Effect of mechanical vibration on ingot solidification

Niu, Shuai; Senk, Dieter Georg (Thesis advisor); Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor); Tacke, Karl-Hermann (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Kornfeinung 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.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Gießereiwesen und Gießerei-Institut [526110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl [522310]

Identifikationsnummern

Downloads