Experimentelle und numerische Untersuchungen der Mehrphasenströmung im Wassermodell einer Stahlgießpfanne als Grundlage zur Weiterentwicklung der Mehrphasenmodelle in der Strömungssimulation metallurgischer Reaktoren
Steigende Anforderungen der Industrie an Hochleistungsstähle mit höchstem Reinheitsgrad und homogenen optimalen technologischen Eigenschaften für lebensdauererhöhende Bauteile erfordern ein umfangreiches Verständnis der Prozesse während der Sekundärmetallurgie. Dies bietet Möglichkeiten die Produktivität der Anlagen und die Produkteigenschaften zu verbessern.
Eine detaillierte Kenntnis der Mehrphasenströmung im Wassermodell einer Pfanne in Abhängigkeit verschiedener Parameter vertieft das grundlegende Verständnis des Prozesses und dessen Einflussgrößen. Des Weiteren bilden die Daten die Validierungsgrundlage für die Weiterentwicklung numerischer Modelle zur Simulation der Strömung in der Pfanne. Erfahrungen im Rahmen der Untersuchungen am AOD-Konverter zeigen, dass mit Wassermodellen validierte CFD-Modelle im Bereich der Mehrphasenströmung mit heterogenen Auftriebsfreistahlen nach der Übertragung auf den realen Prozess in der Lage sind diesen gut wiederzugeben. Auch konnte gezeigt werden, dass für das Wassermodell beobachtete Einflussgrößen qualitativ auf den realen Prozess übertragbar sind.
Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die grundlegenden Mechanismen der Ausbildung des heterogenen Auftriebsfreistrahls sowie der resultierenden Strömung in der Pfanne zu verstehen und diese Kenntnisse zur Weiterentwicklung numerischer Modelle, welche den Reaktor im Bereich der Mehrphasenströmung realitätsnah beschreiben, anzuwenden. Insbesondere im Bereich der numerischen Beschreibung von Mehrphasenströmungen in metallurgischen Reaktoren besteht ein umfassender Forschungsbedarf. Gerade mit modernen experimentellen Verfahren validierte numerische Modelle sind in der Literatur nicht sehr verbreitet.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden verschiedene Einflussgrößen auf die Strömung in der Pfanne detailliert experimentell untersucht. Des Weiteren werden darauf aufbauend numerische Modelle weiterentwickelt, welche in der Lage sind den komplexen Prozess makroskopisch zu beschreiben. Diese Modelle bilden eine Grundlage für weiterführende Prozessverbesserungen. Durch eine korrekte Simulation der Blasengrößenverteilung sowie der Geschwindigkeit der Blasen und der Form des heterogenen Auftriebsfreistrahls können, aufbauend auf den Strömungssimulationen, Modelle zum Energie- und Stofftransport in den untersuchten Prozessen (z.B. Modellierung der Chemischen Reaktionen) erarbeitet werden. Auf Basis der erarbeiteten Modelle kann die Geometrie von Pfannen sowie die der Einblassysteme dahingehend optimiert werden, dass die Prozesszeit verkürzt wird. Auf diese Weise können Energie und Ressourcen eingespart werden.
Veröffentlichungen im Rahmen des Projektes
Haas, T.; Rückert, A.; Pfeifer, H.: Numerical modelling of the bubble driven flow within a steel ladle validated by particle image velocimetry, 7th International Conference on Modelling and Simulation of Metallurgical Processes in Steelmaking (STEELSIM2017), 16.–18. August 2017, Qingdao, China
Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Geschäftszeichen RU 2050/2–1 gefördert.