Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung

EroSim - Entwicklung und Erprobung eines Modellrahmens zur prädiktiven Aufklärung von erosivem Verschleiß in pneumatischen Förderungen

IGF- Nr. 20815 N

Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojekts wurde der Verschleiß in pneumatischen Förderungen mittels numerischer und experimenteller Untersuchungen sowohl auf der mikroskopischen Längenskala einzelner Partikelaufprallereignisse als auch auf der makroskopischen Skala von Rohrkrümmern untersucht. Dabei wurden insgesamt vier Stahlsorten - drei nichtrostende Stähle und ein Baustahl - sowie ein Kunststoff hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit im Kontakt mit runden und kantigen Schüttgutpartikeln experimentell in unterschiedlichen Verschleißsituationen untersucht. Hierdurch konnten einerseits die Werkstoffe hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit in unterschiedlichen Anwendungsfällen beurteilt werden und andererseits der signifikante Einfluss der Form der Schüttgutpartikel herausgearbeitet werden. Die Relevanz der Partikelform für den erosiven Verschleiß wurde durch detaillierte numerische Simulationen mittels SPH bestätigt. Basierend auf den Simulationsergebnissen ist es gelungen ein etabliertes, analytisches Erosionsmodell, welches den Verschleiß pro Aufprall quantifiziert, um zwei Parameter zu erweitern, welche die Partikelform kennzeichnen. Hiermit wurde ein Modell geschaffen, welches sich sowohl für schnelle Abschätzungen des Verschleißverhaltens eines bestimmten Schüttguts eignet als auch direkt in CFD-DEM-Simulationen zur Prozessanalyse integriert werden kann.

Zum Erhalt von Kontaktparametern für CFD-DEM-Simulationen wurden Experimente zur Charakterisierung der verwendeten Partikel durchgeführt. Dazu gehören beispielsweise Größen der Partikel-Partikel- und Partikel-Wand-Kontakte, mit Hilfe derer im späteren Verlauf Kontaktphänomene der zu untersuchenden Materialien valide dargestellt werden konnten. Weiterhin konnte mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen gezeigt werden, dass typische Verschleißbilder an Lackschichten erzeugt werden können und dabei reproduzierbar sind. Zusätzlich wurden verschiedene Methoden zur Vermessung untersucht, mit welchen eine schnelle und einfache Auswertung der verschlissenen Lackschichten möglich sein soll. Die Methode zeigt neue Möglichkeiten auf, um materialschonende Verschleißuntersuchungen innerhalb kürzester Zeit zu realisieren und dabei auf spezielle Messtechnik verzichten zu können.

Die Durchführung einer Validierungssimulation mittels CFD-DEM zeigte, dass experimentelle Ergebnisse mit einer hohen Übereinstimmung reproduziert werden konnten, was die Möglichkeit eröffnet, System- und Prozessparameter zu variieren und die Einflüsse auf den Verschleiß zu untersuchen. Zu diesen Parametern gehören, neben der Variation von Geschwindigkeiten und Massenbeladungen, auch der Einsatz verschiedener verschleißmindernder Rohrkrümmergeometrien und deren Einfluss auf Verschleißraten, den Druckverlust und die Partikelbeanspruchung. Damit wurde gezeigt, dass je nach Anwendungsfall signifikant Verschleißraten reduziert werden können, ohne den Druckverlust dabei überproportional ansteigen zu lassen.

Eine detaillierte Dokumentation der Projektergebnisse wird dabei in Form eines Schlussberichtes durch die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendungen e.V. zur Verfügung gestellt. Zusammengefasst wird KMU mit Hilfe der erzielten Ergebnisse folgendes ermöglicht:

  • Vorhersage des Erosionsverhaltens, auch für unterschiedliche Partikelformen, durch entwickelte Simulationsmethodik und Experimente,
  • Optimierungsmöglichkeiten bestehender Anlagen und bessere Konzipierung neuer Anlagen durch bessere Einschätzung des Erosionsverhaltens,
  • Verbessertes Verständnis des Erosionsverhaltens, um eine geeignete Materialauswahl und Prozessoptimierung realisieren zu können,
  • Bewertung verschiedener Stahlsorten und Polymere hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit,
  • Einschätzung des Einflusses der Partikelform auf den Verschleiß und damit resultierende Prozessparameter,
  • präventive Wartungsmaßnahmen, durch ein entwickeltes Verfahren zur Lokalisation von Verschleißstellen,
  • grundlegende Verschleißquantifizierung und Überwachung durch Verwendung eines rudimentären eindimensionalen Erosionsmodells,
  • Vorhersage von Verschleiß, Druckabfall und Partikelbeanspruchung durch CFD-DEM-Simulationen und damit eine verbesserte Produktqualität und Wirtschaftlichkeit.

 

Bearbeitet wurde das Forschungsvorhaben von 10/2019 bis 03/2023 an der Technischen Universität Berlin, Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung (Straße des 17. Juni, 10623 Berlin, Tel.: 030 – 314 26432) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. H. Kruggel-Emden (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. H. Kruggel-Emden) und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Pulvertechnologie und Partikelsimulation (Wöhlerstraße 11, 79108 Freiburg Tel.: 0761 – 5142 347) unter der Leitung von Dr. C. Bierwisch (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. P. Gumbsch).