Experimentelle Untersuchungen der Strömungen,Turbulenz und Teilraumausbildung an Kaltmodellen gasgerührter Mischreaktoren

Im Rahmen dieser Arbeit wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen an Wasser- und Quecksilbermodellen bodengeblasener Reaktoren durchgeführt, um ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Durchmischungsvorgänge weiterzuentwickeln. Dieses mathematische Modell beruht auf der Einteilung des Gesamtsystems in Subsysteme, die als ideale Mischer miteinander im Stoffaustausch stehen. Die Strömungsverhältnisse sowie ungefähre Anzahl, Lage und Größe der Teilräume wurden unter Variation der Gasvolumenströme, der Gefäßdurchmesser und der Füllstandshöhen zunächst mit Hilfe des Lichtschnittverfahrens erfaßt. Lichtschnittuntersuchungen mit Fluoreszen als Tracer dienten zur Beobachtung des Mischverhaltens der Einzelteilräume sowie zur Bestimmung der Gesamtmischzeiten. Mit einem Laser-Doppler-Anemometer wurden sowohl die großräumigen als auch die lokalen Strömungs- und Turbulenzprofile ermittelt. Aus den so erhaltenen Daten wurden die genaue Lage und die Größe der Teilräume sowie die Stoffaustauschströme zwischen diesen bestimmt. Weiterhin wurden Konzentrationsmessungen an Quecksilbermodellen durchgeführt. Der Vergleich dieser Messungen mit den an Wassermodellen erhaltenen Strömungs- und Turbulenzprofilen führte zu einer Einteilung in fünf Teilsysteme, mit der bei Anwendung des mathematischen Modells gute Übereinstimmung zu gemessenen Werten erzielt werden konnte.     

Die Anwendung eines mathematischen Modells auf die Regelung eines Wärmofens

Kopplungsgrößen zur Automatisierung von Walzstraßen unter Einbeziehung der Wärmöfen. Brammenziehtemperatur, zulässiger größter Temperaturunterschied, Verarbeitungszeit. Eigenschaften eines mathematischen Modells zur Regelung von Wärmöfen unter Berücksichtigung der Walzstraße. Arbeit im ?On-line”-Betrieb. Aufbau des Modells in drei Teilen. Die Temperaturfeldberechnung, die Berechnung der optimalen Heizmitteltemperaturverteilung sowie die Berechnung der örtlichen und zeitlichen Überlagerung. Berechnung des Temperaturfeldes über die bekannten Differenzenverfahren. Ermittlung eines Verfahrens zur Bestimmung der optimalen Heizmitteltemperatur aus dem thermokinetischen Gleichgewicht zwischen dem zu betrachtenden Körper und seiner Umgebungstemperatur. Berücksichtigung der zeitlichen Randbedingungen. Kurze Beschreibung des Programms.     

Beanspruchung und Trennbruchgefährdung dickwandiger Bauteile bei Zugbeanspruchung senkrecht zur Oberfläche

Spannungs- und Dehnungsverteilung in einem dickwandigen Blech bei örtlicher Zugbeanspruchung senkrecht zur Oberfläche. Größe und Richtung der Hauptspannungen und Hauptdehnungen. Darstellung eines Trennbruchkriteriums mit Hilfe der Werkstoffanstrengung, der mittleren Hauptspannung und von Werkstoff kenngrößen. Einfluß einer örtlichen Minderung der Trennfestigkeit auf die Anfälligkeit eines Bauteils gegenüber verformungsarmem Bruch. Anleitung zur Ermittlung des sprödbruchgefährdeten Bereichs des dickwandigen Bleches.     

Ermittlung der zum Überlaufen von Sauerstoffaufblaskonvertern führenden Aufblasgeschwindigkeiten sowie der Größe fluider Partikeln in Gasströmen

Analogien zwischen dem Schäumen im Sauerstoffaufblaskonverter und dem Verhalten von Wirbelschichten. Quantitative Untersuchung der Höhe der Schaumschlacke. Aufstellung eines Nomogramms zur Ermittlung der Schaumschlackenhöhe bei Vorgabe der Sauerstoffaufblasgeschwindigkeit oder umgekehrt. Angabe von Maßnahmen zur Verminderung der Gefahr des Überlaufens. Abschätzung der Partikelabmessungen unter Berücksichtigung von Gasströmen als Zerkleinerungsmittel. Erörterung des Einflusses des entweichenden Kohlenmonoxids auf die Größe der fluiden Tropfen in der Schaumschlacke. Aussagen über bei Blasbeginn durch den Sauerstoffstrahl erzeugte Partikeln, deren Größe mit denen des braunen Rauches vergleichbar ist. Die Erzeugung der ?richtigen? Größe der Fluidpartikeln in der Schaumschlacke als Optimierungsproblem.     

Untersuchung der Abhängigkeiten des Ablösevolumens einzelner Gasblasen mit einem Simulationsmodell

Mit einem früher¹) entwickelten, mathematischen Modell zur Simulierung der Vorgänge bei der Entstehung, Ablösung und Bewegung einzelner Blasen, die an Düsen gebildet werden, werden Abhängigkeiten des Ablösevolumens von den Flüssigkeitseigenschaften sowie von konstruktiven und operativen Parametern untersucht. Die Ergebnisse des Simulationsmodells werden mit experimentellen Daten aus dem Schrifttum verglichen. Die Übereinstimmung ist überraschend gut. Als Vorteil des Simulationsmodells stellte sich unter anderem heraus, daß bei der Untersuchung des Einflusses der physikalischen Eigenschaften der flüssigen Phase wie Dichte, Viskosität und Grenzflächenspannung der Einfluß der Veränderung eines einzelnen Parameters unter Konstanthalten aller übrigen untersucht werden konnte, was in Experimenten mit realen Flüssigkeiten nicht möglich ist. Das Blasenablösevolumen steigt (grob gesprochen) mit zunehmender Grenzflächenspannung sowie abnehmender Dichte und ist unabhängig von der dynamischen Viskosität, solange diese unter etwa 100 mPas bleibt. Bei kleinen Laplace-Kostanten ist es unabhängig von der Laplace-Konstanten, erst bei höheren Werten dieser Konstante hängt das Ablösevolumen deutlich von ihr ab. Die Tendenz zur Annäherung an ein Grenzgesetz ist deutlich. Der Düsenquerschnitt hat bei kleinen Gasdurchsätzen großen Einfluß auf das Ablösevolumen, sein Einfluß sinkt mit zunehmendem Gasdurchsatz, bei hohem Gasangebot wächst das Ablösevolumen deutlich mit dem Gasdurchsatz, auch hier ist die Annäherung an ein Grenzgesetz unverkennbar. Kleine Ablösevolumina bedeuten durch die damit verbundene feine Dispergierung des Gases eine große Grenzflächenentfaltung. Maßnahmen zur Erzielung kleiner Ablösevolumina werden angegeben.     

Austenitkornwachstum normalgeglühter und vergüteter Feinkornbaustähle in der Wärmeeinflußzone einer Schweißnaht

Es wird ein Modell zur rechnerischen Vorhersage der Austenitkorngröße in der WEZ einer Schweißnaht entwickelt. Grundlage des Modells ist das Gesetz des isothermischen Austenitkornwachstums. Es wird gezeigt, daß dieses Gesetz das isothermische Austenitkornwachstum normalgeglühter Feinkornbaustähle vom Typ StE 355 und StE 460 sowie vergüteter Feinkornbaustähle vom Typ StE 690 prinzipiell richtig beschreibt. In einem Computerprogramm wird dieses Gesetz mit dem Temperatur-Zeit-Verlauf des Schweißzyklus, der in kleine isothermische Abschnitte zerlegt wird, verknüpft. Dadurch wird es möglich, das isothermische Wachstumsgesetz der Berechnung der Austenitkorngröße in der WEZ einer Schweißnaht zugrundezulegen. Die Übereinstimmung zwischen berechneter und an realen Schweißnähten gemessener Austenitkorngröße ist gut. Mit Hilfe des entwickelten Modells werden der Einfluß der Spitzentemperatur, des Wärmeeinbringens, der Anfangsaustenitkorngröße und der Vorwärmtemperatur auf die Austenitkorngröße in der WEZ ermittelt. Für den Einfluß des Wärmeeinbringens wird eine Formel angegeben.     

Wasserstoff in Eisen und Stahl

Bericht über den Einfluß des Wasserstoffs auf das Bruchverhalten von Eisen und Stählen. Beschreibung der Wasserstoffaufnahme. Lösung des Wasserstoffs in Eisen und Wechselwirkung mit Gitterfehlern. Diffusions- und Transportvorgänge des Wasserstoffs in Eisen und Eisenlegierungen. Erörterung der Theorien zur wasserstoffinduzierten Rißbildung, Rißausbreitung und des Sprödbruchs.     

Reaktionen zwischen Dolomitsteinen und Stahlwerksschlacken

Einfluß der Schlackenströmung auf den Verschleiß feuerfester Steine. Laboratoriumsversuche im Tammannofen mit rotierenden Scheiben als Proben zur Untersuchung des Verschleißes von Dolomitsteinen durch Stahlwerksschlacken bei 1400 und 1600°C. Einfluß der Schlackenzusammensetzung und der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe auf den Verschleiß. Bildung von Periklas-Schutzschichten. Oberflächliche Ablösung und Erosion als Verschleißmechanismen; Bedingungen für das Auftreten des jeweiligen Mechanismus. Abhängigkeit der Verschleißgeschwindigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe bei oberflächlicher Ablösung. Errechnung des Diffusionskoeffizienten der Schlacke. Schlußfolgerungen aus den Versuchsergebnissen für den Betrieb.     

Modelluntersuchungen zum Zusammenhang zwischen Aufblasbedingungen und Spritzvolumen beim Sauerstoffblasverfahren

Die Untersuchung des Zerteilungsvorganges von Flüssigkeiten durch einen auftreffenden Gasstrahl für Modellsysteme des Sauerstoffaufblasverfahrens hat gezeigt, daß die Instabilität der Vertiefung als entscheidende Größe für das pro Zeiteinheit verspritzte Flüssigkeitsvolumen anzusehen ist. Durch Einsatz moderner digitaler Auswertemethoden zur Ermittlung der Vertiefungsabmessungen, auch als Funktion der Zeit, konnten Beziehungen zwischen den Aufblasbedingungen, dem Vertiefungsvolumen, der Änderungsgeschwindigkeit des Vertiefungsvolumens und der verspritzten Flüssigkeitsmenge abgeleitet werden. Auf Basis dieser Beziehungen wurde die Eindringtiefe des Gasstrahls in die Flüssigkeit als bestimmende Größe für das als Tropfen verspritzte Flüssigkeitsvolumen ermittelt. Das anhand der Modellsysteme ermittelte Spritzvolumen stimmt größenordnungsmäßig mit den für Betriebskonverter bekannten Werten überein. Die Ergebnisse machen auch verständlicher, warum in der Praxis Maßnahmen zur Steigerung der Durchmischungsintensität des Konverterbades zusätzlich zum Aufblasen von oben angewendet werden.     

Interkristalline Spannungsrißkorrosion bei niedriglegierten Stählen

Vergleichende Zugversuche in Laugen an Kesselstählen und Feinkornstählen. Ermittlung der zur Auslösung von Spannungsrißkorrosion nötigen Mindestspannungen. Einfluß des Gefüges, der Carbidausscheidungen und des Gehaltes an Kohlenstoff und Stickstoff sowie der Bindung des Stickstoffs an Aluminium und Vanadin auf das Verhalten gegenüber interkristalliner Spannungsrißkorrosion.     

Die röntgenographische Messung des Nachwalzgrades von Weißblech

Grundlegende Voraussetzungen bei der röntgenographischen Messung des Nachwalzgrades. Beschreibung eines Verfahrens zur röntgenographischen Messung des Nachwalzgrades durch Messung der (112)-Interferenzlinienverbreiterung an der Blechoberfläche und in Querschnittsmitte. Errechnung der Varianz des Netzebenenabstandes und Benutzung der Varianzendifferenz zwischen Blechoberfläche und Querschnittsmitte als Maß für den Nachwalzgrad. Betriebsversuche über den Einfluß von Bandzug und Längenänderung während des Nachwalzens auf die Varianzendifferenz. Messung der Drittelwertsbreite an der Oberfläche des nachgewalzten Bleches als einfacheres Maß für den Nachwalzgrad. Zeitaufwand der Messungen.     

Die Korngrößenabhängigkeit der Fließspannung von Baustählen im Bereich der homogenen Verformung

Anwendung der Hall-Petch-Gleichung zur Beschreibung der Fließspannung von Baustählen im Bereich der Gleichmaßdehnung. Einfluß von Verformung, Prüftemperatur, Dehngeschwindigkeit und Stahlzusammensetzung. Darstellung der Verformungsabhängigkeit der Reibungsspannung mit der Ludwik-Gleichung. Vergleich der Versuchsergebnisse mit Modellvorstellungen zur Deutung des Temperatureinflusses auf die Reibungsspannung und des Korngrößeneinflusses auf die Fließspannung im Bereich der Gleichmaßdehnung.     

Zur Aufbereitung von brennbaren Flüssigkeiten durch Gaszerstäubung

Bestimmung des Brenneraustrittsimpulsstromes für Gaszerstäuberbrenner. Zur zweckmäßigen Wahl des Widerstandsbeiwertes für Tropfen in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl. Angabe eines Verfahrens zur theoretischen Abschätzung der Übertragungsgröße für die kinetische Energie zwischen den Phasen Gas und Tropfen. Folgerung für die Auslegung von Düsen zur Heizölzerstäubung.     

Röntgenbeugungsuntersuchungen zur Restaustenitumwandlung

Röntgenbeugungsuntersuchungen zur Ermittlung des Restaustenitgehaltes in martensitischem Gußeisen in Abhängigkeit von der Anlaßdauer bei 400 und 500 °C. Zusammenhang zwischen der Änderung der Halbwertsbreite der (220)-Beugungslinie des Restaustenits und dessen Umwandlungsgeschwindigkeit. Ansatz zur Erklärung dieses Zusammenhanges.     

Untersuchung von Rutschvorgängen beim Warmwalzen

Untersuchungen über Ursachen des Durchrutschens durch analytische und meßtechnische Methoden. Ermittlung der sich dabei einstellenden veränderten Reibungsverhältnisse zwischen Walze und Walzgut. Ein vereinfachtes mechanisches Ersatzmodell zur Lösungsfindung. Differentialgleichungen der einzelnen Bauelemente des mechanischen Ersatzsystems. Ermittlung des Gleitreibungskoeffizienten und maßgebliche Einflußgrößen auf dessen Verlauf.     

Auflösungsverhalten von Dolomit in Stahlwerksschlacken sowie Grenzen der Löslichkeit und Folgen für den Feuerfestverschleiß

Das Auflösungsverhalten von gebranntem Dolomit wurde durch Schmelzversuche ermittelt, bei denen stahlwerksähnliche Schlakken mit einem Dolomittiegel reagierten. Die Auflösung des Tiegelmaterials in der Schlacke wurde dabei sowohl unter dem Aspekt des Schlackenbildners Dolomit als auch aus der Sicht MgO-haltigen Feuerfestmaterials ausgewertet. Es konnte verfolgt werden, wie die beiden unverbunden nebeneinander vorliegenden Hauptkomponenten des Dolomitkalks, CaO und MgO, entsprechend ihren jeweils treibenden Kräften, den Abständen zur Sättigung, unterschiedlich schnell in Lösung gehen. Trotz bevorzugter Auflösung des CaO erreicht das MgO wegen eines geringeren Abstandes zur Sättigung eher die Löslichkeitsgrenze, unterstützt durch den Effekt, daß bereits gelöstes CaO die MgO-Sättigungsgehalte erniedrigt, während umgekehrt MgO die CaO-Löslichkeit zunächst durch Zurückdrängen der Dicalciumsilikat-Ausscheidung (?C₂S-Nase”) deutlich, dann an der eigentlichen Kalksättigung noch leicht erhöht. Die Auflösung kommt durch eine rasche Sättigung an MgO zwar nicht völlig zum Stillstand, wird aber stark verlangsamt, so daß die metallurgisch wichtige Kalksättigung bei alleinigem Einsatz von Dolomitkalk als Schlackenbildner nicht erreicht werden kann. Darüberhinaus wird die Schlacke infolge der Übersättigung an MgO heterogen und viskos. Die Auflösung von magnesitischem Feuerfestmaterial konnte simuliert werden, indem nur das Verhalten der MgO-Komponente des Dolomits zu Beginn des Versuchs betrachtet wurde. Die verschleißmindernde Wirkung von MgO-Vorgaben zur angreifenden Schlacke wurde nachgewiesen. Ferner konnten durch Annahme einer diffusionsgesteuerten Auflösung in der ersten Phase des Versuchs Stoffübergangskoeffizienten des CaO und des MgO gewonnen werden.     

Bedeutung und Erfassung des Umformmartensits in austenitischen Blechteilen

Betrachtungen zur Austenitstabilität austenitischer nichtrostender Stähle mit rd. 18% Cr und 8% Ni. Einfluß der Verformungsbedingungen auf die Bildung von Umformmartensit. Anwendung des Permeabilitäts-Tastverfahrens zur betriebsnahen Ermittlung des Umformmartensits in austenitischen Blechteilen. Einfluß von Werkstückform und Wanddicke auf die relative Permeabilität. Quantitative Zuordnung des Martensitgehaltes durch Ermittlung der Dichte nach dem gravimetrischen Verfahren. Spannungsrisse infolge der Werkstoffversprödung durch Martensitbildung und ihre Vermeidung.     

Modelluntersuchungen des konvektiven Wärmeübergangs zwischen Kokille und einem Luftstrom bei einer Vier-Block-Anordnung auf einer Kokillenplatte

Beschreibung des Modellaufbaus und der Versuchsauswertung eines physikalischen Modells zur Simulation des konvektiven Wärmeübergangs zwischen Kokillen oder Blöcken und einem Luftstrom bei verschiedenen Anordnungen von vier Blöcken auf einer Kokillenplatte. Vergleich der Meßergebnisse mit Schrifttumsangaben über den konvektiven Wärmeübergang an anderen Körpern. Erörterung des Einflusses einer Maßstabsänderung im Hinblick auf die Übertragung der Modellergebnisse auf Betriebsverhältnisse.     

Äquivalente Wirkung der Legierungselemente auf die konzentrations- und temperaturabhängige Stickstofflöslichkeit in eisenreichen Drei- und Mehrstoffschmelzen

Mathematische Beschreibung der Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit des spezifischen Aktivitätskoeffizienten . Äquivalente Wirkung der Legierungselemente auf diese Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit. Thermodynamische Ermittlung der partiellen energetischen Größen des Stickstoffs aus dieser Abhängigkeit. Äquivalente Wirkung der Legierungselemente auf diese Größen. Darstellung des Äquivalenzverfahrens zur qualitativen Beschreibung der äquivalenten Wirkung von Legierungselementen in Mehrstoffschmelzen. Auswertung eigener Versuchsergebnisse und entsprechender Befunde des Schrifttums mit dem Äquivalenzverfahren.     

Die Erstarrungsfront beim Lichtbogenschweißen von Stahl in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen

Erörterung der Grundlagen über die Primärkristallisation des Schweißgutes beim Lichtbogenschweißen unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses der Schmelzbadform auf die Warmrißanfälligkeit. Unterpulverschweißen mit 15 und 50 cm/min Schweißgeschwindigkeit und 300 bis 700 A Stromstärke bei einer Lichtbogenspannung von 30 V für die Ermittlung der Erstarrungsfronten. Möglichkeiten zur Beeinflussung ihrer Form sowie Zusammenhang zwischen der Schmelzbadform und der Warmrißneigung der Schweißungen.