Schwebeschmelzanlagen
Elektromagnetisch positionierendes Schwebeschmelzen
Das Schwebeschmelzen mit elektromagnetischer Levitation geht wahrscheinlich auf ein Patent des Deutschen O. Muck aus dem Jahre 1923 zurück. Technisch realisiert wurde dieses Verfahren jedoch erst Anfang der fünfziger Jahre mit einem Röhren-Hochfrequenz-Generator und der bekannten Korbspule mit Gegenwindungen.
Der Nachteil dieser starren Aufteilung der Felder besteht darin, dass die durch Hochfrequenzfelder induzierten Ströme in der schwebenden Metallprobe Temperaturen erzeugen, die für Experimente in der Eisen- und Nichteisenmetallurgie zu hoch und für Versuche mit hochschmelzenden Metallen zu niedrig sein können, was auf das weitgehend temperaturstabile Verhalten der Proben bei Leistungsänderungen des Generators zurückzuführen ist. Eine probensystemgebundene Temperatursteuerung über den Spulenstrom, die Spulengeometrie und die Grösse der Probe ist begrenzt. Eine Temperatursteuerung über die Generatorfrequenz lässt sich wegen der damit verbundenen Anpassungsprobleme zwischen Spule und Generator nicht erreichen. Deshalb muss für nahezu jeden Werkstoff und jeden Probendurchmesser eine eigene Korbspule konstruiert werden.
Stand der Technik
Anfang der siebziger Jahre wurden an der TU Berlin Versuche mit einem Zwei-Frequenz-Verfahren zur Temperatursteuerung gemacht. Die abstossende - und damit temperaturstabilisierende - Kraft der HF-Spule wurde durch die entgegengerichtete Kraft einer Mittelfrequenzspule kompensiert.
Durch Leistungsvariation der Generatoren war nun eine Temperatursteuerung der Probe möglich geworden. Dieses System gilt als Stand der Technik beim Schwebeschmelzen. Nachtelig ist beim Zwei-Frequenz-Verfahren der Zusammenhang zwischen der Mindestfrequenz des MF-Generators und der Oberflächenspannung der flüssigen Metalle. Bestimmte Legierungen lassen sich mit diesem Verfahren nicht levitieren.
Es werden zur Induktionserwärmung im wesentlichen vier Frequenzbereiche genutzt, welche sich durch die verfahrenstechnische Anwendung und die verwendete Gerätetechnik unterscheiden. Die dafür benötigte Energie wird in der Regel mittels Frequenzumformung vom öffentlichen Stromnetz bezogen.
Ein weiterer Nachteil ist der schlechte Wirkungsgrad dieses Verfahrens, welcher durch die gegenseitige Induktionserwärmung der Spulen und dem hohen Leistungsbedarf des MF-Schwingkreises bedingt ist. Wegen der abschirmenden Wirkung der die Probe konzentrisch umschliessenden HF-Spule, sind hohe MF-Generatorleistungen erforderlich.
Der Vorteil des Zwei-Frequenz-Verfahrens liegt in der Verwendung von Standardgeneratoren, die in den meisten Instituten vorhanden sind. Das Spulensystem muss genau auf die Dichte, den Durchmesser und die Leitfähigkeit der Probe im geforderten Temperaturbereich abgestimmt sein, um ein Temperaturintervall von einigen hundert Kelvin zu erreichen.
Die Berechnung und experimentelle Auslegung des Spulensystems erfordert viel Erfahrung und Zeit, so dass die experimentelle Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens gering ist.
Das Isofrequenz-Verfahren
Das Isofrequenz-Verfahren ist aus einem elektromagnetischen Levitationsverfahren hervorgegangen, bei dem die Temperatur durch die phasenverschobenen Felder zweier Dipolspulen gesteuert wird. Das beim Isofrequenzverfahren verwendete Spulensystem besteht aus zwei mechanisch unterschiedlichen, vertikal übereinander angeordneten Spulen, die aber elektrisch nahezu identisch sind.
Jede Spule bildet mit den dazugehörigen Kondensatoren einen separaten Schwingkreis, der jeweils von einem HF-Generator gespeist wird. Die von der Steuerung des Generators erzwungene Phasenlage des Spulenstromes beträgt 180°. Der Spulenstrom der beiden Schwingkreise und damit auch die auf die Probe wirkende Kräfte lassen sich fast unabhängig einstellen. Durch Veränderung der Probenposition im Spulensystem kann nun die Temperatur der Probe in einem weiten Bereich variiert werden.
Die untere konische Hauptspule levitiert und heizt die Probe in einem starken Dipolfeld. Die obere Stabilisierungsspule überlagert diesem Dipolfeld einen Quadrupolanteil, der die Probe radial stabilisiert. Zum Aufschmelzen wird die Probe bei mittlerer Leistung in der Mitte der Hauptspule gehalten. Die Leistung der Stabilisierungsspule muss wegen des grossen Probenabstandes hoch sein. Die erreichbare Maximaltemperatur ist vom Öffnungswinkel der Hauptspule sowie vom Probendurchmesser abhängig.
Um die Probe zu erstarren wird nun die Leistung der Hauptspule soweit erhöht, dass die Probe in die Lücke zwischen Haupt- und Stabilisierungsspule gehoben wird. Die Leistung der Stabilisierungsspule kann nun wegen des geringen Probenabstandes minimiert werden. Die Minimaltemperatur der Probe wird durch den Abstand von Haupt- und Stabilisierungsspule und der elektrischen Leitfähigkeit der Probe bestimmt.
Der mit dem Isofrequenz-Schwebeschmelz-Verfahren erreichbare Temperaturbereich ist so gross, dass fast alle leitfähigen Materialien mit einem Standardspulensystem geschmolzen und wieder erstarrt werden können.
Mängel des Zwei-Frequenz-Verfahrens wie etwa das Auslaufen der Probe beim Abkühlen durch zu niedrige Frequenz des MF-Generators oder die sehr hohen Verluste des Spulensystems entfallen beim Isofrequenz-Verfahren. Der apparative Aufwand, der früher durch Verwendung eines 12 kW Hochfrequenz- und eines 25 kW Mittelfrequenz-Generators betrieben wurde, lässt sich beim Isofrequenz-Verfahren deutlich reduzieren. Die Investitions- und Betriebskosten sind daher deutlich niedriger.
Einen weiteren Kostenvorteil stellen die eingesetzten Halbleitergeneratoren dar. Halbleitergeneratoren haben eine Faktor 10 niedrigere Ausgangsimpedanz als Röhrengeneratoren und sind damit an den zum Schwebeschmelzen verwendeten Schwingkreistransformatorlos angepasst. Die Anpassung eines Röhrengenerators senkt dessen Wirkungsgrad durch Transformationsverluste um 50% und erhöht entsprechend die Investitionskosten.
Die Isofrequenz-Schwebeschmelz-Anlage SSA463
Im Jahr 2010 wurde die verbreitet installierte Isofrequenz-Schwebeschmelz-Anlage SSA263 überarbeitet, um eine Angleichung an die neueren STS Industriegeneratoren der M400-Baureihe zu ermöglichen. Diese Überarbeitung hat einen hohen Kundennutzen, weil die Masse und Baugrösse der am Vakuumflansch montierten Komponenten deutlich reduziert werden konnte. Das neue System wird als Isofrequenz-Schwebeschmelz-Anlage SSA463 bezeichnet.
Die experimentelle Isofrequenz-Schwebeschmelz-Anlage SSA463 besteht aus einem NW100 CF Flansch, in dem sich die beiden Vakuum-Hochfrequenz-Durchführungen befinden sowie aus den Aussenschwingkreisen, welche mittels einer Konsole an dem Flansch montiert sind. Der Flansch und die beiden Aussenschwingkreise bilden eine freitragende Einheit, die bei Reinigungs- oder Justagearbeiten am Spulensystem komplett demontiert werden kann.
Die Aussenschwingkreise sind mit Spezialkabeln und den Kühlwasserschläuchen mit der Generatoreinheit verbunden, die bei dieser Anlage i.d.R. zusammen mit der Steuerung in einem 19"-Gehäuse mit 9 HE eingebaut sind. Für den Betrieb der Anlage wird ein Rückkühlaggregat mit zwei nachgeschalteten Hochdruck-Kühlkreisläufen empfohlen, welches durch den Betrieb mit entmineralisiertem Wasser einen wartungsfreien und im Sommer betauungsfreien Betrieb ermöglicht. Die Druckerhöhung für die beiden separaten Induktorkühlkreisläufe wird durch das Druckpumpaggregat DPA406 erzeugt, in dem sich auch die Durchfluss- und Temperatur- Überwachungs- Sensoren befinden.
Schwingkreiskonfiguration
Die Anlage besteht aus zwei Halbleitergeneratoren in C-Betriebsweise, die über HF- Trenntransformatoren zwei speziell für das Schwebeschmelzen konfigurierte Schwingkreise speisen. Die Parallelschwingkreise werden aus einer Kondensatorbatterie, dem Levitationsspulensystem und ihren Zuleitungen gebildet. Der für das Schwebeschmelzen nötige sehr hohe Blindstrom wird direkt in diesen Schwingkreisen erzeugt.
Die Konzeption von Schwingkreis, UHV-Durchführung und Spulensystem als eine kompakte Einheit garantiert einen höchstmöglichen Wirkungsgrad beim Schwebeschmelzen.
UHV-Durchführung
Die von STS neu konstruierte duale Durchführung zeichnet sich in erster Linie durch eine geringe Ankopplung an das durchgeführte elektromagnetische Feld und deshalb durch eine kaum bemerkbare Erwärmung aus.
Der Grund liegt in der ausschliesslichen Verwendung von nichtmagnetischen, hochleitfähigen Werkstoffen. Die Durchführung besteht aus einem Edelstahlflansch der Qualität 1.4306, in den Übergangshülsen aus gleichem Material eingeschweisst sind. Der Flansch wird von uns kundenspezifisch gefertigt. Die Übergangshülsen sind mit den Aussenrohren der koaxial aufgebauten Durchführungen verlötet. Der Isolator zwischen dem Aussenrohr und den wassergekühlten Induktorzuleitungen besteht aus dichtgesintertem
Alle Verbindungen zwischen Metall und Keramik sind UHV-tauglich vakuumhartgelötet und können bis 350° C ausgeheizt werden. Die Durchführungen sind werkseitig bis
Hochfrequenzgenerator
Beim Schwebeschmelzen wird mit einer räumlich sehr kleinen Levitationsspule geringer Induktivität gearbeitet. Die Spule ist jedoch von einem sehr hohen HF-Strom durchflossen.
Die Forderung nach einem sehr hohen Blindstrom bei einer - wegen der Gefahr von Überschlägen - möglichst geringen Schwingkreisspannung führt zur Konzeption eines Schwingkreises mit sehr grossem Schwingleitwert.
Um eine Kette von hohen Wirkungsgraden bei kleinstmöglicher Bauform zu erhalten, wird der Schwingkreis über separate HF-Trenntransformatoren von zwei Transistor-Invertern versorgt, welche direkt netzgespeist sind. Die Inverter bestehen aus einem Leistungsverstärker in 'C-Betriebsart' und einem selbstgesteuerten Oszillator, der die Ausgangsfrequenz des Inverters während des Betriebes verzögerungslos auf die jeweilige Schwingkreisresonanzfrequenz einstellt.
Die Leistungsverstärker sind mit Feldeffekttransistoren ausgerüstet, welche die DC-Zwischenkreisspannung mit einem Wirkungsgrad von über 95% in eine hochfrequente Wechselspannung umwandeln. Die vollständig digital aufgebauten Inverter werden von der Steuerung auf Überspannung, Unterspannung, Überstrom, Leerlauf sowie Überfrequenz überwacht. Eine mögliche Überspannung am Schwingkreis durch plötzliche Lastwechsel im Induktor wird aktiv begrenzt. Die beiden Inverter sind trotz ihrer hohen Leistung so kompakt aufgebaut, dass sie in einer Generatoreinheit mit nur 9 HE Bauhöhe untergebracht werden konnten.
Generatoreinheit
Die Generatoreinheit der SSA463 ist mit einer modularen Steuerung ausgestattet, um eine grösstmögliche Flexibilität bei der Anwendung zu gewährleisten. Die Generatoreinheit enthält auf der Eingangsseite im Wesentlichen Funkentstörfilter, Gleichrichtereinheiten, Tiefsetzsteller zur Erzeugung der Zwischenkreisspannung und Regelung der Generatorleistung sowie die Kühlwasserüberwachung.
Das eingangsseitig angebrachte Funkentstörfilter dämpft den leitungsgebunden emittierten Funkstörspannungspegel nach der VDE 0877 Teil 1 Richtlinie. Die Gesamtanlage sollte durch eine EMC-Messstelle vor Ort nachgeprüft werden.
Die Leistung der Schwebeschmelzanlage wird über die Zwischenkreisspannung geregelt. Die Spannungsregelung wird mit einer sehr hohen Genauigkeit von zwei wassergekühlten Tiefsetzstellern vorgenommen, welche im unteren Teil der Generatoreinheit untergebracht sind. Die Tiefsetzsteller arbeiten als DC/DC-Wandler mit einem Wirkungsgrad von über 95%.
Auf der Ausgangsseite enthält die Generatoreinheit zwei Hochfrequenzinverter, welche die DC-Zwischenkreisspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umwandeln. Hochfrequenz-Trenn- und Anpassungstransformatoren bewirken eine Potentialtrennung zwischen Induktor und Erde sowie die Anpassung des Schwingkreisleitwertes an den Inverterausgangswiderstand.
Auf der Rückseite der Generatoreinheit sind die Steckverbinder für Netz, Aussenschwingkreise, Rückkühler und Steuerung angebracht. Die Generatoreinheit steht aus ergonomischen Gründen auf dem Hochdruck-Pumpaggregat DPA406.
Kühlsystem
Beim Schwebeschmelzen wird der grösste Teil, der vom HF-Generator erzeugten Energie, in der Levitationsspule in Wärme umgewandelt. Um eine hohe Energiedichte in der Spule zu erzeugen, besteht diese aus Ø 2 x 0,5 bis Ø 4 x 0,5 mm Cu-Rohr, das einen entsprechend hohen Strömungswiderstand für das Kühlwasser aufweist.
Die Kühlung des Spulensystems und der Schwebeschmelzanlage aus dem Wasserleitungsnetz ist wegen des geringen Druckes von 2 bis 5 bar, der Gefahr der Betauung im Sommer sowie der wegen der hohen thermischen Belastung der Induktoren kurzen Wartungsintervalle nicht möglich. Aus diesem Grund ist für die Isofrequenz-Schwebeschmelz-Anlage eine Kühlung mit einem mit entmineralisiertem Wasser befüllten Rückkühlaggregat zwingend notwendig.
Die separate Kühlung der Spulen wird mit dem Hochdruck-Pumpaggregat DPA406 vorgenommen. Das DPA406 wird an das Rückkühlaggregat angeschlossen. Das Kühlwasser wird von einer Drehschieberpumpe mit Magnetkupplung mit konstant 6 l/min. durch die Spule gefördert. Der Druck kann dabei bis zu 20 bar erreichen. Die Verbindung mit der UHV-Durchführung erfolgt durch PU- Schläuche mit Swagelok-Verschraubungen.
Der Induktor-Kühlwasser-Rücklauf wird mit einem Strömungswächter auf die zur Kühlung notwendige Wassermasse überwacht. Weiterhin wird die Rücklauftemperatur des Induktorkühlwassers gemessen, um die thermische Belastung der Induktoren zu überwachen. Die Strömungswächter und der Temperatursensor sind auf die entsprechenden Errorkanäle der Steuerung geschaltet. Das DPA406 wird an das 400V 3PE Netz angeschlossen und verfügt über einen eigenen Hauptschalter. Das 19"-Gehäuse hat 6 HE und verfügt über Rollen zum Verfahren der Anlage.
Steuerung
Die Steuerung und Überwachung des Generators ist modular aufgebaut. Die einzelnen Funktionsblöcke befinden sich in 19"-Kassetten, die nach den Anforderungen des Kunden zusammengestellt werden. Die Kassetten werden in einem Modulträger eingesetzt, der ein internes BUS-System zur Verbindung der unterschiedlichen Kassetten enthält. Der Modulträger ist in der Generatoreinheit integriert oder optional mit dieser durch ein Kabel verbunden, so dass die Steuerung an beliebiger Stelle im Bedienbereich aufgestellt werden kann.
Für die Steuerung stehen eine Anzahl verschiedener Funktionskassetten zur Verfügung. In den Steuer- und Anzeigekassetten sind die wichtigsten Bedien- und Anzeigefunktionen wie HF-EIN / AUS, Spannungs- und Stromregelung und -anzeige untergebracht.
Die Kassetten mit den digitalen Überwachungsfunktionen wie Übertemperatur, Überstrom oder Wassermangel speichern das Überschreiten von Grenzwerten, schalten den Generator ab und zeigen die Art der Störung an. Nach Beseitigung der Störung werden die Fehlerspeicher vom Bediener rückgesetzt.
Zur Steuerung des Generators mit einem Prozessrechner wird eine serielle Schnittstelle auf RS232-Basis angeboten. Die Kassette ist zur vollständigen Potentialtrennung zwischen Generator und Rechner optoentkoppelt. Dieses Verfahren sichert einen störungsfreien Betrieb von Rechner und Generator bei höchster Linearität der Übertragung. Über die Schnittstelle können alle Generatorparameter mit 19 k-Baud gelesen und eingestellt werden. Die Schnittstelle ermöglicht auch eine einfach zu programmierende Anregung der Probe zur Messung physikalischer Grössen an der unterkühlten Schmelze.
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