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Main Title: Numerische Untersuchung der instationären Ausbauchung beim Stranggießen von Stahl
Translated Title: Numerical investigation of instationary bulging in continuous casting of steel
Author(s): Horbach, Ulrich
Advisor(s): Tacke, K. H.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Beim Brammenstranggießen von Stahl kommt es in der Anlage zwischen den Stützrollen aufgrund des ferrostatischen Druckes zur Verformung der Strangschale, der sogenannten Ausbauchung. Von wesentlichem Einfluß ist aufgrund der hohen Temperatur der Strangschale vor allem eine plastische (Kriech-) Verformung. Bei stationärem Gießbetrieb ergibt sich ein örtlich konstantes Krümmungsprofil der Strangschale. Instationäre Betriebsbedinungen führen dagegen zu einer instationären Kontur der Strangschale im Rollengerüst. Auf diese Weise ist das Volumen innerhalb des Schalenkastens zeitlich veränderlich, was sich bei entsprechender Intensität auch durch eine Schwankung des Gießspiegels in der Kokille bemerkbar machen kann. In jüngerer Zeit wird an schnellgießenden Anlagen eine periodische Schwankung des Gießspiegels beobachtet, deren Amplitude im Extremfall soweit ansteigen kann, daß es zu erheblichen Störungen des Gießbetriebes kommt. Die Frequenz der Oszillation entspricht dabei immer dem Verhältnis von Gießgeschwindigkeit zu einer charakteristischen Stützweite im Rollengerüst der Anlage, was auf einen Zusammenhang mit der instationären Ausbauchung hindeutet. Die theoretische Beschreibung dieser Beobachtung und der daraus abzuleitenden betrieblichen Konsequenzen ist das Thema der vorliegenden Arbeit. Der dazu betrachtete Abschnitt der Strangschale erstreckt sich über mehrere Stützweiten und wird hier als mehrfach abgestützter Biegebalken betrachtet. Mittels geeigneter Werkstoffgesetze kann eine Bestimmungsgleichung für die Biegelinie abgeleitet werden. Zur numerische Lösung sind mehrere Rand- bzw. Anfangsbedingungen notwendig. Im Rahmen ausführlicher Voruntersuchungen wurden diese Bedingungen auf ihre Plausibilität hin überprüft und so festgelegt, daß eine bestmögliche Übereinstimmung mit bekannten Ergebnissen von Labor- und Betriebsmessungen gegeben ist. Mit dem numerischen Modell wurden systematische Untersuchungen der instationären Ausbauchung beim Stranggießen durchgeführt. Wesentliche Betriebsparameter, die zur Anregung des Systems in die Untersuchung mit einbezogen wurden, waren die Höhe des Gießspiegels selbst, die Gießgeschwindigkeit sowie die Strangschalendicke. Als Zielgröße wurde dabei jeweils eine durch die Änderung der Kontur der Strangschale hervorgerufene Schwankung der Gießspiegelhöhe berechnet. Bereits bei stochastischen Schwankungen der untersuchten Parameter mit einer Amplitude, wie sie auch im Betrieb üblich ist, wurde eine Gießspiegelschwankung in der charakteristischen Frequenz festgestellt, die auch im Betrieb beobachtet wurde. Die periodische Oszillation eines Parameters in einer zum Rollengerüst passenden Frequenz bewirkt eine mechanische Belastung der Strangschale, die zu einer wellenförmigen, der Strangschale aufgeprägten Kontur führt. Dieses Verformungsprofil ist nicht wie die Kontur der stationären Ausbauchung örtlich konstant, sondern wird mit der Gießgeschwindigkeit durch das Rollengerüst transportiert. Dadurch wird ein Pumpeffekt hervorgerufen, der die beobachteten Schwankungen der Gießspiegelhöhe erzeugt. Ein Verstärkungseffekt dieser als instationäre Biegelinie bezeichneten, wellenförmigen Kontur der Strangschale durch die Schwankung der ferrostatischen Höhe konnte nicht festgestellt werden. Die Änderung der Strangschalendicke hat ebenso einen vernachlässigbaren Einfluß. Als dominierender Parameter wurde bei den Untersuchungen die Gießgeschwindigkeit identifiziert. Bereits geringfügige Schwankungen dieser Größe führen zeitverzögert zu einer deutlich erkennbaren Reaktion im Gießspiegel. Die dabei beteiligten physikalischen Vorgänge in der Anlage können mit dem Modell vollständig simuliert werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, daß die Gießgeschwindigkeit der wesentliche Einflußfaktor für eine instationäre Ausbauchung ist. Andererseits kann mit Hilfe des hier vorgestellten numerischen Modells dieser Parameter auch dazu genutzt werden, gezielte Maßnahmen gegen eine derartige Störungen des Gießbetriebes zu erarbeiten. Dabei sind die Gegebenheiten der jeweils betrachteten Anlage mitzuberücksichtigen.
During continuous slab casting the strand shell permanently is under deformation due to the mechanical load by ferrostatic pressure and is bulging between the supporting rolls. Because of the high temperature given the plastic deformation is of main influence. Stationary casting conditions causes a constant curvature profile in the guiding part of the caster. Hence instationary conditions lead to a changing conture of the strand shell. This influences the volume inside the strand liquid core and may cause a deviation in mold liquid level. At high speed casters a periodic oscillation of the mold liquid level may be detected. Sometimes its amplitude is as high as it may lead to heavy problems for continuous casting operation. The frequency allways was found to be the relation between casting speed and a characteristic roller pitch of the caster, so the instationary bulging is believed to be the reason for the periodic mold level oscillation. The theoretical expression of this phenomenon and of the consequences for casting operation is the item of this investigation. The part of the strand shell under consideraton leads over several rolls and is regarded as a multiple suported beam. With the help of proper material laws an equation for the bending line of the strand shell may be developped. For the numerical solution several start and boundary conditions are necessary. During a carefull preinvestigation these conditions have been discussed regarding the real situation and has been fixed under consideraion of the results of measurements in a pilot plant and an operational caster. Using this numerical multi beam model systematic investigations of the insationary bulging have been worked out. The parameters set under instationary conditions have been the liquid height in the mold, the casting speed and the shell thickness. As the targed value a deviation of the mold level caused by the changing of the strand shell conture have been taken into account. The first results show, that a stochastical deviation of the parameters of a usual amplitude causes a periodic oscillation of the mold level with the characteristic frequency, as it was found in the operational caster. The periodic oscillation of one parameter with a frequency corresponding to a characteristic roller pitch of the caster leads to a mechanial load acting an the strand shell and forming a wave conture of the shell. This conture is not fixed at a constant position but is transported through the caster with the casting speed. Hereby a periodical pumping effect is created which is the reason for the deviations of the mould level. An amplifying effect of the liquid height could not be found during the investigation. The influence of the shell thickness is low too. The main influence on this phenomen was found for the casting speed. Even low deviations of this parameter lead to a clearly determined reaction of the mold level. All physical processes taking place in the caster may be simulated with the model. The results of this investiation show, that the casting speed is the main parameter for instatonary bulging. On the other hand, with the numerical model this parameter may be used for elaborating operational means to avoid the disturbance of casting operation. The specific conditions of the caster have to be considered.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-1375
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/532
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-235
Exam Date: 14-Jun-2000
Issue Date: 12-Sep-2000
Date Available: 12-Sep-2000
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Ausbauchung
Mehrbalkenmodell
Plastische Verformung
Stranggießen
Verfahrenstechnik
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