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Schaum und dessen Strömungsverhalten sind von zentraler Bedeutung bei der Schaumflotation zur Mineralaufbereitung. Die zu gewinnenden Mineralpartikel lagern sich an aufsteigenden Gasblasen an und werden mit dem Schaum aus der Flotationszelle heraustransportiert. In industriellen Flotationsanlagen wird die Rückgewinnung von Feststoff- und Flüssigphase aus der überlaufenden Schaumströmung mittels optischer Messtechnik überwacht und ist daher auf die freie Oberfläche des partikelbeladenen Schaums beschränkt. Die vorliegende Arbeit untersucht das Strömungsverhalten eines wässrigen Schaums an einem Überlauf vergleichend mittels optischer und Röntgen-Messungen. Der Schaum wurde kontinuierlich erzeugt, strömte in vertikaler Richtung durch einen Kanal mit quadratischem Querschnitt und floss durch einen einseitigen horizontalen Überlauf in die freie Umgebung. Die bildgebenden Strömungsmessungen fokussierten sich auf den Schaum im Bereich des Überlaufs. Gleichzeitig wurde hier der Flüssigkeitsanteil des Schaums mittels Messung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen jeweils zwei Elektroden bestimmt. Die optischen Messungen erfolgten einerseits durch die transparente Kanalwand und andererseits an der freien Oberfläche des überlaufenden Schaums. Die dortigen Strömungsgeschwindigkeiten wurden mittels angepasster PIV-Algorithmen ausgewertet, welche Lichtreflexionen auf den Schaumblasen als Messinformation nutzten. Aufgrund der Undurchsichtigkeit des Schaums erfassen diese optischen Messungen nur die oberflächennahen Schaumblasen. Unsere Variante der Röntgen-Radiographie mit maßgeschneiderten Tracer-Partikeln (X-PTV) gibt Aufschluss über die drei-dimensionale Schaumströmung. Die in dieser Arbeit verwendeten Tracer bestanden aus einer 3D-gedruckten polymeren Trägerstruktur in Form eines Tetraeders mit insgesamt vier kleinen Metallkügelchen an dessen Ecken. Dank der Tetraeder-Form und des geringen Gewichts des Materialverbunds hafteten die Tracer in der Schaumstruktur und wurden in der Strömung mitgetragen. Die Röntgenbildsequenzen zeigen die Bewegungsbahnen der zu jedem Tracer gehörenden Metallkügelchen und bilden lokal die Stromlinien der Schaumströmung ab. Weiterhin visualisieren die Röntgenbilder des Schaums dessen Flüssigkeitsanteil im gesamten Bildfeld. Sie bestätigen und erweitern die lokalen Messungen des Flüssigkeitsanteils mittels der Elektrodenpaare, sind aber mit einer höheren Messunsicherheit behaftet. Die tracer-basierten Röntgenmessungen belegen die vergleichsweise hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Inneren des Kanals und unmittelbar am Überlauf, während die optischen Strömungsmessungen Wand- bzw. Oberflächeneffekten unterliegen, welche in tendenziell geringeren Geschwindigkeiten resultieren. Allerdings zeigen die Messergebnisse auch die Grenzen der Röntgenmessungen mit den Schaum-Tracern auf: ihr Folgevermögen ist in instabilem Schaum mit hohem Flüssigkeitsanteil und bei hoher Strömungsgeschwindigkeit stark vermindert.

Im vorliegenden Beitrag wird eine neuartige Maskierungsmethode für die Particle Image Velocimetry (PIV) von Mehrphasenströmungen vorgestellt. Mit diesem neuen Ansatz können Geschwindigkeitsfelder einer unmaskierten Partikelfraktion (z. B. PIV-Tracer) unabhängig von der Bewegung einer zweiten, maskierten Partikel-Fraktion (z. B. Blasen oder Feststoffpartikel) bestimmt werden. Ausgehend von einer segmentierten Bilderserie in welcher die verschiedenen Partikelfraktionen für alle Einzelbilder detektiert wurden, werden verschiedene Maskierungsverfahren diskutiert. Hierbei werden die Probleme, welche durch Standardverfahren für den Fall dynamischer Maskierung unter realen Belichtungsbedingungen entstehen besonders hervorgehoben. Als entsprechende Lösung stellen wir unseren Ansatz des Spectral Random Masking (vgl. Anders et al. 2019) vor, bei welchem maskierte Bildbereiche durch spektral angepasste, zufällige Intensitätsverteilungen ersetzt werden. Damit sollen die maskierten Bereiche für eine anschließende PIV-Analyse “unsichtbar” gemacht werden. Die Vorteile dieser Methode gegenüber konventionellen Maskierungsverfahren werden anhand eines Modellexperimentes dargestellt, bei welchem wässrige Ammonium-Chlorid Lösungen (NH₄Cl(aq)) durch Unterkühlung erstarrt werden. Dabei treten unter anderem verschiedene Konvektionsströmungen zeitgleich mit kolumnarer und äquiaxialer Kristallisation von NH₄Cl auf.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Charakterisieren des Füllstandes eines elektrisch leitfähigen Materials in einem Behälter, aufweisend ein seitlich des Behälter-Innenraumes angeordnetes Sensorelement mit einer Erregerspule und zwei gradiometrisch verschalteten Empfängerspulen, wobei die Anordnung zum Beaufschlagen der Erregerspule mit einem Wechselstrom, zum Erfassen der an den gradiometrisch verschalteten Empfängerspulen resultierenden Ausgangsspannung, zum Ermitteln des Anteils der Ausgangsspannung ohne Phasenverschiebung zu dem Wechselstrom und/oder des Anteils der Ausgangsspannung mit einer Phasenverschiebung von 90° zu dem Wechselstrom, und zum Charakterisieren des Füllstandes basierend darauf ausgebildet ist.

Die Flotation ist ein Trennverfahren mit großer industrieller Bedeutung, beispielsweise in der Gewinnung von Elementen aus Erzen. Dabei werden die Erze gemahlen und in Wasser suspendiert. Durch Zugabe geeigneter oberflächenaktiver Substanzen werden die gewünschten Partikel selektiv hydrophobisiert. Dadurch haften sie an eingebrachten Gasblasen an, werden an die Oberfläche transportiert und dort in sich bildenden Schaum eingelagert. Der Schaum wird abgezogen und man erhält gewünschte Partikel in hoher Konzentration.

Der Einsatz elektromagnetischer Felder zum Rühren metallischer Schmelzen stellt eine elegante Möglichkeit einer völlig kontaktlosen Strömungskontrolle in erstarrenden Metalllegierungen dar, wobei die Strömungsintensität über die elektrischen Regelgrößen Strom und Frequenz gesteuert werden kann. Trotz der nachweislichen Verbesserung der Gefügeeigenschaften, wie Kornfeinung und Vergrößerung des equiaxialen Erstarrungsbereiches, sowie der Verbesserung der Oberflächenqualität, ist der Einsatz des elektromagnetischen Rührens auch problembehaftet. Negative Auswirkungen wie strömungsinduzierte Porosität oder Gefügeinhomogenitäten (z.B. weiße Bänder beim Stahlguss) erschweren eine industrielle Anwendung des Verfahrens im Strangguss. Der Einsatz maßgeschneiderter Magnetfelder bietet die Perspektive, die oben genannten, nachteiligen Effekte zu vermeiden. Mit dem Konzept der maßgeschneiderten Magnetfelder können Strömungsregime erzeugt werden, welche die für die Herausbildung vorteilhafter Gefüge notwendigen Temperatur- und Konzentrationsfelder in der erstarrenden Schmelze liefern. Dies erfordert jedoch ein genaues Verständnis der Wechselwirkung von Magnetfeld, induzierter Strömung und Erstarrungsvorgang. In diesem Vortrag wird die Wirkung des elektromagnetischen Rührens der Schmelze mittels Magnetfelder in einem Continuous Casting - Rundstrang Modellexperiment untersucht. Des Weiteren wird die Auswirkung einer erzwungenen Konvektion auf das Gefüge am Beispiel einer gerichtet erstarrten, binären Al-Si-Legierung gezeigt. Für eine optimale Gefügebeeinflussung dieses Verfahrens sind geeignete Kombinationen der Magnetfeldparameter zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden Strömungsmessungen in einer isothermen Modellschmelze unter dem Einfluss modulierter Magnetfelder durchgeführt. Die Erstarrungsversuche demonstrieren, dass es möglich ist, mit Hilfe zeitmodulierter magnetischer Felder korngefeinte, equiaxiale Gefüge unter Vermeidung der Herausbildung makroskopischer Gefügeinhomogenitäten herzustellen. Die Ergebnisse veranschaulichen das große Potenzial des elektromagnetischen Rührens zur Verbesserung der Materialeigenschaften der erstarrten Struktur und einer Optimierung der Prozesskontrolle.

Die Strömung der Metallschmalze beim kontinuierlichen Stranggießen hat wesentlichen Einfluss auf das erreichte Gussergebnis. Probleme entstehen beispielsweise durch Einschlüsse von Oxiden, intermetallischen Verbindungen oder Gasblasen, die durch eine unkontrollierte Strömung in die Erstarrungszone gelangen. Die Untersuchung und Optimierung der Strömungsvorgänge erfolgte bisher vorwiegend anhand von numerischen Simulationen sowie Wassermodellen und lieferte bereits viele Erkenntnisse. Aufgrund der Materialeigenschaften sind jedoch Wassermodelle in ihrer Anwendung begrenzt und können nicht alle im Prozess auftretende physikalische Phänomene abdecken, wie z.B. Temperaturgradienten in der Schmelze, Interaktion mit elektromagnetischen Feldern oder Mehrphasenströmungen. In diesen Fällen unterscheiden sich die Kennzahlen z.T. um mehrere Größenordnungen. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf stehen drei Anlagen zur Verfügung, welche sich mit der Modellierung des Stranggussprozesses unter der Verwendung niedrigschmelzender Legierungen befassen. Die Anlagen unterscheiden sich z.T. in der Ausrichtung ihrer Untersuchungsschwerpunkte und ergänzen sich so gegenseitig ideal. Das Mini-LIMMCAST Experiment arbeitet mit einer bei Raumtemperatur flüssigen Legierung und ist sehr flexibel aufgebaut. Viele unterschiedliche Untersuchungen können und sind hier bereits durchgeführt worden. Die große LIMMCAST-Anlage ist insbesondere für einen längeren kontinuierlichen Betrieb ausgelegt und operiert im Temperaturbereich von 200 – 350 °C. Die dritte Anlage X-LIMMCAST ist speziell für die Röntgenbildgebung und die Visualisierung der Zweiphasenströmung mit Gasblasen konzipiert. Die Flexibilität der Anlagen erlaubt eine Anpassung an konkrete Gegebenheiten. Neben den experimentellen Anlagen müssen für einen sinnvollen Betrieb auch entsprechende Messtechniken zu Erfassung der Strömungsvorgänge in flüssigen Metallen zur Verfügung stehen. Für die Geschwindigkeitsmessung sind dazu in den Versuchen die Ultraschall-Doppler-Velocimetry, die kontaktlose, induktive Strömungstomographie und die Potentialsondenmethode zum Einsatz gekommen. Für die Auflösung der Zweiphasenströmung sind wiederum eine tomographische Methode als auch die Röntgenbildgebung verwendet worden. Ziel ist neben einem tieferen Verständnis des Prozesses, die Bereitstellung eine breiteren Datenbasis für die Validierung numerischer Modelle. Es sollen in diesem Beitrag die drei Versuchsanlagen und ausgewählte Messtechniken beispielhaft anhand von Messergebnissen vorgestellt werden.

Heiße Schmelzen werden in vielen Technologien eingesetzt, beginnend beim traditionellen Stahlguss über die Elektrolyse von Aluminium bis hin zur Züchtung von Silizium-Einkristallen. In der Optimierung dieser sehr energieintensiven Prozesse liegt ein volkswirtschaftlich relevantes Einsparpotenzial. Grundlage einer optimalen Prozessführung ist aber stets die Kenntnis der relevanten physikalischen Parameter der Schmelze, zu denen neben Temperatur, Druck und Lage der Phasengrenzen häufig auch das Geschwindigkeitsfeld gehört. Ein typisches Beispiel hierfür ist der Strangguss von Stahl, dessen finale Qualität ganz wesentlich von der Strömungsstruktur in der Kokille abhängt. Die online-Bestimmung dieser Strömung während des Gießprozesses würde die Möglichkeit einer aktiven Strömungskontrolle eröffnen, mit deren Hilfe deutlich höhere Gießgeschwindigkeiten erreicht werden könnten. In diesem Beitrag werden verschiedene Messprinzipien und ihre Anwendung für Flüssigmetallströmungen besprochen. Das erste Verfahren, die Ultraschall-Doppler-Velozimetrie (UDV), beruht auf der Bestimmung der Doppler-Frequenz-Verschiebung bei der Rückstreuung an bewegten Streuteilchen. Das zweite Verfahren nutzt den Faradayschen Induktionseffekt in bewegten elektrischen Leitern unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes. Auf dieser Basis wurden mehrerer kontaktlose Messverfahren entwickelt, so z.B. zur Bestimmung von Durchflüssen in Rohrströmungen, aber auch zur tomographischen Rekonstruktion vollständiger zwei- oder dreidimensionaler Geschwindigkeitsfelder.

Schmelzen von Metallen und Halbleitern besitzen eine hohe industrielle Bedeutung. Als wichtigste Beispiele sind die Stahlherstellung und die Kristallzüchtung zu nennen. Bei allen Prozessen haben die in den Schmelzen auftretenden Strömungsverhältnisse eine großen Einfluss auf die Qualität des Endproduktes. Aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit bietet sich die interessante Möglichkeit, diese Strömungen aktiv durch magnetische Felder zu beeinflussen. Da numerische Simulationen komplexe Strömungszustände oftmals nicht zuverlässig nachbilden können, besteht ein großer Bedarf an hochauflösenden Messverfahren. Aufgrund der opaken Fluide sind Ultraschallmesstechniken sehr gut geeignet. Allerdings weisen die aus der Medizintechnik verfügbaren tomographischen Verfahren keine ausreichenden Messeigenschaften, insbesondere für instationäre Strömungen, auf. Vorgestellt wird ein neuartiges Ultraschall-Messsystem, das mit dem Einsatz segmentierter Wandler und deren weitgehendem Parallelbetrieb erstsmals sowohl eine hohe Zeit- als auch eine hohe Ortsauflösung ermöglicht.

Die Strömung in der Metallschmelze hat einen wesentlichen Einfluss auf die Produktqualität beim Stranggießen. Probleme entstehen beispielsweise durch Einschlüsse von Oxiden, intermetallischen Verbindungen oder Gasblasen, die durch eine unkontrollierte Strömung in die Erstarrungszone gelangen. Die Optimierung dieser Strömung basierte bisher vor allem auf numerischen Simulationen und Modellexperimenten mit Wasser. Obwohl die Strömungsuntersuchungen an diesen Wassermodellen signifikante Erkenntnisgewinne über die Strömung und die optimale Auslegung z.B. des Tauchrohrs oder der Eintauchtiefe des Tauchrohrs gebracht haben, stoßen diese Modelle für eine Reihe von Fragestellungen an ihre physikalischen Grenzen, da Flüssigmetalle z.B. sehr hohe Oberflächenspannungen und sehr kleine Prandtl-Zahl besitzen, und Wasser offensichtlich für Untersuchungen des Einflusses von Magnetfeldern völlig ungeeignet ist. In den vergangenen Jahren wurden am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf experimentelle Versuchsanlagen mit niedrig schmelzenden Legierungen für die physikalische Modellierung des Stranggussprozesses aufgebaut. Ziel ist die systematische Untersuchung der Flüssigmetallströmungen und Transportprozesse in Verteiler, Tauchrohr und Kokille. Dabei steht insbesondere die Wirkung elektromagnetischer Felder, wie sie in Form von elektromagnetischen Bremsen oder Rührern bereits im industriellen Einsatz sind, im Mittelpunkt. Außerdem bieten die Versuchsanlagen gute Bedingungen für die Erprobung neuer Messtechniken und Anlagenkomponenten. Die Versuchsanlage „CONCAST-LMM“ (Continuous Casting Liquid Metal Model) ist 2009 fertig gestellt worden und arbeitet mit einer Sn60Bi40-Legierung als Modellfluid im Temperaturbereich von 200°C bis 400°C. Ein kleineres Modell mit der eutektischen GaInSn-Legierung wird bei Raumtemperatur betrieben. Die Strömungseigenschaften werden mit Hilfe lokaler Sonden sowie modernen Ultraschall und elektromagnetischen Methoden vermessen. Im Rahmen dieses Beitrages werden Strömungsmessungen in einer einphasigen Flüssigmetallströmung in der Kokille unter Einwirkung eines statischen Magnetfeldes vorgestellt und mit entsprechenden numerischen Simulationen verglichen. Es zeigt sich, dass das Magnetfeld den aus dem Tauchrohr in die Kokille austretenden Jet ablenkt und lokale Rezirkulationsgebiete verstärkt. Die bremsende Wirkung des Magnetfeldes stellt sich als äußerst komplex dar. Eine gleichmäßige Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit im gesamten Volumen wird nicht beobachtet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung 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. Die Aufgabe besteht darin, dass eine intensive dreidimensionale Strömung im In-nern 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. ...

Der Einsatz elektromagnetischer Felder zum Rühren metallischer Schmelzen stellt eine elegante Möglichkeit einer völlig kontaktlosen Strömungskontrolle in erstarrenden Metalllegierungen dar, wobei die Strömungsintensität über die elektrischen Regelgrößen Strom und Frequenz gesteuert werden kann. Trotz der nachweislichen Verbesserung der Gefügeeigenschaften, wie Kornfeinung und Vergrößerung des equiaxialen Erstarrungsbereiches durch eine intensive Strömung im Bereich der Erstarrungsfront, ist der Einsatz des elektromagnetischen Rührens auch problembehaftet, da die Strömung negative Auswirkungen wie strömungsinduzierte Porosität oder Gefügeinhomogenitäten (z.B. weiße Bänder beim Stahlguss) hervorrufen kann. Diese Nachteile erschweren eine industrielle Anwendung des Verfahrens im Strangguss. Der Einsatz maßgeschneiderter, zeitmodulierter Magnetfelder bietet die Perspektive, die oben genannten, nachteiligen Effekte zu vermeiden. Mit dem Konzept der maßgeschneiderten Magnetfelder werden geeignete Strömungen erzeugt, welche die für die Herausbildung vorteilhafter Gefüge notwendigen Temperatur- und Konzentrationsfelder in der erstarrenden Schmelze liefern. Dies erfordert jedoch ein genaues Verständnis der Wechselwirkung von Magnetfeld, induzierter Strömung und Erstarrungsvorgang. In diesem Vortrag wird die Wirkung des elektromagnetischen Rührens der Restschmelze mittels zeitmodulierter Magnetfelder bei der gerichteten Erstarrung einer binären Al-Si-Legierung untersucht. Für eine erfolgreiche Anwendung dieses Verfahrens sind geeignete Kombinationen der Magnetfeldparameter zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden Strömungsmessungen in einer isothermen Modellschmelze unter dem Einfluss modulierter Magnetfelder durchgeführt. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen zur zeitlichen Entwicklung der Strömungsstruktur wurden geeignete Strategien für eine gezielte Beeinflussung der Gefügemerkmale durch den Einsatz maßgeschneiderter Magnetfelder abgeleitet. Die Erstarrungsversuche demonstrieren, dass es möglich ist, mit Hilfe zeitmodulierter magnetischer Felder korngefeinte, equiaxiale Gefüge unter Vermeidung der Herausbildung makroskopischer Gefügeinhomogenitäten herzustellen. Die Ergebnisse veranschaulichen das große Potenzial des elektromagnetischen Rührens zur Verbesserung der Materialeigenschaften der erstarrten Struktur und einer Optimierung der Prozesskontrolle.

Zur Untersuchung der Magnetfeldwirkung auf die Stahlströmung im kontinuierlichen Stranggussverfahren wurden Experimente an einem verkleinerten Flüssigmetallmodell durchgeführt. Als Modellfluid wurde dabei eine bei Raumtemperatur flüssige Legierung, bestehend aus Gallium, Indium und Zinn, gewählt. Die Kokillenströmung wurde am Modell mittels der Ultraschall-Doppler-Methode ausgemessen. Die Anordnung von 10 Sensoren ermöglichte die zweidimensionale Aufzeichnung der horizontalen Geschwindigkeiten in der Kokille. Basierend auf dem Konzept der Elektromagnetischen Bremse wurde ein DC-Magnetfeld im Bereich der stärksten Strömungen an die Kokille angelegt. Die Messungen mittels Ultraschall zeigen deutlich die aus dem Tauchrohr austretende Strahlströmung als auch das zeitliche Verhalten der Strömung im untersuchten Gebiet. Bei Anwesenheit des DC-Magnetfeldes verändert sich sowohl Lage als auch die Form des Flüssigmetalljets. Des Weiteren sind Gebiete mit verstärkter Rezirkulation direkt ober- und unterhalb des Jets zu beobachten. Ein weiteres, wichtiges Ergebnis dieser Messungen ist, dass das Magnetfeld unerwünschte Oszillationen in der Strömung anregen kann. Die Kombination eines Flüssigmetallmodels, eines DC-Magnetfeldes und der Ultraschall-Doppler-Methode ist ein wichtiges Element bei der Untersuchung des Stranggussprozesses. Damit können wertvolle und bisher nur rudimentär vorhandene experimentelle Daten über den Einfluss elektromagnetische Felder auf die Strömung in der Kokille gewonnen werden, die auch für die Validierung numerischer Modell von Bedeutung sind.

In dieser Arbeit wird die Wirkung des elektromagnetischen Rührens der Restschmelze bei der gerichteten Erstarrung einer Al-Si-Legierung untersucht. Dabei werden neue Methoden zum elektromagnetischen Rühren unter Nutzung eines zeitlich modulierten rotierenden Magnetfeldes (RMF) und eines wandernden Magnetfeldes (TMF) vorgestellt. Beim elektromagnetischen Rühren mit kontinuierlich wirkenden Feldern treten oft strömungsinduzierte Entmischungen im Gefüge auf. Mit der Strategie der Nutzung zeitmodulierter Felder sollen diese bekannten Nachteile vermieden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Rühren unter Anwendung eines modulierten magnetischen Feldes Möglichkeiten zur effizienten Kontrolle des Strömungsfeldes vor der Erstarrungsfront bietet.

In der Arbeitsgruppe Magnetohydrodynamik am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) werden die komplexen Wechselwirkungen zwischen elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten und magnetischen Feldern untersucht, um Strömungsverhalten und Erstarrungsprozesse flüssiger Metalllegierungen kontrolliert zu steuern. Ziel sind optimierte Produktionsprozesse für die Gießereitechnik. Zur Analyse der metallischen Mikrogefüge setzen die Wissenschaftler ein automatisiertes System aus High-end-Mikroskop und PowerMosaic-Bildaufnahme ein, das große Probenoberflächen in hochaufgelösten Einzelbildern abrastert und ein präzises Gesamtbild für quantitative Auswertungen liefert.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum elektromagneti-schen Rühren elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten (2) unter Verwendung eines in der horizontalen Ebene rotierenden Magnetfeldes RMF (34) und eines dazu in vertikaler Richtung wandernden Magnetfeldes WMF (47). Die Aufgabe besteht darin, dass unsymmetrische Strömungsstrukturen in mit Schmelzen gefüllten Behältern, insbesondere zu Beginn und während des Ver-laufs der Erstarrung vermieden werden. Außerdem sollen eine effektive Durch-mischung der Flüssigkeit und/oder eine kontrollierte Erstarrung metallischer Le-gierungen unter Vermeidung der Ausbildung von Entmischungszonen im Erstar-rungsgefüge erreicht werden. Die Lösung besteht darin, dass sowohl das rotierende Magnetfeld RMF (34) als auch das wandernde Magnetfeld WMF (47) diskontinuierlich in Form von zeitlich begrenzten und einstellbaren Periodendauern (TP,RMF,TP,WMF) und abwechselnd zeitlich nacheinander über zugehörige Induktionsspulen (31,32,33;41,42,43,44, 45,46) zugeschaltet werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in flüssigen Schmelzen in einem Temperaturbereich oberhalb von 200°C mit einem Ultraschallgenerator sowie zugehörigem Ultraschall-Wellenleiter nach dem Ultraschall-Doppler-Verfahren. Mit der Erfindung soll eine gute Signalein- und -auskopplung gewährleistet werden. Erreicht wird das durch Herstellen der Benetzbarkeit der Stirnfläche des Ultraschallwellenleiters vor dem Messvorgang, anschließendes direktes Einkoppeln von Ultraschall-Messsignalen in die Schmelze unter einem Winkel verschieden von 90°, indem zumindest die Stirnfläche des Ultraschallwellenleiters in die Schmelze eingetaucht wird, und Auskoppeln der in der Schmelze reflektierten Ultraschallsignale über die Stirnfläche des Ultraschallwellenleiters und Weiterleitung derselben an eine Auswerteschaltung. Die Herstellung der Benetzbarkeit erfolgt durch mechanisches und chemisches Reinigen der Stirnfläche und nachfolgendes Beschichten derselben mit einem geeigneten Material.

In der Arbeitsgruppe Magnetohydrodynamik am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) werden Wechselwirkungen zwischen elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten und magnetischen Feldern eingesetzt, um Strömungsverhalten und Erstarrungsprozesse flüssiger Metalllegierungen kontrolliert zu steuern. Ziel sind optimierte Produktionsprozesse für die Gießereitechnik. Zur Analyse setzt man ein System aus High-End-Mikroskop und Power-Mosaic-Bildaufnahme ein, das große Probenoberflächen in hochaufgelösten Einzelbildern abrastert und ein präzises Gesamtbild für quantitative Auswertungen liefert.

Die Erfindung betrifft einen dispersionsarmen Ultraschallsensor zur Messung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in flüssigen Schmelzen bei hohen Temperaturen. Durch die Erfindung soll ein Ultraschallsensor zur Durchführung lokaler kontinuierlicher und zuverlässiger Geschwindigkeitsmessungen in heißen Schmelzen (T > 200°C) geschaffen werden. Erreicht wird das dadurch, dass der dispersionsarme Ultraschallsensor einen mit dem piezoelektrischen Wandler (1) verbundenen Ultraschallwellenleiter (2) aus einem Material enthält, das in einem für den Einsatzfall relevanten Temperaturbereich oberhalb von 200 °C eine geringe akustische Dämpfung aufweist sowie gegenüber der Schmelze chemisch resistent ist und dass die der Schmelze zugewandte Stirnfläche des Ultraschallwellenleiters (2) verschlossen und von der Schmelze benetzbar ist.

Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Spritzgusswerkzeugen wird eine Prozesskette vorgestellt, die die Verfahrenskombination Laserauftragschweißen auf Sphäroguss im Anwendungsgebiet Werkzeugformplatten für den thermoplastischen Spritzgussprozess aufzeigt, wobei es vorrangig um gleichmäßiges Beschichten von Freiformflächen geht. Da diesbezüglich die schlechte Verschleißfestigkeit ein Kriterium darstellt, hat man Laser-Pulver-Auftragschweißen mit Stellit angewandt, dessen Basis ein mittels FEM optimierter, schalenförmiger Grundkörper aus Sphäroguss bildet. Das Vorgehen und die Funktionsoptimierung mit FEM werden dargelegt, insbesondere die praktische Durchführung der theoretischen Betrachtungen anhand eines Versuchswerkzeugs 'Ballstütze'. Die Berechnungsergebnisse wurden mit den im Spritzversuch empirisch ermittelten Ergebnissen verglichen. Mittels Simulation konnten so die Temperturverteilung im Werkzeug vor dem Einspritzen des Kunststoffs, Temperaturverlauf und Abkühlungsgeschwindigkeit sowie Werte über die Formfüllung und Erstarrungszeiten bestimmter Bereiche gewonnen werden. Im Rückblick werden Erfahrungen mit Lasauftragschweißen von Sphäroguss mitgeteilt. Den für eine Fallstudie - Versuchswerkzeug 'Ballstütze' - erforderlichen Grundlagenuntersuchungen wird breiter Raum gewidmet. In der Schlussbewertung wird ausgeführt, dass laserbasiertes Auftragschweißen von Verschleißschutzschichten in der Industrie heute etabliert ist und es neben Verschleißschutz, Korrosionsschutz und erreichbaren Härtewerten vor allem die Möglichkeiten der Reparatur und Designänderung sind, die einen Einsatz des Laserauftragschweißens rechtfertigen können. Entnommen aus TEMA

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Durchflussmessung zu ermöglichen, die ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt zum fließenden Medium auskommt, keine Vielzahl von Magnetfeldmessstellen erfordert, eine Durchflussmessung hoher zeitlicher Auflösung liefert, gegenüber äußeren Einflüssen möglichst unempfindlich ist und nicht die lageempfindlichen Amplituden in Empfängerspulen bei Wechselstromerregung benutzt. Die Erfindung geht aus von einem magnetischen Wechselfeld außerhalb des elektrisch leitfähigen Mediums und beinhaltet, dass der Einfluss des strömenden Mediums auf das angelegte Magnetfeld zu einer Phasenverschiebung in den Magnetfeldsignalen an zwei verschiedenen Messorten führt, die als direktes Maß für die mittlere Durchflussgeschwindigkeit des Mediums verwendet wird. Die Phasenverschiebung kann auch mittels zweier Empfängerspulen entlang des Strömungskanals gemessen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Geschwindigkeit einer in eine Form einströmenden, flüssigen Metallschmelze beim steigenden Gießen unter Schwerkrafteinfluss durch externe Magnetfelder so zu beeinflussen, dass eine beruhigte Formfüllung unter ausreichender Vermeidung von starken Verwirbelungen der Schmelze und des Auftretens von Instabilitäten der Oberflächenschicht und der einströmenden Schmelzefront erreicht wird. Die technische Lösung beinhaltet, dass die magnetische Induktion B0 des angelegten Magnetfeldes anfangs mindestens zwei Werte übersteigt. Gemäß der Anordnung wird ein Magnet am unteren Ende des vertikalen Eingusskanals vor der Umlenkung in den horizontalen Gießlauf angeordnet und mit einer Einrichtung zur Regelung der magnetischen Induktion verbunden.

Die numerischen und experimentellen Arbeiten zur Auslegung und dem Test einer elektromagnetischen Pumpe zur Kontrolle des Füllprozesses beim Aluminium-Feinguss werden zusammen gefasst. Weiterhin wird über die industriellen Ergebnisse des Einsatzes eines statischen Magnetfeldes auf die Gussteilqualität berichtet.

Es werden Instabilitäten gedämpft und das Kornwachstum während der Erstarrung von Legierungen gesteuert.

Die elektromagnetische Strömungsbeeinflussung spielt eine wichtige Rolle in der metallischen Werkstofftechnik. Wichtige potentielle Anwendungsgebiete sind Strömungsoptimierungen für die Herstellung einkristalliner Halbleiterkristalle (450 mm Siliziumwafer) und die Optimierung von Stahlgussprozessen. Zur Validierung der numerischen Strömungssimulationen verwendet man häufig ein Wassermodell des zugehörigen Prozesses. Dieses ermöglicht prinzipiell den Einsatz von Laserverfahren zur Strömungsvermessung, spiegelt jedoch wegen der unterschiedlichen Eigenschaften von Metallen und Wasser die physikalische Realität nur unzureichend wider. Zur Strömungsmessung in Metallschmelzen bedient man sich daher häufig der Ultraschall-Messtechnik unter Ausnutzung des Doppler-Effektes. Die Messaufbauten ermöglichen in der Regel die Messung einer Geschwindigkeitskomponente entlang einer Linie. Zukünftige Messaufgaben wie beispielsweise die Vermessung inkohärenter Strömungsfelder können mit den vorhandenen Messgeräten nicht realisiert werden. Das liegt im wesentlichen an der fehlenden zeitlichen Auflösung der Messsysteme und der langsamen Traversierung. Der Vortrag präsentiert aktuelle Ergebnisse bei Ultraschallmessungen in der Metallurgie. Dabei wird vorgestellt, wie die Erhöhung der zeitlichen Auflösung und damit die Messung instationärer Felder erreicht werden kann. Beschrieben werden dabei grundsätzliche Erwägungen hinsichtlich der Wandler-Geometrie und des Schallfeldes, Probleme bei der Schallanregung in der Flüssigkeit und Elemente der Signalverarbeitung. Die erreichbare maximale zeitliche und örtliche Auflösung wird theoretisch und experimentell dargelegt.

Bereits seit einiger Zeit ist bekannt, dass man durch gezieltes Rühren einer erstarrenden, metallischen Schmelze mit mechanischem Antrieb oder mit Hilfe zeitabhängiger Magnetfelder in aktiver Weise Einfluss auf die Gefügeausbildung nehmen kann. Diese sogenannte, erzwungene Konvektion begünstigt beispielsweise globulitisches gegenüber dendritischem Wachstum und bewirkt eine Kornfeinung. Allerdings können Strömungen im Schmelzbad während der Erstarrung auch unerwünschte Makroseigerungen hervorrufen. Der Einsatz elektromagnetischer Felder zum Rühren des Schmelzbades ist vor allen Dingen aus zweierlei Gründen attraktiv: (a) diese Methode bietet die Möglichkeit einer völlig kontaktlosen Einflussnahme und (b) eine unmittelbare und einfache Kontrolle der Intensität der Strömung kann über die elektrischen Regelparameter Strom und Frequenz vorgenommen werden. Zusätzlich sind verschiedene Arten von Magnetfeldern (Wanderfelder, pulsierende Felder, statische Felder) im Prinzip beliebig kombinierbar. Damit ergibt sich die Möglichkeit, grundsätzlich verschiedene Strömungsmuster je nach Bedarf zu erzeugen. Das Ziel unserer Forschung besteht in der Anwendung maßgeschneiderter Magnetfelder während der Erstarrung zur effizienten Herstellung homogener, feinkörniger, globulitischer Gefüge. Zunächst soll mit Hilfe von Modellexperimenten, die die Komplexität des Problems überschaubar halten, mehr Informationen über die physikalischen Zusammenhänge zwischen der Erstarrung metallischer Legierungen und einer erzwungenen Konvektion in der Restschmelze gesammelt werden. Dazu wurden Pb-Sn-Legierungen in einer einfachen zylindrischen Geometrie unter Einwirkung eines rotierenden Magnetfeldes (RMF) gerichtet erstarrt.

Es ist aus theoretischen Überlegungen und praktischen Untersuchungen bekannt, daß beim Feinguß eine in die Form einströmende Schmelze eine in ihrem exakten Zahlenwert unbekannte Maximalgeschwindigkeit (Näherungswert: 0,5 m/s) nicht übersteigen darf. Füllt die Schmelze den Formhohlraum mit einer höheren Geschwindigkeit, ergeben sich Verwirbelungen und Oxideinschlüsse, die sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften des Gussteils auswirken. Es gibt Hinweise an Gussteilen, die diese Theorien stützen. Da eine Form als oben offener Hohlraum betrachtet werden kann, muß das Metall immer aus einer Höhe eingefüllt werden, die durch die Höhe des Gussteils und zusätzlicher gießtechnischer Anordnungen vorbestimmt ist. Damit resultiert die Maximalgeschwindigkeit der Schmelze am tiefsten Punkt aus den geometrischen und flüssigkeitsdynamischen Gegebenheiten. Eine kontaktlose Regelung der Schmelzströmung, welche durch Einsatz elektromagnetischer Felder realisiert werden kann, ist offensichtlich wünschenswert und vorteilhaft im Vergleich zu mechanischen Lösungen.

Den gestiegenen Anforderungen bei der Herstellung immer komplexerer, dünnwandigerer und auch größerer Feingussteile kann mit der gezielten elektromagnetischen Strömungsbeeinflussung der Schmelze über magnetische Felder begegnet werden. Hierbei kann auf kontaktlose Weise die Zuströmung hinsichtlich einer optimalen Füllung der Gießform kontrolliert werden. Die aufgabenspezifische Auswahl aus einer Vielzahl technisch realisierbarer Feldarten und die Parametrierung erfordert die Kenntnis der typenspezifischen Wirkungsweise auf die Strömung und der jeweils zu erwartenden Stärke des Einflusses. Das erste Kapitel liefert deshalb einen Einstieg in die Grundlagen der Strömungskontrolle mit Magnetfeldern. Im realen Prozess sind in-situ Untersuchungen der Strömungsvorgänge in der Regel nicht möglich. Eine Beurteilung des Endproduktes kann zwar, in begrenztem Umfang, den Einfluss magnetischer Felder auf dessen Qualität liefern, nicht aber die Wirkkette oder gar ein umfassendes Verständnis. Die Auslegung der Felder stützt sich von daher meist auf numerische Strömungssimulationen oder Modellexperimente. Warum etwa Wasserexperimente für die weitaus meisten metallurgischen Prozesse ungeeignet und numerische Simulationen alleine nicht ausreichend sind, wird in Kapitel zwei beschrieben. Auch in den vergleichsweise „kalten“ Modellexperimenten bleibt die für die Optimierung des Magnetfeldeinsatzes erforderliche Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten weiterhin problematisch. Die für transparente Flüssigkeiten kommerziell verfügbaren Methoden LDA (Laser Doppler Anemometrie), PIV (Particle Image Velocimetry) oder auch das Einbringen von Farbstoffen und/oder Schwebeteilchen zur Visualisierung sind auf Grund der Undurchsichtigkeit von Metallschmelzen nicht anwendbar. Kapitel 3 gibt einen Überblick über die für Flüssigmetallströmungen geeigneten Messtechniken. Im Hauptkapitel 4, welches sich mit Beispielanwendungen beschäftigt, wird zunächst über den erfolgreichen Einsatz einer Magnetfeldbremse, von der Auslegung des Feldes bis hin zur Implementierung, im industriellen Aluminium-Feinguss berichtet. Dem schließt sich eine Beschreibung einer weitergehenden Prozessoptimierung mittels eines linearen Mehrphasen-Wechselfeldes an, welche das Potenzial des „Maßschneiderns“ von Magnetfeldern demonstriert. Den Abschluss bildet die Erstarrung im rotierenden Magnetfeld, die als ein weiteres Beispiel für die Vielfalt der elektromagnetischen Kontrolle im Bereich der Metallurgie dienen möge.

The construction and the first use of a compact time-of-flight system for the energy-dispersive study of the interaction of fast neutrons with materials are content of a network project of the Research Center Rossendorf, to which also the Technical University Dresden contributes in the framework of a common DFG project. The planned time-of-flight experiments with pulsed neutrons will be performed at the radiation source ELBE. First results on the development of a neutron-production target are presented. By means of radiation-transport and finite-element programs the distributions of the energy deposition of the used pulsed electron beam of the radiation source ELBE and the temperature in the neutron radiator as well as the expected particle spectra and fluxes at the measurement place were calculated. Considerations on the development of a beam catcher are discussed.