This thesis has been carried out as a development project at Scana Steel Björneborg with the purpose to study the influential parameters in argon shrouded ingot casting during the manufacturing of low-alloy steels. In the first stage, a literature study was conducted in order to investigate the theoretical background of the procedure and the importance of protecting the melt during ingot casting. Next, a computer model of the shield was designed using COMSOL Multiphysics® with regard to the process conditions at Scana Steel Björneborg. The effect of various parameters on the process was examined through simulations of the argon gas flow pattern, heat transfer between the gas and the melt stream, and the chemical species transport in the gas around the melt stream. Based on the simulation results, two different shapes of shield were proposed for the argon shrouding operation. A set of implementation tests was executed in order to check the installation and usage conditions of the two new shields. After deciding the proper shape of the shield, a full-scale ingot-casting test was performed with the selected shield to investigate the protection behavior. Moreover, the impact of the new casting-protection shield on the nitrogen and oxygen contents of steel was examined through sampling and analyzing the steel before and after casting. It was found that the use of the new shield during the uphill ingot casting is an effective way to reduce the final nitrogen and oxygen contents of the casted ingot. Therefore, the new design of the shield can be used as a developed substitute for the protection of the melt stream in the ingot casting operation.

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>

Bei der Fertigung von Siliziumwafern durch Zerteilen eines Siliziumblockes kommt das Drahttrennläppverfahren zur Anwendung. Es wird eine Erregereinheit entwickelt, die den Siliziumblock während des Schneidprozesses zu Schwingungen anregt. Die Verwendung von Piezoaktoren ermöglicht mehrachsige Schwingungen mit variabler Frequenz und Amplitude. Wesentliche Bestandteile der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen an den Aktoren und der gesamten Erregereinheit sowie die Modellierung des Gesamtsystems mit Hilfe linearer Einzelmodelle. Es zeigt sich, dass die Aktoren bei dynamischen Anwendungen linear beschrieben werden können, während das Gesamtmodell besonders in den Resonanzbereichen aufgrund montagebedingter Einflüsse Schwächen aufweist. Abschließend wird der Einfluss der Schwingungsanregung beim Drahtsägen untersucht. Aus den Versuchen geht hervor, dass im getesteten Frequenz- und Amplitudenbereich sowohl hohe Erregerfrequenzen als auch –amplituden geringere Schnittkräfte zur Folge haben.

Bei der Fertigung von Siliziumwafern durch Zerteilen eines Siliziumblockes kommt das Drahttrennläppverfahren zur Anwendung. Es wird eine Erregereinheit entwickelt, die den Siliziumblock während des Schneidprozesses zu Schwingungen anregt. Die Verwendung von Piezoaktoren ermöglicht mehrachsige Schwingungen mit variabler Frequenz und Amplitude. Wesentliche Bestandteile der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen an den Aktoren und der gesamten Erregereinheit sowie die Modellierung des Gesamtsystems mit Hilfe linearer Einzelmodelle. Es zeigt sich, dass die Aktoren bei dynamischen Anwendungen linear beschrieben werden können, während das Gesamtmodell besonders in den Resonanzbereichen aufgrund montagebedingter Einflüsse Schwächen aufweist. Abschließend wird der Einfluss der Schwingungsanregung beim Drahtsägen untersucht. Aus den Versuchen geht hervor, dass im getesteten Frequenz- und Amplitudenbereich sowohl hohe Erregerfrequenzen als auch –amplituden geringere Schnittkräfte zur Folge haben.

Cette thèse traite de la modélisation et des méthodes numériques pour la simulation d'écoulements de fluides non-Newtoniens, et particulièrement, de matériaux granulaires. Une application de ce travail concerne les poudres de couverture utilisées pour protéger thermiquement le métal de l'air dans le procédé de coulée en source d'alliages métalliques. Ces poudres sont conditionnées dans des sacs disposés dans la lingotière, qui brûlent suite aux fortes chaleurs engendrées, et permettant son écoulement sur la surface du métal. Ainsi, la simulation numérique apparaît comme un puissant outil pour l'optimisation du procédé, et notamment, de l'étalement de ces poudres.Dans ce travail, une formulation éléments finis a été proposée pour modéliser l'écoulement multiphasique des matériaux granulaires dans un formalisme de la mécanique des milieux continus. Les équations associées sont résolues via des schémas numériques stabilisés, couplés avec la méthode Level-Set pour capturer et suivre le profil du matériau granulaire au cours de la simulation. Dans un premier temps, les outils numériques ont été testés sur des cas d'écoulements de fluides de Bingham, où les fortes non-linéarités sont traitées par une méthode de régularisation. Puis la formulation est étendue aux écoulements de granulaires secs, dont le comportement piezzo-dépendent est traduit par la loi mu(I). Le modèle a été validé sur des cas d'effondrement de colonnes de grains, et une étude de sensibilité aux conditions aux limites et constantes physiques du modèle est proposée.Enfin, des cas industriels de chutes de poudres sur substrats solide et métal fondu ont été menés, amenant à des premières pistes pour l'optimisation du procédé de coulée en lingotière. / This thesis is devoted to the modeling and numerical methods for the simulation of non-Newtonian flows, and focuses particularly on granular materials flows. This work is applied to molten powders aiming to ensure metal thermal protection from the air in ingot casting process of metallic alloys. These powders are conditionned into bags disposed into the mold, which burn due to high temperatures, and allowing the powder spreading onto the metal surface. Thus, numerical simulation appears as a powerful tool for the process optimization, and especially, for the powder spreading.In this work, a finite element formulation has been proposed for the modeling of granular multiphase flows, by a continuum approach. The associated equations are solved using stabilized numerical schemes, coupled with the Level-Set method to capture and follow the granular profile during the simulation. First, the numerical tools have been implemented for Bingham flows, by using regularization a method. Then, the formulation was extended to dry granular flows, by the use of the mu(I) rheology constitutive model for describing its pressure-dependent behavior. The model has been validated on granular collapses, and a sensitivity analysis to boundary conditions and physical constants has been proposed.Finally, industrial cases of powder chutes ontoboth solid and liquid metla substrates have been conducted, leading to preliminary solutions for the optimization of ingot casting process.

Improving the quality of metal castings for serial production of automotive industry, leading to improvements in the properties of casts and their lower costs. This publication analyzes the non-metallic inclusions contained in casts of heads of internal combustion engines, molded of Nemak Czech Republic, Ltd. Tackling includes analysis of size, shape, chemical composition and hardness of the specific non-metallic inclusions. The thesis describes the purity metal holding furnaces and proposals to eliminate inclusions from metal.

Etwa die Hälfte aller Solarzellen weltweit wird aus blockerstarrtem Silizium hergestellt. Derartige Blöcke weisen in ihren Außenbereichen eine verringerte Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger auf. Um die Ursache dafür im Fall des bodennahen Bereichs zu bestimmen wurden zwei Spezialblöcke (ein Block mit reduzierter Bor-Dotierung und ein Block mit Phosphor-Dotierung) - u. a. mittels DLTS und FTIR - auf Kristalldefekte untersucht. Zusätzlich zu Dotierelementen (B, P, Al, As) wurden im Bodenbereich folgende Defekte nachgewiesen: <u>Metalle</u>: Fe, Cr <u>Sauerstoffhaltige Defekte</u>: Interstitieller Sauerstoff, Thermische Donatoren (TD), O1, O2 <u>Stickstoffhaltige Defekte</u>: NN-Paar, NNO-Komplex, Shallow Thermal Donors (STD) <u>Ausgedehnte Defekte</u>: Versetzungen, Ausscheidungen, Korngrenzen. Die Verteilung der flachen Donatoren (P, TD, STD, As) und Akzeptoren (B, Al) bestimmt den Widerstandsverlauf im bodennahen Bereich des Phosphor dotierten Spezialblocks. Das dortige Diffusionslängenprofil kann im Rahmen der Shockley-Read-Hall-Statistik erst durch eine Erhöhung des Minoritätseinfangquerschnitts für das Cr-Niveau (Faktor 5) bzw. für das STD-Niveau (Faktor 10) nachgezeichnet werden. Eisen, Versetzungen und Korngrenzen haben hier keinen wesentlichen Einfluss. In den untersten Millimetern des Spezialblocks müssen weitere Defekte hinzukommen, die die Diffusionslänge zusätzlich reduzieren; Thermische Donatoren und O1 und eventuell Ausscheidungen kommen dazu in Frage. Die sinngemäße Übertragung der Konzentrationsverläufe aus den beiden Spezialblöcken auf einen Block mit einer produktionsüblichen Dotierung ([B]≈10^{<small>16</small>}/cm^{<small>3</small>}) ergibt, dass in diesem Fall verschiedene Defekte (TD, STD, CrB und FeB) einen Beitrag zur Diffusionslängenreduktion im bodennahen Blockbereich liefern.

Etwa die Hälfte aller Solarzellen weltweit wird aus blockerstarrtem Silizium hergestellt. Derartige Blöcke weisen in ihren Außenbereichen eine verringerte Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger auf. Um die Ursache dafür im Fall des bodennahen Bereichs zu bestimmen wurden zwei Spezialblöcke (ein Block mit reduzierter Bor-Dotierung und ein Block mit Phosphor-Dotierung) - u. a. mittels DLTS und FTIR - auf Kristalldefekte untersucht. Zusätzlich zu Dotierelementen (B, P, Al, As) wurden im Bodenbereich folgende Defekte nachgewiesen: <u>Metalle</u>: Fe, Cr <u>Sauerstoffhaltige Defekte</u>: Interstitieller Sauerstoff, Thermische Donatoren (TD), O1, O2 <u>Stickstoffhaltige Defekte</u>: NN-Paar, NNO-Komplex, Shallow Thermal Donors (STD) <u>Ausgedehnte Defekte</u>: Versetzungen, Ausscheidungen, Korngrenzen. Die Verteilung der flachen Donatoren (P, TD, STD, As) und Akzeptoren (B, Al) bestimmt den Widerstandsverlauf im bodennahen Bereich des Phosphor dotierten Spezialblocks. Das dortige Diffusionslängenprofil kann im Rahmen der Shockley-Read-Hall-Statistik erst durch eine Erhöhung des Minoritätseinfangquerschnitts für das Cr-Niveau (Faktor 5) bzw. für das STD-Niveau (Faktor 10) nachgezeichnet werden. Eisen, Versetzungen und Korngrenzen haben hier keinen wesentlichen Einfluss. In den untersten Millimetern des Spezialblocks müssen weitere Defekte hinzukommen, die die Diffusionslänge zusätzlich reduzieren; Thermische Donatoren und O1 und eventuell Ausscheidungen kommen dazu in Frage. Die sinngemäße Übertragung der Konzentrationsverläufe aus den beiden Spezialblöcken auf einen Block mit einer produktionsüblichen Dotierung ([B]≈10^{<small>16</small>}/cm^{<small>3</small>}) ergibt, dass in diesem Fall verschiedene Defekte (TD, STD, CrB und FeB) einen Beitrag zur Diffusionslängenreduktion im bodennahen Blockbereich liefern.