DE2212804A1 - Stromleitungspumpe fuer korrosive Fluessig-Metalle - Google Patents

Description

Patsp.tonwali 8 München 13, <

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Prankreich

STROMLEITUNGSPUMPE PUR KORROSIVE PLUSSIG-METALLE

Die Erfindung "betrifft eine Stromleitungspumpe zur Förderung von korrosiven Flüssig-Metallen wie beispielsweise Aluminium, Zink, Gusseisen und Stahl.

Die Verwendung von Pumpen für flüssige Metalle hat gleichzeitig mit der Entwicklung verschiedenerTechniken an Bedeutung zugenommen, die die Förderung von flüssigen Metallen erfordern, insbesondere die Förderung von flüssigen Metallen für Giessereiarbeiten, Reinigungsverfahren für Metalle sowie deren Verwendung als Kühlmittel in der Kerntechnik. Beim Betrieb dieser Pumpen werden im allgemeinen die -leitenden Eigenschaften flüssiger Metalle ausgenutzt und das flüssige Metall wird von der elektromagnetischen Kraft in Bewegung versetzt. Hierbei sind zwei Typen elektromagnetischer Pumpen zu unterscheiden, nämlich Stromleitungspumpen und Induktionspumpen.

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Beim ersten Pumpentyp wird ein Strom durch ein Querstück der Leitung bzw. der Strömung des flüssigen Metalls bei Vorhandensein eines senkrecht zur elektrischen Stromrichtung und zur Strömungsrichtung des flüssigen Metalls verlaufenden Magnetfeldes hindurchgeleitet, so dass im Flüssig-Metall eine Kraft entsteht, die in Richtung der dritten Achse eines Orthogonal-Koordinatensystems verläuft, deren erste beidaa. Achsen in der Richtung des Magnetfeldes bzw, in der Stromrichtung verlaufen. Derartige leirih+· herzustellende Pumpen, wenn die das flüssige Metall f*drdernde Leitung selbst ein guter Leiter ist, konnte bisher zur Verwendung mit korrosiven flüssigen Metallen nicht herangezogen werden, da von diesen die üblichen Metallrohre angegriffen worden wären. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik können somit Stromleitungspumpen nur zum Umwälzen von wenig korrosiven Metallen wie beispielsweise alkalischen Metallen, Blei, Silber oder Magnesium verwendet werden.

Pur die Verwendung mit aktiveren Metallen mussten die Leitungen für die Förderung der flüssigen Metallen aus im allgemeinen elktrisch schlecht leitenden hitzebeständigen Stoffen hergestellt werden. Aus diesem Grunde werden üblicherweise Induktionspumpen verwendet. Bei diesem zweiten Pumpentyp induzieren entsprechend angeordnete Magnetkreise im flüssigen Metall ein wanderndes Magnetfeld, das das geschmolzene Metall im Innern der Rohrleitungen nach derselben Art fortbewegt, wie der Leiterkäfig eines Asynchron-Motors in Drehung versetzt

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wird, wodurch dieser Pumpentyp in gewisser Weise mit Linearmotoren zu vergleichen ist.

Induktionspumpen nehmen jedoch in der Regel ziemlich viel Platz ein, da die Magnetkreise um ein aus hitzebeständigem Material hergestellten Rohr herum anzuordnen sind, so dass ihre Verwendung in zahlreichen Fällen nicht in Frage kommt, wenn die Pumpe auf begrenztem Raum unterzubringen ist. Ausserdem erfolgt das Ansaugen bei diesen Pumpen nicht selbsttätig, wenn das anzusaugende Metall sich unter Jem Pegel der Pumpe befindet, und andererseits ist aufgrund der grossen Abmessungen ein Eintauchen der Pumpe zur Erleichterung des Ansaugens schwierig durchzuführen. Das Interesse an Induktionspumpen ist somit ziemlich begrenzt,

Um die verschiedenen Nachteile der Induktionspumpen zu überwinden, haben die Erfinder StromleitungspOTipen für korrosive flüssige Metalle hergestellt, bei denen ein elektrischer Kontakt zwischen einem von einem starken Strom durehflossenen Element des Hagnetkreises und dem korrosiven Metallstrom erzielt wird, das sich in einer Hülle aus hitzebeständigem Material befindet, von der zwei Seiten in H'dhe des wirksamen Teils der Pumpe durch Elektroden ersetzt worden sind_o Eine solche Lb" sung wirft selbstverständlich zahlreiche Probleme auf, insbesondere hinsichtlich des Schutzes der Elektroden vor dem korrosiven Metall, der ungleichmässigen Ausdehnung der Elektrode und des hitzebeständigen Materials sowie der Dichtheit zwischen den Elektroden und dem hitzebeständigen Material,

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wobei die beiden zuletztgenannten Probleme miteinander in Verbindung stehen.

Nach zahlreichen Untersuchungen, insbesondere in bezug auf die physikalischen Eigenschaften bestimmter hitzebeständiger Stoffe bei hoher Temperatur, ist es den Erfindern gelungen» eine Stromleitungspumpe herzustellen, die einwandfrei arbeitet und sich zur Umwälzung korrosiver flüssiger Metalle eignet und dabei sehr kleine Abmessungen aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Stromleitungspumpe geringer Abmessungen für korrosive flüssige Metalle, in der ein Abschnitt des wirksamen flüssigen Metallstroms, der von einem elektrischen Strom senkrecht zur Strömungsrichtung durchquert wird, einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt wird, die unter der Einwirkung des Stroms und einer magnetischen Induktion entsteht, die senkrecht zur Richtung des elektrischen Stroms und zur Richtung der flüssigen Metailströmung verläuft. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Pumpe, bei der der Flüssig-Metallstrom im aktiven Pumpenbereich auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten von Elektroden begrenzt ist, die den Durchgang des elektrischen Stroms gestatten, und die auf den anderen Seiten von einen die Leitung schützenden hitzebeständigen Material geschützt wird, wobei die Leitung während der Herstellung der Pumpe vergossen bzw. bearbeitet wird.

Wenn der durch den Flüssig-Metallstrom fliessende 209840/0772 ·/·

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elektrische Strom ein Gleichstrom ist, dann muss auch die im Hauptmagnetkreis erzeugte und auf das flüssige Metall einwirkende magnetische Induktion selbst auf Gleichstrom beruhen. Wenn dagegen der durch das flüssige Metall fliessende Strom ein Wechselstrom ist, dann muss auch die magnetische Induktion durch einen Wechselstrom erfolgt sein. In diesem Fall wird vorteilhafterweise der Wechselstrom durch Induktion in einer elektrisch leitenden Schleife erzeugt. Hierzu wird in der Regel ein zweiter Magnetkreis verwendet, der im folgen-, den als Sekundär-Magnetkreis bezeichnet wird»

Der Primär-Magnetkreis und ggf. der Sekundär-Magnetkreis weisen jeweils eine Induktionsspule auf„ Der magnetische Widerstand der Magnetkreise wird genügend niedrig gewählt, damit die Spulen in einer vom Pumpbereich genügenden Entfernung vorgesehen können werden, in der sie nicht der unmittelbaren Wärmeeinwirkung der auf eine hohe Temperatur erhitzten Teile ausgesetzt sind.

Auf diese Weise wird der Platzbedarf der Pumpe um die das flüssige Metall fördernde Leitung herum verringert.

Die leitende Schleife besteht aus einem herkömmlichen metallischen Leiter, beispielsweise aus Kupfer oder Nickel. Die Elektrode degegen besteht aus einem Metall, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient möglichst demjenigen des verwendeten hitzebeständigen Stoffes gleich ist, so dass infolge der Ausdehnung kein Zwischenraum zwischen den beiden Stoffen entsteht. Die Elektrode muss an die leitende Schleife angeschweisst

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werden können und somit der Einwirkung sämtlicher reaktionsfähiger Metalle widerstehen, ohne dabei beschädigt zu werden,, Ein derartige Merkmale aufweisender Stoff ist jedoch nicht vorhanden.

Die Erfindung I'd st dieses komplexe Problem, indem mindestens die Flächen der Elektroden, die in direktem Kontakt mit dem korrosiven Flüssig-Metall stehen, aus einem leitenden Keramikstoff bestehen. Vorzugsweise kann durch Verwendung eines Metalls, dessen Ausdehungskoeffizient vuXlkommen geeignet ist, und durch Aufbringung dieses Stoffes auf die Metallflächen, die Verbindung mit dem umgebenden Medium hergestellt werden·

In bestimmten Fällen hat es sich gezeigt, dass es vorteilhafter ist, eine massive Schleife aus einem leitenden Metall und eine aus einem hitzebeständigen, mit einem Metall durchtränkten Stoff bestehende Elektrode zu verwenden.

Derartige Vorrichtungen weisen gegenüber dem bekannten Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf, insbesondere können sie in das flüssige Metall getaucht und in Betrieb gesetzt werden ohne dass eine Hilfs-Ansaugung von aussen erforderlich ist. Ferner kann die zum Selbstansaugen erforderliche Eintauchtiefe bedeutend geringer sein als bei einer Induktionspumpe ·

Der Querschnitt des Pumpenkörpers ist ausserdem geringer, da die Spulen ausserhalb des PumpenkiSrpers vorgesehen sind. Beim Tauchpumpen eines in einem Tiegel oder in

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einer Pfanne enthaltenen Metalls ist das eintauchende Volumen bedeutend kleiner, und es gibt wenig Kapazitätsverluste des Nutzrauminhalts des Tiegels bzw. der Pfanne. Im übrigen k'dnnen die Spulen über dem Bad vorgesehen und leichter vor unerwünschten Temperatursteigerungen geschützt werden. Dank dieser Vorteile eignet sich diese neuartige Pumpe insbesondere zum Tauchpumpen von reaktionsfähigen flüssigen Metallen.

Derartige Pumpen gleichen ferner einen hohen statischen Druck des Metalls aus. Sie k'önnen daher auf dem Boden eines Tiegels oder einer Pfanne verwendet werden und zur Eegelung des Me fcalldurchflusses in der Art eines Durchflussregulierventils verwendet werden, deren mechanische Teile durch !Änderung des Induktionsstroms ersetzt werden.

Die erfindungsgemässe Pumpe wird an Hand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung beschrieben«,

Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer elektromagnetischen Gleichstrom-bzw. Wechselstromleitungspumpe;

Fig. 2 und 3 zeigen zwei bevorzugte spezielle Ausführungsarten für Wechselstromj

Fig. 4 zeigt perspektivisch eine in die Flüssig-Metalleitung eingesetzte leitende Schleife j

Fig. 5 zeigt im Schnitt eine mit massiven Elektroden ausgerüstete leitende Schleife.

In Fig. 1 ist die elektromagnetische Stromleitungs-209840/0772 ^o/*

pumpe mit einer Leitung 1 ausgerüstet, durch die das korrosive Flüssig-Metall fliesst. Mit 2 und 2* sind Teile des elektrischen Stromkreises bezeichnet, durch den ein starker Strom fliesst, und zwar senkrecht zur Strömungsrichtung des flüssigen Metalls entsprechend der Achse 4 und 4^f der Leitung 1, Der elektrische Stromkreis ist durch das flüssige Metall hindurch über die Elektroden 5 und 6 geschlossen, die den elektrischen Kontakt mit dem korrosiven flüssigen Metall herstellen. Eine Spule 7 erzeugt in der von dem elektrischen Strom durchflossenen Flüssig-Metall eine magnetische Induktion senkrecht zum elektrischen Strom und zur Strömungsrichtung 4, 4¹ des flüssigen Metalls, In dem von dem flüssigen Metall gebildeten leitenden Medium entsteht dann bekanntlich eine Kraft senkrecht zur Richtung des Stroms und der magnetischen Induktion, die das flüssige Metall entlang der Leitung in der Richtung 4, 4¹ in Umlauf versetzt.

Wenn die. Spule 7 ebenso wie der elektrische Stromkreis 2, 2¹ von einem Wechselstrom durchflossen werden, dann ändert die auf das flüssige Metall ©snvrirkende Kraft nicht ihre Richtung und bewegt das Metall in der gleichen Richtung fort, solange der elektrische Strom und die magnetische Induktion gleichzeitig ihre Polarität andern.

Fig. 2 und 3 sind Prinzipschaltbilder zweier bevorzugter Schaltungsarten, Fig, 2 betrifft eine Anordnung, bei der der durch das Flüssig-Metall fliessende Wechselstrom von einer Sekundärwicklung 8 erzeugt wird, durch die ein mit dem durch die Spule 7 fliessenden Strom in Phase befindlicher

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Strom fliesst. Der Magnetkreis 9 ist der Hauptmagnetkreis. Der Magnetkreis bzw. Sekund'ärkreis 10 induziert in der Schleife 11 "einen in die Flüssig-Metalleitung 1 über die Elektroden und 6 eindringenden Strom. Ein solcher Aufbau erfordert zwei Spulen und zwei komplette Magnetkreise. Es ist daher vorzugsweise eine Anordnung nach Pig. 3 zu verwenden, in der ein einziger Transformator 7 einerseits in der Leitung 1 eine magnetische Induktion und andererseits in der Schleife 11 einen Strom erzeugt, der über die Elektroden¹^ und 6 das Flüssig-Metall durchsetzt.

In den Fig. 2 und 3 durchsetzt die Schleife 11 zwei Mal das Magnetfeld, um die Ankerrückwirkung auszugleichen, wodurch der Luftspalt und auch die Reluktanz des Magnetkreises beträchtlich vergr'ossert werden. Bei anderen Ausführungsarten ist die leitende Schleife über bzw. unter dem Hauptmagnetkreis 9 geführt. Hierdurch wird der Luftspalt stark verkleinert.

Fig. 4 zeigt im vergrößerten Masstab eine Ansicht der Anbringung einer leitenden Schleife an einer Stromleitungspumpe .

Ein Teil des Hauptmagnetkreises ist mit 9 bezeichnet. Im Luftspalt 12 dieses Magnetkreises ist die Leitung 1 zur Förderung des korrosiven flüssigen Metalls untergebracht. Wie ersichtlich,ist die Leitung 1 als Rohr mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet. An einem Ende der

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Elektrode 5 ist ein Vorsprung 13 vorgesehen, der senkrecht entlang der gesamten leitenden Schleife verlängert ist. Bei der leitenden Schleife kann es sich um einen Nickel- bzw. Kupferstab handeln. Ein Kupferstab muss durch eine nicht rostende Ummantelung, beispielsweise durch ein Rohr aus einem als Inconel bekannten Stoff vor der Oxydation geschützt werden.

Fig. 5 veranschaulicht im einzelnen den Aufbau der massiven Schleife 11. Diese weist ebenfalls den Vorsprung 13 sowie die VorsprUnge 14» 15 und 16 auf. In diesem AusfUhrungsbeispiel besteht die die Elektroden verbindende Schleife aus einem Kupferstab 19. Ursprünglich wurde ein zylindrischer Stab gewählt, der in einem Rohr 20 aus Inconel untergebracht wurde. Nach dem Strecken zur Erzielung eines flachen Leiters wurde beides gewalzt und auf diese Weise ein durch eine Oxydschicht, beispielsweise Aluminiumoxyd- bzw. Magnesiumoxyds chichi^ von dem Inconelrohr getrennter Kupferleiter erzielt, wodurch die Ausdehnung zwischen dem Kupfer und dem Inconel erleichtert wird.

Die Elektroden 5 und 6 bestehen aus einem Metall mit im wesentlichen dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten, wie ihn der hitzebeständige Stoff aufweist, von dem sie umgeben sind. In einer AuafUhrungsform der Erfindung sind die Elektroden aus Molybdän, Man kann aber auch Elektroden aus anderen Metallen wie einer Molybdftn-Wolframlegierung herstellen. Zum Vex— schweissen mit der Kupferschleife muss zunächst auf der Fläche 17 der Elektrode eine Nickelschicht aufgebracht werden. Der

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Teil 18 der Elektrode 6, die mit dem korrosiven flüssigen Metall in Berührung gelangt, muss mit einer eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Schicht versehen werden, und sie muss darüber hinaus von dem flüssigen Metall leicht benetzbar sein. Sie muss ferner ausgezeichnet an der Elektrode haften und gegenüber den verwendeten korrosiven flüssigen Metallen in hohem Grade unempfindlich sein. Eingehende Versuche haben ergeben, dass sich Verbindungen wie Molybd'&n-, Titan-, Zirkonium- und Wolframdiborid «Owie Titan-Aluminid bewährt haben. Bei der hier beschriebenen Ausführungsart besteht die aufgebrachte Schicht aus MolybdSndiborid. Der übrige Teil der Elektrode ist mit einer Schicht überzogen, durch die sie vor Oxydation an der Luft geschützt wird und die einen guten Kontakt mit dem hitzebeständigen Stoff gewährleistet.

Zu diesem Zweck kann man beispielsweise Nickel, Titan-Aluminid sowie im Handel erhältliche Erzeugnisse wie beispielsweise das von der französischen Firma CERAVER vertriebene "Revetox" verwenden.

Die Beschichtung der Flächen 17 und 18 der Elektrode kann entweder in der Gasphase oder in einem Plasmafliessbett erfolgen. Die durch diese Weise hergestellten Teile werden dann in einer Masse aus hitzebeständigem Stoff 21 eingebettet, der beispielsweise mit verschiedenen Keramikstoffen wie Aluminiumoxyd, Zirkonium, Magnesium^ Aluminium- bzw. Magnesiumtitanat sowie verschiedenen Zirkonaten und Aluminaten hergestellt wird.

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Bei einem zweiten^ Ausführungsbeispiel der Pumpe besteht die Elektrode ebenfalls aus mit einem Schutzüberzug versehenem Molybdän bzw. Wolfram, sie kann jedoch vorteilhafterweise mit Hilfe eines porösen hitzebeständigen Stoffes bzw. einer hi-tzebeständigen porösen Sintermasse hergestellt werden.

Zur Gewährleistung einer zufriedenstellenden Leitfähigkeit sowie einer einwandfreien Benetzbarkeit der Elektrode durch das flüssige Metall durchtränkt man die Elektrode zuvor mit einem der von der Pumpe umzuwälzenden Metalle oder aber zumindest mit einem Metall, das sich in der Folgezeit leicht im geschmolzenen Metall auflöst. So hat man mit Erfolg eine Durchtränkung mit Aluminium, bei dem es sich um das zu fördernde Metall handelt, sowie eine Durchtränkung durch Zinn und Kupfer durchgeführt, die sich leicht mit den im flüssigen Zustand umzuwälzenden Metallen vermischen.

Das zur Durchtränkung einer derartigen Elektrode angewandte Verfahren ist folgendes: Man bringt den porösen Stoff in Vakuum und benetzt ihn danach bei erhöhter Temperatur mit dem flüssigen Metall. Es ist wichtig, eine sehr hohe, gerade unter der Verdampfungstemperatur des flüssigen Metalls liegende Temperatur anzuwenden, damit das flüssige Metall in möglichst hochflüssigem Zustand verwendet werden kann. Die Elektrode wird dann unter Druck mit dem flüssigen Metall durchtränkt,

Zum Vergiessen des Stromkreises der Schleife kann

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ein Rohr geringer Dicke aus dem gleichen Metall wie das später von der Pumpe zu fördernde Metall verwendet werden. Das Rohr erhält die Aussenabmessungen der Schleife und wird in das hitzebeständige Material eingebettet; es schmilzt beim ersten Betrieb der Pumpe und wird bei der Entleerung der Schleife, wenn diese aus dem flüssigen Metallbad herausgenommen wird, umgewälzt.

-PatentansprUche-

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Claims (11)

PATENOiAfTSPRUCHE

1.) Stromleitungspumpe für sehr korrosive Flüssig-Metalle, in der ein Abschnitt der Flttssig-Metalleitung, die auf zwei einander entgegengesetzten Seiten von Elektroden und auf seinen anderen Seiten von einem hitzebestandigen Keramikstoff begrenzt, von einem elektrischen Strom senkrecht zur Fdrderrichtung durchsetzt und einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt ist, die aus der Einwirkung des Stroms und einer magnetischen Induktion resultiert, die senkrecht zur Flussrichtung des elektrischen Stroms und zur Pörderrichtung des PlUssig-Metails ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Flächen der Elektroden (5 und 6), die in unmittelbarem Kontakt mit dem korrosiven Plüssig-Metall stehen, aus einer leitenden Keramik bestehen.

2. Stromleitungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Herstellung der Elektroden (5 und 6) verwendete Material eine Legierung der Metalle der Gruppe VI des periodischen Systems der chemischen Elemente ist, die auf der Flache (18), die mit dem korrosiven FlUssig-Metall in Berührung steht, durch eine leitende Keramikschicht geschützt ist,

3. Stromleitungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite (18) der Elektroden (5 und 6), die mit dem flüssigen korrosiven M©tall in

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Berührung steht, mit einer Schicht eines Diborids eines Metalls der Gruppe IV des periodischen Systems der chemischen Elemente überzogen ist«

4. Stromleitungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» dass die Seite (18) der Elektroden (5 und 6), die mit dem korrosiven Flüssig-Metall in Berührung steht, mit einer Schicht aus einem Aluminid eines Metalls der Gruppe IV des periodischen Systems der chemischen Elemente überzogen ist.

5· Stromleitungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Seiten der Elektroden (5 und 6) mit einem Aluminid eines Metalls der Gruppe IV des periodischen Systems der chemischen Elemente überzogen ist,

6. Stromleitungspumpe nach Anspruch 1_? in der die magnetische Induktion, der ein Abschnitt der Üüssig-Metallleitung ausgesetet ist, in einem Hauptmagnetkreis erzeugt wird, der eine Spule enthält, dje von einem Wechselstrom durchflossen wird und in der der den Abschnitt der Flüssig-Metalleitung durchsetztende elektrische Strom durch einen Sekundär-Magnetkreis in einer mit den Elektroden elektrisch verbundenen leitenden Schleife induziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (17) des Primärkreises und die Induktionsspule (8) des Sekundärkreises ausserhalb des Flüssigkeitsstroms liegen, wenn die Pumpe in Betrieb ist, und zwar an eimern Ende ihrer betreffenden

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Stromkreise (9 und 10), das von der leitenden Schleife (11) und den Elektroden (5 und 6) der Pumpe durch einen Wärmeschutzschirm aus einer dicken Keramikschicht getrennt ist.

7· Stromleitungspumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schleife aus einer Schiene aus einem sehr gut leitenden Metall wie Kupfer bzw. Silber besteht, die mit einer Metallschicht (20) zum Schutz gegßn Oxydation, beispielsweise aus Inconel, überzogen ist, die gleichzeitig mit dem Leiter göSOgen und gewalzt wird, und dass die Schleife an ihren beiden Enden über eine Nickelschicht mit den Elektroden verschweigst wird·

8. S tremie itungspumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (5 und 6), mit denen die Schleife (11) elektrisch verbunden ist, aus einem porösen keramiBclien Stoff bestehen, der mit dem von der Pumpe umgewälzten korrosiven flüssigen Metall durchtränkt ist,

9· Stromleitungspumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichne t, dass der die Elektroden bildende poröse keramische Stoff ein in poröser Form agglomeriertes hitzebeständiges Oxyd ist,

10. Stromleitungspumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Elektroden bildende poröse keramische Stoff ein hitzebeständiges Titanat ist.

11. Stromleitungspumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Elektroden bildende keramische Stoff ein hitzebeständiges iiirkonat ist.

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