Experimental and Numerical Investigations on Micro- and Macrosegregations in Continuously Cast Steel Slabs

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Seigerungsphänomene in stranggegossenem Stahl sowohl einer mikroskopischen, als auch einer makroskopischen Betrachtung unterzogen. Einerseits wird mithilfe von experimentell ermittelten, zweidimensionalen (2D) Mikroseigerungsverteilungen eine dreidimensionale (3D) dendritische Erstarrungsstruktur rekonstruiert. Andererseits wird die Entstehung von Makroseigerungen in einem 25 m langen Gießstrang unter Berücksichtigung industrieller Prozessbedingungen mittels numerischer Simulation untersucht. Für die 3D Rekonstruktion der dendritischen Erstarrungsstruktur wird mittels Mikrosondenanalyse auf einer Probenfläche von etwa 3 x 3 mm die Verteilung des Legierungselements Mangan ermittelt. Durch das wiederholte Abtragen der Probenoberfläche und das darauffolgende Analysieren der Manganverteilung erhält man eine Serie von 2D-Konzentrationskarten, die wiederum zu einem 3D-Konzentrationsfeld zusammengesetzt werden. Nachdem an diesem Feld rechnerische Korrekturen zur Berücksichtigung der Einflüsse von Krümmung und Temperaturgradienten vorgenommen werden, werden festgelegte Schwellwertkonzentrationen durch Flächen miteinander verbunden. Diese Isoflächen repräsentieren die dendritische Morphologie zu einem bestimmten Zeitpunkt der Erstarrung. Da die lokale Konzentration unmittelbar vom Erstarrungsfortschritt abhängt, kann durch die Erhöhung des Schwellwerts das Wachstum der Dendriten visualisiert werden. Die mit dieser Methode rekonstruierten Dendriten können in weiterer Folge zur Bestimmung grundlegende Eingabeparameter (z. B. Permeabilität, Deformationsverhalten) für die makroskopische Erstarrungssimulation dienen. Die Entstehung von Makroseigerungen beim Strangguss von Stahlbrammen wird mittels numerischer Strömungssimulation unter Verwendung eines Eulerschen Zweiphasenmodells untersucht. Jede der beiden Phasen, Schmelze und Festkörper, setzt sich aus den Legierungselementen Eisen und Kohlenstoff zusammen. Die Bewegung des Festkörpers wird durch analytische Beziehungen vorgegeben. Zu diesem Zweck wird die Deformationsgeschwindigkeit der Dendriten für den Bereich des Zweiphasengebiets („Mushy Zone“) in der Strangmitte anhand eines vereinfachten thermomechanischen Simulationsmodells ermittelt. Die Schmelzenströmung im Inneren des Gießstrangs wird von der Schrumpfung des Festkörpers während der Erstarrung sowie von dessen Deformation beeinflusst. Letztere wird durch das unerwünschte periodische Ausbauchen der Strangoberfläche („Bulging“) sowie durch die gezielte Verminderung des Strangquerschnitts („Mechanical Softreduction“, MSR) hervorgerufen. Mithilfe der durchgeführten Simulationen kann die Wirkung unterschiedlicher Prozessparameter auf die Entstehung von Zentrumsseigerungen ermittelt werden.

Details

Titel in ÜbersetzungExperimentelle und numerische Untersuchungen über Mikro- und Makroseigerungen in stranggegossenen Stahlbrammen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Ludwig, Andreas, Beurteiler A (intern)
  • Ratke, Lorenz, Beurteiler B (extern), Externe Person
StatusVeröffentlicht - 2014