Stranggiessanlagen und -prozesse durch Simulation optimieren Heisse Berechnungen

Redakteur: Luca Meister

Die zunehmende Komplexität bei Herstellungsprozessen von Stahl stellt hohe Anforderungen an die Industrie. Produkte aus Stahl müssen immer grössere Dimensionen annehmen, gleichzeitig qualitativ besser werden und sollten im Produktionsprozess immer weniger Energie verbrauchen. Die SMS Concast AG nutzt die Software «Comsol Multiphysics», um die komplexen multiphysikalischen Prozesse des Stranggiessens zu simulieren und somit zu optimieren.

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Giessbühne einer Stranggussanlage mit Giesspfanne und Zwischenbehälter, der den Stahl auf die einzelnen Giessstränge verteilt.
Giessbühne einer Stranggussanlage mit Giesspfanne und Zwischenbehälter, der den Stahl auf die einzelnen Giessstränge verteilt.
(Bild: SMS Concast)

mei. In der Mitte des 20. Jahrhunderts fand in der Stahlherstellung ein signifikanter Paradigmenwechsel statt. An die Stelle des bis anhin verwendeten Blockgiessens trat die neue Herstellungsmethode des Stranggiessens. Mit dieser neuen Technik kann anstelle von Blöcken ein theoretisch endloser Strang aus Stahl gegossen werden.

Die neue Methode bietet viele Vorteile. Beim Blockgiessen entsteht ein grosser Materialverlust, da jeder Block zugeschnitten werden muss. Der Strangguss bedingt nur einen Schnitt am Anfang und am Ende, dazwischen können mehrere hundert Tonnen Stahl ohne Unterbrechung und Verluste gegossen werden. Die Form der Rohlinge ist zudem viel näher an den gewalzten Endprodukten. Das Stranggiessen bietet eine verbesserte Produktion, höhere Qualität und tiefere Kosten als die ursprüngliche Stahlproduktion. Kein Wunder, dass heutzutage die weltweite Stahlherstellung zu 95 Prozent mittels Strangguss erfolgt.

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Die Firma SMS Concast in Zürich ist seit über 60 Jahren führend im Gebiet des Stranggiessens. Über 40 Prozent der weltweit verkauften Anlagen für Strangguss werden von diesem Unternehmen entwickelt und konstruiert. SMS Concast gilt als führend in der Entwicklung und Produktion von technischen Anlagen für die Schmelzung und Veredelung von Stahl und im Stranggiessen. «Die Technik des Stranggiessens ist von sehr vielen Variablen abhängig, die wir verstehen müssen, um die Technologie weiter zu optimieren», erklärt Nicholas Grundy, Leiter der Abteilung Metallurgie und Verfahrenstechnik Strangguss bei SMS Concast. «Wir versuchen die Grenzen des Stranggiessens stetig zu erweitern. Der einzige Weg, etwas zu verstehen, das noch nie gemacht wurde, besteht darin, es zu simulieren.»

Simulation in jedem Stadium des Giessprozesses

Beim Stranggiessen wird flüssiger, veredelter Stahl typischerweise in Giesspfannen von 30 bis 350 Tonnen Kapazität zur Stranggussanlage gebracht und in einen Zwischenbehälter gegossen, der den Stahl auf bis zu acht Stränge verteilt. Der erste feste Stahl formt sich dann in offenen, wassergekühlten Hohlformen aus Kupfer; den Kokillen. Am unteren Ende der Kokille werden die Stränge von Rollen angetrieben und kontinuierlich mit 0,1 bis 6 Meter pro Minute herausgezogen. Nach der vollständigen Erstarrung werden die noch rotglühenden Stränge in 3 bis 15 Meter lange Barren geschnitten und weiter abgekühlt. Diese Halbprodukte ähneln dem Endprodukt schon stark in der Form, was Kosten für das weitere Walzen und Schmieden reduziert. Abhängig von der Gussform können quadratische Profile, sogenannte Knüppel, in Rohlinge für Barren oder Drähte gegossen werden, deren Anwendungen von Armierungseisen bis hin zu Pianoseiten reichen. Grössere rechteckige Vorblöcke können zum Beispiel zu Kurbelwellen geschmiedet oder zu Schienen gewalzt werden. Flache Gussblöcke, sogenannte Brammen, werden zu Blechen gewalzt, aus denen alles in der Grössenordnung von Autos bis zu Öltankern produziert werden kann.

SMS Concast setzt heute die Simulation in jedem Stadium des Giessprozesses ein: Zur Analyse des Stahlflusses im Zwischenbehälter, bei der ersten Erstarrung in der Kokille, der Erstarrung und der mechanischen Verformung des Stranges sowie der Abschreckung oder dem langsamem Auskühlen der geschnittenen Rohblöcke.

Alle Faktoren in einer einzigen Plattform gekoppelt simulieren

«Während der Erstarrung müssen wir die Abscheidung der verschiedenen Legierungsanteile im Zentrum des Blocks minimieren, nichtmetallische Einschlüsse entfernen und die Mikrostruktur des erstarrenden Stahls verbessern», erklärt N. Grundy. «Einen Weg, um diese Verbesserungen zu erzielen, ist das Rühren des flüssigen Stahls.» Dies wird mit Hilfe von elektromagnetischen Rührern erreicht, die ein starkes rotierendes Feld um den Strang erzeugen und Kräfte hervorrufen, die den noch flüssigen Stahl im Zentrum verwirbeln. Die Felder und Kräfte der Rührer, aber auch die Strömung und die Temperaturen des Stahls, werden mit der Software «Comsol Multiphysics» simuliert.

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