TY - THES

T1 - Untersuchung von Erstarrungsphänomenen im Blockguss

AU - Penz, Florian

N1 - gesperrt bis 22-05-2020

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - Die Qualitätsansprüche bei hochwertigen Stahlgüten erfordern einen hohen Reinheitsgrad sowie ein möglichst chemisch und physikalisch homogenes Gefüge. Aufgrund der unterschiedlichen Abkühlbedingungen im Blockguss bilden sich erstarrungsbedingte Phänomene aus, die auf verschiedenen physikalischen und thermodynamischen Ursachen beruhen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es diese Erstarrungsphänomene anhand unterschiedlicher Analysemethoden zu untersuchen sowie mittels Simulation eine gezielte Beeinflussung hinsichtlich Erstarrungszeit und Porositätsverteilung zu erreichen. Dazu wurden zwei, mit verschiedenen Abdeckpulvern behandelte Rohblöcke eines Cr – Mo – legierten Vergütungsstahls auf ihre Erstarrungsstruktur und Einschlusslandschaft untersucht. In beiden Blöcken wurden Proben über die Blockbreite und aus unterschiedlichen Höhenlagen untersucht, so dass eine Aussage über den Einfluss hinsichtlich Erstarrungsphänomene anhand der Position im Block sowie des Abdeckpulvers getroffen werden kann. Eine umfassende Literaturrecherche gibt Aufschluss über die Grundlagen der Erstarrung, den Aufbau und die Ausbildung der Blockstruktur sowie der nichtmetallischen Einschlüsse. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Recherche von numerischen Kriterien zur Beschreibung von Makroseigerungen und Porositäten. In ausgewählten Höhenlagen wurden mittels Auflichtmikroskopie die Primärstruktur sowie die Sekundärdendritenarmabstände ermittelt. In weiterer Folge sind anhand einer OES/PDA-Untersuchung die Konzentrationsverteilungen unterschiedlicher Elemente über die Blockbreite analysiert worden. Mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops mit integriertem EDX wurden ausgewählte Probenbereiche hinsichtlich des Gehalts, der Anzahl sowie der Größe und chemischen Zusammensetzung der nichtmetallischen Einschlüsse untersucht. In den Kapiteln der numerischen Simulation beschreibt eine Sensitivitätsanalyse den Einfluss von ausgewählten Programmparametern auf die Simulation des Blockes, sowie die Erstarrung. In einer abschließenden Parameterstudie erfolgte eine Variation von zuvor definierten Randbedingungen, um ihre Auswirkung auf die Porositätsverteilung und das Erstarrungsverhalten zu ermitteln. In den oberen Blockbereichen sind zwischen den beiden Blöcken geringfügige Unterschiede der Sekundärdendritenarmabstände und Primärstruktur ermittelt worden. Die Konzentrationsverläufe zeigen, dass das Abdeckpulver auf den unteren Blockabschnitt keine Auswirkungen bezüglich Seigerungen hat. Im oberen Bereich ergeben sich deutliche Unterschiede zwischen den Blöcken. Die REM/EDX-Analyse brachte zwischen den Blöcken konvektionsbedingte unterschiedliche Einschlussgehalte zum Vorschein. Es wurden keine signifikanten Veränderungen der chemischen Zusammensetzungen über die Blockbreite festgestellt. Mit der Sensitivitätsanalyse konnten die Netzgröße sowie bestimmte Anfangs- und Randbedingungen ermittelt werden, die eine Auswirkung auf die Simulation und das Erstarrungsverhalten zeigen. In der Parameterstudie ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Kokille und Stahl als wichtigsten Parameter identifiziert worden, um eine Veränderung der Erstarrungsstruktur vorzunehmen.

AB - Die Qualitätsansprüche bei hochwertigen Stahlgüten erfordern einen hohen Reinheitsgrad sowie ein möglichst chemisch und physikalisch homogenes Gefüge. Aufgrund der unterschiedlichen Abkühlbedingungen im Blockguss bilden sich erstarrungsbedingte Phänomene aus, die auf verschiedenen physikalischen und thermodynamischen Ursachen beruhen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es diese Erstarrungsphänomene anhand unterschiedlicher Analysemethoden zu untersuchen sowie mittels Simulation eine gezielte Beeinflussung hinsichtlich Erstarrungszeit und Porositätsverteilung zu erreichen. Dazu wurden zwei, mit verschiedenen Abdeckpulvern behandelte Rohblöcke eines Cr – Mo – legierten Vergütungsstahls auf ihre Erstarrungsstruktur und Einschlusslandschaft untersucht. In beiden Blöcken wurden Proben über die Blockbreite und aus unterschiedlichen Höhenlagen untersucht, so dass eine Aussage über den Einfluss hinsichtlich Erstarrungsphänomene anhand der Position im Block sowie des Abdeckpulvers getroffen werden kann. Eine umfassende Literaturrecherche gibt Aufschluss über die Grundlagen der Erstarrung, den Aufbau und die Ausbildung der Blockstruktur sowie der nichtmetallischen Einschlüsse. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Recherche von numerischen Kriterien zur Beschreibung von Makroseigerungen und Porositäten. In ausgewählten Höhenlagen wurden mittels Auflichtmikroskopie die Primärstruktur sowie die Sekundärdendritenarmabstände ermittelt. In weiterer Folge sind anhand einer OES/PDA-Untersuchung die Konzentrationsverteilungen unterschiedlicher Elemente über die Blockbreite analysiert worden. Mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops mit integriertem EDX wurden ausgewählte Probenbereiche hinsichtlich des Gehalts, der Anzahl sowie der Größe und chemischen Zusammensetzung der nichtmetallischen Einschlüsse untersucht. In den Kapiteln der numerischen Simulation beschreibt eine Sensitivitätsanalyse den Einfluss von ausgewählten Programmparametern auf die Simulation des Blockes, sowie die Erstarrung. In einer abschließenden Parameterstudie erfolgte eine Variation von zuvor definierten Randbedingungen, um ihre Auswirkung auf die Porositätsverteilung und das Erstarrungsverhalten zu ermitteln. In den oberen Blockbereichen sind zwischen den beiden Blöcken geringfügige Unterschiede der Sekundärdendritenarmabstände und Primärstruktur ermittelt worden. Die Konzentrationsverläufe zeigen, dass das Abdeckpulver auf den unteren Blockabschnitt keine Auswirkungen bezüglich Seigerungen hat. Im oberen Bereich ergeben sich deutliche Unterschiede zwischen den Blöcken. Die REM/EDX-Analyse brachte zwischen den Blöcken konvektionsbedingte unterschiedliche Einschlussgehalte zum Vorschein. Es wurden keine signifikanten Veränderungen der chemischen Zusammensetzungen über die Blockbreite festgestellt. Mit der Sensitivitätsanalyse konnten die Netzgröße sowie bestimmte Anfangs- und Randbedingungen ermittelt werden, die eine Auswirkung auf die Simulation und das Erstarrungsverhalten zeigen. In der Parameterstudie ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Kokille und Stahl als wichtigsten Parameter identifiziert worden, um eine Veränderung der Erstarrungsstruktur vorzunehmen.

KW - Ingot casting

KW - Segregation

KW - Simulation

KW - Modelling

KW - Niyama

KW - Secondary dendrite arm spacing

KW - Porosity

KW - Non-metallic inclusions

KW - SEM/EDS

KW - OES-PDA

KW - Blockguss

KW - Seigerungen

KW - Simulation

KW - Modellierung

KW - Niyama

KW - Sekundärdendritenarmabstand

KW - Porositäten

KW - Nichtmetallische Einschlüsse

KW - REM/EDX

KW - OES-PDA

M3 - Masterarbeit

ER -