DE19881711B4

DE19881711B4 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Hüttentechnischen Anlage

Info

Publication number: DE19881711B4
Application number: DE19881711T
Authority: DE
Inventors: Dr. Döll Rüdiger; Dr. Gramckow Otto; Günter Sörgel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Primetals Technologies Germany GmbH
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: ATA911998A; AT414316B; US6546310B1; DE19806267A1; CN1277569A; KR100402720B1; DE19881711C5; KR20010031966A; CN1139442C; DE19881711D2; WO1999024182A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer hüttentechnischen Anlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium, insbesondere eines Walzwerks, wobei in der hüttentechnischen Anlage aus Eingangsstoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder Aluminiums abhängigen Materialeigenschaften hergestellt wird, und wobei die Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums von Betriebsparametern, mit denen die Anlage betrieben wird, abhängig sind, wobei die Betriebsparameter mittels eines Gefügeoptimierers in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Steuerung einer Walzstraße und/oder einer Stranggussanlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 beziehungsweise gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs 4.
Die Betriebsparameter einer hüttentechnischen Anlage werden üblicherweise vom Bediener der Anlage derart eingestellt, dass die Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums gewünschten, vorgegebenen Materialeigenschaften entsprechen. Dazu greift der Bediener üblicherweise auf Erfahrungswissen zurück, das z. B. in Tabellenform hinterlegt ist.
Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten internationalen Patentanmeldung PCT/AT 97/00232 ist ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung der Qualität von Walzprodukten aus Warmwalzprozessen bekannt, bei dem die für die Erzeugung des Walzproduktes wesentlichen Bedingungen wie Temperatur, Stichnahmen, im Walzprozess online erfasst werden und daraus mittels untereinander verknüpfter und den gesamten Walzprozess beschreibender physikalisch/metallurgischer und/oder statistischer Modelle die zu erwartenden mechanisch/technologischen Materialeigenschaften vorausberechnet werden. Die für die Materialeigenschaften maßgeblichen unterschiedlichen Gefüge sind dabei nicht explizit erwähnt.
Aus dem wissenschaftlichen Aufsatz von Auzinger et al. mit dem Titel „VAI's new efficient solution for controlling the mechanical properties of hot rolled strip”, veröffentlicht in IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting, New Orleans October 5–9, 1997, S. 2131–2136, der den nächstliegenden Stand der Technik bildet, ist ein Verfahren zur Korrektur von Betriebsparametern während des Walzens bekannt. In der Walzstraße wird aus Eingangsstoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder Aluminiums abhängigen Materialeigenschaften hergestellt, wobei die Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums von Betriebsparametern, mit denen die Walzstraße betrieben wird, abhängig sind.
Der wissenschaftliche Aufsatz von Auzinger et al. mit dem Titel „Advanced process models for today's hot strip mills”, veröffentlicht in MPT International 6/95, S. 58–64, offenbart ein Verfahren zur Steuerung von Walzprozessen, wobei in der Walzstraße aus Eingangsstoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder Aluminiums abhängigen Materialeigenschaften hergestellt wird, wobei die Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums von Betriebsparametern, mit denen die Walzstraße betrieben wird, abhängig sind.
Aus der EP 0 264 868 A2 ist bekannt, einer Fertigstaffel einer Fein- oder Mittelstahlstraße und/oder einer durch die letzten Gerüste der Fertigstaffel gebildeten Fertiggruppe mindestens eine Wasserkühlstrecke vorzuordnen, um ein Walzgut vorteilhaften Gefüges und damit verbesserter mechanischer Eigenschaften zu erreichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung der eingangs genannten Art zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium anzugeben, mit denen die tatsächlich erreichten Materialeigenschaften präziser als bisher den vorab gewünschten Materialeigenschaften entsprechen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Einrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Erfindung werden hinsichtlich des Verfahrens der eingangs genannten Art die Betriebsparameter in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften vorgegeben. Zur Bestimmung der Parameter können iterative Vorgehensweisen zum Einsatz kommen. Vorteilhaft hat sich auch der Einsatz von genetischen Algorithmen erwiesen.
Bei der zugehörigen Einrichtung ist ein sogenannter Gefügeoptimierer vorhanden, der vorteilhafterweise einen Gefügebeobachter umfasst. Dabei kommen insbesondere die Materialeigenschaften wie Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Bärte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des Stahls oder Aluminiums in Frage. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Betriebsparameter einer hüttentechnischen Anlage derart einzustellen, daß der erzeugte Stahl bzw. das erzeugte Aluminium die gewünschten Materialeigenschaften besitzt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Gefügeoptimierer einen Gefügebeobachter auf, der die Materialeigenschaften eines in einer hüttentechnischen Anlage hergestellten Stahls oder Aluminiums in Abhängigkeit von dessen Betriebsparametern vorhersagt. Ein derartiger Gefügebeobachter weist vorteilhafterweise ein neuronales Netz auf.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestimmt der Gefügeoptimierer zumindest eine der Größen Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des Stahls oder Aluminiums in Abhängigkeit der Temperatur, des Umformgrades bzw. der relativen Umformung des Stahls, der Umformgeschwindigkeit sowie der Legierungsanteile des Stahls.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt der Gefügebeobachter zumindest eine der Größen Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des zu untersuchenden Stahls in Abhängigkeit der einzelnen Legierungsanteile im Stahl. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, zumindest eine der Größen Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte und Übergangstemperatur in Abhängigkeit vom Kohlenstoffanteil, vom Siliziumanteil, vom Mangananteil, vom Phosphoranteil, vom Schwefelanteil, vom Kobaltanteil, vom Aluminiumanteil, vom Chromanteil, vom Molybdänanteil, von Nickelanteil, vom Vanadiumanteil, vom Kupferanteil, vom Zinnanteil, vom Calziumanteil, vom Titananteil, vom Boranteil, vom Niobanteil, vom Arsenanteil, vom Wolframanteil und vom Stickstoffanteil zu bestimmen.
In einfacher vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bestimmt der Gefügebeobachter zumindest eine der Größen Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponente des zu untersuchenden Stahls in Abhängigkeit des Kohlenstoffsanteils im Stahl bzw. der Kohlenstoffäquivalente oder der Nutz- und/oder Schadstoffanteile.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Im einzelnen zeigen:
1 die Veränderung des Gefüges von Stahl beim Walzen,
2 die Integration eines Gefügeoptimierers in die Steuerung einer Walzstraße,
3 einen Gefügebeobachter,
4 eine alternative Ausgestaltung eines Gefügebeobachters,
5 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Gefügebeobachters,
6 die Verwendung genetischer Algorithmen in einem Gefügeoptimierer.
1 zeigt die Veränderung des Gefüges von Stahl beim Walzen. Der Stahl läuft mit einem Gefüge gemäß Block 1 in die Walzstraße ein. Nach Durchlauf durch das erste Walzgerüst haben sich durch das Walzen gestreckte Körner entsprechend Block 2 ausgebildet. In diesem Zustand kommt es zur sogenannten Erholung, während der Versetzungen und damit Spannung innerhalb einzelner Korner des Gefüges abgebaut werden. Durch Rekristallisation bilden sich, wie durch den Block 3 angedeutet, ausgehend von den Korngrenzen neue versetzungsarme Körner. Je nachdem, ob sich neue Körner bilden, wahrend sich das Material noch im Walzgerüst befindet, oder erst danach, wird die Rekristallisation als dynamische Rekristallisation oder als statische Rekristallisation bezeichnet. Im Anschluß kommt es temperaturabhängig nach der Rekristallisation zum Kornwachstum, wobei größere Körner wie in Block 4 auf Kosten von kleineren Körnern wachsen. Die Iterationsschleife 6 skizziert die Verwendung mehrerer Walzgeruste in einer Walzstraße oder das mehrmalige Durchlaufen von Walzgut durch ein Reversiergerust. Bei jedem Walzen wiederholt sich prinzipiell der in den Blöcken 2, 3 und 4 dargestellte Vorgang, jedoch immer ausgehend von der Gefügestruktur nach dem vorhergehenden Walzgang. Nach Abschluß des Walzens sowie folgende Kühlung hat sich eine Gefugestruktur entsprechend Block 5 ausgebildet. Diese Gefügestruktur weist bestimmte Materialeigenschaften wie bestimmte Werte fur Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Anisotropie und Verfestigungsexponent auf. Ausgehend von vorab festgelegten Werten für Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und/oder Verfestigungsexponent des Metalls, insbesondere Stahls oder Aluminiums, wird eine Walzstraße (und/oder eine Stranggußanlage) derart eingestellt, daß sich am Ende eine Gefügestruktur mit den gewunschten Werten für Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und/oder Verfestigungsexponent einstellt. Dieses erfolgt mittels eines Gefügeoptimierers, wie er in 2 dargestellt ist.
In 2 bezeichnet Bezugszeichen 15 ein Walzband in einer Walzstraße 16, dessen Material- bzw. Gebrauchseigenschaften nach dem Walzen Sollwerten 11 für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften entsprechen sollen. Zur Beeinflussung der Walzstraße sind Stellglieder 17 vorgesehen. Ferner sind Meßgeräte 18 zur Messung bestimmter Zustande der Walzstraße vorgesehen. Die Betriebsparameter der Walzstraße 16, die mit den Stellgliedern 17 eingestellt werden, werden mit einem Gefugeoptimierer 20 ermittelt. Der Gefugeoptimierer 20 weist einen Gefügebeobachter 25 auf, der in Abhängigkeit von einem Standardstichplan 10, chemischen Analysewerten 12 des Walzbandes 15 sowie von einer Vorausberechnung 24 ermittelter Einstellungen für die Walzstraße 16 die zu erwartenden Material- bzw. Gebrauchseigenschaften des Walzbandes 15 ermittelt. Ein solcher Gefügebeobachter 25 ist in den 3, 4 und 5 näher ausgeführt. In einem Vergleicher 21 erfolgt ein Vergleich zwischen den Sollwerten 11 für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften und von den durch den Gefügebeobachter 25 ermittelten Werten für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften. Stimmen die Sollwerte 11 fur die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften und die vom Gefügebeobachter 25 ermittelten Werte für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften nicht genau genug überein, so wird dem Pfad 26 gefolgt. Gemäß einem gewählten Optimierungskriterium werden die Betriebsparameter, in diesem Falle Eingangstemperatur T_ein, Ausgangstemperatur T_aus sowie die Reduktionsgrade φ₁ der einzelnen Walzgerüste in einer gewichteten Variation 22 verandert. Ergebnis dieser gewichteten Variation 22 sind neue Sollwerte 23 für die Temperatur T_ein des Walzbandes 15 bei Einlauf in die Walzstraße 16, für die Temperatur T_aus des Walzbandes 15 bei Auslauf aus der Walzstraße 16 sowie die Reduktionsgrade φ₁ der einzelnen Walzgerüste der Walzstraße 16. Ausgehend von diesen Sollwerten 23 werden in einer Vorausberechnung 24 neue Einstellungen für die Walzstraße 16 ermittelt. Dieser Zyklus wird so lange durchlaufen, bis die vom Gefügebeobachter ermittelten Werte 25 den gewünschten Übereinstimmungsgrad mit den Sollwerten 11 für die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften haben. In diesem Fall wird dem Pfad 27 gefolgt, der die Stellglieder 17 entsprechend den in der Vorausberechnung 24 ermittelten Werten einstellt. Ferner ist eine Adaption 13 der Vorausberechnung 24 vorgesehen, mittels der Modelle, die der Vorausberechnung 24 zugrunde liegen, in Abhängigkeit von Meßwerten der Meßgeräte 18 und einer Nachberechnung 14 adaptiert werden. In vorteilhafter alternativer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß nicht die in der Vorausberechnung 24 berechneten Einstellungen für die Walzstraße 16 Eingangsgröße des Gefügebeobachters 25 sind, sondern die Betriebsparameter, d. h. im vorliegenden Fall T_ein, T_aus und φ₁.
Es kann ebenfalls vorgesehen werden, mittels eines Gefügeoptimierers entsprechend 2 eine hüttentechnische Anlage im wesentlichen bestehend aus einer Warmwalzstraße und einer Kaltwalzstraße, eine hüttentechnische Anlage im wesentlichen bestehend aus einer Stranggußanlage, einer Warmwalzstraße und einer Kaltwalzstraße, eine hüttentechnische Anlage im wesentlichen bestehend aus einer Stranggußanlage und einer Warmwalzstraße oder eine hüttentechnische Anlage im wesentlichen bestehend aus einer Stranggußanlage, einer Walzstraße und einer Kühlstrecke einzustellen. Dazu sind entsprechend erweiterte Gefügebeobachter sowie entsprechend mehr Betriebsparameter zu verwenden. Die Erfindung ist ebenfalls zur Einstellung einer Gleisstrecke geeignet.
Es ist besonders vorteilhaft, mittels des Gefugeoptimierers gleichzeitig weitere Parameter, wie z. B. Energieverbrauch oder Walzenabnutzung, mit dem Gefügeoptimierer 20 zu optimieren.
3, 4 und 5 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen für einen Gefugebeobachter 25 aus 2. In 3 bezeichnet P_B die Betriebsparameter und P_M die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften eines Stahls oder Aluminiums. Bezugszeichen 50 bezeichnet ein neuronales Netz, das die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften P_M wie Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Harte, Übergangstemperatur, Anisotropie und/oder Verfestigungsexponent in Abhängigkeit der Betriebsparameter P_B ermittelt. Die Ausgestaltung eines derartigen neuronalen Netzes ist der DE 197 38 943 zu entnehmen.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Gefügebeobachters. Dieser Gefugebeobachter weist ein Korngrößenmodell 51 und ein analytisches Materialmodell 52 auf. Einzelheiten dieser Modelle sind dem Artikel ”Recrystallisation and grain growth in hot rolling” von C. M. Sellers und J. A. Whiteman, Material Science, März/April 1979, Seiten 187 bis 193 zu entnehmen. Das Korngroßenmodell 51 ermittelt die Ferritkorngroße d_α bei nicht oder nur teilkristallisiertem Austenit in Abhängigkeit von Betriebsparametern P_B. Das Materialmodell 52 ermittelt die Material- bzw. Gebrauchseigenschaften P_M in Abhangigkeit der Ferritkorngröße d_α bei nicht oder nur teilkristallisiertem Austenit sowie den Betriebsparametern P_B. Die Betriebsparameter P_B, die als Eingangsgrößen für das Korngrößenmodell 51 und das Materialmodell 52 verwendet werden, sind nicht notwendigerweise identisch. Es können unterschiedliche Betriebsparameter als Eingangsgroßen verwendet werden.
5 zeigt einen Gefügebeobachter entsprechend 4, wobei das analytische Materialmodell 52 durch ein neuronales Netz 53 ersetzt ist. Ein derartiges neuronales Netz 53 ist z. B. entsprechend der DE 197 38 943 auszuführen, wobei die Ferritkorngröße d_α bei nicht oder nur teilkristallisiertem Austenit als zusätzliche Eingangsgröße für die in der DE 197 38 943 offenbarten neuronalen Netze vorgesehen ist.
Zur iterativen Bestimmung optimaler Einstellung bzw. optimaler Betriebsparameter durch einen Gefügeoptimierer 20 gemäß 2 sind vorteilhafterweise genetische Algorithmen einsetzbar.
6 zeigt vereinfacht das Vorgehen bei der Optimierung mittels genetischer Algorithmen. Die Optimierung erfolgt derart,

– daß Werte fur die zu optimierenden Parameter in sogenannten Genen 40 angeordnet sind, die wiederum Individuen 41 einer sogenannten Population zugeordnet sind,
– daß eine bestimmte Anzahl von Individuen 41 eine sogenannte Initialpopulation bildet,
– daß einige oder alle Werte in den Genen um einen Zufallswert, insbesondere einen Zufallswert aus einer Auswahl normalverteilter Zufallszahlen, verändert werden, so daß sich eine veränderte Population 34 ergibt (Schritt 33 in 6),
– daß zusammengehörige Gene auf sogenannten Chromosomen zusammengefaßt werden, die bei der Rekombination gemeinsam vererbt werden,
– daß die Individuen mit ihren Genen, d. h. den Werten für die entsprechenden Parameter, mittels einer Optimierungsfunktion bewertet werden und
– daß aufgrund dieser Bewertung (Schritt 32 in 6) eine Auswahl von Individuen für eine neue Population erfolgt, wobei Individuen statistisch bevorzugt werden, die die Optimierungsfunktion besser erfüllen als andere Individuen,
– daß die verbleibenden Individuen 31 nicht weiter berucksichtigt werden,
– daß der Optimierungszyklus mit der neuen Population 41 solange wiederholt wird, bis eine als optimal erachtete Losung erreicht ist.

Übertragen auf die Iterationsschleife im in 2 dargestellten Gefügeoptimierer 20 wird der Schritt 32 in 5 im Vergleicher 21 bzw. die Bewertung im Gefügebeobachter 25 in 2 implementiert. Die Schritte 33 und 35 in 6 sind in der gewichteten Variation 32 in 2 implementiert. Die in den Genen zusammengefaßten Parameter entsprechen z. B. den Betriebsparametern T_ein, T_aus und φ₁ in 2. Besonders vorteilhaft ist es, weitere Parameter, insbesondere Optimierungskriterien, wie Energieverbrauch oder Walzenabnutzung, mit in die Optimierung mit einzubeziehen. Entsprechend sind die Gene, die diesen Parametern entsprechen, vorzusehen. Die weiteren Parameter werden dann gleichzeitig mit den Betriebsparametern optimiert.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Walzstraße und/oder einer Stranggussanlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium, insbesondere zur Steuerung eines Walzwerks für Walzband aus Stahl oder Aluminium, wobei in der Walzstraße und/oder der Stranggussanlage aus Eingangsstoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder des Aluminiums abhängigen Materialeigenschaften hergestellt wird, die von Betriebsparametern der Walzstraße und/oder der Stranggussanlage abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von vorab festgelegten Werten für zumindest eine der gewünschten Materialeigenschaften Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des Stahls oder Aluminiums die Betriebsparameter mittels eines Gefügeoptimierers in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Stahls oder des Aluminiums bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Gefügeoptimierers Energieverbrauch und/oder Walzenabnutzung optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Betriebsparameter in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums mittels genetischer Algorithmen erfolgt.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Steuerung einer Walzstraße und/oder einer Stranggussanlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium, insbesondere zur Steuerung eines Walzwerkes zur Herstellung von Walzband aus Stahl oder Aluminium, wobei in der Walzstraße und/oder der Stranggussanlage aus Eingangsstoffen Stahl oder Aluminium mit bestimmten vom Gefüge des Stahls oder des Aluminiums abhängigen Materialeigenschaften hergestellt wird, und wobei die Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums von Betriebsparametern, mit denen die Walzstraße und/oder die Stranggussanlage betrieben wird, abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Steuerung einer Walzstraße und/oder einer Stranggussanlage zur Erzeugung von Stahl oder Aluminium einen Gefügeoptimierer zur Bestimmung der Betriebsparameter ausgehend von vorab festgelegten Werten für zumindest eine der gewünschten Materialeigenschaften Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Härte, Übergangstemperatur, Anisotropie und Verfestigungsexponent des Stahls oder Aluminiums in Abhängigkeit der gewünschten Materialeigenschaften des Stahls oder Aluminiums aufweist.