EP2190612A1 - Method and device for the electromagnetic stirring of electrically conductive fluids - Google Patents

Method and device for the electromagnetic stirring of electrically conductive fluids

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EP2190612A1
EP2190612A1 EP08801098A EP08801098A EP2190612A1 EP 2190612 A1 EP2190612 A1 EP 2190612A1 EP 08801098 A EP08801098 A EP 08801098A EP 08801098 A EP08801098 A EP 08801098A EP 2190612 A1 EP2190612 A1 EP 2190612A1
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EP
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magnetic field
liquid
solidification
container
melt
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EP08801098A
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German (de)
French (fr)
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EP2190612B1 (en
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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
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Publication date
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Publication of EP2190612B1 publication Critical patent/EP2190612B1/en
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    • 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
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C1/00—Refining of pig-iron; Cast iron
    • C21C1/06—Constructional features of mixers for pig-iron
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D27/00—Stirring devices for molten material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/206—Flow affected by fluid contact, energy field or coanda effect [e.g., pure fluid device or system]

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids in the liquid state and / or during the solidification of the liquids using a horizontal magnetic field generating a Lorentz force, rotating magnetic field. Due to their contactless interaction with electrically conductive liquids, time-dependent electromagnetic fields open up a possibility for mixing, for example, molten metal melts.
  • the magnetic field amplitude and frequency parameters allow the electromagnetic field to be controlled directly and accurately in a simple manner.
  • the present invention relates to magnetic, mostly in the horizontal direction rotating traveling fields, also referred to as rotating magnetic fields.
  • a major problem with the use of a rotating magnetic field for electromagnetic stirring is that the majority of the kinetic energy of the melt is for the primary azimuthal Rotational movement is applied, but only contributes to a small extent to the mixing of the melt.
  • An intensification of the mixing process is possible primarily by an enhancement of the secondary meridional flow.
  • An increase in magnetic field strength or magnetic field frequency causes a widening of the secondary flow, ie an increase in the speed values in the axial and radial directions and the generation of additional turbulence, eg the occurrence of Taylor-Görtler-vortexes, as in the publications PA Nikrityuk, K. Eckert, R Grundmann: Magnetohydrodynamics, 2004, 40, pp. 127-146.
  • a method for stirring the molten steel during continuous casting is also described in the publication US 2003/0106667, in which two superimposed and counter-rotating magnetic fields are used. While the lower magnetic field takes over the actual function of the stirrer, the task of the upper magnetic field is to decelerate the rotating melt in the area of the free surface to very low velocity values in order to compensate for the negative effects of stirring - a deflection and turbulence of the free surface .
  • One problem is that it works with two magnetic stirrers - a lower magnetic stirrer and an upper magnetic stirrer. This means in comparison to the use of only one magnetic system a higher apparatus and control engineering effort. At the same time, such a method has an unfavorable energy balance.
  • each method for electromagnetic stirring in continuous casting molds are described in which a periodic change of the current is made in the coil assembly.
  • the document DE 2 401 145 describes that the formation of secondary white bands and secondary dendrites can be avoided with this method.
  • a calming of the free bath surface is achieved. It is assumed that the resulting magnetic field inside the melt simultaneously maintains an intense stirring motion.
  • very wide ranges, in particular between one second and 30 seconds, are specified for the cycle times in which the current direction is to be changed.
  • the cycle time also called period duration, or the frequency of the sign change of the current is an important parameter with a large influence on the forming flow.
  • period duration also called the frequency of the sign change of the current
  • 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 an intense three-dimensional flow inside the liquid for mixing in the liquid state reaches into the immediate vicinity of solidification fronts and at the same time an undisturbed, free surface of the liquid can be ensured.
  • a three-phase alternating current current I 0 can be applied to at least three pairs of induction coils placed on a cylindrical container containing the liquid.
  • the container can be filled as electrically conductive liquids metallic or semiconductor melts.
  • the amplitude B 0 of the magnetic field is to be increased so that at least the maximum of the two values
  • B ⁇ ⁇ . ⁇ (, v) and is reached, where v is the kinematic viscosity of the melt, V SO
  • the respective period durations are interrupted during mixing Tp M and at the beginning of solidification T P E, in which the magnetic field is applied by interrupting the pause duration Tp au se, in which no magnetic field is applied to the melt, wherein the pause duration T PaUse to the respective period T P is set with Tpause ⁇ 0.5 Tp.
  • the device for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids in the liquid state and / or in the state of the beginning of the solidification of the liquid using a horizontal plane Lorentz force FL generating, rotating magnetic field and under control of the temperature profile of the liquid by means of the method according to the invention contains at least
  • a cylindrical container a centrally symmetrical arrangement of at least three pairs of induction coils surrounding the container for forming a rotating magnetic field generating a low-force force FL,
  • At least one temperature sensor for measuring the temperature of the liquid in the container, wherein according to the characterizing part of claim 9, the pairs of induction coils are in communication with a control and regulating unit, which forwards a rotary current I 0 to the pairs of induction coils via a connected power supply unit, wherein the Phase angle of the pairs of induction coils feeding three-phase current ID at regular, time intervals and according to the predetermined period TP M for mixing in the liquid state or T PE for the mixing is shifted from the beginning of solidification by 180 ° and thus a reversal of the direction of rotation the magnetic field and the Lorentkraft F L driving the flow is achieved, wherein the control unit is in communication with the temperature sensor whose temperature data at the time of solidification start the switching of the period from T PM to T PE .
  • the three-phase current I 0 may be a three-phase alternating current.
  • the container with the electrically conductive liquid which may in particular be a melt, may preferably be arranged concentrically within the induction coils.
  • the container may be provided with a heating device and / or cooling device, which may be in communication with a fixed metal body.
  • the container bottom 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 e.g. be positioned in the form of a thermocouple, which provides an information signal about the time of the onset of solidification and is connected to the control unit.
  • the use of the device according to the invention for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids can according to claims 9 to 18 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 solidification of metallic works. Substances by means of the method according to claim 1 to 8 take place.
  • the direction of the rotating magnetic field is reversed at quite specific, regular time intervals.
  • the reversal is carried out by means of the control means for shifting the phases of a three-phase alternating current, whereby the direction of rotation of the rotating phases of a three-phase alternating current and thus reverses the direction of rotation of the rotating magnetic field.
  • an intense meridional secondary flow at the same time mitigated pronounced azimuthal rotational movement, which is carried out by the constantly recurring directional change intensive mixing.
  • the efficient adjustment of the duration of the period T P between two changes of direction plays the decisive role.
  • the parameter t, a represents an adjustment time (English, initial adjustment time), in which, after an abrupt connection of a rotating magnetic field in a melt, which was previously in the rest state, the double vortex typical of the meridional secondary flow has developed.
  • the characteristic response time t, a is calculated according to a formula from the variables electrical conductivity of the melt, density of the melt and frequency and amplitude of the magnetic field.
  • An associated constant takes into account the influence of size and shape of the melt volume and can assume numerical values between three and five. This is compared to the prior art, in particular with respect to the document DE 3 730 300 before a defined range for the period T P , in which the direction of rotation change is adjustable.
  • An essential feature of the invention is that the direction of the rotating magnetic field is reversed at regular time intervals, with the period T P of the change of direction an important parameter exists, which can be specified in order to intensify the stirring. Stalten.
  • An essential criterion for the success of the process is the possibility of a targeted control of the secondary flow. Different flow patterns are advantageous for different objectives.
  • the present invention can be used advantageously for the efficient stirring of melts and for the directed solidification of multicomponent melts.
  • the objective in an application of the method in the directional solidification of metallic alloys is that in addition to a thermal homogenization of the melt, the direction of the flow in the immediate vicinity of the solidification front over time should be varied so that a time average for the radial velocity component close to zero results.
  • the present invention shows that the meridional secondary flow rate field is clearly and comprehensibly dependent on variations in the parameter T p .
  • T P the proper adjustment of the period T P is crucial in view of the objective of the particular application.
  • Tp the strength of the magnetic field, the dimensions and shape of the melt volume and the material properties of the melt must be taken into account.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention for the electromagnetic stirring for mixing a liquid Melt in conjunction with the inventive method, wherein
  • FIG. 1a is a schematic structure of the device in front view
  • Fig. 1b is a plan view of the device according to Fig. 1a
  • Fig. 1c is a schematic representation of the flow modes in a rotating magnetic field in the horizontal plane
  • Fig. 1d a period duration (Tp) -Temperatur (T) representation of the melt in the liquid state and in the transition to solidification, wherein T SO ⁇ the Temperature of the container bottom too
  • Fig. 2 shows two schematic cylindrical container with liquid metal melts, wherein
  • FIG. 2 a shows a liquid melt of a metal and FIG. 2 b shows two superimposed melts of two different metals at rest (in the unmixed state), FIG.
  • Fig. 5 Presentation of the results of numerical simulations for mixing the tin concentration in the lower half of the container: time evolution of the volume-averaged Sn concentration in the lower container volume for different scenarios.
  • FIG. 6 solidification of an Al-Si alloy under magnetic field influence
  • FIG. 1, 1a, 1b is a schematic representation of an inventive device 1 for stirring a liquid in the liquid state in the form of a metallic melt 2 using a horizontal plane in a Lorentz force FL generating, rotating magnetic field, wherein the device 1 comprises at least one cylindrical container 13 with the liquid melt 2 therein, as shown in Fig. 2a, or 21, 22 as shown in Fig. 2b, - A surrounding the container 13 centrally symmetrical arrangement 3 of at least three pairs 31, 32,33 of induction coils for forming a Lorentz force F L generating, rotating magnetic field and
  • At least one temperature sensor 10 for measuring the temperature of the liquid 2,21, 22 in the container 13.
  • the pairs 31, 32, 33 of the induction coils are connected to a control / regulation unit 12, which transmits a three-phase current b to the pairs 31, 32, 33 of induction coils via a connected power supply unit 11, the phase position of the pairs 31, 32, 33 of the induction coils feeding three-phase current ID at regular time intervals corresponding to the predetermined period T PM for mixing in the liquid state or T PE for mixing from the beginning of solidification is shifted by 180 ° and thus a reversal of the direction of rotation of the magnet field and the Lorentkraft F L driving the flow is achieved, wherein the control unit 12 is in communication with the temperature sensor 10 whose temperature data at the time of solidification start the switching of the period from T PM to TPE.
  • the cylindrical container 13 is filled with the liquid, electrically conductive first melt 2.
  • the container 13 is located centrally symmetrically in the middle of the arrangement 3 of the induction coil pairs 31, 32, 33, as shown in FIG. 1 b.
  • the induction coil pairs 31, 32, 33 are fed by a power supply unit 11 with a three-phase current I 0 in the form of a three-phase alternating current and generate a magnetic field rotating around the axis of symmetry 14 of the container 13 and oriented horizontally with the direction of rotation 15 (arrow direction).
  • the temporal change in the magnetic field strength generates a Lorentz force F L with a dominant azimuthal component which causes the melt 2 in FIG. 2 a or 21, 22 in FIG. 2 b to rotate.
  • the power supply unit 11 of the induction coil pairs 31, 32, 33 is connected to the control / regulating unit 12, which causes a displacement of the phases of the three-phase alternating current ID at predetermined time intervals.
  • the phase shift has the consequence that the direction of rotation 15 of the horizontally oriented Magnetic field during the phase change in the direction of rotation 16 reverses, as shown in Fig. 1b.
  • the method can be used, for example, to homogenize the temperature distribution in a one-component melt 2, as shown in FIG. 2 a, or to balance the concentration in demixed multicomponent melts 21, 22, as shown in FIG. 2 b. cause the higher density melt 22 to be in the lower part of the container 13 prior to mixing and to be covered by the lighter melt 21.
  • FIG. 1 The operation of the device 1 is explained in more detail according to FIG. 1 and FIG. 2a, 2b.
  • the electromagnetic stirring method is based on a periodic reversal of the direction of the Lorentz force F L driving the flow.
  • the character of the flow is determined by a periodic change of the direction of rotation 15-16, 16-15 of the magnetic field B 0 .
  • the flow is slowed down and the melt 2, 21, 22 accelerates in the opposite direction.
  • the Lorentz force FL varies in the axial direction with the associated force component and has a maximum in the center plane 17 of the container 13.
  • the melt 2, 21, 22 braked more in the vicinity of the center plane 17 and in the Counter direction 16 accelerates as this is near the bottom 4 of the container 13 and the free surface 5 of the case.
  • the setting of the period Tp plays a crucial role. If the period T P is too long, the primary azimuthal rotational movement 19 significantly increases in intensity as compared to the secondary meridional flow 18. A shorter period T P is advantageous because more frequent changes of direction 15-16, 16-15 increase the secondary flow 18. However, if the period Tp is too small, the melt 2, 21, 22 can not be sufficiently accelerated, both primary rotational movement 19 and secondary flow 18 lose their intensity. Thus, as shown in Fig. 1e, there exists a certain optimum value of the period T P) which depends on the magnetic field strength B 0 , the size and shape of the volume and the material properties of the melt 2, 21, 22.
  • the parameter t i a. is the so-called adjustment time (English, initial adjustment time) and denotes the time scale, in which, after an abrupt connection of a rotating magnetic field in a melt 2, 21, 22, which was previously at rest, the double vortex typical of the meridional secondary flow 18 out forms.
  • the response time tj .a is defined by the following equation where the variables ⁇ , p, ⁇ and B 0 denote the electrical conductivity and the density of the melt, the frequency and the amplitude of the magnetic field, while the constant C 9 describes the influence of size and shape of the melt volume and assume numbers between three and five can.
  • the experimental results prove the existence of a certain period Tp at which the intensity of the secondary meridional flow 18 reaches a maximum.
  • the position of the maximum U zma ⁇ 2 varies with the magnetic field strength and corresponds to the respective adjustment time tj .a ..
  • the representation is characterized by the temporal evolution of the tin concentration 21 in the lower container half (R 0 - radius, H 0 - height of the container) confirmed, which is shown in Fig. 4b.
  • Particularly noteworthy in this context is that when setting an inappropriate value of the period Tp with respect to a homogenization of the melt volume worse results are achieved than when using a continuously rotating magnetic field.
  • the device 1 shown in FIG. 2 of the cylindrical container 13 filled with an electrically conductive melt 2 in the arrangement 3 of induction coil pairs 31, 32, 33 as shown in FIGS. 1, 1 a, 1 b can be replaced by a cooling device 23 be supplemented for the solidification of metallic melts 2.
  • the cooling device 23 contains a metal block 6, in the interior of which cooling channels 7 are present.
  • the container 13 stands on the metal block 6.
  • the cooling channels 7 located in the interior of the metal block 6 are flowed through by a coolant during the solidification process.
  • the melt 2 is removed from the heat down.
  • a thermal insulation 8 of the container 13 prevents heat losses in the radial direction.
  • At the bottom 4 and the side walls 20 of the container 13 is at least one temperature sensor 10, for example mounted in the form of a thermocouple.
  • the temperature measurements make it possible to monitor the beginning and the course of the state of solidification and to enable a timely adaptation of the magnetic field parameters (eg B 0 and Tp) by the power supply unit 11 controlled by the control unit 12 to the individual stages of the solidification process.
  • the periodic reversal of the direction of the Lorentz force F L driving the flow is continued.
  • the period T PE is, as shown in Fig.id, set such that the melt 2 is well mixed and the direction of the secondary meridional flow 18 in the vicinity of the solidification front undergoes a constant change of direction.
  • Al-Si alloys 21, 22 may directionally solidify directionally controlled temperature in the device 1 according to the invention shown in FIG. The microstructural properties obtained are explained in more detail with reference to FIGS. 6a, 6b, 6c, 7a, 7b and 8 with regard to the formation of columnar dendrites, grain refining and demixing.
  • FIG. 6 shows the macrostructure in longitudinal section of cylindrical blocks of an Al-7wt% Si alloy, eg with a diameter of 50 mm and a height of 60 mm, which were directionally solidified under the action of a rotating magnetic field at a field strength B 0 of 6.5 mT ,
  • the magnetic field was switched on with a time delay of 30 s after the start of solidification on the container bottom.
  • a coarse columnar structure grows parallel to the symmetry axis of the container.
  • FIG. 7a first of all a modified columnar structure is formed, as shown in FIG. 7a, ie the columnar grains become finer and grow inclined to the side.
  • FIGS. 6 to 8 show that in the case of electromagnetic stirring with a change of direction of the magnetic field when the magnetic field is switched on, a direct transition to equiaxial grain growth can be achieved.
  • the periodic change of the direction of rotation of the magnetic field leads in each case to an can, as shown in Fig. 7b ner reduction of segregation, which is also completely avoided with a suitable choice of the pulse duration T P almost be.
  • the frequency of the periodic reversal of the direction of the secondary meridional flow 18 determined according to the invention makes it possible to determine definable values for mixing or directional solidification
  • the application of the invention may be used for the mixing of molten metals 2, 21, 22, for continuous casting, for the directed solidification of mixed metallic alloys and for the directed solidification of semiconductor melts, among others. be used.

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Abstract

The invention relates to a method and to a device for the electromagnetic stirring of electrically conductive fluids (2, 21, 22) in the liquid state and/or in the state of onsetting solidification of the fluid (2, 21, 22), using a rotating magnetic field that is produced in the horizontal plane of a Lorentz force (FL). The aim is to achieve an intensive three-dimensional flow on the inside of the fluid for mixing in the liquid state up to the direct vicinity of solidifying fronts, and to simultaneously ensure an undisturbed, free surface of the fluid. The solution is to change the direction of rotation (15, 16) of the magnetic field rotating in the horizontal plane at regular time intervals in the form of a period duration (TP), wherein the frequency of the directional change of movement of the magnetic field vector is adjusted such that in the state of mixing the liquid fluid (2, 21, 22) a period duration (TP) is adjusted between two directional changes of the magnetic field during a time interval (ΔTPM) as a function of the adjustment time (ti.a.) with the condition (I) 0.5.ti.a < TPM < 1.5.ti.a and such that, at the beginning of the state of onsetting solidification of the fluid (2,21,22), a period duration (Tp) is set between two directional changes of the magnetic field in a time interval (ΔTPE) as a function of the adjustment time (ti.a.) with the condition (II) 0.8.ti.a < TPE < 4.ti.a, wherein the adjustment time (ti.a) is specified by the equation (III) in which after an activation of the rotating magnetic field in a fluid (2; 21, 22) in the resting state the double vortex of the meridional secondary flow (18) forms, and in which σ is defined as the electric conductivity, ρ as the density of the fluid (2, 21, 22), ω as the frequency, Bo as the amplitude of the magnetic field, and C9 as the constant for the influence of the size and shape of the volume of the fluid (2, 21, 22).

Description

Verfahren und Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten Method and device for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten im flüssigen Zustand und/oder während der Erstarrung der Flüssigkeiten unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene eine Lorentzkraft erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes. Aufgrund ihrer kontaktlosen Wechselwirkung mit elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten eröffnen zeitabhängige elektromagnetische Felder eine Möglichkeit zum Mischen von beispielsweise flüssigen Metallschmelzen. Über die Parameter Magnetfeldamplitude und -frequenz kann das elektromagnetische Feld in einfa- eher Weise unmittelbar und genau geregelt werden.The invention relates to a method and a device for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids in the liquid state and / or during the solidification of the liquids using a horizontal magnetic field generating a Lorentz force, rotating magnetic field. Due to their contactless interaction with electrically conductive liquids, time-dependent electromagnetic fields open up a possibility for mixing, for example, molten metal melts. The magnetic field amplitude and frequency parameters allow the electromagnetic field to be controlled directly and accurately in a simple manner.
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische, meist in horizontaler Richtung umlaufende Wanderfelder, auch als rotierende Magnetfelder bezeichnet.The present invention relates to magnetic, mostly in the horizontal direction rotating traveling fields, also referred to as rotating magnetic fields.
Die Anwendung eines rotierenden Magnetfeldes beispielsweise auf einen mit flüssiger Metallschmelze gefüllten zylindrischen Behälter ruft eine in weiten Bereichen nahezu starre Rotationsbewegung der Metallschmelze hervor, welche kaum zum konvektiven Austausch im Volumen der Schmelze beiträgt. Für die zu beobachtenden Mischvorgänge ist im Wesentlichen die sogenannte meridio- nale Sekundärströmung verantwortlich, die in der meridionalen Ebene (r-z- Ebene) aufgrund des Druckunterschieds zwischen der Mitte des Behälters und den Randschichten am Boden und an der freien Oberfläche entsteht und deren Amplitude in Abhängigkeit von der Geometrie der betrachteten Strömung etwa um den Faktor Fünf bis Zehn geringer als die rotierende azimutale Strömung ausfällt. In der meridionalen Ebene, wie in der Druckschrift P.A. Nikrityuk, M. Ungarish, K. Eckert and R. Grundmann: Spin-up of a liquid metal flow driven by a rotating magnetic field in a finite cylinder: A numerical and analytical study, Phys. Fluids, 2005, vol. 17, 067101), beschrieben ist, bildet sich eine sogenannte Doppelwirbelstruktur aus, d.h. im Bereich der horizontalen Mittelebene des Behälters wird die flüssige Metallschmelze radial nach außen transportiert, strömt an den Seitenwänden nach oben bzw. unten und fließt am Boden und unterhalb der freien Oberfläche wieder zurück zur Achse. Die Richtung der sekundären Zirkulation stellt sich für beide Drehrichtungen des Magnetfeldes in derselben Weise ein.The application of a rotating magnetic field, for example, to a liquid container filled with liquid molten metal container causes a nearly rigid rotational movement of the molten metal in a wide range, which hardly contributes to the convective exchange in the volume of the melt. For the mixing processes to be observed, essentially the so-called meridional secondary flow is responsible, which arises in the meridional plane (rz plane) due to the pressure difference between the center of the container and the surface layers at the bottom and at the free surface and their amplitude in dependence from the geometry of the considered flow about a factor of five to ten less than the rotating azimuthal flow fails. In the meridional plane, as in the document P.A. Nikrityuk, M. Ungarish, K. Eckert and R. Grundmann: Spin-up of a liquid metal flow driven by a rotating magnetic field in a finite cylinder: A numerical and analytical study, Phys. Fluids, 2005, vol. 17, 067101), a so-called double vortex structure is formed, i. in the region of the horizontal center plane of the container, the liquid molten metal is transported radially outwards, flows upwards or downwards on the side walls and flows back to the axis at the bottom and below the free surface. The direction of the secondary circulation adjusts itself in the same way for both directions of rotation of the magnetic field.
Ein wesentliches Problem im Hinblick auf die Anwendung eines rotierenden Magnetfeldes für das elektromagnetische Rühren besteht darin, dass der überwiegende Anteil der Bewegungsenergie der Schmelze für die primäre azimutale Rotationsbewegung aufgebracht wird, die aber nur in geringem Maße zur Durchmischung der Schmelze beiträgt. Eine Intensivierung des Mischvorganges ist in erster Linie durch eine Verstärkung der meridionalen Sekundärströmung möglich. Eine Erhöhung von Magnetfeldstärke oder Magnetfeldfrequenz bewirkt eine Anfachung der Sekundärströmung, d.h. eine Zunahme der Geschwindigkeitswerte in axialer und radialer Richtung sowie die Erzeugung zusätzlicher Verwirbelung, z.B. das Auftreten von Taylor-Görtler-Wirbeln, wie in den Druckschriften P.A. Nikrityuk, K. Eckert, R. Grundmann: Magnetohydrodynamics, 2004, 40, pp. 127-146. und P.A. Nikrityuk, K. Eckert, R. Grundmann: CD Pro- ceeding of the Conference on Turbulence and Interactions TI2006, France, 2006, May 28-June 2, 2006, beschrieben ist, in der Nähe der Seitenwände. Dies führt zu einer intensiveren Durchmischung der flüssigen Metallschmelze.A major problem with the use of a rotating magnetic field for electromagnetic stirring is that the majority of the kinetic energy of the melt is for the primary azimuthal Rotational movement is applied, but only contributes to a small extent to the mixing of the melt. An intensification of the mixing process is possible primarily by an enhancement of the secondary meridional flow. An increase in magnetic field strength or magnetic field frequency causes a widening of the secondary flow, ie an increase in the speed values in the axial and radial directions and the generation of additional turbulence, eg the occurrence of Taylor-Görtler-vortexes, as in the publications PA Nikrityuk, K. Eckert, R Grundmann: Magnetohydrodynamics, 2004, 40, pp. 127-146. and PA Nikrityuk, K. Eckert, R. Grundmann: CD Production of the Conference on Turbulence and Interactions TI2006, France, 2006, May 28-June 2, 2006, near the sidewalls. This leads to a more intensive mixing of the liquid molten metal.
Ein Problem besteht darin, dass gleichzeitig aber auch die Rotationsbewegung verstärkt wird und deutliche Störungen und Auslenkungen der freien Oberfläche der flüssigen Metallschmelze hervorruft. In der Folge kann es zu unerwünschten Effekten wie den Einschlüssen von Schlacke in der Schmelze oder der Aufnahme von Sauerstoff aus der Atmosphäre kommen.One problem is that at the same time, however, the rotational movement is amplified and causes significant disturbances and deflections of the free surface of the liquid molten metal. As a result, undesirable effects such as the inclusion of slag in the melt or the absorption of oxygen from the atmosphere may occur.
Ein weiteres Problem tritt für das elektromagnetische Rühren beim Übergang von dem flüssigen Zustand in den Zustand der Erstarrung, d.h. während der gerichteten Erstarrung von metallischen Legierungen oder Halbleiterschmelzen, auf. In unmittelbarer Umgebung einer voranschreitenden Erstarrungsfront entmischt sich die Schmelze aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit einzelner Komponenten in der flüssigen bzw. festen Phase. Eine Strömung in unmittelbarer Umgebung der Erstarrungsfront wirkt dem Aufbau einer ausgedehnten Konzentrationsgrenzschicht entgegen, indem angereicherte Schmelze von der Erstarrungsfront weg transportiert wird. Strömt die Schmelze dabei ausschließlich in eine Richtung, kann es aber in anderen Volumenbereichen zu Entmischungen kommen, welche die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Festkörpers merklich verschlechtern. Rotierende Magnetfelder kommen bereits in metallurgischen Prozessen, wie dem Stranggießen von Stahl zum Einsatz. In der Druckschrift DE AS 1 962 341 wird dazu eine Anordnung einer mehrphasigen elektromagnetischen Wicklung zur Erzeugung eines Wanderfeldes senkrecht zur Gießrichtung an einer Strang- gießanlage beschrieben.Another problem arises for the electromagnetic stirring in the transition from the liquid state to the state of solidification, ie during the directional solidification of metallic alloys or semiconductor melts on. In the immediate vicinity of a progressive solidification front, the melt separates due to the different solubility of individual components in the liquid or solid phase. A flow in the immediate vicinity of the solidification front counteracts the build-up of an extended concentration boundary layer by transporting enriched melt away from the solidification front. If the melt flows exclusively in one direction, segregation may occur in other volume ranges, which noticeably worsen the mechanical properties of the resulting solid. Rotating magnetic fields are already used in metallurgical processes, such as the continuous casting of steel. In the publication DE AS 1 962 341 an arrangement of a polyphase electromagnetic winding for generating a traveling field perpendicular to the casting direction on a continuous casting plant is described.
Ein Verfahren zum Rühren der Stahlschmelze beim Stranggießen ist auch 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 abzubremsen, um die negativen Auswirkungen des Rührens - eine Auslenkung und Verwirbelung der freien Oberfläche - zu kompensieren. Ein Problem besteht darin, dass mit zwei Magnetrührern - einem unteren Magnetrührer und einem oberen Magnetrührer - gearbeitet wird. Dies bedeutet im Vergleich zum Gebrauch nur eines Magnetsystems einen höheren apparativen und regelungstechnischen Aufwand. Gleichzeitig weist ein derartiges Verfahren eine ungünstige Energiebilanz auf. 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 vom Anwender eine weit weniger intensive Rotation der Schmelze gewünscht wird, muss bei dieser Herangehensweise zusätzliche Energie im oberen Magnetrührer aufgewendet werden, um die Strömung dort zu bremsen.A method for stirring the molten steel during continuous casting is also described in the publication US 2003/0106667, in which two superimposed and counter-rotating magnetic fields are used. While the lower magnetic field takes over the actual function of the stirrer, the task of the upper magnetic field is to decelerate the rotating melt in the area of the free surface to very low velocity values in order to compensate for the negative effects of stirring - a deflection and turbulence of the free surface , One problem is that it works with two magnetic stirrers - a lower magnetic stirrer and an upper magnetic stirrer. This means in comparison to the use of only one magnetic system a higher apparatus and control engineering effort. At the same time, such a method has an unfavorable energy balance. With the help of the lower magnetic stirrer mechanical energy is brought into the molten steel and the molten steel is set in rotation. However, since a much less intensive rotation of the melt is desired by the user in the upper part of the continuous casting plant, in this approach additional energy has to be expended in the upper magnetic stirrer in order to brake the flow there.
In den Druckschriften DE 2 401 145 und DE 3 730 300 sind jeweils Verfahren zum elektromagnetischen Rühren in Stranggusskokillen beschrieben, bei denen eine periodische Änderung des Stromes in der Spulenanordnung vorgenommen wird. In der Druckschrift DE 2 401 145 ist beschrieben, dass mit dieser Verfah- rensweise die Ausbildung von sekundären Weißbändern und Sekundärdendriten vermieden werden kann. Mit dem in der Druckschrift DE 3 730 300 beschriebenen Verfahren wird eine Beruhigung der freien Badoberfläche erreicht. Es wird davon ausgegangen, dass das resultierende Magnetfeld im Innern der Schmelze gleichzeitig eine intensive Rührbewegung aufrechterhält. In beiden zuletzt genannten Druckschrif- ten werden für die Zykluszeiten, in denen die Stromrichtung gewechselt werden soll, sehr weite Bereiche, namentlich zwischen einer Sekunde und 30 Sekunden angegeben. Die Zykluszeit, auch Periodendauer genannt, oder die Frequenz des Vorzeichenwechsels des Stroms ist ein wichtiger Parameter mit großem Einfluss auf die sich ausbildende Strömung. Ein Problem besteht darin, dass in beiden Druckschriften keine Details über eine vorgebbare Periodendauer in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke, der Geometrie der Anordnung von Induktionsspulen oder den Materialeigenschaften der flüssigen Metallschmelze beschrieben sind.In the documents DE 2 401 145 and DE 3 730 300 each method for electromagnetic stirring in continuous casting molds are described in which a periodic change of the current is made in the coil assembly. The document DE 2 401 145 describes that the formation of secondary white bands and secondary dendrites can be avoided with this method. With the method described in the document DE 3 730 300, a calming of the free bath surface is achieved. It is assumed that the resulting magnetic field inside the melt simultaneously maintains an intense stirring motion. In both of these last-mentioned printed documents, very wide ranges, in particular between one second and 30 seconds, are specified for the cycle times in which the current direction is to be changed. The cycle time, also called period duration, or the frequency of the sign change of the current is an important parameter with a large influence on the forming flow. One problem is that in both documents no details about a predefinable period as a function of the magnetic field strength, the geometry of the arrangement of induction coils or the material properties of the liquid molten metal are described.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine intensive dreidimensionale Strömung im Innern der Flüssigkeit zum Durchmischen im flüssigen Zustand bis in die unmittelbare Umgebung von Erstarrungsfronten erreicht und gleichzeitig eine ungestörte, freie Oberfläche der Flüssigkeit gewährleistet werden.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 an intense three-dimensional flow inside the liquid for mixing in the liquid state reaches into the immediate vicinity of solidification fronts and at the same time an undisturbed, free surface of the liquid can be ensured.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. In dem Verfahren zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten im flüssigen Zustand und/oder im Zustand des Beginns der Erstarrung der Flüssigkeit unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene eine Lorentzkraft FL erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes, werden im Kennzeichenteil gemäß dem Patentanspruch 1 - die Drehrichtung des in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes in regelmäßigen, zeitlichen Abständen in Form einer Periodendauer TP gewechselt, wobei die Frequenz des Richtungswechsels der Bewegung des Magnetfeldvektors derart eingestellt wird, - im Zustand der Durchmischung der Flüssigkeit eine Periodendauer TP zwischen zwei Richtungswechseln des Magnetfeldes in einem Zeitintervall ΔTPM in Abhängigkeit von der Einstellzeit tj.a. mit BedingungThe object is solved by the features of claims 1 and 9. In the method for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids in the liquid state and / or in the state of the beginning of the solidification of the liquid using a in the horizontal plane a Lorentz force FL generating, rotating magnetic field are in the characterizing part according to claim 1 - the direction of rotation of in the horizontal plane rotating magnetic field at regular time intervals in the form of a period T P changed, wherein the frequency of the change of direction of the movement of the magnetic field vector is set such - In the state of mixing of the liquid, a period T P between two changes in direction of the magnetic field in a time interval .DELTA.T PM depending on the response time tj .a. with condition
(I) 0.5-tj.a. < TPM < 1.5-tj.a. eingestellt, und - zu Beginn des Zustandes der Erstarrung der Flüssigkeit eine Periodendauer TP zwischen zwei Richtungswechseln des Magnetfeldes in einem Zeitintervall ΔTPE in Abhängigkeit von der Einstellzeit tj.a. mit Bedingung(I) 0.5-tj.a. <TPM <1.5-tj.a. set, and - at the beginning of the state of solidification of the liquid, a period T P between two changes in direction of the magnetic field in a time interval .DELTA.TPE in response to the response time tj .a. with condition
(II) 0.8-tj.a. < TPE < 4-tj.a eingestellt, wobei die Einstellzeit tj.a. durch die Gleichung(II) 0.8-tj.a. <TPE <4-tj.a, the setting time tj .a. through the equation
(IM) tι.a. = C8 TA0 &] gegeben wird,(IM) tι. a . = C 8 TA 0 &] is given,
in der sich nach einem Zuschalten des rotierenden Magnetfeldes in einer sich im Ruhezustand befindenden Flüssigkeit der Doppelwirbel der meridionalen Sekundärströmung ausbildet, und σ als elektrische Leitfähigkeit, p als Dichte der Flüssigkeit, ω als Frequenz und B0 als Amplitude des Magnetfeldes und C9 als Konstante für den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit definiert werden.in which forms after connection of the rotating magnetic field in a quiescent state liquid of the double vortex of the secondary meridional flow, and σ as electrical conductivity, p as density of the liquid, ω as frequency and B 0 as the amplitude of the magnetic field and C 9 as a constant be defined for the influence of size and shape of the volume of the liquid.
Zur Ausbildung des rotierenden Magnetfeldes kann ein Drehstrom I0 in Form eines Drei-Phasenwechselstroms an mindestens drei an einem zylindrischen, die Flüssigkeit enthaltenden Behälter platzierte Paare von Induktionsspulen angelegt werden.In order to form the rotating magnetic field, a three-phase alternating current current I 0 can be applied to at least three pairs of induction coils placed on a cylindrical container containing the liquid.
In dem Behälter können als elektrisch leitende Flüssigkeiten metallische oder Halbleiterschmelzen eingefüllt werden.In the container can be filled as electrically conductive liquids metallic or semiconductor melts.
Bei der Durchmischung einer sich abkühlenden Schmelze wird demzufolge eine Periodendauer Tp nach Bedingung (I) mit 0.5-tj.a. < TPM < 1.5 ti a. gewählt, solange die Schmelze noch vollständig flüssig ist, während mit Beginn des Zustandes der Erstarrung die Periodendauer Tp so vergrößert wird, so dass nach Bedin- gung (II) 0.8 ti a. < TPE < 4 ti a. erfüllt wird. Entsprechend der sich im Verlauf des Zustands der gerichteten Erstarrung verringernden Höhe H0 des Volumens der Schmelze kann die Amplitude Bo des Magnetfeldes nachgeregelt werden.When mixing a cooling melt is thus a period Tp according to condition (I) with 0.5-tj. a . <T PM <1.5 t i a. chosen, as long as the melt is still completely liquid, while at the beginning of the state of solidification, the period Tp is increased so that according to condition (II) 0.8 t ia . <T PE <4 t ia . is fulfilled. According to the decreasing height H 0 of the volume of the melt in the course of the state of directional solidification, the amplitude Bo of the magnetic field can be readjusted.
Im Zustand einer temperaturkontrolliert gerichteten Erstarrung ist die Amplitude B0 des Magnetfeldes so zu erhöhen, dass mindestens das Maximum der beiden WerteIn the state of a temperature-controlled solidification, the amplitude B 0 of the magnetic field is to be increased so that at least the maximum of the two values
B< =μ.≡μ (,v) und erreicht wird, wobei v als kinematische Viskosität der Schmelze, VSO| als Erstarrungsgeschwindigkeit, H0 als Höhe des Schmelzenvolumens, und Bi und B2 als untere Grenzwerte der Amplitude B0 des Magnetfeldes definiert werden, die sich im Verlauf der Erstarrung in Abhängigkeit der Parameter v, VSOι und H0 verändern können. B <= μ.≡μ (, v) and is reached, where v is the kinematic viscosity of the melt, V SO | as solidification rate, H 0 as the height of the melt volume, and Bi and B 2 are defined as lower limits of the amplitude B 0 of the magnetic field, which may vary in the course of solidification depending on the parameters v, V SO ι and H 0 .
Die jeweiligen Periodendauern werden bei Durchmischung TpM und bei Erstarrungsbeginn TPE, in denen das Magnetfeld zugeschaltet anliegt, durch Pausen der Pausendauer Tpause, in denen kein Magnetfeld an der Schmelze anliegt, unterbrochen, wobei die Pausendauer TPaUse zur jeweiligen Periodendauer TP mit Tpause ≤ 0.5 Tp eingestellt wird.The respective period durations are interrupted during mixing Tp M and at the beginning of solidification T P E, in which the magnetic field is applied by interrupting the pause duration Tp au se, in which no magnetic field is applied to the melt, wherein the pause duration T PaUse to the respective period T P is set with Tpause ≤ 0.5 Tp.
Bei der Modulierung des Verlaufs der elektromagnetischen Kraft FL können anstelle der Rechteckfunktion andere Pulsformen, wie beispielsweise Sinus, Dreieck oder Sägezahn, realisiert werden, wobei der Verlauf und der Maximalwert der Amplitude B0 des Magnetfeldes so festgelegt werden, dass sich für die verschiedenen Pulsformen ein identischer Energieeintrag ergibt.When modulating the course of the electromagnetic force F L other pulse shapes, such as sine, triangle or saw tooth, can be realized instead of the rectangular function, the course and the maximum value of the amplitude B 0 of the magnetic field are set so that for the different pulse shapes gives an identical energy input.
Die Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten im flüssigen Zustand und/oder im Zustand des Beginns der Erstarrung der Flüssigkeit unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene eine Lorentz- kraft FL erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes und unter Kontrolle des Temperaturverlaufs der Flüssigkeit mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält zumindestThe device for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids in the liquid state and / or in the state of the beginning of the solidification of the liquid using a horizontal plane Lorentz force FL generating, rotating magnetic field and under control of the temperature profile of the liquid by means of the method according to the invention contains at least
- einen zylindrischen Behälter, - eine den Behälter umgebende zentralsymmetrische Anordnung von mindestens drei Paaren von Induktionspulen zur Ausbildung eines eine Lo- rentzkraft FL erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes,a cylindrical container, a centrally symmetrical arrangement of at least three pairs of induction coils surrounding the container for forming a rotating magnetic field generating a low-force force FL,
- mindestens einen Temperatursensor zur Temperaturmessung der Flüssigkeit im Behälter, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 9 die Paare der Induktionsspulen mit einer Steuer- und Regeleinheit in Verbindung stehen, die über eine angeschlossene Stromversorgungseinheit einen Drehstrom I0 an die Paare von Induktionsspulen weiterleitet, wobei die Phasenlage des die Paare der Induktionsspulen speisenden Drehstromes ID in regel- mäßigen, zeitlichen Abständen und entsprechend der vorgegebenen Periodendauer TPM für die Durchmischung im flüssigen Zustand oder TPE für die Durchmischung ab Beginn der Erstarrung um 180° verschoben wird und damit eine Umkehrung der Drehrichtung des Magnetfeldes und der die Strömung antreibenden Lorentkraft FL erreicht wird, wobei die Steuer-/Regeleinheit mit dem Temperatursensor in Verbindung steht, dessen Temperaturdaten zum Zeitpunkt des Erstarrungsbeginns das Umschalten der Periodendauer von TPM zu TPE auslösen.- At least one temperature sensor for measuring the temperature of the liquid in the container, wherein according to the characterizing part of claim 9, the pairs of induction coils are in communication with a control and regulating unit, which forwards a rotary current I 0 to the pairs of induction coils via a connected power supply unit, wherein the Phase angle of the pairs of induction coils feeding three-phase current ID at regular, time intervals and according to the predetermined period TP M for mixing in the liquid state or T PE for the mixing is shifted from the beginning of solidification by 180 ° and thus a reversal of the direction of rotation the magnetic field and the Lorentkraft F L driving the flow is achieved, wherein the control unit is in communication with the temperature sensor whose temperature data at the time of solidification start the switching of the period from T PM to T PE .
Der Drehstrom I0 kann ein Drei-Phasenwechselstrom sein.The three-phase current I 0 may be a three-phase alternating current.
Der Behälter mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit, die insbesondere eine Schmelze sein kann, kann vorzugsweise konzentrisch innerhalb der Induktionsspulen angeordnet sein.The container with the electrically conductive liquid, which may in particular be a melt, may preferably be arranged concentrically within the induction coils.
Der Behälter kann mit einer Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung versehen sein, die mit einem fest installierten Metallkörper in Verbindung stehen können. Der Behälterboden kann in direktem Kontakt mit einem festen Metallkörper stehen, welcher im Innern von einem Kühlmedium durchflössen wird.The container may be provided with a heating device and / or cooling device, which may be in communication with a fixed metal body. The container bottom can be in direct contact with a solid metal body, which is flowed through by a cooling medium in the interior.
Die Seitenwände des Behälters können thermisch isoliert sein.The side walls of the container may be thermally insulated.
Der Kühlkörper kann mit einem Thermostaten in Verbindung stehen.The heat sink can communicate with a thermostat.
Zwischen dem Kühlkörper und dem Behälter kann sich ein Flüssigmetallfilm befinden, um einen stabilen Wärmeübergang bei geringem Übergangswiderstand zu erzielen.Between the heat sink and the container may be a liquid metal film to achieve a stable heat transfer with low contact resistance.
Der Flüssigmetallfilm kann aus einer Galliumlegierung bestehen.The liquid metal film may be made of a gallium alloy.
In der Bodenplatte und/oder den Seitenwänden des Behälters, in dem sich die Schmelze befindet, kann mindestens ein Temperatursensor z.B. in Form eines Thermoelements positioniert sein, welches ein Informationssignal über den Zeitpunkt des Beginns der Erstarrung liefert und mit der Steuer- und Regeleinheit verbunden ist.In the bottom plate and / or the side walls of the container in which the melt is located, at least one temperature sensor, e.g. be positioned in the form of a thermocouple, which provides an information signal about the time of the onset of solidification and is connected to the control unit.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten kann nach den Ansprüchen 9 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 Werk- Stoffe mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8 erfolgen.The use of the device according to the invention for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids can according to claims 9 to 18 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 solidification of metallic works. Substances by means of the method according to claim 1 to 8 take place.
Die Richtung des rotierenden Magnetfeldes wird in ganz bestimmten, regelmäßigen Zeitabständen umgekehrt. Die Umkehr erfolgt mittels der Steuereinrich- tung zur Verschiebung der Phasen eine Drei-Phasenwechselstrom, wodurch sich die Drehrichtung der rotierenden Phasen eines Drei-Phasenwechselstromes und damit sich die Drehrichtung des rotierenden Magnetfeldes umkehrt. Im Zeitraum der Umkehr der Strömungsrichtung tritt eine intensive meridionale Sekundärströmung bei gleichzeitig abgeschwächt ausgeprägter azimutaler Rotationsbewegung auf, wobei durch den ständig wiederkehrenden Richtungswechsel eine intensive Durchmischung erfolgt. Die effiziente Einstellung der Dauer der Periode TP zwischen zwei Richtungswechseln spielt dabei die entscheidende Rolle.The direction of the rotating magnetic field is reversed at quite specific, regular time intervals. The reversal is carried out by means of the control means for shifting the phases of a three-phase alternating current, whereby the direction of rotation of the rotating phases of a three-phase alternating current and thus reverses the direction of rotation of the rotating magnetic field. In the period of reversal of the direction of flow occurs an intense meridional secondary flow at the same time mitigated pronounced azimuthal rotational movement, which is carried out by the constantly recurring directional change intensive mixing. The efficient adjustment of the duration of the period T P between two changes of direction plays the decisive role.
Erfindungsgemäß gilt folgende Festlegung:According to the following definition applies:
Für eine intensive Durchmischung des Schmelze bei gleichzeitig geringem E- nergieaufwand gilt die Bedingung:For an intensive mixing of the melt with at the same time low energy expenditure the condition applies:
(I) 0.5 t, a < Tp < 1.5 tι a oder für eine kontrollierte Erstarrung unter Vermeidung der Ausbildung von Entmischungszonen im Erstarrungsgefüge gilt die Bedingung: a (I) 0.5 t, a <Tp <1.5 t ι a or for a controlled solidification while avoiding the formation of segregation zones in the solidification structure, the condition applies: a
Der Parameter t, a stellt eine Einstellzeit (engl, initial adjustment time) dar, in der sich nach einem abrupten Zuschalten eines rotierenden Magnetfeldes in einer Schmelze, die sich zuvor im Ruhezustand befand, der für die meridionale Se- kundärströmung typische Doppelwirbel herausgebildet hat.The parameter t, a represents an adjustment time (English, initial adjustment time), in which, after an abrupt connection of a rotating magnetic field in a melt, which was previously in the rest state, the double vortex typical of the meridional secondary flow has developed.
Die charakteristische Einstellzeit t, a errechnet sich nach einer Formel aus den Variablen elektrische Leitfähigkeit der Schmelze, Dichte der Schmelze sowie Frequenz und Amplitude des Magnetfeldes. Eine zugehörige Konstante berücksichtigt den Einfluss von Größe und Form des Schmelzvolumens und kann Zah- lenwerte zwischen Drei und Fünf annehmen. Damit liegt gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere gegenüber der Druckschrift DE 3 730 300 ein definierter Bereich für die Periodendauer TP vor, in dem der Drehrichtungswechsel einstellbar ist.The characteristic response time t, a is calculated according to a formula from the variables electrical conductivity of the melt, density of the melt and frequency and amplitude of the magnetic field. An associated constant takes into account the influence of size and shape of the melt volume and can assume numerical values between three and five. This is compared to the prior art, in particular with respect to the document DE 3 730 300 before a defined range for the period T P , in which the direction of rotation change is adjustable.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Richtung des rotierenden Magnetfeldes in regelmäßigen, zeitlichen Abständen umgekehrt wird, wobei mit der Periodendauer TP des Richtungswechsels ein wichtiger Parameter existiert, der spezifiziert werden kann, um das Rühren intensiv zu ge- stalten. Ein wesentliches Kriterium für den Erfolg des Verfahrens ist die Möglichkeit einer gezielten Kontrolle der Sekundärströmung. Für verschiedene Zielstellungen sind unterschiedliche Strömungsformen vorteilhaft.An essential feature of the invention is that the direction of the rotating magnetic field is reversed at regular time intervals, with the period T P of the change of direction an important parameter exists, which can be specified in order to intensify the stirring. Stalten. An essential criterion for the success of the process is the possibility of a targeted control of the secondary flow. Different flow patterns are advantageous for different objectives.
Die vorliegende Erfindung kann in vorteilhafter Weise für das effiziente Rühren von Schmelzen und bei der gerichteten Erstarrung mehrkomponentiger Schmelzen eingesetzt werden. Um einen dabei eintretenden Mischungseffekt, z.B. bei der Reinigung oder dem Entgasen von Schmelzen, zu maximieren, ist es notwendig, die Intensität der volumengemittelten meridionalen Sekundärströmung im Vergleich zur primären azimutalen Rotationsbewegung zu verstärken. Die Zielstellung bei einer Anwendung des Verfahrens bei der gerichteten Erstarrung metallischer Legierungen besteht darin, dass neben einer thermischen Homogenisierung der Schmelze die Richtung der Strömung in unmittelbarer Umgebung der Erstarrungsfront im Zeitverlauf so variiert werden soll, dass sich ein zeitlicher Mittelwert für die radiale Geschwindigkeitskomponente nahe Null ergibt.The present invention can be used advantageously for the efficient stirring of melts and for the directed solidification of multicomponent melts. In order to avoid an ensuing mixing effect, e.g. in the purification or degassing of melts, it is necessary to increase the intensity of the volume average secondary meridional flow compared to the primary azimuthal rotational motion. The objective in an application of the method in the directional solidification of metallic alloys is that in addition to a thermal homogenization of the melt, the direction of the flow in the immediate vicinity of the solidification front over time should be varied so that a time average for the radial velocity component close to zero results.
Die vorliegende Erfindung zeigt, dass das Geschwindigkeitsfeld der meridionalen Sekundärströmung in deutlicher und nachvollziehbarer Weise von Variatio- nen des Parameters TP abhängt.The present invention shows that the meridional secondary flow rate field is clearly and comprehensibly dependent on variations in the parameter T p .
Es wird offensichtlich, dass für eine effiziente Ausgestaltung des Verfahrens zum Rühren die zutreffende Einstellung der Periodendauer TP im Hinblick auf die Zielstellung der jeweiligen Anwendung entscheidend ist. Bei der Spezifizierung von Tp sind die Stärke des Magnetfeldes, die Abmessungen und die Form des Schmelzenvolumens sowie die Materialeigenschaften der Schmelze einzu- beziehen.It will be apparent that for an efficient embodiment of the method of stirring, the proper adjustment of the period T P is crucial in view of the objective of the particular application. When specifying Tp, the strength of the magnetic field, the dimensions and shape of the melt volume and the material properties of the melt must be taken into account.
Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:The invention is described below with reference to two exemplary embodiments by means of several drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum elektromagnetschen Rühren zur Durchmischung einer flüssigen Schmelze in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobeiFig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention for the electromagnetic stirring for mixing a liquid Melt in conjunction with the inventive method, wherein
Fig. 1a einen schematischen Aufbau der Einrichtung in Vorderansicht, Fig. 1b eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 1a,1a is a schematic structure of the device in front view, Fig. 1b is a plan view of the device according to Fig. 1a,
Fig. 1c eine schematische Darstellung der Strömungsarten in einem in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeld, Fig. 1d eine Periodendauer (Tp)-Temperatur (T)-Darstellung der Schmelze im flüssigen Zustand und im Übergang zur Er- starrung, wobei TSOι die Temperatur des Behälterbodens zuFig. 1c is a schematic representation of the flow modes in a rotating magnetic field in the horizontal plane, Fig. 1d a period duration (Tp) -Temperatur (T) representation of the melt in the liquid state and in the transition to solidification, wherein T SO ι the Temperature of the container bottom too
Beginn der Erstarrung bezeichnet, und Fig. 1e eine Lorentzkraft (FL/FLo)-Zeit(t)-Darstellung,1e denotes a Lorentz force (F L / F L o) time (t) representation,
Fig. 2 zwei schematische zylindrische Behälter mit flüssigen Metallschmel- zen, wobeiFig. 2 shows two schematic cylindrical container with liquid metal melts, wherein
Fig. 2a eine flüssige Schmelze eines Metalls und Fig. 2b zwei übereinander befindliche Schmelzen zweier unterschiedlicher Metalle im Ruhezustand (im entmischten Zustand) zeigen,FIG. 2 a shows a liquid melt of a metal and FIG. 2 b shows two superimposed melts of two different metals at rest (in the unmixed state), FIG.
Fig. 3 die experimentell ermittelte Abhängigkeit der Intensität der meridiona- len Sekundärströmung von der Periodendauer Tp,3 shows the experimentally determined dependence of the intensity of the meridional secondary flow on the period Tp,
Fig. 4 Ergebnisse numerischer Simulationen zur Mischung von flüssigem Blei (Pb) und flüssigem Zinn (Sn): Mischungsverhalten bei gleicher Zeit nach Beginn der Mischung (t/tSpjn-up=1.92) , wobei Fig. 4a kontinuierliches RMF, Tp = ∞ Fig. 4b T1Aa. = 1.03 . Fig. 4c T1A8. = 2. zeigen.Fig. 4 Results of numerical simulations for the mixture of liquid lead (Pb) and liquid tin (Sn): mixing behavior at the same time after the beginning of the mixing (t / t S pj n -up = 1.92), where Fig. 4a continuous RMF, T p = ∞ Fig. 4b T 1 A a . = 1.03. Fig. 4c T 1 A 8. = 2. show.
Fig. 5 Darstellung der Ergebnisse numerischer Simulationen zur Mischung der Zinn-Konzentration in der unteren Behälterhälfte: Zeitliche Entwicklung der volumengemittelten Sn-Konzentration im unteren Behältervo- lumen für verschiedene Szenarios.Fig. 5 Presentation of the results of numerical simulations for mixing the tin concentration in the lower half of the container: time evolution of the volume-averaged Sn concentration in the lower container volume for different scenarios.
Fig. 6 Erstarrung einer Al-Si-Legierung unter Magnetfeldeinfluss,FIG. 6 solidification of an Al-Si alloy under magnetic field influence, FIG.
B0 = 6.5 mT, (Makrogefüge), wobei Fig. 6a kontinuierliches RMF, Tp = ooB 0 = 6.5 mT, (macrostructure), where Fig. 6a continuous RMF, T p = oo
Fig. 6b TpΛι.a. = 1.67 . . Fig. 6c Tp/ti.a. = 0.95 zeigen, undFig. 6b TpΛι. a . = 1.67. , Fig. 6c Tp / ti.a. = 0.95 show, and
Fig. 7 Erstarrung einer Al-Si-Legierung unter Magnetfeldeinfluss (Mikrogefü- ge), wobeiFig. 7 solidification of an Al-Si alloy under magnetic field influence (microstructure), wherein
Fig. 7a kontinuierliches RMF, Tp = ∞ Fig. 7b Tp/ti a. = 1.67 zeigen.Fig. 7a continuous RMF, T p = ∞ Fig. 7b T p / t ia. = 1.67 show.
Fig. 8 eine radiale Verteilung des Flächenanteils an Primärkristallen in Al- 7wt%Si-Proben (mit sieben Gewichtsanteilen Si), die unter Magnetfeldeinfluss mit Variation der Pulsdauer TP erstarrt wurden.8 shows a radial distribution of the area fraction of primary crystals in Al-7wt% Si samples (with seven parts by weight of Si) which were solidified under the influence of magnetic fields with variation of the pulse duration T P.
In Fig. 1 ,1a, 1b ist in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Einrichtung 1 zum Rühren einer im flüssigen Zustand befindlichen Flüssigkeit in Form einer metallischen Schmelze 2 unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene eine Lorentzkraft FL erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes gezeigt, wobei die Einrichtung 1 zumindest enthält - einen zylindrischen Behälter 13 mit der darin befindlichen flüssigen Schmelze 2, wie in Fig. 2a gezeigt ist, oder 21 ,22, wie in Fig. 2b gezeigt ist, - eine den Behälter 13 umgebende zentralsymmetrische Anordnung 3 von mindestens drei Paaren 31 ,32,33 von Induktionspulen zur Ausbildung eines eine Lorentzkraft FL erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes undIn Fig. 1, 1a, 1b is a schematic representation of an inventive device 1 for stirring a liquid in the liquid state in the form of a metallic melt 2 using a horizontal plane in a Lorentz force FL generating, rotating magnetic field, wherein the device 1 comprises at least one cylindrical container 13 with the liquid melt 2 therein, as shown in Fig. 2a, or 21, 22 as shown in Fig. 2b, - A surrounding the container 13 centrally symmetrical arrangement 3 of at least three pairs 31, 32,33 of induction coils for forming a Lorentz force F L generating, rotating magnetic field and
- mindestens einen Temperatursensor 10 zur Temperaturmessung der Flüssig- keit 2,21 ,22 im Behälter 13.at least one temperature sensor 10 for measuring the temperature of the liquid 2,21, 22 in the container 13.
Erfindungsgemäß stehen die Paare 31 ,32,33 der Induktionsspulen mit einer Steuer-/Regeleinheit 12 in Verbindung, die über eine angeschlossene Stromversorgungseinheit 11 einen Drehstrom b an die Paare 31 ,32,33 von Induktions- spulen weiterleitet, wobei die Phasenlage des die Paare 31 ,32,33 der Induktionsspulen speisenden Drehstromes ID in regelmäßigen, zeitlichen Abständen entsprechend der vorgegebenen Periodendauer TPM für die Durchmischung im flüssigen Zustand oder TPE für die Durchmischung ab Beginn der Erstarrung um 180° verschoben wird und damit eine Umkehrung der Drehrichtung des Magnet- feldes und der die Strömung antreibenden Lorentkraft FL erreicht wird, wobei die Steuer-/Regeleinheit 12 mit dem Temperatursensor 10 in Verbindung steht, dessen Temperaturdaten zum Zeitpunkt des Erstarrungsbeginns das Umschalten der Periodendauer von TPM zu TPE auslösen.According to the invention, the pairs 31, 32, 33 of the induction coils are connected to a control / regulation unit 12, which transmits a three-phase current b to the pairs 31, 32, 33 of induction coils via a connected power supply unit 11, the phase position of the pairs 31, 32, 33 of the induction coils feeding three-phase current ID at regular time intervals corresponding to the predetermined period T PM for mixing in the liquid state or T PE for mixing from the beginning of solidification is shifted by 180 ° and thus a reversal of the direction of rotation of the magnet field and the Lorentkraft F L driving the flow is achieved, wherein the control unit 12 is in communication with the temperature sensor 10 whose temperature data at the time of solidification start the switching of the period from T PM to TPE.
Der zylindrische Behälter 13 ist mit der flüssigen, elektrisch leitfähigen ersten Schmelze 2 gefüllt. Der Behälter 13 befindet sich zentralsymmetrisch inmitten der Anordnung 3 der Induktionsspulenpaare 31 ,32,33, wie in Fig. 1 b gezeigt ist. Die Induktionsspulenpaare 31 ,32,33 werden von einer Stromversorgungseinheit 11 mit einem Drehstrom I0 in Form eines Drei-Phasenwechselstroms gespeist und erzeugen ein um die Symmetrieachse 14 des Behälters 13 rotierendes, mit der Drehrichtung 15 (Pfeilrichtung) horizontal ausgerichtetes Magnetfeld. Die zeitliche Änderung der Magnetfeldstärke erzeugt eine Lorentzkraft FL mit einer dominierenden azimutalen Komponente, welche die Schmelze 2 in Fig. 2a oder 21 ,22 in Fig. 2b in eine Drehbewegung versetzt. Die Stromversorgungseinheit 11 der Induktionsspulenpaare 31 ,32,33 ist mit der Steuer-/Regeleinheit 12 verbunden, welche in vorgegebenen zeitlichen Abständen eine Verschiebung der Phasen des Drei-Phasenwechselstromes ID bewirkt. Die Phasenverschiebung hat zur Folge, dass sich die Drehrichtung 15 des horizontal ausgerichteten Magnetfeldes während des Phasenwechsels in die Drehrichtung 16 umkehrt, wie in Fig. 1b gezeigt ist.The cylindrical container 13 is filled with the liquid, electrically conductive first melt 2. The container 13 is located centrally symmetrically in the middle of the arrangement 3 of the induction coil pairs 31, 32, 33, as shown in FIG. 1 b. The induction coil pairs 31, 32, 33 are fed by a power supply unit 11 with a three-phase current I 0 in the form of a three-phase alternating current and generate a magnetic field rotating around the axis of symmetry 14 of the container 13 and oriented horizontally with the direction of rotation 15 (arrow direction). The temporal change in the magnetic field strength generates a Lorentz force F L with a dominant azimuthal component which causes the melt 2 in FIG. 2 a or 21, 22 in FIG. 2 b to rotate. The power supply unit 11 of the induction coil pairs 31, 32, 33 is connected to the control / regulating unit 12, which causes a displacement of the phases of the three-phase alternating current ID at predetermined time intervals. The phase shift has the consequence that the direction of rotation 15 of the horizontally oriented Magnetic field during the phase change in the direction of rotation 16 reverses, as shown in Fig. 1b.
Das Verfahren kann eingesetzt werden, beispielsweise um die Temperaturver- teilung in einer einkomponentigen Schmelze 2, wie in Fig. 2a gezeigt ist, zu homogenisieren oder um einen Konzentrationsausgleich in entmischten mehrkom- ponentigen Schmelzen 21 ,22, wie in Fig. 2b gezeigt ist, herbeizuführen, wobei sich die Schmelze 22 mit der höheren Dichte vor Beginn des Mischens im unteren feil des Behälters 13 befindet und von der leichteren Schmelze 21 bedeckt wird.The method can be used, for example, to homogenize the temperature distribution in a one-component melt 2, as shown in FIG. 2 a, or to balance the concentration in demixed multicomponent melts 21, 22, as shown in FIG. 2 b. cause the higher density melt 22 to be in the lower part of the container 13 prior to mixing and to be covered by the lighter melt 21.
Die Funktionsweise der Einrichtung 1 wird gemäß der Fig. 1 und der Fig. 2a,2b näher erläutert.The operation of the device 1 is explained in more detail according to FIG. 1 and FIG. 2a, 2b.
Das Verfahren zum elektromagnetischen Rühren basiert auf einer periodischen Umkehr der Richtung der die Strömung antreibenden Lorentzkraft FL. Der Charakter der Strömung wird durch einen periodischen Wechsel der Drehrichtung 15-16,16-15 des Magnetfeldes B0 bestimmt. Zum Zeitpunkt der Richtungsumkehr wird die Strömung gebremst und die Schmelze 2;21 ,22 in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Die Lorentzkraft FL variiert in axialer Richtung mit der zugehörigen Kraftkomponente und besitzt ein Maximum in der Mittelebene 17 des Behälters 13. Bei einer Umpolung der Drehrichtung 15 des Magnetfeldes wird die Schmelze 2;21 ,22 in der Umgebung der Mittelebene 17 stärker abgebremst und in die Gegenrichtung 16 beschleunigt als dies in der Nähe des Bodens 4 des Behälters 13 und der freien Oberfläche 5 der Fall ist. Die Ungleich- zeitigkeiten bei der Richtungsumkehrung 15-16,16-15 der Strömung erzeugen starke Gradienten der Rotationsbewegung in axialer Richtung der Symmetrieachse 14. Das Auftreten derartiger Gradienten führt, wie in Fig. 1c gezeigt ist, zu einer Anfachung der mehdionalen Sekundärströmung 18. Im Zeitraum der Umkehr der Strömungsrichtung tritt somit eine intensive Sekundärströmung 18 bei gleichzeitig schwach ausgeprägter Rotationsbewegung 19 auf. Die Durchmischung der Schmelze 2;21 ,22 wird umso effizienter, je besser die Intensitäten von primärer azimutaler Rotationsbewegung 19 und der meridionalen Sekundärströmung 18 einander angenähert werden können. Erreicht werden kann dies über einen längeren Zeitraum hinweg durch ständig wiederkehrende Richtungswechsel des Magnetfeldes B0. In diesem Zusammenhang spielt, wie in Fig. 1d,1e gezeigt ist, die Einstellung der Periodendauer Tp eine entscheidende Rolle. Ist die Periodendauer TP zu lang, nimmt die primäre azimutale Rotationsbe- wegung 19 im Vergleich zur meridionalen Sekundärströmung 18 deutlich an Intensität zu. Eine kürzere Periodendauer TP ist von Vorteil, da häufigere Richtungswechsel 15-16,16-15 die Sekundärströmung 18 verstärken. Wird die Periodendauer Tp aber zu klein, kann die Schmelze 2;21 ,22 nicht ausreichend beschleunigt werden, sowohl primäre Rotationsbewegung 19 als auch Sekundär- Strömung 18 verlieren an Intensität. Somit existiert, wie in Fig. 1e gezeigt ist, ein bestimmter optimaler Wert der Periodendauer TP) der von der Magnetfeldstärke B0, Größe und Form des Volumens und den Materialeigenschaften der Schmelze 2;21 , 22 abhängt.The electromagnetic stirring method is based on a periodic reversal of the direction of the Lorentz force F L driving the flow. The character of the flow is determined by a periodic change of the direction of rotation 15-16, 16-15 of the magnetic field B 0 . At the time of reversal of direction, the flow is slowed down and the melt 2, 21, 22 accelerates in the opposite direction. The Lorentz force FL varies in the axial direction with the associated force component and has a maximum in the center plane 17 of the container 13. In a reversal of the direction of rotation 15 of the magnetic field, the melt 2, 21, 22 braked more in the vicinity of the center plane 17 and in the Counter direction 16 accelerates as this is near the bottom 4 of the container 13 and the free surface 5 of the case. The nonuniformities in the direction reversal 15-16, 16-15 of the flow produce strong gradients of the rotational movement in the axial direction of the axis of symmetry 14. The occurrence of such gradients leads, as shown in FIG. 1 c, to an intensification of the secondary secondary flow 18. In the period of reversal of the flow direction thus occurs an intense secondary flow 18 at the same time weak rotational movement 19. The mixing of the melt 2, 21, 22 becomes more efficient the better the intensities of the primary azimuthal rotational movement 19 and the secondary meridional flow 18 can be approximated. Can be achieved this over a longer period of time by constantly recurring changes of direction of the magnetic field B 0 . In this context, as shown in Fig. 1d, 1e, the setting of the period Tp plays a crucial role. If the period T P is too long, the primary azimuthal rotational movement 19 significantly increases in intensity as compared to the secondary meridional flow 18. A shorter period T P is advantageous because more frequent changes of direction 15-16, 16-15 increase the secondary flow 18. However, if the period Tp is too small, the melt 2, 21, 22 can not be sufficiently accelerated, both primary rotational movement 19 and secondary flow 18 lose their intensity. Thus, as shown in Fig. 1e, there exists a certain optimum value of the period T P) which depends on the magnetic field strength B 0 , the size and shape of the volume and the material properties of the melt 2, 21, 22.
Ein effizientes Rühren der flüssigen Schmelze 2;21 ,22, d.h. eine maximierte Rührwirkung bei möglichst geringem Energieaufwand, wird erreicht, wenn die Periodendauer TP gemäß Fig. 1d wie folgt festgelegt wird:An efficient stirring of the liquid melt 2, 21, 22, ie a maximized stirring effect with the least possible expenditure of energy, is achieved if the period T P according to FIG.
0.5-ti.a. < Tp < 1.5 ti.a. (I)0.5-ti.a. <Tp <1.5 ti.a. (I)
Der Parameter ti a. ist die sogenannte Einstellzeit (engl, initial adjustment time) und bezeichnet die Zeitskale, in der sich nach einem abrupten Zuschalten eines rotierenden Magnetfeldes in einer Schmelze 2;21 ,22, die sich zuvor im Ruhezustand befand, der für die meridionale Sekundärströmung 18 typische Doppelwirbel herausbildet. Die Einstellzeit tj.a wird durch folgende Gleichung definiert wobei die Variablen σ, p, ω und B0 die elektrische Leitfähigkeit und die Dichte der Schmelze, die Frequenz und die Amplitude des Magnetfeldes bezeichnen, während die Konstante C9 den Einfluss von Größe und Form des Schmelzenvolumens beschreibt und Zahlenwerte zwischen Drei und Fünf annehmen kann.The parameter t i a. is the so-called adjustment time (English, initial adjustment time) and denotes the time scale, in which, after an abrupt connection of a rotating magnetic field in a melt 2, 21, 22, which was previously at rest, the double vortex typical of the meridional secondary flow 18 out forms. The response time tj .a is defined by the following equation where the variables σ, p, ω and B 0 denote the electrical conductivity and the density of the melt, the frequency and the amplitude of the magnetic field, while the constant C 9 describes the influence of size and shape of the melt volume and assume numbers between three and five can.
In einem Plexiglaszylinder 13 mit einem Durchmesser 2r und einer Höhe von je 60mm wurde die Strömung einer GalnSn-Schmelze 21 ,22 mit Hilfe des Ultra- schall-Doppler-Verfahrens vermessen. Fig. 3 zeigt den entlang einer axialen Linie bei r = 18mm gemessenen quadratischen Mittelwert der vertikalen Geschwindigkeit Uz 2 in Abhängigkeit von der Periodendauer TP. Die experimentellen Ergebnisse belegen die Existenz einer bestimmten Periodendauer Tp, bei der die Intensität der meridionalen Sekundärströmung 18 ein Maximum erreicht. Die Lage des Maximums Uzmaχ2 variiert mit der Magnetfeldstärke und entspricht der jeweiligen Einstellzeit tj.a..In a Plexiglas cylinder 13 with a diameter 2r and a height of 60mm each, the flow of a GalnSn melt 21, 22 was determined by means of the ultraviolet sound Doppler method measured. FIG. 3 shows the quadratic mean value of the vertical velocity U z 2 measured along an axial line at r = 18 mm as a function of the period T P. The experimental results prove the existence of a certain period Tp at which the intensity of the secondary meridional flow 18 reaches a maximum. The position of the maximum U zma χ 2 varies with the magnetic field strength and corresponds to the respective adjustment time tj .a ..
Mit der Erfindung können verschiedene Schmelzen 21 ,22, wie in Fig. 2b gezeigt ist, miteinander vermischt werden. Z.B. können sich in dem zylindrischen Behälter 13 je zur Hälfte flüssiges Blei 22 und flüssiges Zinn 21 befinden. Das Blei 22 ist deutlich schwerer und lagert vor Beginn des Mischens in der unteren Hälfte des Behälters 13. Zu einem definierten Zeitpunkt wird das rotierende Magnetfeld B0 zugeschaltet, dessen Drehrichtung in regelmäßigen, zeitlichen Abständen umgekehrt wird. Die Fig.4 und die Fig.4a,4b,4c enthalten die Ergebnisse numerischer Simulationen bei einem Magnetfeld von 1 mT im Hinblick auf die Konzentrationsverteilung von Blei (schwarz) 22 und Zinn (weiß) 21 in einer r-z- Halbebene nach einer bestimmten Zeit von 20s, wobei Fig. 4a mit TP = 0 Fig. 4b mit Tp = 1.03 ti.a. With the invention, various melts 21, 22, as shown in Fig. 2b, are mixed together. For example, liquid lead 22 and liquid tin 21 can each be half in the cylindrical container 13. The lead 22 is significantly heavier and stores before the start of mixing in the lower half of the container 13. At a defined time, the rotating magnetic field B 0 is switched on, the direction of rotation is reversed at regular time intervals. FIG. 4 and FIGS. 4a, 4b, 4c contain the results of numerical simulations at a magnetic field of 1 mT with regard to the concentration distribution of lead (black) 22 and tin (white) 21 in a half-plane after a certain time from 20s, where Fig. 4a with T P = 0 Fig. 4b with Tp = 1.03 ti.a.
Ein Vergleich der in Fig. 5 dargestellten Ergebnisse numerischer Simulationen zur Mischung der Zinn-Konzentration C8n in der unteren Behälterhälfte für eine zeitliche Entwicklung der volumengemittelten Sn-Konzentration im unteren Behältervolumen für verschiedene Szenarios in Bezug auf die Strömungen in Fig. 4a,4b,4cA comparison of the results of numerical simulations shown in FIG. 5 for mixing the tin concentration C 8n in the lower container half for a time evolution of the volume-average Sn concentration in the lower container volume for different scenarios with respect to the flows in FIGS. 4a, 4b. 4c
für verschieden eingestellte Werte für die Periodendauer TP zeigt, dass die Durchmischung am schnellsten für die Periodendauer TP « tj.a. vonstatten geht. for different set values for the period T P shows that the mixing fastest for the period T P «tj a . goes on.
Die Darstellung wird durch die zeitliche Entwicklung der Zinn-Konzentration 21 in der unteren Behälterhälfte (R0 - Radius, H0 - Höhe des Behälters) bestätigt, welche in Fig. 4b dargestellt ist. Besonders festzuhalten ist in diesem Zusammenhang, dass bei der Einstellung eines ungeeigneten Wertes der Periodendauer Tp im Hinblick auf eine Homogenisierung des Schmelzenvolumens schlechtere Ergebnisse erzielt werden als bei der Anwendung eines kontinuierlich rotierenden Magnetfeldes.The representation is characterized by the temporal evolution of the tin concentration 21 in the lower container half (R 0 - radius, H 0 - height of the container) confirmed, which is shown in Fig. 4b. Particularly noteworthy in this context is that when setting an inappropriate value of the period Tp with respect to a homogenization of the melt volume worse results are achieved than when using a continuously rotating magnetic field.
Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung 1 des mit einer elektrisch leitfähigen Schmelze 2 gefüllten zylindrischen Behälters 13 in der Anordnung 3 von Induk- tionsspulenpaaren 31 ,32,33, wie in Fig. 1 ,1a, 1b gezeigt ist, kann durch eine Kühleinrichtung 23 für die Erstarrung metallischer Schmelzen 2 ergänzt sein. Die Kühleinrichtung 23 enthält einen Metallblock 6, in dessen Innern Kühlkanäle 7 vorhanden sind. Der Behälter 13 steht auf dem Metallblock 6. Die im Innern des Metallblocks 6 befindlichen Kühlkanäle 7 werden während des Erstarrungs- prozesses von einem Kühlmittel durchflössen. Mittels der Kühleinrichtung 23 wird der Schmelze 2 die Wärme nach unten entzogen. Eine thermische Isolierung 8 des Behälters 13 verhindert Wärmeverluste in radialer Richtung. Am Boden 4 und den Seitenwänden 20 des Behälters 13 ist mindestens ein Temperatursensor 10, z.B. in Form eines Thermoelements angebracht. Die Temperatur- messungen ermöglichen eine Überwachung des Beginns und des Verlaufs des Zustandes der Erstarrung und ermöglichen eine zeitnahe Anpassung der Magnetfeldparameter (z.B. B0 und Tp) durch die mittels der Steuer-/Regeleinheit 12 gesteuerte Stromversorgungseinheit 11 an die einzelnen Stadien des Erstarrungsprozesses.The device 1 shown in FIG. 2 of the cylindrical container 13 filled with an electrically conductive melt 2 in the arrangement 3 of induction coil pairs 31, 32, 33 as shown in FIGS. 1, 1 a, 1 b can be replaced by a cooling device 23 be supplemented for the solidification of metallic melts 2. The cooling device 23 contains a metal block 6, in the interior of which cooling channels 7 are present. The container 13 stands on the metal block 6. The cooling channels 7 located in the interior of the metal block 6 are flowed through by a coolant during the solidification process. By means of the cooling device 23, the melt 2 is removed from the heat down. A thermal insulation 8 of the container 13 prevents heat losses in the radial direction. At the bottom 4 and the side walls 20 of the container 13 is at least one temperature sensor 10, for example mounted in the form of a thermocouple. The temperature measurements make it possible to monitor the beginning and the course of the state of solidification and to enable a timely adaptation of the magnetic field parameters (eg B 0 and Tp) by the power supply unit 11 controlled by the control unit 12 to the individual stages of the solidification process.
Zum weiterführenden Rühren der erstarrenden Schmelze 2 wird die periodische Umkehr der Richtung der die Strömung antreibenden Lorentzkraft FL fortgesetzt. Die Periodendauer TPE wird, wie in Fig.id gezeigt ist, derart eingestellt, dass die Schmelze 2 gut durchmischt wird und die Richtung der meridionalen Sekundär- Strömung 18 in der Umgebung der Erstarrungsfront einem ständigen Richtungswechsel unterliegt. Al-Si-Legierungen 21 ,22 können in der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 gemäß Fig. 1 ,2b temperaturkontrolliert gerichtet erstarren. Die erhaltenen Gefügeeigenschaften werden anhand der Fig. 6a, 6b, 6c, 7a, 7b und 8 bezüglich der Ausbildung kolumnarer Dendriten, der Kornfeinung und der Entmischung näher erläutert:For further stirring of the solidifying melt 2, the periodic reversal of the direction of the Lorentz force F L driving the flow is continued. The period T PE is, as shown in Fig.id, set such that the melt 2 is well mixed and the direction of the secondary meridional flow 18 in the vicinity of the solidification front undergoes a constant change of direction. Al-Si alloys 21, 22 may directionally solidify directionally controlled temperature in the device 1 according to the invention shown in FIG. The microstructural properties obtained are explained in more detail with reference to FIGS. 6a, 6b, 6c, 7a, 7b and 8 with regard to the formation of columnar dendrites, grain refining and demixing.
Fig. 6 zeigt das Makrogefüge im Längsschnitt zylindrischer Blöcke einer Al- 7wt%Si-Legierung, z.B. bei einem Durchmesser von 50mm und einer Höhe von 60mm, die unter Einwirkung eines rotierenden Magnetfeldes bei einer Feldstär- ke B0 von 6.5mT gerichtet erstarrt wurden. Im hier vorliegenden Fall wurde das Magnetfeld mit einer zeitlichen Verzögerung von 30s nach Beginn der Erstarrung am Behälterboden eingeschaltet. Im Zeitraum bis zum Einsetzen der elektromagnetisch angetriebenen Strömung wächst ein grobes kolumnares Gefüge parallel zur Symmetrieachse des Behälters. Im Fall eines kontinuierlich wirken- den rotierenden Magnetfeldes bildet sich zunächst ein modifiziertes kolumnares Gefüge, wie in Fig. 7a gezeigt, heraus, d.h. die kolumnaren Körner werden feiner und wachsen zur Seite geneigt. In der Mitte des Probekörpers ist ein Morphologieübergang vom kolumnaren zum equiaxialen Kornwachstum zu beobachten. An der Erstarrungsfront transportiert die Sekundärströmung Si-reiche Schmelze zur Symmetrieachse 14 hin. Dies führt zu typischen Entmischungsmustern, die eine Verarmung eutektischer Phasen in den Randzonen und eine Konzentration im Bereich der Symmetrieachse 14 aufweisen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Anteils an Primärkristallen nahe der Seitenwände und Reduzierung des Anteils an Primärkristallen im Zentrum der Probe.FIG. 6 shows the macrostructure in longitudinal section of cylindrical blocks of an Al-7wt% Si alloy, eg with a diameter of 50 mm and a height of 60 mm, which were directionally solidified under the action of a rotating magnetic field at a field strength B 0 of 6.5 mT , In the present case, the magnetic field was switched on with a time delay of 30 s after the start of solidification on the container bottom. In the period until the onset of the electromagnetically driven flow, a coarse columnar structure grows parallel to the symmetry axis of the container. In the case of a continuously acting rotating magnetic field, first of all a modified columnar structure is formed, as shown in FIG. 7a, ie the columnar grains become finer and grow inclined to the side. In the middle of the specimen a morphology transition from columnar to equiaxial grain growth can be observed. At the solidification front, the secondary flow transports Si-rich melt to the symmetry axis 14. This leads to typical segregation patterns, which have a depletion of eutectic phases in the edge zones and a concentration in the region of the axis of symmetry 14. This is equivalent to increasing the proportion of primary crystals near the sidewalls and reducing the proportion of primary crystals in the center of the sample.
In Fig. 8 ist eine radiale Verteilung des Flächenanteils an Primärkristallen in Al- 7wt%Si-Proben (mit sieben Gewichtsanteilen Si), die unter Magnetfeldeinfluss mit Variation der Pulsdauer TP erstarrt wurden.In FIG. 8, a radial distribution of the area fraction of primary crystals in Al-7wt% Si samples (with seven parts by weight of Si), which were solidified under magnetic field influence with variation of the pulse duration T p .
Die Fig. 6 bis 8 zeigen, dass im Falle des elektromagnetischen Rührens mit Richtungswechsel des Magnetfeldes mit Einschalten des Magnetfeldes ein direkter Übergang zum equiaxialen Kornwachstum erreicht werden kann. Der periodische Wechsel der Drehrichtung des Magnetfeldes führt in jedem Fall zu ei- ner Verringerung der Entmischung, die bei geeigneter Wahl der Pulsdauer TP auch nahezu völlig vermieden, wie in Fig. 7b gezeigt ist, werden kann.FIGS. 6 to 8 show that in the case of electromagnetic stirring with a change of direction of the magnetic field when the magnetic field is switched on, a direct transition to equiaxial grain growth can be achieved. The periodic change of the direction of rotation of the magnetic field leads in each case to an can, as shown in Fig. 7b ner reduction of segregation, which is also completely avoided with a suitable choice of the pulse duration T P almost be.
Die Vorteile der Erfindung bestehen im Folgenden: - Ausbildung einer intensiven, dreidimensionalen Strömung im Innern der Metallschmelze 2;21 , 22,The advantages of the invention are as follows: formation of an intensive, three-dimensional flow in the interior of the molten metal 2, 21, 22,
- sehr gute Durchmischung der Metallschmelze 2;21 ,22 durch intensive meridi- onale Sekundärströmung 18,very good mixing of the molten metal 2, 21, 22 by intensive meridional secondary flow 18,
- geringerer Energieaufwand im Vergleich zum kontinuierlich rotierenden Mag- netfeld, da nicht der überwiegende Teil der aufgewendeten Energie für in die- Less energy compared to the continuously rotating magnetic field, since not the vast majority of the energy used in the
Aufrechterhaltung der azimutalen Rotationsströmung aufgebracht werden muss, und ein höherer Energieanteil in die für die Durchmischung effektivere meridionale Sekundärströmung 18 aufgebracht wird,Maintenance of the azimuthal rotational flow must be applied, and a higher proportion of energy is applied to the more effective for mixing meridional secondary flow 18,
- die erfindungsgemäß festgelegte Frequenz der periodischen Richtungsum- kehr der meridionalen Sekundärströmung 18 ermöglicht bestimmbare Werte für die Durchmischung oder bei gerichteter Erstarrung,the frequency of the periodic reversal of the direction of the secondary meridional flow 18 determined according to the invention makes it possible to determine definable values for mixing or directional solidification,
- Störungen und Auslenkungen der freien, in Fig. 1 ,2a, 2b dargestellten Oberfläche 5 der Schmelze 2;21 ,22 mit unerwünschten Effekten, wie Schlackeneinschlüsse, werden vermieden, - bei der gerichteten Erstarrung kann die Ausbildung von Entmischungszonen im Erstarrungsgefüge, die die mechanischen Eigenschaften verschlechtern, vermieden werden,Disturbances and deflections of the free surface 5 of the melt 2, 21, 22 shown in FIGS. 1, 2 a, 2 b, with undesirable effects, such as slag inclusions, are avoided, - in directional solidification, the formation of demixing zones in the solidification structure, which causes the deteriorate mechanical properties, be avoided
- nur ein Magnetsystem und damit geringerer apparativer und regelungstechnischer Aufwand gegenüber übereinander angeordneten, gegenläufig rotieren- den Systemen sind erforderlich.- Only one magnet system and thus lower equipment and control effort over stacked, counter-rotating systems are required.
Die Anwendung der Erfindung kann für das Mischen von Metallschmelzen 2;21,22, für das Stranggießen, zur gerichteten Erstarrung von vermischten metallischen Legierungen und zur gerichteten Erstarrung von Halbleiterschmelzen u.a. eingesetzt werden.The application of the invention may be used for the mixing of molten metals 2, 21, 22, for continuous casting, for the directed solidification of mixed metallic alloys and for the directed solidification of semiconductor melts, among others. be used.
Bezugszeichenliste 1 Einrichtung 2 erste SchmelzeList of Reference Numbers 1 device 2 first melt
3 Anordnung von Induktionsspulen3 arrangement of induction coils
31 erstes Paar Induktionsspulen31 first pair of induction coils
32 zweites Paar Induktionsspulen 33 drittes Paar Induktionsspulen32 second pair of induction coils 33 third pair of induction coils
4 Bodenplatte4 base plate
5 Oberfläche5 surface
6 Metallblock6 metal block
7 Kühlkanäle 8 Isolierung7 cooling channels 8 insulation
9 Kühlkörper9 heatsinks
10 Temperatursensor10 temperature sensor
11 Stromversorgungseinheit11 power supply unit
12 Steuer-/Regeleinheit 13 Behälter12 control unit 13 container
14 Symmetrieachse14 symmetry axis
15 Erste Drehrichtung15 First direction of rotation
16 zweite Drehrichtung16 second direction of rotation
17 Mittelebene 18 meridionale Sekundärströmung17 midplane 18 meridional secondary flow
19 azimutale Rotationsströmung19 azimuthal rotational flow
20 Seitenwände20 side walls
21 zweite Schmelze21 second melt
22 dritte Schmelze 23 Kühleinrichtung22 third melt 23 cooling device
Tp PeriodendauerTp period
TPM Periodendauer bei DurchmischungT P M Period during mixing
TPE Periodendauer zu Beginn der Erstarrung Tpause Pausendauer t j.a Einstellzeit TPE period at the beginning of the solidification Tpause pause duration tj .a response time

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten (2,21 ,22) im flüssigen Zustand und/oder im Zustand des Beginns der Erstarrung der Flüssigkeit (2,21 ,22) unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene eine Lorentzkraft (FL) erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung (15,16) des in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes in regelmäßigen, zeitlichen Abständen in Form einer Periodendauer (Tp) gewechselt wird, wobei die Frequenz des Richtungswechsels der Bewegung des Magnetfeldvektors derart eingestellt wird, dass im Zustand der Durchmischung der flüssigen Flüssigkeit (2,21 ,22) eine Periodendauer (TP) zwischen zwei Richtungswechseln des Magnetfel- des in einem Zeitintervall (ΔTPM) in Abhängigkeit von der Einstellzeit (tj.a.) mit der BedingungA method of electromagnetically stirring electrically conductive liquids (2,21,22) in the liquid state and / or in the state of solidification of the liquid (2,21,22) using a Lorentz force (F L ) generating, rotating magnetic field, characterized in that the direction of rotation (15,16) of the rotating magnetic field in the horizontal plane at regular time intervals in the form of a period (Tp) is changed, wherein the frequency of the change of direction of the movement of the magnetic field vector set is that in the state of mixing of the liquid liquid (2,21, 22) has a period (T P ) between two changes of direction of the magnetic field in a time interval (.DELTA.T PM ) depending on the set time (tj .a. ) With the condition
(I) 0.5-tj.a. < TPM < 1.5-tj.a. vorgesehen wird, und dass zu Beginn des Zustandes der Erstarrung der Flüssigkeit (2,21 ,22) eine Periodendauer (TP) zwischen zwei Richtungswechseln des Magnetfel- des in einem Zeitintervall (ΔTPE) in Abhängigkeit von der Einstellzeit tj.a. mit der Bedingung(I) 0.5-tj.a. <TPM <1.5-tj.a. is provided, and that at the beginning of the state of solidification of the liquid (2,21, 22) has a period (T P ) between two changes of direction of the magnetic field in a time interval (.DELTA.T PE ) in dependence on the setting time tj .a. under the condition
(II) 0.8-ti.a. < TPE < 4-ti.a eingestellt wird, wobei die Einstellzeit (tj.a.) durch die Gleichung(II) 0.8-ti.a. <T PE <4-ti.a, wherein the set time (tj a ) is given by the equation
(III) tj.a. = Cg • BoJ— gegeben wird,(III) tj.a. = C g • B oJ- is given,
in der sich nach einem Zuschalten des rotierenden Magnetfeldes in einer sich im Ruhezustand befindenden Flüssigkeit (2;21 ,22) der Doppelwirbel der meridionalen Sekundärströmung (18) ausbildet, und σ als elektrische Leitfähigkeit, p als Dichte der Flüssigkeit (2,21 ,22), ω als Frequenz und B0 als Amplitude des Magnetfeldes und C9 als Konstante für den Einfluss von Größe und Form des Volumens der Flüssigkeit (2,21 ,22) definiert werden. in which the double vortex of the secondary meridional flow (18) is formed after a connection of the rotating magnetic field in a liquid (2; 21, 22) at rest, and σ is the electrical conductivity, p is the density of the liquid (2, 21, 22 ), ω as the frequency and B 0 as the amplitude of the magnetic field and C 9 as the constant for the influence of the size and shape of the volume of the liquid (2, 21, 22).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des rotierenden Magnetfeldes ein Drehstrom (ID) in Form eines Drei-Phasenwechselstroms an mindestens drei an einem zy- lindrischen, die Flüssigkeit (2,21 ,22) enthaltenden Behälter (13) platzierte2. The method according to claim 1, characterized in that for the formation of the rotating magnetic field, a three-phase alternating current (ID) in the form of a three-phase alternating current to at least three on a cylindric, the liquid (2,21, 22) containing container (13) placed
Paare (31 ,32,33) von Induktionsspulen angelegt wird.Coupling (31, 32, 33) of induction coils is applied.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Behälter (13) als elektrisch leitende Flüssigkeiten metallische oder Halbleiterschmelzen (2,21 ,22) eingefüllt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the container (13) as electrically conductive liquids metallic or semiconductor melts (2,21, 22) are filled.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchmischung einer sich abkühlenden Schmelze (2,21 ,22) eine Periodendauer (TP) mit a. 0.5-tj.a. < TPM < 1.5-tj.a. gewählt wird, solange die Schmelze (2,21 ,22) noch vollständig flüssig ist, während mit Beginn des Zustandes der Erstarrung die Periodendauer (TP) so vergrößert wird, dass4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that during the mixing of a cooling melt (2,21, 22) has a period (T P ) with a. 0.5-tj.a. <TPM <1.5-tj.a. is selected as long as the melt (2,21, 22) is still completely liquid, while the beginning of the state of solidification, the period (T P ) is increased so that
(II) 0.8-ti.a. < TPE < 4-tj.a. erfüllt wird.(II) 0.8-ti.a. <TPE <4-tj.a. is fulfilled.
5. Verfahren nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der sich im Verlauf des Zustands der gerichteten Erstarrung verringernden Höhe (H0) des Volumens der Schmelze (2;21 ,22) die Amplitude (B0) des Magnetfeldes nachgeregelt wird.5. The method according to at least one preceding claim, characterized in that in accordance with the decreasing in the course of the state of directional solidification height (H 0 ) of the volume of the melt (2; 21, 22), the amplitude (B 0 ) of the magnetic field is readjusted ,
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Zustand einer temperaturkontrolliert gerichteten Erstarrung die Amplitude (B0) des Magnetfeldes entsprechend dem Prozeßverlauf so er- höht wird, dass die Amplitude (B0) dem jeweiligen Maximum der beiden Werte6. The method according to claim 5, characterized in that in the state of a temperature-controlled solidification, the amplitude (B 0 ) of the magnetic field according to the course of the process so is increased, that the amplitude (B 0 ) the respective maximum of the two values
entspricht, wobei v als kinematische Viskosität der Schmelze (2,21 ,22), VSOι als Erstarrungsgeschwindigkeit und H0 als Höhe des Schmelzenvolumens und B1 und B2 als untere Grenzwerte der Amplitude des Magnetfeldes B0 definiert werden. corresponds, where v as the kinematic viscosity of the melt (2,21, 22), V SO ι as solidification rate and H 0 as the height of the melt volume and B 1 and B 2 are defined as lower limits of the amplitude of the magnetic field B 0 .
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Periodendauern bei Durchmischung (TPM) und Erstarrungsbeginn (TpE), in denen das Magnetfeld zugeschaltet anliegt, durch Pausen der Pausendauer (Tpause), in denen kein Magnetfeld an der Schmelze (2,21 ,22) anliegt, unterbrochen werden, wobei die Pausendauer7. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the respective period durations with mixing (T PM ) and solidification start (Tp E ), in which the magnetic field is applied, by pauses of the pause duration (Tp au se), in which no magnetic field at the melt (2,21, 22), are interrupted, the pause duration
(Tpause) zur jeweiligen Periodendauer (Tp) mit TPaUse ≤ 0.5 Tp eingestellt wird.(Tpause) to the respective period (Tp) with T PaU se ≤ 0.5 Tp is set.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, 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 der Amplitude (B0) des Magnetfeldes so festgelegt werden, dass sich für die verschiedenen Pulsformen ein identischer Energieeintrag ergibt.8. The method according to claim 1 to 6, characterized in that in the modulation of the course of the Lorentz force (F L ) instead of the rectangular function other pulse shapes, such as sine, triangle or saw tooth, realized, the course and the maximum value of the amplitude ( B 0 ) of the magnetic field are set so that results in an identical energy input for the different pulse shapes.
9. Einrichtung (1) zum elektromagnetischen Rühren von elektrisch leitenden Flüssigkeiten (2,21 ,22) im flüssigen Zustand und/oder im Zustand des Beginns der Erstarrung der Flüssigkeit (2,21 ,22) unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene eine Lorentzkraft (FL) erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, zumindest enthaltend9. Device (1) for the electromagnetic stirring of electrically conductive liquids (2,21, 22) in the liquid state and / or in the state of the beginning of the solidification of the liquid (2,21, 22) using a in the horizontal plane a Lorentz force (F L ) generating, rotating Magnetic field by means of the method according to claim 1 to 8, at least comprising
- einen zylindrischen Behälter (13),a cylindrical container (13),
- eine den Behälter (13) umgebende zentralsymmetrische Anordnung (3) von mindestens drei Paaren (31 ,32,33) von Induktionspulen zur Ausbildung eines eine Lorentzkraft (FL) erzeugenden, rotierenden Magnetfeldes und- A the container (13) surrounding centrally symmetrical arrangement (3) of at least three pairs (31, 32, 33) of induction coils for forming a Lorentz force (FL) generating, rotating magnetic field and
- mindestens einen Temperatursensor (10) zur Temperaturmessung der Flüssigkeit (2,21 ,22) im Behälter (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Paare (31 ,32,33) der Induktionsspulen mit einer Steuer- und Regeleinheit (12) in Verbindung stehen, die über eine angeschlossene Stromversorgungseinheit (11) einen Drehstrom (ID) an die Paare (31 ,32,33) von Induktionsspulen weiterleitet, wobei die Phasenlage des die Paare (31 ,32,33) der Induktionsspulen speisenden Drehstromes (I0) in regelmäßigen, zeitlichen Abständen entsprechend der vorgegebenen Periodendauer (TPM) für die Durchmischung im flüssigen Zustand oder (TPE) für die Durchmischung ab Beginn der Erstarrung um 180° verschoben wird und damit eine Umkehrung der Drehrichtung des Magnetfeldes und der die Strömung antreibenden Lorentkraft (FL) erreicht wird, wobei die Steuer-- At least one temperature sensor (10) for measuring the temperature of the liquid (2,21, 22) in the container (13), characterized in that the pairs (31, 32,33) of the induction coil with a control and regulating unit (12) in connection are connected via a connected power supply unit (11) a three-phase current (ID) to the pairs (31, 32,33) of induction coils, wherein the phase position of the pairs (31, 32,33) of the induction coils feeding three-phase current (I 0 ) at regular time intervals according to the predetermined period (TPM) for the mixing in the liquid state or (T PE ) for mixing from the beginning of solidification is shifted by 180 ° and thus a reversal of the direction of rotation of the magnetic field and the Lorentraft driving force ( FL), whereby the tax
/Regeleinheit (12) mit dem Temperatursensor (10) in Verbindung steht, dessen Temperaturdaten zum Zeitpunkt des Erstarrungsbeginns das Umschalten der Periodendauer von TPM zu TPE auslösen./ Control unit (12) with the temperature sensor (10) is in communication whose temperature data at the time of solidification start the switching of the period from T PM to TPE trigger.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrom (I0) als ein Drei-Phasenwechselstrom ausgebildet ist.10. Device according to claim 9, characterized in that the three-phase current (I 0 ) is designed as a three-phase alternating current.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (13) mit der Flüssigkeit in Form einer Schmelze (2;21 ,22) konzentrisch innerhalb der Induktionsspulen (31 ,32,33) angeordnet ist. 11. Device according to claim 9, characterized in that the container (13) with the liquid in the form of a melt (2, 21, 22) concentrically within the induction coils (31, 32,33) is arranged.
12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (13) mit einer Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung (23) versehen ist.12. Device according to claim 9, characterized in that the container (13) is provided with a heating device and / or cooling device (23).
13. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Behälter (13) zugehörige Bodenplatte (4) in direktem Kontakt mit einem festen Metallkörper (9) steht, welcher im Innern von einem13. Device according to claim 9 to 12, characterized in that the container (13) associated bottom plate (4) is in direct contact with a solid metal body (9), which in the interior of a
Kühlmedium durchflössen wird.Coolant is flowed through.
14. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (20) des Behälters (13) thermisch isoliert sind.14. Device according to claim 9 to 13, characterized in that the side walls (20) of the container (13) are thermally insulated.
15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) mit einem Thermostaten in Verbindung steht.15. Device according to claim 13, characterized in that the cooling body (9) is in communication with a thermostat.
16. Einrichtung nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Kühlkörper (9) und Behälter (13) ein Flüssigmetallfilm befindet, um einen stabilen Wärmeübergang bei geringem Übergangswi- derstand zu erzielen.16. Device according to claim 12 to 15, characterized in that between the heat sink (9) and container (13) is a liquid metal film to achieve a stable heat transfer with low transition resistance.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigmetallfilm aus einer Galliumlegierung besteht.17. Device according to claim 16, characterized in that the liquid metal film consists of a gallium alloy.
18. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bodenplatte (4) und/oder den Seitenwänden (20) des Behälters (13), in dem sich die Schmelze (2;21,22) befindet, mindestens ein Temperatursensor (10), vorzugsweise in Form eines Thermoelements positioniert ist, welches ein Informationssignal über den Zeitpunkt des Beginns der Erstarrung liefert und mit der Steuer-/Regeleinheit (12) verbunden ist.18. Device according to claim 9 to 17, characterized in that at least one temperature sensor (10), preferably in the form of a thermocouple, is positioned in the bottom plate (4) and / or the side walls (20) of the container (13) in which the melt (2; 21, 22) is located, which provides an information signal about the time of commencement of solidification and is connected to the control unit (12).
19. Verwendung der Einrichtung (1) zum elektromagnetischen Rühren von e- lektrisch leitenden Flüssigkeiten (2,21 ,22) nach den Ansprüchen 9 bis 18 in Form von metallischen Schmelzen in metallurgischen Prozessen oder in Form von Halbleiterschmelzen in der Kristallzüchtung, zur Reinigung von19. Use of the device (1) for electromagnetic stirring of electrically conductive liquids (2,21, 22) according to claims 9 to 18 in the form of metallic melts in metallurgical processes or in the form of semiconductor melts in the crystal growth, for the purification of
Metallschmelzen, beim Stranggießen oder bei der Erstarrung metallischer Werkstoffe mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8. Metal melts, in continuous casting or in the solidification of metallic materials by means of the method according to claim 1 to 8.
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