Wärmeübergang und Ejecting bei der Stranggusskühlung von NE-Metallen mit Kokillen

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Kühlung heißer bewegter Bleche mit Wasser aus einer feststehenden Modell-Kokille untersucht. Hierfür wurden experimentelle Untersuchungen mit verschiedenen NE-Metallblechen, wie AA6082, AA5083, Nickel, Nicrofer und Kupfer B14 durchgeführt. Während des Abkühlprozesses wurden die Oberflächentemperaturen der Bleche auf der Messseite mit einer hochauflösenden Infrarotkamera gemessen. Die Bleche wurden bis zu 800 °C aufgeheizt und im Anschluss daran mit Wasser aus einer Modell-Kokille mit elf fluchtend angeordneten Vollstrahlen gekühlt. Während der Kühlung führten die Bleche eine Vertikalbewegung hinsichtlich der Kokille aus. Bei den Untersuchungen wurde die Strahlgeschwindigkeit (zwischen 1 m/s und 4 m/s), der Strahlwinkel (zwischen 15° und 60°), die Anzahl der Strahlen (5 und 11), die Blechgeschwindigkeit (zwischen 3,3 mm/s und 120 mm/s), die Blechdicke (3 und 5 mm), die Oberflächenrauheit der Blechprobe, die Wassertemperatur (zwischen 18 °C und 60 °C), die Wasserqualität (deionisiertes Wasser, Leitungswasser und Mix aus Leitungswasser + Borax), die Pulsations - Frequenz (zwischen 0,05 und 3 Hz) und die Anfangstemperatur des Bleches (zwischen 800 °C und 300 °C) variiert. Ausgehend von den aufgezeichneten Infrarotdaten wurden für den quasistationären Zustand diverse Abkühlkurven erstellt. Zur Bestimmung der Blechoberflächentemperatur sowie der Wärmestromdichte auf der Strahlseite wurde ein 2D-inverses Wärmeleitmodell verwendet. Der Mechanismus des Wärmeübergangs während des Kühlprozesses wurde detailliert beschrieben. Der Anstieg der mittleren Wassertemperatur nach dem Blechkontakt wurde berechnet. Ein wesentliches Ergebnis der experimentellen Untersuchungen ist der konkrete Nachweis des Einflusses technischer Parameter wie Strahlgeschwindigkeit, Blechgeschwindigkeit, Anfangstemperatur, Metallart etc. auf den plötzlichen Filmabriss (Ejecting) während der Kühlung. Die Strahlen müssen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1,2 m/s austreten, um den Strang benetzten zu können. Die Strahlen vereinigen sich schnell zu einem dünnen Wasserfilm, der den Strang benetzend herabfließt. Bei Austrittsgeschwindigkeiten aus der Kokille höher als 2 m/s wird ein Teil des Wassers reflektiert und trägt nicht zur Benetzung der Oberfläche des Strangs bei. Eine Erhöhung der Wassermenge erhöht somit unwesentlich den Wärmeübergang. Der dünne, etwa 0,5 mm dicke, benetzende Wasserfilm erwärmt sich sehr stark während des Abfließens auf der Oberfläche. Es werden mittlere Temperaturen bis zu 80 °C erreicht. Im Kontaktbereich zwischen Film und Oberfläche bilden sich Dampfblasen. Die Blasenentwicklung wird bei bestimmten Prozessparametern so stark, dass der Wasserfilm von der Oberfläche fortgeschleudert wird, was als Ejecting bezeichnet wird. Die Zweiphasenströmung aus Dampf und flüssigem Wasser während der Blasenverdampfung kann physikalisch noch nicht vollständig beschrieben werden. Daher können noch keine quantitativen Kriterien für das Auftreten des Ejectings angegeben werden. Der Wasserfilm beschleunigt während des Abfließens auf Grund der Schwerkraft. Daher nimmt der Wärmeübergang mit dem Abstand zur Kokille zu. Der Einfluss der verschiedenen Parameter auf den Wärmeübergang wurde ausführlich beschrieben und die zugehörigen lokalen Profile der Wärmestromdichten angegeben. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit stehen Kennwerte zur Verfügung, die für die Auslegung und Optimierung von Kühl- bzw. Abschreckanlagen geeignet sind. Die Möglichkeiten eines Transfers in die Industrie sind gegeben. Insgesamt wurde das Verständnis der während der Abkühlung (eines vertikal bewegten Metallblechs) mit einer Kokille ablaufenden Vorgänge durch die ermittelten Forschungsergebnisse verbessert.

In this study, the cooling of hot moving plates with water from a fixed model mold was investigated. For this purpose, experimental investigations were carried out with various non-ferrous metal plates, such as aluminium aloys like AA6082 and AA5083, nickel, nicrofer and copper B14. During the cooling process, the surface temperatures of the sheets were measured on the measuring side with a high-resolution infrared camera. The plates were heated up to 800 °C and then cooled with water from a model mold with eleven full jets arranged in a horizontal row. During cooling, the plates moved vertically with respect to the mold. In the studies, various parameters were adjusted, including jet velocity (ranging from 1 to 4 m/s), jet angle (between 15° and 60°), number of jets (5 and 11), plate velocity (from 3.3 mm/s to 120 mm/s) and plate thickness (either 3 mm or 5 mm). Other variables included surface roughness of the plate, water temperature (ranging from 18 °C to 60 °C), water quality (using deionised water, tap water or a tap water and borax mixture), pulsation frequency (from 0.05 to 3 Hz) and initial plate temperature (between 800 °C and 300 °C). For analysis purpose, various cooling curves were created for the quasi-stationary state based on the recorded infrared data. Additionally, a 2D inverse heat conduction model was used to determine the plate surface temperature and the heat flux density on the quench side. The mechanism of heat transfer during the cooling process was described in detail. Moreover, the rise in average water temperature following contact with the hot plate was calculated. A major finding of the experimental investigations is the concrete proof of the influence of technical parameters such as jet velocity, plate velocity, initial temperature, metal type etc. on sudden film breakage (ejecting) during cooling. The jets must exit at a speed of at least 1.2 m/s to wet the ingot. The jets rapidly merges into a thin film of water that runs down the ingot, covering the targated surface. However, when the mold exit velocity exceeds 2 m/s, a portion of the water is deflected and fails to contribute to surface coverage. As a result, increasing the water volume does not significantly enhance heat transfer. The water film, around 0.5 mm thick, heats up considerably as it moves over the ingot, reaching average temperatures of up to 80 °C. Vapor bubbles develop at the interface between the film and the hot surface. Under certain process conditions, bubble formation becomes so intense that the water film is displaced from the surface, an phenomenon known as ‘ejecting‘. The complex two-phase flow involving steam and liquid water during nucleate boiling remains inadequately described by current physical models, making it impossible to define quantitative criteria for the onset of ejecting. As the film flows downward, gravity causes it to accelerate, which in turn increases heat transfer with distance from the mold. The effects of various parameters on heat transfer have been thoroughly analyzed and the corresponding local heat flux profiles have been documented. The results of this study provide characteristic values that are suitable for the design and optimization of cooling and quenching systems. The potential for industrial application is presented. Overall, the understanding of the processes taking place during cooling (of a vertically moving metal plate) with a mold has been improved by the research results obtained.