Local heat transfer and stress analysis of direct chill casting process

Abstract

Controlling the rate of cooling during the start-up phase of the Direct-Chill (DC) casting process is challenging and crucial as this region is highly prone to defect formation. During the DC casting process, primary cooling in the mold is followed by secondary cooling in which the partially solidified shell impinges with cooling water from an array of jets. The start-up phase of DC casting is the most critical phase because of its transient nature. This results in varying thermal boundary condition for the same set of parameters. The defect formation can be reduced by controlling the heat extraction in the secondary cooling zone. Hence, an accurate knowledge of boundary condition and the transient phenomenon occurring during the process is required for process optimization. In order to analyze the boundary condition, the secondary cooling region is further divided in impingement zone and free falling zone on the basis of turbulence in the water stream. Experiments are conducted in laboratory replicate the DC casting process, to obtain the relations of various casting parameters on the boiling curve, in different zones. The thermal history data on the back side of the metal sheet is recorded with an infrared camera. This data is further analyzed in conjecture with 2D energy balance equation to obtain the temperature on the quenching side and hence the boiling curve. The effect of various parameters like water quality and temperature, jet velocity and angle, metal thickness, casting speed, initial temperature and kind of metal are studied. It has been observed that the heat transfer in the impingement zone is less sensitive to changes in the quenching parameters, because of high turbulence in the water stream, whereas the free falling zone is sensitive to changes in parameters. During the experimental analysis, it has been found that if the temperature of the surface is high as it enters the free falling zone, water is ejected away from the surface. This phenomenon is dominant in the start-up phase, because of less diffusion of heat in the axial direction. Water ejection causes less and uneven cooling in the bottom region. So experimental analysis to quantify the effect of these parameters on water ejection is conducted. It has been noticed that water ejection is sensitive to various parameters. The boiling curves for impingement zone and free falling zone obtained from the experimental analysis for various parameters were incorporated in an FE model to predict the occurrence of ejection. These results were validated with experimental analysis to get a better physical understanding of ejection phenomenon. In order to study the effect of various parameters on the DC casting process, the results from experimental analysis were used as boundary conditions in an in-house FE model, coupling the thermal, metallurgical and mechanical eld. An isothermal staggered approach is followed to couple the thermal and mechanical fields along with temperature dependent material properties. The growing domain is simulated by adding new elements in the casting direction. The thermal boundary conditions are validated with temperature measurements from industry. With the understanding of water ejection phenomenon, the temperature profiles from industrial measurements are matching well with the simulation results. The evolution of temperature and stresses in the start-up phase of the casting process are analyzed. The start-up phase is focussed to analyze the origin of the hot tear and other failures. In order to understand the in uence of water ejection on the process, a hypothetical case with no water ejection is used to conduct comparative analysis. It has been observed that because of water ejection, compressive stress exists in the bottom region. This will give a chance for cracks if formed to heal. Without water ejection, the ingot undergoes high stresses at high temperature, increasing the susceptibility for failures. The presented thermo-mechanical process model along with validated thermal boundary conditions. The effect of various casting parameters on the thermal boundary conditions is extensively studied with experimental analysis. This work, not only provides a deep understanding of heat transfer in the secondary cooling region, but also provides a qualitative understanding of the evolution of stresses in the DC casting process. This understanding is a powerful tool for improving the quality and optimization of the process in industry.

Die Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit während der Startphase des Stranggießverfahrens (Direct Chill Casting) ist eine Herausforderung und entscheidend, da dieser Prozessabschnitt sehr anfällig für die Bildung von Defekten ist. Während des Stranggießverfahrens folgt der Primärkühlung in der Kokille die Sekundärkühlung, bei der die teilweise erstarrte Schale mit Kühlwasser aus einem Düsenfeld beaufschlagt wird. Die Anlaufphase des DC-Gießens ist aufgrund steigender Gießgeschwindigkeit die kritischste Phase. Dies führt zu veränderlichen thermischen Randbedingungen bei gleichzeitig hoher Kühlgeschwindigkeit. Die Fehlerbildung kann durch Steuerung des Wärmeentzugs in der sekundären Kühlzone reduziert werden. Daher ist eine genaue Kenntnis über die Randbedingungen und der während des Prozesses auftretenden Wärmeübergangsmechanismen für die Prozessoptimierung erforderlich. Um die Randbedingungen zu analysieren, wird der sekundäre Kühlbereich weiter unterteilt in Aufprallzone und Freifallzone. Diese Aufteilung wird auf Grundlage der Turbulenz im Wasserfilm definiert. Dazu werden Experimente im Labor durchgeführt, die das Stranggießverfahren nachstellen. Untersucht wird die Abhängigkeit zwischen verschiedenen Gießparametern und der Siedelinie, wobei in verschiedene Kühlzonen differenziert wird. Das thermische Verhalten während der Abkühlung des Metallblechs wird auf der Rückseite mittels Infrarotkamera aufgezeichnet. Diese Daten werden, in Verbindung mit einer zweidimensionalen Energiebilanzgleichung zur Beschreibung derWärmeleitung in der Platte, analysiert, um die Temperatur auf der mit Wasser beaufschlagten Plattenseite und somit die Siedekurve zu erhalten. Die Auswirkungen verschiedener Parameter wie Wasserqualität, Wassertemperatur, Strahlgeschwindigkeit und Strahlwinkel, Plattendicke, Gießgeschwindigkeit, Anfangstemperatur und Art des Metalls wurden untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Wärmeübertragung in der Aufprallzone aufgrund von starken Turbulenzen im Wasserstrom weniger empfindlich, während die Freifallzone empfindlich auf änderungen der untersuchten Parameter reagiert. Während der experimentellen Analyse wurde beobachtet, dass Wasser von der Oberfläche weggeschleudert wird, wenn die Temperatur der Plattenoberfläche zu Beginn der Freifallzone hoch ist. Dieses Phänomen ist in der Startphase aufgrund von Wärmeleitung in axialer Richtung dominant und verursacht eine geringe und ungleichmäßige Kühlung stromabwärts. Daher wurde eine experimentelle Analyse durchgeführt, um den Effekt der genannten Parameter auf dieses Phänomen zu quantifizieren. Es wurde beobachtet, dass das Ejection-Phänomen empfindlich auf Parameteränderungen reagiert. Die Siedekurven für die Aufprallzone und die Freifallzone, die aus der experimentellen Analyse für verschiedene Parameter resultieren, wurden in ein FE-Modell aufgenommen, um das Auftreten des Ejection-Phänomens vorherzusagen. Diese Ergebnisse wurden mit experimentellen Analysen validiert, um ein besseres physikalisches Verständnis dieses Phänomens zu erhalten. Um die Auswirkung verschiedener Parameter auf das Stranggießverfahren zu untersuchen, wurden die Ergebnisse der experimentellen Analyse als Randbedingungen in einem hausinternen FE-Modell verwendet, wobei das thermische, metallurgische und mechanische Verhalten mittels einem isothermer Zusammenfassung gestaffelter Ansatz gekoppelt wurde. Dabei wurde der anwachsende Strang simuliert, in dem neue Gitterelemente in Gießrichtung hinzugefügt werden. Die thermischen Randbedingungen wurden mit Temperaturmessungen aus industriellen Messungen validiert. Es wurde gezeigt, dass mit der Berücksichtigung des Ejection-Phänomens die Temperaturprofile von industriellen Messungen mit den Simulationsergebnissen gut übereinstimmen. DesWeiteren werden Temperaturfeld sowie resultierende Spannungen in der Startphase des Gießprozesses analysiert, um den Ursprung von Warmrissen zu analysieren. Es wurde beobachtet, dass durch das Ejection-Phänomen Druckspannungen stromabwärts auftreten, die Risse zurückbilden können. Tritt das Ejection-Phänomen nicht auf, wird der Strang hohen Spannungen bei hoher Temperatur ausgesetzt, was die Anfälligkeit für Ausfälle erhöht. Diese Arbeit präsentiert ein thermomechanisches Prozessmodell mit validierten thermischen Randbedingungen. Die Auswirkung verschiedener Gießparameter auf die thermischen Randbedingungen wird mit experimentellen Analysen intensiv untersucht. Diese Arbeit liefert nicht nur ein tiefes Verständnis zumWärmetransport im sekundären Kühlbereich, sondern auch ein qualitatives Verständnis der Spannungsentwicklung während des Stranggießverfahrens. Dieses Verständnis ist ein leistungsfähiger Ansatz zur Verbesserung der Qualität und Optimierung des Prozesses in der Industrie.