Strömungen in metallurgischen Schmelzen

Dr.-Ing. Moritz Eickhoff

Gruppenleiter & Ansprechpartner

Fachbereiche

Numerische Simulationen von metallurgischen Schmelzverfahren inkl. Magentohydrodynamik und Blasen- oder Partikelbewegungen; physikalische Modellierung von Schmelzen mit Wassermodellen, Laser-Strömungsmesstechnik

Aktivitäten

Modellierung metallurgischer Reaktoren

Die Kenntnis der Strömung bei Raffination und Gießen von z.B. Stahl, Kupfer und Aluminium in metallurgischen Reaktoren (Schmelzöfen, Konvertern, Pfannen, Stranggießverteilern, SNIF-Boxen und Kokillen) ist entscheidend für die Optimierung der Qualität des Halbzeugs und des Fertigprodukts. Die Möglichkeiten von Strömungsmessungen in Schmelzen sind aufgrund der hohen Temperaturen sehr eingeschränkt, daher werden die strömungs- und wärmetechnischen Vorgänge anhand von physikalischen und numerischen Modellen untersucht.

Die kinematischen Viskositäten von Metallschmelzen und Wasser liegen in der gleichen Größenordnung und damit sind deren Fließeigenschaften sehr ähnlich. Daher ist eine Untersuchung der Schmelzen in Wassermodellen möglich. Hierbei kann sowohl auf bereits vorhandene Wassermodelle (Pfanne, Tundish, Stranggießverteiler und Konverter) als auch auf eine maßgeschneiderte Anfertigung von Wassermodellen in der institutseigenen Werkstatt zurückgegriffen werden. Zur Vermessung der Wassermodell-Versuchsstände ist diverse Messtechnik am Institut vorhanden.

  • Strömungsvisualisierung mit der Laserlichtschnitttechnik PIV
  • 3D Aufnahme turbulenter Strömungsfelder mittels DPIV und LDA
  • Aufnahme von Temperatur- und Konzentrationsfeldern mittels LIF
  • Verweilzeituntersuchungen und Analyse von Mischungsvorgängen
  • Bestimmung von Partikelverteilungen und Abscheidekurven mittels Coulter Counter
  • Strömungsoptimierung durch passive Strömungsbeeinflussung
  • Aufnahme von Badspiegelbewegungen mit Ultraschallsensoren
  • Aufnahme von Blasenbewegungen oder Sprays mittels Shadowgraphie

Oft parallel zu den Strömungsuntersuchungen in physischen Modellen erfolgt die numerische Simulation mittels CFD Methoden. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Rechnungen, werden viele Simulationen zunächst für die Wasserströmung durchgeführt und freie Parameter anhand der sehr genauen laseroptischen Messergebnisse validiert. Erst danach erfolgen die Simulationen für die mehrphasigen, nicht-isothermen Metallschmelzen. Numerische Simulationen ermöglichen es hier gekoppelte Phänomene zu modellieren, welche durch Wassermodelle nicht abzubilden sind, Beispiele sind:

  • Thermik, inklusive nicht-isothermer Materialeigenschaften
  • Chemische Reaktionen zwischen Spezies oder Phasen
  • Mischungs- und Entmischungsphänomene (ein- und mehrphasig)
  • Elektromagnetische Felder und Magnetohydrodynamik
  • Verbrennungs- oder Pyrolysereaktionen

Für die Validierung von Simulationen, welche nicht vollständig durch Wassermodelle abgebildet werden können, arbeiten wir zusammen mit Partnern anderer Forschungsinstitute oder der Industrie.

Projekte

Laufende Projekte

  • Entwicklung eines Ofenmodells für eine Bandvergütelinie – HeatSteel (progres.NRW)
  • Entwicklung einer neuartigen, mit Wasserstoff befeuerten, Glasschmelzwanne mit dem Ziel einer CO2-neutralen Behälterglasproduktion – ZeroCO2-Glas (BMWK)
  • Entwicklung eines neuartigen simulationsbasierten Steuerungssystems für die ressourceneffiziente Erwärmung von Schmiedeteilen (AiF ZIM)
  • Metallkristallisation an rotierenden Kühlzylindern – Mechanismen und Prozessmodell zur Kontrolle einer Hochreinigung von Metallen am Beispiel von Aluminium (DFG)

Abgeschlossene Projekte

  • Entwicklung eines Verfahrens zum ressourceneffizienten Recycling von Leiterplattenschrott mittels Mikrowellenpyrolyse in Drehrohröfen (AiF ZIM)
  • Experimentelle und numerische Untersuchungen der Mehrphasenströmung im Wassermodell einer Stahlgießpfanne als Grundlage zur Weiterentwicklung der Mehrphasenmodelle in der Strömungssimulation metallurgischer Reaktoren (DFG)
  • Auswirkung einer Elektrodenrotation beim Elektroschlackeumschmelzprozess auf die Abtropfmechanismen und die Raffinationswirkung (DFG)
  • AMAP P5: Nachhaltiges Aluminium-Recycling: Effizientes Einschmelzen
  • Numerische Modellierung des Impuls- Wärme- und Stofftransportes beim Vakuumlichtbogenumschmelzen (Kooperation mit VDM Metals)
  • Prozessverkürzung und CO2-Einsparung bei der Herstellung von Stahlbändern durch Industrialisierung der Bandgießtechnologie (BMBF)
  • Prozessoptimierung des Double-Roller-Bandgießprozesses durch die systematische Aufteilung der Strömung im Schmelzenpool (DFG)
  • Untersuchungen der Strömung und Schwingungen an einem 1:4 Wassermodells eines AOD – Konverters (Kooperation mit SMS Siemag)
  • Numerische und experimentelle Untersuchung der Strömung und der Partikelbewegung in Dünnbrammenkokillen (DFG)
  • Anwendung numerischer und physikalischer Simulationen der Mehrphasenströmung und Partikelabscheidungen in Stranggießverteilern als Beitrag zur Verbesserung des Reinheitsgrades von Stählen (DFG)
  • Simulation der Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung in Stranggießverteilern mit Lichtbogenheizung (DFG)
  • Impuls-, Wärme- und Stofftransport bei der Argon-ESU-Raffination am Beispiel von Titan (DFG)
  • Simulation von Strömung, Erstarrung und Bandformung bei der Erzeugung von Breitband mit dem Zwei-Rollen-Gießverfahren (DFG)
  • Numerische und experimentelle Untersuchung der stationären und instationären Strömungen in Stranggießverteilern (DFG)