Reduzierung der Kopflunkerlänge bei großformatigen Vertikal- und Bogenstranggießanlagen durch numerische und experimentelle Untersuchungen

Hauenstein, Gian; Pfeifer, Herbert (Thesis advisor); Odenthal, Hans-Jürgen (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Durch die Entwicklung des Marktes von Langprodukten etablieren sich größere Gießformate und höhere Gießgeschwindigkeiten auf kontinuierlichen und halbkontinuierlichen Stranggießanlagen. Infolge von Dichteunterschieden zwischen der flüssigen und der festen Phase einer Stahlsorte schrumpft das Stahlvolumen beim Erstarren und Abkühlen. Beim kontinuierlichen Stranggießen macht sich dieses Schrumpfen als eine Formatquerschnittskontraktion von den Kokillenaustrittsabmessungen bis zu denjenigen im kalten Zustand bemerkbar. Nach dem regulären Stranggießen und dem Unterbrechen der Schmelzenzufuhr am Ende eines Gießvorgangs zeigt sich das Schrumpfen primär durch einen offenen Makrolunker - auch als Kopflunker bezeichnet - am Strangende. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Kopflunkerbildung großformatiger Stranggießanlagen zu untersuchen und die Kopflunkerlänge mit dem Hot-Top-Verfahren für das Stranggießen zu reduzieren. Die numerischen Untersuchungen und die Betriebsversuche wurden für eine Bogenstranggießanlage mit einem Gießradius von R=18 m, einem Vorblockdurchmesser von D=1000 mm und einer Gießgeschwindigkeit von v_c=0.12 m/min bis 0.14 m/min sowie den Stahlsorten 42CrMo4 (Werkstoffnummer 1.7225) und S355J2G3 (1.0570) durchgeführt. Für die numerische Untersuchung wurde ein transientes Finite Volumen Methode (FVM) Modell entwickelt, das die finale Strangerstarrung mit dem Schrumpfen bzw. der Kopflunkerbildung nach dem regulären Stranggießen berücksichtigt. Das Schrumpfen des Strangs wird mit dem Volume of Fluid (VOF) Mehrphasenmodell und dem Enthalpie-Porosität-Ansatz als Erstarrungsmodell berechnet. Es zeigte sich, dass der Kopflunker bei diesen Formaten ausgeprägt ist und dadurch das Ausbringen einer Stranggießanlage reduziert wird. Das Strangende mit dem Kopflunker muss vom qualitativ hochwertigen Strang abgetrennt und verschrottet werden. Durch diesen Materialverlust wird das Ausbringen verringert, was vor allem für halbkontinuierliche Stranggießanlagen von erheblicher Bedeutung ist. Beim kontinuierlichen Stranggießen von Vorblöcken mit dem Durchmesser D= 1000 mm bildet sich ein Kopflunker mit eine Länge von bis zu l_Kl≈2000 mm, was einem Verlust von 10 t Stahl entspricht. Die Kopflunkerlänge ist abhängig von Gießgeschwindigkeit, Kühlintensität und Stahlsorte. Das Hot-Top-Verfahren wurde in den Betriebsversuchen erfolgreich angewandt und die Kopflunkerlänge l_Kl wurde um rd. 25 % reduziert, was einer gewonnenen Stahlmenge von 3.1 t entspricht. Die simulierte Kopflunkerlänge ist rd. 5 % kleiner als die experimentell bestimmte Länge, was eine gute Übereinstimmung darstellt und validiert das Simulationsmodell. Mit dem Simulationsmodell wurde das Hot-Top-Verfahren in Bezug auf geometrischen Größen und Materialeigenschaften optimiert. Die wichtigsten Zusammenhänge für das Hot-Top-Verfahren beim Stranggießen wurden aufgezeigt. Das entwickelte Simulationsmodell kann für weitere Gießformate angewandt werden. Damit können die ökonomischen und ökologischen Aspekte für zukünftige großformatige Vertikal- und Bogenstranggießanlagen mit dem Hot-Top-Verfahren verbessert werden.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Hochtemperaturtechnik und Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik [525110]