WO2019101547A1 - Verfahren zur herstellung von q&p-stahl mittels ionischer flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren zur herstellung von q&p-stahl mittels ionischer flüssigkeiten Download PDF

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    • C23C2/06—Zinc or cadmium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of Q & P steel.
  • Hot rolled, so-called Q & P steels are used to achieve the lightest possible construction in motor vehicle construction. They combine a high tensile strength and a high elongation at break.
  • the steel temperature should be between the start temperature and the stop temperature of Martensite. It is desirable to have both martensite and retained austenite in the microstructure.
  • the conventional technique uses water or air for cooling, or a combination of both as a cooling agent. Furthermore, it is known from DE 10 2013 220 060 in the case of aluminum alloys to use ionic liquids for cooling.
  • Water has the disadvantage that it has a relatively low boiling point and evaporates immediately upon contact with the quasi-glowing steel, creating a vapor film that is known as Leidefrost and makes the heat dissipation difficult.
  • the cooling behavior is irregular and strongly dependent on the surface temperature. As a result, larger temperature differences can occur, leading to undesirable deformations to lead. Also, a reliable setting of the final temperature is only possible to a limited extent and should a final temperature be above the boiling point, a reduction in the cooling rate must often be accepted. The cooling, however, does not have the required high cooling line.
  • the object of the present invention is to provide a method with which the cooling rate required for the desired structure of the steel and the cooling end temperature can be maintained precisely.
  • a strip coming from a continuous furnace for homogenizing the microstructure is cooled at a cooling rate above 20 K / s, preferably above 50 K / s.
  • this controlled variable being the final temperature of the steel, the phase distribution, the austenite content or the magnetic properties of the steel.
  • the measurement of at least one control parameter is carried out with ultrasound, X-ray diffraction or magnetic resonance.
  • a further advantageous process according to the invention provides that the cooling takes place in a bath with ionic liquid, the cooling rate and / or the final temperature being regulated by the bath temperature, the residence time in the bath and / or the agitation of the liquid.
  • cooling takes place by spray cooling with an ionic liquid, the cooling rate and / or the respectively required final temperature being regulated by the amount of liquid, the liquid temperature and / or the number of spray nozzles respectively turned on becomes.
  • the steel is hot-dip galvanized after cooling by means of ionic liquid.
  • the cooling medium naturally absorbs heat from the band to be cooled. In order to operate such a continuous process stationary, this dissipated amount of heat must also be removed from the cooling medium itself. In the known in the art water cooling this is often done in the form of trickle coolers. In this case, the dissipated heat is lost in that it is released to the environment and is no longer available for further use by the operator of such a system. In principle, possibilities for heat recovery are of course known, but due to the low temperature differences between the cooling medium to be cooled and the environment or a secondary cooling circuit but not very efficient.
  • this is enhanced by the fact that the heat removed from the cooling medium is converted into a usable form and the cooling medium is thereby cooled.
  • This can be done, for example, by steam generation or electricity generation, as known from the prior art.
  • This is advantageous in that due to the low vapor pressure of the relevant cooling media, cooling by evaporation in trickle coolers is less efficient.
  • unnecessary loss of the cooling medium (as vapor) should be avoided because of the higher material costs compared to water.
  • recovery of the heat is attractive in that with cooling media of the type proposed here, the return temperatures can be significantly higher than with water and therefore the temperature difference to the environment or to a secondary cooling circuit is significantly greater, resulting in a higher thermal Efficiency results.
  • a computer program is used for controlling the process conditions with which the material properties are set in a targeted manner.
  • the continuously recorded measured values are used to create a prediction of the material properties achieved and to combine the positioning possibilities in such a way that the desired properties are achieved as quickly, precisely and uniformly as possible.
  • the computer program calculates the transformation structure as a function of the heating and cooling conditions by means of a material model, taking into account in particular the special cooling properties of the cooling medium.
  • the microstructure composition is adjusted by controlling the final temperature of the cooling.
  • a new immersion time is calculated by the program for fast correction and implemented by means of an adjustment mechanism for the immersion depth.
  • the program now determines whether B. to achieve a favorable cooling rate, the bath temperature to be adjusted and in this case gives a new set temperature for the Dipping bath before. As the dipping bath temperature slowly changes, the program continuously recalculates the set dipping time. Alternatively, the program can also adjust the degree of flow of the cooling medium.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stahl und ist gekennzeichnet durch den Einsatz eines Kühlmittels, das ein flüssiges Salz enthält und bei einer Stahl-Ausgangstemperatur zwischen 550 und 900° C und einer Endtemperatur kleiner 450° C eingesetzt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stahl
mittels ionischer Flüssigkeiten
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stahl.
Warm gewalzte, sog. Q&P-Stähle (Quench & Partitioning) werden zur Er- zielung einer möglichst leichten Bauweise im Kraftfahrzeugbau eingesetzt. Sie vereinen eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Bruchdehnung.
Bei ihrer Herstellung erfolgt nach dem Walzen üblicherweise eine Kühlung mit Luft und/oder Wasser. Dazu ist ein komplettes, zumindest teilweise austenitisches Gefüge erforderlich. Nach der Kühlung soll die Stahltempe- ratur zwischen der Starttemperatur und der Stopptemperatur von Marten- sit liegen. Es ist anzustreben, dass sowohl Martensit als auch Restaustenit im Gefüge vorliegen.
Die herkömmliche Technik benutzt zum Abkühlen Wasser oder Luft oder ein Kombination von beidem als Abkühlmittel. Ferner ist es aus der DE 10 2013 220 060 bei Aluminiumlegierungen bekannt, zur Abkühlung ionische Flüssigkeiten zu verwenden.
Wasser hat den Nachteil, dass es einen relativ niedrigen Siedepunkt hat und bei Kontakt mit dem quasi glühenden Stahl sofort verdampft, wobei ein Dampffilm entsteht, der als Leidefrost bekannt ist und die Wärmeab- fuhr schwierig macht. Das Abkühlverhalten ist dabei unregelmäßig und stark von der Oberflächentemperatur abhängig. Dadurch können größere Temperaturunterschiede entstehen, die zu unerwünschten Verformungen führen. Auch ist eine verlässliche Einstellung der Endtemperatur nur be- grenzt möglich und soll eine Endtemperatur oberhalb des Siedepunktes liegen, so muss dafür häufig eine Reduzierung der Kühlrate in Kauf ge- nommen werden. Die Abkühlung hingegen hat nicht die erforderliche hohe Abkühlleitung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die für das angestrebte Gefüge des Stahls erforderliche Kühlrate und die Kühlendtemperatur genau eingehalten werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Kühlmittel, das eine an sich bekannte ionische Flüssigkeit mit organischen Anteilen enthält. Durch diese Maß- nahmen wird eine Stahlproduktion geschaffen, die bei einer Stahl-Aus- gangstemperatur zwischen 550 und 900° C und einer Endtemperatur klei ner 450° C einsetzbar ist.
Bei einer bevorzugten Anwendung ist es vorgesehen, dass ein aus einem zur Vergleichmäßigung des Gefüges aus einem Durchlaufofen kommen- des Band mit einer Kühlrate oberhalb 20 K/s, vorzugsweise oberhalb 50 K/s, abgekühlt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist es vorgesehen, mindestens eine Regelgröße zu messen, wobei diese Regelgröße die Endtemperatur des Stahls, die Phasenverteilung, der Austenitanteil oder die magnetischen Ei- genschaften des Stahls ist.
Bei einer weiteren Ausführung ist es vorgesehen, dass die Messung min- destens eines Regelparameters mit Ultraschall, Röntgendiffraktion oder Magnetremanenz durchgeführt wird.
Ein weiteres vorteilhaftes erfindungsgemäßes Verfahren sieht vor, dass die Abkühlung in einem Bad mit ionischer Flüssigkeit erfolgt, wobei die Ab- kühlrate und/oder die Endtemperatur durch die Badtemperatur, die Ver- weilzeit im Bad und/oder die Agitation der Flüssigkeit geregelt wird. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Anwendung ist es vorgesehen, dass die Abkühlung durch Spritzkühlung mit einer ionischen Flüssigkeit er- folgt, wobei die Abkühlrate und/oder die jeweils erforderliche Endtempera- tur durch die Flüssigkeitsmenge, die Flüssigkeitstemperatur und/oder die Anzahl der jeweils eingeschalteten Spritzdüsen geregelt wird.
Bei einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor- gesehen, dass der Stahl nach der Abkühlung mittels einer ionischen Flüs- sigkeit soweit erwärmt wird, dass ein Partitioning stattfinden kann.
Bei einer weiteren Ausführung ist es vorgesehen, dass der Stahl nach der Kühlung mittels ionischer Flüssigkeit feuerverzinkt wird.
Das Kühlmedium nimmt natürlich Wärme aus dem zu kühlenden Band auf. Um einen solchen kontinuierlichen Prozess stationär betreiben zu können, muss diese abgeführte Wärmemenge auch aus dem Kühlmedium selbst wieder entfernt werden. Bei den im Stand der Technik bekannten Wasserkühlungen erfolgt dies häufig in Form von Rieselkühlern. Hierbei geht die abgeführte Wärme insofern verloren, als dass sie an die Umge- bung abgegeben wird und einer weiteren Nutzung durch den Betreiber ei- ner solchen Anlage nicht mehr zur Verfügung steht. Prinzipiell sind Mög- lichkeiten zur Wärmerückgewinnung natürlich bekannt, aufgrund der ge- ringen Temperaturunterschiede zwischen dem abzukühlenden Kühlmedi- um und der Umgebung oder einem sekundären Kühlkreislauf aber wenig effizient.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird diese dadurch er- weitert, dass die vom Kühlmedium abgeführte Wärme in eine nutzbare Form überführt und das Kühlmedium dabei abgekühlt wird. Dies kann z.B. durch Dampferzeugung oder Verstromung, wie aus dem Stand der Tech- nik bekannt, erfolgen. Vorteilhaft ist dies dadurch, dass aufgrund des ge- ringen Dampfdrucks der relevanten Kühlmedien eine Kühlung durch Ver- dampfung in Rieselkühlern wenig effizient ist. Zudem sollte unnötiger Ver- lust des Kühlmediums (als Dampf) aufgrund der gegenüber Wasser hö- heren Material kosten vermieden werden. Insbesondere ist eine Rück- gewinnung der Wärme aber dadurch attraktiv, dass bei Kühlmedien der hier vorgeschlagenen Art die Rücklauftemperaturen deutlich höher liegen können als bei Wasser und daher der Temperaturunterschied zur Umge- bung oder zu einem sekundären Kühlkreislauf deutlich größer ist, was in einem höheren thermischen Wirkungsgrad resultiert.
Um von der hohen Einstellgenauigkeit und den zahlreichen Stellmöglich- keiten der erfindungsgemäßen Ausführung der Produktionsanlage voll profitieren zu können, wird in einer bevorzugten Form ein Computerpro- gramm zur Steuerung der Prozessbedingungen eingesetzt, mit dem die Materialeigenschaften gezielt eingestellt werden. Die laufend erfassten Messwerte werden verwendet, um eine Prognose der erreichten Materia- leigenschaften zu erstellen und die Stellmöglichkeiten so zu kombinieren, dass die gewünschten Eigenschaften möglichst schnell, genau und gleichmäßig erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführung berechnet das Computerprogramm mit- tels eines Materialmodells das Umwandlungsgefüge in Abhängigkeit von den Aufwärm- und Abkühlbedingungen und berücksichtigt dabei insbe- sondere die speziellen Kühleigenschaften des Kühlmediums.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Gefügezusammensetzung durch die Steuerung der Endtemperatur der Kühlung eingestellt. Bei ei- ner Abweichung vom Zielwert wird zur schnellen Korrektur eine neue Ein- tauchzeit vom Programm berechnet und über einen Verstell-Mechanis- mus für die Eintauchtiefe realisiert. Das Programm ermittelt nun, ob z. B. zum Erreichen einer günstigen Kühlrate die Badtemperatur angepasst werden soll und gibt in diesem Fall eine neue Solltemperatur für das Tauchbad vor. Während sich langsam die Tauchbadtemperatur ändert, wird vom Programm die Soll-Eintauchzeit kontinuierlich neu berechnet. Alternativ kann vom Programm auch der Verströmungsgrad des Kühl- mediums angepasst werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Q&P-Stählen, gekennzeichnet durch den Einsatz eines Kühlmittels, das ein flüssiges Salz enthält und bei einer Stahl-Ausgangstemperatur zwischen 550 und 900° C und einer Endtemperatur kleiner 450° C eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Salz eine ionische Flüssigkeit ist, wobei die Flüssigkeit eine Schmelztemperatur unterhalb 150 °C, bevorzugt unter 100 °C, be- sonders bevorzugt unter 50°C, aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Vergleichmäßigung des Gefüges aus einem Durchlaufofen kommendes Band mit einer Kühlrate oberhalb 20 K/s, vorzugswei- se oberhalb 50 K/s, abgekühlt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, dass mindestens eine Regelgröße gemessen wird, wobei diese die Endtemperatur des Stahls, die Phasenverteilung, der Austenitanteil oder die ma- gnetischen Eigenschaften des Stahls ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mindestens eines Regelparameters mit Ultraschall, Röntgendiffraktion oder Magne- tremanenz durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung in einem Bad mit io- nischer Flüssigkeit erfolgt, wobei die Abkühlrate und/oder die End- temperatur durch die Badtemperatur, die Verweilzeit im Bad und/oder die Agitation der Flüssigkeit geregelt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch Spritzkühlung mit einer ionischen Flüssigkeit erfolgt, wobei die Abkühlrate inner- halb der gesamten Kühleinrichtung oder eines Teils davon und/oder die jeweils erforderliche Endtemperatur durch die Flüs- sigkeitsmenge, die Geschwindigkeit oder den Druck der Flüssig- keit, die Flüssigkeitstemperatur und/oder die Anzahl der jeweils eingeschalteten Spritzdüsen geregelt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach der Abkühlung mit- tels einer ionischen Flüssigkeit soweit erwärmt wird, dass ein Parti- tioning stattfinden kann.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nach der Kühlung mittels ionischer Flüssigkeit feuerverzinkt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium vollständig oder teilweise im Kreislauf geführt wird und die aus dem Stahl abgeführ- te Wärme in einer zweiten wärmetechnischen Einrichtung vom Kühlmedium abgegeben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten wärmetechnischen Einrichtung abgegebene Wärme ganz oder teilweise in eine nutzbare Form überführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der nutzbaren Form um Dampf handelt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der nutzbaren Form um Strom handelt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Computerprogramm zur Anwendung kommt, mit dem die für den Betrieb erforderlichen Parameter bestimmt werden können.
15. Computerprogramm nach Anspruch 14.
16. Vorrichtung zur Durchführung einer Kühlung nach einem der An- sprüche 1 bis 15.
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