TY - THES

T1 - Anpassung von Mikroseigerungsmodellen durch Heißrissuntersuchungen an erstarrendem Stahl

AU - Bernhard, Michael Christian

N1 - gesperrt bis 02-11-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Die Erstarrung von Stählen führt zu Konzentrationsveränderungen auf mikroskopischer Ebene: Viele Begleit- und Legierungselemente lösen sich im flüssigen Stahl besser als im festen Stahl, was zu einem Konzentrationssprung an der Phasengrenze Fest/Flüssig führt. Dieses Phänomen wird als Mikroseigerung bezeichnet und wirkt prägend auf die Produktqualität, zum Beispiel die Ausbildung von Zentrumsseigerungen oder auch die Bildung von Heißrissseigerungen (HRS), im Stranggießprozess. Beim Stranggießen von Stahl wird die erstarrende Strangschale mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die Verformung der Strangschale kann zur Ausbildung von ausgeprägten Seigerungen zwischen Korngrenzen führen, die als Heißrissseigerungen bezeichnet werden und sich in weiteren Prozessschritten bis an die Oberfläche ausbreiten können oder auch zu unerwünschten Härtegefügen im Fertigprodukt führen können. Je höher der Gehalt an seigernden Elementen, desto größer ist auch die Empfindlichkeit einer Legierung gegenüber der HRS-Bildung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden DSC (Differential Scanning Calorimetry) Messergebnisse verwendet, um Stahllegierungen entsprechend ihres Kohlenstoffäquivalents einer Voreinteilung zu unterziehen und empirische Gleichungen zur Bestimmung der Liquidustemperatur zu evaluieren. Die analytische Lösung der Mikroseigerung mit der Gleichung von Ohnaka wird unter Verwendung von Verteilungskoeffizienten aus der Datenbank FSStel2015 (FactSage) mit Ergebnissen von Heißzugversuchen korreliert, um über eine breite Palette von Stahlzusammensetzungen berechnete und aus dem Heißzugversuch abgeleitete Solidustemperaturen kritisch zu vergleichen. Dieses Vorgehen erlaubt eine Feineinstellung der Verteilungskoeffizienten. Auf Basis der FSStel2015 Datenbank können auch die Gleichgewichtstemperaturen der Festphasenumwandlungen beschrieben und mit DSC-Messergebnissen hinterlegt werden. Unter Berücksichtigung der Legierungselemente und Phasenumwandlungstemperaturen werden thermophysikalische Materialdaten berechnet, die zur numerischen Simulation der Erstarrung notwendig sind. Schließlich werden die gewonnenen Erkenntnisse für die Vorhersage der Bildung von HRS im Stranggießprozess eingesetzt: Die numerische Simulation des Erstarrungsvorgangs sowie die anschließende Dehnungsanalyse erfolgen in einer 1D-FV in-house Software. In die Dehnungsanalyse fließen eigene Versuchsergebnisse und neue Erkenntnisse aus parallel betriebenen Forschungsarbeiten ein. Die Vorstellung der Akkumulierung von Dehnungen als Hauptursache der Bildung von HRS wird in einen on-line fähigen Heißrissbildungsindex implementiert. Für ausgewählte Gruppen von Stählen werden die HRS-Indizes mit kritischen Dehnungswerten abgeglichen und so eine Vorhersage über die Auswirkung von Gießparametern auf die HRS-Bildung in Brammen getroffen. Die erarbeitet Methodik wird eingesetzt um die numerischen Modelle in Zukunft auf weitere Stahlgruppen zu erweitern.

AB - Die Erstarrung von Stählen führt zu Konzentrationsveränderungen auf mikroskopischer Ebene: Viele Begleit- und Legierungselemente lösen sich im flüssigen Stahl besser als im festen Stahl, was zu einem Konzentrationssprung an der Phasengrenze Fest/Flüssig führt. Dieses Phänomen wird als Mikroseigerung bezeichnet und wirkt prägend auf die Produktqualität, zum Beispiel die Ausbildung von Zentrumsseigerungen oder auch die Bildung von Heißrissseigerungen (HRS), im Stranggießprozess. Beim Stranggießen von Stahl wird die erstarrende Strangschale mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die Verformung der Strangschale kann zur Ausbildung von ausgeprägten Seigerungen zwischen Korngrenzen führen, die als Heißrissseigerungen bezeichnet werden und sich in weiteren Prozessschritten bis an die Oberfläche ausbreiten können oder auch zu unerwünschten Härtegefügen im Fertigprodukt führen können. Je höher der Gehalt an seigernden Elementen, desto größer ist auch die Empfindlichkeit einer Legierung gegenüber der HRS-Bildung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden DSC (Differential Scanning Calorimetry) Messergebnisse verwendet, um Stahllegierungen entsprechend ihres Kohlenstoffäquivalents einer Voreinteilung zu unterziehen und empirische Gleichungen zur Bestimmung der Liquidustemperatur zu evaluieren. Die analytische Lösung der Mikroseigerung mit der Gleichung von Ohnaka wird unter Verwendung von Verteilungskoeffizienten aus der Datenbank FSStel2015 (FactSage) mit Ergebnissen von Heißzugversuchen korreliert, um über eine breite Palette von Stahlzusammensetzungen berechnete und aus dem Heißzugversuch abgeleitete Solidustemperaturen kritisch zu vergleichen. Dieses Vorgehen erlaubt eine Feineinstellung der Verteilungskoeffizienten. Auf Basis der FSStel2015 Datenbank können auch die Gleichgewichtstemperaturen der Festphasenumwandlungen beschrieben und mit DSC-Messergebnissen hinterlegt werden. Unter Berücksichtigung der Legierungselemente und Phasenumwandlungstemperaturen werden thermophysikalische Materialdaten berechnet, die zur numerischen Simulation der Erstarrung notwendig sind. Schließlich werden die gewonnenen Erkenntnisse für die Vorhersage der Bildung von HRS im Stranggießprozess eingesetzt: Die numerische Simulation des Erstarrungsvorgangs sowie die anschließende Dehnungsanalyse erfolgen in einer 1D-FV in-house Software. In die Dehnungsanalyse fließen eigene Versuchsergebnisse und neue Erkenntnisse aus parallel betriebenen Forschungsarbeiten ein. Die Vorstellung der Akkumulierung von Dehnungen als Hauptursache der Bildung von HRS wird in einen on-line fähigen Heißrissbildungsindex implementiert. Für ausgewählte Gruppen von Stählen werden die HRS-Indizes mit kritischen Dehnungswerten abgeglichen und so eine Vorhersage über die Auswirkung von Gießparametern auf die HRS-Bildung in Brammen getroffen. Die erarbeitet Methodik wird eingesetzt um die numerischen Modelle in Zukunft auf weitere Stahlgruppen zu erweitern.

KW - microsegregation

KW - continuous casting

KW - SSCT

KW - hot tearing

KW - solidification

KW - DSC

KW - liquidus temperature

KW - Mikroseigerung

KW - Stranggießen

KW - SSCT

KW - Heißrissbildung

KW - Erstarrung

KW - DSC

KW - Liquidustemperatur

M3 - Masterarbeit

ER -