Physikalische Modellierung des Stranggussprozesses mit niedrig schmelzenden Legierungen

Die Strömung in der Metallschmelze hat einen wesentlichen Einfluss auf die Produktqualität beim Stranggießen. Probleme entstehen beispielsweise durch Einschlüsse von Oxiden, intermetallischen Verbindungen oder Gasblasen, die durch eine unkontrollierte Strömung in die Erstarrungszone gelangen. Die Optimierung dieser Strömung basierte bisher vor allem auf numerischen Simulationen und Modellexperimenten mit Wasser. Obwohl die Strömungsuntersuchungen an diesen Wassermodellen signifikante Erkenntnisgewinne über die Strömung und die optimale Auslegung z. B. des Tauchrohrs oder der Eintauchtiefe des Tauchrohrs gebracht haben, stoßen diese Modelle für eine Reihe von Fragestellungen an ihre physikalischen Grenzen, da Flüssigmetalle z. B. sehr hohe Oberflächenspannungen und sehr kleine Prandtl-Zahl besitzen, und Wasser offensichtlich für Untersuchungen des Einflusses von Magnetfeldern völlig ungeeignet ist.
In den vergangenen Jahren wurden am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf experimentelle Versuchsanlagen mit niedrig schmelzenden Legierungen für die physikalische Modellierung des Stranggussprozesses aufgebaut. Ziel ist die systematische Untersuchung der Flüssigmetallströmungen und Transportprozesse in Verteiler, Tauchrohr und Kokille. Dabei steht insbesondere die Wirkung elektromagnetischer Felder, wie sie in Form von elektromagnetischen Bremsen oder Rührern bereits im industriellen Einsatz sind, im Mittelpunkt. Außerdem bieten die Versuchsanlagen gute Bedingungen für die Erprobung neuer Messtechniken und Anlagenkomponenten. Die Versuchsanlage „CONCAST-LMM“ (Continuous Casting Liquid Metal Model) ist 2009 fertig gestellt worden und arbeitet mit einer Sn60Bi40-Legierung als Modellfluid im Temperaturbereich von 200°C bis 400°C. Ein kleineres Modell mit der eutektischen GaInSn-Legierung wird bei Raumtemperatur betrieben. Die Strömungseigenschaften werden mit Hilfe lokaler Sonden sowie modernen Ultraschall und elektromagnetischen Methoden vermessen.
Im Rahmen dieses Beitrages werden Strömungsmessungen in einer einphasigen Flüssigmetallströmung in der Kokille unter Einwirkung eines statischen Magnetfeldes vorgestellt und mit entsprechenden numerischen Simulationen verglichen. Es zeigt sich, dass das Magnetfeld den aus dem Tauchrohr in die Kokille austretenden Jet ablenkt und lokale Rezirkulationsgebiete verstärkt. Die bremsende Wirkung des Magnetfeldes stellt sich als äußerst komplex dar. Eine gleichmäßige Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit im gesamten Volumen wird nicht beobachtet.