Abbildung und betriebliche Validierung eines hybriden Heißrissbildungsmodells zur Qualitätsvorhersage in Brammenstranggießanlagen

Abbildung und betriebliche Validierung eines hybriden Heißrissbildungsmodells zur Qualitätsvorhersage in Brammenstranggießanlagen

Im Stranggießprozess wird die erstarrende Strangschale mechanischen Belastungen ausgesetzt. Summieren sich diese Belastungsbeiträge in der Anlage und überschreiten einen kritischen Wert, können in der entsprechenden Position Heißrisse und Heißrissseigerungen (HRS) an der Erstarrungsfront entstehen, die in weiterer Folge zu einer Beeinträchtigung der Produktqualität führen. Wesentliche Beiträge zur Verformung des Stranges liefern

  • das Ausbauchen des Stranges zwischen Stützrollen infolge des ferrostatischen Innendruckes (Bulging),
  • das Biegen und Richten des Schalenkastens mit flüssigem Kern,
  • lokale thermische Spannungen/Dehnungen in der Sekundärkühlzone durch defekte Kühldüsen,
  • die thermische Wiedererwärmung der Strangoberfläche bei milden Kühlstrategien,
  • der Versatz von Stützrollen durch mangelnde Anlagenwartung.

Am Lehrstuhl für Eisen- und Stahlmetallurgie wurde in vorangegangen Projekten das schnellrechnende 2D Erstarrungsmodell „m2CAST“ für Brammenstranggießanlagen entwickelt. Die Besonderheit liegt hierbei in einem „hybriden Ansatz“: Die Berechnung erfolgt zwar „offline“ in wenigen Minuten, allerdings werden aktuelle Daten der Anlage (lokale Wärmeübergange, Messungen von Rollenversatz, Mold Monitoring) in der Software verarbeitet, um aus den Ergebnissen auf die finale Produktqualität zu schließen. Oberste Priorität hat der kritische Abgleich der Ergebnisse mit der Qualitätsanalyse des Stahlwerkes. Erste Korrelationen zwischen peritektischen Stahlgüten und beobachteten Temperaturschwankungen in der Kokille (Mold monitoring) lieferten dabei vielversprechende Ergebnisse.

In Kooperation mit voestalpine Stahl Linz GmbH soll die entwickelte Systematik auf die Vorhersage der Bildung von HRS in Brammenstranggießanlagen angewandt werden. Dabei soll ein bereits bestehendes HRS Modell in m2CAST implementiert werden und die Möglichkeit bieten, aktuelle Anlagendaten zu berücksichtigen. Das Modell wird mit Betriebsdaten (Tiefätzplatten) des Industriepartners validiert. Die ausgeschriebene Masterarbeit ist dabei in folgende Pakete strukturiert:

  • 2D Erstarrungsmodell: Adaptierung wesentlicher MATLAB Codeelemente des Post-processings von m2CAST in JAVA als Input für das Heißrissbildungsmodell:
    • Schalenwachstum und Temperaturverteilungen,
    • Erstarrungskenngrößen (lokale Erstarrungszeit und Kühlrate, Temperaturgradienten an der Phasengrenzfläche Fest/Flüssig und Wachstumsgeschwindigkeiten),
    • Anlagenkonfiguration (Rollenabstände, Biegeradien),
    • aktueller Anlagenzustand (Rollenversatz),
    • Berechnung von Dehnungen mit empirischen Formeln aus der Literatur,
    • Entwicklung einer ersten Grafischen Benutzeroberfläche (GUI) mit JAVA.
  • Case studies: Erstarrungssimulationen und Dehnungsanalyse zweier Stranggießanlagen (CC6 und CC7)
    • Implementierung eines hybriden Heißrissindikators – bzw. modells,
    • Berechnungen mit unterschiedlichen Ist-Kühlstrategien,
    • Bestimmung kritischer Dehnungen und Validierung der Simulationen mit Ergebnissen aus Tiefätzplatten.
  • Zusammenfassung der Ergebnisse in einer Masterarbeit.

Beginn:

Q1/2021

Industry Partners

Advisors

Christian Bernhard

Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont.
Vice-Head of Institute - Secondary Metallurgy and Casting

Michael Bernhard

Dipl.-Ing.
PhD-candidate - Thermodynamics of Steels
2020-12-04T13:40:12+01:00