TY - BOOK

T1 - Multiphase modeling of as-solidified structure and macrosegregation in continuously cast round billet of large format

AU - Zheng, Yongjian

N1 - nicht gesperrt

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Die Vorteile von standardisierten Gießverfahren wie beispielsweise des Blockgusses oder Stranggusses können zusammengeführt werden, um neue Methoden zu entwickeln. Hierzu gehört der Gießprozess, welcher unter dem Akronym SCC (Semi-Continuous Casting) bekannt ist und ein wettbewerbsfähiges Gießverfahren für die moderne Industrie darstellt. Für einen optimalen Abguss müssen jedoch die Entstehungsmechanismen vom Gussgefüge, sowie Makroseigerung und Porositäten verstanden werden. Diesbezüglich wird in dieser Arbeit mithilfe eines 3-Phasen-Modells (mixed columnar-equiaxed) der SCC Prozess numerisch untersucht, um die zuvor genannten Problemstellungen zu analysieren und Verbesserungsvorschläge für die Industrie zu liefern. Das verwendete Modell wurde von Wu und Ludwig (2016) entwickelt, wobei eine Erweiterung des Grundmodells erforderlich war, um den SCC Prozess abzubilden. Zur Verifizierung und Validierung des erweiterten Modelles wurden verschiedene Testszenarien vom Laborexperiment bis zum Industrieversuch herangezogen. Folgende Modellerweiterungen wurden durchgeführt. 1) Die Betrachtung des Transportes von sogenannten Keimbildungsimpfmitteln (inoculants) in der flüssigen Schmelze; das Impfmittel dient als Keim für das Wachstum des neuen Kristalls. 2) Die Berücksichtigung der unterschiedlichen Phasengebiete, nämlich die Transformation vom Äquiaxial- zum Stängelkristallgefüge (Equiaxed-to-Columnar, ECT). 3) Eine neue Formulierung für die Kristallfragmentierung wurde auf Grundlage der Flemings Theorie entwickelt und implementiert. Die verwendeten Validierungsfälle sind experimenteller Natur. Das erste Experiment stellt einen plattenförmigen Abguss dar [Hachani et al., Int. J. Heat Mass Transfer, 85 (2015), p.438], welches mit einer Legierung aus Zinn und Blei umgesetzt wurde. Die Abkühlung der Schmelze wird kontrolliert, indem nur eine Seite des Abgusses abgekühlt wird. Das zweite Experiment, welches zur Validierung herangezogen worden ist, modelliert die Erstarrung einer Amoniumchloridlösung [Gao et al. MCWASP VIII, 1998, p.425]. Auch hier erfolgt die Erstarrung gerichtet, wodurch gezielte Aussagen über die Erstarrungsphasengebiete getroffen werden können. Die numerischen Ergebnisse ergaben eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten, sowohl qualitativ als auch quantitativ. Das numerische Modell wurde verwendet, um industrielle Prozesse abzubilden. Hierbei wurde eine vertikale Stranggießanlage betrachtet (Vertical continuous casting – VCC). Die numerische Vorhersage des Makroseigerungsprofils entlang des Durchmessers stimmt gut mit den experimentell erhaltenen Werten überein. Zudem wurden der elektromagnetische Rührer (EMS: electromagnetic stirrer) im Modell implementiert und für den SCC Prozess herangezogen. Des Weiteren wird hier die Funktion der Kristallfragmentierung im Modell berücksichtigt. Plausible Ergebnisse wurden erhalten. Zusammenfassend kann das 3-Phasen Modell (mixed columnar-equiaxed) mit erweiterten Funktionen für Erstarrungsvorgänge herangezogen werden, um die Industrieprozess (SCC und VCC) besser zu verstehen. Das Modell wurde mit Laborexperimenten, und einem Industrieversuch validiert. Weitere Validierungen sind wünschenswert.

AB - Die Vorteile von standardisierten Gießverfahren wie beispielsweise des Blockgusses oder Stranggusses können zusammengeführt werden, um neue Methoden zu entwickeln. Hierzu gehört der Gießprozess, welcher unter dem Akronym SCC (Semi-Continuous Casting) bekannt ist und ein wettbewerbsfähiges Gießverfahren für die moderne Industrie darstellt. Für einen optimalen Abguss müssen jedoch die Entstehungsmechanismen vom Gussgefüge, sowie Makroseigerung und Porositäten verstanden werden. Diesbezüglich wird in dieser Arbeit mithilfe eines 3-Phasen-Modells (mixed columnar-equiaxed) der SCC Prozess numerisch untersucht, um die zuvor genannten Problemstellungen zu analysieren und Verbesserungsvorschläge für die Industrie zu liefern. Das verwendete Modell wurde von Wu und Ludwig (2016) entwickelt, wobei eine Erweiterung des Grundmodells erforderlich war, um den SCC Prozess abzubilden. Zur Verifizierung und Validierung des erweiterten Modelles wurden verschiedene Testszenarien vom Laborexperiment bis zum Industrieversuch herangezogen. Folgende Modellerweiterungen wurden durchgeführt. 1) Die Betrachtung des Transportes von sogenannten Keimbildungsimpfmitteln (inoculants) in der flüssigen Schmelze; das Impfmittel dient als Keim für das Wachstum des neuen Kristalls. 2) Die Berücksichtigung der unterschiedlichen Phasengebiete, nämlich die Transformation vom Äquiaxial- zum Stängelkristallgefüge (Equiaxed-to-Columnar, ECT). 3) Eine neue Formulierung für die Kristallfragmentierung wurde auf Grundlage der Flemings Theorie entwickelt und implementiert. Die verwendeten Validierungsfälle sind experimenteller Natur. Das erste Experiment stellt einen plattenförmigen Abguss dar [Hachani et al., Int. J. Heat Mass Transfer, 85 (2015), p.438], welches mit einer Legierung aus Zinn und Blei umgesetzt wurde. Die Abkühlung der Schmelze wird kontrolliert, indem nur eine Seite des Abgusses abgekühlt wird. Das zweite Experiment, welches zur Validierung herangezogen worden ist, modelliert die Erstarrung einer Amoniumchloridlösung [Gao et al. MCWASP VIII, 1998, p.425]. Auch hier erfolgt die Erstarrung gerichtet, wodurch gezielte Aussagen über die Erstarrungsphasengebiete getroffen werden können. Die numerischen Ergebnisse ergaben eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten, sowohl qualitativ als auch quantitativ. Das numerische Modell wurde verwendet, um industrielle Prozesse abzubilden. Hierbei wurde eine vertikale Stranggießanlage betrachtet (Vertical continuous casting – VCC). Die numerische Vorhersage des Makroseigerungsprofils entlang des Durchmessers stimmt gut mit den experimentell erhaltenen Werten überein. Zudem wurden der elektromagnetische Rührer (EMS: electromagnetic stirrer) im Modell implementiert und für den SCC Prozess herangezogen. Des Weiteren wird hier die Funktion der Kristallfragmentierung im Modell berücksichtigt. Plausible Ergebnisse wurden erhalten. Zusammenfassend kann das 3-Phasen Modell (mixed columnar-equiaxed) mit erweiterten Funktionen für Erstarrungsvorgänge herangezogen werden, um die Industrieprozess (SCC und VCC) besser zu verstehen. Das Modell wurde mit Laborexperimenten, und einem Industrieversuch validiert. Weitere Validierungen sind wünschenswert.

KW - semi-continuous casting (SCC)

KW - vertical continuous casting (VCC)

KW - solidification

KW - round billet

KW - large format

KW - CET ；ECT ；structure ；macrosegregation

KW - semi-continuous casting (SCC)

KW - vertical continuous casting (VCC)

KW - solidification

KW - round billet

KW - large format

KW - CET ；ECT ；structure ；macrosegregation

M3 - Dissertation

ER -