Wechselwirkung zwischen Zunderbildung und Kühlvorgängen

Bei der Herstellung von Stahlprodukten ist die Produktoberfläche unterschiedlichen Atmosphären ausgesetzt. Dies führt zu Reaktionen mit dem Stahl und damit zu Zunderbildung. Entsprechend ihrer Bedeutung ist die Zunderbildung umfangreich untersucht worden. Trotzdem ist der Verzunderungs-/Entzunderungsprozeß nicht in ausreichendem Maße kontrollierbar und stellt ein Kernproblem dar. Dies gilt insbesondere für die Wechselwirkung zwischen Verzunderung und Wärmeabfuhr. Die durch den Wärmetransport bestimmte Oberflächentemperatur ist einer der entscheidenden Faktoren für das Wachstum der Zunderschicht. Die Zunderschicht bildet andererseits einen Widerstand für den Wärmetransport und sie beeinflusst die Wärmeabstrahlung von der Oberfläche. Zusätzlich ergeben sich durch Kühlvorgänge mechanische Spannungen im Zunder, die zu teilweise lokalen Ablösungen und damit wiederum zu Änderungen der Wärmeübergangbedingungen führen. Diese wechselwirkenden Mechanismen sind bei vielen Vorgängen, wie beim Stranggießen, bei Wiedererwärmungs- und Glühprozessen sowie beim Warmwalzen von Bedeutung.

Mangelnde Kenntnis über den Wärmeeinfluss der Zunderschicht erschwert beim Stranggießen die Anlage Auslegung und die Aufstellung optimaler Spritzpläne. Bei Wärmebehandlungen und bei Vergütungsprozessen sowie im Auslaufbereich nach dem Warmwalzen kann je nach Beschaffenheit der Zunderschicht eine Temperaturführung behindert werden.

Forschungsziel

Im Rahmen des Projektes sind folgende typische Prozessbedingungen experimentell untersucht.

• Verzunderung in einem Ofen in einer definierten Gasatmosphäre und anschließende Abkühlung unter verschiedenen Bedingungen.

• Verzunderung und Wärmeabfuhr unter den Bedingungen einer Spritzkühlung, wie sie insbesondere beim Stranggießen vorliegen.

• Verzunderung einer zunächst blanken Stahloberfläche unter Luft- und Wasserdampfkontakt, also unter Bedingungen, die ungefähr denen am Auslauf einer Warmbreitbandstraße mit Laminarkühlung entsprechen

Das Projekt soll beitragen, mit dem Ziel die Führung der betreffenden Prozesse und die Anlagentechnik hinsichtlich der Produktqualität und Wirtschaftlichkeit zu optimieren.

Versuchsaufbauten

Für die experimentellen Untersuchungen und die Simulation verschiedener Prozessbedingungen sind unterschiedliche Versuchsaufbauten am Institut für Energieverfahrenstechnik verwendet.

Zur Untersuchung der Zunder- und Wärmeübergangsbedingungen beim Stranggießen wird der in Bild 1a skizzierter Aufbau benutzt, Bild 1b zeigt ein Photo. Eine Stahlprobe wird elektrisch aufgeheizt und an der Stirnfläche einer Spritzkühlung ausgesetzt. Aus den elektrischen Daten kann die in der Probe entstehende Wärmemenge und daraus der Wärmestrom und der Wärmeübergangskoeffizient an der Stirnfläche bestimmt werden. Aus der Zeitlichen Veränderung des Wärmeübergangskoeffizienten kann auf die Verzunderung und ihre Auswirkung auf den Wärmetransport geschlossen werden.

Bild 1a: Skizze des Versuchsbau zur Simulation der Prozessbedingungen beim Stranggießen	Bild 1b: Photo des in Bild1a skizzierten Versuchsaufbau

Der zweite Aufbau ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Versuchsausbau zur Simulation der Bedingungen bei Glühprozessen mit anschließender Kühlung

Der Aufbau besteht im wesentlichen aus drei Komponenten:

1. Die Beheizung der Probe erfolgt in einem Muffelofen in einer einstellbaren Atmosphäre. So kann beispielsweise die Aufheizung unter Schutzgas erfolgen und nach Erreichen der Versuchsparameter z. B. eine definierte Brennergasatmosphäre eingestellt werden, siehe Bild 2a.

Bild 2a: Muffelofen mit einstellbarer Atmosphäre

2. Zum Testen des Einflusses von Kühlungen bzw. für Entzunderungsversuche kann die Probe automatisch aus dem Ofen herausgefahren werden (mittlerer Teil - Bild 2), siehe Bild 2b.

Bild 2b: mittlerer Teil	Bild 2c: Schutzgasgefüllte Kammer

3. Danach kann die Probe zur weitgehenden Konservierung des erzielten Ergebnisses in eine wiederum schutzgasgefüllte Kammer gefahren und abgekühlt werden, Bild 2c.

Wirtschaftliche Bedeutung

Neben einen Nutzen für die Stahlhersteller, sollen die Projektergebnisse besonders Vorteile für die mittelständischen Hersteller von Kühleinrichtungen und Wärmebehandlungsanlagen sowie von Öfen erbringen. Aus den Projektergebnissen sollen sich Hinweise für eine Verbesserung und Weiterentwicklung ihrer Anlagen ergeben.