Simulation der Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung in Stranggießverteilern mit Lichtbogenheizung
Final Report Abstract
Die Untersuchungen im Rahmen des DFG-Projektes PF 394/7-1 sind in einem Zeitraum von 24 Monaten entstanden. Untersucht wurde die Strömung in einem Stranggießverteiler mit einem Fassungsvermögen von 69 t Stahlschmelze. Da Untersuchungen der realen Schmelzenströmung im Stahlwerk aufgrund der extremen Randbedingungen und der fehlenden optischen Zugänglichkeit nicht durchführbar sind, erfolgten diese Untersuchungen unter Einhaltung der charakteristischen Ähnlichkeiten an einem verkleinerten Wassermodellverteiler im Maßstab 1:3. Als Messverfahren kam die Particle-Image-Velocimetry zum Einsatz. Die numerischen Berechnungen sind mit dem kommerziellen Strömungslöser FLUENT auf Basis der RANS-Gleichungen durchgeführt worden. Die numerische und physikalische Simulation des stationären Gießens hat gezeigt, dass im Verteiler sehr heterogene Bereiche mit starken Wirbelbildungen vorhanden sind. Die dominanten Strömungen sind abhängig von thermischen Randbedingungen. Das instationäre Gießen wird über den gesamten Gießzeitraum (Angießen der ersten Pfanne, stationäre Gießphase und Pfannenwechsel) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die thermischen Verhältnisse im Zweistrangverteiler von den Gießbedingungen und der Gießdauer geprägt werden. Daraus resultieren sich über die Gießzeit ändernde Strömungen die einen wesentlichen Einfluss auf die Verteilercharakteristik haben. Zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Schmelzentemperatur mittels Lichtbögen führen ferner zu einer deutlichen thermischen Schichtung, die dazu führt, dass sich die Temperatur eines Teils der Schmelze stark erhöht. Die zugeführte Wärme wird hauptsächlich über Wärmeleitung transportiert. Lediglich im Einlaufbereich führt der Schattenrohrstrahl zu einer Durchmischung und somit zu einer homogeneren Temperaturverteilung. Diese Methode stellt eine Möglichkeit dar, die Temperatur der aus dem Verteiler strömenden Schmelze zu erhöhen. Aufgrund der im Vergleich zur Konvektion langsamen Wärmeleitungsphänomene hat dieses System jedoch eine hohe Reaktionszeit. Der sowohl für das stationäre als auch für das instationäre Gießen durchgeführte Vergleich zwischen den experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigt, dass es mit FLUENT möglich ist, die Strömung im Stranggießverteiler korrekt wiederzugeben. Es ist jedoch wichtig, realitätsnahe Randbedingungen zu verwenden. Beim instationären Gießen bedeutet dies, dass selbst programmierte Randbedingungen in das Modell eingebunden werden. Diese beinhalten unter anderem die Wärmeverluste über die Oberfläche und Wände sowie die zugeführte thermische Energie mittels Lichtbögen.
Publications
- Braun, A., Pfeifer, H.: DPIV-Messungen der Strömungsstrukturen bei Gießstörungen in einem Zweistrang-Verteiler, 13. GALA Fachtagung, Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Shaker Verlag, Cottbus, 06.-08.09.2005, S. 12.1-9
- Braun, A., Pfeifer, H.: Investigations of casting conditions in a Two-Strand - Tundish Water Model using DPIV and PLIF-technique, 15. GALA Fachtagung, Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Shaker Verlag, Rostock, 04.-06.09.2007
- Braun, A., Pfeifer, H.: Investigations of non-isothermal flow conditions in a Two- Strand-Tundish Water Model using DPIV and PLIF-technique, 2nd Steelsim Conference 2007, Graz (A), 12.-14.09.2007
