Die Kenntnis der Strömungseigenschaften flüssiger Metalle ist in vielen industriellen Prozessen unerlässlich. Beim kontinuierliche Stranggießen von Stahl, das für über 95% der weltweiten Stahlproduktion eingesetzt wird, können durch ungünstige Strömungsverhältnisse Oberflächendefekte, unerwünschte Einschlüsse und weitere Materialfehler im Stahl entstehen und das Gießprodukt unbrauchbar machen. Eine in-line Messtechnik, wie sie beim LTT24 zum Einsatz kommt, ist daher dringend notwendig um die Flüssigmetallströmung zu kontrollieren und große Mengen an Ausschuss zu vermeiden.
Die optische Intransparenz von flüssigem Stahl verbietet etablierte optische Verfahren und die hohe Temperatur von etwa 1500°C macht ein kontaktloses Messverfahren wünschenswert. Die am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelte kontaktlose induktive Strömungstomographie (CIFT) basiert auf dem Prinzip der Induktion von elektrischen Strömen in elektrischen Leitern und nutzt dabei die hohe elektrische Leitfähigkeit von flüssigem Stahl. Ein äußeres Magnetfeld wird durch das strömende Flüssigmetall verzerrt. Diese Verzerrung kann außerhalb des Fluids gemessen werden und trägt einen „Fingerabdruck“ des gesuchten Geschwindigkeitsfeldes, welches durch die Lösung eines linearen inversen Problems rekonstruiert werden kann.
Die messtechnische Herausforderung besteht darin, dass die Verzerrung des Magnetfeldes b viele Größenordnungen kleiner als das äußere Magnetfeld B ist. Beispielsweise liegt bei einem typischerweise angelegtem äußeren B von 1 Millitesla die zu messende strömungsinduzierte Verzerrung bei nur etwa 100 Nanotesla. Dies entspricht weniger als einem halben Prozent des Erdmagnetfeldes!
Dennoch ist es mit CIFT möglich zuverlässig und robust Messungen in diesen Größenordnungen durchzuführen. Durch die Nutzung eines Wechselfeld mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 Hz können Störungen mit Hilfe des Lock-In Prinzips aus dem Messsignal herausgefiltert werden. Die Messung von Sub-Millitesla-Signalen wird durch Induktionsspulen mit über 300.000 Windungen (bei einer Größe von weniger als 30 mm!) realisiert.
Die Ansprüche an die Messtechnik sind dabei extrem:
Erforderlich sind hochsynchrone Messeingänge mit einem Dynamikbereich von 120 dB und äußerst geringem Rauschen, um eine auf 6 Größenordnungen genaue Demodulation des Signals in Amplitude und Phase zu ermöglichen. Gleichzeitig müssen die Messeingänge extrem hochohmig sein (Größenordnung 1 TOhm), um eine präzise Spannungsmessung an den Induktionsspulen zu ermöglichen, die aufgrund ihrer hohen Windungszahl einen sehr großen und temperaturabhängigen elektrischen Widerstand in der Größenordnung von 0,5 MOhm besitzen. Die sehr genauen Präzisionsmessgeräte der Serie LTT24 aus dem Hause Labortechnik Tasler sind für solche höchst anspruchsvollen Messaufgaben erste Wahl.
Im Rahmen des EU-Projektes TOMOCON konnte CIFT an der Mini-LIMMCAST-Versuchsanlage des HZDR, einem 1:6 Maßstabsmodell einer Stranggussanlage, erstmalig zur gezielten Strömungsmessung und -beeinflussung genutzt werden. Die Anlage wird mit der eutektischen Flüssigmetall-Legierung GaInSn betrieben, die eine dem Stahl ähnliche elektrische Leitfähigkeit und Dichte besitzt, aber bereits bei Raumtemperatur flüssig ist.
Die durch CIFT in Echtzeit detektierte Strömung in der Anlage kann durch Regelung einer elektromagnetischen Bremse (EMBr) beeinflusst werden. Die EMBr erzeugt hierzu ein Magnetfeld von 200 mT. Die Echtzeit-Kompensation der Effekte von Magnetfeldänderungen beim Ein- und Ausschalten der EMBr ist eine hohe Herausforderung beim Erreichen einer Messgenauigkeit von etwa 10 nT. Durch die Verbindung der am HZDR vorhandenen ingenieurtechnischen Expertise und der wegweisenden Tasler-Messtechnik konnte im Experiment eindrucksvoll die Realisierbarkeit der CIFT-Messtechnik trotz aller Herausforderungen gezeigt werden.
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