Lorentz force velocimetry in liquid metal two-phase flow applications

Lyu, Ze GND

Zweiphasenströmungen elektrischer leitfähiger Flüssigkeiten treten in einer Reihe von metallurgischen Prozessen auf. Zum Beispiel werden beim Stranggießen von Stahl Argonblasen in die Schmelze eingelassen, um ein Zusetzen des Tauchrohrs durch das Anlagern von Oxiden zu verhindern, die Schmelze in der Kokille zu mischen und zu homogenisieren sowie Verunreinigungen an die Badoberfläche zu transportieren, wo diese dann gezielt abgezogen werden können. Für eine lückenlose Prozess- und Qualitätskontrolle ist es unabdingbar, solche zweiphasigen Strömungstransportvorgänge messtechnisch zu erfassen. Unter den verschiedenen Strömungsmessverfahren für Flüssigmetalle ist die neu entwickelte Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ein vielversprechender Variante. Sie beruht auf der Messung der strömungsinduzierten Kraft, die sogenannte Lorentzkraft, die auf ein extern in der Nähe der Strömung angeordnetes Permanentmagnetsystem wirkt. Diese Lorentzkraft ist nach den Gesetzmäßigkeiten der Magnetofluiddynamik direkt proportional zur Geschwindigkeit bzw. zur Durchflussmenge der Schmelzenströmung und der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze. Der wesentliche Vorteil der LKA ist ihr berührungsfreier und nicht intrusiver Charakter, der es auch bei industriellen Anwendungen im Hochtemperaturbereich erlaubt, Messungen zur lokalen Geschwindigkeitsverteilung bzw. Bestimmung des globalen Durchflusses in heißen und chemisch aggressiven Substanzen durchzuführen. Die Funktionalität der LKA wurde bereits in einer Reihe von Laborexperimenten mit der bei Raumtemperatur schmelzflüssigen Modelllegierung GaInSn sowie in Feldtests im Aluminium- und Stahlbereich nachgewiesen. Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel, dieses Messverfahren auf Flüssigmetall-Zwei-Phasenströmungen anzuwenden und damit den Einsatzbereich der LKA auf industriell relevante Problemstellungen zu erweitern. Hierzu werden eine Reihe von Modellexperimenten mit der Testschmelze GaInSn durchgeführt, in denen sich elektrisch nicht leitfähige Gasblasen oder Festkörperpartikel bewegen. Das Ziel der Untersuchungen ist die Beantwortung der Frage, ob aus den gemessenen Kraftsignalen reproduzierbare Aussagen über Blasen- bzw. Partikelgröße sowie deren Geschwindigkeit und Position treffen lassen. Die Schwierigkeit bei dieser Aufgabe besteht darin, dass die elektrisch nicht leitfähigen Blasen oder Partikel nicht direkt mittels LKA detektierbar sind, sondern nur ihre dynamischen Wechselwirkungen mit der Schmelze. In allen Experimenten erfolgt die Kraftmessung durch einen interferometrisch-optischen Kraftsensor (IOFS), der an einen kleinen würfelförmigen Permanentmagnet auf NdFeB-Basis gekoppelt ist. Die Kraftsignale für Partikel und Blasen werden erfasst und ausgewertet. Im Detail werden die Abhängigkeit des Maximalwertes der Lorentzkraft vom Partikeldurchmesser, von der Magnetfeldstärke, vom Abstand zwischen Partikel und Wand sowie der Partikelgeschwindigkeit analysiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die erfolgreiche Anwendung der LKA zur Partikel- oder Blasenerkennung in Flüssigmetallströmungen. Die experimentellen Untersuchungen werden zudem durch entsprechende numerischen Simulationen flankiert. Es zeigen sich gute bis sehr gute Übereinstimmungen zwischen den experimentellen Beobachtungen und den theoretischen Voraussagen. In zwei weiteren Testexperimenten, in denen die Dynamik von aufsteigenden Blasen in einer Hochtemperaturschmelze und unter dem Einfluss eines starken Hintergrundmagnetfelds (bis 1 T) mittels LKA analysiert werden, bestätigen die Leistungsfähigkeit der Messmethode nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch unter rauen industrienahen Produktionsbedingungen.

Two-phase flows of an electrically conducting liquid occur in a number of metallurgical processes. For example, in continuous casting of steel, argon bubbles are injected in order to prevent clogging of the submerged entry nozzle. Bubbles are also introduced into the stirring ladle during steel production to mix the melt in the mold and to catch impurities to the bath surface, where they can be then selectively excluded. For the purpose of process and quality controls, it is necessary to measure and record such transport process of two-phase flows. Among the various methods to measure them, one promising candidate is the so-called Lorenz force velocimetry (LFV). It is based on measuring the flow-induced force acting on an externally arranged permanent magnet near the flow. According to the scaling-laws of Magnetohydrodynamic (MHD), this Lorentz force is proportional to the electrical conductivity and velocity of the melt. LFV has the significant advantage of being contact-less, which allows it to perform measurements of local velocity distribution or determination of global flow rate in hot and chemically aggressive substances even in industrial applications in the high temperature range. The functionality of LFV has already been demonstrated in a series of laboratory experiments of alloy GaInSn at room-temperature as well as in field tests in the aluminum and steel sectors. Motivated by applying this measurement method to liquid metal two-phase flows and thus to extend applications of LFV to industrially relevant problems, a series of model experiments with liquid GaInSn are carried out, by which electrically non-conductive gas bubbles or solid particles move inside liquid metal. The aim of the investigations is to demonstrate whether the measured force signals can be used to make reproducible statements about bubble or particle size as well as their velocity and position. The difficulty of this task is that the electrically non-conductive bubbles or particles are not directly detectable by LFV, but only their dynamic interactions with the melt. In the present work, the Lorentz force is measured by an Interferometric-Optic-Force-Sensor (IOFS) coupled with a small cubic NdFeB-based permanent magnet. The reproducible Lorentz force signals for particles and bubbles are recorded and evaluated. Corresponding numerical models show good agreement with the measurements, and they are used to explore larger parameter spaces. We analyze the dependence of the peak values of Lorentz force on the particle velocity, particle diameter, magnetic field strength as well as the distance between particle and liquid. These results form the basis for the application of LFV for detecting particle or bubble in liquid metal flows. Two further tests of LFV for bubbles rising in liquid tin at high temperature and in liquid GaInSn under ambient magnetic field (up to 1 T) are achieved respectively. They show the functionality of LFV for particle or bubble detection not only in laboratory environment but also under harsh industrial-production conditions.

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Lyu, Ze: Lorentz force velocimetry in liquid metal two-phase flow applications. Ilmenau 2019.

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