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 A1 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 A1 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.

Aus den Schriften WO 01/89742 A, DE 10 2005 028711 A1, WO 03/051558 A, US 2002/070000 A1 und DE 44 17 808 A1 sind Verfahren zum Anstellen eines oder mehrerer Rollensegmente in einer Stranggießanlage für Metalle bekannt, wobei gemäß der WO 01/89742 A die Rollen im Segmentoberrahmen und im Segmentunterrahmen durch Paare von hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheiten an Rahmentraversen positions- und/oder druckgeregelt angestellt werden, wobei von einem positionsauf einen druckgeregelten Betrieb zum Führen und/oder Drücken des Gießstrangs umgeschaltet wird, wenn der Druck innerhalb des jeweiligen Paares von Kolben-Zylinder-Einheiten einen vorgegebenen Höchstwert erreicht.

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 B1 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 °C (Temperatur der Schmelze im Gießverteiler) auf ca. 7800 kg/m³ bei 300 °C (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-, Brammen- oder 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 A1 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 $$\mathit{dV}=\beta \cdot V_0\cdot \mathit{dT}$$ berechnet, wobei

β

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 $$\left(\frac{\partial E_{\mathit{trans}}\left(\overrightarrow{x},t\right)}{\partial t}+v_{\mathit{cast}}\left(t\right)\frac{\partial E_{\mathit{trans}}\left(\overrightarrow{x},t\right)}{\partial z}\right)=\frac{{\partial }^{2}u\left(\overrightarrow{x},t\right)}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^{2}u\left(\overrightarrow{x},t\right)}{\partial y^2}$$ wobei
t  Zeit in [s]
x  die Koordinate in Strangdickenrichtung
y  die Koordinate in Strangauszugsrichtung
$\frac{\partial }{\partial t}$  partielle Ableitung nach der Zeit t
$\frac{\partial }{\partial x},\frac{\partial }{\partial y}$  partielle Ableitungen nach dem Ort x, y
x  Ortsvektor in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem
E_mass(x,t)  Massenbezogene Enthalpie an der Stelle x zur Zeit t
ξ  Dimensionslose Laufvariable $$u\left(\overrightarrow{x},t\right)=\underset{T_{\mathit{ref}}}{\overset{T\left(\overrightarrow{x},t\right)}{\int }}\lambda \left(\xi \right)\cdot d\xi$$

• T(x,t) Temperatur an der Stelle x zur Zeit t
• E_trans(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 E_trans(x,t) verwendet. Oberhalb des Durcherstarrungspunkts lautet der Ansatz $${\mathrm{E}}_{\mathrm{trans}}\left(\overrightarrow{x},t\right)=\underset{T_{\mathit{ref}}}{\overset{T\left(\overrightarrow{x},t\right)}{\int }}\left[\rho \left(\xi \right)\cdot {\dot{\mathit{E}}}_{\mathit{mass}}\left(\xi \right)-\dot{\rho }\left(\xi \right)\left(E_{\mathit{mass}}\left(T_{\mathit{tund}}\right)-E_{\mathit{mass}}\left(\xi \right)\right)\right]d\left(\xi \right)\mathrm{.}$$ Hingegen verwendet man unterhalb des Durcherstarrungspunkts den Ansatz $${\mathrm{E}}_{\mathrm{trans}}\left(\overrightarrow{x},t\right)=\underset{T_{\mathit{ref}}}{\overset{T\left(\overrightarrow{x},t\right)}{\int }}\rho \left(\xi \right)\cdot {\dot{\mathit{E}}}_{\mathit{mass}}\left(\xi \right)\cdot d\xi$$ Hierin bedeuten

• T_ref eine beliebige, aber konstante Referenztemperatur (üblicherweise 25 °C)
• T_tund Temperatur des Metalls im Gießspiegel in [° K]
• Ė_trans(x,t) Zeitliche Ableitung der massenbezogenen Enthalpie

Einfacherweise wird die Wärmeleitungsgleichung auf Lagrange'sche Koordinaten x_Lag transformiert, d.h. von einem mit der Strangauszugsbewegung mitbewegten Beobachter betrachtet. Die Wärmeleitungsgleichung in Lagrange'schen 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.

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