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IN REGELMÄSSIGER FOLGE stellen wir Ihnen an dieser Stelle die wichtigsten Institutionen, Institute, Verbände und Organisationen im Bereich der elektrothermischen Prozesstechnik vor. In dieser Ausgabe im Profil: das Institut für Elektroprozesstechnik der Leibniz Universität Hannover. Lesen Sie alle Beiträge dieser Rubrik kostenlos im Internet unter: Institut für Elektroprozesstechnik der Leibniz Universität Hannover Am Institut für Elektroprozesstechnik (ETP), das an der Leibniz Universität Hannover der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik zugeordnet ist, werden Forschungs- und Entwicklungsprojekte zur industriellen Elektroprozesstechnik durchgeführt. Die Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte des Institutes liegen auf dem Gebiet der induktiven Erwärmung zum Schmelzen und Erwärmen und der Magnetofluiddynamik sowie auf dem Gebiet der elektromagnetischen Behandlung von Materialien. Die Forschungsaktivitäten des Instituts sind aufgeteilt auf den Bereich Thermische Prozesse und elektromagnetische Materialbeeinflussung, der von Prof. B. Nacke, und den Bereich Magnetofluiddynamische Prozesse und ressourcenschonende Energienutzung, der von Prof. E. Baake geführt wird. Der Schwerpunkt der zurzeit durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich der thermischen Prozesse liegt auf den Gebieten des induktiven Erwärmens zum Umformen, zum Wärmebehandeln, zur Banderwärmung und zur Induktion/Laser/Hybriderwärmung. Das Arbeitsgebiet elektromagnetische Materialbeeinflussung umfasst die Prozessierung von Materialien einschließlich der Behandlung nichtlinearer elektrothermischer und magnetofluiddynamischer Systeme und deren Optimierung. Das Arbeitsgebiet Magnetofluiddynamische Prozesse behandelt Projekte zur Analyse und Optimierung von industriellen magnetofluiddynamischen Prozessen und Anlagen. Bei der elektrothermischen und magnetofluiddynamischen Behandlung von Materialien rückten in den letzten Jahren neben den klassischen Eisen- und Nichteisenmetallen zunehmend Werkstoffe für Hochtechnologie-Anwendungen, wie Halbleiter-Silizium, -GaAs und -Ge, Titan- Aluminide und hochschmelzende Oxide sowie hochreine Gläser in den Vordergrund. Im Bereich der ressourcenschonenden und umweltverträglichen Energienutzung werden Untersuchungen zur rationellen Energienutzung auch im Hinblick auf primärenergetische und klimarelevante Auswirkungen des Einsatzes verschiedener Energieträger durchgeführt. Dazu gehören auch die thermische Analyse sowie das Energiemanagement von Gebäuden und industriellen Anlagen. Die Analyse und Verbesserung der Energieeffizienz von Anlagen der Elektroprozesstechnik, z. B. von Schmelzanlagen für Gießereien inklusive der gesamten Gießlinie nahmen in den letzten Jahren aufgrund der aktuellen Energiediskussion stark zu. Viele der durchgeführten Projekte werden in enger Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschungseinrichtungen bearbeitet. Das Tätigkeitsfeld erstreckt sich von anwendungsorientierter Grundlagenforschung bis hin zu industrienaher Entwicklung, wobei auch Untersuchungen zur rationellen, ressourcenschonenden Energienutzung in der Industrie eingeschlossen sind. Zu allen genannten Arbeitsfeldern bietet das Institut über die Forschungs- und Entwicklungstätigkeit hinaus Beratung und Dienstleistungen für Unternehmen und Behörden an. Die Beratung dient u. a. dem Knowhow-Transfer in technologischen Fragen und bei Vorhaben mit dem Ziel einer rationelleren, effizienten und nachhaltigen Energienutzung. Das Institut verfügt über vielfältige, langjährige Kontakte zu europäischen universitären Forschungseinrichtungen, die eine interdisziplinär ausgerichtete, nationale und internationale Zusammenarbeit ermöglichen. Die Aktivitäten des Instituts für Elektroprozesstechnik werden unterstützt und gefördert durch die Vereinigung zur Förderung des Instituts für Elektrowärme e.v. (EWH). Das Hauptanliegen des Fördervereins ist es, die Wissenschaft und Forschung am Institut zu fördern. Dies geschieht mithilfe von Mitgliedsbeiträgen und zweckgebundener Spenden. Zudem führt der Förderverein Auftragsarbeiten durch, erstellt Gutachten und berät bei elektrothermischen, magnetofluiddynamischen und wärmetechnischen Problemen. Zu den Mitgliedern zählen vorwiegend Industrieund Energiedienstleistungsunternehmen. Am Institut sind zusammen mit dem Förderverein derzeit neben dem Institutsleiter und dem Akademischen Direktor 14 wissenschaftliche Mitarbeiter tätig. 40 % der Mitarbeiter werden vom Land Niedersachsen finanziert, 60 % der Mitarbeiter werden aus Drittmitteln bezahlt. Die Drittmittel kommen vom Bund, von der Europäischen Union und sonstigen öffentlichen Fördereinrichtungen wie z. B. der DFG, der AiF, vom BMBF oder aus der Industrie. LEHRANGEBOT Zum Lehrangebot des ETP gehören Vorlesungen und Übungen im Umfang von 25 Semesterwochenstunden für Studierende der Elektrotechnik, der Mechatronik und für Wirtschaftsingenieure im Grundstudium und Hauptstudium. Im Grundstudium wird das Fach Technische Wärmelehre für Elektrotechniker und Mechatroniker angeboten. Für das Hauptstudium sind die Vorlesungen Elektrothermische Verfahren, 109 Folge 15 Forschung, Entwicklung, Beratung und Service Entwicklung und Optimierung von elektrothermischen Prozessen und Anlagen für: Induktive Schmelztechnik und Erwärmung von Metallen Induktive Banderwärmung Induktive Schmelztechnik für Keramiken und Gläser Thermische Behandlung von Werkstoffen, induktives Randschichthärten Elektromagnetisch beeinflusste Züchtung von Kristallen für Halbleiter und Solarzellen Elektromagnetische Beeinflussung von Werkstoffen Industrielle Elektrowärme, Modellierung elektrothermischer Prozesse, Erwärmung und Kühlung in der Elektrotechnik von Prof. Nacke sowie die Vorlesung Magnetofluiddynamik von Prof. Baake vorgesehen. Von Lehrbeauftragten werden die Vorlesungen Nutzung solarer Energien (Dr. Kleiss, Solarworld) und Innovationsmanagement für Ingenieure (Prof. Fricke, Nconsult) gehalten. Das weitere Lehrangebot besteht aus Oberstufenlaboratorien für Temperaturmesstechnik und Elektrowärmeverfahren, einer Projektarbeit zum Thema Modellierung in der Energietechnik sowie der Betreuung von Studien-, Diplom-, Bachelorund Masterarbeiten. Als Exportleistungen bietet das Institut die Vorlesung Theorie der elektromagnetischen Felder an der TU Clausthal (Prof. Baake) sowie die Vorlesung Elektrothermische Verfahren in Recycling-Prozessen an der TU Darmstadt (Prof. Nacke) an. FORSCHUNGSGEBIETE Im Bereich der elektrothermischen Prozesstechnik bildet das induktive Erwärmen, das induktive Randschichthärten sowie Verfahren zur induktiven Unterstützung von Laserschweißprozessen, im Bereich der Ressourcen- und umweltschonende Energienutzung: Energiemanagement von Gebäuden und industriellen Anlagen Energiebedarf und CO 2 -Emission von Prozesswärmeverfahren Solarenergiesysteme (Photovoltaik, Solarthermie) Infrarot-Thermografie, EMV-Messung, Energieflussmessung Problemlösung durch: Numerische Modellierung und Prozesssimulation von gekoppelten elektromagnetischen, thermischen und fluiddynamischen Effekten Experimentelle Untersuchungen an Versuchs- und Industrieanlagen Entwicklung neuer Messsysteme Beratung von Anlagenherstellern und Anwendern elektrothermischer Verfahren sowie von Energieversorgern Bild 1: Forschungsschwerpunkte des Instituts für Elektroprozesstechnik der Leibniz Universität Hannover (ETP) Magnetofluiddynamik die Simulation von Schmelzenströmungen in induktiv beheizten Schmelzöfen den Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten (Bild 1). Dabei rückten neben den klassischen Eisen- und Nichteisenmetallen in den letzten Jahren zunehmend Werkstoffe für Hochtechnologie-Anwendungen, wie Halbleiter-Silizium, Titan-Aluminide, hochschmelzende Oxide und Gläser in den Blickpunkt des Interesses. Im Bereich der ressourcenschonenden und umweltverträglichen Energienutzung werden Untersuchungen zur rationellen Energienutzung auch im Hinblick auf primärenergetische und klimarelevante Auswirkungen des Einsatzes verschiedener Energieträger durchgeführt. Die thermische Analyse sowie das Management des Energiebedarfs von Gebäuden und industriellen Anlagen zur Erzeugung von Prozesswärme gehören ebenfalls zu diesem Bereich. Im Folgenden wird zu einigen ausgewählten Arbeiten aus den Tätigkeitsschwerpunkten berichtet. Wärme- und Stofftransport in der Schmelze von Induktionsanlagen Die verfahrenstechnische Entwicklung, Auslegung und Optimierung von Induktionsanlagen zum Schmelzen und Gießen gehört seit Jahren zu den Forschungsschwerpunkten des Instituts. Zur numerischen Simulation und Analyse der komplexen instationären turbulenten Schmelzenströmungen und Temperaturverteilungen sowie des Wärme- und Stofftransports in der Schmelze von Induktionsanlagen werden am ETP dreidimensionale experimentell verifizierte Turbulenzmodelle, wie beispielsweise das Large-Eddy- Simulation(LES)-Verfahren eingesetzt, wobei die Resultate in sehr guter Überstimmung mit entsprechenden Ergebnissen aus der Praxis sind. Anwendungsbeispiele für das LES-Verfahren in industrienahen Forschungs- und Entwicklungsprojekten sind Induktionstiegel- und -rinnenöfen für den Eisen- und Nichteisenbereich, Kaltwand- Induktionstiegelöfen zum Schmelzen und Gießen von TiAl-Legierungen, Schmelzund Verzinkungsanlagen mit angeflanschten Tiegel- oder Rinneninduktoren sowie Einrichtungen zum elektromagnetischen Schwebeschmelzen. Bei vielen Schmelzprozessen sind der Transport und die instationäre Verteilung von verschiedenen Bestandteilen, z.b. in Form von Partikeln in der Schmelze von großer Bedeutung. Dabei können die partikelförmigen Teilchen sehr unterschiedliche Dichte und Korngröße haben. Vor diesem Hintergrund wurden vom ETP in Kooperation mit der Universität Lettlands in Riga Simulationsmodelle zur Nachbildung und Visualisierung des Partikeltransports im instationären Strömungsfeld von Schmelzen entwickelt und erfolgreich getestet. Die Durchmischung und der Teilchentransport lassen sich anhand transient berechneter Bahnkurven von Masseteilchen (particle tracing) dreidimensional simulieren und anschaulich darstellen. Es können auch elektrische leitende oder nicht leitende Teilchen simuliert werden, um z. B. den Einfluss der elektromagnetischen Kraftwirkung auf die Teilchen, gezielt zu untersuchen. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens ist es vor einigen Jahren erstmals gelungen, das LES-Verfahren erfolgreich zur Berechnung der instationären Schmelzenströmung und Temperaturverteilung 110 elektrowärme international im Induktions-Rinnenofen einzusetzen. Hierbei konnte der Energietransport aus der Rinne in den Ofenkessel durch transiente dreidimensionale Simulationen nachgebildet werden. Somit ist es mithilfe des LES-Verfahrens beispielsweise möglich, die Schmelzenströmung und damit den Wärme- und Stofftransport in Induktions-Rinnenöfen durch Anpassung der Rinnengeometrie gezielt zu beeinflussen. Hierdurch können Zustände, die bekanntermaßen eine Ansatzbildung fördern, vermindert werden. Weiterhin können die Auswirkungen konstruktiver Änderungen auf den Wärme- und Stofftransport untersucht werden, um so die Leistung der Induktoren optimal anpassen zu können. a) b) Bild 2: Experimentelle Anordnung (a) und numerisches Simulationsmodell (b) für das Schwebeschmelzen mit zwei horizontalen elektromagnetischen Feldern Elektromagnetisches Schwebeschmelzen Das vollkommen berührungslose elektromagnetische Schwebeschmelzen bietet eine Reihe von prozesstechnischen Vorteilen, wie beispielsweise hohe Reinheit des zu schmelzenden Materials, hohe Temperaturen der Schmelze und hohe Effizienz des Prozesses. Aber in konventionellen rotationssymmetrischen Schwebeschmelzeinrichtungen für metallische Werkstoffe werden Verteilungen der elektromagnetischen Kraftdichte erzeugt, bei welchen die vertikale Kraftdichte entlang der Rotationsachse auf null abfällt. In dem untersten Punkt auf der Symmetrieachse einer vollständig levitierten Schmelze kann daher der Ablauf und das Abtropfen praktisch nur durch die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls verhindert werden, wodurch das Gewicht der geschmolzenen Charge begrenzt wird. Dieselbe Gewichtsbegrenzung ergibt sich auch in den Kaltwandtiegel-Schwebeschmelzöfen. Daher wird das Schwebeschmelzen bisher nur für Spezialanwendungen überwiegend im Forschungsbereich mit sehr geringen Schmelzmassen eingesetzt. Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojekts ist am ETP ein neues Verfahren für das elektromagnetische Schwebeschmelzen entwickelt worden. Bei diesem Konzept werden durch die Anwendung von zwei überlagerten horizontalen Magnetfeldern, deren horizontale Feldlinien senkrecht zueinander stehen, Schwebekraftdichteverteilungen in der Schmelze erzeugt, wodurch der Ablauf und das Abtropfen der Schmelze auch auf der Achse elektromagnetisch verhindert wird (Bild 2). Somit kann das Gewicht der geschmolzenen Charge erheblich vergrößert werden. Dabei müssen die Frequenzen der Felder geringfügig unterschiedlich sein, damit sich kein Drehfeld ergibt. Neben umfangreichen experimentellen Untersuchungen zum Schwebeschmelzen mit horizontalen Magnetfeldern wurden weiterführende numerische Simulationsmodelle zur Nachbildung des dynamischen instationären Verhaltens insbesondere der freien Schmelzenoberfläche beim Schwebeschmelzen entwickelt und erfolgreich angewendet. Hierzu wurde unter Anwendung der kommerziellen Programmpakete ANSYS Classic, ANSYS Fluent und ANSYS CFX-Post ein gekoppeltes dreidimensionales numerisches Modell zur Simulation der dynamischen freien Oberflächen für elektrisch leitfähige Fluide unter dem Einfluss von elektromagnetischen Feldern entwickelt. Hierbei wird die Volume of Fluid Methode und das k-ω SST Turbulenzmodell für große Reynoldszahlen und Zwei-Phasen-Strömungen angewendet. Die Simulationsergebnisse wurden mit analytischen Berechnungen, vergleichbaren numerischen Simulationen und experimentellen Ergebnissen verifiziert. Ein Vergleich 111 Folge 15 Blechpaket Blech I Bl Bild 3: Prinzip eines induktiven Querfelderwärmers Reale Spule breites Band elektromagnetische Kompensation der Zuleitungen Reale Spule schmales Band hinsichtlich Form und Position der aufgeschmolzenen Probe zwischen der numerischen 3D-Simulation und dem Experiment hat eine gute Übereinstimmung ergeben. Aufbauend auf den Ergebnissen der numerischen Simulationen wird eine deutlich vergrößerte Zweifrequenz- Schwebeschmelz-Versuchsanlage am ETP aufgebaut. Bei den durchzuführenden Versuchen sollen insbesondere experimentelle Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Verhaltens der aufgeschmolzenen levitierten Proben und der Prozessstabilität gewonnen werden. Danach erfolgt eine Bewertung der möglichen Praxistauglichkeit im industriellen Maßstab der neu entwickelten Methode zum abtropffreien Schwebeschmelzen größerer Massen. B Vorschub Induktoren I Ind Effektive Spule Mehrere Spulenlagen Verbessern den Wirkungsgrad Zur Optimierung der Spulenköpfe Zur Verbesserung der elektromagnetischen Kompensation Bild 4: Querfelderwärmerprinzip VABID für variable Bandbreiten Entwicklung und Untersuchung flexibler Querfeld-Banderwärmer Viele Produktionslinien in der Halbzeugindustrie beinhalten als wichtigen Prozessschritt das Erwärmen von dünnen metallischen Bändern im Durchlaufbetrieb. Für die Erwärmung gibt es vielfältigste Anwendungen, die von Trocknungsaufgaben nach dem Beschichten und Lackieren, dem Galvanisieren, über die Wärmebehandlung (z. B. Anlassen oder Rekristallisationsglühen) bis hin zum Erwärmen zum Warmumformen reichen. Für diese Aufgaben werden vornehmlich gas- oder elektrisch widerstandsbeheizte Öfen eingesetzt. Diese arbeiten nach dem Prinzip der indirekten Wärmeübertragung. Die Energie wird dem zu erwärmenden Material durch Konvektion und Wärmestrahlung über dessen Oberfläche zugeführt. Hierdurch bestehen Einschränkungen und Nachteile, wie z. B. die begrenzte erreichbare Leistungsdichte, der erhöhte Zunderanfall sowie Kornvergrößerung aufgrund der langen Verweilzeiten in den Öfen. Aber auch die betrieblichen Merkmale wie großer Platzbedarf, hohe Wärmeverluste und lange Auf- und Abkühlzeiten durch die großvolumigen Ofenräume sowie die eingeschränkte Flexibilität dieser Anlagen sind für moderne Produktionsprozesse sehr nachteilig. Eine innovative Lösung der oben beschriebenen Probleme kann durch den Einsatz der induktiven Querfelderwärmung erreicht werden. So bietet diese Technologie gegenüber den konventionellen Erwärmungsverfahren zahlreiche Vorteile, wie hohe Leistungsdichten, hoher Wirkungsgrad, hohe Automatisierbarkeit und Flexibilität. Der schematische Aufbau eines induktiven Querfelderwärmers ist in Bild 3 zu sehen. Am ETP sind in den letzten Jahren umfangreiche Arbeiten auf dem Gebiet der Querfelderwärmung durchgeführt worden. Die erzielten guten Ergebnisse stützen sich im Wesentlichen auf zwei Tatsachen. Dies sind zum einen ein am Institut entwickeltes Auslegungskonzept und zum anderen die Verwendung einer Kombination aus numerischer Simulation und automatischen Optimierungsalgorithmen. Bei der automatischen Optimierung suchen spezielle Algorithmen optimale Parameter für die Auslegung von Anlagen. Die Schwerpunkte der Entwicklungen der letzten Jahre im Bereich der Querfelderwärmung zielten auf die Anwendung von Erwärmern für flexible Bandbreiten. Bild 4 zeigt das am ETP neu entwickelte und patentierte Prinzip zur Erwärmung von Bändern mit variabler Bandbreite VABID. Es stellt ein für viele Anwendungen hervorragend anwendbares und äußerst robustes Induktorprinzip dar und ist inzwischen erfolgreich im industriellen Einsatz erprobt worden. Induktives Randschichthärten Ein weiterer Forschungsschwerpunkt befasst sich mit dem induktiven Härten von Bau- und Konstruktionsteilen. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Entwicklung numerischer Simulations- 112 elektrowärme international a) b) c) Bild 5: Berechnetes Temperaturprofil (a), experimentell ermitteltes Härteprofil (b) und berechnetes Härteprofil (c) werkzeuge, die den dreidimensionalen transienten induktiven Erwärmungsvorgang präzise nachbilden können. Parallel werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die zur Verifizierung des numerischen Modells dienen und den Praxisbezug herstellen. Die Auslegung der Härteanlagen, insbesondere die Gestaltung der Induktorgeometrie und die Einstellung der Härteparameter wie beispielsweise die Frequenz des Induktorstroms oder die Einsatzleistung, erfolgt basierend auf Erfahrungswerten überwiegend experimentell. Hier sind bisher gerade bei komplizierten Härteaufgaben für diffizile Werkstückgeometrien dem induktiven Härteverfahren Grenzen gesetzt. Die numerische Simulation induktiver Erwärmungsprozesse kann einen entscheidenden Beitrag zur Auslegung von Härteanlagen für komplizierte Härteaufgaben leisten. Am ETP wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, das den dreidimensionalen transienten Erwärmungsprozess erfolgreich simuliert. Somit können Härteparameter variiert und deren Einfluss auf das Erwärmungsprofil untersucht werden. Das Simulationsmodell berücksichtigt alle für den induktiven Erwärmungsprozess verantwortlichen Phänomene. Die Materialgrößen des zu erwärmenden Gutes, die in der Regel eine starke Temperaturabhängigkeit aufweisen, besitzen einen großen Einfluss auf den Erwärmungsund Härtevorgang. Deshalb wurden die elektrischen und thermischen Materialparameter als Funktion der Temperatur implementiert. Des Weiteren wurde eine Kopplung von elektromagnetischem und thermischem Feld realisiert, da sich beide gegenseitig beeinflussen. Handelt es sich bei der Härteanordnung um einen rotationssymmetrischen Aufbau, so kann die Werkstückrotation ebenfalls berücksichtigt werden. Somit steht am ETP ein universelles Simulationstool zur Verfügung, das den transienten Erwärmungsvorgang induktiver Erwärmungsprozesse komplexer dreidimensionaler Werkstückgeometrien erfolgreich nachbilden kann. Das numerische Modell wurde bereits für eine Reihe von unterschiedlichen Härteanwendungen, wie z. B. für das Randschichthärten von Getriebesc
