Messtechnik für Flüssigmetalle

In Metallschmelzen sind vor allem die Strömungsstruktur und, im Fall von eingeperltem Gas, die Lokalisation von Gasblasen in der Schmelze interessant. Während im Labor oft mit niedrig- schmelzenden Legierungen wie Gallium-Indium-Zinn gearbeitet wird, können in der Industrie Metallschmelzen mit Temperaturen von teilweise 1600 °C auftreten, die darüber hinaus chemisch aggressiv sein können. Je nach Einsatzszenario kommen daher invasive, nicht-invasive oder berührungslose Messverfahren zum Einsatz.

Der Einsatz von geeigneten Messtechniken ermöglicht

ein verbessertes Verständes generischer und industrieller Strömungsprobleme,
Echtzeit-Monitoring von Strömungszuständen in industriellen Anlagen, wodurch eine exakte Regelung möglich wird und somit
eine Erhöhung der Prozesseffizienz hinsichtlich Energieeinsatz und Durchsatz sowie Verringerung des Ausschusses.

Foto: Magnetohydrodynamik – Magnetfeld-Bremsen beim Stahlguss (Bild: AIFilm) ©Copyright: AI Films

Kontaktlose induktive Strömungstomographie (CIFT)

Dieses Messverfahren wurde 2004 am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelt und ermöglicht die Rekonstruktion der globalen Strömung von Schmelzen in Behältern. Sie kann z.B. im kontinuierlichen Stranggießen von Stahl oder der Kristallzüchtung eingesetzt werden.

Ultraschall-Doppler-Velozimetrie

Die Ultraschall-Doppler-Velozimetrie ist ein Verfahren zur nicht-invasiven Messung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten und eignet sich hervorragend zur Anwendung an metallischen Schmelzen. Sie ist eine der wesentlichen Strömungsmesstechniken der Magnetohydrodynamik und wird als solche für den Einsatz mit Flüssigmetallen vom HZDR kontinuierlich weiterentwickelt, insbesondere für mehrdimensionale Feldmessungen und Messungen an heißen Metallschmelzen.

Foto: ECFM small ©Copyright: Dr. Nico Krauter

Eddy Current Flow Meter

Das Eddy Current Flow Meter ist ein robuster und zuverlässiger Sensor für die induktive Durchflussmessung in Flüssigmetallen bei Temperaturen bis zu 700 °C. Es ist ein invasiver Sensor der direkt in die Strömung eingebracht wird, um eine lokale Durchflussmessung durchzuführen und ist daher insbesondere für die Anwendung in mit Flüssigmetall gefüllten Becken oder Rohren mit großen Durchmessern geeignet. Am HZDR wurden miniaturisierte Ausführungen dieses Sensors entwickelt und getestet.

Foto: TECFM small ©Copyright: Dr. Nico Krauter

Transient Eddy Current Flow Meter (TEC-FM)

Transient Eddy Current Flow Metering ist eine am HZDR entwickelte Methode zur kalibrierungsfreien Geschwindigkeitsmessung von Flüssigmetallströmungen und metallischen Festkörpern. Es wurden zwei Sensoren entwickelt, die dieses neue Messprinzip nutzen: Ein externer Sensor, der eine berührungslose Geschwindigkeitsmessung ermöglicht, sowie ein eingetauchter Sensor, der für eine lokale Geschwindigkeitsmessung direkt in eine Flüssigmetallströmung eingebracht wird.

Foto: RM Title ©Copyright: Dr. Natalia Shevchenko

Radioscopie

Die Röntgendurchleuchtung ist ein wichtiges diagnostisches Werkzeug für In-situ-Untersuchungen von Erstarrungsprozessen und Flüssigmetall-Zweiphasenströmungen. Basierend auf den lokalen Dichteunterschieden liefert diese Technik zumindest qualitative Bilder des Strömungsmusters.

Foto: Scheme Level Sensor ©Copyright: Dr. Till Zürner

Induktive Füllstandmessung

Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Flüssigmetallen ermöglicht die Bestimmung von Oberflächenposition und -form einer Schmelze in einem Behälter mittels der Induktion von Wirbelströmen. Dabei wird ein magnetisches Wechselfeld angelegt und anschließenden das resultierende sekundäre Magnetfeld mittels gradiometrischer Induktionsspulen gemessen.