Einleitung
Metallurgische Aggregate zeichnen sich durch Wechselwirkungen mehrerer Phasen aus. Insbesondere in der Sekundärmetallurgie beinhalten Aggregate wie Pfannen oder Konverter die Flüssigstahl-, Schlacken-, und zusätzliche Gasphase. Eine ähnliche Konstellation findet sich auch im Stranggussprozess (CC), bei dem innerhalb des Tauchrohrs (SEN) Gas in den flüssigen Stahl injiziert wird. Diese Mischung wird in die Kokille geleitet, welche die Grenzflächen zwischen Stahl/Schlacke sowie Schlacke/Atmosphäre umfasst. Darüber hinaus wird die Wechselwirkung des flüssigen Stahls mit Magnetfeldern genutzt, um die Strömung der Kokille positiv zu beeinflussen.
Innerhalb dieses Projektes liegt der Interessensschwerpunkt auf flüssigem Stahl und seine Wechselwirkungen mit verschiedenen Phasen oder externen Feldern. Aus Sicht der Modellierung können Grenzflächen von Mehrphasensystemen mithilfe von Volume-of-Fluid-Ansätzen (VoF) verfolgt werden. Diese Methoden sind in der Lage verschiedene Phasen basierend auf dem Volumenverhältnis innerhalb der Gitterzellen aufzulösen. Ungünstiger Weise ergeben sich an dieser Stelle gewisse Probleme, da die Gitterzellen industrieller Anwendungen für angemessene Rechenzeiten eine räumlich relativ grobe Diskretisierung bedingen. Dem Entgegen steht aber die Notwendigkeit des Auflösevermögens scharfer dynamischer Grenzflächen (z. B. zur Auflösung kleiner Blasen) und besonders hoher Gasinjektionsraten. Diese Aspekte müssen weiter untersucht werden, um alle notwendigen Wechselwirkungen wie Mehrphasenturbulenzen, Konvektionsströmungen (Marangoni Konvektion, etc), usw. zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird der Ansatz untersucht, die kleinen Strukturen nicht aufzulösen, sondern sie in Lagrange-Partikel umzuwandeln/abzubilden (mit Breakup- und Koaleszenz-Modellen), um geeignete Modelle für unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen zu entwerfen. Da die gängigen Modelle die Auswirkungen, welche bei Hochtemperaturströmungen beobachtet werden, oft vernachlässigen oder drastisch vereinfachen, zielt dieses Projekt auf die Entwicklung anwendbarer und geeigneter Modelle für die Stahlindustrie ab.
Herausforderungen
Die numerische Untersuchung metallurgischer Gefäße in industrieller Größe ist eine komplexe Aufgabe. Die beteiligten Wechselwirkungen mehrerer Phasen (flüssig, gasförmig, fest) erfordern hohe Auflösungen in Bezug auf zeitliche und räumliche Skalen um eine adequate Untersuchungen zu gewährleisten. Da diese Anforderungen zu massive Rechenzeiten bedingen würde, ist die Entwicklung intelligenter Modellierungsansätze unumgänglich. Jedes Arbeitspaket in diesem Projekt konzentriert sich auf einen speziellen Teil der Wechselwirkungen und dessen Auswirkungen auf das Strömungsfeld oder den Verschleiß des Feuerfestmaterials. Die Untersuchung, Modellierung und das Verständnis dieser Wechselwirkungen sind von grundlegendem Interesse für weitere Verbesserungen und neue Design der Systeme.
Ergebnisse und Anwendung
Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung detaillierter Modelle für die Wechselwirkung mehrerer Phasen innerhalb der Stahlindustrie und insbesondere der Sekundärmetallurgie. Die Modifikation, Erweiterung und Entwicklung numerischer Ansätze zur Abbildung verschiedener Skalen und deren Anwendung unter Betriebsbedingungen (z. B. hohe Gasinjektionsrate, thermochemische und elektromagnetische Überlegungen usw.) repräsentieren den Hauptfokus. Diese Modelle ermöglichen somit numerische Analysen mit stark reduziertem Rechenaufwand und tragen folglich zu schnelleren und Optimierungsprozessen bzw Konstruktionsverbesserungen bei.