[发明专利]通过计算机模拟钢体积状态时间变化的方法和与之相对应的主题

说明书

本发明首先涉及通过计算机模拟钢体积状态的时间变化的方法，其中

-在计算机中通过一定数目的体积元模拟钢体积，

-对于每一个体积元钢体积状态在一个确定时刻包含以下的参量：该参量表征在该时刻在各自体积元内存在的焓和在该时刻在各自状态下钢处在奥氏体、铁素体和渗碳体相的份额，

-计算机针对至少一个体积元通过解导热方程式和状态变化方程式确定特征参量的时间变化。

此外本发明涉及一个数据载体，其具有一个存储在该数据载体上、用于实施如此模拟方法的计算机程序，并且涉及一个具有海量存储器的计算机，在该海量存储器中寄存计算机程序，如此计算机在调用计算机程序时执行如此模拟方法。

最后本发明还涉及一个用于影响实际钢体积温度的影响设备、特别是由如此计算机控制的冷却轧机，以及涉及经过如此影响设备的钢。

公知的这样的模拟方法和相应的主题。例如参见DE-B4-101 29565并且特别参见申请者的DE-B3-102 51-716。

金属温度模拟在钢加工的工艺自动化中特别重要。对此关于处在熔炉中或例如经过一个轧制过程或冷却过程的钢体积是否进行金属温度模拟原则上并不重要。对此在金属身上也可能在固体内部出现的相变给导热方程式的计算带来困难。如果要准确计算，则在确定金属体积状态的时间变化时必须考虑相变。

特别是钢，相变会出现延迟，因为产生的温度变化如此大，以致相变跟不上温度变化。目前这是通过在钢中添加的合金元素促成的。

这种延迟变换的原因(例如钢)在于在钢中存在碳。因为虽然碳相对容易溶解在奥氏体中，可是仅仅较小的、实际上可以忽略不计的范围内溶解在铁素体中。由此延迟了从奥氏体到铁素体的相变，因为在形成铁素体之前，碳首先必须逐渐扩散到奥氏体中。

可是奥氏体还可能形成另外的相，也就是渗碳体。渗碳体与铁素体一起共同形成一种混合相，其也称为珠光体。第一眼看上去非常模糊并且几乎绝望，在导热方程式中正确考虑如此复杂的过程。

在现有技术中，首先采取如下解决方式：

-显著简化相变的模拟。

-在近似温度变化曲线的预先计算中进行状态变化的模拟。然后记录相变。在傅立叶导热方程式中考虑通过热源在相变时的热变化。可是相变以热源的形式在傅立叶导热方程式上的耦合仅仅表面上解决了该问题。因为准确的研究表明，这种方案在物理上是错误的。热源独立确定参数特别明显表明这种错误，这在正确的解决方案中不是必须的。

从DE-B4-101 29 565中已知了一个显著改善的方案，在该方案中准确地使用导热方程式。可是状态转换等式仅仅适用于二态系统(例如奥氏体-铁素体系统)。不能直接扩展到三态系统(例如奥氏体-铁素体-渗碳体系统)。在那里的导热方程式中出现的参量热导率和温度也仅仅依赖于焓和相份额。对此对相份额的依赖性是充分的，因为在考虑纯二态系统的基础上隐含地从这种情形中得出第二相份额，即两个相份额的和必须是1。

在同样已经提到的DE-B3-102 51 716中热导率和温度是函数，其依赖于焓和所有已考虑相的份额。在三态系统中、例如在DE-B3-102 51 716中提到的、奥氏体-铁素体-渗碳体系统，热导率和温度也是依赖于焓和所有相的函数。

虽然与以前相比实现两个后面提到文献的方法的尝试导致了显著改善的结果。可是在根据模拟确定的、钢体积特性和对应的实际钢体积的实际特性之间仍然出现偏差。

本发明的技术问题在于：建立开始所述形式的模拟方法和与其相对应的主题，借助于该模拟方法能够高质量地模拟钢体积，其中同时为此所需的计算开销较低。

通过以下方式解决该技术为问题：特征参量之一是在各个体积元的奥氏体相中间隙元素的、在各个体积元内部位置不变的平均浓度。对此间隙元素是这样的元素，其在铁吸收时占据晶格间隙位置。例如间隙元素是碳和氮。置换元素与间隙元素不同。该元素在其晶格位置替换铁原子。例如置换元素是锰和镍。

事实上间隙元素的浓度在奥氏体相中是依赖位置的。因此严格地说在模拟方法的范围内必须考虑在奥氏体相中间隙元素的准确分布。可是这种优选措施导致极其高昂的计算开销，然而却几乎不影响模拟质量。

另外的特征参量主要是焓本身和在各自体积元内奥氏体相的份额。特别是不需要把相份额明确用作参数。

因为如果以pA、pF和pZ表示在各自的体积元内奥氏体、铁素体和渗碳体相的份额，则适用该关系式：

pF+pA+pZ＝1.    (1)