Macroexothermic phenomena in exothermic additions: mathematical and physical modelling

Abstract

In this paper a mathematical model is presented to predict the macroexothermic phenomena occurring when exothermic additions in lump form are assimilated in ferrous metals. The macroexothermic phenomena take place during the free assimilation period of exothermic additions in ferrous metals. These phenomena are characterized by unique coupled heat, mass and momentum transport phenomena. The presence of a moving boundary complicates further these phenomena. The model uses the Simpler algorithm to solve numerically the pertinent partial differential equations. The extensive verification of the model was carried out in two contexts. The first was, in a low temperature physical model consisting of ice immersion in different sulfuric acid solutions. The melting of ice in these solutions is extremely exothermic. In this physical model, both temperature and velocity measurements were carried out. The model results were compared with experimental measurements and they were found to be in excellent agreement. The second context employed high temperatures, involving the assimilation of silicon in high carbon liquid iron. The model was also applied to predict the position of the moving boundary for these high temperature experiments and a good agreement was obtained. In addition new dimensionless convective heat transfer correlations that quantify these complex phenomena are presented. Die vorliegende Arbeit stellt ein mathematisches Modell zur Vorhersage makroexothermer Phänomene, die auftreten, wenn exotherm reagierende Zusätze in stückiger Form in eisenhaltigen Metallen assimilieren, vor. Die makroexothermen Phänomene treten während der freien Aufnahme von exotherm reagierenden Zusätzen in eisenhaltigen Metallen auf und sind durch außergewöhnliche Kopplungswärme, Stoff- und Momententransportphänomene charakterisiert. Das Vorhandensein wandernder Grenzen trägt weiterhin dazu bei, diese Phänomene zu verkomplizieren. Das Modell benutzt den Simpler-Algorithmus zur numerischen Lösung der entsprechenden partiellen Differentialgleichungen. Die umfassende Überprüfung des Modells geschah für zwei Geltungsbereiche: Der erste bestand in einem physikalischen Modell für tiefe Temperaturen, bei dem Eis in verschiedene schwefelsaure Lösungen eingetaucht wird. Das Aufschmelzen von Eis in diesen Lösungen ist ein extrem exothermer Vorgang. In diesem physikalischen Modell werden sowohl die Temperatur als auch die Geschwindigkeit gemessen. Die Ergebnisse des Modells werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen; die Übereinstimmung ist mehr als gut. Die zweite Variante für hohe Temperaturen bezieht auch die Aufnahme von Silicium in hochgekohlten Eisenschmelzen mit ein. Das Modell wurde auch auf die Vorhersage der Position wandernder Grenzen bei diesen hohen Temperaturen angewendet; auch hier wurde gute Übereinstimmung erzielt. Zusätzlich werden neue Korrelationen für dimensionslosen konvektiven Wärmeübergang präsentiert, die diese komplexen Phänomene quantifizieren.