Wärmeübertragung und Prozessoptimierung beim horizontalen Bandgießen von Stahl

Book, Nicolas, J., W.

doi:10.21268/20180426-155430

Dissertation Thu Apr 26 2018 CC BY 4.0

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Wärmeübertragung und Prozessoptimierung beim horizontalen Bandgießen von Stahl

Book, Nicolas J. W.

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Durch die steigenden marktwirtschaftlichen und politischen Anforderungen an die Stahlindustrie gewinnen weltweit neue Verfahren zur effizienteren Herstellung von Flachprodukten an Bedeutung. Zu diesen sogenannten endabmessungsnahen Gießverfahren (Near-Net-Shape Casting, NNSC) zählt die Direct Strip Casting (DSC) Technologie. Bei diesem Verfahren wird flüssiger Stahl auf ein horizontal umlaufendes Casterband gegeben. Es entsteht ein 10-15 mm dicker Strang, der die Gießmaschine nach Durcherstarrung als Gussband verlässt und anschließend unmittelbar zu Warmband gewalzt werden kann. Aufgrund der geringen Dicke unterliegt das Gussband bereits nach der Erstarrung hohen Anforderungen bezüglich geometrischer Gleichmäßigkeit und Oberflächengüte. Für ein erfolgreiches Inline-Warmwalzen sind Querschnittsunterschiede im Gussband unerwünscht. Bei Dickenschwankungen kann es aufgrund der anlagentechnischen Kopplung von Gießmaschine und Walzgerüst zu einem Gießabbruch kommen. Aus Vorversuchen an der Clausthaler Technikumsanlage konnte ein Zusammenhang zwischen den Abkühlbedingungen im frühen Erstarrungsstadium und Querschnittsgleichmäßigkeit der erstarrten Gussbänder nachgewiesen werden. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf Abkühl- und Umwandlungsvorgänge im Labormaßstab zu untersuchen, wird der erstarrungsrelevante Anlagenteil der Schmelzenaufgabe in einem Vakuuminduktionsofen nachgebildet. Es sollen Parametereinstellungen identifiziert werden, die einen vergleichmäßigenden Einfluss auf die Temperaturgradienten in der Kokillenwand (beim DSC-Verfahren: Casterband) und die daraus resultierenden Wärmestromdichten haben. Der verwendete Versuchsaufbau besteht aus einer unterseitig spritzwassergekühlten und mit speziell an die Versuchsbedingungen angepassten Thermoelementen instrumentierten Kupferplatte (Substrat), welche auf der Oberseite mithilfe seitlich angebrachter Feuerleichtsteinen zu einer rechteckigen Gießform eingegrenzt wird. Über ein Aufgabesystem wird Schmelze seitlich in die Form geleitet. Nach der Abgabe der Überhitzung erstarrt diese unter einer quasi-eindimensionalen Wärmeabgabe auf der Kupferplatte. Vier übereinander angeordneten Thermoelemente im Substrat liefern mithilfe der gemessenen Temperaturverläufe die durch das Substrat tretenden Wärmestromdichten zwischen Gussstück und Kühlwasser. Eine geometrische Vermessung der erstarrten Gussstücke ermöglicht die Untersuchung des Einflusses der Abkühlbedingungen auf die Probenquerschnitte. Die Experimente werden sowohl mit niedriglegierten Kohlenstoffschmelzen (C-Stahl) auch mit einer hochmanganhaltigen Güte (HSDR -Stahl) durchgeführt. Neben der Zusammensetzung der Kohlenstoffschmelzen (C-Gehalte) werden als Parameter die Substratstrukturierung (glatt & genoppt), sowie bei dem hochmanganhaltigen Stahl die Gießdicke, Atmosphären (Ar, Ar/H2, He & Grobvakuum) und Substratbeschichtungen (C, Al2O3, Manganablagerungen) variiert. Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede zwischen den Wärmestromdichten der Versuche unter Standardversuchsbedingungen und solchen mit veränderten Parametereinstellungen. Bei der Versuchsreihe C-Stahl bewirkt die Variation des Kohlenstoffgehalts Veränderungen im Ablauf der Phasenumwandlungen, welche sich in Schalenverwerfungen und den daraus resultierenden, veränderten Auflagebedingungen zur Substratfläche äußern. Eine Verbesserung konnte mithilfe der Substratstrukturierung herbeigeführt werden. Bei den HSDR -Versuchen liefern insbesondere die Versuche unter Ar/H2 und solche mit einer Graphitbeschichtung Verbesserungen hinsichtlich Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Wärmestromdichten. Die geometrische Qualität der Gussproben wird durch die Substratstrukturierung und den Einsatz von Ar/H2 deutlich verbessert

Due to increasing economic and political demands on steel producing companies, new technologies for a more efficient production of steel strip are gaining global significance. One example of these Near-Net-Shape Casting (NNSC) technologies is the Direct Strip Casting (DSC) process which has been developed at the Technical University of Clausthal, Germany. Here, liquid steel is fed onto the horizontal face of a water-cooled, circulating conveyor belt (caster belt). After solidification, a 10-15 mm thick steel strip exits the caster and is subsequently transformed into a hot-rolled strip by an inline-rolling stand. The small thickness before rolling puts a high demand on the cross-sectional uniformity and surface quality of the as-cast product. As a result of the direct coupling of casting and rolling operations, any geometrical irregularities in the transversal cross-sectional area of the strip may lead to major product defects or to an interruption of the casting operation. Preliminary trials conducted on the pilot caster at the Technical University of Clausthal have shown a relationship between the primary cooling conditions during the early stages of solidification and the cross-sectional quality of the as-cast strips. In order to investigate the in uence of casting parameters on cooling and transformational mechanisms within the strip, the solidification-related part of the machine is simulated in a laboratory-scaled casting apparatus. The aim is to identify parameter settings with a homogenized effect on temperature gradients within the wall of the mould (i.e. the caster belt) and thus the resulting heat ux densities from the strip to the mould. The experimental setup is placed into a vacuum induction furnace and consists of a bottom spray-cooled copper plate instrumented with specially modified thermocouples. Melt is fed into a casting form made of lightweight refractory bricks located on the aforementioned copper plate. After the rectangular form is filled, the melt solidifies under conditions of near-one-dimensional heat transfer. By measuring the temperatures between the hot and cold surface of the substrate using four vertically aligned thermocouples within the copper plate, heat ux densities between the casting and the cooling water are calculated. An evaluation of the geometrical quality of the as-cast samples via laser measurements allows a comparison between the cooling conditions and sample cross-sections. Experiments are conducted using carbon steel (C-Stahl) as well as high-manganese steel melts (HSDR -Stahl). Varied parameters include composition of the carbon steel melts, mould finish (smooth and nubby) and for the HSD experiments the casting thickness, atmosphere (Ar, Ar/H2, He and low vacuum) as well as different mould coatings (C, Al2O3 and natural manganese depositions). The results show significant differences between the heat ux densities in experiments cast under standard conditions and those with varied parameter settings. For carbon steel a variation of the carbon content leads to a change of phase transformations, which in return result in specific types of shell distortions. These distortions then alter the contact conditions between the casting and mould surface which ultimately lead to variations in heat transfer. A more uniform cooling was achieved using moulds with textured surfaces. As for the HSDR experiments, a higher reproducibility and smoothness of heat ux densities was recorded when casting under Ar/H2 and using graphite coatings. Significant geometrical improvements of the samples were obtained when using a textured mould finish and casting under Ar/H2.