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000760678 245__ $$aEffect of mechanical vibration on ingot solidification$$cvorgelegt von Magister der Ingenieurwissenschaften Shuai Niu$$honline
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000760678 5203_ $$aKornfeinung ist eine entscheidende Methode, um die mechanischen Eigenschaften und die Ermüdungsresistenz des Gussmaterials zu erhöhen. Die Erhöhung des Anteils globulitischer Körner kann die Qualität von Blöchen signifikant in Bezug auf das Erstarrungsgefüge erhöhen. Die Wirkung niedrigfrequenter Schwingungen auf das Erstarrungsgefüge wurde experimentell anhand eines NH4Cl-H2O-Modells und eines Heißgussmodells untersucht. Dazu wurden numerische Modelle auf der Grundlage der Finiten-Differenzen-Methode und der Zellularen-Automaten-Methode erstellt und anhand der experimentellen Daten evaluiert. Die experimentellen Ergebnisse des Wassermodells zeigen die Erstarrung einer 30 Gew.-% NH4Cl-H2O Lösung in einem rechteckigen Gefäß, welches an den Kurzseiten mit einer Alkohol-Trockeneismischung gekühlt wurde. Das Temperaturprofil der Lösung und unterschiedliche Erstarrungsphänomene, wie kolumnares und globulitisches Wachstum, kolumnare-globulitische-Übergänge, wurden zeitabhängig aufgezeichnet und ausgewertet. Zwei Blockgussserien wurden in experimentellen Heißgussmodellen mit 10 kg und 100 kg Blöcken durchgeführt. Die Wirkung mechanischer Schwingungen auf die erstarrende Stahlschmelze wurde in Abhängigkeit von wärmebedingten Effekten, dem Gussgefüge und der Ausscheidung bestimmt. Das Wärmetransportverhalten der Schmelze wurde zeit- und temperaturabhängig während der Erstarrung charakterisiert. Das Gussgefüge wurde durch das Heißätzverfahren und Baumannabzüge charakterisiert. Das Ausscheidungsprofil der Blöcke wurde diskutiert und durch Baumannabzüge sowie durch Rasterelektronenmikroskopie auf der Makro- und Mikroskala charakterisiert. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass ein effizienterer Wärmeübergang, ein höherer Anteil an gleichachsigen Körnern, eine niedrigere Makroseigerung und eine homogenere Mikrostruktur durch mechanische Schwingungen während der Erstarrung ausgelöst wurden. Die numerische Simulation der Entwicklung der Erstarrungsstruktur wurde durchgeführt, um die experimentellen Ergebnisse zu generalisieren und die Strukturen auf der Basis eines abstrahierenden mathematischen Modells vorherzusagen. Das Modell besteht aus zwei Komponenten: Die Finiten-Differenzen-Methode diente der Modellierung des makroskopischen Wärmetransportes in einem instationären 2-D-Temperaturfeld in erstarrendem Stahl. Die Zellulare-Automaten-Methode diente der Modellierung der Entstehung des Erstarrungsgefüges unter der Annahme unterschiedlicher Keimdichten. Die Modellierungsergebnisse wurden anhand der kornmorphologischen Daten der Heißgussexperimente validiert. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Heißgussexperimente und könnten für das Verständnis der Entwicklung des Erstarrungsgefüges genutzt werden.$$lger
000760678 520__ $$aGrain refinement is a critical method to improve the mechanical and anti-fatigue properties of castings. Increasing the fraction of equiaxed grains can remarkably improve the ingot quality regarding solidification structure, particularly the center line segregation. The effect of low-frequency mechanical vibration (MV) on the solidification structure was investigated and evaluated by experimental methods using water model as well as hot ingot casting model and numerical modelling by using Finite Difference and Cellular Automaton methods. Experimental results of the water model are presented for the solidification of a 30% NH4Cl-H2O solution inside a rectangular cavity cooled by a mixture of alcohol and dry ice blocks from the two narrow side walls. The temperature profile of the solution and various solidification phenomena such as columnar and equiaxed growth, CET (Columnar to Equiaxed Transition), sedimentation of the equiaxed grains were time-dependently recorded and analyzed. Furthermore, two series of ingot casting experimental hot models have been performed for ingots with the weight of 10 kg and 100 kg. The effect of mechanical vibration on solidifying steel melt was revealed from the aspects of thermal effect, as-cast structure and the degree of segregation. The heat transfer behavior was analyzed based on the time-dependently recorded temperature history of the melt during solidification. The as-cast structure was revealed by hot etching and sulfur prints. The segregation profile of the ingots was discussed and quantified by sulfur print and Electron Probe Micro Analysis (EPMA) in macro and micro scale. In summary, the results show that higher heat transfer efficiency, higher proportion of equiaxed grains, less degree of macro-segregation as well as homogeneous micro-structures can be obtained when mechanical vibration has been applied during solidification. Numerical simulation of the solidification structure evolution has been performed to generalize the experimental results and to predict the structures based on mathematical abstraction model. The model consists of two schemes: The Finite Difference Method (FDM) for simulation of the macroscopic heat transport of the unsteady 2D temperature field in solidifying steel and the Cellular Automaton (CA) method for simulating the evolution of as-cast structures assuming nucleus densities. The simulation results were validated by the hot model experiments regarding the grain morphology. The results of numerical modelling show obvious correlation to the experimental results and could be used for understanding the solidification structure evolution under various conditions.$$leng
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