Einfluss eines Turbostoppers auf die Strömung im Stranggießverteiler Vergleich CFD-Rechnung mit LDA-Messung

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1 Fluent Anwendertreffen 2, Bingen, Einfluss eines Turbostoppers auf die Strömung im Stranggießverteiler Vergleich CFD-Rechnung mit LDA-Messung Einleitung R. Bölling, H.-J. Odenthal, R. Koitzsch, H. Pfeifer Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik im Hüttenwesen RWTH Aachen, Kopernikusstr. 6, 5274 Aachen In einer Stranggießanlage ist der Stranggießverteiler, auch Tundish genannt, das Koppelelement zwischen der diskontinuierlichen Pfannenmetallurgie und dem kontinuierlichen Gießprozess in der Kokille, Bild. Neben der Pufferwirkung beim Pfannenwechsel und der Verteilung des Stahls auf verschiedene Stränge der Stranggießverteiler (Tundish) Entrainment Stahlgießpfanne Bild : Schematische Darstellung einer Stranggießanlage Stranggießanlage übernimmt ein Stranggießverteiler heute auch die Aufgaben eines kontinuierlichen Reaktors, in dem gezielt die Abscheidung nichtmetallischer Partikel sowie die Homogenisierung der Schmelze hinsichtlich Temperatur und Konzentration betrieben wird. Eine Verbesserung der Abscheidung nichtmetallischer Partikel, und damit auch des Reinheitsgrades der Endprodukte, erwartet man durch den Einsatz sogenannter Turbostopper (TS), Bild 2. Im stationären Gießbetrieb hat der Turbostopper mit umlaufender Innenkante die Aufgabe, den Pfannengießstrahl in sich zurück zu lenken, dadurch großräumige Wirbel und hohe Turbulenzen räumlich zu begrenzen und infolge der damit verbundenen, höheren Energiedissipation im Eingießbereich die Abscheidebedingungen im übrigen Verteiler zu verbessern. Im instationären Betrieb, wie z. B. während des Pfannenwechsels, sollen die durch den Gießstrahl induzierten Verwirbelungen und Spritzer verringert werden. Für Strömungsmessungen in Stahlschmelzen gibt es kaum praktikable Messmethoden. Experimentelle Analysen der Verteilerströmung werden deshalb an Wassermodellen durchgeführt. Dies ist möglich, da die kinematische Viskosität der Stahlschmelze ähnlich der von Wasser ist. Experimentelle Untersuchungen an Wassermodellen mittels Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) sind sehr gut geeignet, die Qualität numerischer Berechnungen zu überprüfen. Detaillierte Ergebnisse der thermischen Stahlschmelzenströmung sind allerdings nur mit CFD-Methoden zu erlangen. Im Bild 2: Turbostopperprinzip

2 H Fluent Anwendertreffen 2, Bingen, folgenden wird der Einfluss eines Turbostoppers auf das isotherme Strömungsfeld im Wassermodell eines Stranggießverteilers mittels CFD und LDA untersucht. 2 Versuchsgegenstand und Modellierung Untersucht wird die isotherme Strömung im Wassermodell eines 6t-Stranggießverteilers zum Vergießen nichtrostender Stähle auf einer einsträngigen Brammenstranggießanlage, Bild 3. Das am Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik der RWTH-Aachen vorhandene Wassermodell ist aus Platzgründen im verkleinerten Maßstab :.7 gefertigt. Aufgrund der Vergleichbarkeit der Ergebnisse werden die CFD-Rechnungen ebenfalls am verkleinerten Modell durchgeführt. Als hydrodynamische Ähnlichkeit wird die charakteristische Re-Zahl des original Verteilers auf das Modell übertragen. Die charakteristische Länge ist der hydraulische Durchmesser des durchströmten Verteilerquerschnitts d h. Die numerische Simulation wird mit FLUENT 5.5 auf Basis der Reynoldsgemittelten Navier-Stokes Gleichungen durchgeführt. Die Turbulenzmodellierung erfolgt mit dem Realizable k- Modell; im wandnahen Bereich wird die Standard Wandfunktion verwendet. d SR z Turbostopper x L SR d TR L TR Stopfen Schattenrohr z 7 y B L Tauchrohr Bild 3: Untersuchter Stranggießverteiler mit Turbostopper im Maßstab : z SR d SR d TR L B 6t-Verteiler.68 m.7 m 3.4 m.78 m H m.335 m 5 m m d h.749 m A.726 m 2 L SR z SR L TR Das verwendete Gitter (Bild 4) mit ca. 2 Elementen wurde mit dem Programm GAMBIT.3 generiert und besitzt einen strukturierten Aufbau. Aufgrund der Symmetrie in Verteilerlängsrichtung wird nur eine Verteilerhälfte generiert. Die mittlere Maschenweite beträgt im Verteiler 9 mm und in Schatten- und Tauchrohr 3 mm. a) b) Bild 4: Numerisches Gitter, a) gesamter Verteiler ohne Turbostopper, b) Einlaufbereich mit Turbostopper

3 Fluent Anwendertreffen 2, Bingen, Als wichtiges Maß für die Gitterqualität wird die Verdrehung (Q EAS EquiAngle Skew) eines Gitterelementes angesehen, die definiert ist als: Q Q max 9 9 Q, 9 9 max min EAS, mit Q max und Q min als maximaler und minimaler Winkel zwischen zwei Gitterkanten. Bei dem verwendeten Gitter beträgt Q EAS =.52, weshalb das Gitter als gut eingestuft werden kann. Am Eintritt in das Schattenrohr wird ein konstantes Geschwindigkeitsprofil mit der mittleren Geschwindigkeit w SR = 2.92 m/s vorgegeben, was einem Volumenstrom von V = 3.68 l/s entspricht. Der Turbulenzgrad wird mit Tu = 2 % bei einem hydraulischen Durchmesser von d h =.4 m angenommen. Als Austrittsbedingung am Tauchrohr werden die Gradienten aller Strömungsgrößen (außer dem Druck) in Normalenrichtung null gesetzt. An der freien Oberfläche wird Symmetrie vorgegeben. Die seitlichen Wände und der Boden erfüllen die Haftbedingung. Zur numerischen Lösung der isothermen Verteilerströmung wird die FLUENT Version 5.5 eingesetzt. Es wird der Segregated Solver mit einer impliziten Linearisierung verwendet. Als Konvergenzkriterium für die gesuchten physikalischen Größen gilt ein Residualwert R < -5. Die Diskretisierung der diffusiven Terme in den Systemgleichungen erfolgt mit dem Zentraldifferenzen-Schema; die konvektiven Terme werden mit einem Upwind- Schema 2. Ordnung diskretisiert. Zur Druckkorrektur wird das SIMPLE Verfahren eingesetzt. Die Berechnungen werden im Netzwerk auf PC s Pentium-III 8 MHz mit 24 MB- RAM durchgeführt. 3 Ergebnisse Untersucht wurden die Auswirkungen eines Turbostoppers auf das Strömungsfeld im Wassermodell eines 6t-Einzelstranggießverteilers (Maßstab :.7). Die mit dem hydraulischen Durchmesser des durchströmten Verteilerquerschnitts gebildete Reynoldszahl beträgt Re = 38 bei einem Volumenstrom von V = 3.68 l/s. Bild 5 zeigt berechnete Geschwindigkeiten und Turbulenzgrade für den Fall ohne strömungsbeeinflussende Einbauten. Der eintretende Strahl aus dem Schattenrohr prallt auf den Boden und wird dort umgeleitet (Bild 5a). In der Verteilermitte entsteht ein Rezirkulationsgebiet. An den Seitenwänden wird die Strömung in Richtung zur freien Oberfläche umgelenkt (Bild 5b). Dadurch entsteht ein gegenläufig drehendes Doppelwirbelsystem mit Achse in x-richtung zwischen Ein- und Austritt. Die wandnahen Bereiche mit hohen Geschwindigkeiten stellen eine direkte Verbindung des eintretenden Fluids zwischen Schatten- und Tauchrohr dar. Aus metallurgischer Sicht ist diese Kurzschlussströmung ungewollt, da nichtmetallische Partikel (Al 2 O 3, SiO 2 ) ohne die Möglichkeit der Abscheidung direkt vom Schattenrohr zum Tauchrohr gefördert werden. Bild 6 zeigt die Geschwindigkeiten und Turbulenzgrade beim Einsatz eines Turbostoppers. Der eintretende Schattenrohrstrahl wird im Turbostopper in sich zurückgelenkt und zur freien Oberfläche geleitet, wo er dann radial nach außen fließt. An der Seitenwand führt dies zu einer Abwärtsbewegung (Bild 6b). Die großräumigen Wirbelstrukturen zwischen Schatten- und Tauchrohr (Achsen in x-richtung) kehren sich somit um. Die Intensität der Wirbel ist jedoch aufgrund der hoch dissipativen Strömungsvorgänge im Turbostopper und Einlaufbereich deutlich reduziert. Ein Rückströmgebiet in der Verteilermitte wird durch den Turbostopper vollständig unterdrückt, was zu einer gleichmäßigeren Durchströmung des Stranggießverteilers führt.

4 Frame 8 Jun 2 title Fluent Anwendertreffen 2, Bingen, a) b) a) b). V SR Tu: Tu: m/s V TR. m/s Bild 5: CFD-Simulation der Geschwindigkeits- und Turbulenzstruktur im Verteiler ohne Einbauten; a) y/b = (Symmetrieebene), b) y/b = -.5 (Seitenwand); Re = 38 V SR Tu: m/s V x/l TR Tu: m/s Bild 6: CFD-Simulation der Geschwindigkeits- und Turbulenzstruktur im Verteiler mit Turbostopper; a) y/b = (Symmetrieebene), b) y/b = -.5 (Seitenwand); Re = 38

5 w in m/s w in m/s w in m/s Fluent Anwendertreffen 2, Bingen, Einen detaillierteren Einblick in die Wirkungsweise eines Turbostoppers zeigt Bild 7a. Der Schattenrohrstrahl wird im Turbostopper umgelenkt und in sich selbst zurückgeführt. Aufgrund der hohen Scherkräfte bildet sich zwischen den gegenläufig geführten Strahlen ein dissipativer Scherschichtwirbel aus. Dieser verdrängt das aufsteigende Fluid nach außen. Oberhalb der dicksten Stelle des Scherschichtwirbels legt sich das aufsteigende Fluid wieder an den Schattenrohrstrahl ( >.5). Der aufsteigende Strahl wird damit wie in einem Diffusor aufgeweitet und verzögert. Hierdurch bilden sich an der freien Oberfläche lediglich geringe Wellen aus. Um die Qualität der CFD-Simulation zu unterstreichen, ist in Bild 7b ein Vergleich zwischen den Resultaten von CFD-Rechnung und LDA-Messung der z-geschwindigkeit aufgetragen. Grundsätzlich ist eine gute Übereinstimmung zwischen CFD-Rechnung und LDA-Messung festzustellen. Lediglich im Bereich direkt oberhalb des Turbostoppers treten größere Abweichungen auf. a) b).2. V SR m/s =.72 =.5 = Symmetrieebene bei =.72 LDA CFD.5..5 Symmetrieebene bei =.5 LDA CFD.5..5 Symmetrieebene bei =.3 LDA CFD.5..5 Bild 7: Strömungsverhältnisse im Bereich der Einlaufs; Symmetrieebene; Re = 38 a) CFD-Simulation, b) Vergleich zwischen CFD-Simulation und LDA-Messung 4 Zusammenfassung Scherschichtwirbel Die isotherme Strömung im Wassermodell eines 6t-Einzelstranggießverteilers mit Turbostopper (Maßstab :.7) wurde numerisch (FLUENT) und experimentell (LDA) untersucht und miteinander verglichen. Es wird deutlich, dass ein Turbostopper die Strömung im Stranggießverteiler verbessert. Der eintretende Schattenrohrstrahl wird im Turbostopper in sich selbst zurückgelenkt, was zur Bildung dissipativer Scherschichten führt, in denen kinetische Energie abgebaut wird. Dies bewirkt eine verminderte Wellenbildung im Einlaufbereich. Rückströmgebiete im Stranggießverteiler werden verhindert, wodurch eine gleichmäßige Durchströmung des Verteilers erreicht wird. Die Intensität der großräumigen Wirbelstrukturen wird aufgrund

6 Fluent Anwendertreffen 2, Bingen, der dissipativen Effekte im Einlaufbereich deutlich reduziert. Der Vergleich zwischen CFD- Simulation und LDA-Messung zeigt sehr gute Resultate, was die Wahl der verwendeten Modelle und Annahmen bestätigt. In zukünftigen Untersuchungen wird der Einfluss dieser verbesserten Strömung auf die Abscheidung nichtmetallischer Partikel untersucht. Dies führt zur Verwendung von 2- Phasen Modellen für den Partikeltransport. Ebenso sollen die instationären Zustände beim Pfannenwechsel betrachtet werden. Es wird erwartet, dass durch den Turbostopper Spritzer und Verwirbelungen beim Befüllen des Verteilers verringert werden. Dazu muss die freie Oberfläche in die Berechnung einbezogen werden. Erste Berechnungen zeigen, dass hier das VOF-Modell gut geeignet ist. 5 Literatur [] Bölling, R., Odenthal, H.J., Pfeifer, H.: Numerische und physikalische Simulation der Hochtemperaturprozesse in Verteilern von Stranggießanlagen, Fluent Anwendertreffen, Bingen, , S. A2.-8 [2] Ferziger, J.H., Peric, M.: Computational Methods for Fluid Dynamics, 2 nd Edition, Springer Verlag, 999 [3] Fluent: User s guide, 998 [4] Launder, B.E., Spalding, D.B.: The Numerical Computation of Turbulent Flows, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3 (974), p [5] Mazumdar, D., Guthrie, R.I.L.: The Physical and Mathematical Modelling of Continuous Casting Tundish Systems, ISIJ International, Vol. 39 (999), No. 6, p [6] Oeters, F.: Metallurgie der Stahlerzeugung, Stahleisen, 989 [7] Odenthal, H.-J., Pfeifer, H.: PIV- und LDA-Messungen an Turbostoppern zur Strömungsoptimierung in Stranggießverteilern, 8. GALA Fachtagung, München, Shaker Verlag, 2, S [8] Odenthal, H.-J., Bölling, R., Pfeifer, H.: Analyse dynamischer Strömungsvorgänge im Stranggießverteiler mit Turbostopper mittels LDA, PIV und CFD-Methoden, 9. GALA Fachtagung, Winterthur, Shaker Verlag, 2 [9] Schäfer, M.: Numerische Methoden im Maschinenbau, Springer Verlag, 998 [] Shih, T.-H., Liou, W.W., Shabbir, A., Yang, Z., Zhu, J.: A new k- eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows, Computers Fluids, Vol. 24 (995), No. 3, p