Beitrag zur Erstarrung und zum Ausscheidungsverhalten beim Strang- und Bandgießverfahren von Ti-mikrolegierten Stählen

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1 Beitrag zur Erstarrung und zum Ausscheidungsverhalten beim Strang- und Bandgießverfahren von Ti-mikrolegierten Stählen Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Master of Science Mohammad Safi aus Ahwaz/Iran Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Senk Prof. Dr.-Ing. Fritz-Peter Pleschiutschnigg Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.Ing. Heinrich Wilhelm Gudenau Tag der mündlichen Prüfung: 25. November 2005

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3 Berichte aus dem Institut für Eisenhüttenkunde IEHK RWTH Aachen Mohammad Safi Beitrag zur Erstarrung und zum Ausscheidungsverhalten beim Strang- und Bandgießverfahren von Ti-mikrolegierten Stählen Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. W. Bleck Prof. Dr.rer.nat. Dr.-Ing.e.h. W. Dahl Prof. Dr.-Ing. T. El Gammal Prof. Dr.-Ing. H.W. Gudenau Prof. Dr.-Ing. D. Senk Band 2/2006 Shaker Verlag D 82 (Diss. RWTH Aachen)

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005 Copyright Shaker Verlag 2006 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN X ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Kurzzusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden die Möglichkeiten zur experimentellen Simulation der Erstarrung und des Ausscheidungsverhaltens von Ti-mikrolegierten Stählen beim Strang- und Bandgießverfahren durch Tauchversuche sowie Relaxations- und Abschreckversuche aufgezeigt. Tauch- und Abschreckversuche wurden als Simulationsmethode der Schnellerstarrung beim Bandgießen und der Oberflächenerstarrung beim Stranggießen von Brammen verwendet. Zum Verständnis der Vorgänge bei den Tauchversuchen und zur quantitativen Erfassung der den Erstarrungsvorgang bestimmenden Parameter und zur Evaluierung des Einflusses der Gießschlacke auf die Erstarrungsstruktur wurden verschiedene Erstarrungs- und Ausscheidungsmodelle sowie die Methoden der finiten Differenzen eingesetzt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass das Ausscheidungsverhalten von Ti-mikrolegierten Stählen beim Band- und beim Stranggießen stark von der Abkühlrate abhängig ist. Bei der raschen Erstarrung der Brammenoberfläche während des Stranggießens oder des Bandes beim Bandgießen bilden sich die TiN- Cluster sowie die einzelnen TiN-Ausscheidungen heterogen auf vorhandenen Clustern oder einzelnen Teilchen von Al 2 O 3. Die am Gießspiegel abgelagerten Tonerdecluster können durch die Strangschale im Meniskusbereich aufgefangen werden. Da die Konzentration durch Seigerung an der Erstarrungsfront erhöht ist und Al 2 O 3 -Cluster als Keimbildner vorhanden sind, bilden sich die TiN-Cluster mit einer Größe von ca m unmittelbar unter der Oberfläche. Diese können durch Einschränkungen der Zähigkeit negative Einflüsse auf die Oberflächenqualität verursachen. Zum anderen werden die einzelnen Al 2 O 3 -Teilchen im interdendritischen Raum Keimbildungsorte für die Ausscheidung von TiN sein. In diesem Fall haben Ausscheidungen einen Durchmesser von 1-2 m. Im Falle der langsamen Erstarrung (in der Brammenmitte) bildet sich kein Ausscheidungscluster mehr. Die Al 2 O 3 -Partikel als Desoxidationsprodukte verursachen die heterogene Ausscheidung von TiN als einzelne ca. 1-2 m große Partikel. Eine andere Ausscheidungsgeneration von TiN bildet sich zusätzlich bei der langsamen Erstarrung: die homogen gebildeten TiN-Ausscheidungen. Da die Abkühlrate niedrig ist, können die stärkeren Diffusionsvorgänge homogene Ausscheidungen von TiN mit einer Größe von ca nm verursachen. Diese Ausscheidungen besitzen die gleiche Gitterstruktur wie die heterogen gebildeten TiN-Partikel. Das heißt, dass bei raschen Abkühlraten z.b. beim Bandgießen keine homogene TiN-Ausscheidung entsteht.

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7 Abstract Different possibilities for experimental simulations of solidification and precipitation behaviour of Ti micro-alloyed steels during continuous- and strip casting processes have been investigated by immersion, relaxation and quenching test methods. Immersion and quenching tests were used for the simulation of fast solidification during strip casting and surface fast solidification of slab continuous casting. Different quantitative solidification and precipitation models as well finite differences method were applied for the understanding of solidification proceedures and to evaluation of the interactions of casting flux and solidification structures. The results show that the precipitation behaviour of Ti micro-alloyed steels during strip and conventional continuous casting processes affected strongly by cooling rate. In the case of fast solidification of slab surface or cast strip clusters as well as single precipitations of TiN will form on the existing clusters or single inclusions of Al 2 O 3, heterogeneously. The accumulated alumina clusters in the meniscus could be entraped by the solidifying shell. Heterogeneous TiN clusters with a size of about m form in the surface region of the solidified shell because of increased concentration of Ti in this region due to segregation and existing alumina clusters as nucleation sites. This type of precipitations could have a negative effect on surface quality of the casting products because of restricting of the formability of solidifying shell at elevated temperatures. In the case of slow solidification cooling rates no TiN clusters were detected. On the other side single partilcles of alumina in interdendritic regions could be suitable nucleation sites for the formation of interdendritic heterogeneous TiN precipitations. In such a case the particles have a size of about 1-2 m. An extra generation of precipitation which forms only during solidification with low cooling rates are the homogeneous precipitations of TiN with a size of nm i.e. this kind of precipitation can not form in the case of fast solidification for example strip casting.

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9 Inhaltsverzeichnis 1 INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS 1 VORWORT 5 1. EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 7 2. EINFÜHRUNG: STRANGGIEßEN VON STAHL Anlagenarten Anlagenteile Pfannendrehturm: Verteiler Kokille Strangstützrollen und Segmente Sekundärkühlung Kaltstrang Sequenzgießen "Null-Fehler"-Produktion Endabmessungsnahes Gießen in Kombination mit Warmwalzen Dünnbrammengießen Bandgießen GRUNDLAGEN DER ERSTARRUNG UND MIKROSEIGERUNG Erstarrung von Stahl Erstarrungsarten Peritektische Reaktion Erstarrungsgefüge Mikroseigerung STRANGGIEßSCHLACKE (GIEßPULVER) Aufgaben und Eigenschaften der Stranggießschlacke Wärmedämmung des Gießspiegels Schutz vor Reoxidation Aufnahme und Auflösung von Einschlüssen Schmierung der Strangschale in der Kokille Optimierung der Wärmeabfuhr Granulierte Produkte Viskosität der Stranggießschlacken Wärmeleitfähigkeit Veränderung der Eigenschaften der Gießschlacken 45

10 2 Inhaltsverzeichnis 4.6 Chemie der Gießschlacke Erstarrungsverhalten, Kristallisationsneigung Liquidustemperatur Verhalten des Gießpulvers in der Kokille Verhalten des Stahls im Meniskus Verhalten des Gießpulvers AUSSCHEIDUNG VON TITANNITRID Titan als Mikrolegierungselement Löslichkeitprodukt von TiN Übersättigung und Keimbildung Wachstum VERSUCHSDURCHFÜHRUNG UND PROBENUNTERSUCHUNG Versuchswerkstoffe Tauchversuch Vorversuche Probennehmer mit einfacher Nut Probennehmer mit gestufter Nut Differentialthermoanalyse Hochtemperaturzerreißmaschine (Trebel) Abschreckversuch Lichtmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie Transmissionelektronenmikroskopie Mikrosondenuntersuchung Röntgendiffraktometrie VERSUCHSERGEBNISSE Gießschlacke und Oberflächenerstarrung Stahlsorte ULC-A Stahlsorte ELC Stahlsorte LC Stahlsorte C Erstarrungsstruktur als Funktion von Zusammensetzung und Gießschlacke Ausscheidungen im oberflächennahen Bereich Einfluss der Gießschlackendicke auf die Erstarrungsstruktur 83

11 Inhaltsverzeichnis Stahlsorte ULC-A Stahlsorte ELC Stahlsorte LC Stahlsorte C Gießschlackendicke und TiN-Ausscheidungen Relaxationsuntersuchungen Abschreckversuch Stahlsorte IF-B Stahlsorte ULC-B Röntgendiffraktometrie Vorversuche Relaxationproben Abschreckproben DISKUSSION Erstarrung im Meniskusbereich Rechnerische Simulation Erstarrung Seigerung Übersättigung und Ausscheidung Simulation der Erstarrung auf Gießschlacke Interaktion mit der Gießschlacke Aufsticken durch Gießspiegelbewegung Einfangen der Al 2 O 3 -Cluster durch die Strangschale Ausscheidungsstruktur Schlußfolgerung ZUSAMMENFASSUNG 133 LITERATURVERZEICHNIS 137