Quality of as cast ingots with extreme large shapes

Chen, Zhiye; Bao, Yanping; Bührig-Polaczek, Andreas; Senk, Dieter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-014323

Quality of as cast ingots with extreme large shapes

Chen, Zhiye

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Zhiye Chen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang158, A10 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Senk, Dieter (Thesis advisor) ; Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Bao, Yanping (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-014323
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/464637/files/464637.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/464637/files/464637.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Qualität von gegossenen Blöcken und Stranggussprodukten werden vor allem vom Erstarrungsprozess gesteuert. Dazu ist die Untersuchung von Gießen und Erstarrung der Blöcke und Stranggussprodukte bei der Steuerung der Qualität der Gussprodukte, insbesondere Produkte mit extrem großer Maße von großer Bedeutung. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf den Erstarrungsprozess von großen Blöcken. Die komplexen Erstarrungsphänomene in großen Blöcken wurden mit Hilfe von drei Modellierungsmethoden, nämlich mit Heiß-, Kalt- und numerischem Modell, untersucht.Als Heißmodelle wurden zwei Reihe der Gießversuche für Blöcken mit Gewicht von 100 kg und 500 kg mit verschiedenen Parameterkombinationen durchgeführt. Die großen Blöcke mit einem Gewicht von 500 kg erstarrten langsam in einer spezieller isolierende Kokille mit Erstarrungszeiten von über mehreren Stunden; diese langsame Erstarrungsprozess kann die Erstarrung von großen Blöcken mit einem Gewicht zwischen 3 t und 6 t simulieren. Die Kühlkurven der Böcke wurden während der Erstarrung durch Thermoelemente gemessen und das Erstarrungsgefüge und Makroseigerung von gelösten Stoffen wurden ebenfalls quantifiziert. Auf dieser Basis wurde die Erstarrung von großen Blöcken untersucht, und drei Erstarrungsregime wurden vorgeschlagen und diskutiert. Im Metallurgischen Labor konnten deutliche A-Seigerungen erzeugt werden. Weiterhin werden eine Wassermodellierung (Kaltmodelle) mit NH4Cl-Lösung unter verschiedenen Kühlungsbdingungen und Lösungstemperaturen durchgeführt. Ein quasi 2-D-Wassermodell wurde mit Glas und Aluminium aufgebaut, wobei heiße gesättigte NH4Cl-Lösung eingegossen, gekühlt und dort kristallisiert wurde. Phänomene wie dendritisches Wachstum und Sedimentation der Kristalle stellen ähnliche Phänomene wie in großen Blöcken dar. Die NH4Cl-Lösung wurde als transparentes Analogon verwendet, um Informationen des Blockerstarrungsprozesses bereitzustellen. Ergänzend zu dem den experimentellen Arbeiten wurde die numerische Modellierung der Blockerstarrung durchgeführt. Ein Zwei-Phasen-Erstarrungsmodells wurde auf Basis von Volume-Averaging-Technik entwickelt. Das Modell wurde für die Erstarrung der Blöcke mit einem Gewicht von 100 kg und 500 kg aufgebracht, und die Simulationsergebnisse in Bezug auf Erstarrungsgefüge und Makrosegregation wurden mit den Versuchsergebnissen verglichen. Außerdem wurde ein Kanalseigerungsmodell zur Bestimmung der A-Seigerungsbildung entwickelt. Die Einflüsse des Kohlenstoffgehaltes und der Strömungsgeschwindigkeit der angereicherten Schmelze auf die Verbreiterung und das Schließen der Strömungskanäle wurden untersucht.Zusammenfassend wurde die Erstarrung von großen Blöcken experimentell und numerisch untersucht. Die Beziehung zwischen Erstarrungsgefüge, lokaler Erstarrungstriebkraft und Erstarrungsablauf großer Blöcken wurde intensiv untersucht, unter besonderer Berücksichtigung des Bildungsmechanismus der A-Seigerung.

The quality of as-cast ingots and continuous cast products are controlled by solidification process mainly. Regarding to this, investigation on casting and solidification process of ingots and continuous cast products is considerable important in control of the quality of as-cast products especially for products with extremely heavy weight like several hundred tons. The present work focuses on the solidification process of large ingots. The complex solidification phenomena in large ingots have been investigated by means of three modelling methods, namely hot modelling, cold modelling and numerical modelling. In hot modelling, two series of ingot casting experiments has been performed for ingots with weight of 100 kg and 500 kg with various parameter combinations. The large ingots with weight of 500 kg solidify slowly in a specially designed isolating mould with the solidification time over several hours, and this slow solidification process simulates the solidification of industrial scale large ingots with weight between 3 to 6 t. Cooling curves have been measured by thermocouples during solidification, and as-cast structure and macrosegregation of solutes have been quantified. Based on this, solidification in large ingots has been investigated and three solidification regimes have been suggested and discussed. A-type Segregations could be produced in the laboratory for detailed studies.Meanwhile, water modelling (cold modelling) by using NH4Cl solution has been conducted with different cool conditions and initial solution temperature. A quasi 2-D water model has been built up with glass and aluminium, where hot saturated NH4Cl solution are poured in and crystallized subjected to cooling conditions. During precipitation of solid NH4Cl, phenomena such as dendritic growth and sedimentation of crystals are similar to those in ingots solidification, therefore NH4Cl solution is used as transparent analog to provide information of the solidification process in large ingots. Besides the experimental work, numerical modelling of ingot solidification has been performed as well. A two-phase solidification model based on volume-averaging-technique has been developed. This solidification model has been applied for the ingots with weight of 100 kg and 500 kg, and the simulation results have been compared with the experimental results regarding as-cast structure and macrosegregation. Furthermore, a channel-segregation model has been developed for the determination of the A-type segregation formation. The effects of carbon concentration and flow velocity of the solute enriched melt on the widening and closing of the potential channel have been investigated. Overall, solidification in large ingots has been investigated experimentally and numerically. The relationship among as-cast structure, local solidification driving force and solidification sequence in large ingots has been intensively studied, and the formation mechanism of A-segregation has also been explored.

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