DE10349980A1 - Method for cooling e.g. metal or metal oxide melt through which current is flowing comprises feeding pulsed high direct current or alternating current through it - Google Patents

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Abstract

Method for cooling a melt through which current is flowing comprises feeding a high DC and/or AC current through it. The currents are pulsed and the melt is a pure or mixed metal, metal oxide or mixed metal-ceramic melt.

Description

Wenn eine Schmelze unter Stromeinfluss abkühlt, fließen die Elektronen über die Elektronengasdecke ab. Bei der Abkühlung der (Metall)(Oxid)-Schmelze/Mischmetall-Keramikschmelze oder einer Metallschmelze strukturiert sich das Gefüge über die Legierungsbestandteile je nach Zusammensetzung über die Temperatur. Das Elektronengas steht hierbei aber nur mehr oder weniger zur Verfügung. Wenn der Stromfluss durch die Schmelze an einem Abkühlpunkt das Elektronenangebot überschreitet, tritt ein Mangel auf, und der Widerstand in der Schmelze steigt an.If cooling a melt under the influence of current, the electrons flow over the Electron gas blanket off. During the cooling of the (metal) (oxide) melt / mixed metal ceramic melt or a molten metal, the structure is structured over the alloy components depending on the composition over the temperature. The electron gas is here but more or less available. When the flow of current through the melt at a cooling point exceeds the electron supply, If there is a defect, the resistance in the melt increases at.

Durch das Ansteigen des Widerstandes erhöht sich die Stromdichte lokal dem elektrischen Leitwert.By As the resistance increases, the current density increases locally the electrical conductivity.

Bei der Kristallisation bilden sich Vorzugsrichtungen aus, die Stromdichteabhängig sind.at The crystallization form preferential directions that are current density dependent.

Wir haben es in einer Abkühlenden Schmelze mit einer Parallel- und Serienschaltung unendlich vieler Widerstände zu einem Netzwerk zu tun, bei der erst in der Schmelze alles homogen, aber bei Aufkommen erster Kristallisation netzwerkorientiert sind, wobei erst eine starke Durchmischung stattfindet.We have it in a cooling Melt with a parallel and series circuit infinitely many resistors to do a network in which everything in the melt is homogenous, but at advent of first crystallization are network oriented, wherein only a strong mixing takes place.

Es handelt sich hier, beispielsweise um eine Verbindung bei bestimmter Temperatur, bei der ein Teil Flüssig, aber der andere Teil schon Fest ist. Der Strom nimmt den Weg des geringsten Widerstandes und fließt dort ab, wo sich Korngrenzen bilden. Dabei beeinflußt der Strom die Gefügebildung.It is here, for example, a connection at certain Temperature at which a part of liquid, but the other part is already solid. The stream takes the path of the lowest resistance and flows away where grain boundaries form. It influences the stream the structure formation.

Wird dem hohen Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert, bekommt die abkühlende Schmelze ab einer bestimmten Grenzfrequenz ein dispersives Verhalten, wobei die Gefügebildung je nach Adsorbtionsvermögen mit den Korngrenzen rekombiniert. Es entstehen Übergangsgefüge und keine festen Grenzen mehr.Becomes superimposed on the high DC an alternating current gets the cooling melt above a certain cutoff frequency a dispersive behavior, wherein the structure depending on Adsorbtionsvermögen recombined with the grain boundaries. Transitional structures arise and no fixed boundaries more.

Mit diesen Verhalten stromdurchfluteter Schmelzen lassen sich über die Gefügebeeinflussung auch die Werkstoffparameter ändern.With This behavior of current-flowing melts can be over the structure influence also change the material parameters.

Die Art der Pulsung des Gleichstromes ist ebenso von Bedeutung, wie der Pulskurvenverlauf. Auch die Frequenz und der Kurvenformverlauf einer Gleichstrom überlagernden Wechselstrom.The Type of pulsation of DC is as important as the pulse curve course. Also the frequency and the curve shape a DC overlying AC.

Eine hochfrequente und von hoher Strom hervorgerufene Gefügesreaktion ist sehr wünschenswert, da eine Anzahl sich kurzzeitig und intensiv ausbildender Stromentladungen in die Gefügegrenzen gebildet werden, die zu einer kurzzeitigen, intensiven Entladungen innerhalb des Gefügeraumes führen. Es ist aber über den Gefügewiderstand ein Gleichgewicht des Energieeintrages zu berechnen.A high frequency and high current induced microstructural reaction is very desirable there are a number of short-term and intensive train discharges formed in the structure boundaries Become a short-term, intense discharges within of the fabric room to lead. It but is over the structural resistance to calculate a balance of energy input.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Hochfrequenzfeld derart betrieben, daß der Stromeintrag in das sich abkühlende Gefüge/Schmelze gepulst werden kann. Durch die erfindungsgemäße Regelung des Hochfrequenzfeldes eines elektrisch gepulsten oder wechelfeldüberlagerten Gleichstromsfeldes wird erreicht, daß sich eine gleichmäßige Übergangsfeldentladung innerhalb der Widerstandsgrenzen des Gefüge/Schmelze im hoher Intensität ausbildet, die nur eine geringe Entladungsneigung aufweist. Statt dessen wird aufgrund der hohen Frequenz erreicht, daß sich kurzzeitige, niederohmige Energieentladungen innerhalb des Gefüges/Schmelze in Form von „Stromblitzen" ausbilden.In a particularly advantageous embodiment of the method is operated the high frequency field such that the current input in the cooling Structure / melt can be pulsed. By the inventive control of the high frequency field an electrically pulsed or alternating field superimposed DC field it is achieved that a smooth transition field discharge within the resistance limits of the structure / melt in high intensity forms, which has only a low discharge tendency. Instead of this is achieved because of the high frequency that short-term, low-resistance energy discharges within the structure / melt in the form of "electricity flashes".

Zwar wirken diese Stromentladungen nur kurzzeitig, dafür aber aufgrund ihrer Anzahl in dem der Widerstandsgrenzen benachbarten Bereiche bei der hohen Potentztialdifferenzen besonders intensiv. In einer besonders vorteilltaften Ausgestaltung wird das Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz im MHz-Bereich betrieben. Eine derart hohe Frequenz trägt zur Bildung des homogen stationären, sich im thermischen Gleichgewicht befindlichen Hochstrombeeinflussung bei, bei der Ausgleichsvorgänge durch Entladungen in Form von niederohmigen Stromladungen in die Korngrenzen und damit eine intensiven Diffusionsreaktion erfolgt.Though act these current discharges only for a short time, but because of their number in the regions adjacent to the resistance boundaries especially intense in the case of high potential differences. In a particularly vorteilltaften design is the high frequency field operated at a frequency in the MHz range. Such a high frequency contributes to the formation of homogeneously stationary, in thermal equilibrium Hochstrombeeinflussung at, during the balancing operations by discharges in the form of low-impedance current charges in the Grain boundaries and thus an intense diffusion reaction takes place.

Besonders günstig ist es, wenn der Strom durch ein Hochfrequenzfeld mit einem steil ansteigenden, impulsförmigen Verlauf erzeugt wird, bei dem in weiterer Ausgestaltung der steil ansteigende impulsförmige Verlauf auf Werte kleiner oder gleich etwa 500 V/us begrenzt wird. Durch derartige Stromsverläufe wird die Bildung von hochohmigen, nur kurzzeitigen Stromentladungen an den Gefügegrenzen innerhalb der Gefüges/Schmelze begünstigt.Especially Cheap It is when the current through a high frequency field with a steep rising, pulse-shaped History is generated, in which in a further embodiment of the steep rising impulsive History is limited to values less than or equal to about 500 V / us. By such current courses The formation of high-impedance, only short-term current discharges at the structural boundaries within the structure / melt favored.

In einer anderen Weiterbildung wird das Hochfrequenzfeld auf einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf ausgeregelt, der im Bereich der Flanken der Sinusfunktion einen steil ansteigenden Verlauf aufweisen kann.In another development, the high frequency field to a essentially sinusoidal Course corrected, in the range of the edges of the sine function can have a steeply rising course.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, einen potentialdifferenzbildende Wechelstrom zu erzeugen, der ein Stromfeld in einer Schmelze, dessen Spannungsform eine Ladung durch die Schmelze fließen lässt, beispielsweise ein gepulster Gleichstrom oder ein gleichstromüberlagerte Wechselstrom.The inventive solution of The task is to create a potential difference-forming alternating current to generate a current field in a melt whose voltage shape a charge can flow through the melt, for example a pulsed one DC or DC superimposed AC.

Die Schmelze bildet mit einem potentialdifferenzbildenden Wechelstrom ein Dispersionsspektrum mit einem Schmelzen/Gefügewiderstand über die Frequnz aus.The melt forms a dispersion spectrum with a melting / microstructure resistance with a potential difference-forming alternating current the Frequnz out.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Transformator zur Hochtransformation der durch den Spannungsgenerator erzeugten Wechselstrom vorgesehen, wobei eine Ladungsverschiebung im statistischen Mittel nur in eine Ladungstransportrichtung hin erfolgt.at a preferred embodiment is a transformer for the high transformation of the voltage generator provided alternating current, wherein a charge shift statistically only in a charge transport direction he follows.

Der angelegte Wechselspannung kann unterschiedliche Signalformen aufweisen.Of the applied AC voltage may have different signal shapes.

Bei einer ersten Ausführungsform ist die erzeugte Wechselspannung nahezu sinusförmig, wobei die positiven Halbwellen größer sein müssen als die Negativen Halbwellen oder umgekehrt.at a first embodiment the AC voltage generated is nearly sinusoidal, with the positive half-waves to be taller have to as the negative half-waves or vice versa.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die erzeugte Wechselspannung pulsförmig, wobei ebenfalls eine Halbwellenabweichung in der Fläche der Spannungsfunktion zwischen der positiven und den negativen Halbfunktion da sein muss.at an alternative embodiment the generated AC voltage is pulsed, where also one Half wave deviation in the area of the Voltage function between the positive and the negative half-function must be there.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Spannungsgenerator neben der Wechselspannung zusätzlich eine Gleichspannung. Dabei kann es sich dann allerdings beispielsweise um eine reine Sinuswechselspannung handeln.at a preferred embodiment In addition to the AC voltage, the voltage generator additionally generates one DC. It may, however, then, for example to act as a pure sine wave voltage.

In diesem Fall wird an der Schmelze neben dem elektrischen Wechselstrom zusätzlich ein elektrischer Gleichstrom überlagert.In This case is at the melt next to the electrical AC additionally an electrical DC superimposed.

Die Stromstärke des an der Schmelze angelegten elektrischen Stromes beträgt vorzugsweise zwischen 10 A und 100 A/mm2.The current intensity of the electric current applied to the melt is preferably between 10 A and 100 A / mm 2 .

Sinkt die Pulsweite mit entsprechendem Pulsflankenanstig von ab 1KA/ns unter 500 ms, oder kleiner, ab, werden Kristalle innerhalb der Schmelze weiter zerkleinert. Der Pulsflankenanstieg und die Pulsbreite sind ein Maß für die partikuläre Zerkleinerung der KeimkristalleSinks the pulse width with corresponding Pulsflankenanstig from 1KA / ns below 500 ms, or smaller, from, crystals will continue within the melt crushed. The pulse edge rise and the pulse width are on Measure for the particulate shredding the germinal crystals

Bei Anlegen von zwei Wechselspannungen an die Schmelze entsteht nach dem Überlagerungsprinzip eine Differenzfrequenz der Frequenzen beider Wechselströme, was in der Schmelze zu einem interferierenden Stromfeld und zur Ausbildung von Schallfeldern führen kann, was zur Unterdrückung von dynamischen Überschwingungen der Schmelze beiträgt.at Applying two alternating voltages to the melt arises after the overlay principle a difference frequency of the frequencies of both alternating currents, what in the melt to an interfering current field and to training lead from sound fields can, what to suppress dynamic overshoots the melt contributes.

Claims (32)

Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine(Metall)(Oxid)-Schmelze darstellt.Cooling a melt under electrical current flow characterized in that the melt is a (metal) (oxide) melt. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Mischmetall-Keramikschmelze darstellt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the melt represents a mixed metal ceramic melt. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Mischmetallschmelze darstellt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the melt represents a mixed metal melt. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine reine Metallschmelze darstellt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the melt is a pure molten metal. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss durch die Schmelze an verschiedenen Abkühlpunkten das Elektronenangebot überschreitet.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the flow of current through the melt at different cooling points exceeds the electron supply. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallisation sich in Vorzugsrichtungen ausbildet, die Stromdichteabhängig sind.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the crystallization forms in preferential directions that are current density dependent. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass bei Aufkommen erster Kristallisation stromabhängig eine starke Durchmischung stattfindet.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that in the case of first crystallization current-dependent a strong mixing takes place. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass ein starker Gleichstrom durch die Schmelze fließt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that a strong direct current flows through the melt. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass ein starker Wechselstrom durch die Schmelze fließt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that a strong alternating current flows through the melt. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass ein gleichstromüberlagerter Wechselstrom durch die Schmelze fließt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that a DC superimposed AC current flows through the melt. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass der Stromeintrag in das sich abkühlende Gefüge/Schmelze gepulst wird.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the current input into the cooling Structure / melt is pulsed. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, einen potentialdifferenzbildende Wechelstrom zu erzeugen, der ein Stromfeld in einer Schmelze fliessen lässt.cooling down a melt under electrical current flow characterized, a potential difference forming alternating current to produce a current field to flow in a melt. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass ein Transformator zur Hochtransformation der durch den Spannungsgenerator erzeugten Wechselstrom vorgesehen ist, der eine Ladungsverschiebung im statistischen Mittel nur in eine Ladungstransportrichtung hin erzeugt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that a transformer for the high transformation of the voltage generator generated alternating current, which is a charge shift statistically only in a charge transport direction generated. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Wechselstrom durch die Schmelze nahezu sinusförmig, wobei die positiven Halbwellen größer sein müssen als die Negativen Halbwellen oder umgekehrt.Cooling a melt under electrical current flow, characterized in that the produce te alternating current through the melt almost sinusoidal, the positive half-waves must be greater than the negative half-waves or vice versa. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass der die Schmelze durchflutende Wechselstrom unterschiedliche Signalformen aufweist.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the alternating current flowing through the melt has different signal forms having. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass bei einer alternativen Ausführungsform ist die erzeugte, der Schmelze angelegten Wechselspannung pulsförmig ist, wobei ebenfalls eine Halbwellenabweichung in der Fläche der Spannungsfunktion zwischen der positiven und den negativen Halbfunktion da sein muss.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that in an alternative embodiment is the generated, the melt applied AC voltage is pulsed, likewise a half-wave deviation in the area of the Voltage function between the positive and the negative half-function must be there. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke des an der Schmelze angelegten elektrischen Stromes vorzugsweise zwischen 10 A und 100 KA/mm2 beträgt.Cooling a melt under electrical current flow, characterized in that the current strength of the applied electric current to the melt is preferably between 10 A and 100 KA / mm 2 . Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit einer Stromdichte extrem hohen Stromdichte, mindestens zu Aufrechterhaltung der Wärmeabfuhr beaufschlagt wird.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the melt with a current density extremely high current density, at least to maintain heat dissipation is charged. Abkühlem einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze unter Aufrechterhaltung eines Energieinputs in die Schmelze zwangsabgekühlt wird.Abkühlem a melt under electrical current flow, characterized in that the melt while maintaining an energy input in the Melt forcibly cooled becomes. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass der Abkühlungsgradient in einem bestimmten Verhältnis zum Stromfluß steht.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the cooling gradient in a certain ratio to the current flow. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweite des Stromes mit entsprechendem Pulsflankenanstig von ab 1KA/ns unter 500 ms, oder kleiner absinkt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the pulse width of the current with a corresponding Pulsflankenanstig of from 1KA / ns less than 500 ms, or less. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass durch Anlegen von zwei Wechselspannungen an die Schmelze nach dem Überlagerungsprinzip eine Differenzfrequenz der Frequenzen beider Wechselströme, was in der Schmelze zu einem interferierenden Stromfeld führt.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that by applying two alternating voltages to the melt according to the superposition principle a difference frequency of the frequencies of both alternating currents, what in the melt leads to an interfering current field. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass durch anlegen zweier oder mehrerer Ströme in der Schmelze unterschiedliche Interferrenzströme erzeugt werden.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that by creating two or more streams in the melt different Interferrenzströme be generated. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Ströme unterschiedliche Stromrichtungen besitzen.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the different streams have different current directions. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass durch einen hochfrequenten und von hoher Stromdichte hervorgerufene Gefügesreaktion herbeigeführt wird.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that by a high frequency and high current density caused structural response brought becomes. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Anzahl sich kurzzeitig und intensiv ausbildender Stromentladungen in die Gefügegrenzen gebildet werden, die zu einer kurzzeitigen, intensiven Entladungen innerhalb des Gefügeraumes führen.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that by a number of short-term and intensive train discharges into the structural boundaries be formed, resulting in a short-term, intense discharges within the structural space to lead. Abkühlen einer Schmelze unterelektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens das Hochfrequenzfeld derart betrieben wird, daß der Stromeintrag in das sich abkühlende Gefüge/Schmelze flankensteil Höststromgepulst wird.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that in a particularly advantageous embodiment of the method the High-frequency field is operated such that the current input in the cooling Structure / melt flank part of the high current pulse becomes. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass durch die erfindungsgemäße Regelung des Hochfrequenzfeldes eines elektrisch gepulsten oder wechelfeldüberlagerten Gleichstromsfeldes erreicht wird, daß sich eine gleichmäßige Übergangsfeldentladung innerhalb der Widerstandsgrenzen des Gefüge/Schmelze im hoher Intensität ausbildet, die nur eine geringe Entladungsneigung aufweist.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that by the regulation according to the invention of the high-frequency field of an electrically pulsed or alternating field superimposed DC field is achieved, that is a uniform transition field discharge forms within the resistance limits of the structure / melt in high intensity, which has only a slight tendency to discharge. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass durch einem hohen Stromfrequenzeintrag erreicht wird, daß sich kurzzeitige, niederohmige Energieentladungen innerhalb des Gefüges/Schmelze in Form von „Stromblitzen" ausbilden.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that achieved by a high power frequency entry, that short-term, low-resistance energy discharges within the structure / melt in the form of "electricity flashes". Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass in einer besonders vorteilltaften Ausgestaltung das Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz im MHz-Bereich betrieben wird.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that in a particularly vorteilltaften embodiment, the high frequency field operated at a frequency in the MHz range. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch eine Hochfrequenzspannung mit einem steil ansteigenden, impulsförmigen Verlauf an der Schmelze erzeugt wird, bei dem in weiterer Ausgestaltung der steil ansteigende impulsförmige Verlauf auf Werte kleiner oder gleich etwa 500 V/us begrenzt wird.cooling down a melt under electrical current flow, characterized in that the current through a high-frequency voltage with a steeply rising, pulsed History is generated at the melt, in the further embodiment the steeply rising pulse-shaped History is limited to values less than or equal to about 500 V / us. Abkühlen einer Schmelze unter elektrischem Stromfluß dadurch gekennzeichnet, dass in einer anderen Weiterbildung das Hochfrequenzfeld auf einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf ausgeregelt wird, der im Bereich der Flanken der Sinusfunktion einen steil ansteigenden Verlauf aufweist.Cooling a melt under electrical current flow, characterized in that in another embodiment, the high-frequency field is corrected to a substantially sinusoidal course, ei in the region of the edges of the sinusoidal function NEN steeply rising course has.
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