DE102007038281B4

DE102007038281B4 - Verfahren und Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102007038281B4
Application number: DE102007038281A
Authority: DE
Inventors: Sven Eckert; Dirk RÄBIGER; Bernd Willers; Gunter Gerbeth; Petr A. Nikrityuk; Kerstin Eckert; Roger Grundmann
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-08-04
Also published as: WO2009018810A1; US20100163207A1; DE102007038281A1; JP2010535106A; EP2178661A1

Abstract

Verfahren zum elektromagnetischen Rühren elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten (2) unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF (34) und eines dazu in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF (47), dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das rotierende Magnetfeld RMF (34) als auch das wandernde Magnetfeld WMF (47) diskontinuierlich in Form von zeitlich begrenzten und einstellbaren Periodendauern (T_P,RMF, T_P,WMF) und abwechselnd zeitlich nacheinander über zugehörige Induktionsspulen (31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46) zugeschaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten unter Verwendung eines in horizontaler Ebene rotierenden Magnetfeldes und eines dazu in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes.
Aufgrund ihrer kontaktlosen Wechselwirkung mit elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten eröffnen zeitabhängige elektromagnetische Felder eine attraktive Möglichkeit zum Rühren von heißen Metallschmelzen oder Halbleiterschmelzen. Über die Parameter Magnetfeldamplitude und Magnetfeldfrequenz kann das elektromagnetische Kraftfeld in einfacher Weise unmittelbar und genau geregelt werden.
Das elektromagnetische Rühren wird im industriellen Maßstab u. a. bei der gerichteten Erstarrung von metallischen Legierungen oder Halbleiterschmelzen angewendet. In diesem Zusammenhang besteht ein wesentliches Problem darin, dass Strömungen in unmittelbarer Umgebung einer voranschreitenden Erstarrungsfront zu Entmischungen im erstarrten Material führen können, welche die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Festkörpers merklich verschlechtern. Aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit einzelner Komponenten in der flüssigen bzw. festen Phase entsteht eine Konzentrationsgrenzschicht an der Erstarrungsfront. Durch den konvektiven Transport der angereicherten Schmelze von der Erstarrungsfront weg wirkt eine Strömung dem Aufbau einer ausgedehnten Konzentrationsgrenzschicht entgegen. Strömt die Schmelze dabei ausschließlich in eine Richtung, kommt es aber in anderen Volumenbereichen zu Entmischungszonen.
Rotierende oder wandernde Magnetfelder kommen bereits in metallurgischen Prozessen, wie dem Stranggießen von Stahl zum Einsatz. Zum Beispiel ist eine Anordnung einer mehrphasigen elektromagnetischen Wicklung zur Erzeugung eines Wanderfeldes senkrecht zur Gießrichtung an einer Stranggießanlage in der Druckschrift DE 1 962 341 A beschrieben.
Ein anderes Verfahren zum Rühren der Stahlschmelze beim Stranggießen ist in der Druckschrift US 2003/0106667 A1 beschrieben, bei dem zwei übereinander angeordnete und gegenläufig rotierende Magnetfelder eingesetzt werden. Während das untere Magnetfeld die eigentliche Funktion des Rührers übernimmt, kommt dem oberen Magnetfeld die Aufgabe zu, die rotierende Schmelze im Bereich der freien Oberfläche auf sehr kleine Geschwindigkeitswerte abzubrem sen, um die negativen Auswirkungen des Rührens – eine Auslenkung und Verwirbelung der freien Oberfläche – zu kompensieren.
Ein Problem besteht darin, dass mit zwei Magnetrührern – dem oberflächenbezogenen oberen Magnetrührer und dem volumenbezogenen unteren Magnetrührer – gearbeitet werden muss. Mit Hilfe des unteren Magnetrührers wird mechanische Energie in die Stahlschmelze gebracht und die Stahlschmelze in Rotation versetzt. Da aber im oberen Bereich der Stranggussanlage eine weit weniger intensive Rotation der Schmelze vorgesehen ist, muss zusätzliche Energie im oberen Magnetrührer aufgewendet werden, um die Strömung dort zu bremsen.
Weitere Verfahren zum elektromagnetischen Rühren in Stranggusskokillen sind in Druckschriften DE 2 401 145 A und DE 3 730 300 A1 beschrieben, bei denen eine periodische Änderung des Stromes in der Spulenanordnung vorgenommen wird. In der Druckschrift DE 2 401 145 A ist beschrieben, dass mit der periodischen Änderung die Ausbildung von sekundären Weißbändern und Sekundärdendriten vermieden werden kann. In der Druckschrift DE 3 730 300 A1 ist ein Verfahren zur Beruhigung der freien Badoberfläche beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass das resultierende Magnetfeld im Innern der Schmelze gleichzeitig eine intensive Rührbewegung aufrechterhält. In den beiden genannten Druckschriften werden für die Zykluszeiten, in denen die Stromrichtung gewechselt werden soll, sehr weite Bereiche, namentlich zwischen 1 und 30 s angegeben. Diese Zykluszeit oder Periodendauer bzw. die Frequenz des Vorzeichenwechsels des Stroms ist ein wichtiger Parameter mit großem Einfluss auf die sich ausbildende Strömung. Beide Druckschriften geben aber keine Vorgaben hinsichtlich einer Periodendauer in Abhängigkeit von der Magnetfeldstarke, der Geometrie der Anordnung oder den Materialeigenschaften der Metallschmelze an.
Eine Einrichtung und ein Verfahren zum intensiven Rühren einer in einem zylindrischen Behälter befindlichen Schmelze, bei dem ein rotierendes Magnetfeld und ein wanderndes Magnetfeld gleichzeitig eingesetzt werden, sind in der Druckschrift JP 2003220323 AA beschrieben. Das rotierende Magnetfeld wird von einer den Behälter umgebenden Radialspule, deren Windungen ringförmig ausgebildet sind, erzeugt, das wandernde Magnetfeld wird von einer Längsspule, deren Windungen sich in einer axialen Richtung mantelabschnittsweise ausdehnen und insgesamt ringförmig den Behältermantel umgeben, erzeugt, wobei die Längsspule zwischen dem Behältermantel und der Radialspule angeordnet ist. Die Radialspule erzeugt eine Rotationsbewegung und die Längsspule erzeugt eine Axialbewegung der flüssigen Schmelze im Behälter. Die gleichzeitige Überlagerung beider Felder erzeugt eine resultierende, stationäre Kraft, die charakteristische und je nach Parameterwahl unter Umständen auch unsymmetrische Strömungsstrukturen hervorruft. Für die Erstarrung bedeutet dies, dass an der Erstarrungsfront Strömungen dominieren, die im zeitlichen Mittel einen Stofftransport in bevorzugte Richtungen und damit Entmischungen verursachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass unsymmetrische Strömungsstrukturen in mit Schmelzen gefüllten Behältern, insbesondere zu Beginn und während des Verlaufs der Erstarrung vermieden werden. Außerdem sollen eine effektive Durchmischung der Flüssigkeit und/oder eine kontrollierte Erstarrung metallischer Legierungen unter Vermeidung der Ausbildung von Entmischungszonen im Erstarrungsgefüge erreicht werden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
In dem Verfahren zum elektromagnetischen Rühren elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten unter Verwendung eines in horizontaler Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF und eines dazu in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF,
werden gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
sowohl das rotierende Magnetfeld RMF als auch das wandernde Magnetfeld WMF diskontinuierlich in Form von zeitlich begrenzten und einstellbaren Periodendauern T_P,RMF und T_P,WMF und abwechselnd zeitlich nacheinander über zugehörige Induktionsspulen zugeschaltet.
Die Dauer T_P,RMF der Perioden des rotierenden Magnetfeldes RMF und die Dauer T_P,WMF der Perioden des wandernden Magnetfeldes WMF können in einem Zeitintervall 0.2·ti.a. < TP,RMF = TP,WMF < 2·ti.a. (I)liegen mit folgender Definition für die Einstellzeit t_i.a.
wobei die Variablen σ, ρ, ω und B₀ die elektrische Leitfähigkeit und die Dichte der Flüssigkeit, die Frequenz und die Amplitude des Magnetfeldes RMF oder WMF bezeichnen, während die Konstante C_g den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit beschreibt und Zahlenwerte zwischen Drei und Fünf annehmen kann. Die Einstellzeit t_i.a. bezeichnet den Zeitpunkt, an dem die volumengemittelte kinetische Energie der meridionalen Strömung oder die volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit U_rz ein erstes Maximum erreicht, wie in der Druckschrift Nikrityuk, Ungarish, Eckert, Grundmann: Spin-up of a liquid metal flow driven by a rotating magnetic field in a finite cylinder: A numerical and an analytical study, Phys Fluids 17, 067101-1 bis 067101-16, 2005, beschrieben ist. Dabei gelten folgende Gleichungen
Im Fall des Rotationsmagnetfeldes RMF ist die sogenannte Einstellzeit t_i.a. (engl. initial adjustment time) mit der Zeitskale identisch, in der sich nach einem abrupten Zuschalten eines rotierenden Magnetfeldes in einer Schmelze, die sich zuvor im Ruhezustand befand, der für die meridionale Sekundärströmung typische Doppelwirbel herausbildet.
Verschiedene Periodendauern T_P,RMF, T_P,WMF können für das rotierende und wandernde Magnetfeld gemäß folgender Bedingung 0.5·TP,RMF < TP,WMF < 5·TP,RMF (II)eingestellt werden.
In den Behälter kann als elektrisch leitende Flüssigkeit metallische oder Halbleiterschmelze gefüllt werden.
Im Zustand einer temperaturkontrolliert gerichteten Erstarrung ist die Amplitude B₀ ^RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF so zu erhöhen, dass mindestens das Maximum der beiden Werte
erreicht wird, wobei die Parameter ν, V_sol und H₀ die kinematische Viskosität der Schmelze, die Erstarrungsgeschwindigkeit bzw. die Höhe des Schmelzenvolumens darstellen. B₁ ^RMF und B₂ ^RMF sind die unteren Grenzwerte der Amplituden des rotierenden Magnetfeldes, die sich im Verlauf der Erstarrung in Abhängigkeit der Parameter ν, V_sol und H₀ verändern können.
Die Amplitude B₀ ^WMF des wandernden Magnetfeldes WMF kann genauso groß oder bis zu viermal größer als die Amplitude B₀ ^RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF eingestellt werden, d. h. B0 WMF = 1...4·B0 RMF (VIII)
Bei der Modulierung des Verlaufs der Lorentzkraft F_L können anstelle der Rechteckfunktion andere Pulsformen, wie beispielsweise Sinus, Dreieck oder Sägezahn, realisiert werden, wobei der Verlauf und der Maximalwert des Magnetfeldes RMF oder WMF so festgelegt werden, dass sich für die verschiedenen Pulsformen ein identischer Energieeintrag ergibt.
Die Amplituden B₀ ^RMF, B₀ ^WMF der Magnetfelder RMF oder WMF können während des Rührens kontinuierlich entsprechend den sich aus dem zu betrachtenden Prozess ableitenden Anforderungen angepasst eingestellt werden.
Die einzelnen Perioden T_P,RMF und T_P,WMF, in denen eines der Magnetfelder RMF oder WMF zugeschaltet ist, können durch eine Pausendauer T_Pause, in denen keines der beiden Magnetfelder RMF oder WMF auf die Flüssigkeit einwirkt, unterbrochen werden, wobei T_Pause ≤ 0.5·T_P,RMF oder T_Pause ≤ 0.5·T_P,WMF eingestellt werden können.
Die Richtung des rotierenden Magnetfeldes RMF und/oder des wandernden Magnetfeldes WMF kann zwischen zwei Pulsen invertiert werden.
Die Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten enthält zumindest

– einen zylindrischen Behälter,
– eine den Behälter umgebende zentralsymmetrische Anordnung von mindestens drei Paaren von Induktionsspulen zur Ausbildung eines eine Lorentzkraft F_L erzeugenden, in horizontaler Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF, und
– eine den Behälter umgebende Anordnung von mindestens zwei stapelartig übereinander gereihten Induktionsspulen zur Ausbildung eines in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF und
– mindestens einen Temperatursensor zur Temperaturmessung der Flüssigkeit im Behälter und Temperaturkontrolle seitens einer Steuer-/Regeleinheit,

0.2·ti.a. < TP,RMF = TP,WMF, < 2·ti.a. (I) oder

0.5·TP,RMF < TP,WMF < 5·TP,RMF (II)

Der Behälter mit der Flüssigkeit bzw. flüssigen Schmelze kann konzentrisch innerhalb der Induktionsspulen angeordnet sein.
Der Behälter kann mit einer Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung versehen sein.
Die Bodenplatte des Behälters kann in direktem Kontakt mit einem festen Metallblock stehen, welcher im Innern von einem Kühlmedium durchflossen wird.
Die Seitenwände des Behälters können thermisch isoliert sein.
Der Metallblock kann mit einem Thermostaten in Verbindung stehen.
Zwischen dem Metallblock und dem Behälter kann sich ein Flüssigmetallfilm befinden, um einen stabilen Wärmeübergang bei geringem Übergangswiderstand zu erzielen.
Der Flüssigmetallfilm kann aus einer Galliumlegierung bestehen.
In der Bodenplatte und/oder in/an den Seitenwänden des Behälters, in dem sich die Schmelze befindet, kann mindestens ein Temperatursensor in Form eines Thermoelements positioniert sein, welches eine Information über den Zeitpunkt des Beginns der Erstarrung liefert und mit der Steuer-/Regeleinheit zur Temperaturkontrolle der Flüssigkeit verbunden ist.
Eine Verwendung der Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten nach den Ansprüchen 10 bis 18 kann in Form von metallischen Schmelzen in metallurgischen Prozessen oder in Form von Halbleiterschmelzen in der Kristallzüchtung, zur Reinigung von Metallschmelzen, im Stranggießen oder im Prozess der Erstarrung metallischer Werkstoffe mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9 erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum elektromagnetischen Rühren elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten wird sowohl das rotierende als auch das dazu vertikal wandernde Magnetfeld RMF und WMF diskontinuierlich in Form von zeitlich begrenzten Pulsen zugeschaltet, wobei beide Magnetfelder RMF und WMF abwechselnd und zeitlich nacheinander zugeschaltet werden. Die mit einem Drei-Phasenwechselstrom gespeisten Induktionsspulenpaare werden also derart angesteuert, dass zu jeder Zeit ein Magnetfeld RMF oder WMF auf die Schmelze wirkt.
Die Periodendauer T_P,RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF und die Periodendauer T_P,WMF des wandernden Magnetfeldes WMF können auf einen gleichen Wert eingestellt werden und es erfolgt erfindungsgemäß eine Einstellung nach folgender Bedingung 0.2·ti.a. < TP,RMF = TP,WMF < 2·ti.a. (I).
Sind die Periodendauer T_P,RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF und die Periodendauer T_P,WMF des wandernden Magnetfeldes WMF auf einen zueinander unterschiedlichen Wert eingestellt, dann erfolgt eine Einstellung nach folgender Bedingung: 0.5·TP,RMF < TP,WMF < 5·TP,RMF (II).
Vorzugsweise ist die Periodendauer T_P,WMF des wandernden Magnetfeldes WMF größer oder um ein mehrfaches größer, um eine intensive Durchmischung zu erreichen. Die Amplitude B_P,WMF des vertikal wandernden Magnetfeldes WMF kann mindestens genauso groß sein wie die Amplitude B_P,RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF, vorzugsweise ist sie um ein mehrfaches (maximal 4-fach) größer.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten mit kombinierten Magnetfeldern,
2 ein Schema zur Modulation zwischen den Magnetfeldern RMF und WMF in Form eines (B/B₀) – (t/T_P)-Diagramms zwischen relativem Rotationsmagnetfeld B/B₀ ^RMF = 1 bzw. relativem Wandermagnetfeld B/B₀ ^WMF = 3 und relativer Periodendauer t/T_P,
3 schematische Darstellungen – Momentaufnahmen – der Flüssigkeitsströmungen bei B₀ ^RMF/B₀ ^WMF = 1/1,67, Ta = 1,06·10⁵, T_P = 8,6 s = 0,5·t_i.a., wobei
die Taylor-Zahl darstellt und
3a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist,
3a2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das rotierende Magnetfeld RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist,
3b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist,
3b2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist,
zeigen,
4 schematische Darstellungen – Momentaufnahmen – der Flüssigkeitsströmungen bei B₀ ^RMF/B₀ ^WMF = 1/3, Ta = 1,06·10⁵, T_P = 8,6 s = 0,5·t_i.a., wobei
4a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist,
4a2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das rotierende Magnetfeld RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist,
4b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist,
4b2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist,
zeigen,
5 mehrere schematische Darstellungen der Erstarrung einer Al-Si-Legierung unter Magnetfeldeinfluss – Makrogefüge, die entsprechenden Magnetfelder werden 30 s nach Beginn der Erstarrung zugeschaltet –, wobei
5a ein Makrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wirkenden wandernden Magnetfeldes WMF bei 6 mT,
5b ein Makrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wirkenden rotierenden Magnetfeldes RMF bei 6,5 mT und
5c ein Makrogefüge unter Einfluss der diskontinuierlich und abwechselnd einwirkenden Magnetfelder RMF und WMF mit jeweils 6 mT,
zeigen.
In 1 ist in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung 1 zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten 2 gezeigt, die zumindest enthält

– einen zylindrischen Behälter 14,
– eine den Behälter 14 umgebende zentralsymmetrische Anordnung 3 von mindestens drei Paaren 31, 32, 33 von Induktionsspulen zur Ausbildung eines eine Lorentzkraft F_L erzeugenden, in horizontaler Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF 34, und
– eine den Behälter 14 umgebende Anordnung 4 von die Symmetrieachse 15 koaxial umgebenden stapelartig übereinandergereihten Induktionsspulen 41, 42, 43, 44, 45, 46 zur Ausbildung eines in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF 47 sowie
– mindestens einen Temperatursensor 8 zur Temperaturmessung der Flüssigkeit 2 im Behälter 14 und Temperaturkontrolle seitens einer Steuer-/Regeleinheit 10.

Erfindungsgemäß ist die Stromversorgungseinheit 9 zu den jeweils zugehörigen Induktionsspulen 31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46 mit der Steuer-/Regeleinheit 10 verbunden, wobei eine Stromzufuhr zu den Induktionsspulen 31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46 mit den vorgegebenen Bedingungen 0.2·ti.a. < TP,RMF = TP,WMF < 2·ti.a. (I) oder 0.5·TP,RMF < TP,WMF < 5·TP,RMF (II)eingestellt erfolgt.
Der Behälter 14 befindet sich zentralsymmetrisch inmitten einer Anordnung 3 von Paaren 31, 32, 33 von Induktionsspulen zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes RMF 34 und einer Anordnung 4 von Induktionsspulen 41, 42, 43, 44, 45, 46 eines wandernden Magnetfeldes WMF 47. Die Induktionsspulenpaare 31, 32, 33 und die koaxial zur Symmetrieachse 15 stapelartig übereinandergereihten Induktionsspulen 41, 42, 43, 44, 45, 46 sind jeweils mit der Stromversorgungseinheit 9 verbunden und werden von dort mit einem Strom I_D in Form eines 3-Phasenwechselstroms gespeist und erzeugen ein um die Symmetrieachse 15 der Einrichtung 1 rotierendes, horizontal ausgerichtetes Magnetfeld RMF 34 bzw. ein längs der Symmetrieachse 15 ausgerichtetes, in vertikaler Richtung wanderndes Magnetfeld WMF 47. Die Stromversorgungseinheit 9 ist mit der elektronischen Steuer-/Regeleinheit 10 verbunden, welche in vorgegebenen Abständen ein Zu- und Abschalten des 3-Phasenwechselstromes I_D bewirkt. Das Zu- und Abschalten der Magnetfelder RMF 34 und WMF 47 wird in der Steuer-/Regeleinheit 10 so gesteuert, dass zu jeder Zeit maximal nur ein Magnetfeld RMF 34 oder WMF 47 auf die Schmelze 2 wirkt.
Die Einrichtung 1 des mit der elektrisch leitfähigen Schmelze 2 gefüllten zylindrischen Behälters 14 kann mit einer Kühleinrichtung 11 für die Erstarrung metallischer Schmelzen 2 ergänzt sein. Die Kühleinrichtung 11 enthält einen Metallblock 5, in dessen Innern Kühlkanäle 6 vorhanden sind. Der Behälter 14 steht mit seiner Bodenplatte 12 auf dem Metallblock 5. Die im Innern des Metallblocks 5 befindlichen Kühlkanäle 6 werden während des Erstarrungsprozesses von einem Kühlmittel durchflossen. Mittels der Kühleinrichtung 11 wird der Schmelze 2 die Wärme nach unten entzogen. Eine thermische Isolierung 7 des Behälters 14 verhindert Wärmeverluste in radialer Richtung. An der Bodenplatte 12 und/oder in/an den Seitenwänden 13 des Behälters 14 ist mindestens ein Temperatursensor 8 z. B. in Form eines Thermoelements zur Temperaturkontrolle angebracht. Die Temperaturmessungen ermöglichen eine Überwachung des flüssigen Zustandes, des Beginns und des Verlaufs des Zustandes der Erstarrung und ermöglichen eine zeitnahe Anpassung der Magnetfeldparameter, z. B. B₀ ^RMF, B₀ ^WMF und der Periodendauer T_P, durch die mittels der Steuer-/Regeleinheit 10 gesteuerte Stromversorgungseinheit 9 an die einzelnen Stadien des Erstarrungsprozesses.
Der Behälter 14 mit der Schmelze 2 ist konzentrisch innerhalb der Induktionsspulen 31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46 angeordnet.
Der Behälter 14 kann mit einer Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung 11 versehen sein.
Die Bodenplatte 12 steht in direktem Kontakt mit einem festen Metallblock 5, welcher im Innern von einem Kühlmedium durchflossen wird.
Die Seitenwände 13 des Behälters 14 sind durch einen Isolationsmantel 7 thermisch isoliert.
Der Metallblock 5 steht mit einem Thermostaten (nicht eingezeichnet) in Verbindung.
Zwischen dem Metallblock 5 und dem Behälter 14 kann sich ein Flüssigmetallfilm (nicht eingezeichnet) befinden, um einen stabilen Wärmeübergang bei geringem Übergangswiderstand zu erzielen.
Der Flüssigmetallfilm kann aus einer Galliumlegierung bestehen.
In der Bodenplatte 12 und/oder in/an den Seitenwänden 13 des Behälters 14, in dem sich die Schmelze 2 befindet, ist ein Temperatursensor 8 in Form eines Thermoelements positioniert, welches eine Information über den Zeitpunkt des Beginns der Erstarrung liefert und mit der Steuer-/Regeleinheit 10 verbunden ist.
In 2 ist ein Schema zur Modulation RMF – WMF in Form eines Diagramms zwischen relativem rotierendem Magnetfeld B/B₀ ^RMF = 1 bzw. relativem wanderndem Magnetfeld B/B₀ ^WMF = 3 und relativer Periodendauer t/T_P dargestellt. In diesem Beispiel ist jeweils die zeitliche Abfolge von RMF und WMF dargestellt, wobei die Amplitude des wandernden Magnetfeldes B₀ ^WMF das Dreifache der Amplitude des rotierenden Magnetfeldes B₀ ^RMF beträgt und gleiche Periodendauern T_P,RMF und T_P,WMF gewählt sind.
Durch das Verfahren zum elektromagnetischen Rühren der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit 2 unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF 34 und eines in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF 47 werden erfindungsgemäß, wie in 2 gezeigt ist, sowohl das rotierende Magnetfeld RMF 34 als auch das wandernde Magnetfeld WMF 47 dis kontinuierlich in Form von zeitlich begrenzten und einstellbaren Periodendauern T_P,RMF und T_P,WMF und abwechselnd zeitlich nacheinander erzeugt.
Die Dauer T_P,RMF der Perioden von rotierendem Magnetfeld RMF 34 und die Dauer T_P,WMF der Perioden von wanderndem Magnetfeld WMF 47 können in einem Zeitintervall 0.2·ti.a. < TP,RMF = TP,WMF < 2·ti.a. (I)liegen, mit folgender Definition für die charakteristische Einstellzeit t_i.a.
wobei die Variablen σ, ρ, ω und B₀ die elektrische Leitfähigkeit und die Dichte der Flüssigkeit, die Frequenz und die Amplitude des Magnetfeldes RMF und WMF bezeichnen, während die Konstante C_g den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit beschreibt und Zahlenwerte zwischen Drei und Fünf annehmen kann. Die Einstellzeit t_i.a. bezeichnet den Zeitpunkt, an dem die volumengemittelte kinetische Energie der meridionalen Strömung oder die volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit U_rz ein erstes Maximum erreicht.
Bei vorhandenen verschiedenen Periodendauern T_P,RMF, T_P,WMF für das rotierende Magnetfeld RMF 34 und das wandernde Magnetfeld WMF 47 kann gemäß folgender Bedingung 0.5·TP,RMF < TP,WMF < 5·TP,RMF (II)eingestellt werden.
Im Zustand einer temperaturkontrolliert gerichteten Erstarrung ist die Amplitude B₀ ^RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF 34 so zu erhöhen, dass mindestens das Maximum der beiden Werte
erreicht werden, wobei die Parameter ν, V_sol, und H₀ die kinematische Viskosität der Schmelze 2, die Erstarrungsgeschwindigkeit bzw. die Höhe des Schmelzenvolumens darstellen.
Die Amplitude B₀ ^WMF des wandernden Magnetfeldes WMF 47 kann genauso groß oder bis zu viermal größer als die Amplitude B₀ ^RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF 34 eingestellt werden, d. h. B0 WMF = 1...4·B0 RMF (VIII)
Die Amplituden B₀ ^RMF, B₀ ^WMF der Magnetfelder RMF 34 und WMF 47 können während des Rührens kontinuierlich entsprechend den sich aus dem zu betrachtenden Prozess ableitenden Anforderungen angepasst werden.
Die einzelnen Periodendauern T_P,RMF und T_P,WMF, in denen eines der Magnetfelder RMF 34 oder WMF 47 zugeschaltet ist, können durch eine Pausendauer T_Pause, in denen keines der beiden Magnetfelder auf die Flüssigkeit 2 einwirkt, unterbrochen werden, wobei T_Pause ≤ 0.5·T_P,RMF oder T_Pause ≤ 0.5·T_P,WMF sind.
Die Richtung des rotierenden Magnetfeldes RMF 34 und/oder des wandernden Magnetfeldes WMF 47 kann zwischen zwei Pulsen invertiert werden.
In 3 sind schematische Darstellungen – Momentaufnahmen – der Flüssigkeitsströmungen bei B₀ ^RMF/B₀ ^WMF = 1/1,67, bei der Taylor-Zahl Ta = 1,06·10⁵, T_P = 8,6 s = 0,5·t_i.a. gezeigt, wobei
3a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF 34 eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF 47 ausgeschaltet ist,
3a2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das rotierende Magnetfeld RMF 34 eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF 47 ausgeschaltet ist,
3b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF 47 eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF 34 ausgeschaltet ist und
3b2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das wandernde Magnetfeld WMF 47 eingeschaltet ist und das rotierende Magnetfeld RMF 34 ausgeschaltet ist, zeigen.
Der Vergleich zeigt, dass die meridionale Strömung am Boden des Zylinders beim eingeschalteten WMF 47 geschwächt ist, was zur Verringerung der Entmischung führt.
In 4 sind schematische Darstellungen in Form von Momentaufnahmen der Flüssigkeitsströmungen bei B₀ ^RMF/B₀ ^WMF = 1/3, Ta = 1,06·10⁵, T_P = 8,6 s = 0,5 t_i.a. gezeigt, wobei
4a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF 34 eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF 47 ausgeschaltet ist,
4a2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das rotierende Magnetfeld RMF 34 eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF 47 ausgeschaltet ist,
4b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF 47 eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF 34 ausgeschaltet ist und
4b2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das wandernde Magnetfeld WMF 47 eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF 34 ausgeschaltet ist, zeigen.
In 5 sind mehrere schematische Darstellungen der Erstarrung einer Al-Si-Legierung unter Magnetfeldeinfluss in Form des Makrogefüges im vertikalen Schnitt gezeigt, wobei
5a ein Makrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wirkenden wandernden Magnetfeldes WMF 47 bei 6 mT,
5b ein Mikrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wirkenden rotierenden Magnetfeldes RMF 34 bei 6,5 mT und
5c ein Mikrogefüge unter Einfluss der diskontinuierlich und abwechselnd einwirkenden Magnetfelder RMF 34 und WMF 47 mit jeweils 6 mT darstellen.
Die entsprechenden Magnetfelder RMF 34 und WMF 47 werden jeweils 30 s nach Beginn der Erstarrung am Behälterboden zugeschaltet. Im Zeitraum bis zum Einsetzen der elektromagnetisch angetriebenen Strömung wächst ein grobes kolumnares Gefüge parallel zur Symmetrieachse des Behälters. Im Fall des wandernden Magnetfeldes WMF 47 in 5a ist ein sehr grobes Gefüge zu erkennen. Nach dem Einschalten des wandernden Magnetfelds WMF 47 wachsen die kolumnaren Körner zunächst nahezu unverändert weiter, bis etwa in der Mitte des Probekörpers der Übergang vom kolumnaren zum equiaxialen Wachstum eintritt. Beim kontinuierlich wirkenden rotierenden Magnetfeldes RMF 34 in 5b bildet sich zunächst ein modifiziertes kolumnares Gefüge heraus, d. h. die kolumnaren Körner werden feiner und wachsen zur Seite geneigt. In der Mitte des Probekörpers ist ein Morphologieübergang vom kolumnaren zum equiaxialen Kornwachstum zu beobachten. An der Erstarrungsfront transportiert die Sekundärströmung Si-reiche Schmelze zur Symmetrieachse 15 hin. Dies führt zu typischen Entmischungsmustern, die eine Verarmung eutektischer Phase in den Randzonen und eine Konzentration im Bereich der Symmetrieachse 15 aufweisen. Werden das rotierende Magnetfeld RMF 34 und das wandernde Magnetfeld WMF 47, wie in 5c gezeigt ist, diskontinuierlich nacheinander angewendet, ist sofort mit Aktivierung des elektromagnetischen Rührens ein Übergang vom grobkörnigen kolumnaren zum feinkörnigen equiaxialen Wachstum zu beobachten. Entmischungen sind nicht nachweisbar.
Folgende Vorteile werden durch die Erfindung erreicht:

– Bei der gerichteten Erstarrung dominieren keine Strömungen an der Erstarrungsfront, die im zeitlichen Mittel einen Stofftransport in bevorzugte Richtungen verursachen.
– Damit bilden sich keine unerwünschten Entmischungszonen heraus, die die mechanischen Eigenschaften verschlechtern.
– Eine sehr gute Durchmischung der Metall- oder Halbleiterschmelze ohne Entmischungen ist nachweisbar.
– Ein sparsamer Energieeinsatz für den Rühr- und Mischprozess wird erreicht.
– Es ergeben sich realisierbare Ergebnisse bei den erfindungsgemäß festgelegten Periodendauern für das in horizontaler Ebene rotierende Magnetfeld RMF 34 und das vertikal wandernde Magnetfeld WMF 47.

1: Einrichtung
2: Flüssigkeit
3: Anordnung von Paaren Induktionsspulen
31: erstes Paar
32: zweites Paar
33: drittes Paar
34: rotierendes Magnetfeld RMF
4: Anordnung von koaxial übereinandergereihten Induktionsspulen
41: erste Induktionsspule
42: zweite Induktionsspule
43: dritte Induktionsspule
44: vierte Induktionsspule
45: fünfte Induktionsspule
46: sechste Induktionsspule
47: wanderndes Magnetfeld WMF
5: Metallblock
6: Kühlkanäle
7: Thermischer Isolationsmantel
8: Temperatursensor
9: Stromversorgungseinheit
10: Steuer-/Regeleinheit
11: Kühleinrichtung
12: Bodenplatte
13: Seitenwände
14: Behälter
15: Symmetrieachse

Claims

Verfahren zum elektromagnetischen Rühren elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten (2) unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF (34) und eines dazu in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF (47), dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das rotierende Magnetfeld RMF (34) als auch das wandernde Magnetfeld WMF (47) diskontinuierlich in Form von zeitlich begrenzten und einstellbaren Periodendauern (T_P,RMF, T_P,WMF) und abwechselnd zeitlich nacheinander über zugehörige Induktionsspulen (31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46) zugeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer (T_P,RMF) der Perioden von rotierendem Magnetfeld RMF (34) und die Dauer (T_P,WMF) der Perioden von wanderndem Magnetfeld WMF (47) in einem Zeitintervall 0.2·ti.a. < TP,RMF = TP,WMF < 2·ti.a. (I)liegen, mit folgender Definition für eine Einstellzeit t_i.a.
wobei die Variablen σ, ρ, ω und B₀ die elektrische Leitfähigkeit und die Dichte der Flüssigkeit, die Frequenz und die Amplitude des Magnetfeldes RMF (34) oder WMF (47) und die Konstante C_g den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit (2) darstellen und wobei die Einstellzeit (t_i.a.) den Zeitpunkt darstellt, an dem die volumengemittelte kinetische Energie der meridionalen Strömung oder die volumengemittelte meridionale Geschwindigkeit U_rz ein erstes Maximum erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Periodendauern T_P,RMF, T_P,WMF für das rotierende Magnetfeld RMF (34) und das wandernde Magnetfeld WMF (47) gemäß folgender Bedingung 0.5·TP,RMF < TP,WMF < 5·TP,RMF (II)eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (B₀ ^RMF) des rotierenden Magnetfeldes RMF (34) die folgenden beiden Werte
übersteigen, wobei die Parameter ν, V_sol und H₀ die kinematische Viskosität der Schmelze, die Erstarrungsgeschwindigkeit bzw. die Höhe des Schmelzenvolumens darstellen und B₁ ^RMF und B₂ ^RMF die unteren Grenzwerte der Amplituden des rotierenden Magnetfeldes RMF (34) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (B₀ ^WMF) des wandernden Magnetfeldes WMF (47) genauso groß oder bis zu viermal größer als die Amplitude (B₀ ^RMF) des rotierenden Magnetfeldes RMF (34) eingestellt wird, d. h. B0 WMF = 1...4·B0 RMF (VIII).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modulierung des Verlaufs der Lorentzkraft (F_L) anstelle der Rechteckfunktion andere Pulsformen, wie beispielsweise Sinus, Dreieck oder Sägezahn, realisiert werden, wobei der Verlauf und der Maximalwert des jeweiligen Magnetfeldes RMF (34) oder WMF (47) so festgelegt werden, dass sich für die verschiedenen Pulsformen ein identischer Energieeintrag ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden (B₀ ^RMF, B₀ ^WMF) der Magnetfelder RMF (34) und WMF (47) während des Rührens kontinuierlich entsprechend den sich aus dem zu betrachtenden Prozess ableitenden Anforderungen angepasst eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Periodendauern (T_P,RMF, T_P,WMF), in denen eines der Magnetfelder RMF (34) oder WMF (47) zugeschaltet ist, durch eine Pausendauer T_Pause, in denen keines der beiden Magnetfelder RMF (34) oder WMF (47) auf die Flüssigkeit (2) einwirkt, unterbrochen werden, wobei T_Pause ≤ 0.5·T_P,RMF oder T_Pause ≤ 0.5·T_P,WMF sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des rotierenden Magnetfeldes RMF (34) und/oder des wandernden Magnetfeldes WMF (47) zwischen zwei Pulsen invertiert wird.
Einrichtung (1) zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten (2) unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF (34) und eines in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF (47), zumindest enthaltend – einen zylindrischen Behälter (14), – eine den Behälter (14) umgebende zentralsymmetrische Anordnung (3) von mindestens drei Paaren (31, 32, 33) von Induktionsspulen zur Ausbildung eines eine Lorentzkraft F_L erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes, RMF (34) und – eine den Behälter (14) umgebende Anordnung (4) von mindestens zwei koaxial zur Symmetrieachse (15) stapelartig übereinandergereihten Induktionsspulen (41, 42, 43, 44, 45, 46) zur Erzeugung des vertikal wandernden Magnetfeldes WMF (47) sowie – mindestens einen Temperatursensor (8) zur Temperaturmessung der Flüssigkeit (2) im Behälter (14) und Temperaturkontrolle seitens einer Steuer-/Regeleinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromversorgungseinheit (9) zu den Induktionsspulen (31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46) mit der Steuer-/Regeleinheit (10) verbunden ist, wobei die Stromzufuhr zu den Induktionsspulen (31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46) mit den vorgegebenen Bedingungen 0.2·ti.a. < TP,RMF = TP,WMF < 2·ti.a. (I) oder 0.5·TP,RMF < TP,WMF < 5·TP,RMF (II)eingestellt erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (14) mit der Schmelze (2) konzentrisch innerhalb der Induktionsspulen (31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (14) mit einer Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung (11) versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (12) des Behälters (14) in direktem Kontakt mit einem festen Metallblock (5) steht, welcher im Innern von einem Kühlmedium durchflossen wird.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (13) des Behälters (14) thermisch isoliert sind.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallblock (5) mit einem Thermostaten in Verbindung steht.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Metallblock (5) und dem Behälter (14) ein Flüssigmetallfilm befindet, um einen stabilen Wärmeübergang bei geringem Übergangswiderstand zu erzielen.
Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigmetallfilm aus einer Galliumlegierung besteht.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bodenplatte (12) und/oder den Seitenwänden (13) des Behälters (14), in dem sich die Schmelze (2) befindet, mindestens ein Temperatursensor (8) in Form eines Thermoelements positioniert ist, welches eine Information über den Zeitpunkt des Beginns der Erstarrung liefert und mit der Steuer-/Regeleinheit (10) zur Temperaturkontrolle der Flüssigkeit (2) verbunden ist.
Verwendung der Einrichtung (1) zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten (2) nach den Ansprüchen 10 bis 18 in Form von metallischen Schmelzen in metallurgischen Prozessen oder in Form von Halbleiterschmelzen in der Kristallzüchtung, zur Reinigung von Metallschmelzen, beim Stranggießen oder bei der Erstarrung metallischer Werkstoffe mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9.