A study of mold flux entrapment and gas entrainment in an ingot casting process
Tid: On 2021-06-09 kl 14.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/j/61142642415, Stockholm (English)
Ämnesområde: Metallurgisk processvetenskap Teknisk materialvetenskap
Respondent: Jun Yin , Materialvetenskap
Opponent: Professor Yogeshwar Sahai,, Ohio State University, USA
Handledare: Mikael Ersson, Materialvetenskap; Pär Jönsson, Processer
Abstract
I traditionell götgjutning fylls götet uppifrån vilket orsakar stänk, exponering mot atmosfär samt neddragning av flux. Dessa nackdelar kan reduceras genom att gjuta underifrån med en metod som kallas “uphill teeming”. Däremot, tillkommer även en del nackdelar med denna gjutningsmetod som t.ex. infångning av gas och stänk initialt i processen. Dessa nackdelar orsakar icke-metalliska inneslutningar som är kritiska för kvalitén av den slutliga stålprodukten. I detta arbete studeras infångning av gas och flux under uphill teeming metoden med hjälp av numeriska samt fysikaliska modeller.
Den dynamiska ändringen av den fria ytan som uppstår under uphill teeming metoden studerades med hjälp av Reynold stress turbulens modellen. Jämfört med k-e turbulens modellen så visade denna modell en bättre similaritet till de fysikaliska experimenten. Det konstaterades att Webernumret vid den fria ytan är mindre än 12,3 när inloppshastigheten är 0,5m·s-1 vilket indikerar att systemet har låg risk för neddragning av flux.
För att uppnå en stilla flytande fri yta med höga inloppshastigheter så föreslogs sidofyllning. Sidofyllning skapade ett svagt rotationsflöde pga. horisontell fyllning längs tangenten på götformen. Rotationsflödet var inte tillräckligt starkt föra att generera en vortex under fyllningsprocessen. Däremot observerades små störningar längs kokillens vägg som försvann med lägre fyllningshastighet.
Olika sidofyllnings vinklar studerades för att optimera mot en lugn fri yta utan störningar längs kokillens väggar. En vinkel på 90 grader visade bäst resultat med 0% risk vid den fria ytan och rekommenderas därför till götgjutningsprocessen.
För att studera infångning av gas inkluderades även fyllningskanalerna till kokillen i en fysikalisk samt kvasi stationär numerisk vattenmodell med fokus på infångningshastighet. Simuleringarna visade bra similaritet till de fysikaliska experimenten och det observerades formning av stora bubblor pga. lågt tryck i vissa regioner i kanalerna.
Slutligen inkluderades även en vinklad inloppskanal i modellerna för att minimera infångning av gas i systemet. Resultaten visade att en 30 graders vinkel på kanalen kan reducera gasinfångning i systemet samt även minska vattenkullen som skapas vid ytan i gjutformen.
Nyckelord: CFD, götgjutningsprocess, numerisk simulering, icke-metalliska inneslutningar