Schwebeschmelzanlagen

Elektromagnetisch positionierendes Schwebeschmelzen

Schwebeschmelzen mit Gegenwindung

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.

Schwebeschmelzen OFHC-Cu unterkühlt

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

SSA263 mit CoCr30Mo5 Probe

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.

Schwebeschmelzprobe Al48Ti52

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.

SSA463 Spulensystem für Kleinstproben

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

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 Al2O3, das Aussen­rohr und die Induk­tor­zu­leitun­gen aus OFHC-Kupfer.

Alle Verbindungen zwischen Metall und Keramik sind UHV-tauglich vakuum­hart­ge­lötet und können bis 350° C aus­geheizt werden. Die Durch­füh­run­gen sind werk­seitig bis 10-9 mbar·l/s Helium leck­ge­testet.
 

Hochfrequenzgenerator

Beim Schwebeschmelzen wird mit einer räumlich sehr kleinen Le­vi­ta­tions­spule geringer Induk­tivi­tät gear­beitet. Die Spule ist jedoch von einem sehr hohen HF-Strom durch­flossen.

SSA463 Aussenschwingkreis mit SpulensystemDie 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

SSA463 Schwebeschmelzanlage

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.

TEMPUS auf KC-135

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.

SSA463 separater Steuerungsträger

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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