Stabilization of free liquid metal surfaces influenced by high-frequency magnetic fields
Final Report Abstract
In vielen Verfahren der Elektroprozesstechnik und der elektromagnetischen Behandlung von Werkstoffen kommt es zur Ausbildung von freien Flüssigmetalloberflächen oder von Flüssigmetall-Freistrahlen, die mit den prozessspezifisch angelegten elektromagnetischen Feldern wechselwirken. Zu diesen Verfahren gehören beispielsweise das elektromagnetische Levitationsschmelzen, das Kalttiegel-Schmelzverfahren und die Schmelzenbehandlung in Induktionsöfen sowie die kontinuierlichen Gießprozesse für Stahl und Aluminium. In vielen Verfahren bleibt die Anwendung elektromagnetischer Felder zur Prozesssteuerung jedoch beschränkt, da die freien Grenzflächen oder die Freistrahlen zu elektromagnetisch induzierten Instabilitäten neigen. Das Ziel des Projekts war, einen Beitrag zur Identifikation, Kontrolle und Unterdrückung dieser Instabilitäten zu leisten. Die im Zuge des Projektverlaufs gewonnenen wichtigsten wissenschaftlichen Fortschritte lassen sich wie folgt zusammenfassen. Die Instabilitäten von Flüssigmetalltropfen, die unter Wirkung elektromagnetischer Wechselfelder stehen, lassen sich durch das Anlegen von statischen Magnetfeldern oder durch eine gezielte Anordnung von Kurzschlussspulen dämpfen. Zur Identifikation der Topfeninstabilitäten können die Kurzschlussspulen in Verbindung mit einem optischen Erkennungssystem genutzt werden. Die aktive Kontrolle und Unterdrückung der Tropfeninstabilitäten gelingt durch Anlegen von optimalen elektromagnetischen Gegenfeldern, die durch das Beaufschlagen der Spulen mit zeitlich gesteuerten Wechselströmen erzeugt werden. Die elektrische Leistung zur Erzeugung der Gegenfelder beträgt weniger als 1% der elektrischen Leistung zur Erzeugung des prozessspezifischen Primärfelds. Flüssigmetallfreistrahlen lassen sich elektromagnetisch stabilisieren, indem ein magnetisches Wechselfeld angelegt wird, das durch rotierende Magnetscheiben generiert wird. Flüssigmetallfreistrahlen lassen sich durch das magnetische Wechselfeld zudem berührungsfrei formen, nämlich in die Länge strecken. Dieses Prinzip einer elektromagnetischen Walze kann zur Prozesskontrolle bei der Herstellung von metallischen Mikrofasern mittels eines Verdüsungsverfahrens genutzt werden. Zur Verifizierung der in numerischen Simulationen gefundenen Stabilisierung von Flüssigmetallfreistrahlen durch das Anlegen von starken statischen Magnetfeldern, deren Feldlinien parallel in Strahlrichtung verlaufen, wurde ein Modellexperiment konzipiert und aufgebaut. Diese Untersuchungen werden außerhalb der DFG-Förderung im Rahmen der Helmholtz-Allianz LIMTECH weitergeführt. Der Projektverlauf war geprägt von einigen unliebsamen Überraschungen. So konnte ein angedachtes automatisiertes elektromagnetisches Kontrollsystem zur Unterdrückung von Grenzflächeninstabilitäten aufgrund von in der Projektlaufzeit nicht behebbaren technischer Probleme nur teilweise realisiert werden.
Publications
- Closed loop stabilization system for electromagnetically shaped liquid metal droplet, Proc. International PAMIR Conference on Fundamental and Applied MHD ; Vol. 2., pp. 867-871 (2011)
V. Minchenya, Ch. Karcher
- Suppression of Electromagnetically Induced Free- Surface Instabilities in Liquid Metals, PAMM vol. 11 (1), 485-486 (2011)
V. Minchenya, Ch. Karcher, A. Chigarev
- Stabilization of the free liquid metal surface during electromagnetic forming, Proc. Workshop Elektroprozesstechnik, 8, 6 p. TU Ilmenau (2012)
V. Minchenya, A. Chigarev, Ch. Karcher
- Vorrichtung und Verfahren zum aktiven Manipulieren einer elektrisch leitfähigen Substanz, DE 102011018675 A1 (2012)
V. Minchenya, Ch. Karcher
- Elektromagnetische Formung von Flüssigmetallfreistrahlen, Proc. Workshop Elektroprozesstechnik, 12, 10 p. TU Ilmenau (2013)
Ch. Karcher, M. Gramß, B. Dzur
- Electromagnetic control of heat transfer in engine coolers, Proc. Workshop Elektroprozesstechnik, 7, 12 p. TU Ilmenau (2014)
Ch. Karcher, F. Schmidt, J. Kühndel
- Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern und Filamente, DE102013105369A (2014)
J. Binzer, M. Seip, M. Fischer, B. Dzur, M. Gramß, Ch. Karcher, S. Prochorowa
