Dissertation

Dr.-Ing. Sebastian Weiß · TU Bergakademie Freiberg · in Kooperation mit der Goldschmidt Thermit GmbH, Leipzig

Beim Thermitschweißen von Bahnschienen reagiert ein Gemisch aus Aluminium und Eisenoxid zu flüssigem Stahl und Aluminiumoxidschlacke – bei Temperaturen weit über 2000 °C. Innerhalb weniger Sekunden müssen sich Stahl und Schlacke im Tiegel trennen, und der Stahl muss die Gießform so füllen, dass keine Schlacke in der Schweißnaht eingeschlossen wird. Messen lässt sich in diesem Prozess kaum etwas direkt. Genau hier setzt meine Dissertation an.

Aufgaben meiner Dissertation

Modellbildung

Zwei Modellansätze für eine Mehrphasenströmung. Die Trennung der Reaktionsprodukte im Tiegel und die anschließende Formfüllung habe ich mit einem diffusen Phasenfeld-Modell und einem Volume-of-Fluid-Modell (VOF) in OpenFOAM berechnet – jeweils dort, wo das Verfahren seine Stärken hat.

Eigener Phasenfeld-Löser für OpenFOAM. Für das Phasenfeld-Modell gab es keinen einsatzfähigen Löser. Ausgangspunkt war der Cahn-Hilliard-Navier-Stokes-Code von Adam Donaldson (Dalhousie University), der auf Arbeiten von Takada aufbaut. Ich habe ihn auf OpenFOAM 2.2.0 und 3.0.0 portiert, Vorzeichenfehler bei Auftriebs- und Oberflächenkraft sowie die Flussberechnung korrigiert und den Löser erweitert. Dazu gehören eine Druck-Geschwindigkeits-Kopplung nach dem Vorbild von interFoam, Sub-Cycling und Vorkonditionierung der Phasenfeldgleichung, eine adaptive Zeitschrittweite, Turbulenz sowie adaptive Netzverfeinerung an der Grenzfläche. Der Code ist als phaseFieldFoam frei verfügbar und wurde inzwischen von anderen auf neuere OpenFOAM-Versionen übertragen.

Experimentelle Validierung

Belastbare Materialdaten. Eine Simulation ist nur so gut wie ihre Stoffdaten. Für Hochtemperaturschmelzen sind viele davon in der Literatur nicht verfügbar. Fehlende Größen, etwa den Kontaktwinkel von Thermitstahl auf wasserglasgebundenem Form- und Tiegelmaterial, habe ich deshalb selbst experimentell bestimmt.

Experimentelle Validierung des Separationsmodells. Mit der Combustion-Front-Quenching-Methode (CFQ) habe ich ermittelt, wie lange die vollständige Separation der Reaktionsprodukte dauert – und damit das Phasenfeld-Modell experimentell überprüft.

Geometrieoptimierung mit Industrienutzen. Für Tiegel und Gießform habe ich Modifikationen entwickelt, die die Strömungsführung verbessern und die Umrüstzeit verkürzen. Ihre Wirkung beim Entleeren des Tiegels und beim Füllen der Form habe ich numerisch nachgewiesen.

Validiert am realen Prozess. Die Simulation sagte vorher, wo Schlackeeinschlüsse in der Gießform zur Ruhe kommen. Eine Realschweißung hat diese Positionen bestätigt.

Übertragbar auf Ihre Fragestellung

Die Methoden aus dieser Arbeit sind nicht auf Thermit beschränkt. Überall dort, wo Flüssigkeiten mit freier Oberfläche strömen, sich Phasen trennen oder Partikel mitgeführt werden, stellen sich dieselben Fragen:

• Gießen und Formfüllung – Füllverhalten, Lufteinschlüsse, Lage von Verunreinigungen
• Befüllen und Entleeren von Behältern – Schwappen, Schwallbildung, Restmengen
• Separation und Sedimentation – Trennung von Phasen unterschiedlicher Dichte, Absetzbecken, Abscheider
• Wasseraufbereitung – Durchströmung von Behältern und Filterstufen, Verweilzeiten, Partikelverhalten
• Bauteiloptimierung – Geometrievarianten virtuell vergleichen, bevor ein Prototyp gebaut wird

Ich arbeite dabei mit Open-Source-Werkzeugen wie OpenFOAM und Salome-Meca. Für Sie heißt das: keine Lizenzkosten, welche die Projektkosten erhöhen, und Simulationen, die nachvollziehbar und reproduzierbar bleiben.

Wo Standardlöser nicht ausreichen, passe ich den Code an oder entwickle eigene Löser, so wie den Phasenfeld-Löser aus meiner Dissertation.

Sie haben eine Strömungs- oder Festigkeitsfrage, bei der Messen schwierig oder teuer ist? Sprechen Sie mich an:

Publikation

Dissertation

Sebastian Weiß: Early Stages of the Aluminothermic Process: Insights into Separation and Mould Filling. Dissertation, TU Bergakademie Freiberg, 2019 (Sprache: Englisch).

Volltext und zitierfähige Fassung: urn:nbn:de:bsz:105-qucosa2-335527

Fachzeitschriften (peer-reviewed)

• Weiß, S.; Riehl, I.; Hantusch, J.; Gross, U.: Experimental Investigation on the Separation Time in Compacted Thermite using a Combustion Front Quenching Technique as Validation of a Phase Field Model. Industrial & Engineering Chemistry Research 57 (2018), 13001–13009. DOI
• Weiß, S.; Riehl, I.; Hantusch, J.; Gross, U.: Numerical Investigation on the Crucible Discharge of Steel and Slag during the Aluminothermic Welding Process. Archives of Metallurgy and Materials 63(1) (2018), 173–180. DOI
• Weiß, S.; Riehl, I.; Hantusch, J.; Gross, U.: Contact angle measurements of steel on waterglass-bonded Al₂O₃-SiO₂ composite materials. High Temperatures – High Pressures 47 (2018), 525–537. Verlagsseite

Konferenzbeitrag

• Weiß, S.; Riehl, I.; Hantusch, J.; Gross, U.: Contact angle measurements of steel on waterglass-bonded Al₂O₃-SiO₂ composite materials. Poster, ECTP 2017, Graz.

Software

• phaseFieldFoam: Phasenfeld-Löser (Cahn-Hilliard/Navier-Stokes) für zwei nicht mischbare Fluide in OpenFOAM, basierend auf dem Code von A. Donaldson, portiert und weiterentwickelt 2015–2018. GitHub