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IEHK-Aktuell

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Arbeitsgruppe Konverter- und Schlackenmetallurgie

Bei der Stahlherstellung entstehen u.a. als Beiprodukt und Sekundärrohstoff Schlacken. Diesen unterliegen unter anderem die wichtige Aufgabe des Abbindens von unerwünschten Elementen, welche den Reinheitsgrad von Stahl herabsetzen würden. Bei der stetig wachsenden Forderung nach größerer Stahlreinheit steigt auch der politische und gesellschaftliche Druck nach Klimaschonung und Umweltschutz, so dass ein Umdenken von der Deponierung zum Recycling der Schlacken einsetzt.

Dabei fielen in Deutschland bei der Erzeugung von Eisen und Stahl im Jahr 2018 etwa 13,2 Mio. t Schlacke an, davon fast 3,2 Mio. t bei der Stahlerzeugung im LD-Konverter und knapp 1,6 Mio. t im E-Ofen. Die Schlacke findet dann als Baustoff z.B. im Straßenbau oder auch als Düngemittel Wiederverwendung. Da es gesetzlich festgelegte Grenzwerte für potenziell toxisch wirkende in LD-Schlacken enthaltene, oxidische Verbindungen, wie beispielsweise Chromoxide gibt, muss ein Teil der Schlacken deponiert werden.

Eine gezielte Aufbereitung der Schlacken ermöglicht einerseits das Einsetzen der Schlacken in bekannten Anwendungsfeldern und soll andererseits neue Applikationsfelder zur Ressourcenschonung aufzeigen. Ein Einsatz im Straßenbau oder als Düngemittel würde die Gefahr der Auswaschung und damit verbunden die Verunreinigung des Grundwassers bergen. Die Grenzwerte in Regularien sollen weiter gesenkt werden, womit der Forschungsbedarf nach Schlackenkonditionierung besteht, sodass u.a. der Anteil der Deponiemengen nicht weiter erhöht, sondern abgebaut werden kann.

Die Forschungsgruppe für Schlackenmetallurgie am IEHK untersucht daher Möglichkeiten der Schlackenkonditionierung. Eine Grundlage hierfür bietet die Untersuchung der Schlackenmorphologie, d.h. die sich gebildeten Phasen in erstarrter LD-Schlacke werden bestimmt, um z.B. Oxide der sogenannten seltenen Erden Elemente zu lokalisieren und ihre Oxidationszustände zu bestimmen. Das gewonnene Wissen aus diesen Untersuchungen ermöglicht, die in den Schlackenoxiden gebundenen, wertvollen Elemente zurückzugewinnen und die potenziell toxischen Oxide stabil abzubinden.

Ebenso wird die Zugabe von Kreislaufstoffen aus der Industrie untersucht, um neue Applikationsfelder durch Schlackenrecycling zu erschließen. Diese wissenschaftlichen Untersuchungen und Experimente führen zu einer Schonung der Primärressourcen und dem Abbau der ungenutzten Potentiale in Deponien.

Ein weiteres Forschungsgebiet am IEHK umfasst die Auflösungskinetik und die Analyse der Auflösungsmechanismen von kalkhaltigen Additiven im Konverterprozess. Kalk dient neben der Einstellung einer aktiven Konverterschlacke, insbesondere dem Abbinden des instabilen Phosphoroxids, welches sich während des Frischeprozesses bildet. Phosphoroxid würde im Prozessverlauf zurück in das Stahlbad reduziert werden und somit die Stahlqualität deutlich mindern. Die Bestimmung der Auflösungsgeschwindigkeit sowie der einflussnehmenden Faktoren ermöglicht eine weitere Verbesserung hinsichtlich des Phosphors sowie einem gezielten Einsatz der Additive zur Kosten‑, Zeit- und Ressourceneinsparung.

Forschungsinhalte der Arbeitsgruppe Gießen und Erstarren

Über den Stranggießprozess werden über 95 % der Weltstahlerzeugnisse vergossen. Die Forschung der Arbeitsgruppe Gießen und Erstarren untersucht daher die Prozessbedingungen sowie die daraus resultierenden Gussgefüge, welche die Werkstoffeigenschaften und Weiterverarbeitung maßgeblich beeinflussen.

Die Vorhersage des Erstarrungsgefüges mit Hilfe von Berechnungen und Simulationsprogrammen ist zur Steuerung der Qualität des Stahlgusshalbzeugs von großer Bedeutung. Anlagenkomponenten, die unterschiedlichen Möglichkeiten der Prozessführung und die chemische Zusammensetzung des Halbzeugs verlangen eine optimierte Abstimmung dieser Faktoren, um das bestmögliche Gefüge für den jeweiligen Verwendungszweck einstellen zu können. Hierfür ist es notwendig die kontrollierbaren Einflussgrößen und ihre Auswirkungen genau beschreiben zu können. Das übergeordnete Ziel ist dabei die Verknüpfung verfügbarer Daten und Programme, um eine umfassende Berechnung der Gefügeentwicklung in der Stranggießanlage zu ermöglichen. Eine Auswertung der Hochtemperatureigenschaften unterschiedlicher Stahlzusammensetzungen bildet in dem Zuge die Basis für eine verbesserte Abstimmung der Gießbedingungen auf die Werkstoffeigenschaften.

Eine Möglichkeit zur Beeinflussung des Gussgefüges bei Blöcken ist die Applizierungvon mechanischer Vibration zur Anregung der dynamischen Keimbildung und Keimmultiplikation. Diese Methode wurde erfolgreich an Blöcken unterschiedlicher Größe getestet und die Gefügeentwicklung mittels einer Simulation nachvollzogen.

Es konnte gezeigt werden, dass die mechanische Beanspruchung des Blockes durch Vibration bei der Erstarrung den streng gerichteten Randbereich stark verkürzt und die CET vergrößert. Durch eine eigens entwickelte Simulation lässt sich die Verschiebung des Beginns der CET abbilden.

Ein weiterer Schritt zum verbesserten Verständnis der Erstarrung in Abhängigkeit von den jeweiligen Bedingungen ist ein exaktes Wissen über die Wärmeströme in der Kokille. Daher wird derzeit mittels genauester Messungen der Einlauf- und Rücklauftemperaturen des Kühlwassers einer Brammenkokille ermittelt. Ziel ist eine möglichst exakte Bestimmung der integralen Wärmestromdichte und der wechselseitigen Beeinflussung von Wärmeströmen, Gießverlauf, Schrumpfung, Tapern, Gießpulver und der aus der Schmelzentemperatur resultierenden Keimdichte. Mit Hilfe von optischen Glasfasersensoren (Faser Bragg Gitter) werden die Temperaturprofile innerhalb der Kupferplatten einer Stranggießkokille erfasst und visualisiert. Diese können zum einen als Online-Überwachung und zum anderen zur Einstellung und Steuerung der Parameter (z.B. Taper) genutzt werden.

Im SFB 761 wurden methodisch neue Vorgehensweisen für das Design von Strukturwerkstoffen am Beispiel von hochmanganhaltigen Stählen erarbeitet. Teilbereich B untersucht dabei die Prozessentwicklung dieser Stähle mit variierenden Aluminium-, Mangan- und Kohlenstoffgehalten. Dieses Legierungssystem stellt aus metallurgischer Sicht einige Herausforderungen dar, insbesondere beim Vergießen. Die Hochtemperatureigenschaften dieser Werkstoffe werden neben Heizzugversuchen auch mithilfe des Hochtemperaturbiegesimulators untersucht, sodass Spannungen in den Gussblock mit noch flüssigem Kern induziert werden können. Weitere notwendige Kennwerte für die Simulation der mechanischen Belastungen wie die Fließspannung werden aus Flachstauchversuchen ermittelt.

Im Bereich der Forschung zur Rissbildung beim Stranggießen von Manganstählen ist die Forschungsgruppe im EU-Projekt PMAPIA „Precipitation of Micro Alloy Particles in B and Mn alloyed steel grades and their interaction between elements, segregation and defects during continuous casting“ aktiv. Grundlage hierfür bildet das Vorgängerprojekt PMAP, an dem sich der Lehrstuhl bereits mit Forschungen zu den Hochtemperatureigenschaften von hoch Mangan Stählen eingebracht hat.

Zusammen mit internationalen Partnern wird zur Bildung von Ausscheidungen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen verschiedener Legierungselemente geforscht. Ziel des Projekts ist die Abstimmung der Stahlsorten auf die Gießparameter und letztendlich die Entwicklung von Richtlinien für den Strangguss rissanfälliger Manganstähle. Dazu werden im Labor Stahlsorten mit variierender Zusammensetzung hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Ausscheidungskinetik und Hochtemperatureigenschaften untersucht. Begleitend finden sowohl Industrieversuche als auch Modellierungen und Simulationen statt.

Für die genauere Untersuchung von Ausscheidungen wird am IEHK unter anderem ein speziell entwickelter Langsamerstarrungsofen (LEO) genutzt. Hier kann die Geschwindigkeit der Erstarrung eingestellt werden, um ein Gefüge mit sehr groben Dendriten und entsprechend großen Ausscheidungen zu erzeugen. So wird eine genaue Untersuchung gerichteter Körner und insbesondere der Phasengrenzen ermöglicht.

Vorstellung der Arbeitsgruppe Werkstoffsimulation

Die Arbeitsgruppe Werkstoffsimulation hat das Ziel, eine integrative und mehrskalige Modellierung von Gefüge und Eigenschaften entlang der Prozesshistorie zu entwickeln und in die Anwendung zu überführen. Die Arbeiten zielen auf die Kombination verschiedener experimenteller und simulativer Methoden, die Evaluation von Modellansätzen, die numerische Beschreibung von Prozessen und Prozessketten sowie die Vorhersage von Gefüge und Eigenschaften ab. Mit Hilfe der unterschiedlichen Methoden werden neue Legierungssysteme und Prozesse integrativ beschrieben und entwickelt. Die Simulationsansätze werden praxisnah validiert und in die industrielle Nutzung überführt. Im Fokus der Arbeiten stehen die Additive Fertigung sowie konventionelle Herstellung und thermomechanische/-chemische Bearbeitung von Stählen und Hochentropielegierungen.

Lehrstuhl für Werkstoff- und Bauteilintegrität

  • Name: Berk Tekkaya
  • Institut: Lehrstuhl für Werkstoff- und Bauteilintegrität 
  • Gruppe: Schädigungstoleranz
  • Dissertationsthema: Modellgestützte Regelung der Bauteilrandzoneneigenschaften 
  • beim Hartdrehen
  • Arbeitsbeginn: 01.10.2018
  • Abschluss: Maschinenbau, TU-Dortmund, 2018
  • Name: Manuel Henrich
  • Institut: Lehrstuhl für Werkstoff- und Bauteilintegrität 
  • Gruppe: Schädigungstoleranz
  • Dissertationsthema: Mikrostruktursensitive Ermüdungsmodellierung
  • Arbeitsbeginn: 01.11.2018
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2018

  • Name: Yannick Sparrer
  • Institut: Lehrstuhl für Werkstoff- und Bauteilintegrität 
  • Gruppe: Schädigungstoleranz
  • Arbeitsbeginn: Dezember 2017
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2017

Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl

  • Name: Lukas Borrmann
  • Institut: Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl 
  • Gruppe: Erstarrung
  • Dissertationsthema: Entstehung und Modellierung von Porosität in Stahlprodukten
  • Arbeitsbeginn: 15.08.2018
  • Abschluss: Wirtschaftsingenieurwesen (WPT), RWTH Aachen, 2018
  • Name: Johannes Höffgen
  • Institut: Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl 
  • Gruppe: Schlackenmetallurgie, Primär- und Sekundärmetallurgie
  • Dissertationsthema: Vanadium in Konverterschlacken
  • Arbeitsbeginn: 15.10.2018
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2018
  • Name: Matthias Fabry
  • Institut: Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl 
  • Gruppe: Metallurgie 
  • Dissertationsthema: Sintern von Eisenerzen
  • Arbeitsbeginn: 01.12.2018
  • Abschluss: Wirtschaftsingenieurwesen (WPT), RWTH Aachen, 2018
  • Name: Carolin van den Berg
  • Institut: Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl 
  • Gruppe: Stranggießen 
  • Dissertationsthema: Rissbildung beim Stranggießen
  • Arbeitsbeginn: 01.01.2019
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2018
  • Name: Fabian Perret
  • Institut: Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl 
  • Gruppe: Rohstoffe und Eisenmetallurgie 
  • Dissertationsthema: Einsatz von Ersatzreduktionsmitteln zur Optimierung der Ressourcennutzung im Hochofenprozess.
  • Arbeitsbeginn: 04.11.2019
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2019

Lehrstuhl für Eisenhüttenkunde

  • Name: Christoph Dahlmann
  • Institut: Lehrstuhl für Eisenhüttenkunde
  • Gruppe: Werkstoffbehandlung
  • Dissertationsthema: Elektroband
  • Arbeitsbeginn: 01.06.2018
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2018
  • Name: Marion Kreins  
  • Institut: Lehrstuhl für Eisenhüttenkunde 
  • Gruppe: Werkstoffcharakterisierung
  • Dissertationsthema:Experimentelle und numerische Untersuchungen zur 
  • Verfestigung in Ein- und Polykristallen bei zyklischer Belastung (Bauschinger-Effekt)
  • Arbeitsbeginn: 02.01.2019
  • Abschluss: Wirtschaftsingenieurwesen (WPT), RWTH Aachen, 2018

  • Name: Xiao Shen  
  • Institut: Lehrstuhl für Eisenhüttenkunde 
  • Gruppe: Nanostrukturierte Werkstoffe
  • Dissertationsthema: Characterizing and modeling on microstructural 
  • evolution during intercritical annealing of high performance medium-Mn steel
  • Arbeitsbeginn: 01.04.2019
  • Abschluss: Metallurgical Engineering, RWTH Aachen, 2018
  • Name: Maike Létang  
  • Institut: Lehrstuhl für Eisenhüttenkunde 
  • Gruppe: integrative Werkstoffsimulation 
  • Dissertationsthema: Simulation der Hochtemperatur Oxidation  
  • Arbeitsbeginn: 01.04.2019
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2019
  • Name: Alexander Gramlich  
  • Institut: Lehrstuhl für Eisenhüttenkunde 
  • Gruppe: Werkstoffbehandlung 
  • Dissertationsthema: Weiterentwicklung von Mittelmangan-Stählen
  • Arbeitsbeginn: Herbst 2017
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2017

  • Name: Robin Emmrich 
  • Institut: Lehrstuhl für Eisenhüttenkunde 
  • Gruppe: Werkstoffbehandlung
  • Dissertationsthema: noch nicht definiert, Projekt: Entwicklung eines innovativen Stahls verstärkt durch intermetallische Phasen zur 
  • Anwendung im Motorenbereich von PKWs
  • Arbeitsbeginn: 15.05.2019
  • Abschluss: Werkstoffingenieurwesen, RWTH Aachen, 2019