Institut für Metallurgie W795x Praktikum
Versuch: Umlaufstr¨ omung in RH-Vakuumanlagen
Metallurgische Gef¨aße und Reaktoren werden of mit Hilfe von Wassermodellen unter- sucht. Dieser Versuch behandelt eine Teilmengenentgasungsanlage im Umlaufverfahren (RH-Anlage). Am Wassermodell der Anlage sollen die Umlaufmengen in Abh¨angigkeit von den Prozeßbedingungen gemessen werden.
Stand: 19. November 2015 (J.Wendelstorf)
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung: Vakuumentgasung in RH-Anlagen 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 RH-Anlagen
Zur Raffination von Stahlschmelzen werden in der Sekund¨armetallurgie den Aufgabenstellun- gen angepasste Aggregate verwendet [Plu90]. Speziell zur Tiefstentkohlung finden dabei Vaku- umverfahren ihre Anwendung. Neben der Pfannenstandentgasung werden heute haupts¨achlich Anlagen des RH-Typs1 verwendet (Abbildung 1).
Abbildung 1: Schema einer RH-Anlage mit Nebenanlagen [Haa91].
Das Verfahrensprinzip dieses Teilmengenverfahrens ist in Abbildung 1 und 2 skizziert: Zwei unter dem Vakuumgef¨aß angebrachte, feuerfest ausgekleidete R¨ussel tauchen in die Gießpfanne ein. Durch Evakuierung des Vakuumteils bis auf 100 Pa steigt die Schmelze unter Einwirkung des atmosph¨arischen Drucks bis zu einer barometrischen H¨ohe von rd. 1,4 m auf, so daß der Vakuumgef¨aßboden bedeckt ist. Die Einleitung eines Inertgases in einen der R¨ussel erzeugt einen Dichteunterschied zwischen dem Gemisch aus fl¨ussigem Stahl und Gas im Einlaufr¨ussel
1 ≡
Abbildung 2: Versuchsaufbau Wassermodell einer RH-Anlage.
und dem Stahl im Auslaufr¨ussel. Diese st¨andig aufrechterhaltende Dichtedifferenz ruft eine Um- laufstr¨omung des fl¨ussigen Stahls hervor. Die in der Pfanne befindliche Schmelze steigt durch den Einlaufr¨ussel in das Vakuumgef¨aß, wird dort entgast und fließt nach der Behandlung wie- der in die Pfanne zur¨uck. Große RH-Anlagen mit Vakuumgef¨aßdurchmesser von etwa 3 m und H¨ohen bis zu 11 m erreichen heute Stahlumlaufraten von ¨uber 100 t/min. Derartige Anlagen haben R¨usseldurchmesser von rd. 700 mm. Hierbei werden F¨ordergasraten bis 2000 l/min an- gewendet. Zur Optimierung des RH-Prozesses sind Kenntnisse bez¨uglich der Umlaufstr¨omung der Schmelze, der Vermischung in der Pfanne und der Reaktionskinetik im Vakuumgef¨aß von großer Bedeutung. In diesem Praktikumsversuch sollen an einem RH-Wassermodell Messun- gen zur Umlaufstr¨omung durchgef¨uhrt und mit den Ergebnissen eines mathematischen Modells [KUMW88] verglichen werden.
4
2 Berechnung des Umlaufstromes
Abbildung 3: Skizze zur Bestimmung der Blasenaufstiegsarbeit.
Eine halbempirisch entwickelte Gleichung zur Beschreibung der Umlaufstr¨omung liefert die Ver¨offentlichung von T. Kuwabaraet.al.[KUMW88]. Zur besseren ¨Ubersicht der nachfolgenden
¨Uberlegungen dient Abbildung 3. Ausgangspunkt ist die physikalische Arbeit, die beim Aufstieg der Gasblasen verrichtet wird. Es gilt
Wgas =n·R·T ·
Z V2
V1
dV
V (1)
Nach Integration und unter Anwendung des Idealen Gasgesetzes ergibt sich f¨ur den Energie- strom (Leistung) der vom Gas auf das System ¨ubertragen wird
Lgas =Q0gas·T · R
Vmn ·lnP1
P2 (2)
Darin istP1 der hydrostatische Druck der Fl¨ussigkeit an der Einleitstelle und P2 der Druck im Vakuumgef¨aß,
P1 =P2+ρliq·g·hb (3) Zur Berechnung der Verlustleistung wird die RH-Anlage als ein Rohrleitungssystem betrachtet, wie es in Abbildung 4 dargestellt ist. F¨ur den Gesamtverlust ergibt sich an den Stellen i = l bis 6
LV = 1
2·ρliq·v2·Qliq·X
i
ξi, (4)
wobei ξi die entsprechenden Verlustfaktoren sind.
Abbildung 4: RH-Anlage als Rohrleitungssystem mit Verlustdefinition.
Da die eingebrachte Leistung vollst¨andig in Verlustleistung umgesetzt werden muß, k¨onnen die Gleichungen 2 und 4 gleichgesetzt werden. Ferner wird ein weiterer Verlustfaktorδ eingef¨uhrt,
LV =δ·Lgas (5)
Fasst man alle Konstanten, Stoffwerte und die Temperatur zu einer Gr¨oßeK zusammen, ergibt sich die Bestimmungsgleichung f¨ur den Umlaufstrom zu
Qliq =K ·d43 ·
Q0gas ·lnP1 P2
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(6) Somit ist der Umlaufstrom von der F¨ordergasrate Q, dem R¨usseldurchmesser d, dem Druck- verh¨altnis und einem Faktor K abh¨angig. Der Faktor K wurde aus Messungen bestimmt:
KWasser ≈ 1.92m s
23
(7) KStahl ≈ 1.06m
s
23
(8)
6
3 Messungen am Wassermodell
F¨ur die Untersuchungen zur F¨orderkapazit¨at der Umlaufstr¨omung wird das in Abbildung 2 skiz- zierte Wassermodell einer RH-Anlage (Maßstab etwa 1:5) verwendet. Als F¨ordergas dient Luft.
Der Betrag der Umlaufstr¨omung wird mit einem im Auslaufr¨ussel positionierten Fl¨ugelradanemometer gemessen und kann in Abh¨angigkeit von folgenden Parametern bestimmt werden:
• F¨ordergasstrom des Gases,
• Position der Gaseinleitstelle,
• H¨ohe ∆h des Fl¨ussigkeitsstands im Vakuumgef¨aß,
• Anzahl der Einleitrohre an der Gaseinleitstelle,
• Einleitrohrdurchmesser und
• R¨usseldurchmesser.
Der F¨ordergasstrom wird an der Versuchsanlage mit einem Massenstrommesser gemessen.
4 Aufgabenstellung
1. Messen Sie den Umlaufstrom des Wassers f¨ur zwei ∆h und F¨ordergasraten 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 f¨ur die Berechnung notwendigen Gr¨oßen w¨ahrend des Versuchs).
3. Leiten Sie einen Ausdruck f¨ur 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 Vorg¨ange und Abh¨angigkeiten lassen sich mit dem Wassermodell untersuchen und welche nicht?
Literatur
[Ahr98] F Ahrenhold, Umlauf, Vermischung und Entkohlungsreaktion bei der Vakuumbehandlung von Stahlschmelzen in einem metallurgischen
Schlaufenreaktor (RH Verfahren), Ph.D. thesis, TU-Clausthal, 1998, D¨usseldorf:
VDI-Verlag.
[Haa91] H P Haastert, Entwicklungsrichtungen der Sekund¨armetallurgie, im besonderen das RH-Verfahren zur Vakuumbehandlung, Stahl und Eisen 111 (1991), no. 3, 103–109.
[KUMW88] T Kuwabara, K Umezawa, K Mori, and H Watanabe,Investigation of decarburization behaviour in RH-reactor and its operation improvement, Transactions ISIJ28 (1988), 305–314.
[Plu90] W Pluschkell, Metallurgische Reaktionskinetik zur Einstellung niedrigster Gehalte an C, P, S und N im Stahl, Stahl und Eisen 110 (1990), no. 5, 61–70.
A Liste der Symbole
Symbol Bedeutung Einheit
b barometrische H¨ohe [m]
d Durchmesser der R¨ussel [m]
δ Verlustfaktor nach Kuwabara [m]
hB Blasenaufstiegsh¨ohe [m]
K Kuwabara Konstante [m
s
2 3]
Lgas Leistung des Gases [W]
LV Verlustleistung [W]
n Stoffmenge [mol]
P2 Druck im Vakuumgef¨aß [Pa]
P1 Druck an der Einleitstelle ohne Begasung [Pa]
Qliq Umlaufstrom der Fl¨ussigkeit [m3/s]
Q0gas F¨orderstrom, Normzustand [m3/s]
ρliq Dichte der Fl¨ussigkeit [kg/m3]
T Temperatur [K]
v Geschwindigkeit der Fl¨ussigkeit [m/s]
V Volumen [m3]
ξi Verlustfaktor an der Stelle i [1]
Wgas verrichtete Arbeit beim Gasaufstieg [J]
g Erdbeschleunigung 9.81 m/s2
R Gaskonstante 8.314 J/(mol K)
Vnm Molvolumen (STP) 0.0224138 m3/mol
![Abbildung 1: Schema einer RH-Anlage mit Nebenanlagen [Haa91].](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/1library_info/4795078.1624551/2.892.174.751.257.878/abbildung-schema-einer-rh-anlage-mit-nebenanlagen-haa.webp)
