This thesis deals with creation of breakout prediction model implemented via artificial neural network in MATLAB, hence it contains theoretical description of artificial neural networks and also presents how the networks were used for the breakout prediction problem. In addition, models of heat conduction through the mold wall were created and used for generating neccesary data for proper training of artificial neural network. The thesis contains proper description of used numerical methods for solving the heat conduction problems. In the thesis are presented partial results and also results of testing created artificial neural network with usage of real data.

Stahl wird heutzutage fast ausschließlich im kontinuierlichen Stranggussprozess zu Halbzeugen verschiedener Geometrien verarbeitet. Flüssiger Stahl wird dabei über ein Tauchrohr in eine wassergekühlte, nach unten offene Kokille gefüllt und erstarrt an deren Wänden. Der innen noch flüssige Strang wird kontinuierlich nach unten aus der Kokille abgezogen und ist erst nach mehreren Metern komplett erstarrt. Die Qualität des Halbzeugs wird vorwiegend durch die Strömung in der Kokille beeinflusst. In der Industrie werden seit langer Zeit verschiedene elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt, um die Strömungsstruktur in der Kokille mithilfe von Lorentzkräften zu beeinflussen. Bedingt durch die hohe Temperatur des flüssigen Stahls und dessen Undurchsichtigkeit lässt sich die Strömungsstruktur im realen Prozess jedoch kaum untersuchen. Zur Optimierung sowie zum besseren Verständnis der Vorgänge in der Kokille sind daher numerische Simulationen und Modellexperimente notwendig. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen zum kontinuierlichen Stranggießen von Stahl unter dem Einfluss verschiedener elektromagnetischer Aktuatoren präsentiert. Die Experimente wurden an der Mini-LIMMCAST-Anlage des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt. Mini-LIMMCAST ist ein Modell einer Strangguss-Anlage, welches isotherm mit der bei Raumtemperatur flüssigen Metalllegierung GaInSn betrieben wird. Durch die Verwendung von flüssigem Metall als Modellfluid können die Auswirkungen elektromagnetischer Aktuatoren untersucht werden, jedoch kann aufgrund der Undurchsichtigkeit des Modellfluids die Geschwindigkeitsverteilung in der Kokille nicht mittels optischer Verfahren erfasst werden. Daher wird zur Messung der Geschwindigkeitsverteilung in der Kokille die Ultraschall-Doppler-Velocimetrie eingesetzt. Die Ergebnisse von Messungen an zwei verschiedenen Kokillen-Geometrien werden vorgestellt: zum Einen solche an einer zylindrischen Kokille, bei welcher auf verschiedene Arten eine Drehströmung erzeugt wurde. Dies erfolgte durch elektromagnetisches Rühren in der Kokille sowie durch ein Tauchrohr mit spiralförmigen Auslässen. Zum Anderen wird eine Kokille mit rechteckigem Querschnitt, wie sie in Brammen-Anlagen verwendet wird, betrachtet. In dieser wird die Strömung sowohl durch ein statisches Magnetfeld, einer sogenannten elektromagnetischen Bremse, als auch durch elektromagnetische Wechselfelder beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Reihe zuvor nicht beschriebener Phänomene, wie das zeitliche Verhalten des Jets in der Rundkokille mit elektromagnetischem Rührer oder den Mechanismus der in der Brammen-Geometrie mit elektromagnetischer Bremse für eine Veränderung der Geschwindigkeit an der freien Oberfläche der Kokille sorgt. Umfassende experimentelle Parameterstudien erlauben detaillierte Einblicke in die beim Stranggießen auftretenden Strömungsstrukturen, wie sie mit numerischen Simulationsmodellen nur unter einem immensen Einsatz von Rechenleistung zu erzielen wären. / Today, steel is almost exclusively processed into semi-finished products of various geometries by the continuous casting process. Liquid steel is filled through a submerged entry nozzle into a water-cooled, downwardly open mould and solidifies on its walls. The strand, which is still liquid on the inside, is continuously drawn downwards out of the mould and is then completely solidified after several metres. The quality of the semi-finished product is mainly influenced by the flow in the mould. For many years, various electromagnetic actuators have been used in industry to influence the flow structure in the mould by the application of Lorentz forces. Due to the high temperature of the liquid steel and its opacity, however, the flow structure can hardly be investigated in the real process. Therefore, numerical simulations and model experiments are necessary to optimise and better understand the processes in the mould. In this dissertation the results of experimental investigations on continuous casting of steel under the influence of different electromagnetic actuators are presented. The experiments were performed at the Mini-LIMMCAST facility of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Mini-LIMMCAST is a model of a continuous casting machine which is operated isothermally with the metal alloy GaInSn, which is liquid at room temperature. By using liquid metal as model fluid, the effects of electromagnetic actuators can be investigated, but due to the opacity of the model fluid, the velocity distribution in the mould cannot be determined by optical methods. Therefore, ultrasonic Doppler velocimetry is used to measure the velocity distribution in the mould. The results of measurements using two different mould geometries are presented. One is a cylindrical mould in which a rotational flow was generated in different ways. This was achieved by electromagnetic stirring in the mould and by an submerged entry nozzle with spiral-shaped outlets. On the other hand, a mould with a rectangular cross-section, as used for slab casting, is considered. Here the flow is influenced by a static magnetic field, a so-called electromagnetic brake, as well as by alternating electromagnetic fields. The results of this work show a number of previously undescribed phenomena, such as the temporal behaviour of the jet in the round mould with an electromagnetic stirrer or the mechanism that causes a change in the speed at the free surface of the mould in the slab geometry with an electromagnetic brake. Comprehensive experimental parameter studies allow detailed insights into the flow structures occurring during continuous casting, which could only be achieved with numerical simulation models with an immense input of computing power.

Stochastické programování a optimalizace jsou mocnými nástroji pro řešení široké škály inženýrských problémů zahrnujících neurčitost. Algoritmus progressive hedging je efektivní dekompoziční metoda určená pro řešení scénářových stochastických úloh. Z důvodu vertikální dekompozice je možno tento algoritmus implementovat paralelně, čímž lze významně ušetřit výpočetní čas a ostatní prostředky. Teoretická část této diplomové práce se zabývá matematickým a zejména pak stochastickým programováním a detailně popisuje algoritmus progressive hedging. V praktické části je navržena a diskutována původní paralelní implementace algoritmu progressive hedging, která je pak otestována na jednoduchých úlohách. Dále je uvedená paralelní implementace použita pro řešení inženýrského problému plynulého odlévání ocelové bramy a na závěr jsou získané výsledky zhodnoceny.

Ziel der Arbeit war es die Modelle des Sonderforschungsbereiches (SFB) 920 zur Filtration von Stahlschmelzen erstmals im industriellen Maßstab zu überprüfen. Dafür wurden zwei Arten großformatiger Filter entwickelt: 1. Schaumfilter mit Zylindergeometrie mittels einer modifizierter Replikaroute und 2. “Spaghettifilter” mittels robotergestützten Gelcastings auf Alginatbasis. Die mechanischen und strukturellen Eigenschaften der Filtermaterialien wurden in Abhängigkeit verschiedener Herstellungsparameter untersucht und die Einsatzfähigkeit geeigneter Filterprototypen wurde im Stahlgusssimulator des SFB 920 evaluiert. Die finalen Filterbauteile wurden im Stranggießverteiler des Industriepartners thyssenkrupp Steel Europe AG für circa 45 Minuten bei >1550 °C in die Stahlschmelze eingetaucht. Schaumfilter mit der richtigen Einsatzkonfiguration überstanden die Prozessbedingungen trotz Thermoschock und Schlackekontakt. Post-mortem-Untersuchungen der Filteroberfläche zeigten klare Anzeichen für reaktive und aktive Filterwirkung wie sie aus Laborversuchen bekannt sind. Die Industrietests zeigten somit den ersten Machbarkeitsnachweis für das neuartige Filterkonzept.

Der Effekt eines externen Magnetfeldes auf die mehrphasige und turbulente Strömung in Stranggußkokillen und deren Wechelspiel führt in den wissenschaftlichen Arbeiten zu widersprüchlichen Aussagen. Die verschiedenen Prozessparameter können innerhalb eines kleinen Varianzbereichs entscheidenden Einfluss auf die Aussage haben, ob ein Magnetfeld begünstigend oder schädigend auf die Qualität des Produkts wirkt. Um wichtige Einflussfaktoren zu identifizieren, werden daher numerische Strömungssimulationen des Prozesses durchgeführt. Dazu wird zunächst ein mehrphasiger und inkompressibler Mehrregionen-CFD-Löser für magnetohydrodynamische Strömungen entwickelt und validiert, um die komplexe Strömung in einer Stranggußkokille mit hoher Genauigkeit simulieren zu können. Darauf aufbauend wird das numerische Setup anhand einer Modellkokille mit aktuellen Messdaten validiert. Durch die neuartige Kombination Lagrange'scher Lösungsmethoden mit angepassten Termen für die Magnetohydrodynamik sowie der skalenaufgelösten magnetohydrodynamischen Turbulenz, können erstmals Aussagen zur optimalen Magnetfeldverteilung im Hinblick auf Strömungsstabilität, Turbulenzmodulation und Blasenverteilung getroffen werden. Mit Hilfe dieses Wissens können neuartige Konzepte elektromagnetischer Bremssysteme für den Stranggußprozess entwickelt werden.

Hardening distortions are unwanted changes in shape and dimension that arise during hardening of steel components. Uncontrolled distortions induce random errors to the manufacturing process, and have a strong negative impact on manufacturing costs. The distortions are not only caused by the hardening process, several factors from previous manufacturing steps including the component geometry itself contribute to varying extent. The aim of the current work is to investigate the main influencing factors on hardening distortions for serial produced gears. The investigations were done on two different types of gears for heavy-duty transmissions, crown wheels for the rear axle central gear and main shaft gears for the gearbox. The steel was produced using either continuous casting or ingot casting. For rectangular continuously cast steel, the effect of disabling magnetic stirring of the steel melt during casting was investigated, finding a strong reduction of gear runout for crown wheels. Segregations in crown wheels produced from the top and bottom of ingots were shown to go in opposite directions, producing opposite back-face tilts. For crown wheels quenched one at a time, influences of stacking level on the hardening tray were found, indicating an impact from small variations in the carburizing process, despite identical quenching conditions. For main shaft gears, horizontal loading gave considerably less roundness and runout errors but increased flatness errors compared to vertical loading. This thesis shows the complexity of the distortion phenomenon and how several factors interact and contribute to the final result. It is shown that factors with significant impact on hardening distortions for one component may be less important for another component. With this in mind, each type of component to be hardened should be produced by a manufacturing chain where each process step is carefully chosen with respect to minimizing distortions. / <p>QC 20170516</p>

<p>Firstly, select a nozzle and get all its parameters like spray angle, mass flow rate, dipersion angle and nozzle diameter. Create a domain in which 2 nozzles can fit, as shown in thesis. Divide the domain in 2 zones and perform fine mesh on the top surface of solid surface where spray will heat. Write a function for slab temperature variation and give it as the solid part input. Use DPM model, to create injectors inside the domain and solve.</p>

Continuous caster moulds are the last and most important stage in the steelmaking process, where inclusions can either be generated or removed. With increasing casting speed using conventional immersion nozzles critical problems, such as unstable bulk mould flow have been noticed. Mould flux entrapment due to vortex and shearing action from the oscillating surface waves have become of particular concern. It is therefore necessary to have a calm inlet flow at the entrance of the mould. Recently, it has been acknowledged that a swirl blade placed at the upstream of the immersion nozzle effectively resolves the problems arising from unstable bulk mould flow. Therefore, to increase the knowledge of effect of swirling flow on the flow pattern in the mould, fundamental mathematical models of a billet mould equipped with a swirl blade in the nozzle have been developed. The model was used to study the effect of divergent angle of the immersion nozzle and mould aspect ratio on the flow field and temperature distribution inside billets moulds. Data from water model experiments were used to verify the mathematical model predictions. A fairly good agreement was found between physical modeling data and predictions, which ensured that the numerical model is reliable. Thereafter, the differences between square and round billet moulds were studied. Next, the effect of changing aspect ratio of the rectangular mould on the fluid flow and heat transfer, while keeping mould surface area constant, was studied. Two types of immersion nozzles, bottomless and conventional, were also analyzed during the research. The model moulds were changed gradually from a square billet with an aspect ratio of 1x1 to a rectangular billet with an aspect ratio of 3x1. First, the temperature and velocity distributions were calculated. Later, unsteady calculations were done to determine velocity fluctuations on the meniscus level for two types of nozzles and several moulds geometries. / <p>QC 20101110</p>

<p dir="ltr">Approximately 95% of global steel production relies on continuous casting, there is a need for a practical, cost-effective, and accurate method to guide real-world production. A successful integration of three individual CFD models – spray cooling model, solidification model, and carbon segregation model – was accomplished. To understand the heat transfer behavior on a heated surface, a three-dimensional model was used to simulate the interaction of liquid droplets with a heated surface during the secondary cooling process, employing air-mist nozzles. The real nozzle layout, as employed in a full-scale continuous caster to provide HTC data on slab surface. For solidification model, enthalpy-porosity methods were applied to estimate the metallurgical length and surface temperatures. Carbon transport within the continuous caster was considered, revealing a phenomenon of positive segregation at the center of the slab. Building upon this foundation, further investigations were carried out to assess the implications of nozzle clogging. These effects encompass surface temperature, metallurgical length, and carbon concentration. Commercial software ANSYS Fluent 2021 R2 and Simcenter STAR-CCM+ 2302 are chosen for their exceptional computational performance. MATLAB and Python play key roles in both pre and post processing, including mapping HTC profiles, visualizing shell growth, and extracting temperature and cooling profiles.</p>

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