Afgaskanaalbocht EAF–LF

1. 1

   Het kanaaldeel

   Ontwerpbasis herleid tot een referentie-installatie

   Het kanaaldeel modelleert één tak van een primaire ontstoffingslijn van een EAF-LF-installatie: een recht inlaatstuk, een bocht van 90 graden met grote straal en een recht uitlaatstuk. Debiet en kanaalmaat zijn afgeleid van een echte referentie-installatie in plaats van aangenomen, en elke waarde in de tabel met de ontwerpbasis (technische details) is herleidbaar tot die referentie of tot een expliciet vermelde technische aanname.

   Binnendiameter (DN1600)

   1,60 m

   Ontwerpsnelheid

   21,1 m/s, Re ≈ 9,7×10⁵

   Ontwerptemperatuur van het gas

   200 °C

   Ontwerpdruk van het systeem (onderdruk)

   3,0 kPa

2. 2

   Methode: keuze van het turbulentiemodel

   Gewogen beslismatrix + gevoeligheidscontrole

   De bocht veroorzaakt kromming van de stroomlijnen en een risico op plaatselijke loslating aan de binnenwand. In plaats van standaard één sluitingsmodel te kiezen, zijn twee RANS-turbulentiemodellen vergeleken met een gewogen beslismatrix en daarna getoetst met een gevoeligheidscontrole op de wegingen zelf.

   Gewogen score = Σ (weging van het criterium × score)elk criterium gescoord van 1 tot 3

   • SST k-ω gekozen: beter geschikt voor gekromde stroming met kans op loslating, en de wandbehandeling past zich aan over een breed bereik van meshresoluties in plaats van een smal y+-venster te vereisen.
   • Een gevoeligheidscontrole op de wegingen bevestigde dat het resultaat stabiel is. SST k-ω verliest alleen als pure rekenefficiëntie de hoogste prioriteit krijgt, en dat is in deze studie niet het geval.
   • De keuze is zonder herziening doorgevoerd in de opbouw, de berekening en de verificatie van de CFD.
   • Een risicoregister heeft vóór het modelleren zeven technische onzekerheden gescoord op kans × ernst, elk met een expliciete beheersmaatregel die in de analyse is meegenomen.

   Beslismatrix voor het turbulentiemodel

   Criterium	Weging	Realizable k-ε	SST k-ω
   Nauwkeurigheid bij kromming / loslating	0,30	2	3
   Reken- / meshkosten	0,20	3	2
   Robuustheid voor de resolutie van de wandmesh	0,30	2	3
   Algemene robuustheid van de solver	0,20	3	3
   Gewogen totaal	1,00	2,40	2,80

3. 3

   CFD-model: mesh en opzet

   ANSYS Fluent · hexaëdrische O-grid, y+ ≈ 1

   Het fluïdumvolume, de ruimte die het gas van inlaat tot uitlaat inneemt, is gemesht als een hexaëdrische O-grid met inflatielagen in de grenslaag gericht op een wand-y+ van ongeveer 1, zodat het gebied nabij de wand rechtstreeks wordt opgelost en niet via een wandfunctie.

   Statistieken van de basismesh en de verfijnde mesh

   Instelling	Basismesh	Verfijnde mesh
   Elementen	≈ 1,04 miljoen	≈ 4,64 miljoen
   Wand-y+ (gemiddeld)	0,94	1,05
   Orthogonale kwaliteit (minimum)	0,57	0,83
   Scheefheid (maximum)	0,44	0,44 (ongewijzigd)

   

   

   

4. 4

   Inzichten uit het stromingsveld

   Nabewerking van de CFD

   Naast het getal voor de drukval laat een gedetailleerde nabewerking zien wat er fysisch in de bocht gebeurt, en waar dat telt voor het constructieve ontwerp en de slijtagebestendigheid van het kanaal.

   Zes onafhankelijke resultaten wijzen op dezelfde bevinding. Wand- en binnendruk, wandschuifspanning, turbulente kinetische energie, de topologie van de stroomlijnen en de heliciteit op twee stations stroomafwaarts komen tot één conclusie: de bocht wekt een blijvende secundaire stroming (Dean-wervels) op die binnen het rechte stuk van 8 m stroomafwaarts niet volledig uitdooft. De maximale wanddruk en de maximale wandschuifspanning vallen bovendien op dezelfde plaats samen, de buitenwand bij de ingang van de bocht. Dat maakt juist dat punt de plek om een slijtvaste bekleding te overwegen bij schurend, stofbeladen bedrijf.

   

   

   

5. 5

   Sterkteanalyse (FEA)

   ANSYS Mechanical · schaalmodel uit het SolidWorks-volumemodel

   De bocht met de aansluitende rechte stukken, uit het CAD-volumemodel geïdealiseerd tot een schaal, is getoetst onder twee belastinggevallen: de uniforme ontwerpdruk van het systeem en het niet-uniforme wanddrukveld dat de CFD zelf oplost.

   A. Uniforme ontwerpdruk

   Maximale spanning 0,436 MPa, maximale vervorming 8,9 µm

   B. Druk uit de CFD

   Maximale spanning 0,429 MPa, maximale vervorming 10,5 µm

   C. Plooien (maatgevend)

   Belastingsfactor van mode 1: 34,661 bij 3,0 kPa

   ≈540veiligheidsfactor tegen vloeien, beide belastinggevallen≈34,7veiligheidsfactor tegen plooien, maatgevende controle4streefwaarde VF tegen plooien (verhoogd van een basiswaarde van 3)

De afgeronde studie is daarna punt voor punt getoetst aan de eigen uitgangsspecificatie: zie de integratie- en specificatiecontrole in de technische details.

• Aandachtspunt

  Controleer de diameterafhankelijkheid voordat een algemene K-factor wordt vertrouwd

  Een verliescoëfficiënt uit het handboek leek op een afwijking in de CFD, totdat die werd herleid tot de basis van de tabel: kleine buizen. Een les voor elk toekomstig kanaalsysteem met grote diameter: controleer het opgegeven geldigheidsbereik van een algemene coëfficiënt vóór toepassing, niet erna.

• Het erosierisico heeft nu een specifieke plaats

  De maximale wanddruk en de maximale wandschuifspanning vallen samen op de buitenwand bij de ingang van de bocht. Bij heet, stofbeladen bedrijf is dat in een productieontwerp de aangewezen plek voor een slijtvaste bekleding of extra wanddikte.

• Plooien is ruim maatgevend, vloeien niet

  Met een veiligheidsfactor tegen plooien van ongeveer 35 (na een conservatieve reductie voor imperfecties nog steeds 15–17) tegen een streefwaarde van 4, en een veiligheidsfactor tegen vloeien van ruim 500, kan bij toekomstige dimensionering van kanalen op deze lijn plooien onder uitwendige druk vanaf het begin als maatgevende controle worden behandeld.

• Twee controles aanbevolen vóór productie

  Een aparte meshconvergentiestudie voor de FEA, naar het voorbeeld van de vergelijking tussen basismesh en verfijnde mesh in de CFD-fase, en een berekening met thermische belasting bij de bedrijfstemperatuur van 200 °C, hier wegens de beperkte duur van de stage uitgesteld, zijn de twee duidelijkste vervolgstappen.