Strömungssimulation der

Gasabschreckung im

Vakuumhärteofen

14.09.2015

Felix Neukam (V), R. Dongmo

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Tradition trifft Innovation: Deutsche Edelstahlwerke (DEW)

» führend in der Herstellung und

Verarbeitung von Spezialstahl-

Langprodukten

» Anbieter von kundenindividuellen und

innovativen Spezialstahllösungen

» Hohe Wertschöpfungstiefe:

Technische Beratung, Verarbeitung

und Service bis zu jeder

Einarbeitungsstufe

» Hauptabnehmer: Automobilindustrie,

Maschinen- und Anlagenbau,

Luftfahrtindustrie,

Verteidigungsindustrie und Handel

» DEW ist ein Unternehmen der

SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe

mit weltweit ca. 10.000 Mitarbeitern

Auf einem Blick

Gründungsjahr

Standorte

(Witten = Sitz der

Gesellschaft)

DEW: 2007

Witten: seit 1854

Siegen: seit 1846

Krefeld: seit 1900

Hagen: seit 1853

Mitarbeiter Rund 4.000

Umsatz (2014) Rund 1,2 Mrd. €

Versand (2014) Rund 785.000 t

Produkte

Fertigprodukte

Spezialstahl-Langprodukte

Draht (ab 0,7 mm), Rohblöcke, Halbzeug,

Röhrenvormaterial, Stabstahl, Breitflach-

und Flachstahl, Freiformschmiedestücke

(bis 1.100 mm), Pulvermetalle

Dornstangen, Kaltwalzen

Tochterunternehmen Deutsche Edelstahlwerke

KarriereWERKSTATT GmbH,

dhi Rohstoffmanagement GmbH, Deutsche

Edelstahlwerke Härterei Technik GmbH

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ERKLÄRUNG DER PROBLEMSTELLUNG

EINFÜHRUNG IN OPENFOAM

PRAKTISCHE ABSCHRECKVERSUCHE

AUFBAU DES SIMULATIONSMODELLS

PROBLEME WÄHREND DER SIMULATION

ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE

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» Wärmebehandlung von Stählen traditionell in Salzbädern

» Substitution der Salzbäder durch Vakuumhärteöfen

Vorteile:

Reduktion der Umweltbelastung

Verbesserung der Energiebilanz

Nachteile:

Genauigkeit der Temperaturführung

Reproduktion der Ergebnisse

» Gasabschreckung zur Prüfung der Härtbarkeit

Ziel: Wie sieht die Strömungsverteilung im Vakuumhärteofen aus?

Wie kann man den Ofen optimieren?

Problemstellung

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» Evakuierung des Ofens

» Erwärmen auf Härtetemperatur

» Halten und Durchwärmen/Homogenisieren

» Abkühlvorgang:

Fluten des Ofens mit Stickstoff

Stickstoffbeladung bis Arbeitsdruck erreicht ist

Ventilator fängt an zu rotieren

Wälzt Gas zw. Heizkammer und Wärmetauscher

hin und her bis Probe vollständig abgekühlt ist

Annahme: stationäres Geschwindigkeitsfeld bei

transientem Abkühlen der Probe!

Funktionsweise des Vakuumhärteofens

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Ergebnisse der Vorversuche - ZTU-Diagramm 100Cr6

» Man erkennt Phasen-

umwandlung bei 2 bar im Kern

» Bei 5 bar teilweise auch noch

perlitische Anteile im Kern

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» Vereinfachung der Ofengeometrie

» Beschränkung auf die Heizkammer

» Modell ohne Probenbehälter wegen komplexer

Geometrie

» Strategie:

Zunächst Modell mit dem Strömungsvolumen

Strömungsverteilung analysieren

Danach Multi-Region-Modell erstellen

Abkühlverhalten in Probe und Heizelementen

Aufbau des Simulationsmodells

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» Open Field Operation and Manipulation

Lösung partieller DGL mit Finite Volumen Methode (FVM)

Software-Bibliothek mit über 200 Programmen (keine einzelne ausführbare

Datei)

Jedes Programm hat nur wenige Code-Zeilen

Skript kann Ablauf mehrerer Programme hintereinander koordinieren

Freie Open-Source Toolbox programmiert in C++ (objekt-orientiert)

Verarbeitung komplexer 3D-Geometrien

Breite Anwendung unterschiedlichster physikalischer Problemstellungen

Parallele Rechnungen/Cluster-Verwendung

Verfügbarer Code als Basis für Implementierung eigener Programme

Einführung in OpenFOAM

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Arbeiten mit OpenFOAM

Verwaltung der Daten

» Jeweils ein Ordner pro CFD-Fall

» 0-Ordner für Startbedingungen

(erster Zeitordner)

» Generierung weiterer Zeitordner

während Simulation

» constant-Ordner um Strömungs-

eigenschaften zu charakterisieren

» Im polyMesh-Ordner stehen alle

Informationen zum Gitternetz

» system-Ordner mit Diskretisierungs-

schemen und Steuerungsparameter

der Simulation

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Definition der Randbedingungen

» Einheiten [kg m s K kg mol A cd]

inlet

outlet

wall

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Wie werden Formeln programmiert?

» fvVectorMatrix UEqn

» (

» fvm::ddt(U)

» + fvm::div(phi, U)

» - fvm::laplacian(nu, U)

» );

» solve(UEqn == -fvc::grad(p));

» fvm-Operator gibt eine Matrix aus

» fvc-Operator gibt ein Feld aus

Quelle: icoFoam-Solver OpenFOAM 2.3.0

𝜕𝑈

𝜕𝑡+ 𝛻 ∙ 𝜙𝑈 − 𝛻 ∙ 𝜈𝛻𝑈 = −𝛻𝑝

Impulserhaltung für inkompressible,

laminare Strömungen

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» 1 Block mit Kantenlänge 1m

» Anzahl der Zellen: 125.000

» Geometrie muss in Hintergrundnetz

passen

» surfaceFeatureExtract verknüpft

Oberfläche der einzelnen stl-

Dateien mit dem Netz

Präprozessor

blockMesh - Generierung eines Hintergrundnetzes

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Präprozessor

snappyHexMesh - Generierung des Gitternetzes

Schritt 1: Castellated-Mesh

» Geometrie wird hexaedrisch

aufgebaut

Schritt 2: Snapped-Mesh

» Lücken werden zur Oberfläche

geschlossen

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Randbedingungen und Löserauswahl

Zellenanzahl: 1.301.326

solver: buoyantSimpleFoam

U-Einlass/Auslass: 25 [m/s]

T-Einlass: 289.15 [K]

T-Probe/Heizelemente: 1373.15 [K]

p: 301325 [Pa]

k = 2.34375 [m²/s²]

omega = 501.032 [1/s]

epsilon = 104.38 [m²/s³]

Turbulenzmodell: kOmegaSST

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Simulationsergebnis – buoyantSimpleFoam

» Beobachtung:

Strömungsgeschwindigkeit an

der Probenposition niedrig

Direkt unter der oberen

Prallplatte sehr hohe

Geschwindigkeit (Faktor 5)

Verbesserungsvorschlag:

erhöhen der Probenposition zur

Verbesserung der

Abschreckbedingungen

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Optimierungsversuche

» Höhere Abkühl-

geschwindigkeit an der

oberen Position

» Weitere Idee:

Entfernung der oberen

Prallplatte

noch bessere Abschreck-

wirkung

Aber: Aufheizdauer erhöht!

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» Die Beladung des Ofens muss mindestens 8 bar betragen um eine

Kerbschlagbiegeprobe im unveränderten Ofen abschrecken zu können

» Es wurden 2 Ofen-Optimierungen empirisch untersucht:

die Entfernung der oberen Prallplatte erhöht die Abschreckgeschwindigkeit,

erhöht aber auch die Aufwärmzeit des Ofens auf Härtetemperatur

die Änderung der Probenposition im Ofen resultierte aus den

Simulationsergebnissen. Der Versuch zeigte eine erhöhte

Abschreckgeschwindigkeit im Kern der Probe

» Der chtMultiRegionFoam-Löser wurde erfolgreich aufgesetzt und lieferte auch

erste Ergebnisse, jedoch war die Rechendauer zu lange (1 sec = 1 Woche

Rechenzeit!!) Alternative Lösung nötig!

Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Thank you for your attention