Berührungslose induktive Strömungstomographie für Modelle des kontinuierlichen Stranggießens von Stahl

Das Stranggießen von Stahl ist mit 96 % Marktanteil das weltweit wichtigste Verfahren zur Stahlherstellung. Im Gießprozess beeinflusst das Strömungsprofil in der Kokille entscheidend die Qualität des erstarrten Stahls. Um eine möglichst optimale Kokillenströmung einzustellen, werden Aktuatoren eingesetzt, die die sich bewegende Schmelze kontaktlos mithilfe der Lorentzkraft beeinflussen. Diese Aktuatoren würden auch eine Strömungsregelung ermöglichen, wenn eine geeignete Messtechnik für heiße Schmelzen vorhanden wäre. Allerdings lösen bislang verfügbare Messverfahren vor allem die Strömung im Randgebiet der Kokille auf und sind häufig in ihrer zeitlichen Auflösung limitiert. Eine neue infrage kommende Messtechnik ist die berührungslose induktive Strömungstomographie (contactless inductive flow tomography, CIFT), die aus der gemessenen strömungsinduzierten Verzerrung eines angelegten Magnetfeldes die dreidimensionale Strömung rekonstruieren kann. In dieser Arbeit wird anhand eines 1:8-Labormodells einer Stranggusskokille und numerischen Simulationen untersucht, ob CIFT bei Anlagen mit elektromagnetischen Bremsen eingesetzt werden kann. Besondere Herausforderungen entstehen aufgrund der Verzerrung des CIFT-Anregungsmagnetfeldes durch die ferromagnetische Bremse, der großen Dynamik von 6 Größenordnungen zwischen dem Magnetfeld der Bremse und dem strömungsinduzierten Magnetfeld sowie intrinsischen Strömungsoszillationen mit einer charakteristischen Frequenz im Bereich der üblicherweise verwendeten CIFT-Anregungsfrequenzen. Es wird dargelegt, dass sich CIFT in derartigen Aufbauten einsetzen lässt, wenn (a) eine geeignete Anregungsmagnetfeldstruktur erzeugt werden kann, (b) gradiometrische Induktionsspulen als Magnetfeldsensoren eingesetzt werden und (c) die Anregungsfrequenz in einem optimalen, schmalen Bereich gewählt wird. Diese Messungen werden erst durch in dieser Arbeit dargelegte theoretische und experimentell validierte Analysen der Induktionsspulen möglich, wofür Schwerpunkte auf deren Modellierung, Design und Messunsicherheit gelegt wurden. Außerdem werden für dieses Stranggussmodell erstmals experimentelle Ergebnisse mit horizontal anstatt vertikal orientierten Anregungsmagnetfeldern präsentiert. Um die Skalierbarkeit von CIFT in Richtung industrieller Anlagen zu demonstrieren, werden zum einen CIFT-Strömungsrekonstruktionen in einem heißen 1:2-Labormodell einer Kokille vorgestellt. Eine weitere Herausforderung für CIFT ist die in industriellen Kokillen typischerweise aufgebrachte ferromagnetische Nickelschicht, die eine verzerrende und abschirmende Wirkung auf umgebende Magnetfelder hat. Diese Beschichtung stellt aufgrund ihrer zeitlich und räumlich schwankenden Permeabilität eines der größten Hindernisse für die Anwendung von CIFT im industriellen Stahlguss dar. Die Auswirkung dieser Beschichtung auf CIFT wird mit numerischen Simulationen quantifiziert. Dabei werden neue, im Rahmen dieser Arbeit patentierte Anregungsgeometrien untersucht und erste Strömungsrekonstruktionen gezeigt.Continuous casting of steel is the most relevant steel casting method worldwide, with a 96 % market share. During the casting process, the flow profile in the mold has a decisive impact on the quality of the solidified steel. In order to obtain an optimal flow, electromagnetic actuators are employed to influence the melt by Lorentz forces in a contactless manner. Yet, tailored flow control is difficult, since conventional flow measurement techniques provide information with limited temporal or spatial resolution when applied to hot melts. One novel measurement technique that comes into question is contactless inductive flow tomography (CIFT), which relies on measuring the flow-induced perturbations to an applied magnetic field, and subsequent reconstructions of the three-dimensional flow. Using a 1:8 lab model of a casting mold and numerical simulations, this thesis examines if CIFT can be applied to continuous casters with electromagnetic brakes. Specific challenges arise from the distortion of the CIFT excitation field by the ferromagnetic brake, the dynamic range of 6 orders of magnitude between the magnetic field of the brake and the flow-induced magnetic field, as well as intrinsic flow oscillations with a characteristic frequency close to the CIFT excitation frequency. It is demonstrated that CIFT can be applied to these kind of setups, if (a) a proper structure of the excitation field can be achieved, (b) gradiometric induction coil sensors are employed and (c) the excitation frequency is chosen within an optimum narrow range. These measurements were enabled by novel theoretical analyses of the induction coils with corresponding experimental validation. Furthermore, for the first time, experimental results using a horizontally applied magnetic field are presented, in contrast to older experiments relying on a vertical magnetic excitation field. Additionally, this thesis presents CIFT flow reconstructions for a hot 1:2 model of a continuous casting mold, in order to demonstrate the scalability of CIFT towards industrial facilities. Moreover, the effects of ferromagnetic nickel coatings on CIFT, which are typically found in industrial casting molds, are quantified using numerical simulations. These coatings pose one of the most challenging obstacles for the industrial application of CIFT, since their temperature-dependent permeability shows temporal and spatial variations. For this scenario, new excitation geometries—developed and patented within the scope of this thesis—are investigated and first flow reconstructions are presented

Kolloquium Mikroproduktion und Abschlusskolloquium SFB 499 ; 11. - 12. Oktober 2011, Karlsruhe (KIT Scientific Reports ; 7591)

In diesem Tagungsband werden aktuelle Ergebnisse der angewandten Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Mikroproduktion vorgestellt. Die dargestellten Arbeiten und Ergebnisse stammen vom SFB 499 "Mikrourformen", dem SFB 747 "Mikrokaltumformen", der FOR 702 "Maschinen-, Werkzeug- und Prozessentwicklung für neue Verfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen über flüssige Phasen" und aus dem Umfeld des 2010 abgeschlossenen SFB 516 "Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme"

Tagungsband Mechatronik 2011: Dresden 31. März – 1. April 2011

Mit dieser sechsten Auflage der Tagung MECHATRONIK 2011 verbindet sich neben dem 10-jährigen Tagungsjubiläum (die erste Tagung fand im Jahre 2001 statt) auch gleichzeitig eine Premiere. Nachdem die ersten fünf Tagungen erfolgreich unter den Fittichen des VDI bzw. des VDI-Wissensforums stattgefunden hatten, beginnt das zweite MECHATRONIK-Dezennium in einem geänderten Format und mit neuen Verantwortlichkeiten und wird dennoch die bewährten Traditionen der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde weiter pflegen. Academia trifft Industrie — Mechatronik und mechatronische Produkte sind seit jeher geprägt durch die Verknüpfung von interdisziplinärem methodenorientierten Wissen und nutzerorientierter Produktgestaltung. Diese Verknüpfung bildet sich höchst erfolgreich speziell in der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde ab, nicht zuletzt deshalb haben deutsche Mechatronikprodukte weltweit eine exzellente Marktpräsenz. Diese enge Verzahnung ist aber ebenso im Tagungsgeschehen etabliert, wo seit vielen Jahren, im Gegensatz zu vielen anderen Ländern und internationalen Tagungen, eine gute Balance zwischen Teilnehmern aus Hochschulen und Industrie gegeben ist. Dies trifft auch auf die MECHATRONIK 2011 zu, mit 47 (70 %) Beiträgen aus Hochschulen und 20 (30 %) Beiträgen aus der Industrie bzw. Industriebeteiligung. Academia trifft Industrie — Dieser Sachverhalt wird zukünftig auch ganz transparent an den Tagungsorten und dem Tagungsumfeld sichtbar sein. Ab diesem Jahr 2011 wird die Organisation und Ausrichtung durch akademische Tagungsveranstalter durchgeführt werden. Die bisherigen wissenschaftlichen Tagungsleiter Prof. Burkhard Corves (Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule - RWTH Aachen) und Prof. Klaus Janschek (Technische Universität Dresden) werden zukünftig gemeinsam mit Prof. Torsten Bertram (Technische Universität Dortmund) für die Ausrichtung und Durchführung verantwortlich zeichnen. Als Veranstaltungsort sind entsprechende Räumlichkeiten an den beteiligten Universitäten geplant (2011 in Dresden, 2013 in Aachen, 2015 in Dortmund). Neben einer Kostenersparnis erwarten sich die Veranstalter durch das gegenüber Kongresszentren doch intimere Umfeld einen lebendigen Gedankenaustausch zwischen Wissenschaftlern, Industrievertretern und nicht zuletzt mit dem wissenschaftlichen Nachwuchs. Speziell Studierenden soll damit ein einfacherer Zugang in die Welt des wissenschaftlichen Diskurses mit Experten aus der Industrie und Praxis ermöglicht werden. Academia trifft Industrie — Eine Stärke der bisherigen MECHATRONIK-Tagungen war immer die breite fachliche Verankerung durch die verantwortliche Trägerschaft der VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (VDI-GPP) und VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (VDI/VDEGMA). Im Selbstverständnis dieser Fachgesellschaften spielt die Bereitstellung von Kommunikationsplattformen zwischen Hochschulen und Industrie eine zentrale Rolle. In den verschiedenen Fachausschüssen von VDI-GPP und VDI/VDE-GMA findet dieser Meinungs- und Informationsaustausch regelmäßig statt. Um eine breitere Fachöffentlichkeit in diese Diskussionen einzubeziehen, ist eine gemeinsame Tagung zum Thema Mechatronik eine logische und fruchtbare Konsequenz. Auch zukünftig wird der enge fachliche und institutionelle Kontakt der Tagung MECAHTRONIK zu den Fachgesellschaften aufgrund der personellen Verankerung der Tagungsveranstalter in den Fachgesellschaften VDI-GPP und VDI/VDE-GMA erhalten bleiben. Das Tagungsprogramm 2011 bietet ein breit gefächertes Angebot an aktuellen und innovativen Fragestellungen zur Mechatronik: mechatronische Produkte, Serienfertigung mechatronischer Produkte, Ressourceneffizienz, Nutzerfreundlichkeit und Akzeptanz, Entwicklungsmethoden und -werkzeuge sowie innovative Konzepte