Beiträge zur Methodik und Anwendung der kontaktlosen induktiven Strömungstomographie

Den Strömungszustand von Metall- oder Halbleiterschmelzen auch nur ungefähr zu kennen, wäre bei vielen technischen Anwendungen, wie z. B. beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl oder bei verschiedenen Kristallzüchtungsverfahren in der Halbleiterindustrie, von großem Wert. Die Messung der Strömung stellt aufgrund der hohen Temperaturen von oft mehr als 1000 ◦ C und aufgrund der Intransparenz der Schmelzen besonders hohe Anforderungen an die Messtechnik. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wurde ein auf der Induktion in bewegten Leitern basierendes kontaktloses Messverfahren, die kontaktlose induktive Strömungstomographie (contactless inductive flow tomography (CIFT)), entwickelt, die aus der Messung der durch die Strömung verzerrten angelegten Magnetfelder ein dreidimensionales Geschwindigkeitsfeld in der Schmelze rekonstruiert.
In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob sich CIFT auch bei industriell relevanten Anwendungen wie beim kontinuierlichen Stranggießen oder beim Ziehen von monokristallinen Siliziumkristallen einsetzen lässt. Dazu wurde CIFT für ein Modell einer Stranggießanlage adaptiert und ein Messsystem mit 14 Magnetfeldsensoren entwickelt, das es ermöglicht die dominierende zweidimensionale Strömung in der Kokille für das Brammengießen mit einer zeitlichen Auflösung von 1 Hz zu rekonstruieren. In einer Versuchsreihe mit einer Zweiphasenströmung konnten bei hohen Gasdurchflüssen Übergänge zwischen unterschiedlichen Strömungsregimen visualisiert werden. Begleitende Ultraschall-Doppler Geschwindigkeitsmessungen wurden für die Validierung der von CIFT rekonstruierten Geschwindigkeitsverteilung herangezogen. Für die Anwendung von CIFT in einer industriell relevanten Umgebung wurde CIFT dahingehend erweitert, dass Gradientensonden, ein Wechselfeld als Messfeld und Tiegel mit leitfähigen Wänden eingesetzt werden können. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit waren erste Magnetfeldmessungen für CIFT an einer in der Industrie eingesetzten Czochralski-Ziehanlage. Dabei konnte gezeigt werden, dass trotz des großen Abstands zwischen Tiegel und Magnetfeldsensor das durch die Strömung induzierte Magnetfeld außerhalb der Anlage detektierbar ist. Diese Arbeit belegt, dass trotz der typischerweise sehr kleinen zu messenden induzierten Magnetfelder CIFT ein großes Potential für den Einsatz in industriell relevanten Anwendungen hat, insbesondere für die permanente Überwachung der Strömungsverhältnisse im Stahlguss.