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Erzeugung ablauffreier Tragkraftverteilungen beim induktiven Schwebeschmelzen elektrisch leitender Stoffe

Leitung:Prof. Dr.-Ing. E. Baake
Bearbeitung:Prof. Dr.-Ing. O. Peşteanu
Laufzeit:01.09.2010- 31.08.2012
Förderung durch:Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Förderkennzeichen: BA 3565 / 3-1
Bild Erzeugung ablauffreier Tragkraftverteilungen beim induktiven Schwebeschmelzen elektrisch leitender Stoffe

Das induktive Schwebeschmelzen ermöglicht u.a. das kontaktlose hochreine Hochtemperaturschmelzen, Legieren und Homogenisieren von hochreaktiven Werkstoffen. Aber das Gewicht der geschmolzenen Charge ist bis heute sehr begrenzt da in konventionellen rotationssymmetrischen Induktions-Schwebeschmelzanlagen für metallische Werkstoffe am untersten Punkt P (Bild 1) auf der Symmetrieachse einer vollständig levitierten Schmelze der Ablauf und das Abtropfen nur durch die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls verhindert werden. Dies ist darin begründet, dass die räumliche Verteilung der elektromagnetischen Kraftdichte entlang der Rotationsachse auf null abfällt. Diese physikalisch bedingte Begrenzung des Schmelzengewichtes ergibt sich auch in den Kalttiegel-Schwebeschmelzöfen.

Vor diesem Hintergrund wurde ein zweijähriges Forschungsprojekt bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) erfolgreich beantragt und mit der Bearbeitung Anfang September 2010 am ETP begonnen. Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens ist die Konzeption und Projektierung tiegelloser Levitations- und Kalttiegel-Schwebeschmelzöfen, bei denen auch in dem untersten Mittelpunkt P (Bild 1) eine Tragkraftdichte realisiert wird. Somit können die Gewichte der in Schwebe geschmolzenen Chargen erheblich vergrößert werden, wodurch die industrielle prozesstechnische Anwendung von Schwebeschmelzanlagen und Kalttiegel-Schmelzöfen erstmals ermöglicht wird.

Die ablauffreien Tragkraftverteilungen sollen in Zweifrequenz-Magnetfeldern mit horizontalen Feldlinien realisiert werden. Zur Erzeugung dieser Felder werden verschiedene neue Konstruktionen einer Induktoranordnung mit zwei Wicklungen entworfen, aufgebaut und untersucht. Die beiden in den Magnetkreis des Induktors eingebetteten Einphasenwicklungen werden mit Strömen unterschiedlicher Frequenz von zwei Umrichtern gespeist, wobei keine gegenseitige elektrische Beeinflussung zwischen den Umrichtern durch die Induktorwicklungen entstehen soll.

Bild 1: Konstruktionen mit Zweifrequenzinduktoren (schematisch)

a) Levitationsofen; b) Kalttiegel-Schwebeschmelzofen; c) Induktionsventil M Magnetkreis des Induktors mit Zweifrequenzwicklung; F Flüssigmetall; K Kaltschmelztiegel

Für ausgewählte Induktionsanlagen sollen Simulationsprogramme zur Berechnung des elektromagnetischen Feldes, der turbulenten Flüssigmetallströmung und der Form der freien Oberfläche entwickelt werden. Die berechneten Ergebnisse werden an verschiedenen aufzubauenden Laborvorrichtungen überprüft. Abschließend sollen hinsichtlich Prozessstabilität optimierte Anlagenausführungen und deren elektrische Betriebsparameter zum praktischen Einsatz der neu entwickelten Konstruktionen ermittelt werden.

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