TY - THES

T1 - Entwicklung eines 2D Erstarrungsmodells für das Stranggießen von Stahl

AU - Kavić, Daniel

N1 - nicht gesperrt

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Der Erstarrungsvorgang und die damit verbundenen Phänomene während des Stranggießens haben einen erheblichen Einfluss auf die Produktqualität. Je nach Stahlzusammensetzung, Gießformate und -parameter ändert sich der Verlauf der Wärmeabfuhr und das damit in Verbindung stehende Temperaturprofil. Aufgrund der Komplexität der Randbedingungen und den temperaturabhängigen Materialdaten, ist eine analytische Lösung hinsichtlich des sich einstellenden Temperaturfeldes nicht möglich. Quantitative Aussagen werden durch den Einsatz von numerischen Lösungsverfahren ermöglicht. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurde eine off-line Erstarrungssoftware, die in drei Bereiche (Pre-Processing, Solver und Post-Processing) unterteilt wird, implementiert. Das Pre-Processing Modul widmet sich der Auswahl, Visualisierung bzw. Generierung der geometrischen und thermischen Randbedingungen. Diese stellen im zweiten Abschnitt den Ausgangspunkt für die Erstarrungssimulation dar. Die geometrischen Randbedingungen (Kokillenlänge, Rollen- und Sprühkegelposition) entsprechen jenen der Stranggießanlage CC7 der voestalpine Stahl Linz GmbH. Die temperaturabhängigen Materialdaten konnten aus den beiden Softwareprodukten m²MAT bzw. IDS entnommen werden. Der Solver wurde unter dem Einsatz einer zweidimensionalen Finiten-Volumen Methode (FVM), gekoppelt mit der impliziten Methode der alterierenden Richtungen und der Enthalpiemethode, entwickelt. Außerdem wurde neben dem gleichmäßigen, ein ungleichmäßiges Gitter eingesetzt, wodurch die Rechenzeit verkürzt und die Rechengenauigkeit verbessert werden konnte. Die Ergebnisse des Solvers werden im Post-Processing Modul verarbeitet und ermöglichen eine detaillierte Untersuchung der Temperaturverteilung, des Schalenwachstums und der Wärmeübergangskoeffizienten entlang der gesamten Oberfläche der Primär- und Sekundärkühlzone. Für die Evaluierung wurden die Simulationsergebnisse einer Low Carbon Stahlgüte mit den entsprechenden geometrischen Prozessparametern, wie sie beim Vergießen an der CC7 definiert sind, evaluiert. Für die Primärkühlzone wurde ein Vergleich mit der Erstarrungssoftware calcoSoft-2D® unternommen. Die Richtigkeit der Berechnung für die Sekundärkühlzone konnte durch vorhandene Schleppelementmessungen überprüft werden. Durch die massive Beschleunigung der Berechnungszeiten stellt die vorliegende Arbeit einen Grundstein für die Entwicklung einer on-line fähigen Erstarrungssoftware dar.

AB - Der Erstarrungsvorgang und die damit verbundenen Phänomene während des Stranggießens haben einen erheblichen Einfluss auf die Produktqualität. Je nach Stahlzusammensetzung, Gießformate und -parameter ändert sich der Verlauf der Wärmeabfuhr und das damit in Verbindung stehende Temperaturprofil. Aufgrund der Komplexität der Randbedingungen und den temperaturabhängigen Materialdaten, ist eine analytische Lösung hinsichtlich des sich einstellenden Temperaturfeldes nicht möglich. Quantitative Aussagen werden durch den Einsatz von numerischen Lösungsverfahren ermöglicht. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurde eine off-line Erstarrungssoftware, die in drei Bereiche (Pre-Processing, Solver und Post-Processing) unterteilt wird, implementiert. Das Pre-Processing Modul widmet sich der Auswahl, Visualisierung bzw. Generierung der geometrischen und thermischen Randbedingungen. Diese stellen im zweiten Abschnitt den Ausgangspunkt für die Erstarrungssimulation dar. Die geometrischen Randbedingungen (Kokillenlänge, Rollen- und Sprühkegelposition) entsprechen jenen der Stranggießanlage CC7 der voestalpine Stahl Linz GmbH. Die temperaturabhängigen Materialdaten konnten aus den beiden Softwareprodukten m²MAT bzw. IDS entnommen werden. Der Solver wurde unter dem Einsatz einer zweidimensionalen Finiten-Volumen Methode (FVM), gekoppelt mit der impliziten Methode der alterierenden Richtungen und der Enthalpiemethode, entwickelt. Außerdem wurde neben dem gleichmäßigen, ein ungleichmäßiges Gitter eingesetzt, wodurch die Rechenzeit verkürzt und die Rechengenauigkeit verbessert werden konnte. Die Ergebnisse des Solvers werden im Post-Processing Modul verarbeitet und ermöglichen eine detaillierte Untersuchung der Temperaturverteilung, des Schalenwachstums und der Wärmeübergangskoeffizienten entlang der gesamten Oberfläche der Primär- und Sekundärkühlzone. Für die Evaluierung wurden die Simulationsergebnisse einer Low Carbon Stahlgüte mit den entsprechenden geometrischen Prozessparametern, wie sie beim Vergießen an der CC7 definiert sind, evaluiert. Für die Primärkühlzone wurde ein Vergleich mit der Erstarrungssoftware calcoSoft-2D® unternommen. Die Richtigkeit der Berechnung für die Sekundärkühlzone konnte durch vorhandene Schleppelementmessungen überprüft werden. Durch die massive Beschleunigung der Berechnungszeiten stellt die vorliegende Arbeit einen Grundstein für die Entwicklung einer on-line fähigen Erstarrungssoftware dar.

KW - Strangggießen

KW - Erstarrung

KW - Finite-Volumen-Verfahren

KW - continuous casting

KW - solidification

KW - finite volume method

U2 - 10.34901/mul.pub.2023.161

DO - 10.34901/mul.pub.2023.161

M3 - Masterarbeit

ER -