Modeling microsegregation and nonmetallic inclusion formation based on thermodynamic databases

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Autoren

Abstract

In der Stahlherstellung kommt es bedingt durch Reaktionen von Legierungselementen mit gelöstem Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff zur Bildung von nichtmetallischen Einschlüssen. Diese beeinflussen in der Regel die Werkstoffeigenschaften, wie etwa Dauerfestigkeit oder Oberflächenbeschaffenheit, negativ. Ziel der Stahlhersteller ist es daher, sowohl Anzahl als auch Größe von nichtmetallischen Einschlüssen möglichst gering zu halten oder deren schädliche Wirkung durch gezielte Modifikation von Zusammensetzung oder Gestalt zu minimieren. Zunehmend bestätigen Forschungsergebnisse aber auch einen möglichen positiven Einfluss fein verteilter Einschlüsse als Kornfeinungsmittel oder heterogene Keimstellen. Unabhängig vom konkreten Anwendungsfall, nimmt die gezielte Einstellung von Einschlüssen hinsichtlich Größe, Form und Zusammensetzung eine Schlüsselrolle in der Herstellung hochqualitativer Stählen ein. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die rechnergestützte Lösung von Fragen der Einschlusskinetik. Unter Anwendung der thermodynamischen Bibliothek ChemApp wird ein Fortran Quellcode für kinetische Betrachtungen mit den thermodynamischen Datenbanken von FactSage verknüpft. Die kinetischen Berechnungen beinhalten die Anreicherung von gelösten Elementen während der Erstarrung als auch Keimbildung und Partikelwachstum. Mikroseigerungsberechnungen erfolgen numerisch auf Basis der analytischen Lösung von Ohnaka und unter Einbeziehung lokaler Verteilungskoeffizienten. Die Berücksichtigung von homogener Keimbildung und anschließendem Partikelwachstum ermöglicht die Simulation der Bildung von einphasigen Einschlüssen. In der vorliegenden Arbeit wurden Mangansulfide für die experimentelle Validierung der Simulationsergebnisse herangezogen. Basierend auf dem Simulationskonzept für einphasige Einschlüsse, erlaubt das entwickelte Modell auch die Berechnung konkurrierender Vorgänge der Bildung und Auflösung von mehrphasigen Einschlüssen während Abkühlung und Erstarrung. Die Einflüsse von Kühlrate und Stahlzusammensetzung auf die Entwicklung des Massenanteils komplexer Oxide als auch deren Größe, Zusammensetzung und Anzahl können experimentell sowie numerisch untersucht werden. Ein Vergleich zwischen Experiment und Simulation zeigt für einphasige Einschlüsse eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Auch betreffend mehrphasiger Einschlüsse sind die Ergebnisse äußerst aussagekräftig. Das entwickelte Modell soll zukünftig für die Konzeption experimenteller Bedingungen zur gezielten Adaptierung von nichtmetallischen Einschlüssen hinsichtlich verschiedener Fragestellungen aus dem Themengebiet „Inclusion Metallurgy“ verwendet werden.

Details

Titel in ÜbersetzungNumerische Simulation von Mikroseigerung und Einschlussbildung auf Basis thermodynamischer Datenbanken
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2017