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Flüssigmetall-Mehrphasenströmungen

Mehrphasenströmungen mit einer kompressiblen, dispersen Phase, z.B. Gasblasen, sind eine große Herausforderung für Forschung und Technologieentwicklung, da diese zur Ausbildung von sehr komplexen Strömungsformen tendieren. Messungen in flüssigen Metallen sind eine Herausforderung, aber aufgrund von Unterschieden in den Materialeigenschaften im Vergleich zu Wasser unverzichtbar.

Flüssigmetall-Zweiphasenströmungen sind für viele Prozesse in der Metallurgie und beim Metallgießen von besonderer Bedeutung. Zum Beispiel beruht die sekundärmetallurgische Behandlung von flüssigem Stahl auf der Injektion von Spülgas zur Verbesserung der Reinheit der Schmelze. Ziele sind die Verbesserung der Vermischung und Homogenisierung und die Trennung von Einschlüssen durch Flotation.

Im Fall des Flotationsverfahrens wird die Effizienz nicht nur durch die Eigenschaften der Einschlüsse in der Schmelze, sondern auch durch die Größe und die spezifische Oberfläche der dispergierten Gasphase bestimmt. Untersuchungen zeigten, dass die Verwendung kleinerer Blasen bei der Flotation der effektivste Ansatz ist, da sie die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen Blasen und Partikeln erhöht und die Wahrscheinlichkeit einer Partikelablösung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas verringert. Die Blasenwechselwirkung, die zur Koaleszenz, zum Auseinanderbrechen der Blasen oder zur Separation führt, spielt eine wichtige Rolle hinsichtlich der resultierenden Blasengrößenverteilung und der Grenzfläche innerhalb der Schmelze.

Am HZDR werden systematische Studien durchgeführt, die sich dem Verhalten und der Wechselwirkung zwischen Gasblasen in einem flüssigen Metall widmen. Diese Experimente verwenden GaInSn, eine ternäre Legierung, die bei Raumtemperatur flüssig ist und deren Materialeigenschaften denen von flüssigem Stahl sehr ähnlich sind. Die Dynamik der Blasenwechselwirkungen wurde mittels Röntgenradiographie unter Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Video-Bildgebung sichtbar gemacht.

Die folgende Abbildung zeigt exemplarische Aufnahmen von Blasen, die in GaInSn für verschiedene Argon-Gasdurchflussmengen aufsteigen. Sowohl die Blasengröße als auch die Ablösefrequenz nehmen mit zunehmender Gasflussrate zu. Die aufsteigenden Blasen bilden eine Blasenkette bei Gasmengen unter 800 cm3/min (siehe Abbildung a-d), während bei höheren Gasflussraten die Blasen als Cluster ausgestoßen werden.

Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus.
Single frames illustrating bubbles rising behavior in GaInSn for different Argon gas flow rates: a) 50 cm3/min, b) 200 cm3/min, c) 600 cm3/min, d) 800 cm3/min, e) 1200 cm3/min, f) 2400 cm3/min.

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Bubble detachment from a nozzle at a gas flow rate of 700 cm3/min
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Bubble separation and gas entrainment at a liquid metal free surface

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