TY - THES

T1 - Lokaler Wärmeübergang in der Kokille einer Brammenstranggießanlage auf Basis von Temperaturmessungen mittels Fiber-Bragg-Gitter

AU - Laschinger, Julian

N1 - gesperrt bis 31-08-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die Phänomene und Vorgänge in der Kokille einer Stranggießanlage haben entscheidende Auswirkungen auf die Produktqualität. In Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung verändert sich das Erstarrungsverhalten der Schmelze in der Kokille. Dementsprechend müssen die Eigenschaften des verwendeten Gießpulvers angepasst werden, um für die jeweilige Schmelze die adäquate Schmierung und Wärmeabfuhr sicherzustellen. Um qualitative Aussagen bezüglich der Vorgänge in der Kokille treffen zu können und eine Prozessüberwachung in der Kokille zu sichern, bedarf es eines umfangreichen Temperaturmesssystems in der Kokille. Damit lässt sich auch die lokal abgeführte Wärme quantifizieren und Rückschlüsse auf das Erstarrungsverhalten der betreffenden Schmelze ziehen. Im Zuge dieser Arbeit sollen anhand von Temperaturmesswerten aus dem Stranggießprozess Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) für verschiedene Kohlenstoffäquivalente errechnet werden. Diese können in numerischen Berechnungen als Randbedingungen dienen. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Breitseite einer Brammenstranggießanlage der voestalpine Stahl GmbH am Standort Linz mit einem faseroptischen Temperaturmesssystem, genannt Fiber-Bragg-Gitter, instrumentiert. Damit ist im Vergleich zu den üblicherweise verbauten Thermoelementen eine höhere Dichte an Temperaturmessstellen gegeben, was dem einfacheren Messaufbau geschuldet ist. Auf Basis dieser Temperaturmesswerte wurde mit der in der Arbeit festgehaltenen Berechnungsmethodik die lokal abgeführte Wärme quantifiziert. Diese Verteilung abgeführter Wärmestromdichten über die gesamte Breitseite der Anlage diente im Anschluss als Randbedingung für die Erstarrungsrechnung ausgewählter Schmelzen. Dafür wurde die Software calcosoft-2D herangezogen. Die thermophysikalischen Daten für die chemische Zusammensetzung der Schmelzen entsprangen einer in-house Software. Aus den Wärmestromdichten, den Kokillenoberflächentemperaturen und den Strangoberflächentemperaturen konnten die Wärmeübergangskoeffizienten berechnet werden. Dabei zeigte sich, dass High-Carbon Schmelzen vor allem unterhalb des Meniskus die höchsten Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen. Hyper-Peritektische Güten zeigen die geringsten HTCs und den gleichmäßigsten Abfall über die Kokillenhöhe. Diese Ergebnisse stehen in gutem Einklang mit den Erwartungen, welche auf Basis der jeweiligen Gießpulvereigenschaften getroffen werden können. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Ermittlung gesicherter Wärmeübergangskoeffizienten in der Kokille in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung.

AB - Die Phänomene und Vorgänge in der Kokille einer Stranggießanlage haben entscheidende Auswirkungen auf die Produktqualität. In Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung verändert sich das Erstarrungsverhalten der Schmelze in der Kokille. Dementsprechend müssen die Eigenschaften des verwendeten Gießpulvers angepasst werden, um für die jeweilige Schmelze die adäquate Schmierung und Wärmeabfuhr sicherzustellen. Um qualitative Aussagen bezüglich der Vorgänge in der Kokille treffen zu können und eine Prozessüberwachung in der Kokille zu sichern, bedarf es eines umfangreichen Temperaturmesssystems in der Kokille. Damit lässt sich auch die lokal abgeführte Wärme quantifizieren und Rückschlüsse auf das Erstarrungsverhalten der betreffenden Schmelze ziehen. Im Zuge dieser Arbeit sollen anhand von Temperaturmesswerten aus dem Stranggießprozess Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) für verschiedene Kohlenstoffäquivalente errechnet werden. Diese können in numerischen Berechnungen als Randbedingungen dienen. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Breitseite einer Brammenstranggießanlage der voestalpine Stahl GmbH am Standort Linz mit einem faseroptischen Temperaturmesssystem, genannt Fiber-Bragg-Gitter, instrumentiert. Damit ist im Vergleich zu den üblicherweise verbauten Thermoelementen eine höhere Dichte an Temperaturmessstellen gegeben, was dem einfacheren Messaufbau geschuldet ist. Auf Basis dieser Temperaturmesswerte wurde mit der in der Arbeit festgehaltenen Berechnungsmethodik die lokal abgeführte Wärme quantifiziert. Diese Verteilung abgeführter Wärmestromdichten über die gesamte Breitseite der Anlage diente im Anschluss als Randbedingung für die Erstarrungsrechnung ausgewählter Schmelzen. Dafür wurde die Software calcosoft-2D herangezogen. Die thermophysikalischen Daten für die chemische Zusammensetzung der Schmelzen entsprangen einer in-house Software. Aus den Wärmestromdichten, den Kokillenoberflächentemperaturen und den Strangoberflächentemperaturen konnten die Wärmeübergangskoeffizienten berechnet werden. Dabei zeigte sich, dass High-Carbon Schmelzen vor allem unterhalb des Meniskus die höchsten Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen. Hyper-Peritektische Güten zeigen die geringsten HTCs und den gleichmäßigsten Abfall über die Kokillenhöhe. Diese Ergebnisse stehen in gutem Einklang mit den Erwartungen, welche auf Basis der jeweiligen Gießpulvereigenschaften getroffen werden können. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Ermittlung gesicherter Wärmeübergangskoeffizienten in der Kokille in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung.

KW - Continuous casting

KW - Mold

KW - Heat transfer

KW - Heat transfer coefficient

KW - Stranggießen

KW - Kokille

KW - Wärmeübergang

KW - Wärmeübergangskoeffizient

M3 - Masterarbeit

ER -