Primär- und Sekundärmetallurgie

Der Kern der Modelle für EAF, BOF und alle Anlagen der Sekundärmetallurgie basiert auf einem fundamentalen und ganzheitlichen Ansatz, bei dem die grundlegenden Gleichungen der Thermophysik, Thermodynamik, Reaktionskinetik sowie allen Energie- und Massenbilanzen innerhalb eines allgemein anwendbaren Ansatzes verwendet werden. Prozessrelevante Phänomene werden als Submodelle integriert, wobei deren Wechselwirkungen mit dem ganzheitlichen und prozessübergreifenden Ansatz berücksichtigt werden.

Der entwickelte mathematische Algorithmus ermöglicht die gleichzeitige Freisetzung gekoppelter Reaktionen unter Berücksichtigung phänomenologischer Ereignisse. Der Aufbau des ganzheitlichen Modellierungsansatzes folgt dem Konzept der Modellblöcke. Hierbei bilden Makromodelle den Kern der Modellierung und beschreiben die fundamentalen Aspekte der Metallurgie, wie Thermodynamik und Kinetik in einem ganzheitlichen Ansatz. Mikromodelle beschreiben spezifische metallurgische Phänomene und/oder Modellparameter, die von den Makromodellen benötigt werden (z.B. die Berechnung der Schlackenaktivität oder kinetischer Modellparameter). Diese beinhalten neben Modellparametern und empirisch/phänomenologisch beschriebenen Phänomenen auch hochkomplexe mathematische Ansätze.

Unser Angebot

Unsere metallurgischen Modelle bieten folgende Vorteile:

• Qualitätsverbesserung
• Vorhersage qualitätsrelevanter Eigenschaften
• Früherkennung und Analyse von Qualitätsproblemen
• Verbesserung der Verfahrensanweisungen (Rezepte) und Sollwerte
• Leistungs- und Produktionssteigerung
• Reduzierung der Prozessvariabilität
• Verbesserte Verwaltung und Administration von Garantieansprüchen

Unsere metallurgischen Modelle können auf unterschiedlichen Implementierungsebenen eingesetzt werden. Diese reichen von Offline-Anwendung (Office Floor)) bis hin zur vollständigen Integration in Softwaresysteme zur Prozesssteuerung (Shop Floor Echtzeitberechnungen). Typische Anwendungsbeispiele sind:

• Verwendung von metallurgischen Modellen als Offline-Anwendung zur Durchführung von Prozessparametervariationen
• Integration metallurgischer Modelle in das existierende Automatisierungssystem zur Durchführung von Echtzeitberechnungen
• Integration metallurgischer Modelle in den gesamten Produktionsweg zur ganzheitlichen Optimierung der Wertschöpfungskette

Erstarrungsprozesse

Wir können mittlerweile auf über 20 Jahre Erfahrung in der experimentellen und modellbasierten Erstarrungsanalyse zurückblicken. Um die Erstarrungsprozesse unabhängig von den Prozessbedingungen (Blockguss, Strangguss, Formguss) analysieren und berechnen zu können, muss eine Vielzahl von Phänomenen, von mikro- bis makroskopischer Größenordnung, verstanden werden. Mit unserem metallurgischen Verständnis dieser verschiedenen Phänomene, unserer Kompetenz in numerischer Simulation und praktischen Erfahrungen, liefern wir intelligente Softwareanwendungen, umfassende Analysen und Konzepte in der Entwurfsphase von Erstarrungsprozessen, sowie Prozessmodelle zur Integration in bestehende Systeme.

Stranggießen

Wir bieten eine umfassende Analyse von ausgewählten Zuständen im Gießprozess basierend auf definierten Rahmenbedingungen (Anlagenkonfiguration und Prozessparameter) des Kunden. Unsere Lösungen verwenden state-of-the-art numerische Algorithmen und Modelle, um die thermophysikalischen Grundlagen, die während des Stranggießens auftreten, zu berechnen.

Unser Angebot

Eine Analyse bestimmter Zustände im Stranggießprozess anhand eines technologisch orientierten, sowie metallurgischen Ansatzes, ist für folgende metallurgische Interpretationen unerlässlich:

• Analysieren der Temperaturverteilung auf der Strangoberfläche und an ausgewählten Positionen innerhalb des gegossenen Strangs.
• Verlauf des Schalenwachstums für unterschiedliche Festkörperanteile an ausgewählten Positionen innerhalb des gegossenen Strangs.
• Bestimmung des Durcherstarrungspunktes.
• Bestimmung der optimalen Positionierung folgender technologischer Einheiten:
• Elektromagnetischer Strangrührer
• Finalrührer
• Mechanische oder thermische Softreduction
• Isolationstunnel

Blockgießen

Das Blockgießen ist nach wie vor für die Herstellung vieler Stahlmarken von grundlegender Bedeutung, insbesondere für die Herstellung von Schmiedeteilen. Um konsistent eine gute Qualität des Endprodukts zu erreichen, müssen die komplexen Phänomene, die während des Prozesses auftreten, kontrolliert werden. Die optimalen Gießparameter beim Blockgießen liegen in einer multidimensionalen Abhängigkeit zueinander. Die Gießgeschwindigkeit hängt nicht nur vom Blockformat ab, sondern muss in Abhängigkeit der Schmelzanalyse, der Überhitzung und der Gespannreihenfolge definiert werden. Weitere wichtige Gießparameter sind die Art und Menge des Gießpulvers, des exothermen Pulvers und des Abdeckpulvers.

Unser Angebot

Für folgende Punkte kann die numerische Simulation eine hocheffiziente Anwendung sein:

• Optimierung der Kokillengeometrie und des gesamten Gespanns (Trichter, Platten, Kanäle und Hot Tops)
• Optimierung der Gießparameter
• Minimierung von Lunker, Porosität und Seigerungen

Thermophysikalische Materialdaten

Fundierte und gut überprüfte Materialdaten sind die Grundlage für korrekte Erstarrungsanalysen. Dementsprechend entwickelte qoncept ein Submodell zur Berechnung der temperaturabhängigen thermophysikalischen Eigenschaften von Stählen (oder anderen Metallen), die vom Erstarrungsmodell benötigt werden. Diese Daten werden, abhängig von der genauen chemischen Zusammensetzung, für jedes Material spezifisch berechnet.

Zusätzlich wird die Beziehung zwischen Temperatur und Phasenanteilen durch ein Mikrosegregationsmodell berechnet, das wiederum die spezifische chemische Zusammensetzung des Materials und die Abkühlrate berücksichtigt.

Die folgenden zwei Abbildungen zeigen das quasi-binäre Fe-C-Diagramm im Ungleichgewicht (Abkühlrate = 1 °C/s) für 0 wt.-% Mn (linke Abbildung) und 2,0 wt.-% Mn (rechte Abbildung). Die senkrechte, blaue Linie entspricht einer Legierung mit 0,16 wt.-% Kohlenstoff. Es ist klar ersichtlich, wie mit steigendem Mangangehalt, der δ-Ferritbereich eingeengt, die Liquidus- und Solidustemperaturen, sowie die peritektische Umwandlung zu niedrigeren Temperaturen verschoben werden. Die Punkte CA, CB und CC werden zusätzlich zu niedrigeren Kohlenstoffgehalten verschoben. So liegt im Fall von 0 wt.-% Mn eine Stahlsorte mit 0,16 wt.-% C zwischen CA und CB, die gleiche Stahlsorte bei 2 wt.-% Mn aber bereits rechts von CB. Dies hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Erstarrungsverhalten sowohl beim Strang- als auch beim Blockgießen.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die typischen Eigenschaften thermophysikalischer Daten, wie Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Gut zu erkennen sind die Umwandlungspunkte, welche von der Erstarrung und der anschließenden Abkühlung bis zur Raumtemperatur auftreten.

Unser Angebot

Wir bieten die Möglichkeit, die thermophysikalischen Daten für spezifische Stahlsorten zu berechnen bereitzustellen:

• Erstarrungswärme als Funktion der chemischen Zusammensetzung
• Spezifische Wärmekapazität (oder Enthalpie) als Funktion der Temperatur und chemischen Zusammensetzung
• Dichte als Funktion der Temperatur und chemischen Zusammensetzung
• Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Temperatur und chemischen Zusammensetzung
• Phasenanteile (Festkörperanteile) als Funktion der Temperatur und chemischen Zusammensetzung