TY - THES

T1 - Finite Elemente Simulationen als Beitrag zur Optimierung einer Pfannenzustellung

AU - Kasper, Richard

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die Stahlpfanne ist ein wesentlicher Teil der Stahlproduktion, sowohl als Transportbehälter für Flüssigstahl, als auch als Aggregat in der Sekundärmetallurgie und einer der größten Verbraucher für Feuerfestprodukte in einem Stahlwerk. Den Verbrauch an Feuerfestprodukten zu minimieren, ist nicht nur aus wirtschaftlicher Sicht von größtem Interesse. Durch eine Verlängerung der Pfannenreise können auch Ressourcen geschont werden. Zustellungsdesigns beruhen momentan oft auf Erfahrungswerten von Ingenieuren und empirischen Regeln, wodurch es zu nicht optimalen Zustellungen kommen kann. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen besseren Überblick über die Einflüsse bestimmter geometrischer Parameter auf das thermomechanische Verhalten einer Stahlpfannenzustellung zu erhalten. Dafür werden im Finite-Elemente Softwarepaket ABAQUS, 2D- und 3D-Simulationen des thermischen und thermomechanischen Verhaltens einer Schlackenzonenzustellung einer sekundärmetallurgischen Stahlpfanne durchgeführt. Die Schlackenzonenzustellung ist dreischichtig aufgebaut und besteht aus Magnesiacarbonsteinen als Verschleißfutter, einem monolithischen Dauerfutter aus Hochtonerde und einer Isolierschicht. Die betrachteten geometrischen Faktoren sind eine Variation der Dehnvorgabe des Verschleißfutters im Bereich von 0,2 - 0,8 mm und die Variation der Stärke der Isolationsschicht, von 0 - 12 mm. Die Gesamtzustellungsstärke bleibt konstant und wird über das Dauerfutter ausgeglichen. Um den rechnerischen Aufwand zu begrenzen, kommt der Einheitszellenansatz zur Verwendung und das Simulationsmodell wird unter Ausnützung aller Symmetrien auf ein Viertel der Abmessungen des Verschleißfuttersteines reduziert. Das simulierte Temperaturprogramm ist auf den ersten Pfannenzyklus inklusive vorherigem Aufheizen der Pfanne beschränkt. Um das Materialverhalten abbilden zu können, werden das Drucker-Prager Kriterium, das Von Mises Kriechmodell und eine am Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde entwickeltet ABAQUS-Subroutine, welche beide Materialmodelle kombiniert, verwendet. Die Ergebnisse der Dehnvorgabevariation zeigen, dass mit steigender Dehnvorgabe in Umfangsrichtung, die maximalen Druckspannungen im Verschleißfutter sowie die maximalen Zugspannungen im Stahlmantel in Umfangsrichtung stark reduziert werden. Der Einfluss auf Spannungen in vertikaler Richtung ist geringer. Die Belastungsreduktion ist auch anhand von geringer werdenden irreversiblen Dehnungen mit steigender Dehnvorgabe abzulesen. Eine zu große Dehnvorgabe verursacht jedoch geöffnete Fugen während der Charge und ist deshalb zu vermeiden. Anhand der durchgeführten thermischen 2D-Simulationen wurde eine maximale Stärke der Isolierschicht von 12 mm für die 3D Simulationen festgelegt. Eine größere Isolierschichtstärke führt zu einem größeren Temperaturunterschied zwischen Heißseite und Stahlmantel. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximalen Verschleißfutterspannungen kaum beeinflusst werden. Die Zugspannungen im Stahlmantel steigen mit zunehmender Isolierung stark an. Die Fugenöffnung während der Standzeit bis zur nächsten Charge kann durch die höheren Temperaturen im Verschleißfutter reduziert werden.

AB - Die Stahlpfanne ist ein wesentlicher Teil der Stahlproduktion, sowohl als Transportbehälter für Flüssigstahl, als auch als Aggregat in der Sekundärmetallurgie und einer der größten Verbraucher für Feuerfestprodukte in einem Stahlwerk. Den Verbrauch an Feuerfestprodukten zu minimieren, ist nicht nur aus wirtschaftlicher Sicht von größtem Interesse. Durch eine Verlängerung der Pfannenreise können auch Ressourcen geschont werden. Zustellungsdesigns beruhen momentan oft auf Erfahrungswerten von Ingenieuren und empirischen Regeln, wodurch es zu nicht optimalen Zustellungen kommen kann. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen besseren Überblick über die Einflüsse bestimmter geometrischer Parameter auf das thermomechanische Verhalten einer Stahlpfannenzustellung zu erhalten. Dafür werden im Finite-Elemente Softwarepaket ABAQUS, 2D- und 3D-Simulationen des thermischen und thermomechanischen Verhaltens einer Schlackenzonenzustellung einer sekundärmetallurgischen Stahlpfanne durchgeführt. Die Schlackenzonenzustellung ist dreischichtig aufgebaut und besteht aus Magnesiacarbonsteinen als Verschleißfutter, einem monolithischen Dauerfutter aus Hochtonerde und einer Isolierschicht. Die betrachteten geometrischen Faktoren sind eine Variation der Dehnvorgabe des Verschleißfutters im Bereich von 0,2 - 0,8 mm und die Variation der Stärke der Isolationsschicht, von 0 - 12 mm. Die Gesamtzustellungsstärke bleibt konstant und wird über das Dauerfutter ausgeglichen. Um den rechnerischen Aufwand zu begrenzen, kommt der Einheitszellenansatz zur Verwendung und das Simulationsmodell wird unter Ausnützung aller Symmetrien auf ein Viertel der Abmessungen des Verschleißfuttersteines reduziert. Das simulierte Temperaturprogramm ist auf den ersten Pfannenzyklus inklusive vorherigem Aufheizen der Pfanne beschränkt. Um das Materialverhalten abbilden zu können, werden das Drucker-Prager Kriterium, das Von Mises Kriechmodell und eine am Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde entwickeltet ABAQUS-Subroutine, welche beide Materialmodelle kombiniert, verwendet. Die Ergebnisse der Dehnvorgabevariation zeigen, dass mit steigender Dehnvorgabe in Umfangsrichtung, die maximalen Druckspannungen im Verschleißfutter sowie die maximalen Zugspannungen im Stahlmantel in Umfangsrichtung stark reduziert werden. Der Einfluss auf Spannungen in vertikaler Richtung ist geringer. Die Belastungsreduktion ist auch anhand von geringer werdenden irreversiblen Dehnungen mit steigender Dehnvorgabe abzulesen. Eine zu große Dehnvorgabe verursacht jedoch geöffnete Fugen während der Charge und ist deshalb zu vermeiden. Anhand der durchgeführten thermischen 2D-Simulationen wurde eine maximale Stärke der Isolierschicht von 12 mm für die 3D Simulationen festgelegt. Eine größere Isolierschichtstärke führt zu einem größeren Temperaturunterschied zwischen Heißseite und Stahlmantel. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximalen Verschleißfutterspannungen kaum beeinflusst werden. Die Zugspannungen im Stahlmantel steigen mit zunehmender Isolierung stark an. Die Fugenöffnung während der Standzeit bis zur nächsten Charge kann durch die höheren Temperaturen im Verschleißfutter reduziert werden.

KW - thermische Simulation

KW - thermomechanische Simulation

KW - Stahlpfanne

KW - Schlackenzone

KW - Schlackenzonenzustellung

KW - thermal simulation

KW - thermomechanical simulation

KW - steel ladle

KW - slag zone

KW - slag zone refractory lining

M3 - Masterarbeit

ER -