Clausthal University of Technology
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Ressourcenschonende Erzeugung von hochwertigen Mangan-Ferrolegierungen für hochmanganhaltige Stähle
Full text linkHochmanganhaltige Stähle bieten hervorragende mechanische Eigenschaften in Kombination mit einer verringerten Dichte und einem kostengünstigen Legierungskonzept. Ihr Mangangehalt liegt mit rd. 10 bis 30 Gew.-% wesentlich höher als in konventionellen Stählen. An die manganhaltigen Legierungsmittel zur Stahlerzeugung werden daher hohe Anforderungen gestellt. Dies betrifft sowohl deren chemische Zusammensetzung als auch die Ressourceneffizienz, Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit ihrer Erzeugung. Die vorliegende Arbeit erörtert zunächst den Stand der Technik manganhaltiger Rohstoffe und Legierungsmittel sowie die Raffination hochmanganhaltiger Stahlschmelzen: Handelsübliche Manganerze sind nur begrenzt verfügbar und weisen i. d. R. beträchtliche Gehalte an Eisen und Phosphor auf. Letzterer lässt sich durch Erzaufbereitung nicht ausreichend entfernen. Alternative, arme Manganerze mit noch höheren Gehalten an Eisen und Phosphor sind weltweit reichlich vorhanden und umfassend nutzbar zu machen. Gleiches gilt für Reststoffe wie manganreiche Stahlwerksschlacken und -stäube. Unter den herkömmlichen Mangan-Legierungsmitteln, d. h. Ferro- und Silicomangan sowie elektrolytisches Manganmetall, ist letzteres wohl die erste Wahl zur Erzeugung hochmanganhaltiger Stähle. Es weist jedoch gravierende Nachteile auf: Eine energieintensive, umweltbelastende Herstellung, hohe Gehalte an Selen und Wasserstoff in Standardsorten sowie hohe Kosten insbesondere für ggf. erforderliche Spezialsorten. Die Raffination hochmanganhaltiger Stahlschmelzen ist aus thermodynamischer Sicht für Silicium, Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff in hinreichendem Maße möglich. Hingegen lässt sich Phosphor nur unzureichend entfernen, so dass der Phosphorgehalt der eingesetzten manganhaltigen Legierungsmittel von besonderer Bedeutung ist. Infolgedessen besteht ein Bedarf nach weiterentwickelten Prozessen zur ressourcen- und umweltschonenden Gewinnung von hochwertigen Mangan-Ferrolegierungen. Zu diesem Zweck konzipiert die vorliegende Arbeit eine großtechnische, pyrometallurgische Gewinnungsroute, die eine Modifikation bzw. Erweiterung der konventionellen Prozesse darstellt. Sie basiert auf den Prinzipien der mehrstufigen selektiven Reduktion sowie der selektiven Oxidation. Ihr wesentliches Merkmal ist die zweistufige Erzeugung einer eisen- und phosphorarmen Manganschlacke als hochwertiges Zwischenprodukt aus minderwertigen Roh- und Reststoffen, wobei Roheisen bzw. -stahl als Koppelprodukt anfällt. Die Gewinnungsroute gliedert sich in vier Prozessstufen: 1. Festkörperreduktion, 2. Schmelztrennung, 3. Erzeugung von Silicomangan, 4. Entsilicierung von Silicomangan. Die Untersuchung der einzelnen Prozessstufen erfolgt anschließend im Dreiklang aus technologisch orientierten Versuchen im Labormaßstab, thermodynamischer Simulation und Literaturrecherche. Hierbei stehen die thermodynamischen Gleichgewichte im Mittelpunkt. Die jeweils zentralen Parameter werden identifiziert und grob optimiert. Ebenso werden die Verteilungsgleichgewichte der Störelemente Phosphor, Schwefel, Titan und Bor untersucht. Insgesamt gelingt es, wesentliche Prozess- und Rahmenbedingungen der Gewinnungsroute zu klären und deren technische Eignung im Grundsatz nachzuweisen
Engineering of safety in automated safety-critical systems through design-time verification and runtime validation of environment assumptions
Full text linkAutomatisierte Systeme kommen häufig in sicherheits- und missionskritischen Anwendungen zum Einsatz. Ein Ausfall solcher Systeme kann nicht nur zum Scheitern der Mission führen, sondern auch Menschenleben gefährden. Aufgrund ihrer Komplexität und Kritikalität erfordern automatisierte sicherheitskritische Systeme einen strukturierten und rigorosen Entwicklungsprozess mit klar definierten Aufgaben für Verifikation und Validierung, um ihre Sicherheit zu gewährleisten. Formale Verifikationsmethoden in der Entwurfsphase können die Korrektheit eines Systems im Hinblick auf Sicherheitsanforderungen mathematisch nachweisen. Allerdings sind diese Methoden auf die Informationen beschränkt, die den Systemingenieuren zum Zeitpunkt der Entwicklung zur Verfügung stehen. Zudem stoßen sie aufgrund von Skalierbarkeitsproblemen an Grenzen, sodass die Größe der Systeme, die überprüft werden können, begrenzt ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden Tests eingesetzt, die die Verifikation in der Entwurfsphase ergänzen. Während des Systemtests prüfen Testorakel in Form von Eigenschaftsmonitoren, ob das Systemverhalten die vorgegebenen Anforderungen erfüllt. Während des Betriebs können jedoch unvorhergesehene Ereignisse in der Umgebung auftreten, die Sicherheitsrisiken verursachen. Diese Gefahren entstehen nicht durch Systemfehler, sondern weil Annahmen über die Betriebsumgebung, die während der Entwicklung getroffen wurden, nicht mehr gültig sind. Die für die Verifikation der Systemanforderungen entwickelten Eigenschaftsmonitore können solche Annahmeverletzungen nicht erkennen, da die Umgebungsannahmen zur Entwurfszeit nicht explizit definiert werden. Um diese Einschränkungen zu adressieren, schlägt diese Arbeit einen ingenieurwissenschaftlichen Ansatz vor, der die Qualitätssicherung automatisierter sicherheitskritischer Systeme um die Verifikation und Validierung von Umgebungsannahmen erweitert. Bereits während der Entwicklung werden diese Annahmen explizit festgelegt und darauf basierende Monitore abgeleitet. Während der Testphase liegt der Fokus der Qualitätssicherung sowohl auf der Überprüfung der Umgebungsannahmen-Monitore als auch auf der Validierung des implementierten Systems. Die Anforderungsvalidierung umfasst dabei sowohl die Sicherheitsanforderungen des Systems als auch die Überprüfung der Umgebungsannahmen. Der vorgeschlagene Ansatz ist in den Entwicklungsprozess integriert und wird anhand zweier Anwendungsfälle evaluiert: eines mobilen Serviceroboters sowie einer Automobilfunktion zur präzisen Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit.Automated systems are often used in highly safety- and mission-critical applications. Failure of automated systems could lead to mission failure and endanger human life. Being complex and safety- and mission-critical in their nature, automated safety-critical systems benefit from a structured and rigorous system development process with clearly specified tasks for verification and validation in order to make sure that such systems are safe. Formal verification methods used at design-time can provide proof of the system’s correctness with respect to a safety property specification. Yet, design-time verification methods can reason only on the basis of the information which is available to the systems engineers at design-time. Furthermore, design-time verification techniques have scalability issues, which limits the size of the systems that can be verified. Testing is used to complement design-time verification and overcome its scalability issues. During system test, test oracles in form of property monitors check whether the behavior of the system fulfills the system requirements. During the system operation, events unforeseen during the system design phase occur in the operational environment and result in safety hazards. These hazards do not appear as consequence of system faults, but because assumptions made about the operational environment during design-time are not valid anymore. The property monitors designed to check the system requirements cannot detect the assumptions violation, because there is no explicit definition of the environment assumptions at system’s design-time. In order to address these limitations, this thesis proposes an engineering approach which extends the quality assurance goals for automated safety-critical systems towards the verification and validation of environment assumptions. During system design, environment assumptions are explicitly defined and monitors are derived from the environment assumptions definition. During system testing, the quality assurance goals are to test the environment assumptions monitors as well as the implemented system. Requirements validation means both the validation of the system safety requirements as well as the validation of the environment assumptions. The approach is integrated in the system development process and is evaluated on the basis of two applications systems: a mobile service robot and an automotive function for accurate vehicle speed estimation
Iron-based intermetallic hard alloys for wear protection
Full text linkThe intermetallic hard alloys, the Tribaloys, were developed in the 1970s on the basis of cobalt and nickel. Both base materials are expensive educts, whereby cobalt in particular is limited in its applicability (e.g. food industry, power plant components) and at the same time the demand in certain branches of industry, e.g. electromobility, is very high. It would therefore be desirable to develop an iron-based intermetallic hard alloy with good wear resistance and good processability through a welding process. Preliminary investigations have shown that the intermetallic Laves phase Fe2Ti is very well suited for use as a hard phase in an iron-based wear-resistant alloy. This publication shows that it is possible to produce a coating with an iron-based, intermetallic alloy using a plasma powder cladding process, which can be applied with low cracking, using a modified alloy concept and an improved process strategy. The influence of the alloying elements on the formation of the microstructure morphology is also considered. In addition, the wear resistance in the Miller test according to ASTM G75 is compared with two commercially available cobalt-based alloys and an iron-titanium alloy. It can be shown that the modification of the alloy composition results in different characteristics of the hard phases. The wear resistance of the newly developed iron-based intermetallic hard alloys is significantly higher in the Miller test according to ASTM G75 compared to the two commercially available alloys. Furthermore, an improvement in the wear resistance of the newly modified alloys was achieved compared to the iron-titanium alloy already investigated
Optimization of the melting behaviour of filling-alloyed, high-chromium cored wires in GMAW
Full text linkThe alloy composition of filling-alloyed flux-cored wires is achieved by adjusting the filling components while keeping the wire tube material constant. The advantage of this type of flux-cored wire is the more economical and flexible manufacturing process. A disadvantage is that due to the high alloy concentrations in the filling, micro-scale segregation can occur in the melt pool. The reason for this is the separate melting of the wire sheath and the filling, which is typical for flux-cored wires. As a result, the melting of the filling is often incomplete, so that solid particles are transferred into the melt pool and precipitate as micro-segregations occur. Within this work, it was investigated whether, and to what extent, the melting behaviour of filling-alloyed flux-cored wires can be influenced by the targeted adaptation of the wire temperature. For this purpose, different methods to influence the wire temperature were developed. The methods were validated on the one hand by analysing the melting process using high-speed images. On the other hand, individual droplets of the melted filler material were separated and evaluated metallographically. Overall, it was found that the micro-segregations in the weld metal could be reduced up to 84 % with increasing wire temperature
DAG-DLT system architecture for data storing in ad hoc sensor networks
Full text linkDistributed ledger technologies (DLT) enable the storage of information in a traceable manner. This is especially relevant for sensor networks, where environmental variables or measured values from manufacturing and supply processes need to be documented immutably. To illustrate this need, this paper presents different scenarios which would benefit from such a comprehensible documentation with DLT. However, sensor networks often have an ad hoc network topology characterized by high churn, impeding the application of DLT. This paper first introduces the basic concepts of DLT and describes persistent challenges in ad hoc networks. Furthermore, this paper presents a system architecture that allows the usage of DLT in ad hoc networks to store acquired data directly where it is collected
WIP: dynamic source routing-based multi-connectivity routing protocol
Full text linkIndustrial applications, such as process control and monitoring, are increasingly reliant on wireless communication, which in turn imposes stringent demands on network performance. Multiconnectivity (MC), which includes packet duplication, packet splitting, and load balancing, has been proposed to overcome limitations in wireless communication by leveraging multiple communication paths to enhance reliability, throughput, and latency performance. While extensive research has focused on singlehop multi-connectivity, research on MC in multi-hop networks is limited, despite its potential to exploit different diversity types for increased resilience and adaptation. Therefore, this work highlights the benefits and challenges of path discovery and selection for MC in wireless multi-hop networks and proposes a dynamic source routing-based MC protocol that incorporates all packet schemes. Additionally, two different orchestration modes are discussed: centralized and distributed orchestration of packet schemes and routes
Development and experimental investigation of an electrically rechargeable zinc-air battery
Full text linkEine Vielzahl nationaler und internationaler Abkommen zielt darauf ab, fossile Energieträger durch erneuerbare Energiequellen zu ersetzen. Dadurch werden die ins Netz einzuspeisenden Energieströme in Zukunft stärkeren Schwankungen unterliegen, was eine Zwischenspeicherung von Energie erforderlich macht. Konventionelle Batterietechnologien, die beispielsweise Lithium oder Blei enthalten, können den zukünftigen Bedarf nicht vollständig decken. Dies ist einerseits auf die aufkommende Lithiumknappheit zurückzuführen, die durch die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen verursacht wird. Andererseits weist die Blei-Säure-Batterie nur eine geringe Langzeitstabilität auf und ist daher in ihrer Anwendung eingeschränkt. Eine Alternative zu diesen Batterien könnte die Zink-Luft-Batterie sein, die nachweislich mehrere wirtschaftliche und ökologische Vorteile aufweist. In den letzten Jahrzehnten wurde viel Forschung und Entwicklung zur Langzeitstabilität von sekundären Zink-Luft-Batterien unternommen, doch nur wenige Unternehmen geben an, ein kommerzielles Produkt zu vertreiben. Über die Lebensdauer dieser Batteriesysteme liegen leider keine detaillierten Informationen vor. Die in den Patenten veröffentlichten Daten lassen jedoch darauf schließen, dass es bei den Zellkomponenten, der Betriebsweise und dem Zelldesign nach wie vor ein großes Optimierungspotenzial besteht. In der vorliegenden Arbeit wird ein verbessertes Zelldesign für eine Zink-Luft-Batterie mit einem Durchflusskonzept vorgestellt. Grundlegend besteht das Zellkonzept aus einem porösen Metallschaum, der als Substrat für die Zinkabscheidung dient, und einer bifunktionalen Gasdiffusionselektrode (GDE), die die Sauerstoffreduktion und -entwicklung ermöglicht. Die Kombinierung dieser Elektroden in einem kompakten Zellaufbau erlaubt den Betrieb bei hohen Stromdichten, bei gleichzeitiger Vermeidung unerwünschter Zinkstrukturen wie Dendriten. Eine Machbarkeitsstudie für die Anwendung des vorgeschlagenen Konzepts in einem stationären Energiespeichersystem weist im Vergleich zu einem kommerziell erhältlichen System, das auf der Vanadium-Flow-Batterietechnologie basiert, erhebliche Vorteile in Bezug auf Kosten und CO2-Fußabdruck auf. Der Funktionsnachweis wurde mit einer Batteriezelle im Labormaßstab bei einer technisch relevanten Stromdichte von 50 mAcm−2 erbracht. Nach mehr als 200 Lade-Entlade-Zyklen (>700 h) wurde das Experiment beendet. Die Untersuchung der abgeschiedenen Zinkschichten auf dem Metallschaum zeigte, dass sich keine dendritischen Strukturen ausgebildet haben. Die fortschreitende Degradation der bifunktionalen GDE stellte sich als limitierender Faktor für den weiteren Betrieb heraus. Der Grund war die Verwendung von Silber als bifunktionalen Katalysator, der für seine geringe Stabilität in oxidativen Reaktionsumgebungen bekannt ist. Nichtsdestotrotz zeigte dieses Experiment eindeutig, dass die Zinkelektrode die Lebensdauer der Batterie nicht begrenzt, was im Widerspruch zu zahlreichen Publikationen in der Literatur steht. Es wurden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die optimale Dicke der porösen Metallschaumelektrode zu bestimmen. Dazu wurden Potentialsonden in die Poren des Metallschaums eingeführt, um die lokalen Überspannungen und somit die Aktivität während des Betriebs zu untersuchen. Unabhängig von der angelegten Stromdichte wurde die höchste Aktivität stets innerhalb der ersten 5 mm der Schaumelektrode in der Nähe des Separators gemessen. Darüber hinaus konnte ein Überspannungsbereich von 22 mV bis 100 mV ermittelt werden, in dem sich die gewünschten Zinkstrukturen bevorzugt bilden. Die aus den Experimenten gewonnenen Erkenntnisse dienten zur Validierung eines mathematischen Modells. Das verwendete Modell ermöglicht die Simulation stationärer Betriebsbedingungen und ist in der Lage, die Überspannungen in den Poren entlang der Dicke der Schaumelektrode zu berechnen. Trotz der Einfachheit des verwendeten Modellansatzes stimmen die berechneten Werte bereits gut mit den experimentell ermittelten Messdaten überein.Numerous national and international agreements aim to replace fossil fuels with renewable energy sources. As a result, the energy streams provided will become more volatile in the future, making intermediate energy storage necessary. Conventional battery technologies, such as those based on lithium or lead, cannot meet the future demand entirely. On the one hand, this is due to the emerging lithium shortage caused by the increasing demand for electric vehicles. On the other hand, the lead-acid battery has only a low long-term stability and is therefore limited in its application. The zinc-air battery could be an alternative to these batteries, as it has proven to offer several economic and environmental benefits. In recent decades, a lot of research and development has been done on the long-term stability of secondary zinc-air batteries, but only a few companies claim to have a commercially viable product. Unfortunately, there is no detailed information on the lifespan of these battery systems. However, the data published in the patents suggest that there is still a lot of potential for optimization in the cell components, operating mode and cell design. Herein, an improved cell design for a zinc-air battery with a flow-through concept is proposed. In detail, the cell concept consists of a porous metal foam, which serves as a substrate for the zinc deposition, and a bifunctional gas diffusion electrode (GDE), which enables oxygen reduction and evolution. Combining these electrodes in a compact cell design allows operation at high current densities, while avoiding unwanted zinc structures such as dendrites. A feasibility study for application of the proposed concept in a stationary energy storage system shows significant advantages in terms of costs and carbon footprint compared to a commercially available system based on the vanadium flow battery technology. The proof of concept was carried out with a single-cell battery on a laboratory scale at a technically relevant current density of 50 mAcm−2. After more than 200 charge-discharge cycles (>700 h), the experiment ended. The examination of the zinc deposits on the metal foam showed that no dendritic zinc structures were present. Progressive degradation of the bifunctional GDE was indicated as the limiting factor for further operation of the battery cell. The reason for this was the use of silver as a bifunctional catalyst, which is known for its limited stability in oxidative reaction environments. Nevertheless, this experiment clearly showed that the zinc electrode does not limit the battery’s lifespan, which contradicts many reports in the literature. Further investigations were conducted to determine the optimal thickness of the porous foam electrode. Therefore, potential probes were inserted into the pores of the metal foam to examine the local overpotentials and thus the activity during operation. Independently of the applied current density the highest activity was always observed within the first 5 mm of the foam electrode near the separator. In addition, an overpotential range of 22 mV to 100 mV was determined, in which the desired zinc structures preferentially form. The knowledge gained from the experiments was used to validate a mathematical model. The model enables the simulation of stationary operating conditions and is able to determine the overpotentials in the pores across the thickness of the foam electrode. Despite the simplicity of the model approach used, the calculated values are already in good agreement with the experimentally determined data points