Lorentzkraft-Anemometer - Verwertungsstrategien für Lorentzkraft-Anemometer in der Materialherstellung - Ilmenau

Das ForMaT-Vorhaben

Gießereifachleute träumen – nicht erst seit explodierenden Rohstoffpreisen – von Durchflussmessern, die auch für heiße, aggressive Metallschmelzen einsetzbar sind. Der Ilmenauer Forschergruppe unter Leitung von Professor André Thess ist es gelungen, ein berührungsloses Strömungsmessverfahren für diese Aufgabe zu entwickeln. Das mit dem Namen Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) bezeichnete Durchflussmessverfahren basiert auf den Prinzipien der Magnetofluiddynamik. Dieses Wissenschaftsgebiet erforscht die Kraft- und Heizwirkung von elektromagnetischen Feldern auf die Bewegung elektrisch leitfähiger Substanzen. Die LKA-Messtechnik geht auf die Beobachtung des schwedischen Nobelpreisträgers Hannes Alfvén zurück, dass sich eine Magnetfeldlinie geringfügig verbiegt, sobald sie die Strömung eines flüssigen Metalls kreuzt. Gleichzeitig übt die Feldlinie auf ihren Ursprungspunkt – zum Beispiel ein Permanentmagnet – eine kleine sogenannte Lorentzkraft aus. Die Feldlinie wirkt wie ein Tasthaar am Schnurrbart eines Katers. Das Messverfahren beruht auf der hochpräzisen Messung dieser Lorentzkraft, deren Stärke direkt proportional zur Durchflussmenge und zur elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze ist.

Die magnetischen Tasthaare besitzen gegenüber mechanischen Sensoren eine Reihe von Vorteilen: Sie halten beliebig hohen Temperaturen stand, verschleißen nicht und können zentimeterdicke Wände mühelos durchdringen. Das Messverfahren hat sich nicht nur im Labor bewährt, sondern wird bereits auch in einem Sekundäraluminiumschmelzwerk unter rauen Produktionsbedingungen erfolgreich getestet. Hierbei fließt die Aluminiumschmelze von einem Drehtrommelofen, in dem Aluminiumschrott erschmolzen wird, über offene Gerinne in einen Warmhalteofen, in dem die gewünschte Legierung für den Guss aufbereitet wird. Die Kenntnis der genauen Durchflussmenge trägt nicht nur zur besseren Prozesssteuerung und Qualitätskontrolle bei, sondern verkürzt auch in entscheidendem Maße die Verweilzeit der Schmelze im Warmhalteofen. Bei bekanntem Ofeninhalt kann eine zielgenaue Zugabe der benötigten Legierungsbestandteile erfolgen. Damit wird gleichzeitig der Prozessablauf optimiert und Energiekosten werden eingespart. Das Messverfahren lässt sich in ähnlicher Weise auch bei der Herstellung von Stahl, nach dem Stranggießverfahren, und der Herstellung von Flachglas, nach dem Floatverfahren, nutzen.
 

Die Ziele

In der ersten Phase des ForMaT-Projekts wurde ein großes Verwertungspotenzial für die Lorentzkraft-Anemometrie für die Technologiefelder Aluminium, Stahl und Floatglas identifiziert. Ziel der zweiten Projektphase ist es, die kommerzielle Verwertung der Technologie einzuleiten. Hierzu wird für den Bereich Aluminium ein bereits entwickelter industrietauglicher Prototyp eines Lorentzkraft-Anemometers mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze ausgestattet. Des Weiteren wird ein Businessplan für eine Existenzgründung am Standort Ilmenau erstellt. Für den Bereich Stahl wird ein LKA-Prototyp für die Durchflussmessung in Flüssigstahl gebaut, erprobt und auf seine Verwertbarkeit hin analysiert. Für den Bereich Floatglas wird die Machbarkeit eines in Ilmenau patentierten Konzepts für ein aktives LKA-Strömungsbeeinflussungssystem analysiert. Hierbei gilt es, die Strömungstransportvorgänge im Flüssigzinnbad zu kontrollieren und zu optimieren, auf dem die Glasschmelze erstarrt.
 

Die thematischen Schwerpunkte

Wie jedes Messgerät muss auch ein Lorentzkraft-Anemometer gründlich und sorgfältig kalibriert werden. Die Kalibrierung dient zum einen dazu, die exakte mathematische Formulierung für die Umrechnung des gemessenen Kraftsignals des digitalen Präzisions-Kraftmesssystems in die in der Anwendung interessierende Größe des Durchflusses oder des Massenstroms, aufzustellen. Zum anderen dient die Kalibrierung dazu, die Messunsicherheit des Messgeräts exakt zu bestimmen. Deshalb stellt die Kalibrierung von Lorentzkraft-Anemometern den technisch-wissenschaftlichen Hauptforschungsschwerpunkt der eingerichteten ForMaT-Innovationslabore dar. Hierbei werden folgende Methoden angewandt:
  • Experimentelle Kalibrierung unter Laborbedingungen und anwendungsnahen Strömungsverhältnissen in einer speziellen Kalibrieranlage, die mit Flüssigzinn arbeitet.
  • Hochpräzise Modellexperimente zur Kalibrierung unter Laborbedingungen in einem Niedrigtemperatur-Flüssigmetallkanal, der mit der bei Raumtemperatur schmelzflüssigen Modellsubstanz Galinstan arbeitet.
  • Experimentelle Kalibrierung in Feldversuchen bei den industriellen Partnern.
  • Theoretische Kalibrierung durch numerische Simulation der magnetofluiddynamischen Phänomene mit kommerziellen Rechenprogrammen.

Als weitere Schwerpunkte sind folgende Aufgaben zu nennen:

  • Entwicklung und Integration eines Messsystems zur berührungsfreien Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von heißen, aggressiven Metallschmelzen.
  • Entwicklung von Schutzvorrichtungen für Lorentzkraft-Anemometer gegen Staub, Wärme und Vibrationen.
  • Entwicklung von Kühlsystemen für Lorentzkraft-Anemometer.
  • Nutzung der LKA-Technologie zur Lokalisierung von Phasengrenzen in Metallschmelzen.
  • Nutzung der LKA-Technologie zur Kontrolle von Strömungstransportvorgängen in Metallschmelzen.

Die technisch-wissenschaftlichen F&E-Arbeiten werden flankiert durch umfassende betriebswirtschaftliche Maßnahmen, welche im Fall eines hinreichend großen Marktpotenzials das Ziel der Existenzgründung verfolgen. Des Weiteren werden umfangreiche Arbeiten zum Qualitätsmanagement und zur Qualitätssicherung durchgeführt.

Die Partner

An der Umsetzung sind führende Unternehmen aus dem Bereich Stahl, Aluminium und Glas beteiligt.

Kontakt

Prof. Dr. André Thess
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau
Postfach 10 05 65
98684 Ilmenau
Tel.: 03677-69-2445
Fax: 03677-69-1281
E-Mail: thess[at]tu-ilmenau.de

Prof. Dr. Katja Gelbrich
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Wirtschaftswissenschaften 
Postfach 10 05 65   
98684 Ilmenau   
Tel.: 03677-69-4080
Fax: 03677-69-4223
E-Mail : katja.gelbrich[at]tu-ilmenau.de