PIV- und LDA-Messungen an Turbostoppern zur Strömungsoptimierung in Stranggießverteilern

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1 Odenthal, Pfeifer, 8. GALA Fachtagung - Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, , München PIV- und LDA-Messungen an Turbostoppern zur Strömungsoptimierung in Stranggießverteilern H.-J. Odenthal, H. Pfeifer. Einleitung IOB - Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik, RWTH Aachen, Kopernikusstr. 6, 5274 Aachen Die Verbesserung von Prozessen der Stahlherstellung setzt eine gute Kenntnis des Energieund Stofftransports, der Reaktionskinetik und der Strömungsprozesse voraus. Die Schmelzenströmung im Stranggießverteiler (Tundish), der den diskontinuierlichen Prozess der Pfannenmetallurgie mit dem kontinuierlichen Stranggießen verbindet, ist maßgeblich für den Reinheitsgrad, d. h. für die Anzahl nichtmetallischer Einschlüsse (z. B. Al 2 O 3, SiO 2 ) im Endprodukt verantwortlich. Die Anforderungen an die Strömung im Verteiler sind eine optimale Verweilzeitverteilung des Stahls, eine gute Durchmischung bei gleichzeitig nicht zu hoher Turbulenz, damit sich die Einschlüsse in der Schlacke abscheiden, sowie die Vermeidung von Totraumgebieten oder Kurzschlussströmungen. Dies wird i. A. realisiert durch feuerfeste Einbauten, wie z. B. Dämme und Wehre, die im Verteiler eingesetzt werden und zur passiven Strömungsführung dienen. Dabei muss beachtet werden, dass hohe Geschwindigkeiten und Turbulenzen zu folgenden unerwünschten Effekten führen [6, 7]: Der energiereiche Pfannengießstrahl wird am Verteilerboden umgelenkt und strömt an den benachbarten Seitenwänden mit hoher Geschwindigkeit aufwärts, was zur Wellenbildung an der freien Schmelzenoberfläche führt (vgl. Odenthal und Pfeifer []). Hierdurch kann es zur Emulgierung von Schlacke kommen. Im Bereich um das Schattenrohr wird durch die Entrainmentwirkung des Pfannengießstrahls Schlacke in die Schmelze transportiert. Die an den Seitenwänden aufwärts strömende Schmelze fließt an der Oberfläche in die Verteilermitte und wird dort wieder abwärts gelenkt. Als Folge dieser Schmelzenbewegung bildet sich ein gegenläufiges Doppelwirbelsystem, dessen Intensität in Richtung zum Tauchausguss abnimmt [, 3]. Diese Wirbelformation zieht Schlacke in die Schmelze ein und wirkt sich störend auf die Abscheidung nichtmetallischer Partikel aus. Infolge der Oberflächenwellen bilden sich in der Mischungsschicht zwischen Schlacke und Schmelze instabile Wirbelstrukturen aus, die zum Mitreißen von Schlacke in die Schmelze führen. Geschehen diese Vorgänge am Verteilerausguss, so gelangen Schlackenpartikel unmittelbar in die Kokille. Ebenso ist ein Aufreißen der normalerweise geschlossenen Schlackenschicht mit anschließender Reoxidation der Schmelze möglich. Der mit hoher Geschwindigkeit eintretende Pfannengießstrahl verursacht eine erhöhte Erosion der feuerfesten Verteilerausmauerung. Generell stören hochfrequente Wirbel die Partikelabscheidung, insbesondere die von Partikeln mit einem Durchmesser unter ca. 5 m [7]. Durch Turbulenz induzierte, instationäre Betriebszustände, beispielsweise durch Änderung der Mischungsintensität oder Temperatur, können sich bis in die Kokille auswirken und dort zu einer Qualitätsänderung der Bramme führen.

2 Odenthal, Pfeifer, 8. GALA Fachtagung - Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, , München 2 Die Ausbildung von Kurzschlussströmungen wird unterstützt. Hierbei fließt die Schmelze unmittelbar vom Schatten- zum Tauchrohr, wodurch sich die Abscheidezeit für nichtmetallische Teilchen verringert. Beim Füllen des Verteilers kommt es zu Spritzvorgängen (Splashing) der Schmelze, verursacht durch den Pfannengießstrahl. In den 8er Jahren kamen flache Prallplatten (Impact Pads) unter dem Schattenrohr zum Einsatz, die vor Erosion schützen und die Standzeiten erhöhen sollten. Die sukzessive Verbesserung der Prallplatten führte Anfang der 9er Jahre zu den in Bild gezeigten Turbostoppern mit umlaufender Innenkante. Im stationären Gießbetrieb besteht seine Aufgabe darin, den Pfannengießstrahl in sich zurück zu lenken, dadurch Wirbel und Turbulenzen zu vermindern und infolge der damit verbundenen, höheren Energiedissipation im Eingießbereich die Abscheidebedingungen im übrigen Verteiler zu optimieren. Im instationären Betrieb, wie z. B. während des Pfannenwechsels, sollen die durch den Gießstrahl induzierten Verwirbelungen und Spritzer verringert Bild : Prinzip des Turbostoppers werden. In der Industrie werden auch rechteckige oder trapezförmige Turbostopper aus Feuerfestmaterial (ca. 8 % Al 2 O 3, MgO) eingesetzt. Ein optimal ausgelegter Turbostopper erfüllt folgende Funktionen: Der Gießstrahl wird abgebremst und gedämpft. Dadurch werden Bereiche hoher Strömungsgeschwindigkeit bzw. großräumiger Wirbelbildung reduziert und es bildet sich ein homogenerer Schmelzenfluss. Der in sich zurück gelenkte, aufwärts strömende Gießstrahl teilt sich an der Oberfläche auf und transportiert die Schlacke radial vom Gießstrahl weg, wodurch der Schlackeneintrag verringert wird (Bild ). Durch die nach oben gerichtete Strömung wird der Weg der Einschlüsse bis zur Abscheidung in die Schlacke verkleinert. Erosionsschutz des Verteilerbodens und Erhöhung der Verteilerlebensdauer. Erhöhung des Kolbenstromanteils und Homogenisierung hinsichtlich der Temperaturverteilung. Optimierung der Verweilzeitverteilung, z. B. um die minimale Verweilzeit des Stahls im Verteiler zu erhöhen. Vermeidung von Splashing und Verringerung instationärer Strömungen während des Pfannenwechsels. 2. Versuchsaufbau Der in Bild 2 gezeigte Wassermodell-Versuchsstand des Instituts für Industrieofenbau und Wärmetechnik ist für Untersuchungen von Stranggießverteilern bis zu 6 t sowie Ausgusssystemen und Kokillen im Maßstab : konzipiert. Der im geschlossenen Kreislauf maximal geförderte Volumenstrom beträgt 35 m 3 /h. Aktuell werden Messungen an einem Plexiglas- Verteilermodell im Maßstab :.7 als Zwischenschritt vom :4 Modell [,2,3] auf ein : Modell durchgeführt. Die geometrischen Daten des Verteilers sind in Tabelle zusammengestellt. Schattenrohr und Stopfensystem sind frei verstellbar, um deren Einfluss auf die Strö-

3 FlowMap-System Odenthal, Pfeifer, 8. GALA Fachtagung - Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, , München 3 mung abzuschätzen. Die Position der verwendeten Turbostopper und das gewählte Koordinatensystem sind ebenso in Bild 2 eingetragen. Schattenrohr d S Stopfenregelung Messwert Regelung Laser CCD-Kamera PIV-Prozessor Eingabe-Buffer z L 2 d Turbostopper h Stopfen x Drossel Rückschlagventil Synchronisation Korrelation L d TR Tauchrohr PID-Regler V Soll V Ist IEEE-Bus PC PIV-System Vorratsbehälter ( Liter) Schieber M Pumpe Bild 2: Versuchsaufbau des Wassermodell-Verteilers (Maßstab :.7) mit PIV-Anlage AD-Wandler PC 2 (Labview) Messwerterfassung In Anlehnung an industriell eingesetzte Turbostopper wurden drei PVC-Modelle angefertigt. Bild 3 zeigt deren Abmessungen für den Maßstab Bezeichnung Abk. Wert :. Für die Anwendung im :.7-Verteiler wurden Bodenlänge L.85 m entsprechend verkleinerte Geometrien gewählt. Maximale Länge L 2.96 m Um die Strömung möglichst einfach zu gestalten, Bodenbreite B.46 m wurden runde Turbostopper untersucht. Bei ansonsten gleichen Abmessungen wurde der Aus- Maximale Breite B 2.57 m Füllstandshöhe h.47 m trittswinkel der umlaufenden Innenkante von 9 Schattenrohrdurchm. d.4 m bis variiert, wodurch sich auch das Öffnungsverhältnis = d/d ändert (Bild Schattenrohrlänge l.7 m 3). Tauchrohrdurchm. d TR.45 m Für die laseroptischen Messungen kamen ein 2D- Tauchrohrlänge l TR.8 m PIV und ein 3D-LDA-System, beide von der Fa. Stopfendurchmesser d S.8 m Dantec, zum Einsatz. Das 2D-PIV FlowMap- System besteht aus zwei gepulsten Nd:YAG- Tabelle : Verteilerabmessungen Lasern mit je 4 mj Leistung bei einer Pulsrate von 5 Hz und einer Pulsdauer von 4.3 ns. Die Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von 532 nm wurden über einen Lichtführungsarm und eine 3 -Zylinderlinse in den Verteiler geleitet. Die Aufnahmen erfolgten mit einer Kodak Megaplus ES. k x k-ccd-kamera mit einem 24-5 mm-nikon Objektiv. Die in der xz-ebene aufgenommen PIV-Bilder mit einer Ausschnittsgröße von ca. 4 mm x 4 mm wurden mit Fenstergrößen von 64 Pixel x 64 Pixel bei 5 %iger Überlappung ausgewertet. Die Zeitverzögerung zwischen zwei Pulsen eines Doppelbildes wurde an die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten angepasst und betrug - 3 ms. Pro Bildsequenz wurden Doppelbilder mit einer Zeitfolge von.33 s aufgenommen und die Daten u. a. mit einem Moving-Average-Verfahren validiert.

4 Odenthal, Pfeifer, 8. GALA Fachtagung - Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, , München 4 a) b) c) Bild 3: Turbostopper im Maßstab :; a) 9 -Kante, =.63 b) 45 - Kante, =.82 c) -Kante, = Die 3D-LDA-Anlage besteht aus einem 5 W Argon-Ionen-Laser, einer 3D-FiberFlow Optik mit zwei Faseroptiken, Monomode-Glasfasern und Transmitterbox zur Einkopplung der Laserstrahlen (3 Strahlenpaare mit Wellenlängen von nm, 488. nm und 54.5 nm), FVA- Real Time Korrelatoren und einem.5 m x. m x. m Traversiersystem. Das im Messvolumen an den Partikeln gestreute Licht wird im Rückstreubetrieb von den Optiken empfangen und über die Glasfasern sowie Farbfilter den Photomultipliern zugeführt. Zur Strömungsvisualisierung steht eine weitere Glasfaser mit Zylinderlinse zur Verfügung. Um erste Erfahrungen mit der Anlage zu machen und zum besseren Vergleich mit den 2D-PIV- Messungen wurden im ersten Schritt nur zweidimensionale LDA-Messungen durchgeführt. Das Messvolumen hat in der vorliegenden Konfiguration eine Länge von ca. 9 mm in y- Richtung und einen Durchmesser von.4 mm, der Interferenzstreifenabstand ist 2.2 m. An jedem Messort wurden 2 Samples im Koinzidentbetrieb aufgenommen, aus denen die Mittel- und Schwankungswerte ermittelt wurden. Um Messfehler durch Partikelbiasing auszuschließen, wurden die Momentanwerte mit der Partikelverweilzeit im Messvolumen gewichtet. Als Tracer kamen Polyamidpartikel mit einem Durchmesser von ca. m (PIV) bzw. 5 m (LDA) und einer Dichte von.2 g/cm 3 zum Einsatz. 3. Ergebnisse Bild 4 zeigt die mit PIV gemessenen Geschwindigkeiten im Mittelschnitt (y/b = ) des :.7- Verteilers ohne Turbostopper bei V V 3.82 l/ s. Die vom Boden gemessene Ein- TR tauchtiefe des Schattenrohres ist z /h =.8. Die Koordinaten sind mit den Abmessungen aus Tabelle normiert worden. Das Vektordiagramm besteht aus drei nebeneinander liegenden PIV-Bildern von jeweils Einzelmessungen. Die Re-Zahl, gebildet mit dem hydraulischen Durchmesser des durchströmten Verteilerquerschnitts, beträgt Re = 8, was der Re-Zahl des Originalverteilers mit flüssigem Stahl entspricht. Die in der Literatur oft angegebene Fr-Ähnlichkeit kann nicht gleichzeitig eingehalten werden (Fr Stahl = 5.9-6, Fr Wasser =.36-6 ), wurde jedoch ebenfalls untersucht. Als Ergebnis ist zu vermerken, dass die charakteristischen Strömungsformen bei der Re- und Fr-Ähnlichkeit nahezu gleich sind. In Bild 4 ist zu sehen, dass die Strömungsstrukturen, wie z. B. das Rezirkulationsgebiet in der Verteilermitte mit Wirbelzentrum bei x/l =.55 und z/h = sowie die im Mittelschnitt nicht zu erkennende Kurzschlussströmung entlang der Seitenwände ähnlich denen sind, die am verkleinerten :4-Modell mittel PIV gemessen wurden []. Die mittlere Durchströmgeschwindigkeit durch den Verteiler ist.6 m/s. Ebenso wird der durch den eintretenden Gießstrahl induzierte Doppelwirbel, dessen Wirbelachsen mit der x-achse zusammenfallen,

5 z/h Odenthal, Pfeifer, 8. GALA Fachtagung - Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, , München 5 sehr gut wiedergegeben, wie Messungen in der yz-ebene zeigen. Ein Einfluss des Stopfens auf die Strömung im Mittelschnitt ist nicht festzustellen, allerdings haben Untersuchungen gezeigt, dass die Ausbildung des Abflusswirbels am Tauchrohr durch den Stopfen unterdrückt wird Schattenrohr x/l m/s Stopfen Tauchrohr Bild 4: PIV-Geschwindigkeitsmessung im Mittelschnitt (y/b = ) des Verteilers (M :.7); V V 3.82 l/ s, Re 8 6, Fr.36, z /h =.8 TR V TR Bild 5 zeigt den generellen Einfluss von Turbostoppern, die unter dem Schattenrohr positioniert werden. Der mit einer mittleren Geschwindigkeit von 3.4 m/s in den Tundish eintretende Wasserstrahl verliert an Geschwindigkeit, prallt als Staupunktströmung auf den Boden des Turbostoppers auf und wird durch die spezielle Formgebung in sich zurück gelenkt. In allen Fällen dringt der Freistrahl bis zum Stopperboden vor, d. h. es bildet sich kein Wasserpolster, das zu einer vorzeitigen Umlenkung des Freistrahls über dem Turbostopper führen würde. Infolge des kleinen Öffnungsverhältnisses von =.63 der Variante gemäß Bild 3a und der Verdrängungswirkung des Freistrahls fließt das Wasser im Bereich 6 < z/h <.54 radial nach außen (Bild 5a). Im darüber liegenden Gebiet ist dann deutlich eine Entrainmentwirkung zu erkennen, wodurch die Aufwärtsströmung zum Freistrahl gezogen wird. Bei allen Konfigurationen entsteht ein Gegenstrom mit Wirbelbildung, der die kinetische Energie des Wasserstrahls verringert. Allerdings ist die Umlenkung innerhalb des Turbostoppers umso effizienter, je stärker dessen Kante geneigt ist. Während für die Variante mit 9 -Kante (Bild 5a) die mittlere Aufwärtsströmung rings um den Freistrahl mit lediglich etwa 8 m/s erfolgt, sind die Vertikalgeschwindigkeiten bei den Varianten mit 45 - und - Kante (Bilder 5b, c) deutlich höher; sie betragen ca..4 m/s bzw..5 m/s. Die geringe Aufwärtsbewegung beim 9 -Turbostopper äußert sich sowohl gegenüber der Konfiguration ohne Turbostopper (Bild 4) als auch gegenüber den beiden anderen Varianten (Bilder 5b, c) in einer wesentlich ruhigeren Wasseroberfläche. Die systematische Änderung der Turbostopperkante in den Bildern 5a-c verdeutlicht eindrucksvoll, dass bei ansonsten gleichen Randbedingungen große Bereiche hoher Geschwindigkeit auftreten. Dadurch bilden sich an der freien Oberfläche Wellen mit z. T. schwankendem, d. h. instationärem Wasserspiegel. Dies bedeutet, das z. B. der Einbau eines einfachen Gießtopfes, einer Prallplatte oder einer Stufe, wie sie häufig im Gießbetrieb eingesetzt werden, nicht dazu geeignet sind, Wirbel und Turbulenzen abzubauen bzw. die Abscheidung nichtmetallischer Partikel zu verbessern. Strömungsvisualisierungen mittels der Lichtschnittmethode zeigen, dass sowohl das bekannte Rückströmgebiet in der Verteilermitte als auch der Doppelwirbel durch den Turbostopper vermieden werden. Dies gilt auch für Spritzvorgänge während des Füllvor-

6 z/h z/h z/h Odenthal, Pfeifer, 8. GALA Fachtagung - Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, , München 6 gangs. Gleichzeitig bildet sich eine moderate Aufwärtsströmung, die die Abscheidung der nichtmetallischen Partikel unterstützt. a) V m/s b) m/s x/l x/l c) m/s x/l Bild 5: PIV-Geschwindigkeitsmessung im Mittelschnitt (y/b = ) des Verteilers (M :.7); V V TR 3.82 l/ s, Re 8 6, Fr.36, z /h =.8 a) 9 -Kante b) 45 -Kante c) -Kante Bild 6 zeigt exemplarische Geschwindigkeits- und Turbulenzverteilungen aus LDA- Messungen im Mittelschnitt des Turbostoppers mit 9 -Kante. Die Versuchsbedingungen sind identisch mit denen der PIV-Messungen. Es wurde ein Messraster mit 25 Punkten x 22 Punkten verwendet. Die Übereinstimmung der mittleren Geschwindigkeiten mit den PIV- Resultaten aus Bild 5a ist sehr gut. So wird z. B. die Lage des oberen linken Wirbelzentrums mit x/l = und z/h =.72 korrekt wiedergegeben. Aufgrund der aufwändigen PIV- Datenvalidierung, bei der Fehlvektoren eliminiert und das Vektorfeld durch eine Moving Average Validierung geglättet wurde, erscheinen die PIV-Strukturen regelmäßiger. Die Turbulenzintensitäten u rms und w rms sind als Graustufenverteilung dargestellt, die höchsten Werte treten direkt über der Öffnung des Turbostoppers auf, wo die Strahlumlenkung erfolgt. Die Maxima betragen etwa.32 m/s für die Horizontal- und.68 m/s für die Vertikalkomponente. Die Turbulenz außerhalb des Freistrahls ist gering.

7 z/h z/h Odenthal, Pfeifer, 8. GALA Fachtagung - Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, , München 7 Frame 5 Jun 2 Tundishkontur :.7-Modell Frame 5 Jun 2 Tundishkontur :.7-Modell a) m/s b) m/s u RMS in m/s w RMS in m/s x/l x/l Bild 6: LDA-Geschwindigkeits- und Turbulenzmessungen im Mittelschnitt (y/b = ) des Verteilers (M :.7); V V TR 3.82 l/ s, Re 8 6, Fr.36, z /h =.8 Anhand der PIV- und LDA-Messungen an Wassermodellen lassen sich erste Schlussfolgerungen für den effizienten Einsatz von Turbostoppern in Stranggießverteilern ziehen. So ist es wichtig, dass Turbostopper den Gießstrahl vollständig in sich zurückführen, da ansonsten eine große Aufwärtsströmung mit unerwünschten Oberflächenwellen induziert wird. Wie Saylor und Bolgner [6] zeigen, kann beim Einsatz von Turbostoppern auf den zusätzlichen Einbau von Dämmen/Wehren bei nahezu gleich bleibender Produktqualität verzichtet werden. Weiterführende Messungen für andere Geometrien (eckig, trapezförmig), Öffnungsverhältnisse sowie außermittig eintretende Gießstrahlen werden zukünftig am IOB durchgeführt. Während die PIV-Technik schnell zu aussagekräftigen Resultaten - auch instationärer Phänomene - führt, lassen sich mittels LDA detaillierte Turbulenzmessungen durchführen. Beide Verfahren ergänzen sich gegenseitig und liefern wertvolle Informationen hinsichtlich der Validierung von numerischen CFD-Simulationen (Turbulenzmodellierung, Lösungsalgorithmen etc.), die parallel am IOB vorgenommen werden. 4. Literatur [] Odenthal, H.-J., Pfeifer, H.: Anwendung der Particle Image Velocimetry zur Optimierung metallurgischer Prozesse, 7. GALA Fachtagung, Saint-Louis, , S [2] Odenthal, H.-J., Pfeifer, H.: Strömungsuntersuchungen in Wassermodellen metallurgischer Reaktoren durch die Particle Image Velocimetry, Arbeitssitzung der GVC-Fachausschüsse Energieverfahrenstechnik und Hochtemperaturtechnik, Würzburg, [3] Pfeifer, H., Odenthal, H.-J.: Strömungsuntersuchungen für Prozesse der Stahlherstellung, 5. Aachener Stahlkolloquium - Metallurgie von Stahl und Eisen, Aachen, [4] Sahai, Y., Emi, T.: Physical modeling of melt flow in continuous casting tundishes, Current Advances in Materials and Processes, Vol. 9, No., 996, p [5] Sahai, Y., Emi, T.: Criteria für water modeling of melt flow and inclusion removal in continuous casting undishes, ISIJ International, Vol. 36, No. 9, 996, p [6] Saylor, K., Bolger, D.: Preventing turbulence in the tundish, Steel Technology International, 996, p [7] Saylor, K.: Patent US535855, Turbulence inhibiting tundish and impact pad and method of using, 994