Optimierung des Stoff- und Wärmetransports im Induktions-Rinnenofen
Der Induktions-Rinnenofen (IRO) wird in der Metall verarbeitenden Industrie zum Schmelzen, Warmhalten, Speichern, Überhitzen und Gießen von Eisen- und Nichteisenmetallen verwendet. Obwohl sich Induktions-Rinnenöfen seit fast 100 Jahren im industriellen Einsatz befinden, sind noch nicht alle offenen Fragestellungen abschließend beantwortet. So stellt die Rinnengeometrie eine entscheidende Komponente im Funktionsprinzip des IRO dar. Trotz intensiver Bemühungen ist es bisher nicht gelungen eine Geometrie zu entwickeln, die allen Kriterien für ein optimales Betriebsverhalten entspricht. So können Auswaschungen in der feuerfesten Zustellung einen Durchbruch der Schmelze entstehen lassen und Ansatzbildung eine Verengung des Rinnenkanals hervorrufen. Diese reduzieren den Wärmetransport und führen zu unzulässigen Temperaturüberhöhungen der Schmelze in der Rinne.
Weiterhin sind die Transportmechanismen der Energie von der Rinne in das Ofengefäß bisher noch nicht vollständig erfolgreich numerisch modelliert worden, obgleich diese Herausforderung seit langer Zeit Gegenstand intensiver Forschung ist. Der Hauptgrund hierfür ist, dass stationäre Berechnungsverfahren mit den bekannten Mehrgrößen-Turbulenzmodellen die instationären Strukturen der Schmelzenbewegung nur unzureichend genau nachbilden und so wichtige Mechanismen des Energietransports unberücksichtigt bleiben.
Mit Hilfe des vom ETP angewendeten Large-Eddy-Simulation(LES)-Verfahrens ist die praxisnahe Simulation der instationären Schmelzenströmung und Temperaturverteilung einschließlich des Wärme- und Massentransports in der Schmelze von Induktionsanlagen heute realisierbar. Erstmals ist es gelungen das LES-Verfahren auch erfolgreich zur Berechnung der instationären Schmelzenströmung und Temperaturverteilung im Induktions-Rinnenofen einzusetzen. Hierbei konnte der Energietransport aus der Rinne in den Ofenkessel durch eine transiente Simulation nachgebildet werden. Somit ist es unter Anwendung des LES-Verfahrens beispielsweise möglich die Schmelzenströmung und damit den Wärme- und Stofftransport in Induktions-Rinnenöfen durch Anpassung der Rinnengeometrie gezielt zu beeinflussen. Hierdurch können Zustände, die bekanntermaßen eine Ansatzbildung fördern, verhindert werden. Weiterhin können die Auswirkungen konstruktiver Änderungen auf den Wärme- und Stofftransport untersucht werden, um so die Leistung der Induktoren optimal anpassen zu können.
