Aufbauend auf theoretischen Untersuchungen wurde eine Versuchsapparatur zum Stranggießen kleinster Profile, deren Abmessungen und Profilausprägungen unter 1 mm liegen, konzipiert, gebaut und erprobt. An Hand eines empirischen sowie eines analytischen Modells wurden die Prozessparameter sowie die Möglichkeiten der Prozesssteuerung analysiert. Im Versuchsmaßstab konnten Stränge unterschiedlicher Querschnittsformen (Stern-, Vierkant- und Kreisprofile) aus niedrig schmelzenden Metallen gegossen werden. Die Untersuchungen ergaben, dass die Strangqualität (Oberflächengüte und Formausprägung) wesentlich von der Lage der Erstarrungsfront während des Gießprozesses abhängt und durch die Gießgeschwindigkeit gesteuert werden kann. Die beste Qualität wird erzielt, wenn der Strang nahe dem Formausgang erstarrt. Schon geringfügige Schwankungen der Phasengrenze um wenige Zehntel Millimeter wirken sich auf die Qualität der Gussstränge aus.

Mathematical modelling using advanced approach based on the neural networks has been applied to the control and the quality optimisation in the main processes of steelwork such as the ladle metallurgical treatment and continuous casting. Particular importance has been given to the improvement of breakout prediction system and the reduction in the rate of false alarm generated by the conventional breakout detection system. Prediction of the chemical composition and temperature of liquid steel in the ladle has been achieved by neural networks and linear model. This prediction can be considered as a soft sensor. Slab surface temperature stabilisation on the basis of the casting events has been controlled by a neural networks algorithm, that gives an improvement in the surface temperature fluctuation in comparison to the conventional control system which is based on the PID controller. Quality monitoring and classification is also achieved by a neural network which is related to the breakout detection system. This technique achieves a classification of different defects based on the different alarm signal given by the breakout prediction system. Fault detection and process monitoring is developed using neural networks modelling. All models are developed on basis of practical operating database obtained from the iron and steel industry.

In der vorliegenden Arbeit wurden 3D-Strömungszustände und die Bewegung an der Badoberfläche in Abhängigkeit von den Betriebsparametern mit der LDA-Methode im 1:2 Modell einer Stranggießkokille mit Fr-Zahl als Ähnlichkeitskriterium untersucht. Auf Basis der Messdaten wurde der obere Kokillenbereich in 7 Teilräumen stromabwärts unterteilt. Der Verlauf der Freistrahlausbreitung wurde durch eine Exponentialfunktion beschrieben. Nahe am Tauchrohraustritt wurde das Medium sowohl in den austretenden Strahl als auch in das Tauchrohr hinein eingesaugt. Die Frequenz und die Amplitude der Oberflächenschwankungen wurden nach der Leitfähigkeitsmethode gemessen. Dort dominierten drei Frequenzbereiche. In der Strömungsgeschwindigkeit beim Austritt des turbulenten Freistrahles wurden auch entsprechende nieder- und hochfrequente Anteile gemessen. Die Badoberflächenschwankungen wurden an vier Positionen gleichzeitig bestimmt. Mit steigender Fr-Zahl nahm der Mittelwert der Badoberflächenschwankung zu. Zwischen den Fr-Zahlen und den normierten Amplituden der Badoberflächenschwankungen (Mittelwert der Amplitude / hydraulischer Durchmesser der Tauchrohraustrittsfläche), konnte ein linearer Zusammenhang festgestellt werden. Die numerischen Ergebnisse (Fluent), die mit unterschiedlich definierten Randbedingungen des Strahlaustrittes berechnet wurden, ergaben eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, wenn die Randbedingungen am Tauchrohraustritt auf experimentellen Messdaten basierten. Liegen diese Messdaten nicht vor, dann kann das Ergebnis einer numerischen Untersuchung verbessert werden, indem die stromaufwärts liegenden Systemteile in die Rechensimulation einbezogen werden.

This dissertation investigates the effect of electromagnetic braking and gas injection on the fluid flow in a continuous casting slab mold numerically and makes verifications on basis of a small Liquid Metal Model for Continuous Casting of steel (mini-LIMMCAST). Numerical calculations were performed by means of the software package CFX with an implemented RANS-SST turbulence model. The non-isotropic nature of the MHD turbulence was taken into account by specific modifications of the turbulence model. The numerical results were validated by flow measurements at the mini-LIMMCAST facility. Numerical simulations disclose the damping effect on the flow closely depending on the wall conductance ratio. In addition, specific modifications of the turbulence model play a crucial role in reconstructing the peculiar phenomenon of an excitation of nonsteady, nonisotropic, large-scale flow perturbations caused by the application of the DC magnetic field.

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.

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.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

Beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl werden elektromagnetische Felder zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Kokillenströmung in einem Modellexperiment untersucht. Das statische Magnetfeld strukturiert die Strömung um, kann lokal die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen und verändert die Ausbildung und Anzahl der für Brammenkokillen typischen großskaligen Wirbel. Es zeigt sich weiterhin, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kokillenwände einen entscheidenden Einfluss auf die Wirkung einer elektromagnetischen Bremse hat. Unter isolierenden Wänden werden räumliche Oszillationen des Flüssigmetallstrahles initiiert und es bildet sich zwischen den beiden Kokillenhälften eine asymmetrische Strömung aus. Leitfähige Wände verhindern die Oszillationen und die Kokillenströmung ist symmetrisch. Eine eindeutige bremsende Wirkung der elektromagnetischen Bremse auf den Durchfluss konnte jedoch in beiden Fällen nicht festgestellt werden.

This dissertation investigates the effect of electromagnetic braking and gas injection on the fluid flow in a continuous casting slab mold numerically and makes verifications on basis of a small Liquid Metal Model for Continuous Casting of steel (mini-LIMMCAST). Numerical calculations were performed by means of the software package CFX with an implemented RANS-SST turbulence model. The non-isotropic nature of the MHD turbulence was taken into account by specific modifications of the turbulence model. The numerical results were validated by flow measurements at the mini-LIMMCAST facility. Numerical simulations disclose the damping effect on the flow closely depending on the wall conductance ratio. In addition, specific modifications of the turbulence model play a crucial role in reconstructing the peculiar phenomenon of an excitation of nonsteady, nonisotropic, large-scale flow perturbations caused by the application of the DC magnetic field.