Interaktion von Inklusionen bei der Flotation in flüssigen Metallen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sven Eckert; Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284002692

Die Produktion von Hochleistungsmetallen stellt eine strategische Herausforderung für die Europäische Metallurgische Industrie im Wettbewerb mit den Schwellenländern dar. Hierbei besteht eine wesentliche Problematik in der Verhinderung von Einschlüssen. Diese beeinflussen substantiell die mechanischen Eigenschaften der Legierungen und bestimmen so das Gewicht metallischer Bauteile ganz entscheidend. Die Eindüsung von Gas in den Schmelztiegel ist dabei der entscheidende Verfahrensschritt, der die Reinheit von Stahl, Aluminiumlegierungen und Spezialstählen bestimmt. Bei diesem Prozess werden Einschlüsse durch eine Kombination von Auftriebseffekten und Flotation entfernt, wobei einerseits die Entfernung von Einschlüssen, andererseits die Größenbeschränkung der größten Einschlüsse angestrebt wird. (.) Trotz ihrer entscheidenden Bedeutung für die industrielle Prozessführung sind die Aggregationsmechanismen von Einschlüssen in Flüssigmetallen aufgrund ihrer Komplexität bisher weder voll verstanden, noch hinreichend durch Korrelationen beschrieben, die bei Modellierung und Auslegung dieser Prozesse eingesetzt werden könnten. Dieses Defizit basiert auf der Schwierigkeit von Experimenten mit Flüssigmetallen, wie auch darauf, dass aufgrund des Mehrskalencharakters des Problems mit existierenden numerischen Methoden keine Simulationen durchgeführt werden können, die die Physik vollständig abbilden. FLOTINC adressiert diese beiden Probleme durch ein innovatives Mehrskalenkonzept für grundlegende Aspekte der Aggregationsdynamik von Einschlüssen während der Flotation. Es kombiniert die beiden entscheidenden Längenskalen, die Skala der Blasen und Blasengruppen einerseits und die Skala der Einschlüsse und Interaktion der Einschlüsse andererseits. Das wird durch die Kooperation von vier Forschergruppen ermöglicht, zwei experimentellen Gruppen und zwei numerischen Gruppen, die neueste Methoden verwenden, die in den jeweiligen Gruppen entwickelt wurden. Die Verbindung zwischen der Aggregation der Einschlüsse und den Bedingungen der Blasenströmung wird dabei hauptsächlich durch die Simulationen hergestellt. Sie erlauben, lokale Eigenschaften auf den großen Skalen als Input für die kleinen Skalen zu verwenden, während andererseits die aufgelösten Prozesse auf den kleinen Skalen als Sub-Modelle auf den großen Skalen eingesetzt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die gekoppelten Mechanismen als Ganzes zu erfassen. Physikalische Analysen werden neue und wichtige Information über Aggregation und Flotation generieren, sowie über Strategien zu deren Kontrolle. Die experimentellen und numerischen Resultate werden dabei in Form von statistischen Kernen formuliert, die industrielle Anwender und nachfolgende Wissenschaftler mit quantitativen Aggregationsmodellen ausstatten. Sie werden auf eine große Vielfalt metallurgischer Prozesse anwendbar sein und die Vorhersagekraft von Simulationen auf industrielle Skala wesentlich verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Jean-Pierre Bellot; Professor Dr. Frederic Gruy