HES-07 in Padua Partikeltransport im instationären Strömungsfeld ...

HES-07 in Padua
Internationales Symposium
Mit großem Erfolg fand vom
19. bis 22. Juni dieses Jahres
zum vierten Mal das internationale
Symposium „Heating by Electromagnetic
Sources“ in Padua (Italien)
statt. Diese Veranstaltung wird seit
1998 traditionell alle drei Jahre in
Padua ausgerichtet und zählt heute
weltweit zu den bedeutendsten Treffen
für Wissenschaftler und Ingenieure,
die sich mit der Anwendung
von elektromagnetischen Feldern bei
industriellen Erwärmungs- und
Teilnehmer der Konferenz HES-07
Schmelzprozessen sowie zur elektromagnetischen
Behandlung von
Materialien beschäftigen. Mit etwa
150 Teilnehmern war dieses Symposium
sehr gut besucht.
Es wurden fast 100 Beiträge von
Autoren aus 20 verschiedenen Ländern
in Form von Vorträgen und Postern
präsentiert. Dabei zeigten die
Präsentationen eindrucksvoll das
sehr breite Anwendungsspektrum
von elektromagnetischen Feldern
zur thermischen Behandlung von
Materialien. Neben dem klassischen
induktiven, konduktiven oder wider-
4 Institut für Elektrothermische Prozesstechnik
standsbeheizten Erwärmen und
Schmelzen von Eisen- und Nichteisenwerkstoffen
rücken zunehmend
Verfahren und Prozesse zur gezielten
elektromagnetischen Beeinflussung
von Werkstoffen und Materialien
in den Blickpunkt des Interesses.
Dieses innovative, zukunftsorientierte
Forschungs- und Anwendungsgebiet
wird unter dem Begriff
„Electromagnetic Processing of Materials
(EPM)“ zusammengefasst
und eröffnet vielseitige Möglichkeiten
zur Verbesserung
bestehender
oder zur Entwicklung
neuer Verfahren
und Prozesse
zur Herstellung und
Behandlung von
Werkstoffen und
Produkten. Mit insgesamt
11 Beiträgen
präsentierte das
ETP seine aktuellstenForschungsergebnisse.
Das nächste
Symposium „Heating
by Electromagnetic Sources“
findet voraussichtlich im Frühjahr/
Sommer 2010 wieder in Padua statt.
Lupi, S. (Editor): Proceedings of
the International Symposium on
Heating by Electromagnetic Sources
(HES-07). Padua (Italy), June 19-22,
2007-08-24
Redaktion:
Dipl.-Ing. Helene Kasjanow
Prof. Dr.-Ing. Egbert Baake
Telefon: 05 11 /762-2290
Telefax: 05 11 /762-3275
E-Mail: ewh@ewh.uni-hannover.de
URL: www.etp.uni-hannover.de
ICCG-15
International Conference
Vom 12. bis 17. August 2007
fand die 15. International Conference
on Crystal Growth (ICCG-15),
verbunden mit der International
Conference on Vapor Growth and
Epitaxy und dem US Biennial Workshop
on Organometallic Vapor Phase
Epitaxy in Salt Lake City (USA)
statt. Themenschwerpunkte in den
zahlreichen, parallel laufenden Vorträgen
und Postersitzungen waren:
Bulk Crystal Growth, Crystal
Growth of Laser Host and NLO und
Correlated Electron Crystals.
Auf großes Interesse stießen auch
die Vorträge aus den Bereichen
Züchtung von kristallinem Silizium
und anderen Halbleitermaterialien
für Photovoltaikanwendungen. Das
ETP war auf dem ICCG-15 mit Vorträgen
und Postern auf dem Gebiet
der Kristallzüchtung unter dem Einfluss
von externen Magnetfeldern
vertreten. Dabei wurden die Ergebnisse
aus dem KRISTMAG-Projekt
vorgestellt. Mit großem Interesse
wurden die ETP-Präsentationen zu
den dreidimensionalen Untersuchungen
der asymmetrischen Induktorgeometrie-Effekte
sowie die transiente
Strömungssimulation aufgenommen.
Die Beiträge auf der ICCG-15
werden im Journal of Crystal
Growth publiziert. Die kommende
ICCG-16 findet in China im Jahr
2010 statt.
Herausgeber:
Institut für Elektrothermische
Prozesstechnik und Vereinigung
zur Förderung des Instituts für
Elektrowärme der Universität
Hannover e.V.
Partikeltransport im instationären Strömungsfeld
Simulationsmodelle eröffnen neue Möglichkeiten
Bei vielen Schmelzprozessen ist
der Transport und die instationäre
Verteilung von Partikeln in der
Schmelze von großer Bedeutung. So
müssen beispielsweise in vielen metallurgischen
Prozessen Legierungsbestandteile
in Form von feinkörnigen
Teilchen während des Schmelzens
zugegeben, eingerührt und
durch die Schmelzströmung homogen
verteilt werden. Dabei können
die partikelförmigen Legierungszugaben
sehr unterschiedliche Dichte
und Korngröße haben sowie aus
elektrisch leitenden oder nicht leitenden
Materialen bestehen. Aber
auch der Transport und die Verteilung
unerwünschter Verunreinigungen
in der Schmelze, wie z.B. der
Transport und die Konzentrationsverteilung
von Oxiden in Metallschmelzen
und die daraus mitunter
entstehenden lokalen Anreicherungen
und Ansatzbildungen an der
Ofenzustellung, sind Problemstellungen,
die bislang nur unzureichend
berechnet und dargestellt
werden konnten.
Vor diesem Hintergrund wurden
vom ETP in Kooperation mit der
Universität Lettlands in Riga Simulationsmodelle
zur Nachbildung
und Visualisierung
des Partikeltransports
im
instationären
Strömungsfeld
von Schmelzen
entwickelt und
erfolgreich getestet.
Die Modelle
wurden im Programmpaket
FLUENT implementiert und können
so in der Large Eddy Simulation
(LES) Methode eingesetzt werden.
Die Durchmischung und der Teilchentransport
lassen sich anhand
transient berechneter Bahnkurven
von Masseteilchen (particle tracing)
simulieren und anschaulich darstellen.
Es können auch elektrisch leitende
oder nicht leitende Teilchen
simuliert werden, um z.B. den Einfluss
der elektromagnetischen
Teilchentransports im KIT für Teilchen mit einem Durchmesser
von 1mm und unterschiedlicher Dichte
Ausgabe 2 - 2007
Kraftwirkung auf die Teilchen gezielt
zu untersuchen. Ein einfaches
Beispiel dieser Untersuchungen ist
im Bild anhand des Partikeltransports
im Kaltwand-Induktionstiegelofen
(KIT) dargestellt. Es wird gezeigt,
dass in Abhängigkeit von der
Dichte des einzurührenden Teilchens
der Teilchentransport in der
Schmelzenströmung sehr unterschiedlich
stattfindet, wobei mit zunehmender
Dichte die Bewegung
der zugegebenen Partikel nur im unteren
Bereich der Schmelze stattfindet
und eine gute Homogenisierung
nicht mehr möglich ist.
Durch die neuen Möglichkeiten
am ETP zur Simulation des Partikeltransports
können nun entsprechende
Aufgabenstellungen bearbeitet
werden.
Inhalt
Partikeltransport im instatio- 1
nären Strömungsfeld
Untersuchung der Asymmetrie- 2
effekte in HMM
Promotion von T. Behrens 3
Aktuelles Seminar 3
HES-07 in Padua 4
ICCG-15 4

Untersuchung der Asymmetrieeffekte im HMM
Berliner Projekt mit EFRE-Teilförderung und F&E-Förderung des Landes Brandenburg
Im Rahmen des
„Kristallzüchtung im
Projektes
Magnetfeld“
(KRISTMAG) wird in Kooperation
von IKZ, ETP, WIAS, Steremat
und Auteam ein Heizer-Magnet-Modul
(HMM) entwickelt, das
gleichzeitig als Heizer und als Induktor
verwendet wird. Das magnetische
Wanderfeld wird eingesetzt,
um die unerwünschten Konvektionseffekte
in der
Schmelze
zu
dämpfen.
Das
Wa nderfeld
wird
Foto des am IKZ installierten
kombinierten Heizer-Magnet-Modul
durch
phasenverschobene
Spulenströme erzeugt. Die daraus
resultierende elektromagnetische
Lorentz- Kraft kann effektiv die natürliche
Konvektion unterdrücken.
Die Frequenz und die Phasenverschiebung
der Spulenströme müssen
entsprechend der Geometrie und Induktorhöhe
optimiert werden.
Je nach Prinzip der Züchtungsanlage
werden unterschiedliche Ziele
beim Einsatz des Wanderfeldes verfolgt.
Bei der Liquid Encapsulation
Czochralski (LEC) Methode soll das
magnetische Feld die starken Turbulenzen
der natürlichen Konvektion,
die mit größerem Schmelzenvolumen
und größeren Tiegeldurchmessern
zunehmen, dämpfen. Bei dem
Vertical Gradient Freeze (VGF)
Prozess, in dem die konvektive Strö-
mung eine geringere Rolle als bei
der LEC spielt, ist die Beeinflussung
der Phasengrenzenform von großer
Bedeutung. Die beiden Systeme
wurden numerisch untersucht.
Die 3D numerische Modellierung
wird zur Optimierung der Induktorgeometrie
und anderer Parameter
eingesetzt. Großer Wert wird
auf die Effektivität und Homogenität
der Lorentz-Kraft gelegt. Für die
elektromagnetische Simulation wird
das kommerzielle Programmpaket
ANSYS � eingesetzt.
Wie das Foto des am IKZ installierten
kombinierten HMM zeigt, ist
der Induktor asymmetrisch aufgebaut.
Ob dieser Aufbau die asymmetrischen
Effekte in der Lorentz-Kraft-Verteilung
hervorruft,
wurde mittels numerischer Simulationen
untersucht. Dabei wurde das
entwickelte HMM sehr detailliert
nachgebildet. Die drei im Dreieck
geschalteten Stromzuführungen
wurden spannungsgespeist und die
mit phasenverschobenen Strömen
gespeisten drei Spulen mit optimaler
Frequenz modelliert.
Die elektromagnetischen Berechnungen
haben gezeigt, dass die
Stromdichte im Induktor asymmetrisch
verteilt ist. Deutliche Überhitzungen
sind in den Ecken der Windungsübergänge
zu sehen. Entscheidend
ist aber die Auswirkung der berechneten
Stromdichteverteilung
auf die Kraftverteilung in der
Schmelze. Die Analyse der Simulationsergebnisse
des mit den anderen
Komponenten wie Tiegel, Kristall
und Schmelze vervollständigten
Modells hat ergeben, dass der Aufbau
des Induktors starke Asymmetrieeffekte
in der Kraftverteilung
hervorruft. Weitere Auswertungen
der Ergebnisse haben gezeigt, dass
sowohl die stromdurchflossenen
Stromzuführungen als auch die
Windungsübergänge die Asymmetrien
verursachen. Höhere Frequenzen
und andere Phasenverschiebungen
der Spulenströme verstärken die
asymmetrischen Effekte.
Wärmequellendichte- (a) und Stromdichteverteilung im Sektor (b) in den
Windungen des Moduls für die VGF-Anlage
Bei den rotierenden Systemen
(z. B. LEC) werden die Inhomogenitäten
durch Rotation vollständig
kompensiert. Für die nicht rotierenden
Systeme (z. B. VGF) wurde eine
patentgeschützte Lösung gefunden,
um die negativen Einflüsse des Feldes
zu vermeiden.
Promotion von T. Behrens
Induktives Schmelzen von Gläsern und Oxiden
Am 17. Juli 2007 promovierte
Herr Torge Behrens am ETP,
an dem er als wissenschaftlicher
Mitarbeiter von Februar 2000 bis
August 2007 tätig war. Während seiner
Zeit am Institut beschäftigte sich
Herr Dr. Behrens vornehmlich mit
der theoretischen und praktischen
Untersuchung der induktiven Skull-
Melting-Technologie (ISMT), die es
ermöglicht, elektrisch schwach leitfähige
Materialien wie Gläser, Oxide
und Keramiken bei sehr hohen
Temperaturen induktiv zu schmelzen.
Des Weiteren betreute er die
Vordiplomsvorlesungen „Technische
Wärmelehre“ sowie „Grundlagen
der Thermodynamik und Wärmeübertragung“
und leitete hierfür
die Klausurerstellung und –durchführung.
Bereits in seiner Diplomarbeit
griff Herr Dr. Behrens das Thema
der ISMT neu auf. Diese wurde
Dr.-Ing. Torge Behrens
schon in den 60er Jahren vorrangig
von russischen und französischen
Forschern untersucht, aber nicht
umfassend und nur in Einzelfällen
bis zur industriellen Reife weiterentwickelt.
Mittels der ISMT können
hochreine Materialien hergestellt
werden, die beispielsweise in Form
von Einkristallen als synthetische
Edelsteine oder als optische Gläser
Verwendung finden.
Im Rahmen der Promotion baute
Herr Dr. Behrens eine entsprechende
industrienahe Skull-Melting-Anlage
auf und nahm diese im Oktober
2003 für erste Versuche in Betrieb.
Nach einer Reihe von aussichtsreich
durchgeführten Versuchen entstand
unter anderem ein BMBF-Projekt
mit namhaften Industriepartnern zur
Herstellung hochreiner optischer
Gläser.
Aus wissenschaftlicher Sicht
untersuchte Herr Dr. Behrens in
seiner Dissertation mit dem Titel
„Prozessorientierte Analyse der induktivenSkull-Melting-Technologie
bei Verwendung eines Transistorumrichters“
detailliert die ISMT
und stellte die Möglichkeiten zur
Auslegung sowie zur Prozessführung,
insbesondere unter dem
Aspekt des Einsatzes eines Halbleiter-Umrichters,
ausführlich dar.
Er entwickelte verbesserte Auslegungsmethoden
in Zusammenarbeit
mit russischen (St. Petersburg)
und lettischen Kollegen (Riga).
Hierbei entstand auch ein neues
numerisches Simulationstool zur
Beschreibung des induktiven Glasschmelzprozesses
im Induktortiegel.
Aktuelles Seminar
Elektrother. Prozesstechnik
Das ETP veranstaltet in Zusammenarbeit
mit der Forschungsvereinigung
Industrieofenbau e.V.
(FOGI) am 12. und 13. Februar 2008
in Hannover das aktuelle Seminar
„Elektrothermische Prozesstechnik“.
Das Seminar bietet einen Überblick
über den aktuellen Stand der
industriellen elektrothermischen
Prozesstechnik. Dabei vermitteln
die Referenten aus der Industrie ausgewählte
physikalische und technische
Grundlagen, präsentieren neue
Anwendungsgebiete, stellen moderne
Anlagen- und Verfahrenskonzepte
vor und führen energetische und
wirtschaftliche Vergleiche wärmetechnischer
Prozesse durch. Praxisnah
werden anhand innovativer Beispiele
die wirtschaftlichen, effizienten
Einsatzmöglichkeiten der Elektroprozesswärme
aufgezeigt. Dank
der anwendungsbezogenen Inhalte
des Seminars ist die direkte Umsetzung
der erworbenen Kenntnisse in
die betriebliche Praxis möglich.
Die Zielgruppe des Seminars
sind Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter
aus Unternehmen, die wärmetechnische
Anlagen herstellen oder
betreiben, sowie Beschäftigte aus
dem Bereich der Energiedienstleistung
und Energieberatung.
Weitere Informationen und Anmeldung
unter:
Tel.: (0511) 762-2872
www.etp.uni-hannover.de
2 Institut für Elektrothermische Prozesstechnik Institut für Elektrothermische Prozesstechnik 3