Forschungsbericht 2004 - Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Studie des Wärmeübergangs zwischen einer Schmelze und metallischen Substraten in einer Zweirollengießanlage

Autoren
Büchner, Achim R.
Abteilungen

Metallurgie und Prozesstechnik (Dr. Achim Büchner)
MPI für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf

Zusammenfassung
Das Dünnbandgießen von Stahl mit einer Zweirollenanlage wird als zukunftsweisende Entwicklung angesehen. Der Wärmekontakt zwischen Material und Rolle ist von ganz wesentlichem Einfluss; er wurde hier in Abhängigkeit von verschiedenen Versuchsparametern untersucht. Die Resultate werden bei der praktischen Umsetzung des Dünnbandgießprozesses Bedeutung haben.

Einleitung

Das Dünnbandgießen von Stahl wird seit etwa 20 Jahren intensiv weltweit untersucht [1, 2], weil man sich davon große Einsparungen an Energie (Umweltbelastung) und Maschinen (Investitionen) verspricht. Das Prinzip wird in Abbildung 1 gezeigt. Die Technik ist nun am Beginn der industriellen Nutzung [3, 4]. Trotzdem gibt es eine große Zahl von Teilproblemen, die weiterhin der Unterstützung der Grundlagenforschung bedürfen.

Der Bandbildungsvorgang hängt vom Wärmeübertrag vom Material in die Rollen im Poolbereich ab. In dieser Arbeit wird untersucht, wie beim Kontakt zwischen Stahlschmelze und den Rollen der Wärmeübergangskoeffizient von den Parametern Schmelzenmaterial, Substratmaterial, Substratrauhigkeit und relative Schmelze-Substrat-Geschwindigkeit abhängt.

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Prinzipbild eines Zweirollengießers; 1 Induktionsofen; 2 Tundish, 3 Gießdüse, 4 Schmelze, 5 erstarrte Halbschalen, 6 gegenläufig rotierende Rollen, 7 festes Band, 8 Pyrometer; der Pool wird gegen seitliches Auslaufen durch nicht gezeigte Keramik-Seitenplatten abgedichtet.

Experimente

Für die Zweirollengießversuche wurde eine kleine Laboranlage eingesetzt, siehe Abbildung 1. Die Rollenbreite ist 6,5 cm, der Rollendurchmesser 2 R = 30 cm; die Oberflächen-(=Band-)geschwindigkeit v lag bei 16 bzw. 25 cm/sec. Die Kraft zwischen den Rollen lag bei 5 kN. Etwa 10 kg Schmelze wurden über das Tauchrohr zwischen die Rollen eingebracht. Es wurden etwa 10 m Band mit einer Dicke um 2 mm erzeugt. Es wurden zwei C-arme Stähle (ähnlich St 14) vergossen; die Zusammensetzungen waren: 0,08 % C; 0,4 % Mn; 0,05 % Al; 0,01 % S; 0,01 % P; 0 % oder 0,07 %Ti. Die Rollen waren aus den Materialien Stahl 1.2344 (hochwarmfester Stahl) und CuNi3Si. Da die Rollenrauhigkeit R(a) den Wärmekontakt beeinflusst, wurden Versuche mit R(a) = 1 bzw. 7 μm gemacht.
Um detailliertere Informationen über den Wärmefluss in die Rollen hinein zu erhalten, wurde ein Thermoelement 1 mm unter der Rollenoberfläche positioniert und der Temperatur-Zeit-Verlauf während des Durchlaufens durch den Pool registriert (500 Messwerte je Sekunde). Die Thermoelemente wurden elastisch an die Kontaktflächen gedrückt, um trotz thermischer Dehnungen einen konstanten Andruck zu gewährleisten.

Modellvorstellung zum Wärmeübergangskoeffizienten

Wenn eine Schmelze mit einem Substrat in Wärmekontakt tritt, so ist dieser Kontakt nicht ideal, und die Grenzfläche bietet einen erheblichen Wärmewiderstand [2, 5]. Dieser wird charakterisiert durch den Wärmeübergangskoeffizienten α. Sind nur dünne Schichten erstarrt (wie hier, im mm-Bereich), so ist der Grenzflächenwiderstand dominant, und es kommt an der Grenzfläche zu einem Temperatursprung (T(oben) - T(unten)). Diese Differenz kann nach [2] berechnet werden. Für die Wärmeflussdichte dq/dt gilt: dq/dt = α(T(oben) - T(unten)). Bei geringer Schmelzenüberhitzung geht man davon aus, dass α hauptsächlich zwischen der festen, erstarrten Halbschale und der Substratoberfläche zu betrachten ist.
Als allgemein akzeptiert gilt im Mikromaßstab eine Grenzflächengeometrie, wie sie in Abbildung 2 [2] gezeigt ist. Es gibt Gastaschen, deren Ausbildung durch die Oberflächenrauhigkeit, aber auch durch langreichweitige wesentlich höhere Abhebungen erfolgen kann. Es gibt Metallbrücken, deren gesamte Berührfläche durch Andruck und plastisches Fließen (vornehmlich des heißeren Gießmaterials) erhöht werden kann. Schließlich gibt es bei den Temperaturen im Pool einen nennenswerten Strahlungsbeitrag, der zu einem typischen Wert von α(Strahlung) = 0,03 W/cm2K abgeschätzt wird und auch bei großen Abhebungen nicht unterschritten wird, weil er distanzunabhängig ist.

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Prinzipbild zur Wärmeübertragung zwischen festen Körpern [2]; da = Metallberührflächen; λ = Wärmeleitfähigkeit.

Ermittlung von Wärmeübergangskoeffizienten

Methode 1: α-Bestimmung als Mittelwerte über Zeit und Ort

Beim Zweirollengießprozess gibt es eine recht sichere Aussage über den mittleren Wärmeübergangskoeffizienten ; man kennt über eine Poolhöhenbeobachtung (nach dem Versuch kann man an den Seitenplatten Verfärbungen sehen, die die höchste Position des Pools abbilden) die Berührlänge (-> Berührzeit), und man weiß, eine wie dicke Schicht (halbe Banddicke) in der Berührzeit erstarrt. Nach der Prozessbeschreibung in [2] kann man aus diesen Größen errechnen; ist dabei ein Mittelwert über die gesamte Poolberührfläche von 100-200 cm2 und die Berührzeit von z.B. 0,5 sec.

Methode 2: Lokale α-Bestimmung; Mittelwert über die Berührzeit

Diese Methode nutzt Informationen aus der Temperaturmessung mit dem in der Rolle platzierten Thermoelement aus, dessen Messfleck nur etwa 1 mm2 groß ist. Hierbei wird also lokal gemessen, jedoch erhält man weiterhin einen Mittelwert über die Poolberührzeit.
Die gesamte Temperatur-Zeit-Messkurve des Thermoelements wird z. B. in Abbildung 3 (oben) gezeigt. Die 12 Zacken entsprechen 12 Durchläufen des Thermoelements durch den Pool. Die Anstiegsflanken gehören zum Wärmezufluss während des Pooldurchlaufens, die hinteren Flanken entsprechen dem Wärmeabfluss in die Rolle hinein während der restlichen Rollenumdrehung.

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Zeitkurven eines Gießversuches im Zweirollengießer; St 14 auf Stahlrollen, R(a) = 7 μm oben: Gesamttemperaturkurve; unten: die siebente Zacke, zeitgedehnt.

Die einzelnen Zacken haben deutlich verschiedene Höhen, d.h. dass der Wärmekontakt und die Wärmeflussdichte lokal bei jedem Pooldurchgang des Thermoelementes anders waren. Die 12 lokalen Messungen bilden die Temperaturschwankungen in der Rolle ab, die invers zu denen im Band vorhanden sein müssen, siehe Abbildung 4. Man kann aus den individuellen Zackenhöhen in Abbildung 3 (oben) die individuellen Wärmeübergangskoeffizienten α(j) ermitteln, und man geht dabei nach einer Rechenmethode vor, die in [6] beschrieben ist. Dort werden Größen benötigt, die man aus Abbildung 3 entnehmen kann, ΔT, (t(I) - t(0)) und T(r).

Als Resultat findet man am Beispiel der Abbildung 3 α(j)-Werte zwischen 0,200 und 0,425 W/cm2K; die starken Schwankungen korrespondieren mit denen, die man als Temperaturschwankungen in Abbildung 4 sieht.

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Beispiele für verschieden starke Scheckigkeit infolge variablen Wärmekontaktes zu den Rollen; Bandbreite 6,5 cm.

Resultate

Der Wärmeübergangskoeffizient α ist im Zweirollengießerversuch als Gesamtpoolmittelwert nach Methode 1 ermittelt worden. Diese Methode ist recht sicher, weil sie nur einfache Informationen und Rechenverfahren benötigt; die Resultate schwanken trotzdem erheblich. Deshalb wurden möglichst viele Versuche unter Variation von R(a), Ti-Gehalt, v und Rollenmaterial zusammengetragen.

Um zu untersuchen, welche α-Unterschiede z.B. durch R(a)-Änderung sichtbar werden, könnte man nun für jede Parameterkombination z.B. bilden: (α(R(a) = 1 μm))/(α(R(a) = 7 μm)); man könnte ferner diesen Quotienten über die Variation aller anderen Parameter verfolgen. Dieser Anspruch ist angesichts der Messungenauigkeit zu hoch; stattdessen wurde obiger Quotient so oft wie möglich gebildet (jeweils für sonst gleiche Parameter). Man findet z. B.: (α(R(a) = 1 μm))/(α(R(a) = 7 μm)) = 1,17|1,10|1,36|1,06. Unter Beachtung der statistischen Gewichte (jeweilige Häufigkeit der Versuche) findet man den Mittelwert 1,19. Entsprechende Analysen der anderen Parameter wurden ebenfalls durchgeführt.
Insgesamt lauten die Resultate:
- Zulegierung von 0,07 % Ti zu St 14 erhöht α um 12 %
- Rollenrauhigkeit von R(a) = 1 μm statt 7 μm erhöht α um 19 %
- α ist für Stahl 1.2344 um 12 % höher als für CuNi3Si
- α steigt um 28 %, wenn v = 25 statt 16 cm/sec ist.

Diskussion

Es liegt nun eine große Menge von Aussagen vor über den Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit von Legierungszusammensetzung, Substrat, Rauhigkeit, Berührungsgeschwindigkeit zwischen Schmelze und Substrat. Die gefundenen Einflüsse lassen sich qualitativ mit der Abbildung 2 zum Wärmeübergangskoeffizienten verbinden.
Die Metallbrückenbildung wird offenbar durch Ti-Zulegierung verbessert. Hierzu weiß man, dass sich schon in flüssigem Stahl Ti-Nitride ausscheiden [7], die als Kristallisationskeime wirken können und Unterkühlung vermeiden. Durch diese Keimbildung scheint eine Wärmekontaktverbesserung zu erfolgen.
Es ist plausibel, dass nach der ersten Schmelzenberührung sich eine Benetzungsfront leichter geometrisch fortbewegt, wenn im mikroskopischen Maßstab das Substrat eben ist. Durch die Rauhigkeit ist es dies nicht völlig, allerdings kommt eine Oberfläche mit R(a) = 1 μm diesem Fall näher als jene mit R(a) = 7 μm. So kann man die α -Verbesserung durch R(a)-Senkung verstehen.
Durch die Rollenumdrehung kommt es zwischen Rollenoberfläche und erstarrender Halbschale (Abb. 1) zu einem Anpressdruck. Dieser Druck wird mit der Rollengeschwindigkeit v steigen. Eine entsprechende α-Erhöhung wurde gefunden beim Vergleich von α (v = 25 cm/sec) mit α (v = 16 cm/sec).

Man kann durch α-Berechnung nach Methode 2 und daraus folgend auch Berechnung von dq/dt quantitative Aussagen über die Bandtemperaturschwankungen (Abb. 4) erhalten. Durch Vergleich der visuell quantifizierten Scheckigkeit mit den mittleren Wärmeflüssen dq(j)/dt wurde gefunden, dass die unerwünschte Scheckigkeit deutlich geringer wird, wenn dq(j)/dt sinkt.

Schlussbemerkung

Es wurden experimentell Einflüsse von Versuchsparametern auf den Wärmeübergangskoeffizienten untersucht; sie geben für die praktische Anwendung Steuerungsmöglichkeiten an. Für ein endgültiges Verständnis sind weitere Untersuchungen nötig, die die metallischen Berührungsflächengrößen und die Gestaltung der Gastaschen - Abhebung durch mechanische und thermische Einflüsse - analysieren.

Literatur

[1] Steffen, R.; Tacke, K.-H.: Stand des Bandgießens von Stahl. Stahl und Eisen 119 No. 6/7, p. 129-132 (1999).

[2] Büchner, A. R.: Thin strip casting of steel with a twin-roll caster - correlations between process parameters. steel research 68 No. 6, p. 247-257 (1997).

[3] Lindenberg, H.-U.: Tagungsband 15. Aachener Stahlkolloquium, RWTH Aachen, Herausgeber R. Kopp, März 2001, p. 63.

[4] Damasse, J. M.; Albrecht-Früh, U.: Steel World 7, p. 41 (2002); Campbell, P.; Gillen, G.; Blejde, W.; Mahapatra, R.: Steel World 7, p. 45 (2002).

[5] Tautz, H.: Wärmeleitung und Temperaturausgleich. Akademie Verlag, Berlin 1971.

[6] Thiemann, M.; Büchner, A. R.: Heat Flux Density and Heat Transfer Coefficient between Steel Melt and Metallic Substrates. steel research 74 No. 11, p. 730 (2003).

[7] Turkdogan, E. T.: Transactions ISS, p. 67 (1998).

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