Untersuchung der Mechanismen zur strömungsinduzierten Emulgierung von Gießpulverschlacken in Stranggießkokillen

Bearbeiter:Dipl.-Ing. Anja Maiwald
Beginn:Januar 2009
Dauer:3 Jahre
Kooperationspartner:Prof. Scheller (Institut für Stahl- und Eisentechnologie, TU Bergakademie Freiberg)

Inhalt:

Flüssiger Stahl wird heute überwiegend im Stranggießverfahren verarbeitet. Ein wesentlicher Schritt im Herstellungsverfahren ist das kontinuierliche Vergießen des flüssigen Stahls über eine bodenlose, gekühlte Kokille, die durch eine Gießpulverschicht an der Schmelzenoberfläche gegenüber der Atmosphäre geschützt ist. Die Gießpulverschicht ist dabei teilweise zu flüssiger Schlacke aufgeschmolzen. In der Kokille selbst bildet sich eine komplexe, turbulente Strömung des flüssigen Stahls aus, die neben den kleinskaligen turbulenten Fluktuationen auch großskalige kohärente Oszillationen aufweist.

Die Interaktion der Stahlströmung und der Gießpulverschicht an der Phasengrenze kann zur Emulgierung von Schlackepartikeln im Stahl führen. Diese verursachen Oberflächen- und Innenfehler und damit zum Teil erhebliche Qualtitätseinbußen beim späteren Endprodukt. Allerdings sind die Wechselwirkungsprozesse zwischen der Stahlströmung und der Gießpulverschicht bisher nur in Ansätzen wissenschaftlich erfasst. Zusätzlich fehlen genaue Kenntnisse über die Stoffdaten der flüssigen Schlackephase für typische prozesstechnische Temperaturbereiche, um diese Wechselwirkungen aus strömungsmechanischer und stahlmetallurgischer Sicht beschreiben zu können.

Im Rahmen des Projekts wird deshalb der Emulgierungsvorgang der Schlacke in der metallischen Phase erforscht. Dazu werden die relevanten Stoffwerte von Schlacke (Dichte, Viskosität und Grenzflächenspannung) experimentell bestimmt, die stoff- und strömungsinduzierten Wechselwirkungen an der Phasengrenze zwischen Schlacke und Stahl bis hin zur Emulgierung von Schlackepartikeln in numerischen und experimentellen Modelluntersuchungen analysiert und die Mechanismen der Emulgierung in Stahl/Schlacke-Systemen beschrieben.


Abbildung 1: Strömungsmuster in der Kokille und deren Auswirkungen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    • A oszillierende Freistrahlen stromabwärts des Tauchrohrs ohne direkte Wirkung auf die Grenzfläche
    • B obere Rezirkulationsgebiete rechts und links des Tauchrohrs, die eine tangentiale Beschleunigung entlang der Grenzfläche induzieren (1)
    • C untere Rezirkulationsgebiete ohne direkte Wirkung auf die Grenzfläche
    • D Ablenkung der Freistrahlen an den Kokillenwänden, die eine schräge und senkrechte Anströmung der Grenzfläche verursachen (2+3)
    • (4) Nachlauf-Wirbel in der Nähe des Tauchrohrs, die zu einem Absenken und Einsaugen der Grenzfläche führen

Abbildung 2: Beginnende Emulgierung für ein Wasser/Öl-System bei tangentialer Anströmung der Grenzfläche (Modellversuch)

Experiment

 Simulation