浇铸方法、尤其连铸方法
【专利摘要】一种用于制造由液态金属浇铸的材料块或材料段的方法，在其中借助于基于动态温度调节(DynamicSolidificationControl)的温度计算模型来计算在材料块或材料段的内部中存在的温度分布，其中，在一计算步骤中来确定由材料块或材料段形成的系统的总焓以及处理为在温度计算模型中的输入量并且在浇铸过程的调节和/或控制过程中使用温度计算模型的一个或多个输出量，应提供一种解决方案，其使能够提供一种解决方案，其使在凝固过程期间在由液态金属浇铸的材料段或材料块中的温度分布的改善的计算和预测成为可能且尤其在连铸方法或过程中使在凝固的金属坯中的凝固长度(集水包尖端的位置)的改善的计算或预测成为可能。这由此来实现，即由在材料块或材料段中当前存在的所有相和/或相成分的自由摩尔焓(Gibbs能量)的总和来计算总焓。
【专利说明】浇铸方法、尤其连铸方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造由液态金属浇铸的材料块或材料段(Materialabschnitt)的烧铸方法，在其中借助于基于动态温度调节(DynamicSolidification Control)的温度计算模型来计算在材料块或材料段的内部中存在的温度分布，其中，来确定由材料块或材料段形成的系统的总焓以及处理为在温度计算模型中的输入量并且在浇铸过程的调节和/或控制过程中使用温度计算模型的一个或多个输出量。
[0002]此外，本发明涉及这样的浇铸方法的应用。
【背景技术】
[0003]在执行用于制造由液态金属、尤其含铁材料浇铸的材料块或材料段的浇铸方法中重要的可以是能够识别和确定内部的温度分布和尤其还是液态的金属的区域和已凝固的金属的区域，尤其能够将浇铸方法调节和控制成使得获得最佳的凝固产品。这在执行液态金属连铸时尤其是重要的。由此，温度分布的认知对于在连铸设备的运行的范围中符合规定地执行连铸方法以获得高质量的产品(如薄板坯或厚板坯以及由钢和铁合金构成的棍形或长形产品)非常重要。如果会在连铸期间构造为材料块或材料段的金属还(Metallstrang)中建立过高的温度，这在金属还的连铸期间导致还在滚子之间鼓起(bulging)。如果在连铸期间在金属坯中建立过低的温度，在弯曲和矫正期间可导致在由金属坯制成的板坯的表面上的缺陷现象，其可能造成在板坯中的裂纹。在浇铸过程、尤其连铸过程中的温度分布例如受较高的浇铸温度和较高的浇铸速度影响。如果这些参数变大，则凝固长度也增加，这意味着集水包尖端(Sumpfspitze)在金属坯中的位置在浇铸方向上更多地朝向金属坯的端部移动。在此，在连铸设备处最大可能的浇铸速度受凝固长度限制，因为其必须小于机器长度、也就是说连铸设备长度。非常小的浇铸速度相对地导致在实际的连铸区域的端部处金属坯或板坯的较小的温度。但是因为这里经常直接后置有用于处理所获得的板坯的炉(其在连续的连铸过程的范围中被板坯经过)，例如在所谓的CSP (CompactStrip Production)设备中，浇铸速度不允许太小，因为否则炉进入温度太低且在炉进入温度下降时不以所期望的质量来执行必要时所期望的组织转变或者但是必须提供相应提高的能量用于板坯在炉区域中的再加热。
[0004]金属坯或板坯的凝固长度和温度分布因此尤其对于浇铸方法或浇铸过程的控制是非常重要的(测量)量或参数，但是其不可直接在连铸设备的任意部位处被确定或测定。高温计例如在连铸设备处通常仅在所谓的次级冷却区之后且在通常存在的剪之前供使用。因此可在表面处来测量在板坯中或在浇铸的金属坯中的温度和因此还有温度分布。但是对于尤其连铸方法的控制重要的是在次级冷却区中的温度分布的认知。这里由于通过以水喷洒金属坯的表面而出现的喷水几乎不能借助于高温计来测量温度。此外，利用高温计基本上不能测量在金属坯或板坯的内部中的温度，从而仅可借助于温度计算模型来确定在材料块或金属坯的内部中的温度分布。同样地，在连铸时产生的金属坯内的集水包尖端的位置仅可借助于温度计算模型确定。由于在集水包尖端的区域中在坯中心中的液态核，不可能借助于直接测量方法确定其位置。
[0005]这样的温度计算模型是所谓的动态温度调节模型或DSC(DynamicSolidification Control)模型/程序。借助于该模型可根据在相应的连铸设备中的过程条件来确定温度分布、壳厚和凝固长度(集水包尖端的位置)。附加地，该模型或程序可应用于在连铸设备的次级冷却水区中的调节目的。金属坯的表面温度或在金属坯中的凝固长度(集水包尖端的位置)可应用为调节量。在这些变量规定为设定值时，该模型/程序计算对于在次级冷却区中达到这些值/参数所需的水量。结果被直接显示且在每个新的周期性的计算中被更新。在该意义上存在在线计算和控制。
[0006]在该DSC模型/程序中基于傅里叶热平衡方程来计算坯温度和凝固长度。到该热平衡方程中的必要的输入量是系统的总焓。然而该焓不可测量且对于一定的金属成分、尤其铁或钢合金仅可不精确地借助于近似方程来描述。
[0007]例如，Schwerdtfeger作为出版者在其书籍“Metallurgie des Stranggiessens”出版社Stahleisen mbH, 1992中说明了用于非合金的碳素钢的焓的根据经验的回归方程，其可以以可用的精度被应用在一定的、狭窄的分析界限内。然而，这些回归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 中对于纯铁说明了用于单个相的焓的精确的热力学关系。然而，纯铁不具有技术意义。对于钢材而言，对于系统的总焓不存在精确的热力学数据。
[0008]这导致，傅里叶热平衡方程的数值解产生不精确的、至少在其精度方面能改善的温度结果和因此相应不精确的或在其精度方面能改善的集水包尖端的位置(凝固长度)的确定。该现有技术的缺点即在于，利用数值方法来执行傅里叶热平衡方程的解，其根据输入数据的质量提供温度结果、也就是说在金属坯中的温度分布，使得所获得的结果在焓-输入数据有缺陷或不精确的情况下导致在算出的温度分布或温度与相应真实存在的、必要时通过测量来确定的温度分布之间的偏差。此外，在输入不精确的焓值时液相和固相温度的位置不被准确地确定，使得同样不相应于实际来计算集水包尖端的位置或凝固长度。由此，尤其当在连铸方法中通过滚子部段的调整来进行所谓的轻压下、即金属坯的变形时会导致滚子部段的不准确的调整，使得结果达不到通过轻压下(Softreduktion)所期望的板坯材料的质量改善。
【发明内容】
[0009]因此本发明目的在于提供一种解决方案，其使在凝固过程期间在由液态金属浇铸的材料段或材料块中的温度分布的改善的计算和预测成为可能且尤其在连铸方法或过程中使在凝固的金属坯中的凝固长度(集水包尖端的位置)的改善的计算或预测成为可能。
[0010]在开头详细说明的类型的浇铸方法中，该目的根据本发明由此来实现，即由在材料块或材料段中当前存在的所有相和/或相成分的自由摩尔焓(Gibbs能量)的总和来计算总焓。
[0011]同样地，该目的通过这样的浇铸方法在金属材料在连铸设备中的连铸中的应用来实现，其用于预测和控制温度分布以及用于确定在浇铸的铸坯中的集水包尖端的位置或凝固长度。[0012]适宜的设计方案和有利的改进方案是相应从属的子权利要求的内容。
[0013]本发明基于该认识，即在浇铸方法、尤其连铸方法中在凝固的金属坯中或在凝固的材料块中的温度分布和因此还有集水包尖端的位置可由此来改善，即由在材料块或材料段或子坯中当前存在的所有相和/或相成分的自由摩尔焓(Gibbs能量)的总和来计算总焓。由此，对于在温度计算模型中计算另外的量必要的总焓可比在由实践已知的温度计算模型中更精确地来计算，使得固相及液相温度和因此整个温度分布的计算以及凝固长度的确定或计算以更高的和更大的精度实现。由此得到在连铸设备的次级冷却区中的温度分布以及集水包尖端的位置(凝固长度)的情况的与实际更好地一致的计算。尤其以此可来计算在连铸设备的凝固的金属坯中的温度分布，从而可借助于所利用的温度计算模型来调节和控制在凝固的金属坯中的期望的/预设的、取决于材料的、最佳的温度曲线。因为作为用于对于现在世界上制造的几乎所有材料的温度计算的输入量可借助于Gibbs能量(自由摩尔能)来确定或计算总焓，以输入数据的最大可能的可靠性来执行温度计算。本发明的另一优点还在于现在在精度方面改善的凝固长度的计算和因此与在连铸设备的凝固的金属坯中的集水包尖端的位置的实际情况改善的一致性。借助于Gibbs能量，可比利用至今所应用的经验公式更精确地来计算液相和固相温度。与温度计算一起，以该方式以改善的精度来测定凝固长度。因此在连铸设备的运行中可保证凝固长度总是小于设备长度。此外，通过温度计算模型所测定的输出量可被用于将调整部段的液压调整例如用于执行所谓的轻压下，其中，由于现在更精确地已知的凝固长度可更精确且更佳地实现滚子部段的调整，这导致所制造的板坯的质量改善。动态凝固控制(DSG)-温度计算模型尤其应用在连铸中且此处在所谓的CSP (Compact Strip Production)过程中并且是自动控制的一部分。利用“动态的凝固调节”针对性地来冷却板坯，以获得材料的一定的冶金性能。对此，在自动化计算器或计算机装置或计算装置中相应于钢品质和板坯尺寸来存储预定的冷却模型，以其来控制连铸设备或CSP设备的尤其次级冷却区的冷却装置。在所谓的轻压下的范围中，在此在连铸中应用液压的部段调整，其通过动态的轻压下技术来控制。在此，矫正和驱动滚子借助于其在部段中的液压装置将适宜的压力施加到在最终凝固的区域中的板坯。由此使在板还的内部中的核偏析(Kernseigerung)最小化或抑制核多孔性。以该方式可生产高质量的钢且浇铸设备获得在钢品质范围方面较高的可变性。
[0014]在本发明的设计方案中用于确定总焓的计算步骤由此具体地示出，即在温度计算模型的范围中作为系统的自由摩尔总焓(H)借助于Gibbs能量(G)在恒定压力(P)下根据方程
H=G- T ft-.}
来确定总焓，其中，H=系统的摩尔焓，G=系统的Gibbs能量，T=开氏绝对温度以及P=系统的压力。
[0015]此外，是根据本发明的浇铸方法的设计方案的组成部分的是，在温度计算模型的范围中借助于傅里叶热平衡方程
Br a I dr；
来确定温度分布，其中，P =密度，Cp=在恒定压力下的比热容,T=所计算的开氏绝对温度，λ =热导率，S=所属的位置坐标，t=时间以及Q=系统的在液-固相变期间变得自由的
倉tfi。
[0016]在该温度计算模型中，此外借助于方程
【权利要求】
1.一种用于制造由液态金属浇铸的材料块或材料段的浇铸方法，在其中借助于基于动态温度调节(Dynamic Solidificat1n Control)的温度计算模型来计算在所述材料块或材料段的内部中存在的温度分布，其中，在一计算步骤中来确定由所述材料块或材料段形成的系统的总焓以及处理为在所述温度计算模型中的输入量并且在浇铸过程的调节和/或控制过程中使用所述温度计算模型的一个或多个输出量，其特征在于，由在所述材料块或材料段中当前存在的所有相和/或相成分的自由摩尔焓(Gibbs能量)的总和来计算所述总焓。
2.根据权利要求1所述的浇铸方法，其特征在于，在所述温度计算模型的框架中作为所述系统的自由的摩尔总焓⑶借助于Gibbs能量(G)在恒定的压力(P)下根据方程
3.根据权利要求1或2所述的浇铸方法，其特征在于，在所述温度计算模型的框架中借助于傅里叶热平衡方程
4.根据前述权利要求中任一项所述的浇铸方法，其特征在于，在所述温度计算模型的框架中借助于方程
5.根据前述权利要求中任一项所述的浇铸方法，其特征在于，在所述温度计算模型的框架中对于相混合根据方程
6.根据前述权利要求中任一项所述的浇铸方法，其特征在于，在所述温度计算模型的框架中对于带有奥氏体相、铁素体相和液相的成分的系统根据方程
7.根据权利要求6所述的浇铸方法，其特征在于，在所述温度计算模型的框架中根据方程
8.根据权利要求6所述的浇铸方法，其特征在于，在所述温度计算模型的框架中根据方程
9.根据前述权利要求中任一项所述的浇铸方法，其特征在于，浇铸连铸坯，其中，借助于所述温度计算模型作为一个或多个输出量来确定在构造所述连铸坯的材料块或材料段中的温度分布和/或所述集水包尖端的位置。
10.根据前述权利要求中任一项所述的浇铸方法，其特征在于，其在金属、尤其含铁金属、优选地钢的连铸中被实施为控制和/或调节方法的组成部分。
11.根据权利要求9或10所述的浇铸方法，其特征在于，根据所述集水包尖端的位置来确定连铸坯的凝固长度并且将所述凝固长度作为输入量沿着所述连铸坯输送给连铸设备的部段的液压调整的控制和/或调节部。
12.根据前述权利要求中任一项所述的浇铸方法，其特征在于，借助于构造为冶金过程模型的温度计算模型来控制连铸设备的次级冷却。
13.根据前述权利要求中任一项所述的浇铸方法，其特征在于，借助于所述温度计算模型根据材料来确定和调整在所述材料块或材料段中的温度变化。
14.根据前述权 利要求中任一项所述的浇铸方法在金属材料在连铸设备中的连铸中的一种应用，其用于预测和控制温度分布以及用于确定在浇铸的铸坯中的凝固长度或集水包尖端的位置。
15.根据权利要求14所述的浇铸方法的应用，其用于在线确定所述温度分布和所述集水包尖端的位置以及用于控制所述连铸过程。
16.根据权利要求14或15所述的浇铸方法的应用，其应用于在连铸中执行轻压下过程时。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的浇铸方法的应用，其用于在连铸中提高过程稳定性和产品改善。
18.—种浇铸的材料块或材料段，其借助于根据权利要求1-13中任一项所述的浇铸方法由金属获得/能够获得。
【文档编号】B22D11/22GK104023875SQ201280054412
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年8月27日 优先权日:2011年9月6日
【发明者】A.施普罗克, H-J.奥德欣肯, T.海曼, C.哈泽尔 申请人:Sms西马格股份公司