Anwendung von AC-Magnetfeldern zum Rühren einer metallischen Schmelze im Rundstrangmodell und während der Erstarrung einer Al-Si-Legierung

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1 Anwendung von AC-Magnetfeldern zum Rühren einer metallischen Schmelze im Rundstrangmodell und während der Erstarrung einer Al-Si-Legierung D. Räbiger, B. Willers und S. Eckert Abteilung Magnetohydrodynamik Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), D Dresden, Deutschland Symposium Stranggießen von NE-Metallen September 2015 Text optional: Institutsname Prof. Dr. Hans Mustermann Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft

2 Einleitung Rotierendes Magnetfeld (RMF) 2 Magnetische Taylorzahl Ta = Auswirkungen: Kornfeinung Equiaxiales Wachstum Seite 1 σωb R 2ρν 2 4 Sn-15wt%Pb Ta = 0 Sn-15wt%Pb Ta = Al-7wt%Si Ta = 0 Al-7wt%Si Ta = 3, Sn-38wt%Pb Ta =

3 Einleitung Rotierendes Magnetfeld (RMF) Magnetische Taylorzahl Main effects: Ta = 2 4 σωb R 2ρν Kornfeinung + Equiaxiales Wachstum + Makrosegregation Strömungsinduzierte Porosität 2 Sekundärströmung transportiert angereicherte Schmelze zur Achse Anreicherung der Eutektische Phase entlang der Achse (Entmischungskanal) Seite 2

4 Einleitung Rotierendes Magnetfeld (RMF) Problem: Magnetische Taylorzahl Main effects: Ta = 2 4 σωb R 2ρν Kornfeinung + Equiaxiales Wachstum + Makrosegregation Strömungsinduzierte Porosität 2 Alle Phänomene skalieren mit der Strömungsintensität (Taylo-Zahl) Strömung kann nicht einfach durch Variation der Stromstärke optimiert werden Seite 3

5 Modell eines Rundstrang mit großer metallurgischer Länge schematischer Aufbau Rundstrang Plexiglas-Kokille (Ø80x800mm) Sensorhalterung mit 10 US-Sensoren Video Badspiegel: RMF+Jetströmung Seite 4

6 Winkelgeschwindigkeiten für 7 vertikale z-positionen ohne Jet Diagramm: Winkelgeschwindigkeiten im Strang bei Taylor-Zahl 30E6 und RMF Frequenz f=2,5hz kleines Bild : Querschnitt Strang mit Messbereich (a=9,4-73,4mm) Bild rechts: Strang-Modell mit 7 vertikalen Messpositionen Seite 5

7 mittlere tangentiale Geschwindigkeit bei RMF mit f=2,5hz Querschnitt Strang mit US-Sensor auf r=15mm Messfenster bei 43mm (roter Balken) durchschnittliche tangentiale Strömungs- Geschwindigkeit bei r=15mm Seite 6 2 Beispiele für vertikale US-Sensor Positionen für je 10 einzelne Sensoren

8 2D-Messungen zur Lokalisierung der Drehachse Skizze: horizontaler Schnitt durch Messebene Grafiken: Geschwindigkeitsprofile zweier um 90 versetzter Sensoren Seite 7

9 2D-Messungen zur Lokalisierung der Drehachse Auswirkungen auf die freie Oberfläche Seite 8

10 Experimenteller Aufbau 2 R 0 =67.5 mm H 0 =67.5mm => A=1 Modellflüssigkeit: Ga 68 In 20 Sn 12 Schmelzpunkt: 10,5 C Geschwindigkeitsmessung mit Ultraschall-Doppler-Verfahren Seite 9

11 Auswirkung eines zeitlich veränderbaren RMF Sekundärströmung entlang einer Linie kontinuierliches RMF, B = 8.3 mt Richtungswechsel RMF, B = 4.4 mt Abhängigkeit der Strömungsintensität von der PeriodendauerTR Aufnahme der freien Oberfläche Uz = 1 tmeas t meas U 0 z dt - Intensivierung der Strömung mit Richtungsumkehr - kleine Auslenkung der freien Oberfläche S. Eckert, P.A. Nikrityuk, D. Räbiger, K. Eckert, G. Gerbeth, Metall. Mater. Trans B, 2008 Seite 10

12 Erstarrungsexperimente Übertragung der Ergebnisse von den Isothermen Strömungsmessungen auf die Erstarrungsexperimente t ref = B 0 σω ρ 1 R t 0 U ref = ref σ_elektrische Leitfähigkeit ω_winkelgeschwindigkeit ρ_dichte Seite 11

13 Erstarrungsexperimente Einfluss auf die Makrostruktur einer AlSi-Legierung (Einschalten des RMF nach 10 mm ungestörtem Wachstum) B0=9,2mT B0=9,2 mt TR=10 s B0=9,2 mt TR=2,85 s B. Willers, S. Eckert, P. Nikritjuk, D. Räbiger, K. Eckert, G. Gerbeth, Metall. Mater. Trans. 39B(2008) Seite 12

14 Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften Herangehensweise und Probenposition Experimentierplan: 5 Erstarrungsbedingungen a 6 Proben: ohne MF mit einem kont. RMF; B 0 =1,6; 3,2 und 9,2 mt mit einem mod. RMF: B 0 =9,2 mt und T R =2,85 s) eine Probe für metallographische Untersuchungen 5 Proben für Zugversuche 125 Zugstäbe Position der Zugstäbe; horizontale Ausrichtung bei z: 4.5 mm, 16.5 mm, 28.5 mm, 40.5 mm und 52.5 mm Schematische Darstellung des Zugstabes: - d 0 =5mm und L 0 =28mm Seite 13

15 Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften Makrostruktur und Verteilung des Eutektikums o. MF B 0 =1,6 mt B 0 =3,2 mt B 0 =9,2 mt B 0 =9,2 mt T R =2,85 s Seite 14

16 Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften Einfluss auf die Festigkeitswerte 0.2% Dehngrenze Zugfestigkeit Seite 15

17 Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften Einfluss auf Korngroße und mechanische Eigenschaften Zusammenfassung Positive Effekte auf die mittleren Dehnwerte und die Zugfestigkeit sind messbar eine Erhöhung der Zugfestigkeit um 15% konnte beobachtet werden Reduktion der mittleren Schwankungsbreite um den Faktor fünf ist erreichbar Seite 16

18 Zusammenfassung Kontrolle der Strömungsstruktur während der Erstarrung kann Vorteilhaft für die Gefügeeigenschaften sein Übertragung der Ergebnisse von isothermen Strömungsmessungen auf Erstarrungsprozesse ist möglich Positiver Effekt einer Optimierten Strömungsstruktur auf die mechanischen Eigenschaften ist messbar Zukünftige Aufgaben: - Übertragung der Ergebnisse auf einen realen Stranggussprozess - Interaktion von Kornfeinungsmitteln mit der erzwungenen Konvektion Seite 17

19 Danksagung Die Arbeit wurde unterstützt von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in Form des SFB 609 und von der Helmholtz Gesellschaft in Form der Helmholtz Allianz LIMTECH Für diese Unterstützung möchten sich die Autoren ausdrücklich bedanken. Des Weiteren danken wir Herrn Dr. H. Koch und Herrn Dr. M. Rosefort (Trimet SE) für die inspirierenden Diskussionen. SFB609 Seite 18