Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Umformverhalten der gieß- und warmgewalzten Magnesiumlegierung des Mg-Al-Zn-Systems (AZ31) unter einachsiger Zugbeanspruchung in Abhängigkeit von Temperatur, Dehnrate und Entnahmerichtung untersucht. Weiterhin wurde das richtungsabhängige Grenzformänderungsverhalten im statischen sowie erstmalig im dynamischen Lastfall bei verschiedenen Temperaturen bewertet. Für die dynamischen Versuche wurde ein eigens konstruiertes Prüfmodul entwickelt und eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei einer Variation der Beanspruchungsbedingungen die Ausprägung der Versetzungsbewegung, der mechanischen Zwillingsbildung sowie der Hochtemperaturmechanismen signifikant verändert. Die Verknüpfung der sich dadurch ändernden mechanischen Eigenschaften mit der Mikrostrukturentwicklung konnte mit der Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie der Texturbestimmung mit der Röntgenbeugung (XRD) nachgewiesen werden.

As chapas de ligas de alumínio trabalháveis são produzidas atualmente por dois processos, o método de vazamento contínuo conhecido TRC (Twin Roll Continous Casting) ou pelo método tradicional de vazamento de placas DC (Direct Chill). A fabricação de ligas de alumínio pelos dois processos confere características microestruturais diferentes quando comparadas entre si, o que se reflete em suas propriedades. Além disto, ocorrem variações microestruturais ao longo da espessura, especialmente nas chapas produzidas pelo processo TRC. Neste sentido, é importante estudar a evolução microestrutural que ocorre durante o seu processamento e sua influência com relação à resistência à corrosão. Dessa forma foi realizado neste trabalho um estudo comparativo do comportamento de corrosão, bem como das microestruturas do alumínio de alta pureza AA1199 (99,995% Al) e das ligas de alumínio AA1050 (Fe+Si0,5%) e AA4006 (Fe+Si1,8%) produzidas pelos processos industriais de lingotamento contínuo e semi-contínuo. Os resultados obtidos evidenciaram que as microestruturas das ligas AA4006 DC e AA4006 TRC são distintas, sendo observada maior fração volumétrica dos precipitados na liga fabricada pelo processo TRC comparativamente ao DC. Para caracterizar o comportamento de corrosão foram realizados ensaios de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica e Polarização Potenciodinâmica, que mostraram a maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo TRC em comparação ao processo DC. Além disso, foi verificada, em ordem decrescente, uma maior resistência à corrosão do alumínio AA1050, seguida pela superfície da liga AA4006 e por fim, pelo centro da chapa desta última. Os resultados obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica para as ligas AA4006 fabricadas pelo processo TRC apresentaram melhor desempenho que o processo DC, principalmente em intervalos de 2 a 12 horas de imersão na solução de sulfato de sódio contaminada com íons cloreto. Para tempos de imersão acima de 4 horas foi observado comportamento indutivo em baixas frequências para os dois tipos de processamento investigados, o que foi associado à adsorção de espécies químicas, principalmente íons sulfato e oxigênio, na interface metal/óxido. As curvas de polarização anódica mostraram maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo viii TRC em comparação ao processo DC. Este comportamento foi associado às diferentes características microestruturais, observadas para liga AA4006 obtida pelos dois processos. / Currently, wrought aluminum alloys are manufactured by two different processes: the twin roll continuous casting (TRC) or the more conventional method of Direct Chill (DC). The production method of the aluminum alloys through both processes results in different microstructures when compared to each other, which has a direct influence on their final properties. Besides this, there are also microstructural variations across sheet thickness, especially in alloys obtained by the TRC casting mode. Therefore, it is important to study the microstructural evolution that occurs during the casting process and its influence regarding corrosion resistance. In the present work both the microstructural characteristics and the corrosion behavior of the AA4006 (Fe + Si 1.8%) aluminum alloys sheets produced by both TRC and semi-continuous DC industrial processes were studied and compared to the commercial AA1050 aluminum (Fe + Si 0.5%) and to the high purity aluminum AA1199 (99,995% Al). The results demonstrate that size and distribution of intermetallic compounds are quite distinct in DC and TRC alloys, resulting in higher volumetric fractions of the precipitates in TRC, when compared to the DC process. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Potentiodynamic Polarization tests were carried out to establish the corrosion behavior of aluminum alloys, and in both tests a higher resistance to localized corrosion in the alloy produced by TRC, when compared to the DC process was verified.The results have also showed, in decreasing order, a higher corrosion resistance of AA1050 TRC followed by the surface of AA4006 TRC, and finally by the center of AA4006 TRC sheet. The electrochemical impedance spectroscopy results showed better performance in the center of the AA4006 TRC than in the its surface, when submitted to low aggressive media for periods of immersion higher than 24 hours. The AA4006 DC in sulfate solution containing chloride ions presented worse performance, mainly in immersion periods from 2 to 12 hours, when compared to the corrosion behavior in the AA4006 TRC process. After 4 hours of immersion, the impedance results presented inductive behavior in low frequencies for both manufacture processes. This behavior was attributed to the adsorption of intermediates, mainly sulfate and oxygen ions on metal/oxide interface. The anodic polarization curves showed higher localized corrosion resistance (Pit Corrosion) for the alloy manufactured by the TRC process in comparison to the DC process. This behavior was associated with different microstructural characteristics observed in AA4006 obtained by these two processes.

O presente trabalho tem como objetivo explorar o uso de técnicas de controle avançados na indústria siderúrgica. Propõe-se uma estratégia de controle do nível do aço da piscina formada entre os rolos de um sistema lingotamento contínuo de tiras (LCT) utilizando a tecnologia twin-roll (rolos duplos). O processo LCT rolos duplos tem por finalidade a produção de tiras solidificadas de espessura constante sob uma força de separação entre os rolos também constante. O nível de aço bem como a força de separação são as variáveis mais críticas para a produção de tiras de aço de alta qualidade. O nível pode ser controlado usando a entrada de aço ou a velocidade de laminação. Entretanto, a velocidade de laminação é usualmente utilizada para regular a força de separação entre os rolos. A estratégia de controle proposta inclui a incorporação de um tundish intermediário submerso na piscina. O controle do nível é então feito a partir da saída de aço do tundish intermediário. Consideramos as técnicas de controle linearizante por realimentação de estado e de controle fuzzy usando ambos os modelos Takagi-Sugeno (T-S) e Mamdani. Resultados de simulação são apresentados para uma planta instalada no Instituto de Pesquisa Tecnológica (IPT) de São Paulo, divisão de metalurgia (DIMET). / The aim of this work is to explore the use of advanced control techniques in the metallurgical industry. A control strategy to regulate the molten steellevel of a strip-casting process is proposed. The process produces a solidified strip of constant thickness given by the roll gap under a constant roll separation force. Along with the molten steel level the rool separation force are the most criticaI process variables. The molten steel level may be controlled using the tundish output flow or the casting speed. However, the casting speed is usually used to control the roll force separation. In the control strategy proposed it is incorporated an intermediary tundish submerse into the pool between the rotating rolls to improve the strip thickness uniformity. The molten steel level is thus controlled by the intermediary tundish output flow. Conventional PI, feedback linearizing plus a fuzzy control term and a fuzzy controller in a cascade configuration are considered. Simulation results are presented considering the real system parameters of a plant installed at the Instituto de Pesquisa Tecnológica (IPT) de São Paulo, Divisão de Metalurgia (DIMET).

O presente trabalho tem como objetivo explorar o uso de técnicas de controle avançados na indústria siderúrgica. Propõe-se uma estratégia de controle do nível do aço da piscina formada entre os rolos de um sistema lingotamento contínuo de tiras (LCT) utilizando a tecnologia twin-roll (rolos duplos). O processo LCT rolos duplos tem por finalidade a produção de tiras solidificadas de espessura constante sob uma força de separação entre os rolos também constante. O nível de aço bem como a força de separação são as variáveis mais críticas para a produção de tiras de aço de alta qualidade. O nível pode ser controlado usando a entrada de aço ou a velocidade de laminação. Entretanto, a velocidade de laminação é usualmente utilizada para regular a força de separação entre os rolos. A estratégia de controle proposta inclui a incorporação de um tundish intermediário submerso na piscina. O controle do nível é então feito a partir da saída de aço do tundish intermediário. Consideramos as técnicas de controle linearizante por realimentação de estado e de controle fuzzy usando ambos os modelos Takagi-Sugeno (T-S) e Mamdani. Resultados de simulação são apresentados para uma planta instalada no Instituto de Pesquisa Tecnológica (IPT) de São Paulo, divisão de metalurgia (DIMET). / The aim of this work is to explore the use of advanced control techniques in the metallurgical industry. A control strategy to regulate the molten steellevel of a strip-casting process is proposed. The process produces a solidified strip of constant thickness given by the roll gap under a constant roll separation force. Along with the molten steel level the rool separation force are the most criticaI process variables. The molten steel level may be controlled using the tundish output flow or the casting speed. However, the casting speed is usually used to control the roll force separation. In the control strategy proposed it is incorporated an intermediary tundish submerse into the pool between the rotating rolls to improve the strip thickness uniformity. The molten steel level is thus controlled by the intermediary tundish output flow. Conventional PI, feedback linearizing plus a fuzzy control term and a fuzzy controller in a cascade configuration are considered. Simulation results are presented considering the real system parameters of a plant installed at the Instituto de Pesquisa Tecnológica (IPT) de São Paulo, Divisão de Metalurgia (DIMET).

As chapas de ligas de alumínio trabalháveis são produzidas atualmente por dois processos, o método de vazamento contínuo conhecido TRC (Twin Roll Continous Casting) ou pelo método tradicional de vazamento de placas DC (Direct Chill). A fabricação de ligas de alumínio pelos dois processos confere características microestruturais diferentes quando comparadas entre si, o que se reflete em suas propriedades. Além disto, ocorrem variações microestruturais ao longo da espessura, especialmente nas chapas produzidas pelo processo TRC. Neste sentido, é importante estudar a evolução microestrutural que ocorre durante o seu processamento e sua influência com relação à resistência à corrosão. Dessa forma foi realizado neste trabalho um estudo comparativo do comportamento de corrosão, bem como das microestruturas do alumínio de alta pureza AA1199 (99,995% Al) e das ligas de alumínio AA1050 (Fe+Si0,5%) e AA4006 (Fe+Si1,8%) produzidas pelos processos industriais de lingotamento contínuo e semi-contínuo. Os resultados obtidos evidenciaram que as microestruturas das ligas AA4006 DC e AA4006 TRC são distintas, sendo observada maior fração volumétrica dos precipitados na liga fabricada pelo processo TRC comparativamente ao DC. Para caracterizar o comportamento de corrosão foram realizados ensaios de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica e Polarização Potenciodinâmica, que mostraram a maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo TRC em comparação ao processo DC. Além disso, foi verificada, em ordem decrescente, uma maior resistência à corrosão do alumínio AA1050, seguida pela superfície da liga AA4006 e por fim, pelo centro da chapa desta última. Os resultados obtidos por espectroscopia de impedância eletroquímica para as ligas AA4006 fabricadas pelo processo TRC apresentaram melhor desempenho que o processo DC, principalmente em intervalos de 2 a 12 horas de imersão na solução de sulfato de sódio contaminada com íons cloreto. Para tempos de imersão acima de 4 horas foi observado comportamento indutivo em baixas frequências para os dois tipos de processamento investigados, o que foi associado à adsorção de espécies químicas, principalmente íons sulfato e oxigênio, na interface metal/óxido. As curvas de polarização anódica mostraram maior resistência à corrosão localizada para a liga fabricada pelo processo viii TRC em comparação ao processo DC. Este comportamento foi associado às diferentes características microestruturais, observadas para liga AA4006 obtida pelos dois processos. / Currently, wrought aluminum alloys are manufactured by two different processes: the twin roll continuous casting (TRC) or the more conventional method of Direct Chill (DC). The production method of the aluminum alloys through both processes results in different microstructures when compared to each other, which has a direct influence on their final properties. Besides this, there are also microstructural variations across sheet thickness, especially in alloys obtained by the TRC casting mode. Therefore, it is important to study the microstructural evolution that occurs during the casting process and its influence regarding corrosion resistance. In the present work both the microstructural characteristics and the corrosion behavior of the AA4006 (Fe + Si 1.8%) aluminum alloys sheets produced by both TRC and semi-continuous DC industrial processes were studied and compared to the commercial AA1050 aluminum (Fe + Si 0.5%) and to the high purity aluminum AA1199 (99,995% Al). The results demonstrate that size and distribution of intermetallic compounds are quite distinct in DC and TRC alloys, resulting in higher volumetric fractions of the precipitates in TRC, when compared to the DC process. Electrochemical Impedance Spectroscopy and Potentiodynamic Polarization tests were carried out to establish the corrosion behavior of aluminum alloys, and in both tests a higher resistance to localized corrosion in the alloy produced by TRC, when compared to the DC process was verified.The results have also showed, in decreasing order, a higher corrosion resistance of AA1050 TRC followed by the surface of AA4006 TRC, and finally by the center of AA4006 TRC sheet. The electrochemical impedance spectroscopy results showed better performance in the center of the AA4006 TRC than in the its surface, when submitted to low aggressive media for periods of immersion higher than 24 hours. The AA4006 DC in sulfate solution containing chloride ions presented worse performance, mainly in immersion periods from 2 to 12 hours, when compared to the corrosion behavior in the AA4006 TRC process. After 4 hours of immersion, the impedance results presented inductive behavior in low frequencies for both manufacture processes. This behavior was attributed to the adsorption of intermediates, mainly sulfate and oxygen ions on metal/oxide interface. The anodic polarization curves showed higher localized corrosion resistance (Pit Corrosion) for the alloy manufactured by the TRC process in comparison to the DC process. This behavior was associated with different microstructural characteristics observed in AA4006 obtained by these two processes.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Umformverhalten der gieß- und warmgewalzten Magnesiumlegierung des Mg-Al-Zn-Systems (AZ31) unter einachsiger Zugbeanspruchung in Abhängigkeit von Temperatur, Dehnrate und Entnahmerichtung untersucht. Weiterhin wurde das richtungsabhängige Grenzformänderungsverhalten im statischen sowie erstmalig im dynamischen Lastfall bei verschiedenen Temperaturen bewertet. Für die dynamischen Versuche wurde ein eigens konstruiertes Prüfmodul entwickelt und eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bei einer Variation der Beanspruchungsbedingungen die Ausprägung der Versetzungsbewegung, der mechanischen Zwillingsbildung sowie der Hochtemperaturmechanismen signifikant verändert. Die Verknüpfung der sich dadurch ändernden mechanischen Eigenschaften mit der Mikrostrukturentwicklung konnte mit der Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie der Texturbestimmung mit der Röntgenbeugung (XRD) nachgewiesen werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Warmwalztechnologie für gießgewalztes Vorband der calciumhaltigen Magnesiumlegierung Mg-2Zn-1Al-0,3Ca (ZAX210) entwickelt. Ausgangspunkt war die Untersuchung des Verformungs- und Rekristallisationsverhaltens in Abhängigkeit der Umformtemperatur, Umformgeschwindigkeit und des Umformgrades. Dabei wurde die zwillingsinduzierte dynamische Rekristallisation als dominierender Rekristallisationsmechanismus vor allem bei erhöhten Umformgeschwindigkeiten identifiziert. Basierend auf den daraus gewonnenen Erkenntnissen konnte ein Prozessfenster für das Warmwalzen abgeleitet werden, welches die Erzeugung eines 2 mm dicken Fertigbandes mit abgeschwächter Textur, guten mechanischen Eigenschaften und einer verbesserten Umformbarkeit, insbesondere im Vergleich zu den Standardknetlegierungen AZ31 und ZE10, erlaubte. Die Warmwalzparameter sind unter Berücksichtigung gleicher Randbedingungen auf einen industriellen Warmwalzprozess übertragbar.

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.