EP3934822B1

EP3934822B1 - Verfahren zur herstellung eines metallischen bandes oder blechs

Info

Publication number: EP3934822B1
Application number: EP20700907.7A
Authority: EP
Inventors: August Sprock; Christoph Hassel; Kai GRYBEL
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2022-09-07
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: US20220176429A1; US11858020B2; JP7239726B2; PL3934822T3; CN113518672A; CN113518672B; JP2022522181A; EP3934822A1; WO2020177937A1; DE102019203088A8; DE102019203088A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bandes oder Blechs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, in Anlagen zur Herstellung von Bändern oder Blechen aus Stahl (z.B. Warmbandstrassen oder CSP-Anlagen) den Temperaturverlauf für das Band bzw. Blech über der Anlagenlänge einzustellen. Beispielsweise ist es aus DE 2 023 799 A bekannt, in einer Walzanlage mit einer Fertigstraße einen Rolltisch mit steuerbaren Sprühvorrichtungen zur Kühlung eines Bandes vorzusehen, wobei die Ansteuerung der Sprühvorrichtungen mit Hilfe eines Temperaturregelsystems erfolgt. Entlang der Förderrichtung des Bandes sind eine Mehrzahl von Pyrometern vorgesehen, mit denen eine jeweilige Temperatur des Bandes gemessen wird. Auf Grundlage einer adaptiven Rückführung der mittels der Pyrometer gemessenen Temperaturen können die Sprühbilder (bzw. die Menge an zugeführtem Kühlwasser) für ein gerade gekühltes Band verändert bzw. angepasst werden.
Aus EP 2 959 984 B1 ist ein gattungsgemässes Herstellungsverfahren für ein warmgewalztes Stahlblech bekannt, wobei Kühlwasser an einer Innenseite eines letzten Gerüsts bzw. Endgerüsts eines Walzwerks auf einer unteren Prozessseite des Endgerüsts in einer Reihe von warm fertig Walzwerken versprüht wird, um dadurch für ein Walzmaterial eine schnelle Abkühlung zu erzielen. Auf einer Eintrittsseite des Endgerüsts wird eine Oberflächentemperatur des Walzmaterials gemessen, um dadurch eine eintrittsseitige Oberflächentemperatur zu ermitteln. Hiernach werden dann die gemessene eintrittsseitige Oberflächentemperatur und eine vorbestimmte eintrittsseitige Zieloberflächentemperatur miteinander verglichen, wobei auf Grundlage dieses Vergleichs ein Steuerbefehl an zumindest eine Einheit gebildet aus einer Coilbox, einer Rohbarrenerwärmungsvorrichtung, einer Entzunderungseinrichtung und/oder einer Zwischenwalzgerüstkühleinrichtung gesendet wird, so das damit die gemessene eintrittsseitige Oberflächentemperatur gleich der vorbestimmten eintrittseitigen Zieloberflächentemperatur wird.
Bei der möglichen Ausgestaltung einer Warmband- bzw. Fertigstrasse ist es bekannt, unmittelbar im Anschluss bzw. am Ausgang des letzten Walzgerüsts der Fertigstraße eine Schnellkühleinrichtung vorzusehen, mit der ein Band oder Blech, wenn es in Förderrichtung aus der Fertigstraße austritt, intensiv gekühlt wird. Für diesen Fall besteht keine Möglichkeit, die Endwalztemperatur des Bandes bzw. Blechs nach dem letzten Gerüst und vor der ersten Kühlung am Ausgang der Fertigstraße messtechnisch zu bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperaturregelung und/oder zumindest einen weiteren Prozessparameter bei der Herstellung oder Bearbeitung eines Bandes oder Blechs mit einem mehrgerüstigen Walzgerüst zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kommt bei der Herstellung eines metallischen Bandes oder Blechs zum Einsatz, bei dem das Band oder Blech in einem mehrgerüstigen Walzwerk gewalzt und hinter dem letzten Walzgerüst des Walzwerks in Förderrichtung ausgebracht wird. Hierbei wird das Band oder Blech in dem mehrgerüstigen Walzwerk und/oder - in Förderrichtung gesehen - stromabwärts des Walzwerks gekühlt, wobei eine Temperatur des Bandes oder Blechs - in Förderrichtung gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks gemessen wird. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:

(i) Berechnen einer Temperatur für das Band oder Blech unmittelbar am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks mittels eines Temperaturberechnungsmodells auf Basis der stromaufwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks gemessenen Temperatur des Bandes oder Blechs, wobei dieser Berechnungsschritt für ein System gebildet durch den Materialabschnitt des Bandes oder Blechs zwischen der Stelle, an der die Temperatur stromaufwärts des letzten Walzgerüsts gemessen wird, und dem Ausgang des letzten Walzgerüsts durchgeführt wird,
(ii) Vergleichen der für das Band oder Blech am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks berechneten Temperatur mit einem vorbestimmten Referenzwert, und
(iii) Anpassen (Steuern, vorzugsweise Regeln) zumindest eines Prozessparameters für das Band oder Blech unter Berücksichtigung des Vergleichs der berechneten Temperatur mit dem vorbestimmten Referenzwert gemäß Schritt (ii), wobei in Abhängigkeit dieses Prozessparameters das Band oder Blech bearbeitet, erwärmt oder gekühlt wird.

Bei dem zumindest einen Prozessparameter, der gemäß Schritt (iii) des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Berücksichtigung bzw. in Abhängigkeit von der berechneten Temperatur am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks und dem hierzu angestellten Vergleich angepasst (z.B. gesteuert oder geregelt) wird, kann es sich um die Temperatur einer Zwischengerüstkühlung und/oder einer Vorbandkühlung (beeinflusst durch die Menge an zugeführtem Kühlwasser) handeln, die jeweils - in Förderrichtung des Bandes oder Blechs gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts bzw. des Walzwerks angeordnet sind. Alternativ hierzu kann es sich bei dem zumindest einen Prozessparameter auch um die Temperatur einer induktiven Heizung und/oder eines Ofens handeln, die bzw. der - in Förderrichtung des Bandes oder Blechs gesehen - stromaufwärts des Walzwerks angeordnet sind. Ergänzend oder alternativ kann es sich bei dem erfindungsgemäß gesteuerten oder geregelten Prozessparamter auch um die Bandgeschwindigkeit handeln, mit welcher das Band oder Blech durch das Walzwerk hindurch transportiert wird. Ergänzend und/oder alternativ kann es sich bei dem Prozessparameter auch um die Betriebsstellung einer- in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des Walzwerks angeordneten Wärmedämmhaube handelt, wobei die Wärmedämmhaube im Schritt (iii) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) relativ zum Band oder Blech geöffnet oder geschlossen wird. Jedenfalls gestatten die vorstehend genannten Varianten für das erfindungsgemäße Verfahren eine gezielte Einstellung bzw. Beeinflussung von Temperaturen eines Bandes oder Blechs bei dessen Herstellung.
An dieser Stelle wird gesondert darauf hingewiesen, dass - falls es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur einer Kühleinrichtung handelt - dann die technische Umsetzung in der zugehörigen Anlage zur Herstellung bzw. Bearbeitung eines Bandes oder Blechs über die Menge an zugeführtem Kühlmittel und/oder die Anzahl von aktiven bzw. eingeschalteten Kühlzonen bzw. Spritzdüsen erreicht wird.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird darauf hingewiesen, dass in Bezug auf die Herstellung eines metallischen Bandes oder Blechs sowohl die Kenntnis einer exakten Temperaturverteilung als auch deren Einhaltung an vorbestimmte Sollwerte zum Erhalt eines qualitativ hochwertigen Produktes, wie einer Dünn- oder Dickbramme sowie von Knüppel- oder Langprodukten aus Stahl-und Eisenlegierungen, von fundamentaler Bedeutung sind. Die Temperaturverteilung des Metallstranges oder einer Bramme stellt daher insbesondere für die Steuerung des Bearbeitungsprozesses, z.B. innerhalb einer Fertigstraße und/oder stromabwärts hiervon, eine wichtige Größe dar, die aber nicht unmittelbar an jeder Stelle einer Anlage z.B. durch den Einsatz von Pyrometern gemessen werden kann.
Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, dass es mit Hilfe der Berechnung gemäß Schritt (i) möglich ist, einen Prozessparameter z.B. in Form der Temperatur für das Band oder Blech unmittelbar am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks zu bestimmen, insbesondere auch für den Fall, dass sich dort eine Schnellkühleinrichtung anschließt. Bei dieser berechneten Temperatur kann es sich vorzugsweise um eine Oberflächentemperatur des Bandes oder Blechs handeln. Im Vergleich hierzu ist es nämlich nach dem Stand der Technik nicht möglich, am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks messtechnisch eine Temperatur des Bandes oder Blechs, das in Förderrichtung aus diesem letzten Walzgerüst ausgebracht wird, zu bestimmen, falls sich unmittelbar im Anschluss an das letzte Walzgerüst eines Walzwerks eine Schnellkühleinrichtung befindet. Durch einen Vergleich der rechnerisch bestimmen Temperatur mit einem vorbestimmten Referenzwert gemäß Schritt (ii) kann dann eine Kühlwasserzufuhr derart gesteuert, vorzugsweise geregelt werden, dass damit die Temperatur des Bandes oder Blechs am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks diesen vorbestimmten Referenzwert erreicht. Ergänzend und/oder alternativ hierzu ist es möglich, die Kühlwasserzufuhr für das Band bzw. Blech auch in anderen Bereichen einer Anlage, mit der das metallische Band bzw. Blech hergestellt wird, unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) anzupassen (d.h. zu steuern oder zu regeln), beispielsweise bei einer - in Förderrichtung gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts angeordneten Zwischengerüstkühlung, bei einer - in Förderrichtung gesehen - stromabwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks angeordneten Laminarkühleinrichtung, und/oder bei einer - in Förderrichtung gesehen - unmittelbar stromabwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks angeordneten Schnellkühleinrichtung.
Das Temperaturberechnungsmodell, das im Schritt (i) zum Einsatz kommt, stellt ein vorzugsweise dynamisches Temperatur-Regelungs-Modell bzw. -programm dar. Die Berechnung erfolgt über ein Finite-Differenzen-Verfahren. Mittels dieses Modells lässt sich u.a. die Temperaturverteilung abhängig von den Prozessbedingungen in einem jeweiligen Abschnitt der Anlage, mit der ein metallisches Band oder Blech hergestellt bzw. bearbeitet wird, bestimmen. Hierbei kann dieses Modell oder Programm auch für Regelungszwecke in einer Kühlzone einer Anlage, mit der ein metallisches Band oder Blech hergestellt wird, eingesetzt werden. Als Regelungsgröße kann die (Oberflächen-)Temperatur des Bandes oder Blechs Verwendung finden, die auf Basis bzw. ausgehend von der - in Förderrichtung gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks z.B. mit Hilfe eines Pyrometers gemessenen Temperatur des Bandes oder Blechs dann am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks rechnerisch bestimmt wird. Bei Vorgabe dieser Größe als Setzwert berechnet das Modell/Programm die zur Erreichung dieser Werte/Parameter in einer jeweiligen Kühlzone benötigten Wassermengen. Die Ergebnisse werden unmittelbar visualisiert und bei jeder neuen zyklischen Berechnung aktualisiert. In diesem Sinne liegt eine online-Berechnung und -Steuerung vor.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann im Rahmen bzw. bei Anwendung des Temperaturberechnungsmodells die Temperaturverteilung in dem System (d.h. in dem Abschnitt des Bandes oder Blechs, der sich zwischen der Stelle, an der die Temperatur stromaufwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks gemessen wird, und dem Ausgang des letzten Walzgerüsts befindet) mittels der Fourier'schen Wärmegleichung ermittelt werden, die sich wie folgt darstellt: ${ρc}_{p} \frac{\partial T}{\partial t} - \frac{\partial}{\partial s} (λ \frac{\partial T}{\partial s}) = Q$
wobei:

p =: die Dichte,
cp =: die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck,
T =: die berechnete absolute Temperatur in Kelvin,
λ =: die Wärmeleitfähigkeit,
s =: die zugehörige Ortskoordinate,
t =: die Zeit und
Q =: die vor dem Walzwerk bzw. stromaufwärts hiervon während der Phasenumwandlung flüssig-fest frei gewordene Energie

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann im Rahmen bzw. bei Anwendung des Temperaturberechnungsmodells die Temperaturverteilung in dem System (d.h. in dem Abschnitt des Bandes oder Blechs, der sich zwischen der Stelle, an der die Temperatur stromaufwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks gemessen wird, und dem Ausgang des letzten Walzgerüsts befindet) eine Gesamtenthalpie als freie molare Gesamtenthalpie (H) des Systems mittels der Gibbs-Energie (G) bei konstantem Druck (p) ermittelt werden, nach der Gleichung: $H = G - T {(\frac{\partial G}{\partial T})}_{p}$
wobei:

H =: die molare Enthalpie des Systems,
G =: die Gibbs-Energie des Systems,
T =: die absolute Temperatur in Kelvin und
p =: den Druck

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann im Rahmen bzw. bei Anwendung des Temperaturberechnungsmodells in dem System (d.h. in dem Abschnitt des Bandes oder Blechs, der sich zwischen der Stelle, an der die Temperatur stromaufwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks gemessen wird, und dem Ausgang des letzten Walzgerüsts befindet) für eine Phasenmischung die Gibbs-Energie (G) des Gesamtsystems als Summe der die Gibbs-Energien der Reinphasen sowie deren Phasenanteilen ermittelt werden nach der Gleichung: $G = f^{l} G^{l} + f^{γ} G^{γ} + f^{pα} G^{pα} + f^{eα} G^{eα} + f^{ec} G^{ec}$
wobei:

G =: die Gibbs-Energie des Systems,
fi =: der Gibbs-Energieanteil der jeweiligen Phase oder des jeweiligen Phasenanteils am Gesamtsystem und
G' =: die Gibbs-Energie der jeweiligen Reinphase oder des jeweiligen Phasenanteils

Mit der vorliegenden Erfindung können, wie erläutert, ausgewählte Kühlzonen einer Anlage, mit der ein metallisches Band oder Blech hergestellt bzw. bearbeitet wird, hinsichtlich der zugeführten Kühlmittelmengen gezielt gesteuert oder geregelt werden. Anders ausgedrückt, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass mittels des als metallurgisches Prozessmodell ausgebildeten Temperaturberechnungsmodells zumindest ein Kühlbereich einer solchen Anlage gesteuert oder geregelt wird.
Da die Gibbs-Energien für nahezu alle heute weltweit hergestellten Werkstoffe bereit stehen, kann der Temperaturverlauf in dem genannten System des Bandes oder Blechs (d.h. in dem Abschnitt des Bandes oder Blechs, der sich zwischen der Stelle, an der die Temperatur stromaufwärts des letzten Walzgerüsts des Walzwerks gemessen wird, und dem Ausgang des letzten Walzgerüsts befindet) werkstoffabhängig ermittelt werden, mit dem Ziel, dadurch die Temperatur des Bandes oder Blechs am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks exakt rechnerisch zu bestimmen. Die Erfindung sieht daher weiterhin vor, dass mittels des Temperaturberechnungsmodells der Temperaturverlauf im Materialblock oder Materialabschnitt werkstoffabhängig ermittelt und eingestellt wird.
Da sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr schnell und zeitnah die Temperatur des Bandes oder Blechs am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks berechnen lässt, eignet sich die Verwendung des Verfahrens bzw. der Berechnungsmethode insbesondere dazu, diese Online durchzuführen und zur Steuerung des Herstellungsprozesses für das Band bzw. Blech zu benutzen. Die Verwendung zeichnet sich in Ausgestaltung daher weiterhin dadurch aus, dass das vorstehend genannte Temperaturberechnungsmodell nicht nur zur Online-Ermittlung der Temperatur des Bandes oder Blechs am Ausgang des letzten Walzgerüsts des Walzwerks, sondern auch zur Steuerung von zumindest einer Kühlzone einer zur Herstellung eines solchen Bandes bzw. Blechs eingesetzten Anlage verwendet wird.
Mittels der vorliegenden Erfindung und des zugehörigen Verfahrens ist es möglich, eine verbesserte Qualität von Produkten zu erzielen und gleichzeitig geringere Mengen an Ausschussmaterial zu erreichen.
Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert, wobei verschiedene Figuren zur Verständniserleichterung beigefügt sind. Von diesen zeigen

Figur 1: eine Darstellung der Gibbs-Energie für Reineisen,
Figur 2: ein (konstruiertes) Phasendiagramm mit Gibbs-Energien,
Figur 3: den Verlauf der Gesamtenthalpie nach Gibbs für einen kohlenstoffarmen Stahl,
Figur 4: eine prinzipiell vereinfachte Seitenansicht einer Anlage, mit der ein metallisches Band oder Blech nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird,
Figur 5: einen Temperaturverlauf für das Band oder Blech über der Länge der Anlage von Fig. 4, und
Figur 6, 7: jeweils prinzipiell vereinfachte Seitenansichten einer Anlage nach einer im Vergleich zur Fig. 4 ergänzten Ausführungsform, mit der ein metallisches Band oder Blech nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.

Nachstehend ist unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines metallischen Bandes oder Blechs 1 erläutert. An dieser Stelle wird gesondert darauf hingewiesen, dass die Zeichnung in Fig. 4, Fig. 6 und Fig. 7 lediglich vereinfacht und insbesondere ohne Maßstab dargestellt ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt ein Temperaturberechnungsmodells zur Anwendung, mit dem eine Temperatur des hergestellten metallischen Bandes oder Blechs 1 an einem Ausgang eines letzten Walzgerüstes eines Walzwerks gezielt berechnet werden kann.
Im Vorgriff auf eine weitere Erläuterung des Temperaturberechnungsmodells und dessen Anwendung bei einer Anlage zur Herstellung bzw. Bearbeitung eines Bandes bzw. Blechs werden zunächst allgemeine Gesetzmäßigkeiten bezüglich der Temperaturberechnung für ein metallisches Band bzw. Blech dargestellt:
Basis der Temperaturberechnung ist die Fourier'sche Wärmegleichung (1), in der c_p die spezifische Wärmekapazität des Systems, λ die Wärmeleitfähigkeit, p die Dichte und s die Ortskoordinate darstellen. T gibt die berechnete Temperatur an. Der Term Q auf der rechten Seite berücksichtigt freiwerdende Energien während der Phasenumwandlung (Gleichung 2). Beim Übergang von flüssig nach fest kennzeichnet dieser Term die Schmelzwärme, f_s gibt den Phasenumwandlungsgrad an. ${ρc}_{p} \frac{\partial T}{\partial t} - \frac{\partial}{\partial s} (λ \frac{\partial T}{\partial s}) = Q$
$Q = ρL \frac{\partial f_{s}}{\partial t}$
Als notwendige Eingangsgrößen der Gleichung sind die Wärmeleitung und die Gesamtenthalpie besonders wichtig, da diese Größen das Temperaturergebnis maßgeblich beeinflussen. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Funktion der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung und des Phasenanteils und kann experimentell genau ermittelt werden.
Der Gesamtenthalpie H oder die molare Enthalpie eines Materialbereichs oder Materialabschnitts kann über die Gibbs-Energie wie folgt (3) berechnet werden: $H = G - T {(\frac{\partial G}{\partial T})}_{p}$
mit der molaren Gibbs Energie G des Systems. Für eine Phasenmischung kann die Gibbs-Energie des Gesamtsystems über die Gibbs Energien der Reinphasen sowie deren Phasenanteilen berechnet werden $G = f^{l} G^{l} + f^{γ} G^{γ} + f^{pα} G^{pα} + f^{eα} G^{eα} + f^{ec} G^{ec}$
mit den Phasenanteilen f^ϕ der Phase ϕ und G^ϕ der molaren Gibbs Energie dieser Phase. Für die Austenit-, Ferrit- und Flüssigphase (ϕ) ergibt sich die Gibbs Energie zu $G^{Φ} = \sum_{i = 1}^{n} x_{i}^{Φ} G_{i}^{Φ} + RT \sum_{i = 1}^{n} x_{i} \ln (x_{i}) + {}^{E}G^{Φ} + {}^{magn}G^{Φ}$
${}^{E}G^{φ} = \sum x_{i} x_{j} {}^{a}L_{i, j}^{Φ} {(x_{i} - x_{j})}^{a} + \sum x_{i} x_{j} x_{k} L_{i, j, k}^{Φ}$
$^{magn} G^{φ} = RTln (1 + β) f (τ)$
In Gleichung (4) entsprechen die Terme jeweils einer Einzelelement-Energie, einem Beitrag für die ideale Mischung sowie einem Beitrag für die nicht ideale Mischung und der magnetischen Energie (Gleichung 7). Bei bekannter Gibbs-Energie des Systems kann daraus die molare spezifische Wärmekapazität berechnet werden: $c_{p} = - T (\frac{\partial^{2} G}{\partial T^{2}}) p$
Die Parameter der Terme der Gleichungen (5) - (7) sind in einer Thermocalc- und Matcalc-Datenbank aufgeführt und können zur Ermittlung der Gibbs-Energien einer Stahlzusammensetzung verwendet werden. Mit Hilfe einer mathematischen Ableitung ergibt sich daraus die Gesamtenthalpie dieser Stahlzusammensetzung.
Figur 1 zeigt die Darstellung der Gibbs-Energie für Reineisen. Hieraus ist ersichtlich, dass die einzelnen Phasen Ferrit, Austenit und die Flüssigphase für einen bestimmten charakteristischen Temperaturbereich ein Minimum einnehmen, bei dem diese Phasen stabil sind.
In Figur 2 sind die Phasengrenzen einer Fe-C-Legierung mit 0,02% Si, 0,310% Mn, 0,018 % P, 0,007% S, 0,02% Cr, 0,02% Ni, 0,027% Al und variablem C-Gehalt dargestellt. Mit der Formulierung der Gibbs-Energie ist es möglich, ein solches Phasendiagramm mit einer beliebigen chemischen Zusammensetzung zu konstruieren und die stabilen Phasenanteile darzustellen.
Figur 3 zeigt den Verlauf der Gesamtenthalpie nach Gibbs für einen kohlenstoffarmen Stahl (Low Carbon) als Funktion der Temperatur. Außerdem sind im Bild die Solidus- und Liquidustemperatur dargestellt.
Die Darstellung von Fig. 4 zeigt prinzipiell vereinfacht eine Seitenansicht einer für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete Anlage 10, mit der ein Band oder Blech 1 in einer Förderrichtung F hergestellt bzw. bearbeitet wird.
Die Anlage 10 umfasst ein mehrgerüstiges Walzwerk 11, das in dem hier gezeigten Beispiel ein erstes Walzgerüst 12, ein mittiges Walzgerüst 13 und ein letztes Walzgerüst 14 aufweist. Unmittelbar im Anschluss an das letzte Walzgerüst 14 bzw. an dessen Ausgangs A ist eine Schnellkühleinrichtung 16 angeordnet, an der sich weitere Kühlung in Form einer Laminarkühleinrichtung 18 einschließt. Am Ende der Herstellungsstraße ist eine Haspel 20 vorgesehen, mit der ein fertiges Band 1 aufgewickelt werden kann.
Zwischen dem ersten Walzgerüst 12 und dem mittigen Walzgerüst 13 ist eine nicht näher bezeichnete Zwischengerüstkühlung für das Walzwerk 11 vorgesehen.
In der Darstellung von Fig. 4 ist mit einem Pfeil "F" eine Förderrichtung bezeichnet (im Bildbereich von links nach rechts), in der ein Band bzw. Blech 1 in der Anlage 10 bewegt wird bzw. das Walzwerk 11 mit den genannten Walzgerüsten 12-14 durchläuft.
Die Anlage 10 ist mit mehreren Temperaturmesseinrichtungen ausgestattet, um an verschiedenen Stellen die Temperatur des Bandes oder Blechs messtechnisch zu bestimmen. Zu diesem Temperaturmesseinrichtungen zählen: ein erstes Pyrometer P1, das - in Förderrichtung F gesehen - stromaufwärts des ersten Walzgerüsts 12 angeordnet ist; ein zweites Pyrometer P2, das zwischen dem zweiten Walzgerüst 13 und dem letzten Walzgerüst 14 (und somit - in Förderrichtung F gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts 14) angeordnet ist; ein drittes Pyrometer P3, das - in Förderrichtung F gesehen - zwischen dem Walzwerk 11 und der Laminarkühleinrichtung 18 angeordnet ist; und ein viertes Pyrometer P4, das zwischen der Laminarkühleinrichtung 18 und der Haspel 20 angeordnet ist.
In Bezug auf das zweite Pyrometer P2, das - in Förderrichtung F gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts 14 angeordnet ist, wird gesondert hervorgehoben, dass damit eine Temperatur T2 gemessen wird, die das Band bzw. Blech 1 aufweist, bevor es in das letzte Walzgerüst 14 einläuft. In gleicher Weise werden die Temperaturen, die mit den Pyrometern P1, P3 bzw. T4 gemessen werden, nachfolgend mit T1, T3 bzw. T4 bezeichnet.
Der Einsatz der Schnellkühleinrichtung 16 führt dazu, dass das Band oder Blech 1 zwischen dem zweiten Pyrometer P2 (=T2) und dem dritten Pyrometer P3 (= T3) mit einer Kühlrate CR23 gekühlt wird. Gleiches gilt für den Bereich zwischen dem dritten Pyrometer P3 (= T3) und dem vierten Pyrometer P4 (= T4), in dem durch den Einsatz der Laminarkühleinrichtung 18 mit einer Kühlrate CR34 gekühlt wird.
Die Anlage 10 umfasst des Weiteren eine Rechen- und Steuereinrichtung, nachfolgend nur kurz als Steuereinrichtung bezeichnet, die in der Fig. 4 mit "100" bezeichnet und vereinfacht in Form eines Rechtecks symbolisiert ist. Die Steuereinrichtung 100 ist mit dem Temperaturberechnungsmodell ausgestattet. Das Temperaturberechnungsmodell kann eine DTR- oder DSC (Dynamische Temperatur-Regelung/Dynamic Solidification Control)-Regelung aufweisen oder darauf beruhen. Die Berechnung erfolgt über ein Finite-Differenzen-Verfahren.
Die vertikalen Pfeile, die in der Darstellung von Fig. 4 zwischen der Anlage 10 und dem Rechteck für die Steuereinrichtung 100 gezeigt sind, symbolisieren die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Komponenten der Anlage 10 und der Steuereinrichtung 100. Im Einzelnen verdeutlichen die jeweils nach oben gerichteten Pfeile, dass die mittels der Pyrometer P1-P4 jeweils gemessenen Temperaturen in die Steuereinrichtung 100 eingegeben und darin signaltechnisch verarbeitet werden. Die jeweils nach unten gerichteten Pfeile symbolisieren, dass die zugeordneten Komponenten der Anlage 10 von der Steuereinrichtung 10 gesteuert bzw. geregelt werden können - dies betrifft die Zwischengerüstkühlung (zwischen dem ersten Walzgerüst 12 und dem mittigen Walzgerüst 13), das letzte Walzgerüst 14, die Schnellkühleinrichtung 16 und/oder die Laminarkühleinrichtung 18, beispielweise in Bezug auf die Zufuhr einer Kühlmittelmenge zu diesen Komponenten.
Mit Hilfe des vorstehend genannten Temperaturberechnungsmodells wird auf Basis bzw. ausgehend von der Temperatur T2, die mit dem zweiten Pyrometer P2 stromaufwärts des letzten Walzgerüsts 14 gemessen und wie erläutert in die Steuereinrichtung 100 eingegeben worden ist, dann rechnerisch eine Temperatur TFM bestimmt, die für das Band oder Blech 1 unmittelbar am Ausgang A des letzten Walzgerüsts 14 vorliegt. Diese Berechnung wird nach dem Finite-Differenzen-Verfahren für ein System des Bandes oder Blechs 1 durchgeführt, das durch den Materialabschnitt des Bandes oder Blechs 1 zwischen der Stelle, an der das zweite Pyrometer P2 angeordnet ist, und dem Ausgang A des letzten Walzgerüsts 14 gebildet wird. Wie vorstehend bereits erläutert, wird zur Berechnung dieses Temperaturprofils bzw. der Temperatur TFM die Fourier'sche Wärmegleichung gelöst. Hierbei werden die Randbedingungen in dem Walzwerk 11 (z.B. Temperaturabgabe sowohl an Luft über Strahlung und Konvektion als auch an die Walzen des letzten Walzgerüsts 14) und in der Kühlstrecke (Temperaturabgabe an Wasserkühlung, Luft und Rollgang) berücksichtigt. Ebenfalls berücksichtigt wird die durch Phasenumwandlung entstehende Wärmeentwicklung, die entweder in dem Walzwerk 11 oder auch in der Kühlstrecke entstehen kann.
Die verschiedenen Temperaturen T1-T4, die sich entlang der Länge der Anlage 10 für ein damit hergestelltes Band oder Blech 1 einstellen, sind in dem Diagramm von Fig. 5 mit einem entsprechenden Kurvenverlauf dargestellt. Hierin sind auch die rechnerisch bestimmte Temperatur TFM (am Ausgang A des letzten Walzgerüsts 14) und die vorstehend bereits erläuterten Kühlraten CR23 und CR 34 kenntlich gemacht.
Im Anschluss an die rechnerische Bestimmung der Temperatur TFM wird diese von der Steuereinrichtung 100 mit einem vorbestimmten Referenzwert TFM_ref verglichen. Unter Berücksichtigung dieses Vergleichs wird dann mittels der Steuereinrichtung 100 ggf. eine Kühlwasserzufuhr für das Band oder Blech 1 geeignet angepasst, d.h. gesteuert oder geregelt. Eine solche Steuerung (oder Regelung) der Kühlwasserzufuhr kann zu dem Zweck erfolgen, dass eine Temperatur des Bands oder Blechs 1 am Ausgang A des letzten Walzgerüsts 14 tatsächlich mit dem vorbestimmten Referenzwert TFM_ref in Übereinstimmung genannt, und/oder dass insbesondere die weiteren Temperaturen T3 (beim Pyrometer P3) und/oder T4 (beim Pyrometer P4) geeignet angepasst werden.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Anlage 10 gezeigt, bei der im Vergleich zur Ausführungsform von Fig. 4 zusätzlich die Komponenten induktive Heizung 26, Ofen 28 und/oder Wärmedämmhaube 30 vorgesehen sind. Wie ersichtlich, sind diese Komponenten 26, 28, 30 - in Förderrichtung F des Bandes oder Blechs gesehen - jeweils stromaufwärts des Walzwerks 11 angeordnet, wobei das Band oder Blech 1 durch diese Komponenten hindurchgeführt werden kann. Die Pfeile, die ausgehend von der Steuereinrichtung 100 auf diese Komponenten 26, 28 bzw. 30 gerichtet sind, verdeutlichen, dass die induktive Heizung 26, der Ofen 28 und/oder die Wärmedämmhaube 30 mittels der Steuereinrichtung 100 gesteuert bzw. geregelt werden können, nämlich wie vorstehend erläutert in Abhängigkeit der berechneten Temperatur TFM um dem hiermit erstellten Vergleich mit dem vorbestimmten Referenzwert TFM_ref. Hierdurch wird eine Temperatur für das Band oder Blech 1 gezielt beeinflusst bzw. erhöht.
In Bezug auf die Betriebsweise der Wärmedämmhaube 30 wird gesondert darauf hingewiesen, dass diese eine Einrichtung darstellt, mit der das Band oder Blech 1 wärmetechnisch isoliert wird. Durch ein Öffnen oder Schließen der Wärmedämmhaube 30 kann der Grad der wärmetechnischen Isolierung für das Band oder Blech 1 auf einem Rollgang beeinflusst werden. Durch die Ansteuerung mittels der Steuereinrichtung 100 wird die Wärmedämmhaube 30 entsprechend geöffnet oder geschlossen, oder auch in eine Zwischenstellung überführt, wobei die Temperatur für das Band oder Blech 1 in Abhängigkeit der jeweiligen Stellung der Wärmedämmhaube 30 11 beeinflusst wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 7 ist für die Anlage 10 - in Förderrichtung F des Bandes oder Blechs 1 gesehen - stromaufwärts des Walzwerks 11 eine Vorbandkühlung 24 vorgesehen, die ebenfalls, wie durch den symbolischen Pfeil angedeutet, mittels der Steuereinrichtung 100 gesteuert oder geregelt werden kann. In Abhängigkeit von der berechneten Temperatur TFM und dem Vergleich mit vorbestimmten Referenzwert TFM_ref wird dann eine Kühlmittelmenge für diese Vorbandkühlung 24 gesteuert oder geregelt, um damit die Temperatur des Bandes oder Blechs 1 gezielt zu beeinflussen bzw. zu vermindern.
In den Darstellungen von Fig. 4, 6 und 7 ist mit "22" eine Zwischengerüstkühlung symbolisiert, die ebenfalls mittels der Steuereinrichtung 100 gesteuert oder geregelt werden kann, nämlich durch Anpassung der zugeführten Kühlmittelmenge und/oder durch die Anzahl der eingesetzten Spritzdüsen.
Für eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in der Steuereinrichtung 100 bzw. für das darin gespeicherte Temperaturberechnungsmodell auch für die Temperaturen T1, T2, T3 und T4 anhand eines Gefügemodells entsprechende Referenzwerte T1 ref, T2ref, T3ref, T4ref vorgegeben werden, um optimale Eigenschaften erzielen zu können. Alternativ müssten die Referenzwerte aufgrund von Erfahrungswerten oder Mess und Produktionsdaten festgelegt werden. Dies können z.B. Modelle basierend auf neuronalen Netzen, dem Kriging Algorithmus oder ähnlichen sein.
Bei Abweichungen von T2 zu T2ref kann auch mit Hilfe des Gefügemodells entschieden werden, dass diese Abweichung nicht zu einer Qualitätsabwertung des zu produzierenden Bandes 1 führt. Für diesen Fall wird dann der gemessene Wert für die Temperatur T2 für dieses Band zur neuen Zielgröße, wobei entsprechend für T3 und T4 neue Zielwerte berechnet werden. Zusätzlich können die Kühlraten CR23 und/oder CR34 geändert werden, um durch den geänderten Temperaturverlauf zu den gleichen Eigenschaften zu kommen. Gleiches gilt bei Abweichungen von T3 zu T3ref oder T4 zu T4ref.
Es ist ebenfalls möglich, aufgrund der vorhandenen Mess- und Produktionsdaten diese Entscheidung mit Hilfe eines datenbasierten empirischen Modells zu treffen. Dies können z.B. Modelle basierend auf neuronalen Netzen, dem Kriging Algorithmus oder ähnlichen sein.
Die Temperaturberechnung kann über die Gibbs-Energien und die Enthalpie durchgeführt werden. Diesbezüglich darf auf die obigen Erläuterungen zu den Gleichungen (1) - (8) verwiesen werden.

Bezugszeichenliste

1: Band oder Blech
10: Anlage
11: Walzwerk
12: erstes Walzgerüst (des Walzwerks 11)
13: mittleres Walzgerüst (des Walzwerks 11)
14: letztes Walzgerüst (des Walzwerks 11)
16: Schnellkühleinrichtung
18: Laminarkühleinrichtung
20: Haspel
22: Zwischengerüstkühlung
24: Vorbandkühlung
26: induktive Heizung
28: Ofen
30: Wärmedämmhaube
100: Rechen- und Steuereinrichtung
A: Ausgang (des letzten Walzgerüsts 14)
F: Förderrichtung (für das Band oder Blech 1)
P1: erstes Pyrometer
P2: zweites Pyrometer
P3: drittes Pyrometer
P4: viertes Pyrometer
T1-T4: Temperaturen des Bandes oder Blechs 1, an der Messstelle der Pyrometer P1-P4

Claims

Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bandes oder Blechs (1), bei dem das Band oder Blech in einem mehrgerüstigen Walzwerk (11) gewalzt und hinter dem letzten Walzgerüst (14) des Walzwerks (11) in Förderrichtung (F) ausgebracht wird, wobei das Band oder Blech (1) in dem mehrgerüstigen Walzwerk (11) und/oder - in Förderrichtung (F) gesehen - stromabwärts des Walzwerks (11) gekühlt wird, wobei eine Temperatur (T2) des Bandes oder Blechs (1) - in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) gemessen wird, gekennzeichnet durch die Schritte:
(i) Berechnen einer Temperatur (TFM) für das Band oder Blech (1) unmittelbar am Ausgang (A) des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) mittels eines Temperaturberechnungsmodells auf Basis der stromaufwärts des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) gemessenen Temperatur (T2) des Bandes oder Blechs (1), wobei dieser Berechnungsschritt für ein System gebildet durch den Materialabschnitt des Bandes oder Blechs (1) zwischen der Stelle, an der die Temperatur (T2) stromaufwärts des letzten Walzgerüsts (14) gemessen wird, und dem Ausgang (A) des letzten Walzgerüsts (14) durchgeführt wird,

(ii) Vergleichen der für das Band oder Blech (1) am Ausgang (A) des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) berechneten Temperatur (TFM) mit einem vorbestimmten Referenzwert (TFM_ref), und

(iii) Anpassen durch Steuern, vorzugsweise durch Regeln, zumindest eines Prozessparameters für das Band oder Blech (1) unter Berücksichtigung des Vergleichs der berechneten Temperatur (TFM) mit dem vorbestimmten Referenzwert (TFM_ref) gemäß Schritt (ii), wobei in Abhängigkeit dieses Prozessparameters das Band oder Blech bearbeitet, erwärmt oder gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der im Schritt (i) berechneten Temperatur (TFM) um eine Oberflächentemperatur des Bandes oder Blechs (1) handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur einer - in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts (14) angeordnete Zwischengerüstkühlung (22) des Walzwerks (11) handelt, wobei die Temperatur dieser Zwischengerüstkühlung (22) im Schritt (iii) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) gesteuert, vorzugsweise geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur einer - in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des Walzwerks (11) angeordneten Vorbandkühlung (24) handelt, wobei die Temperatur dieser Vorbandkühlung (26) im Schritt (iii) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) gesteuert, vorzugsweise geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur einer - in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des Walzwerks (11) angeordneten induktiven Heizung (26) handelt, wobei die Temperatur dieser induktiven Heizung (26) im Schritt (iii) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) gesteuert, vorzugsweise geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur eines - in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des Walzwerks (11) angeordneten Ofens (28) handelt, wobei die Temperatur dieses Ofens (28) im Schritt (iii) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) gesteuert, vorzugsweise geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Betriebsstellung einer- in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts (14) angeordneten Wärmedämmhaube (30) handelt, wobei die Wärmedämmhaube (30) im Schritt (iii) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) relativ zum Band oder Blech geöffnet oder geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (iii) eine - in Förderrichtung (F) gesehen - stromabwärts des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) angeordnete Laminarkühleinrichtung (18) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) gesteuert, vorzugsweise geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (iii) eine - in Förderrichtung (F) gesehen - unmittelbar stromabwärts des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) angeordnete Schnellkühleinrichtung (16) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) gesteuert, vorzugsweise geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prozessparameter um die Temperatur einer - in Förderrichtung (F) gesehen - stromaufwärts des letzten Walzgerüsts (14) angeordnete Zwischengerüstkühlung des Walzwerks (11) handelt, wobei die Temperatur dieser Zwischengerüstkühlung im Schritt (iii) unter Berücksichtigung des Vergleichs gemäß Schritt (ii) gesteuert, vorzugsweise geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Temperaturberechnungsmodells eine Gesamtenthalpie als freie molare Gesamtenthalpie (H) des Systems mittels der Gibbs-Energie (G) bei konstantem Druck (p) nach der Gleichung $H = G - T {(\frac{\partial G}{\partial T})}_{p}$
ermittelt wird, wobei
H = die molare Enthalpie des Systems,

G = die Gibbs-Energie des Systems,

T = die absolute Temperatur in Kelvin und

p = den Druck
des Systems bedeuten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Temperaturberechnungsmodells die Temperaturverteilung in dem System und insbesondere am Ausgang (A) des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) mittels der Fourier'schen Wärmegleichung $ρ c_{p} \frac{\partial T}{\partial t} - \frac{\partial}{\partial s} (λ \frac{\partial T}{\partial s}) = Q$
ermittelt wird, wobei
p = die Dichte,

c_p = die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck,

T = die berechnete absolute Temperatur in Kelvin,

λ = die Wärmeleitfähigkeit,

s = die zugehörige Ortskoordinate,

t = die Zeit und

Q = die vor dem Walzwerk (11) bzw. stromaufwärts hiervon während der Phasenumwandlung flüssig-fest frei gewordene Energie
des Systems bedeuten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Temperaturberechnungsmodells für eine Phasenmischung die Gibbs-Energie (G) des Gesamtsystems als Summe der die Gibbs-Energien der Reinphasen sowie deren Phasenanteilen nach der Gleichung $G = f^{l} G^{l} + f^{γ} G^{γ} + f^{pα} G^{pα} + f^{eα} G^{eα} + f^{ec} G^{ec}$
ermittelt wird, wobei
G = die Gibbs-Energie des Systems,

fⁱ = der Gibbs-Energieanteil der jeweiligen Phase oder des jeweiligen Phasenanteils am Gesamtsystem und

G' = die Gibbs-Energie der jeweiligen Reinphase oder des jeweiligen Phasenanteils
des Systems bedeuten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Referenzwert (TFM_ref) mit Hilfe eines Gefügemodells zur Einstellung gewünschter Materialeigenschaften festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des Gefügemodells bei einer Abweichung des vorbestimmten Referenzwertes (TFM_ref) zur berechneten Temperatur (TFM) entschieden wird, ob eine Qualitätsabwertung des Materials wahrscheinlich ist, wobei für den Fall, dass dies nicht wahrscheinlich ist, dann die berechnete Temperatur (TFM) als neuer vorbestimmter Referenzwertes (TFM_ref) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefügemodell zur Kompensation von möglichen Qualitätsabwertungen neue Referenzwerte für eine Temperatur (T3, T4) des Bandes oder Blechs auch an einer Position stromabwärts des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) und/oder stromabwärts einer - in Förderrichtung (F) gesehen - stromabwärts des letzten Walzgerüsts (14) des Walzwerks (11) angeordneten Laminarkühleinrichtung (18) sowie zugehörige Kühlraten (CR23, CR34) vorgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefügemodell durch ein datenbasiertes Modell basierend auf dem Kriging Algorithmus und/oder aus neuronalen Netzen gebildet wird.