Projektmenu

Einleitung

Ein umfassendes Verständnis für Phänomene der Mehrphasenströmung ist ausschlaggebend für die Optimierung von metallurgischen Prozessen. Dieses Projekt konzentriert sich auf die Modellierung und die numerische Simulation der (i) Schlackeneinzug (ii) blaseninduzierten Rezirkulation in Vakuumbehandlungsanlagen und (iii) Flotation nichtmetallischer Einschlüsse.

Das Hauptziel dieses Projektes liegt in der Entwicklung numerischer Strömungsmodelle, um eine tiefgründigere Erforschung und Optimierung von metallurgischen Prozessen zu ermöglichen wie (i) das Stranggießen mit hoher Qualität, (ii) die Stahlveredelung in RH-Anlagen und (iii) die Partikelabtrennung im Tundish.

  • Numerische Modellentwicklung für industrielle Mehrphasenströmungen
  • CFD-Simulation der Flotation, des Stranggießens und von RH-Anlagen
  • Experimentelle Validierung von Methoden und Modellierungsergebnissen

Vorgehensweise

Dieses Modellentwicklungsprojekt umfasst zwei Dissertation und zusätzliche postdoc-Forschungsarbeiten. In einer ersten Dissertation wird das Phänomen des Schlackeneinzugs an der Stahl-Schlacken-Grenzfläche in Stranggussströmungen betrachtet. Nach Erstellung einer Simulationsmethodik wird das Strömungsregime in mehreren Skalen betrachtet. Das Modell erstellt ein makroskopisches Strömungsbild, welches mikroskopische Strömungsphänomene auslösen könnte wie z.B. den Schlackeneinzug an der Stahl-Schlacken-Grenzfläche. In der aktuellen Forschungsperiode erstellen wir ein Turbulenzmodell, basierend auf der Lattice-Boltzmann-Methode (LB), zur ausführlichen Analyse der Turbulenzmodulation in Einphasenströmungen. In der darauffolgenden Forschungsperiode werden wir dieses Modellierungskonzept für geschichtete Fluide weiterentwickeln. Während das gesamte Strömungsfeld der Metallschmelze durch klassische makroskopische Strömungssimulationen abgebildet wird, werden kleinskalige Grenzflächeninstabilitäten durch ein integriertes LB-basiertes Turbulenzmodell aufgelöst. Die in dieser Dissertation erfolgenden numerischen Modellentwicklungen werden durch spezifisch ausgewählte Experimente validiert, die bei den Projektpartnern JKU und RHI durchgeführt werden (siehe auch Projekt 4.5).

In einer zweiten Dissertation wird die Rezirkulationsströmung innerhalb einer Vakuumentgasungsanlage, einer sogenannten Ruhrstahl-Heraeus-Anlage (RH), beleuchtet. Eine möglichst realitätsnahe Modellierung zur Vorhersage der Eindüsung eines massiven Gasstroms in eine Umgebung mit tiefem Betriebsdruck ist, fluiddynamisch gesehen, die größte Herausforderung dieser wissenschaftlichen Arbeit. Nach einer Evaluierung der Stahlrezirkulationsströmung anhand von Oberflächengeschwindigkeitsprofilen, welche mithilfe eines anlagenintegrierten Video-Processing-Systems aufgenommen wurden, werden zusätzlich Wärmeübertragung und chemische Reaktionen betrachtet. Bei der Entwicklung ausgewählter Modelle  für heterogene Reaktionen werden die beiden Wissenschaftspartner JKU (Spezialist für Fluiddynamik-Modellierung) und MUL (Spezialist für metallurgische Reaktionen) zusammenarbeiten.

Schließlich erforscht ein drittes Arbeitspaket die Anhaftung nichtmetallischer Einschlüsse an aufsteigenden Blasen eines Blasenschwarms. Dieses Phänomen wird sowohl analytisch als auch mittels umfassender numerischer Simulationen studiert. Um dies zu erreichen, wird ein vorhandenes Standardmodell zur Beschreibung von Blasensäulen durch bestimmte Submodelle erweitert, die ihrerseits wiederum abgeleitet sind aus einer Kombination von Strömungsmodellen (drift-flux Theorie) für eine aufsteigende Blasensäule und der Kollisionstheorie für Wechselwirkungen zwischen Blasen und Partikeln. Schließlich werden die numerischen Ergebnisse durch reale Anlagendaten von Argonspülungen im Tundish überprüft.

 

 

Experiment and CFD bubble column
Blasensäule: Experiment und CFD

Ergebnisse und Anwendung

Die erste Dissertation im P 4.4 wird ein tieferes Verständnis für die Schlackeneinzug liefern. Dadurch wird ein kritisches makroskopisches Strömungsbild identifiziet, das für eine Schlackeneinzug anfällig ist. Diese Ergebnisse werden Modellentwicklungen im Projekt 4.5 direkt unterstützen. Stahlproduzenten und Anbieter von Stranggussanlagen werden Erkenntnisse hinsichtlich kritischer Strömungsprofile erhalten, welche die Qualität des Endproduktes unter Umständen verschlechtern. Zusätzlich können Kontrollmethoden entwickelt werden, um diese Strömungszustände beim Betrieb oder bei der Auslegung von Stranggussanlagen zu vermeiden. Die zweite Dissertation befasst sich mit Stahlrezirkulationsströmungen und wird ein neues Werkzeug zur Optimierung des Betriebs von Vakuumbehandlungsanlagen zur Verfügung stellen. Stahlproduzenten werden ein Tool erhalten zur Bestimmung des totalen Wärmeverlustes und des Reaktionsumsatzes in einer Schmelze während der Vakuumbehandlung in Abhängigkeit der Startbedingungen und der Betriebsparameter. Hersteller von Vakuumbehandlungsanlagen wiederum werden  ein Entwicklungswerkzeug für die Geometrieoptimierung bekommen. Schließlich wird dieses letzte Arbeitspaket ein Hilfsmittel für die Auslegung und den effizienten Betrieb von Gasblasensäulen darstellen. 

Experimentelle Einrichtung zur Validierung eines Modells für den Schlackeneinzug