Fachtagung “Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik” 6. – 8. September 2011, Ilmenau

UNTERSUCHUNG DES EINFLUSSES DER TAUCHROHRPOSITION UND KOKILLENBREITE BEIM KONTINUIERLICHEN STRANGGUSS VON DÜNNBRAMMEN MITTELS PIV

THE INFLUENCE OF THE SUBMERGED ENTRY NOZZLE’S POSITION AND THE MOLD WIDTH TO THE FLOWPATTERN IN THE CSP - MOULD INVESTIGATED BY PIV Rüdiger Bahrmann, Antje Rückert, Herbert Pfeifer RWTH Aachen University, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik, IOB Kopernikusstrasse 10, 52074 Aachen Einflusses der Tauchrohrposition, Dünnbrammenkokille, Asymmetrie Submerged Entry Nozzle’s Position, CSP - mould, Asymmetry Zusammenfassung Mittels physikalischer Simulation an einem Wassermodell (Maßstab 1:1) werden die Auswir-kungen von Positionsänderungen des Tauchrohres und Variation der Kokillenbreite auf die grundlegenden Strömungsstrukturen in einer CSP-Kokille untersucht. Im Herstellungspro-zess von Stahl ist es notwendig, diese Positionsänderungen durchzuführen, um die schla-ckebedingte Erosion am Tauchrohr über eine größere Fläche zu verteilen, und dadurch die punktuelle Erosion zu minimieren. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die Strömung asymmetrischen Strukturen unterworfen ist. Diese lassen sich durch eine Änderung der Ko-killenbreite beeinflussen. Einleitung Der in Deutschland hergestellte Rohstahl wird zu ca. 97% auf modernen Stranggießanlagen vergossen. Der technologische Stand der konventionellen Stranggießtechnik ist weit voran-geschritten. Dennoch erfordern die Veränderungen auf den Weltmärkten neue technologi-sche Wege. Vor allem der Energieverbrauch birgt großes Sparpotential. Zum Beispiel wird durch das endabmessungsnahe Gießen der Arbeitsschritt des Walzens bezüglich Zeit– und Energieaufwand reduziert. Die positiven Folgen für Umwelt und Wettbewerbsfähigkeit liegen auf der Hand. Der Dünnbrammenstrangguss birgt im Vergleich zum konventionellen Strangguss aber auch Nachteile. Beispielsweise erzeugt das Verfahren eine spezifisch größere Oberfläche beim Gießen bei gleichzeitig geringerem Strömungsvolumen in der Kokille, so dass an dieser Stel-le große Anstrengungen unternommen werden müssen, damit Produkte aus einer weiten Palette von Stahlsorten mit guter Oberfläche und gutem Reinheitsgrad erzeugt werden kön-nen. Strömungstechnische Untersuchungen in Schmelzen sind nur begrenzt möglich.

Da Schmelzen und Wasser annähernd die gleiche kinematische Viskosität (ʋStahl, 1550°C = 0,872 10-6 m2/s, ʋWasser, 20°C = 1,006 10-6 m2/s) und somit nahezu identische Fließeigenschaf-ten aufweisen, können laseroptische Messungen an Wassermodellen durchgeführt werden. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Form des Tauchrohres von entscheiden-der Bedeutung für die Strömung in der Kokille ist (siehe Hülstrung 2006 und Li-Wei 2006). Die Fluiddynamik in der Dünnbrammenkokille wurde auch schon von Torre-Alonso, E. 2008 und Yuan, Q. 2004 untersucht. Man fand beispielsweise heraus, dass diese Kokillenströ-mung einer gewissen Asymmetrie unterliegt. Es ist jedoch nicht klar, wie sich dieses Verhal-ten bei Einhaltung hoher Produktivität vermeiden lässt. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur Beantwortung der Frage nach den Einflüssen etwaiger unerwünschter Strömungsstrukturen in der Dünnbrammenkokille leisten. Versuchsstand und Versuchsdurchführung Bei dem am IOB verwendeten Wassermodell einer Kokille (Abb. 1) im Maßstab 1:1 handelt es sich um eine sog. CSP-Kokille für den Dünnbrammenstrangguß. Die Besonderheit dieser Kokille ist neben der Strangdicke von nur dS = 63 mm die trichterförmige Ausbuchtung an den Breitseiten im Bereich des Tauchrohres. Diese Aufweitung ist notwendig, um den Tauchausguss in die Kokillenschmelze eintauchen zu lassen. Des Weiteren hat man da-durch mehr Gestaltungsspielraum bezüglich der Form des Tauchausgusses.

Abb. 1: Wichtige Abmessungen der Kokille

Tabelle 1: Geometrische Daten der Kokille

a 100 mm e [335; 305; 255; 205] mm bS [1500; 2100] mm dS 63 mm lK 1900 mm tx 1100 mm ty 183 mm tz 850 mm

Die für die Versuche eingestellten Maße sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Dabei ist es wich-tig zu erwähnen, dass die Eintauchtiefe e und die Kokillenbreite bS entsprechend den Tabel-lenwerten variiert werden. Abbildung 2 zeigt den Schaltplan der Versuchsanlage. Nach dem Füllen der prozessrelevan-ten Anlagenteile (Verteiler, Kokille) wird über die Pumpe der Volumenstrom eingestellt. Im Experiment wird die Gießgeschwindigkeit im Intervall von c = 2.....7 m/min variiert. Nach dem Einstellen des Volumenstromes wird mittels der Stopfenregelung ein stationärer Zustand eingestellt. Dabei wird darauf geachtet, dass in der Kokille das Maß für die Entfernung des Wasserspiegels von der Oberkannte der Kokille genau eingehalten wird.

Abb. 2: Schaltplan des Versuchsstandes

Ähnlichkeitsbetrachtung Die Wiedergabe der Strömung im Modellversuch wird durch eine Wasserströmung in einem Plexiglasmodell der Originalkokille erreicht. Der Maßstab des Modells ist 1:1. Die dynami-sche Ähnlichkeit wird durch die gleichzeitige Einhaltung der Reynolds- (Re) und Froude-Zahl (Fr) erreicht. Die Reynoldszahl berechnet sich mit einer charakteristischen Länge und der

mittleren Durchströmgeschwindigkeit u :

d uRe

Die Froudezahl berechnet sich mit der mittleren Erdbeschleunigung g zu:

uFrg d

Anhand der Formeln kann man den Vorteil eines 1:1 Modells deutlich erkennen: Die beiden Ähnlichkeitskennzahlen können gleichzeitig eingehalten werden. Ergebnisse Bei den PIV-Messungen im Mittelschnitt der Breitseite wurden für jede Konfiguration 120 Doppelbilder mit einer Frequenz von f = 1 Hz gemacht. In Abbildung 3 sind die zeitgemittelten Geschwindigkeitsverteilungen für verschiedene Kokillenbreiten und Gießgeschwindigkeiten dargestellt.

x in mm

yin

mm

-1000 -500 0 500 1000

-800

-600

-400

-200

0

200 v in m/s32.72.42.11.81.51.20.90.60.30

bS=1500 mm; vG= 3m/min (284 l/min)

x in mm

yin

mm

-1000 -500 0 500 1000

-800

-600

-400

-200

0

200 v in m/s32.72.42.11.81.51.20.90.60.30

bS=2100 mm; vG= 3m/min (400 l/min)

x in mm

yin

mm

-1000 -500 0 500 1000

-800

-600

-400

-200

0

200 v in m/s32.72.42.11.81.51.20.90.60.30

bS=1500 mm; vG= 7m/min (662 l/min)

x in mm

yin

mm

-1000 -500 0 500 1000

-800

-600

-400

-200

0

200 v in m/s32.72.42.11.81.51.20.90.60.30

bS=2100 mm; vG= 7m/min (933 l/min)

Abb. 3: zeitgemittelte Geschwindigkeitsfelder in der Kokille für verschiedene Kokillenbreiten und

Gießgeschwindigkeiten

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Strömung in der breiteren Kokille starke Asymmetrien aufweist. Eine Erhöhung der Gießgeschwindigkeit hat augenscheinlich keinen Einfluss auf dieses Strömungsverhalten. Im Experiment wird keine Strangschalenbildung, bei der das Fluid an der Kokillenwand ein-friert, berücksichtigt. Bei der Herstellung von Stahlbrammen ist dieser Prozess jedoch essen-tiell. Es ist also wichtig, eine ruhige, gleichmäßige, symmetrische Strömung einzustellen, damit sich die Bramme gleichmäßig ausbilden kann. Eine ausgewogene Verteilung von unerwünschten, aber nicht zu vermeidenden nichtmetallischen Partikeln ist ebenfalls ein Qualitätsmerkmal, welches bei asymmetrischer Strömungsverteilung nicht gewährleistet werden kann. Das asymmetrische Verhalten soll im Folgenden näher untersucht werden. Es werden zwei Punkte, welche sich im Bezugssystem Kokille symmetrisch zueinander befinden, ausgewählt (siehe Abbildung 4). Sie befinden sich unmittelbar unter der freien Oberfläche.

Abb. 4: Lage der Messpunkte für die Geschwindigkeiten vL und vR Für diese Punkte werden nun die Beträge der Geschwindigkeiten vL und vR für den gesam-ten Messzeitraum der einzelnen Konfigurationen in Diagrammen aufgetragen (siehe Abbil-dung 5). Es wurden insbesondere drei Parameter variiert: Die Kokillenbreite bS, die Eintauchtiefe e das Tauchrohres und die Gießgeschwindigkeit c. Auf den ersten Blick ist deutlich zu erken-nen, dass die Verteilungen von vL und vR für die geringere Kokillenbreite ausgewogener sind. Die beiden Diagramme auf der linken Seite verkörpern daher ein nahezu symmetrisches Strömungsverhalten in der Kokille, während besonders bei breiter Kokille mit großer Ein-tauchtiefe des Tauchrohres starke Asymmetrien zu erkennen sind. Reduziert man die Ein-tauchtiefe des Tauchrohres, verursacht dies starke Fluktuationen der Geschwindigkeiten im Bereich der Messpunkte. Insgesamt kann die Strömung dann als sehr instabil bezeichnet werden. Beim Vergießen von Stahl ist die freie Oberfläche durch eine Schlackeschicht bedeckt. Diese verhindert beispielsweise den Luftkontakt der Stahlschmelze, da dies zu unerwünschten Oxidationsprodukten im Stahl führen würde. Bei den beschriebenen Fluktuationen an der Grenze zur Schlackeschicht kann es in Folge des Impulseintrags zum sogenannten Schla-ckeeinzug kommen, was sich ebenfalls negativ auf die Qualität des Stahls auswirkt. Bei der Betrachtung, der Diagramme für bS = 2100 mm stellt man fest, das oft gilt: vR > vL. Für andere Konfigurationen gilt jedoch auch: vR < vL. Ein systematischer Fehler an der Anla-ge, welcher das asymmetrische Verhalten verursachen könnte, kann also ausgeschlossen werden.

vR vL

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vL in m/s

v Rin

m/s

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

2 m/min (189 l/min)4 m/min (378 l/min)7 m/min (662 l/min)

#*

bS = 1500 mm; e = 335 mm

Symm

etriel

inie

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vL in m/s

v Rin

m/s

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

2 m/min (266 l/min)4 m/min (540 l/min)7 m/min (933 l/min)

#*

bS = 2100 mm; e = 335 mm

Symm

etriel

inie

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vL in m/s

v Rin

m/s

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.5

2 m/min (189 l/min)4 m/min (378 l/min)7 m/min (662 l/min)

#*

bS = 1500 mm; e = 205 mm

Symm

etriel

inie

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vL in m/s

v Rin

m/s

0 0.5 1 1.50

0.5

1

1.52 m/min (266 l/min)4 m/min (540 l/min)7 m/min (933 l/min)

#*

bS = 2100 mm; e = 205 mm

Symm

etriel

inie

Abb. 5: Verteilbungen der Geschwindigkeiten vL und vR bei verschiedenen Tauchrohrpositio-nen und Gießgeschwindigkeiten

Zusammenfassung und Bedeutung der Ergebnisse Es wurde das Strömungsfeld in einer Dünnbrammenkokille mittels PIV – Messungen unter-sucht. Es wurde beobachtet, dass die Strömungsstruktur Asymmetrien aufweist. Diese Phä-nomen weißt aufgrund der beiden Austrittsöffnungen des Tauchrohres zwei Freiheitsgrade auf, welche auch in den Messungen auftreten. Es konnte ein deutlicher Zusammenhang zwischen asymmetrischem Strömungsverhalten und Kokillenbreite festgestellt werden. Heutzutage wird das vorgestellte Verfahren für Kokil-lenbreiten von bis zu bS = 1600 mm verwendet. Besonders vor dem Hintergrund der Effi-zienzsteigerung ist man heute bestrebt die Breite bS zu vergrößern. Die vorgestellten Ergeb-nisse zeigen jedoch Grenzen der Dimensionierung von Dünnbrammenkokillen auf, da es gilt asymmetrische Strömungsstrukturen in der Kokille zu vermeiden. Denn damit reduziert man gleichzeitig die Möglichkeit von Schlackeeinzug, inhomogene Verteilung unerwünschter Par-tikel im ausgehärteten Strang (siehe Javurek 2005) und eine ungleichmäßige Strangscha-lenbildung.

Literatur Hülstrung, J.: "Entwicklung und Einsatz eines optimierten Tauchrohres für das Dünnbrammengießen unter Anwendung der numerischen Strömungsmechanik", Dissertation, Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik, RWTH Aachen, 2006 Li-Wei, Shen-Hou-Fa: “Influences of nozzle configuration on fluid flow in CSP mold“, Iron and Steel Vol. 41 (2006), p. 467/471 Torre-Alonso, E., Morales, R. D, Palafox-Ramos, J. Ramirez-Lopez, P.: "Oszillating Jet Flows in a Thin Slab Mold and their Influence on Meniscus Stability", Steel Research International Vol. 79 (2008), p. 553/563 Yuan, Q., Thomas, B. G., Vanka, S. P.: "Study of Transient Flow and Particle Transport in Continuous Steel Caster Molds: Part I. Fluid Flow", Metallurgical and Materials Transactions B, Proces Metallurgy and Materials Processing Science Vol. 35B (2004) p.685/702. Javurek, M., Rössler, R., Fürst, C.: „Simulations of nonmetallic inclusions in a continuous casting strand”, Steel Research Vol. 76 (2005), p. 64/70