Lämmönsiirtoparametrien optimointi kuparin jatkuvavaluprosessissa

Abstract

Tämän työn tarkoituksena on ollut selvittää optimaaliset jäähdytysparametrit Luvata Special Products Oy:n hapettoman kuparin jatkuvavalulinjalle rakennetulle uudelle kokillille. Lisäksi työssä on tarkasteltu valuparametrien vaikutusta tuntemattomaan virherakenteeseen, joka muodostuu pyöreän valukappaleen keskustaa kiertävistä renkaista, noin keskuksen ja kuoren puolivälissä. Tarkasteltavina valuparametreina ovat olleet primäärijäähdytyspiirin tehokkuus, sekundäärijäähdytyspiirin tehokkuus, valunopeus ja valettavan kuparin koostumus.

Tutkimuksessa käytettiin avuksi kahta mallinnusohjelmaa: CAS3 ja CSTEMP3D. CAS3-ohjelma mallintaa kupariseosten interdendriittisen jähmettymisen kinetiikkaa ja CSTEMP3D on jatkuvavaluihin suunniteltu lämmönsiirtoa ja jähmettymistä mallintava ohjelmisto. Mallinnuksista saadun tiedon avulla suoritettiin koevaluja. Koevaluista valmistettiin poikki- ja pystysuuntaiset leikkaukset, joista rakeenkasvu ja tarkasteltava virherakenne voitiin havaita. Tutkimuksen tavoitteena oli saavuttaa hyvä raerakenne ja tasainen jähmettymisrakenteen eteneminen valun aikana, sekä löytää syy virherakenteen muodostumiselle.

Uudessa kokillissa huomattiin olevan ongelmia primääripiirin veden virtauksessa ja määrässä. Veden virtaukseen liittyvät ongelmat todistettiin erillisellä virtausmallinnuksella. Primääripiirin ongelmien takia uutta kokillia ei saatu optimoitua halutulle tasolle. Lisätutkimuksia varten tuotantolinjan vedensyöttöjärjestelmään ja kokilliin on tehtävä mittavia rakenteellisia muutoksia. Ilman muutoksia uutta kokillia ei saada saatettua täysin tuotantokuntoiseksi. Valuparametrien optimoinnin suunta saatiin kuitenkin tutkimusten aikana selville.

Virherakennetta tarkasteltiin koevaluista saaduista näytteistä silmämääräisesti ja mikroskooppisilla tutkimusmenetelmillä. Mikroskooppisten tutkimusmenetelmien mukaan virherakenne ei eroa valanteen muusta koostumuksesta, eikä poikkeamia rakeenkasvussa havaittu. Yli mikrometrin kokoista suotaumarakennetta ei löydetty. Pienempien suotaumien löytäminen vaatisi lisätutkimuksia tarkemmilla laitteistoilla. Virherakenteen todettiin tulevan esiin vain etsauksen yhteydessä. Valuparametrien muutosten kautta huomattiin, että virherakenteella on yhteys valettavan kappaleen jähmettymisrintaman etenemiseen. Primääri- ja sekundäärialueiden välisellä jäähdytystehon muutoksella on selkeä vaikutus virherakenteen muodostumiseen. Sekundäärijäähdytyksen todettiin olevan liian tehokas. Lisäainekoostumuksella ei havaittu olevan vaikutusta virherakenteen muodostumiseen. Virherakenteesta eroon pääseminen valujen parametrien muutoksilla vaatii lisätutkimuksia.

The purpose of this research was to find the optimum cooling parameters for a new mold design used in continuous casting of oxygen free copper billets. In addition, an unknown circular casting defect has been detected. The defect is located midway in the structure, between billet surface and core. The effect of the casting parameters on the defect will be examined during optimization. These parameters include the efficiency of the primary cooling circuit, the efficiency of the secondary cooling circuit, casting speed and the composition of the cast copper.

Two modeling programs were used in the process: CAS3 and CSTEMP3D. The CAS3 is an interdendritic solidification model for copper alloys and CSTEMP3D is a model for heat transfer and solidification designed for continuous casting. Data from the modeling was used to create test casts. Cross and vertically cut samples were made, from which the growth of the granules and the resulting casting defect could be observed. Primary goal of this research was to achieve a fine and even grain structure during solidification of the cast copper product. The secondary goal in this research is to find the parameters related to the formation of the casting defect.

Problems with the water flow in the primary circuit were noted during the research and were verified by creating a separate three dimensional flow model. Because of these problems, the casting parameters could not be optimized to a desired level. For further investigations, large-scale structural changes have to be made to the production line as well as the new mold. Without changes to the mold, it is not possible to use it in full scale production. However, the direction of optimization was obtained during the studies.

The casting defect was examined both macroscopically and microscopically. According to the microscopic research, the composition of the casting defect does not differ from the composition of the cast product. No deviations in the growth of granules or segregation structure were found. Finding smaller segregations would require further research with more accurate equipment. The casting defect was found to be present only in the case of etching. Changes in the casting parameters have revealed that the defect is connected to large changes of cooling intensity during casting. The change between the primary and secondary areas has a clear impact on the formation of the defect and secondary cooling was considered to be too effective. Changing the additional alloying elements had no effect on the formation of the defect. Finding the optimal cast parameters to remove the casting defect require further investigation.