Experimentelle Modellierung von Stranggussprozessen mit niedrig schmelzenden Legierungen

Die Strömung der Metallschmalze beim kontinuierlichen Stranggießen hat wesentlichen Einfluss auf das erreichte Gussergebnis. Probleme entstehen beispielsweise durch Einschlüsse von Oxiden, intermetallischen Verbindungen oder Gasblasen, die durch eine unkontrollierte Strömung in die Erstarrungszone gelangen. Die Untersuchung und Optimierung der Strömungsvorgänge erfolgte bisher vorwiegend anhand von numerischen Simulationen sowie Wassermodellen und lieferte bereits viele Erkenntnisse. Aufgrund der Materialeigenschaften sind jedoch Wassermodelle in ihrer Anwendung begrenzt und können nicht alle im Prozess auftretende physikalische Phänomene abdecken, wie z. B. Temperaturgradienten in der Schmelze, Interaktion mit elektromagnetischen Feldern oder Mehrphasenströmungen. In diesen Fällen unterscheiden sich die Kennzahlen z.T. um mehrere Größenordnungen.
Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf stehen drei Anlagen zur Verfügung, welche sich mit der Modellierung des Stranggussprozesses unter der Verwendung niedrigschmelzender Legierungen befassen. Die Anlagen unterscheiden sich z.T. in der Ausrichtung ihrer Untersuchungsschwerpunkte und ergänzen sich so gegenseitig ideal. Das Mini-LIMMCAST Experiment arbeitet mit einer bei Raumtemperatur flüssigen Legierung und ist sehr flexibel aufgebaut. Viele unterschiedliche Untersuchungen können und sind hier bereits durchgeführt worden. Die große LIMMCAST-Anlage ist insbesondere für einen längeren kontinuierlichen Betrieb ausgelegt und operiert im Temperaturbereich von 200 – 350 °C. Die dritte Anlage X-LIMMCAST ist speziell für die Röntgenbildgebung und die Visualisierung der Zweiphasenströmung mit Gasblasen konzipiert. Die Flexibilität der Anlagen erlaubt eine Anpassung an konkrete Gegebenheiten.
Neben den experimentellen Anlagen müssen für einen sinnvollen Betrieb auch entsprechende Messtechniken zu Erfassung der Strömungsvorgänge in flüssigen Metallen zur Verfügung stehen. Für die Geschwindigkeitsmessung sind dazu in den Versuchen die Ultraschall-Doppler-Velocimetry, die kontaktlose, induktive Strömungstomographie und die Potentialsondenmethode zum Einsatz gekommen. Für die Auflösung der Zweiphasenströmung sind wiederum eine tomographische Methode als auch die Röntgenbildgebung verwendet worden. Ziel ist neben einem tieferen Verständnis des Prozesses, die Bereitstellung eine breiteren Datenbasis für die Validierung numerischer Modelle.
Es sollen in diesem Beitrag die drei Versuchsanlagen und ausgewählte Messtechniken beispielhaft anhand von Messergebnissen vorgestellt werden.