DE1147714B

DE1147714B - Vorrichtung und Verfahren zur Halterung und zum Transport elektrisch leitender, freischwebender Substanzen

Info

Publication number: DE1147714B
Application number: DEV12851A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Phil Robe Brenner; Dr Rer Nat Albrecht Mager
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1957-08-01
Filing date: 1957-08-01
Publication date: 1963-04-25
Also published as: DE1147714C2

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Halterung und zum Transport elektrisch leitender, frei schwebender Substanzen Es sind Vorschläge für Anordnungen bekannt, mit denen metallische Werkstoffe ohne Berührung mit einem Tiegel im festen Zustand frei schwebend gehalten oder auch geschmolzen werden können. Die bekannten Vorrichtungen arbeiten mit elektromagnetischen Feldern, die einen genügend starken Auftrieb auf den in der Schwebe zu haltenden Körper ausüben, so daß die auf den Körper wirkende Schwerkraft kompensiert wird. Bekannte Anordnungen sehen vor, entweder spiralförmig gewickelte Tellerspulen oder Zylinderspulen oder konische Spulen übereinander anzubringen und zwischen den übereinander angeordneten Spulen den Schwebekörper.
Ältere, nicht zum Stande der Technik gehörende Vorschläge gehen dahin, unterhalb des in der Schwebe zu haltenden Körpers einen aus elektrischen Leitern aufgebauten Rost zu verwenden, wobei die einzelnen Leiterteile oder Gruppen von Leiterteilen in verschiedener Richtung vom Strom durchflossen werden.
Allen diesen Anordnungen ist gemeinsam, daß zwar bei geeigneter Wahl der Frequenz und bei ausreichender Stärke des die Spulen oder den Rost durchfließenden Stromes ein elektrisch leitender Körper in festem oder flüssigem Zustand in mehr oder weniger kompakter Form frei schwebend gehalten werden kann, bei den bekannten Anordnungen kann jedoch der geschmolzene Körper, solange er sich im stabilen Schwebezustand befindet, nur eine kompakte, z. B. birnen- oder zapfenförmige Gestalt annehmen. Eine längere, z. B. zylindrische Form kann der Schmelzkörper bei den bekannten Anordnungen nur im Falle des Ablaufens erhalten. Dann kann aber bei den bekannten Anordnungen nicht mehr von einem stabilen Schwebezustand gesprochen werden. Der abfließende Strahl ist vielmehr der Schwerkraft unterworfen und bewegt sich nach den Gesetzen des freien Falles. Mit den bekannten Vorrichtungen war es nicht möglich, frei schwebende Schmelzen in rinnen- oder rohrartigen Gebilden zu halten, in diesen beliebig fortzubewegen und damit einen gesteuerten Materialtransport frei schwebend zu ermöglichen.
Es kann aber erwünscht sein, eine frei schwebende Schmelze in gewünschterRichtung und mitgewünschter Geschwindigkeit zu bewegen und sie z. B. in eine oder mehrere Gießformen abzuleiten. Es kann auch erwünscht sein, festes oder geschmolzenes Material zum Zwecke der Reinigung, sei es durch Verdampfen unerwünschter Bestandteile oder durch Bilden flüchtiger Bestandteile durch Reaktion zwischen unerwünschten Bestandteilen des frei schwebenden Körpers mit der ihn umgebenden Atmosphäre, sich über gewisse Strecken bewegen zu lassen. Eine solche Bewegung kann in verschiedener Richtung, unter Umständen auch von unten nach oben oder im Kreislauf gewünscht werden.
Interessant wäre eine Bewegungsmöglichkeit für frei schwebendes Metall beispielsweise auch in Verbindung mit dem an sich bekannten Zonenschmelzen, bei dem z. B. ein Metallstab durch eine Heizzone gezogen und dadurch jeweils ein schmaler Abschnitt des Stabes geschmolzen wird, der beim Weiterziehen aus der Schmelzzone heraus wieder erstarrt.
Auch das frei schwebende Durchziehen eines elektrisch leitenden Körpers durch eine Glühzone kann erwünscht sein. Es wäre auch erstrebenswert, frei schwebende Schmelzen kontinuierlich durchführen zu können.
Bei der einen oder anderen Arbeitsweise kann es z. B. auch in Frage kommen, die Schmelze senkrecht in Form eines geschmolzenen Zylinders für eine beliebige Zeit stehenzulassen, was z. B. wichtig ist bei einem Bauelement für Anordnungen von Rohrsystemen nach der Art von kommunizierenden Röhren oder Behältern.
Erfindungsgemäß wird der frei schwebende Transport von elektrisch leitenden Körpern, insbesondere von Metallkörpern, in rohrartigen Gebilden mit vorgegebener Geschwindigkeit und in vorgegebener Richtung dadurch ermöglicht, daß man die Körper durch ein elektromagnetisches Feld führt, daß die Wirkung der Schwerkraft auf die frei schwebenden Körper ganz oder teilweise aufhebt. Dieses Feld wird mit Hilfe von mit Wechselstrom durchflossenen Leitem erzeugt, wobei die Leiter in der Oberfläche einer den frei schwebenden Körper nach Art eines Rohres umgebenden Hülle liegen. Diese Hülle braucht kein materieller Körper zu sein, sondern es kann darunter auch ihre abstrakte Raumform verstanden sein. Wenn bei waagerechter oder schräger Lage der Hülle nur deren Unterseite mit Leitern besetzt ist, ergeben sich entsprechende rinnenartige Gebilde. Die Leiter werden vom Strom ausreichend hoher Frequenz und ausreichend hoher Stromstärke durchflossen, wobei die Stromrichtung in benachbarten Leitern bzw. Leiterteilen einander entgegengesetzt ist.
Eine Abwandlung besteht darin, daß einzelne Leiterteile zu Gruppen zusammengefaßt werden, daß mehr als zwei solcher in gleicher Richtung liegenden Gruppen vorhanden sind, falls mit wendelförmigen Leitern gearbeitet wird, und daß die Stromrichtung in benachbarten Gruppen entgegengesetzt ist. Eine Leitergruppe im Sinne der Anmeldung sind mehrere räumlich beieinanderliegende Leiter bzw. Leiterteile, die von Strömen gleicher Richtung durchflossen werden.
Die Zahl der in der die Schmelze umgebenden Hülle angeordneten Leiter kann verschieden sein. Es müssen z. B. mindestens zwei gestreckte Leiter vorhanden sein, zwischen denen der frei schwebende Körper sich erstrecken kann. Frequenz und Stromstärke richten sich nach der Art und insbesondere der elektrischen Leitfähigkeit des frei schwebenden zu bewegenden Körpers, wobei die Frequenz um so höher sein muß, je schlechter die Leitfähigkeit des Körpers ist, und wobei die Stromstärke um so größer sein muß, je größer das Gewicht des zu bewegenden frei schwebenden Körpers ist. Die Leiter bestehen zweckmäßig aus mit Wasser oder flüssigen Metallen gekühlten Hohlkörpern, z. B. Kupferröhren.
Ein Beispiel einer gruppenweisen Anordnung von Leitern zeigt Abb.1. Mit a, b, c und d sind die Querschnitte von vier Gruppen von Leitern angedeutet. Die Leiter der Gruppen a und c sind in jedem Augenblick in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen wie die Leiter der Gruppen b und d. Mit e ist der Querschnitt des frei schwebenden Körpers bezeichnet.
Die Leiter können auch nach Art einer befilaren Wendel in der Oberfläche einer Hülle liegen, wie dies Abb.2 in perspektivischer Sicht wiedergibt. Die Stromrichtung in benachbarten Windungen ist verschieden.
Die Leiter können schließlich auch aus einer Reihe von Einzelspulen bestehen, die nicht notwendigerweise vom gleichen Wechselstrom durchflossen sein müssen.
Je nach der Neigung der Vorrichtung gegen die Horizontale kann man bei gleicher Frequenz und gleicher Stromstärke die Schwerkraft ganz oder teilweise ausschalten und dadurch eine Fortbewegung des frei schwebenden Körpers mit gewünschter Geschwindigkeit und in gewünschter Richtung erreichen.
Mit der Anordnung nach der Erfindung kann das geschmolzene Metall in ähnlicher Weise wie in einem geschlossenen Rohr bewegt werden. An Stelle .eines materiellen Rohres tritt aber ein durch das Magnetfeld gebildeter rohrförmiger Raum, .dessen Wirkung auf die Fortleitung des geschmolzenen Materials analog zu der durch eine materielle Rohrwand gegebenen Fortieitung einer Flüssigkeit ist. Damit ist aber ein wesentlicher Unterschied und Fortschritt gegenüber bekannten Anordnungen gegeben. Wie schon eingangs erwähnt, kann mit den bekannten Anordnungen geschmolzenes Metall nur als kompakter Körper in einem engbegrenzten Raum innerhalb des Magnetfeldes gehalten werden. Sobald das geschmolzene Metall diesen engbegrenzten Raum verläßt und damit eine gestreckte Form annimmt, unterliegt es den Gesetzen des freien Falles, und der Gießstrahl wird nur noch durch Oberflächenkräfte zusammengehalten. Er kann nicht beliebig abgelenkt werden. Er kann auch nicht etwa angehalten werden, zumindest nicht, ohne seine langgestreckte Form zu verlieren.
Ganz anders verhält sich das geschmolzene Material in der erfindungsgemäßen Anordnung. Dort wird das geschmolzene Material durch elektromagnetische Kräfte gehalten und kann in beliebig gewünschter Richtung bewegt werden. Es können Teile von dem geschmolzenen Metall abgetrennt und z. B. in horizontaler Richtung zu einer Gießform geleitet werden. Es können ferner ebenso wie in einem materiellen Rohrsystem einzelne Teile der Flüssigkeit verzweigt oder, ähnlich wie in Rohrkrümmern, die Richtung ihrer Bewegung geändert werden.
Man hat es auch in der Hand, die Bewegung des festen oder die Strömung des geschmolzenen, frei schwebenden Körpers an bestimmten Stellen zu gewünschten Zeiten abzubremsen oder zu sperren: Dies wird z. B. dadurch möglich, daß man um die Hülle, in deren Oberfläche sich die stromdurchflossenen Leiter befinden, eine oder mehrere aus einer oder mehreren Windungen bestehende Spule anordnet, wie in Abb. 3 wiedergegeben. Es sind a die das Feld erzeugenden stromdurchflossenen Leiter, e ist das frei schwebende Material. f ist eine Spule, die in der Regel von Strom anderer Frequenz durchflossen ist als die Leiter a. Die Frequenzen der die Spule f und die Leiter a durchfließenden Ströme sollen möglichst unabhängig voneinander sein, um störende Schwebungen im Kraftfeld zu vermeiden. Durch das von der Spule f herrührende zusätzliche Feld wird bei geeignet gewählter Frequenz eine Einschnürung der frei schwebenden Schmelze e bewirkt, die bei ausreichend hoher Stromstärke bis zu einer Trennung des Schmelzkörpers s an der Stelle g führen kann, so daß zwar z. B. der in der Abbildung links von der Stelle g liegende Teil des Körpers e noch abfließen kann, ein weiteres Nachströmen des rechts von der Stelle g liegenden Teils des Körpers e jedoch unterbunden wird. Mit der gleichen ventilartigen Anordnung läßt sich eine willkürliche Sperrung des Transportes von festem, stückigem Material bewirken.
Die zusätzliche Spule oder die zusätzlichen Spulen können auch neben der Hülle, in deren Oberfläche sich die stromdurchflossenen Leiter befinden, angeordnet sein, jedoch so, daß ihr Feld in die Hülle hineinreicht.
Grundsätzlich die gleiche Vorrichtung läßt sich zum -frei schwebenden Zonenschmelzen verwenden, nur soll dann die Spule f von Strom verhältnismäßig hoher Frequenz durchflossen werden, Wenn der durchlaufende Körper e sich in festem Zustand befindet, kann dann erreicht werden, daß beim Passieren der Spule f die gerade innerhalb dieser Spule befindliche Zone des Körpers e aufschmilzt und nach Verlassen der Spule f wieder erstarrt.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung kann darin bestehen, daß man die stromdurchflossenen, das Feld erzeugenden Leiter an einer oder mehreren Steilen nach unten auswölbt, wie dies in Abb. dargestellt ist. a bezeichnet wiederum die stromdurchflossenen Leiter. Da der hydrostatische Druck an den tieferen Stellen h größer ist, wird das Material hier in das Gebiet stärkerer Felder gedrückt und somit eine stärkere Aufheizung des frei schwebenden Körpers an den Stellen h bewirkt. Diese stärkere Rufheizung kann beispielsweise dazu benutzt werden, um an diesen Stellen unerwünschte flüchtige Bestandteile zu verdampfen oder um flüssige Zonen zu erhalten.
Die rohrartigen Gebilde lassen sich zu elektromagnetischen Pumpen für frei schwebende Substanzen erweitern. Das Prinzip der lineuren elektromagnetischen Induktionspumpe gehört zum Stand der Technik (Lyon, Liquid Metals Handbock, Oak Ridge Tennessee, 1954). Die Anordnung der Pumpspulen kann ohne weiteres übernommen werden, Es können entweder für das Pumpen besondere Spulen verwendet werden, die neben den in der Hüllenoberfläche liegenden Leitern, die die tragende Kraft für das Schweben hervorrufen, gleichzeitig die Pumpwirkung übernehmen, wenn sie von mehrphasigem Wechselstrom geeigneter Frequenz und geeigneter Stromstärke durchflossen werden.
Beim Transport frei schwebender flüssiger Leiter kann ein weiteres Transportprinzip verwirklicht werden. Durch die Wirkung zusätzlicher, örtlicher Felder werden in der Flüssigkeit Einschnürungen erzeugt. Eine Fortbewegung der Flüssigkeit kann dadurch erzielt werden, daß eine oder mehrere Einschnürungen in der Bewegungsrichtung verschoben werden. Diese Verschiebung kann mechanisch durch bewegte Zusatzspulen, besser aber durch Anwendung von mehrphasigen Strömen bewirkt werden, z. B. drei in der Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Spulen, die mit den einzelnen Phasen eines dreiphasigen Stromes gespeist werden.
Werden die Frequenz dieses mehrphasigen Stromes und die Anordnung der zugehörigen Spulen bzw. Leitersysteme geeignet gewählt, so können diese Spulen gleichzeitig die Aufgabe der Erzeugung des zum Schweben erforderlichen Feldes mitübernehmen.
Als Antriebsmittel für die Bewegung können außer der elektromagnetischen Pumpe oder der Verschiebung von Einschnürungen z. B. die Schwerkraft oder Gasströme oder elektrodynamische Druckwirkung angewendet werden.
In einer Versuchsanordnung mit vier symmetrisch auf einem Kreiszylinder angeordneten wassergekühlten Kupferleitungen wurden feste und geschmolzene Metallproben in der Schwebe gehalten und deren Bewegung unter Einwirkung der Schwerkraft bei verschiedenen Neigungswinkeln der Anordnung gegen die Horizontale sowie unter der Einwirkung von Luftströmungen studiert.
Mangels jeden materiellen Kontaktes ergab sich eine nahezu reibungsfreie Beweglichkeit der festen oder flüssigen Proben.
Das Versuchsmodell hatte eine nutzbare Länge von etwa 20 cm. Die den frei schwebenden Körper umgebenden Leiter bildeten eine Hülle von etwa 15 mm Durchmesser. Die etwa 4 mm starken Kupferleiter waren von Wechselstrom mit 100 kHz und einigen hundert Ampere durchflossen.
Die Versuche wurden bisher mit festem Aluminium, Kupfer, Nickel und Stahl sowie flüssigem Aluminium durchgeführt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE-. -" 1. Vorrichtung, in der feste oder flüssige elektrisch leitende Körper, insbesondere langgestreckte Metallkörper, frei schwebend gesteuert bewegt oder gehalten werden können, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche einer den oder die frei schwebenden Körper nach Art eines Rohres umgebenden Hülle von Wechselstrom durchflossene Leiter angeordnet sind und jeweils benachbarte Leiter bzw. Leiterteile in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen sind.
2. Vorrichtung, in der feste oder flüssige elektrisch lcitendeKörper,insbesondere langgestreckte Metallkörper, frei schwebend gesteuert bewegt oder gehalten werden können, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche einer den oder die frei schwebenden Körper nach Art eines Rohres umgebenden Hülle von Wechselstrom durchflossene Leitergruppen angeordnet und benachbarte Leitergruppen in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen sind, wobei im Falle von wendelförmigen Leitern die Zahl der in einer Richtung liegenden Gruppen mehr als zwei beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gestreckte Leiter in der Oberfläche einer den oder die frei schwebenden Körper nach Art eines Rohres umgebenden Hülle angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in Form einer oder mehrerer befilarer Wendeln in der Oberfläche einer den oder die frei schwebenden Körper nachArt eines Rohres umgebenden Hülle angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß um oder neben der Hülle, die den oder die frei schwebenden Körper umgibt und in deren Oberfläche die stromdurchflossenen Leiter liegen, zusätzlich zu den stromdurchflossenen Leitern eine oder mehrere vom Strom anderer Frequenz durchflossene Spulen angeordnet sind, derart, daß das elektromagnetische Kraftfeld im Innern der Hülle willkürlich beeinflußbar ist.
6. Verfahren zum Regulieren des Materialflusses von frei schwebenden Körpern unter Benutzung der Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke in den die Hülle umgebenden oder neben ihr angeordneten Spulen im Sinne des gewünschten Materialflusses geregelt wird.
7. Verfahren zum frei schwebenden Zonenschmelzen unter Benutzung der Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenz und Stromstärke in den die Hülle umgebenden oder neben ihr angeordneten Spulen so geregelt werden, daß der frei schwebende Körper beim Durchlaufen durch eine oder mehrere Spulen bis über seinen Schmelzpunkt erhitzt wird. B. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter an mindestens einer Stelle derart nach unten ausgewölbt sind, daß eine stärkere Rufheizung an der betreffenden Stelle erzielbar ist. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fortbewegung des leitenden Materials Wicklungen nach Art einer elektromagnetischen Induktionspumpe mit mehrphasigen Wechselströmen angeordnet sind. 10. Verfahren zum Regulieren des Materialflusses von frei schwebenden Körpern unter Benutzung der Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Oberfläche der Hülle angeordneten, stromdurchflossenen Leiter die tragenden Kräfte für das Schweben und zugleich die Pumpwirkung nach dem Prinzip der Induktionspumpe hervorrufen. 11. Verfahren zur Erzielung einer Pumpwirkung unter Benutzung der Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zusätzlichen Spulen Einschnürungen in dem leitenden Material erzeugt werden, die in der gewünschten Bewegungsrichtung verschoben werden. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungen durch mechanische Fortbewegung der Spulen verschoben werden. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungen durch Anwendung mehrphasiger Wechselströme verschoben werden. 14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13; dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Einschnürungen durch die in der Hülle angeordneten Leiter erzielt wird. 15: Verwendung der Vorrichtungen oder einer Kombination der Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 8 und 9 als Ventile, Pumpen und Leitungen. 16. Verwendung der Vorrichtungen oder einer Kombination der Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 8 und 9 als Gefäß zum Durchführen metallurgischer Prozesse ohne Berührung der Schmelze mit einem materiellen Träger bzw. einer Unterlage. In Betracht gezogene Druckschriften: The Iron Age, 31. Juli 1952, S. 83 bis 86; Metall, 7. Jahrgang, 1953, H.19/20, S. 751 bis 754.