EP2178661A1 - Verfahren und eintrichtung zum elektromagnetischen rühren von elektrisch leitenden flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und eintrichtung zum elektromagnetischen rühren von elektrisch leitenden flüssigkeiten

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Publication number
EP2178661A1
EP2178661A1 EP08801099A EP08801099A EP2178661A1 EP 2178661 A1 EP2178661 A1 EP 2178661A1 EP 08801099 A EP08801099 A EP 08801099A EP 08801099 A EP08801099 A EP 08801099A EP 2178661 A1 EP2178661 A1 EP 2178661A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rmf
wmf
magnetic field
container
rotating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08801099A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Petr A. Nikrityuk
Sven Eckert
Dirk RÄBIGER
Bernd Willers
Kerstin Eckert
Roger Grundmann
Gunter Gerbeth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden, Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP2178661A1 publication Critical patent/EP2178661A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/02—Use of electric or magnetic effects
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
    • B01F33/451—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers wherein the mixture is directly exposed to an electromagnetic field without use of a stirrer, e.g. for material comprising ferromagnetic particles or for molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids using a magnetic field rotating in a horizontal plane and a magnetic field traveling in the vertical direction. Due to their contactless interaction with electrically conductive liquids, time-dependent electromagnetic fields provide an attractive possibility for stirring hot molten metals or semiconductor melts. Using the parameters magnetic field amplitude and magnetic field frequency, the electromagnetic force field can be controlled directly and accurately in a simple manner.
  • the electromagnetic stirring is used on an industrial scale i.a. used in the directional solidification of metallic alloys or semiconductor melts.
  • a significant problem is that flows in the immediate vicinity of a progressing solidification front can lead to segregation in the solidified material, which deteriorate the mechanical properties of the resulting solid significantly.
  • Due to the different solubility of individual components in the liquid or solid phase a concentration boundary layer is formed on the solidification front. Due to the convective transport of the enriched melt away from the solidification front, a flow counteracts the build-up of an extended concentration boundary layer. If the melt flows exclusively in one direction, segregation zones occur in other volume areas.
  • Rotating or migrating magnetic fields are already used in metallurgical processes, such as the continuous casting of steel.
  • metallurgical processes such as the continuous casting of steel.
  • an arrangement of a polyphase electromagnetic winding for generating a traveling field perpendicular to the casting direction at a continuous casting plant in the publication DE AS 1 962 341 is described.
  • JP2003220323 An apparatus and a method for intensively stirring a melt contained in a cylindrical container in which a rotating magnetic field and a traveling magnetic field are simultaneously used are described in JP2003220323.
  • the rotating magnetic field is from a radial coil surrounding the container, the turns of which are annular, generates the traveling magnetic field by a longitudinal coil, the turns of which extend in an axial direction in a jacketed section and annularly surround the container shell, wherein the longitudinal coil between the container shell and the radial coil arranged is.
  • the radial coil generates a rotational movement and the longitudinal coil generates an axial movement of the liquid melt in the container.
  • the invention has for its object to provide a method and a device for electromagnetic stirring of electrically conductive liquids, which are designed so suitable 'that asymmetrical flow structures are avoided in containers filled with melts, especially at the beginning and during the course of solidification.
  • an effective mixing of the liquid and / or a controlled solidification of metallic alloys while avoiding the formation of segregation zones in the solidification structure should be achieved.
  • both the rotating magnetic field RMF and the traveling magnetic field WMF discontinuous Form of time-limited and adjustable periods Tp 1RMF and Tp 1WMF and alternately connected in chronological succession.
  • the duration Tp 1 RM F of the periods of the rotating magnetic field RMF and the duration Tp 1 WMF of the periods of the traveling magnetic field WMF can be determined in a time interval
  • In the container can be filled as electrically conductive liquid metallic or semiconductor melt.
  • the amplitude Bo RMF of the rotating magnetic field RMF is to be increased so that at least the maximum of the two values
  • Bi RMF and B 2 RMF are the lower limits of the amplitudes of the rotating magnetic field, which can change in the course of solidification depending on the parameters v, Vsoi and Ho.
  • the amplitude B 0 WMF of the traveling magnetic field WMF can be set to be as large or up to four times greater than the amplitude Bo RMF of the rotating magnetic field RMF, ie
  • the course and the maximum value of the magnetic field RMF or WMF are set so that for the different pulse forms an identical energy input results.
  • the amplitudes B 0 RMF , B 0 WMF of the magnetic fields RMF or WMF can be adjusted continuously during the stirring in accordance with the requirements derived from the process to be considered.
  • the individual periods T PI RMF and T P , W MF, in which one of the magnetic fields RMF or WMF is switched on, can be interrupted by a pause duration Tp ause , in which neither of the two magnetic fields RMF or WMF acts on the liquid, wherein Tp aU se ⁇ O.5-TP, RMF or T PaU se ⁇ O.5-TP, WMF can be set.
  • the direction of the rotating magnetic field RMF and / or WMF can be inverted between two pulses.
  • the device for electromagnetic stirring of electrically conductive liquids contains at least
  • the container with the liquid or liquid melt can be arranged concentrically within the induction coils.
  • the container may be provided with a heating device and / or cooling device.
  • the bottom plate of the container can be in direct contact with a solid metal body, which is flowed through by a cooling medium in the interior.
  • the side walls of the container may be thermally insulated.
  • the heat sink can communicate with a thermostat.
  • Between the heat sink and the container may be a liquid metal film to achieve a stable heat transfer with low contact resistance.
  • the liquid metal film may be made of a gallium alloy.
  • At least one temperature sensor may be positioned in the form of a thermocouple, which provides information about the time of onset of solidification and with the control unit connected to the temperature control of the liquid.
  • a use of the device for electro-magnetic stirring of electrically conductive liquids according to claims 10 to 18 can in the form of metallic melts in metallurgical processes or in the form of semiconductor melts in the crystal growth, for the purification of molten metal, in continuous casting or in the process of solidification of metallic materials of the method according to claim 1 to 9 take place.
  • both the rotating and the vertically migrating magnetic field RMF and WMF are switched on discontinuously in the form of pulses of limited duration, wherein both magnetic fields RMF and WMF are switched on alternately and in succession.
  • the induction coil pairs fed with a three-phase alternating current are thus controlled such that a magnetic field RMF or WMF acts on the melt at any time.
  • the period T P is WMF of the traveling magnetic field
  • the amplitude B P> WMF of the vertically traveling magnetic field WMF can be at least as great as the amplitude B pjmr of the rotating magnetic field RMF 1, preferably it is a multiple (maximum 4 times) larger.
  • Fig. 3a2 is a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram when the rotating magnetic field
  • 3b1 is a snapshot of the azimuthal flow when the traveling magnetic field WMF is turned on and at the same time the rotating magnetic field RMF is turned off,
  • FIG. 3b2 shows a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram, when the traveling magnetic field WMF is switched on and, at the same time, the rotating magnetic field RMF is switched off
  • Fig. 4a1 is a snapshot of the azimuthal flow, when the rotating magnetic field RMF is turned on and at the same time the wandering magnetic field WMF is turned off
  • Fig. 4a2 is a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram when the rotating magnetic field RMF is turned on and at the same time the wandering
  • 4b1 is a snapshot of the azimuthal flow when the traveling magnetic field WMF is turned on and at the same time the rotating magnetic field RMF is turned off,
  • FIG. 4b2 shows a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram, when the traveling magnetic field WMF is switched on and at the same time the rotating magnetic field RMF is switched off, FIG.
  • FIG. 5 a shows a macrostructure under the influence of a continuously acting traveling magnetic field WMF at 6 mT
  • FIG. 5 b shows a macrostructure under the influence of a continuously acting rotating magnetic field RMF at 6.5 mT
  • FIG. 5 a shows a macrostructure under the influence of a continuously acting traveling magnetic field WMF at 6 mT
  • FIG. 5 b shows a macrostructure under the influence of a continuously acting rotating magnetic field RMF at 6.5 mT
  • FIG. 5 a shows a macrostructure under the influence of a continuously acting traveling magnetic field WMF at 6 mT
  • FIG. 5 b shows a macrostructure under the influence of a continuously acting rotating magnetic field RMF at 6.5 mT
  • FIG. 5 a shows a macrostructure under the influence of a continuously acting traveling magnetic field WMF at 6 mT
  • FIG. 5 b shows a macrostructure under the influence of a continuously acting rotating magnetic field RMF at 6.5 mT
  • FIG. 5 a shows a macrostructure
  • 5c shows a macrostructure under the influence of the discontinuously and alternately acting magnetic fields RMF and WMF, each with 6mT. demonstrate.
  • FIG. 1 shows, in a schematic representation, a device 1 for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids 2, which contains at least
  • the power supply unit 9 is connected to the respectively associated induction coils 31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46 with the control unit 10, a current supply to the induction coils 31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46 with the given conditions
  • the container 14 is located centrally symmetrically in the middle of an arrangement 3 of pairs 31, 32, 33 of induction coils for generating a rotating magnetic field RMF 34 and an arrangement 4 of induction coils 41, 42, 43, 44, 45, 46 of a traveling magnetic field WMF 47
  • Induction coil pairs 31, 32, 33 and the induction coils 41, 42, 43, 44, 46 stacked coaxially with respect to the axis of symmetry 15 are each connected to the power supply unit 9 and are supplied from there with a current I 0 fed in the form of a 3-PhasenwechseIstroms and generate a rotating about the symmetry axis 15 of the device 1, horizontally oriented magnetic field RMF 34 and a along the axis of symmetry 15 aligned, in the vertical direction migrating magnetic field WMF 47.
  • the power supply unit 9 is connected to the electronic control / Control unit 10 connected, which causes at predetermined intervals, a connection and disconnection of the 3-phase alternating current ID.
  • the switching on and off of the magnetic fields RMF 34 and WMF 47 is controlled in the control / regulating unit 10 so that at most a maximum of only one magnetic field RMF 34 or WMF 47 acts on the melt 2.
  • the device 1 of the filled with the electrically conductive melt 2 cylindrical container 14 may be supplemented with a cooling device 11 for the solidification of metallic melts 2.
  • the cooling device 11 contains a metal block 5, in the interior of which cooling channels 6 are present.
  • the container 14 is with its bottom plate 12 on the metal block 5.
  • the located inside the metal block 5 cooling channels 6 are flowed through during the solidification process of a coolant.
  • the cooling device 11 of the melt 2 By means of the cooling device 11 of the melt 2, the heat is withdrawn down.
  • a thermal insulation 7 of the container 14 prevents heat losses in the radial direction.
  • On the bottom plate 12 and / or in / on the side walls 13 of the container 14 at least one temperature sensor 8, for example in the form of a thermocouple for temperature control is mounted.
  • the temperature measurements enable a monitoring of the liquid state, the beginning and the course of the state of solidification and allow a timely adjustment of the magnetic field parameters, eg B 0 RMF , B 0 WMF and the period T P , controlled by the control unit 10 Power supply unit 9 to the individual stages of the solidification process.
  • the container 14 with the melt 2 is arranged concentrically within the induction coils 31, 32, 33, 41, 42, 43, 44, 45, 46.
  • the container 14 may be provided with a heater and / or cooling device 11.
  • the bottom plate 12 is in direct contact with a solid metal body 5, which is traversed in the interior of a cooling medium.
  • the side walls 13 of the container 14 are thermally insulated by an insulating jacket 7.
  • the heat sink 5 is connected to a thermostat (not shown) in connection.
  • the liquid metal film may be made of a gallium alloy.
  • a temperature sensor 8 is positioned in the form of a thermocouple, which provides information about the time of onset of solidification and with the control - / control unit 10 is connected.
  • the time sequence of RMF and WMF is shown in each case, wherein the amplitude of the traveling magnetic field B 0 WMF is three times the amplitude of the rotating magnetic field B 0 RMF and the same period ends T P
  • both the rotating magnetic field RMF 34 and FIG the wandering magnetic field WMF 47 dis- continuously in the form of time-limited and adjustable periods Tp 1 RMF and Tp 1WMF and alternately generated in chronological succession.
  • the duration TP.RMF of the periods of rotating magnetic field RMF 34 and the duration TP, WMF of the periods of traveling magnetic field WMF 47 may be in a time interval
  • the amplitude B 0 RMF of the rotating magnetic field RMF 34 is to be increased so that at least the maximum of the two values
  • the amplitude Bo WMF of the traveling magnetic field WMF 47 can be set to be equal to or up to four times greater than the amplitude B 0 RMF of the rotating magnetic field RMF 34, ie
  • the amplitudes B 0 RMF , B 0 WMF of the magnetic fields RMF 34 and WMF 47 can be continuously adjusted during the stirring in accordance with the requirements derived from the process to be considered.
  • the individual period durations TP.RMF and TP, WMF, in which one of the magnetic fields RMF 34 or WMF 47 is switched on, can be interrupted by a pause duration Tpausei in which neither of the two magnetic fields acts on the liquid 2, where Tp out ⁇ 0.5TP, RMF or TpoutU ⁇ O.5-TP, WMF.
  • the direction of the rotating magnetic field RMF 34 and / or the traveling magnetic field WMF 47 can be inverted between two pulses.
  • 3a is a snapshot of the azimuthal flow when the rotating magnetic field RMF 34 is turned on and at the same time the traveling magnetic field WMF 47 is turned off,
  • 3a2 shows a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram, when the rotating magnetic field RMF 34 is switched on and at the same time the traveling magnetic field WMF 47 is switched off,
  • Fig. 3b1 is a snapshot of the azimuthal flow when the wandering magnetic field WMF 47 is turned on and at the same time the rotating magnetic field RMF 34 is turned off and Fig. 3b2 is a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram when the traveling magnetic field WMF 47 is turned on and the rotating magnetic field RMF 34 is turned off.
  • FIG. 4 a shows a snapshot of the azimuthal flow when the rotating magnetic field RMF 34 is switched on and at the same time the traveling magnetic field WMF 47 is switched off.
  • FIG. 4 a shows a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram when the rotating magnetic field RMF 34 is switched on and simultaneously
  • Fig. 4b1 is a snapshot of the azimuthal flow when the traveling magnetic field WMF 47 is turned on and at the same time the rotating magnetic field RMF 34 is turned off
  • Fig. 4b2 is a snapshot of the meridional velocity as a vector diagram when the traveling magnetic field WMF 47 is turned on and at the same time the rotating magnetic field RMF 34 is turned off, show.
  • FIG. 5 shows a plurality of schematic representations of the solidification of an Al-Si alloy under the influence of magnetic fields in the form of the macrostructure in vertical section, in which:
  • 5b shows a microstructure under the influence of a continuously acting rotating magnetic field RMF 34 at 6.5 mT and
  • FIG. 5c shows a microstructure under the influence of the discontinuously and alternately acting magnetic fields RMF 34 and WMF 47 with 6mT each.
  • the corresponding magnetic fields RMF 34 and WMF 47 are each switched on 30 seconds after the start of solidification at the container bottom.
  • a coarse columnar structure grows parallel to the symmetry axis of the container.
  • the wandering magnetic field WMF 47 in FIG. 5a a very coarse microstructure can be recognized.
  • the columnar grains continue to grow almost unchanged until the transition from columnar to equiaxial growth occurs approximately in the middle of the sample.
  • a modified columnar structure initially forms, ie the columnar grains become finer and grow inclined to the side.
  • a morphology transition from columnar to equiaxial grain growth can be observed.
  • the secondary flow transports Si-rich melt towards the symmetry axis 15. This leads to typical segregation patterns, which have a depletion of eutectic phase in the edge zones and a concentration in the region of the axis of symmetry 15. If the rotating magnetic field RMF 34 and the traveling magnetic field WMF 47, as shown in Fig. 5c, applied discontinuously one after the other, a transition from coarse-grained columnar to fine-grained equiaxial growth is observed immediately with activation of the electromagnetic stirring. Dismissals are undetectable.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung 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). Die Aufgabe besteht darin, 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. Die Lösung besteht darin, dass sowohl das rotierende Magnetfeld RMF (34) als auch das wandernde Magnetfeld WMF (47) diskontinuierlich in Form von zeitlich begrenzten und einstellbaren Periodendauern (TP,RMF,TP,WMF) und abwechselnd zeitlich nacheinander über zugehörige Induktionsspulen (31, 32, 33; 41, 42, 43, 44, 45, 46) zugeschaltet werden.

Description

Verfahren und Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten
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 Volumenberei- chen 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 AS 1 962 341 beschrieben.
Ein anderes Verfahren zum Rühren der Stahlschmelze beim Stranggießen ist in der Druckschrift US 2003/0106667 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 Ver- wirbelung 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 den Druckschriften DE 2 401 145 und DE 3 730 300 beschrieben, bei denen eine periodische Änderung des Stromes in der Spulenanordnung vorgenommen wird. In der Druckschrift DE 2 401 145 ist beschrieben, dass mit der periodischen Änderung die Ausbildung von sekundären Weißbändern und Sekundärdendriten vermieden werden kann. In der Druckschrift DE 3 730 300 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 Magnetfeldstärke, 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 JP2003220323 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 Erstar- rung 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 Flüs- sigkeiten 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 Tp1RMF und Tp1WMF und abwechselnd zeitlich nacheinander zugeschaltet. Die Dauer Tp1RMF der Perioden des rotierenden Magnetfeldes RMF und die Dauer Tp1WMF der Perioden des wandernden Magnetfeldes WMF können in einem Zeitintervall
0.2-tj.a. < Tp1RMF = Tp1WMF < 2-tj.a. (I) liegen mit folgender Definition für die Einstellzeit tj.a. wobei die Variablen σ, p, 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 C9 den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit beschreibt und Zahlenwerte zwischen Drei und Fünf annehmen kann. Die Einstellzeit tj.a. bezeichnet den Zeitpunkt, an dem die volumengemittelte kinetische Energie der meridionalen Stroemung oder die vo- lumengemittelte meridionale Geschwindigkeit Ur2 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 numeri- cal and an analytical study, Phys Fluids 17, 067101-1 bis 067101-16, 2005, beschrieben ist. Dabei gelten folgende Gleichungen
2 I ^u] + u] r drdz U« ~ ° ° H R* ■ M
Im Fall des Rotationsmagnetfeldes RMF ist die sogenannte Einstellzeit t|.a. (engl, initial adjustment time) mit der Zeitskale identisch, in der sich nach einem abrupten Zuschalten eines rotierenden Magnetfeldes in einer Schmelze, die sich zu- vor im Ruhezustand befand, der für die meridionale Sekundärströmung typische Doppelwirbel herausbildet. Verschiedene Periodendauern TPIRMF,TP,WMF können für das rotierende und wandernde Magnetfeld gemäß folgender Bedingung
0.5Tp1RMF < Tp1WMF < 5-Tp1RMF (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 BoRMF des rotierenden Magnetfeldes RMF so zu erhöhen, dass mindestens das Maximum der beiden Werte
erreicht wird, wobei die Parameter v, VS0| und H0 die kinematische Viskosität der Schmelze, die Erstarrungsgeschwindigkeit bzw. die Höhe des Schmelzenvolumens darstellen.
BiRMF und B2 RMF sind die unteren Grenzwerte der Amplituden der rotierenden Magnetfeldes, die sich im Verlauf der Erstarrung in Abhängigkeit der Parameter v, Vsoi und Ho verändern können.
Die Amplitude B0 WMF des wandernden Magnetfeldes WMF kann genauso groß oder bis zu viermal größer als die Amplitude BoRMF des rotierenden Magnetfeldes RMF eingestellt werden, d.h.
Bo WMF = 1...4-BoRMF (VIII)
Bei der Modulierung des Verlaufs der Lorentzkraft FL 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 TPIRMF und TP,WMF, in denen eines der Magnetfelder RMF oder WMF zugeschaltet ist, können durch eine Pausendauer Tpause, in denen keines der beiden Magnetfelder RMF oder WMF auf die Flüssigkeit einwirkt, unterbrochen werden, wobei TpaUse ≤ O.5-TP,RMF oder TPaUse ≤ O.5-TP,WMF einge- stellt werden können.
Die Richtung des rotierenden Magnetfeldes RMF und/oder 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 Induktionspulen zur Ausbildung eines eine Lo- rentzkraft FL 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, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 10 eine Stromversorgungseinheit zu den Induktionsspulen mit der Steuer- /Regeleinheit verbunden ist, wobei die Stromzufuhr zu den jeweils zugehörigen Induktionsspulen mit den vorgegebenen Bedingungen
0.2-ti.a. < Tp.RMF = TP.WMF < 2-ti.a. (I) oder
0.5-Tp1RiViF < Tp1WMF κ 5-Tp1RMF (II) eingestellt erfolgt.
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.
Der Bodenplatte des Behälters kann in direktem Kontakt mit einem festen Me- tallkörper stehen, welcher im Innern von einem Kühlmedium durchflössen wird.
Die Seitenwände des Behälters können thermisch isoliert sein.
Der Kühlkörper kann mit einem Thermostaten in Verbindung stehen.
Zwischen dem Kühlkörper 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 Tp1RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF und die Periodendauer Tp1WMF des wandernden Magnetfeldes WMF können auf einen gleichen Wert eingestellt werden und es erfolgt erfindungsgemäß eine Einstellung nach folgender Bedingung 0.2-tj.a. < Tp1RMF = Tp1WMF < 2-tj.a. (')•
Sind die Periodendauer TP|RMF des rotierenden Magnetfeldes RMF und die Periodendauer Tp1WMF des wandernden Magnetfeldes WMF auf einen zueinander unterschiedlichen Wert eingestellt, dann erfolgt eine Einstellung nach folgender Bedingung:
0.5Tp1RMF < Tp1WMF < 5Tp1RMF (")•
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 BP>WMF des vertikal wandernden Magnetfeldes WMF kann mindestens genauso groß sein wie die Amplitude Bpjmr des rotierenden Magnetfeldes RMF1 vorzugsweise ist sie um ein mehrfaches (maximal 4-fach) größer.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten mit kombinierten Magnetfeldern,
Fig. 2 ein Schema zur Modulation zwischen den Magnetfelder RMF und WMF in Form eines (B/Bo)-(t/Tp)-Diagramms zwischen relativem Rotationsmagnetfeld B/BoRMF = 1 bzw. relativem Wandermagnetfeld B/B(WMF _ 3 und re|ativer Periodendauer t/TP,
Fig. 3 schematische Darstellungen - Momentaufnahmen - der Flüssigkeitsströmungen bei BoRMF/Bo WMF = 1 ,67, Ta = 1 ,06 * 105, TP = 8,6s = 0,5 * tj.a., wobei
Ta = 08O^ dje Taylor-Zahl darstellt und 2μv Fig. 3a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist,
Fig. 3a2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das rotierende Magnetfeld
RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist,
Fig. 3b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist,
Fig. 3b2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist, zeigen, Fig. 4 schematische Darstellungen - Momentaufnahmen - der Flüssigkeitsströmungen bei BoRMF/Bo WMF = 3, Ta = 1 ,06 * 105, TP = 8,6s = 0,5 * tj,a., wobei
Fig. 4a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist, Fig. 4a2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das rotierende Magnetfeld RMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde
Magnetfeld WMF ausgeschaltet ist,
Fig. 4b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist,
Fig. 4b2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das wandernde Magnetfeld WMF eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF ausgeschaltet ist, zeigen,
Fig. 5 mehrere schematische Darstellungen der Erstarrung einer AI-Si-
Legierung unter Magnetfeldeinfluss - Makrogefüge, die entsprechenden Magnetfelder werden 30 s nach Beginn der Erstarrung zu- geschaltet -, wobei
Fig. 5a ein Makrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wirkenden wandernden Magnetfeldes WMF bei 6mT, Fig. 5b ein Makrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wir- kenden rotierenden Magnetfeldes RMF bei 6,5mT und
Fig. 5c ein Makrogefüge unter Einfluss der diskontinuierlich and abwechselnd einwirkenden Magnetfelder RMF und WMF mit jeweils 6mT. zeigen.
In Fig.1 ist in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung 1 zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten 2 gezeigt, die zu- mindest enthält
- einen zylindrischen Behälter 14,
- eine den Behälter 14 umgebende zentralsymmetrische Anordnung 3 von mindestens drei Paaren 31 ,32,33 von Induktionspulen zur Ausbildung eines eine Lorentzkraft FL 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-tι.a. (I) oder
0.5Tp1RiVlF < Tp1WMF < 5Tp1RMF (I I) 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 I0 in Form eines 3-PhasenwechseIstroms 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 ID 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 durchflössen. 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 TP, 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 Induktions- spulen 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 Metallkörper 5, welcher im Innern von einem Kühlmedium durchflössen wird.
Die Seitenwände 13 des Behälters 14 sind durch einen Isolationsmantel 7 thermisch isoliert.
Der Kühlkörper 5 steht mit einem Thermostaten (nicht eingezeichnet) in Verbindung.
Zwischen dem Kühlkörper 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 Fig. 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/TP dargestellt. In diesem Beispiel ist jeweils die zeitliche Abfolge von RMF und WMF darge- stellt, wobei die Amplitude des wandernden Magnetfeldes B0 WMF das Dreifache der Amplitude des rotierenden Magnetfeldes B0 RMF beträgt und gleiche Perio- dendauem TP|RMF und TP.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 Fig. 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 Tp1RMF und Tp1WMF und abwechselnd zeitlich nacheinander erzeugt.
Die Dauer TP.RMF der Perioden von rotierendem Magnetfeld RMF 34 und die Dauer TP,WMF der Perioden von wanderndem Magnetfeld WMF 47 können in einem Zeitintervall
0.2-tj.a. < Tp1RMF = Tp1WMF < 2-tj.a. (I) liegen, mit folgender Definition für die charakteristische Einstellzeit tj.a. wobei die Variablen σ, p, 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 C9 den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit beschreibt und Zahlenwerte zwischen Drei und Fünf annehmen kann. Die Einstellzeit tj.a. bezeichnet den Zeitpunkt, an dem die volumengemittelte kinetische Energie der meridionalen Strömung oder die vo- lumengemittelte meridionale Geschwindigkeit Urz ein erstes Maximum erreicht.
Bei vorhandenen verschiedenen Periodendauern TP,RMF,TP,WMF für das rotierende Magnetfeld RMF 34 und das wandernde Magnetfeld WMF 47 kann gemäß folgender Bedingung
0.5-Tp1RMF < Tp1WMF < 5-Tp1RMF CO 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
B**" = ÜL . m ' Vsoi (vi) und
1 \ σω Hn v
(VII) erreicht werden, wobei die Parameter v, VSOι und H0 die kinematische Viskosität der Schmelze 2, die Erstarrungsgeschwindigkeit bzw. die Höhe des Schmelzenvolumens darstellen.
Die Amplitude BoWMF 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-BoRMF (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 TP.RMF und TP,WMF, in denen eines der Magnetfel- der RMF 34 oder WMF 47 zugeschaltet ist, können durch eine Pausendauer Tpausei in denen keines der beiden Magnetfelder auf die Flüssigkeit 2 einwirkt, unterbrochen werden, wobei TpaUse ≤ 0.5TP,RMF oder TpaUse ≤ O.5-TP,WMF sind.
Die Richtung des rotierenden Magnetfeldes RMF 34 und/oder des wandernden Magnetfeldes WMF 47 kann zwischen zwei Pulsen invertiert werden.
In Fig. 3 sind schematische Darstellungen - Momentaufnahmen - der Flüssigkeitsströmungen bei BoRMF/BoWMF = 1 ,67, bei der Taylor-Zahl Ta = 1 ,06 * 105, TP = 8,6s = 0,5 * tj.a. gezeigt, wobei Fig. 3a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF 34 eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF 47 ausgeschaltet ist,
Fig. 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,
Fig. 3b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF 47 eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF 34 ausgeschaltet ist und Fig. 3b2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektordiagramm, wenn das wandernde Magnetfeld WMF 47 eingeschaltet ist und das rotierende Magnetfeld RMF 34 ausgeschaltet ist.
Der Vergleich zeigt, dass die meridionale Strömung am Boden des Zylinders beim eingeschalteten WMF 47 geschwächt ist, was zur Verringerung der Entmischung führt.
In Fig. 4 sind schematische Darstellungen in Form von Momentaufnahmen der Flüssigkeitsströmungen bei B0 RMF/B0 WMF = 3, Ta = 1 ,06 * 105, TP = 8,6s = 0,5 tι.a. gezeigt, wobei
Fig. 4a1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das rotierende Magnetfeld RMF 34 eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF 47 ausgeschaltet ist, Fig. 4a2 eine Momentaufnahme der meridionalen Geschwindigkeit als Vektor- diagramm, wenn das rotierende Magnetfeld RMF 34 eingeschaltet ist und gleichzeitig das wandernde Magnetfeld WMF 47 ausgeschaltet ist, Fig. 4b1 eine Momentaufnahme der azimutalen Strömung, wenn das wandernde Magnetfeld WMF 47 eingeschaltet ist und gleichzeitig das rotierende Magnetfeld RMF 34 ausgeschaltet ist und Fig. 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 Fig. 5 sind mehrere schematische Darstellungen der Erstarrung einer Al-Si- Legierung unter Magnetfeldeinfluss in Form des Makrogefüges im vertikalen Schnitt gezeigt, wobei
Fig. 5a ein Makrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wirkenden wandernden Magnetfeldes WMF 47 bei 6mT,
Fig. 5b ein Mikrogefüge unter Einfluss eines kontinuierlich wirkenden rotieren- den Magnetfeldes RMF 34 bei 6,5mT und
Fig. 5c ein Mikrogefüge unter Einfluss der diskontinuierlich and abwechselnd einwirkenden Magnetfelder RMF 34 und WMF 47 mit jeweils 6mT darstellen. Die entsprechenden Magnetfelder RMF 34 und WMF 47 werden jeweils 30s 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 Fig. 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 RWF 34 in Fig. 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 Symme- trieachse 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 Fig. 5c gezeigt ist, diskontinuierlich nacheinander angewendet, ist sofort mit Aktivierung des elektromagnetischen Rührens ein Über- gang 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 Erstar- rungsfront, die im zeitlichen Mittel einen Stofftransport in bevorzugte Richtungen verursachen.
- Damit bilden sich keine unerwünschter 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.
Bezugszeichenliste
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

Patentansprüche
1. 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 (TP,RMF> TP|WMF) und abwechselnd zeitlich nacheinander über zugehörige Induktionsspulen (31 , 32,33;41 , 42,43,44, 45,46) zugeschaltet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer (TP.RMF) der Perioden von rotierendem Magnetfeld RMF (34) und die Dauer (TPIWMF) der Perioden von wanderndem Magnetfeld WMF (47) in einem Zeitintervall
0.2-tj.a. < Tp1RMF = Tp1WMF < 2-tj.a. (I) liegen, mit folgender Definition für eine Einstellzeit tj.a. wobei die Variablen σ, p, 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 C9 den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit (2) darstellen und wobei die Einstellzeit (tu.) den Zeitpunkt darstellt, an dem die volumengemittelte kinetische Energie der meridionalen Strömung oder die volumengemittelte meri- dionale Geschwindigkeit Un, ein erstes Maximum erreicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Periodendauern TP.RMF.TP.WMF für das rotierende Magnetfeld RMF (34) und das wandernde Magnetfeld WMF (47) gemäß folgender Bedingung
0.5Tp1RMF < Tp1WMF < 5Tp1RMF (H) eingestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (B0 RMF) des rotierenden Magnetfeldes RMF (34) die folgenden beiden Werte
T -,iRKMMFf I r P 100 - V s,ol (VI) und σω Hn übersteigen, wobei die Parameter v, VSOι und Ho die kinematische Viskosi- tat der Schmelze, die Erstarrungsgeschwindigkeit bzw. die Höhe des
Schmelzenvolumens darstellen und BiRMF und B2 RMF die unteren Grenzwerte der Amplituden der rotierenden Magnetfeldes RMF (34) sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (BoWMF) 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.
BoWMF = 1...4-BoRMF (VIII).
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Modulierung des Verlaufs der Lorentzkraft (FL) 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.
7. 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 einge- stellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Periodendauern (TP|RMF , TP,WMF), in denen eines der Magnetfelder RMF (34) oder WMF (47) zugeschaltet ist, durch eine Pausendauer Tpause, in denen keines der beiden Magnetfelder RMF (34) oder WMF (47) auf die Flüssigkeit (2) einwirkt, unterbrochen werden, wobei Tpause ≤ 0.5Tp1RMF oder Tpause ≤ 0.5-Tp1WMF sind.
9. 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.
10. Einrichtung (1) zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten (2) unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes RWF (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 Induktionspulen zur Ausbildung eines eine Lorentzkraft FL 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 (10) zur Temperaturmessung der
Flüssigkeit (2) im Behälter (13) und Temperaturkontrolle seitens einer Steuer-/Regeleinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromversorgungseinheit (10 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 = TP1WMF < 2-ti.a. (I) oder
0.5Tp1RMF < Tp1WMF < 5-Tp1RMF (H) eingestellt erfolgt.
11. 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.
12. Einrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (14) mit einer Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung (11) versehen ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (12) in direktem Kontakt mit einem festen Metallkör- per (5) steht, welcher im Innern von einem Kühlmedium durchflössen wird.
14. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (13) des Behälters (14) thermisch isoliert sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (5) mit einem Thermostaten in Verbindung steht.
16. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Kühlkörper (5) und dem Behälter (14) ein Flüs- sigmetallfilm befindet, um einen stabilen Wärmeübergang bei geringem
Übergangswiderstand zu erzielen.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigmetallfilm aus einer Galliumlegierung besteht.
18. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bodenplatte (12) und/oder den Seitenwänden (13) des Behäl- ters (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.
19. Verwendung der Einrichtung (1) zum elektromagnetischen Rühren von e- lektrisch 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.
EP08801099A 2007-08-03 2008-08-01 Verfahren und eintrichtung zum elektromagnetischen rühren von elektrisch leitenden flüssigkeiten Withdrawn EP2178661A1 (de)

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