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T1 - Programm- und Modellentwicklung zur Simulation von Makroseigerungsentstehungsphänomenen beim Brammenstranggießen von Stahl mit besonderem Augenmerk auf die Phänomene ″Feeding″ und ″Bulging″

AU - Mayer, Florian

N1 - nicht gesperrt

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - Beim Stranggießen von Stahl kommt es in der Bramme zu Konzentrationsinhomogenitäten der Legierungselemente, zur sogenannten Makroseigerung. Diese kann in der weiteren Fertigung vereinzelt zu geringerer Produktqualität führen und ist daher unerwünscht. Am Lehrstuhl für Simulation und Modellierung metallurgischer Prozesse (SMMP) des Departments Metallurgie der Montanuniversität wurde im Rahmen des Christian Doppler Labors (CDL) für Mehrphasensimulation metallurgischer Prozesse in Zusammenarbeit mit den Firmen SIEMENS VAI (voestalpine Industrieanlagenbau - seit 2015: Primetals Technologies), voest-alpine Stahl Linz (VASL) sowie voestalpine Stahl Donawitz (VASD) ein Modul umgesetzt, welches sich mit der Themenstellung ʺModellierung der verformungsinduzierten Verringerung von Makroseigerungen sowie Schrumpfungsporositäten während der Softreduktion von Stahlʺ beschäftigte. Die vorliegende Arbeit behandelt die Simulation des Stranggießprozesses für einen als binär angenommenen Kohlenstoffstahl St52 (0,18wt.%C). Dazu werden die theoretischen Grundlagen zur Makroseigerungsentstehung, welche oftmals mit Schrumpfungsporosität einhergeht, diskutiert und derzeit eingesetzte Prozesse zur Vermeidung dieser Materialinhomogenitäten angeführt. Mit Hilfe numerischer Simulation wird die Makroseigerungsentstehung mittels des Euler-Euler CFD-Mehrphasenansatzes (Volume Averaging Modell) untersucht. Dabei wird das Mehrphasenmodell von ANSYS/FLUENT unter Einbeziehung von User Defined Functions (UDF’s) für die Anwendung beim Stranggießen adaptiert. Im Speziellen wird die Massentransferratenermittlung erweitert, ein Durcher-starrungs- und Porenmodell sowie ein Modell zur Berücksichtigung der Strangausbauchung zwischen den Führungsrollen ("Bulging") für 101 Führungsrollenpaare implementiert. Um die Simulationsergebnisse mit tatsächlichen Seigerungsprofilen vergleichen bzw. validieren zu können, wird eine Möglichkeit erarbeitet, aus Mikrosondenwerten (Concentration Mapping) mittels eines MATLAB-Codes Konzentrationsprofile zu erhalten. Die beiden hauptverantwortlichen Phänomene für Makroseigerungsentstehung beim Brammenstranggießen von Stahl sind einerseits die durch die Erstarrungsschrumpfung bedingte Nachspeiseströmung (″Feeding″) und andererseits die durch ″Bulging″ entstehende Strömung. Die Auswirkung dieser beiden Phänomene auf die Makroseigerung im erstarrten Strang wird einzeln und gekoppelt untersucht und die erhaltenen Ergebnisse analysiert, verglichen, interpretiert und diskutiert. Die Geschwindigkeitsfelder sowie deren Auswirkung auf die Makroseigerung werden im Detail dargestellt und erörtert. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass es aufgrund der schrumpfungsbedingten Nachspeiseströmung zu einer negativen Zentrumsseigerung kommt, während "Bulging" zu einer positiven Zentrumsseigerung führt. Bei der Kopplung beider Phänomene überwiegt für die vorgegebenen Parameter die positive Zentrumsseigerung durch "Bulging", welche durch "Feeding" minimiert wird. Diese positive Makroseigerung im Zentrum stimmt mit den Messergebnissen überein und bestätigt qualitativ die Ergebnisse aus der Literatur für die Berechnung mit zwei bzw. sechs Rollenpaaren. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit ist es möglich, (i) die relative Geschwindigkeit im Strang durch Simulation zu ermitteln, (ii) die Phänomene der Makroseigerung abzubilden, (iii) die Zentrumsseigerung zu validieren und damit (iv) einen Einblick in die Erstarrung beim Stahlstranggießen zu erhalten.

AB - Beim Stranggießen von Stahl kommt es in der Bramme zu Konzentrationsinhomogenitäten der Legierungselemente, zur sogenannten Makroseigerung. Diese kann in der weiteren Fertigung vereinzelt zu geringerer Produktqualität führen und ist daher unerwünscht. Am Lehrstuhl für Simulation und Modellierung metallurgischer Prozesse (SMMP) des Departments Metallurgie der Montanuniversität wurde im Rahmen des Christian Doppler Labors (CDL) für Mehrphasensimulation metallurgischer Prozesse in Zusammenarbeit mit den Firmen SIEMENS VAI (voestalpine Industrieanlagenbau - seit 2015: Primetals Technologies), voest-alpine Stahl Linz (VASL) sowie voestalpine Stahl Donawitz (VASD) ein Modul umgesetzt, welches sich mit der Themenstellung ʺModellierung der verformungsinduzierten Verringerung von Makroseigerungen sowie Schrumpfungsporositäten während der Softreduktion von Stahlʺ beschäftigte. Die vorliegende Arbeit behandelt die Simulation des Stranggießprozesses für einen als binär angenommenen Kohlenstoffstahl St52 (0,18wt.%C). Dazu werden die theoretischen Grundlagen zur Makroseigerungsentstehung, welche oftmals mit Schrumpfungsporosität einhergeht, diskutiert und derzeit eingesetzte Prozesse zur Vermeidung dieser Materialinhomogenitäten angeführt. Mit Hilfe numerischer Simulation wird die Makroseigerungsentstehung mittels des Euler-Euler CFD-Mehrphasenansatzes (Volume Averaging Modell) untersucht. Dabei wird das Mehrphasenmodell von ANSYS/FLUENT unter Einbeziehung von User Defined Functions (UDF’s) für die Anwendung beim Stranggießen adaptiert. Im Speziellen wird die Massentransferratenermittlung erweitert, ein Durcher-starrungs- und Porenmodell sowie ein Modell zur Berücksichtigung der Strangausbauchung zwischen den Führungsrollen ("Bulging") für 101 Führungsrollenpaare implementiert. Um die Simulationsergebnisse mit tatsächlichen Seigerungsprofilen vergleichen bzw. validieren zu können, wird eine Möglichkeit erarbeitet, aus Mikrosondenwerten (Concentration Mapping) mittels eines MATLAB-Codes Konzentrationsprofile zu erhalten. Die beiden hauptverantwortlichen Phänomene für Makroseigerungsentstehung beim Brammenstranggießen von Stahl sind einerseits die durch die Erstarrungsschrumpfung bedingte Nachspeiseströmung (″Feeding″) und andererseits die durch ″Bulging″ entstehende Strömung. Die Auswirkung dieser beiden Phänomene auf die Makroseigerung im erstarrten Strang wird einzeln und gekoppelt untersucht und die erhaltenen Ergebnisse analysiert, verglichen, interpretiert und diskutiert. Die Geschwindigkeitsfelder sowie deren Auswirkung auf die Makroseigerung werden im Detail dargestellt und erörtert. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass es aufgrund der schrumpfungsbedingten Nachspeiseströmung zu einer negativen Zentrumsseigerung kommt, während "Bulging" zu einer positiven Zentrumsseigerung führt. Bei der Kopplung beider Phänomene überwiegt für die vorgegebenen Parameter die positive Zentrumsseigerung durch "Bulging", welche durch "Feeding" minimiert wird. Diese positive Makroseigerung im Zentrum stimmt mit den Messergebnissen überein und bestätigt qualitativ die Ergebnisse aus der Literatur für die Berechnung mit zwei bzw. sechs Rollenpaaren. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit ist es möglich, (i) die relative Geschwindigkeit im Strang durch Simulation zu ermitteln, (ii) die Phänomene der Makroseigerung abzubilden, (iii) die Zentrumsseigerung zu validieren und damit (iv) einen Einblick in die Erstarrung beim Stahlstranggießen zu erhalten.

KW - continuous casting

KW - simulation

KW - program- and model development

KW - macrosegregation

KW - phenomena of formation

KW - feeding

KW - bulging

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KW - Stranggießen

KW - Simulation

KW - Programm- und Modellentwicklung

KW - Makroseigerung

KW - Entstehungsphänomene

KW - Feeding

KW - Bulging

KW - Concentration Mapping

KW - Validierung

M3 - Dissertation

ER -