Institut für Industrieofenbau und Wärmetech- nik der RWTH ... · Grund fand am 11. und 12. Mai...

692-2017 elektrowärme international

Folge 21 IM PROFIL

IN REGELMÄSSIGER FOLGE stellen wir Ihnen an dieser Stelle die wichtigsten Institutionen, Institute, Verbände und Organi-sationen im Bereich der elektrothermischen Prozesstechnik vor. In dieser Ausgabe im Profil: Das Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik der RWTH Aachen.Lesen Sie alle Beiträge dieser Rubrik kostenlos im Internet unter: WWW.PROZESSWAERME.NET

Institut für Industrieofenbau und Wärmetech-nik der RWTH Aachen

Das Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) der RWTH

Aachen [1] hat auf den Gebieten der Her-stellung, Verarbeitung und des Recyclings von Eisen und Stahl, NE-Metallen, Glas und Keramik die Aufgabe der Prozess- und Anla-genoptimierung. Es gehört in der Fakul-tät für Georessourcen und Materialtech-nik (Fachbereich 5 der RWTH Aachen) zu der Fachgruppe „Materialwissenschaften und Werkstofftechnik“ [2]. Über das 1957 gegründete Institut wurde in der Vergan-genheit regelmäßig berichtet, z. B. in [3–8].

Seit 1998 wird das Institut von Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Pfeifer gelei-tet. Während dieses Zeitraums hat sich die Infrastruktur des Instituts vollständig verändert.

2005 stand am Institut erstmals eine Technikumshalle zur Verfügung, die es erlaubte Versuche im Pilotmaßstab für den Industrieofenbau durchzuführen, die aus Platzgründen im AVZ (Allgemeines Verfügungszentrum der RWTH Aachen), in der sich das IOB von 1971 bis 2008 befand, nicht möglich waren. Bild 1 zeigt die Innenansicht dieser Technikumshalle, wobei die Schwerpunkte hier zum einen auf Wassermodellen zur experimentellen Untersuchung komplexer Strömungen in der Metallurgie (Strangguss, Bandguss, Stranggießverteiler, AOD-Konverter) mittels Lasermesstechnik und zum anderen auf elektrisch beheizten Öfen für Glühversuche unter Vakuum bis 1.600 °C und Schutzgas liegen.

Der bauliche Zustand des AVZ erforder-te den kurzfristigen Auszug aller Institute im Jahr 2008. Für das IOB bedeutete dies einen Umzug in das benachbarte Verwal-tungsgebäude des BLB (Bau- und Liegen-schaftsbetriebe des Landes NRW) und

parallel dazu den Beginn der Planung und Errichtung eines Neubaus in unmittelba-rer Nähe des vorherigen Standorts in der Kopernikusstraße. Nach der Grundstein-legung im März 2009 und dem Richtfest im November 2009 konnte ein Jahr später in das repräsentative neue Gebäude (Bild 2), welches sich das IOB mit dem Lehrstuhl für Werkstoffchemie teilt, eingezogen werden. In diesem Gebäude befinden sich die Büro-räume, der Seminarraum und die Bibliothek sowie die mechanische und elektrische Werkstatt des Instituts. Der Neubau-komplex beinhaltet eine Halle von ca. 500 m2 Flä-che, in der nun große Ver-suchsaufbauten realisiert und getestet werden kön-nen. Die Infrastruktur bein-haltet u. a. eine Erdgasver-sorgung von 300 m3(i.N.)/h, eine Kälteversorgung und einen 5 t-Hallenkran.

Aktuell sind am Insti-tut 18 wissenschaftliche Mitarbeiter sowie eine internationale Stipendiatin und ein Gastwissenschaft-ler beschäftigt. Ebenfalls beschäftigt sind acht Mit-arbeiter in Technik und Verwaltung, von denen fünf in der institutseige-nen Werkstatt tätig sind. Darüber hinaus sind zwei Auszubildende und ca. 25 studentische Mitarbeiter am Institut angestellt.

Dieses Jahr feierte das Institut sein 60-jähriges Bestehen. Der 60. Jah-

restag der Gründung wurde durch ein Fachkolloquium gewürdigt. Aus diesem Grund fand am 11. und 12. Mai 2017 das 1. Aachener Ofenbau- und Thermo-process Kolloquium statt, welches die Möglichkeit bot den aktuellen Stand zur Forschung und Entwicklung sowie der Anlagentechnik im Industrieofenbau zu präsentieren und die zukünftigen Aufgaben und Herausforderungen der Branche zu diskutieren.

Bild 1: Innenansicht der Technikumshalle aus dem Jahre 2005

Bild 2: Neubau des Instituts aus dem Jahre 2010

70 elektrowärme international 2-2017

IM PROFIL Folge 21

LEHREDas Institut bietet Vorlesungen, Übungen und Praktika für die folgenden Studiengän-ge der Fachgruppe „Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“

■ Werkstoffingenieurwesen (B.Sc. und M.Sc.)

■ Wirtschaftsingenieurwesen, Fachrich-tung Werkstoff- und Prozesstechnik (B.Sc. und M.Sc.)

und anderer Fakultäten, z. B. in den Studi-engängen

■ Umweltingenieurwesen ■ Automatisierungstechnik

an.Die Basisvorlesungen „Transportphä-

nomene“ vermitteln die Grundlagen der Wärmeübertragung und Fluidmechanik. Das Themengebiet „Simulationstechnik“ wird sowohl in der Bachelor-Ausbildung (im Rahmen einer Gemeinschaftsvorlesung) als auch als CFD-Veranstaltung im Master-Studiengang behandelt.

Ein Hauptanliegen besteht darin, die Studierenden für die Vertiefung des Fachs „Industrieofentechnik“ zu motivieren. Dazu sind umfangreiche Vorlesungsunterlagen erstellt worden, die z. T. auch in die Fachbü-cher „Taschenbuch Industrielle Wärmetech-nik“ [9], „Pocket Manual of Heat Processing“ [10] und „Praxishandbuch Thermoprozess-technik I, II“ [11–12] eingeflossen sind. Dieses Fach beinhaltet umfangreiche Praktikums-versuche im Technikum des Instituts und Exkursionen zu Fachfirmen oder Anlagen in der Industrie.

In der außeruniversitären Lehre und Fortbildung wird das Seminar „Indus-trieofentechnik – Grundlagen und Anwen-dung“ gemeinsam mit der Stahl-Akademie ifb seit 2002 regelmäßig angeboten. Seit 2007 wird ebenfalls mit der Stahl-Akademie ifb das Seminar „Rationeller Energieeinsatz“ durchgeführt. Darüber hinaus erfolgen turnusmäßig Beiträge zu dem Seminar „Elektrotechnik des Lichtbogenofens“ und „Sekundärmetallurgie“ der Stahl-Aka-demie sowie den Seminaren der FOGI (For-schungsgemeinschaft Industrieofenbau).

INDUSTRIEOFENTECHNIKDie Arbeitsgruppe „Industrieofentechnik“ ist im Bereich der strömungs- und wärme-

technischen Fragestellungen der Anwärm- und Glühöfen tätig. Hierbei werden sowohl konvektionsdominierte Anlagen der Alu-minium- und Kupferindustrie als auch Anlagen der Stahlindustrie auf ihre strö-mungs- und wärmetechnischen Vorgänge hin untersucht. Kern der Aktivitäten bilden die Verfahrensentwicklung und Prozess-optimierung.

Zur Steigerung der Energie- und Res-sourceneffizienz wärmetechnischer Anla-gen wie Industrieöfen ist ein tiefgreifendes Verständnis der strömungs- und wärme-technischen Vorgänge erforderlich. Die Pro-zesse werden anhand von physikalischen und numerischen Modellen untersucht. Dazu ist eine Vielzahl von Warm- und Kalt-versuchsständen vorhanden, welche mit umfangreicher experimenteller Messtech-nik ausgestattet sind. So werden neben Temperatur- und Strömungsmesstechnik, Messverfahren wie Laser-Doppler-Anemo-metrie (LDA), Particle-Image-Velocimetrie (PIV) oder Laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) eingesetzt. Dazu kommen empirische und analytische Modellbildung sowie Simula-tionen auf Basis von Computational Fluid Dynamics (CFD) zum Einsatz. Die Kombi-nation aus experimentellen und numeri-schen Untersuchungen ermöglicht dabei eine umfangreiche Abbildung der physi-kalischen Vorgänge.

Neben den in der Vergangenheit vor-gestellten Forschungsarbeiten liegen die aktuellen Forschungsschwerpunkte in den Bereichen:

■ Industrieofenaerodynamik und Strö-mungstechnik

■ Modellierung spezieller wärmetechni-scher Vorgänge

■ Verbrennung und Brennertechnik.

Industrieofenaerodynamik und Strö-mungstechnikDas Verständnis der strömungstechni-schen Vorgänge ist für die Auslegung eines Industrieofens von essentieller Bedeutung. In konvektionsdominierten Industrieöfen ist der Volumenstrom eine wesentliche Prozessgröße. Das IOB hat erfolgreich eine Messtechnik entwickelt, mit der die geförderten Volumenströme sicher erfasst werden können. In diesen,

von der AiF geförderten Projekten, wurden auch Grundlagenuntersuchungen mittels laseroptischer Verfahren durchgeführt [13].

Zur Bereitstellung der erforderlichen Volumenströme werden vielfach Ventila-toren eingesetzt. Hierbei befasst sich die gegenwärtige Forschung mit der Entwick-lung von Querstromventilatoren für den Einsatz in Thermoprozessanlagen für Ein-satztemperaturen bis zu 500 °C. Querstrom-ventilatoren haben gegenüber industriell eingesetzten Ventilatorbauarten (Radial-ventilatoren mit vorwärts oder rückwärts gekrümmten Schaufeln, Axialventilatoren) den Vorteil, eine über die gesamte Aus-strömbreite gleichmäßige Strömung zu liefern. Dies wirkt sich positiv auf die Gleich-mäßigkeit der Temperaturverteilung des zu behandelnden Einsatzgutes und damit auf dessen Produkteigenschaften aus. Ein Problem stellt die Ermittlung thermischer Belastungen und Betriebsparameter für Auslegung und Konstruktion dar, die im Rahmen des Forschungsprojekts quantifi-ziert werden sollen.

Ein weiterer strömungstechnischer Forschungsschwerpunkt ist die Betrach-tung der Stabilität metallischer Bänder unter dem Einfluss von Düsenfeldern in Kühlstrecken. Ziel dieses Projektes ist es, die unerwünschten Bandschwingungen während der Gaskühlung der Bänder zu untersuchen, die Einflussgrößen zu bestim-men und mögliche Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Die experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigen, dass die Strömung verschiedener Schlitzdü-sensysteme zur Kühlung des Bands dieses breitbandig anregt. In einer technischen Gesamtbetrachtung unter Einbeziehung des Wärmeübergangskoeffizienten lässt sich zeigen, dass bei den untersuchten Düsensystemen die freie Einspannlänge und die Verwendung von Wasserstoff / Wasserstoff-Stickstoffmischungen die größten Stellglieder zur Verbesserung der Bandstabilität sind.

Die exakte Bestimmung des Wärme-übergangs ist von wesentlicher Bedeutung für die Beschreibung wärmetechnischer Phänomene. Zur experimentellen Bestim-mung des Wärmeübergangs wurde am Institut ein Versuchsstand konstruiert und


Folge 21 IM PROFIL

aufgebaut, welcher die Messung des Wär-meübergangs für Düsen und Düsenfelder ermöglicht. Dieser wurde ebenfalls bereits in diversen Industrieprojekten verwendet. Bild 3 zeigt den Versuchsstand zur Mes-sung der Verteilung des Wärmeübergangs an einem Düsensystem.

Modellierung spezieller wärmetech-nischer VorgängeDie Auslegung hochbelasteter Bauteile führt den Konstrukteur aus Effizienzgrün-den zunehmend an die Grenzen des Mach-baren. Daher ist es unabdingbar, die am Bauteil auftretenden Belastungen sicher vorauszusagen. In Thermoprozessanlagen treten i. d. R. mehrere physikalische Phäno-mene gleichzeitig auf, deren Kopplung den Lastfall eines Bauteils maßgeblich beein-flussen, wie z. B. Strömung, Verbrennung, Strahlung und Wärmeleitung. Da diese Phä-nomene sich z. T. erheblich beeinflussen, werden gekoppelte Simulationen dieser Effekte zunehmend wichtiger.

In der Thermoprozesstechnik führt die-ser ganzheitliche Ansatz zu einer Kopplung der strömungs- und wärmetechnischen Zustände im Industrieofen (CFD – Compu-tational-Fluid-Dynamics – numerische Strö-mungssimulation) mit der Temperatur- und Spannungsverteilung (CSD – Computatio-nal-Structure-Dynamics – Strukturmecha-nik Simulation) im betrachteten Bauteil [14].

Tritt bei der Kopplung eine Beeinflus-sung der Struktur der betrachteten Kom-ponente infolge der Strömungsbeaufschla-gung auf, die keine Rückwirkung auf die Strömung selbst besitzt (i. d. R. bei kleinen Strukturverformungen), so wird von einer Ein-Wege-Kopplung gesprochen. In diesem Fall können CFD und CSD getrennt vonei-nander durchgeführt werden.

Treten hingegen wechselseitige Beein-flussungen auf, d. h. bewirkt z. B. eine Strukturverformung auch einen geänder-ten Strömungsverlauf, so muss wiederum der Einfluss der geänderten Strömung auf die Struktur usw. betrachtet werden. Diese sogenannte Zwei-Wege-Kopplung erfor-dert eine iterative Lösung von CFD und CSD und ist i. d. R. bei großen Verformun-gen durchzuführen. Die Simulation dieser so genannten Fluid-Struktur-Interaktionen

(FSI) findet zunehmend Einzug in die Ther-moprozesstechnik.

Ein Anwendungsbeispiel dieses Lösungsansatzes ist die Berechnung thermisch induzierter Belastungen an Strahlheizrohren [15–17]. Die Spannungs-verteilung in Bild 4 zeigt z. B. hochbelas-tete Bereiche an der Einspannstelle, dem Krümmer an der Gegenseite und der Ver-bindungsstelle am Krümmer an der Ein-spannseite. Die voran genannten Stellen der höchsten Spannungen sind v. a. des-halb kritisch, da sich in diesen Bereichen bei dem untersuchten Strahlheizrohr Schweiß-nähte befinden verbunden mit i. d. R. nied-rigeren zulässigen Festigkeitswerten. In die-sen Bereichen sind die temperaturabhän-gigen Streckgrenzen deutlich überschrit-ten, sodass eine plastische Verformung eintritt. Steile Temperaturgradienten, wie am Übergang an der Wanddurchführung, sind ebenfalls durch erhöhte Spannungen gekennzeichnet. Der Einsatz der gekoppel-ten FSI-Simulation liefert somit eindeutige Ansätze zur Optimierung thermisch hoch-belasteter Ofenkomponenten.

Verbrennung und BrennertechnikEine Vielzahl der Industrieöfen ist gasbe-

heizt. Die Optimierung der inneren Ofen-bedingungen erfordert Detailkenntnisse, die z. T. aus detaillierten Grundlagenunter-suchungen folgen. Ein Beispiel dafür ist ein laseroptisches Verfahren, der Laserinduzier-ten Fluoreszenz von OH-Radikalen, bei dem die Reaktionszone der Verbrennung insta-tionär erfasst wird oder Messungen des Strömungsprofils mittels Particle-Image-Velocimetrie [18–20]. Diese Untersuchun-gen liefern einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der Energieumsetzung in industriellen Anlagen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Verbrennung und Brennertechnik ist die Untersuchung und Weiterentwicklung energieeffizienter und emissionsarmer Beheizungskonzepte. Ein Beispiel ist die flammlose Oxidation. Im Rahmen eines Forschungsprojektes des BMWi wurde die Erweiterung der Einsatzgrenzen dieser Technik für kleine und großer Brennerleis-tungen erprobt [21–22].

Vor dem Hintergrund der Energie- und Ressourceneffizienz wurde ein Verfahren zur zunderarmen Wiedererwärmung von Metall-Halbzeugen durch die Verbrennung mit einem unterstöchiometrischen Luft-verhältnis im Ofenraum entwickelt [23–24].

Bild 3: Versuchsstand zur Messung des Wärmeübergangs eines Düsenfelds


IM PROFIL Folge 21

Die experimentellen Untersuchungen zei-gen eine fast vollständige Reduzierung der anfallenden Zundermenge bei Kupfer und Kupfer-Nickel-Legierungen bei einer

Luftzahl von 0,96. Für Stahl wird die anfal-lende Zundermenge bei einer Verringe-rung der Luftzahl von 1,15 auf 0,95 halbiert. Die Ofenatmosphäre kann mit konventio-

nellen Rekuperatorbrennern erzeugt wer-den, muss jedoch vor dem Wärmetauscher nachverbrannt werden.

Basierend auf den Ergebnissen dieses Projekts wird im Rahmen eines Koopera-tionsprojekts des zentralen Innovations-programms Mittelstand ZIM die Entwick-lung eines energieeffizienten Brenners für Wärmebehandlungsanlagen mit oxida-tionsträger/reduzierender Schutzgasat-mosphäre betrieben [25–26]. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Brenners basierend auf einem Rekuperatorbrenner mit integrier-ter Prozessgasnachverbrennung in einem Flammrohr zur Verbesserung der Wirt-schaftlichkeit von Anlagen zur Wärmebe-handlung metallischer Komponenten in reduzierender Schutzgasatmosphäre. Rea-lisiert wird dieses innovative Produkt durch den Einsatz gasbeheizter Rekuperatorbren-ner, welche durch die unterstöchiomet-rische Verbrennung von Erdgas und Luft eine oxidationsträge Atmosphäre direkt im Ofen erzeugen. Die Nachverbrennung des Abgases findet in einem Ringspalt vor dem Rekuperator statt. Die numerischen Untersuchungen zeigen eine gute Überein-stimmung mit den experimentellen Ergeb-nissen. Bild 5 zeigt eine Prinzipskizze des Verfahrens sowie die experimentell und numerisch ermittelte CO-Konzentration über die Länge des Ringspalts.

Daneben werden im Bereich der Indust-rieofentechnik weitere, anwendungsorien-tierte Kooperationsprojekte durchgeführt. Hier sind z. B. die Entwicklung eines inter-aktiven Chargenplanungssystems für Plas-manitrieranlagen, die Entwicklung einer heiß-isostatischen Presse zur kombinierten Verdichtung und Wärmebehandlung von Halbzeugen und Bauteilen oder die Ent-wicklung eines Mehrlagen-Kammerofens für das Presshärten von Blechplatinen für den Automobilbau zu nennen.

Ein weiteres, noch junges Themenge-biet sind zudem hybride Beheizungskon-zepte (Hybrid Heating). Ein Großteil der Industrieöfen wird prozessbedingt mit fossilen Brennstoffen, insbesondere Gas, Öl oder Kohle betrieben. Vor dem Hintergrund der Energiewende sollen konventionelle Brennstoffe zunehmend durch Strom aus

Bild 4: Temperatur- (oben) und Spannungsverteilung (unten) eines Strahlrohrs

Bild 5: Brenner zur unterstöchiometrischen Verbrennung und Nachverbren-nung im Ringspalt (oben); Ausbrandlänge im Ringspalt (unten)


Folge 21 IM PROFIL

Erneuerbaren Energien substituiert wer-den und so zur Stabilität des Stromnetzes beitragen (Power to Heat). Für die prak-tische Umsetzung bedarf dies gezielter Forschung und die Entwicklung neuer, innovativer Konzepte für wärmetechnische Anlagen und Industrieöfen.

ENERGIE- UND STOFFBILANZENDie Arbeitsgruppe „Energie- und Stoff-bilanzen“ ist im Bereich der Prozesstechnik neben der namengebenden Erstellung von Energie- und Stoffbilanzen, insbesondere für den Elektrostahlprozess, aber auch für andere energieintensive Hochtempera-turprozesse, auch im Bereich der Prozess-optimierung und Verfahrensentwicklung, aktiv. Für die Bilanzerstellung und auch für die Entwicklung von Prozessregelstrate-gien wird auf eine langjährige Erfahrung in der Installation und des Betriebs von Abgasanalysesystemen an industriellen Hochtemperaturaggregaten, wie z. B. dem Lichtbogenofen (Bild 6), zurückgegriffen. Dazu betreibt die Arbeitsgruppe u. a. am Standort Herzogenrath einen Lichtbogen-ofen im Technikumsmaßstab. Ergänzend kommen empirische und analytische Modellbildung sowie Simulationen auf Basis von Computational Fluid Dynamics (CFD) zu Einsatz. Als Beispiele seien hier die Strömungsmodellierung der Gasphase und

des Lichtbogens im LBO mittels CFD [27], die Modellierung des Entstaubungssystems eines Lichtbogenofens in Matlab [28–29] und deren Verbindung mit einem vollstän-digen energie- und massenbilanzierenden Model des Prozesses im Lichtbogenofen [30–32] zu nennen.

Neben der Prozesstechnik interessiert vermehrt der Aspekt der umwelttechni-schen Messungen und die Energieeffi-zienz von Prozessen. Die Durchführung von Abgasmessungen in industriellen Entstaubungsanlagen dient der Ermitt-lung umweltrelevanter (Stäube, Dioxine, NOx, CO2 etc.) und effizienzrelevanter (z. B. CO, O2) Stoffströme. Nicht nur die Ermitt-lung eines Ist-Zustandes sondern auch die Grundlagen zur Entstehung sowie Prozess-strategien zur Verminderung bzw. Vermei-dung umweltrelevanter Emissionen und zur Steigerung der Effizienz werden entwickelt.

In Zeiten, in denen Nachhaltigkeit eine immer größere Bedeutung zukommt, ist die Steigerung der Ressourceneffizienz eines Prozesses ein ständiges Forschungs-thema. Dazu gehört neben der Einsparung von Einsatzstoffen auch deren Substitution durch alternative Materialien oder sogar die Wiederverwendung von Nebenprodukten oder Reststoffen. So stellt die Forschung zur Substitution von fossilen Kohlenstoffträ-gern durch Biomasse im LBO einen weite-

ren wichtigen Arbeitsbereich dar. Da fossile Kohle ein endliches Produkt und durch CO2-Zertifikate verteuert ist, gilt es Alternativen zu finden. Sowohl im Technikumsmaßstab als auch industriell wurden Versuche mit Industriepartnern durchgeführt. Im erfolg-reichen EU-Projekt GREENEAF „Sustaina-ble EAF steel production“ [33] wurde die Machbarkeit der Substitution bewiesen. Im Nachfolgeprojekt GREENEAF2 „Biochar for a sustainable EAF steel production“ wurden neben einer Marktanalyse umfangreiche industrielle Versuchskampagnen durchge-führt [34–35].

Nicht nur Biomasse, auch Schlacken und andere Nebenprodukte oder Reststoffe sind mögliche Zusatzstoffe im LBO. Dazu wurde in einem vom BMWi geförderten ZIM-Projekt das Recycling von zerfallenen Gießpfannenschlacken als Substitut für Kalk untersucht [36].

Der Arbeitsgruppe stehen im Arbeits-bereich Wärmebehandlung eine Reihe von Wärmebehandlungsöfen zur Verfügung, in denen Versuche zur Wärmebehandlung und Sinterung in einem großen Tempera-turbereich und unter unterschiedlichsten Atmosphären durchgeführt werden können. So erlaubt die Vakuum-Wärmebehandlungs-anlage des IOB (Bild 7) die Durchführung von Versuchen unter Vakuum sowie H2- oder N2-Partialdruck bei Temperaturen bis

Bild 6: Elektrolichtbogenofen im Betrieb Bild 7: Vakuum-Wärmebehandlungsanlage


IM PROFIL Folge 21

1.600 °C und das anschließende Abschre-cken in N2 bei bis zu 10 bar Ofendruck.

Mit den vorhandenen Wärmebehand-lungsanlagen führt das IOB klassische Wärme-behandlungen wie das Spannungsarmglühen von Bauteilen nach Umformung, das Härten von Werkzeugen, z. B. als Dienstleistung für andere Institute an der RWTH Aachen, sowie Wärmebehandlungen unter Schutzgas- oder Reaktivgasatmosphären durch. Im Bereich der Wärmebehandlung unter spezifischen Atmosphären wurden u. a. schon Alterungs-versuche an Katalysatormaterialien mit defi-niertem Feuchtegehalt der Atmosphäre sowie Regenerationsbehandlungen von Dieselpar-tikelfiltern, aber auch Wärmebehandlungen in Wasserstoff-, Formiergas- oder C-Pegel geregelter Atmosphäre durchgeführt.

STRÖMUNGEN IN METALLUR-GISCHEN SCHMELZENDie Arbeitsgruppe „Strömungen in metal-lurgischen Schmelzen“ beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Modellierung von Transportprozessen in metallurgischen Reaktoren. Steigende Anforderungen der

Industrie an Metallwerkstoffe mit höchs-tem Reinheitsgrad und homogenen, opti-malen technologischen Eigenschaften für lebensdauererhöhende Bauteile erfordern ein besseres Verständnis der Prozesse in metallurgischen Reaktoren (Konverter, Pfanne, Stranggießverteiler und Kokille). Dies ist entscheidend für die Optimierung der Qualität der Halbzeuge sowie der Bau-teile. Die Möglichkeiten von Strömungs-messungen in metallurgischen Schmelzen sind aufgrund der hohen Temperaturen sehr eingeschränkt, daher werden die strö-mungs- und wärmetechnischen Vorgänge anhand physikalischer und numerischer Modelle untersucht.

Die kinematischen Viskositäten von Metallschmelzen und Wasser liegen in der gleichen Größenordnung und damit sind deren Fließeigenschaften nahezu gleich. So ist eine Untersuchung der Schmelzen in Wassermodellen möglich. Am IOB sind unterschiedlichste Wassermodell-Versuchs-stände (z. B. Tundish, Kokille, Pfanne, Kon-verter, Bandgießanlage) in verschiedenen Maßstäben vorhanden. Zur Untersuchung

der Transportvorgänge in den Wassermo-dellen stehen eine Vielzahl unterschied-licher Messtechniken zur Verfügung wie:

■ Strömungsvisualisierung mittels Laser-lichtschnitttechnik

■ 3D-Aufnahme turbulenter Strömungs-felder mittels DPIV und LDA

■ Aufnahme von Temperatur- und Kon-zentrationsfeldern mittels LIF

■ Verweilzeituntersuchungen und Analyse von Mischungsvorgängen

■ Bestimmung von Partikelverteilungen und Abscheidekurven mittels Coulter Counter

■ Aufnahme von Badspiegelbewegungen mit Ultraschallsensoren.

Parallel zu den Strömungsuntersuchungen in physikalischen Modellen erfolgen die numerischen Simulationen mittels CFD. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Rechnun-gen werden die Simulationen zunächst für die Wasserströmung durchgeführt und die freien Parameter anhand der sehr genauen laseroptischen Messergebnisse validiert. Erst danach erfolgen die Simulationen für die mehrphasigen, nicht-isothermen Metallschmelzen.

Im Folgenden wird auf drei aktuelle Forschungsschwerpunkte in der Arbeits-gruppe eingegangen.

Untersuchung von Mehrphasenströ-mungen in der MetallurgieMehrphasenströmungen spielen in der Metallurgie eine große Rolle, u. a. bei der Behandlung mit Prozessgasen sowie bei der Betrachtung nichtmetallischer Par-tikel in Schmelzen. Die Behandlung von Schmelzen mittels Prozessgasen ist in der Metallurgie weit verbreitet. Typische Raffi-nationsverfahren mit Prozessgasbehand-lung finden u. a. in der Stahlgießpfanne, im Kupferkonverter, im AOD-Konverter sowie bei Aluminiumschmelzen statt. Die numeri-sche Simulation von Mehrphasenströmun-gen in der Metallurgie ist im Speziellen bei Gas-Flüssigkeits-Mehrphasensystemen mit Schwierigkeiten verbunden. Das Mehrpha-senmodell muss in der Lage sein sowohl die Interaktion zwischen den beteiligten Phasen als auch die Phasengrenze zwi-schen Gas und Flüssigkeit nicht mischbarer Fluide korrekt wiederzugeben.

Bild 8: Transiente Darstellung des Strömungsfelds in einem 120 t AOD-Konverter (CFD-Simulation, vier verschiedene Zeitpunkte, Frm = 662, hF/D = 0.56)


Folge 21 IM PROFIL

Der AOD-Prozess dient der Entkoh-lung hochlegierter Stähle. Bei diesem Verfahren werden die Prozessgase durch Unterbaddüsen horizontal in die Schmelze eingebracht. Je nach Bauform des AOD-Konverters treten im Betrieb niederfrequen-te Schwingungen auf. Im Rahmen eines Forschungsprojekts in Zusammenarbeit mit der SMS Group sind am IOB Untersu-chungen der strömungsmechanischen Phänomene im AOD-Konverter, die die Schwingungen der umliegenden Struktur anregen, durchgeführt worden [37–41]. Ziel war es ein mathematisches Modell zur Simulation der Strömung im Konverter und deren Wechselwirkung mit der umgeben-den Struktur zu entwickeln, um auftretende Behälterschwingungen vorherzusagen.

In Bild 8 ist das simulierte Strömungs-feld gezeigt. Die Grenzflächen zwischen Stahl und Schlacke (gelb) bzw. Schlacke und Gas (rot) sind als farbige Iso-Flächen dargestellt. Die Auftriebsfreistrahlen sind als Iso-Flächen konstanter Blasenkonzentration dargestellt. Die Einfärbung erfolgt gemäß der lokalen Geschwindigkeit (Betrag der Geschwindigkeit). Des Weiteren sind die Geschwindigkeitsvektoren in der Symme-trieebene des Konverters zu sehen.

Ein weiteres Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Mehrphasenströ-mung in der Stahlgießpfanne. Die Pfanne dient dazu, die Schmelze hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Temperatur zu homogenisieren und auf vorgegebene Werte einzustellen. Ferner sollen nichtme-tallische Partikel abgeschieden werden. Das vorliegende Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die grundlegenden Mechanis-men der Ausbildung des heterogenen Auf-triebsfreistrahls sowie der resultierenden Strömung in der Pfanne zu verstehen und diese Kenntnisse zur Weiterentwicklung numerischer Modelle, welche den Reak-tor im Bereich der Mehrphasenströmung realitätsnah beschreiben, anzuwenden. Dazu werden verschiedene Einflussgrößen auf die Strömung in der Pfanne detailliert experimentell am Wassermodell untersucht und darauf aufbauend numerische Modelle weiterentwickelt.

Die numerische Simulation der Mehr-phasenströmung im Wassermodell erfolgt

durch die Kombinati-on eines Euler-Euler-Ansatzes (VOF-Modell) zur Abbildung der Bewegung der Was-seroberfläche und eines Euler-Lagran-ge-Ansatzes (DPM-Modell) zur Bestim-mung der Bewegung der Gasblasen.

ESU und VAR mag-netohydrodyna-mische und wärmetechnische PhänomeneDas Elektroschlacke-umschmelzen (ESU) stellt ein Sonderver-fahren der Metallurgie mit Verbrauchselekt-rode dar. Über verschiedene Raffinations-mechanismen ist es möglich eine streng definierte chemische Zusammensetzung einzustellen, während gleichzeitig durch kontrollierte Erstarrung eine gezielte Aus-bildung des Gefüges erreicht wird.

Den prinzipiellen Aufbau einer ESU-Anlage zeigt Bild 9. Die benötigte Wärme wird durch den Stromfluss zwischen Elek-trode und Kokille erzeugt. Hierbei dient das Schlackenbad als Widerstandselement, in dem ein Großteil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt wird. Im Rahmen ver-schiedener Projekte wurde der ESU-Prozess am IOB grundlegend untersucht [43–48].

Im aktuellen Projekt soll durch die Ver-wendung einer rotierenden Elektrode im ESU-Prozess und die dadurch wirkende Zentrifugalkraft eine kleinere Tropfengrö-ße und eine Reduzierung der Metallfilm-dicke an der Elektrode erreicht werden. Eine damit einhergehende Verbesserung der Raffinationswirkung ist zu erwarten. Dabei stellt das Umschmelzen einer rotierenden Elektrode eine Prozessinnovation dar, wel-che bis zum jetzigen Zeitpunkt nur in sehr geringem Ausmaß untersucht wurde.

Durch eine Kombination von experi-mentellen Untersuchungen an einer Ver-suchsanlage am Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling und

numerischen Simulationen sollen die Raffi-nationsmechanismen sowie die Einschluss-verteilung im Metallblock am Beispiel der Nickelbasislegierung Alloy 718 untersucht und verstanden werden. Ziel ist einen Werkstoff mit erhöhtem Reinheitsgrad und verbesserter Erstarrungsstruktur reprodu-zierbar zu erzeugen. Die Untersuchung der Strömung mithilfe rechnergestützter Simulationen gliedert sich in eine Untersu-chung der makroskopischen Strömung und einer darauf aufbauenden Modellierung der Raffinationsmechanismen während des Prozesses. Zur Darstellung der auftre-tenden Strömungsphänomene wird ein dreidimensionales, transientes Modell für die Mehrphasenströmung und die Mag-netohydrodynamik verwendet.

Das Vakuumlichtbogenumschmelzen (englisch: Vacuum Arc Remelting (VAR)) ist ein Raffinationsverfahren zur Herstel-lung hochreiner metallischer Werkstoffe. Es wird eine bereits sehr reine Elektrode aus arteigenem Material eingesetzt, wel-che häufig in einem Vakuuminduktions-ofen erschmolzen und im Elektroschlacke-umschmelzprozess raffiniert wurde. Die VAR-Anlage besteht im Wesentlichen aus einer wassergekühlten Kupferkokille und einer Stromversorgung, an welcher die umzuschmelzende Elektrode befestigt ist.

Bild 9: Prinzip des Elektroschlackeumschmelzens


IM PROFIL Folge 21

Es wird eine Spannung angelegt, sodass elektrische Entladungen zwischen Elek-trode und Block (Lichtbögen) stattfinden. Die dabei freiwerdende Energie wird zum Aufschmelzen der Elektrodenunterseite verwendet. Nach der Massenübertragung in Form von Metalltropfen bildet sich ein Metallpool in der Kokille, welcher kontinu-ierlich zum Rand hin erstarrt (Bild 10).

In Zusammenarbeit mit der VDM Metals GmbH wird der VAR-Prozess am IOB nume-

risch untersucht. Die Simulation von Strömung, Wär-mehaushalt und Erstarrung ist in der Lage die Form des Metallpools, welche ein entscheidendes Qualitätsmerkmal ist, eines bekannten Prozesses nachzu-bilden. Somit kann mit dem Modell auch bei leicht ver-änderten Prozesspa-rametern das resul-tierende Poolprofil berechnet werden. [49–52]. Die Validie-rung des Modells erfolgt anhand metal lurgischer Schliffbilder von Proben aus dem Realprozess, welche mit der Simulation verglichen werden (Bild 11).

Während es für das zum VAR-Prozess verwandte Elektroschlackeum-schmelzverfahren durchaus üblich ist diverse verschiede-ne Geometrien zu verwenden, ist es beim VAR-Prozess immer noch üblich den Prozess allein in zylindrischen Geometrien durch-

zuführen. Sparpotenzial bei Energie und Folgeprozesskosten kann z. B. ein endab-messungsnäheres Umschmelzen liefern. Das IOB ist interessiert an der Generierung von innovativen Weiterentwicklungsmög-lichkeiten des VAR-Prozesses zur Übertra-gung ähnlicher Vorteile der verschiedenen Varianten des ESU-Prozesses auf den VAR-Prozess. Aufbauend auf einem bestehen-den 2D-VAR-Modell für die Untersuchung axialsymmetrischer Geometrien wurde ein

3D-Modell entwickelt, welches die Abbil-dung des VAR-Prozesses in rechteckigen Geometrien ermöglicht.

Das bestehende Modell basiert auf einer 3-Modell-Kopplung von elektroma-gnetischer FEM, thermoelastischer FEM und CFD Rechnung, um die vielfältigen Phänomene im VAR-Prozess abzubilden (Bild 12), wodurch es Rückschlüsse auf das Erstarrungs- und Strömungsverhalten im Metallpool liefern kann [53]. Dies ist ins-besondere für die einzustellenden Material-eigenschaften von wichtiger Bedeutung und ermöglicht es erste Rückschlüsse auf die Auswirkungen einer veränderten Pro-zessgeometrie zu führen.

AMAP „Advanced Metals and Processes“Das Forschungscluster AMAP (Advanced Metals and Processes) wurde mit der Idee der Open-Innovation zwischen Industrie-partnern und den Instituten der RWTH 2012 gegründet (Bild 13). Ziel ist die Forschung, Entwicklung sowie Aus- und Weiterbildung im Bereich der Werkstofftechnik von NE-Metallen und deren Herstellung sowie Ver-arbeitung. Die Kooperation zwischen den Industriepartnern und Instituten der RWTH fußt auf 12 Projekten, welche breitgefächert im Bereich der Materialwissenschaften ein-zuordnen sind.

Das Projekt P5 „Sustainable Recycling Concept: Efficient Melting“, in welchem das IOB involviert ist, thematisiert die Modellie-rung des Erwärmungs- und Einschmelz-vorgangs von Aluminium-Schrotten, z. B. Getränkedosen, sog. UBCs – „used beve-rage cans“. Verglichen mit der Erzeugung von primärem Aluminium, ist das Recyceln von verwendetem Aluminium, wie z. B. Getränkedosen, energetisch günstiger und führt gleichzeitig zu deutlich geringerer CO2-Produktion.

Die am IOB untersuchten Beiträge sind die CFD-Modellierung des Verbrennungs-vorgangs, im Speziellen der flammenlosen Verbrennung, die (Strahlungs-)Wärmeüber-tragung auf das zu schmelzende Gut sowie die Pyrolyse der anhaftenden Organik (Lacke und Kühlschmiermittel) [54–59].

Charakteristisch für die flammenlose Verbrennung ist die starke Rezirkulation der

Bild 10: Prinzip des VAR-Prozesses

Bild 11: Vergleich des Poolprofils zwischen Versuchscharge und Simulation

http://www.iob.rwth-aachen.de/index.php/forschung/stroemungen-in-metallurgischen-schmelzen/numerische-modellierung-des-impuls-waerme-und-stofftransportes-beim-vakuumlichtbogenumschmelzen/


Folge 21 IM PROFIL

Verbrennungspro-dukte, die in einer herabgesetzten Verbrennungstem-peratur und einer räumlich ausge-dehnten Reakti-onszone resultiert. Das Fehlen der Temperaturspit-zen und somit einer Flammen-front verursacht eine nicht mit dem menschlichen Auge erfassbare Reak tionszone. Eine numerische Berechnung dieses Vorgangs erfordert die Einbindung der detaillierten Mechanismen sowie die Erweiterung dieser.

Ein weiterer Teil des AMAP P5 ist die Untersuchung der Pyrolysegas-Emissionen aus verschiedenen, mit Organik kontami-nierten Schrotten während der Erwärmung. Anhand von experimentellen Untersuchun-gen werden die Pyrolysegas-Emissionen charakterisiert, um die Wechselwirkungen derartiger Gase mit der Schmelze betrachten und die Emission in CFD-Simulationen integrieren zu können. Hierzu werden im Labormaßstab klei-ne Mengen des zu untersuchenden Materials mit definierter Aufheizrate erwärmt. Entstehende Gase wer-den mit Analysesystemen (FTIR etc.) untersucht. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen Rückschlüsse auf die Zersetzungsvorgänge und Reak-tionsmechanismen sowie über den kalorischen Beitrag der Gase zur Ofe-nenergiebilanz zu.

LITERATUR

[1] http://www.iob.rwth-aachen.de/

[2] http://www.muw.rwth-aachen.de/

[3] Pfeifer, H.; Köhne, H.: Forschungs-

und Entwicklungsaktivitäten am Ins-

titut für Indus-trieofenbau und Wärmetech-

nik der RWTH Aachen. ewi – elektrowärme

international 62 (2004) Nr. 3, S. 126-133

[4] Pfeifer, H.: Institut für Industrieofenbau und

Wärmetechnik der RWTH Aachen. gwi –

gaswärme international 55 (2006) Nr. 7, S.

509-512

[5] Institut für Industrieofenbau und Wärme-

technik der RWTH Aachen. gwi – gaswärme


[6] Pfeifer, H.; Bölling, R.; Echterhof, T.; Rückert,

A.: Institut für Industrieofenbau und Wärme-

technik der RWTH Aachen. gwi – gaswärme


Bild 12: Kopplungsschema von CFD und FEM [53]

Bild 13: AMAP Kooperationspartner


IM PROFIL Folge 21

[7] Pfeifer, H.; Bölling, R.; Echterhof, T.; Rückert,

A.: Institut für Industrieofenbau und Wär-

metechnik der RWTH Aachen. ewi – elekt-

rowärme international 69 (2011) Nr. 3, S.

178-185

[8] Echterhof, T.; Pfeifer, H.; Rückert, A.; Gruber, J.:

Department of Industrial Furnaces and Heat

Engineering of RWTH Aachen University. heat

processing 10 (2012) Nr. 1, S. 105-113

[9] Pfeifer, H. (Hrsg.): Taschenbuch Industrielle

Wärmetechnik – Grundlagen, Berechnun-

gen, Verfahren. 4. Auflage. Essen: Vulkan-

Verlag, 2007

[10] Pfeifer, H.: Pocket Manual of Heat Proces-

sing (Fundamentals, Calculations, Proces-

ses). Essen: Vulkan-Verlag, 2008

[11] Pfeifer, H.; Nacke, B.; Beneke, F.: Praxishand-

buch Thermoprozesstechnik, Band 1

(Grundlagen – Prozesse – Verfahren). 2. Auf-

lage. Essen: Vulkan-Verlag, 2010

[12] Pfeifer, H.; Nacke, B.; Beneke, F.: Praxishand-

buch Thermoprozesstechnik, Band 2 (Anla-

gen – Komponenten – Sicherheit). 2. Auf-

lage. Essen: Vulkan-Verlag, 2011

[13] Perkowski, D.; Pfeifer, H.: Volumenstrom-

messung bei Hochkonvektionsanlagen zur

Wärmebehandlung. gwi – gaswärme Inter-

national 62 (2013) Nr. 4, S. 61-65

[14] Lenz, W.; Pfeifer, H.: Berechnung von Ther-

mospannungen in Wärmebehandlungsan-

lagen mittels gekoppelter numerischer Ver-

fahren. Chemie Ingenieur Technik 85 (2013)

Nr. 8, S. 1312-1316

[15] Hellenkamp, M.; Bölling, R.; Giesselmann,

N.: Thermisch induzierte Spannungen am

Strahlheizrohr unter Berücksichtigung von

Fluid-Struktur-Interaktion. gwi – gaswärme

international 60 (2011) Nr. 7-8, S. 609-614

[16] Schmitz, N.; Hellenkamp, M.; Pfeifer, H.; Cre-

sci, E.; Wünning, J. G.; Schönfelder, M.: Radi-

ant tube life improvement for vertical gal-

vanizing lines. Proceedings of the AIST Gal-

vatech 2015 AIST, S. 473-480, 31. Mai - 4. Juni

2015, Toronto, Kanada

[17] Hellenkamp, M.; Pfeifer, H.: Thermally indu-

ced stresses on radiant heating tubes inclu-

ding the effect of fluid-structure interac-

tion. Applied Thermal Engineering 94

(2016), S. 364-374

[18] Schnitzler, M.; Pfeifer, H.; Schwotzer, C.:

Untersuchung des Zusammenhangs zwi-

schen der Verteilung von Hydroxyl-Radika-

len und dem Wärmestrom beim Direct

Flame Impigement. 26. Deutscher Flam-

mentag, VDI-Berichte Nr. 2161, 11.-12. Sep-

tember 2013, Duisburg, S. 179-188

[19] Schnitzler, M.; Pfeifer, H.; Schwotzer, C.: Exa-

mining heat transfer process of direct flame

impingement combining laser induced flu-

orescense measurement of hydroxyl radi-

cals and conventional heat flux measure-

ments. Proceedings of the European Com-

bustion Meeting, 25.-28. Juni 2013, Lund,

Schweden

[20] Schnitzler, M.; Pfeifer, H.; Blankenstein, M.:

PIV measurements of the velocity distribu-

tion in an impinging turbulent swirl flame.

Proceedings of the European Combustion

Meeting, 30. März - 2. April 2015, Budapest,

Ungarn

[21] Blinn, S.; Schnitzler, M.; Pfeifer, H.; Wünning,

J. G.; Cresci, E.: Extension of the limitations

of use of flameless oxidation for small bur-

ner capacities. Proceedings of the European

Combustion Meeting, 30. März - 2. April

2015, Budapest, Ungarn

[22] Blinn, S.; Schnitzler. M.; Pfeifer, H.; Cresci, E.;

Wünning, J. G.: Extension of the limitations

of use of flameless oxidation for small bur-

ner capacities. 10th European Conference

on Industrial Furnaces and Boilers, 7.-10.

April 2015, Porto, Portugal

[23] Schwotzer, C.; Schnitzler, M.; Pfeifer, H.:

Zunderarme Wiedererwärmung von

Metall-Halbzeugen mit Rekuperatorbren-

nern. gwi – gaswärme international 65

(2016), Nr. 3, S. 67-72

[24] Schwotzer, C.; Schnitzler, M.; Pfeifer, H.;

Ackermann, H.; Diarra, D.: Low scale rehea-

ting of semi-finished metal products in fur-

naces with a central recuperator. heat pro-

cessing 14 (2016), Nr. 3, S. 83-89

[25] Schmitz, N.; Schwotzer, C.; Pfeifer, H.;

Schneider, J.; Cresci, E.; Wünning, J. G.:

Development of an energy-efficient burner

for heat treatment furnaces with a reducing

gas atmosphere. 72. HärtereiKongress, 26.-

28. Oktober 2016, Köln

[26] Schmitz, N.; Schwotzer, C.; Pfeifer, H.;

Schneider, J.; Cresci, E.; Wünning, J. G.:

Numerical investigations on post-combus-

tion in a burner for heat treatment furnaces

with a reducing gas atmosphere. Procee-

dings of the 11th European Conference on

Industrial Furnaces and Boilers, 18.-21. April

2017, Albufeira, Portugal

[27] Gruber, J. C.; Echterhof, T.; Pfeifer, H.: Investi-

gation on the influence of the arc region on

heat and mass transport in an EAF free-

board using numerical modeling. steel

research international 87 (2016), Nr. 1, S.

15-28

[28] Meier, T.; Hassannia Kolagar, A.; Echterhof,

T.; Pfeifer, H.: Process modeling and simula-

tion of an electric arc furnace for compre-

hensive calculation of energy and mass

transfers in combination with a model of

the dedusting system. 11th European Elec-

tric Steelmaking Conference & Expo, 25.-27.

Mai 2016, Venedig, Italien

[29] Kolagar, A. H.; Meier, T.; Echterhof, T.; Pfeifer,

H.: Modeling of the off-gas cooling system

for an electric arc furnace and evaluation of

the heat recovery potential. Chemie Ingeni-

eur Technik 88 (2016), Nr. 10, S. 1463-1473

[30] Meier, T.; Hassannia Kolagar, A.; Echterhof,

T.; Pfeifer, H.; Logar, V.; Skrjanc, I.: Modelling

and simulation of the transient electric arc

furnace process. 1st European Steel Techno-

logy & Application Days (ESTAD) & 31st Jour-

nées Sidérurgiques Internationales (JSI),

7.-8. April 2014, Paris, Frankreich

[31] Meier, T.; Logar, V.; Echterhof, T.; Skrjanc, I.;

Pfeifer, H.: Modelling and simulation of the

melting process in electric arc furnaces –

influence of numerical solution methods.


Folge 21 IM PROFIL

steel research international 87 (2016), Nr. 5,

S. 581-588

[32] Meier, T.; Hay, T.; Echterhof, T.; Pfeifer, H.;

Rekersdrees, T.; Schlinge, L.; Elsabagh, S.;

Schliephake, H.: Process modeling and

simulation of biochar usage in an electric

arc furnace as a substitute for fossil coal.

steel research international (2017)

[33] Bianco, L.; Baracchini, G.; Cirilli, F.; Moriconi,

A.; Moriconi, E.; Marcos, M.; Demus, T.; Echt-

erhof, T.; Pfeifer, H.; Beiler, C.; Griessacher, T.:

Sustainable EAF steel production (GREE-

NEAF), EUR 26208, Publications Office of

the European Union, (2013), Luxembourg

[34] Echterhof, T.; Demus, T.; Schlinge, L.;

Schliephake, H.; Pfeifer, H.: Use of palm ker-

nel shells as a substitute for charge coal in a

140 t DC electric arc furnace. SCANMET V –

5th International Conference on Process

Development in Iron and Steelmaking, 12.-

15. Juni 2016, Lulea, Sweden

[35] Demus, T.; Reichel, T.; Schulten, M.; Echter-

hof, T.; Pfeifer, H.: Increasing the sustainabi-

lity of steel production in the electric arc

furnace by substituting fossil coal with bio-

char agglomerates. Ironmaking & Steelma-

king 43 (2016), Nr. 8, S. 564-570

[36] Abel, R.; Demus, T.; Echterhof, T.; Reichel, T.;

Dettmer, B.; Schliephake, H.; Algermissen,

D.; Drissen, P.; Mudersbach, D.: Entwicklung

eines Agglomeratsteins aus Gießpfannen-

schlacke und Biokohle zum Einsatz in Elekt-

rolichtbogenöfen zur Einsparung von CO2

und Primärkalk. Report des FEhS-Instituts, 2

(2015), Nr. 2, S. 10-16

[37] Wuppermann, C.; Giesselmann, N.; Rückert,

A.; Pfeifer, H.; Odenthal, H.-J.; Hovestädt, E.:

A novel approach to determine the mixing

time in a water model of an AOD converter.

ISIJ International, 52 (2012), Nr. 10, S. 1817-

1823

[38] Wuppermann, C.; Rückert, A.; Pfeifer, H.;

Odenthal, H.-J.: Bestimmung des Strö-

mungsfeldes in einem Wassermodell eines

AOD-Konverters mittels PIV. Fachtagung

„Lasermethoden in der Strömungsmess-

technik“. Deutsche Gesellschaft für Laser-

Anemometrie GALA e.V., 2010, Cottbus


Odenthal, H.-J.: Physical and mathematical

modeling of the vessel oscillation in the

AOD process. ISIJ International 53 (2013) Nr.

3, S. 441-449


Odenthal, H.-J.; Hovestädt, E.: Mathematical

modeling of fluid dynamics and vessel vib-

ration in the AOD process, CFD Modeling

and Simulation in Materials Processing –

TMS 2012 Annual Meeting and Exhibition,

2012, Orlando, Florida


Odenthal, H.-J.; Reifferscheid, M.;

Hovestädt, E.: Numerical study of improve-

ments of the flow simulation and the vessel

vibration in the AOD-process. STEELSIM, 4th

International Conference on Modelling and

Simulation of Metallurgical Processes in

Steelmaking, 2011, Düsseldorf

[42] Rückert, A.; Pfeifer, H.: Numerical investiga-

tions of multiphase flows in metallurgical

reactors using a discrete phase model. 2nd

ESTAD, 2015, Düsseldorf

[43] Giesselmann, N.; Rückert, A.; Pfeifer, H.;

Tewes, J.; Klöwer, J.: Coupling of multiple

numerical models to simulate electroslag

remelting process for Alloy 718. ISIJ Interna-

tional 55 (2015) Nr. 7, S. 1408-1415


Tewes, J.; Klöwer, J.: Simulation of solidifica-

tion and fluid flow behaviour in the ESR

process for industrial scale ingots. ICRF, 2nd

International Conference on Ingot Casting,

Rolling & Forging, 2014, Mailand, Italien

[45] Giesselmann, N.; Rückert, A.; Pfeifer, H.:

Mathematical modelling of the momentum

and heat transfer in the electroslag remel-

ting process. STEELSIM, 4th International

Conference on Modelling and Simulation of

Metallurgical Processes in Steelmaking,

2011, Düsseldorf


Tewes, J.; Klöwer, J.: Numerical simulation of

the electroslag remelting process in order

to determine influencing parameters on

ingot defects. ICRF, 1st International Confe-

rence on Ingot Casting, Rolling and For-

ging, 2012, Aachen

[47] Rückert, A.; Pfeifer, H.: Mathematical model-

ling of the flow field, temperature distribu-

tion, melting and solidification in the elect-

roslag remelting process. Magnetohydro-

dynamics 45 (2009), Nr. 4, S. 527-533

[48] Rückert, A.; Pfeifer, H.: Mathematical model-

ling of the momentum and heat transfer in

the electroslag remelting process. STEEL-

SIM. 2nd International Conference Simula-

tion and Modelling of Metallurgical Proces-

ses in Steelmaking, 2007, Graz/Seggau,

Österreich

[49] Eickhoff, M.; Giesselmann, N.; Rückert, A.;

Pfeifer, H.; Tewes, J.; Klöwer, J.: Introducing

an analytic approach on air gap formation

during the ESR / VAR process and numerical

validation. ICRF, 2nd International Confe-

rence on Ingot Casting, Rolling & Forging,

2014, Mailand, Italien

[50] Eickhoff, M.; Rückert, A.; Pfeifer, H.; Tewes, J.;

Klöwer, J.: Simulation of industrial scale VAR

process – heat transfer ingot to mould and

validation. LMPC – Liquid Metal Processing

& Casting Conference 2015, Leoben, Öster-

reich


Klöwer, J.: Measurement of emission coef-

ficients for Alloy 718 to improve numerical

simulation of industrial scale VAR process.

STEELSIM, 6th International Conference on

Modelling and Simulation of Metallurgical

Processes in Steelmaking, 2015, Bardolino,

Italien


Klöwer, J.: Modellierung von Strömung,

Wärmehaushalt und Erstarrung des VAR-

Prozesses. Jahrestreffen der ProcessNet-

Fachgruppe Hochtemperaturtechnik, 2016,

Nürnberg

[53] Schubert, C.; Eickhoff, M.; Rückert, A.; Pfei-


IM PROFIL Folge 21

fer, H.: Modelling the vacuum arc remelting

process in rectangular geometries. STEEL-

SIM, 6th International Conference on Model-

ling and Simulation of Metallurgical Proces-

ses in Steelmaking, 2015, Bardolino, Italien

[54] Gültekin, R.; Rückert, A.; Pfeifer, H.: Numeri-

cal approach for the implementation of the

interaction of pyrolysis gases and combus-

tion products in an aluminium-melting fur-

nace. INFUB, 2017, Algarve, Portugal

[55] Gültekin, R.; Rückert, A.; Pfeifer, H.: Numeri-

cal approach for the implementation of the

interaction of pyrolysis gases and combus-

tion products. TMS, 2017, San Diego, USA

[56] Bruns, H.; Rückert, A.; Pfeifer, H.: Approach

for pyrolysis gas release modelling and its

potential for enhanced energy efficiency of

aluminium remelting furnaces. TMS, 2017,

San Diego, USA

[57] Bruns, H.; Gültekin, R.; Dittrich, R.; Rückert,

A.; Pfeifer, H.: Integration der Pyrolyse porö-

ser Medien in ANSYS Fluent. Jahrestreffen

der ProcessNet-Fachgruppe Hochtempera-

turtechnik, 2016, Nürnberg

[58] Gültekin, R.; Rückert, A.; Pfeifer, H.: Coup-

ling flameless combustion with thermal

decomposition. STEELSIM, 6th International

Conference on Modelling and Simulation of

Metallurgical Processes in Steelmaking,

2015, Bardolino, Italien

[59] Gültekin, R.; Rückert, A.; Pfeifer, H.: Coup-

ling flameless combustion with pyrolysis

reactions. ANSYS Konferenz & CADFEM

Users‘ Meeting, 2015, Bremen

Autoren:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Pfeifer Dr.-Ing. Thomas Echterhof Dr.-Ing. Antje Rückert Dr.-Ing. Wolfgang Lenz Christian Schwotzer, M.Sc.

Kontakt:Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) RWTH Aachen University Aachen Tel.: 0241 / 80-25935 [email protected] www.iob.rwth-aachen.de

Spezielle Anwendungen der induktiven Schmelz- und GießtechnikEinsatzgebiete | Anlagenbau | Prozesstechnik

Autor: Dietmar TrauzeddelSeiten: ca. 250-300 ISBN Buch: 978-3-8027-3093-1ISBN eBook: 978-3-8027-3081-8 Preis: € 80,-

Erscheint im November 2017

www.vv-publishing.comFurther information: +49 201 82002-14 | [email protected]

Spezielle Anwendungender induktiven Schmelz- undGießtechnikSpezialanwendungen der Induktionsofentechnik

Institut für Industrieofenbau und Wärmetech- nik der RWTH ... · Grund fand am 11. und 12. Mai...

Documents

Transcript of Institut für Industrieofenbau und Wärmetech- nik der RWTH ... · Grund fand am 11. und 12. Mai...