Simulation des Profilwalzens mit Hilfe von Werkstoffmodellen und der Finite-Elemente-Methode

Eine Grundvoraussetzung für die Einführung der thermomechanischen Behandlung beim Profilwalzen ist die Beherrschung der örtlichen Vorgänge im Walzspalt. Hierzu bietet sich die Finite-Elemente-Methode (FEM) als Hilfsmittel zur Ermittlung der örtlichen Prozeßparameter Vergleichsformänderung, Vergleichsformänderungsgeschwindigkeit und Temperatur an. Werkstoffmodelle können zur Beschreibung der örtlichen physikalisch-metallurgischen Vorgänge in einem Material und zur weiteren Entwicklung der FEM verwendet werden. Über die möglichen Wege für die Simulation des Profilwalzens mit FEM und Werkstoffmodellen sowie durch Verwendung von Warmumformsimulationen am IBF und am IEHK wird in dieser Arbeit berichtet. Walzungen im Labormaßstab von 4 Stichen der Kaliberreihe Oval-Quadrat werden Rechenergebnissen für die Stahlsorten C 35 und 50 CrV 4 gegenübergestellt. Ergebnisse aus Versuchswalzungen und Warmzugsimulationen für die Stahlsorte 50 CrV 4 werden verglichen und diskutiert. Erläuterungen über die allgemeine Anwendung der hier verwendeten Arbeitsroutine werden am Ende dieser Arbeit gemacht. Die Ergebnisse zeigen die Bedeutung dieser Arbeitsroutine für die Simulation des Profilwalzens.     

Bestimmung von Mindestbiegeradien beim Biegen von runden Drähten und Stäben

Aufgabenstellung des Forschungsvorhabens. Beschreibung des angewendeten Rißprüfverfahrens. Ableitung der Gleichungen für den minimalen Biegeradius. Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Mindestbiegeradius, Zugfestigkeit, Streckgrenzenverhältnis, Härte bei verschiedenen Stahlsorten in walzhartem und vorgezogenem Zustand. Örtliche Dehnungsverteilung. Entwicklung einer einfachen Beziehung zwischen Mindestbiegeradius und Brucheinschnürung. Diskussion dieser Korrelation anhand visioplastischer Ergebnisse.     

Die Verdampfung des Eisens und seiner Begleitelemente Kupfer und Mangan beim Schwebeschmelzen unter vermindertem Druck

Beschreibung einer Schwebeschmelzanlage für das tiegelfreie Schmelzen von Metallen unter kontrollierter Gasatmosphäre. Untersuchung der Verdampfung des Eisens und der Begleitelemente Kupfer und Mangan aus Proben des Stahles X 5 CrNi 18 9 in eine Argonatmosphäre bei Drücken zwischen 760 und 5 · 10^?2 Torr und Schmelztemperaturen zwischen 1760 und 1930 °C. Deutung der Versuchsergebnisse anhand eines Ansatzes von E. T. Turkdogan für die Diffusion von Metalldampf durch eine laminare Strömungsgrenzschicht. Vergleich der Ergebnisse für die Verdampfung unter vermindertem Druck in der Schwebeschmelzanlage und im Vakuuminduktionsofen und Schlußfolgerungen für die Einstellung optimaler Bedingungen zur Entfernung von Kupfer aus Stahlschmelzen.     

Die Dauerfestigkeit von Schweißverbindungen bei Grenzlastspielzahlen größer als 2 · 106

Entscheidung über den notwendigen Versuchsumfang. Beschreibung der Probenart und der Versuchsanordnung. Dauerfestigkeitsuntersuchung an Flachstäben aus Stahl St 37 mit kehlnahtverschweißten Querstegen unter Biegewechselbeanspruchung. Ergebnisse aus je 20 Versuchen für 1 · 10⁶, 2 · 10⁶ und 1 · 10⁷ Lastspiele nach dem Treppenstufenverfahren. Erweitertes Versuchsprogramm mit je 20 Einzelversuchen auf 8 äquidistanten Spannungshorizonten im Dauerfestigkeitsbereich. Anwendung und kritischer Vergleich verschiedener statistischer Auswerteverfahren. Bestimmung des Dauerfestigkeitsabfalls durch Ausmitteln zwischen 10⁶ und 10⁷ Lastspielen. Erörterung der Verläßlichkeit und der Möglichkeiten für die praktische Anwendung des Endergebnisses. Versuchstechnische Folgerungen.     

Die Messung von Eigenspannungen mit dem Setzdehnungsmesser

Beschreibung und kritische Betrachtung der Eigenspannungsermittlung nach dem Netzlinienverfahren mit dem Setzdehnungsmesser. Versuchsmäßige Erfassung der Meßgenauigkeit. Einfluß der Meßvorbereitung und des Randes der Probekörper. Tafeln für die schematische Messung und Auswertung. Erörterung der üblichen Darstellungsweise der Versuchsergebnisse.     

Die röntgenographische Messung des Nachwalzgrades von Weißblech

Grundlegende Voraussetzungen bei der röntgenographischen Messung des Nachwalzgrades. Beschreibung eines Verfahrens zur röntgenographischen Messung des Nachwalzgrades durch Messung der (112)-Interferenzlinienverbreiterung an der Blechoberfläche und in Querschnittsmitte. Errechnung der Varianz des Netzebenenabstandes und Benutzung der Varianzendifferenz zwischen Blechoberfläche und Querschnittsmitte als Maß für den Nachwalzgrad. Betriebsversuche über den Einfluß von Bandzug und Längenänderung während des Nachwalzens auf die Varianzendifferenz. Messung der Drittelwertsbreite an der Oberfläche des nachgewalzten Bleches als einfacheres Maß für den Nachwalzgrad. Zeitaufwand der Messungen.     

Messung der Grenzflächenspannung von Eisenschmelzen mit dem Verfahren des hängenden Tropfens

Erleichterung des Ermittlungsverfahrens der Grenzflächenspannung von Metallschmelzen durch neue Tafeln für die Abhängigkeit des relativen Formparameters vom Radienquotienten. Einfluß der Meßgenauigkeit auf den Wert der Grenzflächenspannung. Hinweise für eine optimale Arbeitsweise. Beschreibung der Versuchsapparatur, -durchführung und -auswertung. Messung der Grenzflächenspannung zwischen Reineisen und einer Argonatmosphäre in Abhängigkeit von der Temperatur und Beschreibung durch ein Ausgleichpolynom. Berechnung spezifischer und molarer Grenzflächenzustandsfunktionen.     

Über den Einfluß von Wärme- und Stoffübergang bei heterogenen Reaktionen zwischen Gasen und dichten Festkörpern

Allgemeine Betrachtung über heterogene Reaktionen zwischen Gasen und Feststoffen und Erörterung der maßgebenden Gleichungen für den Abbau von festen Ausgangsstoffen: Darstellung der Bedeutung von Stoffübergang, Porendiffusion, chemischer Kinetik, Wärmeübergang und Wärmeleitung für den Reaktionsablauf. Definition einer neuen Beziehung für die Reaktionsgeschwindigkeit für geringe Gleichgewichtsabweichungen in der Gasphase zur Beschreibung des Einflusses der einzelnen Teilschritte. Als Beispiel Darstellung des Einflusses von Wärme- und Stoffübergang auf den Reaktionsablauf.     

Fehlordnung von Wüstit

Erörterung der Zusammenhänge zwischen physikalisch-chemischen Eigenschaften und der Fehlordnung kristalliner Stoffe. Übersicht über die bisherigen Ergebnisse von Untersuchungen zur Fehlordnung von Wüstit und über die daraus abgeleiteten Modelle. Erläuterung eigener Röntgenbeugungsmessungen und thermogravimetrischer Untersuchungen. Beschreibung eines Modells für die Fehlordnung des Wüstits im Temperaturbereich von rd. 970 bis 1370 K. Ermittlung der Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstante für die Bildung von ?Komplexdefekten?.     

Untersuchung der Thermodiffusion an Eisen-Silicium-, Eisen-Phosphor- und Eisen-Silicium-Phosphor-Legierungen

Hinweise auf die Bedeutung der Thermodiffusion in Eisenlegierungen, zum Beispiel für die Zusammensetzung des Roheisens im Hochofengestell oder für Seigerungen bei der Blockerstarrung. Beschreibung einer Meßanordnung für Thermodiffusionsuntersuchungen an flüssigen Eisenlegierungen. Ermittlung der Soret-Koeffizienten des Siliciums und Phosphors an Schmelzen der Systeme Eisen-Silicium, Eisen-Phosphor und Eisen-Silicium-Phosphor. Erörterung der Einflüsse von Verdampfungsverlusten und Schwereseigerungen auf die Versuchsergebnisse.     

Ein betriebsnahes mathematisches Modell des Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahrens

Beschreibung eines empirischen, mit einer Regressionsanalyse erstellten mathematischen Modells des Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahrens. Aussagen über das stationäre Modell mit globalen Beziehungen zwischen Eingangs- und Zielgrößen und Eignung für eine Parameteroptimierung. Angabe der Modellkoeffizienten und Rangfolge des Einflusses der verschiedenen Variablen auf die jeweils betrachtete Ergebnisgröße. Erläuterung der wichtigsten Modellbeziehungen anhand von Bildern und Vergleich mit bekannten Ergebnissen.     

Experimentelle Untersuchung des Lufteinwaschens durch fallende Gießstrahlen

Verschlechterung des oxidischen Reinheitsgrades des Stahls beim offenen Gießen durch das Einwaschen von Luft. Modelluntersuchungen der Lufteintragungsvorgänge. Beschreibung der Abhängigkeit des Lufteintrags von seinen wichtigsten Einflußgrößen Düsengeometrie, Austrittsgeschwindigkeit und Strahllänge. Diskussion der Meßergebnisse anhand der Turbulenztheorie für Gießstrahlen.     

Mathematisches Modell zur Berechnung der Sumpfgeometrie bei Stranggieß-und Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren

Beschreibung eines mathematischen zweidimensionalen Modells zur Bestimmung des stationären Temperaturfeldes und des Sumpfprofils beim Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren und beim Stranggießverfahren. Angaben einer analytischen Lösung des Wärmeleitproblems für Zylinderprofile und Rechteckquerschnitte. Erfassung der Erstarrung in einem numerischen Modell unter Berücksichtigung einer Wärmequelle im Erstarrungsintervall bei Legierungen und durch eine Phasenübergangsbedingung bei Reinmetallen. Erörterung über die Anwendungsbereiche der mathematischen Lösungen für die verschiedenen Betrachtungsweisen.     

Prüfung und Einsatz von Isotopenfluoreszenz-Analysatoren

Prüfung der Geräte für die Bestimmung von Leitelementen. Beschreibung des Meßprinzips. Durchführung von Messungen an Eisenerzsinter-, Schlacken-, Heizöl- und Stahlproben. Beurteilung der Meßergebnisse. Beschreibung des betrieblichen Einsatzes.     

Ein neues Verfahren zur Darstellung der Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurve

Untersuchung der bei der Ermittlung von Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurven auftretenden Streuungen. Beschreibung eines allgemeingültigen Verfahrens zur Darstellung der Kerbschlagzähigkeit-Temperatur-Kurve. Überprüfung der Brauchbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens durch Auswertung umfangreicher Ergebnisse aus Kerbschlagbiegeversuchen an 13 unlegierten Stählen unterschiedlicher Zusammensetzung und Festigkeit. Folgerungen für die Durchführung von Kerbschlagbiegeversuchen soude für die Auswertung der Versuchsergebnisse.     

Untersuchungen zur Wärmeübertragung bei der Spritzwasserkühlung von Stahlplatten

Mittels eines instationären Untersuchungsverfahrens wurde der Wärmeaustauschvorgang bei der Wasserabspritzung in einem sich auf die Kühlstrecke einer Warmwalzanlage beziehenden Bereich untersucht. Es wurde der Einfluß von Wasserbeaufschlagungsdichte, Oberflächenstoßdruck, Wasserschicht und Material auf den Wärmetransport überprüft. Die gesamte Oberflächenwärmestromdichte wurde als passende Größe zur Beschreibung der Wärmeübertragung bei der Wasserabkühlung besonders im Bereich der instabilen Filmverdampfung ausgewählt. Quantitativ wurde diese Größe unter verschiedenen Abkühlbedingungen ermittelt. Nach Forderung der Kühlungssimulationsaufgabe wurde die ?Stepwise Regression Procedure“ verwendet, um die Form und die entsprechenden Parameter der Regressionsformeln festzustellen. Die Ergebnisse für X 5 CrNi 18 8 wurden dargestellt. Solche mathematische Darstellungen können Wärmerandbedingungen in den Bereichen der stabilen und instabilen Filmverdampfung sowie der Blasenverdampfung kontinuierlich erfassen. Die Ergebnisse enthalten die wichtigsten Einflußfaktoren, wie einerseits Oberflächentemperatur (150–850°C) und andererseits Wasserbeaufschlagungsdichte (300–1500 l/(m² · min)). Diese Methode eignet sich als Grundlage zur Ermittlung der Wärmerandbedingungen unter den verschiedenen simulierten Kühlungsbedingungen und stellt somit den Ansatz eines zuverlässigen Modells zur Simulation und Optimierung des Warmwalzprozesses bzw. des Wärmebehandlungsprozesses und schließlich auch der ganzen Anlage dar.     

Das Heißdrahtverfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von feuerfesten Baustoffen und Isoliersteinen

Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Meß- und Regeleinrichtungen des Heißdrahtverfahrens. Erörterung der theoretischen Grundlagen und Aufstellung einer Bestimmungsgleichung für die Wärmeleitfähigkeit λ. Fehlerbetrachtung. Versuchsergebnisse an Isolier- und Feuerleichtsteinen sowie an Schamotte- und Korundsteinen bei Temperaturen bis zu 1500 °C.     

Modelluntersuchungen zum Zusammenhang zwischen Aufblasbedingungen und Eindringtiefe beim Sauerstoffblasverfahren

Beziehung zwischen Aufblasbedingungen und Eindringtiefe für Modellsysteme des Sauerstoffaufblasverfahrens. Ableitung von Ähnlichkeitsbedingungen. Anwendung eines Ultraschall-Laufzeitmeßverfahrens. Übertragung der Ergebnisse auf das Originalsystem und Vergleich mit bekannten Beziehungen für Betriebskonverter.     

Die infolge einer plastischen Instabilität begrenzte gleichmäßige Formänderung beim Kaltumformen quaderförmiger Werkstück

Untersuchung der Grenze für die gleichmäßige Umformung quaderförmiger Werkstücke durch eine plastische Instabilität. Beschreibung der Fließkurve an Hand der Ludwikschen Potenzfunktion. Ermittlung der Grenzwerte der einzelnen Formänderungen und der Hauptformänderung über die Gestaltänderungsenergiehypothese sowie die Schubspannungshypothese. Darstellung der Grenzwerte der gleichmäßig erreichbaren einzelnen Formänderungen und der Hauptformänderung in Abhängigkeit vom Spannungszustand und vom Verfestigungsexponenten des Werkstoffes.     

Das Hochofenschlackensystem Al2O3–CaO–MgO–SiO2 bei 1600, 1500 und 1400 °C

Beschreibung von Sättigungsflächen im System Al₂O₃–CaO–MgO–SiO₂ durch isotherme Schnitte im Konzentrationsbereich der Hochofenschlacken für 1600, 1500 und 1400 °C. Räumliche Tetraederdarstellungen und quantitative Grundrißprojektionen nach Überprüfung und Neufestlegung der Grenzflächen des homogenen Schlackenraumes durch Sättigungsschmelzen. Vollständige Darstellung des Grundsystems Al₂O₃–CaO–SiO₂ für 1600, 1500 und 1400 °C. Beispiel für die Anwendung der quantitativen Grundrißprojektion zur Einschätzung der Heterogenität von flüssigen Hochofenschlacken.