Erzeugung räumlich einstellbarer Kraftdichteverteilungen und Strömungsfelder beim elektromagnetischen Rühren von Metallschmelzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das erstellte mathematische Simulationsmodell des Kokillenrührens wird in dem Projekt mit den folgenden genaueren Berechnungen weiterentwickelt: 1) Berechnung des elektromagnetischen Feldes durch die Anwendung des magnetischen Skalar- in den wirbelstromfreien Feldgebieten und des magnetischen Vektorpotentials in dem Stahlstrang und in der Kokillenwand aus der Kupferlegierung ELBRODUR G. 2) Ermittlung der Temperaturverteilung in der Kokillenwand, welche zur Bestimmung der lokalen elektrischen Leitfähigkeit der Legierung ELBRODUR G verwendet wird. 3) Anwendung in die Berechnung mit einer anisotropen Version des k-e Modells der Strömung des flüssigen Strangkerns eines mit der Erstarrungsschichtdicke ermittelten veränderlichen Randes. 4) Berechnung der Konzentration des eingeblasenen Argongases um die Veränderung der Strömung des flüssigen Stahls durch die Auftriebskräfte der Gasblasen zu berücksichtigen. 5) Berechnung der Konzentrationen von Aluminiumoxyd-Partikeln mit Einbeziehung der Kollision und Koagulation der Partikeln 6) Einbeziehung in die Berechnung der Partikelkonzentrationen des "Wascheffektes" durch die Anwendung einer geschwindigkeitsabhängigen Randbedingung. Für die experimentelle Überprüfung wurden eine Versuchsvorrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Laborschmelze und ein Versuchsrührer gebaut. Die berechneten Verteilungen der magnetischen Induktion und der Geschwindigkeitskomponenten im Innern und am Rand des Rührinduktors zeigen eine verhältnismäßig gute Übereinstimmung mit den Messungen. Obwohl der Rührer mit einer viel größeren Höhe der Schmelze von 48,5 cm als die Höhe von 20 cm des Magnetkreises des Induktors gebaut wurde, um den Einfluß der bodennahen Ekman-Strömung zu verringern, weil diese beim Stahlstranggießen wegen der großen Sumpftiefe nicht erscheint, konnte man an den weit unter dem Induktor gemessenen geringeren Azimutalgeschwindigkeiten feststellen, dass der Einfluß dieser Strömung nicht vollständig, sondern nur in dem wichtigen Bereich des Induktors beseitigt wurde. Im Projekt werden die mit dem mathematischen Simulationsmodell berechneten Geschwindigkeitsverteilungen beim "wandnahen Kokillenrühreri" mit einem Induktor, der mit zwei Wicklungen mit den Polpaarzahlen 4 und 1versehen ist, angegeben. Für den entsprechenden Industrierührer mit den Kenndaten kann man eine ähnliche Konstruktion wie für die elektromagnetischen Förderrinnen für Flüssigmetalle und für den beim Stranggießen von Stahlbändern mit dem DSC-Verfahren (Direct Strip Casting) angewendeten Linearinduktor verwenden: In den Nuten des Blechpakets werden Schichten von dreiphasigen Zweischichtwicklungen alternierend mit Kühlrohrschichten aus Kupferrohre eingebettet. Die Analyse der wirkenden Kräfte auf ein Partikel, welches durch Reibung an einer vertikalen Erstarrungsfront gestoppt wurde, zeigt, dass der Wascheffekt durch die von dem horizontal gerührten flüssigen Metall hervorgerufen wird. Die Analyse ergibt durch die Anwendung von industriellen Messungen einen geschwindigkeitsabhängigen kritischen Partikeldurchmesser, über welchem der Wascheffekt auftritt und welcher zur Aufstellung der Randbedingung zur Einbeziehung des Wascheffektes in die Konzentrationsberechnung verwendet wurde. Im Projekt wurde auch die Untersuchung des in vorgeschlagenen neuen Systems des Kokillenrührens mit erhöhter Frequenz, durch die Anwendung eines Außeninduktors und eines Zwischenmagnetkreises in der Kokille, weiterentwickelt. Berechnungen und Messungen an zwei Labormodellen haben gezeigt, dass im Innern der Kokille ein zweites magnetisches Drehfeld erzeugt wird, welches vorteilhaft praktisch dieselbe magnetische Induktion wie das Leerlauffeld hat. Ein entsprechender Industrierührer sollte mit einer geringen Höhe des Magnetkreises gegenüber dem Außenradius der Kokille gebaut werden, weil in diesem Fall eine unsegmentierte Kokille verwendet werden kann. Zur Erläuterung der in der Industrie festgestellten Beschädigungen von Rührerspulen wurde eine numerische Kraftermittlung aufgestellt. Die Berechnungen zeigen, dass außer den bekannten Normalkräften auch beträchtliche Tangentialkräfte auf die Wicklungen wirken, durch welche die Befestigungsverbindungen der nutmittennächsten Spulenseiten beschädigt werden können und somit diese verstärkt realisiert werden müssen. Im Projekt werden auch die Untersuchung der in den Vorarbeiten vorgeschlagenen Konstruktion eines Induktionsventils ohne Innenkern, mit welchem man bei der Durchflussregelung im Stranggießen das flüssige Metall vollständig stoppen kann, sowie die Berechnung einer Tauchsonde zur genaueren Füllstandsmessung in der Kokille weiterentwickelt. Weil die Sachbeihilfe zu unserem Antrag nicht für zwei, sondern nur für ein Jahr bewilligt wurde, welches durch eine Umwandlung von Mitteln noch mit 3 Monate verlängert wurde, konnten wir auch die von uns aufgestellte Simulationsberechnung mit der Methode der Large Eddy Simulation nicht mehr weiterentwickeln. Stattdessen haben wir früher begonnene technische Untersuchungen wie die des Rührens mit einem Außeninduktor finalisiert. Am Institut für Metallurgie der TU Clausthal wurden Sonden mit Dauermagnete aus einer Sm-Co-Legierung gebaut, an deren Oberfläche eine Induktion von ungefähr 250 mT gemessen wurde. Zahlreiche Versuche haben aber gezeigt, dass wegen dieser hohen Induktion beträchtliche Bremskräfte auf der Schmelze ausgeübt werden, wodurch zu kleine Geschwindigkeiten gemessen wurden. Aus diesem Grund wurden weiter die Messungen mit den anderen Sonden durchgeführt, an deren Oberfläche die Induktion fünf Mal kleiner ist. Weil diese am Institut für Magnetohydrodynamik der Universität Avignon hergestellten Sonden größere Abmessungen haben und der Magnet nicht außerhalb der Elektroden sondern zwischen ihnen liegt, konnten diese Sonden für Messungen auch beim Rühren mit zwei entgegengesetzten Drehfeldern verschiedener Polpaarzahlen, bei welchem die Azimutalgeschwindigkeit steile Gradienten in radialer Richtung aufweist, nicht verwendet werden. Während der Versuche haben die Schweißungen am Boden des Behälters 1 zwei Mal versagt und die Schmelze ist heraus geflossen. Weil für die Reparaturen eine längere Zeit erforderlich war, wurde durch Umwandlung von Mitteln eine Verlängerung mit drei Monaten der Projektdauer vorgenommen. Somit konnten die Versuche mit der reparierten Vorrichtung und den Sonden aus nur in den letzten 2 Monaten des verlängerten Projektzeitraumes durchgeführt werden. Wegen dieser Verspätung stand aber für die Aufstellung einer genaueren Berechnung der gemessenen Werte, z.B. auch der Ekman-Strömung, praktisch keine Zeit mehr zu Verfügung. Wegen der zu kleinen Abmessungen kann das Elektrodenpaar einer Magnetsonde in azimutaler Richtung nicht genau positioniert werden. Aus diesem Grund überlagert sich bei Messung der radialen Geschwindigkeitskomponente auch die viel größere azimutale Komponente, wodurch die Messung der radialen Geschwindigkeit praktisch nicht möglich ist. Wegen der Entmagnetisierung der A1NiCo-Magneten der Sonden im magnetischen Drehfeld verändern sich ihre Kalibrierungskonstanten. Somit musste die Konstante vor und nach der Durchführung jeder Messreihe ermittelt werden und die Messwerte mit einem abgeschätzten dazwischenliegenden Konstantenwert bestimmt werden, wodurch eine Unsicherheit in der Messmethode eingeführt wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Elektromagnetisches Zweifrequenzventil für Flüssignietalle. 51. Internationales Wiss. Kolloquium, TU Ilmenau 2006.
Pesteanu, O., Baake, E., Nacke, B.
- Induktive Homogenitäts-Tauchsonde für Schmelzen, elektrowärme int. 64 (2006) Heft 4, S. 251
Carli, R., Pesteanu, O.
- Kraftwirkungen in Rührerspulen beim Stranggießen, elektrowärme int. 64 (2006) Heft 3, S. 182-183
Pesteanu, O.
- Short Contribution to the Mathematical Modeling of Coagulation Effect on Entrapped Inclusion Concentration in Continuously Cast Steel. ISIJ Int. 46 (2006) No. 2, S. 339-340
Pesteanu, O.
- Simulation des elektromagnetischen Kokillenrührens beim Stahlstranggießen. 51. Internationales Wiss. Kolloquium, TU Ilmenau 2006.
Pesteanu, O.
- Kokillenrühren beim Stranggießen mit einem Außeninduktor und Zwischenmagnetkreis. elektrowärme int. 65 (2007) Heft l, S. 43-44
Pesteanu, O.
