AT413951B - Verfahren zum stranggiessen eines metallstranges - Google Patents

Description

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AT 413 951 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges, insbesondere eines Stahlstranges, wobei ein Strang aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt sowie gegebenenfalls dickenreduziert wird, wobei zur Ausbildung eines bestimmten 5 Gefüges im gegossenen Strang das Stranggießen unter Zugrundelegung eines die Belastung des Metalls während des Gießens und während des dabei stattfindenden Erstarrungsprozesses beschreibendes thermomechanisches Rechenmodell, mit dem on-line der Belastungszustand des Stranges berechnet wird, durchgeführt wird und die Werkstoffbelastung beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens, wie zum Beispiel die zur Kühlung des Stranges vorgesehe-io ne spezifische Kühlmittelmenge, on-line-dynamisch, d.h. während des laufenden Gießens, eingestellt werden.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der AT 409.352 B bekannt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, als Zielvorgabe die Ausbildung eines gewünschten Gefüges des Metalls vorgeben zu können, 15 und zwar für Metalle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung sowie beim Stahlstranggießen für sämtliche zu gießende Stahlqualitäten bzw. Stahlgüten. Insbesondere ist es möglich, eine bestimmte Ferrit-Perlit-Struktur einzustellen und/oder Ausscheidungen, wie Aluminiumnitrid, an den Korngrenzen zu vermeiden. 2o In der Arbeit von K. Schwertfeger; Rissanfälligkeit von Stählen beim Stranggießen und Warm-umformen, Stahl und Eisen, 1994 wird dargestellt, dass bei der Rissbildung in Stranggießprodukten im wesentlichen zwei Rissformen dominieren. Ein interdendritisch verlaufender Riss und ein im Austenitgefüge interkristallin verlaufender Riss. 25 In der Arbeit von Chimani et.al.; Micromechanical Investigation of the Hot Ductility Behavior of Steel, ISIJ Int. Vol. 39, No. 11, 1999, wird gezeigt, dass für den interkristallinen Risstyp nur eine sehr stark lokalisierte plastische Derfomation des Werkstoffs vor und bei der Rissentstehung vorliegt. Dies bildet die Grundlage dafür, dass bei einer bruchmechanischen Beschreibung der Rissentstehung von einem Kleinbereichsfließen ausgegangen werden kann, siehe z.B. J. Le-30 maitre; A Course on Damage Mechanics, Springer-Verlag, 1992.

Bisher entspricht es dem Stand der Technik, dass für die Bewertung der produzierten Produktqualität, wie z.B. für die Bewertung einer Bildung von Oberflächenrissen, nur der statistische Einfluss von Prozessparametern genutzt wird. 35

Die Erfindung bezweckt eine Weiterentwicklung eines Verfahrens gemäß der AT 409.352 B, nämlich dahingehend, dass es möglich ist, als Zielvorgabe die Unterdrückung einer Rissentstehung vorgeben zu können bzw. die Entstehung von Rissen zu identifizieren, und zwar für Metalle unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung beim Stranggießen, insbesondere für sämt-40 liehe strangzugießende Stahlqualitäten bzw. Stahlgüten. Weiters soll es möglich sein, eine bestimmte Struktur einzustellen und eine Überlagerung von kritischen Belastungen und rissempfindlichen Gefügezuständen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass 45 zur Ausbildung eines bestimmten rissfreien Gefüges ein die Rissempfindlichkeit des Gefüges und die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie beschreibendes Rechenmodell eingesetzt wird.

Somit werden on-line-dynamisch die örtlich und zeitlich variierenden, auf den Werkstoff wirken-50 den thermomechanischen Lasten mitgerechnet und daraus die bei Risswachstum freiwerdende Energiefreisetzungsrate G bestimmt. Die berechnete Energiefreisetzungsrate wird mit dem für den gegebenen Werkstoff und dessen Gefügestruktur charakteristischen Risswiderstand R des Werkstoffs verglichen und somit eine lokale Schädigung vorhergesagt. Wird eine kritische Energiefreisetzungsrate errechnet, kann durch Anpassung von z.B. der Kühlung und/oder des 55 Gefüges und/oder der mechanischen Lasten dynamisch reagiert werden. Diese Maßnahmen q

AT 413 951 B können zusätzlich zu den Maßnahmen, die gemäß der AT 409.352 B gesetzt werden, ergriffen werden.

Aus der WO 03/045607 A2 ist es bekannt, bei einem Verfahren zum Stranggießen eines dün-5 nen Metallbandes im Zweiwalzenverfahren, die Metallschmelze in einen von zwei Gießwalzen in der Dicke des zu gießenden Metallbandes gebildeten Gießspalt unter Bildung eines Schmelzbades zu gießen. Zur Ausbildung eines bestimmten Gefüges im gegossenen Metallband und/oder zur Beeinflussung der Geometrie des Metallbandes wird das Stranggießen unter on-line-Berechnung unter Zugrundelegung eines die Ausbildung des bestimmten Gefüges des io Metalles und/oder die Ausbildung der Geometrie des Metallbandes beschreibenden Rechenmodells durchgeführt, wobei die Gefügeausbildung bzw. die Geometrie beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens on-line-dynamisch, d.h. während des laufenden Gießens, eingestellt werden. 15 Die JP 06-246414 A betrifft ein Stranggießverfahren für einen einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisenden Stahl, wobei die Kanten des Stranges mit einem Infrarotsensor beobachtet werden und Temperaturveränderungen an den Kanten gemessen werden. Zum Schutz der Oberfläche des Stranges wird der Temperaturbereich zwischen der Zementitbildung und der Perlit-bildung mit erhöhter Abkühlgeschwindigkeit durchschritten. 20

Gemäß der JP 2003-136208 A werden zur Vermeidung von Kantenrissen die Stranggießbedingungen entsprechend eingestellt, und zwar unter Berücksichtigung der Erstarrungsgeschwindigkeit. 25 Ein bevorzugtes Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges, insbesondere eines Stahlstranges, wobei ein Strang aus einer gekühlten Durchlaufkokille ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille nachgeordneten Strangstützeinrichtung gestützt und mit Kühlmittel gekühlt sowie gegebenenfalls dickenreduziert wird, wobei zur Ausbildung eines bestimmten Gefüges im gegossenen Strang das Stranggießen unter on-line Berechnung unter Zugrundelegung eines 30 die Ausbildung des bestimmten Gefüges des Metalles beschreibenden thermomechanischen und metallurgischen Rechenmodells durchgeführt wird und die Werkstoffbelastung und die Gefügeausbildung beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens, wie zum Beispiel die zur Kühlung des Stranges vorgesehene spezifische Kühlmittelmenge, on-line-dynamisch, d.h. während des laufenden Gießens, eingestellt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur 35 Ausbildung eines bestimmten rissfreien Gefüges ein die Rissempfindlichkeit des Gefüges und die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie beschreibendes Rechenmodell eingesetzt wird.

Vorzugsweise ist in das Rechenmodell ein auf der Bruchmechanik von Metallen basierendes 40 Modell, insbesondere ein Modell für Risswachstum unter Kleinbereichsfließen, integriert.

Mit dem Konzept des Kleinbereichsfließens beschreibt man in allgemeiner Form ein Risswachstum, bei dem nur ein geringer Volumsanteil um die Rissufer plastisch verformt wird. Durch die Berücksichtigung der aus diesem Konzept stammenden Gleichungen können die für ein Riss-45 Wachstum bestimmenden Triebkräfte, nämlich die Energiefreisetzungsrate, aus den thermomechanischen Belastungen bestimmt werden. Der der Energiefreisetzungsrate entgegenstehende Risswiderstand ist ein vom Werkstoffgefüge, den mechanischen Eigenschaften und den Phasenanteilen abhängiger Werkstoffparameter, der sich aus der stereographischen Auswertung von Bruchoberflächen bestimmen lässt. Durch die Verwendung dieses Modells kann man beim so Erreichen einer kritischen Energiefreisetzungsrate entsprechend auf den Gießprozess reagieren und entweder durch eine Reduktion der mechanischen Lasten oder durch die Einstellung eines Gefüges mit höherem Risswiderstand eine Rissbildung vermeiden. Bei einer Überschreitung der kritischen Energiefreisetzungsrate kann der Ort der Rissausbreitung bestimmt und an ein Qualitätskontrollsystem weitergeleitet werden. 55 4

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Mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Rechenmodell lassen sich aufgrund einer vorgegebenen Stahlanalyse, der Phasenvolumensanteile, der aufgebrachten Deformation und der Temperaturgeschichte, die zur Beschreibung einer Rissbildung notwendigen Größen, wie die Energiefreisetzungsrate und der Risswiderstand, berechnen. 5

Hierfür werden zweckmäßig zunächst aus den aufgebrachten Lasten die Spannungs-Dehnungszustände an der Oberfläche des Strangs und im Stranginneren berechnet. Mit grundlegenden kontinuumsmechanischen Methoden lässt sich für Kleinbereichsfließen eine Grundgleichung für die Energiefreisetzungsrate bei Risswachstum abschätzen: 10 worin G die Energiefreisetzungsrate, E der Elastizitätsmodul und a eine vorhandene DefektgrÖ-15 ße bedeuten, σ ist die größte Hauptnormalspannung und Y ist ein Parameter, der den Einfluss eines mehrachsigen Spannungszustandes und der Bauteilgeometrie berücksichtigt.

Der Widerstand, den der Werkstoff der Rissausbreitung entgegenhält, kann mit folgender Gleichung ermittelt werden: 20 R = 2Yo + 2ypi, worin R der Risswiderstand ist, γ0 die spezifische Oberflächenenergie und γρι die zur Erzeugung einer Rissoberfläche notwendige spezifische plastische Verformungsarbeit sind. 25

Die Bedingung für die Rissbildung ergibt sich daraus als

G>R 3o Bestimmender Faktor für den Risswiderstand sind die Phasenvolumsanteile.

Die spezifische plastische Verformungsarbeit γρι ist im wesentlichen vom Werkstoff abhängig und lässt sich aus der experimentellen Untersuchung von Bruchoberflächen ermitteln. Dabei werden die für den bei Kleinbereichsfließen gebildeten Riss charakteristischen Dimpelbruchflä-35 chen vermessen und daraus die spezifische Verformungsarbeit berechnet. YPi=2S- om- h wobei om die mittlere Fließspannung des Werkstoffs, S ein Parameter, der sich aus der Dimpel-40 form ergibt, und h die Dimpeltiefe sind. Somit ist es möglich, den Risswiderstand auch rein experimentell zu bestimmen.

Da γο gegenüber γρι vernachlässigt werden kann, ist damit der Risswiderstand R bestimmt. 45 Die Veränderungen des Risswiderstands des Werkstoffs durch wechselnde Phasenvolumsanteile von z.B. Austenit und Ferrit, Temperaturunterschiede und Mengen an Ausscheidungen können vorteilhaft zur Abschätzung der Dimpelhöhe und der Fließspannung verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden mit dem Rechenmodell thermodynamische so Zustandsänderungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Oberflächentemperatur, der Mittentemperatur, der Schalenstärke durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung und Lösen von einer die Phasen-Umwandlungskinetik beschreibenden Gleichung ständig mitgerechnet und wird die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes mindestens einer der thermodynamischen Zustandsgrößen eingestellt, wobei für die Simulation die Strangdicke und 55 die chemische Analyse des Metalles sowie die ständig gemessene Gießgeschwindigkeit

AT 413 951 B berücksichtigt werden.

Durch die erfindungsgemäße Koppelung der Berechnung der Temperatur des Stranges mit dem Rechenmodell, das die Ausbildung eines bestimmten zeit- und temperaturabhängigen 5 Gefüges des Metalles beinhaltet, ist es möglich, die Variablen des Stranggießverfahrens, die die Gefügeausbildung beeinflussen, wie z.B. die auf die Strangoberfläche aufzubringende Kühlmittelmenge, der chemischen Analyse des Metalles sowie der örtlichen Temperaturgeschichte des Stranges anzupassen. Hierdurch kann gezielt eine gewünschte Gefügestruktur im weitesten Sinn (Korngröße, Phasenausbildung, Ausscheidungen) im oberflächennahen Bereich io des Stranges erreicht werden.

Vorzugsweise ist in das Rechenmodell ein kontinuierliches Phasen-Umwandlungsmodell des Metalles integriert, insbesondere nach Avrami. 15 Die Avrami-Gleichung beschreibt in ihrer allgemeinen Form alle diffusionsgesteuerten Umwandlungsvorgänge für die jeweilige Temperatur unter isothermen Bedingungen. Durch Berücksichtigung dieser Gleichung im Rechenmodell können ganz gezielt beim Stahl-Stranggießen Ferrit-, Perlit- und Bainit-Anteile eingestellt werden, u.zw. auch unter Berücksichtigung einer Haltezeit bei bestimmter Temperatur. 20

Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rechenmodell thermische Zustandsänderungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Oberflächentemperatur, der Mittentemperatur, der Schalenstärke, durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung und Lösen einer die Ausscheidungskinetik, insbesondere nichtmetallischer und intermetallischer 25 Ausscheidungen, beschreibenden Gleichung ständig mitgerechnet werden und die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes mindestens einer der thermodynamischen Zustandsgrößen eingestellt wird, wobei für die Simulation die Strangdicke und die chemische Analyse des Metalles sowie die ständig gemessene Gießgeschwindigkeit berücksichtigt werden, wobei vorteilhaft die Ausscheidungskinetik aufgrund freier Phasenenergie und Keimbildung 30 und Verwendung thermodynamischer Grundgrößen, insbesondere der Gibb'schen Energie, und das Keimwachstum nach Zener in das Rechenmodell integriert ist.

Zweckmäßig werden auch Gefügemengenverhältnisse in Gleichgewichtszuständen gemäß Mehrstoffsystem-Diagrammen, insbesondere gemäß Fe-C-Diagramm, in das Rechenmodell 35 integriert.

Vorzugsweise sind in das Rechenmodell Kornwachstumseigenschaften, insbesondere unter Berücksichtigung von Rekristallisation des Metalles, integriert. Hierbei kann eine dynamische und/oder verzögerte und/oder eine post-Rekristallisation, d.h. eine Rekristallisation, die später 40 in einem Ofen stattfindet, im Rechenmodell berücksichtigt werden.

Vorzugsweise wird als die Gefügeausbildung beeinflussende Variable des Stranggießens eine während des Ausförderns des Stranges stattfindende Dickenreduktion vor und/oder nach Durcherstarrung des Stranges zusätzlich zur den Strang beaufschlagenden spezifischen Kühl-45 mittelmenge on-line eingestellt, so daß auch während des Stranggießens stattfindende thermodynamische Walzungen, beispielsweise Hochtemperatur-thermodynamische Walzungen bei einer Oberflächentemperatur größer Ac3 berücksichtigt werden können.

Weiters wird vorzugsweise mit dem Rechenmodell auch der mechanische Zustand, wie das so Verformungsverhalten, durch Lösen weiterer Modellgleichungen, insbesondere durch Lösen der Wärmeleitgleichung ständig mitgerechnet.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß mengenmäßig definierte Phasenanteile durch Aufbringen on-line errechneter spezifischer Strang-Kühlmittelmengen vor 55 und/oder nach der Durcherstarrung des Stranges eingestellt werden. 6

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Weiters wird zweckmäßig ein definiertes Gefüge durch Aufbringen einer on-line errechneten Strangverformung vor und/oder nach der Durcherstarrung des Stranges, welche eine Rekristallisation des Gefüges bewirkt, eingestellt. 5 Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die zur das Stranggießen abschließende Phasenumwandlung mit Einstellung eines mengenmäßig definierten Phasenanteiles des Stranges errechnete spezifische Strang-Kühlmittelmenge nach Durcherstarrung des Stranges im Endbereich einer Sekundärkühlzone in einer eine verstärkte Kühlung bewirkenden Kühlzone eingestellt wird. 10

Die Erfindung ist nachfolgend für das Stahlstranggießen näher erläutert. Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für andere Metalle kann analog zu den nachstehenden Ausführungen vorgenommen werden. 15 Das erfindungsgemäß zu verwendende Rechenmodell läßt aufgrund einer vorgegebenen chemischen Analyse des Stahls, der Austenitkorngröße und der Temperaturgeschichte des Stranges sämtliche Umwandlungstemperaturen und -daten, die zur Vorhersage und Beschreibung der Umwandlungsvorgänge für die Phasenanteile Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit notwendig sind, berechnen. 20

Hierfür wird zunächst ein Kohlenstoffäquivalent für die einzelnen Legierungsbestandteile errechnet. Daraus ergeben sich analysenabhängige Starttemperaturen für die Ferritumwandlung, für die Perlitumwandlung, die Bainitbildung und die Martensitbildung (aufgrund des Eisen/Koh-lenstoff-Diagramms). 25

Aufgrund der Avrami-Gleichung, die in ihrer allgemeinen Form alle diffusionsgesteuerten Umwandlungsvorgänge für die jeweilige Temperatur unter isothermen Bedingungen beschreibt, lassen sich Grundgleichungen für die Umwandlungskurven ermitteln. 30 X = 1 - exp(-b-tn) worin X der Mengenanteil der umgewandelten Phase und b und n Parameter bedeuten, die abhängig sind von der Keimbildung und dem Wachstum der gebildeten Phase. Diese Parameter b und n sind analysenabhängig und können durch Dilatometer-Versuche bestimmt werden. 35 Im Zusammenhang mit ZTU-Diagrammen lassen sich mit Hilfe der Avrami-Gleichung sowohl die Start- und die Endzeit als auch die Temperatur für die Ferrit-, Perlit- und Bainit-Umwandlung unter isothermischen Bedingungen berechnen.

Um nicht-isothermische Umwandlungen zu berücksichtigen, also die in der Stranggießanlage 40 stattfindende - gegebenenfalls auch ungleichmäßig stattfindende - Kühlung des Stranges voll berücksichtigen zu können, wird aufgrund der im Rechner gespeicherten ZTU-Schaubilder und der Abhängigkeit der Temperatur als eine Funktion der Zeit der Anteil an umgewandeltem Material berechnet, u.zw. durch eine Integration der Avrami-Gleichung über die Kühlzeit des Stranges (vgl. T.T. Pham, E.B. Hawbolt, J.K. Brimacombe: "Preciding the onset of transformati-45 on under non continuous cooling conditions. II Application to austenite - pearlite transformation", Met. Mat. Trans. A, 26A, pp. 1993-2000,1995). X(t) = q$T)[1*exp(-b-tn)]-dt so wobei ts(T) eine virtuelle Beginnzeit der Umwandlung bei einer Temperatur T in Übereinstimmung zur tatsächlich umgewandelten Menge bedeutet. Für diesen Berechnungsalgorithmus wird die Temperatur als Funktion der Zeit definiert. Da der berechnete Umwandlungs- bzw. Ausscheidungsanteil nach Avrami keine Auskunft über die 55 tatsächlichen Gefüge/Mengen-Verhältnisse gibt, sondern lediglich erkennen läßt, ob und wie /

AT 413 951 B der Gleichgewichtszustand erreicht wird, werden zur Bestimmung des Gefügeanteils die Umwandlungsanteile auf die Gleichgewichtslinien aus dem Eisen/Kohlenstoff-Diagramm bezogen und ebenfalls im Rechenmodell berücksichtigt. 5 Keimbildungsvorgänge werden aufgrund der chemischen Gibb'schen Energie bzw. Phasenenergie im Rechenmodell berücksichtigt (nachstehend für Aluminiumnitride gezeigt). AGchem = AG°ain - R · T · (In X%+ In X°) 10 wobei G°Ain die Standard Gibb'sche Energie für die Bildung von AIN, Χαϊ der Molanteil von Aluminium im Austenitvolumen und X„ der Durchschnittsstickstoffgehalt bedeuten. Die Keimbildungsrate läßt sich wie folgt berechnen: r "\ 15 I= S - D A, - XAI-exp worin S die Dichte der Keimbildung im Austenit bedeutet. 20 ÄGcrit = 16-77

^Gchem 2 Vain J 25 gibt die Bedingung für die Keimbildung wieder. Hierin ist σ die Austenit/AIN-Grenzflächenenergie. kB ist die Boltzmannkonstante und DAi das Ausbreitungsvermögen von Aluminium in Austenit.

Das Keimwachstum wird nach Zener berücksichtigt (z.B. abgehandelt in J.S. Kirkaldy, "Diffusion 30 in the Condensed state", The Universities Press, Belfast, 1985).

Das Rechenverfahren geht in zwei Hauptstufen vor sich. In der ersten Stufe wird die Anzahl der aktuell gebildeten Keime bestimmt und in der zweiten Stufe wird das Wachstum aller vorhergehend gebildeten Ausscheidungen berechnet. 35

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beiliegenden Figuren 1 und 2.

Gemäß Fig. 1 wird ein Stahlstrang 1 aus einer Stahlschmelze 2 mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung durch Gießen in einer Durchlaufkokille 3 gebildet. Die Stahlschmelze 40 2 wird aus einer Gießpfanne 4 über ein Zwischengefäß 5 und ein vom Zwischengefäß 5 mittels eines unter den in der Durchlaufkokille 3 gebildeten Gießspiegel reichenden Gießrohres 6 in die Durchlaufkokille 3 gegossen. Unterhalb der Durchlaufkokille 3 sind Strangführungsrollen 7 zur Abstützung des Stahlstranges 1 vorgesehen, der noch einen flüssigen Kern 8 und zunächst eine nur sehr dünne Strangschale 9 aufweist. 45

Der aus der Durchlaufkokille mit gerader Achse austretende Stahlstrang 1 wird in einer Biegezone 10 in eine Kreisbogenbahn 11 umgelenkt und in dieser ebenfalls durch Strangführungsrollen 7 gestützt. In einer der Kreisbogenbahn 11 nachfolgenden Richtzone 12 wird der Stahlstrang 1 wiederum geradegerichtet und über einen Auslaufrollgang ausgefördert oder direkt on-50 line dickenreduziert, z.B. mittels eines on-line angeordneten Walzgerüstes 13.

Zur Kühlung des Stahlstranges 1 wird dieser direkt oder indirekt - über mit einer Innenkühlung versehene Strangführungsrollen 7 - gekühlt, wodurch an seiner Oberfläche bis in einen gewissen Tiefenbereich eine bestimmte Temperatur eingestellt werden kann. 55

Claims (17)

1. 8 AT 413 951 B Die Versorgung des Stahlstranges 1 mit der für das gewünschte Gefüge des Stahlstranges 1 notwendigen Kühlmittelmenge erfolgt über einen geschlossenen oder offenen Regelkreis mittels eines Rechners 14. In den Rechner 14 werden Maschinendaten m, das Format f des Stahlstranges 1, Materialdaten, wie die chemische Analyse Stch der Stahlschmelze 2, der Gießzu-5 stand z, die Gießgeschwindigkeit v, die Flüssigstahltemperatur tn, mit der die Stahlschmelze 2 in die Durchlaufkokille 3 eintritt, sowie das gewünschte Gefüge α/γ und gegebenenfalls eine Verformung w des Stahlstranges 1, die am Wege der Strangführung durchgeführt wird, eingegeben. Diese Verformung kann z.B. auch durch das Geraderichten des Stahlstranges 1 in der Richtzone 12 gegeben sein. 10 In dem Rechner 14 wird anhand eines bruchmechanischen Rechenmodells, das die Rissempfindlichkeit des Gefüges und die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie berücksichtigt, und anhand eines thermo-mechanischen Rechenmodells, das die Temperaturanalyse aufgrund der Lösung der Wärmeleitungsgleichung ermöglicht, eine Soll-Wassermenge 15 Qs errechnet, u.zw. aufgrund der aktuellen, bereits aufgebrachten Wassermenge QA, die ebenfalls in den Rechner eingegeben wird. Die vom thermo-mechanischen Rechenmodell errechne-te aktuelle Temperatur TA und das errechnete aktuelle Spannungsfeld G werden dem bruchmechanischen Rechenmodell zugeführt und dieses errechnet laufend die Soll-Temperatur Ts, einen Rissbildungsindikator D, die gewünschte Gießgeschwindigkeit vs, sowie ggf. gewünschte 20 weitere, das Stranggießen beeinflussende Werte. Eine Lösung der Wärmeleitungsgleichung mittels eines Prozeßrechners ist Stand der Technik und z.B. in der DE-C2 - 44 17 808 für das Stranggießen ausführlich abgehandelt. Als eine Möglichkeit zur Lösung der Wärmeleitungsgleichung ist das Finite Differenzen Verfahren mit 25 Lagrangescher Beschreibungsweise angegeben. Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird zusätzlich ein metallurgisches Rechenmodell für den Rechner 14 herangezogen, das die Phasenumwandlungskinetik und Keimbildungskinetik berücksichtigt. Weiters berücksichtigt das metallurgische Rechenmodell die 30 aktuelle Stahlanalyse Stch, um unterschiedlichem Werkstoffverhalten gerecht zu werden. Die durch das thermo-mechanische Rechenmodell errechnete aktuelle Temperatur TA wird on-line dem bruchmechanischen Rechenmodell zugeführt, und dieses errechnet laufend die gewünschten Phasenanteile as, ys für das metallurgische Rechenmodell, das die Soll-Temperatur Ts errechnet, aufgrund der das thermo-mechanische Rechenmodell die Soll-Wassermenge Qs für 35 die einzelnen Strangkühlungsabschnitte errechnet und automatisch einstellt. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges, insbesondere eines Stahlstranges (1), wobei ein Strang (1) aus einer gekühlten Durchlaufkokille (3) ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille (3) nachgeordneten Strangstützeinrichtung (7, 11) gestützt und mit Kühlmittel gekühlt sowie gegebenenfalls dickenreduziert wird, wobei zur Ausbildung eines bestimmten Gefüges im gegossenen Strang das Stranggießen unter Zugrundelegung eines 45 die Belastung des Metalls während des Gießens und während des dabei stattfindenden Erstarrungsprozesses beschreibendes thermomechanisches Rechenmodell, mit dem online der Belastungszustand des Stranges berechnet wird, durchgeführt wird und die Werkstoffbelastung beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens, wie zum Beispiel die zur Kühlung des Stranges vorgesehene spezifische Kühlmittelmenge, on-line-dynamisch, d.h. so während des laufenden Gießens, eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines bestimmten rissfreien Gefüges ein die Rissempfindlichkeit des Gefüges und die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie beschreibendes Rechenmodell eingesetzt wird.
2. 2. Verfahren zum Stranggießen eines Metallstranges, insbesondere eines Stahlstranges (1), AT 413 951 B wobei ein Strang (1) aus einer gekühlten Durchlaufkokille (3) ausgezogen, in einer der Durchlaufkokille (3) nachgeordneten Strangstützeinrichtung (7, 11) gestützt und mit Kühlmittel gekühlt sowie gegebenenfalls dickenreduziert wird, wobei zur Ausbildung eines bestimmten Gefüges im gegossenen Strang das Stranggießen unter on-line Berechnung un-5 ter Zugrundelegung eines die Ausbildung des bestimmten Gefüges des Metalles beschrei benden thermomechanischen und metallurgischen Rechenmodells durchgeführt wird und die Werkstoffbelastung und die Gefügeausbildung beeinflussende Variable des Stranggießverfahrens, wie zum Beispiel die zur Kühlung des Stranges vorgesehene spezifische Kühlmittelmenge, on-line-dynamisch, d.h. während des laufenden Gießens, eingestellt io werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines bestimmten rissfreien Gefüges ein die Rissempfindlichkeit des Gefüges und die in der Struktur des Gefüges gespeicherte Rissbildungsenergie beschreibendes Rechenmodell eingesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Rechenmodell 15 ein auf der Bruchmechanik von Metallen basierendes Modell, insbesondere ein Modell für Risswachstum unter Kleinbereichsfließen, integriert ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Rechenmodell aufgrund einer vorgegebenen Metallanalyse, vorzugsweise Stahlanalyse, sowie auf- 20 grund der Phasenvolumsanteile, der aufgebrachten Deformationen und der Temperaturge schichte, die zur Beschreibung einer Rissbildung notwendigen Größen, wie die Energiefreisetzungsrate und der Risswiderstand, berechnet werden. 5. 25 Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Rechenmodell zunächst aus auf den Strang von außen aufgebrachten Lasten die Spannungs-Dehnungszustände an der Oberfläche des Stranges und im Stranginneren berechnet werden, worauf mit Hilfe einer Grundgleichung für die Energiefreisetzungsrate bei Risswachstum mit Kleinbereichsfließen abgeschätzt wird, wobei die Grundgleichung lautet: 30 hierin ist: 35 G die Energiefreisetzungsrate, E der Elastizitätsmodul, a eine vorhandene Defektgröße adie größte Hauptnormalspannung und Y ein Parameter, der den Einfluss eines mehrachsigen Spannungszustandes und die 40 Bauteilgeometrie berücksichtigt; dass weiters der Widerstand, den das Metall der Rissausbreitung entgegenhält, gemäß der Gleichung R=2y0 + 2 Ypi 45 bestimmt wird, worin R der Risswiderstand Yo die spezifische Oberflächenenergie und YPi die zur Erzeugung einer Rissoberfläche notwendige spezifische plastische Verfor-50 mungsarbeit sind, worauf G mit R verglichen wird und bei Überschreiten des R Wertes durch den G Wert oder bei Gleichheit dieser Werte korrigierend in das Stranggießverfahren eingegriffen wird.
5. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der spezifi- 55 sehen plastischen Verformungsarbeit yp, experimentelle Untersuchungen von Dimpel- Bruchoberflächen durch Vermessen von bei Kleinbereichsfließen gebildeten Rissen herangezogen werden, u.zw. gemäß der Gleichung Ypl =2 S · Om · h wobei om die mittlere Fließspannung des Werkstoffs, S ein Parameter, der sich aus der Dimpelform ergibt, und h die Dimpeltiefe sind.
6. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimpeltiefe aufgrund von wechselnden Phasenvolumsanteilen von z.B. Austenit und Ferrit, aufgrund von Temperaturunterschieden und aufgrund von Ausscheidungsmengen abgeschätzt wird.
7. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rechenmodell thermodynamische Zustandsänderungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Oberflächentemperatur, der Mittentemperatur, der Schalenstärke durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung und Lösen von einer die Phasen-Umwand-lungskinetik beschreibenden Gleichung ständig mitgerechnet werden und die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes mindestens einer der thermodynamischen Zustandsgrößen eingestellt wird, wobei für die Simulation die Strangdicke und die chemische Analyse des Metalles sowie die ständig gemessene Gießgeschwindigkeit berücksichtigt werden.
8. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in das Rechenmodell ein kontinuierliches Phasen-Umwandlungsmodell des Metalles integriert ist, insbesondere nach Av-rami.
9. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rechenmodell thermische Zustandsänderungen des gesamten Stranges, wie Änderungen der Oberflächentemperatur, der Mittentemperatur, der Schalenstärke, durch Lösen der Wärmeleitungsgleichung und Lösen einer die Ausscheidungskinetik, insbesondere nichtmetallischer und intermetallischer Ausscheidungen, beschreibenden Gleichung ständig mitgerechnet werden und die Kühlung des Stranges in Abhängigkeit des errechneten Wertes mindestens einer der thermodynamischen Zustandsgrößen eingestellt wird, wobei für die Simulation die Strangdicke und die chemische Analyse des Metalles sowie die ständig gemessene Gießgeschwindigkeit berücksichtigt werden.
10. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausscheidungskinetik aufgrund freier Phasenenergie und Keimbildung und Verwendung thermodynamischer Grundgrößen, insbesondere der Gibb'schen Energie, und das Keimwachstum nach Zener in das Rechenmodell integriert sind.
11. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch Gefügemengenverhältnisse in Gleichgewichtszuständen gemäß Mehrstoffsystem-Diagrammen, insbesondere gemäß Fe-C-Diagramm, in das Rechenmodell integriert sind.
12. 13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in das Rechenmodell Kornwachstumseigenschaften, insbesondere unter Berücksichtigung von Rekristallisation des Metalles, integriert sind.
13. 14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als die Gefügeausbildung beeinflussende Variable des Stranggießens eine während des Ausförderns des Stranges stattfindende Dickenreduktion vor und/oder nach Durcherstarrung des Stranges zusätzlich zur den Strang beaufschlagenden spezifischen Kühlmittelmenge on-line eingestellt wird. 1 1 AT 413 951 B
14. 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Rechenmodell auch der mechanische Zustand, wie das Verformungsverhalten, durch Lösen weiterer Modellgleichungen, insbesondere durch Lösen der Wärmeleitgleichung, ständig mitgerechnet wird.
15. 16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mengenmäßig definierte Phasenanteile durch Aufbringen on-line errechneter spezifischer Strang-Kühlmittelmengen vor und/oder nach der Durcherstarrung des Stranges eingestellt werden.
16. 17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein definiertes Gefüge durch Aufbringen einer on-line errechneten Strangverformung vor und/oder nach der Durcherstarrung des Stranges, welche eine Rekristallisation des Gefüges bewirkt, eingestellt wird.
17. 18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine abschließende Phasenumwandlung, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer nachfolgenden Rückumwandlung, nach Durcherstarrung des Stranges in einer eine verstärkte Kühlung bewirkenden Kühlzone eingestellt wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen