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-01314 Dresden,
Deutschland
Symposium Stranggießen von NE-Metallen
14. – 17. September 2015
Text optional: Institutsname Prof. Dr. Hans Mustermann www.fzd.de Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft
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 = 8·106
Al-7wt%Si
Ta = 0
Al-7wt%Si
Ta = 3,2·107
+
+
Sn-38wt%Pb
Ta = 1.8·107
Einleitung
Rotierendes Magnetfeld (RMF)
σωB 2 R 4
Magnetische Taylorzahl Ta =
2ρν 2
Main effects:
• Kornfeinung
• Equiaxiales Wachstum
• Makrosegregation
• Strömungsinduzierte Porosität
Seite 2
+
+
–
–
Sekundärströmung
transportiert angereicherte
Schmelze zur Achse
Anreicherung der
Eutektische Phase entlang
der Achse
(Entmischungskanal)
Einleitung
Rotierendes Magnetfeld (RMF)
Problem:
Alle Phänomene skalieren
mit der Strömungsintensität
(Taylo-Zahl)
σωB 2 R 4
Magnetische Taylorzahl Ta =
2ρν 2
Main effects:
• Kornfeinung
• Equiaxiales Wachstum
• Makrosegregation
• Strömungsinduzierte Porosität
Seite 3
+
+
–
–
Strömung kann nicht einfach durch
Variation der Stromstärke optimiert werden
Modell eines Rundstrang mit großer metallurgischer Länge
schematischer Aufbau Rundstrang
Seite 4
Plexiglas-Kokille
(Ø80x800mm)
Sensorhalterung mit 10 US-Sensoren
Video Badspiegel: RMF+Jetströmung
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
mittlere tangentiale Geschwindigkeit bei RMF mit f=2,5Hz
Querschnitt Strang
mit US-Sensor auf
r=15mm Messfenster
bei 43mm (roter
Balken)
2 Beispiele für
vertikale US-Sensor
Positionen für je 10
einzelne Sensoren
durchschnittliche tangentiale StrömungsGeschwindigkeit bei r=15mm
Seite 6
2D-Messungen zur Lokalisierung der Drehachse
Skizze: horizontaler Schnitt durch
Messebene
Grafiken: Geschwindigkeitsprofile zweier
um 90° versetzter Sensoren
Seite 7
2D-Messungen zur Lokalisierung der Drehachse
Auswirkungen auf die freie Oberfläche
Seite 8
Experimenteller Aufbau
• 2·R0=67.5 mm
• H0=67.5mm => A=1
• Modellflüssigkeit: Ga68In20Sn12
• Schmelzpunkt: 10,5 °C
• Geschwindigkeitsmessung mit
Ultraschall-Doppler-Verfahren
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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
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Erstarrungsexperimente
Übertragung der Ergebnisse von den Isothermen
Strömungsmessungen auf die
Erstarrungsexperimente
σ_elektrische Leitfähigkeit
t ref
Seite 11

σω 

=  B0
ρ 

−1
U ref =
R0
t ref
ω_Winkelgeschwindigke it
ρ_Dichte
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)
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Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften
Herangehensweise und Probenposition
Experimentierplan:
−
5 Erstarrungsbedingungen a 6 Proben:
ohne MF
mit einem kont. RMF; B0=1,6; 3,2 und 9,2 mT
mit einem mod. RMF: B0=9,2 mT und TR=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:
- d0=5mm und L0=28mm
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Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften
Makrostruktur und Verteilung des Eutektikums
o. MF
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B0=1,6 mT
B0=3,2 mT
B0=9,2 mT
B0=9,2 mT
TR=2,85 s
Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften
Einfluss auf die Festigkeitswerte
0.2% Dehngrenze
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Zugfestigkeit
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
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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
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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
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