Numerical modeling of clogging in submerged entry nozzle during steel continuous casting

Titel in Übersetzung: Numerische Modellierung des Verstopfungsprozesses im im Eintauchausguss beim Stranggießen von Stahl

Hadi Barati

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein numerisches Modell für den transienten Verstopfungsprozess („Clogging“) durch nichtmetallische Einschlüsse (NME) im Eintauchausguss (ETA) während des Stranggießens entwickelt. Die folgenden drei Hauptschritte des Cloggings wurden berücksichtigt: (a) Transport von nichtmetallischen Einschlüssen durch turbulenten Schmelzfluss in Richtung der ETA-Wand; (b) Wechselwirkungen zwischen Schmelze und Wand und die Adhäsion des NME an der Wand; (c) Bildung und Wachstum der Verstopfung durch NME-Abscheidung. Die Strömung wurde für Regionen nahe und fern (Bulk-Region) der Wand unterschiedlich behandelt. Ein Euler-Lagrange-Ansatz wurde verwendet, um den Transport von NMEs durch die turbulente Strömung (Bulk-Region) zu berechnen; ein stochastisches Wandmodell wurde verwendet, um Partikel in der turbulenten Grenzschicht (nahe der Wand) zu verfolgen. Das Anfangsstadium des Cloggings wurde durch die dynamische Veränderung der Wandrauheit modelliert, während das spätere Stadium der Verstopfung durch Aufbauschichten von abgeschiedenen nichtmetallischen-Partikeln in poröser Struktur modelliert wurde. Diese poröse Struktur wird als "Verstopfung"bzw. „Clogging-Ansatz“ bezeichnet, und sie wächst weiter, indem sich mehr NME-Partikel anhaften. Um das Modell zu validieren, wurde ein Laborversuch simuliert [Janis et al., Steel Res. Int. 86 (2015) 1271-1278], welcher entwickelt wurde, um das Verstopfen von SEN während des Stranggießens von Stahl zu untersuchen. Es wurde nachgewiesen, dass das Modell das Experiment reproduzieren kann; der berechnete verstopfte Abschnitt der Düse ist qualitativ mit den verstopften Abschnitten in Laborexperimenten vergleichbar und der berechnete Massendurchsatz durch die Düse stimmt auch mit dem experimentell gemessenen überein. Folgende neue Erkenntnisse konnten gewonnen werden: (1) Das Verstopfen des ETAs ist ein vorübergehender Prozess, der mit dem Schmelzfluss zusammenwirkt; und es umfasst das anfängliche Ablagern von nichtmetallischen Partikeln an der Düsenwand, die Entwicklung einer gewölbten Verstopfungsfront und dann die Entwicklung einer verzweigten Struktur. (2) Das Verstopfen des ETAs ist ein stochastischer und sich selbst beschleunigender Prozess. Darüber hinaus wurden Unsicherheiten für die Wahl der Modellierungsparameter wie Maschenweite, Lagrange-Zeitskala (T_L) und Korrekturfaktor (n) bei der Interpolation der Verstopfung untersucht. Das Modell wurde auch für den Industrieprozess des Stranggießens von Stahl unter Berücksichtigung der Modellgenauigkeit und Berechnungseffizienz bewertet. Für die komplexe Geometrie des Eintauchausgusses, bei der es nicht möglich ist, eine Hexaeder-Vernetzung in der gesamten Domäne zu erzeugen, wurde ein Mischgittertyp empfohlen, d. h. eine Keil-Vernetzung für Bereiche neben ETA-Wänden und eine Tetraeder-Vernetzung für Innenbereiche. Eine weitere Herausforderung bei der Berechnung von echten ETA-Verstopfungen ist die große Anzahl von Partikeln, die in dem Industrieprozess involviert sind. Ein künstlicher N-Faktor, wobei N die Anzahl der NMIs ist, die jedes Partikel des Lagrange-Frames darstellt, muss eingeführt werden, um die Berechnungszeiten bzw. -kosten zu reduzieren. Ein zu großer N-Faktor führt zu einem Berechnungsfehler. Daher wurde ein Kriterium definiert, um den N-Faktor zu begrenzen und die Modellierungsgenauigkeit sicherzustellen. Da die Erstarrung der Stahlschmelze infolge der Abkühlung an der ETA-Wand ebenfalls als möglicher Verstopfungsmechanismus angesehen wurde, wurde das Modell für die nicht-isothermischen Bedingungen angepasst. Schließlich wurden die Fähigkeiten des aktuellen Modells hinsichtlich numerischer und praktischer Gesichtspunkte diskutiert. Ebenso wurden Verbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt, welche für die zukünftige Weiterentwicklung des Modells von großer Bedeutung sind.
Titel in ÜbersetzungNumerische Modellierung des Verstopfungsprozesses im im Eintauchausguss beim Stranggießen von Stahl
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Wu, Menghuai, Beurteiler A (intern)
  • Bernhard, Christian, Beurteiler B (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2019

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Stranggießen
  • Verstopfung
  • Eintauchausguss
  • ETA
  • Numerische Modellierung
  • Simulation
  • Euler-Lagrange
  • Partikel

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