CFD-DEM coupling for refractory erosion study

Feuerfeste Materialien werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen hochtemperaturbeständige Schmelzen und Schlacken eine Rolle spielen, wie beispielsweise in der Stahlveredelung. Diese Materialien sind extremen Bedingungen ausgesetzt, die ihren Verschleiß begünstigen. Erosion ist ein kontinuierlicher Verschleißmechanismus, der durch die Schubspannung des Flüssigkeitsstroms an der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase verursacht wird. Im Einsatz wird die heterogene Struktur, bestehend aus Körnern, die in einer Matrix aus Feinpartikeln und Bindemitteln eingebettet sind, durch Schlackeninfiltration, Korrosion und Bildung einer flüssigen Phase geschädigt und anschließend erodiert. Der geschwächte Feuerfeststoff kann als ein kohäsives partikuläres Material verstanden werden, das durch Bindungen zwischen den Partikeln zusammengehalten wird. Die Widerstandsfähigkeit kohäsiver Materialien, wie Feuerfeststoffe, gegen Erosion hängt primär von der Stärke dieser Bindungen ab. Die Erosionsrate wird durch Faktoren wie die kritische Schubspannung und den Erodierbarkeitskoeffizienten beeinflusst. Die Beziehung zwischen Kohäsion, Erosionsparametern und deren jeweiligen Beiträgen zum durch Strömung verursachten Erosionsprozess wurde bisher nicht umfassend untersucht. Diese Studie stellt einen gekoppelten Ansatz vor, der Computational Fluid Dynamics (CFD) und die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) kombiniert, um die durch Strömung verursachte Erosion in kohäsiven Materialien quantitativ zu bewerten. Dieses Modell berücksichtigt verschiedene Partikel-Flüssigkeits-Interaktionskräfte sowie die Kräfte und Drehmomente, die aus Partikel-Partikel-Interaktionen resultieren. Die Genauigkeit und Effektivität des Modells wurden durch den Vergleich der Ergebnisse mit experimentellen Daten aus der Literatur verifiziert. Darüber hinaus wurde ein Kohäsionsmodell integriert, um die Bindungen innerhalb partikulärer Materialien durch die Kohäsionsenergiedichte (CED) zu beschreiben. Die Studie untersuchte, wie CED und der Reibungskoeffizient die entscheidenden Erosionsparameter, einschließlich der kritischen Schubspannung und des Erodierbarkeitskoeffizienten, beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass der CFD-DEM-Rahmen die durch den Flüssigkeitsstrom verursachte Partikelbewegung erfolgreich simulierte, wie durch die enge Übereinstimmung zwischen den numerischen Ergebnissen und einer etablierten empirischen Kurve nachgewiesen wurde. Die Analyse ergab, dass CED und der Reibungskoeffizient Schlüsselfaktoren sind, die die Erosionsparameter kohäsiver Materialien erheblich beeinflussen. Die Methode wurde erfolgreich in einem realen Experiment unter Verwendung des Rotierenden-Finger-Tests (RFT) angewendet. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass eine höhere CED mit stärkeren Bindungskräften zwischen den Partikeln korreliert, wodurch sie besser den Schubkräften der Strömung widerstehen können, was zu einer Erhöhung der kritischen Schubspannung (CSS) führt. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass CSS nicht nur von der CED, sondern auch vom Reibungskoeffizienten abhängt. Die Erosionsrate kohäsiver Proben (ligninsulfonat-gebundener Sand) wurde in drei verschiedenen Zeitintervallen und für drei unterschiedliche Konzentrationen von Ligninsulfonat als Bindemittel bewertet. Die Simulationsergebnisse stimmten eng mit den experimentellen Daten überein, mit einem maximalen relativen Fehler von 7,2 %. Diese Studie legt den Grundstein für zukünftige Untersuchungen, die darauf abzielen, das Verständnis und die Quantifizierung der Erosion kohäsiver Materialien in verschiedenen Anwendungen und Geometrien zu vertiefen.