专利名称：一种用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法
技术范围本发明涉及一种用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，通过分析一待铸造的熔液的化学成分，进行合金计算并确定合金元素和/或附加料(助熔剂)，使钢材获得特定的材料特性和确定用于对熔液作进一步处理的运行图。
背景技术：
这种方法使用于钢材冶炼之中。在炼钢车间提供液态钢之后，在一个布置在一个薄带铸造设备上游的坩埚炉中进行二次冶金。为此，在所述的坩埚炉里面或上面设置一定的第二冶金设备，从而以冶金的方式处理液态钢。借助这些设备可以精确分析所述熔液，也可以精确地对熔液进行热调节。通过添加合金剂、造渣剂、还原剂、脱硫剂等材料，就可以在坩埚炉中进行液态钢的处理，其中，可以用自动或手动的方式来添加这些附加料。此外，炉渣的处理方法为，添加氧或由例如氩的惰性气体来冲洗。可在坩埚炉中电磁搅动液态钢，也可以通过碳电极向液态钢提供电能。从所述碳电极至熔液的电弧导致合金元素被熔化，并从而实现对熔液的热调节为了使由熔液冶炼出的钢材达到规定品质，并具有规定的材料特性，例如强度、韧性、硬度及耐蚀性等等，必须添加金属的和非金属的合金元素和附加料。为了达到这个目的，须基于对熔液的最新分析结果，使用数学模型来计算所需的合金元素和附加料的材料成分，从而达到规定的钢材质量。按这种方式，可以在确定的范围中调节金属元素和非金属元素的份量。对所期望的材料特性进行鉴定时，质量部门还应用其他的强度公式，将熔液中的合金元素和附加料的相互作用作为考虑因素。这些公式大多是由经验所得。在由炼钢车间、坩埚炉和连续铸造装置组成的传统工厂中，质量部门至多以脱机方式计算这种附加料和合金元素的相互作用。参考文献所给出的强度公式和经验公式只是合金元素和附加料的复杂相互作用的简化模型，这些相互作用对铸造钢的材料特性有所影响。
薄带铸造设备大多生产最大带厚为10mm的钢板。与传统设备类似，薄带铸造设备也是在进行分析之后调节熔液。不过，人们发现，在薄带铸造设备中的液态钢的铸造性能问题远比在传统铸造设备中，例如用于制造板材的连续铸造设备中的液态钢的铸造性能问题更加难以解决。
如果发生所铸造的钢带在薄带铸造设备的铸造过程中断裂、所铸造的材料具有一般性的表面缺陷或结构缺陷、或因不可铸造的液态钢胶黏在铸造滚子上而引起设备故障等情况，则液态钢被认为是不可铸造的。至今，人们仍试图在薄带铸造设备自身中寻找有关铸造性能问题的解决办法。但是这些试验只有部分成功，因为很多熔液证实是不可铸造的。
发明内容
因此，本发明的目的在于，改进用于预测和控制液态钢铸造性能的方法，从而使出错率显著降低。
为了解决在前文所述类型的方法中的问题，根据本发明，在合金计算中，把影响铸造性能的合金元素和/或附加元素的相互作用作为附加条件加以考虑。
本发明基于这样一种惊人的认识，即在合金元素和/或添加元素之间存在相互作用，其不仅对机械特性重要，而且也对熔液的铸造性能重要。这里所说的是一些新的、不同的相互作用，其并非现今已知的、已经考虑到的相互作用。根据本发明，一方面必须与现有方法相似，在合金计算中将传统相互作用作为考虑因素，即各个合金元素和附加料的份量必须在预先确定的有效取值范围内。另一方面，必须考虑到由相互作用所产生的对铸造性能有所影响的附加条件。
按本发明的方法被证实特别有利之处在于，分别将至少两种合金元素和/或附加料彼此联系起来，从而确定其份量对铸造性能的影响。基于所收集的已铸造的熔液的数据，分别将两种材料在XY坐标系统中进行彼此联系。在XY坐标系统的两个轴上，以例如百分比或百万分比的形式标注了熔液的相对的份量。此外，为每个合金元素和/或每个附加料确定了一个公差带，其为与坐标轴平行的直线，分别指出每个元素的最小值和最大值。在不考虑到相互作用的情况下，就得出矩形的交集，此交集定义为直线相交的部分。此外，两个示出的合金元素的当前份量也标注在坐标系统中，其中，此瞬时值由一个点表示。因此，图中可明显看出，熔液是否处在公差带内。但是，仅使该熔液在允许的公差带内还不足以得到可铸造的熔液。根据本发明，必须额外考虑到对熔液的铸造性能有所影响的相互作用。为了将所收集的熔液的数据作为考虑因素，按本发明的方法可以对各已铸造的熔液附加“可铸造”和“不可铸造”的信息。
根据本发明的方法，借助所述信息，基于所收集的已铸造熔液的数据和彼此联系的合金元素和/或附加料，确定合金元素和/或附加料份量的至少一个允许的取值范围，可铸造的熔液预计处于此取值范围之中。这个取值范围是前文提及的取值范围中的一个部分，而前文中的取值范围仅考虑到对材料特性有所影响的相互作用。然而，已经证明前文中的更加大的值域不能被完全利用，这是由于对铸造性能有所影响的相互作用而在许多情况下会带来一些问题，使熔液因而变得不可铸造。因此，必须在将所收集的已铸造熔液的数据作为考虑因素的情况下，对表明各合金元素和附加料的容许份量的取值范围进行调整，也就是缩小范围。如果考虑到所收集的已铸造熔液的数据，每个熔液被附加了“可铸造”或“非可铸造”的信息，则可以把一个特定的取值范围确定为可允许的取值范围，以前被证实是可铸造的熔液处于此确定的取值范围之内。
为了尽可能降低计算费用，按本发明的方法将份量的容许的取值范围确定为若干个不等式的交集。通过一个不等式就可以把XY坐标系统的整个面积分成两个部分，即一个有效范围和一个无效范围。图形中直线的一侧的面积与一个不等式等价。此外，坐标轴可以用于确定允许的取值范围，这是由于各合金元素只可以为正数，因此仅要观察第一象限。
在通常情况下，按本发明的方法必须把容许的取值范围确定为若干条相交直线的交集。如果不使用坐标轴的情况下，至少需要三条直线才能唯一地确立一个取值范围。实践证明，在大多情况下，需要三个以上的不等数，特别是四个不等数才能确定合适的取值范围。
如果合金元素和/或附加元素的相互作用实施为计算机系统的数学模型，则按发明的方法可以极快地和部分自动地实施。计算并用图示法表示取值范围相对而言仅需要很短的计算时间。因此，在进行熔液分析之后，即可直接确定，各合金元素和附加料的份量是否在允许的取值范围以内或者是否需要进行进一步处理。根据本发明的另一种实施方式，按本发明的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法可以由计算机系统自动迭代实施。
在按本发明的方法中，同样可以将模糊逻辑方法应用于所述数学模型。作为补充或可选择性的方案，也可以将神经网络应用于所述数学模型。
为了将实施本发明的方法的计算费用控制在一定限度内，可以为合金计算而预选对熔液铸造性能有所影响的合金元素和/或附加元素。研究表明，仅一部分合金元素对铸造性能有影响。如果一熔液具有十种元素，就必须检验第一种元素和余下九种元素的配对，接下来是第二种元素和余下八种元素的配对，等等。因而，必须考虑到大量的元素配对。因此，具有实际意义的做法是，仅考虑会实际影响熔液的铸造性能的那些合金元素和/或合金元素和/或附加料配对。这样可以大大减小须考虑的元素配对的数量。与此同时，也可以减少须考虑的不等式即周边条件的数量，从而简化方程组的求解。
根据本发明的方法的一种形式，在合金计算中可以考虑到如下合金元素和/或附加料之间的相互作用C、Si、Mn、S、Al、N、Zn、O2.结果证明，仅考虑上述八个合金元素上和附加料的相互作用，即可明显改进铸造性能。
按本发明的方法可以这样实施，即在合金计算中可以考虑到如下合金元素和/或附加料配对的相互作用N/O2、Zn/O2、S/Zn、C/Zn、Mn/S、Mn/N、Si/C、Al/C，尤其Si/O2、S/O2、Al/O2、S/C、N/C。理论上，由上文所述选出的八种合金元素可以组成28个配对。但是结果表明，其中只有13个配对对铸造性能有所影响。在这13个配对中，仅5个合金元素或附加料的配对对铸造性能有明显的影响。如果从方法的经济性角度出发而仅考虑到这五个配对，仍可取得上文所述有关预测和控制铸造性能的优异成果。
在按本发明的方法中，可在同一张图中标明产生可铸造熔液的一种或每种合金元素和/或一种或每种附加料的允许取值范围以及在熔液中所测量到的实际值。在图中，实际值以点或叉之类进行标记，从而可以一眼就看出，此实际值是否在允许取值范围之内。在这张图中标明了每个需加以考虑的取值配对，由此操作人员可看出，所有对铸造性能有影响的周边条件是否已被满足，或者可以看出，对哪一种合金元素需要进一步的处理，例如进一步添加该合金元素。此外，也可以标明一个所期望材料特性所具有的合金元素和/或附加料的允许取值范围。
在按本发明的方法中，有益的是，在对熔液实行一个处理步骤之后，可以标明一种合金元素或一个附加料的更新实际值。从而可以立即检查借助上述处理步骤是否达到了期望的结果。
在按本发明的方法中，同样可以在对熔液进行若干处理步骤之后，将一种合金元素或附加料的各个实际值以点标明，并用直线线段将其彼此连接。
按本发明的方法可特别有利地用在薄带铸造设备中，该薄带铸造设备以双滚铸造法而运行。
此外，本发明还涉及一种二次冶金设备的控制设备，特别是一个坩埚炉，其具有一个分析待铸造熔液的化学成分的模块；一个模块，其通过进行合金计算而确定合金元素和/或附加料，使钢材从而具有特定的材料特性；以及一个模块，用于确定运行图，从而对熔液进一步处理。
根据本发明，所述的控制设备用于实施所述的方法。
下面参照附图，借助实施例对本发明的进一步的优点和细节进行说明，其中图1是按本发明的方法的流程示意图；图2是在考虑到相互作用的情况下，两种合金元素的取值范围的图示；图3是表示硫和碳元素的份量和可铸造范围的示意图；以及图4是表示硅和氧元素的份量和可铸造范围的示意图。
具体实施例方式
图1所示的示意图表示用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法的流程。
按本发明的方法的出发点是进行一种熔液分析，从而确定待铸造熔液的化学成分。为此，所述熔液处于一个坩埚炉中，此坩埚炉与一个薄带铸造设备相连。在所述坩埚炉中对液态钢进行冶金处理，从而调整必要的材料参数。为了引起一定的化学反应，可通过石墨电极向熔液供应电能和/或热能。熔液可以在坩埚炉中被电磁搅动。合金元素和附加料，例如造渣剂、还原剂、脱硫剂等材料以自动或手动的方式添加。此外，还可以通过一惰性气体(例如氩)来冲洗液态钢或向其添加氧。
在进行熔液的分析之后，将进行一个合金计算1，从而将金属的和非金属的合金元素调整到一个已确定的范围中。此合金计算用于计算附加料和合金元素的种类和数量，从而可以对当时处于坩埚炉的液态钢装料进行改变和处理，以便其能达到要求。首先，每种合金元素必须具有合适的比例，也就是合适的浓度。其中，每种元素均有一个具有下限和上限的公差带。此外，本发明的方法将合金元素和附加料的相互作用作为考虑因素，其对铸造性能有所影响。在合金计算1中使用的数学模型将所述相互作用作为考虑因素，使熔液在被处理之后具有非常大的可能性成为可铸造的熔液。
在过去使用传统的方法的时候积累了这样的经验虽然一熔液满足了成品钢材的材料特性的要求，但仍会出现例如表面缺陷或钢粘在铸造滚子上的情况，因而，必须将此熔液作为不可铸造的熔液而放弃。
在进行合金计算1之后，就会有关于铸造性能的信息。如果计算得出熔液是可铸造的，则根据本发明的方法继续确定用于电炉铸造和坩埚炉的运行图。如果合金计算的结果为“不可铸造”，则比如必须添加其他的合金元素或附加料，或者采取一些处理步骤，例如添加惰性气体或氧。根据关于液态钢铸造性能的预测，确定运行坩埚炉的运行图以及规定金属和非金属添加物的添加和进一步的处理。由于考虑到对铸造性能有所影响的相互作用，这种考虑将成为运行图的附加条件或运行图会因而产生变化。此运行图确定为坩埚炉和二次冶金的运行图。
这种做法有利于熔液的选择。如果熔液被证实为不可铸造或使熔液具有铸造性能的措施的花费太高，就可以决定退回此熔液。在这种情况下，熔液必须在炼钢车间再一次被处理。这样可以避免在生产过程产生的由于失误而带来的费用，并可以节省资源。
如果识别出，熔液可以通过金属或非金属的添加料变成一个可铸造状态，且此措施花费不是太大，则可以通过用于坩埚炉和第二冶金的运行图来使熔液达到铸造性能。这种措施的优点在于，在生产过程中避免了由于失误而带来费用，并且节省了资源。
如果识别出熔液是可铸造的，则此熔液就可以根据为其制定的运行图在坩埚炉中被处理，并输送给薄带铸造设备。
如果识别到，通过将影响材料特性的相互作用作为考虑因素可使更加有利地冶炼熔液，则可以在保持铸造性能的情况下把这一点实现。由此产生的优点在于，在考虑到铸造性能的情况下，可对熔液进行最佳地冶金调整。这样同样可以避免生产过程中由于失误而带来的费用，并且可以节省资源。
如图1所示，通过确定运行图2可以得出用于熔液的进一步处理的控制参数。
图2表示两种合金元素的取值范围，此取值范围将对铸造性能有所影响的相互作用作为考虑因素。
元素x和y份量的取值范围沿x轴和y轴分别标出。每个元素的取值范围由两个轴向平行的直线限制，此直线表明各材料在熔液中的最小或最大浓度。如果对熔液的分析值在直线的交集之内，则满足了对材料特性的要求。
但是只考虑到对材料特性的要求是不够的。必须额外地考虑到对铸造性能有所影响的相互作用。在图2中通过直线线段3、4、5表示可铸造的范围。既满足材料特性要求又满足铸造性能的要求熔液必须在两个面积的交集内。在图2中，阴影部分表示这个有效范围6。
由一个熔液分析得出一个数值7，此数值7满足传统铸造操作的要求，这是因为其在元素x和y有关于材料特性的取值范围内。但数值7不在有效范围6内，因此可以预料到，该熔液为不可铸造。
另外一熔液的分析值为数值8，数值8在有效范围6内。这一点意味着此熔液不仅满足对材料特性的要求，这是由于两种元素x和y均在各自的公差范围内；而且此熔液具有铸造性能，这是因为数值8在直线线段3、4、5内。这种情况下，如果涉及元素x和y，则此熔液可以铸造。
上文以元素x和y为例而进行的检测可以对所有重要的值的配对实施，这些值的配对必须在有效取值范围内。必须至少考察如下的值配对Si/O2，S/O2，Al/O2，S/C，N/C。如果对这些条件的考察结果表明所有的元素均在有效范围内，则熔液很可能是可铸造的。假如某一个数值不在有效范围内，就必须要进行其他的处理步骤，例如添加一合金元素。但必须注意的是，在添加合金元素时，同样会影响到其他的须考虑到的合金元素和附加料的份量或浓度。在通常的情况下，这些关系是非线性的，而且复杂。因此，考虑到对铸造性能有所影响的相互作用的数学模型包括(例如)神经网络或模糊逻辑方法。因此，通常的做法是，进行迭代计算，如最佳化计算。这是为了通过添加最少量的合金元素和/或尽量低成本地来达到目的。
图3是表示硫和碳元素的份量的示意图。沿x轴是熔液中的碳浓度，而沿y轴是硫的浓度。在图3中所示的三角形面积9是元素配对硫/碳的铸造性能范围。第一个分析值10不在三角形面积9内，也就是在这种状态上，该熔液是不可铸造。因此，需对此熔液进行处理，例如添加附加料，从而提高碳的份量和减少硫的份量。在进行上述的处理之后再进行一次分析，从而得出分析值11。虽然分析值11已接近铸造性能范围，但是还要进行一个第二处理步骤，才能得出分析值12。分析值12在三角形面积9内，即在可铸造的范围内。同时也要保证，其他的须考虑到的元素和/或元素配对也在有效的范围内。
图4表示硅和氧元素的份量和其可铸造的范围。
与图3不同，图4中的可铸造范围13由若干个直线线段表示，这些线段不构成封闭的面积。在某些情况下，抛物线线段或三角函数线段也可以表示可铸造的范围。但是应力求用直线线段定义有效范围，从而控制计算所需成本。
第一个分析值14不在可铸造范围13内。在对熔液进行处理之后，得出分析值15。虽然该分析值15的氧含量提高了，但是却提高太多，使分析值15又不在可铸造范围内。在进行进一步处理步骤之后，才测量到分析值16。该分析值16就遵循对硅和氧元素所要求的条件。
在按本发明的方法中，操作人员在一个显示器上可以同时看到五个最重要元素配对的示意图。各个合金元素或附加料的分析值可以以数值的形式而被显示在一个表格中。通过这种方式，操作人员一眼就看出，哪些数值正常以及哪些数值需要进一步处理。
每一根据各熔液所测量到的数值都被存入一个数据库。这样，所述数学模型可以使用用不断扩大的数据库，从而提高预测可能性。
权利要求
1.一种用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，通过分析一待铸造熔液的化学成分、进行合金计算和确定合金元素和/或附加料，使钢材获得特定的材料特性和确定用于对所述熔液作进一步处理的运行图，其特征在于，所述合金计算计入对所述铸造性能有所影响的所述合金元素和/或附加料相互作用作为附加条件。
2.根据权利要求1所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，基于所收集的已铸造的熔液的数据，分别将至少两种合金元素和/或附加料彼此联系起来，从而确定其份量对所述铸造性能的影响。
3.根据权利要求2所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，对所收集数据的各已铸造的熔液附加“可铸造”和“不可铸造”的信息。
4.根据权利要求2或3所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，基于所收集的关于已铸造的熔液的数据以及彼此联系的合金元素和/或附加料，确定合金元素和/或附加料份量的至少一个允许的取值范围，可铸造的熔液预计处于所述取值范围之中。
5.根据权利要求4所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，所述允许的取值范围确定为若干不等式的一个交集。
6.根据权利要求4或5所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，所述允许的取值范围确定为若干条相交直线的一个交集。
7.根据上述任一权利要求所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，所述合金元素和/或附加料的相互作用实施为计算机系统中的数学模型。
8.根据权利要求7所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，将模糊逻辑方法应用于所述数学模型。
9.根据权利要求7或8所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，将神经网络应用于所述数学模型。
10.根据上述任一权利要求所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，所述合金计算实施为迭代方法。
11.根据上述任一权利要求所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，为所述合金计算而预选对熔液铸造性能有所影响的合金元素和/或附加元素。
12.根据上述任一权利要求所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，在所述合金计算中考虑到如下合金元素和/或附加料的相互作用C、Si、Mn、S、Al、N、Zn、O2。
13.根据上述任一权利要求所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，在所述合金计算中考虑到如下合金元素和/或附加料配对的相互作用N/O2、Zn/O2、S/Zn、C/Zn、Mn/S、Mn/N、Si/C、Al/C，尤其是Si/O2、S/O2、Al/O2、S/C、N/C。
14.根据权利要求4至13中任一权利要求所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，在同一张图中标明产生可铸造熔液的一种或每种合金元素和/或一种或每种附加料的允许取值范围以及在熔液中所测量到的实际值。
15.根据权利要求14所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，在同一张图中标明产生所期望的材料特性的一种或每种合金元素和/或一种或每种附加料的允许取值范围以及在熔液中所测量到的实际值。
16.根据权利要求14或15所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，在对所述熔液实行一个处理步骤之后，标明一种合金元素或一种附加料的更新实际值。
17.根据权利要求16所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，在对所述熔液进行若干处理步骤之后，将一种合金元素或附加料的各个实际值用点标明，并用直线线段将其彼此连接。
18.根据上述任一权利要求所述的用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，其特征在于，所述方法应用于尤其是以双滚铸造方法运行的薄带铸造设备。
19.一种二次冶金设备的控制设备，所述冶金设备特别为一个坩埚炉，其具有一个分析待铸造熔液的化学成分的模块；一个通过进行合金计算而确定合金元素和/或附加料，使钢材从而获得特定材料特性的模块；以及一个用于确定运行图从而对熔液进一步处理的模块，所述控制设备的特征在于，所述控制设备采取用于实施根据根据权利要求1至18中任一权利要求所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于预测和控制液态钢的铸造性能的方法，通过分析一待铸造熔液的化学成分，进行合金计算和确定合金元素和/或附加料，以便钢材能达到一定的材料特性和确定对所述熔液作进一步处理的运行图，其中，将对铸造性能有所影响的合金元素和/或附加料的相互作用作为附加条件加以考虑。
文档编号B22D11/06GK1842384SQ200480024272
公开日2006年10月4日 申请日期2004年7月23日 优先权日2003年8月26日
发明者托马斯·马楚拉特, 汉斯-于尔根·奥伊恩豪森, 克劳斯·普罗诺尔德, 汉斯-赫伯特·韦尔克 申请人:西门子公司