澆鑄方法、尤其連鑄方法
【專利摘要】一種用于制造由液態(tài)金屬澆鑄的材料塊或材料段的方法，在其中借助于基于動態(tài)溫度調(diào)節(jié)(DynamicSolidificationControl)的溫度計(jì)算模型來計(jì)算在材料塊或材料段的內(nèi)部中存在的溫度分布，其中，在一計(jì)算步驟中來確定由材料塊或材料段形成的系統(tǒng)的總焓以及處理為在溫度計(jì)算模型中的輸入量并且在澆鑄過程的調(diào)節(jié)和/或控制過程中使用溫度計(jì)算模型的一個(gè)或多個(gè)輸出量，應(yīng)提供一種解決方案，其使能夠提供一種解決方案，其使在凝固過程期間在由液態(tài)金屬澆鑄的材料段或材料塊中的溫度分布的改善的計(jì)算和預(yù)測成為可能且尤其在連鑄方法或過程中使在凝固的金屬坯中的凝固長度(集水包尖端的位置)的改善的計(jì)算或預(yù)測成為可能。這由此來實(shí)現(xiàn)，即由在材料塊或材料段中當(dāng)前存在的所有相和/或相成分的自由摩爾焓(Gibbs能量)的總和來計(jì)算總焓。
【專利說明】澆鑄方法、尤其連鑄方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造由液態(tài)金屬澆鑄的材料塊或材料段(Materialabschnitt)的燒鑄方法，在其中借助于基于動態(tài)溫度調(diào)節(jié)(DynamicSolidification Control)的溫度計(jì)算模型來計(jì)算在材料塊或材料段的內(nèi)部中存在的溫度分布，其中，來確定由材料塊或材料段形成的系統(tǒng)的總焓以及處理為在溫度計(jì)算模型中的輸入量并且在澆鑄過程的調(diào)節(jié)和/或控制過程中使用溫度計(jì)算模型的一個(gè)或多個(gè)輸出量。
[0002]此外，本發(fā)明涉及這樣的澆鑄方法的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]在執(zhí)行用于制造由液態(tài)金屬、尤其含鐵材料澆鑄的材料塊或材料段的澆鑄方法中重要的可以是能夠識別和確定內(nèi)部的溫度分布和尤其還是液態(tài)的金屬的區(qū)域和已凝固的金屬的區(qū)域，尤其能夠?qū)茶T方法調(diào)節(jié)和控制成使得獲得最佳的凝固產(chǎn)品。這在執(zhí)行液態(tài)金屬連鑄時(shí)尤其是重要的。由此，溫度分布的認(rèn)知對于在連鑄設(shè)備的運(yùn)行的范圍中符合規(guī)定地執(zhí)行連鑄方法以獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品(如薄板坯或厚板坯以及由鋼和鐵合金構(gòu)成的棍形或長形產(chǎn)品)非常重要。如果會在連鑄期間構(gòu)造為材料塊或材料段的金屬還(Metallstrang)中建立過高的溫度，這在金屬還的連鑄期間導(dǎo)致還在滾子之間鼓起(bulging)。如果在連鑄期間在金屬坯中建立過低的溫度，在彎曲和矯正期間可導(dǎo)致在由金屬坯制成的板坯的表面上的缺陷現(xiàn)象，其可能造成在板坯中的裂紋。在澆鑄過程、尤其連鑄過程中的溫度分布例如受較高的澆鑄溫度和較高的澆鑄速度影響。如果這些參數(shù)變大，則凝固長度也增加，這意味著集水包尖端(Sumpfspitze)在金屬坯中的位置在澆鑄方向上更多地朝向金屬坯的端部移動。在此，在連鑄設(shè)備處最大可能的澆鑄速度受凝固長度限制，因?yàn)槠浔仨毿∮跈C(jī)器長度、也就是說連鑄設(shè)備長度。非常小的澆鑄速度相對地導(dǎo)致在實(shí)際的連鑄區(qū)域的端部處金屬坯或板坯的較小的溫度。但是因?yàn)檫@里經(jīng)常直接后置有用于處理所獲得的板坯的爐(其在連續(xù)的連鑄過程的范圍中被板坯經(jīng)過)，例如在所謂的CSP (CompactStrip Production)設(shè)備中，澆鑄速度不允許太小，因?yàn)榉駝t爐進(jìn)入溫度太低且在爐進(jìn)入溫度下降時(shí)不以所期望的質(zhì)量來執(zhí)行必要時(shí)所期望的組織轉(zhuǎn)變或者但是必須提供相應(yīng)提高的能量用于板坯在爐區(qū)域中的再加熱。
[0004]金屬坯或板坯的凝固長度和溫度分布因此尤其對于澆鑄方法或澆鑄過程的控制是非常重要的(測量)量或參數(shù)，但是其不可直接在連鑄設(shè)備的任意部位處被確定或測定。高溫計(jì)例如在連鑄設(shè)備處通常僅在所謂的次級冷卻區(qū)之后且在通常存在的剪之前供使用。因此可在表面處來測量在板坯中或在澆鑄的金屬坯中的溫度和因此還有溫度分布。但是對于尤其連鑄方法的控制重要的是在次級冷卻區(qū)中的溫度分布的認(rèn)知。這里由于通過以水噴灑金屬坯的表面而出現(xiàn)的噴水幾乎不能借助于高溫計(jì)來測量溫度。此外，利用高溫計(jì)基本上不能測量在金屬坯或板坯的內(nèi)部中的溫度，從而僅可借助于溫度計(jì)算模型來確定在材料塊或金屬坯的內(nèi)部中的溫度分布。同樣地，在連鑄時(shí)產(chǎn)生的金屬坯內(nèi)的集水包尖端的位置僅可借助于溫度計(jì)算模型確定。由于在集水包尖端的區(qū)域中在坯中心中的液態(tài)核，不可能借助于直接測量方法確定其位置。
[0005]這樣的溫度計(jì)算模型是所謂的動態(tài)溫度調(diào)節(jié)模型或DSC(DynamicSolidification Control)模型/程序。借助于該模型可根據(jù)在相應(yīng)的連鑄設(shè)備中的過程條件來確定溫度分布、殼厚和凝固長度(集水包尖端的位置)。附加地，該模型或程序可應(yīng)用于在連鑄設(shè)備的次級冷卻水區(qū)中的調(diào)節(jié)目的。金屬坯的表面溫度或在金屬坯中的凝固長度(集水包尖端的位置)可應(yīng)用為調(diào)節(jié)量。在這些變量規(guī)定為設(shè)定值時(shí)，該模型/程序計(jì)算對于在次級冷卻區(qū)中達(dá)到這些值/參數(shù)所需的水量。結(jié)果被直接顯示且在每個(gè)新的周期性的計(jì)算中被更新。在該意義上存在在線計(jì)算和控制。
[0006]在該DSC模型/程序中基于傅里葉熱平衡方程來計(jì)算坯溫度和凝固長度。到該熱平衡方程中的必要的輸入量是系統(tǒng)的總焓。然而該焓不可測量且對于一定的金屬成分、尤其鐵或鋼合金僅可不精確地借助于近似方程來描述。
[0007]例如，Schwerdtfeger作為出版者在其書籍“Metallurgie des Stranggiessens”出版社Stahleisen mbH, 1992中說明了用于非合金的碳素鋼的焓的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的回歸方程，其可以以可用的精度被應(yīng)用在一定的、狹窄的分析界限內(nèi)。然而，這些回歸方程是近似方程而不具有物理基石出° Richter 在 “Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von52 Eisenwerkstoffen”出版社 Stahleisen Diisseldorf, 1973 中對于純鐵說明了用于單個(gè)相的焓的精確的熱力學(xué)關(guān)系。然而，純鐵不具有技術(shù)意義。對于鋼材而言，對于系統(tǒng)的總焓不存在精確的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。
[0008]這導(dǎo)致，傅里葉熱平衡方程的數(shù)值解產(chǎn)生不精確的、至少在其精度方面能改善的溫度結(jié)果和因此相應(yīng)不精確的或在其精度方面能改善的集水包尖端的位置(凝固長度)的確定。該現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)即在于，利用數(shù)值方法來執(zhí)行傅里葉熱平衡方程的解，其根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量提供溫度結(jié)果、也就是說在金屬坯中的溫度分布，使得所獲得的結(jié)果在焓-輸入數(shù)據(jù)有缺陷或不精確的情況下導(dǎo)致在算出的溫度分布或溫度與相應(yīng)真實(shí)存在的、必要時(shí)通過測量來確定的溫度分布之間的偏差。此外，在輸入不精確的焓值時(shí)液相和固相溫度的位置不被準(zhǔn)確地確定，使得同樣不相應(yīng)于實(shí)際來計(jì)算集水包尖端的位置或凝固長度。由此，尤其當(dāng)在連鑄方法中通過滾子部段的調(diào)整來進(jìn)行所謂的輕壓下、即金屬坯的變形時(shí)會導(dǎo)致滾子部段的不準(zhǔn)確的調(diào)整，使得結(jié)果達(dá)不到通過輕壓下(Softreduktion)所期望的板坯材料的質(zhì)量改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此本發(fā)明目的在于提供一種解決方案，其使在凝固過程期間在由液態(tài)金屬澆鑄的材料段或材料塊中的溫度分布的改善的計(jì)算和預(yù)測成為可能且尤其在連鑄方法或過程中使在凝固的金屬坯中的凝固長度(集水包尖端的位置)的改善的計(jì)算或預(yù)測成為可能。
[0010]在開頭詳細(xì)說明的類型的澆鑄方法中，該目的根據(jù)本發(fā)明由此來實(shí)現(xiàn)，即由在材料塊或材料段中當(dāng)前存在的所有相和/或相成分的自由摩爾焓(Gibbs能量)的總和來計(jì)算總焓。
[0011]同樣地，該目的通過這樣的澆鑄方法在金屬材料在連鑄設(shè)備中的連鑄中的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)，其用于預(yù)測和控制溫度分布以及用于確定在澆鑄的鑄坯中的集水包尖端的位置或凝固長度。[0012]適宜的設(shè)計(jì)方案和有利的改進(jìn)方案是相應(yīng)從屬的子權(quán)利要求的內(nèi)容。
[0013]本發(fā)明基于該認(rèn)識，即在澆鑄方法、尤其連鑄方法中在凝固的金屬坯中或在凝固的材料塊中的溫度分布和因此還有集水包尖端的位置可由此來改善，即由在材料塊或材料段或子坯中當(dāng)前存在的所有相和/或相成分的自由摩爾焓(Gibbs能量)的總和來計(jì)算總焓。由此，對于在溫度計(jì)算模型中計(jì)算另外的量必要的總焓可比在由實(shí)踐已知的溫度計(jì)算模型中更精確地來計(jì)算，使得固相及液相溫度和因此整個(gè)溫度分布的計(jì)算以及凝固長度的確定或計(jì)算以更高的和更大的精度實(shí)現(xiàn)。由此得到在連鑄設(shè)備的次級冷卻區(qū)中的溫度分布以及集水包尖端的位置(凝固長度)的情況的與實(shí)際更好地一致的計(jì)算。尤其以此可來計(jì)算在連鑄設(shè)備的凝固的金屬坯中的溫度分布，從而可借助于所利用的溫度計(jì)算模型來調(diào)節(jié)和控制在凝固的金屬坯中的期望的/預(yù)設(shè)的、取決于材料的、最佳的溫度曲線。因?yàn)樽鳛橛糜趯τ诂F(xiàn)在世界上制造的幾乎所有材料的溫度計(jì)算的輸入量可借助于Gibbs能量(自由摩爾能)來確定或計(jì)算總焓，以輸入數(shù)據(jù)的最大可能的可靠性來執(zhí)行溫度計(jì)算。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)還在于現(xiàn)在在精度方面改善的凝固長度的計(jì)算和因此與在連鑄設(shè)備的凝固的金屬坯中的集水包尖端的位置的實(shí)際情況改善的一致性。借助于Gibbs能量，可比利用至今所應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式更精確地來計(jì)算液相和固相溫度。與溫度計(jì)算一起，以該方式以改善的精度來測定凝固長度。因此在連鑄設(shè)備的運(yùn)行中可保證凝固長度總是小于設(shè)備長度。此外，通過溫度計(jì)算模型所測定的輸出量可被用于將調(diào)整部段的液壓調(diào)整例如用于執(zhí)行所謂的輕壓下，其中，由于現(xiàn)在更精確地已知的凝固長度可更精確且更佳地實(shí)現(xiàn)滾子部段的調(diào)整，這導(dǎo)致所制造的板坯的質(zhì)量改善。動態(tài)凝固控制(DSG)-溫度計(jì)算模型尤其應(yīng)用在連鑄中且此處在所謂的CSP (Compact Strip Production)過程中并且是自動控制的一部分。利用“動態(tài)的凝固調(diào)節(jié)”針對性地來冷卻板坯，以獲得材料的一定的冶金性能。對此，在自動化計(jì)算器或計(jì)算機(jī)裝置或計(jì)算裝置中相應(yīng)于鋼品質(zhì)和板坯尺寸來存儲預(yù)定的冷卻模型，以其來控制連鑄設(shè)備或CSP設(shè)備的尤其次級冷卻區(qū)的冷卻裝置。在所謂的輕壓下的范圍中，在此在連鑄中應(yīng)用液壓的部段調(diào)整，其通過動態(tài)的輕壓下技術(shù)來控制。在此，矯正和驅(qū)動滾子借助于其在部段中的液壓裝置將適宜的壓力施加到在最終凝固的區(qū)域中的板坯。由此使在板還的內(nèi)部中的核偏析(Kernseigerung)最小化或抑制核多孔性。以該方式可生產(chǎn)高質(zhì)量的鋼且澆鑄設(shè)備獲得在鋼品質(zhì)范圍方面較高的可變性。
[0014]在本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案中用于確定總焓的計(jì)算步驟由此具體地示出，即在溫度計(jì)算模型的范圍中作為系統(tǒng)的自由摩爾總焓(H)借助于Gibbs能量(G)在恒定壓力(P)下根據(jù)方程
H=G- T ft-.}
來確定總焓，其中，H=系統(tǒng)的摩爾焓，G=系統(tǒng)的Gibbs能量，T=開氏絕對溫度以及P=系統(tǒng)的壓力。
[0015]此外，是根據(jù)本發(fā)明的澆鑄方法的設(shè)計(jì)方案的組成部分的是，在溫度計(jì)算模型的范圍中借助于傅里葉熱平衡方程
Br a I dr；
來確定溫度分布，其中，P =密度，Cp=在恒定壓力下的比熱容,T=所計(jì)算的開氏絕對溫度，λ =熱導(dǎo)率，S=所屬的位置坐標(biāo)，t=時(shí)間以及Q=系統(tǒng)的在液-固相變期間變得自由的
倉tfi。
[0016]在該溫度計(jì)算模型中，此外借助于方程
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造由液態(tài)金屬澆鑄的材料塊或材料段的澆鑄方法，在其中借助于基于動態(tài)溫度調(diào)節(jié)(Dynamic Solidificat1n Control)的溫度計(jì)算模型來計(jì)算在所述材料塊或材料段的內(nèi)部中存在的溫度分布，其中，在一計(jì)算步驟中來確定由所述材料塊或材料段形成的系統(tǒng)的總焓以及處理為在所述溫度計(jì)算模型中的輸入量并且在澆鑄過程的調(diào)節(jié)和/或控制過程中使用所述溫度計(jì)算模型的一個(gè)或多個(gè)輸出量，其特征在于，由在所述材料塊或材料段中當(dāng)前存在的所有相和/或相成分的自由摩爾焓(Gibbs能量)的總和來計(jì)算所述總焓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的澆鑄方法，其特征在于，在所述溫度計(jì)算模型的框架中作為所述系統(tǒng)的自由的摩爾總焓⑶借助于Gibbs能量(G)在恒定的壓力(P)下根據(jù)方程
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的澆鑄方法，其特征在于，在所述溫度計(jì)算模型的框架中借助于傅里葉熱平衡方程
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法，其特征在于，在所述溫度計(jì)算模型的框架中借助于方程
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法，其特征在于，在所述溫度計(jì)算模型的框架中對于相混合根據(jù)方程
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法，其特征在于，在所述溫度計(jì)算模型的框架中對于帶有奧氏體相、鐵素體相和液相的成分的系統(tǒng)根據(jù)方程
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的澆鑄方法，其特征在于，在所述溫度計(jì)算模型的框架中根據(jù)方程
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的澆鑄方法，其特征在于，在所述溫度計(jì)算模型的框架中根據(jù)方程
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法，其特征在于，澆鑄連鑄坯，其中，借助于所述溫度計(jì)算模型作為一個(gè)或多個(gè)輸出量來確定在構(gòu)造所述連鑄坯的材料塊或材料段中的溫度分布和/或所述集水包尖端的位置。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法，其特征在于，其在金屬、尤其含鐵金屬、優(yōu)選地鋼的連鑄中被實(shí)施為控制和/或調(diào)節(jié)方法的組成部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的澆鑄方法，其特征在于，根據(jù)所述集水包尖端的位置來確定連鑄坯的凝固長度并且將所述凝固長度作為輸入量沿著所述連鑄坯輸送給連鑄設(shè)備的部段的液壓調(diào)整的控制和/或調(diào)節(jié)部。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法，其特征在于，借助于構(gòu)造為冶金過程模型的溫度計(jì)算模型來控制連鑄設(shè)備的次級冷卻。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法，其特征在于，借助于所述溫度計(jì)算模型根據(jù)材料來確定和調(diào)整在所述材料塊或材料段中的溫度變化。
14.根據(jù)前述權(quán) 利要求中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法在金屬材料在連鑄設(shè)備中的連鑄中的一種應(yīng)用，其用于預(yù)測和控制溫度分布以及用于確定在澆鑄的鑄坯中的凝固長度或集水包尖端的位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的澆鑄方法的應(yīng)用，其用于在線確定所述溫度分布和所述集水包尖端的位置以及用于控制所述連鑄過程。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的澆鑄方法的應(yīng)用，其應(yīng)用于在連鑄中執(zhí)行輕壓下過程時(shí)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法的應(yīng)用，其用于在連鑄中提高過程穩(wěn)定性和產(chǎn)品改善。
18.—種澆鑄的材料塊或材料段，其借助于根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的澆鑄方法由金屬獲得/能夠獲得。
【文檔編號】B22D11/22GK104023875SQ201280054412
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月6日
【發(fā)明者】A.施普羅克, H-J.奧德欣肯, T.海曼, C.哈澤爾 申請人:Sms西馬格股份公司