Mathematical and Experimental Study on Filtration of Solid Inclusions from Molten Aluminium and Steel
Tid: Fr 2023-03-31 kl 10.00
Plats: Sefström, Brinellvägen 23, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/62925916196
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Shahin Akbarnejad , Processer
Opponent: Professor Torbjörn Carlberg, Mittuniversitetet
Handledare: Professor Pär Jönsson, Processer; Professor Dong-Yuan Sheng, Processer; Universitets lektor Björn Glaser, Processer
Abstract
Aluminium och stål har varit den mest producerade metallen respektive legeringen under många år. Deras omfattande användning i olika industrier, deras grundläggande roll i vårt vardagliga liv och deras utmärkta återvinningsegenskaper utgör de stora drivkrafterna för utvecklingen av en produktion mot mer hållbara processer. En framgångsrik integrering och tillämpning av smält metallfiltrering från oönskade inneslutningar i produktionsprocesser kan resultera i minskningar av skrot och omarbetning samt skulle ge en renare smält metall som kan leda till en produktion av metalliska material med förbättrade mekaniska egenskaper. Filtrering av aluminiumsmältor med keramiska skumfilter utgör en etablerad process inom aluminiumindustrin. Keramiska filter används också i stålgjuterier för att avlägsna inneslutningar från smältan före gjutning i en form. Användningen av keramiska filter är dock antingen begränsad till specifika typer av legeringar eller gjutgods eller till specifika filter med stora porer och öppningar. Som ett resultat av detta har användningen av keramiska filter i stålindustrin begränsningar när det gäller att fånga upp inneslutningar, där specifikt små inneslutningar inte kan fångas upp.
Detta forskningsarbete syftar till att bidra till det globala arbetet med att utveckla processerna för tillverkning av smält metall för att bli mer hållbara och för att höja kvaliteten på slutprodukten. För att vara specifik syftar det till att sprida mer ljus gällande filtreringsapplikationer och användningen av keramiska filter för att avlägsna fasta icke-metalliska inneslutningar från smält aluminium och stål. Således bestämdes permeabilitetsegenskaper för enkla 30, 50 och 80 porer per tum (PPI) aluminiumoxid keramiska skumfilter (CFF) kvaliteter såväl som staplar av tre 30, tre 50 och tre 80 PPI aluminiumoxid CFF-kvaliteter baserat på experimentella och numeriska studier. Detta ger den information som behövs för att uppskatta det tryck som krävs för att grunda och/eller trycka det smälta aluminiumet genom filtren. Trycket kan antingen byggas upp av gravitationskrafter eller andra krafter. Det har nyligen visat sig att det är möjligt att grunda sådana filter med elektromagnetiska krafter och filtrera fasta inneslutningar från smält aluminium. Slutligen undersöktes och studerades fysisk raffinering av smält stål från fasta aluminiumoxidinneslutningar genom användande av ett monolitiskt extruderat fyrkantscelligt aluminiumoxidkeramiskt filter med en utvecklad matematisk Computational Fluid Dynamics (CFD) modell samt partikelbanorna för inneslutningar i storleksintervallet 1 till 100 [um].
De experimentellt erhållna permeabilitetsegenskaperna såväl som de erhållna tryckgradientprofilerna för de enskilda 30, 50 och 80 PPI CFF:erna jämfördes med tidigare forskningsresultat från litteraturen. Överlag så var överensstämmelse mellan nuvarande och tidigare resultat god. Det visade sig också att det var viktigt att vätskan inte tog genvägar under permeabilitetsexperiment för att inte erhålla avvikelser så höga som 60 %. Det visade sig också att liknande permeabilitetsegenskaper för de staplade filtren som för de enskilda filtren kunde uppnås. Ett ungefär tre gånger högre tryckgradient eller tryck måste dock appliceras när man använder en stapel med tre identiska PPI-filter jämfört när enstaka filter används. De numeriska simuleringarna validerade också de experimentella resultaten från permeabilitetsexperimenten.
CFD-simuleringarna och partikelbanorna för de fasta aluminiumoxidinneslutningarna i smält stål genom det monolitiska aluminiumoxidfiltret visade att det var möjligt att fånga upp alla partiklar större än 50 [µm]. Det var dock inte möjligt att fånga upp alla partiklar mindre än 50 [µm] på grund av den användande simuleringsmetoden samt de nuvarande simuleringsbegränsningar i programvaran.