Berührungslose induktive Strömungstomographie für Modelle des kontinuierlichen Stranggießens von Stahl


Berührungslose induktive Strömungstomographie für Modelle des kontinuierlichen Stranggießens von Stahl

Ratajczak, M.

Das Stranggießen von Stahl ist mit 96% Marktanteil das weltweit wichtigste Verfahren zur Stahlherstellung. Im Gießprozess beeinflusst das Strömungsprofil in der Kokille entscheidend die Qualität des resultierenden Stahls. Um eine möglichst optimale Strömung zu erhalten, werden Aktuatoren eingesetzt, die die Strömung kontaktlos mithilfe der Lorentzkraft beeinflussen. Diese Aktuatoren würden auch eine Regelung der Strömung ermöglichen, wenn eine geeignete Messtechnik vorhanden wäre. Allerdings messen bisher verfügbare Messtechniken für heiße Schmelzen vor allem lokal in der Nähe der Randgebiete der Strömung und sind oft in ihrer zeitlichen Auflösung limitiert. Eine neue infrage kommende Messtechnik ist die berührungslose induktive Strömungstomographie (contactless inductive flow tomography, CIFT), die aus der gemessenen strömungsinduzierten Verzerrung eines angelegten Magnetfeldes die dreidimensionale Strömung rekonstruieren kann.

In dieser Arbeit wird anhand eines 1:8-Labormodells einer Stranggusskokille und numerischen Simulationen untersucht, ob CIFT bei Anlagen mit elektromagnetischen Bremsen eingesetzt werden kann. Besondere Herausforderungen entstehen aufgrund der Verzerrung des CIFT-Anregungsmagnetfeldes durch die ferromagnetische Bremse, der großen Dynamik von 6 Größenordnungen zwischen dem Magnetfeld der Bremse und dem strömungsinduzierten Magnetfeld sowie intrinsischen Strömungsoszillationen mit einer charakteristischen Frequenz im Bereich der üblicherweise verwendeten CIFT-Anregungsfrequenzen. Es wird dargelegt, dass sich CIFT in derartigen Aufbauten einsetzen lässt, wenn (a) eine geeignete Anregungsmagnetfeldstruktur erzeugt werden kann, (b) gradiometrische Induktionsspulen als Magnetfeldsensoren eingesetzt werden und (c) die Anregungsfrequenz in einem optimalen, schmalen Bereich gewählt wird. Diese Messungen werden erst durch in dieser Arbeit angefertigte theoretische und experimentell validierte Analysen der Induktionsspulen möglich, wofür Schwerpunkte auf deren Modellierung, Design und Messunsicherheit gelegt wurden. Außerdem werden für dieses Stranggussmodell erstmals experimentelle Ergebnisse mit horizontal anstatt vertikal orientierten Anregungsmagnetfeldern präsentiert.

Um die Skalierbarkeit von CIFT in Richtung industrieller Anlagen zu demonstrieren, werden zum einen neue Rekonstruktionen in einem heißen 1:2-Labormodell einer Kokille vorgestellt. Andererseits wird die in industriellen Kokillen typischerweise aufgebrachte ferromagnetische Nickelbeschichtung und ihre Auswirkung auf CIFT mit numerischen Simulationen quantifiziert. Diese Beschichtung stellt aufgrund ihrer zeitlich und räumlich schwankenden Permeabilität eines der größten Hindernisse für die Anwendung von CIFT im industriellen Stahlguss dar. Für dieses Szenario werden neue Anregungsgeometrien untersucht und erste Rekonstruktionen gezeigt.

Keywords: CIFT; contactless inductive flow tomography; kontinuierliches Stranggießen; magnetische Bremse

  • Doctoral thesis
    TU Dresden, 2020
    Mentor: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. habil. Uwe Hampel
    179 Seiten

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Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-31319
Publ.-Id: 31319