Institut für Metallurgie Praktikum W795x

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Imke Nadine Sauer
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1 Institut für Metallurgie Praktikum W795x Versuch: Umlaufströmung in RH-Vakuumanlagen Metallurgische Gefäße und Reaktoren werden of mit Hilfe von Wassermodellen untersucht.

1 1 Institut für Metallurgie Praktikum W795x Versuch: Umlaufströmung in RH-Vakuumanlagen Metallurgische Gefäße und Reaktoren werden of mit Hilfe von Wassermodellen untersucht. Dieser Versuch behandelt eine Teilmengenentgasungsanlage im Umlaufverfahren (). Am Wassermodell der Anlage sollen die Umlaufmengen in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen gemessen werden. Stand: 19. November 2015 (J.Wendelstorf) Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung: Vakuumentgasung in n 2 2 Berechnung des Umlaufstromes 4 3 Messungen am Wassermodell 6 4 Aufgabenstellung 6 Literatur 7 A Liste der Symbole 7

2 1 Einleitung: Vakuumentgasung in n Zur Raffination von

Aufgabenstellungen angepasste Aggregate verwendet [Plu90].

Das Verfahrensprinzip dieses Teilmengenverfahrens ist in Abbildung 1

ausgekleidete Rüssel tauchen in die Gießpfanne ein.

unter Einwirkung des atmosphärischen Drucks bis zu einer

2 2 1 Einleitung: Vakuumentgasung in n Zur Raffination von Stahlschmelzen werden in der Sekundärmetallurgie den Aufgabenstellungen angepasste Aggregate verwendet [Plu90]. Speziell zur Tiefstentkohlung finden dabei Vakuumverfahren ihre Anwendung. Neben der Pfannenstandentgasung werden heute hauptsächlich Anlagen des RH-Typs 1 verwendet (Abbildung 1). Abbildung 1: Schema einer mit Nebenanlagen [Haa91]. Das Verfahrensprinzip dieses Teilmengenverfahrens ist in Abbildung 1 und 2 skizziert: Zwei unter dem Vakuumgefäß angebrachte, feuerfest ausgekleidete Rüssel tauchen in die Gießpfanne ein. Durch Evakuierung des Vakuumteils bis auf 100 Pa steigt die Schmelze unter Einwirkung des atmosphärischen Drucks bis zu einer barometrischen Höhe von rd. 1,4 m auf, so daß der Vakuumgefäßboden bedeckt ist. Die Einleitung eines Inertgases in einen der Rüssel erzeugt einen Dichteunterschied zwischen dem Gemisch aus flüssigem Stahl und Gas im Einlaufrüssel 1 RH Rheinmetall-Heraeus

3 3 Abbildung 2: Versuchsaufbau Wassermodell einer. und dem Stahl im Auslaufrüssel. Diese ständig aufrechterhaltende Dichtedifferenz ruft eine Umlaufströmung des flüssigen Stahls hervor. Die in der Pfanne befindliche Schmelze steigt durch den Einlaufrüssel in das Vakuumgefäß, wird dort entgast und fließt nach der Behandlung wieder in die Pfanne zurück. Große n mit Vakuumgefäßdurchmesser von etwa 3 m und Höhen bis zu 11 m erreichen heute Stahlumlaufraten von über 100 t/min. Derartige Anlagen haben Rüsseldurchmesser von rd. 700 mm. Hierbei werden Fördergasraten bis 2000 l/min angewendet. Zur Optimierung des RH-Prozesses sind Kenntnisse bezüglich der Umlaufströmung der Schmelze, der Vermischung in der Pfanne und der Reaktionskinetik im Vakuumgefäß von großer Bedeutung. In diesem Praktikumsversuch sollen an einem RH-Wassermodell Messungen zur Umlaufströmung durchgeführt und mit den Ergebnissen eines mathematischen Modells [KUMW88] verglichen werden.

4 4 2 Berechnung des Umlaufstromes Abbildung 3: Skizze zur Bestimmung der Blasenaufstiegsarbeit. Eine halbempirisch entwickelte Gleichung zur Beschreibung der Umlaufströmung liefert die Veröffentlichung von T. Kuwabara et.al. [KUMW88]. Zur besseren Übersicht der nachfolgenden Überlegungen dient Abbildung 3. Ausgangspunkt ist die physikalische Arbeit, die beim Aufstieg der Gasblasen verrichtet wird. Es gilt Wgas = n R T V2 V 1 dv V (1) Nach Integration und unter Anwendung des Idealen Gasgesetzes ergibt sich für den Energiestrom (Leistung) der vom Gas auf das System übertragen wird Lgas = Q 0 gas T R V mn ln P 1 P 2 (2) Darin ist P 1 der hydrostatische Druck der Flüssigkeit an der Einleitstelle und P 2 der Druck im Vakuumgefäß, P 1 = P 2 + ρ liq g h b (3) Zur Berechnung der Verlustleistung wird die als ein Rohrleitungssystem betrachtet, wie es in Abbildung 4 dargestellt ist. Für den Gesamtverlust ergibt sich an den Stellen i = l bis 6 L V = 1 2 ρ liq v2 Q liq ξ i, (4) wobei ξ i die entsprechenden Verlustfaktoren sind. i

5 5 Abbildung 4: als Rohrleitungssystem mit Verlustdefinition. Da die eingebrachte Leistung vollständig in Verlustleistung umgesetzt werden muß, können die Gleichungen 2 und 4 gleichgesetzt werden. Ferner wird ein weiterer Verlustfaktor δ eingeführt, L V = δ Lgas (5) Fasst man alle Konstanten, Stoffwerte und die Temperatur zu einer Größe K zusammen, ergibt sich die Bestimmungsgleichung für den Umlaufstrom zu ( Q liq = K d 4 3 Q 0 gas ln P 1 P 2 ) 1 3 (6) Somit ist der Umlaufstrom von der Fördergasrate Q, dem Rüsseldurchmesser d, dem Druckverhältnis und einem Faktor K abhängig. Der Faktor K wurde aus Messungen bestimmt: K Wasser ( ) 2 m s K Stahl ( ) 2 m s (7) (8)

6 6 3 Messungen am Wassermodell Für die Untersuchungen zur Förderkapazität der Umlaufströmung wird das in Abbildung 2 skizzierte Wassermodell einer (Maßstab etwa 1:5) verwendet. Als Fördergas dient Luft. Der Betrag der Umlaufströmung wird mit einem im Auslaufrüssel positionierten Flügelradanemometer gemessen und kann in Abhängigkeit von folgenden Parametern bestimmt werden: Fördergasstrom des Gases, Position der Gaseinleitstelle, Höhe h des Flüssigkeitsstands im Vakuumgefäß, Anzahl der Einleitrohre an der Gaseinleitstelle, Einleitrohrdurchmesser und Rüsseldurchmesser. Der Fördergasstrom wird an der Versuchsanlage mit einem Massenstrommesser gemessen. 4 Aufgabenstellung 1. Messen Sie den Umlaufstrom des Wassers für zwei h und Fördergasraten von 20 slpm bis an die Grenze der Kompressor- bzw. Pumpenleistung (unter 150 slpm). 2. Vergleichen Sie die von Ihnen ermittelte Kuwabara-Konstante mit dem Literaturwert (Protokollieren Sie alle für die Berechnung notwendigen Größen während des Versuchs). 3. Leiten Sie einen Ausdruck für die Konstante K unter Verwendung der Gleichungen 2, 4 und 5 ab, und diskutieren Sie das Ergebnis. 4. Diskutieren Sie die Reaktorparameter, welche z.b. das Entkohlungsergebnis beeinflussen. Welche Vorgänge und Abhängigkeiten lassen sich mit dem Wassermodell untersuchen und welche nicht?

7 7 Literatur [Ahr98] [Haa91] F Ahrenhold, Umlauf, Vermischung und Entkohlungsreaktion bei der Vakuumbehandlung von Stahlschmelzen in einem metallurgischen Schlaufenreaktor (RH Verfahren), Ph.D. thesis, TU-Clausthal, 1998, Düsseldorf: VDI-Verlag. H P Haastert, Entwicklungsrichtungen der Sekundärmetallurgie, im besonderen das RH-Verfahren zur Vakuumbehandlung, Stahl und Eisen 111 (1991), no. 3, [KUMW88] T Kuwabara, K Umezawa, K Mori, and H Watanabe, Investigation of decarburization behaviour in RH-reactor and its operation improvement, Transactions ISIJ 28 (1988), [Plu90] W Pluschkell, Metallurgische Reaktionskinetik zur Einstellung niedrigster Gehalte an C, P, S und N im Stahl, Stahl und Eisen 110 (1990), no. 5, A Liste der Symbole Symbol Bedeutung Einheit b barometrische Höhe [m] d Durchmesser der Rüssel [m] δ Verlustfaktor nach Kuwabara [m] h B Blasenaufstiegshöhe [m] K Kuwabara Konstante [ ( ) 2 m 3 s ] Lgas Leistung des Gases [W] L V Verlustleistung [W] n Stoffmenge [mol] P 2 Druck im Vakuumgefäß [Pa] P 1 Druck an der Einleitstelle ohne Begasung [Pa] Q liq Umlaufstrom der Flüssigkeit [m 3 /s] Q 0 gas Förderstrom, Normzustand [m 3 /s] ρ liq Dichte der Flüssigkeit [kg/m 3 ] T Temperatur [K] v Geschwindigkeit der Flüssigkeit [m/s] V Volumen [m 3 ] ξ i Verlustfaktor an der Stelle i [1] Wgas verrichtete Arbeit beim Gasaufstieg [J] g Erdbeschleunigung 9.81 m/s 2 R Gaskonstante J/(mol K) V nm Molvolumen (STP) m 3 /mol

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