Simulation der Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung in Stranggießverteilern mit Lichtbogenheizung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Herbert Pfeifer
• Subject Area: Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2004 to 2006
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5429757

Das Prinzip der Lichtbogenbeheizung ist Anfang der 80er Jahre bereits für die Stahlgießpfanne mit Erfolg eingeführt worden (ladle furnace) und dort heute Stand der Technik. Das Ziel dieses Antrages ist es, einen Beitrag zur Verbesserung des Stranggießprozesses durch die Lichtbogenbeheizung von Stahlschmelzen in Stranggießverteilern zu leisten. Mittels mathematischer Modellierung sowie physikalischer und numerischer Simulation der strömungs- und wärmetechnischen Vorgänge in Stranggießverteilern soll ein höheres Prozessverständnis erarbeitet und damit die Herstellung qualitativ hochwertiger Stahlsorten verbessert werden. Für die physikalische Simulation der Strömung soll ein nicht-isothermes Wassermodell eines DoppelStranggießverteilers im verkleinerten Maßstab aufgebaut werden. Die Versuchsanlage soll einerseits einen vorheizbaren Wasserzulauf besitzen, und andererseits die Möglichkeit bieten, mittels einer Widerstandserwärmung eine definierte Wärme auf die Wasseroberfläche einzuleiten. Auf diese Weise lassen sich grundlegende nicht-isotherme Effekte bei lichtbogenbeheizten Doppel-Stranggießverteilern untersuchen, wie z. B. freie Konvektion infolge von temperaturinduzierten Dichteänderungen oder der Ausfall eines Strangs. Die experimentellen Strömungsuntersuchungen erfolgen anhand von Verweilzeitmessungen, 2D/3D-DPIV- (Digital Particle Image Velocimetry) und 3D-LDA- (Laser Doppler Anemometry) Messungen. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage der numerischen Strömungssimulation für die Wasserströmung und letztlich für die Stahlströmung. Die numerischen Simulationen für den Stranggießverteiler mit Lichtbogenbeheizung erfolgen mit einem Mehrphasenmodell (VoF - Volume of Fluid), um auch durch den Lichtbogen induzierte Oberflächenwellen zu berücksichtigen. Die CFD-Simulationen werden zunächst für die Wasserströmung im Modellverteiler durchgeführt und anhand der quantitativen laseroptischen Messungen validiert. Anschließend wird die CFD-Simulation auf die Stahlströmung erweitert. Hierzu sind die temperaturabhängigen Stoffwerte aus der Literatur zu ermitteln. Ein Kanalmodell des Lichtbogens wird mathematisch so modifiziert, dass der durch den Lichtbogen auf die Stahloberfläche einwirkende Impuls zur Verformung der Badoberfläche und damit zu einer realistischen Beschreibung des Wärmetransportes in die Schmelze führt. Das Ziel dieses Antrages ist es, die Verteilerströmung durch Einbauten, wie z.B. Damm, Wehr oder Turbostopper, so zu optimieren, dass nach Einschalten der Lichtbogenbeheizung ein möglichst rasches Antwortsignal an den Tauchrohren zu verzeichnen ist. Auswirkungen von Gießstörungen, wie z. B. der Ausfall eines Strangs, werden ebenfalls numerisch simuliert. Diese sind von großer praktischer Bedeutung, da sich erhebliche Abweichungen vom normalen Prozessablauf ergeben, die die Prozesssicherheit verschlechtern und negative Rückwirkungen auf den Stofffluss in einem Hochleistungsstahlwerk haben.

• DFG Programme: Research Grants