Die Simulation des elektromagnetischen Rührens wird bald mit THERCAST® möglich sein, unserer speziellen Software für Strangguss-, Blockguss- und Formgießen.
Was ist elektromagnetisches Rühren (EMS)?
Elektromagnetisches Rühren, auch EMS für „Electromagnetic Stirring" genannt, ist ein Verfahren, bei dem ein variables elektromagnetisches Feld erzeugt wird, um die Bewegung einer leitfähigen Flüssigkeit zu verändern.
Das Magnetfeld wird von einem Rührwerk erzeugt, das drehbar sein kann und das Fluid in Rotation um die Gießachse antreibt. Es kann auch linear sein und das Fluid entlang der Wand bewegen.
EMS wird häufig in der Metallurgie und insbesondere beim Stranggießen eingesetzt, da es zahlreiche Vorteile für die Qualität des Endprodukts bietet. Unter anderem ermöglicht es:
- die Qualität der Oberfläche des Teils zu verbessern
- die Hautdicke zu vereinheitlichen
- die Gießgeschwindigkeit zu erhöhen
- Defekte, Risse und Durchbrüche zu verringern
- Porosität und Seigerungen zu verringern
- die gleichachsige Erstarrungsstruktur zu erweitern
Warum sollte man elektromagnetisches Rühren simulieren?
Die Position der Rührwerke oder auch die Stärke des von ihnen erzeugten Magnetfelds sind schwer zu konfigurierende Parameter, um genaue Ergebnisse zu erzielen. So ermöglicht es die Simulation, die Prototypenphase zu verkürzen und den Prozess bei gleichzeitiger Begrenzung der Kosten für Nicht-Qualität schneller zu beherrschen.
Elektromagnetische Rührfunktion mit THERCAST®
Mit der THERCAST®-Simulationssoftware können Sie:
- Die Geometrie und die Anordnung der Rührwerke und ihrer Komponenten (Induktoren, Konzentratoren, Kern...) festlegen
- Die Stärke des Netzstroms, seine Frequenz und Phasenverschiebung konfigurieren
- Die Fließgeschwindigkeit des Metalls kontrollieren
- Die Lage und Entwicklung von Defekten und Seigerungen vorhersehen
- Lorentzkraftfelder visualisieren
- Verschiedene Konfigurationen von Prozessen oder Materialien testen
Die elektromagnetische Rührfunktion beruht auf der Kopplung zwischen zwei THERCAST®-Solvern: einem elektromagnetischen Solver und einem thermohydromechanischen Solver, die untereinander prozessrelevante Daten austauschen (Lorentzkraft, Wärmequelle, Temperatur, Geschwindigkeit, usw.).
Funktionsweise der Kopplung zwischen den beiden Solvern
Um diesen Prozess simulieren zu können, müssen die Daten einer elektromagnetischen Rührsimulation und einer Stranggusssimulation eingegeben werden. Die Verkettung zwischen diesen beiden Simulationen lässt sich mit einem Klick aktivieren.
Fallstudie: Stranggießen mit elektromagnetischem Rühren
Das folgende Beispiel basiert auf einem Stranggussfall mit der Verwendung einer Düse, die den Fluss des Metalls so verändert, dass es an den Kokillenwänden entlang schlägt.
Der Rotationsrührer befindet sich in der Nähe der Düse, oben auf der Kokille. Er führt eine rotierende Strömung herbei, mit der Möglichkeit, die Simulation an einer vollständigen Geometrie durchzuführen. Er besteht aus sechs gepaarten Induktoren und der Strom jedes Paares ist um 120° gegeneinander phasenverschoben.
Die Analysen wurden anhand von Vergleichssimulationen ohne und mit elektromagnetischer Rührtechnik durchgeführt. Diese sollen zeigen, wie sich das Rühren auf den Fluss und die Verfestigung des Metalls auswirkt.
Fließgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeitsamplitude wird auf einer zentralen Schnittebene (2D) visualisiert. In beiden Fällen ist die Geschwindigkeit am Austritt der Düse sehr hoch. Ohne Rühren nimmt sie schnell ab, wenn man in der Kokille nach unten geht. Mit Rühren liegt die Geschwindigkeitszone tiefer und näher an den Wänden, also nahe am Rührwerk. Dadurch wird das Material besser durchmischt und seine gleichachsige Zone vergrößert.
Die Geschwindigkeitsamplitude nimmt schneller ab ohne Rühren (linkks) - als mit Rühren (rechts)
Die gleichen Ergebnisse werden mit Volumenvektoren (3D) nachgewiesen. Anhand dieser Modellierung lässt sich feststellen, dass der Metallfluss ohne Rühren gegen die Wände schlägt, was das Geschwindigkeitsfeld augenblicklich verringert. Mit Rühren heben die Vektoren die Rotationsströmung des Metalls hervor.
Geschwindigkeit der Rotationsströmung mit 3D Volumenvektoren ohne Rühren (linkks) - mit Rühren (rechts)
Verfestigung des Metalls
Die flüssige Fraktion ist auf der ersten Hälfte der Kokille zu beobachten. Bei aktivierter Rührfunktion beginnt die Verfestigung weiter unten in der Kokille als bei ausgeschalteter Rührfunktion. Vor allem aber kann man in der Simulation sehen, dass die Dicke der verfestigten Haut glatter ist. Dadurch wird das Risiko von Rissen und Brüchen minimiert.
Veränderung der Hautglätte ohne Rühren (linkks) - mit Rühren > glätter (rechts)
Wenn man Querschnittzeichnungen auf verschiedenen Ebenen der Kokille anfertigt, kann man leicht erkennen, dass die Veränderung der Hautverfestigung bei aktivierter Rührfunktion allmählicher erfolgt, beginnend an den Ecken.
Veränderung der Hautverfestigung ohne Rühren (linkks) - mit Rühren (rechts)
Diese Funktion wird in die nächste größere Ausgabe von THERCAST® integriert und mit den anderen bereits verfügbaren Funktionen wie Eigenstrahlung, Seigerungsanalyse, ZTU-Diagrammen usw. kompatibel sein.
