichst entspricht. Mittels dieser Ausprägung des Verfahrens ist es möglich, die anstellbaren Strangführungsrollen so anzustellen, dass die Dicke bei einer bestimmten Position in Auszugsrichtung des Strangs (z.B. bei einer bestimmten Führungsrolle der Strangstützeinrichtung) einem Dicken-Sollwert, dh. einer Zieldicke des Strangs, möglichst entspricht, sodass bereits beim Stranggießen eine hohe Dickengenauigkeit des Strangs erreicht werden kann.
Eine Ausführungsform besteht darin, dass ein Regler unter
Zuhilfenahme eines Regelgesetzes und unter Berücksichtigung des Sollwerts und der natürlichen Schrumpfung des Strangs eine Stellgröße ermittelt, die wenigstens einer anstellbaren Strangführungsrolle zugeführt wird, sodass die Dicke des Strangs dem Sollwert möglichst entspricht. Bei dieser
Ausführungsform geht der Regler entweder von der berechneten Dicke des Strangs oder von einer gemessen Stranddicke aus. Im
ersten Fall, wird die berechnete Dicke zur Ermittlung der Stellgröße herangezogen, sodass die Dicke des Strangs oder ein Abstand zwischen den Strangführungsrollen nicht gesondert erfasst werden muss.
Im zweiten Fall, wird die Dicke des Strangs mittels einer Messeinrichtung erfasst und einem Regler zugeführt, wobei die Stellgröße unter Berücksichtigung der erfassten Dicke des Strangs ermittelt wird. Mittels dieses Regelverfahrens ist eine hochgenaue Erreichung der Strangdicke möglich.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:
Fig. 1 eine Stranggussanlage in schematischer Seitenansicht Fig. 2 eine schematische Darstellung eines hydraulisch anstellbaren Segments einer Strangstützeinrichtung
Ein Stahlstrang 1 wird aus einer Stahlschmelze 2 mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung durch Giessen in einer gekühlten Durchlaufkokille 3 gebildet. Die Stahlschmelze 2 wird aus einer Gießpfanne 4 über ein Zwischengefäß 5 und ein vom Zwischengefäß 5 mittels eines unter den in der
Durchlaufkokille 3 gebildeten Gießspiegel reichenden Gießrohres 6 in die Durchlaufkokille 3 gegossen. Unterhalb der Durchlaufkokille 3 sind Strangführungsrollen 7 einer Strangstützeinrichtung zur Abstützung des Stahlstrangs 1 vorgesehen, der noch einen flüssigen Kern 8 und zunächst eine nur sehr dünne Strangschale 9 aufweist. Der aus der Durchlaufkokille mit gerader Achse austretende Stahlstrang 1 wird in einer Biegezone 10 in eine Kreisbogenbahn 11 umgelenkt und von Strangführungsrollen 7, welche in mehreren hydraulisch anstellbaren Segmenten 13 angeordnet sind,
gestützt. In einer der Kreisbogenbahn 11 nachfolgenden Richtzone 12 wird der Stahlstrang 1 wiederum geradegerichtet und über einen Auslaufrollgang ausgefördert oder direkt online dickenreduziert, z.B. mittels eines online angeordneten Walzgerüstes. Zur Kühlung des Stahlstranges 1 wird dieser direkt oder indirekt - über mit einer Innenkühlung versehene Strangführungsrollen 7 - gekühlt, wodurch eine bestimmte Temperatur des Stahlstrangs 1 eingestellt werden kann. Die Versorgung des Stahlstranges 1 mit der für das gewünschte Gefüge des Stahlstranges 1 notwendigen Kühlmittelmenge erfolgt über einen geschlossenen Regelkreis mittels eines Prozessrechners 14. Eine derartige Strangkühlung unter Berücksichtigung der online berechneten thermodynamischen Zustandsänderungen ist aus der DE 4417818 Al der Anmelderin bekannt. In eine Eingabeeinheit des Prozessrechners 14 können beispielsweise noch die physikalischen Parameter des Stahls 2, beispielsweise die Dichte, die spezifische Wärmekapazität und -leitfähigkeit, weiters Parameter der Strangkühlung, die Rollenteilung, die Strangbreite, die Strangdicke in der Kokille sowie Messwerte der Strangdicke in den Segmenten 13 und die ständig gemessene Gießgeschwindigkeit eingegeben werden. In dem Prozessrechner 14 werden anhand eines mathematischen Simulationsmodells, aufweisend eine Wärmeleitungsgleichung und ein metallurgisches Rechenmodell zur Berücksichtung der
Phasenumwandlungskinetik nach Avrami, die Soll-Wassermengen der Strangkühlung errechnet. Der Stahlstrang 1 wird in jedem Segment kontrolliert abgekühlt, wobei die Kühlwassermenge in einzelnen Kühlzonen des Segments von jeweils einem Ventil (in Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Ventil bei einem Segment dargestellt) der Strangkühlung eingestellt wird, welches wiederum von einer Ausgabeeinheit des Prozessrechners 14 angesteuert wird. Aus der Lösung der Wärmeleitungsgleichung wird auch die Volumenskontraktion des
Stahlstrangs 1 aufgrund der thermodynamischen Zustandsänderungen mittels der Formel dV =ß-V0-dT berechnet, wobei ß Volumenausdehnungskoeffizient V Volumen eines Elements V0 Volumen bei Referenztemperatur T Temperatur.
Soll der Stahlstrang 1 keiner weitergehenden metallurgischen Reduktion, beispielsweise Liquid Core Reduction, Soft Reduction oder eine Oberflächenbehandlung des Strangs unterzogen werden, wo wird der Abstand der an den Strang anstellbaren Strangführungsrollen 7 der Segmente 13 über einen oder mehrere Hydraulikzylinder 15 auf die errechnete Strangdicke, d.h. unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung, eingestellt. Soll jedoch eine weitergehende metallurgische Reduktion des Stahlstrangs durchgeführt werden, so werden die für die Reduktion notwendigen Dickenänderungen den errechneten Strangdicken - unter
Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung - überlagert.
Vorzugsweise werden die thermodynamischen Zustandsänderungen des Stahlstrangs 1 mittels einer Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Dichteänderung des Stahlstrangs berechnet. Eine zweidimensionale Wärmeleitungsgleichung lautet beispielsweise
(8E1nJxJ) dEtrans{x,t)Λ_d2u(x,t) d2u(x,t) y d Tt" + Vcast \t) d Zz J ~ O äx~~2 o Hy~~2 wobei t Zeit in [s] x die Koordinate in Strangdickenrichtung y die Koordinate in Strangauszugsrichtung
— partielle Ableitung nach der Zeit t dt
d d
—,— partielle Ableitungen nach dem Ort x, y dx dy x Ortsvektor in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem Emass\x,t) Massenbezogene Enthalpie an der Stelle x zur Zeit t ξ Dimensionslose Laufvariable
T[x,t) Temperatur an der Stelle x zur Zeit t
Etrans{x,t) Transformierte massenbezogene Enthalpie an der
Stelle x zur Zeit t
Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Dimension der Wärmeleitungsgleichung und kann daher uneingeschränkt auch mit Gleichungen anderer Dimension, z.B, dreidimensionalen Gleichungen, verwendet werden.
Vorteilhafterweise werden zwei Ansätze für eine, bzgl. der Masse und der Enthalpie global richtige, transformierte Enthalpie Etrans{x,t) verwendet. Oberhalb des Durcherstarrungspunkts lautet der Ansatz
Etans (x, t) = \ \p(ξ) ■ Emass (ξ) - ) - Emass (ξ))\ dξ .
Hingegen verwendet man unterhalb des Durcherstarrungspunkts den Ansatz
Hierin bedeuten
Tref eine beliebige, aber konstante Referenztemperatur (üblicherweise 25 0C)
Ttund Temperatur des Metalls im Gießspiegel in [° K]
Emassχx,t) Zeitliche Ableitung der massenbezogenen Enthalpie
Einfacherweise wird die Wärmeleitungsgleichung auf Lagrange' sehe Koordinaten xLag transformiert, d.h. von einem mit der Strangauszugsbewegung mitbewegten Beobachter betrachtet. Die Wärmeleitungsgleichung in Lagrange' sehen Koordinaten kann mit Standardverfahren der numerischen
Mathematik, beispielsweise dem Verfahren der Finiten Volumen, gelöst werden.
In Fig. 2 ist ein einstellbares Segment 13 der Strangstützeinrichtung näher gezeigt. Pro Segment 13 kann ein paralleler (wie dargestellt) oder konischer Verlauf der Strangdicke des Stahlstrangs 1 eingestellt werden. Hierbei kann die Dicke des Stahlstrangs 1 über eine hydraulische Anstellung des Segments 13 verstellt werden, wobei in einem Wegmessystem eines Hydraulikzylinders 15 die Ist-Position und somit auch den Abstand zwischen gegenüberliegenden Strangführungsrollen 7 gemessen und an den Prozessrechner weitergeben wird. Der Prozessrechner 14 errechnet über die Lösung der Wärmeleitungsgleichung die natürliche Strangschrumpfung und berücksichtigt diese bei weiteren metallurgischen Reduktionen, im konkreten Fall einer LCR Reduktion mit einem flüssigen Kern 8, und gibt somit die Soll-Dicke des Stahlstrangs 1 vor. Von einem nicht dargestellten Positionsregler wird mittels eines Soll-Ist- Vergleichs der Strangdicke eine Stellgröße ermittelt und an ein elektro-hydraulisches Ventil, welches dem
Hydraulikzylinder 15 zugeordnet ist, ausgegeben. Prinzipiell können die Segmente 13 einerseits für die Nachstellung der Strangführungsrollen 7 an die natürliche Strangschrumpfung verwendet werden, andererseits lassen sich über entsprechende Stellungen der Rollen 7 natürlich sämtliche metallurgischen Reduktionen in der Strangstützeinrichtung realisieren. Auf der Außenseite stützt sich der Strang 1 über die Strangstützrollen 7 an einem Unterteil eines Segmentrahmens 17 ab, an der Innenseite des Strangs erfolgt die Abstützung über Strangstützrollen 7 an einem Oberteil des Segmentrahmens 16. Die Auszugsrichtung des Stahlstrangs 1 ist durch einen Pfeil dargestellt.
Bezugs zeichenliste
1 Stahlstrang
2 Stahlschmelze
3 Durchlaufkokille
4 Gießpfanne
5 Zwischengefäß
6 Gießrohr
7 Strangführungsrolle
8 Flüssiger Kern
9 Strangschale
10 Biegezone
11 Kreisbogenbahn
12 Richtzone
13 Segment der Strangstützeinrichtung
14 Prozessrechner
15 Hydraulikzylinder
16 Segmentrahmen Oberteil
17 Segmentrahmen Unterteil
Claims
1. Verfahren zum Stranggießen eines Metallstrangs, insbesondere eines Stahlstrangs, in einer Stranggießanlage, wobei ein Strang mit einem, von einer Strangschale eingeschlossenen, flüssigen Kern aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung, gestützt, mit Kühlmittel gekühlt und gegebenenfalls metallurgisch reduziert wird, wobei thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Strangs in einem mathematischen Simulationsmodell, beinhaltend eine Wärmeleitungsgleichung, mitberechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass im mathematischen Simulationsmodell eine natürliche Schrumpfung des Strangs in Echtzeit unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter des Metalls, der Temperatur des Metalls im Gießverteiler, der ständig gemessenen Auszugsgeschwindigkeit, der Strangkühlung und der Dicke des Strangs mitberechnet wird und an den Strang anstellbare Strangführungsrollen der Strangstützeinrichtung unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallurgische Reduktion des Metallstrangs in der Strangstützeinrichtung unter Berücksichtigung der natürlichen Schrumpfung des Metallstrangs durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als metallurgische Reduktion entweder eine Liquid Core Reduction, eine Soft Reduction oder eine
Oberflächenbehandlung des Metallstrangs durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im mathematischen Simulationsmodell die Wärmeleitungsgleichung unter
Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs numerisch gelöst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Dichteänderungen des Metallstrangs approximierte Gleichungen für die Enthalpie verwendet werden, welche für den gesamten Strang die exakte Masse und die exakte Enthalpie aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mathematische Simulationsmodell eine die Ausbildung eines gewünschten Gefüges im Metallstrang beschreibendes Rechenmodell beinhaltet .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im mathematischen
Simulationsmodell ein Phasen-Umwandlungsmodell des Metalls integriert ist, insbesondere ein kontinuierliches Phasen- Umwandlungsmodell nach Avrami .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangkühlung unter Berücksichtigung der errechneten thermodynamischen Zustandsänderungen eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Strang anstellbaren Strangführungsrollen so angestellt werden, dass die Dicke des Strangs einem Sollwert möglichst entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler unter Zuhilfenahme eines Regelgesetzes und unter Berücksichtigung des Sollwerts und der natürlichen Schrumpfung des Strangs eine Stellgröße ermittelt, die wenigstens einer anstellbaren Strangführungsrolle zugeführt wird, sodass die Dicke des Strangs dem Sollwert möglichst entspricht .
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Strangs mittels einer Messeinrichtung erfasst und einem Regler zugeführt wird, wobei die Stellgröße unter Berücksichtigung der erfassten Dicke des Strangs ermittelt wird.
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