Auswirkung einer Elektrodenrotation beim Elektroschlackeumschmelzprozess auf die Abtropfmechanismen und die Raffinationswirkung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufgrund des stetig steigenden ökonomischen und ökologischen Drucks ist eine kontinuierliche Verbesserung aller Prozesse und Anlagen der Metallindustrie notwendig. Im Rahmen dieses Projektes wurde dafür das Konzept einer rotierenden Elektrode im Elektroschlacke-Umschmelzverfahren durch numerische und experimentelle Untersuchungen umgesetzt und untersucht. Hierfür wurde das Grundkonzept beim Projektpartner IME der RWTH Aachen University experimentell umgesetzt und untersucht. Beim Projektpartner IOB der RWTH Aachen University wurden numerische Untersuchungen mit dem Schwerpunkt auf das veränderte Abtropfverhalten durchgeführt. Im Speziellen wurde hier das Abtropfverhalten sowie die Metallfilmbildung unterhalb der Elektrode beim ESU Prozess unter Berücksichtigung der Versuchsprozess- und Geometriedaten untersucht. Die experimentellen Untersuchungen zeigten, dass eine Rotation der Elektrode zu flacheren Metallpools führt. Allerdings kann diese Aussage experimentell nur für den Vergleich „Rotation der Elektrode“ zu keiner Rotation der Elektrode bestätigt werden. Werden die Rotationsgeschwindigkeiten untereinander verglichen, zeigt sich zunächst ein Abflachen des Metallpools. Bei weiterer Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit lässt sich die Tendenz erkennen, dass der Metallpool wieder tiefer wird. Dies gilt unabhängig vom betrachteten Legierungssystem. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen ein nach außen Wandern der Tropfen an der Unterseite der Elektrode (ø=106,5 mm) für eine Rotationsgeschwindigkeit der Elektrode von 50 rpm. Dieses Verhalten sorgt für eine Verschiebung des Tropfeneintritts in das Metallbad/Metallpool nach außen und damit wahrscheinlich auch das in Experimenten beobachtete Abflachen der resultierenden Poolprofile. Die erwähnte Verschiebung der Tropfen gegen den Rand der Elektrode konnte experimentell nicht hinreichend gut untersucht werden. Das Erscheinungsbild der Restelektrode deutet zwar darauf hin, ist jedoch mit hoher Unsicherheit belastet. Simulativ beobachtetet werden konnte weiter eine bessere Durchmischung der Schlackenphase und eine erhöhte Relativbewegung zwischen Schlacke und Metallphase mit rotierender Elektrode. Beide Phänomene sollten zu einer verbesserten Diffusionswirkung an der Grenzfläche zwischen Metall und Schlacke führen. Diese Beobachtung wird weiterhin durch experimentelle Beobachtungen in einer Gallium Glycerin Lösung gestützt. Rotiert die Elektrode während des Prozesses, so verändert sich das Strömungsbild. Die im Wassermodell zugegebenen Tracer zeigen bei rotierenden Elektroden eine aufwärtsgerichtete Strömung des Schlackenmediums unterhalb der Elektrode bei abwärts strömendem Schlackenmedium am Behälterrand, also der „Kokille“. In den statischen Versuchen ist ein entgegengesetztes Verhalten erkennbar. Diese Änderung stimmt mit den Überlegungen in der Theorie, als auch mit den Ergebnissen der Simulationen überein und hat einen sehr interessanten Effekt zur Folge. Es scheint zuzutreffen, dass aufgrund dieser Schlackenbewegung ein erhöhter Wärmeübergang zwischen Schlacke und Elektrode stattfindet. Die Elektrode schmilzt folglich leichter auf. Tatsächlich ließen sich in den „rotierenden“ Versuchen die Umschmelzraten proportional zur Drehzahl um bis zu 18,4% steigern. Eine gesteigerte Umschmelzrate ohne eine Steigerung des Energieeinsatzes bei gleichbleibender Materialqualität ist hierbei von herausragender Bedeutung hinsichtlich Ökologie als auch Ökonomie. In Bezug auf die Qualität des experimentell umgeschmolzenen Materials lassen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Blöcken, welche mit rotierender Elektrode umgeschmolzen wurden, und den ohne Rotation feststellen. Dies gilt für den Reinheitsgrad des Materials, das Seigerungsverhalten und die Gefügeausbildung. Kombiniert man diese Beobachtungen mit den Ergebnissen der Simulation, nämlich dass für eine Rotation von 50 rpm keine Phänomene wie längere Tropfentrajektorien, kleinere Tropfen oder eine Abnahme der Metallfilmdicke beobachtet wurde, so wird vermutet, dass eine signifikante Verringerung der Größe der abgelösten Tropfen erst ab Rotationsgeschwindigkeiten über 150 rpm auftreten. Eine verringerte Tropfengröße ist laut Theorie aber erforderlich, um eine deutlich gesteigerte Reinheit des Materials zu erreichen. Untersuchungen, insbesondere zu höheren Rotationsgeschwindigkeiten, welche weitere Verbesserungspotentiale im Prozess aufzeigen können, sollten durchgeführt werden. Weiterhin ist eine Untersuchung zur Skalierbarkeit auf industrielle Prozess-Geometrien anzustreben, insbesondere die Auswirkung einer Rotation einer größeren Elektrode auf die Mehrphasenströmung ist nur schwer abzuschätzen. Eine Verbesserung des experimentellen Messequipments zur besseren Validierung der Simulationen sollte weiterhin angestrebt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Enhancing the electroslag remelting process: Development and Implementation of a Rotating Electrode Setup“, in Proceedings of the Liquid Metal Processing & Casting Conference 2017, Philadelphia, USA, Sep. 2017
M. Schwenk, B. Friedrich
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„Numerical Simulation Approach for Modelling the ESR Process with a rotating Electrode“, in Proceedings of the Liquid Metal Processing & Casting Conference 2017, Philadelphia, Pennsylvania, USA, Sep. 2017
C. Schubert, A. Rückert, und H. Pfeifer
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„State of the art: Macroscopic modelling Approaches for the Description of multiphysics Phenomena within the Electroslag Remelting Process“, in Proceedings of the 12th International Conference on Computational Fluid Dynamics in the Oil & Gas, Metallurgical and Process Industries, Bd. 2,Trondheim, Norway: SINTEF Academic Press, 2017, S. 499–505
C. Schubert, A. Rückert, und H. Pfeifer
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„Enhancing the electroslag remelting process: First impressions and results regarding the application of a new current transfer device and electrode control movement”, 3rd Ingot Casting, Rolling and Forging Conference (ICRF), Stockholm, Sweden, Okt. 2018
M. Schwenk, B. Friedrich, C. Demirci, R. El-Rabati, D. Robinson, J. Schlüter
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„Results of the tool steel H13, which has been remelted with new generation ESR-REF (Electro Slag Remelting with Rotating Electrode Function) unit, designed by SMS group GmbH/GER”, in AISTech 2019 The Iron & Steel Technology Conference and Exposition, Pittsburgh, USA, Mai 2019
M. Schwenk, C. Demirci, B. Friedrich, J. Schlüter,
