SFB 920 - B3

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Das Teilprojekt B03 des Sonderforschungsbereiches SFB 920 „Multifunktionale Filter für die Metallschmelzefiltration – ein Beitrag zu Zero Defect Materials“ widmet sich zum einen den thermophysikalischen Stoffeigenschaften der Filtermaterialien und Filterstrukturen sowie den wirksamen Wärmetransportvorgängen bei der Filtration (B03-I).

Zum anderen werden ab der dritten Förderperiode die Löslichkeit sowie das Sorptionsverhalten und die Diffusionseigenschaften verschiedener Gase in Metallschmelzen untersucht werden (B03-II).

Die dritte Förderperiode des SFB 920 (01.07.2019 - 30.06.2023) hat die folgenden Schwerpunkte:

Untersuchungen zum konvektiven, volumetrischen Wärmeübergang vom flüssigen Metall an die Filterstruktur

Mittels einer in den vorherigen Förderperioden entwickelten und optimierten Messstrecke soll in der dritten Förderperiode der volumetrische Wärmeübergangskoeffizient ebenfalls bei Schmelzen höherer Temperatur (Stahl) experimentell ermittelt werden.

Mit den Ergebnissen soll die Datenbasis für die Korrelationsgleichungen, die bisher auf Untersuchungen mit Luft, Wasser und Aluminium basieren, erweitert werden. Neben den notwendigen Anpassungen der Messstrecke und der Temperaturmessung ist dabei auch eine mehrdimensionale Messung des Temperaturfelds geplant. Die Experimente finden in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt S03 am Gießerei-Institut statt.

Messung und modellhafte Beschreibung der effektiven Wärmeleitfähigkeit sowie der Strahlungseigenschaften der Filterstrukturen

Mittels der Transient-Plane-Source (TPS) –Technik kann die effektive Wärmeleitfähigkeit der Keramikschäume auch bei erhöhten Temperaturen zuverlässig experimentell bestimmt werden.

In der aktuellen Förderperiode sollen mit dieser Methode neu entwickelte Strukturen, Materialien und Beschichtungen hinsichtlich ihrer effektiven Wärmetransporteigenschaften untersucht werden.

Bei erhöhten Temperaturen spielt besonders die Strahlungswärmeübertragung, beispielsweise im Rahmen der Filtervorwärmung vor der eigentlichen Durchströmung des Filters, eine bedeutende Rolle. Mittels eines Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer, welches in der letzten Förderperiode durch eine externe Integrationskugel erweitert worden ist, werden die strahlungsoptischen Eigenschaften der porösen, keramischen Strukturen bestimmt.

Aus der Ermittlung des Extinktionskoeffizienten ist es anschließend möglich, den Strahlungsanteil der effektiven Wärmeleitfähigkeit zu berechnen.

Bestimmung der thermophysikalischen Stoffeigenschaften der neuen Filtermaterialien

Neben der Bestimmung der thermischen Filtereigenschaften sollen alle neu entwickelten Filterwerkstoffe bzw. Basismaterialen und Beschichtungen hinsichtlich der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit, der Dichte, der thermischen Ausdehnung, der spezifischen Wärmekapazität sowie der Strahlungseigenschaften charakterisiert werden.

Diese Daten werden unter anderem von den Teilprojekten B02 und B05 für die numerischen Simulationen oder in den Teilprojekten A01/A02 bei der Filterentwicklung verwendet.

Optimierung einer thermogravimetrischen Messapparatur für die Anforderungen der Forschungsaufgabe

Für die Untersuchung des Sorptionsverhalten unterschiedlicher Gase in Metallschmelzen wird die in der Sorptionsmessung bewährte gravimetrische Methode angewandt. Die Basis der neuen hochpräzisen Apparatur zur direkten Erfassung der sorptionsbedingten Masseänderung bildet eine Magnetschwebewaage.

Zu Beginn der dritten Förderperiode wird der apparative Aufbau sowie die Mess- und Regelungstechnik an die Anforderungen der Messaufgabe angepasst und dahingehend optimiert. Die Maßnahmen umfassen die Bereiche Probenvorbereitung, Probenbehälter, Gasdosierung und Druckregelung sowie Explosionsschutz.

Bestimmung maximaler Gaslöslichkeiten und Diffusionskoeffizienten in Metallschmelzen

Mittels der optimierten thermogravimetrischen Messapparatur wird zunächst die maximale Löslichkeit sowie der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff in Aluminiumschmelze bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken bestimmt. Darüber hinaus soll der Einfluss der Aluminiumoxidschicht auf das Diffusionsverhalten untersucht werden.

Im weiteren Verlauf sollen zudem die Sorptionseigenschaften von Wasserstoff und Stickstoff in schmelzflüssigen Eisen-Legierungen ermittelt werden.

Modellierung der Gaslöslichkeit und Korrelation der Diffusionskoeffizienten

Nach Abschluss der Messungen zur maximalen Gaslöslichkeit werden die druck- und temperabhängigen Gleichgewichtsdaten der Sorption genutzt, um über einen weiten Temperaturbereich Isobaren und Isothermen zu berechnen und anschließend zu modellieren. Aus der Kinetik der Sorptionsvorgänge sind die jeweiligen Diffusionskoeffizienten bestimmbar.

Darüber hinaus kann mittels der bekannten Schmelzevolumina bei verschiedenen Temperaturen die Dichte ermittelt und die Temperatur-Dichte-Funktion über einen weiten Temperaturbereich korreliert werden.