Das Stranggießen von Stahl ist mit 96 % Marktanteil das weltweit wichtigste Verfahren zur Stahlherstellung. Im Gießprozess beeinflusst das Strömungsprofil in der Kokille entscheidend die Qualität des erstarrten Stahls. Um eine möglichst optimale Kokillenströmung einzustellen, werden Aktuatoren eingesetzt, die die sich bewegende Schmelze kontaktlos mithilfe der Lorentzkraft beeinflussen. Diese Aktuatoren würden auch eine Strömungsregelung ermöglichen, wenn eine geeignete Messtechnik für heiße Schmelzen vorhanden wäre. Allerdings lösen bislang verfügbare Messverfahren vor allem die Strömung im Randgebiet der Kokille auf und sind häufig in ihrer zeitlichen Auflösung limitiert. Eine neue infrage kommende Messtechnik ist die berührungslose induktive Strömungstomographie (contactless inductive flow tomography, CIFT), die aus der gemessenen strömungsinduzierten Verzerrung eines angelegten Magnetfeldes die dreidimensionale Strömung rekonstruieren kann.
In dieser Arbeit wird anhand eines 1:8-Labormodells einer Stranggusskokille und numerischen Simulationen untersucht, ob CIFT bei Anlagen mit elektromagnetischen Bremsen eingesetzt werden kann. Besondere Herausforderungen entstehen aufgrund der Verzerrung des CIFT-Anregungsmagnetfeldes durch die ferromagnetische Bremse, der großen Dynamik von 6 Größenordnungen zwischen dem Magnetfeld der Bremse und dem strömungsinduzierten Magnetfeld sowie intrinsischen Strömungsoszillationen mit einer charakteristischen Frequenz im Bereich der üblicherweise verwendeten CIFT-Anregungsfrequenzen. Es wird dargelegt, dass sich CIFT in derartigen Aufbauten einsetzen lässt, wenn (a) eine geeignete Anregungsmagnetfeldstruktur erzeugt werden kann, (b) gradiometrische Induktionsspulen als Magnetfeldsensoren eingesetzt werden und (c) die Anregungsfrequenz in einem optimalen, schmalen Bereich gewählt wird. Diese Messungen werden erst durch in dieser Arbeit dargelegte theoretische und experimentell validierte Analysen der Induktionsspulen möglich, wofür Schwerpunkte auf deren Modellierung, Design und Messunsicherheit gelegt wurden. Außerdem werden für dieses Stranggussmodell erstmals experimentelle Ergebnisse mit horizontal anstatt vertikal orientierten Anregungsmagnetfeldern präsentiert.
Um die Skalierbarkeit von CIFT in Richtung industrieller Anlagen zu demonstrieren, werden zum einen CIFT-Strömungsrekonstruktionen in einem heißen 1:2-Labormodell einer Kokille vorgestellt. Eine weitere Herausforderung für CIFT ist die in industriellen Kokillen typischerweise aufgebrachte ferromagnetische Nickelschicht, die eine verzerrende und abschirmende Wirkung auf umgebende Magnetfelder hat. Diese Beschichtung stellt aufgrund ihrer zeitlich und räumlich schwankenden Permeabilität eines der größten Hindernisse für die Anwendung von CIFT im industriellen Stahlguss dar. Die Auswirkung dieser Beschichtung auf CIFT wird mit numerischen Simulationen quantifiziert. Dabei werden neue, im Rahmen dieser Arbeit patentierte Anregungsgeometrien untersucht und erste Strömungsrekonstruktionen gezeigt. / Continuous casting of steel is the most relevant steel casting method worldwide, with a 96 % market share. During the casting process, the flow profile in the mold has a decisive impact on the quality of the solidified steel. In order to obtain an optimal flow, electromagnetic actuators are employed to influence the melt by Lorentz forces in a contactless manner. Yet, tailored flow control is difficult, since conventional flow measurement techniques provide information with limited temporal or spatial resolution when applied to hot melts. One novel measurement technique that comes into question is contactless inductive flow tomography (CIFT), which relies on measuring the flow-induced perturbations to an applied magnetic field, and subsequent reconstructions of the three-dimensional flow.
Using a 1:8 lab model of a casting mold and numerical simulations, this thesis examines if CIFT can be applied to continuous casters with electromagnetic brakes. Specific challenges arise from the distortion of the CIFT excitation field by the ferromagnetic brake, the dynamic range of 6 orders of magnitude between the magnetic field of the brake and the flow-induced magnetic field, as well as intrinsic flow oscillations with a characteristic frequency close to the CIFT excitation frequency. It is demonstrated that CIFT can be applied to these kind of setups, if (a) a proper structure of the excitation field can be achieved, (b) gradiometric induction coil sensors are employed and (c) the excitation frequency is chosen within an optimum narrow range. These measurements were enabled by novel theoretical analyses of the induction coils with corresponding experimental validation. Furthermore, for the first time, experimental results using a horizontally applied magnetic field are presented, in contrast to older experiments relying on a vertical magnetic excitation field.
Additionally, this thesis presents CIFT flow reconstructions for a hot 1:2 model of a continuous casting mold, in order to demonstrate the scalability of CIFT towards industrial facilities. Moreover, the effects of ferromagnetic nickel coatings on CIFT, which are typically found in industrial casting molds, are quantified using numerical simulations. These coatings pose one of the most challenging obstacles for the industrial application of CIFT, since their temperature-dependent permeability shows temporal and spatial variations. For this scenario, new excitation geometries—developed and patented within the scope of this thesis—are investigated and first flow reconstructions are presented.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72170 |
| Date | 18 September 2020 |
| Creators | Ratajczak, Matthias |
| Contributors | Hampel, Uwe, Baake, Egbert, Eckert, Kerstin, Technische Universität Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V. |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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